Monografias | Propuesta de Sistema de gestión y control de energía en la Universidad de Ciencias Informáticas

Resumen

Debido situación político-económica mundial surge la Revolución Energética como política para contrarrestar la posible crisis energética. Por lo tanto el ahorro de energía viene siendo uno de puntos fuertes en los que se trabaja, por lo que en este trabajo se propone el uso de la domótica como una solución para una gestión y control más eficiente del ahorro de energía. Su instalación en la Universidad de las Ciencias Informáticas permitiría la automatización de la lectura y control del consumo, además de una optimización del ahorro utilizando como medio de comunicación las redes ya existentes por lo que la inversión seria mucho menor ya que no se tendría que invertir en infraestructura. Utilizando para el control dispositivos de tecnología X-10 modulada sobre las redes eléctricas y estos a su vez se conectarían a la red de datos donde sería monitoreado el sistema a través de computadoras que controlarían el consumo. Estos dispositivos se pueden encontrar en el mercado, además de ser posible su desarrollo en Cuba, permitiendo así disminuir la importación de componentes para su instalación. Estudiando las ventajas que ofrece este tipo de tecnología podemos decir que la difusión de su uso en el sector estatal aportaría un gran ahorro de energía y combustibles, ayudando a la economía del país así como la protección del medio ambiente.
Palabras claves--- ahorro energético, domótica, edificios inteligentes, microcontroladores PIC.

I. Introducción.

Nuestro país se encuentra actualmente enfrascado en una Revolución energética con vistas a optimizar y ahorrar recursos tan vitales en la economía como son los combustibles. Dicha estrategia toma relevante importancia debido a los altos precios que últimamente han tenido los combustibles por el alza del costo del barril del crudo cuyo precio sobrepasa los 100 dólares la unidad y sigue en ascenso. Por lo cual es necesario aumentar el rigor con que se realiza la revolución energética, la cual hasta el momento solo ha enfatizado su trabajo en la generación y distribución de energía eléctrica y el cambio de equipos eléctricos por otros más eficientes, pero aun el consumo es alto y gran parte del mismo está reflejado en el sector empresarial.

Por ejemplo, en la Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI), debido a la gran cantidad de equipos electrónicos que existen en ella, los consumos energéticos son muy elevados llegando a ser uno de los grandes consumidores de la provincia Ciudad de la Habana, y a pesar de las medidas que se han implementado para reducir estos consumos, aun es insuficiente la reducción de los mismos. Por lo tanto el problema a resolver es ¿Cómo lograr una solución económica para optimizar el ahorro de energía en la UCI?

Definiendo como objeto de estudio la domótica. Teniendo como objetivo general desarrollar un sistema de gestión y control de energía, dentro del campo de acción sistema electroenérgetico de la UCI. Por lo que nos planteamos como hipótesis si se logra implementar y desarrollar un sistema de gestión y control óptimo de la energía lograremos contribuir al ahorro energético en la UCI.
Para dar cumplimiento al objetivo de este trabajo se definieron las siguientes tareas de la investigación:
· Estudiar las soluciones disponibles y los protocolos de comunicación en el campo de la domótica.
· Investigar los dispositivos disponibles en el mercado y sus variantes en el campo domótico.
· Estudiar los microcontroladores PIC y su aplicación.
· Presentar proyecto de solución para la gestión y control de energía.
Por lo que nos planteamos la estrategia del uso de la domótica como tecnología para el ahorro y optimización de energía, además de permitirnos contar con una comunicación efectiva, clara y rápida que nos proporciona una mejor gestión. Esta tecnología permite la automatización de edificios de oficinas, hospitales, escuelas, hoteles, etc. y su implementación en la Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI) permitirá un ahorro sustancial no solo de energía, sino de dinero y combustible, teniendo amplia repercusión en el Sistema Electroenergético Nacional (SEN).
En la implementación de esta tecnología se utilizarían protocolos de comunicación como la tecnología X-10 para el control y supervisión local y los protocolos Ethernet para su gestión y control centralizada lo cual permitiría la reutilización de la infraestructura ya existente. Para las mismas existen gran cantidad de componentes que permiten su fácil instalación y configuración ofrecida por gran variedad de fabricantes pero que también se puede implementar y desarrollar en Cuba con un mínimo de importación de componentes.

II. Desarrollo

Edificios inteligentes
Debido al amplio avance en el desarrollo de las tecnologías, sobre todo en la informática y las comunicaciones, hoy podemos hablar de términos como sistemas inteligentes o edificios inteligentes. Estas no son más que edificaciones dotadas de sistemas de control central que dan la capacidad de administrar energía, automatizar actividades, aumentar la eficiencia telecomunicaciones y controlar la seguridad de ocupantes e instalaciones, entre otros.
Según la Real Academia Española cuando se refiere al término inteligente en el caso de los sistemas o los edificios los define como elementos controlados por ordenadores que son capaces de responder a cambios del entorno para establecer las condiciones óptimas de funcionamiento sin intervención humana.[1]
Dichas edificaciones son diseñadas para que emplearan la energía mínima necesaria para operar y con el paso del tiempo se logró incorporarles servicios que optimizan su funcionalidad.
Estos son diseñados para brindar facilidades como control y optimización de energía eléctrica, sistema de alimentación interrumpida, control de iluminación, sistema de protección contra incendios, sistema de control de aire acondicionado, sistema integrado de seguridad, sistema de gestión y control de locales y habitaciones, sistemas de comunicaciones, sistemas de distribución de tv, sistema de control de salas de reuniones y salas multifuncionales, etc.
En Cuba esta tecnología ha sido poco usada pero su uso ha sido fundamentalmente en el sector hotelero debido a las funcionalidades de confort y seguridad que brinda.
Los Protocolos de Domótica.
Los protocolos de comunicación son los procedimientos utilizados por los sistemas de domótica para la comunicación entre todos los dispositivos con la capacidad de ¨controlador¨.
Existe una gran variedad de protocolos, algunos específicamente desarrollados para la domótica y otros protocolos con su origen en otros sectores, pero adaptados para los sistemas de domótica. Los protocolos pueden ser del tipo estándar abierto (uso libre para todos), estándar bajo licencia (abierto para todos bajo licencia) o propietario (uso exclusivo del fabricante o los fabricantes propietarios).
Entre estos podemos mencionar algunos como Ethernet, Konnex, Lonworks, X-10, Firewire, WiFi, entre otros.
Protocolo X-10.
X-10 es uno de los protocolos más antiguos que se están usando en aplicaciones domóticas. Fue diseñado en Escocia entre los años 1976 y 1978 con el objetivo de transmitir datos por las líneas de baja tensión a muy baja velocidad (60 bps en EEUU y 50 bps en Europa) y costes muy bajos. Al usar las líneas eléctricas de la vivienda, no es necesario tender nuevos cables para conectar dispositivos. El protocolo X-10, en sí, no es propietario, es decir, cualquier fabricante puede producir dispositivos X-10 y ofrecerlos en su catálogo., además de los circuitos del fabricante escocés que diseño esta tecnología se pueden desarrollar con otro tipo componentes como los microcontroladores PIC. Es una tecnología simple que utiliza un protocolo de comunicación sencillo y algo limitado, pero que continúa en plena vigencia y es suficiente para resolver las necesidades de domotización.
Nivel Físico
El protocolo X-10 usa una modulación muy sencilla, comparado con las que usan otros protocolos de control por ondas portadoras. El transceiver X-10 está pendiente de los pasos por cero de la onda sinusoidal de 60 Hz típica de la alimentación eléctrica para insertar un instante después una ráfaga muy corta de señal en una frecuencia fija.
Se puede insertar esta señal en el semiciclo positivo y el negativo de la onda sinusoidal. La codificación de un bit 1 o de un bit 0, depende de cómo se inyecte esta señal en los dos semiciclos. Un 1 binario se representa por un pulso de 120 KHz durante 1 milisegundo y el 0 binario se representa por la ausencia de ese pulso de 120 KHz. En un sistema trifásico el pulso de 1 milisegundo se transmite tres veces para que coincida con el paso por el cero en las tres fases. Con este sistema, de una forma sencilla el protocolo X10 permite 256 direcciones de componentes distintos conectados a la red eléctrica que podemos controlar.
Por lo tanto, el Tiempo de Bit coincide con los 20 msg que dura el ciclo de la señal, de forma que la velocidad binaria de 60 bps viene impuesta por la frecuencia de la red eléctrica que tenemos en Cuba.
La transmisión completa de un orden X-10 necesita once ciclos de corriente. Esta trama se divide en tres campos de información:
· Dos (2) ciclos representan el Código de Inicio.
· Cuatro (4) ciclos representan el Código de Casa (letras A-P),
· Cinco (5) ciclos representan el Código Numérico (1-16) o bien el Código de Función (Encender, Apagar, Aumento de Intensidad, etc.).
 


Ethernet.
El Ethernet es una tecnología, la cual ha sido demostrada y establecida como un medio eficaz de transmisión de datos en el campo de tecnología de la información y comunicaciones.
El Ethernet usa cables coaxiales o cables de par trenzado predominantemente como un medio de transmisión. La conexión para el Ethernet, a menudo ya existente en las redes, (LAN, Internet) es fácil y el intercambio de datos en una velocidad de transmisión de 10 Mbps o también 100 Mbps es muy rápido.
El Ethernet ha sido equipado con el software de comunicación de más alto nivel, además para el estándar IEEE 802.3, como TCP/IP para permitir la comunicación entre sistemas diferentes. El protocolo de TCP/IP brinda un alto grado de confiabilidad para la transmisión de la información. Esta es uno de los protocolos mas difundido en el mundo para redes de computadoras.
Microcontroladores PIC.
Los microcontroladores PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC en memoria EPROM/FLASH fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments.
Características
Los PICs actuales vienen con una amplia gama de mejoras hardware incorporadas como núcleos de UCP de 8/16 bits con Arquitectura Harvard (arquitectura de computadoras que utilizaban dispositivos de almacenamiento físicamente separados para las instrucciones y para los datos) modificada, memoria Flash y ROM disponible desde 256 bytes a 256 kilobytes, puertos de E/S (típicamente 0 a 5,5 voltios), temporizadores de 8/16 bits, memoria EEPROM interna con duración de hasta un millón de ciclos de lectura/escritura, conversores analógico/digital de 10-12 bits, módulos de comunicación serie, UART, núcleos de control de motores, etc. (dependiendo de la familia específica de microcrontrolador PIC)
El PIC usa un juego de instrucciones tipo RISC (conjuntos de instrucciones pequeñas y simples que toman menor tiempo para ejecutarse), cuyo número puede variar desde 35 para PICs de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de condicionamiento y de salto/retorno, implementación de interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada sleep. El tamaño de palabra de los microcontroladores PIC por lo general es de 8 bits
III. Uso de la domótica en la Universidad de Ciencias Informáticas (UCI) como estrategia de ahorro de energía.
Sistema de gestión y control de energía de la UCI
La UCI se encuentra entre uno de los grandes consumidores de energía y la gestión del ahorro de la misma aun no es óptima. Por tal motivo se plantea como estrategia el uso de la domótica para la gestión y control de ahorro de energía aprovechando la infraestructura presente en ella. Uno de los puntos clave es el amplio uso de las tecnologías de la informática y las comunicaciones que permitirá el uso de infraestructura ya instalada para la implementación de dicha tecnología.
Funcionalidad
El sistema brindará la posibilidad de gestionar y controlar la energía eléctrica en la Universidad tanto en los docentes como en los edificios de apartamentos de la beca universitaria. Así como supervisar el consumo de electricidad por áreas. Se puede integrar al sistema de emergencia de incendios.
Arquitectura
Como arquitectura se utilizaría la Arquitectura Híbrida / Mixta donde se combinarían las arquitecturas de los sistemas centralizadas, descentralizadas y distribuidas. A la vez que puede disponer de un controlador central o varios controladores descentralizados, los dispositivos de interfaces, sensores y actuadores pueden también ser controladores (como en un sistema ¨distribuido¨) y procesar la información según el programa, la configuración, la información que capta por si mismo, y tanto actuar así como enviarla a otros dispositivos de la red, sin que necesariamente pase por otro controlador.
En los niveles más bajos se encontraría una computadora la cual registraría en una base de datos y además se encargaría de enviar reportes hacia un nodo central en el cual se realizaría la gestión de ahorro de energía. (Fig 3)
Los niveles de la arquitectura
Los niveles de la arquitectura "inteligente" son:
1. Nivel Físico: es donde se tienen todos los dispositivos de medición y control. Aquí se instalarían los dispositivos X-10(actuadores y sensores) para el encendido y apagado de equipos conectados a la red eléctrica del edificio. Estos se comunicarían a través de la red eléctrica utilizando el protocolo X-10 con el controlador, el cuál se encargaría de realizar el control y serviría de interface con la red de datos para la transmisión de estos hacia un subnodo.
2. Nivel de Monitoreo: en este nivel estarían una serie de subnodos que se comunicarían con varios controladores y se encargarían de verificar el buen funcionamiento, almacenando los registros de acciones y consumo de electricidad en una base de datos, que se utiliza posteriormente para generar reportes.
3. Nivel Evaluativo: en este nivel estaría un nodo central el cual se encargaría de la gestión eléctrica general, es el que analiza la Información proveniente del monitoreo, y que permitiría la toma de decisiones pertinentes, ordenando ciertas acciones en caso necesario.
4. Nivel de Control Inteligente: es la unidad cuya misión es supervisar y decidir el sentido del funcionamiento de las instalaciones del edificio. Este nivel estaría presente en los subnodos para la gestión y control local y en el nodo central para el control general. En este nivel, se pueden aplicar las técnicas de Inteligencia Artificial. Mediante esta unidad, es posible ofrecer al usuario, control total de los dispositivos y generar sugerencias sobre cómo resolver las problemáticas. Tales propuestas pueden ser producidas por Sistemas Expertos u otros Sistemas Inteligentes.



Los Dispositivos
Lo dispositivos propuestos para la gestión y control del ahorro son:
· Controlador: Los controladores serian dispositivos que tendrían el control de un local, apartamento o zona a automatizar. Estos dispositivos X-10 se implementarían usando microcontroladores PIC y seria los que se comunican con los diversos actuadores y sensores, para controlar y gestionar los datos y que a su vez serian la interface entre el protocolo domótico X-10 y el protocolo para redes de computadoras Ethernet y así mantener la comunicación con las computadoras encargadas de gestionar, registrar y evaluar la información para hacer tomas de decisiones.
· Actuador: El actuador seria el dispositivo X-10 desarrollado con microcontroladores PIC y algún elemento actuador y seria el encargado de ejecutar a orden recibir del controlador por lo que realizaría la acción directa sobre el local o equipo eléctrico (encendido/apagado, subida/bajada, apertura/cierre, etc.).
· Sensor: El sensor seria un dispositivo X-10 usando microcontroladores PIC seria en este caso un contador de consumo eléctrico que enviaría la información de lectura al controlador X-10.
· Bus: Debido a que utilizara el protocolo X-10 se reutilizara la misma red eléctrica presente, así como red de datos para la gestión y control desde la computadora.
· Interface: Como interface se utilizaría la intranet pues los datos y el control se realizaría de forma remota a través de computadora donde se mostraría la información del sistema para los administradores y donde los mismos pueden interactuar con el sistema.
Todos los dispositivos se pueden encontrar en una amplia gama y con gran cantidad de fabricantes pero también pueden desarrollarse y adaptarse a las condiciones especificas en la que se emplearán haciendo uso de un dispositivo de gran versatilidad como son los microcontroladores PIC.
Dispositivo embebido de interface Ethernet
Un simple dispositivo embebido de interface Ethernet consiste de un pequeño microprocesador dedicado conectado a una típica tarjeta Ethernet la cual se conecta a la red de datos. La tarjeta Ethernet actúa como un sofisticado convertidor serie-paralelo. Su función es leer la serie paquetes de datos recibidos, comparar su byte cabecera con una dirección interna, realizar cálculos de comprobación, y poner el bloque en un buffer de datos accesible del tipo cola FIFO. Este bloque de dato será procesado posteriormente El trabajo del microprocesador es para recuperar los bloques, y de acuerdo con la información contenida, realizar unos cálculos más datos y de comprobación, a continuación, pasar los datos a otro dispositivo o sistema. El micro debe ser lo suficientemente rápido para recuperar los marcos de buffer FIFO antes de los sobreflujos o paquetes que se pueden perder.
En este dispositivo se pueden implementar los protocolos contenidos dentro de los protocolos de Ethernet (HTTP, SMTP, Telnet)
Dispositivos X-10 usando microcontroladores PIC
Los microcontroladores PIC pueden fácilmente ser usados en conjunción con la tecnología X-10 para crear una aplicación de control domótico. En especifico los microcontroladores PIC usados pueden ser seleccionados basados en su memoria RAM, ROM, frecuencia de operación periféricos y requerimientos de costo para la aplicación en particular. Por ejemplo puede ser utilizado el PIC16F877A debido a su versatilidad como un microcontrolador de propósito general, este tiene una memoria de programa FLASH para su fácil programación, memoria de dato EEPROM, y amplias E/S. O se puede usar de igual manera el PIC18F452 para expandir las funcionalidades del componente
La implementación de la tecnología X-10 en un PIC permite crear un controlador domótico que puede enviar y recibir señales X-10. Además de implementar un controlador domótico, un PIC también permite comunicar el circuito o adaptarlo a otro tipo de aplicación. La librerías de X-10 brindadas por el fabricante permiten desarrollar diversas aplicaciones para tecnología X-10 usando microcontroladores PIC.
Este dispositivo conectado al dispositivo de interface Ethernet puede servir de interface entre los dispositivos X-10 de la red domótica y las computadoras conectadas a la red de datos Ethernet.
Programación para la gestión y control.
Para la programación del sistema de gestión y control de energía se utilizaría un Sistema de Control y Adquisición de Datos (SCADA por sus siglas en ingles, System of Control And Data Acquisition) que programaría desde el nivel físico hasta el evaluativo y de control inteligente. En el nivel físico seria la programación directa en los microcontroladores PIC para los cuales ya existen las librerías brindadas por el fabricante para su utilización con el protocolo X-10. También para la interface con las redes Ethernet existe el software para dicha comunicación. Lo que seria necesario seria desarrollar una aplicación que permitiera la integración de todos los niveles así como su control utilizando inteligencia artificial.
Análisis económico.
El consumo energético en la UCI con las políticas implementadas para el ahorro de energía ha disminuido pero aun es insuficiente y los valores de consumo son aun altos según datos suministrados por la Dirección de gestión energética.
La estimación del porcentaje de ahorro obtenido gracias a la implantación de un edificio inteligente depende de la situación previa a la implantación del sistema. Algunos estudios (Economic and Energy Savings from using Energy Management Systems, Proyecto ESPRIT de la Unión Europea nº 8140) cuantifican el ahorro hasta en un 30% sobre el consumo de electricidad y climatización para un edificio ya existente, siempre que el sistema de gestión técnica centralizada optimice el funcionamiento según los criterios anteriormente mencionados.
Se pueden estimar estos ahorros en cuatro aspectos fundamentales; entre un 5-10% por el consumo eléctrico de refrigeración (climatización), entre un 10-15% por aires acondicionados, entre un 10-15% por alumbrado, entre un 10 y 20% de aumento de vida media de los equipos por realizarse un mejor mantenimiento y mejores condiciones de explotación. [7]
En las siguientes tablas se muestran los datos reales del primer trimestre del año de consumo eléctrico y gastos económicos y los posibles gastos si estuviera funcionando el sistema:



Por otra parte si los dispositivos se desarrollaran en Cuba con el mínimo de recursos para importar. Aunque en el Mercado podemos encontrar gran variedad de productos para la implementación de la domótica utilizando la tecnología X-10, si se desarrolla los dispositivos en Cuba se importarían la menor cantidad de componentes y a precios mucho más bajos.
Aún sin haber sacado el costo total de la instalación del sistema podemos afirmar que su amortización seria en un tiempo relativamente corto debido a que además de los beneficios de gestionar y controlar el ahorro, el mismo ayudaría además al estudio de políticas y estrategias más efectivas por lo que existiría un ahorro mayor.

IV. Conclusiones

En el presente trabajo se hace un estudio de los edificios inteligentes o domótica y sus funcionalidades para su posible uso como estrategia de ahorro energético y de protección al medio ambiente antes la situación política, económica, medioambiental y social del mundo que llevan al mundo hacia una crisis energética y medio ambiental y de cuya repercusión no esta exento nuestro país. También se estudia la posibilidad del desarrollo en Cuba de dispositivo para el control domótico para la expansión de la tecnología con el mínimo de importaciones. Y debido a las funcionales de dicha tecnología para el control óptimo del ahorro se plantea su implementación en la Universidad de las Ciencias Informáticas lo que permitiría la una disminución sustancial del consumo eléctrico en dicho centro.
Para posterior ampliación e implementación de la solución planteada en este trabajo recomendamos:
· Fomentar el uso de la domótica como solución al alto consumo en el sector estatal.
· Un estudio del desarrollo del hardware para el uso de la domótica en Cuba
· Un estudio del desarrollo de una aplicación de software para el uso de la domótica.
· Un estudio más profundo de su aplicación en la Universidad de las Ciencias Informáticas con la creación de un grupo multidisciplinario.
· Un estudio de su aplicación no solo en la UCI sino en gran parte del sector estatal para contribuir al ahorro general del país.

V. Bibliografía

[1]Real Academia Española,http://www.rae.es
[2] Edificios inteligentes , http://www.monografias.com/trabajos15/edific-inteligentes/edific-inteligentes.shtml
[3] Casadomo, www.casadomo.com
[4] Microchip Technology Inc, ww.microchip.com
[5] Eddy Insam ,TCP/IP on a PIC, http://www.eix.co.uk/Articles/Ethernet/WWarticle.htm , 2001
[6] Adam Dunkels, The uIP TCP/IP stack for embedded 8-bit microcontrollers, http://www.sics.se/%7Eadam/uip/index.php/Main_Page, 2006
[7]Arquitectura de un sistema de Gestión Centralizada para la información y control de la energía eléctrica en la UCI, 2007

Datos de los autores:
Odalys Rosa Falcón Márquez: Ing. En Máquinas Computadoras. Profesora Departamento de Sistemas Digitales Universidad de Ciencias Informáticas.
Dieter Jackson Rodríguez: Ing. En Automática. Profesor Departamento de Sistemas Digitales Universidad de Ciencias Informáticas.

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