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Universidad Tecnológica de Querétaro
Nombre del proyecto:
“UNIDAD DE MONITOREO PARA AUTOTRANSFORMADORES DE POTENCIA”.
Empresa
CFE, ZONA DE TRANSMISIÓN BAJÍO CENTRAL
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
Técnico Superior Universitario en Mecatrónica Área Automatización
Presenta:
Luis Oscar Segura González
Ing. Manuel Meléndez Romero Ing. Héctor Arturo Pérez García Asesor de la UTEQ Asesor de la Organización
Santiago de Querétaro Qro. Enero del 2014
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RESUMEN
La presente memoria pretende ilustrar, de manera breve y concisa, la planeación,
desarrollo y aplicación del monitoreo de variables dentro del proceso Transmisión
de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), a fin de garantizar el correcto
funcionamiento del esquipo, o bien, mejorar la facilidad de mantenimiento de estos.
Es así que se pretende monitorear algunas de las variables importantes para el
óptimo funcionamiento y mantenimiento de los equipos de transformación de la
CFE, esto mediante el desarrollo e implementación de sensores, transductores y
equipos de intercomunicación entre las señales medibles y los equipos actualmente
dispuestos en las instalaciones de la CFE. El objetivo del proyecto es aplicar de
manera real las habilidades del egresado, no sólo como un trabajador altamente
capacitado, sino como un desarrollador tecnológico capaz de innovar en el área, y
también trabajar con los elementos que se tengan a mano en el ámbito laboral para
brindar flexibilidad en la operación en el sistema eléctrico local, regional y nacional.
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My internship was at CFE located in access 6 number 2 Zona Industrial Benito
Juarez. The building was small, it was well illuminated. I worked with people of all
kinds. It had all the material to carry out my project. It had many offices and a dining
room to have lunch. I worked with Hector Perez. He was a very nice and confident
person. Overall the support of the company staff is good.
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DEDICATORIAS
A mi esposa e hijos, que sin su apoyo incondicional, esfuerzo y sacrificios, no
hubiera sido posible a ver concluido este capítulo de mi vida, además, la dedico a
mis padres, que estuvieron siempre conmigo alentándome y motivándome en los
momentos más complicados. Para todos ellos mil gracias.
AGRADECIMIENTOS
A los profesores que contribuyeron a brindar los conocimientos requeridos por todo
graduado de la carrera, y particularmente a mi asesor al Profesor Manuel Meléndez por
aceptarme para realizar la estadía bajo su dirección. Su apoyo y confianza en mi trabajo y
su capacidad para guiar mis ideas ha sido un aporte invaluable, no solamente en el desarrollo de
esta memoria, sino también en mi formación como investigador.
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Índice
Resumen ------------------------------------------------------------------- 2
Description ------------------------------------------------------------------- 3
Dedicatorias - ------------------------------------------------------------------- 4
Agradecimientos ------------------------------------------------------------------- 4
Índice ------------------------------------------------------------------- 5
I. Introducción ------------------------------------------------------------------- 7
II. Antecedentes ------------------------------------------------------------------12
III. Justificación ------------------------------------------------------------------13
IV. Objetivos --------------------------------------------------------------------14
V. Alcance --------------------------------------------------------------------15
VI. Análisis de Riesgos ----------------------------------------------------------17
VII. Fundamentación Teórica ------------------------------------------------- 18
VII.I Medición de Temperatura -------------------------------------------18
VII.II Calentamiento del Autotransformador---------------------------21
VII.III Microcontrolador (PIC) ---------------------------------------------22
VII.IV Sensor LM35 ---------------------------------------------------------23
VII.V Pantalla NOKIA 5510 -----------------------------------------------24
VIII. Plan de actividades ---------------------------------------------------------25
IX. Recursos Materiales y Humanos -----------------------------------------26
X. Desarrollo del proyecto ------------------------------------------------------28
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XI. Resultados Obtenidos -------------------------------------------------------52
XII. Conclusiones y Recomendaciones -------------------------------------53
XIII. Bibliografía --------------------------------------------------------------------54
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I. INTRODUCCIÓN
El problema de medir se presenta en diferentes actividades, y la importancia en
muchos, si no es que en la mayoría, es definitiva para sus propios procesos. Valdría
la pena recapacitar un poco en que es lo que hacemos al medir. Medir, en realidad,
no es más que comparar dos objetos de acuerdo a sus características físicas que
los distingan (magnitud). No basta con decir que un objeto es más caliente que otro,
sino darle un sentido a dicha medición.
En la industria es crucial tener controlados las variables que influyen en un proceso
de producción, por ejemplo, la temperatura en el horneado de panques, las medidas
de una pieza, la cantidad de luz en circuitos, etc. Mantener controladas las variables
en un proceso industrial, podría mantener reducidos nuestros costos de producción,
aumentar la vida útil de los equipos y herramientas, y lo que es más importante, la
seguridad de la vida humana.
Así mismo, en los procesos de producción de la Comisión Federal de Electricidad,
es de suma importancia mantener vigiladas algunas variables que podrían se
cruciales para el correcto funcionamiento y mantenimiento del equipo primario
eléctrico.
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Imagen 1. Se muestra una breve descripción de cómo se encuentran distribuidos
las tres grandes ramas del sistema eléctrico nacional.
La presente memoria, se enfocara a los equipos de transformación de la Comisión
Federal de Electricidad, en concreto a los Autotransformadores. El
autotransformador puede ser considerado como un caso particular del
transformador. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de
cinco bornes: boquilla de alta, boquilla de baja, 2 boquillas de terciario y un neutro.
Imagen 2. Foto tomada en Subestación Querétaro, se aprecian tres Auto
transformadores.
Central Generadora
Termoeléctrica
Hidroeléctrica
Nucleoeléctrica
Eólica
Subestación Eléctrica
de Potencia.
Aquí se encuentran
Autotransformadores
reductores
400KV/230KV/115KV
Subestación Eléctrica
de Distribución.
Aquí encontramos
transformadores
reductores para
usuarios finales.
115KV/34.5KV/13.8KV
Lín
ea
de
Tra
nsm
isió
n
Lín
ea
de
Su
b-
Tra
nsm
isió
n
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Imagen 3. Foto tomada en Subestación Querétaro, transformador Mitsubishi de
220KV/115KV/13.8KV 33.33 MW. 1969.
En la práctica se emplean los autotransformadores, en algunos casos en los que
presenta ventajas económicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia.
Todos los equipos eléctricos son importantes en el área de transmisión de la CFE,
pero, los Autotransformadores, muchas veces se convierten en el eslabón más
importante de todos ellos, esto por ser los encargados de acondicionar la energía
eléctrica para que sea más fácil transmitirla y distribuirla a los usuarios finales. Por
ello, es prescindible tener cuidado en el correcto funcionamiento de estos equipos.
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Las variables que el proyecto pretende medir son la temperatura del equipo, la
posición de sus TAP’S y el contador de operaciones de TAP’S. Pero en primera
estancia se pretende demostrar la confiabilidad del proyecto, solo con la adquisición
de datos de la temperatura, dejando abierto para un futuro la adquisición de los
datos de posición de TAP’S. Esto porque la adquisición de temperatura es menos
invasiva.
Por su esfuerzo físico, al transformar 230,000 Volts a 115,000 Volts, generan un
alza de temperatura de su núcleo, es aquí donde se requiere tener monitoreado al
transformador, además de mantener al equipo protegido por un sobrecalentamiento,
y llevar un dato estadístico que puede servir en caso de una contingencia. A sí
mismo, podríamos proteger de algún siniestro a los equipos eléctricos que se
encuentren en su cercanía.
Es importante dejar en claro, que los Autotransformadores son equipos muy
costosos, y no es fácil ni posible, modificar, deformar o manipular su diseño original,
es por ello que se optó por obtener la temperatura de forma superficial, más
adelante se describe el diseño final de sensor de temperatura.
El cambiador de derivaciones o TAP’S, es un mecanismo propio de los
Autotransformadores, este dispositivo tiene la función de cambiar la relación de
transformación sin des-energizar el equipo, evitando interrupciones en el flujo
continuo de la corriente eléctrica. Para este dispositivo es prescindible tener un
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contador de operaciones y un indicador de posición, y tener los datos disponibles
para su verificación de operación y sus programas de mantenimiento.
Estos dispositivos o sensores, se comunicaran a un equipo centralizador, operado
por un micro controlador (PIC), que digitaliza los datos y los envía por medio un
canal de comunicación hasta la caseta de control de la subestación. Y así, toda la
información recabada por el dispositivo “Unidad de Monitoreo de Auto-
Transformadores” (UMAT) va ser dirigida al “Supervisory Control And Data
Acquisition” (SCADA, traducido a Control Supervisorio y Adquisición de Datos),
propio de la subestación.
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II. ANTECEDENTES
La forma de recabar esta información actualmente, es de forma analógica, y están
situados los medidores indicadores en el sitio propio del autotransformador, es decir,
si alguien quisiera consultar estos parámetros tiene que trasladarse a campo y
obtenerlos. Es por esto la importancia de explotar dicha información y tenerla en
tiempo real al alcance de cualquier usuario.
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III. JUSTIFICACIÓN
Es prescindible mantener la información en tiempo real. Las demandas eléctricas
en los tiempos actuales son cada vez más exigentes, y el flujo de energía sin
interrupciones es prescindible para la CFE. Es por esto, que es necesario tener
datos estadísticos y de estado, para llevar una planeación de mantenimiento basado
en Confiabilidad. El estar enterados en cualquier momento de las variables
recabadas por nuestro sistema UMAT, podría beneficiar de alta manera los costos
de operación y la confiabilidad del equipo, así como su vida útil. El trabajo de un
operador o técnico, es inigualable, pero no infalible. El error humano siempre está
presente, en lecturas erróneas o falta de un historial confiable. Con el sistema UMAT
la información va directamente al sistema SCADA y los datos pueden ser guardados
de forma histórica para su uso.
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IV. OBJETIVOS
1. Incrementar la calidad en el flujo de información.
2. Aumentar la capacidad de confiabilidad en los planes de mantenimiento.
3. Reducir los riesgos de contingencias que puedan afectar el flujo y confiabilidad
del sistema eléctrico, con un monitoreo eficaz y en tiempo real.
4. Crear más tecnología propia de la CFE.
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V. ALCANCE
El proyecto UMAT consiste en una serie de dispositivos que conforman toda la
unidad. Estos dispositivos son:
1. El sensor de temperatura fue creado desde cero, utilizando dos circuitos, la
fuente de alimentación y el circuito acoplador del sensor de temperatura. La
fuente de alimentación conmutada con las características de 110VCA de
entrada y una salida de 5VCD a 500mA, similar a los circuitos de las fuentes
de celular. Esta fuente, fue escogida por su diseño confiable, su costo
accesible y bajo consumo de corriente. El circuito para la medición de
temperatura, es un diseño basado en el LM35, este es un sensor de
temperatura con una precisión calibrada de 1ºC. Su rango de medición
abarca desde -55°C hasta 150°C. La salida es lineal y cada grado centígrado
equivale a 10mV. El circuito fue diseñado para trabajar con los rangos de
temperatura de -55°C a 100°C, dicha medición es transformada a una salida
de corriente de 0 a 1mA, que abarca los estándares de trabajo de la CFE,
donde, -55°C son 0.09mA. y los 100°C equivalen a 0.4mA. El sensor de
temperatura, hablando de los dos circuitos, es encapsulado en una carcasa
de aluminio, que será colocada de manera superficial sobre el Auto-
transformador, adherida por imanes a la coraza del Auto-Transformador.
2. Para la obtención de la medición del cambiador de derivaciones, se obtendrá
la información a través de un encoder, que será situado en el gabinete del
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cambiador de derivaciones. Para este punto es prescindible que el diseño del
Auto-Transformador este dentro del alcance de los requerimientos y
permisos que requiera el sistema UMAT y que autorice la CFE. Por ello, en
primera instancia, el proyecto UMAT pretende ser enfocado solo en la
medición de temperatura, ya que es menos invasiva que la medición de
posición de TAP´S. Pero, teniendo en cuenta que es proyecto UMAT es
capaz de obtener esta información de posición de TAP´S. En resumidas
cuentas, el sistema UMAT pretende demostrar su confiabilidad con la
explotación de la variable de temperatura del Auto-Transformador, abriendo
paso en un futuro, a la autorización de la instalación del encoder para la
obtención de la posición de TAP’S.
3. La información recabada por los sensores llegara a un circuito que digitalizara
las variables medidas, compuesto por un microcontrolador PIC 18f4550,
transmitiendo la información por medio de comunicación serial, desde el
campo hasta el tablero propio de la subestación.
4. La información será recibida por otro sistema compuesto por un
microcontrolador PIC 18f4550 y convertirá la señal digitalizada a una señal
analógica, comprendida, de acuerdo a los estándares de trabajo de las
señales analógicas de la CFE, a los valores de 0 a 1mA. Para ser dispuesta
por el propio sistema SCADA de la CFE.
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VI. ANÁLISIS DE RIESGOS
La siguiente tabla pretende realizar un concentrado de los posibles riesgos a
encontrar durante el desarrollo e implementación del proyecto de estadía, así como
sus posibles consecuencias y las soluciones propuestas, ya sean preventivas o
correctivas.
No. Posible Riesgo Consecuencia Solución
1 Falla en el diseño
eléctrico
Malfuncionamiento o
posible cortocircuito
Analizar a conciencia el
diseño y simularlo
previamente.
2 Errores en el código
fuente del firmware.
Funcionamiento errático Simulación del código
en PROTEUS
3 Error en la medición,
comparada con los
medidores en campo.
Falta de mediciones
confiables.
Calibración de circuitos
transductores.
4 No hay medición. Falta de confiabilidad del
sistema
Revisar comunicación de
enlace.
Tabla 1. Tabla de análisis de riesgo.
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VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
7.1 Medición de Temperatura
Este concepto se originó a causa del sentido físico del calor o del frío, aunque se
tiene una definición más científica de lo que es la temperatura. Todo eso significa
que la temperatura depende del movimiento de las moléculas que componen a la
sustancia, si éstas están en mayor o menor movimiento, será mayor o menor su
temperatura respectivamente, es decir, estará más o menos caliente.
El termómetro de mercurio, es el dispositivo más común para medir la temperatura,
este es un tubo capilar de vidrio al vacío con un depósito de mercurio en el fondo y
el extremo superior cerrado. Debido a que el mercurio se dilata más rápidamente
que el vidrio, cuando aumenta la temperatura este se dilata y sube por las paredes
del tubo.
Este termómetro es el más usado, aunque no el más preciso, porque el mercurio a
los - 39 °C se congela restringiendo el rango o intervalo en que se puede usar. Por
este motivo hay otros métodos de medición que algunas veces resultan complicados
en su estudio pero en la práctica son de gran ayuda, como los siguientes:
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TERMOPAR:
Se basa en un voltaje eléctrico producido por la unión de conductores
diferentes y que cambia con la temperatura, este voltaje se usa como medida
indirecta de la temperatura.
TERMISTOR:
Este método se obtiene gracias a la propiedad de variación de la resistencia
eléctrica con la temperatura.
PIROMETROS
Se usa en los casos donde las temperaturas a medir son altas. La medición
se logra por el registro de la energía radiante (radiación electromagnética;
por ejemplo emisión de infrarrojo) que desprende un cuerpo caliente.
BANDAS DE METAL
Cuando dos tiras de metal delgadas, unidas en uno de sus extremos, se
dilatan a diferente velocidad cuando cambia la temperatura. Estas tiras se
utilizan en los radiadores de los automóviles, y en los sistemas de
calentamiento y aire acondicionado.
SEMICONDUCTORES
Con el sensor de temperatura basado en un elemento semiconductor de
silicio y la electrónica correspondiente, se pueden medir temperaturas en un
rango de -55 ºC hasta +150 ºC.
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GRADOS CENTIGRADOS, KELVIN O FAHRENHEIT
Cada uno de estos nombres son según el inventor de las escalas, la escala
Fahrenheit es muy usada en los EE.UU. donde el grado 0 se tomó en base a una
solución de hielo de agua de sal, y el punto superior como la temperatura del cuerpo
humano, aunque siendo esta de 96°F. La escala de grados Celsius es la más usada,
y tiene como punto más bajo 0°C, que es el punto de congelamiento del agua y el
máximo es 100°C, que es el punto de evaporación del agua.
Las escalas Fahrenheit y Celsius son relativas, es decir, el punto correspondiente a
cero fue establecido arbitrariamente por los inventores. Algunas veces es necesario
utilizar escalas que no sean relativas sino absolutas. En una escala absoluta, el
punto perteneciente al cero corresponde a la temperatura mínima que el hombre
cree que puede existir. Esta temperatura mínima, está relacionada con las leyes de
los gases de la termodinámica.
La transferencia de calor es el movimiento del calor de un objeto caliente a uno frío.
Calentarse a sí mismo es cómo experimentamos las vibraciones moleculares. Las
vibraciones más rápidas se sienten más calientes al tacto. Existen tres tipos de
transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La conducción es una
transferencia por contacto. La convección tiene que ver con el flujo de un fluido que
lleva calor. La radiación se refiere a la radiación electromagnética, como la luz
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invisible y la infrarroja. El sensor del sistema UMAT usa la transferencia de calor por
conducción.
La transferencia de calor por conducción, es la conducción del calor por tacto.
Algunos ejemplos incluyen el calentar una olla en una estufa eléctrica y enfriar
metal al rojo vivo por inmersión en agua líquida. Un ejemplo más sutil es el uso de
un ventilador para enfriar. Específicamente, una capa de aire caliente se acumula
en nuestra piel debido a la temperatura de nuestro cuerpo. Un ventilador empuja
esa capa para ser remplazada con una temperatura más baja de aire, haciéndonos
sentir más fríos.
7.2 Calentamiento del Autotransformador
Conociendo ya suficientemente la importancia de los transformadores en los
sistemas eléctricos de potencia. Desde el punto de vista de su explotación, la
protección de estas máquinas frente a fallos, tanto externos como internos resulta
vital, debido al coste de los transformadores, especialmente aquellos de gran
potencia, unido a los elevados costes asociados a las pérdidas de producción
debidas a la ausencia de alimentación eléctrica en la industria
Desde el punto de vista conceptual, las averías en los transformadores son
producidas por fallos que se originan mayormente por su calentamiento, tanto en el
interior como en el exterior de la máquina. Como es sabido ya, las pérdidas de los
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transformadores tanto en los devanados como en el núcleo, se traducen en calor
que llegan a disminuir el rendimiento, y en un caso extremo pueden llegar a destruir
el propio transformador.
7.3 Microcontrolador (PIC)
La compañía Microchip Technology, ofrece una serie de circuitos integrados que
denomina "controladores de interfaz de periféricos" o microcontroladores PIC.
Combinan un microprocesador, la memoria y la interfaz en un solo chip, ofreciendo
a los desarrolladores profesionales, técnicos y aficionados, una plataforma fácil de
usar y de bajo costo para el desarrollo de sistemas electrónicos controlados por
software. El proyecto UMAT tiene como alma, un microcontrolador PIC 18F4550
que tiene las siguientes características:
• 35 pines I/O disponibles
• Memoria de programa flash de 32 kB
• RAM de 2048 Bytes
• EEPROM de datos de 256 Bytes
• Oscilador externo hasta 48 MHz
• ADC de 10 bits y 13 canales
• Voltaje de operación 4.2V a 5.5V
• 2 módulos de captura/comparación/PWM
• 1 timer de 8 bits y 3 de 16 bits
• EUSART, SPP, SPI, I²C.
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7.4 Sensor LM35
El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida
es linealmente proporcional a temperatura en ºC (grados centígrados). El LM35 no
requiere ninguna calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión típica
de ± 1.4 ºC a temperatura ambiente y ± 3.4 ºC a lo largo de su rango de temperatura
(de -55 a 150 ºC). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de producción.
La baja impedancia de salida, la salida lineal y la precisa calibración inherente,
permiten la creación de circuitos de lectura o control especialmente sencillos. El
LM35 puede funcionar con alimentación simple o alimentación doble (+ y -)
Requiere sólo 60 µA para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento, menos
de 0,1 ºC en aire estático. El LM35 está preparado para trabajar en una gama de
temperaturas que abarca desde los- 55 ºC bajo cero a 150 ºC. Características:
• Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados)
• Factor de escala lineal de +10 mV / ºC
• Rango de trabajo: -55 ºC a +150 ºC
• Bajo costo
• Funciona con alimentaciones entre 4V y 30V
• Menos de 60 µA de consumo
• Bajo auto-calentamiento (0,08 ºC en aire estático)
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7.5 Pantalla NOKIA 5510.
Estas pantallas son pequeñas, sólo alrededor de 1,5" de diámetro. Esta pantalla es
de 84x48 píxeles individuales, por lo que se puede usar para gráficos, texto o mapas
de bits. Estas pantallas son de bajo costo, fácil de usar, requieren sólo unos pocos
pines de E / S digitales y consumen baja potencia también. Para controlar la
pantalla, necesitará 5 pines digitales de salida.
La pantalla utiliza el chip controlador PCD8544 de Philips, estos se utilizaron en los
teléfonos celulares Nokia 3310 y el 5110. Este chip está diseñado para funcionar
sólo a 3.3V y tienen niveles de voltaje de comunicación 3v, por lo que para los
microcontroladores de 5V se requiere un cambiador de nivel lógico.
Imagen 4. Fotografía de la pantalla NOKIA 5510.
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VIII. PLAN DE ACTIVIDADES
Actividades Semanas
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Inspección física del equipo
Selección de componentes
Diseño eléctrico del ST
Trazo del diagrama eléctrico y PCB del ST
Pruebas del ST
Diseño eléctrico de DATD
Trazo del diagrama eléctrico y PCB del DATD
Elaboración de algoritmos de DATD
Prueba de Algoritmos
Prueba del sistema
Documentación de los procesos
ST Sensor de temperatura
DATD Dispositivo de Adquisición y Transmisión de Datos
Tabla 2. Plan de actividades del sistema UMAT.
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IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
9.1 Recursos Materiales
La siguiente información consiste en un concentrado de los materiales empleados
durante el desarrollo del proyecto, tanto para su realización final como para sus
pruebas, correcciones e implementación inicial.
9.1.1 Sensor de Temperatura
Cantidad Componente Valor Costo ------------ ------------------ ------- -------- Resistencias --------- 1 R1 18k 0.33 8 R2-R9 100k 2.64 2 R10, R11 10k 0.66 Capacitores ---------- 2 C1, C2 10uF 3.00 1 C3 100uF 2.00 2 C4, C5 100nF 3.00 1 C6 22uF 1.50 1 C7 1uF 1.50 Circuitos Integrados ------------------- 1 U1 LM35 25.00 1 U2 TL082 30.00 1 U3 LM358 45.00 1 U4 ICL7660 35.00 Diodos ------ 2 D1, D2 1N914 3.00 Misceláneos ------------- 3 RV1-RV3 10k 80.00 1 Carcasa 1 Fuente 110VCA/5VCD 50.00
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9.2 Recursos Humanos
A continuación se detallan los recursos humanos involucrados durante la
realización y desarrollo del proyecto.
Cantidad Descripción Especificaciones
1 TSU Mecatrónica Conozca de programación de PIC, electrónica, neumática y diseño de PCB.
1 Ing. Electrónico Responsable del Departamento de Control de la empresa.
Tabla 3. Tabla de Recursos Humanos.
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X. DESARROLLO DEL PROYECTO
El proyecto se desarrolló en la Comisión Federal de Electricidad, Zona de
Transmisión Bajío Central con dirección en Acceso 6 número 2 en la Zona Industrial
Benito Juárez, en el departamento de Control.
El dispositivo a sensar es el Banco de Autotransformadores 1, en la fase A como
prueba piloto. Se dispuso a tomar las precauciones y medidas correspondientes,
para el diseño de un dispositivo que comunicara las variables medidas en el equipo
a sensar, hasta la caseta de control.
En primer punto y más importante, se optó por diseñar y fabricar un sensor de
temperatura que fuera adecuado que llenara las necesidades de la empresa, y más
importante que es diseñar y crear tecnología propia. El sensor de temperatura fue
diseñado a partir de las siguientes características generales:
1. Carcasa metálica con borne para aterrizar, protegida contra filtración de
agua y oxidación. Con sujeción al equipo que no contemplara perforación o
modificación al Autotransformador.
2. Alimentación de alterna a 125 VCA.
3. Salida de en Corriente con rango de 0 a 1mA.
Con estas especificaciones se diseñó el sensor de temperatura obteniendo los
siguientes resultados.
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Carcasa de Sensor de Temperatura.
Carcasa metálica de aluminio, con sujeción a superficie por imanes, el diseño se
realizó en la aplicación gratuita de GOOGLE, “SketchUp”.
Imagen 5. Vista Inferior de carcasa.
Imagen 6. Vista Superior de carcasa.
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Imagen 7. Vista frontal de carcasa.
Imagen 8. Vista lateral de carcasa.
31
Imagen 9. Vista Isométrica de carcasa.
Imagen 10. Vista de carcasa.
32
Imagen 11. Carcasa de Sensor de Temperatura
Imagen 12. Carcasa finalizada con logo grabado con láser.
33
Circuito de Sensor de Temperatura.
El sensor de temperatura está diseñado para trabajar con un voltaje de 5 VCD, el
consumo de este es de 60mA, su rango de salida es de 0 a 1mA, dicho rango de
trabajo es el estandarizado para los dispositivos SCADA de la CFE.
La fuente de alimentación es vital parta equipos energizados las 24 horas de día los
365 días del año, por lo que se optó por seleccionar una fuente de poco consumo,
confiable y de bajo costo. Dicha descripción fue encontrada en las fuentes de
alimentación para celulares, que tienen las características convenientes para este
tipo de trabajos. Al final las características de la fuente fueron, entrada de
alimentación de 110 VCA con salida de 5VCD con una corriente máxima de 400mA.
Es importante mencionar que la distancia que se encuentra entre el sitio donde será
colocado el sensor y la parte de alimentación más cercana, es de 10 metros, por lo
que se planeó una alimentación de VCA para no hacer uso de VCD, y con ello evitar
pérdidas, ruido e interferencias de Voltaje.
En el área encontramos grandes cantidades de Inducción Eléctrica, y agregando,
que la distancia que se encuentra del punto más cercano a la parte energizada del
Auto Transformador es de poco más de 3 metros, es de suma importancia que la
carcasa de sensor de temperatura se encuentre protegida contra los efectos
34
eléctricos de la inducción, como puede ser errores de medición, ruido en señal de
salida etc. Por ello el sensor de temperatura se encuentra debidamente aterrizado.
El sistema UMAT tiene un sensor de temperatura LM35, está se encuentra en un
arreglo de circuito que hace que trabaje en los rangos de monitoreo que abarca de
los -55°C a los 100°C.
Imagen 13. Arreglo de circuito para LM35.
En la imagen 13, se puede apreciar los puntos A y B, estos no representan una
salida común de señal, sino cada punto tiene un voltaje que es directamente
proporcional a la medición de temperatura. Para poder obtener la medición de
35
temperatura, es necesario sumar los voltajes que tenemos entre los puntos A y B,
para ello hacemos uso de los amplificadores operacionales.
Imagen 14. Circuito en 3D de sensor de temperatura.
En detalle el circuito del sensor de temperatura está constituido por una serie de
procesos que nos da como resultado una medición confiable a lo especificado por
la CFE. En la Imagen 15 vemos como se encuentra el proceso de medición y
acoplamiento de la señal censada.
36
. Imagen 15. Descripción general de acoplamiento de señal.
Imagen 16. Foto del Interior del sensor de temperatura.
Se realizaron las pruebas correspondientes para probar el correcto funcionamiento
del sensor de temperatura. Obteniendo resultados satisfactorios
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Después de los excelentes resultados obtenidos por el sensor de temperatura se
dio a la tarea de diseñar y construir una tarjeta de adquisición de datos que cumpla
con las necesidades del sistema UMAT.
La tarjeta de adquisición de datos debe cumplir las siguientes características:
1. Alimentación de 110 VCA.
2. Convertidor analógico digital con resolución de 10 bits.
3. Entrada para seis canales analógicos.
4. Carcasa rígida, metálica que proteja de ruido eléctrico.
5. Pantalla que muestre los datos en el sitio.
6. Comunicación para transmitir datos.
A partir de estos puntos, se dio a la tarea de diseñar una tarjeta de adquisición de
datos confiable, utilizando el microcontrolador 18f4550 como componente principal.
Se diseñó un circuito tomando en cuenta, los posibles riesgos y fallas a las que
estará ex puesto en un ambiente hostil lleno de inducción eléctrica.
A demás es de suma importancia tener una comunicación confiable alejada de
interferencias, ya que una medición errónea podría alertar y gastar recursos
innecesarios.
38
Carcasa de la tarjeta de adquisición de datos.
Se tomaron en cuenta las características deseadas en la planeación, para tomar la
decisión final de la selección correcta de la carcasa. En las siguientes imágenes
vemos la carcasa elegida finalmente.
Imagen 17. Foto del interior de la carcasa de la tarjeta de adquisición de datos.
En la imagen 17se muestra el interior de la carcasa metálica, se aprecia un
cartoncillo que aísla cualquier riesgo de corto circuito entre la tarjeta de adquisición
y el fondo de la carcasa.
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Imagen 18. Vista lateral y frontal de la carcasa.
En la imagen 18 se aprecia que en la carcasa se cuenta con diez y seis terminales
clemeras, así como un espacio para acoplar una pantalla Nokia de 80x40 pixeles.
La pantalla Nokia se vuelve esencial para consultar en campo la información,
además, para realizar las calibraciones correspondientes en el enlace de
comunicación entre el gabinete centralizador y la caseta de control.
40
Circuito de la tarjeta de adquisición de datos.
Imagen 19. Circuito de tarjeta de adquisición de datos.
En la imagen 19, se aprecia una imagen 3d del circuito diseñado para la tarjeta de
adquisición de datos. Es prescindible que el circuito se encuentre correctamente
diseñado, para evitar malas lecturas y perdidas de comunicación, entre el gabinete
centralizador en campo y la caseta de control de la Subestación.
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Para el diseño de la tarjeta de adquisición de datos se tomaron las precauciones
adecuadas para evitar fallos en el circuito, como ruido eléctrico, interferencias del
medio, protección contra voltajes altos y negativos en los canales analógicos. Es de
suma importancia dar la seguridad que el circuito funcione correctamente y sea
eficiente.
El problema del “ruido” es uno de los aspectos más preocupantes en el proyecto
UMAT, ya que las condiciones de trabajo de los circuitos son de las más difíciles,
dicho ruido eléctrico aparece como consecuencia de que el comportamiento de los
circuitos electrónicos no se reduce a los términos de «teoría de circuitos», no queda
confinado en el simple análisis de circuitos resultante del diseño; sino que la realidad
física actúa en la forma de “campos electromagnéticos”, con una doble incidencia:
las ondas y los campos externos presentes en el entorno actúan como interferencias
sobre el circuito y, además, su propio funcionamiento produce perturbaciones que
también le afectan.
Los circuitos electrónicos procesan energía electromagnética para poder llevar a
cabo la función para la que han sido diseñadas. El diseñador, habitualmente,
maneja el problema teniendo en cuenta tensiones y corrientes en el circuito: análisis
de circuitos.
Pero las leyes físicas ignoran las fronteras conceptuales que el diseñador impone a
su circuito y cualquier energía de tipo electromagnético presente en el entorno
interfiere sobre el mismo; además, por causa de esas mismas leyes físicas, los
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componentes no se comportan de forma ideal (no se limitan a ser los elementos de
circuito en los que el diseñador piensa) sino que presentan efectos parásitos. Es
preciso un punto de vista más amplio que el propio análisis de circuitos para
entender y controlar los fenómenos que provocan la aparición de interferencias:
presencia de campos electromagnéticos, y recordemos que en el área donde el
Proyecto UMAT trabajara, será en las peores condiciones de ruido eléctrico.
De esta forma los sistemas digitales se encuentran sometidos a interferencias que
les llegan desde el medio ambiental en que se encuentran (motores, relés,
transformadores, radiofrecuencias, emisiones de los cables de red, deformaciones
y perturbaciones de la propia red eléctrica, etc.) y a perturbaciones debidas a los
campos electromagnéticos que ellos mismos producen (variaciones de consumo
que generan parásitos sobre la alimentación, oscilaciones propias de los circuitos,
acoplamiento entre pistas del circuito impreso, radiación de las pistas y cables de
interconexión, etc.).
Todas estas señales son indeseables para un sistema electrónico por cuanto
pueden afectar a su correcto funcionamiento; en el caso de un sistema digital las
interferencias pueden modificar puntualmente los valores booleanos por
desplazamiento de las tensiones en los nudos del circuito.
Entonces podemos definir que: Ruido es toda perturbación electromagnética que
afecta a un circuito digital, toda señal parásita no propia del comportamiento
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booleano del circuito y que, por tanto, puede producir errores al modificar los valores
booleanos correctos.
El ruido puede proceder del exterior o puede ser producido en el propio circuito y
puede ser conducido, si se propaga a través de conductores y componentes del
mismo circuito o de sus líneas de alimentación, de entrada o de salida, o radiado, si
se acopla a través de campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos. El ruido
conducido puede ser razonado en términos de tensión mientras que el radiado
requiere términos de potencia.
En circuitos un ruido momentáneo puede causar un error transitorio en el vector de
salida, pero no repercutirá posteriormente; en los secuenciales, el efecto es más
duradero y por tanto más peligroso: puede dar lugar a una modificación del estado
que se propagará como error hacia el futuro, es decir, provocará un error
permanente.
Pero no estamos indefensos contra el combate del ruido eléctrico para ello
contamos con filtros que pueden suprimir todas estas anomalías eléctricas.
Una vez se han observado los distintos factores que afectan a lo que se conoce
como ruido eléctrico en el circuito, prestaremos atención en este apartado a la
eliminación, o reducción de sus efectos cuando no sea posible.
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Si bien, lo deseable es que no haya variaciones bruscas de corriente para evitar los
efectos de las inductancias parásitas, no es menos cierto, que en ocasiones es
necesario apagar y encender partes del mismo para reducir el consumo eléctrico
del circuito. En estos casos la solución al ruido eléctrico conducido que provocarán
estas acciones es el filtrado de la tensión parásita inducida mediante condensadores
y la inclusión de mecanismos de separación galvánica entre dichos elementos y el
resto del circuito, mediante opto acopladores y elementos similares.
Considerando el ruido eléctrico en el diseño de PCBs, esto no implica que haya que
dar por perdida la batalla contra la ruido parásito, de hecho, es recomendable
además hacer pistas de circuito impreso que reduzcan la inductancia de las mismas
y reducir los efectos de las variaciones de tensión, por ejemplo mediante la inclusión
de condensadores que absorban las variaciones de corriente.
En este sentido, las pistas de un circuito impreso deben ser lo más cortas y anchas
posible, especialmente las de las líneas de alimentación, se deberán incluir
condensadores de desacoplo tanto en las alimentaciones como en los circuitos
integrados, se deberán separar las alimentaciones: digital, potencia, analógica, etc.
Especialmente se deberán realizar pistas de alimentación directa, ancha y muy
cuidada. Si dicha inducción se produce en la alimentación podemos dañar
irreversiblemente el circuito, y aun produciéndose oscilaciones más pequeñas de
tensión, si dichas oscilaciones son negativas se puede producir un reset, o se puede
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inducir que se dispare una interrupción de forma indeseada. Limitar, en la medida
en que sea posible, las variaciones bruscas de corriente.
El ruido eléctrico producido por acoplamiento capacitivo entre pistas, la principal
forma de reducir este tipo de ruido eléctrico es reduciendo la velocidad de los
cambios de tensión, sin embargo, en los circuitos digitales esto no es siempre
posible, especialmente si observamos las líneas de comunicaciones. En estos
casos, se recomienda reducir la longitud de las pistas, aumentar la separación entre
las mismas y situar una pista de masa o de alimentación entre ellas.
La solución al ruido eléctrico producido por acoplamiento inductivo y por efectos de
antena o de inducción de campo, se debe utilizar un plano o malla de masa,
expandiendo al máximo el tamaño de la misma, se debe realizar una sola conexión
a tierra para evitar los bucles de corriente de tierra.
Además de estas medidas se recomienda aislar el circuito mediante una chapa
metálica, de modo que haga el efecto “Jaula de Faraday” en la PCB, impidiendo la
entrada de ondas electromagnéticas que inducirán corrientes parásitas en el
circuito. Y de modo análogo, habrá que evitar producir ruido eléctrico, que inducirá
igualmente perturbaciones en otras partes del circuito, o en otros elementos del
exterior. Con este motivo se utilizarán carcasas ferromagnéticas, se utilizarán
cables gruesos en la medida de lo posible, y se recomienda apantallarlos.
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A continuación se enumeran un checklist de diseño electrónico que debe revisarse
en caso de que nuestro circuito presente problemas de ruido eléctrico :
1. Utilizar cables y pistas muy cortos para evitar las oscilaciones, los acoples,
los efectos antena y otros.
2. Utilizar condensadores de desacoplo en la alimentac ión . Se recomienda
filtrar la tensión de alimentación de entrada a cada placa con un condensador
de entre 100nF y 100uF, y la alimentación de cada circuito integrado con un
condensador de 10nF, salvo que el fabricante recomiende otro valor. Estos
filtros resuelven los cambios de tensión producidos por cambios bruscos de
corriente y reducen los bucles de corriente de los circuitos integrados a la
mínima expresión, para lo que se recomienda situarlos lo más cerca posible
de los pines de alimentación de dichos integrados.
3. Realizar una buena distribución de las alimentacion es. Se recomienda
utilizar líneas cortas, directas y anchas, se recomienda utilizar un plano o
malla de masa y separar galvánicamente las distintas alimentaciones, de
potencia, analógica y digital.
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4. Eliminar y apantallar todos los componentes magnéti cos , para evitar que
produzcan ruidos eléctricos que se traducirán en corrientes y tensiones
parásitas en el circuito.
5. Intercalar líneas de masa en los buses de comunicac iones para evitar y
reducir el ruido eléctrico asociado a acoplo capacitivo.
6. Aislar el circuito electrónico mediante una chapa m etálica , para hacerlo
inmune frente a ruidos eléctricos generados en el exterior.
7. Aislar las líneas de conexión al exterior: mediante el uso de filtros de red
y separando las entradas y salidas galvánicamente mediante opto
acopladores.
8. Apantallar los cables de conexión , para evitar la inducción de corrientes y
tensiones en los mismos. Para ello se recomienda la utilización de cables
coaxiales o entrelazados, evitando los cables finos, planos, pequeños y sin
trenzar.
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Después de tomar todas las consideraciones anteriores, se realizó el circuito
esquemático con todos los componentes principales, de apoyo y de protección. Para
ensamblar un circuito altamente confiable y con el menor factor de riesgo posible.
El componente principal es el microcontrolador 18f4550 que es el encargado de
realizar la conversión analógica digital, recordando que dicha conversión es de
10bits de resolución. Dicha conversión no se simplifica en realizar una lectura y
mostrar los resultados, sino además, que dicha lectura sea confiable y resguardada
de interferencias o voltajes de falla.
Al realizar una conversión analógica, proveniente de una señal analógica externa,
corremos el riesgo de que dicha señal venga con voltajes negativos o un alto voltaje.
Para ello, tenemos la solución con un arreglo de diodos de protección, que
desbocan los voltajes excesivos que podrían causar daño a nuestra tarjeta de
adquisición de datos.
Imagen 20. Arreglo de protección de diodos.
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Después de que disminuir el riesgo de falla de nuestro circuito, toca el momento de
verificar que nuestra señal leída sea limpia de ruido eléctrico. Con un osciloscopio
confirmamos dicha posibilidad, pero lamentablemente encontramos una señal
variable en forma de onda, lo que nos indica que nuestra señal no es lo que
esperábamos.
Analizando los resultados y por experiencias personales llegamos a la conclusión
que en primera instancia requeríamos una resistencia de alta impedancia. Además
usamos un capacitor electrolítico para filtrar la señal de ruido, obteniendo así al fin
una señal limpia.
Imagen 20. Pistas del circuito de adquisición de datos.
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Imagen 21. Vista en 3d de la tarjeta de adquisición de datos.
Imagen 22, Descripción visual de componentes principales
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Imagen 23. Diagrama de entradas y salidas de tarjeta de adquisición de datos.
Después de construir el circuito de adquisición de datos, ensamblamos el circuito
con la carcasa y la fuente de alimentación así obteniendo al fin nuestro módulo
DATD (Dispositivo de Adquisición y Transmisión de Datos.)
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XI. RESULTADOS OBTENIDOS
El desarrollo de tecnología es importante en todas las empresas, y en la comisión
federal de electricidad, no es la excepción. Es por ello, su interés por crear nuevas
tecnologías, y dar la oportunidad a jóvenes emprendedores que compartan sus
conocimientos adquiridos.
Al conectar el Sensor de temperatura con nuestro Dispositivo de Adquisición y
Transmisión de Datos, obtuvimos resultados satisfactorios. Las pruebas en
laboratorio resultaron confiables. El proyecto UMAT es ambicioso, pero con amplias
posibilidades de obtener resultados positivos.
Las pruebas se realizaron en campo, con las inclemencias del medio, y el exceso
de humedad de la temporada de lluvias. El buen diseño y fabricación de nuestro
sensor de temperatura, fue crucial para evitar fallas por humedad. No queda más
que decir que el proyecto UMAT se comportó de acuerdo a lo planeado, y con una
mínima desviación en la medición de los datos.
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XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El presente proyecto destacó la importancia como fuente de monitoreo de los
equipos para tener un historial de comportamiento y funcionamiento. Es por ello que
se contemple el monitoreo de todos equipos eléctricos de potencia, ya que los
beneficios pueden ser mayores que la propia inversión de los proyectos de
automatización.
Además de una forma de optimizar el tiempo y esfuerzo dentro de la empresa a fin
de agilizar los procesos y mejorar la calidad de los mismos, por lo que se
recomienda un análisis de las áreas donde se invierte más tiempo de trabajo en
monitoreo, y dicho tiempo ocuparlo en mantenimiento preventivo.
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XIII. BIBLIOGRÁFIA ·
• Sitio oficial de Microchip (www.microchip.com)
• Sitio PICLINUX (http://pic-linux.foroactivos.net)
• Sitio LCD NOKIA ( http://lcd1100noki.blogspot.mx/2012/02/lcd-nokia-1100-
y-pic16f628.html )
• Sitio TodoPIC ( http://todopic.mforos.com )
