Rumbos tecnológicos
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Avellaneda - Secretaría de Ciencia, Tecnología y Posgrado

DESARROLLO CON FINES DIDÁCTICOS DE LA CAPA DE COMUNICACIÓN, ADQUISICIÓN DE DATOS Y EJECUCIÓN DE COMANDO DE CONTROL DE UNA MICRORRED ELÉCTRICA IMPLEMENTADA CON HARDWARE Y SOFTWARE LIBRE

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Rumbos Tecnológicos 13 •  Octubre 2021

Fecha de Recepción: 31 de mayo de 2021 • Fecha de Aceptación: 15 de julio de 2021

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Autores:

Gustavo Real* 

https://orcid.org/0000-0003-1146-8074

María Florencia Jauré 

https://orcid.org/0000-0002-1701-9846

Amado Vitali 

https://orcid.org/0000-0002-8078-9712

Gonzalo Ribera

1 Universidad Nacional de General Sarmiento, Instituto de Industria, Juan María Gutiérrez 1150, Los Polvorines (1613), Buenos Aires, Argentina

*Autor a quien se debe dirigir la correspondencia: greal@campus.ungs.edu.ar

 

Roles autorales:
Conceptualización: Real, G.
Curaduría de datos: Real, G.; Jauré, F.
Adquisición de fondos: Vitali, A; Jauré, F.
Investigación: Real, G.; Ribera, G.
Metodología: Real, G
Administración del proyecto: Vitali, A
Recursos: Vitali, A.
Software: Real, G; Ribera, G
Supervisión: Real, G; Vitali, A.
Validación: Real, G; Ribera, G; Jauré, F.
Visualización: Jauré, F
Redacción – borrador original: Real, G; Jauré, F.
Escritura – revisión y edición: Jauré, F; Vitali, A.

 

Resumen

Debido a la necesidad de abordar uno de los principales temas de interés nacional y mundial, como es el suministro de energía eléctrica a través de microrredes, sumado a la inquietud manifestada por estudiantes y docentes de la carrera de ingeniería electromecánica en profundizar en la capacitación y en el desarrollo de competencias específicas acerca de este tema, un equipo de investigadores se comprometió en el abordaje y desarrollo de una microrred eléctrica con integración de fuentes de energías renovables, la cual comenzó a implementarse en el laboratorio de ingeniería de la universidad. En el presente trabajo, inicialmente se presenta la estructura y los elementos constitutivos de la microrred eléctrica, para luego focalizarse en la presentación de la capa de comunicación, adquisición de datos y ejecución de comandos de control de la microrred; incluyendo la descripción específica de su diseño, su descripción funcional para, finalmente, llegar a la etapa de pruebas, ensayos y verificación de su funcionamiento. Para cerrar el trabajo se presentan las conclusiones alcanzadas y cómo se le dará continuidad en un futuro cercano a esta investigación.

Palabras Claves: Microrredes, Lazo de Control, Adquisición de Datos, Calidad de Energía, Hardware Abierto y Software Libre

 

Abstract

The supply of electricity through microgrids is one of the main issues of national and global interest, which has raised the concern of students and professors of Electromechanical Engineering courses. In this context, they express the need to deepen the training and work in the development of specific competences on this topic. For this reason, a team of researchers committed themselves to the development of an electrical microgrid with the integration of renewable energy sources, which began to be implemented in the engineering laboratory at the university. In this paper, the structure and constituent elements of the electrical microgrid are presented, followed by a description of the communication layer, the data acquisition and the execution of microgrid control commands, which includes the specific description of its design, its functional description, and tests and trials to verify its operation. Finally, conclusions reached are presented, and some ideas on how this research will continue in the near future are addressed.

Key-words: Microgrids, Control Loop, Data Acquisition, Power Quality, Open Hardware and Free Software

 

INTRODUCCIÓN
Es bien sabido que la sociedad moderna depende inexorablemente de las fuentes de suministro de energía eléctrica y que estos sistemas deberán ser cada vez más ecológicos en lo que respecta a la utilización de los recursos energéticos del planeta, buscando maximizar la utilización de las energías renovables.
Recordemos que el objetivo central del Acuerdo de París (2015) es reforzar la respuesta mundial a la amenaza del cambio climático manteniendo el aumento de la temperatura media mundial en este siglo muy por debajo de los dos grados centígrados por encima de los niveles preindustriales.
Por otro lado, se acelera enormemente la demanda de energía eléctrica, con un envejecimiento de la infraestructura de transporte y distribución; cosa que indefectiblemente repercutirá en la seguridad, fiabilidad y calidad de dicho suministro.
La sociedad empuja permanentemente a nuevos cambios tecnológicos que modifican los valores de la sociedad, la economía, el medio ambiente e incluso la forma de interpretar el mundo. Y de eso se trata, ya que las redes de energía eléctrica del futuro, deberán soportar esos permanentes cambios de paradigma para sostener en el tiempo la rentabilidad, sostenibilidad, fiabilidad y versatilidad con el menor impacto sobre el medioambiente.
Así, y gracias al abaratamiento de las tecnologías emergentes y ecológicas, se introducirá el concepto de generación distribuida, debido a que los hoy llamados consumidores, irán incorporando cada vez más la posibilidad de producción local de energía, transformándose en “prosumidores”, ya que consumirán en algunos momentos del día y en otros aportarán energía a la red interconectada (Hernández Callejo, 2019; Paredes Tapia et al., 2019).
En este contexto, las llamadas Smart Grids (SG) vienen a afrontar este cambio de paradigma que nos propone la sociedad que viene, aportando a la red elementos fundamentales que, si bien muchos de ellos ya existen en algunas instalaciones, en el caso de las SG están embebidas en su misma infraestructura, como ser: generación distribuida, sostenibilidad, fiabilidad, rentabilidad, gestión de la oferta y la demanda energética, inteligencia; pasando de esta forma de un concepto arcaico de “redes pasivas” a un concepto más moderno de “redes activas”. En este sentido, las microrredes, que generalmente operan en baja tensión, se pueden considerar como la estructura primaria para estas redes inteligentes o Smart Grids (Bordons et al., 2015; Amoedo et al, 2020; López A. et al., 2019; Hermana y Sánchez, 2020).
A principios del 2019, y como consecuencia de distintos debates internos de las posibilidades de una SG, y de constantes preguntas que, como es lógico, los estudiantes hacen acerca de lo que se viene en tecnología de redes eléctricas, se conformó un grupo de investigadores con el objetivo de dar respuestas a algunos de estos interrogantes. Pero, inmediatamente se impuso la necesidad de ir más allá del estudio y afrontar conjuntamente con los alumnos la construcción y puesta en marcha de una pequeña microrred.
Debido a que una implementación de este tipo, aún pequeña, demandaría un gran esfuerzo, se decidió empezar con una microrred aislada, de esta forma se iba a poder enfrentar la problemática de una forma más accesible, en donde se puedan estudiar los distintos componentes y capas que la integran, estabilizando los elementos que la componen, sin tener que lidiar, al principio, con la complejidad adicional que demanda estar conectadas a la red pública.
Lo primero que se impuso como necesidad, debido a la gran cantidad de elementos que la conforman, era dividir el desarrollo de la microrred en capas; de forma tal que cada una de estas capas pudiera ir avanzando en forma paralela, pero sin dejar de ver el conjunto, buscando que las interacciones de estas capas estuvieran contempladas desde la etapa inicial de diseño.
De esta forma, se establecieron cuatro capas iniciales: 1.-Hardware de base, 2.- Comunicaciones, adquisición de datos y ejecución de comandos, 3.- Control y estabilidad de los sistemas y 4.- Gestión de la microrred. Así se conformaron los grupos de trabajo, cada uno bajo el liderazgo de un responsable de todas las actividades de desarrollo y puesta en marcha.
En este sentido, este artículo presentará los avances realizados en las definiciones, desarrollo de prototipos y primeras mediciones hechas sobre la capa 2: comunicaciones, adquisición de datos y ejecución de comandos.
El desarrollo de esta capa del sistema está centrado en la utilización de una placa de adquisición de datos basada en la Plataforma Arduino Due (ACQ-II), diseñada previamente en el marco de otro proyecto de investigación (Real et al., 2018; Jauré et al., 2020). Justifica esta decisión el amplio progreso logrado y la disponibilidad de información. De esta forma, la incorporación fundamental, respecto a desarrollos previos que ya habían utilizado esta plataforma, es todo lo que respecta a los nuevos módulos que demandará este desafío, pudiendo reutilizar mucho del código generado previamente.

DESARROLLO

Estructura y composición de la microrred eléctrica propuesta
La solución propuesta para la estructura de la microrred a implementar en el laboratorio de ingeniería de la universidad se puede apreciar en el esquema de la Figura 1.
La misma consiste en distintos elementos de hardware de base (capa 1), como la estación fotovoltaica, baterías, conversores AC/DC y DC/AC; comunicación, medición y actuación (capa 2), puntos remotos y estación de monitoreo y control; control de la red (capa 3), estación de control; y finalmente la gestión operativa de la red (capa 4), estación de gestión y base de datos.

Es importante que se observe la horizontalidad propuesta para la capa de comunicaciones, ya que su función es llevar toda la información que hace al funcionamiento de la red, como así también a su operatividad y fiabilidad. Para el diseño de esta etapa se tuvieron en cuenta dos aspectos: por un lado, las particularidades específicas de las fuentes de energía con la que se disponía y, por otro lado, la realización de un análisis preliminar de ejemplos específicos ya desarrollados (Gaona-García et al., 2014; López A. et al., 2019).

Estructura y composición de la capa de comunicación, adquisición de datos y ejecución de comandos de control de la microrred eléctrica
La capa de comunicación, adquisición de datos y ejecución de comandos de la microrred eléctrica se conforma básicamente de dos tipos de elementos:
a. Central de monitoreo y comunicaciones (CMyC). Este dispositivo tiene como función conformar toda la mensajería necesaria para la comunicación entre la central y los puntos remotos de monitoreo, esto implica realizar las consultas y adquisición de datos, así como la configuración y el envío de acciones. Cabe destacar que este dispositivo tendrá también la función de “control” de lazos de estabilidad (capa 3), tema que no se desarrollará en el presente artículo.

Figura 1. Estructura de la microrred eléctrica

Figura 1. Estructura de la microrred eléctrica

 

b. Puntos remotos de monitoreo y accionamiento (PRMA). Tienen por finalidad establecer todo el accionamiento electromecánico con el dispositivo de base controlado, la adquisición de datos operativos y la comunicación con la CMyC.
Estos elementos están interconectados por un bus de alta velocidad, muy utilizado en ambientes industriales automotrices que es el CAN-BUS. Como lo indican las especificaciones, este es un bus cableado en donde los ceros y unos viajan en modo diferencial sobre dos líneas de comunicación (CANH y CANL), de acuerdo al esquema de la Figura 2.

Figura 2. Esquema conceptual de la transmisión CAN.

Figura 2. Esquema conceptual de la transmisión CAN.

Cabe destacar que la especificación del CAN (ISO 11898) usa los términos “dominante” y “recesivo” para referirse a los bits, donde un bit dominante equivale al valor lógico 0 y un bit recesivo equivale al valor lógico 1. El estado inactivo del bus es el estado recesivo (valor lógico 1). El acceso al bus se basa en eventos y se realiza de forma aleatoria. Si dos nodos intentan ocupar el bus simultáneamente, evento llamado colisión, el acceso se implementa con un arbitraje bit a bit no destructivo, en donde el valor del bit dominante prevalece sobre el valor del bit recesivo. Es decir, no destructivo significa que el nodo ganador del arbitraje simplemente continúa con el mensaje, sin que el mensaje sea destruido o corrompido por otro nodo.
Se seleccionó este tipo de BUS para el proyecto debido a las siguientes particularidades:
– buena inmunidad frente al ruido electromagnético (modo diferencial);
– detección de colisiones
o a nivel de bits individuales
o sin retardo ni pérdida de información para el mensaje más prioritario;
– velocidad 1Mbps @ 40m;
– simple a nivel lógico, físico, topológico;
– requiere poco hardware adicional (transceiver).
También se tuvo en cuenta la posibilidad de incorporar a futuro otro tipo de comunicación para aquellos casos en donde el acceso cableado no sea una opción. La elección definitiva de cuál se va a usar no está totalmente definida, pero en base al material bibliográfico analizado al momento y a las conclusiones consensuadas por el equipo de investigación, existe una alta probabilidad de que se implemente con el estándar de red LoRaWan. Esto está en principio determinado por la facilidad de uso, las bibliotecas disponibles, el alcance de la comunicación y lo económico de los módulos.
La arquitectura de comunicaciones propuesta se basa enteramente en un esquema tipo cliente/servidor, en donde los clientes son los puntos PRMAi y el servidor es el CMyC, como lo muestra la Figura 3. De esta forma, el CMyC puede comunicarse con cada punto remoto como si estableciera un canal individual con cada PRMAi, tanto para parametrizaciones, mediciones, accionamiento o consultas de estado. A su vez, ningún PRMA puede establecer comunicación con otro de su mismo tipo, garantizando la solidez del conjunto operacional.

Figura 3. Esquema conceptual capa de comunicación, adquisición de datos y ejecución de comandos control del sistema (capa2)

Figura 3. Esquema conceptual capa de comunicación, adquisición de datos y ejecución de comandos control del sistema (capa2)

Central de monitoreo y comunicaciones (CMyC)
Como central de monitoreo y comunicaciones se utilizará una notebook con Intel Core i7, 8 Gb de RAM y disco rígido de 1 Tb, monitor color, sistema operativo Windows 10, comunicaciones por WiFi, USB, y transceiver CAN-BUS.
Para proveer a los usuarios de una primera interfaz de comunicación, se desarrolló un software utilizando lenguaje Python (Hughes, 2010; Sitio web Python, 2021). La selección de este lenguaje se justifica principalmente por las siguientes particularidades: i) su código es abierto; ii) cuenta con el soporte de una comunidad activa de usuarios y programadores; iii) los programas se ejecutan en múltiples plataformas, prácticamente, sin modificaciones en el código fuente; iv) soporta variados paradigmas de programación; v) permite desarrollar aplicaciones complejas; vi) dispone de nutridas bibliotecas de código abierto, adecuadamente documentadas, para aplicaciones específicas como gráficos 2D y 3D, comunicaciones, interfaces gráficas de usuario, cálculo científico y desarrollo web; y vii) el equipo de trabajo tiene conocimiento del mismo. Para este desarrollo se utilizó puntualmente la versión Python 3.6, pudiéndose en el futuro compilar en versiones superiores.
Actualmente la aplicación solo permite al usuario, de una manera simple y amigable, poder realizar cualquier comando definido a la fecha vía CAN-BUS, o sea, una aplicación de testing. La intención a futuro es empaquetar las funciones ya realizadas dentro de una única biblioteca que permita que, respetando los formatos definidos en la misma, cualquier aplicación de control pueda convocar a estas funciones solamente sabiendo cómo hacerlo; estableciendo una especie de middleware que garantice, por un lado, la facilidad de comunicación con los PRMA y, por otro, poder modificar y agregar comandos de comunicación sin impacto sobre la aplicación de nivel superior.
Desde el punto de vista del usuario, lo que ve en la pantalla se puede apreciar en la Figura 4. En esta interfaz el usuario puede elegir el destino, el tipo de mensaje, ya sean consultas de un PRMA respecto de sus variables de entrada, parametrización, sincronización del reloj de tiempo real, imponer valores de las variables analógicas y digitales, e inclusive mandar un mensaje tipo broadcast en donde todos los PRMA estarán escuchando y realizando lo solicitado.

Figura 4. Vista de la interfaz del programa de testing

Figura 4. Vista de la interfaz del programa de testing

Esta primera aproximación aplicativa, quedará como una aplicación de testing para poder probar las comunicaciones, sin necesidad de tener que correr una aplicación de control, pudiendo de esta forma realizar un adecuado seguimiento de un problema, aislando lo que es estrictamente comunicacional de las capas de control y de negocio.

Puntos remotos de monitoreo y accionamiento (PRMA)
Dado que el desarrollo de este proyecto tiene como objetivo dar soluciones o respuestas a las necesidades de la microrred, la definición de los requerimientos para el hardware de los puntos remotos se realizó en función de esta premisa.
Por esta razón, se optó por reutilizar y adaptar las placas diseñadas oportunamente para adquisición de datos y control en ambientes industriales (ACQ-II) (Real et al., 2018; Jauré et al., 2020).
A continuación, se presentan sus principales especificaciones:
– Salidas
o Cuatro salidas a relé – 24V @ 1A
o Cuatro salidas Open Drain – 24V @ 0.5A
o Cuatro salidas PWM – 0 a 3,3V @ 10mA
o Dos salidas analógicas (DAC) – 0 a 10V – 0 a 20mA, seleccionable por jumper
– Entradas
o Ocho entradas digitales optoacopladas – 0 a 24V
o Ocho entradas analógicas (single ended) – 0 a 10V – 0 a 20mA, seleccionable con jumpers
o Cuatro entradas analógicas de instrumentación para mediciones especiales – 0 a 3.3V @ 0.5mA
– Buses
o Bus I2C, SPI, GPIO genérica (por ejemplo: para 1-wire, interrupciones y triggers)
– Comunicación
o RS485
o RS232
o USB (por placa Arduino Due)
o CAN
o Conector para placa LoRaWan
– Almacenamiento
o Conector para memoria SD
o Memoria EEPROM (I2C)
o Memoria Flash (SPI)
– RTC
o Por I2C con pila de litio
– Frecuencia máxima de muestreo
o 52µs @ 12 bits. Cada 52µs se dispone de todos los canales elegidos
– Alimentación
o Entrada por transformador: 9Vac+9Vac – 40VA
o Entrada en continua: 15Vdc – 40VA
En aquellos puntos remotos donde se necesite evaluar la calidad de energía (trifásica o monofásica) se acopla al bus SPI de esta placa una solución de la marca Microchip denominada ATM90E36A-DB. La misma tiene varias modalidades de funcionamiento, usándose para esta prestación el modo esclavo, en donde se obtienen por cada canal mediciones de valor medio de tensiones y corrientes, potencia activa, reactiva, aparente, factor de potencia, frecuencia, distorsión armónica y temperatura ambiente (todos al +/-0,5% de error fiducial). También se puede obtener mediciones de energía en el tiempo (+/-0,2% de error, rango dinámico 6000:1).
De esta forma, el conjunto de las dos placas, como se ve en la Figura 5, pasa a ser un punto de monitoreo y actuación de enormes posibilidades, y por cierto más que suficiente para cualquiera de las necesidades planteadas en este proyecto.

Figura 5. Conjunto de nodo remoto (izquierda) con placa medidora de energía eléctrica (derecha)

Figura 5. Conjunto de nodo remoto (izquierda) con placa medidora de energía eléctrica (derecha)

Definición de mensajes
El diseño de los mensajes implica, específicamente, la definición del funcionamiento de la solución. Analizando los objetivos y el marco del proyecto existían distintas opciones de diseño, sin embargo, se consideró pertinente que la definición de los mensajes tenga en cuenta las ventajas que ofrece el CAN-BUS en cuanto a la priorización de los mensajes basado en el tratamiento de las colisiones.
La Figura 6 nos muestra la trama CAN estándar. En la misma se puede observar en blanco los campos que puede definir el usuario, y en gris aquellos que son propios del protocolo y deben ser respetados como están. La asignación de prioridad a los mensajes en el identificador es una característica de CAN que lo hace particularmente atractivo para su uso en un entorno de control en tiempo real. Cuanto menor sea el número de identificación del mensaje binario, mayor será su prioridad. Un identificador que consta completamente de ceros es el mensaje de mayor prioridad en una red porque sostiene el bit dominante por más tiempo. Por lo tanto, si dos nodos comienzan a transmitir simultáneamente, el nodo que envía un último bit de identificación como un cero (dominante), mientras que los otros nodos envían un uno (recesivo), retiene el control del bus CAN y continúa para completar su mensaje. Un bit dominante siempre sobrescribe un bit recesivo en un bus CAN.

Figura 6. Representación de la trama CAN estándar

Figura 6. Representación de la trama CAN estándar

Por lo tanto, se procedió a asignar un formato específico a cada tipo de mensajes, teniendo en cuenta el tema de la priorización, y que el campo “Identifier” es de 11 bits en el formato estándar, y el campo “Data” es de 8 bytes. La asignación realizada para dispositivos remotos sin control de la calidad de energía se puede ver en las Tablas 1 y 2, en donde se expresa claramente la codificación de los elementos intervinientes en el protocolo para que los datos fluyan adecuadamente de acuerdo al estándar CAN-BUS.

Tabla 1. Identificador CAN para los PRMAn y CMyC.

Tabla 2. Asignación de mensajes CAN (DATA) para los dispositivos PRMAn y CMyC, sin medición de calidad de energía eléctrica.

Para el caso de que el punto remoto deba medir las variables que nos permiten determinar cómo se está entregando o recibiendo la energía eléctrica, se realizó una tarea similar a la anterior (ver Tabla 3) en donde se codificaron los mensajes para parametrizar la placa de Microchip ya mencionada, y para poder consultar el estado de tensiones, corrientes, potencias, frecuencia, factor de potencia y distorsión armónica.
En el 95% de los casos, será el nodo CMyC el que, desde su función de master de la red CAN, inicie una secuencia de comunicación con un nodo remoto, quien deberá conformar el mensaje de respuesta conforme al mensaje recibido.
En aquellos casos en donde algún nodo tiene configuradas alarmas respecto del hardware de base (capa 1) con el que está relacionado, tendrá la atribución de iniciar una conversación con el CMyC, enviando un mensaje de atención para poder informar la anomalía encontrada respecto de la parametrización recibida.
También será el caso en que se requiera establecer un lazo de control local en el nodo remoto, en donde una vez cargados los parámetros del lazo, el mismo dispositivo controlará la estabilidad del mismo, pudiendo en caso de ser necesario, requerir la intervención del CMyC cuando los desvíos se encuentren fuera de especificación, dejando la decisión final al controlador de toda la red. Esta modalidad no se encuentra prevista para estas etapas iniciales del proyecto.

Ensayos realizados
En esta primera etapa del proyecto, los ensayos se focalizaron en la correcta transmisión de los mensajes por la red, su interpretación y accionamiento correspondiente.
Justifica esto el hecho de que las placas originales ya mencionadas, ACQ-II y ATM90E36A-DB, demostraron ser altamente eficientes y plenamente operativas en proyectos anteriores, por lo que se priorizó la realización de ensayos sobre las comunicaciones. Por supuesto que, cuando las capas 1 y 2 de la red estén acopladas, se deberá verificar la correcta medición de las variables en juego, como así también lo que respecta al control cuando las capas superiores 3 y 4 se unifiquen al conjunto.
Establecido el entorno de prueba, que puede observarse en la Figura 7, vemos que se dispone de tres nodos: 1) el CMyC (Notebook), 2) un PRMA sin placa analizadora de energía eléctrica y, finalmente, 3) un PRMA con placa esclava de medición de energía eléctrica conectada por SPI. Así, el conjunto representa la totalidad de los tipos de nodos que se nos van a presentar al momento que se integren todas las capas en un ensayo unificado.

Tabla 3. Asignación de mensajes CAN(DATA) para los dispositivos PRMAn y CMyC, con medición de calidad de energía eléctrica.

 

Se dispone del instrumental necesario para los ensayos, constituido por un generador de señales electrónicas para las entradas, una fuente de poder, un multímetro digital y un osciloscopio de dos campos (analógico y digital), el cual se utilizó para poder visualizar lo que ocurre en el tiempo con las señales analógicas y digitales y, por otro lado, en el bus de comunicación digital por SPI.

Figura 7. Ensayo de comunicación CAN-BUS y protocolo de comandos cliente/servidor.

Figura 7. Ensayo de comunicación CAN-BUS y protocolo de comandos cliente/servidor.

La secuencia de ensayos que se hicieron abarcó todo el espectro definido de posibles eventos de comunicación, tratando de separar los problemas que pudieran venir de la CMyC de aquellos provenientes de los PRMA.
Cabe destacar en este punto que la placa ACQ-II, que es la base de todo punto remoto PRMA, ya dispone de un esquema interno de atención por comandos en su firmware (ver Tabla 4), por lo que la actividad sobre esa parte del sistema consistió, por un lado, en la reutilización de las funciones que tienen que ver con los comandos existentes, y por otro, en la validación por BUS-CAN de los mensajes que utilizan esas funciones (Real et al., 2018; Jauré et al., 2020). Esto implica una división interna de tareas en el nodo que ayuda a la reutilización del código, pero además para poder simplificar el camino de resolución de errores.

Tabla 4. Formato genérico de los comandos internos de la placa ACQ-II

De esta forma, no solo se logra una comunicación concreta y versátil, sino que cualquier especificación adicional que se quiera incorporar y que implique una relación con los periféricos, se podrá realizar de la misma forma, estandarizando así toda la comunicación presente y futura.
En cuanto al funcionamiento, el nodo remoto trabaja por modos. Esto está directamente asociado con cada una de las prestaciones que dispone, de acuerdo con la medición y/o el control que se quiera realizar. Dichos modos son:
– Adquisición de datos (ADQx)
– Automatización (AUI)
A continuación, en la Tabla 5, se especifica el detalle de los modos de trabajo.

Tabla 5. Modos de trabajo

Si bien algunas de las bibliotecas disponibles para uso en el entorno de programación Arduino podrían no estar lo suficientemente probadas, planteando así dudas relativas a la fiabilidad y/o estabilidad del firmware, cabe destacar que como el proyecto se desarrolló planteando la apertura del firmware, cualquier interesado puede reescribirlo con las bibliotecas que considere adecuadas. Es decir, si la estabilidad o fiabilidad no es suficiente, se puede reescribir la biblioteca que está generando el problema o, en su defecto, todo el firmware.
En la Figura 8 se puede observar la pantalla de usuario que posee el programa de testing con los comandos emitidos y las respuestas correspondientes de los puntos remotos.
El seguimiento de las versiones del software de las CMyC, como así también el del firmware de los PRMA, se realiza a través del uso de la herramienta Github (disponible en: https://github.com/SADyCUNGSIDEI/). Esta constituye un elemento muy importante para llevar adelante el desarrollo del sistema, con una adecuada revisión sistemática de la evolución de los elementos constituyentes a medida que se avanza en el proyecto.

Figura 8. Captura de pantalla de las pruebas de comunicación

Figura 8. Captura de pantalla de las pruebas de comunicación

 

RESULTADOS OBTENIDOS
Debido a las imposiciones gubernamentales respecto de la pandemia, que indefectiblemente alcanzaron a los ambientes universitarios, ha sido imposible disponer de todos los recursos del laboratorio de ingeniería. Ante esta realidad, y para no detener completamente el proceso de pruebas previstas en el marco del proyecto, la universidad autorizó la salida de algunos equipamientos fuera del ámbito universitario, con lo que se pudieron armar pequeños laboratorios, obviamente con un alcance menor al original.
Dentro de este nuevo marco de trabajo, se hicieron los ensayos mencionados anteriormente y, si bien las mediciones realizadas no demuestran cómo se va a comportar el equipamiento en el ambiente definitivo de trabajo, las mismas permitieron ajustar el funcionamiento individual de los componentes.
Hasta este momento ya se ha probado todo el set de comandos y se logró establecer una comunicación satisfactoria entre la PC, que funciona como un CMyC, y los dos puntos remotos o PRMA. Todos los mensajes que fluyeron en ambas direcciones fueron completamente interpretados y ejecutados, siempre manteniendo el esquema planteado de cliente/servidor.
Distintos tipos de señales conectadas a las entradas desde el generador de señal fueron correctamente medidas dentro del error esperado del 0,5%, tanto para los canales analógicos de la placa base, como para las mediciones desde la placa de Microchip. También se incorporaron señales de tensión a través de un transformador reductor, para medir tensión, frecuencia y distorsión armónica; estos también estuvieron dentro del error esperado de acuerdo a especificación del fabricante.
Además, se midieron velocidades sobre el CAN-BUS con el osciloscopio en modo digital, verificándose velocidades de 1 Mb/s, lo que satisface ampliamente nuestras expectativas de comunicación para un entorno de tiempo real. Luego se midieron velocidades de comunicación SPI entre la placa base y la placa de Microchip, siendo las mismas del orden de los 10Mb/s.

DESARROLLO DE RECURSOS HUMANOS
El desarrollo de los PRMA prototipos, supuso la formación específica de un estudiante de la carrera de ingeniería electromecánica quien, a pesar de no tener una formación específica en ingeniería electrónica, sus inclinaciones hacia el hardware permitieron ajustar la señalización entre la placa ACQII y la placa de Microchip.
Para el desarrollo del software de la CMyC participó un estudiante de la tecnicatura en automatización y control, cuya orientación hacia los sistemas y su formación de trabajo sobre comunicaciones le permitieron brindar aportes significativos para la realización de los ensayos, como así también, la elaboración del código fuente.
Este trabajo les brindó a estos estudiantes la posibilidad de participar en el desarrollo de casos concretos de diseño, que exceden el ámbito teórico, en los cuales suelen presentarse problemáticas que en simulaciones áulicas no se manifiestan. Por otro lado, les permitió tener contacto directo con microcontroladores de 32 bits, conocer su arquitectura y elaborar bibliotecas para los respectivos drivers.
Finalmente, se incorporó a un recientemente graduado de ingeniería electromecánica con orientación en automatización para contribuir en aspectos de mejoras del código de los PRMA, y considerando que actualmente se desempeña como jefe de trabajos prácticos de la cátedra de Desarrollo Avanzado con Microcontroladores de la Tecnicatura en Automatización y Control, se espera que se puedan establecer posibles trabajos prácticos futuros de laboratorio sobre el hardware que quedará, oportunamente, a disposición del Laboratorio de Ingeniería.

CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
En principio, se han alcanzado ciertos hitos que indican que la investigación se encuentra en el camino correcto. Particularmente, resulta importante destacar que:
– se han diseñado todos los módulos de hardware, firmware y software de la capa 2 del proyecto;
– se probaron satisfactoriamente el total de las posibles transmisiones consideradas hasta este momento;
– los primeros resultados de las pruebas fueron satisfactorios; lográndose configurar parámetros, accionar sobre salidas digitales y analógicas, leer entradas analógicas y digitales, como así también, realizar la lectura de las variables de calidad de energía;
– se corrigieron los pocos errores de firmware que se fueron manifestando en los ensayos.
Por otro lado, el trabajo que queda por realizar en lo inmediato tiene distintas aristas, de las cuales las más destacables son:
– realizar el acoplamiento entre las cuatro capas pensadas para el proyecto en su totalidad;
– verificar el correcto funcionamiento del conjunto, tanto en sus aspectos de medición, como en los de comunicación, control y gestión de energía;
– caracterizar el error de medición en cada uno de los modos de funcionamiento, contrastando los resultados con los entregados por sendos instrumentos patrones en el laboratorio de ingeniería;
– documentar exhaustivamente la arquitectura y el uso del sistema facilitando a los profesores y alumnos su uso en las prácticas y para un posible crecimiento del proyecto.
Finalmente, una vez que se haya avanzado en estos últimos ítems y, con la consecuente publicación en la página web de todo la información y los resultados de las pruebas, se torna importante la adhesión que tenga de la comunidad universitaria y de investigación para enriquecer un sistema que está pensado para ser mejorado, ampliado y enriquecido con nuevos componentes, tanto de hardware como de software.

AGRADECIMIENTOS
En el marco de las pruebas de laboratorio, queremos expresar nuestro especial agradecimiento al personal del Laboratorio de Ingeniería del Instituto de Industria de la Universidad Nacional de General Sarmiento por la buena voluntad de hacernos llegar todo el instrumental necesario para estas primeras pruebas, aún dentro del marco restrictivo de la pandemia. Gracias a estas acciones se pudo armar un laboratorio fuera de las instalaciones de la Universidad, posibilitando la realización de las pruebas vinculadas a las mediciones de parámetros y a la comunicación entre CMyC y las PRMAn.

REFERENCIAS
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Bordons, C., García-Torres, F. y Valdeverde, L. (2015). Gestión Óptima de la Energía en Microrredes con Generación Renovable. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 12 (2015) p.p 117–132. Disponible en https://core.ac.uk/download/pdf/250238958.pdf. (Última fecha de acceso: 26/05/2021).

Gaona-García, E., Trujillo, C. y Rojas Cubides, H. (2014). Infraestructura de comunicaciones en microrredes eléctricas. Redes de Ingeniería, volumen 5, número 2, pp. 28-38, diciembre 2014. Disponible en: file:///C:/Users/usuario/Downloads/8044-38044-1-PB.pdf (Último acceso: 23 de julio de 2021)

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