DOCUMENTO DE TESIS - cenidet.edu.mx · conclusiones ... fig. 7-7 simulaciÓn de circuito delta ......

S.E.P S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN

Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

cenidet

SISTEMA DE MEDICIÓN DIGITAL DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS, PARA ANÁLISIS Y DIAGNÓSTICO DE CIRCUITOS

ELÉCTRICOS DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN.

T E S I SPARA OBTENER EL GRADO DE:MAESTRO EN CIENCIASEN INGENIERÍA ELECTRÓNICAP R E S E N T A :ROBERTO CASTÁN LUNA

DIRECTOR DE TESIS: M.C. JOSÉ MARTÍN GÓMEZ LÓPEZ

Cuernavaca, Morelos. Abril de 2003.

Dedico este trabajo de tesis a:

Las mujeres que más amo en mi vida:

- Mi mamá Rosa, por su gran espíritu de trabajo y amor

que nos profesa.

- A mi esposa Ruth, por ser la compañera ideal.

- A mis Hijas Ana Ruth y Rosa Aimeé, por toda la

alegría y la ternura que le han dado a mi vida.

A mi papá Raúl y a mis hermanos Edgar y René.

A toda mi familia.

Agradecimientos:

Agradezco a mi esposa Ruth, por el apoyo que me brindó durante la realización

de este trabajo, gracias “Güera”.

A mi hermano René por la ayuda que me ofreció, la cual fue muy valiosa y

contribuyó a que lograra la finalización de esta tesis.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet), por

los conocimientos adquiridos durante mis estudios, así como al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) por el apoyo proporcionado en la realización del

trabajo de tesis.

Al M.C. José Martín Gómez López, por la asesoría en el desarrollo de este

trabajo, pero principalmente por la ayuda y el tiempo dedicado.

Al Dr. Marco Oliver, al Dr. Rodolfo Echavarría y al M.C. Pedro Sibaja por las

aportaciones realizadas a esta tesis.

A Jaime Orozco, por los ánimos y por compartir la presión que tuvimos a lo largo

del desarrollo de las tesis y el trabajo.

Un agradecimiento especial a quienes forman y formaron el grupo de medición

del IIE; Gilberto Vidrio, Gildardo Jiménez, Martín Gómez, Rito Mijarez, José Alfredo

Mtz. y Jaime Orozco, ya que todo los conocimientos adquiridos en el campo de la

medición han sido en gran parte con ayuda de todos ustedes.

A Alejandro Sánchez y su grupo de trabajo, por la ayuda prestada durante el

ensamblado de la parte electrónica del SIMAC-I.

-I -

TABLA DE CONTENIDO Capítulo 1. INTRODUCCIÓN.........................................................................................................................1

1.1 ANTECEDENTES..............................................................................................................................................3 1.2 OBJETIVO DEL TRABAJO .................................................................................................................................5 1.3 META DEL TRABAJO .......................................................................................................................................5 1.4 CONTENIDO DEL DOCUMENTO ........................................................................................................................6

Capítulo 2. DESCRIPCIÓN DE CIRCUITO ELÉCTRICO...............................................................9 2.1. CONFIGURACIONES.........................................................................................................................................9 2.2. DIAGRAMAS FASORIALES .............................................................................................................................11 2.3. VARIABLES ELÉCTRICAS...............................................................................................................................13 2.4. MEDICIÓN DIGITAL.......................................................................................................................................15 2.5. CALIDAD DE LA ENERGÍA..............................................................................................................................16

Capítulo 3. SISTEMA DE MEDICIÓN......................................................................................................21 3.1. ESPECIFICACIÓN FUNCIONAL........................................................................................................................22

3.1.1. Modos de operación.............................................................................................................................23 3.2. ESPECIFICACIÓN ELÉCTRICA.........................................................................................................................24 3.3. ESPECIFICACIÓN DEL SOFTWARE ..................................................................................................................25

3.3.1. Software de aplicación.........................................................................................................................26 3.3.2. Software de la Interfase Hombre-Máquina .........................................................................................26

3.4. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES ...............................................................................................................27 3.5. ESPECIFICACIÓN MECÁNICA .........................................................................................................................28

Capítulo 4. DISEÑO DEL HARDWARE ..................................................................................................29 4.1. DESCRIPCIÓN GENERAL................................................................................................................................30 4.2. ACONDICIONAMIENTO DE VOLTAJE ..............................................................................................................33 4.3. ACONDICIONAMIENTO DE CORRIENTE. .........................................................................................................34 4.4. TARJETA DE MEDICIÓN Y PROCESAMIENTO...................................................................................................35

4.4.1. Arquitectura.........................................................................................................................................35 4.3. ASIGNACIÓN DE MEMORIA............................................................................................................................45

Capítulo 5. DESARROLLO DE SOFTWARE ..........................................................................................47 5.1. SOFTWARE DE APLICACIÓN ..........................................................................................................................48

5.1.1. Arquitectura del software. ...................................................................................................................50 5.1.2. Algoritmos de medición y detección. ...................................................................................................55 5.1.3. Descripción funcional de subrutinas ...................................................................................................61 5.1.4. Generación de código..........................................................................................................................77

5.2. INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA .....................................................................................................................79 5.2.1. Estructura de la IHM...........................................................................................................................80 5.2.2. Generación de código IHM. ................................................................................................................85

Capítulo 6. OPERACIÓN DEL SIMAC-I.................................................................................................87 6.1. DESCRIPCIÓN DE PRUEBAS............................................................................................................................88 6.2. VERIFICACIÓN DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO.................................................................................................90 6.3. CONEXIÓN DEL SISTEMA SIMAC-I PARA PRUEBAS......................................................................................91

Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión

II

6.3.1. Conexión 3F/4H, Estrella. ...................................................................................................................92 6.3.2. Conexión 3F/3H, Delta........................................................................................................................93 6.3.3. Conexión 2F/3H, Network. ..................................................................................................................94 6.3.4. Conexión 1F/3H, trifilar. .....................................................................................................................95 6.3.5. Conexión 1F/2H, Monofásica..............................................................................................................96

6.4. OPERACIÓN DEL SIMAC-I ...........................................................................................................................97 6.4.1. Comandos de la IHM...........................................................................................................................97

Capítulo 7. PRUEBAS Y RESULTADOS ...............................................................................................115 7.1. OBJETIVO ...................................................................................................................................................115 7.2. EQUIPO .......................................................................................................................................................116 7.3. ESQUEMA DE PRUEBAS ...............................................................................................................................116 7.4. RESULTADOS..............................................................................................................................................118

7.4.1. Prueba 1. Enlace serie Módulo electrónico – IHM ...........................................................................118 7.4.2. Prueba 2. Programación del Reloj de Tiempo Real (RTR)................................................................119 7.4.3. Prueba 3. Medición de valores instantáneos .....................................................................................119 7.4.3.1. Detección de tipo de instalación....................................................................................................120 7.4.3.2. Medición de variables....................................................................................................................125 7.4.4. Prueba 4. Registro de variables.........................................................................................................130 7.4.4.1. Registro de lecturas. ......................................................................................................................130 7.4.5. Prueba 6. Medición de armónicas .....................................................................................................132 7.4.6. Prueba 6. Detección de eventos.........................................................................................................136 7.4.7. Prueba 8. Medición de Kwh...............................................................................................................138

Capítulo 8. CONCLUSIONES................................................................................................. 141 8.1 HARDWARE. ...............................................................................................................................................142 8.2 SOFTWARE..................................................................................................................................................143 8.3. APORTACIÓN. .............................................................................................................................................146 8.4. TRABAJOS FUTUROS. ..................................................................................................................................147

Anexo A. DIAGRAMA ELÉCTRICO. .................................................................................. 149

Anexo B. INFORMACIÓN DE COMPONENTES. ............................................................. 153

Anexo C. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS.................................................................... 169

- III -

Lista de Figuras FIG. 2-1 A) MONOFÁSICA. UNA FASE, DOS HILOS B) TRIFILAR. UNA FASE, TRES HILOS ..............................................10 FIG. 2-2 A) DELTA. TRES FASES, TRES HILOS B) ESTRELLA. TRES FASES, CUATRO HILOS............................................10 FIG. 2-3 A) NETWORK. DOS FASES, TRES HILOS B) DELTA. TRES FASES, CUATRO HILOS .............................................10 FIG. 2-4 A) ESTRELLA, 3 FASES, 4 HILOS Y B) DELTA, 3 FASES, 4 HILOS.......................................................................11 FIG. 2-5 A) DELTA, 3 FASES, 3 HILOS Y B) NETWORK, TRES HILOS................................................................................12 FIG. 2-6 A) MONOFÁSICA, 1 FASE, 2 HILOS Y B) TRIFLIAR, 1 FASE, 3 HILOS ..................................................................12 FIG. 2-7 ACOMETIDAS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS MONOFÁSICO(A) Y TRIFÁSICO (B) ..................................................13 FIG. 2-8 SAG GENERADO POR UNA FALLA DE LÍNEA A TIERRA. ....................................................................................19 FIG. 2-9 SWELL GENERADO DURANTE UNA FALLA DE LINEA A TIERRA ........................................................................19 FIG. 2-10 TRANSITORIO OSCILATORIO DE BAJA FRECUENCIA CAUSADO POR UN BANCO DE CONDENSADORES..............20 FIG. 2-11 NOTCHING GENERADO POR LA OPERACIÓN DE UN CONVERTIDOR..................................................................20 FIG. 3-1 ELEMENTOS DEL SIMAC-I ............................................................................................................................21 FIG. 4-1 DIAGRAMA A BLOQUES DEL SIMAC-I ............................................................................................................29 FIG. 4-2 DIAGRAMA A BLOQUES DEL HARDWARE DEL SISTEMA DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS SIMAC-I..........................30 FIG. 4-3 SISTEMA DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE CIRCUITO SIMAC-I...........................................................................31 FIG. 4-4 SENSADO Y ACONDICIONAMIENTO DE VOLTAJE .............................................................................................34 FIG. 4-5 SENSADO Y ACONDICIONAMIENTO DE CORRIENTE. ........................................................................................35 FIG. 4-6 ARQUITECTURA DE LA TARJETA DE MEDICIÓN Y PROCESAMIENTO .................................................................36 FIG. 4-7 DIAGRAMA ELÉCTRICO DEL CPU Y MEMORIA................................................................................................39 FIG. 4-8 DIAGRAMA ELÉCTRICO DE DETALLE DEL RELOJ DE TIEMPO REAL (RTR). ......................................................42 FIG. 4-9 ESQUEMA DE LA ETAPA DE CONVERSIÓN ANALÓGICA A DIGITAL....................................................................43 FIG. 4-10 CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL DE ±10 VCD A 0-5VCD....................................................................44 FIG. 5-1 COMPONENTES DEL SOFTWARE DEL SIMAC-I................................................................................................47 FIG. 5-2 AMBIENTE DE OPERACIÓN DE LOS SUBSISTEMAS DEL SOFTWARE DEL SIMAC-I.............................................48 FIG. 5-3 ARQUITECTURA DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN ............................................................................................50 FIG. 5-4 ESTRUCTURA DEL SOFTWARE DE LA INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA...............................................................80 FIG. 6-1 SISTEMA DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS SIMAC-I.....................................................88 FIG. 6-2 CONEXIÓN DEL SIMAC-I EN UNA INSTALACIÓN ESTRELLA. ...........................................................................92 FIG. 6-3 CONEXIÓN DEL SIMAC-I EN UNA INSTALACIÓN DELTA ................................................................................93 FIG. 6-4 CONEXIÓN DEL SIMAC-I EN UNA INSTALACIÓN NETWORK ...........................................................................94 FIG. 6-5 CONEXIÓN DEL SIMAC-I EN UNA INSTALACIÓN TRIFILAR. ............................................................................95 FIG. 6-6 CONEXIÓN DEL SIMAC-I EN UNA INSTALACIÓN MONOFÁSICA.......................................................................96 FIG. 6-7 MENÚ PRINCIPAL DE LA IHM DEL SIMAC-I...................................................................................................98 FIG. 6-8 SUBMENÚ INFORMACIÓN ................................................................................................................................99 FIG. 6-9 VENTANA PARA CAPTURA Y SELECCIÓN DE DATOS DEL CIRCUITO ELÉCTRICO. .............................................100 FIG. 6-10 VENTANA PARA PROGRAMACIÓN DE FECHA Y HORA...................................................................................102 FIG. 6-11 FECHA Y HORA LEÍDA DEL MÓDULO DE MEDICIÓN. ....................................................................................102 FIG. 6-12. SUBMENÚ MEDICIONES..............................................................................................................................103 FIG. 6-13 VENTANA QUE SE DESPLIEGA EN EL MODO DE OPERACIÓN "MEDICIÓN DE VALORES INSTANTÁNEOS". ......104 FIG. 6-14 DESPLIEGUE DE LAS ARMÓNICAS OBTENIDAS DE CADA SEÑAL. ..................................................................105 FIG. 6-15 GRÁFICA DE LA FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE Y SU CONTENIDO ARMÓNICO. ............................................106 FIG. 6-16 RESULTADO DE LAS MEDICIONES REGISTRADAS EN ESTE MODO. ................................................................107 FIG. 6-17 PARÁMETROS DE INICIO DEL MODO MONITOREO DE EVENTOS ...................................................................108 FIG. 6-18 EVENTOS DETECTADOS ...............................................................................................................................109 FIG. 6-19 GRÁFICA DE UNA INTERRUPCIÓN MOMENTÁNEA DE VOLTAJE REGISTRADA................................................109 FIG. 6-20 AVISO DEL INICIO DEL MODO MEDIDOR DE ENERGÍA..................................................................................110 FIG. 6-21 ENERGÍA MEDIDA POR FASE Y EL PERIODO DE MEDICIÓN. ...........................................................................110


IV

FIG. 6-22 COMANDOS DEL SUBMENÚ UTILERÍAS........................................................................................................111 FIG. 6-23 VENTANA QUE INDICA QUE SE HAN CONECTADO LOS ELEMENTOS DEL SIMAC-I. ......................................111 FIG. 6-24 RESULTADO DEL AUTODIAGNÓSTICO DEL HARDWARE................................................................................112 FIG. 6-25 SELECCIÓN DEL PUERTO A UTILIZAR. ..........................................................................................................112 FIG. 6-26 VENTANA PARA SELECCIONAR LA INFORMACIÓN QUE SE BORRARÁ............................................................113 FIG. 6-27 VENTANA PARA ELEGIR LA PRUEBA PARA REPORTE....................................................................................114 FIG. 7-1 ESQUEMA DE CONEXIONES Y AMBIENTE DE PRUEBAS DE ACEPTACIÓN DEL SIMAC-I..................................117 FIG. 7-2 VENTANA DESPLEGADA TRAS LA CONEXIÓN ENTRE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA. .....................................118 FIG. 7-3 PROGRAMACIÓN DEL RELOJ DE TIEMPO REAL...............................................................................................119 FIG. 7-4 LECTURA DE FECHA Y HORA .........................................................................................................................119 FIG. 7-5 PROGRAMACIÓN DE LA FUENTE CMC252-3 PARA SIMULACIÓN DE UN CIRCUITO MONOFÁSICO ...................120 FIG. 7-6 DETECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN MONOFÁSICA POR EL SISTEMA SIMAC-I ..............................................121 FIG. 7-7 SIMULACIÓN DE CIRCUITO DELTA .................................................................................................................121 FIG. 7-8 RESULTADO DE LA CONFIGURACIÓN DETECTADA POR EL SIMAC-I.............................................................122 FIG. 7-9 SIMULACIÓN DE UN CIRCUITO TRIFILAR .......................................................................................................122 FIG. 7-10 CONFIGURACIÓN DETECTADA POR EL SISTEMA SIMAC-I. ..........................................................................123 FIG. 7-11 SIMULACIÓN DE CONFIGURACIÓN ESTRELLA. .............................................................................................123 FIG. 7-12 CONFIGURACIÓN ESTRELLA DETECTADA POR EL SIMAC-I........................................................................124 FIG. 7-13 SIMULACIÓN DE UN CIRCUITO CON CONEXIÓN NETWORK. ...........................................................................124 FIG. 7-14 DETECCIÓN DE CONEXIÓN NETWORK..........................................................................................................125 FIG. 7-15 PROGRAMACIÓN DE LA FUENTE CMC-252 PARA SIMULACIÓN DE UNA CONEXIÓN ESTRELLA, CON 0.5 A...126 FIG. 7-16 RESULTADO DE LA MEDICIÓN. ....................................................................................................................126 FIG. 7-17 SIMULACIÓN DE 1 AMPER CON 0, 30 Y 60 GRADOS DE DEFASAMIENTO. ......................................................127 FIG. 7-18 RESULTADO DE LA MEDICIÓN. ....................................................................................................................127 FIG. 7-19 SIMULACIÓN DE 3 AMPRERES Y DIFRENTES DEFASAMIENTOS.....................................................................128 FIG. 7-20 RESULTADO DE LA PRUEBA.........................................................................................................................128 FIG. 7-21 CIRCUITO CON 5 AMPERES DE CORRIENTE...................................................................................................129 FIG. 7-22 RESULTADO DE LA PRUEBA.........................................................................................................................129 FIG. 7-23 RESULTADO DE LA MEDICIÓN. IA, IB E IC = 0.5 A. ......................................................................................130 FIG. 7-24 RESULTADO DE LA PRUEBA. CORRIENTE 1 A. .............................................................................................131 FIG. 7-25 RESULTADO DE LA PRUEBA. CORRIENTE 3 A. .............................................................................................131 FIG. 7-26 RESULTADO DE LA PRUEBA CON 5 AMPERES DE CORRIENTE. ......................................................................132 FIG. 7-27 DESPLIEGUE TABULAR DE LA MAGNITUD DE CADA ARMÓNICA, PARA CORRIENTES DE 5, 3 Y 1 A. ..............133 FIG. 7-28 MAGNITUD DE FASE PARA CADA ARMÓNICA. ..............................................................................................133 FIG. 7-29 FRECUENCIA DE CADA ARMÓNICA. .............................................................................................................134 FIG. 7-30 GRÁFICA DE LA FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE A Y SU RESPECTIVO CONTENIDO ARMÓNICO. ....................134 FIG. 7-31 GRÁFICA DE LA FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE A Y SU RESPECTIVO CONTENIDO ARMÓNICO. .............135 FIG. 7-32 EJEMPLO DE UNA SEÑAL DISTORSIONADA MEDIDA CON EL SIMAC-I. ........................................................135 FIG. 7-33 CONFIGURACIÓN DEL INICIO DEL MODO DE DETECCIÓN DE EVENTOS........................................................136 FIG. 7-34 LECTURA DE REGISTRO DE EVENTOS...........................................................................................................136 FIG. 7-35 DETECCIÓN DE UNA INTERRUPCIÓN MOMENTÁNEA. ...................................................................................137 FIG. 7-36 DETECCIÓN DE UN DISTURBIO TIPO SAG ......................................................................................................137 FIG. 7-37 EJEMPLO DE OTRO DISTURBIO TIPO SAG DETECTADO...................................................................................137 FIG. 7-38 DETECCIÓN DE UNA INTERRUPCIÓN MOMENTÁNEA ....................................................................................138 FIG. 7-39 DETECCIÓN DE UN DISTURBIO TIPO SWELL..................................................................................................138 FIG. 7-40 RESULTADO DE LA PRUEBA DE MEDICIÓN DE WH. ......................................................................................139

- V -

Lista de Tablas

TABLA 2-1 VARIABLES ELÉCTRICAS MEDIDAS EN CADA TIPO DE CIRCUITO. ................................................................14 TABLA 2-2 ECUACIONES USADAS PARA LA MEDICIÓN DIGITAL DE VARIABLES ELÉCTRICAS........................................15 TABLA 2-3 CLASIFICACIÓN DE LA IEC DE LOS PRINCIPALES DISTURBIOS GENERADOS POR FENÓMENOS

ELECTROMAGNÉTICOS. .........................................................................................................................................17 TABLA 3-1 CONFIGURACIONES ELÉCTRICAS TÍPICAS...................................................................................................22 TABLA 4-1 ASIGNACIÓN DE TERMINALES DEL MICROCONTROLADOR AT89C52 .........................................................38 TABLA 4-2 CONFIGURACIÓN DE LOS REGISTROS DEL UART DE MICROCONTROLADOR................................................40 TABLA 4-3 DIRECCIONAMIENTO GENERAL DEL HARDWARE ........................................................................................46 TABLA 4-4 DIRECCIONAMIENTO DE PERIFÉRICOS ........................................................................................................46 TABLA 4-5 DIRECCIONAMIENTO DEL RELOJ DE TIEMPO REAL MM58274C...............................................................46 TABLA 5-1 VALORES PARA DELIMITAR LA DETECCIÓN DE DISTURBIOS ........................................................................60 TABLA 5-2 ARCHIVOS QUE FORMAN EL SOFTWARE DE APLICACIÓN DEL SIMAC-I .......................................................78 TABLA 5-3 ARCHIVOS QUE FORMAN EL SOFTWARE DE LA IHM DEL SIMAC-I............................................................86


VI

-1 -

Capítulo Uno

Introducción

La red eléctrica de distribución está dividida en varios circuitos o ramales, los

cuales son los que entregan la electricidad a una zona industrial, comercial o

residencial. En cada una de estas zonas se tienen diferentes configuraciones de los

circuitos, las cuales se clasifican de acuerdo con su conexionado y número de fases en

monofásicos, bifásicos o trifásicos y en base a los niveles de voltaje en baja, media y

alta tensión.

La clasificación de los circuitos de acuerdo con los niveles de voltaje es de la

siguiente manera: para baja tensión se consideran todos los circuitos cuyos voltajes

nominales son menores a 1000 Vca; para media tensión, los que son mayores o

iguales a 1000 Vca pero menores a 100,000 Vca y para alta tensión cuando sus

voltajes nominales están en el rango de 100,000 a 230,000 Vca[1]. En México los

valores más comunes de voltaje para cada uno de estos grupos son los siguientes: 69,

120, 240 o 480 volts en baja tensión; 2400, 4160, 6600, 13800, 23000 y hasta 34500

volts en media tensión y 115, 138, 150, 161, 230 y 400 Kilovolts para alta tensión[2].

La calidad y el buen estado de estos circuitos son muy importantes para el

usuario y para la compañía de electricidad que suministra la energía, ya que para el

primero, un buen servicio de electricidad significa que sus sistemas, equipos y


2

aparatos operarán correctamente; mientras que para la compañía de electricidad, los

circuitos o instalaciones eléctricas en mal estado se traducen en pérdidas de energía y

por lo tanto en pérdidas económicas.

Un circuito o instalación eléctrica debe estar en buenas condiciones físicas y de

suministro. Físicamente, significa que las conexiones deben estar configuradas

correctamente, esto es, las fases, neutro y tierra física deben estar alambradas de

acuerdo con lo indicado por las normas o reglas de las instalaciones eléctricas. Un

ejemplo de esto es la secuencia de fases, si las conexiones respectivas corresponden a

cada una de las fases (A, B y C), los equipos trifásicos conectados a esta instalación

operan correctamente, pero si las conexiones no son las adecuadas (C, B y A) un

motor por ejemplo, operará incorrectamente ya que girará de manera invertida. Así

mismo, la compañía de electricidad tiene conectados a estos circuitos equipo de

medición, con el cual factura la energía consumida por el usuario; por lo que de la

misma forma que los motores se ven afectados por la conexión errónea de las fases, la

medición de los equipos será incorrecta, y por consecuencia la facturación será

errada.

En cuanto al suministro, un circuito eléctrico debe cumplir con los requisitos

establecidos por la normatividad; el nivel del voltaje entregado y su frecuencia deben

estar dentro de un rango permitido y la forma de onda de este voltaje debe ser

senoidal; el defasamiento entre la corriente y su voltaje debe ser el adecuado ya que

esto se refleja en la medición de la energía consumida y por lo tanto en la facturación

por parte de la compañía de electricidad. Otro punto, es el contenido armónico que

pueden tener las señales de voltaje y corriente; ya que si es alto, la forma senoidal de

dichas señales estará distorsionada y causará mediciones erróneas y posibles daños o

mala operación de equipos[3].

Por lo anterior, es necesario verificar periódicamente el estado de los circuitos

eléctricos y los equipos de medición utilizados, con la finalidad de poder detectar y

Introducción

- 3 -

corregir oportunamente las fallas que éstos tengan y por lo tanto minimizar las

consecuencias que éstas provocan. Por tal motivo es necesario contar con los equipos

o aparatos adecuados para medición y diagnóstico de circuitos eléctricos.

1.1 Antecedentes

Actualmente el estado del arte, en cuanto a equipos de medición y de

diagnóstico de circuitos eléctricos es relativamente extenso, ya que existe una amplia

variedad de equipos, aparatos y sistemas comerciales de diversas marcas para tal

propósito. Dicha variedad de equipos abarca desde aparatos que únicamente miden

los parámetros involucrados en los circuitos eléctricos, hasta sistemas que pueden

estar monitoreando uno o varios circuitos y almacenar eventos que puedan ocurrir en

ellos. Ejemplos de estos equipos pueden ser los voltímetros y amperímetros digitales,

osciloscopios, registradores de eventos, analizadores de armónicas y espectro,

sistemas de monitoreo de circuitos con despliegues gráficos y analizadores de

disturbios.

El funcionamiento de algunos de estos equipos consiste solamente en

desplegar numéricamente las mediciones realizadas, dando al operador el trabajo de

hacer las anotaciones de lecturas y posteriormente el análisis de tales datos; otros

tienen la capacidad de presentar los resultados gráficamente, lo cual facilita su

diagnóstico. Y el otro grupo de estos equipos, además de todo lo que realizan los ya

citados, pueden almacenar la información en discos para computadora y así poder

analizar y archivar los datos obtenidos en el monitoreo de un circuito.

Los equipos de mayor grado de complejidad, son aquellos que pueden ser

programados para estar conectados a un circuito monitoreando sus parámetros y que

al momento de ocurrir un evento en alguna señal (por ejemplo un transitorio en el


4

voltaje) guardar los datos de la forma de onda de la señal donde ocurrió el evento, la

fecha y hora de ocurrencia y la magnitud de dicho disturbio.

En cuanto a la tecnológica utilizada en estos equipos, principalmente se basan

en sistemas digitales; que van desde microprocesadores y sistemas de conversión

analógica a digital, circuitos custom, procesadores DSP (Digital Signal Processors) y

algunos con sistemas de doble procesamiento; uno para la adquisición y digitalización

de las señales y el otro para procesamiento, cálculo de parámetros y aplicación de

algoritmos matemáticos.

La problemática que se presenta es que todos los equipos, aparatos y sistemas

existentes son de fabricación extranjera, por lo que las compañías de electricidad

nacionales deben adecuar sus procedimientos de verificación de los circuitos o

instalaciones eléctricas a la operación de estos equipos. O si requieren que algún

sistema se adapte a sus propios requerimientos para ejecutar sus inspecciones,

resulta económicamente a un costo muy alto.

Por tal motivo, el desarrollo del sistema de medición propuesto, pretende

utilizar las tecnologías actuales aplicadas en este tema, al igual que los algoritmos de

medición y procesamiento de las señales. Pero con el objetivo de ser un sistema

diseñado a la medida de la red eléctrica nacional; esto es, basado en los

procedimientos y manuales de inspección y verificación utilizados por las compañías

de electricidad nacionales, y adecuado a los tipos de conexiones y voltajes nominales

de los circuitos de la red eléctrica, y en menor grado de importancia, en nuestro propio

idioma, lo que facilita asimilar su operación y análisis de las mediciones realizadas.

Introducción

- 5 -

1.2 Objetivo del trabajo

El objetivo que se propuso para el desarrollo del presente trabajo fue diseñar y

construir un sistema de medición digital de parámetros eléctricos de CA para

instalaciones de baja y media tensión; tales como voltaje, corriente, potencias

aparente, activa y reactiva, factor de potencia, ángulos de defasamiento y

componentes armónicas. Con el fin de utilizar dicha información para analizar y

diagnosticar los circuitos eléctricos de media y baja tensión, particularmente los de la

red eléctrica nacional.

También se planteó que el sistema de medición digital debería estar integrado

por un módulo electrónico para la adquisición digital, almacenamiento y pre-

procesamiento de datos y una computadora personal para el despliegue y manejo de la

información obtenida.

1.3 Meta del trabajo

La meta fijada para el término del presente trabajo es el desarrollo de un

sistema de medición de variables eléctricas, que pueda digitalizar las señales de voltaje

y corriente de una instalación monofásica o polifásicas, y a partir de ello calcular los

valores RMS de los voltajes y corrientes presentes; las potencias activas, reactivas y

aparentes; los ángulos de defasamiento, el factor de potencia y el contenido armónico

de cada señal (voltaje y corriente).

El propósito de lo anterior es obtener la información necesaria para evaluar o

diagnosticar el estado de los circuitos o instalaciones eléctricas y sus equipos de

medición y así coadyuvar en la evaluación de la calidad de la energía en ellos.

El sistema de medición originalmente propuesto consiste de dos elementos

principales: el módulo electrónico de adquisición y medición y una computadora


6

portátil. El primero contempla el desarrollo de hardware y software; compuesto de uno

o varios módulos electrónicos basados en electrónica digital, el cual debe realizar las

funciones de digitalización de las señales analógicas (voltaje y corriente),

almacenamiento temporal de los datos adquiridos, pre-procesamiento de dichos datos

y envío de información a la Computadora Personal.

El segundo elemento, una computadora portátil y el software de la Interfaz

Hombre-Máquina, con la cual se controla y coordina todas las tareas que realice el

sistema. Su función principal será: el procesamiento de las señales digitalizadas para

obtener valores de medición, almacenamiento permanente de información, historiales

de pruebas, despliegue de datos y generación de reportes.

Por lo tanto, el producto final comprometido al término del presente trabajo es

la obtención de un equipo electrónico capaz de poder monitorear y medir las variables

involucradas en un circuito eléctrico de media y baja tensión, que estará integrado por

lo siguiente:

1. Módulo electrónico de adquisición y procesamiento de datos.

2. Computadora portátil con Interfaz Hombre Máquina.

3. Arneses para interconexión a los voltajes y corrientes.

4. Gabinete o envoltura mecánica tipo industrial para el módulo de medición.

1.4 Contenido del documento

El presente documento contiene la información referente al trabajo de tesis

cuyo titulo es Sistema de Medición digital de parámetros eléctricos, para análisis y

diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión. Y está organizado de la

siguiente manera:

Introducción

- 7 -

En el segundo capitulo, se describen los conceptos básicos de un circuito

eléctrico, sus configuraciones y su clasificación práctica en función del nivel de voltaje

nominal. También se incluyen las variables involucradas en dichos circuitos y las

expresiones matemáticas que se utilizan para que digitalmente se determinen o midan

los valores de cada parámetro eléctrico. Además se presenta una breve introducción al

concepto que en los últimos años ha preocupado tanto a los prestadores y generadores

del servicio eléctrico como a los usuarios; esto es la calidad de la energía

En el capitulo tres, se describe de manera general el sistema de medición y la

especificación técnica que se generó con la información que se obtuvo del análisis

inicial de los circuitos eléctricos. Ésta especificación sirvió de base para el diseño de

los módulos electrónicos del sistema, el desarrollo del software de aplicación y de la

Interfase Hombre-Maquina.

En el capítulo cuatro, se presenta la descripción del diseño del hardware del

sistema con todos los sub-módulos que lo integran.

En el capítulo cinco, se describe el diseño y la implementación del software de

aplicación que reside en el sub-módulo de procesamiento del equipo y el software de

la Interfase Hombre Máquina (IHM) que se ejecuta en la computadora y que efectúa la

coordinación y el control de todas las funciones del sistema.

En el capítulo seis, se describe el manejo del sistema de medición, su ínter-

conectividad a los circuitos bajo prueba, la ejecución de las pruebas y su ambiente. En

los capítulos finales, 7 y 8, se presentan las pruebas, resultados y conclusiones del

trabajo respectivamente.

En los anexos se muestra el diagrama eléctrico del módulo electrónico, lista de

componentes y sus hojas de datos correspondientes y la bibliografía y referencias

técnicas consultadas.


8

-9 -

Capítulo Dos

Descripción de circuito eléctrico

Los circuitos eléctricos de la red eléctrica de distribución nacional pueden

encontrarse en la práctica en diferentes configuraciones, las cuales pueden ser de una

sola fase y dos hilos (neutro y línea) o de dos o más fases y varios hilos, así mismo

dependiendo del nivel del voltaje nominal se catalogan en media o baja tensión.

Ahora bien, cada una de estas configuraciones se diferencian una de otra por el

número de fases, número de hilos, conexión de las fases y el defasamiento eléctrico

entre cada fase.

2.1. Configuraciones

Las configuraciones más comunes de los circuitos o instalaciones en una red de

distribución son las siguientes [4]:

! Monofásica

! Trifilar

! Delta

! Estrella

! Network


10

En las siguientes figuras se muestran los esquemas eléctricos de cada una de

estas configuraciones, así como sus voltajes nominales más usuales.

120 V

a)

120 V

120 V

240 V

b)

Fig. 2-1 a) Monofásica. Una fase, dos hilos b) Trifilar. Una fase, tres hilos

240 V

240 V

240 V

a)

208 V

208 V

120 V

120 V

208 V120 V

b)

Fig. 2-2 a) Delta. Tres fases, tres hilos b) Estrella. Tres fases, cuatro hilos

120 V

120 V

208 V

a)

240 V

240 V

240 V

120 V

120 V

208 V

b)

Fig. 2-3 a) Network. Dos Fases, Tres hilos b) Delta. Tres fases, cuatro hilos


- 11 -

2.2. Diagramas fasoriales

Las configuraciones de los circuitos descritos anteriormente, se identifican por

medio de su diagrama fasorial, ya que en él se muestran los voltajes que las

componen, el defasamiento entre cada uno de ellos y las corrientes resultantes por

cada fase.

En las siguientes figuras se presentan los diagramas fasoriales

correspondientes a los circuitos comunes de la red de distribución [5 y 6], en ellos se

aprecian las variables principales presentes en cada una de ellas, los cuales son Van,

Vbn y Vcn; voltajes entre cada fase (A, B y C) y neutro; Vab y Vcb voltajes entre las

fases (A y C) y un común (B), Ia, Ib e Ic corrientes por fase, Φ1, Φ2 y Φ3 ángulos de

defasamiento entre las corrientes y sus respectivos voltajes de fase.

Ic

VanIa

Ib

ΦΦΦΦ 1

ΦΦΦΦ 2

ΦΦΦΦ 3

VbnVcn

a)

b)

Fig. 2-4 a) Estrella, 3 fases, 4 hilos y b) Delta, 3 fases, 4 hilos

Ib

Ic

VanIa

ΦΦΦΦ 1

ΦΦΦΦ 3 ΦΦΦΦ 2 Vbc


12

a)

Van

Ia

Ib

ΦΦΦΦ1

ΦΦΦΦ2Vbn

b)

Fig. 2-5 a) Delta, 3 fases, 3 hilos y b) Network, tres hilos

VanIa

ΦΦΦΦ 1

a)

VanIa

Ib

ΦΦ ΦΦ1

ΦΦ ΦΦ2

b)

Fig. 2-6 a) Monofásica, 1 fase, 2 hilos y b) Trifliar, 1 fase, 3 hilos

Vcb

Ic

Vab Ia

ΦΦΦΦ 1

ΦΦΦΦ 2


- 13 -

a)

b) Fig. 2-7 Acometidas de circuitos eléctricos monofásico(a) y trifásico (b)

2.3. Variables eléctricas

Analizando la información que contienen los diagramas fasoriales de cada

configuración eléctrica, se deriva que las variables medidas directamente son los

voltajes entre fase y neutro o entre dos fases, las corrientes por fase y los ángulos de

defasamiento entre voltajes y corrientes. Por lo que, para obtener las potencias real,

aparente y reactiva; el factor de potencia; la energía consumida en un lapso

determinado y el contenido armónico de las señales, es necesario procesar las señales

descritas y efectuar algunos cálculos o algoritmos. En la siguiente tabla (Tabla 2.1) se

describen las variables eléctricas correspondientes a cada configuración del circuito

eléctrico [6].


14

Tabla 2-1 Variables eléctricas medidas en cada tipo de circuito.

TIPO DE CIRCUITO VARIABLES MEDIDAS

Estrella, 3F/4H Van, Vbn, Vcn, Ia, Ib, Ic, ΦVa-Ia, ΦVb-Ib y ΦVc-Ic1

Delta, 3F/3H Vab, Vcb, Ia, Ic, ΦVab-Ia y ΦVcb-Ic

Delta, 3F/4H Van, Vbc, Ia, Ib, Ic, ΦVa-Ia, ΦVbc-Ib y ΦVbc-Ic

Network, 2F/3H Van, Vbn, Ia, Ib, ΦVa-Ia y ΦVb-Ib

Monofásica, 1F/2H Van, Ia y ΦVa-Ia

Trifilar, 1F/3H Van, Vbn, Ia, Ib, ΦVa-Ia y ΦVb-Ib

A partir de las variables descritas, se calculan los siguientes parámetros

eléctricos:

• Potencias aparente, real y reactiva instantáneas

• Factor de potencia (balance o desbalance de fases)

• Secuencia de fases

• Diagrama fasorial

• Contenido armónico hasta la armónica número 20

• Distorsión armónica total (THD).

• Energía consumida (Watts/hora).

Así mismo, estos cálculos servirán para procesar las señales de voltaje y poder

detectar distorsiones que ocurran en dichas señales; las distorsiones pueden ser de

los siguientes tipos:

• Sag

• Swell

• Interrupciones momentáneas

• Transitorios

• Armónicas

1 Φ significa ángulo de defasamiento entre el voltaje y la corriente especificada


- 15 -

2.4. Medición digital

Para que un sistema o equipo de medición digital determine la magnitud de las

variables presentes en un circuito eléctrico, debe procesar la información digitalmente

de las señales de voltaje y corriente. Por lo tanto, deberá aplicar las ecuaciones

definidas para cada una de ellas. En la tabla siguiente (tabla 2.2) se presentan las

ecuaciones que rigen a las variables descritas anteriormente y que son aplicadas en

los sistemas de medición digital [7].

Tabla 2-2 Ecuaciones usadas para la medición digital de variables eléctricas.

Valor medido Ecuación Valor RMS o eficaz: ∑

−

==

1

0

21 N

iiV

NVrms

Donde: Vi = muestra de voltaje y corriente N = número de muestras

Valor máximo: VrmsV 2max = Potencia activa: ∑

−

==

1

0

1 N

iii IV

NW

Donde: Vi = muestra de voltaje Ii = muestra de corriente N = número de muestras

Potencia reactiva: ∑

−

=

=1

0

1 N

iji IV

NVAR

Donde: Vi = muestra de voltaje Ii = muestra de corriente defasada 90° N = número de muestras

Potencia aparente:

IrmsVrmsVA ×=

Factor de Potencia (fp): VA

WFP =

Angulo de fase: W

VARtg 1−=θ

Distorsión Armónica Total (THD): ∑

=

=H

h VVhTHD

2

2

1100

Donde: Vh = componente armónica de voltaje o corriente. h = número de armónica (1 a 20). V1 = valor de la fundamental.

Transformada de Fourier:

KnN

jenXkX

π2

)()(−+∞

∞−∑=

Donde: n = 0,1,2,3 ... N-1


16

2.5. Calidad de la energía

El término Calidad de la energía (traducido del termino en inglés Power Quality)

se refiere a una gran variedad de fenómenos electromagnéticos que caracterizan al

voltaje y la corriente en un tiempo dado y en un punto de un sistema eléctrico de

potencia [8].

Otra definición que se encuentra en la literatura correspondiente a este tema es

la siguiente: Calidad de la energía es cualquier problema manifestado en el voltaje,

corriente o desviación de la frecuencia que resulta en la falla o mala operación de

equipo eléctrico.

Aunque realmente el problema o estudio de estos fenómenos se aplica o se

refleja en la mayoría de los casos a la calidad del voltaje, esto debido a que en un

sistema de potencia se puede controlar únicamente la calidad del voltaje, mientras que

la corriente depende de la carga que se conecte. Por lo que los estándares aplicados a

la calidad de la energía están orientados al mantenimiento del voltaje suministrado

dentro de ciertos límites.

Los sistemas eléctricos de potencia de corriente alterna están diseñados para

operar como una onda senoidal a una frecuencia dada (típicamente a 50 o 60 Hz.) y a

una magnitud. Por lo que cualquier desviación significativa en la frecuencia,

magnitud, o pureza de la forma de onda es un problema potencial de la calidad de la

energía.

Para mantener dentro de los límites seguros la calidad de la energía en un

sistema eléctrico, se han realizado esfuerzos para estandarizar las definiciones de los

términos que corresponden a este tema. Las instituciones o comités que han trabajado

en dicha normatividad son principalmente: el comité coordinador de estándares

número 22 del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE SCC22). El


- 17 -

International Electrotechnical Commision (IEC) y el Congress Internationale des Grand

Réseaux Electriques a Haute Tension (CIGRE) [9].

En la siguiente tabla (2-3) se muestran los fenómenos electromagnéticos que la

IEC ha clasificado de acuerdo a su naturaleza [8].

Tabla 2-3 Clasificación de la IEC de los principales disturbios generados por fenómenos electromagnéticos.

Armónicas, Interarmónicas

Sistemas de señal (power line carrier)

Fluctuación del voltaje

Variación del voltaje e interrupciones

Voltajes desbalanceados

Variaciones a la frecuencia

Voltajes de baja frecuencia inducidos

Fenómenos conducidos en baja frecuencia

Voltaje de CD a una red de CA

Campos magnéticos Fenómenos radiados a baja frecuencia

Campos eléctricos

Formas de onda de voltaje y corriente

inducidos continuamente

Transitorios unidireccionales Fenómenos conducidos de alta frecuencia

Transitorios oscilatorios

Campos magnéticos

Campos eléctricos

Campos electromagnéticos

Formas de onda continuas

Fenómenos de alta frecuencia radiados

Transitorios

Fenómenos de descarga electrostática _

Pulsos electromagnéticos nuclear _


18

La presencia de cualquiera de los fenómenos descritos en la tabla anterior,

pueden ocasionar simples fallas en un circuito, alteraciones en la operación de un

equipo o sistema o daño a los mismos, mala operación en equipos de iluminación y

otros.

A continuación se presenta la definición de algunos términos relacionados con

la calidad de la energía [9].

! Distorsión, cualquier desviación de la onda senoidal normal de una señal de

corriente alterna

! Fundamental, la componente de orden 1 (50 o 60 Hz) de la serie de Fourier de una

señal periódica.

! Componente Armónica, una componente de orden mayor que una de las series de

Fourier de una señal periódica.

! Contenido armónico, la cantidad obtenida restando la componente fundamental de

una señal alterna.

! Distorsión armónica total, la razón de la raíz cuadrada del contenido armónico y la

raíz cuadrada del valor de la fundamental, expresada como un porcentaje de la

fundamental.

! Ruido, señal eléctrica no deseada la cual produce efectos indeseables en los

circuitos de un sistema de control.

! Transitorio, cambio repentino en frecuencia en las condiciones de estado estable del

voltaje o la corriente en ambas polaridades, positiva o negativa.

! Sag, decremento en el rango de 0.1 a 0.9 PU (valores por unidad) del valor rms del

voltaje con duración de 0.5 ciclos a un minuto.

! Swell, un incremento temporal en el valor rms del voltaje mayor al 10% del voltaje

nominal, con duración de 0.5 ciclos a un minuto.

! Notching, es un disturbio periódico en el voltaje, causado por la operación normal

de dispositivos de electrónica de potencia cuando la corriente es conmutada entre

una fase y otra.


- 19 -

En las figuras siguientes se ilustran formas de onda donde se ejemplifican

algunos de los disturbios generados por efectos electromagnéticos.

Fig. 2-8 Sag generado por una falla de línea a tierra.

Fig. 2-9 Swell generado durante una falla de linea a tierra


20

Fig. 2-10 Transitorio oscilatorio de baja frecuencia causado por un banco de condensadores.

Fig. 2-11 Notching generado por la operación de un convertidor

-21 -

Capítulo Tres

Sistema de Medición

El sistema de medición digital de parámetros eléctricos (que se ha denominado

Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos SIMAC-I), es un equipo

electrónico cuyo objetivo principal es determinar los valores y magnitudes de las

variables eléctricas involucradas en un circuito eléctrico clasificado de media o baja

tensión. Con el cual se pueda diagnosticar su estado operativo.

El SIMAC-I está integrado por dos elementos principales, como se muestra en la

figura 3-1, un modulo electrónico y una computadora personal portátil.

Arneses demedición

Fig. 3-1 Elementos del SIMAC-I


22

Considerando los aspectos prácticos y teóricos de los circuitos de la red

eléctrica abordados en los capítulos anteriores y los requerimientos y procedimientos

de verificación y prueba de las compañías de electricidad, se generó una especificación

técnica que comprende el aspecto funcional, eléctrico y de software, que debe cumplir

este sistema

3.1. Especificación funcional

Funcionalmente, el Sistema de Medición y Análisis de Circuitos SIMAC-I deberá

tener la capacidad de realizar mediciones y monitoreo en circuitos eléctricos cuyas

configuraciones se muestran en la tabla 3-1. Donde los voltajes nominales a medir en

dichos circuitos deben ser de 120 o 240 Vca y magnitudes de corriente comprendidas

en el rango de 0 a 100 Amperes. Cabe mencionar, que el sistema de medición se ha

definido que probará circuitos eléctricos en media tensión (voltajes mayores a 1000

Vca), esto debido a que en estos tipos de circuitos normalmente existen

transformadores de potencial y corriente que acondicionan los voltajes a 120 o 240

Vca y las corrientes en el rango de 0 a 5 Amperes.

Tabla 3-1 Configuraciones eléctricas típicas

diagnosticadas con el sistema SIMAC-I

TIPO DE CIRCUITO

Estrella, 3 fases, 4 hilos

Delta, 3 fases, 4 hilos

Delta, 3 fases, 3 hilos

Network, 2 fases, 3 hilos

Monofásica, 1 fases, 2 hilos

Trifilar, 1 fase, 3 hilos


- 23 -

Las variables eléctricas que el Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos

será capaz de medir o calcular son las siguientes:

! Voltajes y corrientes RMS o eficaz

! Potencias aparente, real y reactiva instantáneas

! Ángulos de defasamiento entre voltajes y corrientes

! Factor de potencia y ángulo total de defasamiento (desbalance de fases)

! Contenido armónico, hasta la número 20

! Distorsión armónica total (THD) por señal adquirida

! Watts hora en un periodo de tiempo especifico (máximo un mes)

! Secuencia de fases

! Graficación del diagrama fasorial resultante.

! Detección de disturbios (swells, sag y transitorios).

3.1.1. Modos de operación

La medición de las variables descritas se efectuará durante las diferentes

pruebas que con el SIMAC-I se pueden realizar, las cuales son las siguientes:

Medición de valores instantáneos; esta prueba consiste en realizar

mediciones de las variables eléctricas en sus valores instantáneos para determinar

eléctricamente en que estado se encuentra la instalación; las variables que se medirán

son:

• Voltajes y corrientes RMS y máximo.

• Ángulos de defasamiento entre estas señales.

• Potencias instantáneas totales.

• Graficación del diagrama fasorial.

• Detección de la secuencia de fases.

• Factor de potencia.


24

Analizador de armónicas; en este modo, el sistema de medición adquirirá de

manera digital las señales de voltaje y corriente y las procesará para obtener el

contenido armónico de cada una de ellas y la distorsión armónica total (THD), así

como la graficación de las formas de onda de las señales y su componente armónico.

Registrador de variables; en esta prueba se realizarán mediciones de los

valores instantáneos de las mismas variables numeradas en el primer modo de

operación, esta medición será durante cierto periodo de tiempo y se registrarán los

valores máximos, mínimos, promedio y actuales. También se graficarán las formas de

onda de cada señal.

Medidor de energía, en este modo el sistema medirá la energía consumida

(KWh) en un circuito eléctrico durante un determinado periodo de tiempo con la

finalidad de verificar que los medidores instalados en las instalaciones eléctricas

registran correctamente de acuerdo a su clase y grado de exactitud.

Monitor de eventos. En esta opción, el sistema de medición se conectará al

circuito eléctrico y estará monitoreando el comportamiento de las señales de voltaje y

corriente. Cuando detecte algún evento o disturbio en dichas señales, almacenará la

información del mismo, esto es, forma de onda, tiempo de ocurrencia y/o duración.

Los eventos que deberá detectar y registrar son Sags y Swells.

3.2. Especificación eléctrica

Con respecto a la parte eléctrica o hardware, el sistema de medición digital de

parámetros eléctricos (SIMAC-I) tiene un elemento que está dentro de este rubro, el

módulo electrónico, por lo que fue necesario generar una especificación como base del

diseño del mismo.


- 25 -

El Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos, SIMAC-I, debe

cumplir con lo siguiente.

! Procesamiento y control funcional basado en un microcontrolador.

! 6 canales de adquisición analógica.

! Capacidad de almacenamiento de información.

! Capacidad de enlace con una computadora portátil vía puerto serie RS-232.

! Reloj de tiempo real.

! Entradas y salidas digitales.

! Contador de pulsos.

! Capacidad de medir 3 señales de voltaje y 3 señales de corriente de manera

simultánea.

! Acondicionadores de señales de voltaje (rango de 0 a 260 Vca) y corriente

(rango de 0 a 5 Aca de manera directa y de 0 a 100 Aca. a través de

sensores).

! Fuente de alimentación de 90 a 260 Vca.

! Bajo consumo de corriente.

! Tamaño compacto del equipo.

! Componentes que operen en el rango comercial (0 a 70°C).

3.3. Especificación del software

Debido a que el sistema de medición está formado por un módulo electrónico y

una computadora portátil. Este tendrá dos tipos de software; el de la aplicación

(Firmware) que reside en el módulo de electrónico, y el de la Interfase Hombre

Máquina (IHM) que se ejecuta en la computadora. Por lo que al igual que el hardware,

se generó una especificación para cada tipo de software.


26

3.3.1. Software de aplicación

Este software estará basado en lenguaje ensamblador y debe realizar las

siguientes funciones:

! Control de la conversión de datos analógicos a digital.

! Generación de frecuencia de muestreo para la Adquisición de los datos.

! Almacenamiento de datos en memoria.

! Pre-procesamiento de datos.

! Comunicación con la IHM de forma serial y protocolo propietario.

! Detección de eventos.

! Ejecución de algoritmos de medición y detección.

! Diagnóstico de los componentes más importantes del módulo.

3.3.2. Software de la Interfase Hombre-Máquina

La Interfaz Hombre Maquina del Sistema de medición se ejecuta en ambiente

Windows y realiza las siguientes funciones:

! Comunicación con el hardware a través de un protocolo propietario.

! Almacenamiento de datos.

! Procesamiento y aplicación de algoritmos para calcular valores de algunas

variables.

! Aplicación de la Transformada Rápida de Fourier (FFT), para obtención del

contenido armónico de las señales.

! Almacenamiento y despliegue de resultados.

! Creación de gráficas.

! Generación de reportes.


- 27 -

3.4. Protocolo de comunicaciones La comunicación entre el módulo electrónico y la computadora personal se

realizará basándose en un protocolo de comunicaciones que garantice que los

mensajes y datos enviados por un elemento se reciban de manera correcta por el otro

y de esta manera tener la seguridad que la información procesada es correcta. Este

protocolo debe contener en su formato quién envía y quién debe recibir la información

que se transmite, así como el comando y los datos correspondientes; también se debe

incluir un algoritmo para detectar pérdida de datos o corrupción de los mismos.

El protocolo que se utilizará para enlazar el hardware con la IHM, será uno

propietario desarrollado en la Gerencia de Instrumentación y control del Instituto de

Investigaciones Eléctricas[14]. El cual cumple con lo especificado y tiene la siguiente

estructura:

Encabezado

Destino

Fuente

Comando Longitud Dato 1 ... Dato N Chksum

Encabezado: 04H

Destino: Dirección del equipo ha quien va dirigido el mensaje. 1 = IHM, 2 = Módulo Electrónico.

Fuente: Dirección del equipo que envía el mensaje 0 = IHM, 1 = Módulo Electrónico.

Comando: Código que indica el tipo de operación que se realizará. Longitud: Número de bytes enviados como datos del mensaje.

Dato 1 ... Dato N Datos del mensaje.

Chksum: Sumatoria módulo 2 de todos los bytes del mensaje


28

3.5. Especificación mecánica

El Sistema para Análisis de Circuitos SIMAC-I, debe estar contenido en una

envolvente mecánica que cumpla con lo siguiente:

• Tamaño compacto para tener un equipo portátil.

• Que cumpla con los requisitos de grado industrial, para que proteja la

electrónica de cualquier ambiente de operación.

• Puntos de conexión de fácil interconectividad.

• Material resistente a la corrosión.

-29 -

Capítulo Cuatro

Diseño del Hardware

Se describe el diseño del módulo electrónico, también llamado hardware

del sistema; en la figura siguiente se despliega el diagrama a bloques de la estructura

del Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos SIMAC-I, en ella se observan

sus elementos principales; Módulo electrónico, PC-IHM y los arneses de interconexión

al circuito trifásico bajo prueba.

####

N F1 F2 F3

Circuito Trifásico

Usuario

Módulo electrónico

IHM####

N F1 F2 F3

Circuito Trifásico

Usuario

Módulo electrónico

IHM

Fig. 4-1 Diagrama a bloques del SIMAC-I


30

4.1. Descripción General

Tomando como referencia las especificaciones funcionales y de hardware

descritas en el capítulo anterior, se realizó el diseño del módulo electrónico del

Sistema para Análisis de Circuitos Eléctricos. En la figura 4.2 se ilustra el diagrama a

bloques del mismo, mientras que la figura 4.3 muestra el prototipo del SIMAC-I en su

gabinete.

AC ONDICIONADORESDE VOLTAJE

TARJETA DE MEDICIÓN Y PROCES AMIENTO

FTE. DEALIM.

AC ONDICIONADORESDE CORRIENTE

A LOS VOLTAJESDEL CTO.

A LAS CORRIENTESDEL CTO.

PTO. SERIE RS-232

ENTRADAS YSALIDAS

DIGITALES

TABLERO DE CONTROL

A LA IHM

ENVOLVENTE MECANICA



TARJETA DE MEDICIÓN Y PROCES AMIENTO

FTE. DEALIM.



A LOS VOLTAJESDEL CTO.

A LAS CORRIENTESDEL CTO.

PTO. SERIE RS-232

ENTRADAS YSALIDAS

DIGITALES

ENTRADAS YSALIDAS

DIGITALES

TABLERO DE CONTROL

A LA IHM

ENVOLVENTE MECANICA

Fig. 4-2 Diagrama a bloques del hardware del Sistema de Medición y Análisis SIMAC-I.


- 31 -

Fig. 4-3 Sistema de Medición y Análisis de Circuito SIMAC-I


32

Los elementos que integran el hardware del SIMAC-I, son los siguientes:

Tablero de control; aloja las interfases que interactúan con el exterior del equipo y

permite señalizar los estados de operación del mismo. Sus interfases son:

• Interfase serial RS-232. Para conexión con la computadora.

• Interfases de conexión para medición (voltajes y corrientes).

• Indicadores de operación.

Acondicionadores de señal; son los dispositivos que se utilizan para sensar las

señales de voltaje (Transformadores de potencial) y corriente (ganchos y

transformadores). Se tiene tres unidades de cada sensor, para cubrir todos los tipos de

circuitos eléctricos.

Tarjeta de medición y procesamiento: es el elemento principal del sistema de

medición SIMAC-I, ya que en él se encuentra la unidad de procesamiento, la etapa de

adquisición digital de las señales, el espacio de almacenamiento de los datos

adquiridos y el reloj de tiempo real; desde esta tarjeta se realiza la coordinación

general del hardware.

Fuente de alimentación: proporciona los voltajes de operación de la tarjeta de

medición y procesamiento. Sus características son las siguientes: Entrada de 90 a 260

Vca y salidas de ±15 Vcd @ 1 Amper.

Arneses externos: adicionalmente a los bloques que forman el SIMAC-I, se tiene los

siguientes arneses externos:

• De voltaje. Un juego de 4 conectores tipo pellizquetas para conexión a

los puntos de medición de voltaje.


- 33 -

• De corriente. Juego de 3 arneses para conexión a los puntos de medición

de corriente (el punto de conexión puede ser un conector tipo plug

conocido como dedo tonto o un gancho de corriente).

4.2. Acondicionamiento de voltaje

Los niveles de voltaje que el sistema SIMAC-I mide están comprendidos en un

rango de 0 a 240 Vrms, mientras que los niveles aceptables en la tarjeta de medición y

procesamiento es del orden de 0 a 5 Volts de CD, por lo que es necesario acondicionar

estas señales.

Considerando el valor pico-pico del voltaje y las variaciones del mismo, se

definieron los siguientes requerimientos:

1. Rango de medición de ± 400 Volts.

2. Rango de entrada de la tarjeta de medición y procesamiento -10 a 10 Vcd.

3. Relación de transformación requerida es 40:1.

Para cumplir con lo anterior se eligió utilizar transformadores de potencial para

medición, ya que tiene como principal ventaja el aislamiento que presenta a la

siguiente etapa de acondicionamiento. Las características de estos transformadores

son: voltaje primario 0 a 240 Vrms y voltaje en el secundario 0 a 6 Vrms, con una

exactitud de 0.3%.

Para acoplar la impedancia del secundario de estos transformadores con la

impedancia de entrada de la etapa de conversión de la tarjeta de procesamiento, se

utilizó un amplificador operacional (LM347) configurado como seguidor. En la figura

4.4 se muestra este circuito de acondicionamiento.


34

+

-

TP

0 - 6 Vac0 - 240 Vac

Fig. 4-4 Sensado y acondicionamiento de voltaje

4.3. Acondicionamiento de corriente.

El rango que se ha especificado en la medición de corriente es de 0 a 100

Amperes RMS, debido a que este rango es muy grande, se utilizarán ganchos de

corriente comerciales con las siguientes características:

1. Rango de medición 0 a 100 Arms.

2. Salida en corriente con una relación de 50mA por 1A sensado, lo que

equivale a un rango de 0 a 5 A.

De acuerdo con lo señalado, el módulo electrónico del SIMAC-I debe tener la

capacidad de sensar directamente corriente en el rango de 0 a 5 Arms. Para este

caso se decidió utilizar transformadores de corriente tipo dona y un convertidor

de corriente a voltaje, implementado con un amplificador operacional, con el

objetivo de proporcionar la señal correcta al convertidor analógico a digital.

La figura no. 4.5 muestra el circuito diseñado para sensar y acondicionar las

señales de corriente.


- 35 -

+

-

1K

0 - 5 Vac

0 - 5 AacSensor de corriente

Fig. 4-5 Sensado y acondicionamiento de corriente.

4.4. Tarjeta de medición y procesamiento

La tarjeta de medición y procesamiento, es un módulo electrónico cuya función

principal es el control y procesamiento de las distintas pruebas que el sistema de

medición y análisis SIMAC-I puede realizar. Su función consiste, de manera general en

enlazar el equipo con el operador, por medio de la computadora personal que contiene

la Interfase Hombre-Máquina (IHM); recibir el comando de la prueba o modo de

operación elegido, preparar las condiciones para efectuar correctamente dicha prueba,

ordenar la adquisición de datos, recolectar los datos adquiridos, preprocesarlos y

enviarlos a la IHM para que ésta concluya el procesamiento y almacenamiento de

datos y despliegue el resultado de las mediciones.

4.4.1. Arquitectura.

El hardware de la tarjeta de medición y procesamiento, está formada por varios

bloques o circuitos electrónicos que realizan las diferentes operaciones de la tarjeta.

Dichos bloques se describen a continuación y se ilustran en la figura 4.6.


36

CPU

RTR

RAM

ADC Va – Vb - Vc

Ia - Ib - Ic

Comunicación serial

Señales Digitales

UART

Fig. 4-6 Arquitectura de la tarjeta de medición y procesamiento

Los bloques que integran a la tarjeta de procesamiento son los siguientes:

! CPU

! Memoria RAM

! Puerto de comunicación serie

! Reloj de tiempo real (RTR)

! Señales digitales de entrada o salida

! Conversión de datos analógicos a digital (ADC).


- 37 -

4.4.1.1. CPU y memoria RAM.

El bloque de CPU, está formado por el microcontrolador AT89C52 (U3), el Buffer

latch 74HC373 (U2), el circuito de RESET" (D1, R2, C4 y SW1) y el decodificador de

74HC138 (U7) para direccionamiento de memoria.

El microcontrolador AT89C52 tiene la capacidad para controlar los periféricos

de la tarjeta, su velocidad de operación elegida es de 11.0592 Mhz (16 Mhz máxima).

Sus características principales son las siguientes:

! 8K Bytes de memoria flash reprogramable, aquí reside el software de aplicación.

! 256 x 8 bits de memoria RAM interna, se utiliza para almacenar temporalmente la

información adquirida y procesada.

! Puerto serie programable, que es utilizado para tener el enlace con la PC.

! Tres temporizadores\contadores (T0, T1 y T2) de 16 bits, T0 se utiliza para generar

el periodo de muestreo de la adquisición de datos, T1 es utilizado para la

generación de la velocidad de comunicación serie (Bits por segundo) del puerto

serie y T2 para generar el reloj de operación del convertidor analógico a digital.

El bloque de CPU, también tiene control sobre los demás bloques de la tarjeta,

tales como lecturas y escrituras de datos, arranque y paro de operaciones y

programación de funciones. Como operación fundamental del CPU está la adquisición

y procesamiento de los datos adquiridos de los voltajes y corrientes de los circuitos

bajo prueba, para así obtener las mediciones requeridas.


38

La asignación de las terminales del microcontrolador en este diseño es la

siguiente:

Tabla 4-1 Asignación de terminales del microcontrolador AT89C52

No. De terminal Asignación Función

1 T2 (P1.0) Timer 2, generador del reloj de operación del convertidor

analógico a digital (ADC).

6 INT(P1.5) Línea para detectar señal de fin de adquisición del ADC.

9 RST Línea para reset del microcontrolador

10 RXD (P3.0) Línea de recepción del puerto serie

11 TXD (P3.1) Línea de transmisión del puerto serie

13 INT1 (P3.3) Línea para detección de la señal de interrupción del reloj de

tiempo real.

14 T0 (P3.4) Timer 0, contador de pulsos o entrada/salida de uso general.

Internamente se usa para generar el periodo de muestreo.

15 T1 (P3.5) Timer 1, contador de pulsos o entrada/salida de uso general.

Internamente es el generador de Baud Rate del puerto serie.

16 WR (P3.6) Línea para escritura a periféricos

17 RD (P3.7) Línea para lectura a periféricos

21-28 A8 A15 Bus de direcciones, parte alta

32-39 D0-D7 Bus de direcciones, parte baja y datos

La memoria RAM está constituida por el circuito IDT71256SA12Y (U1), y su

función es el almacenamiento de datos para procesamiento o para hacer la

transferencia de datos adquiridos hacia la IHM. Su capacidad de almacenamiento es

de 32 Kbytes.


- 39 -

En la figura siguiente, se muestran los elementos que forman este bloque y su

interconexión eléctrica.

A15

A0

A11

A1A2

A10

U2

74HC373

111

20

256912151619

3478

13141718

OELE

VCC

1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q

1D2D3D4D5D6D7D8D

CSRTRCONV

A5

A13

D5

A12

D4Y116 M

A13

A15

A14

A3

A14

C4

10uF

U3 AT89C52

9

18

19

2930

31

12345678

2122232425262728

1011

1213

1415

1617

3938373635343332

RST

XTAL2

XTAL1

PSENALE/PROG

EA/VPP

P1.0/T2P1.1/T2-EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7

P2.0/A8P2.1/A9

P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15

P3.0/RXDP3.1/TXD

P3.2/INTOP3.3/INT1

P3.4/TOP3.5/T1

P3.6/WRP3.7/RD

P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7

D7

U8A

74HC00

1

23

D6

U7

74HC138

151413

123

645

111097

12

Y0Y1Y2

ABC

G1G2AG2B

Y4Y5Y6Y7

Y3

C6

22 pF

A9

+5V

A15

RSTAD

A12

D2D3

A10

+5V

A8

+5V

+5V

U8B

74HC00

4

56

C733pF

CSAD

+5V

D1

A9

A14

A6

R28.2 K

A12

RP110K X 8

D0

A8

U1

AT29C256

109876543

252421232

261

20

2227

1112131516171819

28

14

A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14

CE

OEWE

D0D1D2D3D4D5D6D7

VCC

GND

D1

A11

A15

SW1 A4

A7

A13

Fig. 4-7 Diagrama eléctrico del CPU y memoria

4.2.1.2. Puerto de Comunicación serie

Este bloque está formado por el Transmisor/Receptor Universal Asíncrono

(UART por sus siglas en inglés) o puerto de comunicación serie integrado en el

microcontrolador y el convertidor de señal TTL a la señales de la norma RS-232,

MAX233 (U4).

Este puerto está dedicado a interconectar la tarjeta de procesamiento con la PC,

como interfaz hombre-máquina; su salida es RS-232 y su configuración es de 19200

BPS, 8 bits de datos, un bit de paro y sin paridad.


40

La programación de los registros internos del microcontrolador correspondiente

al UART es la siguiente:

Tabla 4-2 Configuración de los registros del UART de microcontrolador.

VALOR REGISTRO BINARIO HEXADECIMAL

DESCRIPCIÓN

TMOD 0010XXXX 2XH Timer 1 como contador de 8 bits en modo recarga

SCON 0101 0000 50H Modo 1 (8 bits de datos y baud rate variable) recepción habilitada

SMOD 1000 0000 80H Doble baud rate

TH1 0FDH Valor parte alta del timer 1 TL1 0 Valor parte baja del timer 1

Los valores de TH1 se determinan por la siguiente ecuación:

BPSFoscKTH×

×−=384

.2561

Donde:

K = 2, baud rate doble

Fosc. = frecuencia de operación del microcontrolador (11.0592 Mhz.)

BPS = velocidad requerida (19200).

4.2.1.3. Reloj de tiempo real

El reloj de tiempo real (RTR), tiene como función proporcionar hora y fecha de

inicio o terminación de algunas pruebas o tiempo de ocurrencia de algunos eventos.

Está formado por el circuito MM58274 (U6), la operación del RTR es programada por

el CPU en hora y fecha actual; la lectura del tiempo es directa a los registros del

circuito y en cualquier momento. Para la aplicación del CPU, el MM58274 se programa

en una hora y fecha fija, cada vez que el hardware es inicializado y por medio de un

comando enviado desde la IHM se programa la fecha y hora actual.


- 41 -

El algoritmo de programación del reloj de tiempo real en el CPU es el siguiente:

1. Deshabilitar la interrupción; escribir 0FH al registro de control (dirección 00H).

2. Limpiar interrupciones programadas; escribir 0H al registro de interrupción

(dirección 0FH).

3. Poner el RTR en modo de prueba, seleccionar registro de programación del reloj y

detener interrupción; escribir 5H al registro de control (dirección 00H).

4. Programar modo de horas (12 o 24 hrs.); escribir 01H al registro de programación

del reloj (dirección 0FH).

5. Programar la hora y fecha; escribir los datos en el siguiente orden:

! unidades de segundo (dirección 02H)

! décimas de segundo (dirección 03H)

! unidades de minutos (dirección 04H)

! décimas de minutos (dirección 05H)

! unidades de hora (dirección 06H)

! décimas de hora (dirección 07H)

! unidades de día (dirección 08H)

! décimas de día (dirección 09H)

! unidades de mes (dirección 0AH)

! décimas de mes (dirección 0BH)

! unidades de año (dirección 0CH)

! décimas de año (dirección 0DH)

! día de la semana (dirección 0EH)

6. Iniciar operación del reloj; escribir 0H al registro de control (dirección 00H).


42

Después de programada la fecha y hora, el reloj se puede leer en cualquier

momento y la forma de hacerlo es accesando el registro de lectura y leyendo cada dato

en el orden descrito en el punto 5. En la figura siguiente se muestra el diagrama

eléctrico del reloj de tiempo real.

U6

MM58274C

1

3

16 8

2

1514

12

91011

7654

13

CS

WR

VCC GND

RD

XINXOU

AD0

AD3AD2AD1

D B0D B1D B2D B3

INTA1

D2

C SRTR

A3

D0

P3.7

P 3.3

Y 1

32Kh

P 3.6

C 10

22 pF+5V

A0

A2

D1

C9 22pF

D3

Fig. 4-8 Diagrama eléctrico de detalle del Reloj de Tiempo real (RTR).

4.2.1.4. Conversión analógica a digital.

La etapa de conversión de datos analógicos a digitales está formada por seis

convertidores integrados en un solo circuito, el ADS7864 (U9) y por una etapa de

acondicionamientos de señales (U11 y U12) cuya función es acondicionar las señales

provenientes de los transductores de voltaje y corriente de entrada. La figura 4-9

ilustra el esquema de esta etapa.


- 43 -

Fig. 4-9 Esquema de la etapa de conversión analógica a digital

Principales características del convertidor analógico a digital (ADC):

! 6 canales de entrada, agrupados en tres pares.

! Conversión simultánea por grupo de canales.

! Código para indicar conversión errónea.

! 12 bits de resolución.

! Interfase paralela de 8 o 16 bits programable.

! Rango de conversión de 0 a +5 volts (unipolar).

! Frecuencia de operación máxima de 8 Mhz.

! Lectura de datos por FIFO.

! Montaje superficial.

La etapa de acondicionamiento que se muestra en la figura 4-9 es adicional a la

descrita en las secciones 4.2 y 4.3. Debido a que los sensores y la primera etapa de

acondicionadores proporcionan una señal de 6 Vca, que significa un valor máximo

Bus de datos Bus de datos Bus de datos Bus de datos y y y y

direccionesdireccionesdireccionesdirecciones

Acondicionamiento Acondicionamiento Acondicionamiento Acondicionamiento 1a. etapa1a. etapa1a. etapa1a. etapa

V1V1V1V1

I1I1I1I1

V2V2V2V2

I2I2I2I2

V3V3V3V3

I3I3I3I3

ADS7864ADS7864ADS7864ADS7864

Acondicionadores Acondicionadores Acondicionadores Acondicionadores 2a. etapa2a. etapa2a. etapa2a. etapa

Bus de datos Bus de datos Bus de datos Bus de datos y y y y

direccionesdireccionesdireccionesdirecciones


V1V1V1V1

I1I1I1I1

V2V2V2V2

I2I2I2I2

V3V3V3V3

I3I3I3I3




V1V1V1V1V1V1V1V1

I1I1I1I1I1I1I1I1

V2V2V2V2V2V2V2V2

I2I2I2I2I2I2I2I2

V3V3V3V3V3V3V3V3

I3I3I3I3I3I3I3I3




44

aproximado de ±8.5 Vcd. También dentro de las características del ADC se menciona

que el rango de entrada en el modo simple (conocido típicamente como single-ended)

es de 0 a +5Vcd. Por lo que es necesario agregar otra etapa de acondicionamiento a las

señales entregadas por los acondicionadores de entrada.

Esta segunda etapa de acondicionamiento se implementó en cada señal con un

circuito divisor y sumador de voltaje, tal y como se ilustra en la figura 4-10. Para esta

configuración de los amplificadores operacionales las siguientes ecuaciones aplican

para la función de transferencia:

)5.2**)(1( 21 KVinKRsRfVout ++= Donde: 21 21 R

RsKyRRsK ==

Vin

2.5V

+

-

R2

Rf

Rs

R1

Vout

Fig. 4-10 Circuito acondicionador de señal de ±±±±10 Vcd a 0-5Vcd.

El ciclo de conversión de datos del ADS7864 se realiza de la siguiente manera:

• Al aplicar un pulso simultáneo en las terminales HoldA, HoldB y HoldC se inicia la

conversión de datos, muestreando los seis canales simultáneamente.

• Se seleccionan los canales A0 y A1 y se efectúa su conversión.


- 45 -

• Al terminar la conversión, se genera un pulso en la terminal Busy.

• A continuación se convierten los canales B0 y B1, y se genera el pulso en Busy.

• De la misma forma que los anteriores, se convierten los datos de C0 y C1, y se

genera el pulso de Busy.

• Cuando se han generado los tres pulsos, se tienen los datos digitales para leerlos.

• La lectura de los datos en el siguiente orden: A0, A1, B0, B1, C0 y C1, primero LSB

y después MSB.

El formato de los datos leídos del convertidor es el siguiente:

B15 B14 B13 B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

Donde:

B15, indica dato válido.

B12-B14, Número de canal (0 = A0, 1 = A1, 2 = B0, 3 = B1, 4 = C0 y 5 = C1)

B0-B11, dato digital (B0 a B7 = LSB y B8 a B11 MSB)

4.3. Asignación de memoria

Para leer y escribir datos desde y para los periféricos de la tarjeta de

procesamiento por parte del CPU, se deben poner direcciones y activar la señal de

lectura o escritura, según sea el caso. Estas direcciones se determinan durante el

diseño y se activan durante la operación por medio de un decodificador que genera

señales de selección de periféricos (conocido normalmente como Chip Selects). En este

diseño la asignación o mapeo de la memoria se realiza con el circuito 74HC138 y las

compuertas AND (U7 y U8). En las siguientes tablas (4-3, 4-4 y 4-5) se describe el

direccionamiento general del hardware, de cada periférico o elemento de la tarjeta de

procesamiento y particularmente del Reloj de Tiempo real.


46

Tabla 4-3 Direccionamiento general del hardware

DIRECCIÓN CIRCUITO DIRECCIONADO

0000H - 7FFFH RAM 32 KBYTES 8000H - FFFFH PERIFÉRICOS

Tabla 4-4 Direccionamiento de periféricos

DIRECCIÓN PERIFÉRICO DIRECCIONADO 8000H CSAD\ ESCRITURA Y LECTURA DEL ADC (ADS7864) 9000H RSTAD\ RESET DEL ADC A000H CONV\ INICIO DE CONVERSIÓN DEL ADC B000H CSRTR\ RELOJ DE TIEMPO REAL MM58274

Tabla 4-5 Direccionamiento del Reloj de Tiempo Real MM58274C

DIRECCIÓN REGISTRO SELECCIONADO OPERACIÓN B000H REGISTRO DE CONTROL L/E B001H DÉCIMAS DE SEGUNDO L B002H UNIDADES DE SEGUNDO L/E B003H DECENAS DE SEGUNDO L/E B004H UNIDADES DE MINUTO L/E B005H DECENAS DE MINUTO L/E B006H UNIDADES DE HORA L/E B007H DECENAS DE HORA L/E B008H UNIDADES DE DÍAS L/E B009H DECENAS DE DÍAS L/E B00AH UNIDADES DE MES L/E B00BH DECENAS DE MES L/E B00CH UNIDADES DE AÑO L/E B00DH DECENAS DE AÑO L/E B00EH DIA DE LA SEMANA L/E B00FH PROGRAMACIÓN DE RELOJ/INTER. E

-47 -

Capítulo Cinco

Desarrollo de Software

El software del Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos SIMAC-I

está formado por dos subsistemas, uno de ellos se le denomina software de aplicación

o firmware el cual se ejecuta en el módulo electrónico (particularmente en el

microcontrolador) y el otro denominado Interfaz Hombre Máquina (IHM), el cual opera

en la computadora personal. Aunque ambos se ejecutan en ambientes diferentes

funcionalmente interactúan de manera sincronizada. Las figuras 5-1 y 5-2 ilustran el

ambiente donde residen estos subsistemas.

IHM Software de aplicación

IHM Software de aplicación

Software de aplicación

Fig. 5-1 Componentes del software del SIMAC-I


48

Fig. 5-2 Ambiente de operación de los subsistemas del software del SIMAC-I

5.1. Software de aplicación

De acuerdo a la especificación que se presenta en el capítulo dos, el software de

aplicación se desarrolló para realizar principalmente las siguientes funciones:

! Digitalización de las señales de voltaje y corriente (adquisición de datos).

! Almacenamiento de datos en memoria.

! Ejecución de algoritmos de medición y detección de eventos.

! Comunicación con la IHM de manera serial y con protocolo propietario.

! Autodiagnóstico de los componentes electrónicos principales.


- 49 -

Funcionalmente el software de aplicación opera de la siguiente manera: Al

energizarse el módulo electrónico o recibir un pulso de reinicialización (Reset), se

inicia la ejecución de la aplicación.

La primera acción que realiza es la inicialización del sistema, configuración del

modo de operación de los temporizadores, UART, vectores de interrupción, puesta a

cero las localidades de RAM que son utilizadas e inicialización de las variables y

registros usados.

Después se mantiene en ciclo, donde espera un mensaje de la IHM. Al llegar

este lo decodifica y determina el comando o la orden que envío el operador. Los

comandos que espera son:

! Establecer comunicación serie con la PC.

! Programación del Reloj de Tiempo Real (RTR).

! Lectura de la fecha y hora.

! Autodiagnóstico del sistema.

! Ejecución de una prueba (valores instantáneos, contenido armónico, detección

de eventos o medición de Kwh).

Cuando ha finalizado la ejecución del comando recibido, transmite el mensaje

de respuesta a la IHM, el cual puede ser simplemente la respuesta de que se ha

ejecutado la orden recibida o una respuesta que incluye datos obtenidos de las señales

de voltaje y corriente; estos datos pueden ser las muestras adquiridas de cada señal

para ser procesadas en la IHM, mediciones de Kwh, información de eventos detectados

o la fecha y hora actual del reloj.

Después de esto retorna al ciclo de espera de otro comando.


50

5.1.1. Arquitectura del software.

En la figura siguiente se presenta la arquitectura global del software de

aplicación del sistema de medición digital, seguida de la descripción funcional de cada

uno de los módulos que lo constituyen.

Fig. 5-3 Arquitectura del software de aplicación

5.1.1.1. Inicialización

En este bloque se definen las propiedades de los recursos de hardware internos

del microcontrolador: señales de reloj del sistema y de los periféricos, especificaciones

para los temporizadores, características del UART para la comunicación serie, puertos

INICIALIZACIÓN

COMUNICACIÓNCON IHM

DECODIFICACIÓNDE COMANDOS

EJECUCIÓN DEPRUEBA

ORDENADA

ADQUISICIÓN DE DATOS

ALGORITMOS DEMEDICIÓN

ALMACENAMIENTO DE DATOS

PROTOCOLO DE COMUNICACIONES

RELOJ DE TIEMPO REAL


- 51 -

digitales de entrada/salida e interrupciones, programación del reloj de tiempo real.

También se define el estado inicial de las variables a utilizar en el resto del programa.

Subrutinas asociadas: INICIALIZA, INI_CONT, INI_TIMER2, INI_PSERIE, INI_RTR.

5.1.1.2. Comunicación con IHM.

En este módulo se realiza el enlace entre el hardware de medición y la

Computadora Personal, utilizando como medio de enlace el puerto serie RS-232. Las

características de operación del puerto son las siguientes: Comunicación Full duplex”,

velocidad de transmisión y recepción 19.2KBPS, 8 bits de datos, un bit de paro y sin

paridad.

Subrutinas asociadas: TX_DATO, REC_DATO, ENV_MSJE.

5.1.1.3. Decodificación de comandos

Cuando se recibe un mensaje enviado por la IHM, se procesa y se obtiene del

mensaje; si se recibió correctamente el comando y los datos. De acuerdo al código o

número que contenga el comando, es la prueba o modo de operación que se ejecuta.

En este módulo se realiza esta función y los comandos probables que puede

recibir son los siguientes:

! Programación y lectura del reloj de tiempo real

! Ejecución de autodiagnóstico.

! Sincronización de comunicaciones

! Medición de valores instantáneos

! Medición de contenido armónico


52

! Inicio de medición de energía eléctrica (Kwh.)

! Inicio de detección de eventos

! Lectura del registro de Kwh.

! Lectura del registro de eventos

Subrutinas asociadas: ESPERA_CMD.

5.1.1.4. Ejecución de pruebas

Una vez que se ha definido el comando recibido, se procede a ejecutar la orden

correspondiente. La cual puede ser cualquiera de las listadas en el punto anterior.

Algunas de estas órdenes son de programación, por lo que en el mensaje se incluyen

los datos a programar. Por ejemplo, en la programación de la fecha y hora se recibe el

día, mes, año, hora, minutos y segundos para programar el reloj de tiempo real.

Otros comandos son únicamente la orden para iniciar una prueba, que puede

consistir en adquirir una cierta cantidad datos y después enviarlos a la IHM. En este

caso el ejemplo es la prueba de medición de instantáneas, aquí se recibe el comando,

se entra a la prueba, donde se digitalizan y almacenan las señales de voltaje y

corriente, y posteriormente se envían a la IHM.

Otro tipo de comando que se recibe consiste en indicar que inicia un modo de

operación, por lo que el sistema entra al modo indicado, procesa los datos y espera

que la IHM ordene la finalización del modo, para poder enviar la información recabada

o la medición realizada.

Subrutinas asociadas: INI_COM. DIAGNO, PROGRAMA_RTR, LEE_TIMEPO_RTR,

PBA_MODO1, MARMONI, MEDIDOR_KWH, INI_REG_EVENTOS.


- 53 -

5.1.1.5. Algoritmos de medición.

En dos de las pruebas que se realizan con el sistema de medición y análisis de

circuitos eléctricos (SIMAC-I), se ejecutan en el microcontrolador procesamiento de

datos, esto es, se ejecutan algoritmos para predeterminar medición y definir

condiciones.

Dichos algoritmos son la medición de Kwh, valor RMS y la detección de

disturbios en la línea de CA, en las secciones subsecuentes se detallan estos

algoritmos, los cuales se ejecutan en este módulo.

Subrutinas asociadas: VA_IA, VB_IB, VC_IC, MULT_VI, PROCESA_DATOS,

VALOR_RMS, DEFINE_LOC_EVTO, VERIF_120, VERIF_240.

5.1.1.6. Adquisición de datos

La función principal del software de aplicación es la digitalización de las señales

analógicas de los voltajes y las corrientes a medir. Por lo tanto, para realizar dicha

función se debe tener una adquisición de datos, en donde se hace la conversión de la

señal de analógica a digital.

Esta adquisición se efectúa utilizando dos tipos de periodos de muestreo,

dependiendo del tipo de prueba que se ejecuta. La operación general de este bloque de

software es la siguiente: Establecer el número de muestras que se tomarán,

programar el periodo de muestreo que se va utilizar, iniciar la conversión de datos,

leer los seis canales de datos, almacenar cada dato leído, esperar que se cumpla el

tiempo de muestreo programado y repetir el ciclo hasta que se tenga la cantidad de

muestras definidas.

Subrutinas asociadas: ADQ_MUESTRAS, PROG_CONT0, CONVER_AD.


54

5.1.1.7. Almacenamiento de datos

Los datos que se adquieren de las señales de voltaje y corriente digitalizadas

son almacenados en memoria, ya sea para procesar posteriormente dichos datos, para

registrar algún evento o para ser enviados a la IHM. El espacio que se tiene de

almacenamiento es de 32 Kbytes.

Subrutinas asociadas: TRANSF_MUESTRAS, TRANSF_FECHA_HR, ADQ_MUESTRAS.

5.1.1.8. Reloj de tiempo real

Este bloque tiene como función proporcionar fecha y hora al sistema de

medición ya sea para estampar el tiempo de ocurrencia de un evento o para registrar

fecha y hora de inició y finalización de las mediciones; particularmente de la medición

de energía.

Subrutinas asociadas: LEER_RTR, PROGRAMA_RTR.

5.1.1.9. Protocolo de comunicaciones

La transferencia de datos y comandos entre el módulo de medición y la IHM, se

realiza utilizando un protocolo de comunicaciones. En donde se informa quien envía el

mensaje, a quien va dirigido, el comando o respuesta, cantidad y datos enviados y el

código de verificación de datos correctos (para este caso es el conocido como check

sum).

Por lo tanto, la función del módulo protocolo de comunicaciones es recibir los

datos, verificar que son correctos y decodificar el mensaje. Cuando el módulo

electrónico transmite los datos, se prepara la información que forma el mensaje, se


- 55 -

calcula el check sum y se envía al puerto serie. Este bloque opera en conjunto con el

de Comunicación con la IHM.

Subrutinas asociadas: ESPERA_MENSAJE, ENV_MSJE.

5.1.2. Algoritmos de medición y detección.

La medición de energía eléctrica en Kwh se calcula en el CPU del módulo de

medición, de la misma manera se detecta la ocurrencia de distorsiones en la línea de

voltaje de CA y se determina el valor RMS de la señales de voltaje. En seguida se

describen los algoritmos implementados para efectuar dichas mediciones.

5.1.2.1. Medición de Wh.

Para determinar la energía consumida durante un periodo de tiempo, se utiliza

la siguiente ecuación:

∑−

==

1

0

1 N

iii IV

NWh

Donde Vi e Ii son las muestras de voltaje y corriente en formato analógico (por

ejemplo: 1.287 V o 0.890 A). Ahora bien, debido a que las muestras adquiridas por el

microcontrolador están en formato digital o hexadecimal (000 a FFF), es necesario

hacer la conversión a analógico, para lo cual es preciso aplicar la siguiente función a

las muestras adquiridas de voltaje y corriente.

)(20)(20 ADCIhexIeADCVhexV ii ×−=×−=


56

Donde, Vhex e Ihex son las muestras de voltaje y corriente digitalizadas y ADC

es el valor de resolución de 1 bit (1 LSB) del convertidor analógico a digital (ADC =

20/4096 = 4.8828 X 10-3). Por lo que al sustituir esta función en la ecuación original

se obtiene lo siguiente:

∑−

=

×−××−=1

0)](20[)](20[1 N

iii ADCIhexADCVhex

NWh

Sí consideramos que cuando el valor de la muestra está en el rango de 0 a 7FF

es positiva y negativa cuando esta dentro de 800 a FFF, tendremos lo siguiente:

- Si Vhex es positivo e Ihex es positivo el producto se suma.

- Si Vhex es negativo e Ihex es positivo el producto se resta.

- Si Vhex es positivo e Ihex es negativo el producto se resta.

- Si Vhex es negativo e Ihex es negativo el producto se suma.

Por lo que podemos omitir la substracción de la expresión 20 y despejar los demás

términos para obtener la siguiente ecuación:

∑−

=

Τ=1

0

2

3600

N

iii IhexVhexADCWh

Esta ecuación se aplica en el software del SIMAC-I en dos partes, en el software

de aplicación se realiza la sumatoria de las muestras digitales de voltaje y corriente,

mientras que en la IHM se complementa dicha ecuación al multiplicar la suma por el

valor de la constante ADC2 T/3600.


- 57 -

5.1.2.2. Medición del valor RMS

El valor RMS de una señal alterna se obtiene con la siguiente ecuación:

∑−

==

1

0

21 N

iiV

NVrms

Partiendo de que el término Vi es la muestra del valor instantáneo de la señal

en procesamiento, cuyo valor es analógico, se tiene la siguiente ecuación para ponerlo

en términos digitales:

∑−

=

=1

0

2)*(1 N

ii ADCVhex

NVrms

Donde ADC es el valor de conversión en un bit (LSB) del convertidor analógico a

digital utilizado (cuyo valor es 4.8828 mV). Reacomodando los términos de la ecuación

tenemos lo siguiente:

∑= 22

2 VhexN

ADCVrms

A partir de esta igualdad, se puede computarizar la sumatoria de Vhex2,

siguiendo los siguientes pasos:

1. El valor de Vhex debe ser positivo (dentro del rango de 0 a 7FF hexadecimal), esto

significa que los valores comprendidos entre 800 y FFF, deberán convertirse al

rango requerido.

2. Multiplicarlo por si mismo, para obtener el valor al cuadrado.


58

3. y acumular los productos obtenidos.

El resultado derivado de dicha sumatoria es enviado a la IHM para que sea

multiplicado por el valor constante de ADC2/N, aplicarle la raíz cuadrada al resultado

y así obtener el valor RMS de la señal.

5.1.2.3. Multiplicación

En la implementación de los algoritmos descritos, se requiere ejecutar

operaciones aritméticas. Una de ella es la multiplicación de números de 12 bits, la

cual no se puede realizar de manera directa en el microprocesador debido a que su

operación es en 8 bits. Por lo tanto, se implementó el siguiente algoritmo para realizar

esta operación:

Los valores a multiplicar se tienen en dos registros de 8 bits, tal como se

muestra a continuación:

FFFXFFFaequivalequeIalIahValVah 00×

Por lo que las operaciones que se realizan son las siguientes:

HHGGIahVahFFEEIahValDDCCIalVah

BBAAIalVal

====

****


- 59 -

Después se efectúan las siguientes sumas:

012 RRRDDCC

BBAA

+ 345 RRR

HHGGFFEE

+ 6789

345012

RRRRRRR

RRR

+

Donde el resultado final de la multiplicación está en los registros R9, R8, R7 y R6.

5.1.2.4. Detección de eventos

Para detectar los disturbios de la línea de voltaje, particularmente los conocidos

como sag y swell, se calculan los valores RMS por cada ciclo de la senoidal, si en

uno o varios ciclos se obtiene un valor inferior al límite definido se registra como sag o

interrupción, y de la misma manera se aplica para determinar un swell (el valor RMS

es mayor al límite superior de variación de voltaje).

Ahora bien, para que el procesador de la información conozca los límites

superior e inferior a los cuales se registrarán como uno u otro disturbio, se definieron

dichas acotaciones de la manera siguiente:

Los valores límites que se definieron son: para voltaje nominal de 120 V, si es

menor a 96 V se registra como sag y si es mayor a 144 V se registra como swell.

Mientras que para 240 V se definió 192 y 288 para sag y swell respectivamente.

Ahora, como se detalló en el apartado 5.1.2.2, en el CPU del módulo de

medición sólo se puede procesar el término de la ecuación ∑Vhex². Por lo que se

estableció que al despejar la ecuación correspondiente al cálculo del valor RMS se

obtiene la siguiente igualdad:


60

NADCVrmsVhex 2

22 =∑

Considerando que ADC2/N es constante, se obtiene el valor de ∑Vhex²

equivalente para cada uno de los valores límites de cada evento, los cuales se

muestran en la siguiente tabla.

Tabla 5-1 Valores para delimitar la detección de disturbios Voltaje Valor

96 11958799

144 5315022

192 21260088

288 47835198

Estos valores se convierten a su equivalente hexadecimal y se usan durante la

detección de sags, swells o interrupciones momentáneas de voltaje.


- 61 -

5.1.3. Descripción funcional de subrutinas

Enseguida se hace una breve descripción funcional de las subrutinas más

importantes que componen el software de aplicación, enumerando las principales

tareas que cada una ejecuta y su pseudocódigo, además del código fuente desarrollado

para su implementación.

5.1.3.1. LEE_RTR. Lectura del Reloj de Tiempo Real.

Con esta rutina se accesa el reloj del sistema y se lee la fecha y hora que tiene

en dicho momento. Los datos leídos se almacenan en un espacio establecido de la

memoria RAM interna.

Pseudocódigo: 1. Se define el banco uno de registros para su operación.

2. Se carga en el apuntador la dirección del registro de control del RTR.

3. Se programa el RTR para ser leído.

4. Se carga la localidad de RAM interna donde se almacenará la información leída.

5. Se leen primeramente las décimas de segundo.

6. Se lee la hora (unidad de segundos, decenas de segundo, unidad de minutos,

decenas de minuto, unidad de hora y decenas de hora).

7. Se lee la fecha, día, mes y año (unidades y decenas de cada parámetro).

8. Se lee el registro de control para verificar que la fecha y hora leída es correcta.

Código Fuente: LEE_RTR:

SETB RS0 MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_CTRL_REG) ; Dir. Del RTR

MOVX A,@DPTR LEE_OTRA: MOV R0,#(tpo_rtr) MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_DECIMAS_SEG)


62

MOVX A,@DPTR ; Lee las decimas de segundo INC DPTR ; Lee hora del reloj LEE_TPO: MOVX A,@DPTR ; Lee dato del reloj ANL A,#CERO_HIGH_NIBBLE ; Borra los 4 bits mas altos MOV @R0,A ; Guarda el dato en RAM interna INC DPTR ; Apunta al sig. dato INC R0 CJNE R0,#uni_dia,LEE_TPO ; Si aun son datos de hora salta ; Lee fecha del reloj LEE_FECHA: MOVX A,@DPTR ANL A,#CERO_HIGH_NIBBLE ; Borra los 4 bits mas altos MOV @R0,A ; Guarda el dato en RAM interna INC DPTR INC R0 CJNE R0,#(Dece_year +1),LEE_FECHA MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_CTRL_REG) MOVX A,@DPTR JB rtr_dcf,LEE_OTRA ; Si el dato no es correcto repite la lectura CLR RS0 RET

5.1.3.2. PBA_ADC. Diagnóstico del convertidor.

Se efectúa la verificación funcional del convertidor analógico a digital

(ADS7854). La manera de comprobar que el convertidor está funcionando de manera

correcta es validando los bits B12 a B15.

Pseudocódigo: 1. Se carga la localidad de RAM inicial, donde se almacenan los datos de cada

canal del ADC.

2. Se carga el apuntador con la dirección de inicio de conversión del ADC.

3. Se inicia la conversión

4. Se espera que la conversión de datos esté completa.

5. Se leen los datos de cada canal, primeramente el LSB y después el MSB.

6. Se verifica que el nibble alto del bit MSB, tenga el valor correspondiente a cada

canal.

7. Si un dato es diferente al esperado se indica que hay falla en el ADC.


- 63 -

Código Fuente: PBA_ADC: MOV R1,#CANALES ; carga localidad inicial de datos MOV DPTR,#INI_CONV_ADC MOVX @DPTR,A ; inicia conversion MOV R2,#0EH ; RETARDO DJNZ R2,$ JNB P1.5,$ ;Espera fin de converison ;******* Lee Datos del ADC MOV R2,#06H ; Contador de lecturas al adc LEE_ADC: MOV DPTR,#DIR_ADC MOVX A,@DPTR ; Lee LSB MOV @R1,A INC R1 ; Apunta a la sig localidad MOVX A,@DPTR ; Lee MSB MOV @R1,A INC R1 DJNZ R2,LEE_ADC ; ********************************** MOV A,VA_H ; MSB del canal 1 ANL A,#0F0h CJNE A,#080H,FALLA_ADC ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido MOV A,IA_H ; MSB del canal 2 ANL A,#0F0h CJNE A,#090H,FALLA_ADC ; Verifica que sea el canal 2 y con valor valido MOV A,VB_H ; MSB del canal 3 ANL A,#0F0h CJNE A,#0A0H,FALLA_ADC ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido MOV A,IB_H ; MSB del canal 4 ANL A,#0F0h CJNE A,#0B0H,FALLA_ADC ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido MOV A,VC_H ; MSB del canal 5 ANL A,#0F0h CJNE A,#0C0H,FALLA_ADC ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido MOV A,IC_H ; MSB del canal 6 ANL A,#0F0h CJNE A,#0D0H,FALLA_ADC ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido JMP FIN_PBA_ADC FALLA_ADC: SETB RES1_PBAADC ; Falla en el ADC SETB RES2_PBAADC FIN_PBA_ADC: RET


64

5.1.3.3. PRTR. Prueba Reloj de Tiempo Real.

Esta subrutina realiza la prueba del reloj de tiempo real, la cual consiste en leer

la fecha y hora del reloj, dejar transcurrir un cierto tiempo y leer nuevamente la hora

y verificar que esta es diferente a la anterior.

Pseudocódigo: 1. Leer la fecha y hora actual del RTR.

2. Se genera un retardo de aproximadamente 2 segundos.

3. Se lee nuevamente el reloj.

4. Se verifica que tiempo leído sea mayor al de la primera lectura.

5. Si es menor se indica que falló el RTR. Si no la prueba es correcta.

Código fuente: PRTR: CALL LEE_RTR ; Lee hora actual en el reloj MOV R2,uni_seg ; guarda los segundos leidos MOV R3,#VUELTAS_SEC ; Genera un retardo de aprox. 2 segundos CIC_DELAY: MOV A,#DELAY_RTR CALL DELAY_MSEG DJNZ R3,CIC_DELAY CALL LEE_RTR ; Lee nuevamente el RTR MOV A,R2 CJNE A,uni_seg,CHE_MAYOR ; Verifica que el valor de segundos JMP RTR_MAL ; sea mayor al leido inicialmente CHE_MAYOR: JC FIN_PRTR RTR_MAL: SETB res1_pbartr ;Indican falla en el RTR SETB res2_pbartr FIN_PRTR: RET

5.1.3.4. PRAME. Prueba de RAM externa.

Con esta subrutina se verifica que la RAM externa está en buenas condiciones.

La prueba consiste en escribir los datos AA y 55 hexadecimales, leerlos y comparar

que son iguales a los escritos.


- 65 -

Pseudocódigo: 1. Guarda dato a escribir.

2. Carga dirección inicial de RAM externa.

3. Lee dato actual en la localidad de prueba

4. Escribe dato de prueba (AA o 55) en la RAM

5. Lee dato

6. Compara con el escrito, si es igual RAM OK, si es diferente falla en RAM.

7. Retorna dato leído inicialmente a la localidad correspondiente.

8. Apunta a la siguiente localidad.

9. Si no se ha llegado a la localidad final repite los puntos 3 a 8.

Código fuente: PRAME: MOV R0,A ; guarda patron de prueba MOV DPTR,#INICIO_RAM_E ; apunta a inicio de ram PRAME0: MOVX A,@DPTR MOV B,A ; salva dato de ram MOV A,R0 ; recupera patron MOVX @DPTR,A ; escribelo MOVX A,@DPTR ; leelo XRL A,R0 ; verificalo JNZ FRAME ; fallo MOV A,B MOVX @DPTR,A ; regresa dato original a ram INC DPTR ; incrementa apuntador MOV A,DPH XRL A,#FIN_RAM_E ; ya acabamos? JNZ PRAME0 ; no, siguiente localidad FRAME: RET

5.1.3.5. INI_TIMER2. Programación del Temporizador/Contador 2.

Esta rutina configura al Temporizador/Contador 2 del microcontrolador, para

operar como generador de señal de reloj. Esta señal se utiliza para la operación del

ADC y su frecuencia es de 4 Mhz.


66

Pseudocódigo: 1. Deshabilita contador 2

2. Configura al Timer como contador

3. Programa terminal del Timer como salida de reloj.

4. Carga registros del Timer para generar la frecuencia deseada.

5. Inicia operación del Timer.

Código fuente: INI_TIMER2: CLR TR2 ; Deshabilita contador dos CLR T2CON.1 ; Configura como contador MOV T2MOD, #02H ; Habilita salida de reloj MOV RCAP2H, #0FFH ; Carga valores para generar el reloj a 4 Mhz MOV RCAP2L, #0FFH SETB TR2 ; Inicia operacion del timer RET

5.1.3.6. PROG_CONT_0. Configura Temporizador/Contador 0.

Esta rutina configura el Temporizador/Contador 0 del microcontrolador, para

operar como generador de periodo de muestreo. La duración del periodo depende del

valor que se cargue en los registros TH0 y TH1.

Pseudocódigo: 1. Deshabilita contador 0

2. Limpia los bits correspondientes a este Timer.

3. Programa el Timer/Counter como temporizador de 16 bits con conteo interno.

4. Limpia bandera de interrupción correspondiente.

5. Habilita interrupción del Timer 0.

Código fuente: PROG_CONT_0: CLR TR0 ; deshabilita contador 0 MOV A,TMOD ANL A,#0F0H ; Pone los bits del Timer 0 en cero ORL A,#01H ; contador 0 16 bits, control interno


- 67 -

MOV TMOD,A CLR TF0 ; Limpia bandera de interrupcion SETB ET0 ; Habilita interrupcion de Timer 0 RET

5.1.3.7. INI_PSERIE. Configura UART.

Esta rutina tiene la función de programar el UART o puerto serie del

microcontrolador. Los parámetros de programación son: 8 bits de datos, un bit de

paro, sin paridad y 19200 BPS de velocidad de operación.

Pseudocódigo: 1. Detiene Timer 1.

2. Deshabilita interrupción del Timer 1.

3. Limpia los bits correspondientes al Timer 1.

4. Programa el Timer 1 como contador interno, en modo de 8 bits de auto-recarga.

5. Pone en 1 el bit SMOD, para indicar que la velocidad es el doble de la

programada.

6. Programa UART, 8 bits de datos, 1 bit de paro y sin paridad.

7. Carga el registro TH1 para generar la velocidad de 9.2 Kbps.

8. Arranca Timer 0.

Código fuente: INI_PSERIE: CLR TR1 ; Configura Timer 1 ClR ET1 ; Deshabilita interrupcion del Timer 1 MOV A,TMOD ANL A,#0FH ; Pone en cero los bits del Timer 1 ORL A,#020H ; T1 contador, 8 bits, auto recarga MOV TMOD,A MOV A,PCON; Configura SMOD ANL A,#7FH ; Pone SMOD = 0 ORL A,#080h ; fosc * 2 (SMOD = 1) MOV PCON,A ; Configura Puerto serie

MOV SCON,#050H ; 8 bits, 1 stop bit, no paridad MOV TL1,#T1_TL1 ; cuenta para general el MOV TH1,#T1_TH1 ; baud rate SETB TR1 ; genera baud rate RET


68

5.1.3.8. INI_RTR. Configura Reloj de Tiempo real.

Se inicializa la operación del reloj de tiempo real, se programa que funcione en

formato de 24 horas y sin interrupciones.

Pseudocódigo: 1. Se carga dirección base del reloj (MM58274).

2. Activa modo de prueba sin interrupción.

3. Se detiene la operación del reloj.

4. Programación de registros en BCD.

5. Se programa una fecha y hora de inicio.

6. Se inicia la operación del reloj.

Código fuente: INI_RTR: MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOV A,#0FH ; modo prueba,no interrup. MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SETTINGS) MOV A,#00H ;asegura no interrupciones MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOV A,#05H ;fuera de pba, reloj detenido MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SETTINGS) MOV A,#01H ;valores BCD en los registros MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SEGUNDOS) MOV R0,#00H FOLLOW:PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR,#FECHA_HORA ;Carga direccion de datos de hora y fecha MOV A,R0 ;para programar al reloj MOVC A,@A+DPTR POP DPH POP DPL MOVX @DPTR,A INC DPTR INC R0 CJNE R0,#0DH,FOLLOW MOV A,#00H MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOVX @DPTR,A ; termina inicializacion RET


- 69 -

5.1.3.9. TX_DATO. Transmite un byte. Con esta rutina se envía un dato por el puerto serie.

Pseudocódigo: 1. Carga el buffer de salida con el dato que se enviará

2. Se espera a que el dato sea transmitido

3. Se limpia la bandera que indica que dato fue transmitido.

Código Fuente: TX_DATO: MOV SBUF,A ; escribe dato al puerto CICLO_TX: JNB TI,$ ; espera termine tx CLR TI ; termina RET

5.1.3.10. PROGRAMA_RTR. Programa la fecha y hora al RTR

En esta subrutina se programa el reloj de tiempo real, con la fecha y hora que

se recibe desde la IHM. Es una subrutina de atención a un comando del sistema.

Pseudocódigo: 1. Se carga dirección base del reloj (MM58274).

2. Activa modo de prueba sin interrupción.

3. Se detiene la operación del reloj.

4. Programación de registros en BCD.

5. Inicializa contador de datos.

6. Respalda la dirección del RTR.

7. Carga localidad de RAM donde se encuentra la fecha y hora a programar.

8. Lee el dato a programar.

9. Escribe el dato en el RTR.

10. Apunta a la siguiente dirección.


70

11. Si no ha terminado de programar el reloj, repite los puntos 6 a 9.

12. Ha terminado la programación, por lo tanto inicia la operación del reloj.

13. Envía a la IHM, mensaje de respuesta de reloj programado.

Código fuente: PROGRAMA_RTR: MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOV A,#0FH ;modo prueba,no interrup. MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SETTINGS) MOV A,#00H ;asegura no interrupciones MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOV A,#05H ;fuera de pba, reloj detenido MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SETTINGS) MOV A,#01H ;valores BCD en los registros MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SEGUNDOS) MOV R0,#00h ; Contador de datos CICLO: PUSH DPL ; Guarda en SP dir. deñ RTR PUSH DPH MOV DPTR,#datos_rx ; Carga direccion de datos de hora y fecha MOV A,R0 ADD A,DPL ; Apunta al dato de fecha correspondinete MOV DPL,A ; para programar al reloj MOVX A,@DPTR POP DPH POP DPL MOVX @DPTR,A INC DPTR INC R0 CJNE R0,#0DH,CICLO MOV A,#00H MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOVX @DPTR,A ; termina inicializacion MOV DPTR,#cmd_rx ;Envia respuesta de programacion Ok a la PC MOV A,#ACK_PROG_RTR MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0H ; Indica que son 0 bytes de datos MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0H MOVX @DPTR,A CPL P1.4 CALL ENV_MSJE setb rtr_prog ; Indica que se ha programado el reloj de tiempo real RET


- 71 -

5.1.3.11. LEE_TIEMPO_RTR. Lectura de fecha y hora del reloj.

Con esta subrutina se atiende el comando de lectura de fecha y hora que la IHM

envía. Se lee el reloj de tiempo real y se obtienen los datos solicitados, los cuales son

enviados a la IHM como respuesta al comando bajo el siguiente formato: unidades y

decenas de segundos, unidades y decenas de minutos, unidades y decenas de hora,

unidades y decenas de día, unidades y decenas de mes, unidades y decenas de año.

Pseudocódigo: 1. Llama rutina para leer el reloj de tiempo real (LEE_RTR).

2. Carga el apuntador con la dirección inicial del mensaje.

3. Escribe el código de respuesta correcta al comando recibido.

4. Escribe número de bytes de datos que tiene el mensaje.

5. Carga la localidad de RAM donde se encuentran los datos de fecha y hora leída.

6. Transfiere estos datos al espacio de memoria donde se forma el mensaje.

7. Llama rutina para enviar los datos a la IHM.

Código fuente: LEE_TIEMPO_RTR: CALL LEE_RTR ; Llama rutina para leer el RTR MOV DPTR,#cmd_rx ;Envia respuesta de programacion Ok a la PC MOV A,#ACK_LEER_RTR MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0CH ; Indica que son 12 bytes de datos MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0H MOVX @DPTR,A MOV R0,#TPO_RTR ; Localizacion de fecha y hora CICLO_TPO: MOV A,@R0 ; Lee datos INC DPTR MOVX @DPTR,A INC R0 CJNE R0,#(TPO_RTR + 12),CICLO_TPO CPL P1.4 CALL ENV_MSJE RET


72

5.1.3.12. INICIALIZA. Inicialización del sistema

Esta rutina se encarga de constituir las condiciones de operación del

microcontrolador y los periféricos del hardware. Se configuran los temporizadores, el

puerto serie, el reloj de tiempo real, las interrupciones y sus prioridades.

Pseudocódigo: 1. Deshabilita todas las interrupciones.

2. Limpia el registro de estado.

3. Programa Interrupción 0 e interrupción 1 para operar en flanco de bajada.

4. Llama rutina para configurar contador 0.

5. Llama rutina para programar contador 2.

6. Configura UART (puerto serie).

7. Inicializa reloj de tiempo real.

8. Define la interrupción del Temporizador/contador 1 como de mayor prioridad.

9. Habilita interrupciones.

10. Enciende led de operación.

Código: INICIALIZA: CLR EA ; Deshabilita las interrupciones MOV PSW,#00 ; SETB IT1 ;programa Int 1 con flanco de bajada SETB IT0 ;programa INT 0 con flanco de bajada CALL INI_CONT0 ;programa contador 0 CALL INI_TIMER2 ;Programa timer/counter 2 CALL INI_PSERIE ;programa puerto serie CALL INI_RTR ;Programa el RTR MOV IP,#PRIO_HI ;Define T1 con mayor priorodad de inter. MOV IE,#HAB_INT CLR P1.4 ;Enciende led L1 RET


- 73 -

5.1.3.13. REC_DATO, Recibe un byte por el UART.

Esta subrutina recoge un byte recibido por el puerto serie del microcontrolador.

Pseudocódigo: 1. Inicia contador de tiempo de recepción

2. Verifica si la bandera de recepción está en 1.

3. Si es 1 salta al punto 4.

4. Decremento en el contador de tiempo.

5. Si el tiempo es cero salta al final de la subrutina.

6. Lee buffer del UART.

7. Limpia bandera de recepción.

8. Termina la subrutina.

Código: REC_DATO: MOV trx,#TOUT_RX ; Inicializa tiempo para rx CICLOR7: MOV R7,#TOUT_RX CICLO_RX: JB RI,SI_LLEGO ; llego dato ? DJNZ R7,CICLO_RX DJNZ trx,CICLOR7 ; No, se vencio tiempo de rx? JMP FIN_RX ; Si, termina SI_LLEGO: MOV A,SBUF ; lee dato del puerto CLR RI ; limpia bandera de recepcion FIN_RX: RET ; regresa.

5.1.3.14. ENV_MSJE. Transmite mensaje.

Esta subrutina transmite el mensaje de respuesta a la Interfaz Hombre

Máquina.


74

Pseudocódigo: 1. Inicia valor del check sum.

2. Transmite dirección de la IHM.

3. Suma el valor al check sum.

4. Transmite bytes del encabezado del mensaje.

5. Si hay datos en el mensaje los transmite.

6. Calcula check sum.

7. Transmite byte de check sum calculado.


Código: ENV_MSJE: MOV chk_tx,#00h ; Check Sum = 0 MOV A,#IHM_DIR ; Carga dirección de la IHM CALL TX_DATO ; y la transmite. ADD A,chk_tx ; Suma check summ MOV chk_tx,A MOV DPTR,#cmd_rx MOV R2,#(ENCABEZADO - 1) ; Transmite encabezado del mensaje CICLOTX_ENC: MOVX A,@DPTR CALL TX_DATO ADD A,chk_tx MOV chk_tx,A INC DPTR DJNZ R2,CICLOTX_ENC PUSH DPL ; Respalda dirección del DPTR PUSH DPH MOV DPTR,#lonh_rx ; Carga MSB del número de bytes a transmitir MOVX A,@DPTR JZ CTX_LOW ; Si es cero salta MOV R2,A POP DPH ; Recupera direccion POP DPL CICLO_TXEX: MOV R3,#00 CICLO_TXIN: MOVX A,@DPTR CALL TX_DATO ; transmite datos ADD A,chk_tx ; calcula check sum MOV chk_tx,A INC DPTR DJNZ R3,CICLO_TXIN DJNZ R2,CICLO_TXEX PUSH DPL PUSH DPH


- 75 -

CTX_LOW: ; carga LSB del numero de datos MOV DPTR,#lonl_rx MOVX A,@DPTR POP DPH POP DPL JZ LEETX_CHK MOV R2,A CICLOTX_LOW: MOVX A,@DPTR CALL TX_DATO ADD A,chk_tx MOV chk_tx,A INC DPTR DJNZ R2,CICLOTX_LOW LEETX_CHK: ; Transmite check sum calculado MOV A,chk_tx CPL A INC A CALL TX_DATO RET

5.1.3.15. ADQ_MUESTRAS. Adquiere muestras de las señales.

Esta subrutina digitaliza las señales de voltaje y corriente; dependiendo del tipo

de prueba a realizar es el número de muestras que adquiere (180 o 512) y el periodo

de muestreo (1.574 mSeg. o 195.313 µSeg).

Pseudocódigo: 1. Señal de Reset al convertidor.

2. Programa Timer 0.

3. Define periodo de muestreo.

4. Inicia Timer.

5. Carga localidad de RAM donde guarda las muestras adquiridas.

6. Adquiere datos.

7. Los almacena en la RAM externa.

8. Si aun no a adquirido el número de muestras programado salta al punto 6.



76

Código: ADQ_MUESTRAS: MOV DPTR,#RST_ADC ;Reset al ADC 7864 MOVX @DPTR,A CALL PROG_CONT_0 ; Programa Timer 0 como generador de periodo de muestreo MOV TH0,TM_TH0 ; Indica periodo de muestreo MOV TL0,TM_TL0 SETB TR0 ; Arranca Timer MOV DPTR,#Datos_rx ; Localidad de RAM para almacenar muestras CIC_MUESOUT: MOV A,R5 MOV R3,A CIC_MUESIN: PUSH DPL ; Cambia a la direccion de perifericos PUSH DPH SETB F_MUESTREO ; Indica inicio de periodo de muestreo CALL CONVER_AD ; Digitaliza muestras MOV R0,#CANALES MOV R1,#0CH ; Numero de datos POP DPH ; Cambia a la direccion de RAM externa POP DPL TRANSF_MEM_RAM: MOV A,@R0 ; Lee dato de la RAM interna MOVX @DPTR,A INC DPTR INC R0 DJNZ R1,TRANSF_MEM_RAM DJNZ R3,CIC_MUESIN DJNZ R4,CIC_MUESOUT RET

5.1.3.16. CONVER_AD. Conversión de datos analógicos a digital.

Esta subrutina controla la operación del convertidor analógico a digital.

Pseudocódigo: 1. Carga localidad de RAM interna donde se almacenan los datos convertidos.

2. Espera termine periodo de muestreo.

3. Inicia conversión del ADC.

4. Espera termina la conversión de los 6 canales.

5. Lee los datos convertidos y los guarda en la RAM.



- 77 -

Código: CONVER_AD: MOV R1,#CANALES ; carga localidad inicial de datos MOV DPTR,#INI_CONV_ADC JB F_MUESTREO,$ ; Espera concluya periodo de muestreo SETB TR0 MOVX @DPTR,A ; inicia conversion MOV R2,#0EH ; RETARDO DJNZ R2,$ JNB P1.5,$ ;Espera fin de conversion ;******* Lee Datos del ADC MOV R2,#06H ; Contador de lecturas al adc LEE_SIG_CANAL: MOV DPTR,#DIR_ADC MOVX A,@DPTR ; Lee LSB MOV @R1,A INC R1 ; Apunta a la sig localidad MOVX A,@DPTR ;Lee MSB ANL A,#0FH ;Borra el nibble mas alto MOV @R1,A INC R1 DJNZ R2,LEE_SIG_CANAL ; ********************************** RET:

5.1.4. Generación de código.

El software de aplicación fue codificado en el lenguaje ensamblador de la familia

MCS-51 correspondiente al microcontrolador AT89C52; ensamblado y simulado

utilizando el ambiente integral de desarrollo RIDE 51 creado por Raisonance S.A.

En la tabla siguiente se muestran los principales archivos involucrados en la

creación del programa del sistema de medición y análisis de circuitos (SIMAC-I), así

como los archivos que se generan al compilar el código fuente desarrollado


78

Tabla 5-2 Archivos que forman el software de aplicación del SIMAC-I

ARCHIVO DESCRIPCIÓN

PQ_ANALIZA.A51 Contiene listado del código fuente desarrollado para implementar la aplicación. Rutinas de atención a las interrupciones, programa principal, decodificación de comandos, ejecución de pruebas.

CONSTANTES.INC Contiene la definición de las constantes utilizadas en la ejecución del programa PQ_ANALIZA.

VARIABLES.INC Contiene las variables establecidas para facilitar la ejecución del programa de aplicación.

REG52.INC Contiene la definición de los registros del microcontrolador. PQ_ANALIZA.OBJ PQ_ANALIZA.LST PQ_ANALIZA.AOF PQ_ANALIZA.WMC

Archivos generados al terminar la compilación del programa fuente.

ANALIZADOR Archivo del proyecto de desarrollo RIDE 51. ANALIZADOR.HEX Código en lenguaje máquina, cuyo formato es Intel de 8 bits. Este

código se programa en la memoria FLASH del AT89C52 para su ejecución.


- 79 -

5.2. Interfaz Hombre-Máquina

La Interfaz Hombre Maquina (IHM) es un grupo de programas que se ejecuta en

la computadora del sistema SIMAC-I. Su función es la coordinación general entre el

hardware de este sistema y el operador del mismo. El ambiente de operación es

Windows en sus diferentes versiones; 95, 98, 2000 o NT.

De acuerdo a la especificación del software de la IHM, este debe ser desarrollado

para tener la capacidad de realizar las siguientes funciones:

! Comunicación serial con el hardware a través de un protocolo propietario.

! Almacenamiento de datos y mediciones.

! Procesamiento y aplicación de algoritmos para calcular valores de algunas

variables.

! Aplicación de la Transformada Rápida de Fourier (FFT), para obtención del

contenido armónico de las señales.

! Almacenamiento y despliegue de resultados.

! Creación de gráficas.

! Generación de reportes.

! Historial de pruebas.

Para lograr cumplir con dicha especificación fue necesario incluir en el

desarrollo de este software librerías del tipo ActiveX y DLL. Principalmente para

implementar las funciones de comunicación por los puertos serie (COM1 o COM2),

Graficación de datos, generación de reportes, calculo de la FFT y otras.

El diseño de la IHM concibió de forma amigable para el operador, por lo que al

ejecutarse en ambiente Windows, se toman las propiedades del mismo, ventanas de

despliegue y ejecución en multitarea.


80

5.2.1. Estructura de la IHM

En la figura siguiente se muestra el esquema de la Interfase Hombre Máquina y

su ambiente de operación, seguida por la descripción de cada componente o

subsistema. Cabe destacar que aunque cada elemento se muestra de manera

independiente partiendo del menú principal, estos se ligan uno a otro al ejecutar una

función.

Fig. 5-4 Estructura del software de la Interfaz Hombre-Máquina.

EjecuciónDe

pruebas

Generadorde reportes

Base de Datos

Graficas

Protocolo de

Coms .

Puerto serie

FFT

Algoritmosde

medición

Menú Principal

WINDOWS

EjecuciónDe

pruebas


Base de Datos

Graficas

Protocolo de

Coms .

Puerto serie

FFT

Algoritmosde

medición

Menú Principal

EjecuciónDe

pruebas


Base de Datos

Gráficas

Protocolo de

Coms .

Puerto serie

FFT

Algoritmosde

medición

Menú Principal

WINDOWS


- 81 -

5.2.1.1. Menú principal

Este módulo contiene la pantalla principal del programa, donde se encuentra el

menú de funciones, pruebas, utilerías, reportes, etc. Desde aquí el operador tiene el

control del sistema SIMAC-I, ya que puede ordenar las pruebas que se requieran para

diagnosticar un circuito, capturar datos del circuito, generar reportes y otros. Además

sobre esta pantalla se ejecutan todas las funciones que la IHM tiene y sus respectivas

ventanas.

Subrutinas asociadas: MDIPRINCIPAL, IHM_INIT, MNUSUARIO, MNUIMPORTAR,

MNUEXPORTAR, MNUREPORTES_MODO1, MNUINIC, DEF_PS, MNUPRUEBAS_MODO2,

MNUPRUEBAS_MODO3, MNUPRUEBAS_MODO4, COM_SERIE, MNUAUTODIAG,

MNUPRUEBAS_MODO5, TOOLBAR2_BUTTON, TOOLBAR2_BUTTONMENU.

5.2.1.2. Ejecución de pruebas

Este módulo de software contiene las subrutinas que se encargan de ejecutar

cada una de las pruebas o mediciones que el operador ordena. Las pruebas pueden

ser: medición de valores instantáneos, medición del contenido armónico, registro de

variables eléctricas, medición de energía (Wh) o Monitoreo del circuito eléctrico.

El desarrollo de la ejecución de una prueba es la siguiente: al elegir el operador

la prueba inmediatamente se forma y se transmite el mensaje respectivo al módulo

electrónico, mientras la prueba se ejecuta en el hardware, el software está en un ciclo

de espera el cual se detiene por dos eventos; uno de ellos es cuando se reciben los

datos correspondientes a la prueba y el otro cuando se agota el tiempo de espera. En

este punto, el módulo Ejecución de pruebas se enlaza con los algoritmos de

medición, para después conectarse con el despliegue de datos. Que es donde el

operador visualiza el resultado de la prueba.


82

En la mayoría de las pruebas o mediciones que se realizan con el sistema

SIMAC-I, se requiere que estén interactuando (en constante comunicación) el módulo

electrónico de medición y la IHM, ya que la información que recolecta el módulo de

medición se transfiere inmediatamente a la PC para su procesamiento y obtención de

mediciones. Pero además existen dos modos de operación, donde únicamente se

ordena el inicio de dicho modo de prueba y entonces el módulo de medición trabaja

independiente, registrando los valores o eventos detectados. Posteriormente y después

de cierto tiempo de operación del módulo electrónico del SIMAC-I, se solicitarán las

mediciones acumuladas o el reporte de eventos registrados.

Subrutinas asociadas: MNUREPORTES_MODO1, MNUPRUEBAS_MODO2, MNUPRUE-

BAS_MODO3, PBA_SEC_FASES, MNUPRUEBAS_MODO4, MNUPRUEBAS_MODO5, MED_VAL-

ORES_INSTAN, CONTENIDO_ARMONICO, REG_VALORES_INSTAN, FRMDATEVTO, LEE_REG-

ISTRO_EVENTOS, INICIA_MEDIDOR_WH, LEE_DATOS_MEDIDOR.

5.2.1.3. Algoritmos de medición.

La función principal de la Interfaz Hombre Máquina es medir los valores de las

variables eléctricas de un circuito. Para efectuar dicha medición, se tiene algoritmos

determinados para obtener el valor de cierto parámetro partiendo de la digitalización

de las señales de voltaje y corriente que el módulo electrónico realiza.

Por lo que este elemento del software de la IHM es el encargado de aplicar los

algoritmos correspondientes a los variables que se obtiene en cada prueba. Dichos

algoritmos son los siguientes: Medición del valor RMS y máximo, detección de

secuencia de fases, medición de potencias instantáneas, calculo de ángulos de

defasamiento, obtención del contenido armónico y otros.

Este módulo se liga con el de Ejecución de Pruebas, despliegue de datos y base

de datos.


- 83 -

Subrutinas asociadas: PBA_SEC_FASES, AMP_RMS, VOLTS_RMS, VARS, WATTS,

CALCULA_FFT.

5.2.1.4. FFT

Uno de los parámetros que debe obtener el sistema SIMAC-I es el contenido

armónico de las señales de voltaje y corriente. Por lo que para calcular dicho

parámetro la IHM debe ejecutar la Transformada Rápida de Fourier (FFT por sus

siglas en inglés). Por lo tanto, dicho cálculo se realiza en éste módulo del software,

basándose en la librería vbhook.dll, la cual contiene el algoritmo para ejecutar la

Transformada Rápida de Fourier y las operaciones correspondientes a esté análisis

(calculo de magnitud, fase y frecuencia).

Subrutinas asociadas: Calcula_FFT, FFT, WGFFTMagnitude, WGFFTPhase,

WGFFTFrecuency.

5.2.1.5. Puerto serie

El software que controla el puerto serie es de mucha importancia en la IHM, ya

que es el medio por el cual interactúan la Computadora y el Módulo de medición. La

configuración del puerto es la siguiente: 8 bits de datos, 1 bit de paro, sin paridad y a

una velocidad de 19.2 KBPS.

Para implementar este bloque se utiliza la librería MSCOMM.OCX la cual

proporciona todo el acceso a los puertos COM1 o COM2 de la computadora.

Subrutinas asociadas: ComsInit, FillMessage, SendMessage, TXD,

WaitForMess, MSComm1_OnComm.


84

5.2.1.6. Protocolo de comunicaciones

La comunicación entre los dos elementos del SIMAC-I (PC y módulo de

medición) se efectúa bajo un protocolo de comunicaciones. El cual contiene un

encabezado, dirección de destino, número de datos, los datos y código de verificación

de recepción correcta. Por lo que este módulo de software se encarga de formar y

verificar la estructura del mensaje que se transmite y recibe.

Subrutinas asociadas: FillMessage, SendMessage.

5.2.1.7. Base de Datos

La interfase Hombre Máquina tiene una base de datos del tipo Access, donde se

almacenan los datos del circuito eléctrico a probar y las mediciones realizadas durante

las pruebas.

Subrutinas asociadas: CmdActualizar, CmdEliminar, CmdAcepta, Salva_Datos.

5.2.1.8. Gráficas

Los resultados de las mediciones efectuadas se despliegan en forma tabular o

gráficamente dentro de la IHM. Por lo tanto, este módulo de software se encarga de

graficar los datos obtenidos de las pruebas. La líbrería utilizada para implementar la

ejecución de las gráficas es SCROLLX.OCX.

Subrutinas asociadas: Dib_Ix, ScrollX1, Crea_Grafica, Despliega_Datos, DrawP1G2,

DrawP1G1, FrmGraficaIa, FrmGraficaIb, FrmGraficaIc, FrmGraficaVa, FrmGraficaVb,

FrmGraficaVc, FrmArmonicas.Command, FrmGraficaEventos, DrawPeG1, Grid2_DblClick.


- 85 -

5.2.1.9. Generación de reportes.

Una de las características del sistema SIMAC-I es la creación de un historial de

pruebas, el cual pueda ser accesado en cualquier momento y obtener información de

pruebas anteriores de un circuito en particular. Por lo que la IHM genera reportes de

la información almacenada.

Para la generación de estos reportes se utiliza el paquete llamado Crystal

Reports, que es un paquete especial para generar reportes o documentos a partir de

una base de datos.

Subrutinas asociadas: MnuReportes_Modo1.

5.2.2. Generación de código IHM.

El software de la IHM fue codificado, ensamblado, depurado y generado los

discos de instalación en el lenguaje Visual Basic versión 6 de Microsoft. Este software

puede ser instalado y ejecutado en cualquier versión de Windows.

En la tabla siguiente se muestran los principales archivos involucrados en la

creación del programa de la IHM del sistema de medición y análisis de circuitos

SIMAC-I.


86

Tabla 5-3 Archivos que forman el software de la IHM del SIMAC-I.

ARCHIVO DESCRIPCIÓN

ANALIZA Archivo del proyecto en Visual Basic de la IHM (.VBP). MDIFROM Archivo que contiene la ventana y programa principal (.MDI). FRMABOUT FRMARM1 FRMDATOSEVENTO FRMEVENTOS FRMGRAPHEVENT FRMGRAPHARMIA FRMGRAPHARMIB FRMGRAPHARMIC FRMGRAPHARMVA FRMGRAPHARMVB FRMGRAPHARMVC INIC_BD FRMRESKW FRMRESCI FRMREGVARS FRMPTOSE FRMSPLASH FRMTIEMPO DATUSUAR FRMFECHAHR RESAUTO FRMSELPB

Archivos que contienen las ventanas que forman la IHM y su código respectivo (.FRM).

COMS MEDIG_1 ECUACION VBGLOBAL WGGLOBAL

Archivos que contiene el código de la subrutinas y variables de uso general (,BAS)

CRYSTL32 MSCOMM32 COMDLG32 DBLIST32 MSFLXGRD COMCTL32 MSCOMCTL COMCT232 MSCOMCT2 SCROLLX

Librerías utilizadas (.OCX)

ANALIZA Archivos de la aplicación. Es el ejecutable.

-87 -

Capítulo Seis

Operación del SIMAC-I

El Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos; SIMAC-I, es un

equipo electrónico diseñado para medir las variables eléctricas involucradas en un

circuito eléctrico y a partir de dichas mediciones analizar el comportamiento del

circuito y así diagnosticar su estado.

Con el SIMAC-I se pueden detectar posibles anomalías, como fallas en el

conexionado, contenido armónico, medición errónea de KWh y disturbios en la línea

de voltaje. Para lo cual, este sistema integra las funciones de diferentes equipos, tales

como:

! Amperímetro

! Voltímetro

! Secuencímetro

! Fasómetro

! Watthorímetro

! Wattmetro

! Varhorímetro

! Varmetro

! Analizador de armónicos

! Monitor de calidad de la energía.


88

La operación del SIMAC-I se controla mediante una interfaz hombre-máquina

residente en una computadora tipo Notebook integrada en el equipo. Con ella se

puede registrar toda la información relevante de la prueba, como: datos del

consumidor, datos de la instalación, resultados de las mediciones y otras. De igual

manera, los resultados de las pruebas pueden enviarse a impresora, copiar e insertar

en algún documento o a transferir a otra computadora para historial de datos.

Fig. 6-1 Sistema de Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos SIMAC-I.

6.1. Descripción de pruebas

Las pruebas que se pueden efectuar en un circuito eléctrico con el SIMAC-I son:

I. Prueba de valores instantáneos de la instalación. Consiste en medir

los voltajes y corrientes de cada fase, determinar el tipo de conexión del

circuito, determinar la secuencia de fases, los defasamientos de corriente


- 89 -

y voltaje por fase, obtener el factor de potencia y graficar el diagrama

fasorial. Con está prueba se determina el estado de la instalación

eléctrica del circuito o los equipos de medición del mismo.

II. Prueba de contenido armónico. Consiste en obtener el valor de cada

componente armónica de las señales de voltaje y corriente, hasta la

armónica 20, calcular la distorsión armónica total y mostrar

gráficamente la forma de onda de las señalas y sus armónicas. Esta

prueba ayuda a verificar la calidad de la energía del circuito bajo prueba.

III. Prueba de registro de variables eléctricas. Esta prueba es semejante a

la primera, con la diferencia de que aquí se registran los valores máximo,

mínimo, promedio y actual de las señales de voltaje y corriente. Por lo

que es una herramienta para diagnosticar la operación del circuito

eléctrico durante un cierto tiempo.

IV. Prueba de medición de Kwh. Consiste en conectarse al circuito eléctrico

bajo prueba y registrar le energía en Wh consumida por el usuario en un

periodo de tiempo que puede ser desde 1 minuto hasta 30 días. En este

modo de operación del SIMAC-I se verifica el registro de los medidores de

energía eléctrica instalados en los circuitos de alimentación de un

usuario.

V. Prueba de monitoreo. Con esta prueba se pretende estar vigilando el

circuito eléctrico, para identificar cuando un disturbio ocurre en el

mismo. Cuando esto ocurre se registra el tipo de disturbio, la magnitud y

porcentaje de variación del mismo, la duración y la fecha y hora de

ocurrencia. Los eventos que puede detectar el SIMAC-I, son

interrupciones momentáneas, disminución temporal de voltaje (sag) o


90

aumento temporal del voltaje (swell). Esta prueba también está enfocada

a la calidad de la energía.

6.2. Verificación de un Circuito Eléctrico

Para llevar a cabo la inspección del circuito de un servicio eléctrico, utilizando el

sistema SIMAC-I, se deben seguir los siguientes pasos:

1. Conectar los cables de medición (voltaje y corriente) al tablero o tablilla de

conexiones del equipo de medición.

2. Encender el equipo y ejecutar la IHM Analiza en la PC.

3. Establecer la conexión con el módulo de medición. En el submenú Utilerías se

encuentra el comando para esta operación.

4. Seleccionar la opción Circuito eléctrico que está en el submenú Información.

Con esto se desplegará la ventana que contiene los datos del circuito a probar y

el usuario del mismo.

Si los datos del circuito que se va a inspeccionar ya han sido cargados en la

base de datos, basta con elegir al circuito correspondiente y dar clic en el

botón de <Seleccionar>.

Pero si aún no tiene los datos cargados en la base de datos estos deben ser

proporcionados. Para lo cual se debe elegir el botón Agregar; con esto se tendrá

un espacio en blanco en la base de datos y en el cual se proporcionarán los

datos solicitados. Cuando todos los datos se hayan proporcionado seleccionar


- 91 -

al circuito para las pruebas. Este paso no es obligatorio, pero no hacerlo

implica que no se guardarán los resultados de las pruebas efectuadas.

5. El siguiente paso es programa la fecha y hora en el módulo de medición. Para lo

cual, se seleccionará el comando Programar Fecha y Hora que se tiene en el

submenú Información. Este paso es forzoso para poder ejecutar una prueba o

modo de operación.

6. Después de los pasos anteriores se pueden ejecutar las pruebas que se

requieran y las veces que sean necesarias.

7. Si ya sea ha concluido la verificación del circuito eléctrico y si así lo desea

puede generar el reporte de la prueba que ha finalizado o si lo prefiere, este

reporte lo puede generar posteriormente.

6.3. Conexión del Sistema SIMAC-I para pruebas

La conexión que se hace del SIMAC-I al punto de pruebas depende del tipo de

instalación que tenga el servicio. Como se ha mencionando en capítulos anteriores las

instalaciones que se pueden inspeccionar son las siguientes:

• Estrella, 3 fases - 4 hilos

• Delta, 3 fases - 3 hilos

• Network, 2 fases - 3 hilos

• Monofásica, 1 fase 2 hilos

• Monofásica, 1 fase 3 hilos

En seguida se detallan las conexiones del SIMAC-I para cada una de las

configuraciones.


92

6.3.1. Conexión 3F/4H, Estrella.

Fig. 6-2 Conexión del SIMAC-I en una instalación estrella.

Señales a medir: Código de colores de los cables de voltaje.

Van Vbn Vcn Rojo Va Azul Vb

Ia Ib Ic Amarillo Vc Negro Neutro


- 93 -

6.3.2. Conexión 3F/3H, Delta.

Fig. 6-3 Conexión del SIMAC-I en una instalación Delta


Vab Vcb Rojo Va Negro Vb

Ia Ic Amarillo - Vc


94

6.3.3. Conexión 2F/3H, Network.

Fig. 6-4 Conexión del SIMAC-I en una instalación Network


Van Vbn Rojo Va Negro Neutro

Ia Ib Amarillo - Vc


- 95 -

6.3.4. Conexión 1F/3H, trifilar.

Fig. 6-5 Conexión del SIMAC-I en una instalación Trifilar.


Van Vbn Rojo Va Negro Neutro

Ia Ib Azul Vb


96

6.3.5. Conexión 1F/2H, Monofásica.

Fig. 6-6 Conexión del SIMAC-I en una instalación monofásica.


Van Rojo Va

Ia Negro Neutro


- 97 -

6.4. Operación del SIMAC-I

La Interfaz Hombre-Máquina (IHM) del Sistema de Medición y Análisis de

Circuitos Eléctricos, funciona como enlace entre el operador y el módulo de medición;

desde aquí el encargado de la operación del sistema puede ordenar las pruebas que

desee realizar, así como también capturar datos, almacenar mediciones y/o crear e

imprimir reportes.

Para ejecutar dicho software basta con posicionarse en el menú Programas del

propio Windows y hacer CLIC sobre el icono Analizador de Circuitos.

Con esto se iniciará la IHM y desplegará una ventana de bienvenida al sistema.

Para después desplegar la ventana principal, en la cual se tiene el menú principal de

las funciones disponibles.

6.4.1. Comandos de la IHM.

Como se muestra en la figura 6-7 las opciones del menú principal de la IHM son

las siguientes

INFORMACIÓN.- Contiene comandos para la captura de datos de los circuitos

a inspeccionar, programación y lectura de la fecha y hora del sistema.

MEDICIONES.- Contiene los modos de operación y prueba del sistema SIMAC-I.

REPORTES.- Esta formado por comandos cuya función es permitir al operador

consultar los datos recabados durante las pruebas realizadas a un circuito eléctrico o

crear las hojas de reporte de dichos datos.


98

Fig. 6-7 Menú principal de la IHM del SIMAC-I

UTILERÍAS.- Son comandos para realizar la conexión entre los elementos del

sistema (PC y Módulo de medición), definir algunos datos y diagnosticar los módulos

electrónicos del sistema.

VENTANAS.- En este submenú se tienen comandos para el manejo de la

posición de las ventanas que se despliegan dentro de la IHM.

AYUDA.- Contiene comandos para invocar el archivo de ayuda del sistema.


- 99 -

SALIR.- Con este comando se cierra el programa de la IHM y regresa al

ambiente Windows.

En las siguientes secciones se describe cada uno de los submenús, así como los

comandos que los forman.

6.4.1.1. Información

En la figura siguiente se muestran los comandos que se agrupan en este

submenú:

Fig. 6-8 Submenú Información

6.4.1.1.1. Circuito eléctrico

Con este comando se capturan los datos correspondientes al circuito eléctrico a

probar y se eligen para iniciar una prueba. En la figura 6-9 se muestra la ventana que

se despliega al llamar este comando, en ella se observan los siguientes botones de

comando que se utilizan para el manejo de la base de datos:

- Agregar

- Editar

- Eliminar

- Seleccionar

- Salir


100

Fig. 6-9 Ventana para captura y selección de datos del circuito eléctrico.

<AGREGAR> Con este botón se inserta un nuevo registro a la base de datos y

permite al operador introducir la información requerida en cada campo. La

información proporcionada puede ser SALVADA o CANCELADA con los botones

que para dicho propósito aparecen al elegir esta opción. Si se eligió SALVAR los

datos suministrados son almacenados en la base de datos y el registro se cierra,

de lo contrario (elegir CANCELAR) son eliminados.

<EDITAR> La información contenida en cada registro de la base de datos

puede ser actualizada al elegir este botón de comando. Cabe mencionar que es

necesario posicionarse primeramente en el registro que se requiere actualizar o

corregir por medio de las flechas de mover o desde la lista de nombre del

usuario.


- 101 -

Con esto se permite el acceso a los campos para realizar los cambios

necesarios; al igual que en la operación de agregar, los cambios que se hicieron

pueden ser salvados o cancelados de igual forma.

<ELIMINAR> Borra los datos del usuario seleccionado con anterioridad. Con

este comando se debe tener cuidado ya que al eliminar un usuario se pierde

toda su información almacenada en la base de datos.

<SELECCIONAR> Cuando ya se tengan todos los datos del circuito eléctrico se

activará este botón de comando para indicar a la IHM que este circuito será el

inspeccionado; esto se hace con el fin de tener información que se requiere para

formar el reporte de la prueba y además crear el historial de pruebas del

mismo.

Al igual que otros comandos el usuario a inspeccionar debe estar previamente

elegido con las flechas de mover o con la lista de usuarios. Cuando se activa el

botón y se toma la información necesaria, aparecerá en la barra de estado el

nombre de usuario que se inspeccionará.

<SALIR> Con este botón se cierra la base de datos y la ventana de usuarios.

6.4.1.1.2. Programación de fecha y hora.

Este comando se utiliza para programar la fecha y hora actual o deseada al

módulo de medición. Al activar el comando se despliega la ventana donde se muestra

la fecha y hora, por “default estos datos son lo que tiene la computadora, si el

operador lo desea pueden modificarse. Cuando se oprima el botón <Aceptar> que tiene

la ventana, los datos se enviaran al módulo de medición; si estos son programados


102

correctamente se recibirá la respuesta de fecha y hora programada. En la figura

siguiente se muestra la ventana de este comando.

Fig. 6-10 Ventana para programación de fecha y hora.

6.4.1.1.3. Leer fecha y Hora

Este comando se utiliza para consultar la fecha y hora que tiene el módulo de

medición. La información recibida se despliega en una ventana semejante a la

mostrada en la figura siguiente.

Fig. 6-11 Fecha y hora leída del Módulo de medición.


- 103 -

6.4.1.2. Mediciones.

Este submenú contiene los comandos para elegir el modo de operación del

SIMAC-I y así examinar el circuito bajo prueba. Los comandos que tiene son los

siguientes:

- Valores instantáneos.

- Contenido armónico.

- Registro de variables.

- Monitor de eventos

- Medidor de Kwh.

A continuación se muestra dicho submenú:

Fig. 6-12. Submenú Mediciones

6.4.1.2.1. Valores instantáneos. Esta prueba consiste en medir los valores instantáneos de voltajes y corrientes

de la fases que tenga la instalación, calcular el defasamiento entre voltajes y corriente

por fase, las potencias activa, reactiva y aparente totales y dibujar el diagrama fasorial

con los datos obtenidos.

Para activar esta prueba se elige el comando <Valores instantáneos> del

submenú Mediciones y esta se realizará. En la figura número 6-13 se muestra la

pantalla que contiene el resultado de las mediciones.


104

Fig. 6-13 Ventana que se despliega en el modo de operación "Medición de valores instantáneos".

6.4.1.2.2. Contenido armónico.

Consiste en medir el contenido armónico de los voltajes y corrientes de la

instalación hasta la armónica 20 y a partir de estos datos calcular la Distorsión

Armónica Total (DAT o THD). También se grafican las formas de onda de los voltajes y

corrientes de las fases de la instalación.

Para su ejecución, se activa el comando <Contenido Armónico> del submenú

Mediciones y la prueba da inicio. El despliegue se realiza en una ventana semejante a

la presente en la figura número 6-14.


- 105 -

Fig. 6-14 Despliegue de las armónicas obtenidas de cada señal.

Los valores que se muestran en esta tabla, se actualizan aproximadamente

cada 20 segundos. Si el operador quiere visualizar gráficamente los valores de cada

armónica, debe elegir el botón de comando correspondiente (Volts Fase A, Amp. Fase

A, etc.) y se desplegará una gráfica como la mostrada en la figura que a continuación

se presenta.


106

Fig. 6-15 Gráfica de la forma de onda del voltaje y su contenido armónico.

6.4.1.2.3. Registro de variables

Este modo de operación es semejante al que se ejecuta con el comando

Variables Instantáneas. Ya que aquí también se miden los voltajes y corrientes y a

partir de esto se calculan las potencias, ángulos de defasamiento y factor de potencia.

La diferencia que existe entre ambos modos es el registro de valores mínimos,

máximos, promedios y actuales que se realiza en este modo, así como el despliegue

gráfico de las formas de onda del voltaje y la corriente de cada fase.


- 107 -

En la figura 6-16 se aprecia que los valores medidos se muestran por fase, por

lo que para ver otra fase se debe elegir esta, colocando el puntero del ratón en la

carpeta correspondiente.

Fig. 6-16 Resultado de las mediciones registradas en este modo.

6.4.1.2.4. Monitoreo de eventos.

En este modo, el módulo de medición del sistema SIMAC-I, opera de manera

independiente, esto es, que para el monitoreo del circuito eléctrico no requiere estar

conectado a la computadora, ya que todo el procesamiento de la información y el

almacenamiento de los eventos que detecta, lo realiza en su propio módulo de

procesamiento.


108

Lo que si requiere es la inicialización de la operación en este modo. Por lo que el

operador debe elegir el subcomando Iniciar Modo, que se encuentra con el comando

Monitor de eventos. Una vez hecho esto se desplegará la ventana donde se elegirán los

voltajes que se monitorean y el valor del voltaje nominal del circuito bajo prueba (ver

figura 6-17).

Fig. 6-17 Parámetros de inicio del modo Monitoreo de Eventos

Cuando se requiera leer el registro de eventos, se debe conectar la PC al módulo

de medición, entrar al submenú Mediciones y activar la opción Leer Registro. Con esto

se detiene el modo y se transmite la información recolectada.

Si no se detectaron eventos, se despegará el aviso de que no hubo eventos

detectados. Por el contrario, si ocurrieron eventos y estos fueron detectados, se

desplegará una ventana mostrando los eventos que se registraron. Los datos que se

muestran son: tipo de evento y la fecha y hora que ocurrió.

En la siguiente figura se muestra la ventana mencionada. Posicionado el cursor

del ratón en el cuadro marcado con <..> se graficará la forma de onda del disturbio

elegido (ver figuras 6-18 y 6-19).


- 109 -

Fig. 6-18 Eventos detectados

Fig. 6-19 Gráfica de una Interrupción momentánea de voltaje registrada.

6.4.1.2.5. Medidor de Kwh.

Este modo o prueba es semejante al descrito anteriormente, ya que también se

inicia la operación y posteriormente se leen los datos registrados. Con la opción Iniciar

Modo del comando Medidor de Kwh. se da comienzo a la medición de Wh.

Cuando se quiera leer la cantidad de energía consumida, se enviará la solicitud

de lectura del medidor (opción Leer Medidor del mismo comando), con esto, el módulo

de medición detendrá el registro de Wh y enviará a la PC dicha información.


110

En las figuras 6-20 y 6-21, se muestra la ventana donde se despliega la fecha y

hora que inició la medición y la ventana con la energía que se acumuló y el periodo

correspondiente al consumo, respectivamente.

Fig. 6-20 Aviso del inicio del modo Medidor de Energía

Fig. 6-21 Energía medida por fase y el periodo de medición.


- 111 -

6.4.1.3. Utilerías.

Los comandos que se agrupan en este submenú, son de apoyo a la operación

del sistema, ya que con ellos se puede establecer la comunicación entre la PC y el

módulo de medición, realizar un autodiagnóstico de los principales elementos del

hardware del modulo de medición, configurar el puerto serie utilizado de la PC y

borrar la información almacenada en la base de datos. En la figura 6-22 se muestran

los comandos de este submenú.

Fig. 6-22 Comandos del submenú Utilerías.

6.4.1.3.1. Conexión módulo medición

Con este comando se sincroniza la comunicación entre la PC y el módulo de

medición; este comando es necesario para ejecutar las pruebas o modos de operación

del sistema. Cuando se ha efectuado la sincronización entre ambos elementos, se

despliega la siguiente ventana.

Fig. 6-23 Ventana que indica que se han conectado los elementos del SIMAC-I.


112

6.4.1.3.2. Autodiagnóstico.

Este comando solicita el diagnostico de los elementos de mayor importancia del

hardware del sistema, como el reloj de tiempo real, la memoria RAM interna y externa

y la adquisición de datos. La ventana que se muestra al concluir el autodiagnóstico es

la siguiente.

Fig. 6-24 Resultado del autodiagnóstico del hardware.

6.4.1.3.3. Cfg. Pto. Serie.

Esta opción del submenú es para determinar a cual puerto de la PC se

conectará el módulo de medición. Los cuales pueden ser COM1, COM2 o COM3. La

velocidad de recepción y transmisión es fija, al igual que la configuración del puerto.

Fig. 6-25 Selección del puerto a utilizar.


- 113 -

6.4.1.3.4. Inicializar BD.

La información del circuito eléctrico y los resultados de las pruebas efectuadas,

son almacenadas en la base de datos de la IHM. Cuando esta información sea obsoleta

o se requiera liberar espacio en la computadora o simplemente borrar esta

información, se invoca este comando y se limpiará la base de datos.

En la ventana que se despliega, el operador debe elegir que información se

borrará, los datos del circuito eléctrico o los datos de las pruebas. Con el botón de

comando <Aceptar> se inicia la operación, no sin antes confirmar que realmente se

quiere borrar la información seleccionada.

Fig. 6-26 Ventana para seleccionar la información que se borrará.

6.4.1.4. Reportes.

Como se ha mencionado anteriormente, una de las características del sistema

de medición y análisis de circuitos eléctricos, es la creación de un historial de

pruebas.

Con este submenú se generan los reportes de las pruebas que se han efectuado.

Por lo que, cuando se solicita el reporte de Resultados de Pruebas, se despliega la lista

de circuitos registrados y las pruebas que se le han realizado a dicho circuito. En la

figura siguiente se muestra la ventana correspondiente a este comando.


114

Fig. 6-27 Ventana para elegir la prueba para reporte.

En las pruebas de Armónicas y detección de eventos, se crean gráficas de los

datos obtenidos en cada una de ellas; las gráficas desplegadas pueden copiarse para

incluirse en un documento tipo Word ú otro, o enviarse a la impresora directamente.

Para hacer eso se despliega un submenú en la pantalla principal con los

comandos copiar graficas o imprimir gráficas.

-115 -

Capítulo Siete

Pruebas y Resultados

En este capítulo se presentan las pruebas de validación que se aplicaron al

Sistema de Medición y Análisis de Circuitos SIMAC-I, así como los resultados

obtenidos durante las mismas. Estas pruebas se dividen en dos etapas: validación

funcional, que consisten en verificar que la operación del sistema se realiza de manera

correcta, es decir, que cada una de las funciones que tiene se ejecutan

adecuadamente, que no aparece ningún error ni que se interrumpe la función en

proceso. Mientras que la otra etapa es la validación de la medición de variables, la

cual consiste en confrontar las mediciones que realiza el sistema SIMAC-I con las

magnitudes reales que cada variable tiene. Para esto se utiliza equipo de medición de

referencia tales como, voltímetro, amperímetro, fasómetro, wattmetro, analizador de

armónicas y otros.

7.1. Objetivo

El objetivo de estas pruebas es verificar que el Sistema de Medición

desarrollado, opera en los modos que se han especificado y de manera correcta, así

como también comprobar que las mediciones que realiza son válidas y con la exactitud

adecuada.


116

7.2. Equipo

El equipo utilizado para efectuar estas pruebas es el siguiente:

! Fuente voltaje y corriente de CA trifásica programable, Marca Omicron,

modelo CMC256-3.

! Analizador de calidad de la energía marca Fluke, Modelo 43B.

! Amperímetro de gancho, Marca Fluke.

! Medidor patrón de energía (Kwh.), Marca Radian, modelo RM-11

! Tablero de medición con bloque de pruebas, semejante al utilizado por las

compañías de electricidad en sus circuitos de medición.

! Prototipo SIMAC-I.

7.3. Esquema de pruebas

Las pruebas de validación del sistema de medición se efectuaron en las

instalaciones del Laboratorio de Electrónica del Instituto de Investigaciones Eléctricas.

En las figuras siguientes se ilustra el esquema de conexión utilizado para la

ejecución de las pruebas al sistema SIMAC-I y el ambiente de pruebas en laboratorio

donde se llevaron a cabo.


- 117 -

Fig. 7-1 Esquema de conexiones y ambiente de pruebas de aceptación del SIMAC-I

Fuente de voltajes y corrientes trifásicas

KW 2316

Tablero de medición

voltajes

corrientes

Módulo de Medición

KW 2316

SIMAC-I

Amperímetro

VoltímetroPatrón Kwh

Fuente de voltajes y corrientes trifásicas

KW 2316 KW 2316

Tablero de

voltajes

corrientes

Módulo de Medición

KW 2316 KW 2316

SIMAC-I

Amperímetro

VoltímetroPatrón Kwh


118

7.4. Resultados

Con la finalidad de mostrar los resultados obtenidos durante las pruebas

efectuadas al SIMAC-I, se presentan las ventanas desplegadas por la IHM en cada

una de dichas pruebas. En las cuales se muestra la ejecución de cada función del

sistema y las mediciones realizadas en los modos de operación del mismo.

De igual manera se incluyen la programación de la fuente trifásica CMC256-3,

para simular cada una de los circuitos típicos y sus valores de voltaje, corriente y

ángulos de defasamiento de prueba.

7.4.1. Prueba 1. Enlace serie Módulo electrónico – IHM

Consiste en establecer la conexión serial entre el módulo electrónico de

medición y la computadora (IHM), el resultado es la conexión de manera satisfactoria

entre ambos elementos. En la siguiente figura (fig. 7-2) se muestra la ventana

desplegada que indica que la conexión se ha realizado satisfactoriamente.

Fig. 7-2 Ventana desplegada tras la conexión entre los elementos del sistema.


- 119 -

7.4.2. Prueba 2. Programación del Reloj de Tiempo Real (RTR).

Consiste en enviar desde la IHM la fecha y hora que se desea programar en el

módulo electrónico, dejar transcurrir un cierto período y leer el tiempo actual del

módulo.

Para este caso se programó la siguiente fecha y hora: 31 de diciembre de 2002,

23:59:50. Transcurrido 10 segundos, se leyó la fecha y hora actual y ésta fue correcta.

A continuación se exponen las ventanas desplegadas por la IHM, donde se distingue

la fecha y hora programada y leída.

Fig. 7-3 Programación del reloj de tiempo real

Fig. 7-4 Lectura de fecha y hora

7.4.3. Prueba 3. Medición de valores instantáneos

Esta prueba consiste en verificar que el modo de operación Medición de valores

instantáneos se efectúa correctamente; esto es, que al entrar a este modo el sistema

SIMAC-I determina el tipo de configuración que el circuito simulado tiene y que mida

las magnitudes de los parámetros eléctricos del circuito bajo prueba, los despliegue y

registre.


120

La ejecución de esta prueba se realiza en dos fases; la primera es la detección

del tipo de instalación, la cual se simula programando en la fuente los voltajes

correspondientes a cada configuración típica de los circuitos eléctricos. La siguiente

fase es la verificación de medición de variables, la cual se desarrolla con la simulación

de una instalación de 3 fases, 4 hilos, estrella (se eligió esta configuración debido a

que contiene tres voltajes y tres corrientes que es la capacidad máxima de medición

del SIMAC-I) y variando los valores de corriente y ángulo de defasamiento.

7.4.3.1. Detección de tipo de instalación.

Para la demostración de los resultados de esta fase se muestran las ventanas de

programación de la fuente trifásica CMC252-3, donde se simulan las diferentes

conexiones típicas de los circuitos eléctricos, y las ventanas desplegadas por la IHM

donde se muestran las conexiones detectadas por el sistema SIMAC-I.

a) Monofásica. Voltaje Van y corriente Ia.

Fig. 7-5 Programación de la fuente CMC252-3 para simulación de un circuito monofásico


- 121 -

Fig. 7-6 Detección de la configuración monofásica por el sistema SIMAC-I

b) Delta. Voltajes Vab, Vcb y corrientes Ia, Ic.

Fig. 7-7 Simulación de circuito delta


122

Fig. 7-8 Resultado de la configuración detectada por el SIMAC-I.

c) Trifilar. Voltajes Van, Vbn y corrientes Ia, Ib.

Fig. 7-9 Simulación de un circuito Trifilar


- 123 -

Fig. 7-10 Configuración detectada por el sistema SIMAC-I.

d) Estrella. Voltajes Van, Vbn y Vcn y corrientes Ia, Ib e Ic.

Fig. 7-11 Simulación de configuración estrella.


124

Fig. 7-12 Configuración estrella detectada por el SIMAC-I.

e) Network. Voltajes Van y Vbn y corrientes Ia e Ib.

Fig. 7-13 Simulación de un circuito con conexión Network.


- 125 -

Fig. 7-14 Detección de conexión Network.

7.4.3.2. Medición de variables.

La segunda fase de la prueba de medición de valores instantáneos es la

verificación de la medición de las variables de voltaje, corriente, ángulos de fase,

potencias instantáneas y el factor de potencia. Para realización de la prueba se

establecieron las siguientes condiciones: circuito 3 fases, 4 hilos, estrella; voltaje

nominal de 115 Vca, corrientes 0.5, 1, 3 y 5 amperes y ángulos de defasamiento 0, 30

y 60 grados eléctricos.


126

a) Corriente 0.5 amperes y 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-15 Programación de la fuente CMC-252 para simulación de una conexión estrella, con 0.5 A.

Fig. 7-16 Resultado de la medición.


- 127 -

b) Corriente 1 Amper y 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-17 Simulación de 1 Amper con 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-18 Resultado de la medición.


128

c) Corriente 3 amperes y 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-19 Simulación de 3 ampreres y difrentes defasamientos.

Fig. 7-20 Resultado de la prueba


- 129 -

d) Corriente 5 amperes y 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-21 Circuito con 5 amperes de corriente.

Fig. 7-22 Resultado de la prueba.


130

7.4.4. Prueba 4. Registro de variables

Esta prueba es semejante a la anterior, con la diferencia de que este modo de

operación consiste en medir las variables eléctricas durante un cierto periodo de

tiempo y registrar el valor máximo, mínimo, promedio y actual de cada una de las

variables, además de graficar los señales de voltaje y corriente. Enseguida se

muestran los resultados de la misma.

7.4.4.1. Registro de lecturas.

Las condiciones de esta prueba son las siguientes: circuito 3 fases, 4 hilos,

estrella; voltaje nominal de 115 Vca, corrientes y ángulos de defasamiento de 0.5, 1, 3

5 amperes y 0, 30 y 60 grados respectivamente. Únicamente se despliegan las

ventadas que la IHM del sistema SIMAC-I muestra cuando está en este modo de

operación, la programación de la fuente CMC256-3 es igual a la presentada en los

resultados de medición de la prueba anterior.

a) 0.5 amperes, 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-23 Resultado de la medición. Ia, Ib e Ic = 0.5 A.


- 131 -

b) 1 Amper, 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-24 Resultado de la prueba. Corriente 1 A.

c) 3 Amperes, 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-25 Resultado de la prueba. Corriente 3 A.


132

d) 5 amperes, 0, 30 y 60 grados de defasamiento.

Fig. 7-26 Resultado de la prueba con 5 amperes de corriente.

7.4.5. Prueba 6. Medición de armónicas

Consiste en capturar la forma de onda de las señales de voltaje y corriente,

procesar dicha información y obtener el contenido armónico de cada señal. Desplegar

los valores de cada armónica en forma tabular y gráficamente, así como la forma de

onda de la señal.

En este caso la prueba se desarrolló para diferentes valores de corriente por

fase (5, 3 y 1 amperes) con la finalidad de verificar la medición en el rango establecido.

A continuación se muestra el despliegue de los valores de cada armónica calculada, su

magnitud, frecuencia y fase.


- 133 -

Fig. 7-27 Despliegue tabular de la magnitud de cada armónica, para corrientes de 5, 3 y 1 A.

Fig. 7-28 Magnitud de fase para cada armónica.


134

Fig. 7-29 Frecuencia de cada armónica.

Fig. 7-30 Gráfica de la forma de onda del voltaje A y su respectivo contenido armónico.


- 135 -

Fig. 7-31 Gráfica de la forma de onda de la corriente A y su respectivo contenido armónico.

Fig. 7-32 Ejemplo de una señal distorsionada medida con el SIMAC-I.


136

7.4.6. Prueba 6. Detección de eventos

Esta prueba consiste en iniciar el modo de operación Detección de eventos en

el SIMAC-I, generar una caída momentánea de voltaje en una de las fases del equipo,

solicitar la lectura del registro de eventos y corroborar que si detectó el disturbio

ocasionado. Después repetir el procedimiento pero generando más de un evento

diferente, con la finalidad de verificar que se detectan varios eventos.

Fig. 7-33 Configuración del inicio del Modo de Detección de Eventos.

Fig. 7-34 Lectura de registro de eventos.


- 137 -

Fig. 7-35 Detección de una interrupción momentánea.

Fig. 7-36 Detección de un disturbio tipo sag

Fig. 7-37 Ejemplo de otro disturbio tipo sag detectado


138

50 100 150 200

-200

-100

0

100

200

mSec

V.

DATOS DEL EVENTO

TIPO: INTERRUPCION

Valor RMS: 2.31

Variación: 98.07%

Duración: 4 Ciclos

Fig. 7-38 Detección de una interrupción momentánea

50 100 150 200

-300

-200

-100

0

100

200

300

mSec

V

DATOS DEL EVENTO

TIPO: SWELL

Valor RMS: 52.12

Variación: -6.77%

Duración: 7 ciclos

Fig. 7-39 Detección de un disturbio tipo swell.

7.4.7. Prueba 8. Medición de Kwh.

Con esta prueba se verifica que el sistema SIMAC-I entra al modo de operación

denominado Medidor de KWh y que registra la energía consumida en un lapso de

tiempo determinando.

El desarrollo de dicha prueba consiste en iniciar el modo de operación

mencionado, dejar que transcurra un tiempo considerable. Detener la medición y

solicitar la energía en Wh registrada por el SIMAC-I. La prueba se efectuará para

corrientes de 1, 3 y 5 amperes y con cero grados de defasamiento, para las fases 1, 2 y

3 respectivamente (el voltaje es de 115 V).


- 139 -

Fig. 7-40 Resultado de la prueba de medición de Wh.

La medición de Wh difiere en cada fase, debido a que son diferentes los valores

de corriente por fase al igual que el ángulo de defasamiento.


140

-141 -

Capítulo Ocho

Conclusiones

En este trabajo de tesis se desarrolló el hardware, software y la Interfaz Hombre

Máquina del Sistema de Medición digital de parámetros eléctricos, para análisis y

diagnóstico de circuitos de media y baja tensión, el cual se denominó Sistema de

Medición y Análisis de Circuitos Eléctricos SIMAC-I.

El SIMAC-I se integró por dos elementos: un módulo electrónico que se encarga

de la adquisición, almacenamiento y preprocesamiento de datos digitalizados de las

señales de voltaje y corriente presentes en un circuito eléctrico y una computadora

portátil donde se ejecuta el software de la Interfaz Hombre Máquina del sistema.

Para definir la operación funcional del SIMAC-I y sus requerimientos en cuanto

al hardware y software, se realizó un estudio de los tipos de circuitos eléctricos

existentes en una red de distribución típica; particularmente la red eléctrica nacional;

sus configuraciones, los parámetros relevantes en cada uno de ellos y sus magnitudes

críticas, además de otros datos asociados a ellos.

A partir de los resultados del estudio realizado, se generó una especificación

técnica y funcional, que fue la base del diseño de este sistema de medición.


142

El trabajo desarrollado se concluyó con la construcción de un prototipo del

módulo electrónico en circuito impreso, la Interface Hombre Máquina corriendo en

una computadora personal y los arneses de interconexión al circuito eléctrico. El

producto final obtenido es un equipo electrónico que realiza todas las funciones

comprometidas en la propuesta original del trabajo.

Las principales conclusiones que se derivan de este trabajo se presentan

agrupadas en los siguientes rubros:

8.1 Hardware.

Es una de las partes medulares del sistema de medición y análisis, de su

concepción, diseño y desarrollo se obtuvo un módulo electrónico con capacidad de

procesamiento, adquisición de datos, acondicionamiento de señales, interconexión a

un circuito eléctrico y transferencia de datos de manera serial. A partir de esto se

derivan las siguientes particularidades del hardware:

1. El módulo electrónico de medición se desarrolló de manera modular, lo que hace al

equipo fácil de expandir o reducir en sus características, para utilizarlo en

aplicaciones que requieran de mayor o menor capacidad a las que presenta

actualmente, por ejemplo medición de corrientes mayores a 10 amperes.

2. El procesador (microcontrolador) es el núcleo del hardware del sistema y su

elección se basó en los siguientes criterios: arquitectura de 8 bits para simplificar

el hardware y su software asociado, disponibilidad del componente en el mercado,

disponibilidad de herramientas de desarrollo de software, conocimiento y

experiencia en el uso del procesador. Para lo anterior se compararon tres familias

de microcontroladores: Microchip, Texas Instruments y Atmel. Se optó por utilizar

el AT89C52 de Atmel, ya que cumple con los criterios de selección y que además

Conclusiones

- 143 -

una de sus características importantes es la memoria flash integrada, en la cual se

ejecuta el software de aplicación, lo que le da ventaja sobre los demás

microcontroladores de la misma familia, ya que no requiere de una memoria

externa y por lo tanto de componentes adicionales, lo que simplifica el hardware.

Además, la memoria flash permite escribir, borrar y escribir nuevamente el

programa de aplicación de manera inmediata, lo cual facilita las modificaciones y

depuraciones del mismo, acortando el tiempo de desarrollo.

3. La etapa de adquisición de datos es simple y con una velocidad de conversión

analógica a digital relativamente baja, la cual se compensa por software para poder

obtener en la medición y calculo de parámetros una exactitud aceptable (cercana al

0.5%).

4. El esquema de sensado facilita la adquisición de las señales principales del circuito

eléctrico (voltaje, corriente y ángulo de fase), permitiendo que con el esquema de

adquisición que se tiene se capturen estas señales y a partir de ellas el sistema

realice todos los cálculos necesarios para el análisis del circuito eléctrico bajo

prueba.

8.2 Software. El software del sistema de medición desarrollado es de dos tipos: el primero de

ellos opera directamente en el hardware del sistema y se denomina software de

aplicación y el segundo se ejecuta en la computadora personal y se conoce como

Interfaz Hombre Máquina (IHM).

Con respecto al software de aplicación, su diseño, desarrollo y pruebas del

mismo, dieron como resultado un sistema operativo capaz de operar en el

microcontrolador del hardware y proporcionar el control y manejo de las funciones


144

propias del hardware del sistema. Lo sobresaliente del software de aplicación se lista

enseguida:

1. El desarrolló se realizó en lenguaje ensamblador de la familia MSC-51, lo cual le

proporciona al código desarrollado un amplio valor de reutilización, ya que

existen varios microcontroladores de diferentes marcas compatibles con esta

familia. Por lo que parte de este software se puede utilizar en otros desarrollos.

2. Los algoritmos desarrollados para calcular la energía consumida (Wh) en cierto

periodo por un circuito eléctrico y el valor RMS de las señales eléctricas, están

optimizados de tal manera que permiten obtener las magnitudes correspondientes

a dichos parámetros, efectuando operaciones matemáticas en un microcontrolador

con instrucciones de 8 bits y de punto fijo.

3. La incorporación de funciones especiales y concretamente del algoritmo de

detección y registro de disturbios en las señales de voltaje de un circuito eléctrico,

le proporciona un valor agregado al sistema SIMAC-I que lo coloca por encima de

algunos aparatos de medición de variables eléctricas.

4. El algoritmo de digitalización de señales, basa su principal propiedad en el

esquema de muestreo de las mismas, ya que al tener una etapa de adquisición de

datos con una velocidad de conversión no muy alta es necesario compensar en el

software este inconveniente. Por lo tanto se definió utilizar un periodo de muestreo

de 1.574 mSeg. que equivale a una frecuencia de muestreo de aproximadamente

535 Hz. La ventaja que se obtiene con este valor es incrementar la resolución en la

digitalización de las señales analógicas; esto debido a que al adquirir una muestra

cada 1.574 mSeg. se asegura que el punto adquirido en un ciclo, no se adquirirá

nuevamente hasta después de haber digitalizado 17 ciclos de la señal, y si

adicionalmente se considera que las señales no varían demasiado en amplitud, al

momento de procesar las muestras adquiridas con los algoritmos de medición, se

Conclusiones

- 145 -

obtendrá una resolución equivalente a haber adquirido en un solo ciclo

aproximadamente 16 veces más muestras que las reales, dando como resultado

una exactitud de medición dentro del rango determinado para este tipo de

aplicación.

Con relación al desarrollo del software de la Interfaz Hombre-Máquina, se

concluye lo siguiente:

1. La selección del ambiente de ejecución en la plataforma de Windows, permite a la

IHM operar prácticamente en cualquier computadora personal o portátil.

2. La IHM se diseño basándose en menúes tipo pull-down que la hace amigable y

fácil de manejar. Permitiendo con esto que con un mínimo de capacitación se

pueda operar la IHM y por consiguiente el sistema SIMAC-I.

3. El uso de una Computadora Personal como parte del sistema de medición permite

almacenar la información obtenida durante las pruebas de un circuito eléctrico,

crear un historial de resultados de prueba que proporciona al operador

información para determinar el estado de dicho circuito y los motivos de fallas o

mal funcionamiento del mismo. Así como programar y dar seguimiento al

mantenimiento que se realiza en cada instalación eléctrica.

4. La capacidad que tiene el ambiente de Windows de interactuar entre programas,

permite en el caso de la detección de eventos y cálculo del contenido armónico,

duplicar las gráficas generadas en dichas pruebas para insertarlas en un

documento de tipo Word por ejemplo, para documentación de las pruebas y

reportes.

5. El protocolo de comunicaciones implantado permite la transferencia de datos entre

el Hardware y la Interfaz Hombre Máquina de manera eficaz, ya que puede


146

detectar corrupción de datos, respuestas incompletas y solicitud de retransmisión.

Este protocolo es propietario y optimizado para esta aplicación.

8.3. Aportación. Las contribuciones del trabajo que se reporta son las siguientes:

1. Prototipo funcional de un equipo de medición para análisis y diagnóstico de

circuitos eléctricos de potencia.

2. Estudio de la práctica de los circuitos eléctricos empleados en instalaciones

eléctricas reales, especialmente de las instalaciones de medición residencial,

comercial e industrial.

3. Desarrollo de infraestructura de hardware orientada a la medición de parámetros

eléctricos primarios (voltaje, corriente, ángulos de fase).

4. Desarrollo e implementación de algoritmos de adquisición de señales senoidales de

60 Hz. basados en microcontrolador con instrucciones aritméticas de 8 bits y

punto fijo.

5. Desarrollo de infraestructura de software en lenguaje de alto nivel, personalizado al

procesamiento, registro, despliegue y generación de reportes, relacionados con el

análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de potencia.

6. Herramienta electrónica de aplicación inmediata al análisis de la calidad de energía

eléctrica en circuitos eléctricos de baja y media tensión.

Conclusiones

- 147 -

8.4. Trabajos futuros. Al término del trabajo realizado, se visualizaron mejoras que se pueden realizar

al SIMAC-I, con la finalidad de darle un mayor valor agregado al sistema; dichas

mejoras pueden ser las siguientes:

! Modificar el diseño en la etapa de sensado para ampliar los rangos de medición de

voltaje y corriente, Hasta 480 volts y 100 amperes respectivamente.

! Incluir al equipo alimentación de respaldo basando en baterías, para su operación

en instalaciones en donde no sea posible su interconexión.

! Incluir las funciones de medición de energía reactiva y demanda máxima

consumida por el circuito bajo prueba.

! Dotar de un puerto serial RS-485 y desarrollar el software asociado para facilitar la

interconexión de 2 o más equipos SIMAC-I. Con el propósito de monitorear

diferentes puntos (nodos) en un circuito eléctrico.

! Incluir la interconectividad a dispositivos de medición como medidores de energía

eléctrica, por ejemplo, a través de interfaces del tipo KYZ, RS485 u otros.

! De la infraestructura de hardware y software creado, derivar subproductos como

por ejemplo un Data logger o módulos electrónicos para submedición.


148

-149 -

Anexo A

Diagrama eléctrico.


150

Diagrama eléctrico.

- 151 -

Ver documento Diagrama.doc o Diagrama.pdf


152

Ver documento Diagrama.doc o Diagrama.pdf

-153 -

Anexo B

Información de componentes.


154

Información de Componentes

- 155 -

En la siguiente tabla se presenta la lista de los componentes que integran el módulo electrónico del sistema de medición digital.

Lista de partes del módulo electrónico Num.Part.

Componente Descripción Localización (Identificación)

Cant.

1 IDT71256SA12Y Memoria RAM 256 K(32K X 8 bits), IDT U1 1 2 MM74HC373N Latch tipo D octal, tri-estados, National Semi. U2 1 3 AT89C52-16 Microcontrolador con memoria flash, Atmel U3 1 4 MAX233CPP Convertidor de TTL a RS-232, Maxim U4 1 5 LM7805CT Regulador de voltaje 5V U5 1 6 MM58274CJ Reloj de Tiempo Real para µP, National Semi. U6 1 7 MM74HC138N Decodificador 3-8 U7 1 8 MM74HC00N Compuerta NAND cuádruple U8 1 9 MM74HC138N Decodificador 3-8 U6 1 10 ADS7864Y/50 Convertidor analógico a digital, Burr-Brown. U9 1 11 LM347 Amplificador Operacional cuádruple U10, U11, U12 3 12 TSP1001R1002F Paquete de res. 10KΩ RP1-RP5 5 13 2MV-03 Conector terminal 3 posiciones J1,J2,J3,J4(a,b,c) 7 14 SA11CA Supresor de transitorios bidireccional, Diodes Inc. SV1,SV2,SV3 3 15 ECS-3X8 Cristal 32.768 Khz Y1 1 16 MP111 Cristal 11.0592 Mhz Y2 1 17 IN4937 Diodo rectificador de recuperación rápida D1 1 18 AU-101 Interruptor momentáneo SW1 1 19 C/33pf/16V/D Cap. Cerámico de disco 33pf 16 V C6, C7 2 20 C/10µf/16V/E Cap. Electrolítico 10 µf a 16 V. C4, C13, C15, C17 4 21 C/22pf/16V/D Cap. Cerámico disco 22pf a 16 V. C9, C10 2 22 C/0.1µf/63V Capacitor cerámico 0.1 µf a 63 volts C14, C16, C18 3 23 C/.047µf /25V/M Cap. Monolítico 0.047 µf. a 25 V. (Desacoplo) C19-C31 13 24 R/8.2K/.25/5% Resistencia 8.2 KΩ ¼ w, 5% R2 1 25 R/10k/.25/5% Resistencia 10KΩ ¼ w, 5% R3 4 26 R/1K/25/1% Resistencia precisión 1KΩ ¼ w, 1% R4, R5, R6, R7, R14, R23,

R30, R21, R18 9

27 R/5K/25/1% Resistencia precisión 5KΩ ¼ w, 1% R10, R11, R26, R28, R20, R15

6

28 R/4K/25/1% Resistencia precisión 4KΩ ¼ w, 1% R8, R13, R4, R29, R22, R17 6 29 R/20K/25/1% Resistencia precisión 20KΩ ¼ w, 1% R9, R12, R25, R27, R19,

R16 6

30 5327 Transformador para medición de corriente 5 amperes, Amecon

TC1, TC2, TC3 3

31 Transformador para medición de voltaje 240/6 Vca, Intramor

TP1, TP2, TP3 3

32 Fuente de alimentación, entrada universal y salida de +15 Volts @ 1 A.

FTE1 y FTE2 2

32 Tarjeta de circuito impreso 1


156


- 157 -

Diagrama de tiempos de escritura a periféricos por el microcontrolador.

Diagrama de tiempos y operación del UART.


158


- 159 -


160


- 161 -


162


- 163 -

Diagrama de tiempos del inicio de conversión del ADC

Diagrama de tiempos de un ciclo de conversión del ADS7864


164


- 165 -


166


- 167 -


168

-169 -

Anexo C

Bibliografía y Referencias.


170

Bibliografía y Referencias

- 171 -

[1] IEEE STD 1159-1995, IEEE Recommended practices for monitoring

electric power quality. Estándar.

[2] Comisión Federal de Electricidad, Qué es CFE, Información, Transmisión y Distribución. página Web www.cfe.gob.mx

[3] La distorsión armónica y su relación con el factor de potencia.

Reporte. Mexaltec SA de CV.

[4] Handbook for electricity metering 9th edition; Edison Electric

Institute.

[5] Comisión Federal de Electricidad, Manual del Verificador, 1991.

[6] Comisión Federal de Electricidad, Curso de Medición, Tomo I y II.

[7] G. Vidrio, G. Jiménez, José M. Gómez, José A. Mtz. y R. Castán,

Especificación de un Equipo de Pruebas de Medidores de Energía Eléctrica, Instituto de Investigaciones Eléctricas, 1997.

[8] C. Dugan Roger, F. McGranaghan Mark y Wayne Beaty H, Electrical Power Systems Quality, Editorial McGraw-Hill, USA, 1996.

[9] IEEE STD 519-1992, IEEE Recommended practice and requirements

for Harmonic control in electrical power systems. Estándar

[10] Charting Tools for Windows, Quinn-Curtis Inc. Manual de Usuario.


172

[11] Real-Time Graphics ActiveX Control, Quinn-Curtis Inc. Manual de

Usuario.

[12] GE KV Vector Electricity Meter; General Electric, User Manual.

[13] Jiménez Hdez. Dalila, Sistema Operativo para el Equipo Portátil para Pruebas en campo de Medidores de Energía Eléctrica, Instituto de

Investigaciones Eléctricas, 1998.

[14] Vidrio L. Gilberto, Gómez L. J. Martín, Castán L. Roberto, Orozco V.

Jaime A. Estructura de Comunicaciones del sistema de Medición SIM-IV, Documento de diseño, Instituto de Investigaciones Eléctricas,

2001.

[15] 8-Bit Embedded Controller handbook, Intel Corporation USA, 1989.

[16] ADS7864, Analog to digital converter, Burr-Brown Products, Hojas

de datos.

[17] AT89C52, 8-bit Microcontroller with 8K bytes flash, Atmel

Corporation, Hojas de datos.

[18] AT89 Series Hardware Description, Atmel Corporation, Hojas de datos.

[19] www.mikeholt.com/technical.php?id=powerquality/technicalpowerqualityarticles. Pagina

sobre artículos y libros dedicados a la calidad de la energía.

[20] www.powerquality.com Revista Power Quality, especializada en Calidad de

la energía.

Bibliografía y Referencias

- 173 -

[21] www.electrotek.com Electrotek Concepts. Análisis, planeación y soluciones

a sistemas eléctricos de potencia.

[22] www.idt.com Integrated Device Technology Inc.

[23] www.ti.com Burr-Brown-Texas Instruments.

[24] www.atmel.com Atmel Corporation.

[25] www.raisonance.com Raisonance S.A. Software y herramientas de

desarrollo para microcontroladores.


174

DOCUMENTO DE TESIS - cenidet.edu.mx · conclusiones ... fig. 7-7 simulaciÓn de circuito delta ......

Documents

Transcript of DOCUMENTO DE TESIS - cenidet.edu.mx · conclusiones ... fig. 7-7 simulaciÓn de circuito delta ......