Automatizacin de una Casa Inteligente con PLCs
Castro Rangel Mauricio Javier Enriquez Lozano Diego Pacheco Contreras Aldrin
Agradecimientos
Castro Rangel Mauricio Javier:
Este trabajo es producto de las personas que han credo en mi incondicionalmente, que
su amor me han hecho llegar a este punto, a mi mam y mis hermanos, a mis compaeros
que me han apoyado con sus consejos y sus conocimientos para crecer como estudiante y
como persona, a nuestro asesores que pusieron su fe en nosotros, y a todas las personas
que me han permitido visualizar un futuro mejor.
Enriquez Lozano Diego:
Agradezco a todos aquellos que durante mi camino hasta este punto creyeron en m, a
mis amigos, a mis padres, a mis hermanos y al destino que me puso en cada lugar a su
debido tiempo para aprender y crecer como persona.
Pacheco Contreras Aldrin:
Dedico esta obra a mis padres quienes siempre tuvieron el buen cuidado de apoyarme en
todos mis estudios, que con sabidura y amor me criaron para no estar desamparado en la
vida, as agradezco a mis hermanos quienes emocionalmente influyeron a formarme
profesionalmente, reconozco el apoyo de todas las personas que amistosamente me
honraron con sus buenas cualidades y que me inspiran a ser una persona de xito. Estoy
honrado de haber concluido la obra en cooperacin de mis compaeros, y de los asesores
que amablemente aceptaron apoyarme en esta empresa.
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Castro Rangel Mauricio Javier Enriquez Lozano Diego Pacheco Contreras Aldrin
ndice:
Pgina
Objetivo Justificacin
Introduccin Captulo 1: Marco Terico 1
1.1 Definicin de una Casa Inteligente. 2 1.2 Historia de las Casas Inteligentes 2 1.3 Grados de Inteligencia... 5 1.4 Caractersticas Fundamentales de una Casa Inteligente 6 1.5 Historia del PLC.. 7 1.6 Arquitectura del PLC.. 8 1.7 Programacin del PLC... 16 1.8 Diagrama de Escalera 21
Captulo 2: Elementos de Control.. 28 2.1 Control de Potencia 29 2.2 Elementos de Mando. 38 2.3 Microcontrolador PIC16F84A 43
Captulo 3: Desarrollo de Proyecto... 48 3.1 Control de Acceso.. 49 3.2 Control de Iluminacin.. 57 3.3 Control hidrulico, hidrosanitario y riego automatizado 66 3.4 Deteccin contra Incendios... 81 3.5 Vigilancia Perimetral.. 87
Captulo 4: Costos de Proyecto. 91 4.1 Introduccin. 92 4.2 Costos de Materiales. 94 4.3 Costos de Mano de Obra.. 97 4.4 Costo Total de Proyecto 99
Conclusiones.. 100 Bibliografa... 101 Anexo 1..... 103 Anexo 2..... 119 Anexo 3..... 120 Anexo 4..... 123 Anexo 5..... 126 Anexo 6..... 127
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Objetivo
Implementar un controlador lgico programable, PLC, en los sistemas hidrulicos y
elctricos de una casa habitacin para hacerla inteligente, lo que permitir administrar
operaciones de servicio y seguridad de forma autnoma.
Justificacin
Una casa inteligente proporciona un ambiente confortable, saludable, seguro, y un sentido
de modernidad a la vivienda, aprovecha de las tecnologas de la automatizacin,
impulsado por los avances de la electrnica y la necesidad actual de entre otros, ahorro de
agua, aumentando la Calidad de Vida de las personas.
Los Controladores Lgicos Programables satisfacen las necesidades de flexibilidad en
cambios de su programacin, discrecin en cuanto a espacio, de alta confiabilidad, y
posibilidades de expansin, requerimientos que caracterizan a una casa inteligente de ser
adaptable para aceptar cambios tecnolgicos y estructurales.
Por lo anterior, un Ingeniero en Robtica se ve obligado a satisfacer las necesidades y
tendencias tecnolgicas de la automatizacin asistida por PLC, aplicndolo en el
desarrollo de viviendas y manteniendo la competitividad tecnolgica nacional a nivel
mundial.
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Introduccin
El origen de las casas inteligentes proviene de la demanda de los edificios inteligentes,
inicia en la dcada de los 80 con la euforia del mercado que deseaba integrar a los
edificios, nuevos sistemas de control, computadoras y comunicaciones. En la dcada de
los 90 se consolida el desarrollo de los edificios automatizados, aprovechan los espacios
tanto verticales como horizontales, en donde tambin es primordial el confort y la
tecnologa amigable al usuario.
Actualmente los edificios son diseados y construidos con propsitos especficos, el
diseo de algunos est dirigido para un mercado especial, en su mayora, los dispositivos
de control ahora estn al alcance econmico tanto a empresas y edificios ms pequeos,
esto ha permitido a un nuevo termino nacido en Francia llamado domtica, que proviene
de domus, en latn casa y tica de automtica, que hace referencia a la aplicacin del
edificio inteligente en la casa habitacin.
El PLC se dise en los aos de 1963 para eliminar los grandes tableros de control en los
que se encontraban muchos relevadores de control, temporizadores y contadores, adems
de que su cableado era demasiado complejo por lo que en el momento de buscar fallas, o
modificar el proceso, el responsable de su mantenimiento requera una gran cantidad de
tiempo para reparar o modificar y poner en funcionamiento a la mquina, tiempo que se
detena la produccin y la empresa perda ingresos en esos tiempos muertos.
Fue en 1977 que se logro la integracin de los controladores programables compactos,
basados en set (poner), y reset (restablecer), que adems, empleaban configuraciones
jerrquicas como parte de un sistema integrado de manufactura.
La aplicacin de un PLC es de controlar diversos procesos en casas habitacin; el PLC no
ha sido diseado para el funcionamiento de una actividad especfica, sino que puede
actuar en cualquier tipo de proceso que requiera activar una gran cantidad de salidas y
que su control pueda tener igual nmero de mandos, estas caractersticas de ser
programable, permite que se pueda modificar en cualquier momento su programa de
ejecucin, la cual utiliza un lenguaje tcnico estandarizado.
En esta tesis se aborda el tema de casas habitacin inteligentes, y se describirn de forma
resumida en los captulos que componen esta tesis. As, en el primer y segundo captulo,
marco terico y elementos de control, se explican los fundamentos en materia de Casas
Inteligentes y de Controladores Lgicos Programables de manera que el lector tenga
conocimiento del proyecto a desarrollar.
En el capitulo tres, desarrollo proyecto, se publicarn los procedimientos y resultados que
se obtuvieron de la investigacin, que comprende los servicio de agua, de iluminacin, y
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algunos de confort, seguridad y proteccin fundamentales para que sea considerada una
casa inteligente.
En el cuarto captulo, costos, se detalla el valor monetario que trae consigo la implantacin
del proyecto de hacerse, costo de los componentes, costos de la mano de obra y el costo
total del proyecto, adems de las conclusiones de este proyecto.
Elementos que componen un sistema de Casa Inteligente
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Captulo 1: Marco Terico
1.1 Definicin de una Casa Inteligente 1.2 Historia de las Casas Inteligentes 1.3 Grados de Inteligencia
1.4 Caractersticas Fundamentales de una Casa Inteligente 1.5 Historia del PLC 1.6 Arquitectura del PLC
1.7 Programacin del PLC
En este captulo se exponen
en detalle los elementos
tericos necesarios para el
desarrollo de este proyecto,
haciendo referencia a datos
histricos e investigaciones
realizadas con anterioridad.
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1.1 Definicin de Casa Inteligente
Domtica o casa inteligente1, es el conjunto de servicios proporcionados por sistemas
tecnolgicos integrados, como el mejor medio para satisfacer estas necesidades bsicas
de seguridad, comunicacin, gestin energtica y confort, del hombre y de su entorno ms
cercano. De gran inters es trmino integracin, todas las necesidades se deben
satisfacer de forma global y en conjunto. En otro caso no puede hablarse de casa
inteligente, sino simplemente de la automatizacin de tal o cual actividad.
En Mxico el encargado de evaluar los grados de inteligencia de un edificio inteligente es
el IMEI2, quien define a una casa o edificio inteligente como: aquel que esta centralmente
automatizado para optimizar su operacin y administracin de forma elctrica, es
altamente eficiente para minimizar el uso de energa, altamente seguro y confortable, que
respeten las normas tecnolgicas.
La finalidad de una casa inteligente es crear un ambiente confortable, saludable y seguro.
Proporcionar mayor flexibilidad a los cambios originados por las necesidades de los
habitantes. Facilitar la operacin con tecnologa transparente al usuario. Altamente
eficiente en el uso de la energa y el agua.
Fig. 1.1 Principales actividades que se automatizan en una Casa Inteligente
1.2 Historia de las Casas Inteligentes
No existe una fecha exacta sobre el origen de la casa inteligente, pero con frecuencia se
hace referencia al ao 1978, cuando sali al mercado el sistema X10, considerado el
primer sistema estndar que permita a varios electrodomsticos comunicarse entre ellos,
as como el control de luces de la casa habitacin, aprovechando en todo momento la
instalacin elctrica existente y sin necesidad de cables.
1 Definicin de la Real Academia Francesa 2 Instituto Mexicano del Edificio Inteligente
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A partir de este momento, la tecnologa comenz a evolucionar, se buscaba crear un
producto que pudiera conectar entre s las redes que nutren a un hogar de energa e
informacin, tales como: agua, electricidad, red telefnica, gas, calefaccin, etc., con la
automatizacin como principal objetivo.
Cada pas desarroll de forma distinta esta nueva tecnologa, dependiendo tanto de la
potencia de su industria tecnolgica y de telecomunicaciones; como de las necesidades de
energa e informacin que quisiera cubrir con su desarrollo y su ideologa.
Estados Unidos fue uno de los primeros pases en entrar en este sector de la tecnologa.
Los estadounidenses controlaban el campo de la informtica gracias a IBM, permitindoles
desarrollar un proyecto llamado Interactive Home3. A partir del ao 1984, se lanz el
proyecto de la National Association of Home Builders4, denominado Smart House5. El
elemento fundamental del Smart House era un sistema de cableado unificado que
reemplazaba a las redes de energa e informacin tradicionales de una casa.
Como innovacin, destacaba su sistema de control de circuito cerrado, que permita
controlar cualquier aparato por medio de una seal y conocer en todo momento lo que
est ocurriendo dentro de la casa. Aunque no fue el nico, este proyecto fue uno de los
ms importantes de la poca y el primer paso de la industria estadounidense hacia un
campo en el que actualmente es una de las lderes. Japn fue otra de las potencias
tecnolgicas que se interes por el desarrollo de esta nueva tecnologa.
Cabe mencionar que en el ao de 1982, en Japn haba llegado a la saturacin del
mercado en telfonos, lo que impuls nuevas tendencias, como la telefona sin hilos o el
desarrollo de las centrales telefnicas.
Tambin hubo cambios en otros aparatos, como la televisin en color. El primero de ellos
lleg a una saturacin de mercado muy importante, el 99% de los hogares japoneses ya
posea en 1986 un televisor a color. La respuesta fue el anuncio de innovaciones, como la
televisin en alta definicin; que permitieron un avance importante a la tecnologa
audiovisual, que forma parte tambin del concepto de Hogar Digital.
Antes de mencionar a los pases europeos, hay que tener en cuenta que la Comunidad
Europea contaba con una serie de programas de investigacin tecnolgica que hacan
referencia en muchos casos a esta nueva tecnologa para el hogar, y que tena efectos a
nivel econmico gracias al presupuesto que la comunidad europea destinaba a las
investigaciones.
3 Hogar Interactivo 4 Asociacin Nacional de Constructores de Casas 5 Casa Inteligente
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Ejemplos de programas de este tipo fueron el Esprit, Euronet Diane, o Race, entre los
aos 1987 y 1992, todos ellos destinados al desarrollo de tecnologa y las
telecomunicaciones. Pero el ms conocido de todos ellos fue el Programa Eureka de
1985, que fijaba sus fines hacia productos comerciables de las tecnologas de la
informacin y de las telecomunicaciones, la robtica, los materiales, las tcnicas de
montaje, la biotecnologa, la tecnologa del medio marino, el lser, la proteccin del medio
y la nueva generacin de medios de transporte.
Adems, integraba el subproyecto especfico llamado Integrated Home Systems6, cuyos
objetivos eran poner a punto una red domstica y desarrollar productos compatibles con
esta red. Este proyecto tuvo sucesores aos ms tarde, en los que participaron empresas
de toda Europa tales como Siemens, British Telecom o Thomson.
Ms all de los proyectos comunitarios, los pases ms grandes y tecnolgicamente ms
potentes de Europa, Alemania, Francia y Reino Unido, tambin desarrollaron sus propias
investigaciones, entre las cuales se destacan las innovaciones en los campos de la
teleeducacin, la telemedicina, la telemetra y teleseguridad. En el caso francs, hay que
destacar el apartado de teleeducacin, en el que el Centre National de Documentation
Pdagigique y el Centre National dEtudes des Telecomunications lanzaron en 1989 un
servicio de formacin escolar llamado Educable con un banco de imgenes accesible a
travs de Minitel.
Por lo que respecta a telemetra y teleseguridad, existan en Francia varios proyectos
dedicados al ahorro de agua, gas y electricidad, y el gran nmero de robos en el pas
propiciaron que Thomson lanzara un sistema de disuasin a travs de voz sinttica.
Alemania fue otro de los pases donde ms novedades se dieron en estos niveles, y centr
los esfuerzos en el campo de la telemetra y teleseguridad.
El Gobierno alemn se dio cuenta de las posibilidades comerciales y de exportacin de la
telemetra o medida remota de energa, por lo que lanz la red TEMEX7 que implicaba
soluciones integradas para la electricidad, gas, agua y clculo anticipado de calefaccin.
Para finalizar en el Reino Unido, hubo innovaciones en telemedicina, donde destac la
empresa Manorfield System Ltd, que desarroll paquetes de software para farmacuticos
en 1978; as como en el campo del teletrabajo, donde destacaba el proyecto Department
of Trade and Industry para discapacitados.
La primera definicin de este concepto naci en los aos setenta en Francia con la palabra
domotique8, que haca referencia al progreso conjunto que tres grandes reas de la
6 Casa con Sistemas Integrados 7 Thelemetry Exchange 8 Domtica
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tecnologa, la informtica, la electrnica y las telecomunicaciones. La domtica es una
denominacin referida a las viviendas, por la que diversos productos tecnolgicos de
reas como la electricidad, la electrnica, la informtica, la robtica y las
telecomunicaciones convergen y se integran en un sistema con objeto de proveer
aplicaciones y servicios de utilidad para los habitantes del hogar.
Por lo que respecta a la casa inteligente, expresin muy usada especialmente en los
ochenta y los noventa, podramos definirla como aquel edificio que se basa en la
automatizacin de las funciones, de las actividades, que cuenta con telecomunicaciones
avanzadas y finalmente que muestra flexibilidad al cambio, para poder satisfacer las
necesidades de los distintos usuarios que pueda albergar.
Fig. 1.2 Ejemplo de Domtica
1.3 Grados de Inteligencia
El concepto en Mxico es relativamente nuevo, llega a principios de los 90 y a partir de
este momento existe un gran inters por conocer a detalle cuando un edificio puede ser
considerado inteligente, sin embargo, resulta difcil trazar una lnea divisora que permita
diferenciar con precisin cuando un edificio es inteligente; no obstante que existe grado de
inteligencia dentro de un edificio, y considerando las necesidades reales de los dueos
mexicanos, este concepto deber irse introduciendo paulatinamente, sobre todo en
edificios de gran tamao, cuya operacin y prestacin de servicios resulta muy complejo.
A continuacin se analizan los grados de inteligencia de un edificio desde el punto de
vista tecnolgico.
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Grado 1. Inteligencia mnima o bsica. Un sistema bsico de automatizacin del edificio,
el cual no est integrado. Existe una automatizacin de la actividad y los servicios de
telecomunicaciones, aunque no estn integrados.
Grado 2. Inteligencia media. Tiene un sistema de automatizacin del edificio totalmente
integrado. Sistemas de automatizacin de la actividad, sin una completa integracin de las
telecomunicaciones.
Grado 3. Inteligencia mxima o total. Los sistemas de automatizacin del edificio, la
actividad y las telecomunicaciones, se encuentran totalmente integrados.
Para el desarrollo de este proyecto se involucran como mnimo los siguientes sistemas:
Sistemas de automatizacin de la casa.
Sistemas de automatizacin de la actividad.
Con lo cual se integra a la casa con un nivel de inteligencia aceptable.
1.4 Caractersticas de una Casa Inteligente
Las caractersticas de una Casa Inteligente son las siguientes:
1. Flexibilidad. La casa es altamente adaptable para los continuos cambios
tecnolgicos. Estructuralmente, ser necesario prever ductos adicionales para
comunicaciones, un cuarto de equipos de control, la orientacin para aprovechar la
luz del Sol, y todo aquello le permita darle mayor flexibilidad a la casa. En cuanto a
servicios, son todos los sistemas elctricos- electrnicos, hidrulicos, sanitarios,
control y seguridad.
2. Integracin. La casa centralmente automatizada para optimizar su operacin y
administracin. Son todos los servicios dentro de la casa, se puede incluir en
cualquiera de las siguientes reas: Proteccin, Seguridad, Administracin, Ahorro
de Energa y Servicios Bsicos. Todas estas reas, al establecer un sistema control
bsico quedan integradas a travs de la automatizacin.
3. Seguridad. La seguridad es un aspecto fundamental en el diseo de una casa
inteligente, incluyendo equipos contra incendios y lo que permita a los habitantes
sobrevivir ante una contingencia. Dentro de este concepto se debe incluir la
seguridad patrimonial, incluyendo todos los adelantos tecnolgicos que cuiden y
vigilen el inmueble contra el crimen.
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4. Ahorro de energa y agua. Con el sistema bsico del control de una casa, se lograr
un sustancial ahorro de agua y energa, ya que los equipos sern programados
para que operen en situaciones de mximo rendimiento.
1.5 Historia del PLC
La historia del PLC se remonta al ao de 1963, cuando la fbrica de autos General Motors
pidi a sus ingenieros la implementacin de equipos de control que no resultaran tan
costos, ya que al cambio de modelos, se tenan que construir mquinas con diferente
proceso, por lo que cambiaba tambin, al sistema de control; si reconsidera que cada
mquina estaba gobernada por una gran cantidad de relevadores de control,
temporizadores, contadores, arrancadores y pistones; entonces, a cada cambio de
modelo, la gran mayora de este equipo se desechaba, por lo que los costos de
produccin se elevaban considerablemente.
En el ao de 1969 se construyen los primeros controladores programables que en realidad
eran relevadores electrnicos que se podan reprogramar para no desecharse. En 1971 se
empiezan a aplicar los primeros controladores programables fuera de la industria
automotriz. En 1973 aparecen los primeros controladores programables inteligentes en los
que se integran, en otras cosas, operaciones aritmticas, capacidad para almacenar
listados de datos, movimiento de la informacin, operaciones por matrices e interconexin
de terminales de video.
Para el ao de 1975 se logran la integracin de funciones analgicas por medio de los
operadores matemticos P.I.D.9 los cuales hacen posible el acceso de mandos como
acopladores trmicos, sensores de presin y todas aquellas seales que no son de tipo
digital, sino que se establecen parmetros comparativos para lograr que esa seal
analgica sea detectada por el equipo y comience y termine su proceso, dependiendo del
tipo de seal que enve el mando.
En 1976 se empleaban por primera vez los controladores programables en
configuraciones jerrquicas como parte de un sistema integrado de manufactura. En el
ao de 1977 se logran la integracin de los controladores programables compactos,
basados en set y reset.
9 Proporcional Integral Derivativo
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Fig. 1.3 Modulo de PLC
1.6 Arquitectura del PLC
La arquitectura del PLC es el diseo que integra a las partes principales que conforman al
equipo y la funcin que realizan, prcticamente podemos decir que est compuesto por 5 y
estas son:
Modulo de entradas o inputs
Modulo de optoacoplador, tanto para entradas como para salidas
Modulo de salidas o outputs
Unidad Central de Proceso, CPU
Programador o software
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Fig. 1.4 Arquitectura de PLC
Fig. 1.5 Software Micro Logixs 500 para PLC
El modulo de entradas
Es la parte en la que se conectan todos los mandos componentes del sistema de control
como pueden ser: pulsadores, interruptores, sensores, etc., la gran mayora de los equipos
tienen una fuente de alimentacin propia para la conexin de estos mandos, es decir, el
PLC tiene una fuente de alimentacin que en su mayora es de 24 V c.d., y en otros casos
se requiere de una fuente de alimentacin externa. Esta fuente es necesaria porque los
optoacopladores trabajan a esa tensin y su conexin es la siguente:
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Fig. 1.6 Ejemplo de conexiones de Entradas Fsicas al PLC
Cuando el PLC tiene su propia fuente de rectificacin, el optoacoplador tiene un borne
comn, que en este caso es un borne de 0 V, el cual es de signo negativo (-) conectado al
borne S0, mientras que en los mandos se conectan al borne de 24 V que es de signo
positivo (+) de esta manera el botn cerrado est enviando una seal directamente al
optoacoplador, el fototransistor est cerrando el circuito y conectado al CPU para que
cuando se cierre el botn abierto este envie una seal al optoacoplador, ponga en
continuidad al fototransistor y complemente el mando hacia el CPU y este, en combinacin
con las memorias respectivas realicen una funcin determinada de acuerdo a como se
haya programado. Todos los mandos envan una seal 0 o una seal 1 al
microprocesador.
Cuando algn mando enva una seal analgica se debe conectar una tarjeta de
acoplamiento que convierte la seal analgica a digital.
Las seales analgicas son aquellas que se envan con un valor indefinido como son
temperaturas, tensiones o corrientes y en las que esos valores varan en el tiempo y que
pueden partir de 0 alcanzar un valor alto y decrecer en el tiempo, por esta razn es que se
colocan tarjetas que determinan en que valor de la seal analgica es 0, y en que
momento es 1.
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Fig. 1.7 Tipos de Seales
Optoacoplador
Fig. 1.8 Optoacoplador.
Se emplea para evitar que algn un error en la conexin de entrada, o de salidas pueda
daar al CPU, est compuesto por un led y un fototransistor, de manera que cuando se
conecta a una seal de entrada, en el modulo respectivo, el led se enciende y pone en
conductividad al fototransistor, esta seal esta transmitida hacia el CPU, de manera que
se evita que la seal de entrada pase fsicamente de forma directa al CPU.
En la gran mayora de los nuevos equipos se colocan dos leds por cada optoacoplador
para emplear cualquier polaridad, con lo que se facilita la conexin de los sensores sean
estos de tipo PNP o del tipo NPN.
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Fig. 1.9 Conexin de los sensores de tipo PNP o del tipo NPN a un PLC con salida a
optoacoplador.
Modulo de salidas
Es la parte en la que se conectan los actuadores componentes de sistema como son:
contactores, arrancadores, electrovlvulas, luces, etc.
En este modulo se pueden conectar hasta tres tipos de tensin distinta, dependiendo de la
tensin de trabajo de las cargas, de la marca y del modelo del equipo, sus bornes de
alimentacin son independientes del optoacoplador y sus contactos pueden ser activados
por relevador seco, por transistor o por TRIAC, en la siguiente figura se muestra como se
pueden conectar las salidas, sean a transistor o a rel.
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Fig. 1.10 PLC con salida a transistor.
Fig. 1.11 PLC con salida a Relevador.
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Fig. 1.12 PLC con salida a Rectificador Controlado de Silicio.
Unidad Central de Proceso
Es la parte ms importante del equipo, ya que es quien procesa la informacin recibida de
acuerdo a un programa grabado previamente en su memoria y enva la o las seales de
salida al modulo respectivo para poner a funcionar a una mquina. Adicionalmente al CPU
existen varios tipos de memoria que son las que se encargan de almacenar varios tipos de
datos, tanto de ejecucin
como de programacin.
Fig. 1.13 Arquitectura de la
Unidad Central de Proceso
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La comunicacin que existe entre el CPU, las diferentes memorias, los mdulos de
entradas, salidas y las interfaces de comunicacin se da a travs de buses, las cuales
enlazan estos elementos a travs de hilos o pistas intercambiando datos u rdenes.
En el equipo se pueden almacenar una gran cantidad de datos dados a travs de Bits con
valor 0 y 1 que combinados constituyen en lenguaje binario, la capacidad de
procesamiento de un CPU est dada por el modelo del mismo, se le conoce como
velocidad de procesamiento. En memorias adicionales se pueden almacenar datos de
fbrica y datos de programacin, cada una de las cuales juegan un papel en el proceso de
programacin y ejecucin de los datos. Estos datos se introducen en el equipo a travs de
datos codificados en valores binarios 0 y 1 conocidos como Bits.
Un Bit es la unidad de informacin ms pequea con valores cero y uno, estos valores los
proporciona bsicamente el modulo de entradas de los sensores o mandos quienes
solamente pueden guardar dos estados.
Cerrado (1) Abierto (0)
De la misma forma el CPU puede entregar, como resultado del proceso, dos valores en
sus salidas Outputs
Salida Activa (1) Salida Inactiva (0)
O internamente puede procesar con estos dos valores las salidas de los relevadores de
control, conocidos como banderas.
Un grupo de 8 bits forma lo que se conoce como un Byte, el que sirve para agrupar varias
seales de informacin binaria. Por ejemplo, los direccionamientos, en la mayora de los
equipos, cuando son de entradas o de salidas, lo mismo que relevadores internos pueden
ser agrupados por medio de bytes:
Una Palabra es la unidad de informacin compuesta por varios bits, esta palabra sirve
para el proceso de informacin ms compleja, en la que se manejan varios valores
mayores al bit, por ejemplo: Tiempos, conteo de eventos, clculos matemticos,
comparacin de valores, etc.
Procesador de Palabras, cuando un CPU es de mayor capacidad puede ser capaz de
procesar grupos de varios bits en lugar de procesar a bits sueltos.
Adems, cada equipo tiene una velocidad de barrido, que es el tiempo que tarda el equipo
en reconocer los datos almacenados y las conexiones externas en las entradas y salidas.
El CPU es el encargado de ejecutar el programa que se disea y se introduce previamente
adems de ordenar las transferencias de informacin en el sistema de entradas y salidas,
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tambin establece la comunicacin con otros perifricos externos como pueden ser
tarjetas adicionales u otros equipos PLC.
Junto con el CPU se integran memorias que almacenan los datos que se introducen por
medio de un programador, las memorias ms comunes que se emplean son:
ROM Read Only Memory. Memoria de solo lectura esta memoria se graba desde su
fabricacin y est destinada a cumplir una tarea general. En esta memoria no afecta la
falta de seal elctrica, es decir se conserva independientemente de que este o no
energizada el equipo.
RAM Random Access Memory. Traducido del ingls que significa memoria de acceso y
en la cual se puede escribir pudiendo modificarse el programa cuantas veces se desee,
que es una de las ventajas principales de los PLC sobre las tarjetas electrnicas. Esta
memoria es del tipo voltil, es decir que debe ser respaldada por una pila interna que la
proteja de cualquier falla de alimentacin de la red elctrica para evitar la prdida de la
memoria del programa.
En muchos casos las pilas o capacitores que respaldan a esta memoria llegan a fallar, por
lo que muchos fabricantes han recurrido a la memoria tipo EEPROM.
EPROM Erasable Programable Only Memory. Es una memoria que puede ser borrada o
modificada por luz ultravioleta y que conserva su memoria aun cuando exista una falta de
alimentacin de la red, pero el proceso de modificacin tarda entre 15 y 45 minutos,
adems de que se requiere de un equipo de reprogramacin.
EEPROM - Erase Electrical Random Access Memory. La memoria no voltil es una de las
mejores para guardar datos sin necesidad de energa de respaldo, y solamente se puede
programar y borrar por medio de una seal elctrica, de ah su nombre traducido del ingls
Memoria de Lectura, escritura programable y borrable elctricamente. Esta memoria se
ejecuta a travs de un software y una PC o a travs de un programador manual. Esta
memoria es la ideal para los equipos de PLC.
NVRAM Non Volatile RAM. Es una memoria de lectura y escritura no voltil.
1.7 Programacin del PLC
El Controlador Lgico Programable tiene la versatilidad de poder adaptarse a cualquier
mquina, ya que su caracterstica de ser programable permite que se puedan modificar en
cualquier momento su programa de ejecucin.
El programa de un PLC debe coincidir con el diseo de un diagrama de cableado con
todos sus componentes, dicha programacin se realiza por medio de lo que conocemos
como lenguajes de programacin, los que difieren en parte o totalmente de los que se
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emplean para programacin de computacin como puede ser Pascal o Basic, entre otros.
Por lo tanto a los lenguajes que se emplean para programar al PLC se le conocen como
lenguajes tcnicos.
El lenguaje tcnico debe de tener, entre otras, las siguientes caractersticas: fcil de
entender, que se pueda convertir fcilmente con el diseo de cableado y estar dentro de
una normalizacin estandarizada, IEC y ANSI.
Tabla 1. Simbologa Convencional
Smbolos
Convencionales
Nombre Smbolo para el
PLC
ANSI IEC
Botn pulsador de arranque o
botn pulsador de cierre
Botn pulsador de paro o botn pulsador de apertura.
Botn de arranque con enclavamiento o botn de
cierre con enclavamiento.
Botn de paro con enclavamiento o botn de
apertura con enclavamiento.
Interruptor de fin de carrera o de limite N.A. o interruptor de fin de carrera de carrera o de
cierre.
Interruptor de fin de carrera o de limite N.C. o interruptor de
fin de carrera o de limite de apertura.
Interruptor de flotador de N.A.
o interruptor flotador de cierre.
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Interruptor de flotador N.C. o
interruptor flotador de apertura.
Bobina de relevador o de contactor, en el PLC salida.
Contacto de relevador o de contactor N.A. o tambin de
cierre.
Contacto de relevador o de contactor N.C. o tambin de
apertura.
Bobina de temporizador on delay.
TON
Contacto de temporizador on delay N.A. o tambin de
cierre.
Contacto de temporizador on delay N.C. o tambin de
apertura.
Bobina de temporizador off
delay.
TOFF
Contacto de temporizador off delay N.A. o tambin de
cierre.
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Contacto de temporizador off
delay N.C. o tambin de apertura.
Para la programacin de los PLC se han desarrollado varias formas que coinciden con el
tipo, marca y modelo de cada equipo, sin embargo en todos los lenguajes coinciden en la
adaptacin de los diagramas de cableado en cuanto a los mandos, ejecucin y activacin
de las salidas.
Diagrama de Escalera o de Contactos
En la programacin de diagramas de escalera, tambin conocida como diagrama de
contactos, se convierte cada smbolo de contacto de cualquier elemento, que puede ser
de: temporizador, botones, sensores, rel de control, etc. en contactos conocidos como de
activacin instantnea, y su diagrama coincide con la simbologa de la norma ANSI.
Existen algunos autores que consideran que este tipo de programacin es para los
tcnicos electricistas, ya que estas personas estn ms familiarizadas con los diagramas
de control electromagntico convencional.
1 23 202
202
Diagrama de escalera en PLC
SQUARED MICRO 1
Fig. 1.14 Diagrama de escalera en PLC
Lista de Instrucciones o Mnemnicos
Existen equipos que se pueden programar por lista de instrucciones, para realizarla se
requiere conocer las abreviaturas y rutinas de programacin que admite el equipo y su
direccionamiento. Uno de los requisitos para introducir la lista de instrucciones, tambin
llamada de sentencias, es el saber la forma en que se encuentran conectados los mandos
o entradas y los contactos internos de cada elemento interno como son las banderas, las
temporizadores, los contactores y las salidas.
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En realidad, la programacin por lista de instrucciones, parte de la interpretacin del
diagrama de contacto en la que se puede observar de que forma estn enlazados los
contactos y dicho enlace es a travs de la abreviatura de la unin o del elemento que se
est conectando.
Lista de instrucciones en PLC SQUARED MICRO 1:
0. Lod 1
1.Lod 2
2.Or 202
3.And Shf Lod
4.And 3
5. Out 202
6.End
TRS+ENTER+ENTER
Funciones Lgicas
En la programacin por funciones lgicas, se considera la forma de conexin que
existe en los contactos, sea serie o paralelo y esta conexin se convierte en
compuertas lgicas para acoplarlas y lograr convertir el diagrama de control
electromagntico a diagrama de funciones. La mayora de los equipos con
programacin de funciones lgicas son muy limitados en cuanto a la cantidad de
entradas y salidas, adems, la cantidad de funciones y de memoria no permiten la
programacin de circuitos muy grandes o complejos, se emplean para controles
de mquinas pequeas o para sistemas de alarmas u otras tareas fuera del rea
industrial.
>=10
0
0
&0
0
0 0
Q10
0
0
SCI3
Q1
I2
I3
Funciones lgicas en PLC Logo!
Fig. 1.15 Funciones lgicas
Algunos equipos, tienen la facilidad de convertir en su software, el lenguaje de
programacin de contactos a la lista de instrucciones y a bloques lgicos.
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1.8 Diagrama Escalera
La elaboracin del diagrama de contactos es una actividad obligada que se debe
de realizar antes de direccionar al sistema, consiste en trabajar con el diagrama
electromagntico y realizar los cambios de los contactos convencionales a un
diagrama de escalera, el cual es muy parecido al diagrama en ANSI, por ejemplo:
B.P. B.A.
RC
RT
RT
I
D
D
I
RT
RC
S.C.
L1 L2
Fig. 1.16 Diagrama de Control
En el siguiente diagrama de control electromagntico en sistema americano se
muestra en relevador de control con su contacto NA para el enclavamiento, sus
mandos con botn de arranque normal abierto o de cierre, su botn de paro o de
apertura, un temporizador con sus contactos NA, NC y dos bobinas de contactor I
y D, as como un contacto cerrado de cada uno.
Para realizar el diagrama de contactos se van a colocar, en primera instancia, los
mandos conectados a una lnea vertical del lado izquierdo, y posteriormente la
salida virtual del relevador, se recordar que esta funcin es interna.
En el segundo peldao se repite el contacto de enclave del relevador de control,
ya que el temporizador depende de que este contacto este cerrado para comenzar
a funcionar, conectado al contacto del relevador esta la caja del temporizador,
indicando, en la parte inferior el tiempo preseleccionado, es decir en cuanto tiempo
debe de operar sus contactos dicho elemento.
A continuacin se dibuja el siguiente peldao con el contacto del relevador, no se
debe olvidar que en el PLC los elementos como son las bobinas del relevador, las
salidas, los mandos, los temporizadores, etc., pueden contener cuantos contactos
de apertura y cierre se necesiten, es decir que se puede disponer de una cantidad
ilimitada de los mismos; conectados en serie se encuentran el contacto cerrado
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del temporizador y el contacto de la salida a la bobina I, por ultimo en el mismo
peldao se encuentra la salida a la bobina D.
Por ltimo, se dibuja el peldao final en el que se representa el contacto de
enclave del relevador de control, con el contacto de cierre del temporizador en
serie y el contacto cerrado de la salida a la bobina D, tambin en serie para
alimentar a la bobina I.
Una vez que se ha elaborado el diagrama de contactos se procede a colocar la
nomenclatura de cada uno de los componentes del circuito, es decir, a nombrar
tanto a los contactos como a las bobinas de acuerdo al diagrama
electromagntico.
Fig. 1.17 Diagrama de Escalera
Como se pudo observar, en los dibujos anteriores, que para cada salida se ha
colocado un contacto NA de RC, adems del contacto de control del temporizador
y del contacto de bloqueo entre ambas bobinas, esta tarea se realiza para facilitar
la programacin por lista de instrucciones.
Si se observa, en el diagrama anterior, se ha colocado un contacto abierto en
lugar del botn cerrado, pero esto solamente se hace con los mandos y es por
seguridad del sistema, ya que el botn cerrado es un elemento de mando
mecnico, por lo tanto estar enviando una seal a la entrada del PLC sin ser
pulsado, por lo que esa seal es procesada de inmediato por el equipo.
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Si en lugar de un contacto abierto se colocar un contacto cerrado, entonces se
tendra que mandar el paro a travs de un botn NA, pero esto no da seguridad al
sistema ya que en caso de que se desconecte algn cable del botn de paro, este
no ser identificado en el equipo y al pulsar el botn en caso de necesidad, no se
detendr la mquina ya que la seal nunca llegar al PLC.
Fig. 1.18 Forma correcta de introducir el mando al PLC.
Al estar cerrado el botn de paro ya est enviando una seal al bit del PLC, por lo
que este ya lo tiene registrado como cerrado en su memoria, si se programar un
contacto cerrado y se conectara el botn cerrado, entonces el bit lo registrar
abierto, por lo que al momento de correr el programa, la salida no se podr activar,
ya que no existe flujo por ese contacto que est abierto.
Fig. 1.19 Forma incorrecta de introducir el mando al PLC.
En la siguiente figura se observa que cuando se pulsa el botn de arranque,
abierto, el contacto del programa se cierra al recibir el bit la seal de entrada,
mientras que en el contacto que se programo como cerrado no fluye la corriente al
estar cerrado el botn de paro, por lo que la seal en el contacto programado es
un inversor e invierte la seal recibida, si no existe seal de entrada el contacto se
cierra, pero si hay seal el contacto se abre.
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Fig. 1.20 Ejemplo de funcionamiento en el diagrama de control y diagrama de escalera.
BABP
RC
RC
RC
RC
RT I
RT D
RC
TON
D
I
Fig. 1.21 Diagrama de escalera de la figura 1.14
Tabla 2. Descripcin de la Fig. 1.21
Funcin electromagntica Ubicacin y Funcin en el PLC
Botn de Arranque Entrada Fsica
Botn de Paro Entrada Fsica
Relevador de Control Bobina Interna Virtual
Temporizador On Delay Temporizador Interno Virtual
Salida a Bobina D Salida Fsica a Bobina de Contactor para giro derecho
Salida a Bobina I Salida Fsica a Bobina de Contactor para giro izquiero
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Tabla de Direccionamientos
En la siguiente tabla se indican los factores a considerar en circuito de control que
ha de ser programado en el PLC.
Denominacin.- Debe ser el nombre que le estamos dando al elemento, sea este
interruptor de entrada o sea una salida a actuador, por ejemplo: botn de paro,
botn de arranque, interruptor de lmite, interruptor de temperatura, sensor
inductivo, etc.
Siglas.- Es la etiqueta con que se identifica al elemento en el diagrama
electromagntico, es decir la nomenclatura que se emplea para identificar cada
uno de los integrantes del circuito.
Direccin.- Es el direccionamiento que se da al elemento, para saber si es un
elemento de mando o elemento de salida, mediante las iniciales del ingls:
entrada = input (I); salida = output (O).
Funcin.- En este espacio se indica la funcin o la accin que realiza cada uno de
los elementos.
Tabla 3. Direccionamientos.
Denominacin Etiqueta Direccin Funcin
Botn de Arranque B.A. Input Externo Al pulsar el botn de arranque pone en funcionamiento el
sistema.
Botn de Paro B.A. Input Externo Al pulsar el botn de paro se detiene el funcionamiento del
sistema.
Relevador de
Control
R.C. Output
Interno
Al ser energizado por el botn de
arranque enclava al sistema.
Temporizador On
Delay
R.T. TON Al ser energizado por el contacto
R.C. cambia el estado de sus contactos cuando transcurre el
tiempo preestablecido.
Contactor D D Output Externo
Al ser energizado la bobina del contactor D el motor trabaja a la
derecha e impide que trabaje el contactor I.
Contactor I I Output Externo
Al ser energizado la bobina del contactor I el motor trabaja a la
izquierda e impide que trabaje el contactor D.
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Una vez que se ha llenado la tabla anterior se procede a direccionar con el
protocolo de la marca del equipo, para esto es necesario que se revise el listado
de direcciones de la marca, para este proyecto se utilizar un equipo Allen Bradley
1200.
Tabla 4. Direccionamientos del PLC Allen Bradley 1200
P.L.C. Entradas Salidas Banderas, Rels, Bits o
Marcas Internas
Temporizadores Contadores
Allen Bradley
I:0/0 I:0/11
O:0/0 O:0/11
B3:0 B3:4096
T4:0 T4:255 C5:0 C5:255
I:0/0I:0/1
B3:0
B3:0
B3:0
B3:0
T4:37 O:0/1
T4:37 O:0/0
B3:0
T4:37
O:0/0
O:0/1
100
1
Fig. 1.22 Diagrama con direccionamientos de PLC Allen Bradley.
Este diagrama de contactos se encuentra direccionado y listo para introducirse al
programador o al Software.
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Tabla 5. Descripcin de la fig. 1.22
Denominacin Operando Simblico
Operando Absoluto
Funcin
Botn de Arranque B.A. I: 0/0 Energizar al Sistema
Botn de Paro B.A. I: 0/1 Detiene el funcionamiento del sistema
Relevador de Control
R.C. B3: 0 Enclava y mantiene en funcionamiento al sistema
Temporizador On Delay
R.T. T4: 37 Controla el tiempo de operacin del motor con giro
derecho e invierte el sentido del giro.
Contactor D D O: 0/0 Salida al contactor para que el motor gire en el sentido
derecho.
Contactor I I O: 0/1 Salida al contactor para que el motor gire en el sentido
izquierdo.
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Captulo 2: Elementos de Control
2.1 Control de Potencia 2.2 Elementos de Mando 2.3 Microcontrolador PIC16F84A
En este captulo se exponen los
elementos tericos de entrada,
salida, control y potencia
necesarios en la operacin del
PLC.
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2.1 Control de Potencia
El tema de controles y automatismo es una parte importante en las instalaciones
de la casa habitacin, se ha venido desarrollando rpidamente en este medio, de
acuerdo con los avances de la tecnologa y la industria, haciendo necesario la
actualizacin de los medios de control automticos, siendo este tema la base de
los controles automticos para motores elctricos y otros sistemas actuadores
elctricos, por controladores lgicos programables.
El control de potencia es una de las cuatro funciones que conforman la estructura
de la automatizacin. Su funcin bsica consiste en establecer o interrumpir la
alimentacin de los receptores siguiendo las rdenes de la unidad de proceso de
datos.
Dichas rdenes se elaboran a partir de la informacin procedente de los
captadores, funcin de adquisicin de datos, y de los rganos de mando, funcin
de dilogo hombre-mquina. Entre los receptores ms utilizados para el
accionamiento de mquinas se encuentran los motores elctricos. Los equipos de
control de potencia destinados a controlarlos, normalmente llamados
arrancadores, realizan las funciones de seccionamiento, proteccin y
conmutacin.
Los arrancadores cuentan con los elementos necesarios para controlar y proteger
los motores elctricos. De la eleccin de stos depende el rendimiento de toda la
instalacin: nivel de proteccin, funcionamiento con velocidad constante o
variable, etc. El arrancador garantiza las siguientes funciones:
1. Seccionamiento
2. Proteccin contra cortocircuitos y sobrecargas
3. Conmutacin.
Seccionamiento.
Para manipular las instalaciones o las mquinas y sus respectivos equipos
elctricos con total seguridad, es necesario disponer de medios que permitan
aislar elctricamente los circuitos de potencia y de control de la red de
alimentacin general. Esta funcin, llamada seccionamiento, le corresponde a
aparatos especficos: seccionadores o interruptores.
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Proteccin
Todos los receptores pueden sufrir accidentes, de origen elctrico, sobre carga,
cada de tensin, variacin de voltaje o ausencia de fases que provocan un
aumento de la corriente absorbida, cortocircuitos cuya intensidad puede superar el
corte del contactor. De origen mecnico, calado del rotor, sobrecarga momentnea
o prolongada que provocan un aumento de la corriente que absorbe el motor,
haciendo que los bobinados se calienten peligrosamente.
Con el fin de que dichos accidentes no daen los componentes ni perturben la red
de alimentacin, todos los arrancadores deben incluir obligatoriamente proteccin
contra los cortocircuitos, para detectar y cortar lo antes posible las corrientes
anmalas, proteccin contra las sobrecargas, para detectar los aumentos de
corriente y cortar el arranque antes de que el recalentamiento del motor y de los
conductores dae los aislantes. Si es necesario, se pueden aadir protecciones
complementarias como el control de fallos de aislamiento, de inversin de fases,
de temperatura de los bobinados, etc.
La proteccin corresponde a seccionadores portafusibles, interruptores
automticos, rels de proteccin y rels de medida, funciones especficas
integradas en los aparatos de funciones mltiples.
Conmutacin
La conmutacin consiste en establecer, cortar y, en el caso de la variacin de
velocidad, ajustar el valor de la corriente absorbida por un motor. Segn las
necesidades, esta funcin puede realizarse con aparatos, electromecnicos,
contactores, electrnicos: rels y contactores estticos, variadores y reguladores
de velocidad.
Caractersticas de Diseo
A) Todo esquema debe ser realizado de forma tal que pueda ser interpretado
fcilmente. Para ello es necesario que se indiquen claramente los circuitos que lo
componen, as como el ciclo de funcionamiento.
B) Ofrece ayuda muy valiosa para el mantenimiento del equipo, as como para la
localizacin de posibles daos que permitan proceder a su reparacin.
Tabla 6. Smbolos ms utilizados (DIN)
Marcas ms usadas: Fases: R-S-T L1 - L2 - L
Neutro: N
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Descripcin Smbolo
Rel Trmico
Contactos Principales de
Contactor
Bobina de contactor
Normalmente
cerrado (NC)
Normalmente
abierto (NA)
Conexin desconexin
Desconexin mltiple
Conexin mltiple
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Marcha-paro
Dos posiciones
Auxiliar
normalmente cerrado
Auxiliar normalmente
abierto
Nota: En los contactos cerrados y abiertos la numeracin puede variar. Contactos cerrados: 21-22, 31-32, 41-42, etc; Contactos Abiertos: 23-24, 33-34,
43-44, etc.
Contactos
auxiliares del rel trmico
Contactos
temporizados al trabajo
Finales de carrera o interruptores de
posicin
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Contactor
Fig. 2.1 Contactor
Contactor, es un aparato de maniobra automtico con poder de corte, y que por
consiguiente puede abrir o cerrar circuitos con carga o en vaco.
Fig. 2.2 Partes Constitutivas de un Contactor.
Partes del contactor.
Carcasa. Es la parte externa que protege del medio a los componentes internos.
Bobina. Es el arrollamiento de alambre, que al aplicarse la tensin crea un campo
magntico, Se construye con cobre o aluminio. La tensin de alimentacin puede
ser la misma del circuito de fuerza o inferior a sta, o reducidas por un
transformador.
Ncleo. Serie de lminas muy delgadas, o chapas, ferromagnticas y aisladas
entre s, generalmente de hierro silicoso, con la finalidad de reducir al mximo las
corrientes originando prdidas de energa por el efecto Joule, generalmente en
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forma de E. En los contactores cuyo circuito de mando va a ser alimentado por
corriente alterna, el ncleo debe tener un elemento adicional denominado espiras
de sombra, espiras en cortocircuito, espiras de frager o anillos de defasaje.
Fig. 2.3 Ncleo de Contactor.
Cuando circula la corriente alterna por la bobina, cada vez que el flujo es cero, la
armadura se separa del ncleo dos veces por segundo, porque el flujo magntico
producido por la bobina es tambin dos veces cero. En realidad como el tiempo es
muy pequeo, 1/120 de segundo cuando la frecuencia es 60 Hz, es imposible que
la armadura se separe completamente del ncleo, pero es suficiente para que se
origine un zumbido y vibracin.
Para evitar este inconveniente se colocan en las dos columnas laterales del ncleo
las espiras de sombra, construidas en cobre, para suministrar al circuito magntico
un flujo cuando la bobina no le produce, creando en consecuencia un flujo
magntico constante, similar al que puede producir la corriente continua.
Armadura. Elemento similar al ncleo de transformador, en cuanto a su
construccin, pero que a diferencia de ste es una parte mvil, cuya finalidad
principal es cerrar el circuito magntico, cuando se energice la bobina, porque en
estado de reposo debe estar separada del ncleo. Se aprovecha de esta
propiedad de movimiento que tienen para colocar sobre l una serie de contactos,
parte mvil del contacto, que se cerraran o abrirn siempre que la armadura se
ponga en movimiento.
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Fig. 2.4 Partes mviles del Contactor.
Contactos. Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto
establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o
en el de mando, tan pronto como se energice la bobina.
Se construyen dichos puntos en materiales aleados a base de plata-cadmio, plata-
nquel, plata-paladio, etc. Estas partes deben tener una gran resistencia al
desgaste por erosin que produce el arco, tener buena resistencia mecnica, poca
resistencia elctrica en el punto de contacto, no oxidable y no ser susceptible a
pegarse o soldarse. Una de las precauciones que ms debe tomarse en cuenta es
hacerles un mantenimiento peridico, as como protegerlos del polvo, grasa,
humedad, etc.
Fig. 2.5 Contactos o Platinos.
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En el contactor se encuentran dos tipos de contactos:
Contactos Principales. Son los contactos que tienen por finalidad realizar el cierre
o apertura del circuito principal, a travs del cual se transporta la corriente al
circuito de utilizacin, carga. Se tienen contactores con contactos capacitados
para transportar corrientes desde unos cuantos amperes, hasta corrientes con
intensidades muy elevadas. La zona, donde se produce el arco, conocida
comnmente cmara apaga chispas, debe constituirse con materiales muy
resistentes al calor, tales como poliester con un gran porcentaje de fibra de vidrio.
Contactos Auxiliares. Son aquellos contactos que tienen por finalidad el gobierno
del contactor, especficamente de la bobina, y de su sealizacin. Pueden ser
abiertos o cerrados, y como estn hechos para dar paso nicamente pequeas
corrientes suelen ser normalmente ms pequeos que los contactos principales. El
nmero de contactos auxiliares por contactor vara de acuerdo a las necesidades
de las diferentes maniobras desde uno normalmente abierto, hasta varios abiertos
y cerrados. Algunos casos se tienen contactores que tienen nicamente contactos
auxiliares, denominados por esta razn contactores auxiliares o relevadores.
Funcionamiento del contactor
Cuando la bobina es recorrida por la corriente elctrica, genera un campo
magntico que hace que el ncleo atraiga a la armadura, parte mvil, se cierran
todos los contactos abiertos y se abren los contactos cerrados, principales y
auxiliares. Al desenergizar la bobina los contactos vuelven a su estado inicial, o de
reposo.
Elementos de Proteccin.
Proteccin contra los cortocircuitos
Un cortocircuito es el contacto directo de dos puntos con potenciales elctricos
distintos, en corriente alterna se genera de contacto entre fases, entre fase y
neutro o entre fases y masa conductora, en corriente continua es generado por
contacto entre los dos polos o entre la masa y el polo aislado. Las causas pueden
ser varias, por ejemplo, cables rotos, flojos o pelados, presencia de cuerpos
metlicos extraos, depsitos conductores, polvo, humedad, etc., filtraciones de
agua o de otros lquidos conductores, deterioro del receptor o error de cableado
durante la puesta en marcha o durante una manipulacin.
El cortocircuito desencadena un aumento de corriente que en milsimas de
segundo puede alcanzar un valor cien veces superior al valor de la corriente de
empleo. Por lo tanto, es preciso que los dispositivos de proteccin detecten el fallo
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e interrumpan el circuito rpidamente, a ser posible antes de que la corriente
alcance su valor mximo.
Fusibles
Son conductores calibrados expresamente para el paso de determinadas
cantidades de corriente, por consiguiente ms dbiles que el resto de los
conductores del circuito, de manera que al producirse un cortocircuito, ste se
interrumpir inmediatamente, debido al bajo punto de fusin que tiene.
Simbologa
Proteccin Automticos
Son aparatos construidos nicamente para proteger contra sobrecargas, rel
trmicos, termomagnticos y electromagnticos . Para que un contactor cumpla
funciones de proteccin es necesario que se le adicione otro dispositivo
denominado rel de proteccin. Fabrican en una extensa gama, tanto por la
diversidad de tipos, como de procedimientos para proteger. Irregularidades que se
pueden producir en las condiciones de servicio de una mquina o motor son:
1. Sobrecarga, por parte de la mquina accionada por el motor.
2. Disminucin de la tensin de red, que puede dar lugar a sobrecargas.
3. Gran inercia de las partes mviles, que hacen funcionar el motor
Sobrecargado en el perodo del arranque.
4. Excesivas puestas en marcha por unidad de tiempo.
5. Falta de una fase, haciendo que el motor funcione solo con dos fases.
En estos u otros casos similares, los elementos de proteccin desconectarn el
circuito de mando, desconectndose lgicamente el circuito de alimentacin de la
mquina o motor.
Rel trmico
Son elementos de proteccin, una por fase, contra sobrecargas, cuyo principio de
funcionamiento se basa en la deformacin de ciertos materiales, bimetales, bajo el
efecto del calor, para accionar, a una temperatura determinada, sus contactos
auxiliares que desenergizen todo el sistema. Los bimetales empezarn a curvarse
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cuando la corriente sobrepase el valor nominal. Empujando una placa de fibra
hasta que provoque la apertura y cierre de sus contactos auxiliares que
desenergicen la bobina y energicen el elemento de sealizacin. Una vez que los
rels trmicos hayan actuado se rearman empleando dos sistemas, son los
siguientes.
Rearme manual
Debe emplearse este sistema siempre que se tengan circuitos con presostatos,
termostatos, interruptores de posicin o elementos similares, con el objeto de
evitar una nueva conexin en forma automtica al bajar la temperatura del bimetal.
Rearme automtico
Se emplean exclusivamente en casos en que se usan pulsadores para la
maniobra, de manera que la reconexin del contactor no podr producirse
despus del enfriamiento del bimetal, sino nicamente volviendo a accionar el
pulsador.
2.2 Elementos de Mando
Son aquellos aparatos que actan accionados por el operario, o por alguna seal
elctrica. Los ms importantes son los pulsadores y selectores.
Interruptores
Son dispositivos con cierto poder de corte, para cerrar o abrir circuitos. Al abrirse
el circuito, la chispa que se produce debe apagarse rpidamente, antes de que se
forme un arco elctrico, que daara fcilmente los contactos.
Simbologa Componente
Pulsadores
Aparatos de maniobra con poder de corte. Se diferencian de los interruptores porque
cierran o abren circuitos solamente mientras acten sobre ellos una fuerza exterior,
recuperando su posicin de reposo, inicial, al cesar dicha fuerza, por accin de un muelle
o resorte.
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Simbologa Componente
Selectores dos posiciones
Simbologa Componente
Elementos de Sealizacin
Son todos aquellos dispositivos cuya funcin es llamar la atencin sobre el
correcto funcionamiento o paros anormales de las mquinas, aumentando as la
seguridad del personal y facilitando el control y mantenimiento de los equipos.
Clases de sealizaciones
Acsticas. Son seales perceptibles por el odo. Entre las ms usadas figuran los
timbres, zumbadores o chicharras, sirenas, etc.
pticas. Son seales perceptibles por la vista. Existen dos clases:
Visuales. Se emplean ciertos smbolos indicativos de la operacin que se est
realizando.
Luminosa. nicamente se emplean lmparas o pilotos, de colores diferentes.
De acuerdo a la complejidad y riesgo en el manejo de los equipos, se pueden
emplear, sealizaciones visuales, y luminosas, e incluso en casos especiales
sealizaciones pticas y acsticas simultaneamente.
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Sensores
Es importante la necesidad de accionamientos o elementos que actan sobre la
parte de potencia del sistema. La potencia necesaria para actuar sobre los
accionamientos puede ser considerable y a veces no pueden ser suministradas
por el sistema de control. En tales casos se requieren unos elementos intermedios
encargados de interpretar las seales de control y actuar sobre la parte de
potencia propiamente dicha. Dichos elementos se denominan preaccionamientos y
cumplen una funcin de amplificadores, ya sea para seales analgicas o para
seales digitales.
Es habitual que los sensores requieran una adaptacin de la seal elctrica que
suministran para que sean conectables a un determinado sistema de control. Esta
funcin la realizan los bloques de interfaz, que pueden ser totalmente
independientes del sensor o estar parcialmente incluidas en el.
Los trminos sensor y transductor se suelen aceptar como sinnimos, aunque, si
hubiera que hacer alguna distincin, el termino transductor es quiz mas amplio,
incluyendo una parte sensible o captador propiamente dicho de algn tipo de
circuito de acondicionamiento de la seal detectada. En particular, en el estudio de
los transductores cuya salida es una seal elctrica podemos dar la siguiente
definicin:
Un transductor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud fsica
en una seal elctrica codificada, ya sea en forma analgica o digital.
No todos los transductores tienen porque dar una salida en forma de seal
elctrica. Como ejemplo puede valer el caso de un termmetro basado en la
diferencia de dilatacin de una lmina bimetlica, donde la temperatura se
convierte directamente en un desplazamiento de una aguja indicadora.
Tomando como ejemplo a los transductores en fenmenos elctricos o
magnticos, estos suelen tener una estructura general, se distinguen las
siguientes partes:
Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud fsica en
variaciones de una magnitud elctrica o magntica, denominada seal.
Bloque de tratamiento de seal. Si existe, suele filtrar, amplificar, linealizar y, en
general, modificar la seal obtenida en el captador, por regla general utilizando
circuito electrnicos.
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Etapa de salida. Esta etapa comprende los amplificadores, interruptores,
conversores de cdigo, transmisores y, en general, todas aquellas partes que
adaptan la seal a las necesidades de la carga exterior.
Atendiendo a la forma de codificar la magnitud medida se puede establecer una
clasificacin en:
Analgicos. Aquellos que dan como salida un valor de tensin o corriente variable
en forma continua dentro del campo de medida. Es frecuente para este tipo de
transductores que incluyan una etapa de salida para suministrar seales
normalizadas de 0 10 V o 4 20 mA.
Digitales. Son aquellas que dan como salida una seal codificada en forma de
pulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario, BCD u otro sistema
cualquiera.
Todo o Nada. Indican nicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto
umbral o limite. Pueden considerarse como un caso lmite de los sensores
digitales en el que se codifican solo dos estados.
Sensor ptico CNY70
El CNY70 es un sensor ptico reflexivo con salida a transistor fabricado por Vishay
Telefunken Semiconductors. Tiene una construccin compacta donde el emisor de
luz y el receptor se colocan en la misma direccin para detectar la presencia de un
objeto por medio del empleo de la reflexin del haz de luz infrarrojo sobre el
objeto. La longitud de onda de trabajo es de 950 nm. El emisor es un diodo LED
infrarrojo y el detector consiste en un fototransistor.
La distancia del objeto reflectante debe estar entre los 5 y 10 mm de distancia. La
corriente directa del diodo IF=50 mA y la intensidad de colector es de IC=50 mA.
Fig. 2.6 Sensor CNY70.
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Para conectar estos dispositivos hay que polarizarlos, esa es la funcin de las
resistencias de circuito, dos posibles conexiones segn se quiera la salida para
color blanco o negro.
El inversor Trigger Schmitt 40106 se intercala para conformar las tensiones a
valores lgicos. Hay que tener en cuenta que los valores de transicin de la puerta
son VT+=2.9 V y VT-=1.9 V para una tensin de alimentacin de 5V y no se puede
variar.
Fig. 2.7 Circuito tpicos de conexin del CNY70
Sensor LDR
Las resistencia dependientes de la luz, LDR (Light Dependent Resistor) o
fotorresistencias, son dispositivos que varan su resistencia en funcin de la luz
que incide sobre su superficie. Cuanto mayor sea la intensidad de la amenaza que
incide sobre ella menor ser la resistencia entre extremos de la misma. Para su
fabricacin se utiliza materiales fotosensibles.
Su valor nominal se especifica sin que incida la luz externa. As por ejemplo, una
LDR de valor nominal de 50 k, tendr dicho valor si se tapa de manera que no
incida la luz sobre su superficie, si se le acerca una bombilla de 60 W puede
trabajar hasta unos 30 .
Las principales aplicaciones de estos componentes son controles de iluminacin,
control de circuitos con rels, en alarmas, etc.
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Fig. 2.8 LDR.
2.3 Microcontrolador PIC16F84A
Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los
componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea
determinada. Un sistema con microcontrolador debe disponer de una memoria
donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo que,
una vez programado y configurado solo sirve para realizar la tarea asignada.
El microcontrolador es uno de los inventos ms notables del siglo XX. Cada tipo
de microcontrolador sirve para una serie de casos y es el diseador del sistema
quien debe decidir cul es el microcontrolador ms idneo para cada uso.
En los ltimos aos han tenido un gran auge los microcontrolador PIC fabricados
por Microchip Technology Inc. Los PIC, Peripherical Interface Controller10, son una
familia de microcontroladores que ha tenido gran aceptacin y desarrollo en los
ltimos aos gracias a que sus buenas caractersticas, por ejemplo bajo precio y
reducido consumo. Un microcontrolador PIC16F84A puede trabajar con una
frecuencia mxima de 20 MHz.
Normalmente el microcontrolador PIC16F84A se alimenta con 5 V aplicados entre
los pines VDD y Vss que son, respectivamente, la alimentacin y la masa del chip.
10 Controlador Interfaz Perifrico
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Fig. 2.9 Arquitectura del PIC16F84A.
El consumo de corriente para el funcionamiento del microcontrolador depende de
la tensin de alimentacin, de la frecuencia de trabajo y de las cargas que
soportan sus salidas, siendo el orden de unos pocos mA.
El microcontrolador se comunica con el mundo exterior a travs de los puertos.
Estos estn constituidos por lneas digitales de entrada-salida que trabajan entre 0
y 5 V. Los puertos se pueden configurar como entradas para recibir datos o como
salidas para gobernar dispositivos externos.
El PIC16F84A tiene dos puertos:
El puerto A con 5 lneas, pines RA0 a RA4.
El puerto B con 8 lneas, pines RB0 a RB7.
Cada lnea puede ser configurada como entrada o como salida,
independientemente unas de otras, segn se programe.
Las lneas son capaces de entregar niveles TTL cuando las tensiones de
alimentacin aplicada en VDD es de 5 V. La mxima capacidad de corriente de
cada una de ellas es:
25 mA, cuando el pin esta a nivel bajo, es decir, cuando consume corriente.
Sin embargo, la suma de intensidad por las 5 lneas del puerto A no puede
exceder de 80 mA, ni la suma de las 8 lneas del puerto B puede exceder
de 150 mA.
20 mA, cuando el pin esta a nivel alto, es decir, cuando proporciona
corriente. Sin embargo, las intensidades por las 5 lneas del puerto A no
puede exceder de los 50 mA, ni la suma de las 8 lneas del puerto B puede
exceder de 100 mA.
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Todo microcontrolador requiere de un circuito que le indique la velocidad de
trabajo, es el llamado el oscilador o reloj. Este genera una onda cuadrada de alta
frecuencia que se utiliza como seal para sincronizar todas las operaciones del
sistema. Este circuito es muy simple pero da vital importancia para el
funcionamiento del sistema.
Fig. 2.10 Conexin del oscilador de cristal.
Generalmente todos los componentes del reloj se encuentran integrados en el
propio microcontrolador y tan solo se requieren de unos pocos componentes
externos, como un cristal de cuarzo o una red RC, para definir la frecuencia de
trabajo.
El PIC16F84A los pines OSC1/CLKIN y OSC2/CLKOUT son las lneas utilizadas
para este fin. Permite 5 tipos de osciladores para definir la frecuencia de
funcionamiento:
XT. Cristal de cuarzo.
RC. Oscilador con resistencia y condensador.
LP. Cristal para baja frecuencia y bajo consumo de potencia.
Externa. Cuando se aplica una seal de reloj externa.
El ms utilizado es el oscilador XT y est basado en el oscilador a cristal de
cuarzo o en un resonador cermico. Un oscilador estndar que permite una
frecuencia de reloj muy estable comprendida entre 100 kHz y 4 MHz.
Si se comprueba con un osciloscopio la seal en el pin OSC2/CLKOUT, se debe
visualizar una onda senoidal de igual frecuencia que la del cristal utilizado.
El reset en un microcontrolador provoca la reinicializacin de su funcionamiento,
un comienzo a funcionar desde cero. En este estado, la mayora de los
dispositivos internos del microcontrolador toman un estado conocido.
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En los microcontroladores se requiere un pin de reset para reiniciar el
funcionamiento del sistema cuando sea necesario. El pin de reset en los PIC se
denomina MCLR, master clear, y produce un reset cuando se aplica un nivel lgico
bajo.
Fig. 2.11 Conexin del reset del PIC16f84A.
Lenguaje mquina
El nico lenguaje que entienden los microcontroladores es el formado por los
ceros y unos del sistema binario. Cualquier instruccin que deba ser ejecutada por
el microcontrolador puede estar expresada en binario. A este lenguaje se le
denomina lenguaje maquina, por ser el que comprende el microcontrolador. Los
cdigos de este lenguaje que forman las instrucciones se les llaman cdigos
mquina.
Dicha codificacin binaria resulta incomoda para trabajar, por lo que muchas
veces se utiliza la codificacin hexadecimal para facilitar la interpretacin de los
cdigos maquina.
Lenguaje ensamblador
El lenguaje mquina es difcil utilizar por el hombre ya que se aleja de su forma
natural de expresarse, por esto se utiliza el lenguaje ensamblador, que es la forma
de expresar las instrucciones de una forma ms natural al hombre y que, sin
embargo, es muy cercana al microcontrolador porque cada una de sus
instrucciones se corresponde con otra en cdigo mquina que el microcontrolador
es capaz de interpretar.
El lenguaje ensamblador utilizar nemnicos que son grupos de caracteres
alfanumricos que simbolizan las ordenes o tareas a realizar con cada instruccin.
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Los nemnicos se corresponden las iniciales del nombre de la instruccin en
ingls, de forma que recuerdan la operacin que realiza la instruccin.
MPLAB IDE
El MPLAB IDE es un software de Entorno de desarrollo integrado que se ejecuta
bajo Windows. Con este entorno se puede desarrollar aplicaciones para los
microcontroladores PIC.
El MPLAB incluye todas las utilidades necesarias para realizacin de proyectos
con microcontroladores PIC, permite editar el archivo fuente del proyecto, adems
de ensamblarlo y simularlo en pantalla para comprobar cmo evoluciona tanto la
memoria de datos RAM, como la de programa ROM, los registros de SFR, etc.,
segn progresa la ejecucin del programa.
El MPLAB incluye:
Un editor de texto.
Un ensamblador llamado MPASM.
Un simulador llamador MPLAB SIM.
Un organizador de proyectos.
Fig. 2.12 Entorno del MPLAB IDE.
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Captulo 3: Desarrollo de Proyecto
3.1 Control de Acceso 3.2 Control de Iluminacin 3.3 Control Hidrulico, Riego automatizado e Hidrosanitario.
3.4 Deteccin contra Incendios 3.5 Vigilancia Perimetral
En este captulo se muestran
los resultados obtenidos de la
investigacin que comprenden
al control elctrico de una casa
inteligente grado 1 en sus
caractersticas fundamentales.
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3.1 Control de Acceso
Introduccin
La seguridad patrimonial de una casa inteligente, comienza con el control de
acceso de los habitantes; este control tiene como finalidad vigilar el acceso a la
casa.
En la actualidad, normalmente cualquier punto que pueda asegurarse con una
cerradura es susceptible de ser controlado con un sistema electrnico, de manera
que garantice el ingreso solo a personas autorizadas.
El punto dbil de una cerradura siempre ser la llave; eso significa que una llave
puede ser fcilmente duplicada, perdida o robada; lo cual implica el riesgo de
perder el control de entrada.
Un sistema electrnico de control de acceso, es una alternativa confiable, cada
persona recibe el cdigo que permite el acceso y garantiza la seguridad en el
inmueble.
Fig. 3.1 Muestra de sistemas para el control de acceso.
Funcionamiento
El control de acceso para este caso consta de un teclado hexadecimal, un
electroimn de 272.154 kgf, un botn liberador y el sistema de control.
Al introducir la clave el electroimn se desenergiza para abrir la puerta y entrar,
despus de 5 segundos se vuelve a energizar, para salir se presiona el botn
liberador y nuevamente el electroimn se desenergiza para poder salir. En la
pantalla LCD se visualiza si la clave es correcta o incorrecta y un LED se enciende
para permitir visualizar el teclado en caso de que este obscuro, siempre y cuando
se detecte la presencia de un sujeto que intente introducir la clave.
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Desarrollo
Por un medio de un PIC16F84A, se elaboro la interfaz del control de acceso que
comunica al PLC por medio de un pulso elctrico para energizar y desenergizar el
actuador, electroimn, y comprobar la clave de acceso.
Teclado_LeeHex: Lee tecla pulsada.
- La tecla leda es almacenada en
RAM mediante direccionamiento
indirecto.
- Apunta a la siguiente posicin de
RAM donde se almacena a la
clave tecleada.
- Visualiza @.
ltimo carcter de
la clave?
Compara cada uno de los
nmeros tecleados y guardados
en RAM con la clave secreta
guardada en ROM.
Coincide lo
tecleado con la
clave secreta?
Abre puerta y visualiza mensaje
Clave CORRECTA!NO abre puerta y visualiza
mensaje Clave INCORRECTA.
Retardo de unos segundos.
Cierra puerta y prepara todo para
la prxima lectura de la clave
secreta.
- Espera deje de pulsar e inicializa
teclado para prxima
exploracin.
- Limpia flag de interrupcin.
ServicioInterrupcin
Retorno de la interrupcin.
SI
NO
SI NO
FinInterrupcin
Fig.3.2 Diagrama de Flujo del Control de Acceso.
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Programacin por MPLABide
;CERRADURA ELECTRONICA ESIME.asm ; Cerradura Electrnica: la salida se activa cuando una clave de varios digitos introducida ;por teclado sea correcta. ; ; Tiene una salida "CerraduraSalida" que, cuando se habilita, activa durante unos segundos ; el electroimn de la cerradura permitiendo la apertura de la puerta: ; - Si (CerraduraSalida) = 1, la puerta se puede abrir. ; - Si (CerraduraSalida) = 0, la puerta no se puede abrir. LIST P=16F84A INCLUDE __CONFIG _CP_OFF & _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _XT_OSC CBLOCK 0x0C ENDC ; La clave puede tener cualquier tamao y su longitud se calcula: #DEFINE LongitudClave (FinClaveSecreta-ClaveSecreta) #DEFINE CerraduraSalida PORTA,3 ; ZONA DE CDIGOS ******************************************************************** ORG 0 goto Inicio ORG 4 goto ServicioInterrupcion Mensajes addwf PCL,F MensajeTeclee DT "INGRESE CLAVE:", 0x00 DT "****************", 0x00 MensajeClaveCorrecta DT "CLAVE CORRECTA", 0x00 DT "****************", 0x00 MensajeAbraPuerta DT "BIENVENIDO PASE", 0x00 DT "****************", 0x00 MensajeClaveIncorrecta DT "CLAVE INCORRECTA", 0x00 DT "****************", 0x00 LeeClaveSecreta addwf PCL,F ClaveSecreta DT 1h,0h,3h,7h ; Ejemplo de clave secreta.
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DT 9h,5h FinClaveSecreta Inicio call LCD_Inicializa bsf STATU
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