Avance Tesis Con Formato
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FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMA SCADA BASADO EN LABVIEW PARA SUPERVISAR DE FORMA REMOTA EL FUNCIONAMIENTO DE PLANTAS FOTOVOLTAICAS Martínez Rozas, Simón Ernesto Rivadeneira Rojas, Jean Paul Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para optar al título de: Ingeniero Civil Industrial en Electrónica
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FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMA SCADA BASADO EN LABVIEW PARA SUPERVISAR DE FORMA REMOTA EL FUNCIONAMIENTO DE PLANTAS
FOTOVOLTAICAS
Martínez Rozas, Simón Ernesto
Rivadeneira Rojas, Jean Paul
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para optar al título de:
Ingeniero Civil Industrial en Electrónica
Profesor Guía: Edward Fuentealba Vidal
Antofagasta, Octubre de 2012
UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTAFACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
IMPLEMENTACION DE SISTEMA SCADA BASADO EN LABVIEW PARA SUPERVISAR DE FORMA REMOTA EL FUNCIONAMIENTO DE PLANTAS
FOTOVOLTAICAS
Martínez Rozas, Simón Ernesto
Rivadeneira Rojas, Jean Paul
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para optar al título de:
Ingeniero Civil Industrial en Electrónica
Profesor Guía: Edward Fuentealba Vidal
Antofagasta, Octubre de 2012
ii
UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTAFACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
IMPLEMENTACION DE SISTEMA SCADA BASADO EN LABVIEW PARA SUPERVISAR DE FORMA REMOTA EL FUNCIONAMIENTO DE PLANTAS
FOTOVOLTAICAS
Martínez Rozas, Simón Ernesto
Rivadeneira Rojas, Jean Paul
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para optar al título de:
Ingeniero Civil Industrial en Electrónica
____________________________
Edward Fuentealba VidalProfesor Guía
____________________________
Jorge Kasaneva ReinosoDirector del Departamento Eléctrica
COMISIÓN EXAMINADORA
____________________________
Jorge Kasaneva Reinoso
____________________________
Juan Carlos Valdevenito Samit
iii
“La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de aplicar los conocimientos en la práctica”
Aristóteles
iv
A mis padres,….
A mi esposa XX e hijo (s),….
v
AGRADECIMIENTOS
A mi familia, por el gran apoyo…
A mi profesor Guía…
A la institución…
Hacer una lista de todos los agradecimientos deseados, como a los compañeros
de estudio, laboratorios, profesores, institución, organismos de financiamiento, etc.
vi
Resumen del trabajo de título presentado a la Universidad de Antofagasta como parte de los requisitos necesarios para la obtención del Título de Ingeniero Civil Industrial en Electrónica
IMPLEMENTACION DE SISTEMA SCADA BASADO EN LABVIEW PARA SUPERVISAR DE FORMA REMOTA EL FUNCIONAMIENTO DE PLANTAS
FOTOVOLTAICAS
Martínez Rozas, Simón Ernesto
Rivadeneira Rojas, Jean Paul
Julio 2012
Profesor Guía: Edward Fuentealba Vidal, Doctor en Ingeniería Eléctrica.
Palabras Clave:
Número de páginas: XXX
Resumen: El presente trabajo aborda el desarrollo y la implantación de un
prototipo de un sistema computacional para la evaluación y mejoría de la
seguridad dinámica on-line, en ambientes computacionales paralelo y
distribuido………….
(Tamaño 12)
vii
ÍNDICE DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS...................................................................................x
LISTA DE TABLAS....................................................................................xi
CAPITULO 2.............................................................................................13
ESTADO DEL ARTE.................................................................................13
Objetivo general...............................................................................13
Objetivos específicos.......................................................................13
3.2.1. Clúster de alto rendimiento.......................................................14
3.2.2. Clúster de alta disponibilidad...................................................15
3.2.3. Clúster de equilibrio de carga...................................................16
3.2.4. Activo-Pasivo.............................................................................16
3.2.5. Activo-Activo..............................................................................17
3.2.6. Raid 0..........................................................................................18
3.2.7. Raid 1..........................................................................................19
3.2.8. Raid 1+0 o raid 10......................................................................20
3.2.9. Raid 5..........................................................................................21
3.2.10. Bittorrent................................................................................23
CAPITULO 3.............................................................................................25
Justificación del problema.....................................................................25
CAPITULO 4.............................................................................................26
Arquitectura de un clúster......................................................................26
2.1 Transmisión a distancia, telecomunicaciones........................29
viii
2.2 Las primeras interfaz hombre-máquina (HMI).........................30
2.3 SCADA........................................................................................33
Capitulo 3.................................................................................................36
DESCRIPCIÓN SISTEMAS SCADA Y SOFTWARE LABVIEW..............36
3.1 EL SISTEMA SCADA..................................................................36
3.1.1 Funciones Principales..........................................................37
3.2 ADQUISICIÓN DE DATOS..........................................................42
3.2.3 Dispositivo DAQ....................................................................43
3.2.4 Función de la PC en un Sistema DAQ.................................45
3.3 Ethernet Industrial.....................................................................45
3.3.1 Protocolos de Red TCP/IP y UDP........................................46
3.3.2 Comparativa entre UDP y TCP.............................................48
3.4 Software LabVIEW.....................................................................49
3.4.1 Programación en G...............................................................50
3.4.2 VENTAJAS DE USAR LABVIEW..........................................51
3.4.3 Aplicaciones de LabVIEW....................................................52
3.4.4 Trabajo en LabVIEW..............................................................52
3.4.5 Tipos de Datos utilizados en LabVIEW...............................54
3.4.6 Tipos de estructura de Ejecución........................................57
3.4.7 Herramientas de comunicación de LabVIEW.....................59
CAPÍTULO 4.............................................................................................63
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS................................................................63
4.1 Energía Fotovoltaica..................................................................63
ix
4.2 Tecnologías Fotovoltaicas........................................................64
4.3 Instalaciones Fotovoltaicas......................................................67
4.3.1 Instalaciones Aisladas..........................................................67
4.3.2 Instalaciones Híbridas..........................................................69
4.3.3 Instalaciones conectadas a la red.......................................70
4.4 Instalaciones Fotovoltaicas Universidad de Antofagasta......73
4.4.1 Plantas SEMDA.....................................................................73
4.4.2 Instalación MESOCOSMO....................................................78
4.4.3 Monitorización.......................................................................80
4.5 Descripción e importancia de parámetros a medir.................67
CAPÍTULO 5.............................................................................................69
CÁLCULOS DE PARAMETROS RELEVANTES PLANTAS
FOTOVOLTAICAS....................................................................................69
5.1 Radiación, Irradiancia e Irradiación.........................................69
5.1.1 Irradiancia..............................................................................70
5.1.2 Irradiación..............................................................................70
5.2 Energía y Potencia Eléctrica.....................................................72
5.3 Rendimiento...............................................................................75
5.3.1 Energía Real..........................................................................75
5.3.2 Energía Ideal..........................................................................75
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................85
x
LISTA DE FIGURAS
xi
LISTA DE TABLAS
xii
SIMBOLOGÍA, ACRONIMOS Y ABREVIACIONES
CDEA: Centro Desarrollo Energético Antofagasta
HMI: Human Machine Interface (Interfaz Hombre Maquina)
LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition
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CAPITULO 2
ESTADO DEL ARTE
3.1 OBJETIVOS
Objetivo general
Diseño de un Clúster de alta disponibilidad de infraestructura para respaldo
de información plataforma Adecca.
Objetivos específicos
Determinar la tecnología computacional que se usara para la arquitectura del
clúster
Determinar los componentes que permitan la implementación de las
características clúster (hardware y software).
Diseño y evaluación del clúster.
Evaluación de costos para futura implementación.
El término clúster se aplica a los conjuntos de computadoras construidos
mediante la utilización de hardware común y que se comportan como si fuese una
única computadora tal que en conjunto funcionen de manera más eficiente que un
solo computador más avanzado.
14
Los clústeres son usualmente empleados para mejorar el rendimiento y/o la
disponibilidad por encima de la que es provista por un solo computador típicamente
siendo más económico que computadores individuales de rapidez, procesamiento
de datos y disponibilidad comparables.
La tecnología clúster permite a las organizaciones incrementar su capacidad
de procesamiento usando tecnología estándar, tanto en componentes de hardware
como de software que pueden adquirirse a un costo relativamente bajo.
Las grandes empresas implementan clúster para distintos tipos de
aplicaciones con el fin de tener una mayor eficiencia a un menor costo dentro
3.2 Tipos de clúster
Existen distintos tipos de clúster entre los que se encuentran
Clúster homogéneos: Tienen la misma configuración de hardware y
sistema operativo
Clúster Semi homogéneo: Poseen diferente rendimiento pero con
arquitecturas y sistemas operativos similares.
Clúster Heterogéneo : Poseen diferente hardware y sistema operativo
3.3 Clasificación de clúster
Los clúster se clasifican según sus cualidades específicas las cuales se
detallan a continuación
3.2.1. Clúster de alto rendimiento
Es un conjunto de ordenadores diseñado para resolver problemas que
necesiten de una gran capacidad de cálculo.
15
Por medio de un clúster se pueden conseguir capacidades de cálculo
superiores a las de un ordenador más caro que el costo en conjunto de los
ordenadores del clúster
Para garantizar esta capacidad de cálculo, los problemas necesitan ser
paralelizadles, ya que el método con el que los clúster agilizan el procesamiento es
dividir el problema en problemas más pequeños y calcularlos en los distintos
nodos, por lo tanto, si el problema no cumple con esta característica, no puede
utilizarse el clúster para su cálculo.
Para que un problema sea paralelizadle se debe hacer uso
de bibliotecas especiales como lo es PVM (parallel virtual machine) o MPI
(Message passage interface), donde la primera es usada especialmente en clúster
con nodos heterogéneos (arquitectura del procesador, sistemas operativo, entre
otras), y pertenecientes a diferentes dominios de red, la segunda biblioteca usada
para clúster homogéneos
3.2.2. Clúster de alta disponibilidad
Un clúster de alta disponibilidad se basa en un conjunto de computadores
diseñados para mantener la prestación de un servicio en todo momento. Esto en
un caso ideal en el cual el sistema estuviera compuesto de componentes perfectos
tanto de software como de hardware lo cual no existe en la realidad por lo que se
espera llegar a un sistema que esté disponible lo más cercano a un 100%
La alta disponibilidad ha sido tradicionalmente un requerimiento exigido a
aquellos sistemas que realizaban misiones críticas. Sin embargo, actualmente, está
siendo cada vez más importante exigir esta disponibilidad en sistemas comerciales
y en áreas académicas donde el objetivo de prestar los servicios en el menor
tiempo posible, es cada vez más perseguido.
16
Nos centraremos en los clústeres de este tipo que utilizan componentes
hardware de forma redundante y software capaz de unir estos componentes y
enmascarar los fallos de manera que los servicios ofrecidos al usuario no sea
interrumpido.
La principal prestación de un sistema de alta disponibilidad es que el fallo
de un nodo derive en que las aplicaciones que se ejecutaban en él sean migradas
a otro nodo del sistema. Este migrado puede ser automático (failover) o manual
(switchover).
Otra aplicación de un clúster de alta disponibilidad es la de respaldo de
información. Se almacena un información en el disco duro del clúster esta se
divide en una gran cantidad de fragmentos repartidos en todos los discos duros de
los computadores que componen el clúster de manera que cada uno de estos
fragmentos está respaldado en los otro disco duro, con tal de que cada fragmento
de información este replicado en otro disco duro y si alguno de estos discos duros
falla se pueda extraer la información faltante de alguno de los otros discos duros
donde está respaldada y el usuario se percate de que un computador fue sacado
del sistema para mantención.
3.2.3. Clúster de equilibrio de carga
Un clúster de equilibrio de carga se basa en balancear la cantidad de
procesos y cálculos que se están realizando dentro de un clúster otorgándole
tareas a los nodos que están siendo menos utilizados con el fin de dividir las tareas
de forma equitativa para procesar la información de una manera más rápida y
eficiente.
Este tipo de clúster es usado principalmente en los servidores de páginas
web con el fin de mantener un servicio estable y que los servidores de este no se
saturen manteniendo la pagina en funcionamiento el mayor tiempo posible.
17
3.4 Posibles Configuraciones
3.2.4. Activo-Pasivo
Las aplicaciones se ejecutan sobre un conjunto de nodos (activos),
mientras los nodos restantes funcionan como respaldo de los nodos activos el
nodo pasivo de respaldo es activado cuando el software que controla el clúster
detecta una falla en el nodo activo. Automáticamente se repara el nodo que estaba
con problemas formateándolo y copiando la información contenida en el nodo que
está activo en estos momentos pasando a ser el nodo pasivo de respaldo el nodo
reciéntemente reparado.
Ilustración 1
3.2.5. Activo-Activo
Todos los nodos actúan como servidores activos de una o más
aplicaciones y potencialmente como respaldo para las aplicaciones que se ejecutan
en otros nodos.
18
Ilustración 2
En cualquier caso, el fallo de un nodo, provoca la migración de las
aplicaciones que ejecutaba, a otro nodo del sistema. Si la migración es automática
se denomina failover, si es manual switchover
3.5 Raid (Redundant Array of Independent Disks)
Un raid combina varios discos duros en una sola unidad lógica. Así, en
lugar de ver varios discos duros diferentes, el sistema operativo ve uno solo. Los
raids suelen usarse en servidores y normalmente (aunque no es necesario) se
implementan con unidades de disco de la misma capacidad. Debido al decremento
en el precio de los discos duros y la mayor disponibilidad de las opciones raid
incluidas en los chipsets de las placas base, los raids se encuentran también como
opción en las computadoras personales más avanzadas
3.6 Niveles raid
19
3.2.6. Raid 0
Consiste en dividir la información entre los discos que forman el raid. La
capacidad total del raid será por lo tanto la suma de las capacidades de cada disco.
Esta solución no proporciona ningún tipo de redundancia, por lo que si un disco
falla perderemos todos los datos almacenados. Con raid 0 se consigue un alto
rendimiento al trabajar en paralelo con todos los discos del raid como se puede
apreciar en la siguiente imagen donde la información total fue dividida y distribuida
en todos los discos duros que componen el clúster.
Ilustración 3
3.2.7. Raid 1
Consiste en asociar a cada disco primario del raid un segundo disco
espejo, en el que se duplica la información. Si el disco primario falla el espejo
continúa trabajando. Una vez sustituido el disco averiado, los datos se
reconstruyen al 100%. En escritura se pierden prestaciones, al tener que escribir la
misma información simultáneamente en dos discos. Por ello, en ocasiones, se
utiliza la duplicación de controladoras del disco además de la duplicación de los
discos. Dicho recurso resulta caro, ya que requiere instalar en el raid el doble de la
capacidad requerida. Por lo que su uso se limita a brindar una mayor seguridad al
estar respaldando la información.
20
Una de las ventajas de este nivel raid es que si un disco fallara el software
que tiene incorporado el clúster activa inmediatamente el disco espejo de respaldo
que a su vez repara el disco que tiene problemas formateándolo y reescribiendo la
información que tiene almacenada el disco espejo que está en uso actualmente y el
disco que estaba en uso en primer lugar pasa a ser el nuevo disco espejo de
respaldo.
Ilustración 4
3.2.8. Raid 1+0 o raid 10
Es una configuración de espejos replicados, se necesitan un minino de 4
computadores en donde cada disco duro está dividida la información y a la vez está
respaldado con un computador en espejo. Pueden fallar todos los discos salvo los
que están de respaldo. Sin embargo, si los discos que han fallado no se
reemplazan, el restante pasa a ser un punto único de fallo para todo el conjunto. Si
ese disco falla entonces, se perderán todos los datos del conjunto completo
21
Ilustración 5
3.2.9. Raid 5
La principal característica de esta distribución de discos es que optimiza la
capacidad del sistema, permitiendo que se aproveche hasta el 80% de la
capacidad del conjunto de discos.
El raid 5 es, tal vez, el sistema más popular debido a que es el más eficaz.
Ofrece una buena tolerancia a fallos y una buena relación rendimiento-coste,
gracias a la combinación del fraccionamiento de datos y la paridad como método
para recuperar los datos en caso de fallo.
La información se graba por bloques distribuidos también a lo largo de los
discos del conjunto y de forma alternativa de forma que, si un disco falla, es posible
recuperar los datos en tiempo real, mediante una operación lógica.
22
Ilustración 6
El raid 5 aplica la paridad para la recuperación de datos es decir que cada
disco duro tiene un bloque destinado a la paridad el cual realiza una operación
lógica asignando valores a cada uno de bloques que componen un disco duro, en
caso de que falle alguno de estos bloques el bloque destinado a la paridad realiza
la operación lógica necesaria para calcular el valor del bloque dañado.
A continuación se presenta un ejemplo de cómo la paridad realiza una
operación lógica para calcular el valor del bloque dañado donde se le asigna un
valor a cada uno de estos bloques W, X, Y, Z respectivamente, se realiza la
operación de calcular el valor del bloque dañado al cual fue asignado con la letra A
pudiendo así recuperar el bloque dañado
W + X + Y + Z = PARIDAD
1 + 2 + 3 + 4 = 10
1 + 2 + A + 4 = 10
A = 10 - 1 - 2 - 4
A = 3
23
3.7 Almacenamiento distribuido
Un almacenamiento distribuido se refiere a cuando la información esta
almacenada en distintos equipos o servidores estos pueden estar presentes en una
misma sala u oficina o distribuidos alrededor del mundo por medio del internet.
3.2.10. Bittorrent
Es conocido como un peer-to-peer (P2P), es decir, protocolo de
intercambio de archivos diseñado para reducir el ancho de banda necesario para
así transferir archivos. Esto se hace mediante la distribución de las transferencias
de archivos a través de múltiples sistemas, lo cual reduce el ancho de banda medio
utilizado por cada equipo.
Bittorrent es un ejemplo de clúster de alta disponibilidad de infraestructura
el cual es utilizado para almacenar información de manera distribuida en todos los
clientes que descargan cierto archivo. Por ejemplo, si un usuario inicia la descarga
de un archivo (pueden ser películas, programas, música), el sistema BitTorrent
localizará en varios equipos el mismo archivo y comenzará a descargar ese archivo
desde los diferentes ordenadores donde lo ha encontrado a la vez. Como la
mayoría de los ISP (proveedor de servicios de internet). Ofrecen velocidades de
descarga mucho más rápidas que las velocidades de carga, descargar el archivo
buscado desde múltiples ordenadores puede aumentar significativamente la tasa
de transferencia de archivos.
3.2.11. Software
Un sistema operativo debe ser multiproceso y multiusuario. Otras
características deseables son la facilidad de uso y acceso. Un sistema operativo es
un programa o conjunto de programas de computadora destinado a permitir una
gestión eficaz de sus recursos. Comienza a trabajar cuando se enciende el
24
computador, y gestiona el hardware de la máquina desde los niveles más básicos,
permitiendo también la interacción con el usuario.
La función del software dentro del clúster es la de comunicar el servidor
con los clientes. El servidor tiene un papel pasivo puesto que este está la espera de
las peticiones que puedan tener por parte de los nodos clientes además de
proporcionar una serie de servicios entre los que se encuentran.
Realizan una recurrente revisión de los clientes verificando el
correcto funcionamiento de cada uno de ellos
En caso de falla de alguno de los clientes el servidor traslada los
procesos que se estaban realizando en el cliente dañado hacia los
demás clientes del clúster
Cuando se daña un disco duro de alguno de los clientes este
inmediatamente ordena la reparación de este nodo mientras se
utiliza la información de este mismo cliente que está fragmentada y
respaldada en los demás discos duros de los demás clientes
Algunos sistemas operativos para montar un clúster de alta disponibilidad
de infraestructura se encuentran a continuación.
GNU/Linux
Rocks CentOS
Unix: Solaris/HP-Ux/Aix
Windows NT/2000/2003 server
Mac OS X
3.2.12. Justificacion del problema
La plataforma Adecca es una plataforma en la cual profesores y alumnos
comparten información como lo son guías de ejercicios, material bibliográfico
25
además donde se suben las notas de las evaluaciones pertinentes a cada
asignatura.
Durante el segundo semestre del año 2010 esta plataforma tuvo un grave
problema en uno de los discos duros del servidor que tenía un nivel raid 0 lo que
ocasiono que esta estuviera alrededor de 1 mes fuera de funcionamiento
perdiéndose además información vital de una gran cantidad de asignaturas que
estaban respaldadas en esta plataforma.
Para lo cual este trabajo de titulo se enfoca en el diseño de un clúster de
alta disponibilidad de infraestructura para el respaldo de información de esta
plataforma con el fin de que un hecho como el descrito anteriormente no vuelva a
ocurrir puesto que este clúster entrega un mayor nivel de seguridad a la hora de
respaldar la información además de encontrarse toda la tecnología computacional
necesaria para construir un clúster dentro del departamento de ingeniería Eléctrica
lo cual significa una solución económica para el problema planteado .
26
CAPITULO 3
Arquitectura de un clúster
Se define como arquitectura de un clúster a toda tecnología computacional
utilizada en la construcción de uno de estos.
3.8 Componentes de un clúster
3.2.13. Nodos
En la informática o la computación Pasan a ser un punto de intersección,
conexión o unión de varios elementos encapsulados o distribuidos físicamente
Pueden ser simples ordenadores, sistemas multiprocesador o estaciones de trabajo
(workstations).
3.2.14. Interconexión de redes
El objetivo de la Interconexión de Redes es dar
un servicio de comunicación de datos que involucre diversas redes con diferentes
tecnologías de forma transparente para el usuario. Este concepto hace que las
cuestiones técnicas particulares de cada red puedan ser ignoradas al diseñar las
aplicaciones que utilizarán los usuarios de los servicios.
Los dispositivos de interconexión de redes sirven para superar las
limitaciones físicas de los elementos básicos de una red, extendiendo las
topologías de esta.
27
Algunas de las ventajas que plantea la interconexión de redes de datos,
son:
Compartir recursos dispersos.
Coordinación de tareas de diversos grupos de trabajo.
Reducción de costos, al utilizar recursos de otras redes.
Aumento de la cobertura geográfica.
Se pueden distinguir dos tipos de interconexión de redes, dependiendo del ámbito
de aplicación:
Interconexión de Área Local
Conecta redes que estén geográficamente cerca como las que se producen en un
laboratorio, edificio, empresa o universidad.
Interconexión de Área Extensa
Conecta redes que se encuentran geográficamente dispersas como pueden ser
ciudades países o continentes dando vida a la red WAN (wide area network)
3.2.15. Switch
Es un dispositivo digital lógico de interconexión de redes de computadoras.
Su función es interconectar dos o más segmentos de red, de manera similar a
los puentes de red, pasando datos de un segmento a otro de acuerdo con
la dirección Mac de destino de las tramas en la red.
Los conmutadores se utilizan cuando se desea conectar múltiples redes,
fusionándolas en una sola. Al igual que los puentes, dado que funcionan como un
filtro en la red, mejoran el rendimiento y la seguridad de las redes de área local.
28
3.2.16. Tarjeta de red
Las tarjetas de red también denominadas adaptadores de red, tarjetas de
interfaz de red o NIC actúan como la interfaz entre un computador y el cable de
red. La función de la tarjeta de red es la de preparar, enviar y controlar los datos en
la red.
Por lo general, una tarjeta de red posee dos luces indicadoras (LED):
La luz verde corresponde a la alimentación eléctrica;
La luz naranja (10 Mb/s) o roja (100 Mb/s) indica actividad en la red (envío o
recepción de datos). Para preparar los datos que se deben enviar, la tarjeta de
red utiliza un transceptor, que transforma a su vez los datos paralelos en datos
en serie. Cada tarjeta posee una dirección única denominada dirección MAC,
asignada por el fabricante de la tarjeta, lo que la diferencia de las demás tarjetas
de red del mundo.
3.2.17. Disco Duro
Un disco duro o disco rígido (en inglés Hard Disk Drive, HDD) es
un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil que emplea un sistema
de grabación magnética para almacenar datos digitales. Se compone de uno o
más platos o discos rígidos, unidos por un mismo eje que gira a gran velocidad
dentro de una caja metálica sellada. Sobre cada plato, y en cada una de sus caras,
se sitúa un cabezal de lectura/escritura que flota sobre una delgada lámina de aire
generada por la rotación de los discos. Existen varios tipos de conexión de discos
duros dentro de los cuales se destacan IDE, SATA, SCSI y SAS entre otros siendo
el más utilizado la conexión SATA
29
3.2.18. Memoria Ram
RAM son las siglas de random access memory, un tipo de memoria de ordenador a
la que se puede acceder aleatoriamente; es decir, se puede acceder a cualquier
byte de memoria sin acceder a los bytes precedentes. La memoria RAM es el tipo
de memoria más común en ordenadores y otros dispositivos como impresoras.
Hay dos tipos básicos de memoria RAM
RAM dinámica (DRAM)
RAM estática (SRAM)
Los dos tipos de memoria RAM se diferencian en la tecnología que utilizan para
guardar los datos, la meoria RAM dinámica es la más común.
La memoria RAM dinámica necesita actualizarse miles de veces por segundo,
mientras que la memoria RAM estática no necesita actualizarse, por lo que es más
rápida, aunque también más cara. Ambos tipos de memoria RAM son volátiles, es
decir, que pierden su contenido cuando se apaga el equipo.
3.2.19. Conmutador de 4 puertos USB
Permite controlar simultáneamente 4 ordenadores utilizando un solo teclado y
ratón. La consola de control, que consta de un teclado USB, un ratón USB y un
monitor, resulta extremadamente fácil de utilizar y ocupa muy poco espacio.
Todos los conmutadores KVM disponen de un microprocesador de emulación
avanzado para administrar inteligentemente cada puerto KVM. Esto permite iniciar
todos los ordenadores conectados con independencia de la conexión de la consola.
30
El dispositivo DKVM-4U incorpora alimentación USB, de modo que no es necesario
recurrir a una fuente de alimentación tradicional
3.9 Infraestructura disponible
Para crear nuestro clúster de alta disponibilidad de infraestructura para respaldo
de información de la plataforma adecca se utilizan solo componentes y equipos
reutilizados que se encuentran presentes en las dependencias del departamento de
ingeniería Eléctrica de la Universidad de Antofagasta los cuales se detallan a
continuación
3.2.20. Computadores Intel Pentium 4
Ilustración 7
31
Se utilizan 4 computadores Intel Pentium 4 con 512 MB de memoria Ram,
procesador Intel Pentium 4 2.80 GHZ y con 38.2 GB de disco duro con Windows Xp
profesional service pack 3 y una tarjeta de red D-link los cuales serán los nodos
que se utilizaran en el clúster
3.2.21. Computador Intel Pentium 4
Ilustración 8
Se utiliza un computador Intel Pentium 4 con 2 tarjetas de red D-link, 2 memorias
RAM de 1 GB, 1 disco duro de 500 GB y 1 disco duro de 250 GB el cual será
utilizado como servidor principal el cual debe tener una mayor capacidad que los
computadores que son utilizados como nodos esclavos además de contar con 2
tarjetas de red instaladas 1 que se comunicara con internet y la segunda que se
comunicara con los nodos del clúster
32
3.2.22. Conmutador 4-port kvm switch
Se utiliza un conmutador el cual tiene la facultar de poder visualizar y
controlar 4 computadores utilizando un solo monitor logrando reducir en espacio las
dimensiones del clúster que se espera construir, se puede apreciar que este
conmutador utiliza un kit de cables los cuales van conectados a cada uno de los
computadores del cluster estos cables son los de teclado, mouse y puerto VGA. En
la siguiente imagen se puede tener una vista superior del equipo a utilizar
Ilustración 9
Los puertos de entrada VGA, mouse y teclado donde va conectado el
computador principal se pueden observar en la siguiente imagen
33
Ilustración 10
Los puertos de entrada de los nodos que componen el clúster se pueden
apreciar a continuación
Ilustración 11
En la siguiente imagen se aprecia la conexión utilizada por el conmutador para
poder visualizar los 4 computadores que conforman los nodos, cada nodo está
conectado al conmutador por medio de un kit de cables que van al mouse, al
teclado y al monitor de cada nodo todo esto con el fin de reducir espacio al tener
que utilizar un solo monitor para todo el clúster en vez de un monitor por cada nodo
además del computador central conformando un total de 5 monitores.
34
Ilustración 12
3.2.23. Switch
Se utiliza un switch para poder comunicar los 4 nodos del clúster con el
computador principal como el apreciado en la imagen anterior este switch tiene la
capacidad de almacenar la dirección MAC de cada uno de los nodos que
conforman el clúster en cuestión
35
Ilustración 13
3.10 Montaje del clúster
La información total de adecca a respaldar está estimada en unos 50 GB y
como cada computador que compone nuestro clúster tiene un disco duro de 38.2
GB, como se utiliza un nivel raid 5 puesto que optimiza la capacidad de
almacenamiento, tiene tolerancia a fallos y presenta datos fraccionado el cual tiene
una relación N-1 de capacidad total de disco duro. Para dar una mejor explicación
de esto se da un ejemplo presente en la siguiente imagen de una calculadora raid
que está presente en la página web donde se comparan los niveles raid 10 con el
raid 5 utilizando 4 nodos con discos duros de 500 GB de capacidad
36
Ilustración 14
Se puede apreciar que teniendo 4 nodos con una capacidad de 500 GB de
disco duro cada uno el nivel raid 10 tiene tiene la mitad de su capacidad total
disponible para almacenamiento de datos y la otra mitad que es utilizada para
protección o respaldo de datos.
En cambio el nivel raid 10 tiene tres cuartas partes de espacio disponible
para almacenamiento de datos situándonos en la capacidad de 38.2 GB que tiene
cada uno de los computadores que se utilizan en la construcción del cluster
tendríamos un espacio disponible para respaldo de datos de 114.2 GB lo que
supera con creces la capacidad total de la plata forma adecca que se desea
respaldar.
El clúster es montado utilizando 4 computadores Pentium 4 que serán los
nodos esclavos, un computador de más capacidad también Pentium 4 que es el
nodo maestro que además cuenta con 2 tarjetas de red, todos estos conectados y
logrando comunicarse entre sí utilizando un kit de cables de red los cuales van
conectados a un switch como el que se presenta a continuación.
37
Ilustración 15
Para lograr utilizar un solo monitor, visualizar y manipular todos los nodos
pertenecientes al clúster se implementa un conmutador 4-PORT KVM SWITCH el
cual es conectado a cada uno de los nodos por medio de un kit de cables que van
conectados al teclado, el mouse y el monitor de cada uno de estos con el fin de
reducir espacio y tiempo como se aprecia en el siguiente esquema
38
Ilustración 16
Se utiliza un nivel raid 5 puesto que este tiene una mayor tolerancia a
fallos, optimiza capacidad de almacenamiento y tiene datos fraccionados lo que
otorga a nuestro clúster una mayor mayor seguridad para tener un buen respaldo
de la información que se desea respaldar y tener una mayor seguridad de que no
se perderá información como ocurrió en ocasiones anteriores.
39
Alrededor de los años sesenta la tendencia en automatización se
focalizaba en que cada fabricante debía resolver sus problemas de control por sí
solo. Quien se encontraba ante un problema de automatización desarrollaba un
elemento electrónico específico para solventarlo. Una memoria reducida era lo
normal en estos elementos, por lo cual necesitaban comunicarse constantemente
con sus sistemas de control centrales para enviar los datos. Incluían una serie de
entradas y salidas fijas y utilizaban generalmente lenguajes de programación poco
conocidos.
40
Los años setenta ven aparecer una nueva generación de autómatas de la
mano de fabricantes de equipos eléctricos como Siemens, Square-D, o Allen-
Bradley. Implementaron autómatas capaces de controlar grandes cantidades de
entradas y salidas, ideales para industrias tales como la automoción. No se trataba
de entornos amigables, por lo cual estos controles estaban diseñados para soportar
las condiciones más severas y, por tanto, eran grandes, pesados y muy costosos.
Otra de las consecuencias de la evolución de la electrónica fue la reducción
de los componentes, lo que permitió realizar una disminución progresiva de
tamaño, peso y coste en todos los niveles industriales de control.
Resultado de esto fue la introducción del micro PLC, en los años ochenta.
Permitían realizar controles modulares que se adaptaban a las necesidades del
momento y venían provistos ahora de sistemas de programación genéricos (ladder
o escalera), lo que les deparó un éxito inmediato en todo el ámbito industrial.
De una forma u otra, cada vez que se ha realizado el control de un sistema,
grande o pequeño, ha sido necesario tener información visual de cómo está
funcionando. Así, a medida que los sistemas de control han ido evolucionando y se
han hecho cada vez más complejos, ha aumento también la complejidad de los
elementos que proporcionan la información al usuario.
De un simple indicador de aguja, que representa una variable del proceso
(por ejemplo: la presión de aire de una instalación neumática), se ha llegado a
grandes paneles sinópticos que muestran el estado de grandes instalaciones (por
ejemplo: una refinería).
Si nos ceñimos a la era moderna, las necesidades de ver a la distancia y
controlar una máquina, motiva la aparición de los primeros cuadros de control,
donde una multitud de luces indicaban las diferentes situaciones previstas de la
máquina. Cualquier situación imprevista o pasada por alto, podía significar varias
41
horas de trabajo de electricistas para llevar la señal olvidada al panel de control y
podía ser que no hubiera espacio para colocar el indicador.
La aparición de la informática permitió realizar este tipo de control de
manera más sencilla. Ahora ya no seria necesario tener a verdaderos expertos en
sistemas de automatización cada vez que hiciera falta cambiar el ajuste de un
temporizador en un sistema de control.
Los grandes cuadros de control empezaban a convertirse en monitores que
podían mostrar la misma información. Pero cualquier cambio en la presentación era
más sencillo de realizar. Bastaban unas modificaciones en el código de la
aplicación para que en la pantalla aparecieran, por ejemplo, un contador de piezas
olvidado en el momento de revisar el diseño del ejemplo anterior.
2.1 Transmisión a distancia, telecomunicaciones
A lo explicado anteriormente se le une, de forma inevitable, la forma en la
cual las señales se intercambian entre el sistema a controlar y el sistema que
controla. Para llevar a cabo este intercambio de información se hace uso de las
telecomunicaciones.
Las telecomunicaciones comienzan en la primera mitad del siglo XIX con el
ferrocarril y el telégrafo. Para realizar el tráfico ferroviario se avisaban entre
estaciones de las salidas y llegadas de los trenes, pues solo se tendía una línea.
Más tarde se desarrollo el teléfono, con el que fue posible comunicarse
utilizando la voz y permitió extender las líneas de transmisión a los pueblos y a las
ciudades. El aumento de la demanda impulso la creación de otro método de
transmisión y entonces apareció la transmisión por medio de ondas de radio o de
microondas.
42
A principios del siglo XX aparece el teletipo que, utilizando el código
Baudot, permitía enviar texto en algo parecido a una máquina de escribir y también
recibir texto, que era impreso por tipos movidos por relés. El siguiente artefacto
revolucionario en las telecomunicaciones fue el módem que hizo posible la
transmisión de datos entre computadoras y otros dispositivos. En los años 60
comienza a ser utilizada la telecomunicación en el campo de la informática con el
uso de satélites de comunicación y las redes de conmutación de paquetes. La
década siguiente se caracterizó por la aparición de las redes de computadoras y
los protocolos y arquitecturas que servirían de base para las telecomunicaciones
modernas (en estos años aparece la ARPANET, actualmente conocido como
Ethernet, que dio origen a la Internet). También en estos años comienza el auge de
la normalización de las redes de datos: el CCITT (Consultative Committee for
International Telegraphy and Telephony) trabaja en la normalización de las redes
de conmutación de circuitos y de conmutación de paquetes y la ISO (International
Standard Organization) crea el modelo OSI (Open Systems InterConnect)para
resolver los problemas de compatibilidad de conexión y para que se comprendan
entre sí los diferente equipos que integran la red, representada por 7 capas o
niveles, con funciones perfectamente definida para cada una. A finales de los años
setenta aparecen las redes de área local o LAN.
En los años 1980, cuando los ordenadores personales se volvieron
populares, aparecen las redes digitales. En la última década del siglo XX aparece
Internet, que se expandió enormemente, ayudada por la expansión de la fibra
óptica; y a principios del siglo XXI se están viviendo los comienzos de la
interconexión total a la que convergen las telecomunicaciones, a través de todo tipo
de dispositivos que son cada vez más rápidos, más compactos, más poderosos y
multifuncionales, y también de nuevas tecnologías de comunicación como las redes
inalámbricas.
43
2.2 Las primeras interfaz hombre-máquina (HMI)
Hasta el momento se ha dado a conocer la necesidad de los sistemas de
visualización, y como podemos transmitir los datos requeridos desde el proceso a
un centro de control o monitoreo a distancia haciendo uso de una forma de
telecomunicación, específicamente la telemetría. La necesidad queda solventada
con la implementación de un entorno visual que nos permitirá presentar los datos
de forma inteligible al operador, proporcionando la base para el desarrollo de un
sistema de control y monitorización a distancia, mediante una interfaz grafica
denominada HMI (Human Machine Interface).
La historia de las primeras HMI nace con la invención del tubo de rayos
catódicos, CRT (Cathode Ray Tube), unida a la del teclado, sustituyo a las
máquinas de escribir, teletipos y tarjetas perforadas. Como se ha visto, la
distribución típica de las tarjetas perforadas, utilizadas en los primeros sistemas de
cálculo automatizados, era de 80 columnas de 25 líneas cada una. Más tarde se
amplió el juego de caracteres ASCII para incluir caracteres gráficos. Los lenguajes
de programación grafica iniciales se fueron adaptando a las nuevas posibilidades
que ofrecía la técnica. Por ejemplo, permitieron cambiar los colores de cada celda
de las 2.000 presentes en una pantalla de ordenador, casualmente, 80x25.
Los primeros paquetes de software para el control de adquisición de datos,
SCADA, como Genesis (Iconics), utilizaban las capacidades graficas del lenguaje
BASIC sobre la parrilla de 80x25 celdas.
El primer impedimento apareció cuando se pretendió superar la barrera de
los 640 Kb. La estructura inicial de memoria de los primeros ordenadores
personales, basados en la CPU (Central Processing Unit) 8088 de Intel, se había
fijado en 1 Mb pero se creyó que era demasiado grande por lo que IBM dividió la
memoria, empezando desde arriba en 4 grupos:
44
128 Kb para las instrucciones de la memoria ROM (Read Only Memory)
128 Kb para dirección de dispositivos.
128 Kb para adaptador de video VGA.
640 Kb para los programas de usuario.
En los años noventa la compañía Phar Lap encontró la manera de
solventar la manera mediante suplementos de memoria (Base, extendida,
expandida, etc.).
El siguiente avance vino con el sistema operativo Windows en los años
ochenta y la aceptación por parte del gran público del sistema operativo de esta
nueva herramienta con la versión 3.11.
En esa época los principales desarrolladores de sistemas de interfaz
grafica eran Cimplicity e Intellution:
Cimplicity fue el encargado original que se hizo para el gobierno
estadounidense. Se basaba en DOS y era muy complicado de utilizar.
Intellution se basaba también en DOS, con los gráficos del programa Dr.
Halo, mucho más sencillo de manejar, como el programa SCADA Mitor, que
utiliza las imágenes con formato del editor de gráficos Dr. Halo.
Desde hacia tiempo una compañía llamada Wonderware utilizaba Windows
para trabajar con un paquete de visualización llamado InTouch, cuya primera
versión apareció en 1989. Al estar basado en Windows era sencillo de documentar
y los procesos se podían representar de manera grafica, más fácil y segura de
interpretar, muchos más que obtener una serie de líneas de texto (DOS). Esta
compañía fue la primera en cumplir con las exigencias de las agencias estatales
estadounidenses. Incluso hoy día hay compañías de seguros y empresas de
estados unidos que recomiendan el uso de este paquete de software. Debemos de
45
tener en cuenta que actualmente los grandes fabricantes de sistemas HMI ofrecen
prestaciones similares.
Con la entrada de técnicas de intercambio de información entre
aplicaciones, como DDE (Dynamics Data Exchange, intercambio dinámico de
datos), se simplifico en gran medida el desarrollo de software. En los años ochenta
todo el mundo tenía sus propios desarrollos de software, por su puesto
incompatible con el resto.
Con el auge de Windows también recibió un impulso el desarrollo de
utilidades para comunicarse con aplicaciones que funcionaban con este sistema
operativo (drivers o controladores). A partir de entonces todos los fabricantes
empezaron a tomar a Windows y a DDE como el medio para unir todas las piezas.
A mediados de los noventa aparece una versión de Visual Basic que
permite crear con gran facilidad, controles gráficos e interfaces de usuario gracias a
utilidades ya definidas. Colocar un botón en pantalla era simplemente eso, picar y
arrastrar el botón, ya confeccionado, hasta el lugar deseado.
Vista la importancia de los sistemas de visualización, varios fabricantes
desarrollaron entonces paquetes de software capaces de comunicarse con los
sistemas de control existentes y permitieron así una flexibilidad de uso no
imaginada hasta el momento. Todo lo mencionado anteriormente converge en los
denominados sistemas SCADA.
2.3 SCADA
Los primeros SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) eran
simplemente sistemas de telemetría que proporcionaban informes periódicos de las
condiciones de campo vigilando las señales que representaban medidas y/o
46
condiciones de estado en ubicaciones de campo remotas. Estos sistemas ofrecían
capacidades muy simples de monitorización y control.
Los sistemas automatizados SCADA fueron modificados con programas de
aplicación específicos para atender a requisitos de algún proyecto particular. Hoy,
los proveedores de SCADA están diseñando sistemas pensados para resolver las
necesidades de distintas industrias con módulos de software específicos. Se puede
encontrar software SCADA comercialmente disponible adaptado para
procesamiento de papel y celulosa, oleoductos y gaseoductos, plantas generadoras
de electricidad, etc.
En la industria hay una multitud de SCADA funcionando tanto para la
supervisión y el control de un pequeño proceso de fabricación como para plantas,
enteras. Hay muchas empresas distribuidoras de sistemas SCADA, a menudo son
proveedores de PLC, que realizan el SCADA que pueda comunicar con sus
productos. Algunos de los más conocidos son:
GE Intelligent Platforms IFIX
Omron CX-SUPERVISOR
Siemens WinCC
Rockwell Automation RSView32
Wonderware InTouch
GE Intelligent Platforms Cimplicity
Schneider Electric VijeoCitect
En el transcurso de la historia se ha detectado la necesidad de contar con
un medio que nos permita monitorear y controlar diferentes magnitudes de un
proceso de manera remota, es aquí donde aparecen los sistemas de visualización.
47
Estos sistemas nos permitirán controlar, monitorear, registrar y almacenar datos de
un proceso para un análisis posterior.
Las variables monitoreadas son obtenidas a través de un sistema de
adquisición de datos, el cual se encuentra en directo contacto con el proceso
tomando valores de las distintas variables que se desean analizar.
Para poder realizar el intercambio de información desde el proceso a
nuestro centro de control se requiere hacer uso de las telecomunicaciones. La
evolución de las telecomunicaciones nos permite transmitir a distancia información
sobre algún tipo de magnitud, enlazando el proceso con el centro de control, una
de las formas de telecomunicación mas utilizada dentro de un sistema de
visualización es la telemetría, que nos permitirá transmitir a distancia información
sobre algún tipo de magnitud.
Integrando lo anterior en un software especializado, obtendremos una
interfaz intuitiva que muestre el estado del proceso, con una representación gráfica
y dinámica de los elementos que la componen.
Actualmente se ha detectado una necesidad similar a las planteadas
anteriormente en los procesos industriales, específicamente la monitorización de
las variables que intervienen en el proceso de producción energética de una planta
fotovoltaica, tales como: variables eléctricas y ambientales.
El proyecto que se desarrollara en los capítulos siguientes, nace de la
necesidad de contar con una plataforma de trabajo de bajo costo que entregue
datos de forma estandarizada de las plantas fotovoltaicas que se monitorearan,
esto se llevara a cabo implementando un sistema SCADA que cuente con un bus
de datos que se ajuste a la infraestructura existente en el entorno del proyecto. El
sistema SCADA permitirá contar con una base de datos históricos para análisis
futuro e integrar distintas plantas fotovoltaicas en una plataforma única.
48
Para realizar la implementación del SCADA de este proyecto, se utiliza el
software LabVIEW, ya que cuenta con un lenguaje de programación sencillo,
totalmente gráfico, lo cual facilita el entendimiento y manejo de dicho lenguaje para
el diseñador y programador de aplicaciones. Este software posee distintos medios
de comunicación estándar, que permitirán realizar el enlace con el proceso según
la necesidad, tales como: PCI, PXI, GPIB, USB, Ethernet.
Capitulo 3
DESCRIPCIÓN SISTEMAS SCADA Y SOFTWARE LABVIEW
En este capítulo se enuncian algunos conceptos básicos relacionados a los
sistemas SCADA, con el propósito de clarificar de que trata la filosofía en que se
basa y sobre la cual se asienta el desarrollo del proyecto. Se busca dar una visión
general de la definición de sistema SCADA, como se estructura, cuáles son sus
componentes y cuál es su objetivo.
Además se describen los elementos que componen el sistema del proyecto
a implementar, como el sistema de adquisición, la red de comunicación y el
software que permite la creación de la interfaz hombre maquina (HMI).
3.1 EL SISTEMA SCADA
SCADA proviene de las siglas Supervisory Control And Data Adquisition (o
en español, Control con Supervisión y Adquisición de Datos). Se trata de una
aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre computadoras,
49
permite el acceso a datos remotos de un proceso y a su vez, utilizando las
herramientas de comunicación necesarias en cada caso, el control del mismo.
Atendiendo a la definición vemos que no se trata de un sistema de control,
sino de una utilidad software de monitorización o supervisión, que realiza la tarea
de interfaz entre los niveles de control y los de gestión en un nivel superior.
Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se
necesite, se denomina en general sistema SCADA.
En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa
tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control
de procesos. La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN.
Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al
operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.
Para sacar el máximo provecho a la instalación de estos sistemas, se
necesita cumplir con los siguientes objetivos [1]:
Funcionalidad completa de manejo y visualización en sistema operativo
Windows sobre cualquier PC estándar.
Arquitectura abierta que permita combinaciones con aplicaciones estándar y de
usuario, que permita a los integradores crear soluciones de mando y
supervisión optimizadas.
Sencillez de instalación, sin exigencias de hardware elevadas, fáciles de
utilizar, y con interfaces amigables con el usuario.
Permitir la integración con las herramientas ofimáticas y de producción.
Fácilmente configurable y escalable, debe ser capaz de crecer o adaptarse
según las necesidades cambiantes de la empresa.
3.1.1 Funciones Principales
50
Los sistemas SCADA, comprenden toda una serie de funciones y utilidades
encaminadas a establecer una comunicación lo más clara posible entre el proceso
y el operador, como se muestra en la figura 3.1.
Fig. 3.1 HMI de monitoreo y control de una Planta de Filtrado (www.simagetechnologies.com).
Entre las funciones principales de un sistema SCADA destacan [2]:
Monitorización
Representación de datos en tiempo real a los operadores de planta. Se leen
los datos de los autómatas (temperaturas, velocidades, detectores…).
Supervisión
Supervisión, mando y adquisición de datos de un proceso y herramientas de
gestión para la toma de decisiones (mantenimiento predictivo, por ejemplo).
Tienen además la capacidad de ejecutar programas que puedan supervisar
y modificar el control establecido y, bajo ciertas condiciones, anular o
51
modificar tareas asociadas a los autómatas. Evita una continua supervisión
humana.
Adquisición de datos
Un sistema de captación solar se puede observar mediante herramientas
registradoras y obtener así un valor medio de la irradiación en la zona,
guardando los valores obtenidos y evaluándolos a posterioridad.
Visualización de alarmas y eventos
Reconocimiento de eventos excepcionales acontecidos en la planta y su
inmediata puesta en conocimiento de los operarios para efectuar las
acciones correctoras pertinentes.
Mando
Posibilidad de que los operadores puedan cambiar consignas u otros datos
claves del proceso directamente desde el ordenador (marcha, paro,
modificación de parámetros…).
Grabación de acciones o fórmulas
Se refiere a la posibilidad de programar subprogramas que brinden
automáticamente reportes, estadísticas, gráfica de curvas, activación de
tareas automáticas, etc.
Seguridad de los datos
Tanto el envío como la recepción de datos deben de estar suficientemente
protegidos de influencias no deseadas, intencionadas o no (fallos en la
programación, intrusos, situaciones inesperadas, etc.).
Seguridad en los accesos
Restringiendo zonas de programa comprometidas a usuarios no autorizados,
registrando todos los accesos y acciones llevadas a cabo por cualquier
operador.
Programación numérica
Sistema de proceso
Sistema de almacenamiento
ACTUADOR
SENSOR
SISTEMA
VISUALIZACIÓN
CONTROL
USUARIO
52
Permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del
ordenador (lenguajes de alto nivel, C y Visual Basic, generalmente).
3.1.2 ARQUITECTURA DE UN SISTEMA SCADA
Las primeras incursiones en el campo de la automatización localizaban
todo el control en el PC y tendían progresivamente a la distribución del control en
planta. De esta manera, el sistema queda dividido en tres bloques principales [3]:
Software de adquisición de datos y control (SCADA).
Sistemas de adquisición y mando (sensores y actuadores)
Sistemas de interconexión (comunicaciones).
Fig. 3.2 Estructura básica de un sistema de supervisión y mando.
El usuario, mediante herramientas de visualización y control, tiene acceso
al Sistema de Control de Proceso, generalmente un ordenador donde reside la
aplicación de control y supervisión (se trata de un sistema servidor). La
comunicación entre estos dos sistemas se suele realizar a través de redes de
comunicaciones corporativas (Ethernet).
El sistema de Proceso capta el estado del Sistema a través de los
elementos sensores e informa al usuario a través de las herramientas HMI.
53
Basándose en los comandos ejecutados por el Usuario, el Sistema de
Proceso inicia las acciones pertinentes para mantener el control del Sistema a
través de los elementos actuadores.
La transmisión de los datos entre el Sistema de Proceso y los elementos de
campo (sensores y actuadores) se lleva a cabo mediante los denominados buses
de campo.
La tendencia actual es englobar los sistemas de comunicación en una base
común, como Ethernet Industrial.
Toda la información generada durante la ejecución de las tareas de
supervisión y control se almacena para disponer de los datos a futuro.
Mediante el software de adquisición de datos y control, el mundo de las
máquinas se integra directamente en la red empresarial, pasando a formar parte de
los elementos que permiten crear estrategias de empresa globales.
Un sistema SCADA es una aplicación de software especialmente diseñada
para funcionar sobre ordenadores en el control de producción que proporciona
comunicación entre los dispositivos de campo, llamados también RTU (Remote
Terminal Units o Unidades Remotas), donde se pueden encontrar elementos tales
como controladores autónomos o autómatas programables, y un centro de control o
Unidad Central (MTU, Master Terminal Unit), donde se controla el proceso de
forma automática desde la pantalla de uno o varios ordenadores.
54
Fig. 3.3 Idea básica de Sistema SCADA.
La estructura funcional de un sistema de visualización y adquisición de
datos obedece generalmente a la estructura Maestro-Esclavo. La estación central
(el maestro o master) se comunica con el resto de estaciones (esclavos o slaves)
requiriendo de éstas una serie de acciones o datos [4].
3.2 ADQUISICIÓN DE DATOS
La adquisición de datos (DAQ – Data Adquisition) es el proceso de medir
con una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura,
presión, sonido, etc. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas
DAQ y una PC con software programable, como se exhibe en la figura 3.4.
Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ
basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la
visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la
industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.
55
Fig. 3.4 Sistema y Software de Adquisición de Datos.
3.2.1 Sensores
La medida de un fenómeno físico, como la temperatura de una habitación,
la intensidad de una fuente de luz o la fuerza aplicada a un objeto, comienza con
un sensor. Un sensor, también llamado transductor, convierte un fenómeno físico
en una señal eléctrica que se puede medir. Dependiendo del tipo de sensor, su
salida eléctrica puede ser voltaje, corriente, resistencia u otro atributo eléctrico que
varía con el tiempo. Algunos sensores pueden requerir componentes adicionales y
circuitos para producir correctamente una señal que puede ser leída con precisión y
con toda seguridad por un dispositivo DAQ. En la tabla 3.1 se presentan algunos
sensores comúnmente utilizados en sistemas de adquisición de datos [4].
Tabla 3.1 Sensores utilizados comúnmente en sistemas DAQ.Sensor Fenómeno
Termopar, RTD, Termistor Temperatura
Foto sensor Luz
Micrófono Sonido
Galga Extensiométrica, Transductor Piezoeléctrico
Fuerza y Presión
Potenciómetro, LVDT, Codificador Óptico
Posición y Desplazamiento
56
Acelerómetro Aceleración
3.2.2 Dispositivo DAQ
El hardware DAQ actúa como la interfaz entre una PC y señales del mundo
exterior. Funciona principalmente como un dispositivo que digitaliza señales
analógicas entrantes para que una PC pueda interpretarlas. Los tres componentes
clave de un dispositivo DAQ usado para medir una señal son el circuito de
acondicionamiento de señales, convertidor analógico-digital (ADC) y un bus de PC.
Varios dispositivos DAQ incluyen otras funciones para automatizar sistemas de
medidas y procesos. Por ejemplo, los convertidores digitales-analógicos (DACs)
envían señales analógicas, las líneas de E/S digital reciben y envían señales
digitales y los contadores/temporizadores cuentan y generan pulsos digitales.
A. Componentes Clave de Medidas para un Dispositivo DAQ
Acondicionamiento de Señales
Las señales de los sensores o del mundo exterior pueden ser ruidosas o
demasiado peligrosas para medirse directamente. El circuito de acondicionamiento
de señales manipula una señal de tal forma que es apropiado para entrada a un
ADC. Este circuito puede incluir amplificación, atenuación, filtrado y aislamiento.
Algunos dispositivos DAQ incluyen acondicionamiento de señales integrado
diseñado para medir tipos específicos de sensores.
Convertidor Analógico Digital (ADC)
Las señales analógicas de los sensores deben ser convertidas en digitales
antes de ser manipuladas por el equipo digital como una PC. Un ADC es un chip
que proporciona una representación digital de una señal analógica en un instante
de tiempo. En la práctica, las señales analógicas varían continuamente con el
tiempo y un ADC realiza "muestras" periódicas de la señal a una razón predefinida.
57
Estas muestras son transferidas a una PC a través de un bus, donde la señal
original es reconstruida desde las muestras en software.
Bus de la PC
Los dispositivos DAQ se conectan a una PC a través de una ranura o
puerto. El bus de la PC sirve como la interfaz de comunicación entre el dispositivo
DAQ y la PC para pasar instrucciones y datos medidos. Los dispositivos DAQ se
ofrecen en los buses de PC más comunes, incluyendo USB, PCI, PCI Express y
Ethernet. Recientemente, los dispositivos DAQ han llegado a estar disponibles para
802.11 Wi-Fi para comunicación inalámbrica. Hay varios tipos de buses y cada uno
de ellos ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones [4].
3.2.3 Función de la PC en un Sistema DAQ
Una PC con software programable controla la operación del dispositivo
DAQ y es usada para procesar, visualizar y almacenar datos de medida. Diferentes
tipos de PCs son usadas en diferentes tipos de aplicaciones. Una PC de escritorio
se puede utilizar en un laboratorio por su poder de procesamiento, una laptop se
puede utilizar por su portabilidad o una PC industrial se puede utilizar en una planta
de producción por su robustez [4].
3.3 Ethernet Industrial
La aceptación mundial de Ethernet en los entornos industriales y de oficina
ha generado el deseo de expandir su aplicación a la planta. Ethernet utiliza el
protocolo de enlaces Carrier Sense/Multiple Access with Collision Detection.
58
Transmite los paquetes de los datos en una red. Cada nodo de la red de
Ethernet escucha dicha transmisión y verifica si es que está destinada a ella. El
nodo que corresponde al direccionamiento de destino del paquete es el que
responde. Si se detecta una colisión, el nodo detiene la transmisión e intenta
nuevamente después de un período aleatorio determinado.
Es importante entender que Ethernet define solamente la capa física y no el
protocolo. Algunos ejemplos comunes de los protocolos de red usados para los
sistemas de información de uso general son TCP/IP, NetBEUI, IPX/SPX, UDP,
AppleTalk, SNMP, y LAT.
Ventajas [5]:
Muchas corporaciones que utilizan Ethernet para sus sistemas del negocio
pueden aprovechar su infraestructura existente de Ethernet tanto para
negocios como para sistemas de automatización en la fabricación.
La mayoría de las PC tienen a Ethernet ya configurada, los sistemas
operativos comunes trabajan con las tarjetas de Ethernet y TCP/IP.
Los productos de Ethernet se producen comercialmente en volúmenes muy
altos, que dan lugar a costes más bajos.
Usando subnets dedicados, se puede eliminar aplicaciones industriales de la
red del dominio de la colisión del tráfico de otra red, mejorando así el
determinismo eliminando tráfico extraño de aplicaciones críticas.
3.3.1 Protocolos de Red TCP/IP y UDP
Protocolo de Control de Transmisión TCP/IP [6]
IP (internet Protocolo, en español, Protocolo de Internet) es un protocolo no
orientado a conexión, usado tanto por el origen como por el destino para la
comunicación de datos, a través de una red de paquetes conmutados no fiable y de
59
mejor entrega posible sin garantías. IP provee un servicio de datagramas no fiable,
no provee ningún mecanismo para determinar si un paquete alcanza o no su
destino y únicamente proporciona seguridad de sus cabeceras y no de los datos
transmitidos. Por ejemplo, al no garantizar nada sobre la recepción del paquete,
éste podría llegar dañado, en otro orden con respecto a otros paquetes, duplicado
o simplemente no llegar. Si se necesita fiabilidad, ésta es proporcionada por los
protocolos de la capa de transporte, como TCP.
TCP es un protocolo orientado a la conexión, fiable y entre dos extremos,
diseñado para encajar en una jerarquía en capas de protocolos que soportan
aplicaciones sobre múltiples redes.
TCP es un protocolo de comunicación orientado a conexión del nivel de
transporte, actualmente documentado por IETF1 en el RFC 7932. En la pila de
protocolos TCP/IP, TCP es la capa intermedia entre el protocolo de internet IP y la
aplicación. Habitualmente, las aplicaciones necesitan que la comunicación sea
fiable y, dado que la capa IP aporta un servicio de datagramas no fiable (sin
confirmación), TCP añade las funciones necesarias para prestar un servicio que
permita que la comunicación entre dos sistemas se efectúe libre de errores, sin
pérdidas y con seguridad.
Protocolos de Datagramas de Usuario [6]
UDP (User Datagram Protocol) es un protocolo del nivel de transporte
basado en el intercambio de datagramas. Permite el envío de datagramas a través
de la red sin que se haya establecido previamente una conexión, ya que el propio
datagrama incorpora suficiente información de direccionamiento en su cabecera.
Tampoco tiene confirmación ni control de flujo, por lo que los paquetes pueden
1 La Internet Engineering Task Force (IETF) es una comunidad internacional abierta de diseñadores de redes, operadores, vendedores e investigadores interesados en la evolución de la arquitectura y el buen funcionamiento de Internet.2 RFC 793: Documento estándar sobre el Protocolo de Control de Transmisión TCP.
60
adelantarse unos a otros; y tampoco se sabe si ha llegado correctamente, ya que
no hay confirmación de entrega o recepción. Su uso principal es para protocolos
como DHCP, BOOTP, DNS y demás protocolos en los que el intercambio de
paquetes de la conexión/desconexión son mayores, o no rentables con respecto a
la información transmitida, así como para la protección de audio y vídeo en tiempo
real, donde no es posible realizar retransmisiones por los estrictos requisitos de
retardo que se tiene en estos casos.
UDP es un protocolo mínimo de nivel de transporte orientado a mensajes
documentado en el RFC 7683 de la IETF. En la familia de protocolos de Internet
UDP proporciona una sencilla interfaz entre la capa de red y la capa de aplicación.
UDP no otorga garantías para la entrega de sus mensajes y el origen UDP no
retiene estados de los mensajes UDP que han sido enviados a la red.
3.3.2 Comparativa entre UDP y TCP
UDP: proporciona un nivel de transporte no fiable de datagramas, ya que
apenas añade la información necesaria para la comunicación extremo a
extremo al paquete que envía al nivel inferior. Lo utilizan aplicaciones como
NFS (Network File System) y RPC (Remote Procedure Call, comando para
copiar ficheros entre ordenadores remotos), pero sobre todo se emplea en
tareas de control y en la transmisión de audio y vídeo a través de una red.
No introduce retardos para establecer una conexión, no mantiene estado de
conexión alguno y no realiza seguimiento de estos parámetros. Así, un
servidor dedicado a una aplicación, de las mencionadas anteriormente, corre
sobre UDP en lugar de sobre TCP.
TCP: es el protocolo que proporciona un transporte fiable de flujo de bits
entre aplicaciones. Está pensado para poder enviar grandes cantidades de
3 RFC 768: Documento estándar sobre el Protocolo de Datagramas de Usuario.
61
información de forma fiable, liberando al programador de la dificultad de
gestionar la fiabilidad de la conexión (retransmisiones, pérdida de paquetes,
orden en el que llegan los paquetes, duplicado de paquetes…) que gestiona
el propio protocolo. Pero la complejidad de la gestión de la fiabilidad tiene un
coste en eficiencia, ya que para llevar a cabo las gestiones anteriores se
tiene que añadir bastante información a los paquetes que enviar. Debido a
que los paquetes para enviar tienen un tamaño máximo, cuanta más
información añada el protocolo para su gestión, menos información que
proviene de la aplicación podrá contener ese paquete (el segmento TCP
tiene una sobrecarga de 20 bytes en cada segmento, mientras que UDP solo
añade 8 bytes). Por eso, cuando es más importante la velocidad que la
fiabilidad, se utiliza UDP. En cambio, TCP asegura la recepción en destino
de la información para transmitir.
3.4 Software LabVIEW.
¿Qué es LabVIEW?
LabVIEW es un software desarrollado por National Instruments©, ver figuras
3.5 y 3.6, y hace referencia al acrónimo de Laboratory Virtual Instruments
Engineering Workbench, fue concebido en el año 1976. Conocido como una
herramienta grafica para pruebas, control y diseño mediante programación.
LabVIEW es una potente herramienta muy utilizada por investigadores a lo largo de
todo el mundo. Tiene la ventaja que no se necesita ser un programador experto
para desarrollar aplicaciones de primer nivel y busca disminuir el tiempo en el
desarrollo de aplicaciones de todo tipo, en particular, de adquisición de datos y
control.
El ambiente LabVIEW corresponde a un entorno grafico, en donde el usuario
crea el programa a base de diagramas de bloques y la interconexión de estos
62
mediante enlaces (cables), a diferencia de los lenguajes de programación
tradicionales como C, C++ o Java, donde la programación está hecha por medio de
texto. El lenguaje grafico utilizado por LabVIEW se conoce como Lenguaje G.
Con toda la facilidad que trae esta manera grafica de programar, el usuario
puede concentrarse en el flujo de datos sin preocuparse de los detalles sintácticos,
como es el caso de la programación por texto.
LabVIEW, como C o BASIC, es un sistema de programación de propósito
general, con amplias bibliotecas de funciones para cualquier tarea de
programación. LabVIEW incluye librerías para adquisición de datos, GPIB y control
de instrumentación serial, análisis de datos, presentación de datos y
almacenamiento de datos.
Fig. 3.5 Presentación inicial de la portada de LabVIEW 2010.
63
Fig. 3.6 Presentación del menú de inicio software LabVIEW 2010.
3.4.1 Programación en G.
G es el uso sencillo de flujo de datos grafico, este es el lenguaje de
programación en el que LabVIEW se basa, figura 3.7. G simplifica la computación
científica, monitoreo y control de procesos, aplicaciones de prueba y medición,
como también se puede utilizar para gran variedad de otras aplicaciones [7].
64
Fig. 3.7 Programación en Lenguaje G en el cual se basa LabVIEW
3.4.2 VENTAJAS DE USAR LABVIEW
A continuación se van a describir las ventajas de usar este tipo de lenguaje de
programación [7]:
La primera ventaja de usar LabVIEW es que es compatible con herramientas
de desarrollo similares y puede trabajar a la vez con programas de otra área
de aplicación, como Matlab o Excel. Además se puede utilizar en muchos
sistemas operativos, incluyendo Windows y UNIX, siendo el código
transportable de uno a otro.
Otra de las ventajas más importantes que tiene este lenguaje de
programación es que permite una fácil integración con hardware,
específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de
datos (incluyendo adquisición de imágenes).
65
Es muy simple de manejar, debido a que está basado en un nuevo sistema
de programación gráfica, llamado lenguaje G.
Es un programa enfocado hacia la instrumentación virtual, por lo que cuenta
con numerosas herramientas de presentación, en gráficas, botones,
indicadores y controles, los cuales son muy esquemáticos y versátiles. Estos
serían complicados de realizar en bases como C++ donde el tiempo para
lograr el mismo efecto sería muchas veces mayor.
Es un programa que contiene librerías especializadas para manejos de DAQ
(tarjetas de adquisición de datos), Redes, Comunicaciones, Análisis
Estadístico, Comunicación con Bases de Datos (útil para una automatización
de una empresa a nivel total).
Como se programa creando subrutinas en módulos de bloques, se pueden
usar otros bloques creados anteriormente como aplicaciones.
3.4.3 Aplicaciones de LabVIEW
LabVIEW tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como
monitoreo de procesos y para aplicaciones de control. Además, LabVIEW se utiliza
bastante en el procesamiento digital de señales, en el procesamiento en tiempo
real de aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio,
automatización, diseño de filtros digitales, generación de señales, entre otras [7].
3.4.4 Trabajo en LabVIEW
LabVIEW es un sistema de programación de propósito general, pero
también incluye librerías de funciones y herramientas de desarrollo diseñadas
específicamente para la adquisición de datos y control de instrumentos. Los
programas desarrollados en LabVIEW son llamados “Instrumentos Virtuales” (VIs)
66
porque su apariencia y funcionamiento pueden imitar instrumentos reales, de allí su
nombre. Un instrumento virtual (VI) es un programa desarrollado en Lenguaje G. El
Panel Frontal de un instrumento Virtual tiene a menudo una interfaz de usuario
similar a los instrumentos físicos.
Un VI se compone de una interfaz de usuario interactiva, un diagrama de
bloques que sirve como el código fuente, y las conexiones de iconos que permiten
llamar a la VI desde un nivel más alto de VIs. Más específicamente, el VI se
estructura de la siguiente manera [7]:
La interfaz de usuario interactiva de un VI se llama el “Panel Frontal”,
figura 3.8 (a), porque simula el panel de un instrumento físico. El
panel frontal puede contener botones, gráficos, pulsadores, y otros
controles e indicadores.
El VI recibe instrucciones de un “Diagrama de Bloques”, figura 3.8 (b),
el cual se construye en lenguaje G.
Los VIs son jerárquicos y modulares. Se pueden utilizar como
programas de nivel superior, o como subprogramas dentro de otros
programas.
Con estas características, LabVIEW promueve y se adhiere al concepto de
programación modular.
67
Fig. 3.8 Presentación Panel frontal (a) y Diagrama de bloques (b) para desarrollar
programación en LabVIEW 2010.
3.4.5 Tipos de Datos utilizados en LabVIEW
Existen 4 tipos o clases de datos en LabVIEW, ver figura 3.9.
Fig. 3.9 Diagrama de tipos de datos existentes para trabajar en Software LabVIEW.
Dependiendo de nuestra aplicación, utilizamos estos datos en el
diagrama de bloques. A continuación se detallara brevemente cada uno de estos
datos:
Datos
Cadena de caracteres Numéricos Booleanos Dinámicos
68
A. Tipo de Dato Cadena de Caracteres
Una cadena es una secuencia de caracteres ASCII visibles o no visibles. Las
cadenas de caracteres ofrecen un formato independiente a la plataforma para
información y datos.
Algunas de las aplicaciones más comunes de cadena de caracteres incluyen
las siguientes:
Crear mensajes de texto simples.
Controlar instrumentos al enviar comandos de texto al instrumento y
regresar valores de datos en la forma de ASCII o cadena de caracteres
binarias, las cuales después puede convertir en valores numéricos.
Almacenar datos numéricos a disco.
Instruir o advertir al usuario con ventanas de diálogo.
En el panel frontal, las cadenas de caracteres aparecen como tabla, cuadros
de texto y etiquetas. LabVIEW representa datos de cadena de caracteres en color
rosa, ver controlador en figura 3.10 (a).
B. Tipo de Dato Numérico
LabVIEW representa datos numéricos como números de punto flotante,
números de punto fijo, números enteros, números enteros sin signo y números
complejos. Precisión doble o simple, así como datos numéricos complejos son
representados con el color naranja en LabVIEW. Todos los datos numéricos
enteros son representados con el color azul, ver controlador en figura 3.10 (b).
C. Tipo de Dato Booleano
69
LabVIEW almacena datos Booleanos como valores de 8 bits. Un Booleano
puede ser usado en LabVIEW para representar un 0 o 1 o un TRUE o FALSE. Si el
valor de 8 bits es cero, el valor Booleano es FALSE. Cualquier valor no igual a cero
representa TRUE. Las aplicaciones comunes para datos Booleanos incluyen
representar datos digitales y servir como un control de panel frontal que actúa
como un conmutador que tiene una acción mecánica generalmente usada para
controlar una estructura de ejecución. En LabVIEW el color verde representa datos
Booleanos, ver controlador en figura 3.10 (c).
D. Tipo de Dato Dinámico
La mayoría de los Express VIs aceptan y/o regresan tipos de datos
dinámicos, los cuales aparecen como una terminal de color azul oscuro, ver figura
3.10 (d).
El tipo de datos dinámicos se puede cablear a un indicador que puede
presentar mejor los datos. Los indicadores incluyen una gráfica, tabla o indicador
numérico o booleano.
Fig. 3.10 Controladores según tipo de datos.
3.4.6 Tipos de estructura de Ejecución
70
Éstas controlan el flujo del programa, bien sea mediante la secuenciación
de acciones, ejecución de bucles, etc. Las diferentes estructuras se visualizan en la
figura 3.11.
Fig. 3.11 Tipos de estructura de ejecución.
Las estructuras ejecutan automáticamente lo que está programada en su
interior una vez tiene disponibles los datos de entrada, y una vez ejecutadas las
instrucciones requeridas, suministran los correspondientes valores a los cables
unidos a sus salidas. Sin embargo, cada estructura se ejecuta de acuerdo a reglas
específicas que rigen su comportamiento, a continuación se detallaran algunas de
las estructuras comúnmente utilizadas:
A. While Loop
Similar a un Ciclo Do o a un Ciclo Repeat-Until en los lenguajes de
programación basados en texto, un Ciclo While, que se muestra en la figura 3.12,
ejecuta el código que contiene hasta que ocurre una condición.
71
Fig. 3.12 Estructura While Loop y analogía en programación en texto.
B. Case Structure
Una Case Structure, ver figura 3.13, tiene dos o más subdiagramas o
casos. Solamente un subdiagrama es visible a la vez y la estructura ejecuta un
caso a la vez. Un valor de entrada determina cual subdiagrama se ejecuta. La Case
Structure es similar a las instrucciones if...then... en lenguajes de programación
basados en texto.
Fig. 3.13 Case Structure.
C. For Loop
For Loop, ver figura 3.14, es el equivalente al bucle “for” en los lenguajes
de programación convencionales. Ejecuta el código dispuesto en su interior un
número determinado de veces.
72
Fig. 3.14 Estructura For Loop.
3.4.7 Herramientas de comunicación de LabVIEW
A continuación se presenta la forma en que LabVIEW se encarga de las
comunicaciones en red y entre aplicaciones.
Para los fines de esta discusión, redes se refiere a la comunicación entre
múltiples procesos, posiblemente en equipos independientes (separados). Esta
Comunicación por lo general se produce a través de una red de hardware, tales
como Ethernet o LocalTalk.
Por otra parte, el uso principal de las aplicaciones de software en red es
que una o más aplicaciones puedan acceder a los servicios de otra aplicación. Por
ejemplo, la aplicación que provee servicios (el servidor) podría ser una aplicación
de recolección de datos que se ejecuta en un ordenador dedicado o un programa
de base de datos con información de otras aplicaciones.
Introducción a los protocolos de comunicación
Para que se produzca la comunicación entre procesos, los procesos tienen
que utilizar un lenguaje común de comunicaciones, referido como un protocolo.
73
Un protocolo de comunicación le permite especificar los datos que desea
enviar o recibir y la ubicación del destino o de origen, sin tener que preocuparse
acerca de cómo los datos llegan allí. El protocolo traduce los comandos de los
datos que los controladores de red pueden aceptar. Los controladores de red
entonces se hacen cargo de la transferencia de datos a través de la red.
Varios protocolos de red se han convertido en las normas aceptadas en las
comunicaciones. En general, un protocolo no es compatible con otro. Así, en las
aplicaciones de comunicación, una de las primeras cosas que usted debe hacer es
decidir qué protocolo usar. Si desea comunicarse con uno ya existente, fuera de la
plataforma de aplicación, entonces usted tiene que trabajar dentro de los protocolos
soportados por la aplicación.
Factores que influyen en su elección de protocolo incluyen el tipo de
máquinas que ejecutan sus procesos en la red de hardware disponible, y la
complejidad de la comunicación que su aplicación va a necesitar.
Varios protocolos están incorporados en LabVIEW, algunos de los cuales
son específicos para un tipo de ordenador. LabVIEW utiliza los siguientes
protocolos para la comunicación entre computadoras [7]:
TCP – Disponible en todos los equipos
UDP – Disponible en todos los equipos
DDE – Disponible en el PC, para la comunicación entre aplicaciones de
Windows
ActiveX – Disponible para su uso con Windows 95 y Windows NT
AppleEvents – Disponible en Macintosh, para enviar mensajes entre las
aplicaciones de Macintosh
PPC – Disponible en Macintosh, para enviar y recibir datos entre las
aplicaciones de Macintosh
74
Cada protocolo es diferente, sobre todo en la forma en que se refieren a la
ubicación de red de una aplicación de control remoto. Son incompatibles entre sí,
así que si usted desea comunicarse entre un Macintosh y un PC, debe utilizar un
protocolo compatible con ambos, como TCP.
Otras opciones de comunicación que LabVIEW incluye son los siguientes:
SystemExec VI – Le permite ejecutar un comando a nivel de sistema. En
realidad, existen dos SystemExec, una para el uso con todas las versiones
de Windows, y el otro con Sun y HP-UX
Named Pipes – Disponible sólo en UNIX
HiQ – Disponible en Macintosh y PC solamente.
Uso compartido de archivos versus los protocolos de comunicación
Es importante tener en cuenta otro enfoque más adecuado para su
aplicación. Por ejemplo, considere una aplicación en un sistema dedicado que
adquiere datos y desea que los datos se registren en un ordenador diferente.
Se puede escribir una aplicación que utiliza protocolos de red para enviar
datos desde el ordenador de adquisición a la máquina de registro de datos, donde
una solicitud por separado recoge los datos y los almacena en el disco.
Un método más sencillo podría incluir las capacidades de intercambio de
archivos disponibles en la mayoría de los ordenadores conectados en red. Con
intercambio de archivos, los controladores que forman parte del sistema operativo
le permiten conectarse a otras máquinas. La máquina remota de almacenamiento
de disco es tratada como una extensión de su propio almacenamiento en disco.
Una vez que conecte los dos sistemas, el intercambio de archivos por lo general
hace que esta conexión sea transparente, de modo que cualquier aplicación puede
escribir en el disco remoto como si estuviera conectado localmente. El intercambio
75
de archivos es con frecuencia el método más simple para transferir datos entre las
máquinas [7].
Modelo cliente / servidor
El modelo cliente/servidor es un modelo común para las aplicaciones en
red. En el modelo cliente/servidor, un conjunto de procesos (clientes) solicita
servicios de otro conjunto de procesos (servidores).
Por ejemplo, en su aplicación, usted puede configurar un equipo dedicado
para la adquisición de las mediciones del mundo real. El equipo actúa como un
servidor cuando proporciona información a otros equipos por encargo. Actúa como
un cliente cuando solicita información a otra aplicación, tal como un programa de
base de datos, para grabar los datos que adquiere.
En LabVIEW, puede utilizar aplicaciones de cliente y servidor con todos los
protocolos excepto Macintosh AppleEvents. No se puede configurar un servidor de
comando en LabVIEW utilizando AppleEvents. Si usted necesita las capacidades
del servidor en el Macintosh, utilice TCP, UDP, o PPC [7].
76
CAPÍTULO 4
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
El capitulo que se presenta a continuación hace referencia a las plantas
fotovoltaicas con las que hoy en día cuenta el CDEA, por lo que en primera
instancia se mencionan conceptos básicos relacionados a estas, para luego dar
paso a la descripción de las tecnologías de modulos y de los sistemas
fotovoltaicos, que existen en la actualidad. De esta manera, se puede abarcar con
mayor claridad la descripción que se realiza posteriormente de las instalaciones
fotovoltaicas existentes en la Universidad de Antofagasta en donde, además se
señalan los equipos implementados en ellas.
4.1 Energía Fotovoltaica
La energía que llega del sol en forma de radiación electromagnética, es la
base de la vida sobre la tierra y se puede aprovechar en multitud de formas. La
energía solar eléctrica, o fotovoltaica que es como comúnmente se conoce, es una
energía limpia, de fácil mantenimiento y de durabilidad prácticamente infinita.
Consiste en la utilización de la energía del sol para producir directamente
electricidad, aprovechando la propiedad que presentan algunos materiales
semiconductores (como el silicio) conocida como efecto fotoeléctrico. Los sistemas
fotovoltaicos permiten la conversión de una partícula luminosa con energía (fotón)
en una energía electromotriz (voltaica). Los sistemas fotovoltaicos para producir
electricidad, se conforman por módulos fotovoltaicos y otros componentes como
inversores, baterías y/o reguladores [8].
77
4.2 Tecnologías Fotovoltaicas
El aprovechamiento de la energía emitida por el sol depende del
tratamiento que recibe la celda fotovoltaica para poder captar la radiación solar. La
celda fotovoltaica corresponde a la unidad básica de los sistemas fotovoltaicos la
cual en su conjunto conforman un modulo fotovoltaico, estos a su vez agrupados
conforman los paneles o generadores solares, tal como se muestra en la Figura 4.1
Figura 4.1 Composición de módulos y panel Fotovoltaico a partir de células
fotovoltaicas.
Las células fotovoltaicas son fabricadas con semiconductores, donde el
más utilizado es el silicio, el cual es dopado con boro para mejorar su
conductividad, formando la región P. Sobre esta región se difunde una capa muy
fina de fosforo, llamada región N, y en la cual incide la luz solar.
78
Para mejorar el rendimiento del modulo, la cara que recibe la luz solar se
somete a un proceso llamado texturización, donde se crean micro pirámides
superficiales para reducir la reflexión en la superficie de la célula.
De esta manera, existen distintas disposiciones de micro pirámides, lo que
permite la clasificación de los módulos según su conformación, teniendo así
modulos de tipo Silicio Monocristalino, Silicio Policristalino y Capa delgada, este
último subdividido en Silicio Amorfo, Telurio de Cadmio, Cobre Indio Galio Selenio y
Micro cristales de Silicio, como se presenta en la Fig. 4.2.
Fig. 4.2. Descripción de los distintos tipos de tecnologías de modulos solares
existentes.
El silicio (Mono y Poli) cristalino es el más utilizado en modulos y con él se
fabrica el 87,4% de las células fabricadas en el mundo.
Los módulos fotovoltaicos estándar que se comercializan actualmente
poseen eficiencias diversas ya que cada material tiene un carácter conductor
diferente. Hay que tener en cuenta que la efectividad del modulo es mayor cuanto
mayores son los cristales, pero también aumenta su peso, grosor y coste de
fabricación. El rendimiento de los módulos cristalinos (Mono y Poli), pueden
alcanzar el 20% mientras que los de capa delgada pueden no llegar al 13%.
Tecnologias Modulos
Fotovoltaicos
Silicio Monocristalino
Silicio Policristalino Capa Delgada
Amorfo (a-Si) Telurio de Cadmio (CdTe)
Cobre Indio Galio Selenio
(CIGS)
MicroCristales Silicio (uC-Si)
79
Los módulos pueden clasificarse atendiendo a varias características,
siendo la de tipo de célula la clasificación más importante [9]:
A. Modulo Tipo Silicio Monocristalino
Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de
grandes dimensiones. Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan
lugar a las células. Se gasta una gran cantidad de energía para su
construcción. Estas células generalmente son de un color azul uniforme. La
máxima eficiencia alcanzada en laboratorio es del 27,6% y su duración es de
aproximadamente 25 años. Su eficiencia disminuye con el aumento de la
temperatura.
B. Modulo Tipo Silicio Policristalino
Durante el enfriamiento del silicio en un molde se forman varios cristales.
Tiene menor costo de fabricación que el silicio monocristalino. La fotocélula
es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores
creados por los diferentes cristales. La máxima eficiencia alcanzada en
laboratorio es del 12,5%y una duración de 25 años. Su eficiencia disminuye
con el aumento de temperatura.
C. Modulo Capa Delgada
No se forman por la unión de las células individuales, sino por láminas
delgadas de conductores y semiconductores sobre un sustrato, utilizando
una técnica de conformado. La característica principal de esta tecnología es
que presentan módulos flexibles, semitransparentes, ligeros y con tensiones
del orden de 60 voltios en menos de 1m2 de superficie. Dentro de estos
están los amorfos, CdTe, o CIGS. Tiene una eficiencia entre el 10 y el 13%.
En comparación a los dos mencionados anteriormente este es el que tiene
menor costo de fabricación y menor tiempo de vida.
80
4.3 Instalaciones Fotovoltaicas
Los sistemas solares fotovoltaicos corresponden a los equipos y
dispositivos que conforman la planta fotovoltaica, y se dividen en tres grupos según
el tipo de instalación que se realiza con estos.
Por un lado, las instalaciones aisladas de red, destinadas a satisfacer total
o parcialmente la demanda de energía eléctrica de un lugar determinado donde no
existe red eléctrica convencional. Y por otro lado, los sistemas fotovoltaicos
conectados a red, que tienen como objeto principal inyectar la energía eléctrica
producida a la red eléctrica convencional. También existen instalaciones mixtas o
hibridas, que engloban la energía fotovoltaica y otra fuente de energía
conjuntamente. Lo anterior se presenta en la Fig. 4.3. [10]
Fig. 4.3. Clasificación de las distintos tipos de instalaciones de plantas
fotovoltaicas.
1.3.1 Instalaciones Aisladas
La instalación aislada está compuesta por un determinado número de
módulos fotovoltaicos (que dependerán de la carga eléctrica que se precise
activar), acumuladores (cuando se precise almacenar la electricidad excedente en
horas diurnas para disponer de ella en horas nocturnas) y el inversor (si los
consumos son en corriente alterna). A mayor demanda en los periodos sin sol se
precisará obviamente mayor capacidad de almacenamiento.
Intalaciones Fotovoltaicas
Aisladas de la red
Conectadas a la red
Instalaciones Hibridas
81
La instalación aislada se divide en dos etapas según los dispositivos y
equipos que la conforman, Etapa de Potencia y Etapa de Control, como se describe
a continuación [11]:
A. Etapa de Potencia
Corresponde a la etapa que contempla dispositivos de generación y
transformación de energía, como panales fotovoltaicos, acumuladores (baterías),
reguladores de carga, conversores y red eléctrica [11]:
Módulos fotovoltaicos: generan electricidad a partir de la energía del sol.
Acumuladores (baterías): almacenan la electricidad generada por los
módulos para poder así utilizarla en horas en donde la energía consumida
es superior a la generada por los módulos, por ejemplo de noche, que la
energía se consume directamente de las baterías y no de los módulos.
Regulador de carga: controla automáticamente el proceso de carga y
descarga de los acumuladores, evitando sobrecargas o descargas profundas
y alargando así la vida útil de los mismos.
Sistemas de conversión eléctrica (inversores): transforman la corriente
continua (CC) en corriente alterna (CA), que es la que se utiliza de forma
habitual. Si los consumos fuesen en corriente continua se podría prescindir
del uso del inversor.
B. Etapa de Control
Corresponde a la etapa que contempla dispositivos de control y
monitoreo de procesos y sus variables, convirtiendo el proceso existente en uno
más eficiente, en esta etapa podemos encontrar controladores, autómatas,
sensores, actuadores, registradores, etc.
82
En la figura 4.4 podemos observar los componentes básicos de las
instalaciones aisladas [11].
Fig. 4.4. Estructura de instalación fotovoltaica aislada.
1.3.2 Instalaciones Híbridas.
En algunas ocasiones, en lugares aislados de la red eléctrica, debido al
perfil de la demanda de energía y en función de la aplicación, se suelen
complementar la instalación fotovoltaica con otro tipo de suministro como grupos
electrógenos o aerogeneradores. A estas instalaciones se las denominan
instalaciones híbridas o mixtas, y se presenta su esquema en la figura 4.5 [12].
83
Fig. 4.5. Estructura instalación fotovoltaica mixta.
1.3.3 Instalaciones conectadas a la red
Los sistemas fotovoltaicos conectados a red siempre contarán con uno o
más inversores a donde se hace llegar la corriente continua generada por los
módulos fotovoltaicos para transformarla aquí en corriente alterna. Posteriormente
y mediante las protecciones necesarias, la energía es inyectada a la red en su
totalidad, generalmente se dispone de un medidor para la energía que se consume
y otro para la energía que se produce, encargándose la compañía suministradora
de realizar las dos lecturas [13]. Este método de control que cuenta la cantidad de
electricidad inyectada a la red es utilizada comúnmente en países que han
desarrollado altamente las políticas de la energías renovables no convencionales,
84
entre ellas la fotovoltaica, como España y Alemania, mientras que en Chile aun no
se legisla en relación a este tema, por lo que la inyección a la red a través de
energía fotovoltaica no es controlada.
Hay que tener en cuenta que la instalación no consume la energía que
produce, si no que esta es entregada íntegramente a la red de distribución. Esto es
así debido a que lo que se pretende no es que cada uno consuma lo que produce,
si no que cada kW producido mediante estas centrales fotovoltaicas de generación
de energía limpia es uno menos que producirán las centrales contaminantes
(térmicas, nucleares, etc.)
Como se ha comentado, en estas instalaciones no es necesario acumular
la energía producida, ya que está se vierte a la red general. Esto las convierte en
instalaciones de muy bajo mantenimiento y muy fiables, ya que eliminamos el
elemento más crítico que son las baterías.
Las instalaciones conectadas a red, al igual que las aisladas, se divide en
dos etapas según los dispositivos y equipos que la conforman:
C. Etapa de Potencia
Corresponde a la etapa que contempla dispositivos de generación y
transformación de energía, como módulos fotovoltaicos, inversores, medidores,
protecciones y red eléctrica [13].
Módulo Fotovoltaico: Es el que produce la transformación de la radiación
solar en corriente eléctrica.
Inversor: La corriente continua producida en los paneles fotovoltaicos, para
poder ser inyectada a la red, debe ser transformada en corriente alterna en
baja tensión, con unos requerimientos específicos. El inversor es el equipo
encargado de transformar la corriente para que pueda ser inyectada a la red.
85
Medidores: Son los equipos que miden la cantidad de energía que
consumimos y vertemos a la red y por tanto en función de los cuales
facturaremos al operador eléctrico (En chile aun no utilizado).
Protecciones: Debemos tener en consideración las elevadas tensiones de
trabajo en este tipo de instalaciones, que en algunos casos pueden llegar
hasta 700 V en corriente continua. Es aconsejable que el campo fotovoltaico
se proteja eléctricamente con interruptores que permitan el cortocircuito y el
circuito abierto, para facilitar las conexiones y manipulaciones posteriores,
así como elementos varistores o descargadores de sobretensión que eviten
la inducción de picos que puedan afectar a la electrónica interna del
inversor.
D. Etapa de Control
Corresponde a la etapa que contempla dispositivos de control y monitoreo
de procesos y sus variables, convirtiendo el proceso existente en uno más
eficiente, para esto se utilizan mecanismos de seguimiento, controladores,
autómatas, sensores, actuadores, registradores, etc.
Mecanismos de seguimiento solar: Existe la posibilidad de realizar
instalaciones conectadas a la red con seguimiento solar. Estos dispositivos
colocan las placas fotovoltaicas para que reciban la radiación solar
perpendicularmente en todo momento e incrementan la producción de
energía eléctrica entre un 30% y un 40% ofreciendo, por tanto, un mayor
rendimiento económico que las instalaciones fijas [13].
En la siguiente figura 4.6 podemos observar los componentes básicos de
las instalaciones conectadas a la red.
86
Fig. 4.6. Estructura instalación fotovoltaica con conexión a la red.
4.4 Instalaciones Fotovoltaicas Universidad de Antofagasta
Actualmente la Universidad de Antofagasta cuenta con tres plantas
fotovoltaicas que se implementaron gracias al trabajo en conjunto del CDEA y
la empresa española Krannich Solar, esta ultima dedicada a la distribución y
estudio de módulos solares. Estas plantas se describen a continuación:
1.4.1 Plantas SEMDA
Se ubican en el departamento de Servicio Médico y Dental de Alumnos
(SEMDA), de la Universidad de Antofagasta. Estas plantas son instalaciones
conectada a red, es decir, no cuentan con un sistema de respaldo de baterías y
solo entregan energía en las horas que el sol lo permite. Son dos plantas las
que se ubican en el SEMDA, debido a que encontramos dos tipos de
tecnologías de módulos fotovoltaicos.
Para un mejor entendimiento de cómo se componen las plantas, se
describen según su etapa de Potencia y Control a continuación:
87
E. Etapa de Potencia
Las plantas fotovoltaicas SEMDA constan en su etapa de Potencia de
dos tipos de tecnologías de modulos. La primera planta con tecnología tipo
Silicio Monocristalino con una potencia pico de 185 W cada modulo, distribuida
en un total de 18 módulos (Luxor), lo que significa una capacidad total de planta
de 3,33 kWp, y la segunda planta con tecnología de tipo Capa Delgada,
distribuidos en 24 módulos (NexPower), con una potencia pico de 140 W cada
modulo, lo que significa una capacidad de producción total de planta de 3,36
kWp.
La etapa de potencia de la planta con tecnología monocristalina tiene
cuatro grupos de modulos conectados en paralelo, cada uno con seis módulos
conectados en serie. Las salidas de la conexión en paralelo se conectan a una
caja de protección para aislar los modulos del inversor Sunny Boy 3300. El
inversor es conectado a un tablero para protegerlo de la red. Lo anterior queda
graficado en la figura 4.7.
La etapa de potencia de la planta con tecnología capa delgada tiene dos
grupos de modulos conectados en paralelo, cada uno con nueve módulos
conectados en serie. Las salidas de la conexión en paralelo son conectadas
directamente al inversor Sunny Boy 3000. El inversor es conectado a un tablero
para protegerlo de la red. Lo anterior queda graficado en la figura 4.8.
Cabe destacar que ninguna de las dos plantas cuenta con un contador
de energía inyectada a la red.
88
Fig. 4.7. Conexión planta fotovoltaica SEMDA, tecnología monocristalina.
Fig. 4.8. Conexión planta fotovoltaica SEMDA, tecnología capa delgada.
F. Etapa de Control.
El proceso de generación de energía que realiza la Etapa de Potencia
puede ser monitoreado desde terreno a través de la Etapa de Control que
conforma el sistema fotovoltaico, por medio de un sistema de visualización. Para
esto es necesario contar con un sistema de Adquisición de datos, un sistema de
comunicación y una HMI, en donde se visualizan las variables del proceso, tanto
ambientales como eléctricas.
Las instalaciones de las plantas SEMDA cuenta con un sistema de
adquisición de datos en donde encontramos los siguientes dispositivos:
1 Sensor de Viento – SMA.
1 Sensor Temperatura de Modulo – SMA.
1 Sensor Temperatura Ambiente – SMA.
89
1 Sensor de Viento – SMA.
1 Sunny Sensor Box (con Sensor de Radiación interno) – SMA.
1 RS-485 Power Injector – SMA.
Nota: Los dispositivos utilizados para monitorear los procesos
son distribuidos por la empresa SMA y proporcionados por Krannich
Solar.
Cabe destacar que no es necesario contar con un sensor de
temperatura para cada modulo, o un sensor de viento, temperatura ambiental y
radiación para cada planta, esto debido a que ambas se ubican a distancias
cercanas por lo tanto las condiciones ambientales son similares. Es por esto que
solo se encuentra el sistema de adquisición de datos en la planta con tecnología
capa fina.
De esta manera, la adquisición de datos se realiza gracias a la
información recogida por los sensores, los que se conectan al Sunny Sensor
Box, que es el encargado de recoger las señales de la planta en un solo lugar y
acondicionarlas .Este último, además posee en su interior el sensor de radiación
directa. La manera en que se conectan los sensores con el Sunny Sensor Box
se muestra en la figura 4.9.
90
Fig. 4.9. Diagrama arquitectura de comunicación sensores con SensorBox, Planta
Fotovoltaica SEMDA.
La adquisición de datos finaliza en los inversores, los cuales miden los
datos eléctricos que generan las plantas con tecnología Capa Fina y
Monocristalina, las variables que se adquieren desde el inversor es el voltaje
continuo y alterno, la corriente continúa y alterna, la potencia, la frecuencia y la
energía. Los datos procesados por el inversor se juntan con los datos
ambientales que provienen del Sunny Sensor Box.
Luego, los datos son enviados al Sunny WebBox, el cual se preocupa
de registrar y subir estos a una plataforma en internet y a su interfaz interna. A
continuación se muestra la arquitectura de comunicación de la instalación
fotovoltaica SEMDA (figura 4.10)
Sunny Sensor Box(Sensor Radiación)
SMA
Wind Sensor(Sensor de Viento)
SMA
PT100M-NR(Sensor Tº Modulo)
SMA
PT100U-NR(Sensor Tº Ambiente)
SMA
91
Fig. 4.10. Diagrama arquitectura de comunicación de la instalación Fotovoltaica SEMDA.
1.4.2 Instalación MESOCOSMO
Se ubica en el MESOCOSMO MARINO (en adelante MESOCOSMO) de
la facultad de recursos del mar de la Universidad de Antofagasta. Esta planta es
una instalación de tipo conectada a red, es decir no cuenta con un sistema de
respaldo de baterías y solo entrega energía en las horas que el sol lo permite.
Para un mejor entendimiento de cómo se compone la planta, se describe
a continuación según su etapa de Potencia y Control:
A. Etapa de Potencia
La planta fotovoltaica MESOCOSMO consta en su Etapa de Potencia de un
tipo de tecnología de modulo. Este tipo de tecnología de módulo fotovoltaico es de
Silicio Policristalino con una potencia pico de 230 W cada uno, distribuida en un
total de 14 módulos (Luxor), lo que significa una capacidad total de 3,22 kWp.
La etapa de potencia de la planta con tecnología Silicio Policristalino
tiene dos grupos de módulos conectados en paralelo, cada uno con siete
módulos conectados en serie. Las salidas de la conexión en paralelo son
conectadas directamente al inversor SunnyBoy 3000. El inversor es conectado a
un tablero para protegerlo de la red. Lo anterior queda graficado en la figura
4.11.
92
Fig. 4.11. Conexión planta fotovoltaica MESOCOSMO, tecnología Policristalina.
B. Etapa de Control.
Al igual que la instalación SEMDA el proceso de generación de energía
que realiza la Etapa de Potencia puede ser monitoreado desde terreno a través
de la Etapa de Control, en donde se visualizan las variables de proceso, tanto
ambientales como eléctricas.
La planta MESOCOSMO cuenta con un sistema de adquisición de datos
en donde encontramos los siguientes dispositivos:
1 Sensor de Viento – SMA.
1 Sensor Temperatura de Modulo– SMA.
1 Sensor Temperatura Ambiente– SMA.
1 Sensor de Viento– SMA.
1 Sunny SensorBox (Sensor Radiación interno) – SMA.
1 RS-485 PowerInjector – SMA.
Los sensores se conectan de forma similar como se realiza en las
plantas SEMDA, tal como muestra la figura 4.8. De esta manera los sensores
se comunican al Sunny Sensor Box, el cual envía los datos al inversor, donde se
93
encuentra con los datos eléctricos que este procesa. Finalmente los datos llegan
al Sunny WebBox, el cual se preocupa de registrar y subir estos a una
plataforma en internet y a su interfaz interna. Podemos observar cómo se
conectan los equipos de la planta MESOCOSMO en la figura 4.12.
Fig. 4.12. Diagrama arquitectura de comunicación Planta Fotovoltaica
MESOCOSMO.
1.4.3 Monitorización
El proceso de generación de energía eléctrica que realizan las
plantas fotovoltaicas, puede ser monitoreado mediante la interfaz interna que
dispone el DataLogger (Sunny WebBox) al que se debe acceder mediante su IP
(Figura 4.13), o también, vía internet a través de una plataforma virtual
denominada SunnyPortal (Figura 4.14). Para la primera basta con conocer la IP
y contraseña del equipo WebBox que se desea monitorear y así se puede tener
acceso a su HMI. Para la segunda el usuario debe ser registrado con su correo
electrónico por un administrador y aceptado en la base de datos central de la
plataforma.
94
Fig. 4.13. Inicio HMI interna Web Box para Planta Fotovoltaica SEMDA.
95
Fig. 4.14. Inicio plataforma Sunny Portal para Planta Fotovoltaica SEMDA
67
4.5 Descripción e importancia de parámetros a medir.
El comportamiento que tiene un modulo al producir energía eléctrica viene
determinada por una serie de factores que influyen en el proceso. Estos factores
corresponden principalmente a variables ambientales, y es por ello que es
necesario monitorearlas, al igual que las producidas internamente por el modulo,
esto permite determinar la relación entre las variables que permiten una mayor
eficiencia de este.
Las variables generadas por el modulo que son necesarias para
determinar la eficiencia de este corresponde a:
Corriente (I): Flujo de electrones propia del modulo.
Voltaje (V): Diferencia de potencial propia del modulo.
Potencia (P): Las dos variables anteriores permiten un punto de trabajo de
potencia del modulo.
Mientras que las variables ambientales que son necesarias monitorear
corresponden a:
Radiación Solar: El resultado de un cambio en la intensidad de radiación
para una circunstancia en la que la temperatura permanece constante, es
una variación en la corriente de salida para cualquier valor de tensión.
Además, este efecto es directamente proporcional, es decir a medida que
aumenta la radiación aumenta la corriente. El voltaje también aumenta con
la radiación, pero su variación es mínima, es decir, permanece
prácticamente constante.
Temperatura: El efecto que tiene la temperatura es inversamente
proporcional al voltaje del modulo, es decir a medida que aumenta la
temperatura, el voltaje generado disminuye.
68
Viento: Permite disminuir la temperatura del modulo a través de corrientes
de aires que circulan bajo el modulo.
69
CAPÍTULO 5
CÁLCULOS DE PARAMETROS RELEVANTES PLANTAS FOTOVOLTAICAS
En el siguiente capítulo se presenta el análisis matemático de parámetros
de gran importancia para los sistemas fotovoltaicos, como la irradiación y la
energía eléctrica, los cuales permiten identificar el rendimiento de las plantas
fotovoltaicas según su tecnología, es decir, permiten conocer cuál de estas ofrece
el mejor comportamiento según las condiciones ambientales en las que se
encuentran trabajando hoy en día, tanto en la instalación SEMDA como
MESOCOSMO.
5.1 Radiación, Irradiancia e Irradiación.
El Sol genera energía mediante reacciones nucleares de fusión que se
producen en su núcleo. Esta energía recibe el nombre de radiación solar, que se
transmite en forma de radiación electromagnética.
La radiación solar sobre la superficie terrestre tiene variaciones temporales,
siendo unas aleatorias, como la nubosidad, y otras previsibles, como son los
cambios estacionales o el día y la noche, provocadas por los movimientos de la
tierra. Para facilitar el estudio, la radiación solar sobre un receptor se clasifica en
tres componentes:
1. Directa
2. Difusa
70
3. Reflejada, o de albedo.
La suma de todas las radiaciones mencionadas recibe el nombre de
radiación global, que es la radiación solar total que recibe la superficie de un
receptor y por lo tanto la que nos interesa conocer y cuantificar.
Para cuantificar la radiación solar se utilizan dos magnitudes que
corresponden a la potencia y a la energía de la radiación que llegan a una unidad
de superficie, se denomina Irradiancia e Irradiación y sus definiciones y unidades
son las siguientes:
1.1.1 Irradiancia
Potencia o radiación incidente por una superficie. Indica la intensidad de
radiación solar. Se mide en Watts por metro cuadrado (W/m2).
1.1.2 Irradiación
Integración o suma de las irradiancias en un periodo de tiempo
determinado. Es la cantidad de energía solar recibida durante un periodo de
tiempo. Se mide en Joule por metro cuadrado por un periodo de tiempo. (J/m2 por
hora, día, semana, mes, año, etc., según el caso). En la práctica, dada la relación
con la generación de energía eléctrica se utiliza como unidad Wh/m2, y sus
múltiplos más habituales kWh/m2 y MWh/m2
La radiación solar puede ser estimada para un determinado plano, ya sea
horizontal, inclinado o normal a los rayos solares, a través de la regla de trapecio
indicada en la ecuación 5.1. En matemática la regla del trapecio es un método
de integración numérica, es decir, un método para calcular aproximadamente el
valor de la integral definida, valor que se sabe corresponde al área bajo la curva.
H d=∑1
n−1
[(Rn+Rn+1 )∗( tn− tn+1 )
2] (5.1)
71
Donde:
Hd= Irradiación Solar Diaria (Wh/m2)
Rn= Irradiancia Instantánea (W/m2)
tn= Tiempo (horas) para la medición “n”.
n=Numero de medidas de radiación obtenidas.
Por ejemplo en la tabla la tabla 5.1 se muestra la irradiancia solar a lo
largo de una hora, mediante la regla del trapecio podremos obtener la radiación
Solar hora.
Tabla 5.1 Irradiancia de una Hora, 11.00 AM-12.00 PM, planta SEMDA 11-08-
2012.
Hora Irradiancia Hora Irradiancia Hora Irradiancia11:00 850 11:20 890 11:40 92911:01 855 11:21 891 11:41 93311:02 857 11:22 896 11:42 94111:03 859 11:23 896 11:43 93811:04 862 11:24 898 11:44 93711:05 864 11:25 900 11:45 92911:06 863 11:26 906 11:46 93411:07 862 11:27 904 11:47 93711:08 861 11:28 906 11:48 94311:09 862 11:29 904 11:49 94211:10 864 11:30 909 11:50 94111:11 868 11:31 909 11:51 94111:12 873 11:32 909 11:52 93911:13 878 11:33 911 11:53 94111:14 882 11:34 912 11:54 94611:15 886 11:35 912 11:55 92711:16 886 11:36 923 11:56 95011:17 892 11:37 925 11:57 95111:18 892 11:38 921 11:58 95211:19 876 11:39 926 11:59 957
72
Haciendo uso de la ecuación 5.1:
H d=(855+850 )∗(60 )
2∗3600+
(857+855 )∗(60 )2∗3600
+…+(957+952 )∗(60 )
2∗3600
NOTA: Se lleva el tiempo a segundos para facilitar cálculos y luego
se transforma a hora (multiplicando por 1 hora y dividiendo por 3600 s) para
obtener el resultado deseado.
H d=890,7417Wh /m2
De esta manera, para calcular el valor de Irradiación, que permite conocer
la cantidad de energía solar disponible y que puede aprovechar un panel
fotovoltaico, ya sea de la planta SEMDA y MESOCOSMO, para transformarla en
energía eléctrica, se utiliza el valor de Irradiancia que arroja el Sunny SensorBox
cada un minuto. Con estos valores se obtiene la curva diaria de Irradiancia la cual
es integrada mediante la regla del trapecio para obtener el valor de irradiación
correspondiente.
5.2 Energía y Potencia Eléctrica.
Sabemos que la energía eléctrica es la forma de energía que resulta de la
existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, generada por una
maquina o dispositivo eléctrico que tiene la capacidad para realizar un trabajo. La
unidad de medida es Watt por unidad de tiempo (ya sea hora, día, mes, año).
Mientras que la potencia eléctrica es la velocidad a la que se consume o genera la
energía, es decir la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en
un tiempo determinado. La unidad de medida es el watt, y también se define como
el producto entre el voltaje y la corriente.
En el caso de las plantas fotovoltaicas SEMDA y MESOCOSMO nos
encontramos con tres tipos de tecnologías de paneles que ofrecen distintos
73
niveles de potencia, dependiente de la irradiancia que incide en ellos y de la
temperatura de trabajo a la que se encuentren. Así, al monitorear en intervalos de
tiempo las variables de voltaje y corriente que entrega la planta, y realizar el
producto entre ellas se obtiene la curva de potencia en momentos exactos, con los
cuales se consigue una curva de potencia diaria.
Al integrar esta curva se obtiene la energía eléctrica, este parámetro
permite conocer cuál es la energía que es capaz de entregar la planta fotovoltaica
durante un día, es decir, con la que se cuenta para consumir. Esta integración se
lleva a cabo mediante la regla del trapecio de la ecuación 5.1, la misma que se
utiliza para obtener la Irradiación.
De esta manera si pretendemos calcular la energía producida por una
planta fotovoltaica, primeramente se debe contar con la potencia que genera los
paneles que la conforman y luego dimensionar la de la planta. En la tabla 5.2 se
muestra los valores de potencia que generan una planta fotovoltaica compuesta
por 14 módulos de 230 W, en donde a las 11:10 se tiene que la planta produce
1630,88W, es decir, cada panel está generando según la condiciones de radiación
y temperatura 116,49 W. Entonces, al calcular la energía durante una hora se
tiene lo siguiente:
H d=(1596,12+1598,51 )∗(60 )
2∗3600+
(1603,74+1596,12 )∗(60 )2∗3600
+…+(1749,10+1735,99 )∗(60 )
2∗3600
H d=1682,64Wh
NOTA: Se lleva el tiempo a segundo para facilitar cálculos se realiza
el mismo arreglo matemático (dividir por 3600) que la obtención de la
radiación.
74
Tabla 5.2 Potencia de una Hora, 11.00 AM -12.00 PM, planta MESOCOSMO
11-08-2012.
HORA Voltaje Corriente
Potencia HORA Voltaje Corriente Potencia
11:00 369 4,332 1598,51 11:30 368 4,62 1700,1611:01 376 4,245 1596,12 11:31 372 4,568 1699,3011:02 368 4,358 1603,74 11:32 298 7,483 2229,9311:03 371 4,329 1606,06 11:33 364 4,69 1707,1611:04 298 7,141 2128,02 11:34 368 4,643 1708,6211:05 374 4,332 1620,17 11:35 372 4,585 1705,6211:06 370 4,324 1599,88 11:36 368 4,62 1700,1611:07 372 4,386 1631,59 11:37 368 4,626 1702,3711:08 372 4,38 1629,36 11:38 372 4,597 1710,0811:09 372 4,389 1632,71 11:39 376 4,549 1710,4211:10 375 4,349 1630,88 11:40 373 4,596 1714,3111:11 379 4,268 1617,57 11:41 375 4,555 1708,1311:12 381 4,285 1632,59 11:42 371 4,612 1711,0511:13 376 4,377 1645,75 11:43 373 4,613 1720,6511:14 368 4,465 1643,12 11:44 376 4,574 1719,8211:15 372 4,409 1640,15 11:45 369 4,691 1730,9811:16 372 4,46 1659,12 11:46 376 4,701 1767,5811:17 377 4,396 1657,29 11:47 368 4,689 1725,5511:18 294 7,383 2170,60 11:48 368 4,704 1731,0711:19 372 4,483 1667,68 11:49 372 4,654 1731,2911:20 368 4,531 1667,41 11:50 368 4,692 1726,6611:21 364 4,577 1666,03 11:51 371 4,643 1722,5511:22 372 4,526 1683,67 11:52 370 4,673 1729,0111:23 368 4,56 1678,08 11:53 372 4,671 1737,6111:24 372 4,517 1680,32 11:54 372 4,677 1739,8411:25 379 4,435 1680,87 11:55 372 4,674 1738,7311:26 373 4,534 1691,18 11:56 368 4,747 1746,9011:27 372 4,551 1692,97 11:57 376 4,617 1735,9911:28 371 4,543 1685,45 11:58 368 4,753 1749,1011:29 376 4,487 1687,11 11:59 375 4,657 1746,38
75
5.3 Rendimiento
Sabemos que el rendimiento permite determinar la eficiencia que poseen
las plantas fotovoltaicas e identificar que tan correcto es su desempeño según los
parámetros con los que fueron diseñados. Para esto es necesario conocer los
valores de energía real que entregan y luego contrastar este valor con el valor
ideal esperado. Realizando el cociente entre estos valores se obtiene como
resultado la relación que existe en su desempeño.
1.3.1 Energía Real
Para realizar este cociente se utilizara como energía real, la que resulta de
aplicar la regla del trapecio al producto del voltaje y corriente que genera las
plantas fotovoltaicas. Estos parámetros son captados por los inversores y
enviados por el Sunny WebBox. Este valor de energía aumenta conforme avanza
el día, es decir los valores de energía se van sumando por cada medición que se
realice, esto permite contar con el valor acumulado de energía diaria.
1.3.2 Energía Ideal
La energía ideal se obtiene a partir de los resultados que arroja la
modelación de la planta mediante el software Matlab, utilizando los parámetros de
información de la hoja de datos de los módulos fotovoltaicos [14].
A. Modelado de Módulos Fotovoltaicos
Para modelar la planta primeramente se simula el comportamiento de los
paneles a partir del circuito equivalente de una celda fotovoltaica ideal según la
teoría de los semiconductores mostrada en la Ecuación 5.2, la que ofrece
simplicidad y exactitud, definiendo a este modelo perfecto para diseñadores de
electrónica que están buscando una manera fácil y un modelo eficaz para la
simulación de dispositivos fotovoltaicos.
76
I=IPV , cell−I 0 , cell∗[e qVakT−1] (5.2)
Id
I: Corriente de la celda.
V: Voltaje de la celda.
IPV, céll: Corriente generada por la luz incidente.
Id: Ecuación del diodo Shockley.
I0,cell: Corriente inversa de saturación o de fuga del diodo.
q: Carga del electrón [1.60217646 · 10-19C].
k: Constante de Boltzmann [1.3806503 · 10-23J / K].
T: Temperatura de la unión p-n.
a: Constante de un diodo ideal.
Lo anterior no representa la característica I-V de un panel
fotovoltaico real, ya que como sabemos los paneles reales se componen de varias
celdas fotovoltaicas conectadas, por lo que se requieren parámetros adicionales a
la ecuación 5.2, tal como muestra la figura 5.1
Figura 5.1 Circuito equivalente de la célula fotovoltaica con resistencias seria y
paralelo, basado en el modelo teórico de las celdas fotovoltaicas.
77
Por lo tanto la ecuación que responde a este modelo con mayor
precisión queda como lo expresa la Ecuación 5.3:
I=IPV−I0∗[e V+RS∗IV t∗a −1 ]−V +RS∗I
RP (5.3)
IPV: Corrientes fotovoltaica del panel generada por la luz.
I0 : Corriente de saturación del modulo.
Vt = NskT / q: Tensión térmica del modulo.
Ns: Células conectadas en serie.
Rs : Resistencia serie equivalente del modulo.
Rp : Resistencia en paralelo equivalente del modulo.
Por desgracia, algunos de los parámetros necesarios para ajustar modelos
fotovoltaicos no se pueden encontrar en las hojas de datos de los fabricantes,
tales como:
Corriente fotovoltaica generada por la luz.
Resistencia en serie.
Resistencia en paralelo.
Constante ideal del diodo.
Corriente de saturación inversa del diodo.
Energía de banda prohibida del semiconductor.
Todas las hojas de datos de módulos fotovoltaicos traen básicamente la
siguiente información:
Voltaje nominal de circuito abierto Voc,n.
Corriente nominal de cortocircuito Isc, n.
Punto de voltaje de potencia máxima Vmp.
Corriente en el punto máximo de potencia Imp.
78
Tensión en circuito abierto / coeficiente de temperatura KV.
Coeficiente de la corriente de cortocircuito / temperatura KI.
Pico de potencia máxima de salida experimental Pmax,e.
Nota: Esta información se proporciona siempre con referencia a las
condiciones nominales o estándar de ensayo de la temperatura (25 ºC) y la
irradiación solar (1000 W/m2).
La característica I-V del modulo fotovoltaico depende de las características
internas del dispositivo (Rs, Rp) y de las influencias externas como el nivel de
radiación y la temperatura. La cantidad de luz incidente afecta directamente a la
generación de portadores de carga y por consiguiente la corriente generada por el
dispositivo. La corriente generada por la luz (IPV) de las células primarias, sin la
influencia de las resistencias serie y paralelo, es difícil de determinar. La hoja de
datos sólo informa la corriente nominal de cortocircuito (Isc, n), que es la corriente
máxima disponible en los terminales del dispositivo práctico. El supuesto ISC,n ≈ IPV
se utiliza generalmente en los modelos fotovoltaicos porque en dispositivos
prácticos, la resistencia serie es baja y la resistencia en paralelo es alta. De esta
forma la energía generada por la luz en la celda fotovoltaica depende linealmente
de la Ecuación 5.4:
IPV=(I¿¿PV ,N +K I∗∆T )∗G
Gn¿ (5.4)
Donde
IPV, N : Corriente nominal generada por la luz en condición de ensayo
(generalmente 25 ◦ C y 1000W/m2).
ΔT = T – Tn (T y Tn temperatura real y nominal respectivamente en grados
Kelvin).
G: Irradiación sobre la superficie del dispositivo.
79
Gn: Irradiación nominal.
La corriente de saturación I0 del diodo y su dependencia de la temperatura
se puede expresar por la Ecuación (5.5)
I 0=I 0 ,n∗(T nT
)3
∗e[ q∗E gak
∗(1Tn
−1T
)] (5.5)
Donde:
Eg: Energía de banda prohibida del semiconductor.
I0, n : es la corriente de saturación nominal.
I 0 ,n=I sc , n
e(V oc,naV t ,n
)
−1 (5.6)
Vt,n: Tensión térmica de Ns células conectados en serie a la temperatura
nominal Tn.
La corriente de saturación I0 de las celdas fotovoltaicas que componen el
modulo depende de la densidad de corriente de saturación de los
semiconductores (J0, por lo general en [A/cm^2]) y en el área efectiva de las
células. En el documento “Villalva [14], la corriente I0,n de saturación nominal se
obtiene indirectamente, a partir de los datos experimentales de la ecuación 5.5,
que se obtiene mediante la evaluación de la ecuación 5.3 en los valores nominales
de condición circuito abierto, con V = Voc, n, I = 0, y IPV ≈ Isc,n.”
El valor de la constante “a” de un diodo puede ser elegido arbitrariamente.
Por lo general, 1 ≤ a ≤ 1,5 según se desee expresar el grado de idealidad del
diodo. Esta constante afecta a la curvatura de la característica I-V y variándola un
poco puede mejorar la exactitud del modelo.
80
B. Mejoramiento del modelo
El modelo fotovoltaico que se describe en la sección anterior puede
mejorarse si la ecuación 5.5 se sustituye por la ecuación 5.7:
I 0 ,n=I sc , n+K I∗∆T
e(V oc,n+K I∗∆T
aV t)
−1 (5.7)
Esta modificación tiene como objetivo que las tensiones de circuito abierto
del modelo coincidan con los datos experimentales para una gama muy grande de
temperaturas. La ecuación 5.7 se obtiene de la ecuación 5.6 mediante la inclusión
en la ecuación del coeficiente de corriente KV y tensión KI. La corriente de
saturación I0 es fuertemente dependiente de la temperatura y la ecuación 5.7
propone un enfoque diferente para expresar la dependencia de I0 a la temperatura
de manera que la red de efecto de la temperatura sea la variación lineal de la
tensión en circuito abierto según el coeficiente de práctica la tensión / temperatura.
Esta ecuación simplifica el modelo y cancela el error en las proximidades de las
tensiones de circuito abierto y por consiguiente, en otras regiones de la curva I-V.
La validez del modelo con esta nueva ecuación ha sido probada a través
de simulación por ordenador y mediante la comparación con los datos
experimentales. Un hecho interesante acerca de la corrección que se introdujo con
5.7 es que el coeficiente KV de la hoja de datos del fabricante aparece en la
ecuación. El coeficiente tensión / temperatura KV trae información importante
necesaria para lograr el mejor ajuste de curva I-V posible para diferentes
temperaturas de valor nominal.
C. Determinación de parámetros Rs y Rp
81
Dos parámetros siguen siendo desconocidos en 5.3, que son Rs y Rp.
Algunos autores proponen formulas matemáticas para determinar estas
resistencias. Aunque puede ser útil hacer una fórmula matemática para determinar
estos parámetros desconocidos, cualquier expresión para Rs y Rp siempre se
basará en datos experimentales. Algunos autores proponen variar Rs en un
proceso iterativo, incrementando Rs hasta que la curva I-V se ajusta a los datos
experimentales y luego variar Rp de la misma manera. Este es un método de
ajuste bastante pobre e inexacta, principalmente porque Rs y Rp no se puede
ajustar por separado si se desea un buen modelo I-V.
En el documento “Villalva, [14]” se propone un método para ajustar Rs y
Rp basado en el hecho de que hay un único par {Rs, Rp} con las garantías de que
Pmax, m = Pmax, e = VmpImp en el (VMP, Imp), en un punto de la curva I-V, es decir, la
potencia máxima calculada por el modelo I-V de 5.3, Pmax, m, es igual a la potencia
máxima experimental de la hoja de datos, Pmax, e, en el punto de máxima potencia
(MPP). Los métodos convencionales de modelado que se encuentran en la
literatura se hacen cargo de la curva I-V pero se olvidan de la curva P-V (voltaje vs
potencia) la cual debe coincidir con los datos experimentales también.
En la relación entre Rs y Rp, las únicas incógnitas de 5.3, se pueden
encontrar haciendo Pmax, m = Pmax, e, y resulta la solución de la ecuación para Rs,
como la ecuación 5.8 y la ecuación 5.9 muestran.
Pmax ,m=V mp{IPV−I 0[e qkT V mp+Rs Imp
aN s −1]−V mp+R s ImpRp } (5.8)
Rp=V mp (V mp+ ImpR s )
{V mp I PV−V mp I 0[e qkT Vmp+R sImpaN s ]+V mp I 0−Pmax ,e} (5.9)
82
La ecuación 5.9 significa que para cualquier valor de Rs habrá un valor de
Rp que hace que la curva V-I alcance el punto experimental (VMP, Imp).
D. Simulación
De esta manera, una vez definidos y entendidos los parámetros, las
ecuaciones y circuitos equivalentes que se deben tener presentes para simular un
módulo fotovoltaico, se ingresan los datos al programa Simulink del Software
Matlab, tal como lo muestra la figura 5.2:
Figura 5.2.a Modelo circuito fotovoltaico construido con Simulink/Matlab que representa el funcionamiento de un modulo fotovoltaico basado en el circuito
equivalente de la figura 5.1.
Figura 5.2.b. Entradas circuito fotovoltaico construido con Simulink/Matlab.
83
Figura 5.2.b Modelo circuito fotovoltaico construido con Simulink/Matlab, para el
cálculo de Im (corriente generada por el panel).
Figura 5.2.c Modelo circuito fotovoltaico construido con Simulink/Matlab, para el
cálculo de IPV (corriente generada por la influencia de la luz sobre el modulo).
Figura 5.2.d Modelo circuito fotovoltaico construido con Simulink/Matlab, para el
calculo de I0 corriente de saturación del modulo.
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Así para modelar el comportamiento de un modulo fotovoltaico, debemos
ingresar los parámetros necesarios indicados en la hoja de datos del fabricante al
software, y, además las condiciones de radiación y temperatura. De esta manera
podemos obtener los valores de corriente, voltaje y potencia que arroja el modulo
en las condiciones especificadas. Estos datos son suficientes para conocer el
valor de la energía producida por el modulo, ya que la simulación permite obtener
los valores de potencia al cual se le realiza la regla del trapecio para tener
finalmente la energía ideal.
Este valor ideal de la energía dividido por el valor real, permite conocer el
rendimiento de la planta fotovoltaica y así su comportamiento en las condiciones
ambientales de trabajo que se desee conocer.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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