Sistema de Telemando On-Off Basado en X10 a través de la Red Eléctrica de Baja Tensión para Petróleos de Venezuela, S.A. - Juan Cols

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO

SISTEMA DE TELEMANDO ON/OFF BASADO EN X10 A TRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A. – DISTRITO MORICHAL

Autor: Br. Juan Miguel Cols Giorgianni

Puerto Ordaz, Junio 2012

SISTEMA DE TELEMANDO ON/OFF BASADO EN X10 A TRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A. – DISTRITO MORICHAL

ii

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO

SISTEMA DE TELEMANDO ON/OFF BASADO EN X10 A TRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A. – DISTRITO MORICHAL

Autor: Br. Juan Miguel Cols Giorgianni C.I.: V-19.729.190 Trabajo que se presenta para cumplir con los requisitos de aprobación de la Práctica Profesional de Grado y para optar al título de Ingeniero Electrónico.

Tutor Industrial: Ing. Rodney Arellano Tutor Académico: Ing. Manuel Gragirena

Puerto Ordaz, Junio 2012 iii

Datos de catalogación bibliográfica

Cols Giorgianni, Juan M. SISTEMA DE TELEMANDO ON/OFF BASADO ENX10 A TRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A.– DISTRITO MORICHAL

Informe de Práctica Profesional de Grado Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”

Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Electrónica.

AÑO: 2012

PÁGINAS: 230

iv

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO

ACTA DE APROBACIÓN Quienes suscriben, miembros del Jurado Examinador designados por el Comité de Práctica Profesional de Grado del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “ Antonio

José de Sucre”, Vice-

Rectorado Puerto Ordaz, para evaluar el informe presentado por el Bachiller:Juan

Miguel Cols Giorgianni, portador de la cédula de identidad número:V-19.729.190, titulado: SISTEMA DE TELEMANDO ON/OFF BASADO EN X10 A TRAVÉS

DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A.

–

DISTRITO MORICHAL, consideramos que dicho trabajo

cumple con los requisitos exigidos por el reglamento vigente de la asignatura, y de acuerdo con los criterios establecidos para la evaluación lo declaramos: APROBADO. En Puerto Ordaz, a los ___________ días del mes de ______________ de 2012.

Ing. Antonio Pateti Jurado Coordinador

Ing. Máximo Di Cesare Jurado Secretario

Ing. Manuel Gragirena Tutor Académico

Ing. Rodney Arellano Tutor Industrial v

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO ACTA DE EVALUACIÓN FINAL DE LA PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO

Hoy _________________, reunidos en el ___________________ Presidido por el Profesor: _________________________________, dio inicio acto de SISTEMA presentación Oral y Pública de la Práctica Profesional se de Grado titulada:al DE TELEMANDO ON/OFF BASADO EN X10 A TRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A. – DISTRITO MORICHAL. Presentada por el Br. Cols Giorgianni, Juan Miguel, C.I. V-19.729.190. Una vez realizada la presentación oral y concluido el ciclo de preguntas, el Jurado Evaluador emitió su veredicto de ____________________________, con una calificación de ____________ puntos en la escala del 1 al 9, de acuerdo a la siguiente distribución: Miembros Coordinador Secretario Tutor Académico Tutor Industrial

Informe Nota Presentación Nota Nota por jurado Nota Máximo (20) Máximo (10) Máximo (30) Máximo (20) Máximo (10) Máximo (30) Máximo (15) Máximo (5) Máximo (20) Máximo (15) Máximo (5) Máximo (20) Nota definitiva (Máxima 100 puntos) Nota definitiva ( escala del 1 al 9) Se emite la presenta acta, quedando asentada en el Departamento de Ingeniería Electrónica, a los ____________ días del mes ___________ de ____________. Observaciones: FIRMA DE LOS MIEMBROS DEL JURADO Miembros Nombre y Apellido N° C.I. Coordinador Antonio Pateti Máximo Di Cesare Secretario Tutor Académico Manuel Gragirena Tutor Industrial Rodney Arellano Avalado por el Coordinador del Comité de Práctica Profesional de Grado: _________________________ Ing. Manuel Gragirena Coordinador de Práctica Profesional de Grado

vi

Firma

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO

Cols Giorgianni, Juan Miguel. (2012).“SISTEMA DE TELEMANDO ON/OFF

BASADO EN X10 A TRAVÉS DE LA RED ELÉCTRICA DE BAJA TENSIÓN PARA PETRÓLEOS DE VENEZUELA, S.A. – DISTRITO MORICHAL”. Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Vice-Rectorado

Puerto Ordaz. Práctica

Profesional de Grado. Tutor Industrial: Ing. Rodney Arellano. Tutor Académico: Ing. Manuel Gragirena.

RESUMEN En PDVSA Dtto. Morichal, los enlaces de comunicación y la supervisión de procesos son elementos vitales. Estos dependen de equipos como transmisores de radio, enrutadores, computadores… entre otros, los cuales tienden a fallar rompiendo la comunicación e interrumpiendo la vigilancia de los procesos. Frecuentemente los dispositivos mencionados entran en un estado de espera indefinida o de ciclo infinito, por lo que es necesario desplazarse al lugar y reiniciar dichos dispositivos a través de la interrupción momentánea de su fuente de energía. Por ello, se plantea un sistema de mando On/Off a distancia que le facilite al operador la realización de esta tarea sin necesidad de dejar su sitio de trabajo. Para cumplir dicho objetivo se desarrolló una metodología

proyectiva.

Los

prototipos

desarrollados

fueron

probados

satisfactoriamente mediante la transmisión y recepción de tramas de 22 bits por la red 2 eléctrica de baja tensión en un área de aproximadamente 180 m . El sistema a pesar

de adoptar características del protocolo X10, no es compatible con productos comerciales X10.

Palabras Clave: Inmótica, X10, telemando, PLC, PCB, filtro elíptico, PDVSA. vii

AGRADECIMIENTOS

A Dios y a la Virgen…

Al científico teórico y a la mujer maravilla… mis padres Jesús y Giuseppina, los responsables de lo que soy ahora, por creer en mí incluso cuando yo dejé de hacerlo. Por ser mí aliento diario. A mis Nonnus, Giovanni y Tinuccia. Por su ejemplo de constancia y esfuerzo inagotable, por ser la amalgama que une a mi familia, por ser prueba viviente de que se puede construir todo empezando con nada. A mis hermanos José Daniel y Carolina, y al resto de mi familia, por escuchar lo que tenía que decir aún sin tener la menor idea sobre de lo que les hablaba. A los Ingenieros Electrónicos Rodney Arellano y Niurka de Arellano, por todo su apoyo incondicional… que fue el asfalto que pavimentó el camino para que esta investigación avanzara a gran velocidad. A mi amiga Maisun Hussein, quien desde lejos me mantuvo cuerdo cuando las cosas no salían como se suponían. A cualquiera que de alguna u otra forma contribuyó a la realización de este trabajo. A todos ustedes…

¡Gracias!

Juan Cols Ciudad Bolívar, Abril 2012 viii

“

I pazzi aprono le vie che poi percorrono i savi.” Carlo Dossi

ix

TABLA DE CONTENIDO

Página ACTA DE APROBACIÓN ........................................................................................ v ACTA DE EVALUACIÓN ....................................................................................... vi RESUMEN ................................................................................................................. vii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... viii TABLA DE CONTENIDO ......................................................................................... x ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................. xv ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................ xxiii ÍNDICE DE ECUACIONES ................................................................................. xxiv INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 26 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA ............................................................................. 28 Planteamiento del Problema.................................................................................... 28 Objetivo General ..................................................................................................... 29 Objetivos Específicos ............................................................................................... 30 Justificación del Sistema Propuesto ......................................................................... 30 Alcance de la Investigación ..................................................................................... 31

CAPÍTULO II: MARCO DE REFERENCIA ........................................................ 32 Aspectos generales de Petróleos de Venezuela S.A................................................ 32 Reseña Histórica.................................................................................................. 32 Misión ................................................................................................................. 35 Visión .................................................................................................................. 35 Objetivo General ................................................................................................. 35 Objetivos Específicos .......................................................................................... 35 Estructura Organizacional ................................................................................... 36 PDVSA Distrito Morichal ....................................................................................... 37 Estructura Gerencial............................................................................................ 37 Ubicación Geográfica.......................................................................................... 38 x

Distribución de las Instalaciones en Operación .................................................. 38 Misión ................................................................................................................. 38 Visión .................................................................................................................. 39 Objetivos Estratégicos de PDVSA Distrito Morichal......................................... 39 Gerencia de AIT ...................................................................................................... 40 Misión ................................................................................................................. 40 Visión .................................................................................................................. 41 Objetivos Estratégicos de AIT ............................................................................ 41 Estructura Funcional de AIT Distrito Morichal .................................................. 42 Fundamentación Teórica de la Investigación.......................................................... 43 Filtro Elíptico Pasa Banda y su respuesta característica ..................................... 43 Filtro pasa banda activo de banda angosta .......................................................... 46 Fuente de alimentación sin transformador .......................................................... 48 Breve reseña de la Tecnología PLC .................................................................... 50 Aspectos generales del protocolo de comunicación X10.................................... 51 Teoría de transmisión de comandos bajo X10 .................................................... 52 Limitaciones Físicas, Atenuación y Absorción de las señales X10 .................... 57 Glosario de términos ............................................................................................... 58

CAPÍTULO III: ASPECTOS PROCEDIMENTALES......................................... 60 Tipo de Investigación .............................................................................................. 60 Diseño de Investigación .......................................................................................... 61 Actividades Realizadas ........................................................................................... 62 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información ....................................... 65 Revisión Documental .......................................................................................... 65 Entrevista Asistemática o Libre .......................................................................... 66 Observación Experimental .................................................................................. 66 Instrumentos de Captación y Registro ................................................................ 66 Cuaderno de Notas .......................................................................................... 67 Multímetro Digital Portátil UNI-T® UT71C.................................................. 67 Osciloscopio Analógico Tektronix 2252 ........................................................ 67 Osciloscopio Digital Portátil FLUKE 199C ................................................... 68 Osciloscopio Digital de Banco Tektronix TDS5034B.................................... 69 xi

Generador de Señales HEWLETT PACKARD 33120A ................................ 70 Programador de Microcontroladores PICkit™ 2 de Microchip ...................... 70 Instrumentos y Herramientas Misceláneas...................................................... 71 Programas Informáticos .................................................................................. 72

CAPÍTULO IV: RESULTADOS ............................................................................. 75 Simulación de la Fuente de Alimentación sin Transformador ................................ 75 Medición del Consumo Corrientes en el Circuito Receptor ................................... 76 Prueba de Acople con la Red Eléctrica de Baja Tensión ........................................ 77 Respuesta en Frecuencia de Circuito de Acople (Filtro Paso Alto)....................... 80 Respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico sintonizado a 120 KHz ............... 83 Respuesta en Frecuencia de Filtro Activo de Banda Angosta ............................... 87 Prueba de transmisión y comparación del Filtro Elíptico LC vs. Filtro Activo de Banda Angosta ........................................................................................................ 91 Diagrama de conexión de los instrumentos de medición.................................... 91 Prueba de transmisión en área domestica habitada ............................................. 93 Prueba de transmisión en área en construcción................................................... 99 Prueba de transmisión de trama entera de datos ................................................... 100 Efecto de fases invertidas entre módulos sobre los datos recibidos ................. 101

CAPÍTULO V: DISEÑO ........................................................................................ 104 Descripción General del Sistema de Telemando .................................................. 104 Bloques circuitales del Módulo Maestro............................................................... 107 Fuente de alimentación sin transformador ........................................................ 108 Microcontrolador y periféricos de entrada y salida........................................... 109 Amplificación de la PWM de 120 KHz ............................................................ 111 Acople con la red eléctrica de baja tensión ....................................................... 112 Detección de los cruces por cero de la red ........................................................ 113 Bloques circuitales del Módulo Esclavo ............................................................... 115 Filtro LC pasa banda de respuesta elíptica........................................................ 115 Filtro pasa banda activo de banda angosta ........................................................ 117 Amplificación y demodulación de los pulsos de 120 KHz ............................... 118 Electrónica On/Off de potencia......................................................................... 122

xii

Electrónica de control ....................................................................................... 124 Programa desarrollado para el Módulo Maestro ................................................... 125 Programa desarrollado para el Módulo Esclavo ................................................... 128 Tarjeta de Circuito Impreso del Módulo Maestro ................................................. 130 Tarjeta de Circuito Impreso del Módulo Esclavo ................................................. 135 Análisis de vialidad de los prototipos ................................................................... 139

CONCLUSIONES ................................................................................................... 143 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 144 REFERENCIAS ...................................................................................................... 145 Fuentes Bibliográficas........................................................................................... 145 Fuentes Electrónicas.............................................................................................. 146 ANEXO A ................................................................................................................ 150 Bitácora de las actividades realizadas durante el período de la Práctica Profesional de Grado ................................................................................................................ 150 ANEXO B................................................................................................................. 169 Creación de la página final de impresión usandoAltium Designer y Adobe Photoshop para la fabricación de PCB con serigrafía........................................... 169 Versiones de software utilizadas en este tutorial .............................................. 178 Palabras Clave ................................................................................................... 178 ANEXO C ................................................................................................................ 179 Fabricación de Tarjetas de Circuitos Impresos mediante serigrafía ..................... 179 Materiales y herramientas necesarios................................................................ 179 Preparación de la solución de bicromato de potasio ......................................... 184 Sensibilizado de la emulsión ............................................................................. 185 Aplicando la emulsión sobre la malla ............................................................... 186 Transferencia de los diseños a la malla ............................................................. 188 Preparación de la pintura Epoxi ........................................................................ 192

xiii

Transferencia de los diseños a la placa de cobre............................................... 193 Limpieza de la malla serigráfica ....................................................................... 198

ANEXO D ................................................................................................................ 199 Diseño y construcción de mueble insolador para la fabricación de tarjetas de circuito impreso mediante serigrafía ..................................................................... 199

ANEXO E................................................................................................................. 206 Diseño de filtros electrónicos conFilter Solutions 2009 ...................................... 206 ANEXO F ................................................................................................................. 215 Diagrama Esquemático del Módulo Maestro........................................................ 215 ANEXO G ................................................................................................................ 217 Diagrama Esquemático del Módulo Esclavo ........................................................ 217 ANEXO H ................................................................................................................ 219 Programa desarrollado en C para el Módulo Maestro .......................................... 219 ANEXO I .................................................................................................................. 226 Programa desarrollado en C para el Módulo Esclavo ........................................... 226

xiv

ÍNDICE DE FIGURAS

Página Figura 1.1. Modelo de Comunicación entre SCADA y RTU. ................................... 28 Figura 2.1. Logo de PDVSA inspirado en petroglifo. ............................................... 33 Figura 2.2. Estructura organizacional de Petróleos de Venezuela, S.A. .................... 36 Figura 2.3. Estructura Organizativa de Petróleos de Venezuela– Distrito Morichal.37 Figura 2.4. Ubicación geográfica de PDVSA– Distrito Morichal ............................ 38 Figura 2.5. Distribución de las instalaciones de PDVSA en Distrito Morichal. ........ 39 Figura 2.6. Diagrama Organizacional de la Gerencia de AIT– Distrito Morichal.... 43 Figura 2.7. Filtro Elíptico Pasa Banda. (a) Diagrama de Bode. (b) Circuito típico. .. 44 Figura 2.8. Respuesta en frecuencia de aproximaciones estándares de un filtro pasa banda. .......................................................................................................................... 45 Figura 2.9. Diagrama circuital de filtro pasa banda de banda angosta. ..................... 47 Figura 2.10. Respuesta en frecuencia de filtro de banda angosta. ............................. 48 Figura 2.11. Fuente sin transformador bipolar simétrica de 5 V. .............................. 49 básico en el cual se basa la fuente de alimentación sin Figura 2.12. Circuito transformador. ............................................................................................................. 50 Figura 2.13. Inyección de la señal de 120 KHz sobre las tres fases de la red eléctrica. ..................................................................................................................................... 52 Figura 2.14. Representación física de bits de acuerdo al protocolo X10. .................. 53 Figura 2.15. Ejemplo de envío de comando X10: A2 On. ......................................... 54 Figura 2.16. Secuencia completa de códigos que es seguida para el envío de una acción X10. ................................................................................................................. 56

Figura 3.1. Cuaderno de notas utilizado. ................................................................... 67 Figura 3.2. Multímetro Digital Portátil UNI-T® UT71C .......................................... 68 Figura 3.3. (a) Osciloscopio Analógico Tektronix 2252. (b) Ejemplo de respuesta de filtro LC....................................................................................................................... 68 Figura 3.4. Osciloscopio Digital Portátil FLUKE 199C ............................................ 69 Figura 3.5. (a) Osciloscopio Digital de Banco Tektronix TDS5034B (b) Captura de trama de datos. ............................................................................................................ 69 xv

Figura 3.6. Generador de Señales HEWLETT PACKARD 33120A ........................ 70 Figura 3.7. Programador de Microcontroladores PICkit™ 2 de Microchip .............. 71 Figura 3.8. Transformador aislador............................................................................ 71 Figura 3.9. (a) Pantalla de PSpice OrCAD v9.2. (b) Pantalla de PROTEUS Design Suite v7.6. .................................................................................................................... 72 Figura 3.10. (a) Pantalla de Smith v3.10. (b) Pantalla de Filter Solutions v12.1.4. .. 73 Figura 3.11. (a) Pantalla de PCWH Compiler v 4.013. (b) Pantalla de PICkit 2 v2.61. ..................................................................................................................................... 73 Figura 3.12. (a) Diseño de mueble insolador enSolidWorks Premium 2010. (b) Diseño de Módulo Esclavo enAltium Designer v9.4.0.20159 . .................................. 74 Figura 4.1. (a) Diagrama esquemático de la fuente. (b) Gráfica de desempeño de la fuente sin transformador en cuanto al rizado. ............................................................. 75 Figura 4.2. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación sin transformador implementada. ............................................................................................................. 77 Figura 4.3. Diagrama en bloque implementado para la prueba de acople con la red eléctrica. ...................................................................................................................... 78 Figura 4.4. Izquierda: Señal PWM de 120 KHz del Módulo Maestro.Derecha: Señal a la salida del filtro LC elíptico en el Módulo Esclavo. .............................................. 79 Figura 4.5. Circuito implementado para la visualización de larespuesta en Frecuencia del Circuito de Acople. ............................................................................. 81 Figura 4.6. Respuesta en frecuencia del filtro de acople. ......................................... 82 Figura 4.7. Respuesta en Frecuencia del Circuito de Acople. Señal Azul: Onda patrón sintetizada por el Generador de Señales. Señal Amarilla: Onda de Salida del Circuito de Acople. ..................................................................................................... 83 Figura 4.8. Circuito implementado para la visualización de la respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico................................................................................ 84 Figura 4.9. Diagrama de Bode del filtro LC elíptico pasa banda.............................. 85 Figura 4.10. Respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico. Señal Azul: Onda patrón sintetizada por el Generador de Señales. Señal Amarilla: Onda de Salida del Filtro LC. ..................................................................................................................... 86 Figura 4.11. Circuito implementado para la prueba de Respuesta en frecuencia del Filtro Activo de Banda Angosta.................................................................................. 87 Figura 4.12. Diagrama de Bode del filtro activo de banda angosta sintonizado a 120 KHz. ............................................................................................................................ 88

xvi

Figura 4.13. Respuesta en Frecuencia del Filtro Activo de Banda Angosta. Señal Azul: Onda patrón sintetizada por el Generador de Señales. Señal Amarilla: Onda de Salida del Filtro Activo. .............................................................................................. 89 Figura 4.14. Circuito implementado para la prueba de transmisión y comparación de filtros. .......................................................................................................................... 91 Figura 4.15. Diagrama de conexión de los equipos de medición. ............................ 92 Figura 4.16. Corto circuito entre Línea y Neutro debido a error en la conexión de las puntas del osciloscopio. .............................................................................................. 92 Figura 4.17. Plano aproximado del área domestica donde se realizaron las pruebas de transmisión. ............................................................................................................ 94 Figura 4.18. Mediciones realizadas con el Módulo Maestro conectado en diferentes tomacorrientes. ............................................................................................................ 96 Figura 4.19. Pulsos a la salida del Filtro de Banda Angosta con Módulo Maestro en Tomacorriente 15. ....................................................................................................... 98 Figura 4.20. Pulsos a la salida del Filtro LC Elíptico durante prueba de transmisión realizada en tráiler del Campo Residencial Morichal. ................................................ 98 Figura 4.21. Equipos utilizados durante prueba de transmisión en área en construcción. ............................................................................................................... 99 Figura 4.22. Trama completa de datos recibida por el Módulo Esclavo. (a) Captura de pantalla del osciloscopio. (b) Representación gráfica de la trama de datos. ........ 100 Figura 4.23. Recepción de dos cabeceras en fase correcta. ..................................... 102 Figura 4.24. Recepción de dos cabeceras en fase invertida. .................................... 102 Figura 5.1. Diagrama general del sistema de telemando. ........................................ 104 Figura 5.2. Gráfica de las señales involucradas en el sistema de telemando. ......... 105 Figura 5.3. Representación eléctrica de bits de acuerdo al protocolo X10. ............. 106 Figura 5.4. Secuencia para el envío de una trama completa de datos. ..................... 106 Figura 5.5. Diagrama en bloques del Módulo Maestro............................................ 107 Figura 5.6. (a) Fuente de alimentación sin transformador del Módulo Maestro. (b) Condensador de poliéster. ................................................................................... 108 Figura 5.7. (a) Circuito de aplicación del 78LR05. (b) Fotografía del regulador de tensión 78LR05. ........................................................................................................ 109 Figura 5.8. Electrónica de periferia del microcontrolador PIC16F877.................... 110 Figura 5.9. (a) Circuito de amplificación de señal PWM de 120KHz. (b) Respuesta de conmutación del LM741 ...................................................................................... 112 Figura 5.10. (a) Circuito de acople con la red eléctrica (filtro paso alto). (b) Respuesta en frecuencia del filtro de acople con la red elécrica . ....................... 113 xvii

Figura 5.11. Circuito de detección de cruce por cero. ............................................. 114 Figura 5.12. Diagrama en bloques del Módulo Esclavo. ......................................... 115 Figura 5.13. (a) Implementación del Filtro LC de respuesta elíptica. (b) Respuesta en frecuencia del filtro LC. ............................................................................................ 116 Figura 5.14. Implementación del filtro pasa banda de banda angosta. .................... 117 Figura 5.15. Electrónica de amplificación y demodulación de los pulsos de 120 KHz. ................................................................................................................................... 118 Figura 5.16. Señales de entrada del opamp U2B del Módulo Esclavo. ................... 120 Figura 5.17. Señales de entrada del opamp U5 del Módulo Esclavo....................... 120 Figura 5.18. Superior: Salida de detector de cruce por cero. Inferior: Pulsos X10 procesados en pin 2 del PIC12F675.......................................................................... 121 Figura 5.19. Electrónica de control On/Off de potencia. ......................................... 122 Figura 5.20. Circuito de aplicación del optotriac MOC3041................................... 123 Figura 5.21. Microcontrolador PIC12F675 del Módulo Esclavo. ........................... 124 Figura 5.22. Estructura del Menú de la LCD del Módulo Maestro. ........................ 125 Figura 5.23. Diagrama de Flujo del programa de control del Módulo Maestro. ..... 126 Figura 5.24. Secuencia de envío de un 1 binario. .................................................... 127 Figura 5.25. Diagrama de Flujo del programa de control del Módulo Esclavo. ...... 128 Figura 5.26. Secuencia de lectura de un pulso durante el semiciclo positivo. ......... 129 Figura 5.27. Ubicación de las resistencias opcionales R1 y R6 en la fuente de alimentación. ............................................................................................................. 130 Figura 5.28. Caras Botton Layer y Top Overlay de la PCB del Módulo Maestro. . 131 Figura 5.29. Caras Top Layer y Botton Overlay de la PCB del Módulo Maestro. . 132 Figura 5.30. Fotografías del prototipo del Módulo Maestro terminado.................. 133 Figura 5.31. Diagrama esquemático completo del Módulo Maestro. ..................... 134 Figura 5.32. PCB del Módulo Esclavo. Superior: CarasBotton Layer y Top Overlay. Inferior: Caras Top Layer y Top Overlay. (Imágenes en tamaño real). .................... 135 Figura 5.33. Fotografías del prototipo del Módulo Esclavo terminado. .................. 137 Figura 5.34. Diagrama esquemático completo del Módulo Esclavo. ...................... 138 Figura 5.35. Repartición del costo del Módulo Maestro en los componentes que lo forman. ...................................................................................................................... 140 Figura 5.36. Repartición del costo del Módulo Esclavo en los componentes que lo forman. ...................................................................................................................... 142

xviii

Figura A.1. Esquema del Sistema de la Planta Compresora de Gas Jobo 3 e Inducción de Seguridad. ............................................................................................ 150 Figura A.2. Izquierda: Receptor GPSMagellan Triton 300 utilizado en el registro152 de la posición de las S/E. Derecha: Subestación eléctrica. ....................................... 152 Figura A.3. Simulación comparativa mediante PSpice de la respuesta ................... 152 en frecuencia de los diferentes filtros diseñados. ...................................................... 152 Figura A.4. Diseño del Módulo Maestro en ISIS Proteus. ...................................... 153 Figura A.5. Estación de bombeo ERO. .................................................................... 154 Figura A.6. Izquierda: Estación de bombeo de diluente. Derecha: PLC (AllenBradley) encargado del control de la bomba............................................................. 154 Figura A.7. Izquierda: Los tres motores conectados al sistema de bombeo de la Planta de Agua. Derecha: Gabinete que aloja al PLC (Allen- Bradley) junto con las señales de campo....................................................................................................... 155 Figura A.8. Izquierda: Módulo Maestro conectado en protoboard. Derecha: Tiempo de respuesta de un amplificador operacional LM741. .............................................. 156 Figura A.9. Izquierda: Laboratorio y módulo de pruebas ubicado en el Edif. Bitor. Derecha: HMI de la sala de control de Planta de Agua. ........................................... 156 Figura A.10. Izquierda: HMI en Intouch del Area-100 de proyecto MIS. Derecha: Field Communicator HART 375 conectado a un tri-loop para la comunicación con los transmisores. ............................................................................................................. 157 Figura A.11. Izquierda: Circuito detector de cruce por cero basado en opamp. Derecha: Circuito sustituto basado en opto-acoplador.............................................. 158 Figura A.12. Izquierda: Filtro srcinal obtenido mediante Filter Solutions. Derecha: Circuito implementado. ............................................................................................. 159 Figura A.13. Ejemplo de generación de una trama de datos. La señal azul representa los cruces por cero. La señal amarilla los pulsos de alta frecuencia. ........................ 162 Figura A.14. Izquierda: HMI en Intouch del Area-300. Derecha: Separadores 1,2 y 3. ................................................................................................................................... 163 Figura A.15. Izquierda: Válvulas de aire en el Area-300 de Proyecto MIS. Derecha: Transductor de corriente a presión STD6000 de la empresaThermo Scientific. ...... 163 Figura A.16. Encerrado en un circulo rojo se muestra el circuito de acople con la red eléctrica. .................................................................................................................... 164 Figura A.17. Prueba de propagación realizada dentro de un área en construcción. 165 Figura A.18. Izquierda: Diseño de la PCB del Módulo Maestro. Derecha: Diseño de la PCB del Módulo Esclavo (v1.1). .......................................................................... 166 Figura A.19. Prueba fallida de emulsionado e insolación de malla. ........................ 166

xix

Figura A.20. Izquierda: Módulo Maestro o transmisor. Centro: Módulo Esclavo v1.0. Derecha: Módulo Esclavo v1.1. (Con ajuste de frecuencia resonante, ganancia de amplificación y nivel de ruido) ................................................................................. 167 Figura B.1. PCB terminado listo para exportar los layouts. .................................... 169 Figura B.2. Ruta de menú para creaciónde un nuevo “Output Job File”. ............... 169 Figura B.3. Sección de “Fabrication Outputs” dentro del “Output Job File”. ........ 170 Figura B.4. Ventana de configuración de las capas a imprimir en el Output Job File. ................................................................................................................................... 170 Figura B.5. Menú contextual para la configuración de impresión de página. ......... 171 Figura B.6. Ventana de propiedades finales de impresión....................................... 172 Figura B.7. Botón para añadir nuevo medio de impresión. ..................................... 172 Figura B.8. Opción “Publicar en PDF” de la columna Output Media. .................... 173 Figura B.9. Botón Publicar en PDF. ........................................................................ 173 Figura B.10. Importación de imágenes desde archivo PDF. .................................... 174 Figura B.11. Botón añadir nueva capa. .................................................................... 175 Figura B.12. Traslado de la capa 2 al fondo. ........................................................... 175 Figura B.13. Herramienta de rectángulo. ................................................................. 175 Figura B.14. Resultado obtenido luego de invertir los colores de la capa 1. ........... 176 Figura B.15. Menú contextual para fusionar las capas 1 y 2. .................................. 176 Figura B.16. Ventana de creación de la nueva página de impresión final. .............. 177 Figura B.17. Herramienta de selección rectangular. ................................................ 177 Figura B.18. Página de impresión final.................................................................... 178 Figura C.1. Esquema general a seguir en el método de impresión serigráfica. ....... 179 Figura C.2. Malla de 120 hilos con bastidor de madera, mueble insolador y láminas de acrílico. ................................................................................................................. 180 Figura C.3. Emulsión en presentación de ½ Kg y bicromato de potasio................. 181 Figura C.4. Solvente de tintas ecológico “Ecosolve” en presentación de 1 L y removedor de emulsión en presentación de 100 ml. ................................................. 181 Figura C.5. Pintura blanca y azul epóxicas, catalizador y thinner comercial. ......... 182 Figura C.6. Emulsionador, rasqueta, cinta adhesiva, guantes de látex, recipiente de plástico, dosificador, paño seco, tarjeta de crédito o similares. ................................ 183 Figura C.7. Preparación de la solución de Bicromato de Potasio. ........................... 184 Figura C.8. Proceso de foto sensibilizado de la emulsión. ...................................... 185

xx

Figura C.9. Vertido de la emulsión en el emulsionador. ......................................... 186 Figura C.10. Emulsionado de la malla utilizando el emulsionador. ........................ 186 Figura C.11. Removido del exceso de emulsión con una espátula de plástico........ 187 Figura C.12. Comparación entre área sin emulsión vs. Área emulsionada. ............ 187 Figura C.13. Impresión y recorte de los diseños en acetato. ................................... 188 Figura C.14. Fijación de los diseños en lámina de acrílico. .................................... 188 Figura C.15. Insolación de la malla. ........................................................................ 189 Figura C.16. Revelado del diseño. ........................................................................... 189 Figura C.17. (a) Diseño de muestra de diferentes grosores de pistas. (b)Botton Layer de PCB de ejemplo. ........................................................................................ 190 Figura C.18. (a) Silk screen de PCB de ejemplo. (b) Botton Solder Mask de PCB de ejemplo...................................................................................................................... 191 Figura C.19. PCB de Muestra Serigráfica. (a) Tiempo de exposición a la luz: 2 min. ................................................................................................................................... 191 Figura C.20. Tiempo de exposición cronometrado para la insolación de los fotolitos. ................................................................................................................................... 192 Figura C.21. Preparación de la pintura Epoxi......................................................... 193 Figura C.22. Fijación de la PCB sobre lámina de acrílico...................................... 193 Figura C.23. Izquierda: Alineación del diseño de la malla con los pads del PCB. Derecha: Fijación del bastidor a la superficie de trabajo. ......................................... 194 Figura C.23. Vertido de la pintura epoxi sobre la malla......................................... 194 Figura C.24. Barrido de la pintura sobre la malla mediante rasqueta de goma. ..... 195 Figura C.25. Resultado obtenido luego de aplicar la máscara de soldadura. ......... 195 Figura C.26. Alineación y fijación del bastidor al área de trabajo. ........................ 196 Figura C.27. Izquierda: Barrido de lasilk screen. Derecha: Resultado final obtenido. ................................................................................................................................... 196 Figura C.28. Izquierda: Vista de la malla luego de barrer varios diseños desilk screen. Derecha: Diferentes PCB listas para soldar. ................................................. 197 Figura C.29. Tarjetas de circuito impreso ya terminadas. ....................................... 197 Figura C.30. Removido de la emulsión de la malla. ................................................ 198 Figura D.1. Piezas cortadas de acuerdo a los planos. .............................................. 199 Figura D.2. dede laslassecciones F,A, G,B, H Ce I.y....................................................... Figura D.3. Unión Fijación secciones D................................................... 200 200 Figura D.4. Forrado de las secciones E, F, G, H e I con papel plateado.................. 201 xxi

Figura D.5. Fijación de las lámparas fluorescentes. ................................................ 201 Figura D.6. Resultado obtenido luego del armado de todas las secciones............... 202 Figura D.7. Medida y corte de la lámina de acrílico................................................ 202 Figura D.8. Resultado final obtenido. ...................................................................... 203 Figura D.9. Mueble insolador con malla serigráfica................................................ 203 Figura E.1. Ventanas de Filter Solutions 2009 corriendo en Windows 7. .............. 206 Figura E.2. Ventana principal de Filter Solutions 2009. ......................................... 207 Figura E.3. Selección de respuesta aproximada. ..................................................... 207 Figura E.3. Selección de la clase de filtro................................................................ 207 Figura E.4. Selección del método de implementación del filtro.............................. 208 Figura E.5. Parámetros más resaltantes de la configuración previa. ....................... 208 Figura E.6. Frecuencia central del filtro pasa banda................................................ 208 Figura E.7. Ancho de banda de paso en Hertz......................................................... 209 Figura E.8. Ancho de la banda rechaza banda en Hertz. ......................................... 209 Figura E.9. Máxima amplitud de rizado en banda de paso...................................... 209 Figura E.10. Botón Set Order para optimizar el diseño del filtro. ........................... 209 Figura E.11. Ventana Set Order. Fija el menor orden posible del filtro. ................. 210 Figura E.12. Casilla Even Order Mode.................................................................... 210 Figura E.13. Límites y unidades de la gráfica de respuesta en tiempo y frecuencia. ................................................................................................................................... 210 Figura E.14. Sección Ideal Filter Response. ........................................................... 211 Figura E.15. Ventana de la función de transferencia del filtro. ............................... 211 Figura E.16. Botón Synthesize Filter ubicado en la sección Circuit Paramaters. .. 211 Figura E.17. (a) Respuesta en frecuencia de filtro. (b) Respuesta temporal del filtro. ................................................................................................................................... 212 Figura E.18. Gráfica de los polos y ceros del filtro en el plano imaginario. ........... 212 Figura E.19. Diagrama circuital del filtro sintetizado. ............................................ 212 Figura E.20. Bobina seleccionada para ajustar su valor. ......................................... 213 Figura E.21. Ventana de propiedades del elemento seleccionado (bobina). ........... 213 Figura E.22. Circuito final obtenido del filtro diseñado. ......................................... 214 Figura E.23. Error de escritura de parámetros. ........................................................ 214 Figura E.24. Mensaje de error. ................................................................................ 214

xxii

ÍNDICE DE TABLAS

Página Tabla 2.1. Lista de Códigos Casa y su correspondiente secuencia de bits. ................ 55 Tabla 2.2. Lista de comandos dentro del protocolo X10. .......................................... 56 Tabla 4.1. Consumos de corriente en el Módulo Receptor. ...................................... 77 Tabla 4.2. Comparación de Vpp entre PWM del Módulo Maestro y salida de filtro LC del módulo receptor para diferentes valores de C12. ............................................ 80 Tabla 4.3. Amplitud de Señal Patrón vs. Amplitud Salida del Filtro LC. ................. 85 Tabla 4.4. Amplitud de Señal Patrón vs. Amplitud Salida del Filtro de Banda Angosta. ...................................................................................................................... 90 Tabla 4.5. Niveles DC de los Módulos durante la prueba de transmisión. ................ 95 Tabla 4.6. Tensiones pico-pico a la salida del Filtro LC Elíptico y Filtro Activo de Banda Angosta. ........................................................................................................... 97 Tabla 5.1. Componentes electrónicos de la PCB del Módulo Maestro. .................. 133 Tabla 5.2. Componentes electrónicos de la PCB del Módulo Esclavo. ................... 136 Tabla 5.3. Componentes del Módulo Maestro y su costo respectivo....................... 139 Tabla 5.4. Componentes del Módulo Esclavo y su costo respectivo. ...................... 141 Tabla C.1. Lista de materiales y su costo respectivo. .............................................. 184

xxiii

ÍNDICE DE ECUACIONES

Página Ec. 2.1. Número de rizos en banda de paso de filtro Chebyshev................................ 46 Ec. 2.2. Definición de BW en filtro de banda angosta en base a R y C ...................... 48 Ec. 2.3. Definición de BW en filtro de banda angosta en base a Q y rf....................... 48 Ec. 2.4. Determinación de Rr en filtro de banda angosta ............................................ 48 Ec. 2.5. Corriente en fuente de alimentación sin transformador................................. 49 Ec. 2.6. Reactancia del capacitor ................................................................................ 50 Ec. 2.7. Corriente suministrada por cada µf ............................................................... 50 Ec. 5.1. Cálculo de capacitor para fuente de alimentación sin transformador .......... 108 Ec. 5.2. Tiempo de delay de reinicio en ms (78LR05) ............................................. 109 Ec. 5.3. Corriente para Backlight de la LCD ............................................................ 111 Ec. 5.4. Valor de Slew rate del Opamp LM741........................................................ 111 Ec. 5.5. Tiempo de conmutación de LM741 paraTC de 30 V ................................. 111 Ec. 5.6. Tiempo de conmutación de LF356 paraTC de 30 V................................... 112 Ec. 5.7. Frecuencia de corte de filtro pasa alto de primer orden............................... 113 Ec. 5.8. Cálculo de R para filtro pasa alto de primer orden ...................................... 113 Ec. 5.9. Cálculo de resistenciaR5 del Módulo Maestro ........................................... 114 Ec. 5.10. Cálculo de resistenciaR8 del Módulo Maestro ......................................... 114 Ec. 5.11. Parámetros de filtro pasa banda de banda angosta .................................... 117 Ec. 5.12. Cálculo de R para filtro de banda angosta ................................................. 117 Ec. 5.13. Cálculo de Rr para filtro de banda angosta................................................ 118 Ec. 5.14. Cálculo de resistenciasR7 y R11 de Módulo Esclavo (filtro pasa banda) 118 Ec. 5.15. Ganancia máxima de primera etapa de amplificación (U1B) .................... 119 Ec. 5.16. Ganancia máxima de segunda etapa de amplificación (U2A) ................... 119 Ec. 5.17. Ganancia máxima total de etapa de amplificación .................................... 119 Ec. 5.18. Cálculo de R25 del Módulo Esclavo ......................................................... 122 Ec. 5.19. Definición de R23 del Módulo Esclavo ..................................................... 122 Ec. 5.20. Corriente de base de transistorQ1 en Módulo Esclavo ............................ 122 xxiv

Ec. 5.21. Cálculo de R23 del Módulo Esclavo ......................................................... 123 Ec. 5.22. Cálculo de R28 del Módulo Esclavo ......................................................... 123 Ec. 5.23. Cálculo de R1 y R6 del Módulo Maestro .................................................. 132

xxv

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo investigativo expone los resultados del diseño y fabricación de un Sistema de Telemando On/Off basado en la transmisión y recepción de comandos por la red eléctrica de baja tensión y adoptando características del conocido protocolo de automatización doméstica X10. El objetivo de dicha investigación consiste en diseñar e implementar un sistema de telemando de apagado y encendido de equipos, utilizando la línea eléctrica como medio de comunicación. Dicho trabajo fue realizado para la oficina de Servicios Eléctricos de Petróleos de Venezuela, S.A. – Dtto. Morichal. Para el cumplimiento del objetivo se ha desarrollado una metodología de tipo proyectiva y de diseño transeccional contemporáneo, de fuente mixta, univariable y experimental, en donde se describe y explica el diseño propuesto y además se exponen los prototipos construidos. Adicionalmente se muestran los datos obtenidos en las pruebas realizadas bajo entornos controlados y aislando las variables de interés. Este informe está constituido por cinco capítulos. En el primer capítulo se plantea la temática que motiva la realización de esta investigación, así como también el objetivo general de la misma y los objetivos específicos a realizar para alcanzar la meta propuesta. En el Capítulo II se desarrolla el marco teórico o referencial. Se explican los fenómenos y las bases matemáticas que fundamentan esta investigación. De igual modo se exponen algunos conceptos y términos básicos involucrados en el desarrollo del tema. El tercer capítulo corresponde a los métodos y procedimientos empleados para la ejecución de cada objetivo, así como también las herramientas e instrumentos que sirvieron de medio para su ejecución, en otras palabras, el marco metodológico. Finalmente el grueso del trabajo se manifiesta en los Capítulos IV y V,

26

resultados y diseño. En la primera sección se exponen y analizan los resultados obtenidos en las pruebas realizadas para comprobar la operatividad del sistema, comparando el comportamiento obtenido con los valores arrojados mediante simulación o CAD. En el apartado siguiente se describe el diseño completo de los prototipos fabricados, así como también los bloques circuitales que lo conforman y las características físicas de su fabricación. En adición a un estudio de vialidad donde se muestra el costo total de la implementación del sistema. Esta investigación representa un aporte a las áreas de inmótica, automática, y comunicaciones, específicamente en un contexto regional y nacional. Esto debido a que se logra construir prototipos funcionales y con aplicaciones prácticas que pueden ser usados por las empresas de la región para actividades de control y supervisión. Además de brindar una plataforma tecnológica que sirva de base para la ejecución de futuras investigaciones, abriendo nuevas líneas de investigación que pueden ser abordadas a futuro.

27

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

Planteamiento del Problema Dentro de las instalaciones de PDVSA – Dtto. Morichal existen un sinfín de equipos conectados a la red eléctrica de baja tensión (110 VAC). Computadores en salas de control, routers, switches y otros dispositivos de red, transmisores y receptores de radio y otro tanto de elementos que sirven de plataforma para el control y la operación de las tareas realizadas en planta.

Figura 1.1. Modelo de Comunicación entre SCADA y RTU.

Es común, sobre todo en los dispositivos de control y segmentación de red que a causa del sobrecalentamiento u algún otro factor ajeno al operador, éstos entren en un

lazo de programa infinito y dejen de responder como deberían. Ésta contrariedad también se presenta en los radios utilizados para la comunicación entre las RTU (“Remote

Terminal Unit”) y el sistema de SCADA (“ Supervisory Control And Data

Acquisition”), ver Figura 1.1. La interrupción de la conexión entre estos elementos supone la incapacidad de ejecutar acciones de control y observación sobre el proceso supervisado, lo cual representa un grave problema. También es frecuente que el computador sobre el cual se ejecuta el software de SCADA se entre en un ciclo de espera infinita, interrumpiendo así la supervisión del proceso. Debido a normativas internas de la empresa, los computadores se encuentran en gabinetes cerrados que impiden el acceso del operador a puertos USB, Ethernet, unidades de CD-ROM, y botones de reinicio y apagado. Además, los computadores están configurados de tal manera que el operador sólo pueda tener acceso estricto al software de SCADA, impidiendo la interacción con los demás recursos del sistema operativo. De modo que se imposibilita la restauración del sistema por parte del operador. En estos casos es necesario solicitar asistencia al personal de Servicios Eléctricos. Un miembro del personal deberá desplazarse al sitio para atender dicha situación, la cual en la mayoría de los casos se resuelve interrumpiendo el suministro eléctrico del dispositivo. Este hecho supone una ocupación vana del recurso humano, el cual tiene que desatender actividades prioritarias para desplazarse al lugar y resolver el problema. En base a la problemática planteada, se propone el desarrollo de un sistema que permita cortar y restablecer la energía eléctrica de un equipo específico (router, transmisor de radio, computador, etc.) sin la necesidad de que personal de Servicios Eléctricos se desplace al lugar donde se presenta el problema.

Objetivo General Diseñar e implementar un sistema de telemando de apagado y encendido por

29

medio del protocolo X-10 a través de la línea eléctrica de baja tensión para Servicios Eléctricos de Petróleos de Venezuela, S.A.– Dtto. Morichal.

Objetivos Específicos 1. Estudiar el protocolo X-10. Sus limitaciones, beneficios y arquitecturas básicas de la electrónica utilizada. 2. Definir los filtros de acople y desacople a usar para la conexión del sistema con la red eléctrica de baja tensión. 3. Diseñar la electrónica analógica que se utilizará para la generación, recepción y acondicionamiento de la señal de control transmitida. 4. Validar los diseños mediante su simulación en PSpice 5. Diseñar la electrónica digital que servirá de interfaz de usuario, manejo de la comunicación y ejecución de los comandos transmitidos. 6. Realizar pruebas de comunicación en frío y caliente con el sistema ensamblado en protoboard. 7. Fabricar tarjetas de circuitos impresos para los módulos esclavos y maestro. 8. Ejecutar prueba final de funcionamiento.

Justificación del Sistema Propuesto El desarrollo de un sistema formado por un panel principal y módulos esclavos, que brinde al personal de Servicios Eléctricos de PDVSA– Dtto. Morichal, una herramienta para reiniciar la energía eléctrica de equipos específicos de forma rápida y segura. El uso de la red eléctrica para un propósito que no se consideró durante su concepción: La comunicación. En nuestro caso específico; la transmisión de comandos. Lo que implica el ahorro de la creación de una red adicional para el

30

control de los dispositivos ya antes mencionados.

Alcance de la Investigación Este trabajo persigue generar un prototipo funcional que sirva de herramienta para solucionar la dificultad planteada anteriormente. Durante el proceso de diseño se busca sentar bases matemáticas sólidas que respalden y que permitan responder al “¿Por qué?” de cada elemento electrónico que conformen los bloques circuitales.

El prototipo se implementará para que funcione a través de la red de baja tensión monofásica dentro de un área local, es decir, en una sala de control o de una oficina a oficinas circundantes, sin salir a la etapa de transformadores. Se espera que el personal de Servicios Eléctricos de instrucciones por teléfono al operador local acerca de cómo deberá operar el dispositivo. Se construirá un panel central que servirá de interfaz de usuario para el operador. Una LCD y un teclado matricial le servirán como elementos de entrada y salida para la ejecución de los comandos. En adición al dispositivo maestro, se ensamblarán 3 módulos esclavos que servirán de interruptores entre el equipo a controlar y la red eléctrica. Se evitará el uso de relés en la electrónica de potencia, y en su lugar se usaran dispositivos semiconductores. El diseño del prototipo se ejecutará tomando en cuenta los componentes electrónicos disponibles en el mercado nacional. Se desea evitar la dependencia directa de divisas extranjeras. Igualmente se tendrá en mente el costo del producto final. Se desea que cada bloque circuital cumpla su función específica manteniendo una relación de eficiencia-simplicidad máxima.

31

CAPÍTULO II

MARCO DE REFERENCIA

Aspectos generales de Petróleos de Venezuela S.A. Petróleos de Venezuela, S.A. y sus filiales (PDVSA) es una corporación propiedad de la República Bolivariana de Venezuela, creada por el Estado venezolano en el año 1975, en cumplimiento de la Ley Orgánica que Reserva al Estado, la Industria y el Comercio de Hidrocarburos (Ley de Nacionalización). Sus operaciones son supervisadas y controladas por el Ministerio del Poder Popular para la Energía y Petróleo (MENPET).

Reseña Histórica La bonanza petrolera en nuestro país inicia en 1914, año en el que La Caribbean Petroleum, subsidiaria de la Royal Dutch Shell, perforara con éxito el pozo Zumaque I ubicado en la costa oriental del Lago de Maracaibo. Esto permitió el descubrimiento del primer campo venezolano de importancia mundial, el campo Mene Grande. A partir de este año Venezuela alcanza fama mundial como gran productor del llamado oro negro, “aceite de roca” o petróleo. Desde lo s

inicios del siglo XX fueron

varias las empresas trasnacionales que adquirieron concesiones para la explotación de los recursos de hidrocarburos en nuestro país, y mantuvieron sus operaciones de forma casi inamovible hasta mediados de los setenta. No fue hasta el año 1975, que se crea la posibilidad de abrir caminos en la búsqueda de una nacionalización que realmente fuera para el pueblo venezolano. Se

presentó ante el Ejecutivo Nacional (Carlos Andrés Pérez)un proyecto de ley que reserva al Estado la industria y el comercio de los hidrocarburos. Dicha ley fue aprobada y entra en vigencia el 1° de enero del 1976. Paradójicamente, el Ejecutivo Nacional formuló e introdujo una modificación sustancial al proyecto srcinal de la ley, que desvirtuó la esencia, propósito y razón de ser de una auténtica nacionalización, como la historia reciente lo demuestra.

Figura 2.1. Logo de PDVSA inspirado en petroglifo en forma de sol ornamentado, ubicado en la Piedra Guarataro – Caicara del Orinoco. El logo hace alusión al sol como fuente de energía. Fuente: Manual de Imagen Corporativa – PDVSA.

Un día después de la promulgación de la Ley de Nacionalización es creada Petróleos de Venezuela, S.A. por decreto del Ejecutivo Nacional el 30 de agosto de 1975. Es importante señalar que desde su inició se organizó bajo una estructura casi idéntica a la prexistente. Cada concesionaria privada fue convertida en una filial. Así la Creole pasó a llamarse Lagoven; la Shell, Maraven; la Mobil, Llanoven y otras diez filiales, todas ellas con nombres terminados en “ven”. Esta irracional estructura fue defendida

argumentando que la nacionalización debería producir la menor alteración en la actividad operativa diaria. La alta gerencia de esas compañías transnacionales pasó a constituir los equipos gerenciales de estas “nuevas” filiales y los equipos técnicos y profesionales se mantuvieron prácticamente inalterados. 33

Así, la actividad petrolera en el país quedó bajo la responsabilidad de Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA), como casa matriz, y sus 14 filiales, pero en realidad quedó en manos de los mismos que habían dominado el negocio petrolero antes de esta “nacionalización”. En 1977 se produjo la primera reorganización, reduciendo las

filiales operativas de 14 a 7 al absorber las más grandes a las pequeñas. Más adelante éstas se reducirían a tres: Lagoven, Maraven y Corpoven. En 1997 se aprobó una nueva restructuración que eliminó esas filiales y creó tres grandes empresas funcionales de negocios que integraran la corporación: PDVSA Petróleo y Gas; PDVSA Exploración y Producción; PDVSA Manufactura y Mercadeo y PDVSA Servicios, responsables de ejecutar la actividad operativa. Hoy día PDVSA figura como una de las compañías petroleras más importantes del mundo. De acuerdo con un estudio comparativo publicado el 6 de diciembre del 2010 por Petroleum Intelligence Weekly (PIW), PDVSA se mantuvo cuarta entre las compañías más grandes a nivel mundial en el negocio petrolero. El estudio está basado en una combinación de criterios operacionales, que incluye reservas, producción, refinación y ventas. A la fecha del estudio PDVSA ocupaba las siguientes posiciones: 

Segunda en reservas probadas de petróleo.



Tercera en producción de petróleo.



Cuarta en capacidad de refinación.



Sexta en reservas probadas de gas.



Octava en ventas.

De igual modo se posiciona entre las primeras 100 compañías mas grandes del mundo, sosteniendo el puesto número 66 con 88.361 millones de dólares en ingresos durante el año 2011, superando a compañías comoÉlectricité de France, Sony, BMW,

Petronas y Repsol YPF . Esto de acuerdo al Global 500 del año 2011, el ranquin anual de las corporaciones más grandes del mundo realizado porCNN en conjunto con

Fortune y Money. 34

Misión PDVSA, tiene como misión garantizar los volúmenes de crudo comprometidos a sus clientes, optimizando las operaciones en condiciones seguras, operando pozos e instalaciones rentables, para extraer y entregar el crudo, para su medición, transporte y fiscalización o coordinación operacional de gas depurando a la organización de planta de gas acorde con sus especificaciones y los objetivos de producción, además con un personal motivado y dispuesto al cambio, para mejorar continuamente los procesos en armonía con el ambiente.

Visión La visión de PDVSA es motorizar el desarrollo armónico del país, afianzar el uso soberano de los recursos, potenciar el desarrollo endógeno y propiciar una existencia digna y provechosa para el pueblo venezolano, propietario de la riqueza del subsuelo nacional y único dueño de esta empresa operadora.

Objetivo General PDVSA Tiene por objetivo realizar las actividades de Exploración, Producción, Perforación, Explotación, Transporte, Manufactura, Refinación, almacenamiento, comercialización o cualquier otra actividad en materia de petróleo y demás hidrocarburos.

Objetivos Específicos 

Generar al Estado Venezolano los ingresos fiscales necesarios para el normal desenvolvimiento de la Economía Nacional.



Explorar, Producir, Transportar, Refinar y Comercializar directamente tanto como en el Mercado Nacional como en el Internacional los recursos provenientes del subsuelo (Gas, Crudo y productos derivados).



Máximo apoyo al sector privado Nacional, esfuerzo de la productividad.

35



Visualizar nuevas áreas de exploración para incrementar aceleradamente las base de recursos de hidrocarburo del país.

Estructura Organizacional Luego de la gran fusión de sus filiales: Lagoven, Maraven y Corpoven en una sola entidad llamada PDVSA Petróleo y Gas, S.A. se han venido haciendo continuos ajustes dentro de la organización a fin de mejorar el control interno de sus operaciones y el modelo de gerencia. Actualmente la corporación PDVSA está dividida en tres grandes filiales. Estas son: PDVSA Exploración y Producción, PDVSA Manufactura y Comercio, y PDVSA Servicios. La estructura organizacional de la empresa se expone en la Figura 2.2.

Directorio

P D V S A

Presidencia Comité Ejecutivo

CIED Intevep

Finanzas Recursos Humanos Planificación Unidades Corporativas

Entorno

F I L I A L E S

PDVSA Exploración y Producción · · · · ·

Petróleo y Gas Faja Bitor Carbozulia CVP

PDVSA Manufactura y Comercio ·

· · · · ·

PDVSA Servicios

Refinación, Comercio y Suministro Citgo Deltaven PDV Marina Petroquímica Proesca

· · · ·

Bariven Intesa Palmaven Otros

Figura 2.2. Estructura organizacional de Petróleos de Venezuela, S.A. Fuente: PDVSA – Distrito Morichal.

36

PDVSA Distrito Morichal Estructura Gerencial Petróleos de Venezuela S.A. separa sus operaciones a nivel nacional en secciones llamadas: Divisiones. Cada división está formada a su vez por Distritos. PDVSA Distrito Morichal forma parte de la División Carabobo y del Proyecto “Magna Reserva” que se desarrolla en la Faja Petr olífera

del Orinoco. Se dedica a la exploración, producción y suministro de productos e hidrocarburos tanto en Venezuela como en el exterior. Se encuentra organizacionalmente estructurada a través de una Gerencia de Distrito, una Sub-Gerencia Operativa y una Sub-Gerencia Administrativa. El organigrama completo del distrito se puede ver en la Figura 2.3. Gerencia del Distrito Morichal

Planificación y Gestión

Asuntos Públicos

Prevención y Control de Pérdidas (PCP)

Auditoría

Desarrollo Social

Asuntos Jurídicos

Gerencia del Dato

Tecnología

Sub-Gerencia Operativa

Sub-Gerencia Administrativa

Ambiente e Higiene Ocupacional

Propiedades y Catastro

Recursos Humanos

Seguridad Industrial

Salud

Relaciones Gubernamentales

Finanzas

Desarrollo Urbano

Cordinación Operacional

AIT

Procura

Servicios Logísticos

Ingeniería de Costo

Yacimientos

Plantas de Gas/Agua

GIPS

Mantenimiento

Operaciones

Construcción

Servicios

Producción

Mantenimiento de Pozos

Eléctricos

Figura 2.3. Estructura Organizativa de Petróleos de Venezuela – Distrito Morichal. Fuente: PDVSA – Distrito Morichal.

37

Ubicación Geográfica Las instalaciones de PVDSA Distrito Morichal se encuentran ubicadas en el Campo

Petrolero

Morichal

del

Municipio

Libertador,

Estado

Monagas.

Aproximadamente a 150 Km al noroeste de CiudadGuayana y 50 Km al suroeste de la ciudad de Maturín, como se muestra en el mapa de la Figura 2.4.

Figura 2.4. Ubicación geográfica de las instalaciones de PDVSA – Distrito Morichal

Distribución de las Instalaciones en Operación El área geográfica de extracción de crudo de PDVSA Distrito Morichal se divide en cinco campos: Campo Morichal, Campo Jobo, Campo Pilón, Campo Temblador y Extrapesado. En la Figura 2.5 se puede ver como se encuentran distribuidas las Instalaciones Petroleras existentes en el Distrito Morichal. En el mapa se pueden apreciar pequeños puntos violeta, estos indican la ubicación de los pozos en operación. Los recuadros amarillos señalan la ubicación de las subestaciones eléctricas.

Misión Explotar racionalmente las reservas de hidrocarburos del Distrito Morichal, a fin de cumplir con los compromisos de producción establecidos en el plan de negocios, impulsando el desarrollo económico y social del país, preservando la integridad de los 38

trabajadores, instalaciones y el ambiente.

Visión Ser reconocidos como el Distrito de referencia dentro de la Corporación, por el Liderazgo, Competitividad y Productividad en la extracción de Crudo y aprovechamiento de Gas; en cumplimiento con el Plan de Negocio y comprometidos con el desarrollo sustentable de la Nación.

Figura 2.5. Distribución de las instalaciones de PDVSA en Distrito Morichal. Fuente: PDVSA Distrito Morichal – Propiedades y Catastro.

Objetivos Estratégicos de PDVSA Distrito Morichal 1. Mantener la capacitación del personal la capacitación del personal, mediante la ejecución de programas formación orientada al cierre de brechas e 39

implantación de planes de carreras. 2. Minimizar los eventos no deseados y los impactos ambientales al personal y de las instalaciones mediante el seguimiento continuo de los índices de Seguridad Industrial, Ambiente e Higiene Ocupacional. 3. Ejecutar las operaciones asociadas a la cadena de valores cumpliendo con los estándares y normas de PDVSA, en materia de Calidad, Seguridad Industrial, Ambiente e Higiene Ocupacional; mejorando continuamente nuestros procesos. 4. Cumplir con los planes de desarrollo socio-económico mediante la implantación de los sobres sociales asignados, como base fundamental para el desarrollo de las comunidades, enmarcado en el proyecto “Plan de Siembra del Petróleo”.

5. Garantizar la entrega de crudo y gas bajo los requerimientos de costo, tiempo, cantidad y calidad establecida por el cliente. 6. Administrar eficientemente los recursos asignados, a fin de garantizar la continuidad operacional y el cumplimiento del plan de negocio. 7. Ejecutar planes o programas que permitan mantener, optimar y/o incrementar la productividad de crudo y gas del Distrito Morichal.

Gerencia de AIT La Gerencia de Automatización, Informática y Telecomunicaciones (AIT), es la organización dentro de PDVSA encargada de suministrar y mantener los servicios tecnológicos de automatización, computación y comunicaciones para la corporación. El presente trabajo responde a dicha gerencia y a lo que ella establece en sus Objetivos Estratégicos.

Misión

40

En su Misión como organización de la corporación PDVSA, la gerencia de AIT clama lo siguiente:

Somos la organización que rige, provee y mantiene los servicios y soluciones integrales de tecnologías de automatización, información y comunicaciones de la corporación; contribuimos a mantener su continuidad operativa y a ejecutar sus planes; innovamos y actuamos como agentes de transformación en PDVSA y en la sociedad venezolana con corresponsabilidad con la sociedad en materia, social, económica y ambiental; potenciamos un ecosistema tecnológico que impulsa los poderes creadores del pueblo, el conocimiento libre, el desarrollo endógeno sustentable y la economía social productiva para lograr la soberanía tecnológica; alineados con la CRBV y en coordinación con nuestros organismos rectores.

Visión Soberanía plena en soluciones AIT para el sector energético aportando valor social.

Objetivos Estratégicos de AIT 1. Construir la infoestructura segura y en tiempo real requerida para el logro de los retos del Plan Siembra Petrolera y la rendición de cuentas transparente al pueblo venezolano. 2. Optimizar los esquemas de mantenimiento y prestación de servicios AIT para asegurar la continuidad de las operaciones de la corporación a escala mundial en condiciones normales y de contingencia. 3. Proveer soluciones tecnológicas para habilitar el acercamiento del Estado al ciudadano mediante una red coordinada de instituciones. 4. Consolidar ecosistema tecnológico que provee productos y servicios a la corporación, profundizando el desarrollo endógeno, el conocimiento libre y la economía social, orientados al logro de la plena soberanía tecnológica.

41

5. Implantar el Distrito Social Tecnológico AIT para la generación de tecnologías AIT dirigidas a la industria petrolera y el sector energético. 6. Concretar la transformación organizacional de AIT a fin de ser proactivos, eficientes, efectivos e innovadores en la incorporación de tecnologías AIT y la provisión de soluciones y servicios que nos sean demandados. 7. Fortalecer la relación de los órganos rectores en materia de tecnologías de AIT para asegurar la alineación e integración con el Estado. 8. Establecer el plan estratégico de RRHH que permita la captación y desarrollo del personal según sus competencias y necesidades de la función, apalancando los requerimientos del PSP y otros organismos del Estado; enfatizando la protección y seguridad del ambiente como conducta cotidiana de trabajo. 9. Establecer sistemas corporativos de rendición de cuenta para soportar la gestión global de AIT, bajo las premisas de la eficiencia, eficacia y transparencia emanadas de la corporación. 10. Establecer un plan comunicacional efectivo para la divulgación de la información concerniente a todos los aspectos de funcionamiento de AIT a la corporación. 11. Convertir la nueva organización de AIT en un nuevo modelo basado en los valores del nuevo ciudadano para impulsar el desarrollo de la corporación y el país y una nueva relación estado sociedad. 12. Adoptar la seguridad y protección del ambiente como cotidiana de trabajo para garantizar los derechos ambientales de la población.

Estructura Funcional de AIT Distrito Morichal La Gerencia de AIT Distrito Morichal responde tanto como a la Gerencia Corporativa así como también a la Sub-Gerencia Operativa del Distrito. Divide sus 42

operaciones en ocho departamentos para la ejecución más eficiente de sus objetivos. En la Figura 2.6 se puede ver un organigrama completo de la estructura funcional de la Gerencia de AIT. Gerencia Corporativa

AIT Gerencia

Planificación

Formación TIC Programación Mantenimiento

Contratación Bienes y Servicios

Desarrollo y Promoción Proveedores

Gestión de Necesidades y Oportunidades

Sub – Gerencia Operativa

Administración de Recursos Planificación Administración Recursos y Control de Gestión Cadena de Suministros

Control de Gesión

Valoración de Usuario

Evaluación de Proveedores

Desarrollo e Implementación de Soluciones

Mantenimiento de la Plataforma

Procesos Operativos

Pesado

Redes

Producción

Procesos Direccionales

Extrapesado

Transmisión

Base de Datos

Procesos Administrativos

Software

Plantas

Soporte en Sitio

Control de la Plataforma

Soporte Areas Operativas

Soporte Areas Administrativas

Activos

Control de Cambios

Planta de Gas

Figura 2.6. Diagrama Organizacional de la Gerencia de AIT – Distrito Morichal. Fuente: Gerencia de AIT – PDVSA Distrito Morichal.

Fundamentación Teórica de la Investigación En esta sección se exponen los conceptos básicos, terminologías, principios y leyes en los cuales está fundamentada esta investigación. Si bien no son indispensables para la comprensión del diseño desarrollado, se recomienda la lectura de dicha teoría.

Filtro Elíptico Pasa Banda y su respuesta característica Esta clase de filtro cumple un papel primordial para el diseño propuesto, ya que

43

representa la etapa de prefiltrado de los pulsos de alta frecuencia, su alta selectividad y comportamiento resonante permite suministrar una señal adecuada para la segunda etapa de filtrado, atenuando en gran medida cualquier otra señal que se aleje de los 120 KHz. En la Figura 2.7 se muestra el diagrama de Bode y el circuito típico para esta clase de filtros. En este ejemplo se muestra un filtro elíptico pasivo sintonizado a 120 KHz.

(a)

(b)

Figura 2.7. Filtro Elíptico Pasa Banda. (a) Diagrama de Bode. (b) Circuito típico.

Para describir la respuesta característica del filtro elíptico (también conocido

44

como filtro de Cauer), debemos hacer referencia a la Figura 2.8, donde se exponen la respuesta en frecuencia de cuatro filtros típicos: Butterworth, Chebyshev, Inversa de Chebyshev y elíptico. Estas son respuestas estandarizadas que nos ofrecen una aproximación a las respuestas ideales, bajo una solución de compromiso, es decir, cada respuesta exhibe una ventaja que el resto carece. z

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2.8. Respuesta en frecuencia de aproximaciones estándares de un filtro pasa banda. (a) Butterworth. (b) Chebyshev. (c) Inversa de Chebyshev. (d) Elíptico. Fuente: Malvino (2007).

Para describir cada respuesta nos basaremos en tres características: rizado en la banda de paso, rizado en la banda de rechazo y velocidad de decaimiento en la zona de transición. La aproximación de Butterworth por ejemplo (Figura 2.8a), no posee rizado tanto en la banda de paso como en la banda de rechazo, es decir, la atenuación

45

en la banda de paso es prácticamente nula (aproximación máximamente plana). El costo a pagar por estas características es la lenta atenuación de la señal. Una forma de aumentar la velocidad de decaimiento es mediante la aproximación de Chebyshev (Figura 2.8b). En comparación con la respuesta Butterworth, esta exhibe un decaimiento más rápido en la zona de transición. Como precio por una atenuación más veloz, se paga con rizos en la banda de paso. El número de rizos formados lo define el orden del filtro, siguiendo la Ec. 2.1.

   

 

Ec. 2.1.

Por lo general esta aproximación es usada en aplicaciones donde una respuesta plana en la banda de paso deja de tener importancia. Chebyshev también desarrollo una aproximación que actúa de forma opuesta a la vista en la Figura 2.8b, es decir, presenta una respuesta plana en la banda de paso pero rizado en las bandas rechazadas, sin embargo manteniendo la velocidad de decaimiento en la zona de transición. Por esta razón se la conoce como aproximación inversa de Chebyshev. Su respuesta en frecuencia se puede ver en la Figura 2.8c. Finalmente, tenemos el filtro elíptico (mostrado en la Figura 2.8d), el cual combina las ventajas y desventajas del Chebyshev y el Chebyshev inverso, es decir, una máxima velocidad de decaimiento a costa de rizado tanto en la banda de paso como en la banda eliminada. Esta aproximación es la que más optimiza la zona de transición, a costa de generar rizados en la banda de paso y de no ser monotónica. Para ampliar la información acerca de teoría de filtros, sus ecuaciones características y respuesta en frecuencia, se recomienda hacer referencia a Williams (2006).

Filtro pasa banda activo de banda angosta Este filtro es usado como segunda etapa de filtrado, para eliminar los posibles armónicos generados por el filtro elíptico en la etapa de prefiltrado (este fenómeno es

46

ampliado en el Capítulo IV). En la Figura 2.9 se observa el circuito estándar de un filtro pasa banda de banda angosta. Debido a que posee dos ramas de retroalimentación también se lo conoce como filtro de retroalimentación múltiple. Sus principales ventajas son su simplicidad y economía, dado que utiliza un solo amplificador operacional. El papel de cada componente es descrito de forma sencilla por Coughlin (1999):

La resistencia  es la que define la resistencia de entrada del filtro. Si la resistencia de retroalimentación () tiene un valor del doble de la resistencia de entrada , la ganancia máxima del filtro será de 1 o 0 dB cuando la frecuencia sea resonante,  . Ajustando  se modifica (o ajusta con exactitud) la frecuencia resonante sin cambiar el ancho de banda ni la ganancia.

Su respuesta en frecuencia se puede observar en la Figura 2.10. Este filtro también tiene la peculiaridad de actuar como un filtro pasa banda de banda ancha si selecciona un valor bajo de . (Rashid, 2000).

Figura 2.9. Diagrama circuital de filtro pasa banda de banda angosta.

Otra ventaja que ofrece es con relación a su diseño, pues su funcionamiento está determinado por tres sencillas ecuaciones. El ancho de banda del filtro se define

47

mediante la resistencia y los capacitores pareados , de acuerdo a la Ec. 2.2:

 

Ec. 2.2.

  

Ec. 2.3.

  Donde,

La frecuencia de resonancia,  , se determina mediante la resistencia  , de acuerdo con la Ec. 2.4:

    

Ec. 2.4.

Figura 2.10. Respuesta en frecuencia de filtro de banda angosta. Fuente: Coughlin (1999).

Fuente de alimentación sin transformador Tradicionalmente la forma de convertir la señal alterna de la red eléctrica a una tensión DC, ha sido empleando transformadores en conjunto con un puente rectificador mas una etapa defiltrado. Esto hace a los convertidores AC/DC aparatos voluminosos, pesados y costosos. Si nos detenemos a pensar en el consumo de corriente que puede llegar a necesitar un microcontrolador mas su circuitería de periferia, nos daremos cuenta que es bastante reducido. Es en este tipo de aplicaciones donde una fuente sin transformador puede ser la solución idónea.

48

En la Figura 2.11 se observa el circuito de una fuente sin transformador de ±5 V. Como se deduce de la figura, la cantidad de componentes para su implementación es reducida, además la ausencia de inductores la hacen poco costosa. A pesar de estos beneficios, presenta dos principales desventajas. En primer lugar carece de aislamiento de la red de alimentación, lo cual expone a la electrónica sensible ante los transitorios de la red. Sin embargo, este problema se puede mitigar añadiendo un varistor entre fase y neutro. Como segunda desventaja, está la baja cantidad de corriente que puede suministrar.

Figura 2.11. Fuente sin transformador bipolar simétrica de 5 V. Fuente: D’Souza (1996).

Para entender el funcionamiento de este tipo de fuentes, haremos referencia a la Figura 2.12. En ella se expone el circuito típico en el que se basa la fuente. Acerca del comportamiento de  y  , D’Souza (1996) clama lo siguiente: “ Cuando un capacitor y una resistencia están conectados en serie a una fuente AC, se puede

mantener una corriente constante a través de la resistencia siempre y cuando la reactancia del capacitor sea mucho mayor que la resistencia. ” (p.1). Si además asumimos que el voltaje  es mucho mayor que el voltaje , entonces podemos hacer igual a cero y decir que la corriente vendrá definida por la Ec. 2.5:



    49

Ec. 2.5.

En donde la reactancia del capacitor viene dada por la Ec. 2.6.

 

 

Ec. 2.6.

Finalmente asumiendo     y la frecuencia de la red igual a 60 Hertz, entonces se obtiene:

             o

  

Ec. 2.7.

Figura 2.12. Circuito básico en el cual se basa la fuente de alimentación sin transformador. Fuente: D’Souza (1996).

Con esto se demuestra que por cada micro faradio en se obtiene un suministro de corriente de mas o menos 40 mA. Un par de cosas es importante tener en cuenta cuando se implemente esta fuente,  no puede tener un dieléctrico polarizado (se recomienda capacitores de poliéster) y deberá soportar la tensión pico de la red. También es importante añadir un fusible en serie al capacitor de acuerdo a los consumos del circuito a alimentar.

Breve reseña de la Tecnología PLC La tecnología de Comunicaciones a través de la Red Eléctrica, o Powerline Communications por su nombre en inglés, consiste básicamente en la transmisión de 50

voz y datos por medio de la red de alimentación eléctrica. Lo más atrayente de esta tecnología es el aprovechamiento de la mayor red construida por el hombre (más de 3000 millones de personas cuentan con energía eléctrica en todo el mundo). De este modo se le daría un valor agregado a la llamada red de redes, incrementando la rentabilidad de las compañías eléctricas diversificando sus servicios. Ésta tecnología tiene sus inicios en la década de los cincuenta. En ese entonces se desarrolló un sistema que permitía a las empresas de energía eléctrica controlar el consumo, el encendido del alumbrado público y conocer el valor de las tarifas por medio de una señal de baja frecuencia (100 Hz) que viajaba por las líneas de transmisión en un solo sentido. Más tarde en los ochenta, se profundizaron las investigaciones que estudiaban la posibilidad de usar los cables eléctricos para la transmisión de datos, y a finales de esa década se logró transmitir información de forma bidireccional. Terminando los noventa se logró elevar las tasas de transmisión lo suficiente como para dar cabida al uso de esta tecnología como alternativa a las conexiones ADSL. Hoy día, los resultados de los últimos experimentos señalan que es posible alcanzar velocidades que rondan los 200 Mbps, velocidad que supera por mucho a la ya establecida tecnología ADSL. (Berterreix & Bonet, 2006).

Aspectos generales del protocolo de comunicación X10 El protocolo X10 es un estándar de automatización domestica, el cual usa la red de alimentación eléctrica para la transmisión de comandos y así controlar dispositivos conectados a la red. Fue desarrollado entre los años 1976 y 1978 por la compañía escocesa Pico Electronics Ltd. Se creo con la intención se transmitir datos por la red eléctrica a baja velocidad (50 bps en Europa y 60 bps en América). Su nombre se debe a que aquel era el décimo proyecto que desarrollaba la compañía. Hoy día es un protocolo abierto y existen varias empresas que venden productos basados en esta tecnología. La gran variedad de módulos, el uso de un medio de transmisión ya existente (la red eléctrica), el reducido costo y la fácil instalación de los productos 51

contribuyeron a que el protocolo X10 sea hoy día la tecnología más extendida en el área de la automatización domestica. (EuroX10, s. f.).

Figura 2.13. Inyección de la señal de 120 KHz sobre las tres fases de la red eléctrica.

Como ya se menciono, el medio de comunicación usado en el protocolo X10 es la línea de alimentación eléctrica. Dado que todos los módulos conectados a ella reciben la misma señal de control, es necesario direccionar cada comando enviado. Para hacer esto, el protocolo X10 utiliza una forma sencilla de direccionamiento que se basa en 16 códigos para delimitar el área (definido por las letras A-P) y 16 códigos para identificar el dispositivo (numerados del 1 al 16). En conjunto es posible direccionar hasta 256 dispositivos. Sin embargo esta cantidad no debe interpretarse como el máximo número de dispositivos que se podrían conectar a la red. Es posible que dos módulos tengan la misma dirección sin que existan conflictos. Bajo esta circunstancia, la señal enviada a cierta dirección será recibida y ejecutada por todos los dispositivos configurados con esa dirección.

Teoría de transmisión de comandos bajo X10 En la comunicación mediante X10, la representación de los dígitos binarios se basa en la presencia o ausencia de una señal de alta frecuencia (120 KHz) que se

52

inyecta en la red. Esta señal se sincroniza con los cruces por cero de la onda sinusoidal de la línea de alimentación. La señal X10 debe emitirse con un retardo máximo de 200 µs después de cada cruce por cero y tener una duración de 1 ms. Mediante este sincronismo los módulos receptores podrán saber cuando hacer la lectura de los pulsos de 120 KHz. En adición, también es necesario enviar dos ráfagas más de 120 KHz, una con un retraso de 2,778 ms y la otra retrasada 5,556 ms como se ilustra en la Figura 2.13. Dicho de otro modo, se debe inyectar la señal de alta frecuencia en el cruce por cero de cada fase. Esto permitirá que dispositivos conectados en fases diferentes puedan recibir la misma señal de control.

(a) (b) Figura 2.14. Representación física de bits de acuerdo al protocolo X10. (a) Uno binario. (b) Cero binario.

En la Figura 2.14 se expone la forma de enviar un uno o un cero binario de acuerdo al protocolo X10. Debido a que el medio de transmisión es generalmente bastante ruidoso, los bits se envían en forma de complementos como una forma de mitigar la susceptibilidad ante el ruido de la red. Por ello, un 1 binario estará representado por la presencia de la señal de 120 KHz durante el semiciclo positivo y su ausencia durante el semiciclo negativo, como se ve en la Figura 2.14(a), mientras que un 0 binario es exactamente lo contrario tal como se muestra en la Figura 2.14(b). A pesar que de esta forma se reduce la posibilidad de error en la transmisión, al hacer redundantes los bits enviados, también se disminuye la tasa de transmisión a un bit por cada ciclo de la red eléctrica. 53

En la Figura 2.15 se ejemplifica el envío de una acción X10, compuesta por dos comandos. Cada comando está formado básicamente por cuatro campos: Código de Inicio, Código de Casa, Código de Dispositivo/Función y un Bit final que indica al receptor si el tercer campo es una función o la dirección de un dispositivo. Para que un dispositivo X10 ejecute una acción primero se envía un comando de atención, formado por el Código de Inicio, Código de Casa, Código de Dispositivo y Bit Final. Este comando de atención activará a los dispositivos que deberán realizar la acción. Seguidamente del código de atención, se envía el comando de función, el cual se compone por los mismos cuatro campos que el comando de atención exceptuando el Código de Dispositivo que pasa a ser Código de Función. Estos cuatro campos se envían en 11 ciclos de la red.

Figura 2.15. Ejemplo de envío de comando X10: A2 On.

A continuación se explica el envío del código de atención de la Figura 2.15. El primer campo, el Código de Inicio, se envía en dos ciclos de señal y siempre corresponde a la secuencia 1110. Nótese que esta secuencia rompe la regla del envío en complementos de bits que se sigue en la Figura 2.14. La excepción a esta regla permite saber cuando inicia un nuevo comando. El campo siguiente corresponde al Código de Casa, el cual ocupa cuatro ciclos de señal y se usa en parte para direccionar el área en la que se encuentra un dispositivo. En este ejemplo es la

54

secuencia 0110 o “A” de acuerdo a la Tabla 2.1.

A continuación se envía el Código

de Dispositivo, formado también por cuatro bits. Este código representa la dirección o el ID de cada dispositivo (no necesariamente debe ser único). Finalmente se envía un último bit (cero en este ejemplo) que indica que el comando enviado es de atención.

Código de A Casa B C D E F G H I J K L M N O P

0Secuencia 1 1 0 de Bits 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0

Tabla 2.1. Lista de Códigos Casa y su correspondiente secuencia de bits. Fuente: X10 (2008).

Seguidamente del código de atención se envía el de función. Para ello se sigue la secuencia descrita anteriormente, con la diferencia en que esta vez el Código de Dispositivo es remplazado por el Código de Función, y el Bit Final es uno en lugar de cero. El par comando de atención y comando de función es enviado dos veces, con una pausa de tres ciclos de red entre cada vez que se envíe, tal cual se muestra en la Figura 2.16. En total se necesitan 47 ciclos de red para enviar una función X10. La razón de enviar dos veces la instrucción se debe a la incapacidad del protocolo de manejar errores de transmisión. Por ello se recurre a la redundancia de los datos como un método de gestión de errores. El dispositivo receptor no ejecutará la acción al 55

menos que esta sea igual las dos veces que se reciba. Código 0000

Función Apaga todas las unidades

0001

Enciende todas las luces

0010

On

00 10 01 01 0101 0111 1000

Off Dim Brillo Código Extendido Petición de reconocimiento

1001 101X*

Envío de reconocimiento Pre-set Dim

1100 1101

Dato Extendido Estatus Encendido

1110

Estatus Apagado

1111

Petición de Estatus

Descripción Apaga todos los dispositivos con el Código Casa incluido en el mensaje. Enciende todos los dispositivos luminiscentes (con la posibilidad de regular su brillo). Enciende un dispositivo específico. Apaga específico. Reduceun la dispositivo intensidad de la luz. Aumenta la intensidad de la luz. Representa la extensión de un código. Solicita una respuesta de los dispositivos con el Código Casa incluido en el mensaje. Es la respuesta al comando anterior. Permite seleccionar entre dos niveles de intensidad de luz predefinidos. Datos adicionales (es seguido por 8 bytes). Responde a la petición de estatus indicando que el dispositivo está encendido. Igual que el comando anterior sólo que en cambio indica que el dispositivo está apagado. Solicita el estatus de un dispositivo en específico.

* X puede tomar cualquier valor entre 0 o 1.

Tabla 2.2. Lista de comandos dentro del protocolo X10. Fuente: EuroX10.

Figura 2.16. Secuencia completa de códigos que es seguida para el envío de una acción X10. Fuente: Guzmán, A. (2010).

En la Tabla 2.2 se encuentra un listado de todos los comandos soportados por el protocolo X10. La función “Dato Extendido” es usada para ampliar dicha lista. Luego

56

de este comando es posible enviar otro o solicitar información a un módulo específico. “Petición de Reconocimiento” se utiliza para conocer hasta que punto la

señal es propagada, ya que esta sólo se transmitirá en la fase que este conectado el módulo X10. En redes eléctricas multifase es necesario añadir al panel de breques un dispositivo que sirva de puente para la señal X10, es decir, una suerte de repetidor.

Limitaciones Físicas, Atenuación y Absorción de las señales X10 Como en cualquier otro sistema de comunicación, el protocolo X10 tampoco es inmune al ruido eléctrico, la deformación y absorción de sus señales portadoras. Y en especial mucho menos en un medio tan adverso como lo es la red eléctrica. En particular existen ciertos dispositivos de carga inductiva (reguladores AC, motores, balastos de luminarias fluorescentes) que introducen ruido eléctrico a la red por el orden de los kilohertzios. Dado que su frecuencia se aproxima a la frecuencia de la señal portadora del protocolo, puede srcinar interferencias impidiendo que los comandos se reciban correctamente u srcinando falsas señales de acción. Una forma de afrontar esta circunstancia es empleando filtros pasa banda con alta selectividad o factor

elevado, de modo que los módulos receptores sólo tomen en cuenta las

señalesde 120 KHz. Existen además filtros comerciales diseñados específicamente con este propósito (mantener las líneas eléctricas libres de ruido), por mencionar algunos se destacan: FM10, FD10, S4813M. En contraposición a los dispositivos que inyectan ruido de alta frecuencia a la red, existen elementos que absorben estas señales, incluyendo naturalmente la portadora de 120 KHz del protocolo X10. Estos dispositivos se caracterizan por poseer una carga capacitiva (UPS, monitores de PC, protectores de sobre tensión, entre otros). Debido a su arquitectura interna, estos atenúan enormemente las señales X10. Una forma de evitar este fenómeno es conectar los dispositivos mencionados mediante filtros que los aíslen de la red eléctrica. Estos actuaran como acopladores de impedancias de modo que la carga capacitiva no sea vista por las señales de 120 KHz.

57

Como en el resto de los sistemas de comunicación, la señal portadora en el protocolo X10 también va perdiendo intensidad a medida que se aleja del transmisor. En este protocolo lo común es que los comandos se propaguen hasta los 80 metros lineales de tendido eléctrico. Para la recepción de las señales se recomienda que el voltaje mínimo de la portadora cuando llega a un receptor deba ser de 100 mVpp, así como también que el receptor tenga una sensibilidad de 25 mVpp. Con respecto al transmisor, un voltaje de salida de 5 Vpp se considera bastante bueno sin embargo este se puede aumentar de acuerdo a las necesidades del sistema. Otra forma de mitigar la atenuación de las señales de 120 KHz es mediante el uso de repetidores conectados a lo largo de la red. Estos simplemente tomaran las señales recibidas y las inyectaran de nuevo a la red regenerándolas. Hay fabricantes que comercializan este tipo de productos. (EuroX10, s. f.).

Glosario de términos Ancho de banda: en un filtro pasa banda es la diferencia entre las frecuencias de corte superior e inferior a 3-dB, o al 70,7% de la ganancia máxima de la señal en la banda de paso. (Malvino, 2007).

Atenuación: se denomina atenuación de una señal, sea esta acústica, eléctrica u óptica, a la pérdida depotencia sufrida por la misma al transitar por cualquiermedio de transmisión.

Comunicación Simplex: Corresponde a sistemas en donde las transmisiones sólo se hacen en una dirección. En otras palabras, una estación puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos a la vez. (Tomasi, 2003).

Cruce por cero: en este informe representa el momento en el cual una onda o señal cambia de polaridad. En la red eléctrica de la mayoría de los países americanos, incluyendo Venezuela, esto ocurre a una razón de 60 veces por segundo.

Efecto de Carga: es también conocido como regulación. Consiste en la pérdida de voltaje a medida que aumenta la carga. 58

Factor de Calidad : es un valor numérico que cuantifica la selectividad de un filtro (generalmente pasa banda o rechaza banda). Un valor elevado de se traduce en un filtro que deja pasar (o rechaza) una banda de frecuencias mas reducida

LKV: se refiere a la Ley de Kirchhoff de Voltajes, la cual establece que en toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico es igual a cero.

Monotónica: se refiere al comportamiento plano de la banda rechazada de un filtro. En la respuesta en frecuencia de un filtro, si la banda de frecuencias eliminada no posee rizos entonces se dice que es monotónica.

PLC: en este trabajo se referirá a las comunicaciones sobre la red de alimentación eléctrica o por su nombre en inglés, Power Line Communications.

Señal portadora: representa la señal que contiene la información que se va a transmitir. En este trabajo se refiere a la señal de 120 KHz que viaja a través de la red eléctrica.

Slew rate: es un efecto no lineal en los amplificadores. Representa la incapacidad de un amplificador para seguir variaciones rápidas de la señal de entrada. También se le define como lavelocidad de cambio del voltaje de salida con respecto a las variaciones en el voltaje de entrada. Generalmente es medido en .

Varistor: es un componente electrónico cuya resistencia óhmica disminuye cuando la tensión eléctrica que se le aplica aumenta; tienen un tiempo de respuesta rápido y son utilizados como limitadores de picos voltaje.

59

CAPÍTULO III

ASPECTOS PROCEDIMENTALES

En el presente capítulo se expondrán los procesos metodológicos seguidos para el logro de los objetivos planteados. En otras palabras, se describen las técnicas, las estrategias, los métodos y las actividades realizadas durante la investigación que conllevaron a la ejecución satisfactoria de la misma.

Tipo de Investigación La presente investigación es de tipo Proyectiva, ya que su objetivo general busca proponer y ejecutar una solución ante un problema existente. Además, dicha solución es el resultado de un proceso investigativo realizado previamente. Barrera (2010), no lo pudo haber explicado de forma más clara al decir que:

Este tipo de investigación propone soluciones a una situación determinada a partir de un proceso de indagación. Implica explorar, describir, explicar y proponer alternativas de cambio, mas no necesariamente ejecutar la propuesta (…) Todas las investigaciones que

implican el diseño o creación de algo con base en un proceso investigativo, también entran en esta categoría. (p. 114)

En base a lo anteriormente descrito, se puede reafirmar que éste trabajo es de tipo proyectivo, debido a que proporciona una alternativa a métodos convencionales de comunicación y telemando, describe y explica el diseño propuesto y además expone

el prototipo construido. Todo ello como resultado de un proceso investigativo preliminar. Es importante no confundir el presente trabajo con un proyecto especial o un proyecto de acción. Como lo dice Barrera (2010), un proyecto especial tiene las siguientes características: “(…) consiste en diseñar algo que permite resolver un

problema práctico, pero ese diseño no requiere de una investigación previa para ser elaborado (…).” (p. 115). Como se dijo en el párrafo anterior, fue necesaria la investigación previa para la ejecución de los objetivos, por esto se diferencia de un proyecto especial.

Diseño de Investigación Así como el tipo de investigación se define en base al objetivo de la investigación, el diseño de la investigación se define considerando el procedimiento seguido durante su ejecución. Se consideraron tres aspectos al momento de definir el diseño de investigación: Fuente; de dónde se obtuvo la información, temporalidad; cuándo se obtuvo la información, y la amplitud y organización de los datos. El diseño de investigación es de fuente mixta, transeccional contemporáneo y univariable. Es de fuente mixta porque la información se recoge tanto de un ambiente artificial (laboratorio), así como también de fuentes no vivas (documentos). Igualmente es transeccional contemporáneo, pues las pruebas realizadas al prototipo son un evento actual y se ejecutan en un espacio de tiempo fijo (no evolutivo). Y pues como el único elemento en el foco de la investigación es la comunicación a través de la red eléctrica entre módulos esclavos y maestros, también es de diseño univariable. Barrera (2010). Además, cabe destacar que el diseño de investigación también cuenta con un carácter experimental, pues Barrera (2010) señala que:

61

El investigador interviene sobre las variables independientes o sobre los procesos causales y los modifica de manera intencional y planifica para ver los efectos, pero además hace un control estricto de variables extrañas para descartar que los cambios hayan sido srcinados por otros factores distintos a las variables independientes. (p. 152)

Ya que durante el proceso de diseño de los módulos de comunicación fue necesario realizar pruebas que buscaban aislar la variable estudiada (el canal de comunicación), y además se intervino sobre éste para analizar su comportamiento, de acuerdo a lo dicho por Barrera (2010) se reafirma el carácter experimental del diseño de investigación. En síntesis el diseño de investigación del presente trabajo es de fuente mixta, transeccional contemporáneo, univariable y experimental.

Actividades Realizadas En ésta sección se describen las actividades más relevantes ejecutadas durante el período de pasantía. Se debe señalar que además de las tareas realizadas para el cumplimiento de los objetivos de este trabajo, también se participó en otras actividades que igualmente forman parte de la experiencia enriquecedora que fue haber trabajado para Petróleos de Venezuela, Distrito Morichal. Un informe detallado de estas y otras tareas realizadas se exponen en el Anexo A. A continuación se cita una síntesis de estas actividades: 

Se discutió con el Tutor Industrial el título de la investigación. De igual manera, se definieron los objetivos específicos a lograr y la delimitación del trabajo. También se examinaron los aspectos técnicos del sistema a desarrollar, y las limitaciones comerciales a tomar en cuenta durante la fase de diseño.



Se ejecutó una búsqueda preliminar de información referente aPower Line

Communications, con el fin de pulir detalles técnicos generales como circuitos de acoplamiento, métodos de modulación, entre otros.

62



Se desarrolló un proceso de investigación dentro de la institución académica. Esto permitió establecer un background basado en trabajos de investigación anteriores, agilizando así la futura ejecución de la etapa de diseño y validación.



Se redacto el Capítulo I del presente informe: El Problema. Igualmente se entregó el anteproyecto al Comité de Práctica Profesional de Grado.



Se diseñaron y validaron los diferentes bloques circuitalesmediante CAD. Estos bloques conforman: la fuente de alimentación sin transformador, el acople con la red eléctrica, la detección del cruce por cero y el filtro pasa banda sintonizado a 120 KHz. Se hizo especial hincapié en este último, para el cual nos basamos en el software Filter Solutions desarrollado por Nuhertz Technologies.



Se montó en físico los bloques circuitales antes diseñados. Mediante pruebas en protoboard, y luego de realizar modificaciones pertinentes se comprobó su correcto funcionamiento. De este modo se obtuvo un diseño preliminar de los Módulos Esclavos.



Se diseñó y simuló el circuito del Módulo Maestro, específicamente los bloques de generación de la señal de 120 KHz, teclado, LCD y electrónica asociada al microcontrolador. Luego se realizó su montaje en protoboard para someterlo a pruebas y así verificar que funcionaba adecuadamente. Así se obtuvo el diseño preliminar de Módulo Maestro.



Se redacto el Capítulo II de este informe:Marco de Referencia.



Se ejecutaron pruebas de transmisión de la señal de 120 KHz en el área de trabajo. Los resultados dieron una idea de cual era el mejor momento dentro del semiciclo de la señal de 60 Hz, para transmitir los pulsos de 120 KHz. Estas pruebas previas conllevaron a realizar mejoras en el circuito del Módulo Receptor.



Se desarrollaron las funciones en lenguaje C encargadas del envío y recepción de

63

bits, bytes, detección de cabecera, ejecución de comando, entre otras. Consecuentemente se pusieron a prueba obteniendo resultados satisfactorios. 

Se realizó una prueba de comunicación en un área de construcción, la cual se encontraba “virgen” desde el punto de vista eléctrico. Esta prueba permitió

descartar el efecto de artefactos y luminarias conectados a la red y así aislar plenamente el canal de comunicación. Los resultados fueron muy satisfactorios. 

Se diseñaron las tarjetas de circuito impreso (PCB) de los módulos Maestro y Esclavos para su posterior fabricación. Específicamente la cara de las pistas, la mascara de soldadura, y la “ silkscreen”. Se empleo el software

Altium Designer

para esta tarea. 

Se diseñó y construyó un mueble de insolación para la fabricación de PCB mediante serigrafía. En el Anexo D se muestra el procedimiento y los planos para su construcción.



Se ejecutaron ensayos en lo que concierne a la preparación de la emulsión serigráfica, insolación de la malla, preparación de las tintas, etc. Esto permitió desarrollar la experiencia y técnicas necesarias para la fabricación de los módulos.



Se fabricaron las tarjetas electrónicas de los módulos Maestro y Esclavo. Este proceso comprende la transferencia del arte a la placa de cobre, el devastado químico del mismo, la adición de la máscara de soldadura ysilkscreen, la perforación de los agujeros de los componentes y la soldadura de los mismos.



Se ejecutó una prueba final de funcionamiento a los prototipos construidos, observando un comportamiento esperado.



Se redactaron los Capítulos III, IV y V del presente informe correspondientes a



los Aspectos Procedimentales, Resultados y Diseño Propuesto . Se asistió a una reunión final con el Tutor Industrial con el fin de retroalimentar

64

toda la información recabada durante la investigación. Particularmente en lo que respecta al diseño de filtros, programa desarrollado para los microcontroladores del sistema, y funcionamiento general de los circuitos propuestos. 

Se efectuó el proceso administrativo dentro de la empresa para la culminación oficial del período de pasantía.



Se culminó la redacción del presente informe. Luego de tener la revisión del Tutor Industrial, se entregó al Comité de Práctica Profesional de Grado para la asignación del jurado.

Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información En esta sección se exponen las técnicas e instrumentos utilizados para obtener la información necesaria con el fin de alcanzar los objetivos planteados. Por técnica nos referimos a los procedimientos o métodos empleados para obtener la información, es decir, observación, revisión documental, etc. Mientras que por instrumentos se habla de las herramientas usadas para recoger, filtrar y codificar la información. Barrera (2010).

Revisión Documental Teniendo clara la conceptualización del sistema a desarrollar, se realizó una exhaustiva recopilación de información de srcen documental. Se consultó la base de datos de informes de Trabajo de Grado y Práctica Profesional de Grado del Departamento de Ingeniería Electrónica de la institución académica, así como también bibliografía relacionada con la temática. También se recopiló tesis, papers, artículos especializados entre otros medios impresos digitales mediante el uso de portales de búsqueda dedicados exclusivamente al indexado de documentos de carácter técnico o científico como lo son: Google Scholar, Google Patents, el website de la United States Patent and Trademark Office, IEEE Xplore®… por mencionar algunos.

65

Entrevista Asistemática o Libre Otra técnica que sirvió de gran ayuda fue la recolección de información mediante entrevistas libres. Se visitó la casa de estudio con la intención de consultar a profesores con experiencia en la temática y sus tópicos afines, como lo son: líneas de transmisión de datos, sistemas de comunicación, acople de impedancias… entre otros.

Los diferentes puntos de vista que se pudieron apreciar dieron pie a identificar los principales obstáculos que se debieron sortear para lograr los objetivos. Igualmente las continuas pláticas con el Tutor Industrial fueron indispensables para ir moldeando la investigación y dirigirla hacia el cumplimiento de los objetivos planteados.

Observación Experimental Por fortuna se contó con un ambiente de trabajo donde fue posible controlar las variables ajenas a nuestra investigación, y desarrollar pruebas donde se tuvo casi control total de los agentes perturbadores externos. De las tres técnicas de captación de datos descritas hasta ahora, posiblemente la Observación Experimental es la que se impone como la de mayor relevancia. Mediante ésta técnica fue posible estimular un bloque circuital, visualizar su comportamiento o respuesta, y poder tomar acciones correctivas para mejorar su desempeño. Bajo esta metodología de “ensayo y error” experimental, se sometieron a

prueba los diferentes circuitos que componen el sistema desarrollado: fuente de alimentación, filtro pasa banda, circuito de acople, detección de cruce por cero, detección de señal portadora… por mencionar los más relevantes. Esta técnica

también fue complementada por la simulación, que igualmente es una forma más de observación experimental.

Instrumentos de Captación y Registro A continuación se listan los instrumentos más relevantes utilizados para la

66

captación y registro de la información. Es preciso diferenciarlos, un instrumento de captación permite percibir un evento aunque no necesariamente de forma selectiva. Mientras que los de registro permiten llevar un historial de la información, brindándole al investigador la opción de consultarla cuando lo necesite. Barrera (2010).

Cuaderno de Notas Probablemente el instrumento de registro más antiguo usado por el hombre. Se utilizó para tener soporte de los resultados de las pruebas realizadas, modificaciones hechas en los circuitos, bocetos, esquemas, conjeturas, ideas, recomendaciones y conclusiones que se fueron generando a lo largo del desarrollo de este trabajo.

Figura 3.1. Cuaderno de notas utilizado.

Multímetro Digital Portátil UNI-T® UT71C Fue utilizado como instrumento principal de medición en DC. El rango de medición de tensiones DC varia entre 400 mV a 1000 V con una precisión de hasta ±0.025%+5. En lo que respecta a la corriente en DC, su rango varia entre 400 µA a 10 A con una precisión de hasta ±0.08%+15. También cuenta con la función de medir capacitancia. Una opción en extremo ventajosa al momento de ajustar los valores de los condensadores utilizados en los filtros. Este equipo se muestra en la Figura 3.2.

Osciloscopio Analógico

2252

Se usó para estudiar el comportamiento de las tensiones AC. Particularmente la

67

respuesta en frecuencia de los filtros, el rizado en las ramas de la fuente de alimentación sin transformador, la señal de salida del detector de cruce por cero, la señal de salida de la generación de 120 KHz, entre otras más. Cuenta con una frecuencia de barrido de 100 MHz, 4 canales,Auto-setup y la posibilidad de imprimir pantalla vía puerto paralelo. Se muestra en la Figura 3.3.

Figura 3.2. Multímetro Digital Portátil UNI-T® UT71C Fuente: Uni-Trend Group Limited (s. f.).

(a) (b) Figura 3.3. (a) Osciloscopio Analógico 2252. (b) Ejemplo de respuesta de filtro LC. Fuente: TekNet Electronics, Inc. (2005).

Osciloscopio Digital Portátil Este equipo fue empleado para pruebas de transmisión en el área de trabajo. Al ser portátil, facilitó la visualización de las señales en cada toma corriente. Cuenta con una frecuencia de muestreo de 200 MHz y posee dos canales. También facilita la 68

documentación de las mediciones al poder guardar capturas de pantalla para luego exportarlas al computador. En la Figura 3.4 (b) se muestra una medición de la señal de 60 Hz en rojo junto con una ráfaga de 120 KHz en azul, con un retraso de 4.5 ms después del cruce por cero.

(a)

(b)

Figura 3.4. Osciloscopio Digital Portátil Fuente: AC Tool Supply Inc. (2008).

Osciloscopio Digital de Banco

TDS5034B

Este equipo junto con el Osciloscopio Analógico

2252, sirvieron de

instrumentos complementarios. Fue usado para la visualización del envío y recepción de tramas.

(a) (b) Figura 3.5. (a) Osciloscopio Digital de Banco TDS5034B (b) Captura de trama de datos. Fuente: ValueTronics, Inc. (s. f.)

69

En el sistema desarrollado, un comando se envía en 20 ciclos de señal, lo que equivale a 333 ms. Debido a que la pantalla de fósforo de un osciloscopio analógico no puede retener una señal por tanto tiempo, un osciloscopio digital se convierte en la solución idónea. Este equipo básicamente es un PC con periféricos extras. Corre bajo Windows 2000, posee puertos USB, Ethernet, salida de audio y video, lector de CD, diskette entre otros. Permite una frecuencia de muestreo de hasta 350 Mhz con 4 canales.

Generador de Señales HEWLETT PACKARD 33120A Se utilizó para la generación de señales patrón al momento de estudiar la respuesta en frecuencia de los filtros desarrollados. Es capaz de sintetizar ondas sinusoidales, triangulares, cuadradas, rampas y ruido con frecuencias de hasta 15 MHz y una amplitud variable entre 100 mVpp a 20 Vpp.

Figura 3.6. Generador de Señales HEWLETT PACKARD 33120A Fuente: MetricTest. (2010).

Programador de Microcontroladores PICkit™ 2de Microchip Este dispositivo fue utilizado para la descarga del programa desarrollado para los microcontroladores de los módulos Esclavo y Maestro. El compilador de CPCWH

Compiler genera el programa objeto en binario (.hex) a ser descargado en el microcontrolador. Es uno de los programadores más populares en el mercado debido a su bajo 70

costo, fácil uso y amplia variedad de microcontroladores PIC™ capaz de programar. Es mostrado en la Figura 3.7.

Figura 3.7. Programador de Microcontroladores PICkit™ 2 de Microchip Fuente: Electronics-Base.com (2012).

Instrumentos y Herramientas Misceláneas Además de los instrumentos listados anteriormente, fueron usados dispositivos y herramientas adicionales que a pesar de ser menos relevantes desde el punto de vista técnico, facilitaron la ejecución de las pruebas y fabricación de los prototipos. A continuación se listan aquellos más usados: 

Fuente de Alimentación y Transformador Aislador: Se tuvo a disposición dos fuentes de alimentación en corriente continua de tensión y corriente variables (0 – 30 V y hasta 5 A) con salida de voltaje fijo de ±15 V. También se uso un transformador aislador para las mediciones con el osciloscopio. De este modo se evitan posibles cortos circuitos entre fase y neutro al momento de hacer las pruebas.

Figura 3.8. Transformador aislador.

71



Para la ejecución de las pruebas de transmisión entre otros implementos se utilizaron: protoboard, piqueta, pinzas, cable TDI de 10 pares, cables caimán, extensiones con regleta, regulador, ups.



Para la construcción de los prototipos se usaron los siguientes implementos misceláneos: sierra caladora (jigsaw), taladro, cautín, estaño, soporte universal, succionador de estaño, metro, vernier digital, entre otros.

Programas Informáticos Sin lugar a duda, el desarrollo de sistemas electrónicos se ha facilitado en gran medida desde la aparición de aplicaciones de Diseño Asistido por Computador (o CAD por sus siglas en inglés). Los programas informáticos que sirvieron de herramientas fundamentales para el desarrollo de la temática se listan a continuación: 

PSpice perteneciente a la familia OrCAD 9.2 de la empresa Californiana Cadence Design Systems, Inc. Sirvió para la simulación de los circuitos analógicos: fuente de alimentación, circuito de acople y respuesta en frecuencia de los filtros. Una captura de pantalla se ve en la Figura 3.9 (a).



PROTEUS Design Suite 7.6 de la empresa Británica Labcenter Electronics, utilizado para el diseño y simulación de los circuitos digitales microcontrolados. Su entorno de trabajo se muestra en la Figura 3.9 (b).

(a)

(b)

Figura 3.9. (a) Pantalla de PSpice OrCAD v9.2. (b) Pantalla de PROTEUS Design Suite v7.6.

72



Para el estudio de acople de impedancias se empleó la aplicación:Smith

V3.10. Desarrollada por el Profesor Fritz Dellsperger en la Universidad de Bern para las Ciencias Aplicadas, Suiza. 

Otro programa que fue crucial para el diseño de los filtros fue:Filter Solutions

V12.1.4. de la empresa Estadounidense Nuhertz Technologies. Mediante esta aplicación fue posible obtener la función de transferencia, la respuesta en frecuencia, y la sintonización de los filtros en base a parámetros de desempeño que responden a nuestros requerimientos. En el Anexo E se muestra un tutorial para el uso de este software.

(a) (b) Figura 3.10. (a) Pantalla de Smith v3.10. (b) Pantalla de Filter Solutions v12.1.4. 

PCWH Compiler V4.013 , de la empresa Custom Computer Services, Inc. Fue utilizado para la programación en lenguaje C de los microcontroladores encargados de la lógica de cada módulo, tanto maestro como esclavos.

(a)

(b)

Figura 3.11. (a) Pantalla de PCWH Compiler v 4.013. (b) Pantalla de PICkit 2 v2.61.

73



PICkit 2 v2.61 (Figura 3.11b), es el software que acompaña al programador de microcontroladores PICkit™ 2 de Microchip .

Dicho programa es usado para

descargar el código binario generado por el compilador al microcontrolador. 

Igualmente se utilizó el software de Diseño Asistido por Computador:

SolidWorks Premium 2010 (Figura 3.12a), de la empresa Dassault Systèmes, para el modelado 3D y diseño del mueble insolador para serigrafía. (Ver Anexo D). 

Altium Designer V9.4.0.20159 de Altium Limited (Figura 3.12b), fue usado para el diseño de las tarjetas de circuitos impresos. Su interfaz gráfica de usuario amigable, su vasta librería, las opciones de “Auto -Placing” y “AutoRouter”, y su amplia documentación entre otras características, lo convierten

en lo personal en una herramienta idónea para el trabajo.

(a)

(b)

Figura 3.12. (a) Diseño de mueble insolador en SolidWorks Premium 2010. (b) Diseño de Módulo Esclavo en Altium Designer v9.4.0.20159 .



También fue utilizado Microsoft Word 2010 para la redacción del presente informe. Como herramientas complementarias se utilizó Adobe Flash

Professional CS5 y Adobe Lightroom 3.2 para el diseño y edición de las figuras. Para los organigramas se empleóMicrosoft Visio 2010 debido a su fácil uso y perfecta integración conMicrosoft Word.

74

CAPÍTULO IV

RESULTADOS

En el presente capítulo, se describen las pruebas realizadas durante la etapa de diseño, a los diferentes bloques circuitales que conforman el sistema desarrollado. También se exponen los resultados de estas pruebas y se explica como estos conllevaron al ajuste o mejoras de los prototipos diseñados.

Simulación de la Fuente de Alimentación sin Transformador Tanto el módulo maestro como el esclavo utilizan ésta fuente. A continuación se muestra una gráfica de los niveles de tensión de salida simulando una corriente de carga de 60 mA en cada rama. 15V

10V

0V

-10V

-15V 0s V(+5V)

1.0s V(+15V)

2.0s

3.0s

V(-15V) Time

(a)

(b)

Figura 4.1. (a) Diagrama esquemático de la fuente. (b) Gráfica de desempeño de la fuente sin transformador en cuanto al rizado.

4.0s

La corriente máxima para las ramas de ±15 V de la fuente, viene determinada por la Ec. 2.7 del Capítulo II. Es decir,

      Donde C viene dado en µF. Dado que se usan condensadores de 2.2 µF, la corriente máxima será cercana a los 90 mA, es decir, mayor que la corriente de carga simulada en la Figura 4.1. El circuito simulado se muestra en la Figura 4.1, izquierda. En la figura de la derecha se muestran los niveles de tensión obtenidos. Se puede apreciar que la fuente no mantiene la tensión de regulación de ±15 V, a pesar que el circuito está dimensionado dentro de las exigencias decarga. Sin embargo, a pesar de ésta caída de voltaje, en la salida de la fuente, los niveles de tensión se encuentran dentro de un rango que satisfacen los requerimientos del diseño, es decir, entre ±9 V y ±15 V. También se observa un leve rizado en las ramas de +15 V y -15 V, dicha variación es prácticamente insignificante y puede ser despreciada para la demanda del diseño. Adicionalmente, haciendo referencia a la Figura 4.1, vemos que la magnitud de la tensión regulada por la rama de +15 V es mayor que la tensión de la rama de -15 V. Esta asimetría es debida a que en la rama de +15 V, se conecta un regulador de 5 V, el cual causa un consumo adicional. A pesar de la regulación deficiente de tensión, observada en las ramas de ±15 V durante la simulación, dicho fenómeno no fue visto en la implementación real de la fuente. En síntesis, se obtuvo un mejor desempeño en el montaje real que en la simulación, observando niveles de tensión estables de ±15 V y 5 V.

Medición del Consumo Corrientes en el Circuito Receptor Para estar seguros del dimensionado adecuado de la fuente de alimentación, es necesario conocer en detalle el consumo de corriente en cada rama del circuito. Para ello, se realizaron mediciones en la salida de cada rama de la fuente de alimentación,

76

es decir, +15 V, -15 V y 5 V. Se utilizó el módulo esclavo para la realización de dicha prueba. El circuito funcionó normalmente durante la medición, detectando la trama “1111”. Los valores leídos se resumen

en la Tabla 4.1.

Rama del Circuito RX Rama de +15 V Rama de -15 V

Bloque Circuital Fuente de Alimentación Fuente de Alimentación

Rama de +5 V

Fuente de Alimentación

Consumo en mA

Min: 60.35 - Max: 71.87 Min: 40.31 - Max: 55.45 Min: 3.122 - Max: 3.170

Tabla 4.1. Consumos de corriente en el Módulo Receptor.

Como se observa en la tabla superior, los valores de consumo están por debajo del máximo ofrecido por la fuente, es decir, unos 90 mA. El diagrama circuital de la fuente de alimentación implementada se expone en la Figura 4.2. Para una revisión entera del circuito del Módulo Receptor, puede hacerse referencia al Anexo G.

Figura 4.2. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación sin transformador implementada.

Prueba de Acople con la Red Eléctrica de Baja Tensión Una vez diseñado el circuito de acople y haberlo validado mediante simulación, se realizó una prueba para encontrar el valor de capacitancia que ofreciera el mejor desempeño en relación al acoplecon la red eléctrica. Para la realización de la prueba se siguió el diagrama mostrado en la Figura 4.3. Las letras A y B de la figura, denotan el lugar donde se realizaron las mediciones con el osciloscopio, las cuales se 77

muestran en la Figura 4.4.

Figura 4.3. Diagrama en bloque implementado para la prueba de acople con la red eléctrica.

El objetivo de la prueba fue estudiar cómo influye la capacitancia del filtro de acople, sobre la calidad de la señal que se mide en el receptor. El filtro de acople puede ser visto en el Anexo F, formado por el capacitor C12 y la resistencia R17, quienes actúan como filtro paso alto. El valor calculado de C12 para el diseño fue de 10 nf. Se variaron tres valores de capacitancia para C12. Un valor superior y otro inferior al calculado srcinalmente, es decir; 1 nf, 10 nf y 100 nf. La PWM de 120 KHz se midió en el punto “A” de la Figura 4.3, es decir, a la salida del amplificador operacional LF356 (denotado como U4 en el Anexo F). Mientras que los pulsos filtrados obtenidos en el receptor se midieron en el punto “B” de la misma figura, es decir, en la salida del filtro elíptico (denotada con una flecha amarilla, proveniente de L1 y L2, mostrada en el Anexo F). Ambos módulos, maestro y esclavo, se conectaron en un tomacorriente común, por lo que la prueba se realizó bajo las mejores condiciones posibles. A continuación se expone lo observado. En la Figura 4.4 se muestran las mediciones obtenidas para cada valor probado de C12.

78

(a)

(b)

(c)

Figura 4.4. Izquierda: Señal PWM de 120 KHz del Módulo Maestro. Derecha: Señal a la salida del filtro LC elíptico en el Módulo Esclavo. (a) C12=1 nf (b) C12=10 nf (c) C12=100 nf. En las imágenes de la Figura 4.4 se denota con “A” y con “B” el punto de

79

medición

referente a la Figura 4.3. Se observa que a medida que la capacitancia de C12 aumenta, la impedancia vista desde la red eléctrica hacia el circuito disminuye. Al disminuir la impedancia vista desde la red, el comparador U4 inyecta más corriente en ella. Es por esta razón que los pulsos de 120 KHz vistos a la salida del filtro del receptor, tienen una mayor amplitud para C12=10 nf que para C12=1 nf. Esto también explica porque se atenúa y deforma la PWM al aumentar el valor de C12 (efecto de carga). Debemos resaltar que al momento de hacer la medición de los pulsos recibidos para C12=100 nf, la impedancia del acople fue tan baja que la red consumió más corriente de la que el LF356 pudo suministrar, causando la ruptura de la salida del mismo (Pin 6). Este hecho se puede ver en la Figura 4.4.(c) Derecha. Igualmente se presenta una tabla resumen de los niveles de tensión pico-pico, tanto de los pulsos recibidos en el filtro LC como también de la amplitud de la PWM a la salida del U4. Estos valores se exponen en la Tabla 4.2. En síntesis, los resultados indican que el valor de capacitancia de C12 obtenido mediante diseño y simulación es el más indicado de los tres valores puestos a prueba, pues mantiene una relación de compromiso intermedia con respecto al efecto de carga de la red eléctrica y la tensión pico-pico de los pulsos recibidos. Valor de C12 en nf

Voltaje pico-pico de PWM

Voltaje pico-pico en salida de filtro LC

1 10 100

29.2 V 15.0 V 3.9 V

4.7 V 9.9 V 1.7 V (ruido gaussiano)

Tabla 4.2. Comparación de Vpp entre PWM del Módulo Maestro y salida de filtro LC del módulo receptor para diferentes valores de C12.

Respuesta en Frecuencia de Circuito de Acople (Filtro Paso Alto) Se realizó un barrido en frecuencia al circuito de acople para estudiar su comportamiento bajo diferentes frecuencias de entradas. Usando el generador de

80

señales se sintetizó una señal cuadrada de aproximadamente 2 Vpp y de frecuencia variable. El circuito usado para esta prueba se muestra en la Figura 4.5.

Figura 4.5. Circuito implementado para la visualización de la Respuesta en Frecuencia del Circuito de Acople.

El diagrama de Bode del filtro de acople se expone en la Figura 4.6, donde se observa que la señal de 60 Hz de la red se ve completamente atenuada, mientras que la señal portadora de 120 KHz pasa a través del filtro, sin ser atenuada prácticamente. En la Figura 4.7, se muestran mediciones realizadas utilizando un osciloscopio, las cuales comprueban lo expuesto en el diagrama de Bode de la Figura 4.6. Éstas mediciones no toman en cuenta el condensador de 2.2 µf, que forma parte de la fuente sin transformador, y que se encuentra conectado a fase. El mismo tiende a atenuar las señales de alta frecuencias provenientes de la red (incluyendo la portadora de 120 KHz). Las mediciones realizadas se exponen en la Figura 4.7. La señal azul es la onda patrón sintetizada por el generador, mientras que la amarilla es la señal obtenida a la salida del filtro. Se observa que para F=60 Hz la potencia de señal que se obtiene a la salida del circuito es prácticamente nula, un resultado óptimo. A medida que la frecuencia aumenta, a la salida del filtro se empieza a obtener una señal más fiel a la del generador. Fíjese que para F=1 MHz, la señal de salida es una copia exacta a la de la entrada. 81

La medición más relevante para nuestro estudio es la mostrada en la Figura 4.7.(d), pues esta simula los pulsos de 120 KHz del protocolo X10. Se nota una ligera deformación en la señal de salida, pero se mantiene su frecuencia que es lo que importa. Para efectos prácticos, el módulo receptor procesará esta señal sin ningún inconveniente, aun presentando esa leve deformación. z H M 0 . 1

z H K 0 0 1

z H K 0 1

y c n e u q e

z H K 0 . 1

r F

z H 0 0 1

z H 0 1

V 0

V 5

V 0

V 5

. 2

. 1

. 1

. 0

Figura 4.6. Respuesta en frecuencia del filtro de acople.

82

V 0

z H 0 . 1

) 2 : R ( V

(a) F = 10 Hz

(b) F = 60 Hz

(c) F = 1 KHz

(d) F = 120 KHz

(e) F = 300 KHz

(f) F = 1 MHz

Figura 4.7. Respuesta en Frecuencia del Circuito de Acople. Señal Azul: Onda patrón sintetizada por el Generador de Señales. Señal Amarilla: Onda de Salida del Circuito de Acople.

Respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico sintonizado a 120 KHz Se ejecutó una prueba similar a la descripta anteriormente, pero en este caso el objeto de estudio es el filtro LC de respuesta elíptica. Para realizar las mediciones se

83

implementó el circuito mostrado en la Figura 4.8. Se empleó el generador de señales para crear una onda patrón de aproximadamente 2 Vpp de amplitud y frecuencia variable.

Figura 4.8. Circuito implementado para la visualización de la Respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico.

El objetivo de esta prueba consistió en estudiar el comportamiento del filtro LC elíptico a diferentes frecuencias de excitación, de modo que pudiéramos construir su diagrama de Bode. En la Figura 4.9, se muestra la respuesta en frecuencia del filtro, con un pico en la frecuencia sintonizada de 120 KHz, en adición a un armónico que se genera para una frecuencia de entrada cercana a los 1.44 MHz. Las mediciones obtenidas se muestran en la Figura 4.10. También se expone en la Tabla 4.3, un contraste entre la amplitud de la señal patrón versus la amplitud de a señal a la salida del filtro. Lo que se observa en la Figura 4.10, es como la salida del filtro pasa de ser nula a alcanzar una amplitud máxima cuando se lo excita con su frecuencia resonante; 120 KHz. También se nota un efecto del filtro sobre la señal del generador. Esta se deforma una vez que se alcanza la frecuencia de resonancia. Un efecto adicional, es la presencia de un armónico de 1.440 MHz, visto en la 84

Figura 4.10.(f). Esto representaría un problema, si se genera ruido en la red por el orden de los 1.4 MHz, ya que dicho ruido sería tratado como la señal portadora de 120 KHz, y por lo tanto, interpretado como la transmisión de un comando. Es por esta razón, que el presente filtro elíptico es seguido por un Filtro Activo de Banda Angosta, el cual elimina el armónico de 1.4 MHz. Su respuesta en frecuencia se estudia en la sección siguiente. Frecuencia Amplitud Señal Patrón

50 KHz

120 KHz

300 KHz

1.440 MHz

2.24V 2.32V

60 Hz

1 KHz

2.44V

3.04V

2.58V

2.57V

Amplitud Salida del Filtro

2.48V 2.64V

2.32V

11.36V

2.60V

12.65V

Tabla 4.3. Amplitud de Señal Patrón vs. Amplitud Salida del Filtro LC.

Figura 4.9. Diagrama de Bode del filtro LC elíptico pasa banda.

85

(a) F = 60 Hz

(b) F = 1 KHz

(c) F = 50 KHz

(d) F = 120 KHz

(e) F = 300 KHz

(f) F = 1.440 MHz

Figura 4.10. Respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico. Señal Azul: Onda patrón sintetizada por el Generador de Señales. Señal Amarilla: Onda de Salida del Filtro LC.

A pesar de la generación de un armónico indeseable, en la frecuencia de 1.4 MHz, la ventaja que ofrece éste filtro es notable. Usando sólo algunos elementos pasivos, es posible obtener un filtro con un comportamiento altamente selectivo. De

86

este modo se pone en manifiesto las bondades de la reactancia inductiva, y de los circuitos resonantes.

Respuesta en Frecuencia de Filtro Activo de Banda Angosta Para esta prueba se implementó el circuito mostrado en la Figura 4.11. Al igual que en las pruebas anteriores, se utilizó el generador de señales para sintetizar una onda patrón de cerca de 2 Vpp y frecuencia variable. Se hizo un barrido de frecuencia y se realizó una medición tanto de la señal del generador como la señal a la salida del filtro. Las capturas realizadas se muestran en la Figura 4.13. para 6 frecuencias de entrada diferentes. Con el propósito de visualizar mejor los datos obtenidos, se presentan las tensiones de la señal de entrada y de salida en la Tabla 4.4.

Figura 4.11. Circuito implementado para la prueba de Respuesta en Frecuencia del Filtro Activo de Banda Angosta.

En la Figura 4.12 se muestra el diagrama de Bode del filtro activo de banda angosta. Al compararlo con el filtro elíptico estudiado anteriormente, veremos que este es menos selectivo, sin embargo, es capaz de dejar pasar las señales de 120 KHz y eliminar el armónico de 1.44 MHz expuesto en la sección anterior. Su respuesta en

87

frecuencia se comprueba mediante las mediciones mostradas en la Figura 4.13. z H M 0 1

z H M 0 . 1

z H K 0 0 1

y c n e u q e r F

z H K 0 1

z H K 0 . 1

z H 0 0 1

V 0 . 2

V 5 . 1

V 0 . 1

V 5 . 0

V 0

z H 0 1

) T U O : 1 U ( V

Figura 4.12. Diagrama de Bode del filtro activo de banda angosta sintonizado a 120 KHz.

En términos generales, el comportamiento del presente filtro es similar al filtro LC estudiado anteriormente. La tensión de salida aumenta a medida que la señal de entrada se acerca a la frecuencia central, y disminuye a medida que la frecuencia de

88

entrada se aleja de  .

(a) F = 60 Hz

(b) F = 1 KHz

(c) F = 50 KHz

(d) F = 120 KHz

(e) F = 300 KHz

(f) F = 1.5 MHz

Figura 4.13. Respuesta en Frecuencia del Filtro Activo de Banda Angosta. Señal Azul: Onda patrón sintetizada por el Generador de Señales. Señal Amarilla: Onda de Salida del Filtro Activo.

Este filtro también muestra ventajas y desventajas las cuales lo convierten en el

89

complemento perfecto del filtro LC. Con respecto a su ventaja: este filtro no presenta armónicos. Si nos fijamos en la Figura 4.13(f) veremos que la tensión de salida es casi nula para una frecuencia de entrada de 1.5 MHz, frecuencia cercana a la cual el filtro elíptico LC exhibe armónicos. Si estudiamos el resto de las capturas de la Figura 4.13, tampoco encontraremos alguna otra frecuencia en la cual se obtenga una tensión máxima de salida, con excepción de la frecuencia de corte (120 KHz). En relación a su desventaja, la máxima ganancia posible que se puede obtener con este filtro es de   . En otras palabras, no puede amplificar la señal de entrada. Esto se observa claramente en la Tabla 4.4, donde para una frecuencia de entrada de 120 KHz, se obtiene la tensión de entrada del generador (2.2 V). Vemos que para esta frecuencia se obtiene la máxima tensión de salida, la cual a su vez es casi igual a la tensión de entrada. Esto es un contraste con el filtro elíptico, el cual puede ofrecer una tensión de salida de casi cuatro veces la tensión de entrada para su frecuencia resonante. Sin embargo, esto puede ser fácilmente mejorado con un amplificador. Frecuencia Amplitud Señal Patrón

50 KHz

120 KHz

300 KHz

1.5 MHz

2.24V 2.28V

60 Hz

1 KHz

2.36V

2.44V

2.43V

2.41V

Amplitud Salida del Filtro

1.04V 1.08V

1.00V

2.24V

640mV 289mV

Tabla 4.4. Amplitud de Señal Patrón vs. Amplitud Salida del Filtro de Banda Angosta.

Debido a lo expuesto anteriormente, en el módulo esclavo o receptor se utiliza el filtro LC elíptico como una etapa de prefiltrado de los pulsos de 120 KHz. Seguidamente, se conecta es cascada el Filtro de Banda Angosta, el cual mantendrá la tensión máxima de los pulsos de 120 KHz entregados por el filtro LC, y además eliminará cualquier otro armónico que no se encuentre dentro de la frecuencia de corte. Es por esta razón que se usan estos dos filtros como un conjunto, ya que uno complementa las debilidades del otro. La suma de los dos, aumenta aún más el rechazo a las frecuencias no deseadas. Para reforzar lo expuesto, se puede hacer referencia al plano del módulo esclavo, disponible en el Anexo G.

90

Prueba de transmisión y comparación del Filtro Elíptico LC vs. Filtro Activo de Banda Angosta Se realizaron dos pruebas de transmisión empleando el circuito de la Figura 4.14. Las flechas amarilla y verde de la figura indican donde se tomaron las mediciones. La primera prueba se realizó en un área domestica habitada, representada por una casa del Campo Residencial Morichal. Se decidió hacer esta prueba en un entorno domestico debido a que su acceso es mas sencillo desde el punto de vista administrativo y de seguridad de la empresa. El plano aproximado de la casa se puede ver en la Figura 4.17. Adicionalmente se ejecutó una segunda prueba de transmisión en un área en construcción, la cual se encontraba virgen desde el puto de vista eléctrico. En otras palabras, carecía de luminarias o cualquier dispositivo conectado a la red. Esta segunda prueba permitió aislar el efecto causado por la inductancia y capacitancia de equipos conectados a la red, lo cual se traduce en la posibilidad de trabajar en un ambiente libre de ruido y carente de elementos atenuantes de la señal de alta frecuencia.

Figura 4.14. Circuito implementado para la prueba de transmisión y comparación de filtros.

Diagrama de conexión de los instrumentos de medición En este punto es importante hacer un paréntesis para explicar el diagrama de conexión de los instrumentos, ya que es un tema crítico y si no se toman las 91

consideraciones necesarias es posible dañar los instrumentos, o provocar lesiones a nuestra persona. En la Figura 4.15 se observa el esquema que se siguió para la conexión de los equipos. Siempre en mediciones que involucren señales de la red eléctrica y equipos conectados a ella, es vital aislar el osciloscopio mediante un transformador aislador. Además dicho transformador deberá conectarse a la red mediante un regulador de voltaje o preferiblemente un UPS.

Figura 4.15. Diagrama de conexión de los equipos de medición.

Figura 4.16. Corto circuito entre Línea y Neutro debido a error en la conexión de las puntas del osciloscopio.

92

Las pruebas que se realizaron indicaron que si se omitía el regulador de voltaje para conectar el transformador a la red, entonces se producía un corto circuito entre Línea y Neutro al momento de hacer las mediciones en los módulos. La forma en que está conectado el osciloscopio en la Figura 4.15se le conoce como “osciloscopio flotante”, porque no existe conexión física entre el equipo y la red.

Un error de conexión que es común y que se debe evitar a toda costa es medir dos módulos diferentes al mismo tiempo, como se muestra en la Figura 4.16. Lo que sucede es que al momento de conectar los módulos al tomacorriente es posible que se inviertan las líneas, es decir, que la Fase de uno corresponda con el Neutro del otro y viceversa. Si esto ocurre y se realiza una medición simultánea como la indicada en la figura, la línea de tierra de las puntas del osciloscopio servirán de camino para producir un corto circuito entre Línea y Neutro. Esto se muestra en la figura como un una línea amarilla resplandeciente. Lo descrito con anterioridad también representa un problema al momento de transmitir los comandos. Ambos módulos deben estar en fase para que los datos no se reciban invertidos (éste hecho se expondrá en una sección posterior). Si los módulos están conectados en fase es posible realizar las mediciones simultaneas con el osciloscopio sin producir un corto circuito, pero personalmente no recomiendo correr el riesgo.

Prueba de transmisión en área domestica habitada Como se mencionó anteriormente esta prueba se ejecutó en la casa de la Figura 4.17. Las mediciones se realizaron en 16 tomacorrientes diferentes, enumerados en color rojo. El Módulo Esclavo se dejó conectado en el tomacorriente 1 (ubicado en la Habitación A) junto con el osciloscopio siguiendo el diagrama de conexión de la Figura 4.15. En cuanto al Módulo Maestro, se fue desplazando en los tomacorrientes restantes. Fue programado para generar perenemente los pulsos de 120 KHz durante todo el ciclo de la señal de 60 Hz, esto permitió estudiar en que momento del ciclo los pulsos se transmiten con menor pérdida de potencia. Las tensiones DC de la prueba se 93

listan en la Tabla 4.5. El objetivo de la prueba consistió en estudiar la forma en que la señal de 120 KHz se propaga en un entorno real.

Figura 4.17. Plano aproximado del área domestica donde se realizaron las pruebas de transmisión.

94

Algunas capturas en puntos clave de la casa se muestran en la Figura 4.18. La señal amarilla corresponde a la salida del Filtro LC Elíptico, mientras que la señal verde representa la salida del Filtro de Banda Angosta. La onda azul es la señal de la red. Haciendo una observación general de las capturas realizadas, se puede notar que el Filtro LC ofrece una salida más ruidosa en comparación con la salida del Filtro de Banda Angosta. También su tensión de salida siempre es mucho mayor en comparación con la del filtro activo, lo cual es un resultado esperado. Esto se puede apreciar con mayor detalle en la Tabla 4.6.

U1A TL082 – Filtro de Banda Angosta

+Vdd -Vdd +15.41 V -15.80 V

U2A TL082 – Amplificador No Inversor

+15.40 V -15.77 V

U5 LM741 - Comparador

+15.42 V -15.80 V

U5 LM741 – Tensión de Ref. en Pin 2

2.24 V

U4 PIC12F675 - Alimentación

4.71 V

Tabla 4.5. Niveles DC de los Módulos durante la prueba de transmisión.

Si comparamos las señales medidas con respecto a la distancia en que se encontraba el Módulo Maestro del Esclavo, nos daremos cuenta que no siempre los tomacorrientes más cercanos proporcionan la mejor calidad de señal. Por ejemplo, considere la captura realizada con el Módulo Maestro conectado en el tomacorriente 2 de la casa, mostrada en la Figura 4.18(b). A pesar que ambos módulos se encuentran en la misma habitación, no se puede distinguir los pulsos del ruido en la salida del filtro LC. Y apenas se observan unos picos en la salida del filtro de banda angosta. En contraposición con el ejemplo anterior, tenemos la medición hecha con el Módulo Maestro conectado en el tomacorriente 15, uno de los más alejados del Módulo Esclavo. En la Figura 4.18(e) vemos que tanto los pulsos a la salida del filtro 95

LC como los pulsos de la salida del filtro de banda angosta, se sobresalen muy bien del ruido. Además si buscamos sus niveles de tensión pico-pico en la Tabla 4.6, llegaremos a la conclusión que se encuentran entre los valores más altos de toda la tabla.

(a) Tomacorriente 1

(b) Tomacorriente 2

(c) Tomacorriente 7

(d) Tomacorriente 12

(e) Tomacorriente 15

(f) Tomacorriente 16

Figura 4.18. Mediciones realizadas con el Módulo Maestro conectado en diferentes tomacorrientes.

96

Otra observación que se debe resaltar, es el hecho de que a pesar de que los pulsos se transmiten en todo el ciclo de la señal de 60 Hz, estos sólo se logran ver aproximadamente 4.5 ms después del cruce por cero y por una duración cercana a 1 ms. Éste fenómeno se debe al efecto atenuante del condensador de 2.2 µf de la fuente. Dicho condensador, absorbe la señal de alta frecuencia mientras esté conectado a fase, y sólo se aísla de la red, luego de alcanzar un voltaje de carga máximo y cambiar de polaridad, lo cual polariza inversamente al diodo en serie con él (ver Figura 5.6).

Tomacorriente (1) Tomacorriente (2) Tomacorriente (3) Tomacorriente (4) Tomacorriente (5) Tomacorriente (6) Tomacorriente (7) Tomacorriente (8) Tomacorriente (9) Tomacorriente (10) Tomacorriente (11) Tomacorriente (12) Tomacorriente (13) Tomacorriente (14) Tomacorriente (15) Tomacorriente (16)

Vpp – Filtro LC Elíptico 10.56 V 2.52 V 2.40 V 3.48 V 7.68 V 8.16 V 8.08 V 3.68 V 3.60 V 8.24 V 2.32 V 3.48 V 3.64 V 8.00 V 8.56 V 3.04 V

Vpp – Filtro de Banda Angosta 1.92 V 264.0 mV 250.0 mV 220.0 mV 1.12 V 1.08 V 1.08 V 288.0 mV 248.0 mV 920.0 mV 312.0 mV 336.0 mV 312.0 mV 960.0 mV 980.0 mV 272.0 mV

Tabla 4.6. Tensiones pico-pico a la salida del Filtro LC Elíptico y Filtro Activo de Banda Angosta.

Este hecho se puede observar con más detalle en la Figura 4.19, donde se muestran los pulsos a la salida del filtro de banda angosta con el Módulo Maestro conectado en el tomacorriente 15. Estos pulsos aparecen a 4.48 ms después de los cruce por cero. Los resultados de esta prueba muestran que sólo se puede transmitir los pulsos a través de ésta “ventana”, creada por la desconexión del condensador de 97

2.2 µf. En la Figura 4.19 se observa el mismo comportamiento durante una prueba de propagación realizada en un tráiler ubicado en el mismo campo residencial.

Figura 4.19. Pulsos a la salida del Filtro de Banda Angosta con Módulo Maestro en Tomacorriente 15.

Figura 4.20. Pulsos a la salida del Filtro LC Elíptico durante prueba de transmisión realizada en tráiler del Campo Residencial Morichal.

98

Prueba de transmisión en área en construcción A diferencia de la prueba anterior, en este caso los pulsos de 120 KHz no fueron transmitidos constantemente. En cambio se programó el Módulo Maestro para que enviara constantemente la cabecera del protocolo X10, cuya secuencia se puede ver en la Figura 5.4 del siguiente capítulo. El Módulo Esclavo fue programado para encender un LED cada vez que detectara dicha secuencia.

Figura 4.21. Equipos utilizados durante prueba de transmisión en área en construcción. 2 La zona en construcción corresponde a un área de unos 80 m , sin ninguna

luminaria o equipo conectado a la red (exceptuando los utilizados para la ejecución de esta prueba). Debido a dificultades técnicas con el equipo de medición no fue posible realizar capturas de las señales propagadas en esta zona. Sin embargo los resultados fueron óptimos, ya que en cada tomacorriente en el cual se conectó el Módulo Maestro fue posible establecer comunicación con el Módulo Esclavo e identificar la cabecera enviada. En conclusión, esta prueba y la descrita en páginas anteriores, ponen en manifiesto el efecto degradante que tienen otros equipos conectados a la red sobre las señales de alta frecuencia utilizadas en el protocolo implementado. 99

Prueba de transmisión de trama entera de datos Ésta prueba consistió en visualizar mediante el osciloscopio una trama completa de datos transmitida por el Módulo Maestro. Se realizó en el área domestica de la Figura 4.17. El Módulo Esclavo permaneció conectado en el tomacorriente 1 mientras que el Módulo Maestro fue conectado en el tomacorriente de la casa indicado como “Toma Más Lejano” de la Figura 4.1 7.

El comando enviado en la trama corresponde

a encender el Módulo Esclavo cuyo ID sea igual a uno.

(a)

(b)

Figura 4.22. Trama completa de datos recibida por el Módulo Esclavo. (a) Captura de pantalla del osciloscopio. (b) Representación gráfica de la trama de datos.

En la Figura 4.22(a) se puede ver la trama recibida en el Módulo Esclavo. Dicha 100

trama está dividida en 7 secciones denotadas con las letras: A, B, C, D, E, F y G. Cada una de estas secciones posee una correspondencia con las secciones de la representación gráfica de la misma trama mostrada en la Figura 4.22(b). La señal azul representa la salida del detector de cruce por cero, mientras que la señal amarilla corresponde a los pulsos medidos en el Pin 2 del PIC12F675 (ver plano en Anexo G). A continuación se explicarán cada una de las secciones que componen la trama. En primer lugar se envían dos cabeceras consecutivas, es decir, las secciones A y B. Sin embargo, si nos fijamos en la Figura 4.22(a), veremos que la primera cabecera enviada (denotada con la letra “A”) se deforma, y es recibida de forma incorrecta, esto se deduce al compararla con las cabeceras B y E, recibidas correctamente. Pruebas previas indicaron que siempre el primer pulso enviado se distorsiona o se pierde. Es por esta razón, que al inicio de la transmisión se envía la cabecera dos veces, de este modo nos aseguramos que al menos una cabecera sea identificada correctamente por el módulo receptor. Seguidamente de las dos cabeceras se envía el ID del Módulo Esclavo que deberá ejecutar la acción. Este dato corresponde a la sección C de la Figura 4.22(b), y en este caso es igual a: 0001. Luego del ID se transmite el código de la acción a ser ejecutada, la cual para este ejemplo es igual a: 0011 (encender) y corresponde la sección D de la figura. Finalmente se vuelve a enviar la cabecera, el ID y la acción. De este modo las secciones B, C y D son iguales a E, F y G respectivamente. En síntesis, la presente prueba de transmisión fue un éxito. No sólo por haber demostrado que es posible propagar bits por la red eléctrica, si no porque además un módulo remoto recibió dichos bits, los interpretó y ejecutó una acción específica de acuerdo a los datos recibidos.

Efecto de fases invertidas entre módulos sobre los datos recibidos Durante la recepción de un 1 o 0 binario, el Módulo Esclavo discrimina los pulsos de acuerdo a si estos están presentes o no durante un semiciclo de la señal de

101

60 Hz. Es por esta razón que ambos módulos Maestro y Esclavos deben estar conectados en fase. Si esto no es así, un 1 binario podría identificarse como 0 y viceversa. En las capturas mostradas en las Figuras 4.23 y 4.24 se pone en manifiesto este hecho. En la Figura 4.23 vemos claramente la recepción de dos cabeceras seguidas. Cada cabecera se envía en dos ciclos de red. Se observa que el primer pulso de la cabecera está presente durante el semiciclo positivo de la red, y el segundo pulso durante el semiciclo negativo. Esto es así tanto en la sección A como en la sección B de la Figura 4.23. Igualmente es de este modo en la secciones A, B y E de la Figura 4.22(b). Para este caso los módulos Maestro y Esclavo se encuentran en fase.

Figura 4.23. Recepción de dos cabeceras en fase correcta.

Figura 4.24. Recepción de dos cabeceras en fase invertida.

102

En contraposición con el hecho anterior, se muestra la captura de la Figura 4.24 en la cual los módulos Maestro y Esclavo se encuentran conectados en fase invertida. Si observamos la sección A de la mencionada figura veremos en primer lugar que el primer pulso de la cabecera no ha sido recibido, y el segundo pulso está presente durante el semiciclo positivo de la red. En la sección B de la misma figura vemos que están presentes todos los pulsos de la cabecera, pero si comparamos esta sección con la sección B de la Figura 4.23 veremos que la señal del detector de cruce por cero se encuentra invertida con respecto a la de la Figura 4.24, en otras palabras, el primer pulso de la cabecera en lugar de producirse durante el semiciclo positivo ocurre en vez durante el semiciclo negativo. Dado lo expuesto anteriormente, los módulos dentro del sistema de telemando deberán estar conectados en fase para que exista comunicación. Sin embargo, este problema puede ser resuelto mediante software aunque no se abarque esta solución dentro del prototipo desarrollado.

103

CAPÍTULO V

DISEÑO

Descripción General del Sistema de Telemando El sistema desarrollado cuenta con un único Módulo Maestro y varios Módulos Esclavos conectados a una fase común de la red eléctrica, tal como se muestra en la Figura 5.1. El sistema establece una comunicación simplex entre el Módulo Maestro y los Esclavos utilizando las líneas de fase y neutro como medio de transmisión.

Figura 5.1. Diagrama general del sistema de telemando.

El Módulo Maestro es el encargado de la transmisión de los comandos a los esclavos. Un comando está formado por un código de 12 bits, como se indica en la Figura 5.1. Los primeros 4 bits representan la cabecera, y es un valor siempre constante. Le indica a los receptores que se acaba de iniciar la transmisión de un comando. Los siguientes 4 bits representan el ID de los esclavos que tendrán que

ejecutar la acción (en el programa de cada esclavo está codificado un número de identificación que no es necesariamente único para cada dispositivo). Los últimos 4 bits señalan la acción a ser ejecutada. En el sistema es posible direccionar 16 dispositivos dentro de una misma fase, para que ejecuten hasta 16 acciones diferentes. En los prototipos desarrollados sólo se implementaron dos funciones: Encendido y Apagado. La información es modulada en forma de ráfagas de pulsos de 120 KHz, donde cada pulso tiene una duración de 1 ms y presenta un retardo de 4.5 ms con respecto al cruce por cero de la señal de 60 Hz. Los niveles de tensión de estos pulsos varían entre -15 V y +15 V, alcanzando aproximadamente los 30 Vpp. Esta señal portadora está representada como la señal roja en la Figura 5.2. En la figura se la compara con la señal de 60 Hz de la red (en color azul). Se debe resaltar que los pulsos están desfasados 4.5 ms como consecuencia de los resultados obtenidos en las pruebas de transmisión. Estos indicaron que éste era el momento idóneo para transmitir los pulsos.

Figura 5.2. Gráfica de las señales involucradas en el sistema de telemando.

El sistema desarrollado adopta la convención del protocolo X10 de representar un uno binario como la presencia de los pulsos de 120 KHz durante el semiciclo positivo de la red, y su ausencia durante el semiciclo negativo. Esto que se acaba de explicar se puede entender de forma más sencilla al ver la Figura 5.3.a. En contraposición, un cero binario estaría representado por la ausencia de los pulsos de

105

120 KHz en el semiciclo positivo, y la existencia de dichos pulsos durante el semiciclo negativo, tal cual se muestra en la Figura 5.3.b.

(a)

(b)

Figura 5.3. Representación eléctrica de bits de acuerdo al protocolo X10. (a) Uno binario. (b) Cero binario.

Además de la representación eléctrica de los dígitos binarios, también se adopto la forma en que el protocolo X10 maneja errores de transmisión. Dado a que es un tipo de comunicación simplex (un solo sentido), los receptores no pueden hacerle saber el transmisor que un determinado comando se recibió satisfactoriamente, o que la acción recibida fue ejecutada. La forma en que el protocolo X10 evita en cierto modo la ejecución de falsos comandos es por medio de la redundancia.

Figura 5.4. Secuencia para el envío de una trama completa de datos.

Como se describió en el Capítulo II, el protocolo X10 envía dos veces la misma 106

trama para evitar que los receptores ejecuten falsas acciones. En el sistema desarrollado, los Módulos Esclavo ejecutaran la acción transmitida por el Módulo Maestro sólo si el primer comando recibido es igual al segundo. En la Figura 5.4, se puede ver un ejemplo del envío exacto de una trama de datos. Obsérvese que en la transmisión del primer comando, la cabecera es enviada dos veces seguidas. Esto se debe a que en las pruebas de transmisión, se observó que al iniciar una nueva transmisión, siempre el primer pulso de toda la trama se distorsiona o se pierde. Al no identificar la secuencia de la cabecera, los receptores descartarán toda la trama y esperarán indefinidamente hasta que se inicie otra transmisión. Al enviar la cabecera del primer comando dos veces se resuelve éste problema. Otro aspecto a considerar en la Figura 5.4 es que una vez iniciada la transmisión de una trama, no existen pausas que separen al primer comando del segundo. En total se necesitan 22 ciclos consecutivos de red para enviar una trama entera, es decir, cerca de 370 ms. A pesar que la redundancia aumenta el tiempo de transmisión, nos daremos cuenta que es despreciable ya que el propósito del sistema es envío de comandos y no transmisión masiva de datos.

Bloques circuitales del Módulo Maestro El módulo maestro puede ser representado como se muestra en la Figura 5.5.

Figura 5.5. Diagrama en bloques del Módulo Maestro.

107

Fuente de alimentación sin transformador En el Capítulo II se explicó el principio de funcionamiento de esta clase de fuentes, además de también exponer las razones por las cuales se eligió implementar este tipo de fuente en lugar de las tradicionales basadas en transformador y puente de diodos o las más actuales fuentes conmutadas. Retomando un poco lo establecido en dicho capítulo, la corriente RMS en estas fuentes viene dada por la Ec. 2.7. Esta ecuación sostiene que se obtendrán cerca de 4 1 mA por cada

 del condensador C1 (Figura 2.12 del Capítulo II). Para nuestro

diseño se fijo una corriente máxima de 90 mA por cada rama de la fuente (+15 V y 15 V), por lo tanto el valor de los condensadores C1 y C6 de la Figura 5.6(a) vienen dados por la Ec. 5.1.

      

       

Ec. 5.1.

Para la implementación de la fuente se utilizaron condensadores de poliéster de 400 V, como el mostrado en la Figura 5.6(b).

(a)

(b)

Figura 5.6. (a) Fuente de alimentación sin transformador poliéster. del Módulo Maestro. (b) Condensador de

108

Con respecto a la alimentación del microcontrolador, se decidió utilizar el regulador de tensión 78LR05, mostrado en la Figura 5.7(b). Este es capaz de suministrar una corriente de salida de hasta 140 mA y admite un voltaje de entrada de 7.5 V a 18 V. Una característica resaltante de este regulador es su capacidad de generar una señal de reinicio temporizada, es decir, al momento de energizar el circuito este regulador mantendrá reiniciado el microcontrolador hasta que haya transcurrido el tiempo programado. Dicho tiempo se establece mediante el condensador C5 de la Figura 5.7(a) y responde a lo que establece la Ec. 5.2.

     

Ec. 5.2.

En nuestro caso se programó un retardo de 10 ms, es decir C5 = 0.1 µF. Esto proporcionará el tiempo necesario para que los transitorios hayan desaparecido y para que el dispositivo pueda funcionar normalmente.

(a)

(b)

Figura 5.7. (a) Circuito de aplicación del 78LR05. (b) Fotografía del regulador de tensión 78LR05.

Microcontrolador y periféricos de entrada y salida Como dispositivo central de control para el módulo maestro, se utilizó el microcontrolador PIC16F877 de Microchip. Entre las razones para seleccionarlo se encuentra la diversidad de hardware implementado dentro del encapsulado, amplio número de pines posibilitando la adición de futuras mejoras, buena documentación y experiencia de trabajo, bajo costo y disponible en el mercado nacional. En la Figura 5.8 se muestra el diagrama esquemático de dicho microcontrolador y sus respectivos

109

periféricos, y dispositivos de interfaz de usuario.

Figura 5.8. Electrónica de periferia del microcontrolador PIC16F877.

La electrónica que rodea al microcontrolador (vista en la Figura 5.8) es relativamente sencilla. Está configurado para operar a una frecuencia de 20 MHz. En el puerto D se encuentran los pines de conexión de la LCD 4x20. Se usan las tres líneas estándar para el control (E, RS y R/W) más cuatro líneas para los datos (DB4, DB5, DB6 y DB7). En el pin D3 del mismo puerto se conecta un LED que funciona como lámpara piloto del prototipo. En los cuatro pines más significativos del puerto B se encuentra conectado el teclado matricial 4x4 con sus respectivas resistenciaspull-up. También se usa la interrupción externa RB0 para la sincronización de la transmisión de los pulsos de alta frecuencia con los cruces por cero de la red. Finalmente en el puerto C se utiliza el módulo CCP1 para generar la PWM de 120 KHz, la cual es amplificada en una etapa posterior. También se controla el encendido o apagado delbacklight de la LCD mediante el transistor Q2 conectado al pin C5. Se encenderá elbacklight de la LCD 110

cuando Q2 este en corte y la corriente de alimentación del LED de la LCD vendrá dada por Ec. 5.3.

     

Ec. 5.3.

El contraste de la LCD se fija mediante el divisor de tensión formado entre las resistencias R20 y R21 vistas en la Figura 5.8.

Amplificación de la PWM de 120 KHz Para escalar la PWM de 120 KHz generada por el microcontrolador, se utiliza un opamp en el cual la PWM es comparada con un voltaje de referencia fijado por un diodo Zener de 3.3 V, como se observa en la Figura 5.9(a). Dado que la señal de salida conmutara entre -15 V y +15 V aproximadamente a una frecuencia de 120 KHz, es necesario utilizar un opamp como comparador, de altoSlew rate como lo son el LF356, LF357, TL082 o similares. Consideremos por ejemplo la salida de un LM741, el cual es un opamp de uso extendido y bajo Slew rate. En la Figura 5.9(b) se observa que le toma 35.15 µs conmutar una tensión de 3 V. Es decir, suSlew rate es igual a la Ec. 5.4.

 

          

Ec. 5.4.

Sin embargo, si tomamos elSlew rate típico suministrado por la hoja de datos del fabricante, veremos que es de 0.5 V/µs. Usando el Slew rate del fabricante, podemos estimar el tiempo de conmutación del dispositivo para una determinada tensión, esto de acuerdo con la Ec. 5.5.

      

    

Ec. 5.5.

Esto quiere decir, que al LM741 le tomaría 60 µs pasar de -15 V a +15 V. Si tomamos en cuenta que el período de la señal de 120 KHz es igual a 8 µs, veremos que para el momento en que el LM741 alcance una tensión final ya habrán pasado

111

cerca de 8 periodos de señal de 120 KHz. La incapacidad del LM741 de seguir las variaciones de la tensión de entrada, hace que la señal cuadrada entrante, se deforme a la salida del opamp en una señal triangular de amplitud mucho menor, al voltaje de saturación del opamp. En contraposición tenemos el tiempo de conmutación del LF356 para el mismo nivel de tensión que el caso anterior. Esta vez determinado por la Ec. 5.6.

           

(a)

Ec. 5.6.

(b)

Figura 5.9. (a) Circuito de amplificación de señal PWM de 120 KHz. (b) Respuesta de conmutación de LM741.

Vemos que la diferencia es sustancial, a pesar de no ser óptima pues la señal de salida no será perfectamente cuadrada, sin embargo si alcanzará los niveles de saturación del opamp. Es por esta razón que se utiliza un opamp de altoSlew rate, como el LF356 cuyo SR de 12 V/µs es 24 veces mayor que el del LM741.

Acople con la red eléctrica de baja tensión Para el acople entre la salida del LF356 (Figura 5.9a) y la red eléctrica, se empleó un filtro paso alto. Este filtro de primer orden mostrado en la Figura 5.10.(a) impide

112

la entrada de la señal de 60 Hz y permite la salida de los pulsos generados de 120 KHz. La respuesta en frecuencia de dicho circuito se expone en la Figura 5.10.(b). Como indica la curva verde, para señales con una frecuencia menor de 100 Hz el circuito de acople atenúa las señales casi un 100%, y para frecuencias de 120 KHz permite el paso del 99.1% de la amplitud de la señal. 1.0V

0.5V

0V 1.0Hz V(R:2)

10Hz

100Hz

1.0KHz

10KHz

100KHz

1.0MHz

Frequency

(a) (b) Figura 5.10. (a) Circuito de acople con la red eléctrica (filtro paso alto). (b) Respuesta en frecuencia del filtro de acople con la red eléctrica.

La frecuencia de corte del mencionado circuito viene dada por la Ec. 5.7.

 

   

Ec. 5.7.

Los cálculos se realizaron para una frecuencia de corte de 16 KHz, se estableció el valor de C igual a 10 nf y se despejó R de la Ec. 5.7. El valor de R obtenido se muestra en la Ec. 5.8.

      

          

Ec. 5.8.

Se aproxima el resultado obtenido a un valor comercial de R, es decir, 1 K.

Detección de los cruces por cero de la red Para que la transmisión de los pulsos de 120 KHz esté sincronizada con la señal de la red, es necesario saber cuando inicia o termina su semiciclo positivo o negativo. Con este propósito se utiliza el circuito mostrado en laFigura 5.11. Este se basa en 113

un opto acoplador para aislar físicamente la red eléctrica del microcontrolador haciendo el sistema más fiable.

Figura 5.11. Circuito de detección de cruce por cero.

Para activar el LED de U2 se estimó una corriente de colector de 10 mA. Suponiendo que Q1 está en zona de saturación ( 

   ), y una caída de tensión

de 2 V sobre el LED, el valor de R5 vendría determinado por la Ec. 5.9.

              

Ec. 5.9.

El resultado obtenido de R5 se lleva a un valor comercial de resistencia, es decir, 270 Ω. Con respecto a la resistencia de base de Q1, se calcula siguiendo la Ec. 5.10. El resultado de R8 se aproxima al valor comercial más cercado, o sea, 240KΩ.

√                    

Ec. 5.10.

El diodo D7 de la Figura 5.11 cumple el propósito de proteger la unión baseemisor contra las tensiones negativas de la red. En cada semiciclo negativo, dicho diodo se polarizará manteniendo un voltaje base-emisor de -0.7 V. La resistencia R3 de la misma figura, es usada para estabilizar el comportamiento del fototransistor. Su valor es el recomendado por la hoja de datos del fabricante. Si esta resistencia se omite, el fototransistor estaría propenso a campos eléctricos externos y se activaría al acercarse un objeto cargado, como nuestra mano por ejemplo. Para evitar este 114

fenómeno es imprescindible llevar la base del fototransistor a tierra. En la señal superior de la Figura 5.18 se muestra la salida del detector de cruce por cero.

Bloques circuitales del Módulo Esclavo En este apartado se exponen las secciones circuitales que conforman el módulo esclavo. Se explica su funcionamiento y se fijan las bases matemáticas que rigen esta propuesta. Algunas de estas secciones también están presentes en el módulo maestro, por lo que se omitirán para evitar explicaciones redundantes. El diagrama en bloque del módulo esclavo se muestra en la Figura 5.12.

Figura 5.12. Diagrama en bloques del Módulo Esclavo.

Filtro LC pasa banda de respuesta elíptica El circuito implementado de este filtro se muestra en la Figura 5.13(a). Para el diseño de dicho filtro nos basamos en el softwareFilter Solutions 2009 de la empresa norteamericana Nuhertz Technologies. El procedimiento exacto seguido para su obtención se expone en el Anexo E. Esta clase de filtro pone en manifiesto las bondades que ofrece la reactancia

115

inductiva de las bobinas y las propiedades de los circuitos resonantes, ya que sin la necesidad de usar elementos activos es posible amplificar señales de una frecuencia específica. En la Figura 5.13(b) se muestra la respuesta en frecuencia del filtro, simulada mediante PSpice Orcad 9.2 y usando una onda sinusoidal de 1 V de amplitud como señal excitadora de entrada. Se observa que para una frecuencia central de 120 KHz el circuito entra en resonancia y ofrece una tensión de salida de más de 40 V, es decir, más de 40 veces la amplitud srcinal. Sin embargo, en la implementación real del filtro se consiguió una ganancia igual a 7.4 (incremento del 370%). Esto debido a la imprecisión y tolerancias inherentes a los capacitores, bobinas y resistencias reales. Una prueba detallada de su respuesta en frecuencia se expone en la sección Respuesta en Frecuencia del Filtro LC Elíptico sintonizado a

120 KHz del Capítulo IV.

(a) 60V

40V

20V

0V 1.0KHz V(L1:2)

3.0KHz

10KHz

30KHz

100KHz

300KHz

1.0MHz

3.0MHz

Frequency

(b)

Figura 5.13. (a) Implementación del Filtro LC de respuesta elíptica. (b) Respuesta en frecuencia del filtro LC.

116

10MHz

Filtro pasa banda activo de banda angosta El circuito del filtro implementado se muestra en la Figura 5.14. El condensador C1 de dicho circuito es usado como acople entre la salida del filtro LC elíptico y la entrada del filtro de banda angosta. C1 atenúa aun más la señal de 60 Hz y su valor fue determinado de forma experimental haciendo pruebas con diferentes valores de capacitancia. El resto del circuito (comprendido entre TP1 y TP2) corresponde a la arquitectura general de un filtro de banda angosta mostrado en la Figura 2.9 del Capítulo II.

Figura 5.14. Implementación del filtro pasa banda de banda angosta.

El filtro diseñado satisface los parámetros mostrados en Ec. 5.11.

       



Ec. 5.11.

Los cálculos realizados están basados en las ecuaciones Ec. 2.2, Ec. 2.3 y Ec. 2.4 del Capítulo II. En primer lugar se calcula el valor de R, para ello se despeja R de la Ec. 2.2. Haciendo C = 150pf se obtiene la Ec. 5.12.





Ec. 5.12.

            Se aproxima R al valor comercial más cercano, es decir. A continuación se 117

calcula  utilizando la Ec. 5.13.

            

Ec. 5.13.

Debido a que  determina la frecuencia central del filtro, esta es remplazada por un potenciómetro de . Este es representado por R3 en la Figura 5.14. De este modo es posible ajustar de forma mas precisa la frecuencia de corte del filtro. La resistencia  de la Figura 2.9 del Capítulo II, está representada por las resistencias  y  de la Figura 5.14. La suma de estas dos resistencias es igual a

, o en otras palabras, lo que se indica en la Ec. 5.14.             

Ec. 5.14.

Para la implementación del filtro se utilizó el amplificador operacional de alto

Slew rate TL082, que tiene la peculiaridad de contener dos opamp dentro de un mismo encapsulado. Este hecho redujo el tamaño del prototipo final.

Amplificación y demodulación de los pulsos de 120 KHz Consiguientemente a la etapa de filtrado se encuentra la electrónica encargada de amplificar y demodular los pulsos de 120 KHz. Esta etapa es mostrada en la Figura 5.15.

Figura 5.15. Electrónica de amplificación y demodulación de los pulsos de 120 KHz.

118

En primer lugar, se tiene una etapa de amplificación, representada por U1B y U2A, ambos amplificadores no inversores. El primero tiene una ganancia fija cercana a 20, determinada por la Ec. 5.15. La segunda etapa de amplificación tiene la posibilidad de ajustar su ganancia mediante un potenciómetro. Su ganancia máxima viene determinada por la Ec. 5.16.

  (  )  (   ) 

Ec. 5.15.

 

    (   )  (   )

Ec. 5.16.

La ganancia máxima total del sistema sería:

          

Ec. 5.17.

Se necesita una alta ganancia porque en ciertos casos los pulsos obtenidos están en el orden de los mV, y deben ser escalados al orden de los voltios para poder ser procesados adecuadamente. Sin embargo, si se usan valores muy altos de ganancia se corre el riesgo de deformar estos pulsos o amplificar el ruido, lo que representa un gran problema. También cabe destacar, que estos amplificadores deben responder velozmente a los cambios de tensión en su entrada, por esto se utilizan opanes TL082 de alto Slew rate. Se tomaron estas consideraciones al momento de ajustar la ganancia del sistema. Luego de la etapa de amplificación descrita anteriormente, sigue una etapa de demodulación en la cual los pulsos de alta frecuencia son convertidos en pulsos digitales de 0 V a 5 V. Primeramente los pulsos amplificados se comparan con un valor DC en el opamp U2B de la Figura 5.15. El valor DC es fijado mediante el potenciómetro R17. Esto elimina el nivel de ruido amplificado y limpia los pulsos obteniendo una señal que varia entre -15 V y +15 V. En la Figura 5.16 vemos las señales que llegan a los pines de entrada del comparador U2B. La señal amarilla son los pulsos de 120 KHz amplificados. Nótese que existe un nivel de ruido resultado de la amplificación, éste esta delimitado entre 119

dos líneas paralelas moradas. La línea roja indica el valor DC de comparación que llega en el pin 6 del mencionado opamp. Cada vez que la señal amarilla supere a la roja el opamp cambiará su tensión de salida de -15 V a +15 V aproximadamente. Ésta señal de salida resultante se muestra en la Figura 5.17. y está indicada en color verde.

Figura 5.16. Señales de entrada del opamp U2B del Módulo Esclavo.

Figura 5.17. Señales de entrada del opamp U5 del Módulo Esclavo.

Después de haber eliminado el ruido y haber escalado los pulsos a ±15 V, 120

deberemos convertir estos pulsos de alta frecuencia a pulsos digitales compatibles con lógica TTL. Es acá donde una desventaja del LM741 se convierte en ventaja. Se emplea el opamp U5 de la Figura 5.15 para lograr el propósito mencionado. El bajo

Slew rate de este opamp permite demodular la señal verde de la Figura 5.17. Debido a que no puede conmutar tan deprisa como su entrada, la salida se mantendrá en estado alto mientras dure el pulso de alta frecuencia. El nivel de comparación esta representado por el diodo D7, y se usa este en lugar de tierra para evitar que pequeñas fluctuaciones conmuten la salida del opamp. Este voltaje de referencia se muestra en la Figura 5.17 como una línea de color azul.

Figura 5.18. Superior: Salida de detector de cruce por cero. Inferior: Pulsos X10 procesados en pin 2 del PIC12F675.

Finalmente como último elemento de esta etapa de amplificación y demodulación de los pulsos de alta frecuencia, se encuentra el diodo Zener D8 (ver Figura 5.15). Este tiene una tensión Zener de 5.1 V, y su propósito es regular el voltaje de salida del opamp U5 a una tensión TTL compatible con la electrónica de control. En la señal inferior de la Figura 5.18 podemos visualizar los pulsos procesados medidos en el pin 2 del PIC12F675, en contraposición con la señal del detector de cruce por cero ubicada en la parte superior de la misma figura.

121

Electrónica On/Off de potencia El control del encendido o apagado del equipo conectado al Módulo Esclavo se ejecuta mediante el circuito mostrado en la Figura 5.19. Este circuito está basado en un Triac que a su vez es controlado por el optotriac MOC3041. Para controlar el encendido del MOC3041 se hace circular una corriente de 10 mA a través del LED de U7. Suponiendo una tensión del LED de 2 V y Q1 trabajando en zona de saturación, la resistencia R25 vendría dada por la Ec. 5.18.

Figura 5.19. Electrónica de control On/Off de potencia.

              

Ec. 5.18.

El pin de Control On/Off proveniente del microcontrolador, polariza al transistor Q1 con una tensión de cerca de 5 V. De este modo R23 se determina mediante Ec. 5.19.

    

Ec. 5.19.

A su vez la corriente de base de Q1 también viene dada por Ec. 5.20.

         122

Ec. 5.20.

Sustituyendo Ec.5.20 en Ec.5.21 obtenemos el valor final de R23, mostrado en la Ec. 5.21.

     

       

Ec. 5.21.

Los elementos R28, R30, R31 y C17 de la Figura 5.19 corresponden al circuito típico de aplicación obtenido de la hoja de datos del fabricante. Dicho circuito se muestra en la Figura 5.20. La resistencia R31 junto con el condensador C17 representan un circuito desnubbing del Triac, puede ser omitido si el tipo de cargas a controlar no son inductivas, por ejemplo bombillos incandescentes.

Figura 5.20. Circuito de aplicación del optotriac MOC3041. Fuente: Fairchild Semiconductor Corporation (2001).

De acuerdo con las especificaciones del fabricante, la corriente de compuerta máxima para el Triac Q3 utilizado, es de 20 mA. Ésta viene determinada por la resistencia R28, la cual satisface la Ec. 5.22.

 

   √          

Ec. 5.22.

El Triac que se utilizó para la implementación del circuito de la Figura 5.19 fue el 2N6075, el cual es capaz de suministrar hasta 4 A y operar a tensiones de hasta 600 V. Esta corriente es más que suficiente para el control de luminarias y dispositivos de red como enrutadores o módems. Sin embargo se debe usar un Triac de mayor potencia para poder conectar equipos como computadores, radios u otro dispositivo de alto consumo.

123

Electrónica de control La electrónica de control del módulo esclavo esta representada por el microcontrolador PIC12F675 de Microchip. Se eligió este dispositivo porque conjuga la mayor diversidad de periféricos de la gama baja de Microchip, además de ser uno de los microcontroladores más económicos disponibles en el mercado nacional. En la Figura 5.21 se muestra su diagrama de conexión.

Figura 5.21. Microcontrolador PIC12F675 del Módulo Esclavo.

Este microcontrolador cuenta con un oscilador interno de 4 MHz por lo que no es necesario el uso de resonadores externos. Se emplearon 4 de sus 6 pines de E/S para la implementación del Módulo Esclavo. El pin 2 (GP5) se usa como entrada para leer los pulsos procesados. El pin 4 (MCLR)esta conectado a un pulsador en caso de que el módulo quede guindado necesite ser reiniciado. En el pin 5 (GP2) se aprovecha la interrupción externa INT para sincronizar la lectura de los pulsos con la red eléctrica, a este pin llega la señal del detector de cruce por cero. Finalmente el pin 6 (GP0) se usa como salida para controlar el encendido o apagado del equipo conectado al módulo. Los pines restantes son reservados para mejoras futuras, como por ejemplo usar el conversor analógico-digital para leer el estado de un sensor y transmitir el valor medido al Módulo Maestro. Las resistencias R20 y R21 conectadas en serie con la alimentación se usan como medida de protección del microcontrolador en caso de que la fuente de alimentación falle. También cumplen el propósito limitar el consumo de corriente del micro en caso de una avería. 124

Programa desarrollado para el Módulo Maestro El Módulo Maestro representa la interfaz del operario para controlar el sistema. En la Figura 5.22 podemos ver la estructura del Menú y sus pantallas correspondientes para controlar el encendido y apagado de dos equipos diferentes conectados en la misma fase del Módulo Maestro. Adicionalmente se ha añadido la opción Broadcast Test, con la cual se puede transmitir constantemente los pulsos de 120 KHz, esto con el propósito de estudiar la propagación de la señal en el área de operación.

Figura 5.22. Estructura del Menú de la LCD del Módulo Maestro.

A pesar que el programa desarrollado está limitado al control de dos dispositivos, se debe resaltar que pueden agregarse hasta un máximo de 16. Para el momento se 125

implementaron 2 con el propósito de someter a prueba al prototipo. En la Figura 5.23 podemos ver el diagrama de flujo general del software de control del Módulo Maestro. El programa empieza inicializando los drivers que controlaran la LCD y el teclado, configurando registros de entrada y salida de los puertos y estableciendo valores iniciales en ciertas variables. INICIALIZACIÓN

Driver Teclado 4x4 Driver LCD 20x4 Setup PWN 120KHz Setup registros TRIS Setup Variables

Mostrar Menú Equipos en Línea

Selección de Opción

¿Opción = Equipo 1?

Si

Selección de Opción

¿Encender o Apagar?

Si

Selección de Opción

¿Encender o Apagar?

Encender

No

¿Opción = BC Test?

Enviar Comando: 00010010

Enviar Comando: 00100011

Apagar

No

Enviar Comando: 00010011

Apagar

No

¿Opción = Equipo 2?

Encender

Enviar Comando: 00100010

Si

Selección de Opción

¿Iniciar o Detener?

Iniciar

Detener

PWM (120KHz) →

On

PWM (120KHz) →

Off

Figura 5.23. Diagrama de Flujo del programa de control del Módulo Maestro.

A continuación despliega un menú donde se listan los equipos conectados y adicionalmente la opción Broadcast Test. El usuario podrá desplazarse entre las opciones y seleccionar una, al hacerlo podrá elegir entre encender o apagar un equipo 126

específico, o iniciar o detener elBroadcast Test. En el Anexo H se expone el código fuente completo escrito en C del programa del módulo maestro. Una de las funciones principales del programa es la encargada del envío de un 1 o 0 binario. Al estudiar el código del Anexo H nos daremos cuenta que el resto de las funciones de transmisión están basadas en esta en particular. En la Figura 5.24 se muestran la secuencia de eventos ocurridos durante el envío de un 1 binario.

Figura 5.24. Secuencia de envío de un 1 binario.

Dado que para la transmisión de un 1 binario se debe enviar un pulso de 120 KHz durante el semiciclo positivo, en primer lugar se configura la interrupción externa RB0 para que se active por flanco de subida. Adicionalmente se pone a cero la bandera que indica que ya se envió el pulso b( it_enviado). Al momento de entrar al semiciclo positivo, el microcontrolador ejecutará la rutina definida por INT_EXT, la cual básicamente consiste en activar la PWM por 2 ms luego de hacer

un retardo de 4.5 ms. Seguidamente se activa la banderabit_enviado y de este modo este modo se finaliza la rutina de interrupción. Por último, el microcontrolador deberá asegurarse de que termine el semiciclo positivo antes de iniciar la transmisión de otro bit. Para ello se espera indefinidamente hasta que la señal del cruce por cero

127

leída en el Pin B0 conmute de 5 V a 0 V. Así finaliza la rutina de envío de un 1 binario, de forma análoga se ejecuta el envío de un 0 binario.

Programa desarrollado para el Módulo Esclavo La tarea que cumple el Módulo Esclavo consiste en recibir los comandos del Módulo Maestro y ejecutarlos si estos fueron recibidos sin errores. En términos generales el programa de este módulo es bastante sencillo. Su diagrama de flujo se muestra en la Figura 5.25. INICIALIZACIÓN

Setup Palabra de Config. Setup Reloj Setup TRISIO Setup Variables Globales Setup ID del Módulo

Esperar recepción de Cabecera

No

¿Cabecera Recibida? Si RecibirByteA

RecibirByteB

¿Byte A = No

Byte B? Si

No

¿ID recibido =

Si

ID Módulo?

Ejecutar Comando

Figura 5.25. Diagrama de Flujo del programa de control del Módulo Esclavo.

128

El módulo estará en escucha permanente de la red eléctrica hasta que reciba la secuencia de pulsos que representan a la cabecera (ver Figura 5.4). Seguidamente guardará los dos bytes que son enviados después de la cabecera. Comparará ambos bytes para verificar si son iguales, lo cual en caso afirmativo indica que el comando se ha recibido sin errores. A continuación se identifica el ID recibido y se lo compara con el ID del módulo. Si estos son iguales, entonces se ejecuta el comando recibido. En caso contrario, se descarta el comando y se inicia nuevamente la escucha de la red hasta que una nueva cabecera sea detectada.

Figura 5.26. Secuencia de lectura de un pulso durante el semiciclo positivo.

Así como para el Módulo Maestro la función de envío de bits es un bloque básico del programa, para el Módulo Esclavo la función básica es la encargada de la lectura de un pulso en un semiciclo específico. Esta función esta definida en el código bajo el nombre “leer_pulso”. Su secuencia se ejemplifica en la Figura 5.2 6.

Esta función

toma como parámetro el semiciclo en el que se realizará la lectura, y retorna un 1 o un 0 dependiendo de si un pulso se ha recibido o no. Tomemos como ejemplo la lectura de un pulso durante el semiciclo positivo, 129

mostrada en la Figura 5.26. En primer lugar se borra la bandera que indica el fin de lectura de un pulso, definida por flag_INT_EXT. Seguidamente se activa la interrupción externa INT_EXT para flancos de subida, de este modo se ejecutará la rutina de lectura luego de entrar a un semiciclo positivo. Al activarseINT_EXT se temporiza un retardo de 4950 µs y se procede a hacer la lectura del Pin GP5. Se determinó mediante pruebas previas que para este tiempo la lectura se realizará aproximadamente en la mitad de los pulsos (como se ejemplifica en la figura). A continuación se activa la bandera flag_INT_EXT para indicar que la lectura ha finalizado. El resultado de esta lectura nos dirá si hay o no un pulso en el semiciclo que decidimos leer. Para su referencia, el programa completo desarrollado para el módulo esclavo se incluye en el Anexo I.

Tarjeta de Circuito Impreso del Módulo Maestro El diseño electrónico desarrollado para el Módulo Maestro, el cual se muestra en el Anexo F, fue implementado en forma de tarjeta de circuito impreso. Dicha tarjeta se diseñó utilizando el software Altium Designer, y se fabricó siguiendo los procedimientos indicados en el Anexo B y C. Esta tarjeta posee una dimensión de 5960 x 5000 milésimas de pulgada (aproximadamente 15.14 x 12.7cm). Para su fabricación se utilizó una lámina de doble cara de cobre con sustrato de fibra de vidrio FR-4. En las Figuras 5.28 y 5.29 se muestran las caras inferior y superior de dicha PCB. Las resistencias de potencia R1 y R6 son opcionales. Su propósito es limitar la corriente máxima que pueda pasar a través de C1 y C6 (ver Figura 5.24).

Figura 5.27. Ubicación de las resistencias opcionales R1 y R6 en la fuente de alimentación.

130

El uso de estas dos resistencias de 10W es exigido para obtener la

Mark

Product Certification, otorgada por Underwriters Laboratories Inc. una organización independiente encargada de la certificación de seguridad de productos electrónicos reconocida a nivel mundial.

Nota: Las dimensiones de la PCB mostrada se encuentran en tamaño real.

Figura 5.28. Caras Botton Layer y Top Overlay de la PCB del Módulo Maestro.

131

El valor de R1 y R6 viene dado por la Ec. 5.23.

   

   √       

Nota: Las dimensiones de la PCB mostrada se encuentran en tamaño real.

Figura 5.29. Caras Top Layer y Botton Overlay de la PCB del Módulo Maestro.

132

Ec. 5.23.

Componente

Descripción

Componente

Descripción

R1, R6 R2, R7 R3 R4 R5 R8 R9 R10

Resistencia 1.8KΩ 10W

C1, C6 C2, C7 C3 C4 C5, C10, C11 C8, C9 C12 D1,D3,D4,D5,D7

Poliéster 2.2 µf 400 V Electrolítico 2200 µf 16 V Electrolítico 1 µf 16 V Electrolítico 10 µf 16 V Cerámico 100 nf 16 V Cerámico 15 pf 16 V Poliéster 10 nf 400 V Diodo 1N4007

Resistencia 1MEGΩ 1/4W

Resistencia 220KΩ 1/4W Varistor 250VRMS 40 Joules Resistencia 270Ω 1/4W Resistencia 240KΩ 1/4W Resistencia 10KΩ 1/4W Resistencia 12KΩ 1/4W

R11, R12, R13, Resistencia 10KΩ 1/4W D2, D6 Diodo Zener 15 V R14, R15 1N4744A R16, R17 Resistencia 1KΩ 1/4W D8 Diodo Zener 3.3 V R18 Resistencia 360Ω 1/4W D9 LED Azul 3 mm R19 Resistencia 4.7KΩ 1/4W Q1, Q2 Transistor BJT 2N3904 R20 Resistencia 100KΩ 1/4W U1 Regulador 78LR05 R21 Resistencia 1.6KΩ 1/4W U2 Optocoplador 4N25 P1 Terminal atornillable 2 Pos. U3 PIC16F877A-I/P P2 Teclado matricial 4 x 4 U4 Opamp LF356 P3 Header Puertos 18 pines Y1 Cristal 20 MHz P4 LCD LCM2004A 20x4 S1 Pulsador de reinicio Tabla 5.1. Componentes electrónicos de la PCB del Módulo Maestro.

Figura 5.30. Fotografías del prototipo del Módulo Maestro terminado.

133

Figura 5.31. Diagrama esquemático completo del Módulo Maestro.

134

Tarjeta de Circuito Impreso del Módulo Esclavo Al igual que para el Módulo Maestro, se diseñó y fabricó la PCB correspondiente al Módulo Esclavo, basándonos en el diagrama esquemático del Anexo G. En la Figura 5.32 se muestran las caras superior e inferior de la tarjeta electrónica realizada.

Figura 5.32. PCB del Módulo Esclavo. Superior: Caras Botton Layer y Top Overlay. Inferior: Caras Top Layer y Top Overlay. (Imágenes en tamaño real).

135

La PCB del Módulo Esclavo tiene una dimensión de 3070 x 2980 milésimas de pulgada (aproximadamente 7.79 x 7.56cm). Fue fabricada en un sustrato FR-4 de doble cara de cobre. Adicionalmente se le aplicó la máscara de soldadura y lasilk

screen de pintura epóxica siguiendo el procedimiento ilustrado en el Anexo C. En la Tabla 5.2 se muestra un listado de los componentes electrónicos empleados (todos disponibles en el mercado Venezolano). Finalmente en la Figura 5.33 puede ver algunas fotografías del prototipo final construido. Componente

Descripción

Componente

Descripción

R1

C1

Cerámico 3.3nf 16V

R2

Varistor 250VRMS 40 Joules Resistencia 27KΩ 1/4W

Cerámico 150pf 16V

R3 R6, R14, R25 R7 R8, R16

Trimpot vertical 10KΩ Resistencia 1KΩ 1/4W Resistencia 2KΩ 1/4W Resistencia 5.1Ω 1/4W

C2,C4,C8,C9, C10, C11 C3 C5, C6 C7 C12, C13

R9, R10

Resistencia 1MEGΩ 1/4W Resistencia 51KΩ 1/4W

R11 R12 R13 R15, R17 R18,R19,R22,R29 R20, R21 R23 R24 R26 R27 R28 R30 P1, P2 EXT1 TP1,TP2,TP3,TP4,TP5, TP6,TP7,TP8,TP9 S1

Ω 1/4W Resistencia Resistencia 1.2K 22KΩ 1/4W

C14

Poliéster 10nf 400V Poliéster 2.2µf 400V Cerámico 1nf 16V Electrolítico 1000µf 16V Electrolítico 1µf 16V

C15

Cerámico 100nf 16V

C16 C17 Trimpot vertical 100KΩ L1, L2 Resistencia 10KΩ 1/4W D1,D2,D3,D4,D7,D9 Resistencia 220Ω 1/4W D5, D6 Resistencia 47KΩ 1/4W D8 Resistencia 240KΩ 1/4W Q1, Q2 Resistencia 470Ω 1/4W Q3 Resistencia 220KΩ 1/4W U1, U2 Resistencia 170Ω 1/4W U3 Resistencia 2.4KΩ 1/4W U4 Terminal atornillable 3 U5 Pos. U6 Header 6 pines Terminal de Test Point U7 Header de 1 pin Pulsador de reinicio -

Electrolítico 10µf250V 16V Cerámico 100nf Bobina 680µH Diodo 1N4007 Zener 15V 1N4744A Zener 5.1V C5V6PH Transistor BJT 2N3904 Triac 2N6075 Opamp dual TL082CN Regulador 78LR05 PIC12F675-I/P Opamp LM741 Optocoplador 4N25 Optotriac MOC3041

Tabla 5.2. Componentes electrónicos de la PCB del Módulo Esclavo.

136

-

En las dos fotografías superiores de la Figura 5.33 se observan dos versiones del Módulo Esclavo. La de la derecha construida en baquelita representa la primera versión, la cual no posee el filtro LC elíptico. La segunda versión (fotografía superior izquierda) se diferencia de la primera en que si posee dicho filtro, además cuenta con tres trimpots los cuales permiten ajustar 3 parámetros diferentes en el circuito: frecuencia de corte del filtro de banda angosta, ganancia de la segunda etapa de amplificación y nivel DC de comparación para la eliminación del ruido. También se añadieron 9 Test Point para verificar el correcto funcionamiento de cada etapa del circuito. Estos elementos se podrán eliminar una vez que el prototipo se haya puesto a prueba durante un período considerable de tiempo y haya comprobado la fiabilidad del mismo.

Figura 5.33. Fotografías del prototipo del Módulo Esclavo terminado.

137

Figura 5.34. Diagrama esquemático completo del Módulo Esclavo.

138

Análisis de vialidad de los prototipos En este apartado se hace un estudio de los costos de fabricación de cada módulo diseñado. Cabe destacar que todos los elementos para su construcción se encuentran disponibles en el mercado nacional. El costo calculado es para un prototipo por módulo, sin embargo se debe tomar en cuenta que el costo final puede decrecer hasta un 30% si se realiza una producción en serie. En la Tabla 5.3 se listan los materiales y componentes del prototipo del Módulo Maestro con su respectivo coste. Componente Resistencia de 1/4W Resistencia de 10W * Varistor 250VRMS 40 Jouls Condensador poliéster 2.2µf 400V Condensador electrolítico 2200µf 16V Condensador electrolítico 1µf 16V Condensador electrolítico 10µf 16V Condensador cerámico 100nf 50V Condensador cerámico 15pf 50V Condensador poliéster 10nf 400V Diodo 1N4007 Diodo Zener 15V 1N4744A 1W

Cantidad 18 2 1 2 2 1 1 3 2 1 5 2

Costo unitario en Bs 0.18 3.50 4.00 6.50 3.00 1.00 1.50 1.00 1.00 2.00 0.50 1.50

Costo total en Bs 3.24 7.00 4.00 13.00 6.00 1.00 1.50 3.00 2.00 2.00 2.50 3.00

Diodo Zener LED Azul alto3.3V brillo1/4W 3 mm Transistor BJT NPN 2N3904 Regulador de 5V con reinicio 78LR05 Optocoplador 4N25 Microcontrolador PIC16F877A-I/P Amplificador Operacional LF356 Cristal de 20 MHz Terminal atornillable de 2 posiciones Header 40 x 1 pins Pulsador Teclado Matricial 4 x 4 LCD LCM2004A 20x4 Lámina PCB FR-4 doble cara Misceláneos (cables, tornillos, acrílico)

11 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -

1.00 2.20 2.00 10.00 5.00 75.00 7.00 5.00 5.00 5.00 3.00 55.00 135.00 40.00 100.00 TOTAL

1.00 2.20 4.00 10.00 5.00 75.00 7.00 5.00 5.00 5.00 3.00 55.00 135.00 40.00 100.00 500.44

*Opcional (sustituidas por cable conductor en el prototipo construido)

Tabla 5.3. Componentes del Módulo Maestro y su costo respectivo.

139

Vemos que el costo aproximado para fabricar el Módulo Maestro es relativamente reducido desde el punto de vista industrial, considerando los ingresos de la empresa y los recursos destinados a la compra de equipos. En la Figura 5.35 vemos una gráfica que nos muestra en que componentes recae la mayor parte del costo del prototipo. Costo del Módulo Maestro

21%

24%

LCD 20x4 9%

Teclado matricial 4x4 Microcontrolador

12%

27%

Componentes Pasivos Componentes Activos

7%

Misceláneos

Figura 5.35. Repartición del costo del Módulo Maestro en los componentes que lo forman.

Vemos que el conjunto formado por la LCD, el teclado y el microcontrolador determinan más del 40% del costo total. Un hecho considerable si tomamos en cuenta que son sólo 3 elementos del conjunto final. El costo elevado de estos componentes se basa en parte a que el vendedor de estos productos es un intermediario. Por lo tanto si se decide efectuar la fabricación en serie del prototipo y se realiza la adquisición de los componentes directamente desde su distribuidor, veremos un decremento drástico en el costo final de construcción. A continuación se realiza un análisis análogo para el Módulo Esclavo. En la Tabla 5.4 se listan los componentes necesarios para su construcción con su costo respectivo. Al igual que para el Módulo Maestro todos los componentes de la Tabla 140

5.4 se encuentran disponibles en el mercado Venezolano. Componente Resistencia de 1/4W Varistor 250VRMS 40 Jouls Trimpot vertical Condensador poliéster 2.2µf 400V Condensador electrolítico 1000µf 16V Condensador electrolítico 1µf 16V

Cantidad 24 1 3 2 2 1

Costo unitario en Bs 0.18 4.00 5.00 6.50 3.00 1.00

Costo total en Bs 4.32 4.00 15.00 13.00 6.00 1.00

Condensador electrolítico 10µf 16V Condensador cerámico 100nf 50V Condensador cerámico 100nf 250V Condensador poliéster 10nf 400V Condensador cerámico 150pf 50V Condensador cerámico 3.3nf 50V Condensador cerámico 1nf 50V Bobina 680µH Diodo 1N4007 Diodo Zener 15V 1N4744A 1W Diodo Zener 5.1V C5V6PH 1W Transistor BJT NPN 2N3904 Triac 2N6075 Amplificador Operacional TL082CN Regulador de 5V con reinicio 78LR05 Optocoplador 4N25

1 1 1 1 6 1 1 2 6 2 1 2 1 1 1 1

1.50 1.00 1.50 2.00 1.00 1.00 1.00 3.00 0.50 1.50 1.50 2.00 13.00 14.00 10.00 5.00

1.50 1.00 1.50 2.00 6.00 1.00 1.00 6.00 3.00 3.00 1.50 4.00 13.00 14.00 10.00 5.00

Microcontrolador PIC12F675-I/P Amplificador Operacional LM741 Optotriac MOC3041 Terminal atornillable de 3 posiciones Header 40 x 1 pins Pulsador Lámina PCB FR-4 doble cara Misceláneos (cables, pintura, estaño...)

1 1 1 2 1 1 1 -

16.00 4.00 9.00 5.00 5.00 3.00 22.00 50.00 TOTAL

16.00 4.00 9.00 10.00 5.00 3.00 22.00 50.00 235.82

Tabla 5.4. Componentes del Módulo Esclavo y su costo respectivo.

En comparación con el costo del Módulo Maestro, el Módulo Esclavo es mucho más económico. Esto es de esperarse ya que no cuenta con periféricos que sirvan de interfaz de usuario como lo son la LCD y el teclado matricial. Este hecho en adición

141

con el uso de un microcontrolador de bajo coste reduce en gran medida el valor de fabricación final del prototipo. En la Figura 5.36 podemos ver la repartición del costo total de acuerdo a los componentes que forman el Módulo Esclavo.

Costo del Módulo Esclavo

10%

Resistencias

14%

38%

3% 7%

Capacitores Inductores Microcontrolador Componentes Activos

28%

Misceláneos

Figura 5.36. Repartición del costo del Módulo Esclavo en los componentes que lo forman.

Finalmente para la implementación del sistema de telemando dentro de un área especifica, cubierta por 16 módulos esclavos (control de 16 equipos diferentes, radios, routers, PC etc…) y un módulo maestro se calcula una inversión aproximada

de entre 4.500 y 5.000 Bs.

142

CONCLUSIONES

Se diseñó e implementó un sistema de telemando que permitió encender y apagar de forma remota, dos equipos diferentes conectados a la red eléctrica de baja tensión, utilizando las líneas de fase y neutro como medio de comunicación. Se comprobó satisfactoriamente la operatividad del sistema sometiéndolo a prueba mediante la transmisión y recepción decomandos de 22 bits, dentro de un área de 180 m2. Se desarrollo e implemento un protocolo de comunicación propio, adoptando características del popular protocolo de automatización domestica X10. Se comprobó que la gestión de errores mediante redundancia en los datos es efectiva, sin embargo, no es eficiente. Se propone la evolución del sistema desarrollado a uno tipohalf-

duplex, que permita la implementación de métodos de gestión de errores más eficientes.

RECOMENDACIONES

Para la implementación de los filtros del tipo RC se recomienda el uso de resistencias no menores de 1KΩ y no mayores de 500 KΩ. Asimismo en cuanto a los condensadores, se sugiere que su valor de capacitancia esté entre los 5 pf y los 100 µf. Las pruebas realizadas durante el proceso de selección del filtro pasa banda indicaron que al seleccionar componentes cuyos valores nominales distaban mucho de los rangos mencionados, el filtro deja de comportarse de acuerdo a los cálculos realizados. Se recomienda el uso de bobinas de alta inductancia, (valores mayores a 500 µH) y las que no son encapsuladas (alambre conductor expuesto). La alta inductancia permite elevar la tensión de la señal de entrada más fácilmente para señales con la misma frecuencia de resonancia que el filtro LC. Este hecho fue comprobado de forma experimental. Con respecto a la fuente de alimentación sin transformador, el condensador de 2.2 µf actúa como atenuador para la señal de 120 KHz. Se recomienda mejorar la fuente, mediante la adición de una resistencia o inductor en serie con dicho capacitor, con el fin de aumentar la impedancia ante las altas frecuencias. Los módulos desarrollados deben estar conectados en fase para que la comunicación sea exitosa. Si uno de ellos se invierte, entonces los datos se invertirán igualmente. Se propone la solución de este problema, mediante elsoftware de detección de cabecera de los módulos receptores. De éste modo, no importará la polaridad de conexión. Además, se propone la implementación del módulo maestro, mediante una interfaz en PC. De éste modo se reduce el costo de fabricación del módulo en un 30%, ya que se suprime el teclado matricial y la pantalla LCD.

REFERENCIAS

Fuentes Bibliográficas Barrera, J. H. (2010). El proyecto de investigación Compresión holística de la metodología y la investigación. Caracas: Quirón Ediciones. Berterreix, G., & Bonet, M. (2006). Transmisión de Datos por la Red Eléctrica (PLC) en Banda Angosta. Universidad Nacional de Comahue, Departamento de Electrotecnia, Comahue. Boylestad, R. L. (2004). Introducción al análisis de circuitos. México: Pearson Educación. Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2003). Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos (8va. ed.). México: Pearson Educación. Breijo, E. G. (2009). Compilador C CCS y simulador Proteus para microcontroladores PIC (2da ed.). Barcelona, España: Mercombo. Coughlin, R. F., & Driscoll, F. F. (1999).Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales (5ta ed.). México: Prentice Hall. Cruz, J. A. (2007). Comparativa de Modulaciones Digitales. Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Madrid. Guzmán, A. (2010). Diseño de Sistema de Seguridad y Control Electrónico Utilizando Protocolo de Comunicaciones X10 y Tecnología GSM. Universidad Nacional Experimental Politécnica "Antonio José de Sucre", Departamento de Ingeniería Electrónica, Ciudad Guayana. Malvino, A., & Bates, D. J. (2007). Principios de Electrónica (7ma ed.). Madrid: McGraw-Hill. Mayol, A. (2007). Módulo de Comunicaciones para la Transmisión de Datos

Basados en la Tecnología de Comunicaciones Power Line. Universidad Nacional Experimental Politécnica "Antonio José de Sucre", Departamento de Ingeniería Electrónica, Ciudad Guayana. Rashid, M. H. (2000). Circuitos Microelectrónicos análisis y diseño. México: International Thomson Editores. Rattia, F. (2009). Desarrollo de un Sistema de Gestión de Activos para el Departamento de Alojamiento de la Gerencia de Servicios Logísticos, Distrito Morichal, PDVSA, Petróleo S.A. Universidad de Oriente - Núcleo de Monagas, Ingeniería de Sistemas, Maturín. Tomasi, W. (2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (4ta ed.). México: Pearson Educación. Petróleos de Venezuela S.A. (2007).Información Financiera y Operacional Al 31 de diciembre de 2007. Caracas. Salazar Flores, J. A. (2007). Diseño e Implementación de un Sistema de Automatización para el Hogar sobre el Protocolo X10 PRO y con Interfaz para PC. Escuela Politécnica Nacional, Escuela de Ingeniería, Quito. Shih Hung, W. J. (2005). Domótica aplicada en residencias con énfasis en interconectividad, diseño y análisis de sus ventajas y desventajas. Universidad de Costa Rica, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Ciudad Universitaria Rodrigo Facio. Villanueva, A. (2005). Diseño de un Controlador On/Off para Equipos Domésticos Utilizando el Protocolo X-10 Powerline Basado en el Microcontrolador PIC16F877. Universidad Nacional Experimental Politécnica "Antonio José de Sucre", Departamento de Ingeniería Electrónica, Ciudad Guayana. Williams, A. B., & Taylor, F. J. (2006). Electronic Filter Design Handbook. New York: McGraw-Hill.

Fuentes Electrónicas AC Tool Supply Inc. (2008).Fluke 199C/S 199 C/S 200 MHZ Portable Oscilloscope Scopemeter MultiMeter Meter Tester Test Equipment. Obtenido el 18 de marzo de 2012, disponible en: 146

http://www.aikencolon.com/Fluke-199CS-199-CS-200MHZ-PortableOscilloscope-Scopemeter-MultiMeter-Meter-Tester-TestEquipment_p_3069.html American Psychological Association. (s. f.).Electronic references. Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en:http://www.apastyle.org/elecsource.html Burroughs, J. (2010). X-10® Home Automation Using the PIC16F877A. Obtenido el 4 de octubre de 2011, disponible en: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00236B.pdf CNN Money, A Service of CNN, Fortune & Money. (2012).Global 500: Our annual ranking of the world's largest corporations. Obtenido el 26 de enero de 2012, disponible en: http://money.cnn.com/magazines/fortune/global500/2011/full_list/ Condit, R. (2004). Transformerless Power Supplies: Resistive and Capacitive. Obtenido el 13 de octubre de 2011, disponible en: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf D'Souza, S. (1996). Transformerless Power Supply. Obtenido el 1 de noviembre 1 de 2011, disponible en: http://www.jimfranklin.info/microchipdatasheets/91008b.pdf Electronics-Base.com. (2012). PIC/DSPIC USB Programmer PicKit2 SMD with PIC18F2550 - DIY Programator. Obtenido el 18 de marzo de 2012, disponible en: http://www.electronics-base.com/eSite/index.php/projects/programmers/32picdspic-usb-programmer-pickit2-smd-with-pic18f2550-diy-programator EuroX10, European Distributor of Home Automation X10 devices. (s. f.).How to increase the range and reliability of the X-10 signals? . Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en: http://www.eurox10.com/Content/X10IncreaseReliability.htm EuroX10, European Distributor of Home Automation X10 devices. (s. f.). Transmission theory of X-10 signals . Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en: http://www.eurox10.com/Content/X10SignalTheory.htm

147

EuroX10, European Distributor of Home Automation X10 devices. (s. f.).What is X10?. Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en: http://www.eurox10.com/Content/X10Information.htm García, V. (2009). Transmisión de datos por la red eléctrica. Obtenido el 26 de septiembre de 2011, disponible en: http://www.victorgarcia.org/files/PLC-v2.0RC.pdf

style electronic formats. Obtenido el 12 de Guffey,enero M. E.de(2001, de octubre). 2012, 5disponible en:APA http://www.westwords.com/guffey/apa.html MetricTest. (2010). Agilent 33120A Function/Arb. Waveform Generator . Obtenido el 18 de marzo de 2012, disponible en: http://www.metrictest.com/product_info.jsp?mfgmdl=HP%2033120A(D) Petróleos de Venezuela S.A. (2005). Acercade PDVSA. Obtenido el 6 de noviembre de 2011, disponible en: http://www.pdv.com/index.php?tpl=interface.sp/design/readmenuprinc.tpl.htm l&newsid_temas=11 Tamayo, C. & Silva, I. (s. f.). Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos. Obtenido el 3 de diciembre de 2012, disponible en: http://es.scribd.com/doc/76991577/tecnicas-Instrumentos TekNet Electronics, Inc. (2005).Tektronix 2252. Obtenido el 18 de marzo de 2012, disponible en: http://www.teknetelectronics.com/Search.asp?p_ID=14645&pDo=DETAIL Treballo. (s. f.). Serigrafía Textil. Obtenido el 4 de febrero de 2012, disponible en: http://www.treballo.com/grafico_serigrafia.asp Uni-Trend Group Limited (s. f.). Intelligent Digital Multimeters. Obtenido el 18 de marzo de 2012, disponible en: http://www.uni-trend.com/UT71C.html# ValueTronics, Inc. (s. f.). Tektronix TDS5034B. Obtenido el 18 de marzo de 2012, disponible en: https://www.valuetronics.com/detail/index.cfm?nPID=926#.T2ZrCMWGqFI

148

Wikipedia, La enciclopedia libre. (2012, 4 de enero).Atenuación. Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Atenuaci%C3%B3n&oldid=527114 84 Wikipedia, La enciclopedia libre. (2012, 11 de enero).Leyes de Kirchhoff. Obtenido el 11 de enero de 2012, disponible en: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Leyes_de_Kirchhoff&oldid=529034 04 Wikipedia, La enciclopedia libre. (2012, 3 de febrero).Serigrafía. Obtenido el 4 de febrero de 2012, disponible en: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Serigraf%C3%ADa&oldid=535239 01 Wikipedia, La enciclopedia libre. (2011, 5 de diciembre).Slew rate. Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Slew_rate&oldid=51973413 Wikipedia, La enciclopedia libre. (2011, 25 de noviembre).Varistor. Obtenido el 12 de enero de 2012, disponible en: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Varistor&oldid=51674029 X10, Home Gadgets Since 1978. (2008, 3 de diciembre).Standard and Extended X10

Code Protocol. Obtenido el 26 de enero de 2012, disponible en: http://software.x10.com/pub/manuals/xtdcode.pdf

149

ANEXO A Bitácora de las actividades realizadas durante el período de la Práctica Profesional de Grado Semana del: 20/09/11 Charlas de Inducción y presentación de la Gerencia y área de trabajo Se asistió a las charlas de inducción y Seguridad Industrial dictadas por las Gerencias de Ambiente, “Prevención y Control de Pérdidas” (PCP) y el Cuerpo de

Bomberos de PDVSA – Dtto. Morichal. Igualmente se procedió a conocer la Gerencia asignada; “Automatización Informática y Telecomunicaciones” (AIT) y el

lugar de trabajo establecido.

Discusión del Tema Asignado con el Tutor Industrial Se asistió a una reunión con el Tutor Industrial para la discusión preliminar del tema asignado a ejecutar durante la Práctica Profesional de Grado.

Semana del: 26/09/11 Visita Técnica a las Plantas Compresoras de Gas Jobo 2 y 3 Se realizó una visita técnica a las plantas compresoras de gas Jobo 2 y Jobo 3. En la inducción se expuso el funcionamiento general de la planta compresora, así como también los elementos encargados del control y funcionamiento autónomo de la planta.

Figura A.1. Esquema del Sistema de la Planta Compresora de Gas Jobo 3 e Inducción de Seguridad.

150

Semana del: 03/10/11 Segunda reunión con el Tutor Industrial Se discutió con el Tutor Industrial el título de la investigación. De igual manera, se definieron los objetivos específicos a lograr y la delimitación del trabajo. Además se discutieron los aspectos técnicos del sistema, así como también las limitaciones comerciales y presupuestarias a tomar en cuenta durante la fase de diseño. Investigación Preliminar del Tema en recursos bibliográficos y digitales Se ejecutó la búsqueda de información referente aPower Line Communications, con el fin de afinar detalles técnicos generales como el protocolo a implementar, circuitos de acoplamiento entre impedancias, métodos de modulación, entre otros.

Semana del: 10/10/11 Investigación Preliminar del Tema en la institución Universitaria Se desarrolló un proceso de investigación dentro de la institución académica; la UNEXPO. Esto permitió establecer un background basado en trabajos de investigación anteriores, agilizando así la futura ejecución de la etapa de diseño y validación.

Semana del: 17/10/11 Recolección de las coordenadas geográficas de las sub-estaciones existentes en el área de PDVSA-Dtto. Morichal Se hizo un recorrido en vehículo, junto con el tutor industrial, de toda el área que enmarca PDVSA – Dtto. Morichal. En dicho recorrido, se localizaron las diferentes subestaciones eléctricas

obteniendo sus coordenadas geográficas mediante un

receptor GPS. Esto con el fin de hacer un estudio de factibilidad para el desarrollo de enlaces de comunicación vía microonda.

151

Figura A.2. Izquierda: Receptor GPS Magellan Triton 300 utilizado en el registro de la posición de las S/E. Derecha: Subestación eléctrica.

Diseño y simulación de los diferentes bloques de circuitos que conforman el sistema de telemando Se inició el proceso de diseño y validación del sistema mediante CAD para los diferentes bloques circuitales que conformarán la electrónica analógica del sistema de telemando. Específicamente la fuente de alimentación sin transformador, el acople con la red, la generación de la señal de 120 KHz… y se hizo particular hincapié

filtro pasa banda de 120 KHz.

Figura A.3. Simulación comparativa mediante PSpice de la respuesta en frecuencia de los diferentes filtros diseñados.

Semana del: 24/10/11 152

en el

Montaje en Protoboard de filtros de recepción Se ensamblo en protoboard filtros de segundo orden Butterworth de 20 y 40 dB/década en cascada para obtener un filtro de 60 dB/décadas. Dos etapas, una paso alto y otra paso bajo para obtener la respuesta de un filtro pasa banda entonado a 120 KHz. Los resultados obtenidos no fueron satisfactorios. La Señal cuadrada de prueba de 120 KHz resultaba atenuada al orden de los milivoltios. En consecuencia se diseñó un filtro de banda angosta. Se realizó el montaje en protoboard para hacer las pruebas de respuesta en frecuencia. Las pruebas fueron realizadas con los Circuitos Integrados: LM334, LM339 y LM741. Siendo este último que mejor rendimiento otorgo, aunque no óptimo. Para los valores de R y C obtenidos se observó que el filtró estaba entonado a una frecuencia que difería por 100 KHz la frecuencia de corte calculada srcinalmente. Se planteó rediseño y pruebas con un Amplificador Operacional de menor tiempo de respuesta. Queda pendiente ejecutar las pruebas.

Diseño de la Electrónica micro controlada para el módulo principal o Master Se diseñó la electrónica que se encargará de procesar y ejecutar las señales de control. Está basada en el microcontrolador PIC16F877. Cuenta con una LCD de 20x4 caracteres, un teclado matricial de 4x4, puertos analógicos, puertos de expansión, etc.

Figura A.4. Diseño del Módulo Maestro en ISIS Proteus.

153

Semana del: 31/10/11 Configuración de Equipo GE Multilin SR 760 y recableado de Conexión de Estrella a Guirnalda Se visitó la estación de bombeo “ ERO”, donde existía una falla en la

comunicación entre dos dispositivosMultilin SR760. Se configuraron los dispositivos (Protocolo de Comunicación RS-485, 9600 Baudios, sin paridad, COM 2) y se probó comunicación. Uno de los dispositivos no respondía. Se determinó que la conexión entre ellos era en estrella, la cual srcina colisión de datos. Se estableció un nuevo cableado siguiendo una conexión tipo guirnalda o de Bus.

Figura A.5. Estación de bombeo ERO.

Revisión de falla en estación de bombeo de diluente Se comprobó el correcto funcionamiento del PLC y el estado de sus salidas. Se determinó que la falla no tenía causa electrónica. El fallo del bombeo del diluente se debía a la baja presión del mismo. No existía flujo de diluente hacia la bomba.

Figura A.6. Izquierda: Estación de bombeo de diluente. Derecha: PLC (Allen- Bradley) encargado del

154

control de la bomba.

Semana del: 07/11/11 Estudio de variables para automatización de bombas en “Planta de Agua”

En “Planta de Agua” actualmente está operativa una bomba. Recientemente

fueron añadidas al sistema dos más para dividir la carga y reducir la fatiga de los equipos. Es necesario modificar el sistema de control para la inclusión de las dos nuevas bombas. Se hizo una visita técnica al área donde junto al tutor se recolectaron las variables que se incluirían en la modificación del sistema de control de la planta. Se revisó el cableado tendido por los operarios. La señal que suministraran los nuevos conductores le harán saber al PLC cuando las bombas deben funcionar en Automático.

Figura A.7. Izquierda: Los tres motores conectados al sistema de bombeo de la Planta de Agua. Derecha: Gabinete que aloja al PLC (Allen- Bradley) junto con las señales de campo.

Prueba en caliente del circuito del Módulo Master Se conectó en protoboard las diferentes etapas que formarán el circuito del Módulo Master; la fuente de alimentación sin transformador, el filtro de acople, y la electrónica de control. Las pruebas indicaron que para el Opamp que genera la señal de 120 KHz, y el amplificador del receptor eran necesarios mayores Slew Rates, pues las señales de salida se veían distorsionadas debido a que el tiempo de respuesta de los opanes utilizados era muy lento. Se cambiaron los LM741 (de 0.3 a 0.7 V/µs) por 155

LF356 (12 V/µs). En la Figura A.8. Derecha, se ve el tiempo de respuesta del LM741: un cambio de 3 V en 35.20 µs, lo cual equivaldría a un Slew Rate de

     .

Figura A.8. Izquierda: Módulo Maestro conectado en protoboard. Derecha: Tiempo de respuesta de un amplificador operacional LM741.

Semana del: 14/11/11 Diseño de la Lógica del Control Automático de las Bombas 1 y 2 en Planta de Agua Se trabajó en el laboratorio de Bitor (ver Figura A.9) donde se hicieron pruebas básicas de funcionamiento con el PLC Allen-BradleyLogix5561™ y se realizó una introducción al entorno de programación RSLogix5. Luego de haberse familiarizado con el software se programó la lógica para el control de las bombas 1 y 2.

Figura A.9. Izquierda: Laboratorio y módulo de pruebas ubicado en el Edif. Bitor. Derecha: HMI de la sala de control de Planta de Agua.

156

Atención de Falla en Sala de Control de Proyecto MIS (Mejoramiento In-Situ) en el Area-100 de inyección de Solvente Se visitó la sala de control del Area-100 de Proyecto MIS, encargada de inyectar diluente (propano líquido) a los yacimientos circundantes. En el campo existe un medidor de flujo que transmite la cantidad de solvente inyectado en Kg/Día. Este transmisor está configurado para llevar los datos crudos de la variable medida a valores de ingeniería (Kg/Día) comprendidos dentro de un rango establecido. El problema que existía consistió en que el valor máximo fijado en el transmisor era inferior al flujo de solvente real que pasaba a través del sensor. Como consecuencia, siempre se transmitía un valor “topeado”.

Figura A.10. Izquierda: HMI en Intouch del Area-100 de proyecto MIS. Derecha: Field Communicator HART 375 conectado a un tri-loop para la comunicación con los transmisores.

La solución a este problema fue reconfigurar el rango de medición del transmisor a uno más amplio. Para ello se empleó un Field Communicator HART 375 (ver Figura A.10) de la empresa norteamericanaEmerson. Dicho instrumento utiliza el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) para la comunicación con los transmisores.

Construcción de mueble para insolación serigráfica Se diseñó y construyó un mueble para realizar la insolación necesaria en el proceso de fabricación de circuitos impresos por serigrafía. En el Anexo D puede leer 157

un manual detallado acerca del proceso de fabricación y los correspondientes planos para su fabricación.

Prueba detector cruce por cero Se probó el circuito detector de cruce por cero de la Figura A.11 izquierda. Durante la prueba se apreció que el opamp se calentaba. Se concluyó que picos de voltaje rompieron la unión NP de las entradas del opamp, cortocircuitándolas. Se sustituyó el circuito basado en opamp por un nuevo diseño basado en opto acoplador (Figura A.11 derecha). Losresultados con el nuevo circuito fueron satisfactorios.

Figura A.11. Izquierda: Circuito detector de cruce por cero basado en opamp. Derecha: Circuito sustituto basado en opto-acoplador.

Semana del: 21/11/11 Ajuste del filtro LC pasivo del módulo receptor entonado a 120 KHz Se ajustó el filtro LC pasivo del módulo receptor para que estuviera entonado a 120 KHz. Mediante adición y remplazo de condensadores por prueba y error, se sustituyeron los condensadores de la Figura A.12 izquierda por los del circuito de la derecha. Se observó que al disminuir la capacitancia, la frecuencia de corte aumentaba y viceversa. Al final se hizo un barrido en frecuencia usando un generador de señal, para comprobar la respuesta en frecuencia del filtro. Se obtuvo un desempeño muy satisfactorio.

158

Figura A.12. Izquierda: Filtro srcinal obtenido mediante Filter Solutions. Derecha: Circuito implementado.

Implementación de la lógica diseñada para la automatización de la bomba 1 y 2 Se programó el PLC con la lógica diseñada previamente. Se hicieron mejoras en el HMI del operador (cambio de color de bombas cuando están activas, optimización de etiquetas e indicadores). Al final, la segunda bomba por ser reconstruida, presentó una falla mecánica y no alcanzó el nivel de presión necesario.

Pruebas de comparador con histéresis en circuito receptor Esta etapa se encargaría de eliminar el ruido de los pulsos de alta frecuencia. Pruebas preliminares no fueron satisfactorias. Se requiere una atención más detallada. Sigue siendo una buena opción para usarlo en el circuito receptor y eliminar los falsos pulsos que pueda causar el ruido.

Prueba de Transmisión de la señal a través de la red doméstica 120 V Se realizó una prueba de transmisión a través de la red doméstica de 120 V en una de las casas del campo Morichal. Se inyectó la señal de 120 KHz durante todo el período de la señal de 60 Hz. Sin embargo en el circuito receptor sólo se obtenía la señal de 120 KHz a aprox. 4.5 ms después de los cruces por cero y los pulsos tenían una duración de entre 0.7 ms a 1.5 ms.

159

Asistencia técnica en Planta de Agua Problema: El sistema SCADA implementado en Intouch, encargado de mostrar a los operadores las variables de campo perdió comunicación con el PLC. Dirección IP del PLC: 167.175.226.59. Durante la revisión del problema fue necesario reiniciar el computador donde corría el SCADA tres veces. Se determinó que hubo un intento de acceso remoto para monitorear el sistema. Hubo un ingreso como No Administrador. Cuando esto ocurre el programa interfaz entre el SCADA y el PLC DAServer ( ) deja de funcionar adecuadamente porque no cuenta con ciertos permisos deWindows.

Semana del: 28/11/11 Pruebas para el envío de la señal sólo en los cruces por cero Al principio se usa la interrupción RB0 para sincronizar los pulsos de 120 KHz con los cruces por cero. Hasta ahora no han sido satisfactorios. La interrupción no se activa con la señal y pareciera estar configurada como salida debido a que exhibe el mismo comportamiento con la señal cuadrada de 60 Hz que sin ella, es decir, el pin al aire. Se tratará de resolver este problema, en otro caso se intentará usar la interrupción por Timer 0 como contador de los flancos de subida y bajada de la señal de sincronismo. Se pudo sincronizar el cruce por cero mediante la interrupción externa RB0. Sin embargo no se observaba la señal en el receptor. Para estudiar el problema se decidió propagar la señal de 120 KHz durante todo el período de la señal de la red (16 ms). En el receptor se apreció lo siguiente en el osciloscopio. Se vio simultáneamente la señal de 60 Hz y los pulsos de 120 KHz. A pesar de que estos se inyectaban todo el tiempo, sólo se podían ver después de 4.5 ms de haber ocurrido el cruce por cero. Y duraba de 0.7 ms a 1.2 ms. Se decidió enviar la señal de 120 KHz sólo en esa ventana. Es decir 4.5 ms

160

después del cruce por cero y con una duración de 1.5 ms. Se obtuvieron resultados satisfactorios. En la programación y con fines de fiabilidad el pulso de 120 K se envía 4 ms después del cruce por cero y durante 1.5 ms. En la salida digital del circuito receptor (LED) el pulso obtenido dura aproximadamente entre 0.6 y 0.8 ms. (Típicamente 0.7 ms). Se escribieron las funciones que permiten el envío de las tramas de datos. Se comprobó su correcto funcionamiento.

Modificaciones al Circuito de Recepción Se hicieron algunos cambios en el circuito receptor para mejorar su desempeño. Se eliminó el diodo a la salida del filtro LC, este diodo atenuaba los pulsos de 120 K a tal nivel que hacia que el amplificador LF256 actuara como comparador. Este efecto causaba que sólo se vieran pulsos en el semiciclo negativo, debido a que el amplificador eliminaba los pulsos del semiciclo positivo. La eliminación del diodo permitió al LF356 actuar de nuevo como amplificador. Se había colocado en un principio para tratar de reducir el ruido eléctrico menor a 0.7 V y así amplificar solamente los pulsos de 120 K. Se cambió de lugar el comparador LM741. En vez de dejarlo a la salida del comparador LF356, se conecto a la salida del opto acoplador. Me di cuenta que el opto acoplador es lento en apagarse por lo que linealiza los pulsos de 120 K pero no perfectamente. Por eso se coloca el comparador LM741 después. Se añadió una rama Zener-resistencia de 5.1 V para alimentar el PIC. Esta rama proviene de los 15 V. El consumo total se mantiene por debajo del ofrecido por la fuente.

Prueba de las Funciones encargadas del envío de Bits Se escribieron funciones para el envío de bit, envío de nibble, y entramado de datos, y envío de cabecera. Se comprobó su correcto funcionamiento por medio del osciloscopio. Una trama de datos se puede ver en la Figura A.13.

161

Figura A.13. Ejemplo de generación de una trama de datos. La señal azul representa los cruces por cero. La señal amarilla los pulsos de alta frecuencia.

Semana del: 05/12/11 Redacción del Capítulo III del informe: Aspectos Procedimentales Se dedico el tiempo de trabajo a la redacción del Capítulo III del informe de la Práctica Profesional de Grado. En dicho capítulo se sintetizan las actividades realizadas y la metodología seguida para el cumplimiento de los objetivos planteados.

Asistencia técnica en Area-300 de Proyecto MIS Se cambiaron las unidades del HMI SCADA Intouch de la sala de control del Area-300 de Proyecto MIS. Se configuraron los canales delTri-Loop™ para el envío de las siguientes variables: Flujo másico en Kg/h (canal 1), Temperatura en °F (canal 2) y Flujo Volumétrico en Pie3/Día (canal 3). La interfaz del Area-300 y parte de la planta se pueden observar en la Figura A.14. Se hizo un recorrido para verificar el correcto funcionamiento de las válvulas en el Area-300 (Figura A.14 Izquierda). Se detectó que una de las válvulas carecía de presión de aire. El compresor se encontraba en estado de “standby” debido a falla

energética. Se reinició el compresor y el servicio secundario de aire comprimido volvió a estar operativo. 162

Dado que la válvula falla en abierto, había flujo de crudo y dicha medición la registraba el PLC. Adicionalmente se detectó que el transductor de corriente a presión (I/P Transducer mostrado en la Figura A.15 Derecha) de dicha válvula fluctuaba mucho, y no mantenía la presión especificada por el PLC.

Figura A.14. Izquierda: HMI en Intouch del Area-300. Derecha: Separadores 1,2 y 3.

Figura A.15. Izquierda: Válvulas de aire en el Area-300 de Proyecto MIS. Derecha: Transductor de corriente a presión STD6000 de la empresa Thermo Scientific.

Semana del: 12/12/11 Prueba del circuito de acople con la red Se efectuó una prueba para mejorar el acople del circuito transmisor a la red. Se probaron diferentes valores de capacitancia para estudiar el comportamiento del filtro paso alta. El valor mostrado en C12 de la Figura A.16 fue el que mejor rendimiento

163

demostró considerando la cantidad de potencia inyectada a la red versus la tensión de señal de 60 Hz que entraba hacia el circuito (medida en el pin 6 del U4).

Figura A.16. Encerrado en un circulo rojo se muestra el circuito de acople con la red eléctrica.

Programación y prueba de la función para la detección de cabecera Se desarrolló la lógica para la detección de la cabecera en el circuito receptor. Dicha función está basada en funciones escritas previamente para la recepción de bits, y bytes. Una vez depurada la función se comprobó su correcto funcionamiento enviando y recibiendo la cabecera: 1110 a través de la red eléctrica.

Prueba de propagación de la red en área en construcción Se visitó un área en construcción virgen desde el punto de vista eléctrico, es decir, sólo con el tendido de las líneas de baja tensión mas sin ningún dispositivo conectado a la red, ni siquiera luminarias. Bajo estas condiciones controladas se hicieron pruebas de propagación de la señal de 120 KHz y envío y recepción de tramas obteniendo resultados altamente satisfactorios. Los equipos usados en la prueba se pueden ver en la Figura A.17. Entre ellos se encuentran: un computador portátil, osciloscopio digital, transformador aislador, regulador de tensión, circuito del Módulo Receptor.

164

Figura A.17. Prueba de propagación realizada dentro de un área en construcción.

Semana del: 19/12/11 Redacción del Capítulo IV del informe de Práctica Profesional de Grado Durante este período de trabajo se redactó el Capítulo IV del presente informe. En dicho capítulo se exponen los resultados obtenidos después del proceso de diseño y las pruebas realizadas para someter a estudio el desempeño de los módulos.

Redacción de los Anexos y Páginas Preliminares del informe de Práctica Profesional de Grado Se recopilaron fotos, diagramas y los datos más resaltantes del trabajo realizado para incluirlos en la redacción de los Anexos. También se dedico tiempo a las páginas preliminares del presente informe.

Semana del: 26/12/11 Período de vacaciones decembrinas.

Semana del: 02/01/12 Diseño de las PCB de los módulos Maestro y Esclavos para su posterior fabricación 165

Se diseñaron las tarjetas que representarían los módulos Maestro y Esclavos en el sistema de telemando. El diseño incluye la cara de las pistas, la mascara de soldadura y la “silkscreen”. Se empleo el software Altium Designer para

esta tarea.

Figura A.18. Izquierda: Diseño de la PCB del Módulo Maestro. Derecha: Diseño de la PCB del Módulo Esclavo (v1.1).

Pruebas previas para el desarrollo de la técnica de fabricación de PCB por serigrafía En este período se desarrolló la experiencia necesaria para fabricar las tarjetas de circuito impreso mediante serigrafía. Entre las actividades que se ejecutaron están: Prueba de sensibilizado de emulsión, transferencia de diseños a la malla serigráfica, ajuste de la densidad de la pintura epóxica, pruebas de barrido, entre otras.

Figura A.19. Prueba fallida de emulsionado e insolación de malla.

166

Cabe señalar que en esta misma sección se ha escrito un tutorial para la fabricación de PCB mediante la técnica de serigrafía. Este lo puede ver en elAnexo C, donde se ha expuesto el procedimiento exacto seguido y recaudado todos los detalles resaltantes de esta técnica.

Semana del: 09/01/12 Fabricación de tarjetas de circuito impreso (PCB) de los módulos Maestro y Esclavo Se fabricaron las tarjetas de circuito impreso correspondientes a los módulos Maestro y Esclavo del sistema de telemando desarrollado. Dicho proceso comprende la trasferencia del arte a la placa de cobre, el devastado químico del cobre, la aplicación de las capas “silkscreen” y “soldermask”, el perforado de los agujeros y la

fijación de los componentes mediante soldadura. En la Figura A.20 se muestran algunas fotografías de los módulos Maestro y Esclavo como resultado final del proceso de fabricación.

Figura A.20. Izquierda: Módulo Maestro o transmisor. Centro: Módulo Esclavo v1.0. Derecha: Módulo Esclavo v1.1. (Con ajuste de frecuencia resonante, ganancia de amplificación y nivel de ruido)

Semana del: 16/01/12 Reunión final con el tutor industrial y charla de realimentación 167

Se asistió a una reunión final con el tutor industrial para discutir los resultados obtenidos durante la ejecución de la investigación y realizar un proceso de retroalimentación de la experiencia adquirida. Se discutió el programa desarrollado para la transmisión y recepción de comandos, los paquetes de software utilizados para el diseño y simulación de filtros y desarrollo de las PCB, entre otras cosas.

Período de Extensión de 30 días: 19/01/12 al 19/02/12 Culminación de la redacción del informe de la Práctica Profesional de Grado En este período se culminó la redacción del informe para su entrega en la casa de estudio, para luego someterlo ante las correcciones del tutor académico y del jurado asignado por el Comité de Práctica Profesional de Grado.

Proceso administrativo dentro de la empresa para finalización de Pasantía Se realizó el proceso administrativo dentro de la empresa, requerido para la culminación oficial de la pasantía.

168

ANEXO B Creación de la página final de impresión usando Altium Designer y Adobe

Photoshop para la fabricación de PCB con serigrafía En este apartado se explicará el proceso seguido para obtener los artes de impresión final para su fabricación mediante serigrafía. También puede ser usado para la conocida técnica de transferencia de tóner mediante calentamiento.

Figura B.1. PCB terminado listo para exportar los layouts.

Figura B.2. Ruta de menú para creación de un nuevo “Output Job File”.

169

En primer lugar, una vez que se tenga el diseño de la PCB culminado como el que se muestra en la Figura B.1, es necesario crear un nuevo archivo llamado “Output Job File”. Para ello se hace click en “File > New > Output Job File”, tal y como se

muestra en la Figura B.2. Este se abrirá y deberá guardarlo antes de continuar. Para configurar las capas a imprimirbusque la sección “Fabrication Outputs” y haga doble click en cualquiera de los archivos que en cuya descripción se indique es es un “Final Artwork Prints”, como se muestra en la Figura B.3.

Figura B.3. Sección de “Fabrication Outputs” dentro del “Output Job File”.

Una vez hecho doble click, se abrirá la siguiente ventana, (Figura B.4).

Figura B.4. Ventana de configuración de las capas a imprimir en el Output Job File.

170

En esta ventana podrá añadir y eliminar las capas que desea imprimir del diseño. Configure su impresión con las capas que se muestran en la Figura B.4. Nótese que la casilla de “Mirror” de las capas “Botton

Solder” y “Botton Layer” está activada.

Luego de hacer esto, haga click en el botón “ Define” de la sección “ Are

ato Print”,

para definir la sección de la PCB a imprimir. Con el cursor defina el tamaño exacto de su tarjeta. Este paso es importante para luego mantener las proporciones cuando se exporte a Photoshop. Finalmente haga click en OK para confirmar.

Figura B.5. Menú contextual para la configuración de impresión de página.

Dado que la impresión de los artes se tiene que hacer en blanco y negro, es necesario configurar la página para que se imprima de dicho modo. Para ello se hace click derecho sobre el Final Artwork Prints a configurar y luego en Page Setup… (Figura B.5). Al hacer esto se abrirá la ventana que se muestra en la Figura B.6. Configure su página con las mismas opciones que se muestran. Puede ver una vista preliminar de la impresión haciendo click enPreview. Si esta satisfecho con los resultados, confirme haciendo click en Close. Ya con esto habrá culminado con la configuración de las páginas a imprimir. A continuación se mostrará como exportar los artes en imágenes vectoriales contenidas

171

en un archivo PDF.

Figura B.6. Ventana de propiedades finales de impresión.

En la parte lateral derecha de la ventana deOutputs Job File (Figura B.7.), haga click en Add New Output Medium y luego en Publish To PDF.

Figura B.7. Botón para añadir nuevo medio de impresión.

Se añadirá la opción de publicar en PDF en la columna deOutput Media. Luego haga click en el círculo de la derecha delFinal Artwork Prints que desea imprimir. Se mostrará una flecha verde como se indica en la Figura B.8. 172

Finalmente haga click en el botón de la Figura B.9 para generar el archivo PDF con los artes seleccionados.

Figura B.8. Opción “Publicar en PDF” de la columna Output Media.

Figura B.9. Botón Publicar en PDF.

Una vez hecho esto, se abrirá el archivo PDF. Guárdelo y ejecuteAdobe

Photoshop. Photoshop entre sus muchas opciones, le brinda la posibilidad de importar imágenes desde un archivo PDF. A continuación se mostrará como acondicionar y acomodar todos los artes dentro de una única página, hecho que no sólo facilitará la impresión de los layouts, sino que también se reduce el riesgo de corrimientos de tinta, manchones de rodillo u otra imperfección ya que la lámina de acetato sólo deberá pasar una vez a través de la impresora. 173

En Photoshop haga click en File > Open, para abrir el PDF creado anteriormente. Una vez seleccionado, le aparecerá la ventana de la Figura B.10.

Figura B.10. Importación de imágenes desde archivo PDF.

Sólo podrá importar una página a la vez, por lo que seleccione la pagina a importar y a continuación escriba las dimensiones exactas de su tarjeta. De ser necesario cambie las unidades a pulgadas. Debedeseleccionar la opción Constrain

Proportions si esta está activada. Finalmente escriba la resolución de la imagen. En lo personal recomiendo 1000 pixeles por pulgada con lo cual se obtiene un alto grado de detalle, pero con 600 pixeles/pul es más que suficiente. Haga click en OK para confirmar. La imagen se mostrará en el área de trabajo. Guarde el archivo como documento de Photoshop (.psd) y repita el procedimiento con el resto de las capas. Para el método de fabricación de PCB por serigrafía es necesario invertir el color de las capas Máscara de Soldadura. Si se fija en la Figura B.10, los pads están en color negro y el resto en blanco. Como la pintura pasará por donde este negro, en este caso estaremos pintando los pads en lugar de dejarlos descubiertos, por lo tanto será necesario invertir el color de estas capas para que el resultado sea satisfactorio. 174

A continuación se explica como invertir los colores de las capas Máscara de Soldadura. Una vez abierto la Mascara de Soldadura que queremos invertir, debemos añadir una nueva capa al documento dePhotoshop. Para ello hacemos click en el botónAdd

New Layer, ubicado en la esquina inferior derecha de la pantalla. (Figura B.11).

Figura B.11. Botón añadir nueva capa.

1 ). Antes de La nueva capa Layer 2 se ubicará por encima de nuestro arte Layer ( continuar, debemos mover Layer 2 al fondo haciendo click en ella y arrastrándola como se observa en la Figura B.12.

Figura B.12. Traslado de la capa 2 al fondo.

Con la capa 2 seleccionada, hacemos click en la herramienta de rectángulo (Figura B.13) y dibujamos un rectángulo de color negro en toda la capa. El rectángulo debe cubrir todo el arte.

Figura B.13. Herramienta de rectángulo.

A continuación hacemos click en la capa 1 de la Figura B.12 y presionamos las 175

teclas ctrl + i. Al hacer esto, se invierten los colores de la capa 1 convirtiendo a los pads en color blanco como se muestra en la Figura B.14.

Figura B.14. Resultado obtenido luego de invertir los colores de la capa 1.

Para finalizar debemos fusionar las capas 1 y 2. Para hacer esto seleccionamos ambas capas y hacemos click derecho sobre ellas. En el menú contextual emergente hacemos click en “Merge Layers ” como se muestra en la Figura B.15.

Figura B.15. Menú contextual para fusionar las capas 1 y 2.

Deberemos seguir el mismo procedimiento para invertir los colores de la Máscara de Soldadura restante o cualquier otra capa que requiera ser invertida.

176

Una vez que tengamos todas los artes guardados como archivos dePhotoshop (.psd), podemos proceder a crear la página de impresión final. Para ello hacemos click en File > New. Se abrirá la ventana de la Figura B.16.

Figura B.16. Ventana de creación de la nueva página de impresión final.

En esta ventana fijamos las configuraciones que se ven en la figura superior. Es importante que tenga la misma resolución que los documentos de los artes creados anteriormente. Por eso escribimos 1000 pixels/inch en resolución y definimos el tamaño en pulgadas de una hoja carta (8,5 x 11 pulgadas). Para confirmar hacemos click en OK. Luego abrimos los artes guardados y los seleccionamos utilizando la herramienta de selección rectangular de la Figura B.17.

Figura B.17. Herramienta de selección rectangular.

177

Una vez seleccionado el arte, lo copiamos y pegamos en la página en blanco creada anteriormente. Luego de repetir el procedimiento con todos los artes obtendremos un resultado como el observado en la Figura B.18. Se recomienda verificar que todas las capas coincidan entre si al superponerlas.

Figura B.18. Página de impresión final.

Al tener la página de la figura superior ya es posible exportarla como PDF, imagen o imprimirla directamente desde Photoshop . En particular prefiero la impresión directa desde Photoshop, aunque pueda tardar un poco debido al tamaño del archivo.

Versiones de software utilizadas en este tutorial 

Altium Designer Summer 09 – Build 9.4.0.20159.



Adobe® Photoshop® CS5 Extended – Version 12.0.4 x32. Palabras Clave Altium, Protel, Photoshop, PCB, impresión, serigrafía, invertir colores, máscara

de soldadura, silk screen, PDF, capa, fabricación. 178

ANEXO C Fabricación de Tarjetas de Circuitos Impresos mediante serigrafía La serigrafía es unatécnica de impresiónempleada en el método de reproducción de documentos e imágenes sobre cualquier material, y consiste en transferir una tinta a través de unamalla tensada en un marco, el paso de la tinta se bloquea en las áreas donde no habrá imagen mediante una emulsión o barniz, quedando libre la zona donde pasará la tinta. (Wikipedia, 2012).

Figura C.1. Esquema general a seguir en el método de impresión serigráfica. Fuente: Treballo (s. f.)

Materiales y herramientas necesarios Como herramientas principales se debe tener: 

Malla con bastidor de al menos 100 hilos por centímetro cuadrado. En nuestro caso se usó una seda de 120 hilos con la cual se consigue una resolución de entre 5 y 8 milésimas de pulgada. Mientras más hilos mayor resolución.



Mueble insolador. En el Anexo D del presente trabajo se expone el diseño y

179

construcción de este mueble. 

Láminas de acrílico, vidrio o material semejante. Se utilizarán para fijar los acetatos con los artes y apoyar la maya sobre ellos.

Figura C.2. Malla de 120 hilos con bastidor de madera, mueble insolador y láminas de acrílico.

En cuanto a los productos químicos se deben adquirir los siguientes: 

Emulsión PVC. Este es el material que recubrirá la malla y en el cual se copiará el diseño a imprimir. Antes de aplicarlo es necesario foto sensibilizarlo.



Bicromato de potasio. Es una sal que se utiliza para fotosensibilizar la emulsión. ADVERTENCIA: El bicromato de potasio es altamentetóxico. En contacto con la piel se produce sensibilización y se pueden provocaralergias. Los bicromatos son agentes cancerígenos. Si es inhalado provoca ulceración de la nariz, espasmos, inflamación y edema de laringe y bronquios, generandoneumonitis química y edema pulmonar lo que finalmente provoca lamuerte.



Solvente ecológico para tintas serigráficas. Se usa para diluir de pintura a ser 180

usada en la impresión del diseño. Si la pintura es muy espesa no pasará con facilidad a través de la malla y la impresión tendrá corrimientos. 

Removedor de emulsión . Es utilizado para limpiar la malla una vez utilizada. También se lo conoce como limpiador de pantalla. En la presentación de 100 ml se debe disolver con 1 L de agua filtrada. También es comercializado en polvo.

Figura C.3. Emulsión en presentación de ½ Kg y bicromato de potasio.

Figura C.4. Solvente de tintas ecológico “Ecosolve” en presentación de 1 L y removedor de emulsión en presentación de 100 ml.

181



Tintas serigráficas y thinner. En nuestro caso se usó pintura epóxica, la cual es la idónea para imprimir sobre metal y superficies rígidas. Esta se debe mezclar con un catalizador que endurece la pintura una vez seca. Se debe mezclar en una proporción de 1 parte de catalizador por 5 partes de pintura. El thinner comercial se usa para limpiar la pintura de la malla. Sólo funciona para pinturas con base de aceite.

Figura C.5. Pintura blanca y azul epóxicas, catalizador y thinner comercial.

Herramientas y materiales misceláneos: 

Emulsionador. Es un ángulo de aluminio de 35 cm usado para aplicar la emulsión sobre la malla.



Rasqueta. Generalmente de goma, es usada para barrer la pintura sobre el diseño a imprimir.







Dosificador. Guantes de látex. Paño seco.

182



Cinta adhesiva.



Tarjeta de crédito o similar para recoger el exceso de emulsión.

Figura C.6. Emulsionador, rasqueta, cinta adhesiva, guantes de látex, recipiente de plástico, dosificador, paño seco, tarjeta de crédito o similares.

La mayoría de estos materiales sólo se consiguen en tiendas especializadas. Para la realización de este trabajo se acudió a un comercio ubicado en Barquisimeto, Edo. Lara. Los datos de la empresa se muestran a continuación:

Empresa: INVERSIONES TINTA-TEX C.A. RIF.: J-31469485-5 Dirección: Carrera 23 entre Calles 38 y 39 N° 38-3. Barquisimeto– Edo. Lara. Teléfonos: 0251-4352453, 0424-5333920, 0416-1508788. Correo electrónico: [email protected] Sitio web: http://www.tintatexca.com/ 183

Material o Herramienta Malla con bastidor de madera Rasqueta de 15 cm. Emulsionador de 35 cm.

½ Kg. de emulsión + Bicromato de Potasio Pintura Epoxi Blanca 1 Kg. Pintura Epoxi Azul 1 Kg. Catalizador de pintura Epoxi 1 Kg. Ecosolve de 1 L Removedor de pantalla de 100 mL Total

Costo en Bs. 120 150 175 150 360 410 450 90 25 1.930

Costo en US $ 27.90 34.88 40.69 34.88 83.72 95.35 104.65 20.93 5.81 448.81

Nota: Precios actualizados al 14 de Julio de 2011. Precios no incluyen IVA. Se tomó el precio de dólar referencial de 4.30 Bs por dólar. Tabla C.1. Lista de materiales y su costo respectivo. Fuente: INVERSIONES TINTA-TEX C.A.

Preparación de la solución de bicromato de potasio Antes de sensibilizar la emulsión es necesario diluir el bicromato de potasio en una solución de agua destilada. Se deben mezclar 60 gr de bicromato de potasio (contenido completo del recipiente visto en la Figura C.3) con 1 L de agua destilada. Puede ayudarse utilizando un cono de papel, como se observa en la Figura C.7. En nuestro caso se diluyó 25% del contenido del frasco en 250 mL de agua destilada.

Figura C.7. Preparación de la solución de Bicromato de Potasio.

El resultado es un líquido color naranja. Se recuerda que durante este 184

procedimiento debe proteger sus ojos, manos y vías respiratorias con el uso de gafas protectoras, mascarilla y guantes de látex. El bicromato de potasio es un químico sumamente tóxico.

Sensibilizado de la emulsión Utilizando un dosificador como el mostrado en la Figura C.6, vierta en un recipiente de plástico dos partes de emulsión por media parte de solución de bicromato de potasio, como se observa en la Figura C.8. Mezcle lentamente evitando la formación de burbujas.

Figura C.8. Proceso de foto sensibilizado de la emulsión.

Este procedimiento debe hacerlo en un cuarto en el que no entre mucha luz. El resultado obtenido es un líquido acuoso de color naranja. En este punto la emulsión se vuelve sensible a la luz, por lo que es importante resguardarla en un lugar oscuro. También tenga en cuenta que al contener bicromato de potasio, es igualmente tóxica y deberá manipularse con precaución. 185

Aplicando la emulsión sobre la malla Para aplicar la emulsión sobre la malla se utiliza un emulsionador de 35cm mostrado en la Figura C.9. Se vierte un hilo de emulsión sobre la herramienta (no demasiada para evitar corrimientos) y se desplaza sobre la malla con un movimiento lento y uniforme, de abajo hacia arriba como se visualiza en la Figura C.10. La malla debe estar un poco inclinada para evitar que se corra la emulsión.

Figura C.9. Vertido de la emulsión en el emulsionador.

Figura C.10. Emulsionado de la malla utilizando el emulsionador.

Se deben aplicar 3 capas en total. Una capa frontal (vista en la Figura C.10) y dos capaz en la parte posterior (por donde se barrerá la pintura con la rasqueta). Cada capa debe ser sumamente fina para que la emulsión se seque rápidamente. El exceso 186

de emulsión que se genera luego de usar el emulsionador debe ser removido usando una tarjeta de crédito o herramienta similar (ver Figura C.11). La superficie debe ser pareja y libre de grumos. Para facilitar el secado puede usar un secador de cabello de 3 a 5 minutos. Recuerde que todo este procedimiento debe hacerse en un ambiente donde no entre demasiada luz. La malla mostrada en las fotografías se preparó con fines didácticos para poder mostrar el procedimiento, pero no fue utilizada porque estuvo expuesta a la luz solar directa.

Figura C.11. Removido del exceso de emulsión con una espátula de plástico.

En la Figura C.12 se ve una parte de la malla ya con la emulsión completamente seca. En dicha figura se compara como quedan sellados los agujeros de la malla donde se aplicó la emulsión, y como se ve la malla en las zonas donde no se aplicó la emulsión. Recuerde que el función de la emulsión impedir el paso de la pintura a través de la malla.

Figura C.12. Comparación entre área sin emulsión vs. Área emulsionada.

187

Transferencia de los diseños a la malla Una vez que se tiene la malla sensibilizada y seca, se procede a transferir los diseños a ésta. Los diseños deben ser impresos en papel de acetato. En el Anexo B se muestra como crear una página final de impresión usandoAltium Designer y

Photoshop. Para imprimir los acetatos se recomienda utilizar una impresora láser. También es posible adquirir acetatos especiales para impresoras de inyección de tinta. Deberá imprimir al menos dos copias de cada diseño para superponerlos e impedir completamente el paso de la luz.

Figura C.13. Impresión y recorte de los diseños en acetato.

Figura C.14. Fijación de los diseños en lámina de acrílico.

Una vez impresos, se cortan y se fijan en una lámina de acrílico mediante cinta adhesiva. Se recomienda la cinta adhesivaScotch® Magic™ Reposicionable, la cual

188

no daña los acetatos al retirarla permitiendo reutilizarlos una y otra vez. Se deben superponer de 2 a 3 diseños para conseguir una opacidad adecuada. También tener cuidado de que todas las láminas estén perfectamente alineadas. Este procedimiento se muestra en las Figuras C.13 y C.14.

Figura C.15. Insolación de la malla.

Una vez fijados los fotolitos en la lámina de acrílico del mueble insolador, se coloca la malla con la emulsión fotosensible sobre ellos y se expone a la luz por un período de 3 a 4 minutos. Se debe colocar bastante peso sobre la malla para asegurarnos que los fotolitos estén haciendo pleno contacto con la malla, como se muestra en la Figura C.15.

Figura C.16. Revelado del diseño.

Al cumplirse el tiempo de exposición, se debe revelar el diseño lavando la malla con agua a presión como se muestra en la Figura C.16. La emulsión expuesta a la luz 189

se habrá endurecido y no se caerá con el agua, mientras que la que estuvo cubierta por las partes opacas del acetato se lavará con el agua revelando el diseño transferido. Si nota que la emulsión se cae muy fácilmente, es probable que deba añadir media parte más de solución de bicromato de potasio a la emulsión y repetir el proceso de emulsionado de la malla. Puede llegar a costarle varios intentos hasta perfeccionar la mezcla de emulsión y bicromato en conjunto con el tiempo de exposición a la luz. El tiempo exacto de exposición en este ejemplo fue de 3 minutos y 20 segundos. El sentido en que se fijan los fotolitos sobre el acrílico es importante. Debe colocarlos tal cual como quiera que salgan sobre la placa de cobre. En el caso del Top

Layer no debe hacerlo con mirror mientras que las Botton Layer deberá imprimirlas con mirror. Estudie con detenimiento la imagen de la izquierda de la Figura C.15 para evitar errores. Luego de revelar los diseños de la malla, deberá secarla para eliminar la humedad de la emulsión y evitar que ésta se desprenda de la malla. Para esto puede ayudarse con un secador de cabello. Una vez seca, obtendrá un resultado como el mostrado en las Figuras C.17 y C.18.

(a)

(b)

Figura C.17. (a) Diseño de muestra de diferentes grosores de pistas. (b) Botton Layer de PCB de ejemplo.

190

Como se observa en las figuras mencionadas, es posible emplear el método de serigrafía para fabricar la cara de pistas de las PCB, aplicar la máscara de soldadura y finalmente imprimir la silk screen. Sin embargo, en nuestro caso particular sólo se empleo éste método para aplicar la máscara de soldadura y lasilk screen. En la sección siguiente se explica el procedimiento para hacerlo.

(a)

(b)

Figura C.18. (a) Silk screen de PCB de ejemplo. (b) Botton Solder Mask de PCB de ejemplo.

(a)

(b)

Figura C.19. PCB de Muestra Serigráfica. (a) Tiempo de exposición a la luz: 2 min. (b) Tiempo de exposición a la luz: 4 min.

Como dato resaltante se muestra el efecto que tiene un largo tiempo de exposición sobre el diseño final. Esta comparación se muestra en la Figura C.19. Para 2 min de exposición (Figura C.19a) vemos que la silueta de las letras no está tan bien 191

definida si se la compara con un tiempo de exposición de 4 min (Figura C.19b). Por otro lado, mientras mayor sea el tiempo de exposición las pistas serán más delgadas, hasta el punto que para 1 mil de pulgada casi se encuentra sellada (ver Figura C.19b). Por lo tanto es necesario realizar pruebas previas para determinar un tiempo de exposición adecuado. En nuestro caso utilizamos un tiempo medio entre 2 y 4 min mostrado en la Figura C.20.

Figura C.20. Tiempo de exposición cronometrado para la insolación de los fotolitos.

Preparación de la pintura Epoxi Para la aplicación de la máscara de soldadura y lasilk screen se utilizó la pintura

TINTUEPOX de la empresa TINPES. La pintura de base epóxica está formada por dos componentes: la tinta, que en nuestro caso es azul (Ref 8030) y blanca (Ref 80120), y el endurecedor o catalizador (Ref 80140). Este tipo de pintura se usa sobre substratos de difícil adherencia como metales, vidrio, baldosa, policarbonatos y otros. Además es dieléctrica. Se debe mezclar 5 partes de tinta por 1 parte de endurecedor. Luego de haberse mezclado la pintura tiene una vida útil de 8 horas, por lo que se recomienda preparar sólo en pequeñas cantidades. Dado que la malla de 120 hilos es bastante apretada, se deberá añadir a la pintura de 1 a 2 partes de solvente ecológicoECOSOLVE. Este permitirá que la pintura pase más fácilmente a través de la malla e impedirá que la pintura se seque demasiado rápido. Sin embargo, si añade demasiado solvente podría correr el riesgo de que la pintura se desparrame cuando se transfiera a la PCB. En la

192

Figura C.21 se observa el proceso de preparación de la pintura.

Figura C.21. Preparación de la pintura Epoxi.

Transferencia de los diseños a la placa de cobre En esta sección se mostrará como aplicar la máscara de soldadura y lasilk screen sobre una PCB. Una vez que se tenga la malla seca con los diseños a transferir, se debe fijar la PCB sobre una lámina de acrílico mediante cinta adhesiva como se muestra en la Figura C.22. De este modo se evitará que la PCB se mueva durante el barrido de la pintura. También el grosor adicional del acrílico permitirá que la PCB haga pleno contacto con la malla.

Figura C.22. Fijación de la PCB sobre lámina de acrílico.

A continuación se debe alinear el diseño de la malla con lospads del PCB. En la 193

imagen izquierda de la Figura C.23 vemos como los círculos de color rojo de la emulsión cubren los pads de la PCB, la pintura pasará a través del área anaranjada libre de emulsión. Una vez hecho esto debemos fijar el bastidor de la malla a la superficie de trabajo para impedir que ésta se mueva cuando se barra la pintura. Puede hacerlo como se muestra en la imagen de la derecha de la Figura C.23.

Figura C.23. Izquierda: Alineación del diseño de la malla con los pads del PCB. Derecha: Fijación del bastidor a la superficie de trabajo.

Seguidamente vierta un hilo de pintura sobre la malla como se muestra en la Figura C.23. Tenga cuidado de que la pintura no se escurra sobre otros diseños.

Figura C.23. Vertido de la pintura epoxi sobre la malla.

A continuación, empleando la rasqueta de goma barra la pintura con un movimiento lento y uniforme y haciendo bastante presión sobre la malla como se observa en la Figura C.24. Haga tres barridos cambiando el sentido cada vez, es decir, 194

de arriba hacia abajo, de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo nuevamente. Seguidamente libere el bastidor de las prensas y levante la malla lentamente. Una vez hecho esto obtendrá un resultado como el mostrado en la Figura C.25.

Figura C.24. Barrido de la pintura sobre la malla mediante rasqueta de goma.

Figura C.25. Resultado obtenido luego de aplicar la máscara de soldadura.

Antes de poder aplicar la máscara de soldadura en la cara posterior de la PCB, deberá esperar 12 horas para que seque la pintura recién aplicada. Una vez seca deberá repetir el procedimiento indicado anteriormente. Es muy importante tener a la mano un galón de thinner durante este procedimiento, pues NO DEBE permitir que la pintura se seque en la malla. Si deja que esto pase la pintura sellará los agujeros y será extremadamente difícil limpiarla. Cada vez que barra un diseño, limpie inmediatamente la pintura de la malla vertiendo un poco de thinner sobre ella y recogiendo la pintura con un paño viejo. Si deja que se seque, es posible limpiarla con un compresor y thinner a presión, pero es un

195

proceso en extremo tedioso y se traduce como una gran pérdida de tiempo. Una vez que se haya aplicado la máscara de soldadura en ambas caras de la PCB, puede proceder a imprimir la silk screen. Para este fin usaremos la pintura epoxi blanca, preparada siguiendo el mismo procedimiento que la azul. Igual que para la máscara de soldadura, debe alinearse el diseño de la malla con la PCB (imagen izquierda de la Figura C.26) y fijar el bastidor a la superficie de trabajo empleando algún tipo de prensas.

Figura C.26. Alineación y fijación del bastidor al área de trabajo.

Seguidamente vierta un hilo de pintura sobre la malla como se ve en la imagen derecha de la Figura C.26, y barra el diseño 3 veces con la rasqueta de goma. Obtendrá un resultado como el mostrado en la imagen de la derecha de la Figura C.27.

Figura C.27. Izquierda: Barrido de la silk screen. Derecha: Resultado final obtenido.

196

Finalmente en la Figura C.28 se muestra como luce la malla luego de haber barrido varios diseños de silk screen, también se muestran algunas PCB con la nomenclatura de todos sus componentes y listas para ser soldadas. En la Figura C.29 se ven las PCB terminadas con todos sus componentes soldados. Como se observa se pueden obtener resultados casi profesionales mediante éste método.

Figura C.28. Izquierda: Vista de la malla luego de barrer varios diseños de silk screen. Derecha: Diferentes PCB listas para soldar.

Figura C.29. Tarjetas de circuito impreso ya terminadas.

Una recomendación adicional es limpiar la PCB con thinner y u paño seco antes de aplicar la pintura epoxi. Esto removerá la grasa o suciedad y permitirá que la 197

pintura se aferre de mejor forma a la placa de cobre. También se recomienda rosear con esmalte en aerosol los puntos de soldadura de las PCB, una vez probadas cada tarjeta.

Limpieza de la malla serigráfica Para remover la pintura de la malla, emplee un paño humedecido con thinner. Frote las áreas donde se hizo el barrido de la pintura. Como se mencionó anteriormente, debe hacer esto inmediatamente después de barrer cada diseño para evitar que se seque la pintura sobre la malla. Para limpiar la emulsión de la malla, deberá usar el removedor de emulsión en presentación de 100 mL que se mostró en la Figura C.4. Cada 100 mL de removedor se deben diluir en 1 L de agua destilada. Para aplicar esta solución puede emplear un roseador como el mostrado en la Figura C.30. Aplique una cantidad generosa de solución y deje actuar por 5 min. A continuación utilice un paño para frotar y remover la emulsión. En la imagen izquierda de la Figura C.30 se puede ver como poco a poco se va cayendo la emulsión de la malla. Para terminar enjuague la malla con abundante agua empleando una boquilla a presión como la utilizada en la Figura C.16. De este modo puede conservar la integridad de la malla y prolongar su tiempo de vida útil.

Figura C.30. Removido de la emulsión de la malla.

198

ANEXO D Diseño y construcción de mueble insolador para la fabricación de tarjetas de circuito impreso mediante serigrafía En este apartado se expondrá el procedimiento y los planos para fabricar un mueble de insolación serigráfica utilizado en el tutorial del Anexo C. Los planos del mueble se muestran al final de este Anexo. Para el corte de cada sección se acudió a una tienda especializada como Masisa Placa Centro, quienes cuentan con sierras computarizadas para conseguir cortes precisos. Se utilizaron láminas de MDF de 9 mm de espesor para todas las secciones del mueble con excepción de los topes A, B, C y D. El mueble está formado por 9 secciones, indicadas en los planos como: A, B, C…I. Estas

secciones se muestran en la Figura D.1. El mueble está diseñado para

acoplarse con una malla serigráfica de tamaño estándar: 58cm x 47 cm. Puede modificar las secciones si utiliza una malla con otras dimensiones.

Figura D.1. Piezas cortadas de acuerdo a los planos.

En primer lugar una las secciones F, G, H e I mostradas en el plano, tal cual se muestra en la Figura D.2. Utilice pega blanca y tornillos para fijar cada sección. 199

Figura D.2. Unión de las secciones F, G, H e I.

A continuación deberá fijar los topes A, B, C y D. Igualmente utilice pega blanca y tornillos para ello. En la Figura D.3 se expone este procedimiento y el resultado que se debe obtener.

Figura D.3. Fijación de las secciones A, B, C y D.

Seguidamente es necesario forrar la sección E con papel plateado brillante. En nuestro caso se usó papel de regalo disponible en librerías y papelerías locales. El objetivo de este papel es reflejar la mayor cantidad de luz posible hacia la malla y evitar que la madera absorba ésta luz. Además de la sección E, también se recomienda forrar las paredes internas del mueble, es decir, las secciones F, G, H e I. Esto se muestra en la Figura D.4. Para fijar el papel se utilizó pega blanca. No se recomienda el silicón caliente pues seca muy deprisa y crea grumos debajo del papel. 200

Una vez forradas las secciones mencionadas con papel brillante, se deberán atornillar los soportes que mantendrán fijas las bombillas fluorescentes. Se adquirieron 5 bombillas del modelo T5 de la compañíaJlight. Cada una de estas bombillas cuentan con 8W de potencia y tienen una longitud de 30cm, ofreciendo una luminiscencia total de 40W. El proceso de fijación de las lámparas se ejemplifica en la Figura D.5.

Figura D.4. Forrado de las secciones E, F, G, H e I con papel plateado.

Figura D.5. Fijación de las lámparas fluorescentes.

En este punto debe realizar el cableado de las lámparas y verificar su correcto funcionamiento. A continuación se deberá fijar el marco formado por la unión de las 201

secciones F, G, H e I visto en la Figura D.3, con la sección E. De este modo conseguirá el resultado que se muestra en la Figura D.6.

Figura D.6. Resultado obtenido luego del armado de todas las secciones.

En este punto lo que resta es medir la lámina de acrílico y cortarla. Las dimensiones del corte deben ser ligeramente menores a las dimensiones del bastidor de la malla. En nuestro caso la lámina se cortó de 46cm x 58cm. Este proceso se muestra en la Figura D.7.

Figura D.7. Medida y corte de la lámina de acrílico.

Una vez cortada la lámina, se coloca sobre los soportes A, B, C y D. No se recomienda fijar la lámina al mueble en caso de que se necesite remplazar una bombilla en el futuro. De este modo se habrá finalizado la construcción del mueble insolador para serigrafía.

202

En la Figura D.8 se muestra el resultado final obtenido tras la fabricación. En la fotografía de la Figura D.9 se ejemplifica su uso con la malla serigráfica.

Figura D.8. Resultado final obtenido.

Figura D.9. Mueble insolador con malla serigráfica.

203

204

205

ANEXO E Diseño de filtros electrónicos con Filter Solutions 2009

Filter Solutions 2009 es una aplicación de la compañía norteamericanaNuhertz Technologies, la cual se especializa en la síntesis y análisis de filtros electrónicos de baja y alta frecuencia. Han desarrollado un conjunto de algoritmos para el sintetizado de filtros que no tienen paralelo en la industria, ofreciendo un nuevo nivel en la automatización y productividad del proceso de diseño que facilita el estudio y la aplicación de los filtros electrónicos. La Figura E.1 muestra algunas de las ventanas típicas de la aplicación.

Figura E.1. Ventanas de Filter Solutions 2009 corriendo en Windows 7.

En este apartado se expondrá el procedimiento seguido para el diseño de un filtro LC pasa banda de respuesta elíptica entonado a 120 KHz. Mediante analogía se puede emplear el mismo procedimiento para diseñar cualquier otra variación de este filtro. Una versión de prueba del software puede ser descargada gratuitamente en el sitio web de la empresa: http://www.nuhertz.com/filter/ 206

Después de haber instalado el software y ejecutarlo por primera vez, se encontrará con la ventana de la Figura E.2. Esta es la ventana principal de la aplicación.

Figura E.2. Ventana principal de Filter Solutions 2009.

Para seleccionar la respuesta del filtro a diseñar, diríjase aFilter Type y seleccione: Elliptic.

Figura E.3. Selección de respuesta aproximada.

A continuación deberá elegir la clase de filtro que desea obtener (paso bajo, paso alto, pasa banda, etc.) para esto diríjase aFilter Class y haga click en Band Pass.

Figura E.3. Selección de la clase de filtro.

207

Luego seleccione el modo de implementación del filtro. Entre los modos disponibles están: pasivo (Lumped), basado en líneas de transmisión Distrib ( ), activo (Active), conmutación de condensadores S( wCap) o digital. Para este ejemplo seleccione Lumped.

Figura E.4. Selección del método de implementación del filtro.

Para determinar las unidades en que se introducirán los parámetros del filtro, busque el recuadro Stop Band y haga click en Freq. Así habrá culminado la configuración previa al diseño. Debería tener una ventana como la que se muestra en la Figura E.5.

Figura E.5. Parámetros más resaltantes de la configuración previa.

A continuación deberá introducir los parámetros que definirán el comportamiento del filtro. Básicamente son cuatro:Center Freq, Pass Band Width,

Stop Band Width y Pass Band Ripple (dB). En Center Freq introduzca la frecuencia central del filtro pasa banda, 120 KHz para este caso.

Figura E.6. Frecuencia central del filtro pasa banda.

Seguidamente introduzca el ancho de la banda de paso (en Hertz). En este 208

ejemplo se especifica una banda de paso de 300 Hertz. Figura E.7. Ancho de banda de paso en Hertz.

Luego especifique el ancho de la rechaza banda. En nuestro caso 2 KHz.

Figura E.8. Ancho de la banda rechaza banda en Hertz.

Finalmente introduzca la amplitud máxima permitida de los rizos que se generan en la banda de paso. Este valor se especifica en dB y en este ejemplo será igual a 2.

Figura E.9. Máxima amplitud de rizado en banda de paso.

Una vez que haya especificado estos cuatro parámetros, podrá indicarle al programa que halle el menor orden posible para el filtro configurado. De esta manera siempre obtendrá el resultado más eficiente. Para ello haga click enSet Order ubicado en la sección Filter Attributes, mostrada en la Figura E.10.

Figura E.10. Botón Set Order para optimizar el diseño del filtro.

Al hacerlo aparecerá la ventana de la Figura E.11. En esta ventana deberá introducir dos parámetros: la atenuación de la banda rechaza banda Stop ( Band

Attenuation) en dB y su ancho de banda respectivo (en Hertz). En nuestro caso se especifica 40 dB para la atenuación de la rechaza banda y 2 KHz para su ancho de banda. Una vez introducido estos dos valores haga click enSet Minimum Order, y el programa determinará el resultado mas eficiente para los parámetros establecidos. Se 209

mostrará el mensaje: “Order Entry Has Been Updated” indicando que la operación se

ha realizado con éxito.

Figura E.11. Ventana Set Order. Fija el menor orden posible del filtro.

Cierre la ventana Set Order y a continuación active la casillaEven Order Mode para habilitar el modo de orden par.

Figura E.12. Casilla Even Order Mode.

Para finalizar el proceso de configuración, deberá cambiar los límites para mostrar la gráfica de respuesta en frecuencia y las unidades en que desea visualizar dicha gráfica. En la sección Freq Scale seleccione Hertz y en Graph Limits introduzca los valores mostrados en la Figura E.13.

Figura E.13. Límites y unidades de la gráfica de respuesta en tiempo y frecuencia.

Al hacer esto estará listo para obtener la función de transferencia del filtro, su respuesta en tiempo y en frecuencia, una gráfica de sus polos y ceros en el plano

210

imaginario, así como también su diagrama circuital. Para obtener la función de transferencia característica del filtro haga click en

Transfer Function ubicado en la sección Ideal Filter Response de la Figura E.14.

Figura E.14. Sección Ideal Filter Response.

Al hacer esto aparecerá la ventana de la Figura E.15, donde se muestra la función de transferencia del filtro.

Figura E.15. Ventana de la función de transferencia del filtro.

Podemos proceder de forma análoga para obtener la respuesta en tiempo y frecuencia del filtro, mostradas en la Figura E.17(a) y E.17(b) así como también la gráfica de sus polos y ceros en el plano imaginario (Figura E.18). Para obtener el diagrama circuital del filtro deberá hacer click enSynthesize

Filter (sintetizar filtro) ubicado en la secciónCircuit Paramaters.

Figura E.16. Botón Synthesize Filter ubicado en la sección Circuit Paramaters.

211

Al hacer esto aparecerán dos ventanas con dos circuitos diferentes pero equivalentes. Se seleccionó el mostrado en la Figura E.19 para su implementación.

(a)

(b)

Figura E.17. (a) Respuesta en frecuencia de filtro. (b) Respuesta temporal del filtro.

Figura E.18. Gráfica de los polos y ceros del filtro en el plano imaginario.

Figura E.19. Diagrama circuital del filtro sintetizado.

212

Debido a que los valores obtenidos de R, C y L distan mucho de los valores comerciales, es necesario hacer algunos ajustes que nos facilitaran la implementación real del filtro, sobre todo para conseguir valores comerciales de inductancias. Para ajustar el valor de una bobina, haga click en ella (esta se resaltará en color rojo).

Figura E.20. Bobina seleccionada para ajustar su valor.

Seguidamente aparecerá la ventana de la Figura E.21. En ella escriba el nuevo valor de la bobina, en nuestro caso 680 µH el cual es el valor comercial más cercano al obtenido inicialmente. También asegúrese de que la casilla “ Update Both Elements

to Maintain Resonant Frequency ” este activada, de este modo el programa ajustará automáticamente el valor de C asociado a esta bobina para mantener la frecuencia resonante del filtro.

Figura E.21. Ventana de propiedades del elemento seleccionado (bobina).

213

Proceda de forma similar para la otra bobina. Introduzca igualmente 680 µH para su valor de inductancia. Otro elemento que también necesita ser ajustado son las resistencias que determinan la impedancia de entrada y salida del filtro. Se seleccionó el menor valor de resistencia que se tenía disponible, es decir, 5.1Ω. Para cambiar el valor de las resistencias se procede de forma análoga a como se hizo con las bobinas. Una vez realizados estos ajustes, el software mostrará en azul los elementos modificados y el respectivo circuito. El resultado final obtenido se muestra en la Figura E.22.

Figura E.22. Circuito final obtenido del filtro diseñado.

Un posible mensaje de error que es común que aparezca es el mostrado en la Figura E.24. Para evitar este error debe tener cuidado al introducir los parámetros del filtro y sus múltiplos. Este error se produce cuando el ancho de la banda rechaza banda es menor al ancho de la banda de paso. Considere que el programa discrimina “k” de “K”.

3 Este error se muestra en la Figura E.23. El múltiplo 10 se representa

como “K” mayúscula no con “k” minúscula.

Figura E.23. Error de escritura de parámetros.

Figura E.24. Mensaje de error.

214

ANEXO F Diagrama Esquemático del Módulo Maestro Ver página siguiente.

215

216

ANEXO G Diagrama Esquemático del Módulo Esclavo Ver página siguiente.

217

218

ANEXO H Programa desarrollado en C para el Módulo Maestro C:\Users\Juan Cols\Documents\Mis Estudios\PPG\PDVSA\CAD\Firmware\Firmware Modulo Master.c

1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: 20: 21: 22: 23: 24: 25: 26: 27: 28: 29: 30:

/* +----------------------------------------------------------------------+ ¦ PDVSA SISTEL X10 (Firmware Modulo Master.c) v1.0 ¦ +----------------------------------------------------------------------¦ ¦ ¦ ¦ Autor: Juan Cols (CC) UNEXPO 2011 - 2012 ¦ ¦ ¦ ¦ Copyright: Attribution-NonCommercial¦ ¦ ShareAlike (CC) BY-NC-SA 2011 - 2012 UNEXPO ¦ ¦ ¦ ¦ Descripción: Firmware del módulo maestro del Sistema de ¦ ¦ Telemando X10 para Petróleos de Venezuela, S.A. ¦ ¦ ¦ ¦ Última Revisión: 29/02/2012 #include < Flex_LCD420 . c > #include < Flex_KBD . c > #fuses HS , NOWDT , NOPROTECT , NOLVP #use delay ( clock = 20MHz ) #use standard_io ( A ) #use standard_io ( B ) #use standard_io ( C ) #use standard_io ( D ) #byte PORTB = 0x06 #byte PORTD = 0x08

/* +----------------------------------------------------------------------+ ¦ Prototipos de Funciones ¦ +----------------------------------------------------------------------¦*/ void enviar_bit ( int1 b ); void enviar_comando ( int dir , int func ); void enviar_cabecera ( void ); void enviar_nibble ( int nib ); int1 iniciar_envio ( void ); char leer_teclado ( void ); void titilar ( int8 veces ); void menu_principal ( void ); void sub_menu_1 ( void ); void sub_menu_2 ( void ); void sub_menu_3 ( void ); void encender ( int8 ); void apagar ( int8 ); /* +----------------------------------------------------------------------+ ¦ Rutina de Interrupción Externa RB0 ¦ +----------------------------------------------------------------------¦*/

219

60: 61: 62: 63: 64: 65: 66: 67: 68: 69: 70: 71: 72: 73: 74: 75: 76: 77: 78: 79: 80: 81: 82: 83: 84: 85: 86: 87: 88: 89: 90: 91: 92: 93: 94: 95: 96: 97: 98:

#INT_EXT void cruce_por_cero () { disable_interrupts ( GLOBAL ); delay_us ( 3500 ); setup_ccp1 ( CCP_PWM ); delay_us ( 2000 ); setup_ccp1 ( CCP_OFF ); bit_enviado = 1 ; } /* +----------------------------------------------------------------------+ ¦ Programa Principal ¦ +----------------------------------------------------------------------¦*/ void main () { char key ; //Definiciones de Inicialización kbd_init (); lcd_init (); setup_timer_2 ( T2_DIV_BY_1 , 41 , 1 ); set_pwm1_duty ( 21 ); set_tris_b ( 0xFF ); titilar ( 3 ); output_high ( PIN_D3 ); //--------------> Enciende LED output_low ( PIN_C5 ); //--------------> Enciende Backlight de LCD while ( TRUE ) { lcd_putc ( '\f' ); lcd_gotoxy ( 3 , 2 ); printf ( lcd_putc , "PDVSA SISTEL X10" ); lcd_gotoxy ( 1 , 4 ); printf ( lcd_putc , "Presione Menu" ); do { key = kbd_getc (); } while ( key == 0 );

99: if ( key == 'A' ) 100: menu_principal (); 101: } 102: } 103: 104: /* 105: +----------------------------------------------------------------------+ 106: ¦ Rutina del Menú de Equipos Conectados ¦ 107: +----------------------------------------------------------------------¦*/ 108: void menu_principal ( void ) 109: { 110: int cursor_viejo , cursor_nuevo = 2 ; 111: char opc ; 112: do { 113: lcd_putc ( '\f' ); 114: lcd_gotoxy ( 3 , 1 ); 115: printf ( lcd_putc , "Equipos en linea" ); 116: lcd_gotoxy ( 1 , 2 ); 117: printf ( lcd_putc , "Equipo (1)" ); 118: lcd_gotoxy ( 1 , 3 ); 119: printf ( lcd_putc , "Equipo (2)" ); 120: lcd_gotoxy ( 1 , 4 ); 121: printf ( lcd_putc , "Broadcast Test" ); 122: lcd_gotoxy ( 20 , cursor_viejo ); 123: 124: 125: 126: 127:

printf ( lcd_putc " " ); lcd_gotoxy ( 20 , , cursor_nuevo ); printf ( lcd_putc , "