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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MDEM PARA LA TECNOLOGA PLC
NSTOR JAVIER CORREA GRANADOS JORGE HUMBERTO FLOREZ
BALLESTEROS
Trabajo de grado presentado como requisito para optar el ttulo
de Ingeniero Electrnico
Director Ral Restrepo Agudelo Ingeniero Electricista
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERA Y
ADMINISTRACIN
ESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICA BUCARAMANGA
2008
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AGRADECIMIENTOS
Agradecemos especialmente a la empresa Grupo R&O por la
facilitacin de los equipos para las pruebas y el cubrimiento total
del costo del proyecto. Expresamos nuestro agradecimiento al Ing.
Ral Restrepo Agudelo por la direccin y atencin prestada durante el
desarrollo del proyecto. As mismo, queremos agradecer al comit de
investigaciones y jefe de carrera el Ing. Alex Alberto Monclou
Salcedo, quienes nos facilitaron el laboratorio para la realizacin
de las pruebas.
Los autores
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CONTENIDO
pg.
INTRODUCCIN 12 1. DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MDEM PARA LA
TECNOLOGA 13 PLC 1.1 PROPSITOS DEL PROYECTO 13 1.2 JUSTIFICACIN 13
1.3 OBJETIVOS 14 1.3.1 Objetivo general 14 1.3.2 Objetivos
Especficos 14 2. MARCO TERICO 15 2.1 DISEO DEL MDEM: ASPECTOS
GENERALES 15 2.1.1 Descripcin 15 2.1.2 Protocolos estndares
desarrollados 15 2.1.3 Canal de comunicacin 16 2.2 DISEO Y
CONSTRUCCIN DEL MODEM 19 2.2.2 Descripcin 19 2.2.3 Mtodos de
modulacin 20 2.2.4 Acoplamiento con la red elctrica de baja tensin
22 2.3 DISEOS Y CONSTRUCCIN DEL MODEM: PRACTICA 25 2.3.1 Descripcin
25 2.3.2 Expectativas 25 2.3.3 Sistemas de Transmisin y Recepcin 26
2.3.3.1 Modulacin y Demodulacin FSK 26 2.3.3.2 Amplificacin de la
seal 28 2.3.3.3 Red de Acoplamiento 29 2.3.4 Pruebas del Sistema de
Transmisin y Recepcin 31 2.3.4.1 Pruebas del Mdem con la Red
Aislada (sin carga y distancia 32 variable) 2.3.4.2 Pruebas del
mdem con la red aislada (con carga resistiva de 32 100w constante y
distancia variable). 2.3.4.3 Pruebas del mdem con la red aislada
(con carga resistiva 33 variable y distancia constante) 2.3.4.4
Pruebas del mdem con la red aislada (con cargas no lineales) 35
2.3.4.5 Pruebas con el mdem para la transmision de datos de un pc a
35 otro pc por la red aislada con diferentes cargas (lineales y no
lineales)
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2.3.4.6 Pruebas finales con los contadores 38 2.3.5 Control de
la comunicacin entre Mdems 40 2.4 MEDIDORES ELECTRNICOS DE ENERGA
ELCTRICA 40 2.4.1 Descripcin 40 2.4.2 Sistema electrnico de medicin
de energa elctrica 40 2.4.2.1 Tipos de medidores 41 2.4.2.2
Concentrador 43 2.4.2.3 Software Central 43 2.4.2.4
Especificaciones de los Medidores Electrnicos 43 3. CONCLUSIONES 47
BIBLIOGRAFIA 50 WEB GRAFIA 51 ANEXOS 52
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LISTA DE CUADROS
pg.
Cuadro 1. Frecuencias Utilizadas para la Modulacin 27 Cuadro 2.
Resultados de las pruebas 39 Cuadro 3. Medidor monofsico con
comunicacin de datos 43 Cuadro 4. Medidor monofsico bsico 44 Cuadro
5. Medidor bifsico 44 Cuadro 6. Medidor trifsico 45 Cuadro 7. Trama
de datos 46 Cuadro 8. Datos en Memoria RAM 47 Cuadro 9. Datos en
Memoria EEPROM 47
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LISTA DE FIGURAS
pg.
Figura 1. Localizacin de bandas de frecuencia en Norteamrica. 18
Figura 2. Localizacin de bandas de frecuencia en Europa. 19 Figura
3. Diagrama de la operacin PSK. 21 Figura 4. Diagrama de la
operacin FSK. 22 Figura 5. Acople con ncleo de ferrita 24 Figura 6.
Acople con Transformador 24 Figura 7. Acople Capacitivo 24 Figura
8. Diagrama de bloques de sistema de comunicaciones PLC 26 Figura
9. Oscilograma de la entrada tren de pulsos y la salida 27 del
modulador FSK. Figura 10. Oscilograma de la Seal Original 28 Figura
11. Oscilograma de la Seal Amplificada 29 Figura 12. Circuito de
Acople en el Transmisor 29 Figura 13. Circuito de Acople en el
Receptor 30 Figura 14. Oscilograma de la Seal Obtenida de la 30
REBaT por el circuito Receptor Figura 15. Fotografa de la Red
Construida 31 Figura 16. Voltaje en el Receptor sin carga 32 Figura
17. Voltaje en el Receptor con carga 33 Figura 18. Voltaje en el
Receptor con carga variable 34
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Figura 19. Diagrama de pruebas con cargas No Lineales en Red
Aislada 34 Figura 20. Diagrama de pruebas con cargas No Lineales en
el mismo toma 35 elctrico del Transmisor Figura 21. Diagrama de
pruebas con cargas Lineales y No Lineales en el 36 mismo toma
elctrico del Transmisor Figura 22. Diagrama de pruebas con cargas
No Lineales en el mismo toma 37 elctrico del Receptor Figura 23.
Diagrama de pruebas con cargas Lineales y No Lineales en el 37
mismo toma elctrico del Receptor Figura 24. Diagrama de bloques del
sistema de comunicaciones 38 Figura 25. Software Connecting Sockets
39
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LISTA DE ANEXOS
pg.
Anexo A. Esquemticos de los circuitos 52
A-1 Circuito Modulador FSK A-2 Circuito Demodulador FSK A-3
Circuito del Amplificador y Filtro Activo A-4 Circuito de
Amplificacin A-5 Red de Acople A-6 Circuito del Rel
Anexo B. Clculos para la Seleccin de Componentes 57
B-1 Clculos del XR2206 B-2 Clculos del XR2211 B-3a Clculos del
TL084 como Filtro Activo B-3b Clculos del TL084 como
Amplificador
Anexo C. Documentacin de pruebas finales 63
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RESUMEN
El presente libro muestra de manera simple y detallada el
proceso de desarrollo de un Mdem para la tecnologa PLC (Power Line
Carrier), con el cual se realiz una aplicacin especfica como lo es
la Lectura Remota de Contadores Electrnicos (AMR). As mismo, se
explica paso a paso las partes y etapas que componen el Mdem, dando
a conocer detalladamente su funcionamiento, desempeo y acoplamiento
con el protocolo utilizado por los Contadores Electrnicos. Adems,
se realiza una descripcin completa del protocolo utilizado por los
Contadores para la transmisin de datos. Por otro lado, el documento
muestra los resultados de las pruebas realizadas al Mdem,
observando el efecto de las cargas sobre la seal.
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INTRODUCCIN
Una de las dificultades que se presentan en la comunicacin por
la red elctrica es la construccin de Mdems a bajo precio, pues
bien, existen mdems como el Mdem CEbus del orden de los $200 dlares
y el Mdem LonWorks, cuyo valor oscila por los $1000 dlares
aproximadamente. Este tipo de comunicacin encuentra aplicaciones
como el control de dispositivos en el hogar (Domtica), lectura
remota de contadores (AMR), Internet de Banda Ancha por la red
elctrica (BPL), entre otras. Existe, por lo tanto, inters en
desarrollar mdems PLC genricos, es decir, que puedan funcionar con
cualquier protocolo. El presente proyecto de grado se ha enfocado
en la lectura de contadores electrnicos, especficamente, los que se
estn desarrollando a nivel nacional por una Empresa Incubada
Colombiana, en este caso, el Grupo R&O, la cual se interes
nuestro proyecto.
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1. DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MDEM PARA LA TECNOLOGA PLC
1.1 PROPSITOS DEL PROYECTO Dados los avances tecnolgicos en la
ltima dcada en el campo de las telecomunicaciones y la bsqueda de
optimizacin en los sistemas de comunicaciones (de manera que estos
sean de fcil acceso y no presenten precios muy elevados), la
tecnologa PLC ha llegado a ser una opcin viable y econmica cuando
se pretende encontrar una solucin a la transmisin de cierta
cantidad especfica de informacin o seales de control para la
automatizacin del hogar (Domtica). El propsito principal del
proyecto es la construccin de un Mdem de bajo costo que pueda ser
aplicado en diferentes campos, pero principalmente, para la lectura
remota de contadores electrnicos. Este Mdem permitir la comunicacin
entre dos o ms dispositivos, utilizando la red elctrica de baja
tensin como medio de transporte de la seal (informacin). En el caso
de los contadores electrnicos, la informacin transportada estar
conformada por los datos de las lecturas del consumo de energa de
los hogares durante un periodo de tiempo determinado. As mismo, se
pretende que el desarrollo de este Mdem sirva para su futuro
mejoramiento y optimizacin y pueda ser aprovechado por los
estudiantes en investigaciones futuras en el campo de las
telecomunicaciones.
1.2 JUSTIFICACIN
En los anteriores proyectos desarrollados en la Universidad
Pontificia Bolivariana UPB - sobre la tecnologa PLC, se han
utilizado Mdems disponibles comercialmente, sin ser diseado algunos
en la actualidad por los grupos de trabajo. Por esta razn, la
justificacin del siguiente proyecto radica en el diseo, el
desarrollo y las pruebas del primer Mdem PLC desarrollado por un
grupo de
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trabajo de la UPB y su implementacin en una red compuesta por
varios de estos Mdems.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general.
Disear y construir un Mdem para la tecnologa PLC.
1.3.2 Objetivos Especficos. Determinar los criterios de diseo ms
importantes para la construccin de la
red de acoplamiento entre el mdem y la red elctrica de baja
tensin. Disear y construir los mdems PLC genricos. Implementar un
protocolo de comunicaciones para la red propuesta. Determinar las
caractersticas operativas del sistema.
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2. MARCO TERICO
2.1 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL MDEM: GENERALIDADES
2.1.1 Descripcin. Las comunicaciones por la Red Elctrica de Baja
Tensin (REBaT) ha sido un rea de estudio y desarrollo en el sector
de las comunicaciones durante varios aos pero no ha ido a la par
con los ltimos avances, debido a que otros sistemas ofrecen unas
mejores prestaciones. Los sistemas PLC encuentran su mejor
aplicacin comercial en la Domtica (automatizacin del hogar),
utilizando mtodos bastantes simples en su diseo para emplearlos con
fines domsticos. 2.1.2 Protocolos Estndares Desarrollados. Existe
un buen nmero de sistemas disponibles comercialmente para propsitos
de automatizacin del hogar. Los ms populares son: X10: Es un
sistema electrnico de control que utiliza las lneas elctricas
existentes (110V 220V) para transmitir seales de control entre
equipos de automatizacin del hogar, dando una orden acerca de la
operacin que debe realizarse sobre determinado dispositivo. Para el
cumplimiento de este proceso, se cuenta con la presencia de cuatro
elementos bsicos que, en conjunto, dan origen a este sistema
electrnico: un transmisor, un receptor, la lnea de
alimentacin/transmisin y el mensaje cdigo que se quiere enviar. El
sistema X10 se utiliza para diversas aplicaciones, desde controlar
en forma remota el encendido y apagado de una lmpara, hasta el
manejo computarizado de todo el sistema elctrico y electrnico de
una casa, con base en un programa preestablecido que responda
automticamente a ciertas condiciones ambientales o de tiempo. Adems
de ser un sistema de control, tambin se puede configurar como un
sistema sofisticado de seguridad muy fcil de instalar, pues bien,
al utilizar el alambrado elctrico existente no requiere de
conexiones adicionales, lo que constituye una dificultad en los
sistemas de alarmas convencionales. CEBus o Consumer Electronics
Bus: Est basado en el concepto de LAN (Local rea Network) para el
hogar y proporciona protocolos estndares para RF (Radio
Frecuencia), Par Trenzado, PLC, entre otros medios de comunicacin
de redes
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caseras. La norma CEBus PLC especfica que un dgito binario se
representa dependiendo de la duracin de una rfaga de frecuencia
aplicada en el canal. Es decir que en CEBus, la duracin de un (1)
lgico es diferente de la duracin de un cero (0) lgico. En
consecuencia, la rata de transmisin de CEBus vara de acuerdo con la
cantidad de caracteres (1 0) transmitidos. La norma especifica un
lenguaje de controles orientados a objetos, incluyendo comandos
para subir o bajar volumen, subir un grado de temperatura, etc.
LonWorks: Es una plataforma de gestin de redes creada para ayudar a
la fiabilidad; la instalacin y el mantenimiento que se necesita en
aplicaciones de control de dispositivos. Esta plataforma est
construida sobre un protocolo de bajo ancho de banda, efectuada por
Echelon Corporation, para el trabajo de redes sobre diferentes
medios, como la REBaT, entre otros. UPB o Universal Powerline Bus:
Es una tecnologa que ofrece una alternativa confiable y estable a
los estndares tradicionales PLC. Inventado y licenciado por PCS
Powerline Systems of Northridge - California - y lanzado en 1999.
UPB resuelve casi todos los problemas que se pueden experimentar
con otras tecnologas PLC.
2.1.3 El Canal de Comunicacin. La REBaT como canal de
comunicaciones es un medio muy hostil que no ha sido diseado para
este propsito. Debido a esto, existen muchos inconvenientes y
limitaciones como el acople de impedancias, las limitaciones de
ancho de banda y especialmente el ruido. Es por ello, que es
necesario tener en cuenta ciertas consideraciones, tales como: la
impedancia ZL del canal de comunicacin, a la cual deben acoplarse
tanto el transmisor como el receptor; en el transmisor debe tenerse
en cuenta la impedancia de salida Zo, mientras que en el receptor
importa la impedancia de entrada Zi. 1) El Ruido: Las causas ms
comunes del ruido en redes de energa elctrica incluyen la descarga
por efecto corona (un fenmeno de ionizacin producido alrededor de
los conductores en las redes de alta y media tensin), rayos, bancos
de correccin de factor de potencia y operaciones de apertura de
circuitos. De acuerdo con su comportamiento, el ruido puede
clasificarse de la siguiente manera:
Ruido sincronizado con la frecuencia de la red (Ruido Tipo A).
Causado por dispositivos controlados por tiristores.
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Ruido de espectro amplio (Ruido Tipo B). Ocasionado generalmente
por la operacin de motores universales.
Evento simple de ruido impulsivo (Ruido Tipo C). Originado
principalmente por la apertura y cierre de contactos elctricos.
Ruido peridico no sincronizado con la frecuencia de la red
(Ruido Tipo D). Producido, principalmente, por los monitores de
computadores y televisores, y por las fuentes conmutadas de alta
frecuencia.
2) Atenuacin: La red elctrica ocasiona atenuacin a las seales
que estn siendo transmitidas por este medio. Algunos de los
principales motivos son:
La caracterstica inductiva en serie que presenta el tendido de
los cables. A
medida que aumenta la frecuencia de la seal informacin, la
atenuacin es mayor.
La existencia de multirutas a lo largo y ancho de las redes.
Debido a esto,
mltiples copias de la misma seal que pueden estar desfasadas,
pueden llegar al mismo destino ocasionando la prdida parcial o
total de la informacin.
3) Impedancia: La impedancia caracterstica del cable de potencia
no cargado puede obtenerse mediante un modelo estndar de parmetros
distribuidos y dado por:
En las frecuencias que son de inters para PLC esto se puede
aproximar a:
En donde L y C son la inductancia y la capacitancia de la lnea
por unidad de longitud. La principal dificultad que se presenta en
el momento de acoplar el transmisor y el receptor con la red
elctrica de baja tensin es el ajuste de la impedancia de la red, la
cual toma valores que son demasiado bajos, variables con la
frecuencia y permanentemente cambiantes con el tiempo. Las
impedancias totales de la red son muy difciles de predecir. L
Schaap habla de valores desde 0.1 hasta 2 para las redes de baja
tensin, Klaus Dostert
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indica que la impedancia est entre 2 y 150, mientras que, Malack
y Engstrom presentan resultados entre 0 y 80. Es claro que la
impedancia del canal es muy baja, lo que presenta retos
significativos en el momento del diseo del acople con la red. De
acuerdo con la teora de lneas de transmisin y con lo establecido
por el teorema de mxima transferencia de potencia, para lograr la
mxima transferencia de potencia y evitar la reflexin de la seal, es
necesario que en el lado del transmisor exista una igualacin de
impedancias con la red elctrica. Adicionalmente, Klaus Dostert
recomienda que en el lado del receptor se presente un acoplamiento
dbil con el fin de lograr una buena atenuacin del ruido. 3)
Limitaciones de ancho de banda: Los organismos reguladores (FCC en
Norteamrica y CENELEC en Europa) han impuesto estrictas
restricciones al uso de la red elctrica como medio de comunicacin,
limitando fuertemente el ancho de banda disponible para ello. Para
esto, han definido las bandas de frecuencia que se muestran en las
figuras 1.1 y 1.2. Figura 1. Localizacin de bandas de frecuencia en
Norteamrica.
Fuente: tomado de La Red Elctrica de Baja Tensin como Medio de
Comunicacin (Revista Cientfica UPB. Vol. 2).
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Figura 2. Localizacin de bandas de frecuencia en Europa.
Fuente: tomado de La Red Elctrica de Baja Tensin como Medio de
Comunicacin (Revista Cientfica UPB. Vol. 2).
La Subparte B 15.113 de la Parte 15 de las Reglas y Regulaciones
de la FCC clasifica las comunicaciones PLC como Dispositivos de
Radiacin Involuntaria, y, en consecuencia, hay muy pocas
regulaciones aplicables a ellos que no requieren licencia o
registro.
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2.2 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL MDEM: ASPECTOS TERICOS
2.2.2 Descripcin.
En el diseo de cualquier sistema de comunicaciones es necesario
tener en cuenta varios aspectos, tales como: tcnicas de modulacin,
mtodos de transmisin, recepcin, etc. En las comunicaciones PLC hay
que tener especial cuidado con lo mencionado anteriormente, puesto
que la red elctrica es un medio muy hostil.
2.2.3 Mtodos de Modulacin.
Existen varios mtodos de modulacin para transmisin digital,
entre los que se encuentra la modulacin de amplitud en cuadratura
(QAM), ASK, FSK y PSK. Debido al comportamiento aleatorio de la red
elctrica de baja tensin, las mejores opciones para comunicaciones
PLC son las modulaciones FSK y PSK, las cuales presentan esquemas
simples y robustos. PSK (Phase Shift Keying Codificacin por Cambio
de Fase) La PSK es una modulacin donde la fase de la portadora vara
dependiendo del valor lgico de la entrada, mediante el cual el
valor lgico 1 representa una fase y 0 otra fase. A medida que los
estados lgicos cambian, la fase vara entre ngulos desfasados de 180
entre s, mantenindose as constante la frecuencia de la portadora.
La codificacin por cambio de fase se representa como: Salida = (Sen
wat) (Sen wct), en donde wa es la frecuencia fundamental de la seal
moduladora binaria y wc es la frecuencia de la portadora no
modulada.
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21
Figura 3. Diagrama de la operacin PSK.
Fuente: tomado de la pagina web
http://www.textoscientificos.com/imagenes/redes/modulacion-PSK.gif
FSK (Frecuency Shift Keying Codificacin por Cambio de Frecuencia)
La modulacin FSK es una forma de modulacin FM en donde la
frecuencia de la portadora se modifica mediante la entrada binaria.
Como la entrada binaria cambia de un 0 lgico a un 1 lgico y
viceversa, la salida FSK cambia entre dos frecuencias: una marca o
frecuencia de 1 lgico y un espacio o frecuencia del 0 lgico. En la
figura 2.2 Diagrama de la operacin FSK, se muestra una forma de
onda FSK. La expresin general de la seal binaria FSK es:
En donde: v(t) = Forma de onda FSK binaria. Vc = Amplitud pico
de la portadora no modulada. Wc = Frecuencia portadora en
rad/seg.
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22
Vm(t) = Seal moduladora digital binaria. w = Cambio en rad/seg
de la frecuencia de salida. Figura 4. Diagrama de la operacin
FSK.
Fuente: tomado de la pagina web
http://www.textoscientificos.com/imagenes/redes/modulacion-FSK.gif
Se escogi el FSK como esquema de modulacin, teniendo en cuenta los
diferentes trabajos e investigaciones que se han desarrollado a
nivel institucional, local e internacional, donde se muestra que la
seal modulada en PSK en un ambiente como la red elctrica presenta
retardos de fase de forma impredecible. Por esta razn, la modulacin
FSK se acomoda mejor para transmitir, debido a que la informacin es
transportada en la frecuencia de la portadora y los cambios de fase
no afectan.
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23
2.2.4 Acoplamiento con la Red Elctrica de Baja Tensin.
La primera etapa de diseo del Mdem PLC consiste en determinar el
tipo de acople con el cual se va a trabajar. Existen diferentes
formas de acoplar un circuito a la red. Las ms utilizadas se
mencionan a continuacin: 1) Acople con transformadores de IF
(Frecuencia Intermedia): Este tipo de acople proporciona una buena
interfaz con la red, logrando aislar fsicamente el circuito del
Mdem de la corriente AC (haciendo ms fcil su instalacin) y
proporcionando una buena preamplificacin de la seal debido a la
relacin de transformacin del mismo. El problema de este tipo de
acople radica en que estos transformadores de IF son difciles de
conseguir en grandes cantidades en nuestro medio.
2) Acople con ncleos de ferrita: Este tipo de acople es tal vez
el mejor que se puede implementar dado que los ncleos ofrecen una
gua casi perfecta del campo magntico con una baja desviacin del
campo, siendo esencial para lograr un acoplamiento rgido con la
red. El problema con este tipo de acople surge cuando se quieren
conseguir ncleos con caractersticas requeridas, debido a que en el
mercado Colombiano es muy difcil conseguir hasta los ncleos de
ferritas ms sencillos.
3) Acople capacitivo: Este tipo de acople se presenta como la
opcin ms atractiva debido a que proporciona un buen acople con la
red y como slo est compuesto por condensadores y resistencias, no
es un problema encontrar estos elementos en el mercado Colombiano.
El problema principal que se encuentra con este tipo de acople es
la mayor atenuacin comparada con otros tipos de acople, debido a la
capacitancia. En el lado del receptor es importante que el acople
tenga unas caractersticas de filtro pasaaltos para bloquear la
frecuencia de la red de 60Hz y dejar pasar la frecuencia de la
portadora (generalmente est en el orden de los Kilohertz). Al
acople del receptor tambin se le pueden dar caractersticas
pasabanda, pero en nuestro diseo se implement un postfiltrado de la
seal con un filtro pasabanda, eliminando la necesidad de tener el
acople con caractersticas pasabanda. As mismo, por el lado del
transmisor es necesario que el acople tenga caractersticas de
pasaaltos con el fin de que la seal de informacin se transmita sin
atenuacin. En este sentido, este acople se hizo con caractersticas
pasabanda como proteccin para evitar la entrada de seales desde la
red hacia el transmisor que puedan ocasionar distorsin de la seal o
el mal funcionamiento del mismo. Este sistema deber tener un acople
ptimo de impedancia con la red
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24
para lograr la mxima transferencia de energa y reducir las
seales reflejadas. La figura 2.3 (a, b y c) muestra los diferentes
tipos de acoplamiento descritos. Figura 5. Acople con ncleo de
ferrita
T1
R1C1
D1
D2Red Electrica
Fuente: autores del proyecto
Figura 6. Acople con Transformador
C1
Red Electrica
T1
C2
C3
Fuente: autores del proyecto
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25
Figura 7. Acople Capacitivo
C1
C2R1Red Electrica
Fuente: autores del proyecto
1.3 DISEO Y CONSTRUCCIN DEL MDEM: IMPLEMENTACIN PRCTICA
2.3.1 Descripcin. En esta parte del libro se detalla la
implementacin prctica de un sistema de comunicaciones utilizando el
Mdem PLC. Se habla de una manera ms detallada acerca de los mtodos
utilizados para cumplir con las recomendaciones de diseo del
sistema hechas en la seccin anterior, abarcando los elementos
escogidos y los circuitos utilizados.
2.3.2 Expectativas. Los objetivos originales de este proyecto
consistan en la elaboracin de un Mdem PLC y su implementacin en una
red con mltiples nodos para propsitos generales, independientemente
del protocolo que se utilice para transmitir los datos. En el
transcurso del proyecto se present la oportunidad de trabajar con
el Grupo R&O, una empresa creada por dos egresados de la
Universidad Pontificia Bolivariana, que desarrolla y construye
contadores electrnicos. Por esta razn, el proyecto se enfoc en la
construccin de los Mdem para ser usados por los contadores como una
opcin de comunicacin para la recoleccin de informacin de los mismos
contadores.
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26
Para esto, el proyecto se encamin hacia la construccin de un
enlace entre dos contadores electrnicos, utilizando una interfase
TTL entre los dos dispositivos (Mdem-Contador) y se traz como
objetivo una velocidad de transmisin de 1200 Baudios para obtener
una mejor comunicacin. Se construyeron dos Mdems, los cuales
permiten una comunicacin Half-Duplex (conectndose cada uno con un
contador), mediante un protocolo diseado por el Grupo R&O.
2.3.3 Sistemas de Transmisin y Recepcin
Figura 8. Diagrama de bloques de sistema de comunicaciones
PLC
Fuente: autores del proyecto.
EtapadeFiltradoyAmplificacin
DemodulacinFSKModulacinFSK
EtapadeAmplificacin
Reddeacoplamiento
Reddeacoplamiento
Canal PLC
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27
2.3.3.1 Modulacin y Demodulacin FSK. Considerando un sistema
confiable y de fcil implementacin, se eligi la modulacin FSK, que
constituye un esquema de modulacin muy robusto frente a las
interferencias que se pueden encontrar en un medio tan hostil como
lo es la red elctrica de baja tensin. Se encontr que, para disear
un sistema de comunicaciones FSK y lograr la modulacin, resulta
apropiado utilizar un circuito integrado oscilador controlado por
voltaje (VCO) como lo es el XR2206, mientras que para la
demodulacin se encontr que una muy buena opcin es utilizar un
circuito integrado PLL (Phase Locked Loop). Los circuitos del
modulador y demodulador se muestran en el Anexo A y los clculos
para la respectiva seleccin de componentes se muestran en el Anexo
B. Un VCO produce una seal AC con una frecuencia de salida
directamente proporcional al voltaje de entrada DC. Usando una seal
binaria como entrada al VCO, se puede variar la frecuencia de la
portadora de salida produciendo, de esta manera, una modulacin FSK.
Las frecuencias del sistema se disearon teniendo en cuenta la
normativa de la FCC, que se muestran a continuacin:
Cuadro 1. Frecuencias Utilizadas para la Modulacin
Frecuencia Valor Lgico150 Khz 1 300 Khz 0
Fuente: autores del proyecto El montaje y prueba de este
circuito se llev a cabo en protoboard, sin presentar ningn
inconveniente. Se utiliz un LM555 para generar un tren de pulsos
rectangulares como entrada y la frecuencia de oscilacin fue de
1200Khz. Se confirm que las frecuencias correspondientes para cada
valor lgico correspondan con las calculadas. Para asegurarnos de
esto, se superpusieron las seales de entrada y salida en el
osciloscopio como se muestra en la Figura 3.2, comprobando as, que
la seal era estable.
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28
Figura 9. Oscilograma de la entrada tren de pulsos y la salida
del modulador FSK.
Fuente: autores del proyecto Para la demodulacin se utiliz el
circuito integrado XR2211. Este PLL intenta mantener enganchada una
frecuencia con su seal de entrada. La operacin del PLL es, a groso
modo, como sigue: Cuando la seal de entrada cambia de frecuencia,
ocurre una seal de error en el PLL, la cual hace modificar su
frecuencia, intentando acoplarse de nuevo a la frecuencia de
entrada. Mediante una sintonizacin cuidadosa del PLL a la mitad de
las frecuencias de marca 1 y espacio 0, se puede usar su seal de
error como una demodulacin FSK. Se prob el desempeo del circuito
integrado XR2211 inyectando directamente en su entrada la seal FSK
(producida por el XR2206 con un tren de pulsos) del modulador para
poder sintonizar el demodulador con las frecuencias que se iban a
utilizar. Esto se logra variando el valor de resistencia de un
potencimetro de 50K. Se observ que este dispositivo PLL es muy
sensible a estos cambios de resistencia haciendo el trabajo de
sintonizacin de especial cuidado para lograr un mejor desempeo
ptimo del XR2211.
2.3.3.2 Amplificacin de la seal. Para el sistema de amplificacin
del transmisor, la seal modulada en FSK pasa por una etapa de
amplificacin muy sencilla pero ideal para este tipo de
aplicaciones, pues se obtiene una muy buena amplificacin y baja
impedancia a la salida, disponiendo as de una seal con buena
potencia para poder ser inyectada en la red de baja tensin. Para
dicha amplificacin se utiliz un amplificador transistorizado en
configuracin inversora, compuesto por un solo transistor BJT NPN.
Esta seleccin se hizo despus de haber probado con diferentes
configuraciones y clases de
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29
amplificadores. El circuito amplificador se encuentra en el
Anexo A y los clculos en el Anexo B. Se hicieron diversas pruebas
utilizando el amplificador antes mencionado y se compar su desempeo
con respecto a otros amplificadores. Se observ que un amplificador
de audio proporciona una potencia de salida mayor, comparada con un
amplificador a transistor; pero cuando se ensay con el acople
capacitivo y la red elctrica de baja tensin no funcion
adecuadamente, observndose una gran distorsin en la seal FSK, sin
capturar nada en el receptor. Figura 10. Oscilograma de la Seal
Original
Fuente: autores del proyecto Figura 11. Oscilograma de la Seal
Amplificada
Fuente: autores del proyecto
2.3.3.3 Red de acoplamiento. Siguiendo la topologa bsica
observada en la Figura 2.3c, se implement un acoplamiento
capacitivo para nuestro diseo. Los condensadores utilizados en el
dispositivo de acoplamiento se escogieron
-
30
especialmente para crear un efecto pasabanda en el lado del
transmisor (el cual consta de 3 resistencias y 4 condensadores) y
un efecto pasaaltos en el lado del receptor (el cual consta de 2
resistencias y 2 condensadores). Los condensadores son de un
voltaje alto ya que estn conectados directamente a la red. El
esquema actual del acoplador se muestra en el Anexo A y los clculos
en el Anexo B. Figura 12. Circuito de Acople en el Transmisor
Fuente: autores del proyecto
Figura 13. Circuito de Acople en el Receptor
Fuente: autores del proyecto
La primera prueba que se realiz despus de haber montado el
circuito de acople en el transmisor y el receptor fue transmitir un
tren de pulsos modulado en FSK a travs de la red elctrica de baja
tensin a una distancia de 10 metros para su posterior
demodulacin.
-
31
Figura 14. Oscilograma de la Seal Obtenida de la REBaT por el
circuito Receptor
Fuente: autores del proyecto
En la Figura 14 se muestra la seal recibida y demodulada por el
circuito receptor. En la parte superior de la figura se observa la
seal demodulada y en la parte inferior se muestra la seal obtenida
despus del acople del receptor.
2.3.4 Pruebas del sistema de transmisin y recepcin. Para la
realizacin de las pruebas se propuso construir una red
independiente que se encontrara aislada de toda perturbacin o
distorsin que la REBaT puediera presentar. Se dise la red aislada
utilizando el modelo en caracol, que resulta ptimo para los fines
perseguidos. Posteriormente, se construy el medio controlado (red
aislada) utilizando bobinas a la entrada de la alimentacin, tanto
en el conductor de la fase como en el neutro, con tomas elctricos
interconectados entre s a distancias variables. Para la
implementacin de esta red se utilizaron nueve tomacorrientes dobles
con polo a tierra, una tabla de 1metro x 1metro, una caja de
puntillas y 90 metros de cable dplex calibre #14.
-
32
Figura 15. Fotografa de la Red Construida
Fuente: autores del proyecto
2.3.4.1 Pruebas del mdem con la red aislada (sin carga y
distancia Variable). El transmisor fue conectado en el toma
elctrico 0 y el receptor a diferentes distancias del transmisor
(cada 10 metros). Se observaron y se tomaron los datos de voltaje
correspondientes a cada distancia. Estos datos se observan en la
Figura 16. Figura 16. Voltaje en el Receptor sin carga
Fuente: autores del proyecto
-
33
Se mostr un comportamiento constante en el voltaje del receptor,
el cual se mantuvo el voltaje de 0,25 Vpp a lo largo de los 70
metros.
2.3.4.2 Pruebas del mdem con la red aislada (con carga resistiva
de 100w constante y distancia variable). El transmisor fue
conectado en el toma elctrico 0 y el receptor en el toma elctrico
7. Se fue variando la posicin de la carga cada 10 metros del
transmisor hasta llegar a la posicin del receptor. Se observaron y
se tomaron los datos de voltaje correspondientes a cada distancia.
Estos datos se observan en la Figura 17. Figura 17. .Voltaje en el
Receptor con carga
Fuente: autores del proyecto
En la anterior figura podemos observar una atenuacion por la
carga de 0,02Vpp en el voltaje del receptor, pero el voltaje se
mantuvo a medida que se cambiaba la posicin de la carga.
2.3.4.3 Pruebas del mdem con la red aislada (con carga resistiva
variable y distancia constante). El transmisor fue conectado en el
toma elctrico 0 y el receptor en el toma elctrico 7, se fue
variando el valor de la carga, aumentndola 100W para cada toma de
datos. Se observaron y se tomaron los datos de voltaje
correspondientes a cada variacin de la carga. Estos datos se
observan en la Figura 18.
-
34
Figura 18. Voltaje en el Receptor con carga variable
Fuente: autores del proyecto
Se observ un comportamiento decreciente en el voltaje del
receptor con una tendencia lineal en los valores de la carga entre
0 y 400 vatios; para valores de 500 vatios en adelante la atenuacin
no es perceptible, por lo cual, se asume un comportamiento
constante para valores superiores. Otras pruebas se hicieron
conectando cargas despus del receptor donde se observ que la
atenuacion disminuye considerablemente a medida que la carga se
aleja del receptor.
-
35
Figura 19. Diagrama de pruebas con cargas No Lineales en Red
Aislada
Fuente: autores del proyecto
2.3.4.4 Pruebas del mdem con la red aislada (con cargas no
lineales). En la Figura 19 se observa un bosquejo de las pruebas
que se realizaron con cargas no lineales en la red aislada. En la
primera prueba se ubic la carga no lineal (Contador Electrnico con
ncleo de ferrita) entre el transmisor y el receptor, los cuales
estaban separados 40 metros uno del otro. El voltaje, observado en
el receptor, present una atenuacin y una distorsin cosiderable,
impidiendo tomar valores de voltaje. Posteriormente, se hicieron
pruebas ubicando la carga no lineal a diez (10) metros despus del
receptor. La distorsin y la atenuacin de la seal disminuyeron
considerablemente, al punto de que, si la carga se pona a ms de 20
metros despus del receptor, la incidencia en la seal obtenida en el
receptor era mnima aunque perceptible.
2.3.4.5 Pruebas con el mdem para la transmision de datos de un
pc a otro pc por la red aislada con diferentes cargas (lineales y
no lineales) Prueba sin Carga. Se transmitieron datos de un PC a
otro sin ningn error en la transmisin, a velocidades desde 100
baudios hasta 2400 baudios.
Prueba con carga no lineal en el mismo toma elctrico del
Transmisor.
-
36
Figura 20. Diagrama de pruebas con cargas No Lineales en el
mismo toma elctrico del Transmisor
Fuente: autores del proyecto
Los datos recibidos por el PC corresponden a los enviados. Se
observ que entre ms lenta sea la transmisin (200 baudios), el error
en los datos ser menor que cuando se transmite a velocidades altas
(2400 baudios en adelante). Prueba con carga no lineal y carga
lineal en el mismo toma elctrico del
Transmisor.
Figura 21. Diagrama de pruebas con cargas Lineales y No Lineales
en el mismo toma elctrico del Transmisor
Fuente: autores del proyecto
-
37
Los datos recibidos por el PC no corresponden a los transmitidos
y en la mayora de las veces no se recibe ningun dato. Prueba con
carga no lineal en el mismo toma elctrico del Receptor.
Figura 22. Diagrama de pruebas con cargas No Lineales en el
mismo toma elctrico del Receptor
Fuente: autores del proyecto
Los datos recibidos por el PC no corresponden a los transmitidos
y en la mayora de las veces no se recibe ningn dato. Prueba con
carga no lineal y carga lineal en el mismo toma elctrico del
Receptor.
-
38
Figura 23. Diagrama de pruebas con cargas Lineales y No Lineales
en el mismo toma elctrico del Receptor
Fuente: autores del proyecto. Los datos recibidos por el PC
corresponden en su mayora a los enviados. Se observa que, a medida
que se aumenta la carga lineal (Bombillos), mejor se reciben los
datos en el PC. Una posible solucin que se sugiri al problema de la
atenuacin y distorsin por parte de esta carga no lineal (Contador
Electrnico), es poner una inductancia (calculada adecuadamente)
para bloquear la frecuencia de 58Khz que el contador refleja a la
red, la cual est afectando la comunicacin. Dado los resultados de
estas pruebas, se tom la decisin de aumentar la potencia de la seal
transmitida a la red por el amplificador y aumentar la ganancia del
amplificador post-filtro del receptor. Despus de haber realizado
dichos ajustes, la calidad de la seal obtenida en el receptor mejor
notoriamente.
-
39
2.3.4.6 Pruebas finales con los contadores Figura 24. Diagrama
de bloques del sistema de comunicaciones
Fuente: autores del proyecto Despus del rediseo del Mdem que
consisti en aumentar la amplificacin del trasmisor y la ganancia en
el receptor, se realiz la prueba final con el nuevo diseo. En la
Figura 24 se observa un esquema de la prueba en la cual el contador
de energa enva lo datos a una Estacin de Control donde estos son
registrados mediante un PC con el Software Connecting Sockets
(Figura 25 muestra el registro de algunos de los datos).
Contador de
Energa
Mdem PLC
Mdem PLC
Concentrador Mdem Celular
Enfora
Estacin de
Control
Va Celular
PC
Red Elctrica
-
40
Figura 25. Software Connecting Sockets
Fuente: Grupo R&O Cuadro 2. Resultados de las pruebas
Distancia(metros) Total Caracteres Errores Errores % 10 252 3 1.19%
20 252 3 1.19% 30 252 3 1.19% 40 252 1 0.39% 50 252 60 23.8% 60 252
18 7.14% 70 630 13 2.06% 80 609 64 10.5% Fuente: autores del
proyecto
-
41
2.3.5 Control de la comunicacin entre Mdems. Cada Mdem debe
tener la capacidad de enviar y recibir datos de la red, por lo
tanto, cada dispositivo consta de dos acoples independientes (uno
para el transmisor y otro para el receptor). Este objetivo debe ser
alcanzado utilizando las mismas frecuencias de portadora en todos
los Mdems, obligando a que la comunicacin entre dos o ms
dispositivos se realice de forma Half-Duplex. Es decir, que un Mdem
no puede estar recibiendo y enviando datos a la REBaT al mismo
tiempo, puesto que esto causara interferencia debido a que los
Mdems estn sintonizados a la misma frecuencia. Se ide una solucin
sencilla para lograr la comunicacin Half-Duplex entre Mdems, la
cual consiste en la utilizacin de un Rel de estado slido en
conjunto con un pequeo circuito de control, con el cual se puede
manipular el estado de conmutacin del Rel. El circuito para
controlar el Rel utiliza un transistor que pasa de corte a
saturacin y viceversa dependiendo del valor de voltaje en su base.
Este valor de voltaje puede variar de 0V (Para Receptor) o 5V (Para
Transmisor), dependiendo del modo en que se va a trabajar el Mdem.
El control lo debe hacer el dispositivo externo al cual el Mdem
este conectado. En el Anexo A se muestra el esquema del
circuito.
-
42
2.4 MEDIDORES ELECTRNICOS DE ENERGA ELCTRICA
2.4.1 Descripcin. El Mdem PLC fue diseado especialmente para la
aplicacin de lectura remota de contadores electrnicos. Se trabaj en
conjunto con la empresa Grupo R&O creada por egresados de la
Universidad Pontificia Bolivariana, seccional Bucaramanga. En este
captulo se escribirn brevemente las caractersticas y
especificaciones de los contadores electrnicos fabricados por dicha
empresa, junto con el protocolo utilizado para la comunicacin entre
contadores.
2.4.2 Sistema electrnico de medicin de energa elctrica. Un
sistema electrnico digital de medicin de energa est compuesto por
un equipo medidor de energa de alta precisin, control antifraude,
medicin siempre positiva, multitarifa, entre otras. Tambin se
cuenta con un equipo concentrador para almacenamiento de datos de
los medidores conectados a l, con mdulos de transmisin y recepcin
de datos, un equipo porttil de descarga local de consumos por va
infrarrojo y un software para anlisis y tarificacin de los datos
descargados desde el equipo concentrador por lnea telefnica o
sincronizacin del equipo porttil. Dentro de los beneficios de los
contadores electrnicos se encuentran los siguientes:
El sistema genera mayor confiabilidad en la medicin de energa
porque los equipos son de mejor clase que los electromecnicos.
Los datos almacenados en el medidor permiten llevar un control
de la energa consumida por cada usuario en la respectiva hora del
da, y as generar medidores multitarifa.
Los equipos electrnicos reducen a mrgenes muy bajos la alteracin
y fraude de la medida.
Tecnologa de punta que permite futuros desarrollos del sistema
de medicin.
Mejor precisin de las mediciones. Ms compactos y ocupan menos
espacio. Consumen menos potencia para su funcionamiento. Mayor
inmunidad al fraude. Fcil montaje e instalacin. Mltiples funciones
programables.
-
43
Permiten la implementacin de medicin remota y supervisin de
funcionamiento.
Facilitan la implementacin de programas de ahorro de energa.
Permiten diversas y variadas configuraciones. Fcil y rpida
calibracin del sitio.
2.4.2.1 Tipos de medidores. Medidor monofsico: dentro de esta
clasificacin existen dos tipos de medidores con similares
caractersticas pero enfocados a diferentes clientes.
a. Medidor monofsico con comunicacin de datos: Este modelo
fue
diseado para cumplir con funciones de medicin de consumos por
hora, control de las interrupciones de energa, descarga de datos de
manera local por va infrarroja y remota hacia un equipo
concentrador por va serial y control de alteracin y fraude por
anlisis de datos a travs del software central. Posee caractersticas
elctricas especialmente diseadas para el entorno nacional entre las
cuales estn:
Corriente de trabajo 10(60)A Frecuencia 60 Hz Voltaje de
referencia 120V Sobrecorriente 1800A, sin dao permanente del
equipo. Clase 1 Conexin directa.
b. Medidor monofsico bsico: Denominado as porque no posee mdulos
de comunicacin ni descarga de datos como el modelo anterior. Las
dems caractersticas elctricas y de medicin son exactamente iguales.
Este modelo fue creado por la necesidad de cumplir con las
necesidades de las constructoras que necesitan adquirir un medidor
aprobado por la empresa electrificadora pero que no aumente los
costos de fabricacin de las viviendas.
c. Medidor Bifsico: Este dispositivo est diseado para cubrir
usuarios de mayor consumo que los monofsicos como son las pequeas
empresas, locales con sistemas de refrigeracin, casas de recreo y
otros usuarios que cumplan con las condiciones de las empresas
electrificadoras estipuladas. El medidor se caracteriza por medir
fielmente el consumo de energa por cada fase conectada a l sin
importar si sus cargas estn o no balanceadas. Al igual que los dems
medidores posee mdulos de descarga de datos de manera local y
remota y posee las siguientes caractersticas elctricas:
-
44
Corriente de trabajo 10(70)A por fase. Frecuencia 60 Hz Voltaje
de referencia 2x120V/220V Sobrecorriente 1800A, por fase sin dao
permanente del equipo. Clase 1 Conexin directa.
d. Medidor Trifsico: Diseado para cubrir el sector industrial,
el cual debe realizar mediciones de usuarios que consumen una carga
mayor, con caractersticas de medicin diferentes a los usuarios
residenciales o comerciales. Posee iguales caractersticas de
almacenamiento y descarga de datos. Adems de la energa activa debe
registrar la energa reactiva con las siguientes caractersticas
elctricas.
Corriente de trabajo 10(70) A por fase. Frecuencia 60 Hz Voltaje
de referencia 3x120V/220V Sobrecorriente 1800A, por fase sin dao
permanente del equipo. Clase 1 Conexin directa.
2.4.2.2 Concentrador. Banco de memoria con mdulos de comunicacin
serial y telefnica encargado de almacenar los datos recibidos desde
los medidores de manera programada y transmitirlos por lnea
telefnica a un software central.
2.4.2.3 Software Central. Es el encargado de establecer la
comunicacin telefnica con el equipo concentrador para recibir toda
la informacin almacenada y luego procesarla, identificando y
separando de manera segura y confiable a cada usuario. A travs del
equipo porttil se realiza la misma tarea de manera local utilizando
la herramienta de sincronizacin de datos. Una vez almacenada la
informacin en su base de datos el software analiza y crea reportes
programables como la cantidad de interrupciones de energa por
usuario, la duracin de estas, el consumo de energa por hora, por
da, resaltando los momentos de mayor consumo, entre otras funciones
que pueden ser solicitadas por el usuario del software.
-
45
2.4.2.4 Especificaciones de los Medidores Electrnicos Cuadro 3.
Medidor monofsico con comunicacin de datos.
Visualizacin LCD de 2 x 16 LneasTipo de conexin DirectaClase
1Voltaje de Referencia 120VCorriente 10(60)AFrecuencia
60HzConstante 3000imp/kwh Fuente: Grupo R&O 1 Fase 2 Hilos.
Almacenamiento de energa en unidades de W-h cada hora.
Almacenamiento de la hora y fecha de las interrupciones y
restitucin del servicio. Nmero de identificacin nico por medidor.
Descarga de datos por va infrarrojo y/o serial.
Cuadro 4. Medidor monofsico bsico
Visualizacin Pantalla de 6 dgitosTipo de conexin DirectaClase
1Voltaje de Referencia 120VCorriente 10(60)AFrecuencia
60HzConstante 3000imp/kwh Fuente: Grupo R&O 1 Fase 2 Hilos.
-
46
Cuadro 5. Medidor bifsico
Visualizacin LCD de 2x16 lneasTipo de conexin DirectaClase
1Voltaje de Referencia 2x120V/220VCorriente 10(70)AFrecuencia
60HzConstante 3000imp/kwh
Fuente: Grupo R&O
2 Fases 3 Hilos. Almacenamiento de energa en unidades de W-h
cada hora. Almacenamiento de la hora y fecha de las interrupciones
y restitucin del servicio. Nmero de identificacin nico por medidor.
Descarga de datos por va infrarrojo y/o serial.
Cuadro 6. Medidor trifsico
Visualizacin LCD de 2x16 lneasTipo de conexin DirectaClase
1Voltaje de Referencia 2x120V/220VCorriente 10(70)AFrecuencia
60HzConstante 3000imp/kwh
Fuente: Grupo R&O
3 Fases 4 Hilos Almacenamiento de energa en unidades de W-h cada
hora. Almacenamiento de la hora y fecha de las interrupciones y
restitucin del servicio. Nmero de identificacin nico por medidor.
Descarga de datos por va infrarrojo y/o serial. Protocolo de
Comunicaciones. El protocolo de comunicaciones de los medidores
consta de una trama de 256 bits por mensaje enviado y recibido. En
caso de que los datos no alcancen con la cantidad de bits, se
reenva otro mensaje con los datos restantes.
-
47
Cuadro 7. Trama de datos
Fuente: Grupo R&O.
-
48
Cuadro 8. Datos en memoria RAM
Datos en memoria RAM
Registro Longitud (Bytes) MAC 8 Banderas varias 1 Constante
medidor 4 Consumo total 4 Consumo ultima hora 4 Punteros
interrupciones 2 Punteros consumos 2 Constante Costo kwh 4 Consumo
Disponible 4 TOTAL 33
Fuente: Grupo R&O Cuadro 9. Datos en memoria EEPROM
Serial
Datos en memoria EEPROM Serial
Registro Longitud (Bytes) Consumo por horas kwh 18 Fecha del
consumo Interrupciones 36 Fecha de la interrupcin Restituciones
Fecha de la restitucin TOTAL 54
Fuente: Grupo R&O
-
49
3. CONCLUSIONES
La modulacin FSK present un desempeo aceptable para la aplicacin
del sistema PLC, cuando se requiere de una solucin sencilla a la
forma de transportar la informacin por la REBaT, utilizando
circuitos integrados de bajo costo y eficientes que permiten la
modulacin y demodulacin de la seal con muy bajo porcentaje de error
con respecto a la seal original. FSK es un sistema robusto frente a
las caractersticas cambiantes de la REBaT en donde el ruido y la
atenuacin son factores con los que hay que enfrentarse siempre que
se quiera utilizar la red como medio de comunicacin. Todos los
dispositivos conectados a la REBaT generan ruido, por lo cual el
comportamiento de dicho ruido y la forma en que afectar a la seal
de informacin son aspectos muy difciles de predecir. Por tal
motivo, se hizo un estudio acerca de la influencia de diferentes
tipos de cargas en la red. Se prob el comportamiento del esquema de
modulacin FSK, obteniendo resultados satisfactorios a frecuencias
iguales o mayores de 150Khz, observando que, al aumentar la
frecuencia, la influencia del ruido sobre la seal disminuye. Cuando
se trabaja con acoples de tipo capacitivo se debe tener especial
cuidado con la atenuacin de la seal recibida de la red, debido a la
caracterstica capacitiva del mismo. Por esta razn, se deben
implementar dispositivos de amplificacin para el tratamiento de
esta seal. Con este tipo de acople es necesario utilizar
amplificadores operacionales en el lado del receptor, pues se logra
una mejor calidad en la seal. Adems, estos circuitos proveen una
impedancia alta en la entrada ayudando a que el acople sea ms
robusto. Es necesario determinar la velocidad de transmisin con la
que un sistema de comunicaciones va a funcionar. Nuestro objetivo
fue transmitir a una velocidad entre 1200 baudios y 2400 baudios.
Cuando se trabaja con la REBaT, la opcin ms acertada es a 1200
baudios puesto que obtiene una menor prdida de informacin aunque se
sacrifique la velocidad. Como se mencion anteriormente, existe una
restriccin con respecto a las frecuencias que se pueden utilizar en
la REBaT en Amrica (de acuerdo con lo estipulado por la FCC).
Acorde con la normatividad, el Mdem PLC construido cumple con los
requerimientos de la FCC, trabajando con las frecuencias de 150Khz
y 300Khz.
-
50
Cuando se quiere utilizar la REBaT como medio de comunicacin, se
sabe que la informacin que se est transmitiendo presentar errores.
Debido a esto, es indispensable utilizar un protocolo de
comunicaciones contenga un mtodo apropiado para la deteccin y
correccin de errores. Pensando en futuros desarrollos, este Mdem
PLC puede ser utilizado como punto de partida para su mejoramiento
utilizando otras tcnicas de modulacin (por ejemplo, espectro
expandido), permitiendo de esta manera, utilizarlo para una
aplicacin especfica que requiera de una mayor velocidad en la
transmisin y a su vez, una alta confiabilidad en la
comunicacin.
-
51
BIBLIOGRAFA Libros: DOSTERT, Klaus. Powerline Communications.
Estados Unidos: Prentice Hall PTR, 2001.
PLATT, Glen. Tesis. Power Line Carrier. Australia: Universidad
de Newcastle, 1999.
RESTREPO, Ral. Tesis de Maestra. Estudio del comportamiento de
la red elctrica en la transmisin de datos. Colombia: Universidad
Pontificia Bolivariana, 2004.
RESTREPO, Ral, MORA, Yesid, GMEZ, Jorge. Trabajo de
investigacin. Mdulo didctico para el estudio de la tecnologa PLC.
Colombia: Universidad Pontificia Bolivariana, 2004.
Artculos: RESTREPO, Ral. La Red Elctrica de Baja Tensin como
Medio de Comunicacin (Revista Cientfica Vol. 2). Colombia:
Universidad Pontificia Bolivariana, Abril de 2004. HERNNDEZ, Glenn
Elmer. Control de Dispositivos a Travs del Envo de Datos por la Red
Elctrica (Revista Reset-UTS). Colombia: Unidades Tecnolgicas de
Santander, Diciembre de 2006.
-
52
WEB GRAFA
Parte 15 Regulaciones FCC
(online).http://www.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Documents/cfr/1998/47cfr15.pdf
Burns, Terry. IEEE Broadband over Power Line Working Group
(online). http://grouper.ieee.org/groups/bop/1675.pdf
HomePlug Powerline Alliance (online).
http://www.homeplug.org/en/index.asp
Myvsat. Sojitz Corporation of America. What is PLC? (Online).
http://www.myvsat.com/s.nl/it.I/id.20/.f;jsessionid=ac112b6b1f43cf57939d6ee2438c8f90813c57d5877f.e3eTa3aSaxmTe3aMc3qMc3yRbi1ynknvrkLOlQzNp65In0
-
53
Anexo A. Diagrama esquemticos de los circuitos
A1CircuitoModuladorFSK
Vcc
Salida
Entrada
+1uF
0.001uF
+1uF + 0.1uF
+
0.01uF
50K
Vcc
12345678 9
10111213141516
XR2206 200
3.3K
6.8K5.1K
5.1K
LamodulacinFSK se realizamedianteelgeneradorde
funcionesXR2206,estecircuitointegradoesunOsciladorControladoporVoltaje(VCO).Lasresistenciasenlospines7y8determinanlasfrecuenciasdemarcayespacio;coneldivisordevoltajeubicadoenelpin3esposiblevariarlaamplituddelasealdesalida.A2CircuitoDemoduladorFSK
Salida
50K
24pF
220pF
0.1uF
2nF
Vcc
0.1uFEntrada
0.1uF
Vcc
1234567 8
91011121314
XR2211
10K
55K
100K
510K5.1K
-
54
LademodulacinFSKserealizamedianteelcircuitoPLL(PhaseLockedLoop)XR2211,loscomponentes
crticos se muestran en los pines 8 Y 13. Estos componentes
fijanparmetrosdelPLLcomolafrecuenciacentral,laGananciayelCoeficientedeDamping.
-
55
A3CircuitodelAmplificadoryFiltroActivo
Entrada
Salida
-Vcc+Vcc
1nF
1nFTL084
2.2K
1K150
1K1K
10K
1K
51
51
Este circuito esta basado en el circuito integrado TL084, el
cual consta de
cuatroAmplificadoresOperacionalesinternos,dondeelprimeroesutilizadocomofiltroActivoylosdemscomoamplificadoresdelasealdeentrada.A4CircuitodeAmplificacin
Salida
Entrada
Vcc
2N2222NPN
0.1uF100
47
100
4.7K
EstecircuitosebasaenuntransistorBJT2N2222enconfiguracininversora.
-
56
A5ReddeAcople
AcopleTransmisor
Entrada Red de Baja Tensin (REDBaT)
0.1uF/400V
0.1uF/400V
0.153uF/400V
0.153uF/400V
2.2M2.2K
2.2K
AcopleReceptor
SalidaRed de Baja Tensin (REDBaT)0.1uF/400V
0.1uF/400V
2.2K
2.2K
EstetipodeacopleestdiseadoparalaReddeBajaTensinde120V.
-
57
A6CircuitodelRel
Relay
2N2221A
VCC5V
R1
4.7k Tx
Rx
Red Electrica
Control Bidireccionalidad
El control de la bidireccionalidad se realiza mediante un rel de
cuatro
contactoscontroladosporunasealTTLqueseaplicaalabasedeuntransistor.
-
58
Anexo B. Clculos para la Seleccin de Componentes
B1ClculosdelXR2206
CRF
*1=
F1=150KhzF2=300Khz
1*1150RC
Khz = ConC=0,001uF(102)
= 66,66661
R
2*1300RC
Khz = ConC=0,001uF(102)
= 33,33332R
LosvaloresdelasResistenciasPrcticasfueron:
KhzRKhzR
3,38,6
2
1
==
ConestosvaloresdeResistenciaslasFrecuenciasRealesson:
KhzFKhzF
303147
2
1
==
-
59
B2ClculosdelXR2211a)FrecuenciacentraldelPLL:
KhzfKhzKhzf
FFf
047,211303*147
*
0
0
210
===
b)Resistenciadetiming.Estaresistenciaseescogeenunrangode10Ky100K.ElvalorrecomendadodeRo=20K.c)ElvalordeCo:
pFCKhzK
C
fRC
236047,211*20
1*1
0
0
000
==
=
d)ParacalcularelvalordeR1:
=
==
KRKhzKhzKhzKR
FFfRR
114,54
2*)147303(
047,211*20
2*)(
*
1
1
12
001
e)CalculandoC1con=0,5:
pFCK
pFC
RC
C
4,21)5,0(*55
236*1250**1250
1
21
21
01
==
=
f)Clculosparalacapacitanciadelfiltrodedatos:
-
60
=+++=
+++=
KRKKKKkKR
RRRRRRR
SUM
SUM
BF
BFSUM
87,118)51010055(
510*)55100()(
*)(
1
1
nFCK
C
BaudRateRC
F
F
SUMF
7,1)1200*87,118(
25,0)*(
25,0
==
=
B3aClculosdelTL084comoFiltroActivo
TL084IN3
2 11
4
1R1
R2
R3
C1
C2
VCC
EntradaSalida
-VCC
00
0
**2*
fWQAH=
=
-
61
)1(**
*)(*1
)(*
**1
2
1103
021
1
12
011
CCRAR
WCCQR
RRRR
R
WCHR
EQ
EQ
EQ
+=+=
=
=
Donde: =0A Gananciadelamplificadoroperacional
=Q Factordecalidaddelfiltro=0f Frecuenciacentral
Entonces;1010
==
QA
==
661,63250**2*1*10
1
1
1
RKhznF
R
==
830,31250**2*)2(*10
1
EQ
EQ
RKhznF
R
==
659,63)830,31661,63(
830,31*661,63
2
2
R
R
=+=
322,127
)111(*661,63*1
3
3
RnFnFR
-
62
B3bClculosdelTL084comoAmplificador
VCC
EntradaSalida
-VCC
TL084IN
5
6 11
4
7
TL084IN
10
9 11
4
8
R1
R2
R3
R4
ParaelprimerAmplificador(TL084)laGanancia=10yseasume
= KR 11
Luego;
===
=
KKRKRRRG
101*101
10
2
2
1
2
ParaelsegundoAmplificador(TL084)laGanancia=2.2yseasume
= KR 13
-
63
Luego;
===
=
KKRKR
RRG
2.21*2.21
2.2
4
4
3
4
-
64
Anexo C. Documentacin de pruebas finales
ConfiguracinMdemCelularEnfora
10 y 20 Metros Client nr 0 disconnected Connection received from
(198.228.90.116) from port 31087 Received from client 0: AT&W
Received from client 0: AT$HOSTIF=2 Received from client 0:
ATDT201.221.154.7/1728 Received from client 0: Received from client
0: Received from client 0: 00041.668111|/ Received from client 0:
00000001|343.334829|/00000001|345.001548|/00000001|3
-
65
46.6v8264|/00000001|308.334982|/00000001|350.001698|/00000001|351.66841?|/00000001|353.335136|/
Received from client 0: 00000001|355.001851|/00000001|356.668573|/
Received from client 0:
00000001|358.335289/00000001|360.002005|/00000001|361.668720|?
Unknown error occured while receiving a message from client0 Client
nr 0 disconnected Total Caracteres = 252 Errores = 3 Porcentaje =
1.19% Connection received from (198.228.90.116) from port 30751
Client 0 caused error #10053 (Se ha anulado una conexin establecida
por el software en su equipo host) Client nr 0 disconnected
Connection received from (198.228.90.116) from port 48495 Received
from client 0: 00000001|373.335745|/ Received from client 0:
0000000L75.002461|/ Received from client 0: 00000001|376.669183|/
Received from client 0:
00000001|378.335902|/00000001|380.002614|/00000001|381.669333|/
Received from client 0: 00000001|383.336052|/00000001|385.002768|/
Received from client 0:
00000001|386.669483|/00000001|388.336202|/00000001|390.002918|/
Received from client 0: 00000001|391.6_9636|/ Total Caracteres =
252 Errores = 3 Porcentaje = 1.19% 30 y 40 Metros Client nr 0
disconnected Connection received from (198.228.90.116) from port
48495 Received from client 0:
00000001|395.003074|/00000001|396.669793|/00000001|398.336511|/00000001|400.003224|/0000000L01.669943|/
Received from client 0: 0000_001|403.336665|/ Received from client
0: 00000001|405.003377|/00000001|406.670096|/ Received from client
0: 00000001|408.336812|/ Received from client 0:
00000001|410.003530|/ Received from client 0:
00000001|411.670246|/00000001|413.336965|/
-
66
Unknown error occured while receiving a message from client0
Client nr 0 disconnected Total Caracteres = 252 Errores = 3
Porcentaje = 1.19% Connection received from (198.228.90.116) from
port 24823 Received from client 0: Received from client 0:
00000001|433.337575|/00000001|435.004293|/00000001|436.671012/00000001|438.337731|/00000001|440.004444|/
Received from client 0: 00000001|441.671162|/ Received from client
0: 00000001|443.337883|/ Received from client 0:
00000001|445.004600|/00200001|446.671316|/ Received from client 0:
00000001|448.338034|/ Received from client 0: 00000001|450.004750|/
Received from client 0: 00000001|451.671469|/ Unknown error occured
while receiving a message from client0 Client nr 0 disconnected
Total Caracteres = 252 Errores = 1 Porcentaje = 0.39% 50 y 60
Metros Connection received from (198.228.90.116) from port 40735
Received from client 0:
00000001461.671772|/00000001|3i00000001|465.00520?|/00000001|466.671925|/
Received from client 0: 00000001|468.778641|/ Received from client
0: 00000001|470.005363|/pppppppq|t7!.67207800fsLLL_C
00000001|.>72235|? Received from client 0: 00010001|
-
67
Received from client 0: 00000001|506.673148|/ Received from
client 0: 00010001|508.33986_ Received from client 0:
00000001|510.006582|/000000 1|511.673298|/ Unknown error occured
while receiving a message from client0 Client nr 0 disconnected
Total Caracteres = 252 Errores = 18 Porcentaje = 7.14% 70 y 80
Metros Setting up server at port 1728 Server is listening at port
1728 Connection received from (198.228.90.116) from port 43743
Client 0 caused error #10053 (Se ha anulado una conexin establecida
por el software en su equipo host) Client nr 0 disconnected
Connection received from (198.228.90.116) from port 17902 Received
from client 0: Received from client 0: {yf_ Unknown error occured
while receiving a message from client0 Client nr 0 disconnected
Connection received from (198.228.90.116) from port 24222 Received
from client 0: Received from client 0: Received from client 0:
00000001|231.665873|/ Received from client 0:
00800001|233.33251_00000001|234.999154|/00000001|236.665797|/
Received from client 0: 00000001|238.332438|/ Received from client
0:
00000001|239>999079|/00000001|241.665719|/00000001|243.332360|/00000001|244.999001|/
Received from client 0: 00000001|246.665644|/00000001|248.332284|/
Received from client 0:
00000001|r49.998925/0000p001|251.665569|/00000001|253.332211|/
Received from client 0:
0000001|254.998850|/00000001|256.665524|/00000001|258.332242|/00000001|259.998956|/00000001|261.665673|/00000001|263.332393|/
Received from client 0:
00000001|264.999108|/00000001|266.665825|/00000001|268.332542|/00
-
68
000001|269.999261|/00000001|271.665978|/00000001|273.332695|/00000001|274.999412|/00000001|276.666134|/00000001|278.33&S
Received from client 0: 00000001|279.999566|/00000001|281.666284|/
Unknown error occured while receiving a message from client0 Client
nr 0 disconnected Total Caracteres = 630 Errores = 13 Porcentaje =
2.06% Connection received from (198.228.90.116) from port 36592
Received from client 0: 00000000000000000000000000 Received from
client 0: 00 Received from client 0: 000000000000000000000000000
Client 0 caused error #10053 (Se ha anulado una conexin establecida
por el software en su equipo host) Client nr 0 disconnected
Connection received from (198.228.90.116) from port 40081 Received
from client 0: Received from client 0: Received from client 0:
00000001|293.333305|/ Received from client 0: 00000001~295.000024|/
Received from client 0: 00000005|296>666744|/ Received from
client 0: 00000001|298.333461|/ Received from client 0:
00000001|300.000175|/ Received from client 0: 00000001|30q.v6894|/
Received from client 0: Received from client 0: 00000001|303.33361
Received from client 0: Received from client 0: 000005000329|/
Received from client 0: Received from client 0:
00000001|306.667046|/00000001|308.333764|/ Received from client 0:
Received from client 0: 00000001|r Received from client 0: Received
from client 0: 00001001|311.66719;|/ Received from client 0:
Received from client 0: 01000001|313.333916|/ Received from client
0: 00000001|315.000633|/ Received from client 0:
00000001|316nv67sut|/ Received from client 0: 0000001|318.73
-
69
Received from client 0: 00000001|323.374223|? Received from
client 0: 0000000q|325.000935| Received from client 0:
00000001326.667654|/ Received from client 0: Received from client
0: 00000001|328.334373|/ Received from client 0: Received from
client 0: 00p0p0p1|330.001088|/ Received from client 0: Received
from client 0: 00000p01|331.6677 Received from client 0:
00800001|333.334523|/ Received from client 0: 00000001|335.001242|/
Received from client 0: Received from client 0:
00000001|336.667y6p|/ Received from client 0: Received from client
0: 00000001|338.334679}/ Received from client 0: Received from
client 0: Received from client 0: 00000001|340.001392|/ Client 0
caused error #10053 (Se ha anulado una conexin establecida por el
software en su equipo host) Client nr 0 disconnected Total
Caracteres = 609 Errores = 64 Porcentaje = 10.5%