Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA Nuevas prestaciones incorporadas al medidor de energía eléctrica DDS666
Autor: Roberto Carlos Martínez Caballero.
Tutor: Dr. Carlos Alberto Bazán Prieto.
Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución"
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
TRABAJO DE DIPLOMA Nuevas prestaciones incorporadas al medidor de energía eléctrica DDS666 Autor: Roberto Carlos Martínez Caballero. E-mail:
[email protected]
Tutor: Dr. Carlos Alberto Bazán Prieto. Profesor, Dpto. de Electrónica y Telecomunicaciones. Facultad de Ing. Eléctrica, UCLV. E-mail:
[email protected] Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución"
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.
Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Tutor
Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo
Firma del Responsable de Información Científico-Técnica
i
PENSAMIENTO
“Por más difícil que se nos presente una situación, nunca dejemos de buscar la salida, ni de luchar hasta el último momento. En momentos de crisis, sólo la imaginación es más importante que el conocimiento” Albert Einsten
ii
DEDICATORIA
A mis padres, que tanto han esperado este momento poniendo siempre mi educación por encima de todo. A Llella, Paco y Teti, por haberme dejado ser uno más en su familia.
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi mamá y mi papá, por apoyarme y por el amor infinito que me han brindado. A Llella, Paco y Teti, por su cariño y su confianza. A mis abuelos y mi hermano, por siempre estar a mi lado. A mi tutor Carlos Bazán, por su ayuda y disposición durante la realización de este trabajo. A mi tía Maydelin, por apoyarme en todo mientras crecíamos juntos. A mi tía abuela Nena y a mis tíos Gilberto, Leyxer y Pepito por haber contribuido en mi vida de una forma o de otra. A Dayana y Ana Martha, por ser mis modistas, consejeras y amigas. A mis compañeros de estudio, Barco, Carlos A., Sandoval, Yadiel y Allen. A Lianet, Yudis y Lily, por los buenos momentos que compartimos y nunca olvidaremos. A todos mis profesores por su ayuda docente. Y a todas esas personas que no han sido mencionadas pero que de una forma u otra también estuvieron presentes en momentos importantes de mi vida, gracias.
iv
TAREA TÉCNICA
Búsqueda bibliográfica sobre conceptos y parámetros que se emplean en la medición de energía eléctrica.
Caracterización de los distintos tipos de medidores de energía y de las prestaciones que puedan brindar.
Descripción de las principales características y funciones del medidor modelo DDS666 y del circuito integrado ATT7021.
Definición de las prestaciones posibles a implementar en el medidor DDS666.
Descripción del microcontrolador a emplear en la aplicación.
Realización de la aplicación.
Confección del informe final.
Firma del Autor
Firma del Tutor
v
RESUMEN
En el presente trabajo se exponen los diferentes tipos de medidores de energía eléctrica, sus características y las prestaciones que puedan ofrecer. El medidor DDS666 marca CHINT utiliza en el proceso de medición al circuito integrado ATT7021. Este circuito presenta dos salidas de pulsos de frecuencia que dependen de la energía consumida. Los pulsos de salida de frecuencia CF pueden ser utilizados para la calibración del medidor o para realizar una conexión con un microcontrolador. Una vez adquirida la información de energía consumida brindada por los pulsos de frecuencia se puede crear una aplicación que le añada a este medidor nuevas prestaciones. Entre las prestaciones creadas se encuentran: almacenamiento en memoria EEPROM, visualización y transmisión el valor de energía consumida.
vi
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1
Medidores de Energía Eléctrica ........................................................... 3
Fundamentos teóricos de la Medición de Potencia ................................................. 3
1.1.1
Evaluación de potencias en sistemas eléctricos .............................................. 5
1.2
Medición de Energía Eléctrica ................................................................................ 7
1.3
Tipos de Medidores de Energía. Características y funcionamiento ........................ 8
1.3.1 1.3.1.1
Medidor Electromecánico de Inducción ......................................................... 9 Principio de funcionamiento de los Medidores Electromecánicos .......... 10
1.3.2
Medidor Electrónico ..................................................................................... 12
1.3.3
Características genéricas del Medidor Electrónico ....................................... 13
1.3.4
Ejemplos de Medidores Electrónicos ........................................................... 14
1.3.4.1
Principio de operación del A200 MR ...................................................... 15
1.3.4.2
Principio de operación del A200 LCD .................................................... 16
vii 1.3.5 1.4
Ventajas que pueden ofrecer los Medidores Electrónicos ............................ 17 Medidor Electrónico modelo DDS666 (marca CHINT)....................................... 18
1.4.1
Características técnicas ................................................................................. 19
1.4.2
Etapas de medición ....................................................................................... 19
1.5
Telemedida............................................................................................................ 20
1.5.1 1.6
Aplicaciones de la Telemedida ..................................................................... 21 Intercambio de información .................................................................................. 22
1.6.1
Interfaces Hombre-Máquina (HMI).............................................................. 22
CAPÍTULO 2.
Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la información de
los pulsos de frecuencias de salida del CI-ATT7021 ........................................................... 24 2.1
Circuito Integrado ATT7021 ................................................................................ 24
2.2
Experimento para la obtención de los pulsos de frecuencia ................................. 27
2.2.1
Rectificación de los resultados experimentales variando la carga de consumo ……………………………………………………………………………...32
2.3
Requisitos para una variante tecnológica del medidor DDS666 a partir del empleo
de los pulsos de frecuencia ............................................................................................... 33 2.4
Los microcontroladores PICs. El 16F870 ............................................................. 34
2.4.1
Los microcontroladores PICs........................................................................ 34
2.4.2
El 16F870 ...................................................................................................... 35
2.5
Puertos de comunicación ...................................................................................... 37
2.5.1
Puertos Serie. El USART.............................................................................. 37
2.5.2
Norma RS-232 .............................................................................................. 37
2.5.3
Norma RS-485 .............................................................................................. 40
2.6
Características del puerto serie de la PC ............................................................... 40
2.7
Comunicación a través del puerto serie de la PC .................................................. 41
viii CAPÍTULO 3.
Diseño y programación de las aplicaciones para el medidor de energía
eléctrica DDS666 ………………………………………………………………………….43 3.1
Descripción general del hardware de la aplicación .............................................. 43
3.2
Diagrama en bloques y descripción general del software de la aplicación .......... 44
3.3
Edición y Ensamblaje de un Programa usando PCHW ........................................ 46
3.3.1
Pasos para la creación de un proyecto usando PCHW ................................. 46
3.3.2
Escritura del Código Fuente ......................................................................... 47
3.3.2.1
Directivas de Procesador ......................................................................... 47
3.3.2.2
Definición de constantes.......................................................................... 48
3.3.2.3
Declaraciones de variables globales ........................................................ 48
3.3.2.4
Prototipo de funciones ............................................................................. 49
3.3.2.5
Definición de funciones de Atención a las Interrupciones ...................... 50
3.3.2.6
Función principal ..................................................................................... 51
3.3.2.7
Definición de funciones ........................................................................... 52
3.3.3 3.4
Construcción del proyecto ............................................................................ 54 Integración y verificación ..................................................................................... 56
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 58 Conclusiones ..................................................................................................................... 58 Recomendaciones ............................................................................................................. 59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 60 ANEXOS .............................................................................................................................. 63 Anexo I.
Experimento para la obtención de los pulsos de frecuencia (CF) ................... 63
Anexo II.
Fabricantes de medidores electrónicos más reconocidos a nivel mundial .. 64
Anexo III.
Esquema de una variante del medidor de energía DDS666 ........................ 65
Anexo IV.
Plantilla de un Programa en Lenguaje C ..................................................... 66
INTRODUCCIÓN
1
INTRODUCCIÓN
La medición de energía eléctrica es desde el punto de vista económico, la más importante de las mediciones, dado que las empresas distribuidoras de energía, facturan de acuerdo a lo indicado por los medidores. Un medidor de energía eléctrica es el conjunto de elementos electromecánicos o electrónicos que se utilizan para medir el consumo de energía, que puede ser activa, reactiva y en algunos casos su demanda máxima. La unidad de medida más común en el medidor de electricidad es el kilowatt hora (kWh), que es igual a la cantidad de energía utilizada por una carga de un kilovatio durante un período de una hora. El único contacto que tenían los medidores de energía eléctrica originales con el exterior, era el indicador de la energía consumida que iba a ser consultado por un operario periódicamente. A medida que se realizan avances en la tecnología, el flujo de datos que se intercambia con ellos se ha ido incrementando. En la actualidad, se utilizan los medidores múltiples, donde un mismo equipo realiza varias funciones, como medición de potencia activa y reactiva, almacenar y transmitir los datos de las lecturas, entre otras. También existen sistemas inteligentes de medición remota y automática del consumo y parámetros del servicio eléctrico con posibilidades de control y gestión sobre el suministro. Este desarrollo permite a las empresas distribuidoras de energía eléctrica gestionar su negocio desde una perspectiva moderna. En la Fábrica de Fusibles y Desconectivos de la empresa de producciones electromecánicas en Santa Clara se ensamblan medidores DDS666 (marca CHINT). Este medidor presenta una limitada prestación a la lectura del consumo eléctrico mediante un registrador electromecánico. Es de gran interés para esta empresa adicionarle otras prestaciones a este modelo de medidor. En este sentido recientemente fue firmado un proyecto de colaboración
INTRODUCCIÓN
2
entre esta empresa y la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, con el objetivo de desarrollar una investigación que agregue nuevas prestaciones al medidor de energía eléctrica DDS666. De lo anteriormente expuesto y teniendo en cuenta el interés de esta empresa en ampliar el uso de dicho medidor surge el siguiente problema de investigación: ¿Cómo crear nuevas prestaciones, a partir del conocimiento y uso de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021, para incrementar la funcionalidad del medidor DDS666? De la interrogante planteada se desprende el objetivo general de este trabajo: Añadir nuevas prestaciones al medidor de energía eléctrica DDS666; y los objetivos específicos. Entre ellos: analizar la medición de energía eléctrica y los parámetros utilizados; describir los diferentes tipos de medidores de energía eléctrica existentes y sus características; analizar el comportamiento de los pulsos de frecuencias de salida del CI-ATT7021; definir las prestaciones a añadir al medidor DDS666 y por último diseñar la aplicación. Para darle complimiento a los objetivos presentados se plantearon las siguientes interrogantes científicas: ¿Qué parámetros son empleados para la medición de la energía eléctrica? ¿Qué características presentan los equipos disponibles en el mercado para la medición de la energía eléctrica? ¿Cuáles de las distintas prestaciones existentes en otros medidores posibilitarán un mejor empleo del medidor en cuestión? ¿Qué requerimientos debería poseer un sistema de adquisición y transmisión de la información? ¿Cuáles herramientas se emplearían para el diseño y simulación de las aplicaciones? Con este proyecto quedará disponible una herramienta que agregará nuevas prestaciones en el modelo DDS666. Estas nuevas prestaciones implementadas aumentarán la funcionalidad de este equipo, al proporcionarle nuevas herramientas que facilitan el proceso de medición de energía eléctrica.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
3
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
En este capítulo se analizan los diferentes términos y conceptos relacionados con la medición de energía eléctrica. Se hace una descripción de los distintos tipos de medidores existentes, sus funcionamientos y variadas prestaciones. Se exponen las características técnicas del medidor DDS666, sobre el cual gira este trabajo. 1.1
Fundamentos teóricos de la Medición de Potencia
Algunas de las definiciones utilizadas en la definición de potencia y energía en sistemas eléctricos se presentan a continuación. En ellas se tiene en cuenta que la mayor parte de las ondas de tensión y corriente tienen componentes armónicas, es decir, se realizará un análisis de potencia en circuitos de corriente alterna. Potencia instantánea (p(t)): se define como el producto de la tensión instantánea (v(t)) y la corriente instantánea (i(t)) (Hayt et al., 2008) : (1) Potencia aparente (S): Se define como el producto entre el valor eficaz de la onda de tensión y el valor eficaz de la onda de corriente de un sistema eléctrico y su valor indica el dimensionamiento del sistema. Por ser un escalar, no proporciona información acerca de la dirección del flujo de energía. Se expresa como: (2) Valor eficaz: El valor eficaz de una señal periódica (tensión o corriente) es una medida de su eficacia para entregar potencia a una carga resistiva. El concepto de
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
4
valor eficaz se basa en tener una tensión o una corriente alterna que entregue a una resistencia, la misma potencia promedio que una tensión o corriente continua equivalente entregaría. El valor eficaz también recibe el nombre de valor efectivo o valor rms (del inglés root-mean-square, raíz media cuadrática) y se define como: (3) √ ∫
La potencia aparente (S) se relaciona con las potencias activa (P) y reactiva (Q) mediante la expresión: √
(4)
Potencia activa (P): Es la potencia asociada con el trabajo útil realizado en un sistema, que para los sistemas eléctricos corresponde a la potencia consumida por los dispositivos pasivos o la potencia útil suministrada por una fuente de energía eléctrica. La potencia activa representa la potencia promedio consumida por una carga o suministrada por una fuente en estado estacionario y se define como el valor promedio de la potencia instantánea: ∫
∫
(5)
siendo T el periodo fundamental de las señales de tensión y corriente. Potencia reactiva (Q): Es la potencia asociada con la magnetización o polarización de los materiales en el caso de sistemas con señales sinusoidales de una única frecuencia. Esta potencia no realiza un trabajo útil, pero se debe tener en cuenta en el dimensionamiento de un sistema eléctrico ya que el sistema la requiere para su funcionamiento. En sistemas con formas de ondas no sinusoidales, esta potencia tienen en cuenta todos aquellos efectos que aumentan el dimensionamiento del sistema sin producir un trabajo útil, por cual se debe expresar como: √
(6)
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
5
Es importante resaltar que la potencia no activa estimada con la ecuación (6) no permite establecer la dirección de esta potencia pero si su amplitud. Factor de potencia (FP): El factor de potencia es la relación entre la potencia activa P y la potencia aparente S y es una medida del rendimiento de un sistema eléctrico: (7)
1.1.1 Evaluación de potencias en sistemas eléctricos Cuando las señales de tensión y corriente tienen componentes armónicas hay que establecer las ecuaciones de potencia que permiten tener en cuenta los efectos de estas componentes en el comportamiento del sistema. La expresión general de la potencia instantánea, se obtiene al considerar que las señales de tensión (8) y corriente (9) tienen M y N componentes armónicas, y reemplazando las ecuaciones (8) y (9) en la ecuación (1) (Elham, 1992). Es decir, que si la tensión y la corriente son: (8)
∑√
(9)
∑√
Si se considera que N > M, la potencia instantánea (p(t)) se puede expresar como: ∑
∑
∑
∑ )}
∑
{ ∑
(
) {
(
( ) (10)
(
)}
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
6
En (10) se observa que la potencia instantánea se puede dividir en cuatro términos: uno correspondiente a la señal de continua (potencia activa), otros términos con frecuencias iguales al doble de la frecuencia de las señales y ortogonales entre si y un último término conocido como potencia de distorsión. Para el caso de un sistema eléctrico con una única frecuencia, se puede expresar la potencia instantánea como (Suarez y Farfan, 1997): (11) donde P corresponde a la potencia activa y Q se denomina para este caso potencia reactiva; (12) ,
(13)
siendo θ el ángulo entre la tensión y la corriente. Como se muestra en la figura 1, la potencia instantánea para este caso tiene dos componentes con frecuencias del doble de la frecuencia de las señales de tensión y corriente. La potencia instantánea se puede dividir en dos potencias: una correspondiente a la señal alterna
con valor medio P y otra representada por la señal
; donde el valor máximo de esta componente (Q) se denomina potencia reactiva. donde P corresponde a la potencia activa y Q se denomina para este caso potencia reactiva: (12) ,
(13)
siendo θ el ángulo entre la tensión y la corriente. Como se muestra en la Figura 1.1, la potencia instantánea para este caso tiene dos componentes con frecuencias del doble de la frecuencia de las señales de tensión y corriente. La potencia instantánea se puede dividir en dos potencias: una correspondiente a
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
la señal alterna
7
con valor medio P y otra representada por la señal
; donde el valor máximo de esta componente (Q) se denomina potencia reactiva.
Figura 1.1 Potencia instantánea. 1.2
Medición de Energía Eléctrica
En la actualidad resulta cada vez más necesario emplear las magnitudes físicas tales como masa, tiempo, longitud, etc., para describir e investigar fenómenos y procesos tecnológicos. Para describir cada uno de los procesos u objetos no basta con conocer las características cualitativas de estas magnitudes físicas, sino que es necesario conocer sus características cuantitativas, las cuales solamente se pueden obtener por medio de las mediciones. Medición: es la determinación del valor numérico de una magnitud física por medios experimentales empleando medios técnicos especiales y cifrados en valores de magnitudes físicas tomadas como unidades (Mustelier y Barrio, 2004). Las mediciones de la energía eléctrica que se efectúan mediante medidores, se utilizan para calcular el valor de la energía que se intercambia entre consumidores y las compañías de suministro. Por ejemplo, se utiliza para el control de la energía consumida en los sistemas de distribución internas de fábricas.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
8
Los sistemas eléctricos de medida energética determinan dos tipos de variables a medir: energía y potencia.
En física: energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.
En física: potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.
Las medidas a realizar por el equipo medidor son la potencia o la energía, activa y reactiva. Para la potencia en VA y VA reactivos. Para la energía en kWh y kVAh reactivos (Grubbs, 2007). La energía (E) desarrollada entre dos instantes de tiempo t1 y t2 se determina integrando la ecuación (14): ∫
∫
(14)
El término de la energía es el valor acumulado de la potencia a lo largo del tiempo (puede ser el valor de facturación) y (14) es la de la energía total (Casellas et al., 2010). Los medidores de energía realizan la integración (14), indicando el trabajo eléctrico que corresponde al consumo de energía en forma continua. En consecuencia, la medición de la energía es la medición de la potencia con la simultánea integración en el tiempo, y un medidor de energía está implementado mediante un conversor que realiza el producto instantáneo de la tensión por la corriente, seguido de un dispositivo integrador. Dada la importancia y la extensión mundial de las redes de corriente alterna, los medidores que hoy día se utilizan son medidores o contadores de energía de corriente alterna. Los medidores de energía eléctrica de corriente alterna pueden ser adaptados para medir por separado varios tipos de energía que influyen en la tarifa. 1.3
Tipos de Medidores de Energía. Características y funcionamiento
Un medidor de energía eléctrica es el conjunto de elementos electromecánicos o electrónicos que se utilizan para medir el consumo de energía, que puede ser activa, reactiva y en algunos casos su demanda máxima. En otras palabras, es un instrumento
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
9
destinado a medir la energía mediante la integración de la potencia activa o reactiva en función del tiempo, y consta de dos partes:
Caja principal o verificadora: Es donde se encuentra el mecanismo del medidor.
Caja de conexiones o bornera: Como lo indica su nombre es donde se realizan las conexiones del medidor.
Los equipos de medida de energía eléctrica pueden clasificarse según sus características (Levy, 2009):
Tecnológicas, pudiendo ser medidores electromecánicos o electrónicos (medidores de estado sólido).
Energéticas como medidores de energía activa y/o medidores de energía reactiva.
Operativas como dispositivo de tipo registrador o programables que permiten la telegestión.
Los equipos de tipo registrador pueden ser de las dos tecnologías (Casellas et al., 2010):
Electromecánicos que permiten medir solamente un tipo de energía, kWh acumulados o kVAh acumulados, no poseen discriminación tarifaria siendo los medidores estándar electromecánicos de inducción.
Electrónicos, Automatic Meter Reading (AMR), permiten medir solamente energía acumulada, registran la medida de energía total mensual o por intervalos de tiempo predefinidos.
1.3.1 Medidor Electromecánico de Inducción La idea base para el medidor electromecánico de inducción son los estudios de Galileo Ferraris que hace un descubrimiento clave, mediante dos campos de alterna desfasados se puede hacer girar un disco sólido metálico. Este descubrimiento estimuló el desarrollo de motores de inducción y así implementar los medidores electromecánicos de inducción (Dahle, 2009).
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
10
El medidor eléctrico más común para el monofásico es el de Thomson o medidor electromecánico de inducción, patentado por Elihu Thomson en 1889, este modelo considerado como el estándar es la base de los medidores electromecánicos más modernos que han estado instalándose por más de 120 años (Colectivo_de_Autores, 2010b), (Casellas et al., 2010). El contador de inducción de energía activa, ha sido un instrumento vital para la industria eléctrica. Desde sus inicios hasta nuestros días se le han efectuado numerosas adecuaciones, principalmente para asegurar su integridad como un dispositivo de control de la energía eléctrica consumida por los usuarios. Su popularidad se debe en gran medida a su bajo costo y su aceptable exactitud en las mediadas bajo ciertas condiciones de carga. En la Figura 1.2 se muestra un ejemplo de un medidor electromecánico de inducción CHNSENTE tipo DD862.
Figura 1.2 Medidor electromecánico DD862. 1.3.1.1 Principio de funcionamiento de los Medidores Electromecánicos El medidor de inducción electromecánico opera contando las revoluciones de un disco de metal no magnético, pero eléctricamente conductor, que gira a una velocidad proporcional a la potencia que pasa a través del medidor. El número de revoluciones es por lo tanto proporcional al consumo de energía. La bobina de tensión consume una cantidad pequeña y relativamente constante de energía que no está registrada en el medidor.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
11
El disco es accionado por dos bobinas. Una bobina está conectada de tal manera que se produce un flujo magnético en proporción a la tensión y la otra produce un flujo magnético en proporción a la corriente. El campo de la bobina de tensión se retrasa por 90 grados, debido a la naturaleza inductiva de la bobina. Esto produce corrientes parásitas en el disco y el efecto es tal que se ejerce una fuerza sobre el disco en proporción al producto de la corriente, el voltaje y ángulo de fase instantánea entre ellos. Un imán permanente ejerce una fuerza opuesta proporcional a la velocidad de rotación del disco. El equilibrio entre estas dos fuerzas opuestas resultados en el disco gira a una velocidad proporcional a la potencia o la tasa de uso de la energía. El disco lleva un mecanismo de registro que cuenta revoluciones, con el fin de hacer una medición de la energía total utilizada (Schwendtner, 1996). El tipo de metro que se ha descrito anteriormente se utiliza en un suministro de corriente alterna monofásica. El disco está soportado por un eje que tiene un engranaje de tornillo sin fin que acciona el registro, como se muestra en la Figura 1.3. El registro es una serie de esferas que muestra la cantidad de energía utilizada. Las esferas pueden ser del tipo ciclómetro, como que es fácil de leer, donde para cada línea se muestra un solo dígito.
Figura 1.3 Esquema del funcionamiento del medidor electromecánico. Las características generales de estos equipos de medición están normadas por IEC 62053(2003) y ANSI C12.20(2010) para América del Norte.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
12
1.3.2 Medidor Electrónico Con el incremento de la demanda energética, las empresas generadoras de energía han entrado en un ambiente de competencia que las obliga a buscar caminos para un mejor nivel de servicio con costos reducidos. Una forma de hacer esto es con la instalación de medidores electrónicos de energía. Estos, además de medir la energía utilizada, también pueden registrar otros parámetros de la carga y de suministro, tales como tasa instantánea y máxima de las demandas de uso, tensiones, factor de potencia y la potencia reactiva utilizada. En la industria electrónica en la década de los 80 se comienzan a producir los primeros medidores híbridos, basados en medidores de inducción. (Colectivo_de_Autores, 2010a). Hacia la década de los 90, los medidores totalmente electrónicos comienzan con los modelos monofásicos para después implementar los polifásicos (Casellas et al., 2010). La mayoría de los medidores de esta primera generación fueron diseñados, simulando los procedimientos de medición de la generación previa de medidores electromecánicos o probados para implementar procedimientos de medición obsoletos (Filipski et al., 1994). Los primeros AMR son dispositivos de medida (medidores de energía en el sentido clásico) que incorporan un Micro-Controller Unit (MCU), que permite tanto automatizar el sistema como dotarlo de capacidad de comunicación con un sistema central. Se trata de dispositivos de medida que facilitan los valores de consumo eléctrico con una cadencia predefinida y que pueden transmitir la medida mensualmente o definir un periodo menor de facturación (Casellas et al., 2010). Las empresas para la fabricación de medidores electrónicos son más numerosas, como referencia se indican posiblemente las siete mayores o con más historia, ver Anexo II (Refabrica, 2010), (Berst, 2011).
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
13
1.3.3 Características genéricas del Medidor Electrónico El valor de la energía que se desea calcular sigue los siguientes procesos antes de visualizarse en el LCD (display de cristal líquido) del medidor (Harney, 2009):
Proceso de digitalización en la fase correcta los valores instantáneos de tensión y de corriente mediante un convertidor ∑Δ (sigma-delta) de alta resolución.
Cálculo del producto de las variables para obtener los valores instantáneos de potencia.
Integración de las variables calculadas a lo largo del tiempo que proporcionan los valores de las energías.
La energía activa se determina mediante el algoritmo que implementa la expresión (15): ∫
{∑
}
(15)
La estructura general de un medidor eléctrico está representada en la Figura 1.4. La diferencia principal entre los distintos fabricantes es la forma del diseño electrónico en el que se implementa el medidor, donde pueden encontrarse las siguientes opciones (Casellas et al., 2010): Dispositivo MCU de gama media o Digital Signal Processor (DSP) o dispositivo de lógica programable, las tres opciones con tecnología mixta que incluye Programable Gain Amplifier (PGA) y Analog to Digital Converter (ADC). Es el modelo básico. MCU de gama media con capacidades de cálculo como multiplicación por hardware, estructura Reduced Instruction Set Computer (RISC) con periféricos de comunicaciones, memoria de varios tipos y elementos analógicos-mixtos ADC con PGA. MCU de gama baja que se dedica a la gestión global del sistema y es más cómoda su programación, rodeado de una serie de periféricos similares al caso anterior donde se ha añadido uno basado en DSP o un dispositivo de lógica programable con los elementos de tecnología mixta necesarios.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
14
Figura 1.4: Estructura genérica de un medidor. El dispositivo puede ser de tipo: -
Básico: sensores, calculador y generador de pulsos.
-
Medio: al anterior añade una MCU y sus periféricos.
-
Avanzado: incluye también varios elementos de comunicaciones.
1.3.4 Ejemplos de Medidores Electrónicos Elster Group es una de las mayores empresas para la fabricación de medidores electrónicos. Es un proveedor mundial de productos avanzados de medición y soluciones inteligentes de medición según (Berst, 2011) y (Refabrica, 2010). Los medidores monofásicos A200 (ELSTER) presenta dos versiones que son: el A200 MR (registrador electromecánico) mostrado en la Figura 1.5 y el A200 LCD en la Figura 1.6. La ventaja del medidor con registrador electromecánico, es que puede ser leído aun cuando no hay tensión en la red por un posible desperfecto. El rango de corriente puede ser de 5-60A o de 10-100A. Las tensiones nominales del medidor son 220V para 50Hz o 60 Hz y 120V, 220V para 60 Hz. Los medidores cuentan con salida de pulsos opcional. El número de pulsos es proporcional a la energía activa. La fuente de alimentación de este tipo de medidores de bajo costo, es capacitiva y está protegida frente a pulsos de alta tensión. Estos medidores poseen un circuito impreso único en donde están dispuestos el display y la fuente de alimentación.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
Figura 1.5 Contador A200 MR.
15
Figura 1.6 Contador A200 LCD.
1.3.4.1 Principio de operación del A200 MR El medidor tiene una fuente de alimentación capacitiva protegida contra picos de alta tensión, que toma la tensión de línea y proporciona 5 Volts regulados al circuito. La fuente de alimentación posee una protección con un varistor de alta energía, que le permite soportar impulsos de 12 kV con una impedancia del generador de solo 2 ohm. El circuito integrado de medición de energía, que se muestra en la Figura 1.7, recibe muestras de la tensión a través de un divisor resistivo y de la corriente a través de un shunt de aleación de cobre. Por medio de estas muestras, el circuito integrado computa la energía y proporciona pulsos cuya cantidad es proporcional a la energía activa. Una salida del integrado activa al motor paso a paso del registrador electromecánico, que cuenta y registra la energía activa. Otra salida se conecta a un led rojo, utilizado para la prueba del medidor y a un opto acoplador que proporciona una salida de pulsos opcional.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
16
Figura 1.7 Diagrama en bloque del A200 MR. 1.3.4.2 Principio de operación del A200 LCD El medidor A200 LCD tiene el mismo tipo de fuente de alimentación capacitiva protegida contra picos de alta tensión que el A200 MR. Este medidor utiliza un microcontrolador que, por medio de dos entradas analógicas, toma las muestras de la línea, de corriente y de tensión provenientes del shunt y del divisor resistivo. Este microcontrolador convierte esas señales análogas en digitales, con ADCʼs (convertidor analógico a digital) y computa la energía por medio de un algoritmo. Los valores de energía son enviados a un registro del microcontrolador, cuyo valor se guarda en una memoria EEPROM (memoria no volátil) en caso de corte de energía. El microcontrolador también controla el display LCD y tiene una salida de pulsos utilizada para activar el led rojo y la salida de pulsos opcional, como se muestra en la Figura 1.8. En este caso, el medidor es calibrado mediante un software en fábrica, insertándole las constantes de calibración adecuadas, las que son almacenadas en la EEPROM junto con las configuraciones.
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
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Figura 1.8 Diagrama en bloque del A200 LCD. 1.3.5 Ventajas que pueden ofrecer los Medidores Electrónicos Entre las ventajas de los medidores electrónicos de energía se tiene:
Alta exactitud y precisión en la medición, en comparación con los de inducción y electromecánicos. Esto es debido principalmente a dos factores; primero el uso de sensores de estado sólido para captar las ondas de tensión y corriente -reemplazando las bobinas de corriente y tensión de los medidores de inducción y electromecánicos- y segundo el procesamiento de datos en el dominio digital.
Mayor control sobre el consumo de energía al disponer de información tanto para el consumidor como para la empresa prestadora de servicio (potencia activa, reactiva, factor de potencia, etc.).
Puede almacenar otras variables como KWh, KVAh, KVARh, eventos en tensión (huecos y elevaciones), lo cual permite realizar un mejor estudio de la calidad de energía que se está prestando.
Le permite a la empresa el uso de esquemas tarifarios, que se adapten a la curva de
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
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demanda.
Se pueden establecer planes de automatización de la lectura, evitando el error humano en la realización de la lectura de la medida.
La posibilidad de implementar la "energía prepago" mediante tarjetas inteligentes (smart cards) lo cual permitirá tener un mejor control sobre la energía consumida beneficiando principalmente a los usuarios.
Resumiendo se puede decir que los medidores electrónicos han superado en funcionamiento a los medidores electromecánicos en términos de funcionalidad y utilidad (Paul, 1998). 1.4
Medidor Electrónico modelo DDS666 (marca CHINT)
Unos de los medidores de energía eléctrica más utilizados en Cuba, es el medidor marca CHINT modelo DDS666 de fabricación China. Estos medidores electrónicos monofásicos poseen un amplio display de medición, como se puede observar en la Figura 1.9. Sus características principales son: estructura estable, larga vida, alta estabilidad y elevada fiabilidad. Posee una interfase de salida para adquisición de datos y comprobación del mismo. Poseen una función de control anti-robo de electricidad (Mechint, 2013).
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
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Figura 1.9 Medidor DDS666.
1.4.1 Características técnicas
Clase de precisión 1.0, 2.0.
Frecuencia de referencia 60Hz ± 5%.
Tensión de referencia 220V.
Dimensiones 110 x 168 x 65 mm.
Límites de la tensión de referencia 70% ~ 120% Un.
Rango de corrientes 5(20)A, 5(30)A, 10(40)A, 10(60)A, 15(60)A, 15(100)A, 20(80)A, 30(100)A.
Consumo del circuito de tensión ≤ 1,5W (6VA).
Consumo del circuito de corriente ≤ 2,6VA.
Temperatura de trabajo -25ºC ~ +55ºC.
Límites de temperatura de trabajo -40ºC ~ +70ºC.
1.4.2 Etapas de medición Este medidor eléctrico se puede dividir en tres etapas: acondicionamiento de información, procesamiento de señales y visualización. En la Figura 1.10 se muestra el esquema de los bloques que describe a este medidor digital de energía eléctrica.
Figura 1.10 Etapas del medidor digital de energía eléctrica. A continuación se describen brevemente las tres etapas que forman al medidor digital de energía DDS666. Etapa de acondicionamiento de información: Esta etapa tiene los sensores que realizan la monitorización tanto de la corriente como de la tensión del sistema y está formada por:
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
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Los divisores de tensión que se encargan de establecer una tensión proporcional a la tensión del sistema (de menor valor) para que esta sea adquirida y digitalizada por el ADC.
Los sensores de corriente, los cuales establecen una tensión proporcional a la corriente que circula por el conductor que está siendo sensado y que luego es adquirida y digitalizada por el ADC.
Etapa de procesamiento de señales: La etapa de procesamiento de señales está contenida en el circuito integrado ATT7021 que realiza el proceso de la medición de energía eléctrica, para el cual consta de los ADCʼs, filtros, entre otros. Etapa de visualización: En la etapa de visualización el medidor DDS666 cuenta con un registrador electromecánico. Este registrador cuenta con tambores mecánicos giratorios de 6 dígitos. El registrador está compuesto por un contador mecánico y un motor paso a paso. El DDS666 emplea en el proceso de medición el circuito integrado ATT7021, el cual tiene como entrada las señales analógicas sensadas de corriente y de voltaje, y como salida tres pulsos de frecuencias (F1, F2 y CF). CF está destinado a la calibración, F1 y F2 son utilizados por el motor paso a paso de contador electromecánico. Las características fundamentales de estas señales se explicarán en la sección 2.1. La calibración del DDS666 se realiza mediante hardware, conectando o desconectando puentes que están en paralelo con los resistores del divisor de tensión. Según el error de energía inicial del medidor (que se obtiene tomando el led rojo del medidor y un adecuado banco de prueba), se computa la corrección necesaria del valor de tensión de muestra y por ende, la modificación del divisor resistivo. Conocer este cambio de resistor permite seleccionar los puentes a conectar o desconectar. 1.5
Telemedida
Es la medida del consumo de energía de un usuario y gestión de la misma por sistemas de control a distancia. Cualquier sistema necesita: o Medidores de energía con emisor de impulsos
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
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o Concentradores de impulsos o Sistemas de transmisión de la información, bien por redes de baja o media tensión, redes telefónicas, radio o cualquier otro método Las aplicaciones de la lectura automática son diversas y simplifican el uso de los recursos mejorando la calidad del servicio y las prestaciones. 1.5.1 Aplicaciones de la Telemedida Control del consumo Al poder almacenar continuamente los datos emitidos por los medidores, se puede hacer una facturación instantánea al hacer lecturas de medidores y conocer los consumos de cada usuario, y se pueden realizar cálculos estadísticos de consumo y conocer las curvas de demanda de energía de un usuario, de un conjunto de usuarios o de un centro de transformación, muy útiles para hacer las previsiones de consumo por parte de la compañía generadora. Esto también es muy útil porque el almacenamiento de los datos para las estadísticas de cada usuario hace que éste pueda realizar un mejor control de su propio consumo, eligiendo la tarifa que mejor se le adapte o modificando su consumo para controlar el gasto. Otra aplicación es realizar el control de los interruptores de control de potencia (ICP) y realizar la desconexión de un circuito que consume más de la potencia contratada. Control de las tarifas Se puede tener un control sobre las tarifas pudiendo hacer un cambio de las mismas para cualquier usuario, cambios en los complementos de tarifa, realizar discriminaciones horarias según las tarifas o definir los días en los que la tarifa es distinta (sábados y festivos). Control de las redes Se puede tener un control sobre las redes de distribución, con lo que se hace una racionalización de la energía, cortando y restableciendo el suministro a distancia en los momentos que se produzcan fallos en líneas. Esto permite tener un máximo
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
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aprovechamiento de la potencia disponible en cada lugar, mediante el estudio y análisis de curvas de carga instantáneas que permiten realizar conexiones y desconexiones instantáneas de circuitos que no sean prioritarios transmitiendo las órdenes oportunas por la red a los medidores de energía correspondientes. 1.6
Intercambio de información
El único contacto que tenían los medidores de energía eléctrica originales con el exterior, era el indicador de la energía consumida que iba a ser consultado por un operario periódicamente. A medida que se realizan avances en la tecnología, el flujo de datos que se intercambia con ellos es mucho mayor, ya que no sólo hay que tener un sistema que capte la lectura del medidor. En el momento en el que se pretenden sustituir las visitas periódicas de los operarios por lecturas automáticas aparecen nuevos problemas y nuevas soluciones. En primer lugar el medidor de energía ya no es un aparato electromecánico que únicamente sirve para visualizar un registro, sino que pasa a tener partes electrónicas que sirven para controlarlo que necesitan ser programadas y actualizadas cada cierto tiempo. En caso de fallo, hay que tener acceso directo tanto al medidor como al registrador para comprobar lo que no funciona correctamente y poder hacer las modificaciones correspondientes. Y por último hay que tener un acceso a distancia para recibir los datos que genera el medidor y poder hacer cambios en el mismo tales como actualización de horarios de tarificación, actualizaciones del software, cambios en la identificación, en el protocolo, etc. 1.6.1 Interfaces Hombre-Máquina (HMI) La introducción de las nuevas tecnologías en los equipos e instalaciones de medida, donde el control está distribuido y hay una supervisión informatizada de los procesos, alejan al hombre del control directo de los procesos que se ejecutan. Aparece el diálogo persona-máquina a través de interfaces computarizadas para la supervisión y el control, así como para la gestión del mantenimiento de dichos sistemas. Para ello se utilizan terminales inteligentes con E/S pensados para realizar Interfaces Hombre Máquina, como:
CAPÍTULO 1. Medidores de Energía Eléctrica
Equipos con LCD gráfico, LCD de texto.
Pantalla táctil.
Teclados.
Lectura manual ficheros.
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CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la información de los pulsos de frecuencias de salida del CIATT7021
En este capítulo se analizan las características fundamentales del CI-ATT7021, que es el componente principal del medidor de energía DDS666. A través de un experimento, se comprueba el funcionamiento del medidor de energía a partir de los pulsos obtenidos. También se define la propuesta para la aplicación y se describen los elementos fundamentales que están implicados en estas. 2.1
Circuito Integrado ATT7021
Como se ha planteado anteriormente el modelo DDS666 utiliza el circuito integrado ATT7021 en la medición de energía eléctrica. Este circuito presenta una alta exactitud, un amplio alcance dinámico, alta estabilidad, una longevidad por encima de 20 años, entre otras características enumeradas en el “Manual de Usuario ATT7021” (2012). A continuación se muestra, en la Figura 2.1, el diagrama de terminales de este circuito:
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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Figura 2.1 Diagrama de terminales del CI-ATT7021. Los terminales de este circuito pueden clasificarse según sus funciones de forma diferente. Entre los terminales se encuentran algunos que pueden ser: terminales de entrada, terminales de configuración o terminales de salida. A continuación se describen los terminales relacionados con la medición y configuración del circuito integrado según su clasificación: Terminales de entrada
V 1P, V1N: Canal de entrada de corriente analógica.
V 2N, V2P: Canal de entrada de voltaje analógico.
Terminales de configuración
SCF: Selector de calibración de frecuencias.
S1, S0: Selector de frecuencias para el conversor de frecuencia digital.
G1, G0: PGA selector.
Terminales de salida
F2, F1: Salidas de baja frecuencias.
CF: Salida de alta frecuencia.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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En la Figura 2.2 se presenta el diagrama de bloques de este circuito, para describir su funcionamiento. Las señales de corriente y voltaje analógicas se adquieren por los canales correspondientes V1 y V2, estas señales se convierten a digital con los convertidores análogo-digital sigma-delta de 16 bits. Las señales digitales, de corriente y voltaje, son filtradas para eliminar los componentes distintos a la frecuencia principal de 60 Hz y multiplicadas con un ajuste a punto fijo de 20 bits para obtener la potencia x. Del resultado se eliminan los componentes de frecuencia no deseados a través de filtrado paso bajo y finalmente el valor de la potencia se convierte a frecuencia. La frecuencia de los pulsos de salida (F1 y F2, CF) varía según la potencia consumida. Estos pulsos serán utilizados en este trabajo para la creación de nuevas prestaciones al modelo DDS666.
Figura 2.2 Diagrama en bloques del funcionamiento del circuito integrado ATT7021. Unos de los terminales del CI-ATT7021 son las salidas de frecuencias F1 y F2. También conocidas como razón del pulso y están relacionadas a las señales de voltajes de entrada mediante la siguiente ecuación: (15)
donde V1 y V2 son las señales diferencial de voltaje(rms) en los canales 1 (corriente) y 2 (voltaje) respectivamente. G es el valor de ganancia seleccionado en el PGA (Amplificador
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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de Ganancia Programable) mediante las entradas lógicas G0 y G1, como se observa en la Tabla 2.1 y Figura 2.2. de
es el voltaje de referencia con un valor de 2.5V
8%. El valor
se obtiene a partir de la configuración de las entradas lógicas S0 y S1; mientras
que CF depende además de la configuración de SCF, ver Tabla 2.2 y Figura 2.2. G1
G0
Ganancia de V1
0
0
1
0
1
2
1
0
8
1
1
16
Tabla 2.1: Selección de ganancia. SCF S1 S0 100 000 101 001 110 010 111 011
(Hz) 1.7 3.4 6.8 13.6
CF (Hz) 128xF1,F2 64 xF1,F2 64 xF1,F2 32 xF1,F2 32 xF1,F2 16 xF1,F2 16 xF1,F2 2048 xF1,F2
Tabla 2.2: SCF, S1, S0 vs frecuencia CF. Los pulsos de salida CF dan la información de la potencia real instantánea, su valor se puede estimar a partir de la Tabla 2.2. Esta salida puede ser usada con el fin de calibración o para conectarse con un MCU. Mientras que las salidas F1, F2 son utilizadas por el motor paso a paso del contador electromecánico del medidor de energía DDS666. 2.2
Experimento para la obtención de los pulsos de frecuencia
Para un mejor entendimiento del comportamiento de los pulsos de frecuencias se realizó un experimento con el medidor de energía DDS666. La carga empleada fue una lámpara incandescente de 200W. En el Anexo I se puede observar el montaje práctico del experimento. En este se realizó una medición de los parámetros iniciales de voltaje (V) y de corriente (I). Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Voltaje (V) = 225.2 V.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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Corriente (I) = 0.915 A.
La configuración de las entradas lógicas está implementada en el circuito impreso del medidor de energía DDS666. Esto también se puede observar en el esquema de una variante del medidor de energía DDS666, que se presenta en el Anexo III. Con un análisis visual de este circuito impreso se determinó que la configuración es la siguiente:
G0 = G1 = 0, por tanto G = 1 (ver Tabla 2.1).
SCF = S0 = 0 y S1 = 1, por tanto
y CF = 16 x F1, F2 (ver Tabla
2.2). El cálculo de V1´ se realiza a partir del circuito equivalente del acondicionador de la señal de entrada de corriente mostrado en la Figura 2.3, el cual presenta un transformador de corriente (TC) a la entrada. El voltaje diferencial (V1´) depende de la corriente de entrada, convertida a voltaje a partir de las resistencias shunt R1 y R2 con valor de 2Ω cada una. Esta corriente de entrada es el doble de la corriente medida en la práctica, debido a que las dos fases se suman en el TC. Luego de analizadas las condiciones iniciales se obtiene:
Finalmente la calibración se realiza mediante puentes (jumper, J) ubicados en el circuito impreso, que se representan en la Figura 2.3 a través de ∑RJ y ∑RJ´. Esta calibración proporciona el voltaje de entrada V1. El valor de V1 se obtuvo mediante la realización de una medición obteniéndose un valor aproximadamente igual a 2.8 mV.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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Figura 2.3 Circuito acondicionador de la señal de corriente. El cálculo de V2 se realiza a partir del circuito equivalente del acondicionador de la señal de entrada de voltaje mostrado en la Figura 2.4, que brinda el voltaje diferencial V2.
Figura 2.4 Circuito acondicionador de la señal de voltaje. Igualmente, ∑RJ son las resistencias de calibración ubicadas en el circuito impreso (ver Anexo III). Vistas las condiciones iniciales se puede decir que:
∑
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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A partir de la ecuación (15) se obtienen los valores de F1 y F2, los que permiten calcular el valor de CF:
Los resultados anteriores constituyen un análisis teórico a partir de los valores medidos. A continuación se realiza la medición práctica de los pulsos de frecuencias CF. Para la extracción de los pulsos con un osciloscopio digital se polarizó el transistor de salida del opto-acoplador NEC2501 (ver Anexo III), con una resistencia de 4.7 KΩ, como se muestra en la Figura 2.5.
Figura 2.5 Polarización del opto-acoplador para la captura de los pulsos. La forma de onda de los pulsos obtenidos con un osciloscopio digital (RIGOL, 2007) se puede ver en la Figura 2.6. La frecuencia de estos pulsos, que se muestra en la Figura 2.7, es aproximadamente igual a la calculada anteriormente.
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Figura 2.6 Forma de onda de los pulsos CF (Ancho del pulso aproximadamente igual a 87.62ms).
Figura 2.7 Frecuencia de los pulsos CF (Periodo de los pulsos aproximadamente igual a 11s y frecuencia de los pulsos aproximadamente igual a 0.09Hz) La potencia consumida se puede calcular según las condiciones iniciales de voltaje y corriente, de la siguiente forma:
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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A partir de los resultados obtenidos de la frecuencia de los pulsos se puede comprobar los valores de potencia consumida. El medidor empleado en el experimento tiene como dato la característica de emitir 1600 pulsos (CF) por cada 1kWh de energía consumida (1600imp/kWh). Los pulsos (CF) obtenidos por el osciloscopio digital presentan una frecuencia aproximadamente igual a 0.09Hz y un periodo de 11 segundos (como se puede ver en la Figura
2.7).
Entonces
por
cada
3600
segundos
(una
hora)
se
obtendrán
327.27imp/segundos. Por tanto, si 1600 pulsos equivale 1kWh, entonces 327.27 pulsos dan un consumo de potencia igual a 204.5W. Comprobando así que los valores esperados son aproximadamente igual a los obtenidos. 2.2.1 Rectificación de los resultados experimentales variando la carga de consumo Se realizó un ensayo parecido al anterior pero con otra carga de consumo. En este ensayo se conectó una lámpara incandescente de 100W de potencia. Mediante el osciloscopio se capturó la forma de los pulsos y su frecuencia, como muestran las Figuras 2.8 y 2.9 respectivamente.
Figura 2.8 Forma de onda de los pulsos CF (Ancho del pulso aproximadamente igual a 87.62ms)
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Figura 2.9 Frecuencia de los pulsos CF (Periodo de los pulsos aproximadamente igual 22.67s y frecuencia de los pulsos aproximadamente igual a 0.04Hz Para una carga de 100W se obtuvieron pulsos con frecuencia aproximada de 0.04Hz y de periodo 22.67 segundos, según la Figura 2.9. Entonces, por cada 3600 segundos se obtendrán ahora 158.8 pulsos de frecuencia. Y si por cada 1600 pulsos de frecuencia se consume 1kWh, entonces la potencia consumida será igual a 99.3W, quedando de esta forma comprobados los resultados prácticos obtenidos. También se puede llegar a la conclusión de que el ancho del pulso no varía con respecto a la carga consumida. Esto se puede corroborar en las Figuras 2.8 y 2.9. 2.3
Requisitos para una variante tecnológica del medidor DDS666 a partir del empleo de los pulsos de frecuencia
En este apartado se abordan los requisitos a lograr para una propuesta de variante tecnológica al modelo de medidor de energía DDS666. Concretamente estos son los siguientes:
Guardar periódicamente en memoria los valores de medición de energía.
Visualizar el consumo de energía en un display LCD.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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Transmitir los datos de la medición, a través de la comunicación serie a una PC.
Estas nuevas prestaciones permiten un mejor monitoreo del consumo de la energía eléctrica. Estas prestaciones, son de gran interés para la Fábrica de Fusibles y Desconectivos de la empresa de producciones electromecánicas en Santa Clara donde se ensamblan medidores DDS666. Para estas funciones se hará uso de un microcontrolador PIC (Peripheral Interface Controller), como dispositivo principal. El PIC que como centro de procesamiento dependerá de otros componentes para cumplir con todos los requerimientos planteados. El hardware de estas prestaciones está compuesto por un display LCD conectado a un puerto del microcontrolador PIC 16F870, la memoria EEPROM interna y el subsistema de comunicación serie. En la comunicación serie se pueden emplear convertidores de norma, como RS-232 o RS-485, para conectarse a una PC. 2.4
Los microcontroladores PICs. El 16F870
En los últimos tiempos los microcontroladores ha revolucionado el mundo de las aplicaciones electrónicas. Dada su facilidad de uso, programación e integración se han convertido en una potente herramienta de control. En este apartado se dará breves características de los mismos así como del PIC que se utilizará en la aplicación a crear. 2.4.1 Los microcontroladores PICs Los microcontroladores PICs son fabricados por una gran variedad de productores a nivel mundial, destacándose cuatro compañías: National, Philips, Motorola y Microchip. Esta última es la más prestigiosa en este renglón. Las características de los PICs producidos por estos gigantes son muy similares así como sus prestaciones (Medina, 2008). Explicado mediante términos sencillos, se define a un microcontrolador como un circuito integrado (conocido como chip) que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, memoria y unidades de E/S, es decir, se trata de una computadora completa en un solo circuito integrado. Aunque sus prestaciones son limitadas si las
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comparamos con las de cualquier ordenador personal, además de dicha integración, su característica principal es su alto nivel de especialización (Palazzesi, 2006). Las familias de microcontroladores, desarrollada por la casa Microchip, se dividen en cuatro gamas, enana, baja, media y alta. Las principales diferencias entre estas gamas radica en el número de instrucciones y su longitud, el número de puertos y funciones, lo cual se refleja en el encapsulado, la complejidad interna y de programación, y en el número de aplicaciones. La selección de un PIC debe ajustarse a las necesidades, evitando así usar un chip más potente de lo que en realidad se necesita, y no invertir dinero en recursos que no interesan. Precisamente esta amplia gama de subsistemas, sumado a la plasticidad, la enorme cantidad de información sobre el tema y bajos precios hace que los microcontroladores PICs sean candidatos de alto valor para el desarrollo de aplicaciones como las que se proponen. La posibilidad de almacenar el programa de una manera sencilla, empleando ICSP (In-Circuit Serial Programmed), es otra ventaja a tomar en consideración. 2.4.2 El 16F870 El modelo 16F870 posee varias características que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para ser empleado en diversas aplicaciones. El diagrama de terminales de este microcontrolador se muestra en la siguiente figura (Herrera y Hernández, 2004). El 16F870 es seleccionado para esta aplicación preliminar, debido a los recursos que posee, que se describen a continuación.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
Figura 2.10 Diagrama de terminales para el 16F870. Características 1. Memoria de Programa tipo Flash 2K (palabras de 14 bits). 2. Memoria Datos 128x8 bytes. 3. EEPROM 64x8 bytes. 4. 22 terminales de Entrada/Salida. 5. Soporta Xtal 20MHz. 6. Voltaje de Operación: 2.0 hasta 5.5VDC (Microchip, 2003). Periféricos 1. 1 Conversor A/D de 10-bits (8 canales). 2. 2 Módulos CCP (Captura, Comparador, PWM). 3. 1 Modulo I2C. 4. 1 USART (Puerto Serie).
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CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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5. 2 Timers de 8 bits. 6. 1 Timer 16 bits (Microchip, 2003). 2.5
Puertos de comunicación
Los puertos de comunicación son la forma de poder comunicar el medidor eléctrico a un ordenador para realizar un intercambio de datos. Dependiendo del flujo de datos que se vayan a enviar y a recibir, será necesario utilizar un puerto de comunicaciones u otro. Existen distintos tipos de transmisiones de datos dependiendo de cómo se produzca el envío de la información (Serra y Bosch, 2008). o Transmisión Simplex: La transmisión de datos se produce en un solo sentido. Siempre existen un nodo emisor y un nodo receptor que no cambian sus funciones. o Transmisión Half-Duplex: La transmisión de los datos se produce en ambos sentidos pero alternativamente, en un solo sentido a la vez. Si se está recibiendo datos no se puede transmitir. o Transmisión Full-Duplex: la transmisión de los datos se produce en ambos sentidos al mismo tiempo. Un extremo que está recibiendo datos puede, al mismo tiempo, estar transmitiendo otros datos. Igualmente es importante tomar en consideración las características relacionadas con la aplicación, por ejemplo: la distancia entre el receptor y el transmisor, el medio físico empleado en la comunicación, entre otros. Por estas razones, a continuación se analizan elementos relacionados con los puertos y algunas normas. 2.5.1 Puertos Serie. El USART El puerto serie, también llamado puerto de comunicación (COM), es bidireccional. La comunicación bidireccional permite a cada dispositivo recibir datos, así como también transmitirlos. Los dispositivos series usan distintos terminales para recibir y transmitir datos. Usando un solo terminal se limitaría la comunicación a half-duplex, esto quiere decir que la información solamente podría viajar en una dirección a la vez. Usando distintos terminales, permite que la comunicación sea full-duplex, en la cual la información puede
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viajar en ambas direcciones al mismo tiempo. Los puertos series dependen de un chip especial como controlador, el Universal Synchronous Asynchronous Receiver / Transmitter (USART), para funcionar correctamente. El USART toma la salida paralela del bus del sistema de la computadora y lo transforma en forma serie, para transmitirse a través del puerto. Para que funcione más rápido, la mayoría de los USART tienen un buffer integrado que varía de 16 a 64 Kbyte de capacidad. Este buffer permite almacenar datos que vienen del bus del sistema, mientras procesa los datos de salida (por el puerto serie). La mayoría de los puertos serie tienen una velocidad de transferencia de 115 Kbps, aunque hay algunos de alta velocidad que pueden alcanzar velocidades de transferencia de hasta 460 Kbps (Kusch, 2007). 2.5.2 Norma RS-232 RS-232 es una norma para la comunicación serie, principalmente utilizada por las computadoras. A diferencia de la comunicación paralela, la información se envía secuencialmente, es decir bit a bit, utilizando menos líneas de transmisión que en esta, donde la información se envía de manera paralela, es decir varios bits al mismo tiempo. Esta característica de la RS-232 le otorga la capacidad de transmitir a mayores distancias, pero con menor velocidad (Lauderdale, 2007). La interfaz RS-232 está diseñada para distancias cortas, de hasta 15 metros según la norma, y para velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 Kbps. A pesar de ello, muchas veces se utiliza a mayores velocidades con resultados aceptables. La interfaz puede trabajar en comunicación asincrónica o sincrónica y tipos de canal simplex, half duplex o full duplex (Delgado et al., 2011). La interfaz física correspondiente a la norma RS-232 es el conector que se muestra en la Figura 2.11, y es conocido como conector DB-9, lo que hace referencia a los 9 terminales de los que está compuesto. También coexiste junto con él, el conector DB-25 (de 25 terminales), pero actualmente se utiliza mucho menos.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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Figura 2.11 Conector RS-232 (versión de 9 y de 25 terminales). Los nueve terminales que componen al conector DB-9 son los que siguen: 1) DCD: Detección de portadora Señal de entrada 2) RXD: Recibir Datos Señal de entrada 3) TXD: Transmitir Datos Señal de salida 4) DTR: Terminal de datos listo Señal de salida 5) GND: Tierra Referencia para señales 6) DSR: Equipo de datos listo Señal de entrada 7) RTS: Solicitud de envió Señal de salida 8) CTS: Libre para envió Señal de entrada 9) RI: Indicador de llamada Señal de entrada En la comunicación serie, los terminales que portan los datos son RxD y TxD, los demás se encargan de otros trabajos. Por ejemplo, el DTR indica que el ordenador está encendido, DSR que el dispositivo conectado al puerto está encendido, RTS que el ordenador al no estar ocupado puede recibir datos, CTS indica que el dispositivo puede recibir datos y DCD detecta que existe presencia de datos (Graullera, 2006). Para la comunicación con los subsistemas construidos con PICs, solo se usaron los terminales encargados de la transmisión y la recepción de los datos. No se realiza ningún control de flujo, por lo que el resto de las señales no se tienen en cuenta y las líneas quedan en circuito abierto.
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2.5.3 Norma RS-485 Este bus serie es uno de los más utilizados en las comunicaciones industriales, destacado tanto por su bajo costo como por su simplicidad, la cual facilita su instalación. Para su montaje se emplea un par trenzado que permite un enlace unidireccional, semiduplex, compartido tanto para transmitir como para recibir datos, pero no ambas operaciones a la vez (Miras, 2013). El bus permite una velocidad de datos de 10 y hasta 20 Mbps (a 12 metros de distancia), y de 100 Kbps cuando los terminales están separados 1200 metros entre sí. El sistema permite añadir al bus hasta 32 terminales, aunque en la actualidad ya se están utilizando sistemas de 128 y hasta 256 dispositivos conectados entre sí a una misma red de sólo dos hilos trenzados (Delgado et al., 2011). 2.6
Características del puerto serie de la PC
El puerto serie, también conocido como puerto de comunicaciones (COM), está considerado como una interfaz externa fundamental de la computadora personal. El nombre “serie” proviene del hecho que este puerto “serealice” los datos. Es decir, toma un byte de datos y transmite sus 8 bits uno a uno, como se mencionó anteriormente. Cuando no se transmite ningún carácter, la línea está en estado alto. Antes de cada byte de datos, el puerto serie envía un bit de inicio, el cual consiste en un único bit con un valor de “0” que indica que se va a transmitir un byte. Luego de este, envía un bit de parada con el cual se indica que el byte está completo. También puede enviar un bit de paridad para comprobar si la información recibida es la correcta. Lo anterior queda ilustrado en la Figura 2.12.
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
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Figura 2.12 Transmisión de un byte a través del puerto serie. EL puerto serie es bidireccional, esto significa que permite a cada entidad, tanto recibir datos como enviarlos. Utilizan distintos terminales para la transmisión y recepción, ya que usar el mismo terminal limitaría la comunicación a half-duplex, lo cual significa que la información solo viajaría en un sentido a la vez. 2.7
Comunicación a través del puerto serie de la PC
Antes de iniciar cualquier comunicación con el puerto RS-232 se debe determinar la configuración del mismo, y establecer de igual valor, los parámetros que rigen el enlace, en las dos entidades involucradas en la transferencia de datos. Siendo los parámetros a configurar los siguientes: • Velocidad de transmisión • Número de bits de datos • Control de flujo • Paridad En las aplicación realizada con PIC (Pérez, 2008), estos parámetros fueron seleccionados de la manera siguiente:
Razón de baudio…….9600
CAPÍTULO 2. Descripción, empleo y métodos para la transmisión de la transmisión de la información de los pulsos de frecuencia de salida del CI-ATT7021
Bits de datos………..8
Bit de paridad…..…..ninguno
Control de flujo……..ninguno
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Se eligió una baja razón de baudio, de manera que se pueda extender el cable de comunicaciones y la probabilidad de error sea la más baja posible, esto teniendo en cuenta que no es necesario una conexión de alta velocidad para las aplicación construida.
CAPÍTULO 3. Diseño y programación de la aplicación para el medidor de energía eléctrica DDS666
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CAPÍTULO 3. Diseño y programación de las aplicaciones para el medidor de energía eléctrica DDS666
Se aborda el diseño y la programación de una aplicación con el PIC, teniendo en cuenta las características de estos dispositivos descritas en el capítulo anterior. La aplicación creada en este capítulo es programada en lenguaje C, empleando el compilador PCHW de CCS (Custom Computer Services Incorporated). También se utilizaron otras herramientas de simulación de software y hardware para su implementación. Y se muestran los resultados obtenidos. Se construyó una aplicación que incorpora nuevas prestaciones al DDS666, posibilitando guardar en memoria EEPROM la lectura de la energía consumida, visualizarla y transmitirla a una PC. 3.1
Descripción general del hardware de la aplicación
En este proyecto se utilizó el PIC 16F870, que contiene una memoria EEPROM de 64 bytes. Se necesita el uso del circuito integrado MAX 232A producto a que se utiliza la comunicación serie en ambas direcciones y que este puerto trabaja con voltajes entre -12V (nivel bajo) y +12V (nivel alto). De esta manera se convierten los niveles de voltaje antes mencionados a niveles lógicos: 0V (nivel bajo) y +5V (nivel alto). También se emplea un display LCD, este cuenta con dos filas con 16 dígitos cada una para la visualización. Se creó un pulso de una frecuencia (A) con las características del pulso CF. El diseño esquemático se realiza en el software Proteus, compuesto por dos elementos fundamentales: ISIS (Schematic Capture Program) y ARES (Advanced Routing and Editing Software). En la Figura 3.1 se muestra el diseño esquemático de la aplicación utilizando la herramienta ISIS (Rodas, 2010).
CAPÍTULO 3. Diseño y programación de la aplicación para el medidor de energía eléctrica DDS666
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Figura 3.1 Diseño esquemático. 3.2
Diagrama en bloques y descripción general del software de la aplicación
La aplicación creada funciona a partir de la lectura de los pulsos de frecuencia descritos en el capítulo anterior. La energía total se calcula a partir de la suma de los pulsos capturados, los que dependen de una relación de 1600 pulsos por kWh de energía consumida, esta información es guardada en la memoria EEPROM. Los valores de energía consumida se guardaran periódicamente cada 15 minutos en la memoria EEPROM. La energía mensual es el valor de energía total acumulado del último mes. Este valor es actualizado cada mes mediante un comando transmitida desde una PC. Los valores de energía total y la mensual
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se visualizan en un display. Para el conteo de los 15 minutos se utiliza el Temporizador 1 del microprocesador. En el diagrama de bloques de la figura 3.2 se puede observar lo antes descrito. Inicio
Lectura de datos en EEPROM (Energía Total y E. Mensual)
Visualizar en display (E. Total y E. Mensual)
No
¿Min > 15?
No
¿Recibo de instrucciones por el puerto serie? Si
Si
Si Guardar en EEPROM (E. Total)
¿Nuevo mes?
Guardar en EEPROM (E. Mesual=0l)
No
¿Solicitud de Consumo?
No
Si Envío de la información de consumo por el puerto serie.
Figura 3.2 Diagrama en bloque del funcionamiento de la aplicación.
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Los Temporizadores 0 y 1 se utilizaron por interrupciones. El TMR0 (Temporizador 0) se desborda cada vez que recibe 160 pulsos de CF, valor equivalente a 0.1 kWh de energía consumida. El TMR1 (Temporizador 1) se emplea como contador interno, es decir, cada vez que ocurra una interrupción del Temporizador 1 significa que ha transcurrido un tiempo de 0.1 segundos. En la programación se utilizan funciones incorporadas del compilador para la escritura y lectura de la memoria EEPROM, para la transmisión y recepción serie, y para la visualización en el display. 3.3
Edición y Ensamblaje de un Programa usando PCHW
Se emplea el programa MPLAB IDE versión 7.60 como programa contenedor, escogiendo como opción el uso del compilador PCHW de CCS. Los ficheros que contienen el código fuente se organizan dentro de un proyecto para ser compilados y ensamblados, obteniéndose un fichero .hex que es el que se cargará en el microcontrolador. A continuación se mencionan los pasos necesarios para la creación de un proyecto. 3.3.1 Pasos para la creación de un proyecto usando PCHW 1. Ejecutar
la
herramienta
MPLAB
IDE,
que
se
encuentra
en
Inicio\Programas\Microchip\MPLAB IDE v7.60\MPLAB IDE o en C:\Archivos de Programas\ Microchip\MPLAB IDE\Core\MPLAB.exe. 2. Escoger el menú Project>Project Wizard, al aparecer el cuadro de diálogo de bienvenida, hacer clic en el botón Next para avanzar. 3. En el segundo cuadro de diálogo se escoge el dispositivo con el que se va a trabajar dentro de un menú desplegable, el cual contiene una inmensa lista de distintos tipos de microcontroladores PIC. 4. En este cuadro se escoge en el menú desplegable Active Tool Suite la opción CCS C Compiler, y debajo en el cuadro Toolsuite Contents aparece el ejecutable ccsc.exe, al cual se le asigna la localización C:\Archivos de Programas\PICC\CCSC.exe. 5. Luego se da un nombre al proyecto y se le asigna una dirección. 6. En este paso se permite incluir ficheros en el proyecto. Para la inclusión de los ficheros en el proyecto estos se deben seleccionar en el cuadro de la derecha del cuadro de diálogo y hacer clic en el botón ADD. Para que sean copiados en el
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proyecto se debe marcar la pleca al lado de cada fichero seleccionado en el cuadro de la izquierda. 7. El último cuadro de diálogo es un resumen donde se muestra como ha sido configurado el proyecto. En caso de que se desee cambiar algo se puede ir a los pasos anteriores haciendo clic en el botón Back. De lo contrario, si se está de acuerdo con las opciones seleccionadas anteriormente se hace clic en el botón Finish. 3.3.2 Escritura del Código Fuente El código fuente se creó mediante la ayuda mostrada en la planilla para la escritura de un programa en lenguaje C. Esta planilla se puede ver en el Anexo IV. 3.3.2.1 Directivas de Procesador Las directivas de procesador aparecen al principio en el formato de la plantilla, aunque también pueden estar en otra posición dentro del código. En la Figura 3.3 se muestran las directivas de procesador usadas al principio del programa, estas se dividieron en dos bloques. 1. Son las directivas de pre-procesado comienzan con el símbolo # y continúan con un comando especifico. La sintaxis depende del comando. Las directivas usadas en la Figura 3.3 son:
#INCLUDE , permite definir el PIC con el que se realiza la compilación.
#FUSES options, permite definir la palabra de configuración para programar un PIC.
#USE DELAY (CLOCK=Frecuencia), permite definir la frecuencia del oscilador del PIC.
#USE rs232, permite el uso del módulo USART, estableciendo la razón de baudios de la comunicación y los terminales de transmisión y recepción.
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2. Incluye los ficheros string.h e input.c mediante la directiva #include. Estos ficheros contienen funciones de trabajo con cadenas de caracteres y funciones de recepción de caracteres a por el terminal RS-232 RCV. También se incluye mediante esta directiva el fichero flexlcd17.c, biblioteca usada en la visualización del display.
Figura 3.3 Directivas del procesador. 3.3.2.2 Definición de constantes La aplicación creada hace uso de constantes que permiten mayor simplicidad y también proporciona un código más comprensible y claro. En la figura 3.4 se muestran las constantes usadas.
Figura 3.4 Definición de constantes. 3.3.2.3 Declaraciones de variables globales Las variables globales se pueden utilizar en todas las funciones del programa y deben declararse antes de cualquier función y fuera de ellas. Este tipo de variable son puestas a cero cuando se inicia la función principal main() (Breijo, 2008). En la Figura 3.5 se muestra la declaración de alguna de las variables globales utilizadas en el programa.
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Figura 3.5 Declaración de variables globales. En esta declaración se ven cuatro tipos de datos distintos int1, int e int16, la primera usa un bit, y las últimas dos usan ocho y 16 bits respectivamente. Los últimos datos empleados son del tipo float, este es una variable con coma flotante de 32 bits. 3.3.2.4 Prototipo de funciones El uso de las funciones en el código fuente tiene dos formas de emplearse. Puede ser escribiéndolas completamente antes de usarlas o escribiendo el prototipo antes de usarlas y luego definirlas. En la aplicación se emplean los prototipos de funciones ya que brindan más claridad en el código fuente. En la Figura 3.6 se muestra los prototipos de funciones empleados.
Figura 3.6 Prototipos de funciones. Los prototipos de funciones también brindan una mejor compresión del código, sirviendo como un resumen de las funciones empleadas. En este programa se puede observar que existen cuatro funciones y tienen como objetivo:
inicializacion: inicializar los valores de variables y configurar los Temporizadores usados.
lectura_de_valores_en_EEPROM: este función es llamada una vez al comenzar el programa y antes de empezar a calcular los nuevos valores de energía.
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tx_rt_serial: detecta si ha recibido alguna orden por el puerto serie, y según esta se guardará información en memoria o se transmitirán los datos requeridos.
visualizar: esta función visualiza en display los valores de energía total y mensual consumida.
3.3.2.5 Definición de funciones de Atención a las Interrupciones En el programa se hace uso de la directiva de preprocesador #int_xxx. Esta directiva le indica al compilador que la siguiente función debe ser llamada cuando ocurra la interrupción xxx. En este programa se utilizaron dos interrupciones: la del Temporizador 0 y la del Temporizador 1.
Figura 3.7 Atención a la interrupción del TMR0. En la Figura 3.7 se observa la función timer0 ( ), esta ocurre cada vez que se desborde el Temporizador 0, contando 160 pulsos externos de frecuencia recibidos. Ocurrida esta interrupción lo primero que se comprueba el valor de la variable total, debido a que esta no debe exceder el valor de 99999.9. La configuración realizada permite el incremento en 0.1 kWh (1600 pulsos por kWh) de la energía total y de la mensual cada vez que ocurre una interrupción de este tipo. La función timer1 ( ) también es atendida por interrupción. Esta fue configurada para realizar un conteo de 0.1 segundos cada vez que suceda un desbordamiento del temporizador 1. Transcurridos 9000 desbordamientos de este tipo, representan un tiempo de 15 minutos, se guarda en memoria EEPROM los valores de energía total y mensual. Por último se vuelve a recargar el valor de conteo de este temporizador, como se puede
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observar en la siguiente figura. La variable utilizada para contar 9000 interrupciones equivalentes a 15 minutos, es “minutos”. La programación de esta interrupción se observa en la siguiente Figura 3.8.
Figura 3.8 Atención a la interrupción del TMR1. 3.3.2.6 Función principal Esta función tiene como nombre main, y es por donde comienza a ejecutarse el código escrito por el programador. En esta subrutina se debe plantear el esquema lógico de sucesión de acciones del programa. Aquí se ubicarán los lazos principales, donde puede haber encuestas, barridos, etc. Cualquier variable que se desee declarar dentro de esta o cualquier otra función, deberá hacerse al principio del bloque (Moreno, 2008). Estas variables tendrán vida solo dentro de dicho bloque. En esta función lo primero que se ejecutan son las instrucciones de llamado a las funciones de lectura_de_valores_en_EEPROM(), inicializacion() y lcd_init(). Luego se muestra en el display el tipo de medidor que se utiliza y el parámetro que visualizará. Por último se ejecuta un lazo cerrado sobre las llamadas de las funciones visualizar() y tx_rx_serial(), como se muestra en la Figura 3.9.
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Figura 3.9 Función principal. 3.3.2.7 Definición de funciones Las funciones son bloques de sentencias; todas las sentencias se deben enmarcar dentro de las funciones. Al igual que las variables, las funciones deban definirse antes de utilizarse. Después de creados los prototipos de funciones antes descritos, se definen las funciones a implementar. En las siguientes figuras pertenecen al código del programa donde se definen las funciones.
Figura 3.10 Definición de la función lectura_de_valores_en_EEPROM (). La función mostrada en la Figura 3.10 solamente es llamada y ejecutada cuando se inicializa el programa. Esta tiene como objetivo la recuperación de los datos almacenados anteriormente en la memoria EEPROM, datos correspondientes a los valores de energía consumida. En la Figura 3.11 se muestra la función inicialización (), en esta se inicializan las variables usadas (minutos, b y watt), y se inicializan y se habilitan las interrupciones de los
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Temporizadores. En la Figura 3.12 se observa la función visualizar () y en la 3.13 la función tx_rx_serial (). Esta última comprueba el estado de recepción del puerto serie y se ejecuta según el dato recibido por este. Si de la PC, donde se encuentra el supervisor, se transmite un 1 (recibe el dato 49) entonces se reinicia el conteo de energía mensual consumida y se guarda en memoria. Si se transmite un 2 (recibe un 50) hacia el microcontrolador este le transmitirá a la PC el valor de energía total consumida.
Figura 3.11 Definición de la función inicializacion ().
Figura 3.12 Definición de la función visualizar ().
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Figura 3.13 Definición de la función tx_rx_serial (). 3.3.3 Construcción del proyecto Existen dos opciones de "hacer" o "construir" la compilación y enlazado de los ficheros del proyecto. Esto se puede realizar mediante el menú Project>Build All, recompilándose de esta forma todos los ficheros fuentes del proyecto. La segunda opción es el menú Project>Make, ofreciendo una compilación más rápida ya que solo se recopilará los ficheros que hayan sido modificado desde la última compilación. Realizada la compilación se puede observar si el resultado fue exitoso o si hubo errores. La ventana de salida (Output) es donde se muestran dichos resultados, como se muestra en la Figura 3.14.
CAPÍTULO 3. Diseño y programación de la aplicación para el medidor de energía eléctrica DDS666
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Figura 3.14 Ventana de salida, luego de la compilación. El software PCHW, donde se realizó el programa, utiliza el compilador CCS C. En el caso del compilador CCS C, después de compilar se generan, entre otros, los archivos *.hex y *.cof. Estos archivos o ficheros se pueden utilizar para trabajar en el entorno Proteus VSM. En el fichero *.hex se encuentra la información de cada instrucción en el lenguaje de máquina y la posición que ocupará dentro de la memoria de programas. Y el fichero *.cof contiene el código de máquina e información de depuración (debugging). Para ejecutar el programa desde ISIS se debe abrir la ventana de edición del microcontrolador y en el ítem Programam File se puede cargar el fichero código fuente utilizado, como se observa en la Figura 3.15.
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Figura 3.15 Ventana de edición del microcontrolador. 3.4
Integración y verificación
La integración y verificación de la aplicación se realizaron de forma virtual, de la misma forma que el ejemplo anterior. Si los resultados son positivos se puede proceder de forma real de una manera más segura y confiable. El ambiente integrado entre el MPLAB IDE y el Proteus nos permite la realización de este procedimiento. En la Figura 3.16 se muestra la simulación virtual.
CAPÍTULO 3. Diseño y programación de la aplicación para el medidor de energía eléctrica DDS666
Figura 3.16 Simulación virtual de la aplicación.
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones •
Se realizó una búsqueda bibliográfica acerca de los parámetros involucrados en la medición de energía eléctrica, quedando disponible un breve resumen que contiene los elementos fundamentales.
•
Se detalló la estructura y funcionamiento de los tipos de medidores existentes: los electromecánicos y los electrónicos; presentándose datos de los fabricantes más importantes y referencias de normativas para estos sistemas de medición.
•
Mediante un experimento se comprobó el funcionamiento del circuito integrado ATT7021, esclareciendo la forma de onda de los pulsos y su relación con la potencia. De esta forma se pudo establecer el empleo, de un MCU para la creación de nuevas prestaciones.
•
Se creó una aplicación que incorpora nuevas prestaciones al medidor DDS666 para incrementar su funcionalidad. Estas nuevas prestaciones, posibilitan un mejor monitoreo de la información, dando cumplimiento al proyecto de colaboración con la Fábrica de Fusibles y Desconectivos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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Recomendaciones Los resultados alcanzados en este trabajo pueden ser el punto de partida de futuras investigaciones, para generalizar estos resultados y ampliar la funcionalidad del medidor DDS666 u otros similares.
En este sentido, se pueden hacer las siguientes
recomendaciones:
Realizar el montaje práctico de la aplicación y las pruebas de campo.
Realizar pruebas de comunicación utilizando la norma RS-485, para entre otras cosas, aumentar la distancia de comunicación.
Utilizar una interfaz visual, que puede realizarse con LabView, que permita a una PC comunicarse con el medidor modificado, para facilitar la confección de gráficos y de esta forma un mejor análisis del comportamiento del consumo de energía.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
60
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXOS
ANEXOS
Anexo I.
Experimento para la obtención de los pulsos de frecuencia (CF)
63
ANEXOS
Anexo II.
64
Fabricantes de medidores electrónicos más reconocidos a nivel mundial
Fabricante -paísCircutor -EspañaEchelon -EEUU-
Equipos y servicios que ofrecen Diseños y fabricación de equipos para la eficiencia energética eléctrica, protección eléctrica industrial, medida y control de la energía eléctrica. Nerwoked Energy services (NES), Smart Electric Meters. Smart meters certifier for ANSI and IEC standars. Proveedor de equipos para el control de red y software. Desarrollo de soluciones de medición inteligente.
Elster Group -Lexenburgo-
Proveedor mundial de productos avanzados de medición y soluciones inteligentes de medición. Electric, Gas and Water Meters.
GE Energy
Electric AMR and Smart Meters.
-EEUUIskraemeco -Eslovenia-
Proveedor mundial de los dispositivos y sistemas de medición de energía eléctrica, registro y facturación. Electric Smart Meters.
Itron, Actaris -EEUULandis+Gyr -Suiza-
Es un proveedor de tecnologías energéticas e industrias del agua. Electric, Gas and Water Smart Meters. Medición de electricidad, con posicionado en Telegestión (AMM) o “SMART meters”. Electric, Gas and Water Smart Meters.
Siemens Energy -AlemaniaZIV -España-
Especializado en sistemas eléctricos de automatización y Smarts Meters. Metering Information System (AMIS) solution. Contadores de energía eléctrica y sistemas de contadores, Equipos de medida de calidad de servicio eléctrico.
ANEXOS
Anexo III.
Esquema de una variante del medidor de energía DDS666
65
ANEXOS
Anexo IV.
Plantilla de un Programa en Lenguaje C
// Directivas de preprocesador. // Definición de constantes // Declaraciones de variables globales. Prototipos_de_funciones ( ); Definición_de_funciones_de_atención_a_las_interrupciones ( ) { // Variables locales. // Bloques. } main ( ) {
//función principal.
// Variables locales. // Bloques. } Definición_de_funciones ( ) { // Variables locales. // Bloques. }
//Definición de los prototipos.
66