WIXLIB

Culcyt/ /CircuitosIntegración de un control automático de conmutación eléctricaPedro Hernández1, Noé Alba Baena1, Francisco Lopez1, Rafael Martínez Peláez1,José Manuel Mejía Muñoz1, Erika Guadalupe Meraz Tena11Universidad Autónoma de Ciudad Juárez.ResumenEn este proyecto se implementa un prototipo de control de conmutación eléctrica de diferentesfuentes de alimentación eléctrica, las cuales brindan la seguridad de que una carga eléctricaeste energizada, mientras alguna de las alimentaciones eléctricas este presente. La alimentaciónde respaldo y principal pueden ser de red eléctrica, de un generador de combustible y/o deenergías renovables, según se tenga la disponibilidad de alguna una de estas clases dealimentaciones eléctricas. Para implementar el prototipo, se utilizo la plataforma electrónicaArduino que es una placa para realizar proyectos de control, y se utilizo el software labview,que muestra en un panel de control la situación actual del proyecto, lo cual hace más visible lasgraficas de las salidas y entradas. Es importante mencionar que el arduino es capaz de simular elcomportamiento de sistemas eléctricos, por ello resulto una herramienta de control bastanteeficaz y simple de utilizar. También resulta importante mencionar que este proyecto funcionacomo un buen antecedente para poder realizar investigaciones futuras en el área de control ygeneración de un control que mantenga de manera permanente energizada una carga eléctrica.Finalmente el control de conmutación eléctrica por medio del arduino, resulto una buenaopción de diseño, ya que cumplió con el objetivo propuesto, obteniendo un control de bajocosto, fácil diseño y confiable.Palabras clave: Arduino, Conmutación eléctrica, Circuitos, Control automático.IntroducciónEl control automático modernosurgió hace varias décadas debido en granparte a la necesidad de la industria mundialde hacer más eficientes los distintosprocesos de producción (Kuo, 1996).Sin embargo, aún con muchos añosde existir, el control automático todavíapasa por una etapa de desarrollo einnovación. Existe en la industria, muchointerés en invertir en investigación yperfeccionamiento de métodos de controlcada vez más avanzados y prácticos(principalmenteenlos paísesdesarrollados).Otro motivo de laimplementación de controles automáticoses la demanda de mayor productividad, queaunado a los recortes de presupuesto yreducción de las plazas de trabajo resultanimportantes para las grandes compañías quequieren mantenerse vigentes en elAl incrementar la complejidad de lossistemas en la industria, también aumento lacantidad de variables físicas a controlar yvigilar. El control automático vieneentonces a compensar la incapacidad del serhumano para realizar ciertas actividades,puesto que su sensibilidad y respuesta aestímulos es muy limitada en comparación aunamáquina(Mandado,Marcos,Fernández, y Armesto, 2009).CULCyT//Enero-Abril, 2015116Año 12, No 55, Especial No 1

competitivo mercado (Ochoa y Espinoza2012).La aparición de la primerageneración de computadoras en los años40 s y 50 s generó una revolución en lavelocidad de solución de los problemasmatemáticos y los automatismos auxiliadospor estas máquinas. Con el desarrollo actualde la informática y la aparición de cada vezmás poderosos microprocesadores, se halogrado desarrollar complejos sistemas demonitoreo, control, y automatizacióncomputarizados, estos sistemas reciben elnombre de instrumentos virtuales, ya queaprovechan la potencia de cálculo,productividad y capacidad de conexión delas computadoras, a través de las cuales serealizara la simulación e implementacióndel control (Lajara, y Pelegrí, 2011). Unejemplo de ello es el software de ingenieríalabview que es bastante amigable y tiene lavirtud de ser muy visual y vistoso ademásde fácil de entender. Este software escompatible con la placa arduino por lo cuales una combinación que se utiliza paracontrolar el prototipo y mostrarlo de unamanera entendible. Otra cosa importante demencionar es que las alimentacionesademás de la red eléctrica pueden ser:Sistema fotovoltaico que inclusive ya seutilizan enla red pública, esto esimportante porque es una alternativa viablepara el consumo de electricidad. Lospaneles solares son generadores de potenciaque puede y debiera ser utilizada pararespaldo del suministro de energía eléctricaPor otra parte son innumerables loscasos en que por fallas en la provision deenergía eléctrica se puede produciraccidentes. Hoy en día, no solo existensistemas electromecánicos industriales odomiciliarios accionados por corrienteeléctrica, sino también una gama deequipamiento hospitalario que no puedequedarse sin energía. Esto llevo a laimplementación de los denominadossistemas auxiliares de abastecimiento deenergía que son manejados por un controlde conmutaciónque nos asegura unsuministro constante de energía.El tablero de transferencia es unsistema de control automatizado diseñadoque opera en forma continua para alimentarlas cargas conectados a la unidad básica detransferencia ya sea por el lado de respaldocon la planta eléctrica de emergencia o porenergías renovables también de respaldo.Por otro lado el PLC (ControladorLógico Programable) es utilizado tambiénpara crear controles de conmutacióneléctrica. Para este proyecto se utilizó elmicrocontrolador por su flexibilidad yversatilidad, un ejemplo de ello es en lautilización como cerebro de una granvariedad de sistemas de automatización enla industria domótica, y en dispositivos dela vida diaria como vehículos. Para laimplementación,sedecidió utilizarhardware y software libres, por lo que seutilizó la plataforma electrónica Arduinoque cumple con esos requisitos. Tambiéncabe mencionar que este control es de lazoabierto.CULCyT//Enero-Abril, 2015La necesidad de utilizar energías defuentes renovables radica en que la energíaes una de las problemáticas que definirán eldestino de México y el mundo. Las fuentesprimarias de energía que dominan en el117Año 12, No 55, Especial No 1

mundo son los hidrocarburos (Estrada &Arancibia, 2010).favorables puede llegar a ser del orden de2000 kW/m2 anuales; el 2% de ella setransforma en energía eólica capaz deproporcionar una potencia del orden de 1017kW (Fernández, 2007).El potencial solar que tiene la Tierraes enorme, se recibe una gran cantidad deenergía procedente del Sol que en lugaresMetodologíaLa Figura 1 muestra el diagrama de flujo de la metodología que se desarrollarán en estetrabajo con la finalidad de buscar resultados que ayuden a concluir con los objetivos planteados.Elaboración del prototipoincluido el controlInicioSe Busca opciónes nuevas, de controladores, que seande software y harware libre (accesible al publico).Resultado de Pruebas deprototipo con software labviewRevisión en mercado de los tipos de controles deconmutación eléctrica existentes.CumpleNoAnalizar el controlador a utilizar debe se capaz deconmutar diferentes fuentes de energía eléctrica,Implementación del prototipodespués de ser probadoquedando listo para validarloAnálisis del sistema que va a controlar (voltajes decontrol y potencia)Experimentar con diferentes materiales paraDiseñar el prototipo de simulaciónValidar estadísticamente el prototipoRealizar simulación probando el control con lasentradas de voltaje y salidaCumpleMostrar los resultados de la simulaciónfísicamenteCumpleNoFinNoFigura 1. Diagrama de flujo de la metodologíaCULCyT//Enero-Abril, 2015118Año 12, No 55, Especial No 1

ResultadosFuentes de voltaje. Estas Fuentes de energíason controladas por el Arduino en base aseñales e digitales.Desarrollo del conceptoPara este prototipo se tienen tresalimentaciones que deben servir de respaldoy principal según sea el caso, las cualesdeben ser conmutadas según las necesidadesde la salida. Se eligió la placa Arduinocomo controlador por ser un dispositivo debajo costo y fácil programación, tambiénpara este prototipo se utilizó voltajes quefueran de seguridad pero que a su vezfueran capaces de controlar señales depotencia. La placa Arduino utiliza 5 volts decorriente directa, para las acciones decontrol. Este voltaje es bastante accesible yseguro por lo cual los dispositivos a manejaren su salida son de 5 volts de corrientedirecta. Para la simulación del voltajeproporcionado por una fuente renovable seoptó, por una pila de 9 voltaje directo alcual se conectó en su salida un regulador devoltaje de 5 volts de salida, además deacondicionar otras señales para tener otrasDesarrollo del prototipoDiseño del circuito de acondicionamientode señales de voltajeEl diseño de la planta, para de modelar lastres Fuentes de energía mencionadas, teníaque ser una muy cercana a la realidad,confiable y segura por lo cual se optó por eluso de la electrónica de potencia(optoacopladores, triac, etc) para aislar elcontrol de la potencia, para el control seutilizaron Fuentes de poder de 5 volts decorriente directa como ya fue mencionado.Fue necesario construir 2 fuentesde poder que mantuvieran 5 VCD (voltajede corriente directa), para la alimentaciónde Arduino y la conmutación de los optoacopladores,véaselaFigura2.Figura 2. Diagrama de fuentes de poder de 5 voltsCULCyT//Enero-Abril, 2015119Año 12, No 55, Especial No 1

Se realizaron pruebas buscando losmateriales apropiados que cumplieran conel objetivo de diseñar el prototipo. Estosdeberían ser capaces de brindar seguridad yconfiabilidad al proyecto, la seguridad esde vital importancia porque la placaArduino mega trabaja en sus entradas ysalidas con 5 volts de corriente directa.Cualquier incremento en el voltaje oentrada de voltaje de otro sistema, como elvoltaje alterno, causa serios percances en elcontrolador, que pueden incluso quemarlo.Así que la mejor opción son looptoacopladoresporqueaíslancompletamente a la placa Arduino delsistema a controlar. El optoacoplador es el4N28, el cual cuenta con un fotodiodo quele envía una señal a un fototransistor, el cualcierra circuitos aislados del control, y aíslacualquier entrada de potencia que venga delexterior. Como indicador se colocó un ledpor entrada y uno para salida para tenermonitoriado nuestro sistema. Se utilizarondos resistencias para protección tanto delled indicador como del led deloptoacoplador. Del lado de led deloptoacoplador se conecta a positivo de lasfuentes y también a cada entrada delArduino mega previamente programado.En la Figura 3 se muestra eldiagrama de los componentes y como esconectadoalaplacaArduino.Figura 3. Diagrama de componentesCULCyT//Enero-Abril, 2015120Año 12, No 55, Especial No 1

Programación del Arduino con LabviewEste programa es básicamente unOR, en español un O lo cual quiere deciruna conjunción mientras tenga un 1 oencendido en la entrada, tendrá un 1 en lasalida.Como se observa en la Figura 4 el programase toma como variables de entrada, tres pinsdigitales de Arduino los cuales son el 2,3,4,así mismo se toma el pin 5 también digitalcomo salida, de esta manera cuando esteactivada una de las entradas la salida estaráactivada.Figura 4. Programa en Labviewtenemos constante un voltaje. Por otro ladotambien se muestra una caida de tensionmarcada en el multimetro esto es causadopor la resistencia de los cables conductoresutilizados que es de 11.55 ῼ y el amperajeque entrega el Arduino que son 40mAUsandolaleydeomhsImplementación del prototipoEn las ilustraciones mostradas en la Figura5 se muestra la conexion del prototipo conla interfase de labview a la computadora,ademas se puede observar como, teniendouna entrada energizada tenemos la salidatambien energizada y en consecuenciaCULCyT//Enero-Abril, 2015121Año 12, No 55, Especial No 1