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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 S PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA P 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. TABLA DE CONTENIDO Capítulo 1. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................1 1.1 1.2 1.3 1.4 ANTECEDENTES ..............................................................................................................................................3 OBJETIVO DEL TRABAJO .................................................................................................................................5 META DEL TRABAJO .......................................................................................................................................5 CONTENIDO DEL DOCUMENTO ........................................................................................................................6 Capítulo 2. DESCRIPCIÓN DE CIRCUITO ELÉCTRICO ...............................................................9 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. CONFIGURACIONES.........................................................................................................................................9 DIAGRAMAS FASORIALES .............................................................................................................................11 VARIABLES ELÉCTRICAS ...............................................................................................................................13 MEDICIÓN DIGITAL .......................................................................................................................................15 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. 6.2. 6.3. DESCRIPCIÓN DE PRUEBAS............................................................................................................................88 VERIFICACIÓN DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO .................................................................................................90 CONEXIÓN DEL SISTEMA SIMAC-I PARA PRUEBAS ......................................................................................91 -I - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 8.2 8.3. 8.4. HARDWARE. ...............................................................................................................................................142 SOFTWARE..................................................................................................................................................143 APORTACIÓN. .............................................................................................................................................146 TRABAJOS FUTUROS. ..................................................................................................................................147 Anexo A. DIAGRAMA ELÉCTRICO. .................................................................................. 149 Anexo B. INFORMACIÓN DE COMPONENTES. ............................................................. 153 Anexo C. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS.................................................................... 169 II 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 - III - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 IV 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 -V- Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión VI 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 -1 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 2 Introducción 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 -3- Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 4 Introducción 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 preprocesamiento 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 -5- Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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: 6 Introducción 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 ínterconectividad 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. -7- Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 8 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 -9 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión En las siguientes figuras se muestran los esquemas eléctricos de cada una de estas configuraciones, así como sus voltajes nominales más usuales. 120 V 120 V 240 V 120 V a) b) Fig. 2-1 a) Monofásica. Una fase, dos hilos b) Trifilar. Una fase, tres hilos 120 V 240 V 208 V 240 V 208 V 240 V 120 V 120 V 208 V b) a) Fig. 2-2 a) Delta. Tres fases, tres hilos b) Estrella. Tres fases, cuatro hilos 120 V 120 V 240 V 120 V 208 V 120 V 208 V a) 240 V 240 V b) Fig. 2-3 a) Network. Dos Fases, Tres hilos b) Delta. Tres fases, cuatro hilos 10 Descripción de circuito eléctrico 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. Van Van Ia Ia Φ1 Φ1 Ic Φ3 Ic Φ2 Vbc Φ3 Ib Φ2 Vcn Vbn Ib b) a) Fig. 2-4 a) Estrella, 3 fases, 4 hilos y b) Delta, 3 fases, 4 hilos - 11 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Van Ia Ia Vab Φ1 Φ 1 Ic Φ2 Vcb Φ2 Vbn Ib a) b) Fig. 2-5 a) Delta, 3 fases, 3 hilos y b) Network, tres hilos Van Van Ia Ia Φ1 Φ1 Φ2 Ib a) b) Fig. 2-6 a) Monofásica, 1 fase, 2 hilos y b) Trifliar, 1 fase, 3 hilos 12 Descripción de circuito eléctrico b) a) 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]. - 13 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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: 1 • Sag • Swell • Interrupciones momentáneas • Transitorios • Armónicas Φ significa ángulo de defasamiento entre el voltaje y la corriente especificada 14 Descripción de circuito eléctrico 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 Valor RMS o eficaz: Valor máximo: Potencia activa: Ecuación 1 N Vrms = ∑V i =0 1 W= N i =0 i i VA = Vrms × Irms Transformada de Fourier: Donde: Vi = muestra de voltaje Ii = muestra de corriente N = número de muestras Donde: Vi = muestra de voltaje Ii = muestra de corriente defasada 90° N = número de muestras ∑V I Potencia aparente: Distorsión Armónica Total (THD): i N −1 1 N −1 VAR = ∑Vi I j N i =0 Angulo de fase: Vi = muestra de voltaje y corriente N = número de muestras 2 V max = 2 Vrms Potencia reactiva: Factor de Potencia (fp): Donde: N −1 W VA VAR θ = tg −1 W FP = Vh 2 THD = 100∑ h=2 V 1 H +∞ X ( k ) = ∑ X ( n) e −j 2π Kn N −∞ - 15 - Donde: Vh = componente armónica de voltaje o corriente. h = número de armónica (1 a 20). V1 = valor de la fundamental. Donde: n = 0,1,2,3 ... N-1 Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 16 Descripción de circuito eléctrico 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 Fenómenos conducidos en baja frecuencia Variación del voltaje e interrupciones Voltajes desbalanceados Variaciones a la frecuencia Voltajes de baja frecuencia inducidos Voltaje de CD a una red de CA Fenómenos radiados a baja frecuencia Campos magnéticos Campos eléctricos Formas de onda de voltaje y corriente Fenómenos conducidos de alta frecuencia inducidos continuamente Transitorios unidireccionales Transitorios oscilatorios Campos magnéticos Campos eléctricos Fenómenos de alta frecuencia radiados Campos electromagnéticos Formas de onda continuas Transitorios Fenómenos de descarga electrostática _ Pulsos electromagnéticos nuclear _ - 17 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 18 Descripción de circuito eléctrico 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 - 19 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 20 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 de medición Fig. 3-1 Elementos del SIMAC-I -21 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 22 Sistema de Medición 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. - 23 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 24 Sistema de Medición 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. - 25 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 26 Sistema de Medición 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 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: Longitud: Código que indica el tipo de operación que se realizará. 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 - 27 - Chksum Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 28 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. Circuito Trifásico Módulo electrónico N F1 F2 F3 IHM #### Usuario Fig. 4-1 Diagrama a bloques del SIMAC-I -29 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. A LA IHM A LAS CORRIENTES DEL CTO. A LOS VOLT AJES DEL CTO. TABLERO DE CONTROL AC ONDICIONADORES DE CORRIENTE PTO. SERIE RS-232 AC ONDICIONADORES DE VOLTAJE TARJ ETA DE MEDICIÓN Y PROCES AMIENTO FTE. DE ALIM. ENT RADAS Y SALIDAS DIGITALES ENVOLVENTE MECANICA Fig. 4-2 Diagrama a bloques del hardware del Sistema de Medición y Análisis SIMAC-I. 30 Diseño del Hardware Fig. 4-3 Sistema de Medición y Análisis de Circuito SIMAC-I - 31 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 32 Diseño del Hardware • 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. - 33 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión + - 0 - 240 Vac 0 - 6 Vac TP 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. 34 Diseño del Hardware Sensor de corriente 0 - 5 Aac 1K + 0 - 5 Vac 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. - 35 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión RTR RAM Señales Digitales CPU Ia - Ib - Ic ADC Va – Vb - Vc UART Comunicación serial 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). 36 Diseño del Hardware 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. - 37 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 1 T2 (P1.0) 6 INT(P1.5) 9 RST 10 RXD (P3.0) Línea de recepción del puerto serie 11 TXD (P3.1) Línea de transmisión del puerto serie 13 INT1 (P3.3) 14 T0 (P3.4) 15 T1 (P3.5) 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 Función Timer 2, generador del reloj de operación del convertidor analógico a digital (ADC). Línea para detectar señal de fin de adquisición del ADC. Línea para reset del microcontrolador Línea para detección de la señal de interrupción del reloj de tiempo real. Timer 0, contador de pulsos o entrada/salida de uso general. Internamente se usa para generar el periodo de muestreo. Timer 1, contador de pulsos o entrada/salida de uso general. Internamente es el generador de Baud Rate del puerto serie. 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. 38 Diseño del Hardware En la figura siguiente, se muestran los elementos que forman este bloque y su interconexión eléctrica. +5V +5V RP1 10K X8 +5V SW1 C4 31 10uF C7 33pF D1 R2 8.2 K C6 19 Y1 16 M 18 22 pF 9 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 EA/VPP P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 XTAL1 XTAL2 RST P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.7/RD P3.6/WR PSEN ALE/PROG P3.0/RXD P3.1/TXD 39 38 37 36 35 34 33 32 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 21 22 23 24 25 26 27 28 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 U1 U2 3 4 7 8 13 14 17 18 11 1 20 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 2 5 6 9 12 15 16 19 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 LE OE VCC 74HC373 10 9 8 7 6 5 4 3 25 24 21 23 2 26 1 +5V A15 20 27 22 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 11 12 13 15 16 17 18 19 +5V VCC CE WE OE GND 28 14 AT29C256 17 16 29 30 10 11 U8B A15 U8A 5 1 6 3 4 2 U3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A12 A13 A14 74HC00 AT89C52 74HC00 A15 U7 1 A 2 3 B C Y0 Y1 Y2 Y3 6 Y4 4 G1 G2A Y5 5 G2B Y6 Y7 74HC138 15 14 13 12 11 10 9 7 CSAD RSTAD CONV CSRTR 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. - 39 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. REGISTRO TMOD SCON SMOD VALOR DESCRIPCIÓN BINARIO HEXADECIMAL Timer 1 como contador de 8 bits en modo 0010XXXX 2XH recarga Modo 1 (8 bits de datos y baud rate variable) 0101 0000 50H recepción habilitada Doble baud rate 1000 0000 80H TH1 TL1 Valor parte alta del timer 1 Valor parte baja del timer 1 0FDH 0 Los valores de TH1 se determinan por la siguiente ecuación: TH 1 = 256 − K × Fosc. 384 × BPS 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. 40 Diseño del Hardware 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). - 41 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 +5V D0 D1 D2 D3 7 6 5 4 A0 A1 A2 A3 12 11 10 9 16 D B0 D B1 D B2 D B3 AD0 AD1 AD2 AD3 VCC CS WR RD INT XIN XOU GND MM58 274C 1 C SRTR 3 2 P 3.6 P3.7 13 P 3.3 C 10 15 14 8 Y1 22 pF 3 2Kh C9 22pF 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. 42 Diseño del Hardware V1 I1 Acond icionam iento 1a. etapa V2 ADS7864 B us de d atos y dir ecciones I2 V3 I3 Acond icionador es 2a. etapa 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 - 43 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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: Vout = (1+ Rf )(K1 *Vin+ K2 * 2.5) Rs Donde: K1 = Rs R1 y K2 = Rs R2 R1 Vin R2 2.5V + Rs - Vout Rf 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. 44 Diseño del Hardware • 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. - 45 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Tabla 4-3 Direccionamiento general del hardware DIRECCIÓN 0000H - 7FFFH 8000H - FFFFH CIRCUITO DIRECCIONADO RAM 32 KBYTES PERIFÉRICOS Tabla 4-4 Direccionamiento de periféricos DIRECCIÓN 8000H 9000H A000H B000H PERIFÉRICO DIRECCIONADO CSAD\ ESCRITURA Y LECTURA DEL ADC (ADS7864) RSTAD\ RESET DEL ADC CONV\ INICIO DE CONVERSIÓN DEL ADC CSRTR\ RELOJ DE TIEMPO REAL MM58274 Tabla 4-5 Direccionamiento del Reloj de Tiempo Real MM58274C DIRECCIÓN B000H B001H B002H B003H B004H B005H B006H B007H B008H B009H B00AH B00BH B00CH B00DH B00EH B00FH REGISTRO SELECCIONADO REGISTRO DE CONTROL DÉCIMAS DE SEGUNDO UNIDADES DE SEGUNDO DECENAS DE SEGUNDO UNIDADES DE MINUTO DECENAS DE MINUTO UNIDADES DE HORA DECENAS DE HORA UNIDADES DE DÍAS DECENAS DE DÍAS UNIDADES DE MES DECENAS DE MES UNIDADES DE AÑO DECENAS DE AÑO DIA DE LA SEMANA PROGRAMACIÓN DE RELOJ/INTER. 46 OPERACIÓN L/E L L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E L/E E 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 Fig. 5-1 Componentes del software del SIMAC-I -47 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 48 Desarrollo de Software 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. - 49 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. INICIALIZACIÓN COMUNICACIÓN CON IHM PROTOCOLO DE COMUNICACIONES DECODIFICACIÓN DE COMANDOS RELOJ DE TIEMPO REAL EJECUCIÓN DE PRUEBA ORDENADA ADQUISICIÓN DE DATOS ALGORITMOS DE MEDICIÓN ALMACENAMIENTO DE DATOS 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 50 Desarrollo de Software 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 - 51 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión ! 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. 52 Desarrollo de Software 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. - 53 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 54 Desarrollo de Software 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: Wh = 1 N N −1 ∑V I i =0 i i 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. Vi = 20 − (Vhex × ADC ) - 55 - e I i = 20 − ( Ihex × ADC ) Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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: Wh = 1 N N −1 ∑ [20 − (Vhex i =0 i × ADC )]× [20 − ( Ihexi × ADC )] 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: Wh = ADC 2 Τ 3600 N −1 ∑Vhex Ihex i =0 i i 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. 56 Desarrollo de Software 5.1.2.2. Medición del valor RMS El valor RMS de una señal alterna se obtiene con la siguiente ecuación: 1 N Vrms = N −1 ∑V i =0 2 i 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 N Vrms = N −1 ∑ (Vhex * ADC ) i =0 2 i 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: Vrms 2 = ADC 2 N ∑Vhex 2 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. - 57 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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: Vah Val × Iah Ial que equivale a 0 FFF X 0 FFF Por lo que las operaciones que se realizan son las siguientes: Val * Ial = AA BB Vah * Ial = CC DD Val * Iah = EE FF Vah * Iah = GG HH 58 Desarrollo de Software Después se efectúan las siguientes sumas: AA BB CC DD + R 2 R1 R0 EE FF + GG HH R 5 R 4 R3 R 2 R1 R0 + R5 R 4 R 3 R 9 R8 R 7 R 6 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: - 59 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión ∑Vhex 2 = Vrms 2 ADC 2 N 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. 60 Desarrollo de Software 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 MOV MOVX LEE_OTRA: MOV MOV RS0 DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_CTRL_REG) A,@DPTR R0,#(tpo_rtr) DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_DECIMAS_SEG) - 61 - ; Dir. Del RTR Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión MOVX INC ; Lee LEE_TPO: MOVX ANL MOV INC INC CJNE ; Lee LEE_FECHA: MOVX ANL MOV INC INC CJNE MOV MOVX JB CLR RET A,@DPTR DPTR hora del reloj ; Lee las decimas de segundo A,@DPTR A,#CERO_HIGH_NIBBLE @R0,A DPTR R0 R0,#uni_dia,LEE_TPO fecha del reloj ; ; ; ; Lee dato del reloj Borra los 4 bits mas altos Guarda el dato en RAM interna Apunta al sig. dato ; Si aun son datos de hora salta A,@DPTR A,#CERO_HIGH_NIBBLE ; Borra los 4 bits mas altos @R0,A ; Guarda el dato en RAM interna DPTR R0 R0,#(Dece_year +1),LEE_FECHA DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_CTRL_REG) A,@DPTR rtr_dcf,LEE_OTRA ; Si el dato no es correcto repite la lectura RS0 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. 62 Desarrollo de Software Código Fuente: PBA_ADC: MOV MOV MOVX MOV DJNZ JNB R1,#CANALES DPTR,#INI_CONV_ADC @DPTR,A R2,#0EH R2,$ P1.5,$ ; carga localidad inicial de datos ; inicia conversion ; RETARDO ;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 ANL CJNE A,IA_H A,#0F0h A,#090H,FALLA_ADC MOV ANL CJNE A,VB_H A,#0F0h A,#0A0H,FALLA_ADC ; MSB del canal 3 MOV ANL CJNE A,IB_H A,#0F0h A,#0B0H,FALLA_ADC ; MSB del canal 4 MOV ANL CJNE A,VC_H A,#0F0h A,#0C0H,FALLA_ADC ; MSB del canal 5 MOV ANL CJNE A,IC_H A,#0F0h A,#0D0H,FALLA_ADC ; MSB del canal 6 JMP FIN_PBA_ADC FALLA_ADC: SETB RES1_PBAADC SETB RES2_PBAADC FIN_PBA_ADC: RET ; MSB del canal 2 ; Verifica que sea el canal 2 y con valor valido ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido ; Verifica que sea el canal 1 y con valor valido ; Falla en el ADC - 63 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 MOV MOV CIC_DELAY: MOV CALL DJNZ CALL MOV CJNE JMP CHE_MAYOR: JC RTR_MAL: SETB SETB FIN_PRTR: RET LEE_RTR R2,uni_seg R3,#VUELTAS_SEC ; Lee hora actual en el reloj ; guarda los segundos leidos ; Genera un retardo de aprox. 2 segundos A,#DELAY_RTR DELAY_MSEG R3,CIC_DELAY LEE_RTR A,R2 A,uni_seg,CHE_MAYOR RTR_MAL ; Lee nuevamente el RTR ; Verifica que el valor de segundos ; sea mayor al leido inicialmente FIN_PRTR res1_pbartr res2_pbartr 5.1.3.4. ;Indican falla en el RTR 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. 64 Desarrollo de Software 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 MOV PRAME0: MOVX MOV MOV MOVX MOVX XRL JNZ MOV MOVX INC MOV XRL JNZ FRAME: RET R0,A ; guarda patron de prueba DPTR,#INICIO_RAM_E ; apunta a inicio de ram A,@DPTR B,A A,R0 @DPTR,A A,@DPTR A,R0 FRAME A,B @DPTR,A DPTR A,DPH A,#FIN_RAM_E PRAME0 5.1.3.5. ; ; ; ; salva dato de ram recupera patron escribelo leelo ; verificalo ; fallo ; regresa dato original a ram ; incrementa apuntador ; ya acabamos? ; no, siguiente localidad 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. - 65 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 CLR MOV MOV MOV SETB RET TR2 T2CON.1 T2MOD, #02H RCAP2H, #0FFH RCAP2L, #0FFH TR2 5.1.3.6. ; ; ; ; Deshabilita contador dos Configura como contador Habilita salida de reloj Carga valores para generar el reloj a 4 Mhz ; Inicia operacion del timer 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 MOV ANL ORL TR0 A,TMOD A,#0F0H A,#01H ; deshabilita contador 0 ; Pone los bits del Timer 0 en cero ; contador 0 16 bits, control interno 66 Desarrollo de Software MOV CLR SETB RET TMOD,A TF0 ET0 5.1.3.7. ; Limpia bandera de interrupcion ; Habilita interrupcion de Timer 0 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 ClR MOV ANL ORL MOV MOV ANL ORL MOV MOV MOV MOV SETB RET TR1 ET1 A,TMOD A,#0FH A,#020H TMOD,A A,PCON; A,#7FH A,#080h PCON,A ; Configura Timer 1 ; Deshabilita interrupcion del Timer 1 ; Pone en cero los bits del Timer 1 ; T1 contador, 8 bits, auto recarga Configura SMOD ; Pone SMOD = 0 ; fosc * 2 (SMOD = 1) ; Configura Puerto serie SCON,#050H ; 8 bits, 1 stop bit, no paridad TL1,#T1_TL1 ; cuenta para general el TH1,#T1_TH1 ; baud rate TR1 ; genera baud rate - 67 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV FOLLOW:PUSH PUSH MOV MOV MOVC POP POP MOVX INC INC CJNE MOV MOV MOVX RET DPTR,#DIR_BASE_RTR A,#0FH ; modo prueba,no interrup. @DPTR,A DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SETTINGS) A,#00H ;asegura no interrupciones @DPTR,A DPTR,#DIR_BASE_RTR A,#05H ;fuera de pba, reloj detenido @DPTR,A DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SETTINGS) A,#01H ;valores BCD en los registros @DPTR,A DPTR,#(DIR_BASE_RTR + RTR_SEGUNDOS) R0,#00H DPL DPH DPTR,#FECHA_HORA ;Carga direccion de datos de hora y fecha A,R0 ;para programar al reloj A,@A+DPTR DPH DPL @DPTR,A DPTR R0 R0,#0DH,FOLLOW A,#00H DPTR,#DIR_BASE_RTR @DPTR,A ; termina inicializacion 68 Desarrollo de Software 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 CICLO_TX: JNB CLR RET SBUF,A ; escribe dato al puerto TI,$ TI ; espera termine tx ; termina 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. - 69 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR MOV A,#00H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#DIR_BASE_RTR MOV A,#05H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR MOV A,#01H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#(DIR_BASE_RTR MOV R0,#00h CICLO: PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR,#datos_rx MOV A,R0 ADD A,DPL MOV DPL,A 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 MOV DPTR,#cmd_rx MOV A,#ACK_PROG_RTR MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0H MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0H MOVX @DPTR,A CPL P1.4 CALL ENV_MSJE setb rtr_prog RET ;modo prueba,no interrup. + RTR_SETTINGS) ;asegura no interrupciones ;fuera de pba, reloj detenido + RTR_SETTINGS) ;valores BCD en los registros + RTR_SEGUNDOS) ; Contador de datos ; Guarda en SP dir. deñ RTR ; Carga direccion de datos de hora y fecha ; Apunta al dato de fecha correspondinete ; para programar al reloj ; termina inicializacion ;Envia respuesta de programacion Ok a la PC ; Indica que son 0 bytes de datos ; Indica que se ha programado el reloj de tiempo real 70 Desarrollo de Software 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 - 71 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 MOV SETB SETB CALL CALL CALL CALL MOV MOV CLR RET EA PSW,#00 IT1 IT0 INI_CONT0 INI_TIMER2 INI_PSERIE INI_RTR IP,#PRIO_HI IE,#HAB_INT P1.4 ; Deshabilita las interrupciones ; ;programa Int 1 con flanco de bajada ;programa INT 0 con flanco de bajada ;programa contador 0 ;Programa timer/counter 2 ;programa puerto serie ;Programa el RTR ;Define T1 con mayor priorodad de inter. ;Enciende led L1 72 Desarrollo de Software 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 CICLOR7: MOV CICLO_RX: JB DJNZ DJNZ JMP SI_LLEGO: MOV CLR FIN_RX: RET trx,#TOUT_RX ; Inicializa tiempo para rx R7,#TOUT_RX RI,SI_LLEGO R7,CICLO_RX trx,CICLOR7 FIN_RX A,SBUF RI ; llego dato ? ; No, se vencio tiempo de rx? ; Si, termina ; lee dato del puerto ; limpia bandera de recepcion ; regresa. 5.1.3.14. ENV_MSJE. Transmite mensaje. Esta subrutina transmite el mensaje de respuesta a la Interfaz Hombre Máquina. - 73 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 8. Termina la subrutina. Código: ENV_MSJE: MOV chk_tx,#00h MOV A,#IHM_DIR CALL TX_DATO ADD A,chk_tx MOV chk_tx,A MOV DPTR,#cmd_rx MOV R2,#(ENCABEZADO - 1) CICLOTX_ENC: MOVX A,@DPTR CALL TX_DATO ADD A,chk_tx MOV chk_tx,A INC DPTR DJNZ R2,CICLOTX_ENC PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR,#lonh_rx MOVX A,@DPTR JZ CTX_LOW MOV R2,A POP DPH POP DPL CICLO_TXEX: MOV R3,#00 CICLO_TXIN: MOVX A,@DPTR CALL TX_DATO ADD A,chk_tx MOV chk_tx,A INC DPTR DJNZ R3,CICLO_TXIN DJNZ R2,CICLO_TXEX PUSH DPL PUSH DPH ; ; ; ; Check Sum = 0 Carga dirección de la IHM y la transmite. Suma check summ ; Transmite encabezado del mensaje ; Respalda dirección del DPTR ; Carga MSB del número de bytes a transmitir ; Si es cero salta ; Recupera direccion ; transmite datos ; calcula check sum 74 Desarrollo de Software CTX_LOW: 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: MOV A,chk_tx CPL A INC A CALL TX_DATO RET ; carga LSB del numero de datos ; Transmite check sum calculado 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. 9. Termina la subrutina. - 75 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Código: ADQ_MUESTRAS: MOV DPTR,#RST_ADC MOVX @DPTR,A CALL PROG_CONT_0 MOV TH0,TM_TH0 MOV TL0,TM_TL0 SETB TR0 MOV DPTR,#Datos_rx CIC_MUESOUT: MOV A,R5 MOV R3,A CIC_MUESIN: PUSH DPL PUSH DPH SETB F_MUESTREO CALL CONVER_AD MOV R0,#CANALES MOV R1,#0CH POP DPH POP DPL TRANSF_MEM_RAM: MOV A,@R0 MOVX @DPTR,A INC DPTR INC R0 DJNZ R1,TRANSF_MEM_RAM DJNZ R3,CIC_MUESIN DJNZ R4,CIC_MUESOUT RET ;Reset al ADC 7864 ; Programa Timer 0 como generador de periodo de muestreo ; Indica periodo de muestreo ; Arranca Timer ; Localidad de RAM para almacenar muestras ; Cambia a la direccion de perifericos ; Indica inicio de periodo de muestreo ; Digitaliza muestras ; Numero de datos ; Cambia a la direccion de RAM externa ; Lee dato de la RAM interna 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. 6. Termina la subrutina. 76 Desarrollo de Software Código: CONVER_AD: MOV R1,#CANALES MOV DPTR,#INI_CONV_ADC JB F_MUESTREO,$ SETB TR0 MOVX @DPTR,A MOV R2,#0EH DJNZ R2,$ JNB P1.5,$ ;******* Lee Datos del ADC MOV R2,#06H LEE_SIG_CANAL: MOV DPTR,#DIR_ADC MOVX A,@DPTR MOV @R1,A INC R1 MOVX A,@DPTR ANL A,#0FH MOV @R1,A INC R1 DJNZ R2,LEE_SIG_CANAL ; ********************************** RET: 5.1.4. ; carga localidad inicial de datos ; Espera concluya periodo de muestreo ; inicia conversion ; RETARDO ;Espera fin de conversion ; Contador de lecturas al adc ; Lee LSB ; Apunta a la sig localidad ;Lee MSB ;Borra el nibble mas alto 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 - 77 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Tabla 5-2 Archivos que forman el software de aplicación del SIMAC-I ARCHIVO PQ_ANALIZA.A51 CONSTANTES.INC VARIABLES.INC REG52.INC PQ_ANALIZA.OBJ PQ_ANALIZA.LST PQ_ANALIZA.AOF PQ_ANALIZA.WMC ANALIZADOR ANALIZADOR.HEX DESCRIPCIÓN Contiene listado del código fuente desarrollado para implementar la aplicación. Rutinas de atención a las interrupciones, programa principal, decodificación de comandos, ejecución de pruebas. Contiene la definición de las constantes utilizadas en la ejecución del programa PQ_ANALIZA. Contiene las variables establecidas para facilitar la ejecución del programa de aplicación. Contiene la definición de los registros del microcontrolador. Archivos generados al terminar la compilación del programa fuente. Archivo del proyecto de desarrollo RIDE 51. Código en lenguaje máquina, cuyo formato es Intel de 8 bits. Este código se programa en la memoria FLASH del AT89C52 para su ejecución. 78 Desarrollo de Software 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. - 79 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. Ejecución De pruebas Algoritmos de medición Generador de reportes Base de Datos Menú Principal FFT Puerto serie Graficas Gráficas Protocolo de Coms . WINDOWS Fig. 5-4 Estructura del software de la Interfaz Hombre-Máquina. 80 Desarrollo de Software 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, MNUEXPORTAR, MNUREPORTES_MODO1, MNUPRUEBAS_MODO3, IHM_INIT, MNUSUARIO, MNUINIC, DEF_PS, MNUPRUEBAS_MODO4, MNUIMPORTAR, MNUPRUEBAS_MODO2, 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. - 81 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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_VALORES_INSTAN, CONTENIDO_ARMONICO, REG_VALORES_INSTAN, FRMDATEVTO, LEE_REGISTRO_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. 82 Desarrollo de Software 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. - 83 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 84 Desarrollo de Software 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. - 85 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Tabla 5-3 Archivos que forman el software de la IHM del SIMAC-I. ARCHIVO DESCRIPCIÓN ANALIZA MDIFROM FRMABOUT FRMARM1 FRMDATOSEVENTO FRMEVENTOS FRMGRAPHEVENT FRMGRAPHARMIA FRMGRAPHARMIB FRMGRAPHARMIC FRMGRAPHARMVA FRMGRAPHARMVB FRMGRAPHARMVC INIC_BD FRMRESKW FRMRESCI FRMREGVARS FRMPTOSE FRMSPLASH FRMTIEMPO DATUSUAR FRMFECHAHR RESAUTO FRMSELPB COMS MEDIG_1 ECUACION VBGLOBAL WGGLOBAL CRYSTL32 MSCOMM32 COMDLG32 DBLIST32 MSFLXGRD COMCTL32 MSCOMCTL COMCT232 MSCOMCT2 SCROLLX ANALIZA Archivo del proyecto en Visual Basic de la IHM (.VBP). Archivo que contiene la ventana y programa principal (.MDI). Archivos que contienen las ventanas que forman la IHM y su código respectivo (.FRM). Archivos que contiene el código de la subrutinas y variables de uso general (,BAS) Librerías utilizadas (.OCX) Archivos de la aplicación. Es el ejecutable. 86 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. -87 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 88 Operación del SIMAC-I 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 - 89 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 90 Operación del SIMAC-I 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. - 91 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 92 Operación del SIMAC-I 6.3.2. Conexión 3F/3H, Delta. Fig. 6-3 Conexión del SIMAC-I en una instalación Delta Señales a medir: Código de colores de los cables de voltaje. Vab Vcb Rojo – Va Ia Ic Amarillo - Vc - 93 - Negro – Vb Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 6.3.3. Conexión 2F/3H, Network. Fig. 6-4 Conexión del SIMAC-I en una instalación Network Señales a medir: Código de colores de los cables de voltaje. Van Vbn Rojo – Va Ia Ib Amarillo - Vc 94 Negro – Neutro Operación del SIMAC-I 6.3.4. Conexión 1F/3H, trifilar. Fig. 6-5 Conexión del SIMAC-I en una instalación Trifilar. Señales a medir: Código de colores de los cables de voltaje. Van Vbn Rojo – Va Ia Ib Azul –Vb - 95 - Negro – Neutro Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 6.3.5. Conexión 1F/2H, Monofásica. Fig. 6-6 Conexión del SIMAC-I en una instalación monofásica. Señales a medir: Código de colores de los cables de voltaje. Van Rojo – Va Ia Negro – Neutro 96 Operación del SIMAC-I 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. - 97 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 98 Operación del SIMAC-I 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 - 99 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 100 Operación del SIMAC-I 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 - 101 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 102 Operación del SIMAC-I 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. - 103 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 104 Operación del SIMAC-I 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. - 105 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 106 Operación del SIMAC-I 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. - 107 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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). 108 Operación del SIMAC-I 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. - 109 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 110 Operación del SIMAC-I 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. - 111 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 112 Operación del SIMAC-I 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. - 113 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 114 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. -115 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 116 Pruebas y Resultados Tablero de medición KW 2316 KW 2316 Módulo de Medición Voltímetro Patrón Kwh SIMAC-I voltajes corrientes Amperímetro Fuente de voltajes y corrientes trifásicas Fig. 7-1 Esquema de conexiones y ambiente de pruebas de aceptación del SIMAC-I - 117 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 118 Pruebas y Resultados 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. - 119 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 120 Pruebas y Resultados 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 - 121 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 122 Pruebas y Resultados 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. - 123 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 124 Pruebas y Resultados 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. - 125 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 126 Pruebas y Resultados 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. - 127 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 128 Pruebas y Resultados 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. - 129 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 130 Pruebas y Resultados 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. - 131 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 132 Pruebas y Resultados 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. - 133 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Fig. 7-29 Frecuencia de cada armónica. Fig. 7-30 Gráfica de la forma de onda del voltaje A y su respectivo contenido armónico. 134 Pruebas y Resultados 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. - 135 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 136 Pruebas y Resultados 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 - 137 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión DATOS DEL EVENTO 200 TIPO: INTERRUPCION 100 Valor RMS: 2.31 V. 0 50 100 150 200 Variación: 98.07% -100 Duración: 4 Ciclos -200 mSec Fig. 7-38 Detección de una interrupción momentánea 300 DATOS DEL EVENTO 200 TIPO: SWELL 100 Valor RMS: 52.12 V 0 Variación: -6.77% -100 Duración: 7 ciclos -200 50 100 150 200 -300 mSec 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). 138 Pruebas y Resultados 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. - 139 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 140 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. -141 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 142 Conclusiones 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 - 143 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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 144 Conclusiones 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 - 145 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 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. 146 Conclusiones 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. - 147 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 148 Anexo A Diagrama eléctrico. -149 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 150 Diagrama eléctrico. Ver documento Diagrama.doc o Diagrama.pdf - 151 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión Ver documento Diagrama.doc o Diagrama.pdf 152 Anexo B Información de componentes. -153 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 154 Información de Componentes 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 IDT71256SA12Y MM74HC373N AT89C52-16 MAX233CPP LM7805CT MM58274CJ MM74HC138N MM74HC00N MM74HC138N ADS7864Y/50 LM347 TSP1001R1002F 2MV-03 SA11CA ECS-3X8 MP111 IN4937 AU-101 C/33pf/16V/D C/10µf/16V/E C/22pf/16V/D C/0.1µf/63V C/.047µf /25V/M R/8.2K/.25/5% R/10k/.25/5% R/1K/25/1% Memoria RAM 256 K(32K X 8 bits), IDT Latch tipo D octal, tri-estados, National Semi. Microcontrolador con memoria flash, Atmel Convertidor de TTL a RS-232, Maxim Regulador de voltaje 5V Reloj de Tiempo Real para µP, National Semi. Decodificador 3-8 Compuerta NAND cuádruple Decodificador 3-8 Convertidor analógico a digital, Burr-Brown. Amplificador Operacional cuádruple Paquete de res. 10KΩ Conector terminal 3 posiciones Supresor de transitorios bidireccional, Diodes Inc. Cristal 32.768 Khz Cristal 11.0592 Mhz Diodo rectificador de recuperación rápida Interruptor momentáneo Cap. Cerámico de disco 33pf 16 V Cap. Electrolítico 10 µf a 16 V. Cap. Cerámico disco 22pf a 16 V. Capacitor cerámico 0.1 µf a 63 volts Cap. Monolítico 0.047 µf. a 25 V. (Desacoplo) Resistencia 8.2 KΩ ¼ w, 5% Resistencia 10KΩ ¼ w, 5% Resistencia precisión 1KΩ ¼ w, 1% 27 R/5K/25/1% Resistencia precisión 5KΩ ¼ w, 1% 28 29 R/4K/25/1% R/20K/25/1% Resistencia precisión 4KΩ ¼ w, 1% Resistencia precisión 20KΩ ¼ w, 1% 30 5327 Transformador para medición de corriente 5 amperes, Amecon Transformador para medición de voltaje 240/6 Vca, Intramor Fuente de alimentación, entrada universal y salida de +15 Volts @ 1 A. Tarjeta de circuito impreso 31 32 32 Descripción - 155 - Localización (Identificación) Cant. U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U6 U9 U10, U11, U12 RP1-RP5 J1,J2,J3,J4(a,b,c) SV1,SV2,SV3 Y1 Y2 D1 SW1 C6, C7 C4, C13, C15, C17 C9, C10 C14, C16, C18 C19-C31 R2 R3 R4, R5, R6, R7, R14, R23, R30, R21, R18 R10, R11, R26, R28, R20, R15 R8, R13, R4, R29, R22, R17 R9, R12, R25, R27, R19, R16 TC1, TC2, TC3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 5 7 3 1 1 1 1 2 4 2 3 13 1 4 9 TP1, TP2, TP3 3 FTE1 y FTE2 2 6 6 6 3 1 Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 156 Información de Componentes Diagrama de tiempos de escritura a periféricos por el microcontrolador. Diagrama de tiempos y operación del UART. - 157 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 158 Información de Componentes - 159 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 160 Información de Componentes - 161 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 162 Información de Componentes Diagrama de tiempos del inicio de conversión del ADC Diagrama de tiempos de un ciclo de conversión del ADS7864 - 163 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 164 Información de Componentes - 165 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 166 Información de Componentes - 167 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 168 Anexo C Bibliografía y Referencias. -169 - Sistema de medición digital de parámetros Eléctricos, para análisis y diagnóstico de circuitos eléctricos de media y baja tensión 170 Bibliografía y Referencias [1] IEEE STD 1159-1995, IEEE Recommended practices for monitoring electric power quality. 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