I+i Investigación aplicada e innovación. Volumen 2 - Nº 1 / Primer Semestre 2008

30

Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008

Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior

Teaching model on robotics in higher education institutions

Raúl Medrano Tantaruna, Miguel Chávez Luna

ResuMen

La enseñanza de la robótica en universidades e institutos

tecnológicos se dificulta en la medida que los estudiantes

encuentran algunos tópicos difíciles de entender debido

al uso necesario de herramientas matemáticas para de-

terminar, por ejemplo, la ubicación de la “garra” del robot,

con respecto a un punto de referencia. En este trabajo los

autores proponen un método de enseñanza que combina

la teoría y la práctica para mejorar así el nivel de compe-

tencia de los estudiantes interesados en esta disciplina. La

primera parte de este artículo se enfoca en la enseñanza

de los conceptos básicos y herramientas de simulación

para localizar un punto en el espacio, modelando el mo-

vimiento de una cadena cinemática a través de la herra-

mienta de robótica de MATLAB. En la segunda parte, el

modelo simulado es implementado entregando un kit a

los estudiantes, quienes diseñan el algoritmo de control

usando LabView para control de movimiento.

AbsTRACT

Teaching of robotics in universities and technology ins-

titutes becomes difficult as students find some topics

hard to understand, due the necessary use of mathema-

tical tools for determining for example the position of a

“robot’s claw” related to a reference point. In this paper

the authors show a teaching method which combines

theory and practice, in order to raise the level of compe-

tence of students interested in this discipline. First part of

this article is focused on teaching the basic concepts and

simulation tools used to locate a point in space, modeling

the movement of a cinematic chain through the robotics

toolbox of MATLAB. In the second part, the simulated mo-

del is implemented by giving a kit to students, who de-

sign the control algorithm using a program in LabView for

motion controlling.

PALAbRAs CLAves

Cinemática directa, cinemática inversa, matriz de rotación,

matriz homogénea.

Key WoRds

Direct kinematics, inverse kinematics, rotation matrix, ho-

mogenous matrix.

InTRoduCCIón

Para no extender el presente trabajo, vamos a dar por co-

nocidos algunos términos que de otro modo ocuparían

muchas líneas en explicarlos. El método de enseñanza

usado será dividido en las siguientes etapas:

Etapa de Fundamentos a) Aplicar herramientas matemá-

ticas para localizar un objeto en el espacio, en el cual nos

apoyaremos por las matrices de rotación y las matrices

homogéneas. b) Estudiar una cadena cinemática confor-

mada por eslabones y articulaciones en donde debemos

localizar cada una de éstas tomando como referencia las

posiciones de las anteriores para lo cual haremos uso de

la notación de Denavit-Hartenberg (D-H). c) Usar el Tool-

box de Robótica desarrollado por Corke para MATLAB [2]

con la cual efectuaremos la simulación de control en cine-

mática directa de un robot antropomórfico de 5 DOF, que

posteriormente será implementado en la etapa práctica.

Etapa de Aplicación: a) Construir el robot a partir de la

entrega de un kit con todas sus piezas en la que los es-

labones son planchas de aluminio, las articulaciones son

los servomotores y el extremo es una pinza. b) Medir lon-

gitudes y pesar las piezas del robot para su modelado en

modo cinemático y dinámico (en posterior trabajo). c)

Diseñar un programa en LabView para controlar el mo-

vimiento angular de los servomotores, que permitan al

robot desplazar su extremo entre puntos específicos.

31


En la Figura 1 se observa un diagrama de bloques con

todos los elementos participantes en el control de movi-

miento del extremo del robot. En este caso se está consi-

derando que la garra es un punto ideal, razón por la que

sólo se necesitan los valores de posición para ubicarla.

Como todo robot está conformado por servomotores de

movimiento giratorio instalados en sus articulaciones y

el movimiento de la garra es un desplazamiento. Para el

control efectivo se deben realizar dos conversiones de

movimiento que se denominan Cinemática Inversa y Ci-

nemática Directa.

Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de control de

robot con 3 grados de libertad (DOF).

FundAMenTos

En la Figura 2 se observa el punto P, cuya posición está

expresada respecto del sistema cartesiano X’Y’Z’ y cuyo

origen está unido con el de otro sistema XYZ. Se desea

obtener la posición de dicho punto respecto del sistema

cartesiano XYZ. Notar que el sistema X’Y’Z’ está rotado un

ángulo en sentido horario del eje Z.

Figura 2. Posición del punto P en el eje coordenado X’Y’Z’,

rotado ° respecto del eje Z de XYZ.

Las herramientas matemáticas necesarias para ubicar el

punto P(X’,Y’,Z’

) respecto del eje cartesiano XYZ se deducen

geométricamente y se obtiene la Ecuación 1.

(ec. 1)

Ordenando en el formato de matriz tenemos la ecuación

2,

(Ec. 2)

en donde,

(Ec. 3)

es llamada Matriz de Rotación del sistema X’Y’Z’ rotado °

respecto del eje Z del sistema XYZ. De igual modo pueden

ser fácilmente deducidas por los estudiantes las matrices

de rotación Roty() y Rotx(). Se concluye de la Ecuación

2 que son necesarios tres datos para ubicar al punto P.

Si la rotación del sistema coordenado X’Y’Z’ es de sus tres

ejes siguiendo la siguiente secuencia: primero rotando un

ángulo alrededor del eje X, luego un ángulo alrededor

del eje Y y por último un ángulo alrededor del eje Z, se

tiene la siguiente Matriz de Rotación compuesta:

(Ec. 4)

en la que se debe tener en cuenta el orden de los mo-

vimientos pues es no conmutativo y el producto de las

matrices se hace de derecha a izquierda.

Ahora tratamos el caso en que el punto P es reemplazado

por un sólido rígido Q. Se deduce que para localizar dicho

sólido no sólo es necesaria la posición sino que también

debemos saber su orientación [1]. La Figura 3 muestra el

método usado para localizar un objeto sólido en el espa-

cio. La posición del sólido Q viene dada por la posición

del origen O’ y la orientación es dada por los ángulos de

rotación del sistema X’Y’Z’, todo esto respecto del origen

O del sistema XYZ.

Medrano R., Chávez M. – Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior

32


Figura 3. Localización del sólido rígido Q.

Aquí introduciremos el concepto de Matriz Homogénea

que nos va a permitir expresar la posición y orientación

de un sistema de referencia X’Y’Z’ respecto de otro XYZ

[1]. Esta matriz es de 4x4 y su representación es mostrada

en la ecuación 5.

(Ec. 5)

Entonces, la localización del sólido Q del eje coordenado

O’X’Y’Z’ respecto del eje OXYZ es dada por la Ecuación 6.

(Ec. 6)

La matriz de la ecuación 5 se divide en las siguientes sub-

matrices de rotación y traslación respectivamente:

(Ec. 7)

(Ec. 8)

Se concluye que, si en la Figura 3 se tuviera el brazo de

un robot en el cual la base fija es O y su extremo móvil O’,

localizaríamos en cada instante dicho punto Q que pue-

de representar a una articulación o la garra respecto del

origen O. En la Figura 4 se observan las partes de un robot

articulado (cadena cinemática) al cual se van a aplicar los

conceptos matemáticos aprendidos.

Luego de adquirir las nociones matemáticas necesarias

para localizar un objeto sólido en el espacio, vamos a usar

el concepto de la Matriz Homogénea para aplicarlo a las

partes de un robot conformado por eslabones y articula-

ciones, tal como se muestra en la Figura 5.


Figura 4. Eslabones y articulaciones del robot [3].

33


Se observa en la Figura 5 que para cada articulación se

ha escogido un sistema de coordenadas cartesianas, que

estarán referenciadas una con respecto de la otra hasta

localizar el extremo del robot. Por lo tanto se tendrá la si-

guiente ecuación de matrices homogéneas:

(Ec. 9)

Pero ahora tenemos el problema de cuál estándar esco-

ger para representar los ejes cartesianos en cada eslabón

y cuáles parámetros son los necesarios que nos permitan

ubicarlos ordenadamente. Aquí vamos a usar los paráme-

tros que Denavit-Hartenberg propusieron en 1955 para

describir la forma y tamaño así como la posición relativa

de dos eslabones consecutivos unidos por articulación

rotacional o prismática (ver la Figura 6).

Observamos que los parámetros ai,

i representan el ta-

maño y la forma del eslabón i respectivamente, mientras

que los parámetros di,

i representan la posición relativa

del eslabón i respecto del anterior i-1. Se observa que ai,

i son constantes debido al carácter rígido del eslabón

mientras que di es variable para una articulación prismá-

tica y i lo es para una articulación rotacional. En conclu-

sión, si los eslabones son planos (sin torsión) y ubicados

tal como en la figura 5 (articulación rotacional), se deduce

que el valor de i =0, a

i =cte, d

i =0 y

i =variable. Los siste-

mas cartesianos de referencia a asignar en cada articula-

ción deben seguir el procedimiento mostrado en la Figura

7 en la que se puede deducir que a los ejes de cada arti-

culación “i” se le nombra con el valor “Zi-1

” y, el eje “Xi-1

” es

resultado de prolongar una línea normal entre los ejes de

la articulación “i-1” e “i” siguiendo la dirección de menor a

mayor articulación.

Figura 5. Aplicación de la matriz Homogénea a las partes del robot [3].

Figura 6. Parámetros de D-H [3].


34


Entonces para referenciar los ejes coordenados contiguos

de un eslabón i, se deben efectuar los siguientes movi-

mientos: Roti(i), Trasi(a

i), Trasi(d

i) y Roti(

i) y en conse-

cuencia se deduce la siguiente matriz homogénea:

(Ec. 10)

En donde:

En la Figura 5 se observan la cantidad de matrices homo-

géneas que se van a usar para determinar la localización

del extremo del robot respecto de la base. Para llevar un

orden se muestra la Tabla 1 en la cual se anotarán los va-

lores de los parámetros D-H para cada eslabón referencia-

dos al inmediatamente anterior.

Eslabón ai

di

i

i

1

…..

i

…..

extremo

Con ayuda de la ecuación 9 tenemos la matriz homogé-

nea total con la cual hemos resuelto el problema de Ci-

nemática Directa (ver figura 1) pues hemos localizado el

extremo del robot en función de los valores angulares de

los motores ubicados en cada articulación.

Entonces, aplicando los conocimientos adquiridos hasta

este punto y teniendo en cuenta que el alcance del pre-

sente trabajo es aplicar los conceptos de la cinemática

directa, se muestra en la Figura 8 al robot de 5 grados de

libertad (DOF) que se va a implementar.

Figura 7. Asignación de sistemas de referencia [3].

Tabla 1. Valores D-H para cada eslabón. Figure 8. Sistema de coordenadas del robot a implementar.


35



En la Tabla 2 podemos ver los valores de D-H encontrados

para el robot.

Eslabón ai

di

i

i

i

1 0 0 /2 1

0

2 l1 0 0

20

3 l1 0 0

30

4 0 0 /2 /2+ 4

0

5 0 l3 0

50

Tabla 2. Valores D-H para el robot a implementar.

Usando el Toolbox de Robótica de MATLAB, creamos el

simulador de robot siguiente:

L1=0.2; L2=0.2; L3=0.1;

q1=pi/10; q2=pi/10; q3=pi/10; q4=pi/10; q5=pi/10;

%D-H.

% link([alfa A theta d sigma])

L1 = link([pi/2 0 q1 0 0], ‘standard’);

L2 = link([0 L1 q2 0 0], ‘standard’);

L3 = link([0 L2 q3 0 0], ‘standard’);

L4 = link([pi/2 L3 pi/2+q4 0 0], ‘standard’);

L5 = link([0 0 q5 L4 0], ‘standard’);

Los algoritmos para cinemática directa basados en la

matriz homogénea y los parámetros de D-H ya están

implementados en el software y sólo basta con usar los

archivos “link” para definir cada eslabón, armar el robot a

simular mediante “robot” y luego visualizar la animación

con “drivebot”. El resultado se observa en la Figura 9.

Figura 9. Animación con Robotics Tools.

APLICACIón

Para consolidar el aprendizaje de los estudiantes de robó-

tica en los conceptos iniciales tales como la Cinemática

Directa, primero se les hace trabajar con un software de

diseño mecánico de 3D, tal como el denominado Rino-

cerus, lo cual les permite visualizar el robot antes de su

fabricación. En la Figura 10 es mostrado un ejemplo de

presentación del software mencionado.

Figura 10. Uso de software de diseño mecánico para visualizar

el robot antes de fabricarlo.

Luego de proceder a la construcción basado en planchas

de aluminio se inicia el proceso de montaje, para lo cual

se instalan en las articulaciones del robot los motores del

tipo servo (de uso frecuente s en aplicaciones de control

a distancia). En la Figura 11 se muestra al robot ya ensam-

blado por nuestros estudiantes.

Figura 11. Robot ensamblado

Para las pruebas de funcionamiento del robot en Cine-

mática Directa, se utiliza el software de control LabView,

con el cual se procede a grabar en un archivo de memo-

ria, las coordenadas que se desean alcanzar. La Figura 12

nos presenta a los elementos que van a intervenir en el

control del robot y la figura 13 da un ejemplo de progra-

ma con el cual se trabaja en lazo abierto, activando a los

servomotores mediante señal PWM. El sensor de posición

analógico mediante potenciómetro nos sirve solamente

para observar la posición actual, pues el algoritmo de con-

trol se desarrollará en posteriores trabajos.

Figura 12. Elementos del control

Figura 13. Programa de control del robot ensamblado.

36


• Utilizar rúbricas para medir el proyecto de im-

plementación y control del robot con el fin que

los estudiantes demuestren sus habilidades en

la implementación, detección de fallas y prueba

del sistema, de acuerdo a los requerimientos del

profesor.

• Evaluarelproyectofinalde losestudiantesy las

entregas previas, asegurando una estructura y re-

dacción correctas, así como una adecuada inclu-

sión de información técnica, tal como diagramas

en base a estándares, anexos, entre otros

ReFeRenCIAs bIbLIogRáFICAs

1 A. Barrientos, L. Felipe, C. Balaguer and R. Aracil, Fun-

damentos de Robótica, Mc Graw Hill, Segunda Edi-

ción, España, 2007.

2 P. I. Corke, “A Robotics Toolbox for MATLAB”, IEEE Robo-

tics and Automation Magazine, USA, 1996, pp. 24-32.

3 F. Torres, J. Pomares, P. Gil and S.T. Puente, Robots y

Sistemas Sensoriales, Prentice Hall, Segunda Edición,

España, 2002.

ACeRCA de Los AuToRes

Raúl Medrano Tantaruna, es docente a tiempo completo

en Tecsup por el departamento de Electrónica Industrial.

Es Ingeniero electrónico titulado por la Universidad Na-

cional de Ingeniería y ha terminado sus estudios de Maes-

tría en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Ha reci-

bido curso de especialización en Educación Tecnológica

por convenio con GWZ de Alemania.

Miguel Chavez Luna es docente a tiempo completo en

Tecsup por el departamento de Electrónica Industrial. Es

egresado de Tecsup y ha recibido cursos de especializa-

ción en Automatización de Procesos de Manufactura por

convenio con SENAI en Brasil y en Ingeniería Mecatrónica

por convenio con JICA en Mexico. En la actualidad se en-

cuentra culminando la carrera de Ingeniería Electrónica

en la Universidad Ricardo Palma.

ConCLusIones

• El presente método de enseñanza es una propues-

ta inicial, desarrollada con un grupo de estudiantes

del Departamento de Electrónica de nuestra insti-

tución educativa y que puede extenderse a grupos

más numerosos gracias a los exitosos resultados

iniciales obtenidos (compromiso de los estudiantes,

participación activa, etc.). Se concluye que el méto-

do mostrado en este documento es un buen inicio

que nos permitirá luego, madurar otras propuestas

con estudios de más profundidad en el campo de la

robótica.

• EltemadeRobóticaesnormalmentealgodifícilde

aprender debido al uso de herramientas matemáti-

cas complejas que normalmente se usan para locali-

zar un punto en el espacio. Nosotros, como docentes

estamos proponiendo desarrollar dichos temas del

modo más sencillo posible, aplicando los conceptos

base y luego apoyándose con una herramienta de

software de simulación de robots de MATLAB. Con-

cluimos que las instrucciones del toolbox menciona-

do (drivebot, fkine, link, etc.) son de mucha utilidad

para desarrollar investigación en el futuro respecto

al control de desplazamiento en lazo cerrado, el cual

requerirá de técnicas de control avanzado.

• Paralaparteprácticasehanusadolosconceptosde

Cinemática Directa en lazo abierto para controlar el

movimiento de un robot mediante servomotores

y software de control LabView. Concluimos que el

mejor modo de confirmar lo aprendido se observa

durante el trabajo práctico y es por eso que los es-

tudiantes son capacitados en las técnicas del uso de

software de diseño gráfico, software de control, ca-

bleado del robot-controlador y la puesta en marcha

respectiva.

• Conrespectoalosprocedimientosausarseparaase-

gurar el proceso de aprendizaje a través de la me-

dida de competencias y actividades de evaluación,

sugerimos por lo menos lo siguiente:

• Aplicar pruebas o cuestionarios con preguntas

que midan el nivel de profundidad de los cono-

cimientos y habilidades adquiridos durante el

curso.


37


sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas

Real time supervisory system for substations in electrical companies

Alvaro Castro Chevarría

ResuMen

Las empresas eléctricas tienen la necesidad de supervi-

sar en tiempo real y de manera centralizada las diferentes

subestaciones remotas que conforman su sistema eléc-

trico; el presente trabajo pretende cumplir con esta ne-

cesidad modificando la manera tradicional en que se ha

venido llevando a cabo esta tarea por una alternativa que

permite aprovechar el uso de nuevas tecnologías que

además permiten obtener mayores beneficios funciona-

les y menores costos de implementación

El sistema de supervisión en tiempo real que proponemos

está conformado por un computador o servidor central

ubicado en el centro de control de la compañía eléctrica y

los dispositivos IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente)

que recogen la información relevante del sistema eléctri-

co ubicado en las subestaciones de dicha compañía. El

computador central y los dispositivos de subestación se

encontrarán unidos por medio de equipos de comunica-

ciones que conforman una red de tipo Ethernet o TCP/IP.

Los dispositivos de subestación llamados IEDs (Dispositi-

vo Electrónico Inteligente) están compuestos fundamen-

talmente por relés, medidores, controladores, plcs y otros

que permiten cumplir con las funciones de protección,

medición y control de los equipos de potencia de la sub-

estación, éstos contienen la información relevante del sis-

tema eléctrico lo que será aprovechado para su envío al

sistema de supervisión en tiempo real. Esta es la principal

diferencia y ventaja con respecto a la forma tradicional de

implementar un sistema de supervisión ya que nosotros

utilizaremos directamente los IEDs o dispositivos de sub-

estación para obtener la información relevante del siste-

ma eléctrico dejando de usar el concentrador o la RTU

(Unidad Terminal Remota) característicos de la solución

tradicional.

AbsTRACT

The present project is about the electrical companies

need of to report in real time the relevant information of

the electrical system to the regulatory public organism,

modifying the traditional way by other alternative one

that allows to take advantage of the use of new technolo-

gies that will allow to obtain more functional benefits and

less costs of implementation.

This system of supervision in real time that we propose

have a computer or central server located in the electrical

company control center and the devices IEDs (Electronic

Intelligent Device) who gather the relevant information

of the electrical system located in the substations of the

above mentioned company. The central computer and

the devices of substation will be joined by ethernet com-

munication switches in TCP/IP.

The devices of substation called IEDs (Electronic Intelli-

gent Device) are composed fundamentally by relays, me-

ters, controllers, plcs and others that allow to expire with

the functions of protection, measurement and control of

the equipments of power of the substation contain the

relevant information of the electrical system what will be

taken advantage for been sent to the system of supervi-

sion in real time. This one is the principal difference and

advantage with regard to the traditional way of imple-

menting a system of supervision what is more we use di-

rectly the IEDs or devices of substation to obtain the rele-

vant information of the electrical system, stopping using

the concentrating one or the RTU (terminal remote unit)

typical of the traditional solution.

PALAbRAs CLAves

Sistema de supervisión, SCADA, sistema en tiempo real,

dispositivos electrónicos inteligentes, subestaciones eléc-

tricas.

38


sIsTeMA suPeRvIsoR de subesTACIones eLéCTRICAs

El sistema supervisor es el que recibe los parámetros

eléctricos de las principales cargas instaladas, posiciones

de equipos de maniobra y eventos de los diferentes dis-

positivos que conforman el sistema en forma continua

permitiendo mantener la información de campo perma-

nentemente actualizada y disponible para su consulta y

utilización.

Los sistemas supervisores en tiempo real en el sector

eléctrico reciben la denominación de Sistemas SCADA

(Supervisory Control and Data Acquisition).

Figura 1. Sala de control de un sistema de supervisión.

CoMPonenTes deL sIsTeMA suPeRvIsoR

Los componentes de un sistema supervisor comprenden

desde los equipos de detección, protección de fallas, co-

municación, medición y procesamiento de datos hasta el

software que integra todos los dispositivos inteligentes

que forman parte del sistema, sin embargo los compo-

nentes más relevantes de un sistema supervisor son los

sensores de estado y de medida, los cuales, instalados

en el campo, son la base de la generación de la informa-

ción para el sistema supervisor.

Los sensores de estado son los que pueden tener sólo

dos posibles valores o un cero o un uno lógico y permiten

reflejar los estados de los elementos de control del siste-

ma como por ejemplo, el estado de un interruptor de po-

tencia para indicar si está abierto o cerrado (Open/Close),

si un motor está funcionando o detenido y además sirven

también para la señalización de alarmas y eventos.

Los sensores de medida son capaces de medir valores

analógicos como voltajes, amperajes, volúmenes de líqui-

dos y gases, temperatura, etc., en forma continua.

Key WoRds

Supervision system, SCADA, real time system, intelligent

electronic devices, electrical substations.

InTRoduCCIón

El presente trabajo tiene por objeto la implementación de

un Sistema en Tiempo Real para la supervisión de subes-

taciones eléctricas ubicadas en provincias de nuestro país

desde un Servidor Central, ubicado en las oficinas de la

Compañía Eléctrica propietaria de las mismas.

Un sistema en tiempo real es un sistema informático que

responde a estímulos producidos externamente dentro

de un intervalo de tiempo finito y especificable 1. De esta

manera un Sistema en Tiempo Real depende no sólo del

resultado lógico de la computación, sino también del ins-

tante en el cual se producen dichos resultados; es debido

a estas características que son utilizados en aplicaciones

de control, supervisión y comunicaciones.

En la actualidad la construcción de cualquier subestación

de transmisión o distribución de energía eléctrica, incluye

como parte del proyecto, el poder transmitir los paráme-

tros eléctricos de las principales cargas instaladas, posi-

ciones de equipos de maniobra, eventos y manejo de las

protecciones a sistemas remotos que permitan al usuario

conocer el funcionamiento y supervisar a distancia las

unidades que forman parte del sistema. Estos nuevos pro-

yectos están diseñados con el fin de minimizar la nece-

sidad del recurso humano, sobre la base de automatizar

todo lo que sea posible y pensando en utilizar tecnologías

modernas que permitan la integración de equipos hete-

rogéneos.

Estas nuevas soluciones tecnológicas hacen posible la

integración de diversos productos disponibles en el

mercado además de lograr una comunicación rápida y

eficiente.

En el presente trabajo se pretende realizar la implementa-

ción del sistema de supervisión en tiempo real, haciendo

uso de estas tecnologías basadas en el uso de redes Ether-

net en lo que corresponde a las comunicaciones y de la

tecnología OPC OLE para Procesos de Control en lo que

corresponde al Software.

1 S.J. Young Real Time Languages: Design and Development.

Castro A. – Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas

39


en las diferentes empresas eléctricas y consiste de un sis-

tema de supervisión y control del tipo centralizado.

Estos sistemas se basan en el concepto de que toda la

inteligencia del sistema está concentrada en un equipo

central al cual llegan todas las señales de los sensores de

estado y de medida, este equipo central que posee uno o

mas procesadores tiene la capacidad de procesamiento

para realizar las tareas de análisis y toma de decisiones

del sistema, es decir, todo el proceso de información ge-

nerada por las unidades de campo se realiza en el equipo

central del sistema.

Este equipo central puede ser un concentrador o una RTU

(unidad terminal remota) que son característicos de la so-

lución tradicional.

En las soluciones basadas en el uso de concentradores,

todas las conexiones de los sensores de campo a la uni-

dad central se realizan por medio de cables eléctricos, por

lo menos un par de cables por cada señal y no mediante

técnicas de comunicación, lo cual implica un alto nivel

de cableado.

A continuación se muestra una arquitectura de comuni-

caciones basada en el uso de concentradores, en donde

se puede apreciar que la comunicación entre éstos es por

medio de protocolos del tipo serial cuyas velocidades de

transmisión y performance son mínimas.

Los relés y controladores son los elementos de protección

y control del sistema eléctrico que integrados al sistema per-

miten la ejecución de acciones automáticas o manuales.

La red de comunicaciones es la columna vertebral de

todo el sistema en tiempo real y de ésta dependerá la

velocidad y tiempos de respuesta del sistema a eventos

externos.

Con los elementos descritos, es posible implementar bá-

sicamente un sistema supervisor capaz de representar, en

un modelo a escala, la funcionalidad de la planta o siste-

ma eléctrico.

El Software es el último componente que se requiere, es

la forma de representar el sistema, es decir, las pantallas

mímicas que representan los sistemas eléctricos y que

permiten apreciar su comportamiento en el tiempo, ini-

cialmente se utilizaron paneles mímicos con luces para la

señalización y displays para la medición, en la actualidad

se utilizan computadoras que contienen el software en

tiempo real que permiten mostrar la información en pan-

tallas gráficas.

sIsTeMA de suPeRvIsIón TRAdICIonAL

Hace referencia a la forma convencional cómo se ha veni-

do llevando a cabo la implementación de estos sistemas

Figura 2. Arquitectura de comunicaciones basada en concentradores.


40


Figura 4. Capas, interfaces y protocolos en el modelo OSI.

Se trata por tanto de una arquitectura de siete niveles en

la que en cada nivel se han tomado protocolos estándar,

siendo posible que sobre la misma infraestructura física

puedan coexistir diferentes protocolos de comunicación

al nivel de aplicación basados en TCP/IP como es el caso

de Modbus TCP, DNP TCP y IEC61850 (MMS).

El sistema de supervisión que proponemos se basa ade-

más en el uso de dispositivos inteligentes intermedios o

IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente) con capacidad

de análisis y toma de decisión sobre su ámbito específico

de gestión. Estas inteligencias intermedias reemplazan

las tareas que tenía el equipo central.

Las Unidades Electrónicas Inteligentes o IEDs, para el caso

de las subestaciones eléctricas, pueden ser los PLCs, los

controladores industriales, los relés digitales, los medido-

res de energía o las RTUs con puerto de comunicaciones

ethernet.

Las mismas limitaciones presentan las soluciones basadas

en el uso de RTUs que ya cuentan con comunicaciones

del tipo serial para integrar los dispositivos de subesta-

ción, como es el caso de la arquitectura de comunicacio-

nes presentada a continuación.

Figura 3. Arquitectura de comunicaciones basada en RTUs.

En este tipo de transmisión serial se forma un “tren” de

bits, uno tras de otro viajan del lugar de emisión al recep-

tor utilizando una sola vía, en este caso será un conductor

eléctrico de cable serial, como en el caso de los trenes con

una sola vía; si se desea transmitir en el sentido contrario,

se debe esperar que la vía esté libre, es por ello que hoy

en día en que se necesitan transmitir mayores cantidades

de datos son muy limitados.

sIsTeMA de suPeRvIsIón PRoPuesTo bAsAdo en eL uso de TeCnoLogíAs AbIeRTAs

La arquitectura de comunicaciones del sistema que pro-

ponemos se basa en el uso de redes Ethernet dentro del

modelo de referencia de la OSI, las capas de la OSI (Open

Systems Interconnect) fueron creadas por la ISO (Inter-

national Organization for Standarization) en 1974 con el

propósito de abrir la comunicación entre diferentes siste-

mas sin recurrir a cambios a la lógica y fundamentos del

hardware y software. El modelo de referencia OSI no es un

protocolo, es un modelo para entender el diseño de una

arquitectura de red que sea flexible, robusta e interopera-

ble. Su filosofía se basa en descomponer la funcionalidad

de la cadena de transmisión en diversas capas o niveles,

cuya interfaz con las adyacentes esté estandarizada. Esto

supone por ejemplo, que dos aplicaciones de software de

comunicación distintas puedan utilizar el mismo medio

físico de comunicación.

Figura 5. Arquitectura de comunicaciones basado en IEDs.


41


la marca Ruggedcom instalados en cada subestación al

que van conectados todos los IEDs de la subestación que

por su alta performance y robustez son los adecuados

para su aplicación en ambientes industriales y/o subes-

taciones eléctricas, éstos a su vez se encuentran unidos

en una sola red de comunicaciones por medio del uso de

routers y enlaces de comunicaciones propietarios o enla-

ces dedicados brindados por las principales empresas de

comunicaciones del país.

A continuación se muestra la arquitectura de comunica-

ciones de todo el sistema.

De otro lado, el software de supervisión que proponemos

esta basado en la tecnología OPC (OLE for Process Con-

trol) que bajo el patrocinio de Microsoft logró constituir

una estandarización orientada a definir una mecánica de

enlace y comunicación entre programas de software de

supervisión o SCADA.

IMPLeMenTACIón deL sIsTeMA de suPeRvIsIón

La columna vertebral del sistema es la red de comunica-

ciones Ethernet conformada por switches industriales de

Figura 6. Arquitectura de comunicaciones de todo el sistema basado en IEDs.

El equipamiento que se integró al sistema son los diferen-

tes IEDs conformados por relés, controladores y medido-

res existentes en cada subestación eléctrica.

La mayoría de relés de protección y medidores disponen

de un puerto de comunicaciones Ethernet con protocolo

Modbus TCP/IP lo que facilita su integración al sistema de

control y supervisión, estos relés son conectados median-

te este puerto a la red Ethernet que permite mantener

altas velocidades de transmisión y una alta performance

del sistema.

Para aquellos dispositivos que no tienen el puerto Ether-

net y que manejan el protocolo de comunicación serial

Modbus RTU, los cuales disponen de 1 puerto de comu-

nicaciones RS-485, se integraron al sistema por medio

del uso de convertidores de protocolo Modbus RTU a

Modbus TCP/IP. La experiencia en diversos proyectos de-

sarrollados, nos demuestra que para obtener una buena

performance de comunicación se debe considerar un (01)

conversor por cada cuatro equipos como máximo.

Se suministró asimismo un controlador lógico programa-

ble o PLC que se encargó de recepcionar todas las señales

analógicas y/o digitales que se requirieron para obtener

la posición de los equipos (seccionadores, interruptores,

etc.) y envío de alarmas que no estén cableadas a los IEDs

existentes. Este controlador posee el protocolo de comu-

nicación Modbus TCP/IP y se conectaron a la red de co-

municaciones Ethernet de la subestación.

En el Servidor SCADA el sistema operativo empleado es

Windows 2003 Server que por su robustez y madurez ha

demostrado ser el líder en el área Industrial, luego se ins-


42


En razón a lo anterior planteamos el uso del protocolo

MODBUS TCP/IP para el envío y recepción de datos entre

el Centro de Control y los IEDs ubicados en las subesta-

ciones remotas. Resaltando finalmente que el sistema de

comunicaciones propuesto es hábil de integrar dispositi-

vos en Modbus TCP/IP u otro protocolo bajo TCP/IP de ser

requerido en el futuro.

Figura 7. Pantalla del unificar general del sistema eléctrico.

ResuLTAdo

Como resultado de esta implementación se obtuvieron

los siguientes logros:

• Laarquitecturapropuestasebasaenelusodeuna

colección de normas que permite tener una Arqui-

tectura de Comunicaciones Común que soporta la

interoperatibilidad de IEDs de múltiples fabricantes.

Las arquitecturas anteriores se basan en el uso de

protocolos propietarios y de arquitecturas de co-

municaciones cerradas que no garantizan que éstos

vayan a comunicarse con los demás equipos de la

red. Teniendo que comprarse muchas veces el mis-

mo dispositivo de la misma marca y hasta del mismo

modelo para que exista comunicación de extremo a

extremo. Los estándares son la esencia de la interco-

nexión de redes de comunicaciones, de muchas ma-

neras, ellos son la interconexión. Asímismo, los están-

dares son la base de los productos y típicamente son

los que marcan la diferencia entre la comunicación y

la incompatibilidad.

• Laarquitecturapropuestasebasaenelusodelmo-

delo de referencia de la OSI, y la estructura de las

capas de la OSI (Open Systems Interconnect) para in-

terconexión de Sistemas Abiertos creadas por la ISO

(International Organization for Standarization). Las

arquitecturas anteriores se basan en el uso de con-

centradores o RTUs que reducen la performance del

sistema e incrementan el numero de puntos de falla

además que tienen un crecimiento limitado.

taló el software OPC Server para Modbus TCP/IP con la ca-

pacidad de poder recibir simultáneamente la información

en tiempo real de todos los dispositivos involucrados en

la integración del sistema SCADA. Fue necesario construir

para cada equipo el mapeo de direcciones Modbus e in-

troducirlo en la tabla de configuración de dispositivos del

servidor OPC.

Después se instaló el Software SCADA SCAN1000 de

Hexatec- Inglaterra versión 5.00, que tiene una podero-

sa interfaz de comunicación que permite utilizar OPC;

así como una interfaz de usuario con alta capacidad de

animación en tiempo real y cambios en línea. Estas ca-

racterísticas posicionan a SCAN1000 como una madura

plataforma para sistemas de alta confiabilidad, con la fina-

lidad de disponer de un ambiente óptimo para el nuevo

concepto de HMI (Interfaz Hombre Máquina), así como

en la supervisión de unidades lógicas de control y de ad-

quisición de datos.

En la pantalla del Servidor se construyeron una serie de

pantallas, tales como las siguientes:

• MenúInicial

• DiagramaUnifilarGeneral

• DiagramaUnifilardecadaalimentador

• RegistrodeEventosenlaSubestación

• Panelanunciadordealarmas

• Reportes

Este sistema, desde el punto de vista computacional, ad-

quiere datos de los dispositivos electrónicos inteligentes

IEDs (relés y medidores) con capacidad de comunicacio-

nes a través de la red Ethernet de Cobre (Cable UTP-Cat5).

Posteriormente estas variables son reportadas al Servidor

SCADA utilizando el protocolo Modbus TCP/IP en donde

los parámetros eléctricos son mostrados y administrados

por la aplicación desarrollada.

Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el

nivel 7 (Aplicación) del Modelo OSI, basado en la arquitec-

tura maestro/esclavo o cliente/servidor, fue diseñado por

Modicon y convertido en un protocolo de comunicacio-

nes estándar de facto debido a su fácil implementación

y a que requiere poco desarrollo. La versión Modbus RTU

es muy utilizada en sistemas de supervisión y adquisición

de datos SCADA y la versión Modbus TCP es muy seme-

jante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión

mediante paquetes TCP/IP.


43



está limitado a tener que adquirir equipos industriales del

mismo fabricante o a un único protocolo, pues es posible

integrar equipos de diferentes propietarios en diferentes

protocolos sin causar conflictos con los existentes.


1 S.J. Young, Real Time Languages: Design and Deve-

lopment.

2 Mark Adamiak, Introduction to the IEC61850 Protocol.

3 TECSUP, Simposio Internacional de Automatización,

Control y Protección de Subestaciones.

4 William Ackerman, Automatización de Subestacio-

nes Eléctricas de Potencia.

5 Udren, E.; Kunsman, S.; Dolezilek, D. (2000). Significant

substation communication standardization develop-

ments. 2000 Western Power Delivery Automation.

6 Se consigue en:http://www.selinc.com/

techpprs/6105.pdf

7 Janssen, M.C.; Koreman, C.G.A.. Substation components

plug and play instead of plug and pray. The impact of

IEC 61850. KEMA T&D Power. Se consigue en:

8 http://www.nettedautomation.com/standardization/

IEC_TC57/WG10-12/index.html

9 Schubert, H. (1999) Project OCIS, aims and first results

an accompanying project to the standardization of

communication networks and systems in substa-

tions “IEC 61850”.

10. OPC Foundation (1998), OPC Overview.

ACeRCA deL AuToR

Alvaro Castro Chevarria estudió Ingeniería Informática en

la Pontificia Universidad Católica del Perú y Electrónica

de Sistemas Computarizados en Tecsup. Ha recibido ca-

pacitación en programación de controladores en la Uni-

versidad de ABB en Suecia (2001), y de automatización

de subestaciones eléctricas bajo la norma IEC-61850 en

GE Multilin de Canadá (2005). Ha participado en la imple-

mentación de sistemas SCADA y en la automatización de

las subestaciones eléctricas de empresas peruanas de

minería, de generación y de distribución de energía eléc-

trica. Se desempeña como Ingeniero de Proyectos para la

división de Process Automation en ABB, y es profesor del

curso “Supervisión de Procesos por Computadora” para

los programas de especialización y capacitación continua

en TECSUP. En la actualidad se desempeña como ingenie-

ro de proyectos para la división de Process Automation

en ABB Perú.

• LaArquitecturapropuestasebasaenelusodeSwit-

ches Industriales de acuerdo con la norma IEC-61850

que conforman una Red Ethernet de gran velocidad

y performance que permiten el manejo de grandes

volúmenes de información conforme a las necesi-

dades actuales de transmisión y el uso de sistemas

distribuidos de control y supervisión, en cambio las

arquitecturas anteriores están limitados a simples

esquemas de conexión serial con capacidades de

funcionamiento limitadas de comunicaciones.

• LaArquitecturadeComunicaciónpropuestapermite

velocidades de transmisión muy altas del orden de 1

Gbps, 100 Mbps o 10 Mbps y soportará velocidades

de transmisión mayores en el futuro, en cambio la Ar-

quitectura de Comunicación basada en transmisión

RS-232 posee muy bajas velocidades de transmisión

del orden de 19,2 kbps o 9,6 kbps no siendo posible

transmitir a velocidades mayores debido a las limita-

ciones de esta tecnología.

• La Arquitectura de Comunicación propuesta permite

reducir los Costos de Integración de diferentes equipos

y sistemas de Supervisión y Control porque a diferencia

de sus predecesoras, los costos de integración resulta-

ban excesivos y se obtenía una baja performance.

ConCLusIones

Toda implementación actual de automatización de sub-

estaciones eléctricas y de sistemas de supervisión de las

mismas debe tener en cuenta el uso de estándares ba-

sados en el modelo de referencia de la OSI para interco-

nexión de Sistemas Abiertos creados por la ISO (Interna-

tional Organization for Standarization).

Los sistemas de supervisión deben no sólo integrar a los

dispositivos existentes sino que deben estar preparados

para poder integrar los dispositivos futuros, como es el

caso en el sector eléctrico del estándar IEC-61850, el cual

permite integrar directamente a dispositivos (IEDs) de

distintos fabricantes, sin la necesidad del uso de conver-

sores o concentradores de comunicación en lo que res-

pecta al hardware y del mapeo de direcciones en lo que

corresponde al software.

El uso de la tecnología OPC en lo que respecta al software

de supervisión garantiza una comunicación transparente

con los dispositivos en el protocolo establecido, permi-

tiendo construir aplicaciones de supervisión y control de

una manera fácil y rápida y si en algún momento se desea

hacer una renovación tecnológica, una ampliación o la

integración de dispositivos en un nuevo protocolo, no se

44


diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un

hogar digitaldesign, planning and supervision of an instalation for an

automated system of a digital homeRafael donaire Peña

ResuMen

El presente artículo se basa en la implementación de un

sistema automatizado para un hogar digital, el cual consta

de todos sus ambientes característicos y en donde se han

implementado el control de luces, control de accesos, sis-

temas de seguridad, control de persianas y riego, control

de temperatura y el control de regulación de iluminación

(ahorro de energía). Se aplicarán las técnicas de control

convencional en lazo cerrado y en modo on-off. Para co-

nocer el estado de cada uno de los sensores y actuadores

(variables) desde cualquier punto de la casa, se implemen-

tó un sistema de supervisión mediante el software LCN-W,

el mismo que se encargará del monitoreo de las variables

medidas. La implementación se realizó con equipos LCN

(Local Control Network) de fabricación alemana que utili-

za un protocolo propietario y un sistema descentralizado

mediante los controladores LCN-SH y LCN-UPP.

AbsTRACT

The present article is based on the implementation of an

automated system for a digital home, which are compose

of all its room and where have been implemented con-

trol of lights, accesses control, security systems, blinds and

watering control, temperature control and illumination

regulation control (energy saving). The techniques of

conventional control were applied in closed knot and in

on-off way. To know the state of each one of the sensors

and actuadores from any point of the house, a supervi-

sion system was implemented by means of the software

LCN-W, the same one that took charge of the monitoreo

of the variables measures. The implementation was ca-

rried out with devices LCN (Local Control Network) of

German production that uses a proprietor protocol and a

decentralized system by means of the controllers LCN-SH

and LCN-UPP.

PALAbRAs CLAves

Domótica, pasarela residencial, supervisión, protocolo.

Key WoRds

Domótica, residencial gateway, supervision, protocol,

InTRoduCCIón

La domótica es aquel término que se le aplica a toda cien-

cia y elementos desarrollados por la electrónica e infor-

mática, que proporciona un nivel de automatismo en una

vivienda, ya sea desde lo más simple a lo más complejo

y cuyo objetivo es conseguir el aumento de la calidad

de vida de sus ocupantes. La palabra domótica viene del

francés domotique, que es la unión de dos palabras: por

una parte, proviene de la latina domus, casa, y por otra,

de la francesa automatique. Literalmente podríamos de-

cir que la domótica es la automatización de la casa.

La domótica se ha venido desarrollando desde la déca-

da de los setenta basada en la tecnología X-10 y hasta la

actualidad algunas empresas dedicadas a la domótica

la siguen implementado en sus sistemas, durante todos

estos años los diferentes fabricantes han buscado el de-

sarrollo y el despegue de la domótica con la fabricación

de avanzados electrodomésticos y dispositivos (sensores,

actuadores y controladores) destinados a automatizar

una vivienda.

La situación actual de la domótica es que existen mu-

chos estándares y asociaciones que tratan de normalizar-

la, pero se sigue con la búsqueda de unificar todos en

un único estándar, los protocolos más importantes son

el EHS, BatiBUS y EIB, la idea es sacar lo mejor de cada

sistema e implementar un protocolo único compatible y

abierto. La asociación Konnex con más de 100 compañías

que la conforman trata de realizar la convergencia de es-

tos tres sistemas.

45


Sistemas Descentralizados, todos los elementos de red

actúan en forma independiente uno de otros, con funcio-

nalidad de control y mando, para el proyecto se escogió

este tipo de topología. La figura 1 muestra a dos contro-

ladores LCN – SH y al LCN – UPP conectados en la red.

Sistemas Distribuidos (híbridos), combinan las topolo-

gías centralizadas y descentralizadas, teniendo un control

local en cada nodo.

Sistemas Centralizados, Los sistemas centralizados se

caracterizan por tener un único nodo, el cual debe recibir

toda información proveniente de los dispositivos exter-

nos, para procesarla y actualizar las salidas.

El Bus LCN puede soportar hasta 250 módulos que se

interconectan directamente mediante tres conductores

(fases y el hilo de datos), conectando de esta manera un

máximo de 30 mil módulos, que pueden automatizar más

de seis mil ambientes.

La planificación pasa por el desarrollo de aplicaciones

elementales que debemos ir implementando, como el

tendido del cable de datos, destino y ubicación de los

módulos. Es necesario definir qué elementos van a entrar

en nuestra automatización, si poseen relación o compati-

bilidad con algunos elementos existentes en el hogar; los

Con el desarrollo de las comunicaciones lo que se busca

de todo proceso automatizado es su integración en redes,

que permitan tener la información del proceso almace-

nada para después observar el comportamiento de cada

variable que conforman el proceso, en la domótica se

busca la integración con el mismo objetivo que las per-

sonas podamos tener la información de lo que está ocu-

rriendo en nuestra casa y poder tomar acciones o poder

tener un registro de todas las incidencias ocurridas du-

rante nuestra ausencia. En un sistema integrado se puede

realizar una supervisión de la vivienda, desde un panel de

operaciones, poder observar cada uno de nuestros am-

bientes de la casa, y poder variar el estado los actuadores

desde cualquier punto de ésta, asímismo, el estar fuera de

la casa en el trabajo, en el cine o cualquier otro lugar que

tenga acceso a Internet, poder monitorear y saber qué

ocurre en nuestra casa en tiempo real. El desarrollo de la

telefonía celular con acceso a Internet hace posible que

podamos supervisar una casa y realizar los cambios nece-

sarios como, encender la calefacción y las luces, con sólo

enviar un mensaje de texto.

dIseÑo y PLAnIFICACIón

Antes de iniciar cualquier conexión de los módulos do-

móticos, debemos definir el tipo de diseño que tendrá

nuestro hogar digital. Partiendo del tipo de topología de

red, podemos clasificarlas en:

Figura 1. Sistema Descentralizado

Bus de transmisión de datos

Figura 2. Sistema Centralizado

Donaire R, – Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital

46


que se deben realizar en el hogar, este tipo de controla-

dor nos permite hacer un control discreto activando y

desactivando salidas tipo relé o digitales. Debemos de

plantear todas las condiciones que deben activar una

salida y cómo se activara ésta. Por ejemplo una bombi-

lla se debe activar en un 70% si lo activamos desde una

mando a distancia, y en un 100% si se activa el sensor de

movimiento o accionamos nuestro pulsador, tal como se

muestra en la Figura 4.

Podemos realizar también un control de lazo cerrado (ver

figura 5) por ejemplo para el control de temperatura de la

habitación principal, mediante un sensor de temperatura

PT 100 que lo conectamos al módulo LCN-AD1, que es un

convertidor analógico/digital 0-1V (Res. 1mV), 0-10V (Res.

10mV), 0-20Ma (Res. 20uA), podemos ingresar el valor de

consigna al controlador, mediante software o desde un

módulo de pulsadores compatible que utilice el protoco-

lo EIB como Siemens.

recursos con los que contamos, duración y finalmente las

pruebas para la puesta a punto de nuestro sistema auto-

matizado.

Para la implementación del sistema se ha considera-

do realizar el control de iluminación de cada una de los

ambientes del hogar, control de las persianas de la sala,

mando infrarrojo para crear una escena en nuestra sala-

comedor, control de temperatura del dormitorio princi-

pal, control de acceso y seguridad mediante sensores de

movimiento, detectores de rotura de vidrio, detectores de

humo y contactos magnéticos (ver figura 3).

desARRoLLo deL sIsTeMA doMóTICo

El desarrollo consiste en describir la configuración de los

módulos utilizando el software LCN-PRO. Al igual que

otros controladores debemos cargar en el controlador

principal el programa que tiene todas las instrucciones

Figura 3. Plano de la vivienda a automatizar.

Figura 4. Condiciones para activar una salida.


47


ConFIguRACIón de LA Red doMóTICA

Para la automatización de cada ambiente de una casa, he-

mos considerado realizar las siguientes acciones:

Habitación Principal: Control de luces, control de tem-

peratura y control de persianas.

Habitaciones 1 y 2: control de persianas y control de

luces.

Sala – comedor: control de luces, control de persianas,

crear una escena, control de accesos (puerta principal).

Cocina: control de luces.

Seguridad: Detector de movimiento (ubicación en la

sala-comedor), detector de ruptura de vidrio (en la sala-

comedor), detector de humo (ubicación en la cocina), de-

tector de fuga de agua (ubicación en la lavandería).

Jardines: Control de riegos.

Ya definida las aplicaciones vamos a proceder a la imple-

mentación:

El módulo estándar LCN-SH para carril DIN es un sensor/

actuador del sistema de Bus LCN. Está provisto, de dos

salida electrónicas conectoras y reguladoras de 230 V, un

procesador propio, así como de conexiones T, I y P para la

recepción de sensores y actuadores. Con este módulo se

realizara el control de luces de la sala – comedor, median-

te sus dos salidas para regulación de luminosidad, así

como para la realización de escenas y efectos de luz ex-

travagantes. Gracias a su mecanismo interno también se

puede usar para la climatización individual de habitacio-

nes (calefacción y ventilación). Motores para protección

PRogRAMACIón de Los MóduLos

Instalados los equipos procedemos a la programación de

los módulos y del controlador. El LCN- PRO es el software

donde colocaremos los módulos que están conectados

en serie y enchufados a un puerto determinado del con-

trolador maestro, aquí debemos asignar un segmento,

por ejemplo se realizara el siguiente procedimiento:

• En el segmento 0 tenemos al controlador LCN-SH+

y LCN-IVH, el cual lo enchufamos por el puerto I del

controlador, la configuración de los módulos, la po-

demos realizar ON LINE u OFF LINE, y procedemos a

signar acciones como temporizado, apertura o cierre

de un contacto de salida, etc.

• AsignemosunIDalmódulohaciendoclicconlatecla

izquierda del ratón en un módulo no programado,

aparece una ventana para la adjudicación de núme-

ros de identificación (ID). Este ID o dirección es un

número que usted haya ingresado (5 y 254). Los IDs

1-5 están reservados. El ordenador con el software

LCN-PRO tiene, por ejemplo, el ID 1 y el LCN-W (visua-

lización) tiene el ID 2.

• Hacemosdobleclicsobreelmóduloypodemoscon-

figurar su periferia. Para asignar una tecla de desti-

no al módulo LCN-T8. La primera tecla que debe ser

programada sería la tecla A1. Primero se debe pro-

gramar el destino. Para esto haga clic en el destino

con la tecla derecha del ratón y seleccione el propio

módulo.

Figura 5. Control de lazo cerrado


48


Dos salidas: Conexión, regulación, luminosidad y tiempo

de apertura (rampa) regulables individualmente. Dos

temporizadores (10ms. 40min) hacen posible el alumbra-

do de escaleras, el reloj automático a corto plazo, etc. 100

memorias de escenas por salida (memorizan luminosidad

y tiempo de apertura). Estas estarán destinadas al control

de luces de las habitaciones 1 y 2, la cocina, baño y al

control de riego por lo que necesitamos 3 módulos. Ver

figura 9.

Conexiones del módulo LCN-UPP

• Porelpuerto T lo dejaremos libre para ampliaciones

futuras.

• Por el puerto I conectaremos el módulo LCN – B3I

entradas de contacto seco.

El diagrama de conexión de la figura 9 se implementó, de

igual modo el control de luces de la cocina y baño, para el

control de riego podemos escoger válvulas eléctricas de

220v a 60Hz, on – off que serán distribuidas por jardín o

si preferimos un control más avanzado podemos colocar

electro válvulas que trabajen de 0 a 20 mA controlando el

flujo de agua, pero acrecienta el costo del diseño ya que

también tendríamos que adicionar el módulo LCN-AD1, y

conectarlo por el puerto T similar a la conexión realizada

para el control de temperatura de la habitación principal.

solar, persianas, ventilación o puertas, pueden ser contro-

lados de acuerdo con la programación y ampliación para

las funciones deseadas.

Conexiones del módulo LCN-SH

• Porelpuerto T se realiza la conexión del módulo LCN

– AD1, para el control de temperatura, el sensor es-

cogido es el LCN-TS, la longitud máxima de conexión

entre los modelos es de 100 metros. Ver figura 6.

• Porelpuerto P se conecta el módulo LCN – R4M2H

para el control de ocho motores destinados al con-

trol de las persianas de la sala y de las habitaciones.

Ver figura 7.

• Por el puerto I, se conecta los siguientes módulos

LCN-UT destinado al control de accesos, el LCN-RR

(receptor infrarrojo de mando a distancia), LCN-BMI

(detector de movimiento), LCN-B3I (sensor binario).

Para la conexión de todos estos módulos es necesa-

rio que coloquemos el módulo LCN-IVH para la ex-

tensión del puerto I. En la figura 8 muestra cómo de-

bemos conectar los sensores al LCN-IVH, los demás

sensores que no se muestran en la figura se conecta

siguiendo el mismo diagrama.

El LCN-UPP es un módulo sensor/ actuador del sistema de

bus LCN. Está provisto de dos salidas electrónicas conec-

toras y reguladoras de 230V, de un procesador propio, así

como de una conexión T- e I-para la recepción de otros

sensores y actuadores LCN.

Controlador

LCN-SH

Figura 6- Diagrama de conexión del puerto T.


49


Figura 7- Diagrama de conexión del puerto P.

Comunicación por el puerto P

Figura 8- Diagrama de conexión del puerto I.


50


figurar los enlaces de cada elemento, teniendo en cuen-

ta: el módulo al que están conectados el segmento y el

grupo al que pertenece. La pantalla de configuración se

muestra en la figura 10.

Una vez terminado el paso anterior se podrán mostrar las

siguientes pantallas, en las cuales observamos el estado

de los dispositivos empleados, así como también pode-

mos cambiar estos estados si lo deseamos. (Ver figura 11)

ConFIguRACIón de LA suPeRvIsIón MedIAnTe eL soFTWARe LCn – W

Para la vivienda automatizada, cuyo plano se muestra en

la figura 3, creamos unas pantallas de supervisión, que

nos permitirán ver el estado de los sensores y actuado-

res que se han dispuestos en los diferentes ambientes de

nuestra casa, utilizando el software LCN – W. Instalado en

una computadora destinada a este fin se procede a con-

Lámparas de las habitaciones 1 y 2

Figura 9- Diagrama de conexión del LCN - UPP.

Figura 10. Pantalla de configuración.

Figura 11. Pantalla monitoreo.


51



ACeRCA deL AuToR

Rafael Donaire es ingeniero Electrónico por la Universi-

dad Nacional del Callao, estudiando la Maestría en Auto-

mática e Instrumentación. En la actualidad es docente del

Departamento de Electrotecnia en Tecsup desarrollando

los cursos de Electricidad y Automatización. Es especia-

lista en Automatización de Sistemas Industriales a través

de Controladores Lógicos Programables, manejo de soft-

ware Scada y Sistemas Domóticos.

ConCLusIones

• Por el tipo de topología cumplió con los requeri-

miento de automatización, los controladores LCN-SH

poseen la limitación de conexión en sus puertos T y

P, lo que nos obliga a utilizar más controladores y un

sistema descentralizado.

• LatecnologíautilizadaporlosfabricantesdeLCNnos

permite colgar en la red equipos que no solamente

sean LCN si no compatibles con ella, como son sen-

sores de movimiento, electroválvulas, interruptores

EIB, etc.

• Elsistemadesupervisiónnoshapermitidomonito-

rear los dispositivos domóticos conectados a la red

de datos, pudiendo obtener la información de todos

los dispositivos del hogar digital en tiempo real.

• Paratrabajosdeinvestigaciónenelfuturopodemos

mencionar un monitoreo remoto a través de la red

de Internet.


1 Jose Huidobro, La Domótica Como Solución de Fu-

turo. Fundación de la Energía de la comunidad de

Madrid 2007.

2 Mozer, M.C., Lessons from an adaptive home. In: Cook,

Das, S.K. (Eds), Smart Enviroments: Technology, Pro-

tocols, and Applications, Wiley.pp.273-298

3 C. Fernández-Valdivieso, M.A. Galdeano e I.R. Matías.

La domótica en la titilación superior de ingeniería

de telecomunicación. El mundo de la Domótica, pp.

32-37. Junio 1999

4 B.Rose. IEEE Communication Magazine, Vol 39 Nº 12,

pp 78-85, 2001

5 J. Manuel Huidobro, Ramón Millán. DOMÓTICA Edifi-

cios Inteligentes. Editorial Cre. Copyright. 2007

6 Manuales del fabricante LCN, Inicio rápido y puesta

en marcha de la maleta de formación, año 2008. ©

ISSENDORFF Mikroelektronik GMBH.

52


Tecnología de la producciónde sales de cobre

Technology of productionof copper salts

Luís sánchez Zúñiga

ResuMen

La actividad minera en el país se ha caracterizado siem-

pre por ser de bajo valor agregado y limitada a la pro-

ducción de concentrados o un volumen limitado de me-

tales refinados.

En la actualidad el país vive en bonanza económica por

el incremento vertiginoso de los precios de los metales y

se actualizan antiguos proyectos para la explotación de

yacimientos de baja ley de cobre especialmente por pro-

cesos hidrometalúrgicos. En el presente artículo técnico

se presenta la metodología para la obtención de óxido

cuproso por medio electrolítico y sulfato de cobre a partir

de cementos de cobre.

Los procesos que se describen han sido probados con éxi-

to a nivel de laboratorio y se encuentran al alcance de los

empresarios mineros, como alternativas tecnológicas en

el beneficio de minerales de cobre, y representan además,

un mayor valor agregado a los productos que tradicional-

mente se obtienen en las minas peruanas.

AbsTRACT

Spend attention is given to the convenience of working

some mineral deposits of oxidezed copper using lixivia-

tion by piles percolation, in order to use part of the sul-

phuric acid which is being produced at refineries and

smelters.

In general the products to be obtained due to the usage

of these news techniques will be copper cement and also

electrolytic copper.

The authors present the methodology to obtain cuprous

oxide by electrolysis and copper sulphate starting from

copper cement.

The above processes have been tested with success at

laboratory level, they are technological alternatives in be-

nefit of the copper minerals, and they represent a higher

aggregated value to the traditional products obtained.

PALAbRAs CLAves

Electrolisis, precipitación, cemento de cobre, óxido

cuproso.

Key WoRds

Electrolysis, precipitation, copper cement, copper oxide.

InTRoduCCIón

El Perú es un tradicional productor de cobre, ocupando

siempre un lugar de privilegio en el contexto mundial. En

la actualidad se vive una coyuntura especial y nuevamen-

te se pone a consideración de los inversionistas los “anti-

guos” proyectos cupríferos.

Es conocido que en nuestro territorio existen recursos na-

turales y materias primas adecuadas, las mismas que pue-

den ser utilizadas para la obtención de sales de cobre; de

esta forma, es posible la formulación de proyectos para la

producción de aquellos.

En la situación descrita, es conveniente actualizar la idea

de trabajar algunos yacimientos de minerales oxidados

de cobre, especialmente en la costa sur, aplicando la tec-

nología de lixiviación por percolación en pilas a fin de uti-

lizar el ácido sulfúrico que se produce en el país. Los pro-

ductos a obtener pueden ser: cemento de cobre, diversas

sales de cobre, o alternativamente, cobre electrolítico.

El presente trabajo describe la metodología para la ob-

tención de oxido cuproso por medio electrolítico y sulfa-

to de cobre a partir de cementos de cobre.

53


Figura 1. Diagrama de flujo: fabricación de óxido cuproso.

El proceso general de la celda es una reacción química

endotérmica, con un calor de reacción igual a 25870 calo-

rías por 2 átomos-gramos de cobre, con lo cual se puede

calcular el voltaje de descomposición a partir de la Regla

de Thomson:

Erp =

El consumo energético se puede calcular considerando

que el equivalente electroquímico del cobre (I) es 2,37

gramos de cobre por amperio-hora.

obTenCIón de suLFATo de CobRe

La obtención de sulfato de cobre es una tecnología cono-

cida, la cual ha sido descrita por diferentes investigadores

y aplicada con éxito en diversas plantas locales. En Lima,

operan los denominados “sulfateros”, quienes emplean

como materia prima chatarra de cobre electrolítico (en

forma de desechos, conductores, barras, etc.) y ácido sul-

fúrico que adquieren a las refinerías de metales locales. El

proceso de fabricación en estas plantas se resume en las

siguientes etapas:

a. Preparación de la materia prima.

b. Carguío del material en reactores de lixiviación (tan-

ques cilíndricos de acero inoxidable tipo SAE 316) y

se cubre con solución remanente del proceso ante-

rior de cristalización.

c. Lixiviación en caliente a 80 - 90°C y densidad de la

solución igual a 40°Bé

TeCnoLogíA de PRoduCCIón deL óxIdo CuPRoso

El óxido cuproso se emplea en la fabricación de sales de

cobre QP, en cerámica, fritas rojas para porcelana, vidrio

rojo y galvanoplastía. Es destacable también su uso como

pigmento para pinturas antifouling. En su forma comer-

cial, el óxido cuproso es un material finamente molido

(granulometría: 100% menos malla 325) de color rojo

sangre, y que no se moja en el agua; se distinguen dos

formas de presentación: el grado QP y el grado técnico.

Las propiedades del óxido cuproso son:

Gravedad Específica = 5,8

Punto de Fusión = 1235 °C

Punto de Ebullición = 1800 °C

Es insoluble en agua. Es soluble en HCl, NH4Cl y NH

4OH,

La tecnología para la producción del óxido cuproso es

por el proceso electroquímico de electrólisis, que se basa

en pasar corriente eléctrica entre electrodos de cobre y

carbón, en un electrolito preparado con una solución de

cloruro de sodio (30 g/L) y a una temperatura de 95 °C.

Se producen las siguientes reacciones dentro de la celda:

En el cátodo (carbón) : 2H2O+2e- ➞ 2(OH)-+H

2

En el ánodo (cobre) : 2 Cu ➞ 2 Cu+++2e-

La combinación de ambos procesos resulta en el proceso

general:

2Cu+2H2O ➞ Cu

2(OH)

2+H

2

observándose que, precipita el hidróxido cuproso ama-

rillo en el electrolito y se libera hidrógeno en el cátodo.

Posteriormente, el hidróxido se hierve durante largo

tiempo, con lo cual se realiza el proceso.

Cu2 (OH)

2 ➞ Cu

2O+H

2O

Es decir, se descompone el hidróxido cuproso en oxido

cuproso (Cu2O, de color rojo sangre) y el agua respectiva.

La Figura 1, ilustra el diagrama de flujo del proceso de fa-

bricación de oxido cuproso.

Sánchez L, – Tecnología de la produccion de sales de cobre

54


Es posible estimar los consumos unitarios en el proceso

de producción de una tonelada de óxido cuproso al 100%

requiere lo siguiente:

• Cobreelectrolítico = 870kg.

• Clorurodesodio = 50kg.

• Agua = 5m3

• Electricidad = 414kw-hora

• Silicona(impermeabilizante) = 0.5kg.

Se realizaron cuatro pruebas de obtención de óxido cu-

proso a diversas condiciones a fin de determinar las con-

diciones de una óptima producción en el laboratorio. Las

condiciones y resultados se presentan en el Cuadro 1.

1era. Prueba

2da.Prueba

3era. Prueba

4ta.Prueba

Densidad de corriente, amp/pie2

30 40 30 40

Voltaje de celda, voltios

2 2 2 2

Temperatu-ra, °C

70 70 90 90

Distancia en-tre electrodos, pulgadas

2 2 2 2

Eficiencia de corriente, %

79 80 82 86

Cuadro 1. Condiciones de operación en laboratorio.

obTenCIón de suLFATo de CobRe A PARTIR de CeMenTos

En este acápite se describe el proceso de obtención de

sulfato de cobre a partir de cementos de cobre mediante

un procedimiento aplicado con éxito en el laboratorio. El

método adecuado para obtener sulfato de cobre a partir

del cemento, implica un pretratamiento previo del mate-

rial. El objetivo de las pruebas de laboratorio consistió en

obviar el tostado oxidante convencional del cemento, me-

diante el curado con una sal de amonio como oxidante.

Se eligió el Nitrato de Amonio debido a que no forma

sales insolubles que dificulte la posterior lixiviación del

material curado, y a la vez, por la doble acción oxidante, lo

cual se explica por las siguientes reacciones:

NH4NO

3 ➞ NH

3+NO

3H (1)

4 HNO3 ➞ 4 NO

2+2H

2O+O

2 (2)

d. Decantación de la solución rica y caliente; ajuste del pH.

e. Cristalización en tanques, enfriados con chaquetas

de agua, para producir macrocristales, que tarda al-

rededor de 12 horas.

f. Eliminación de humedad del producto y envasado

para su venta.

El sulfato de cobre se produce en dos calidades que se

distinguen por la pureza, y por su humedad residual.

a. Macrocristales: Preferidos por la mayoría de consu-

midores y compañías mineras, por su mayor pureza

(98%) y más apropiado a sus métodos de prepara-

ción de soluciones.

b. Microcristales: Contienen mayor humedad y even-

tualmente un ligero aumento de contaminantes y

menor pureza (97%).

De otro lado, en las plantas de lixiviación de minerales

oxidados de cobre se obtiene como producto final, un

precipitado denominado cemento de cobre, cuya pure-

za depende de las condiciones y controles del proceso.

Los cementos de cobre son integrados a procesos piro-

metalúrgicos, en los cuales, junto a la complejidad opera-

cional, normalmente se producen significativas pérdidas

por arrastre en chimenea (15 - 20%). Tales inconvenientes

contribuyen a que la comercialización de estos cementos

sea un tanto subestimada, inclusive para aquellos preci-

pitados con alta ley (85 - 95% Cu). La situación descrita

ha motivado el interés de implementar un proceso que

constituya una alternativa tecnológica y que permita un

mejor aprovechamiento de los cementos de cobre.

MeTodoLogíA

Pruebas de obtención de óxido cuproso

Resultados obtenidos por investigadores nacionales, en

pruebas piloto y de laboratorio, han demostrado que el

proceso funciona en las siguientes condiciones de ope-

ración:

• Densidaddecorriente = 30-40amp/pie2

• Voltajedecelda = 1-3voltios

• Temperaturaóptima = 95°C

• Distanciaentreelectrodos = 2pulgadas.

• Eficienciadecorriente = 80-85%


55



tiempo de curado de 5 días; sin embargo, este último pa-

rámetro de operación debe ser optimizado. En la Figura

3, se concluye que el tiempo mínimo de curado debe ser

24 horas, siendo factible disolver 99% de cobre. La lixi-

viación del material curado se efectuó durante una hora

con solución de 300 g/L de H2SO

4, a dilución 5/1 y a una

temperatura de 70°C; en estas condiciones no se observó

problemas de sobresaturación de la solución. La cristali-

zación posterior se llevó a cabo mediante enfriamiento,

obteniéndose buena calidad y eficiencia en los cristales

producidos.

ConCLusIones

La producción de sales de cobre ofrece la posibilidad de

mejores rendimientos económicos al momento de su

comercialización, en comparación a los productos tra-

dicionales. Las pruebas experimentales de laboratorio

demuestran que es factible la obtención de sulfato de

cobre pentahidratado mediante oxidación del cemento

de cobre con Nitrato de Amonio y posterior lixiviación

ácida convencional. Asimismo, es factible obtener óxido

cuproso por el proceso de electrolisis a partir de solucio-

nes concentradas de cobre.

Se observa, en la reacción (2), que el oxígeno y el dióxido

de Nitrógeno son los agentes oxidantes del cobre.

La muestra en estudio es un cemento de cobre, obtenida

mediante una reducción de contacto con fierro, que tiene

la siguiente composición química:

Al inicio se realizaron nueve pruebas de curado y lixivia-

ción, en las que se estudió el efecto de la relación este-

quiométrica NH4NO

3/cobre. Las condiciones de trabajo

en laboratorio son las siguientes:

• Pesodecementodecobre = 1000gramos.

• Tiempodecurado = 5días

• Diluciónenlalixiviación = 5a1

• Concentracióndeácido = 300g/L

• Tiempodelixiviación = 60minutos

• Temperaturadelixiviación = 70°C

Como el tiempo de curado determinado inicialmente era

muy largo se procedió a realizar un segundo set de prue-

bas metalúrgicas, en el que se estudió dicha variable. Las

condiciones de trabajo en laboratorio son las siguientes:

• Relaciónestequiométrica = 0.5

• Diluciónenlalixiviación = 5a1

• Concentracióndeácido = 300g/L

• Tiempodelixiviación = 1hora

• Temperaturadelixiviación = 70°C

ResuLTAdos y dIsCusIón

Los resultados de las pruebas de obtención de óxido cu-

proso por electrolisis demuestran que el proceso es sen-

sible a la temperatura del electrolito en la celda; a la vez,

la densidad de corriente es otra variable significativa pues

la eficiencia de corriente se incrementa en forma propor-

cional, pero se juzga que será difícil continuar incremen-

tándolo en razón al razonable deterioro en la calidad del

producto final. En las condiciones de operación de las

pruebas de laboratorio, se observa que la mayor eficien-

cia de corriente en el proceso de electrolisis se obtiene

con una densidad de corriente de 40 amp/pie2.

Los resultados de las pruebas de obtención de sulfato de

cobre a partir de cementos, en la Figura 2 se observa que

la relación estequiométrica más óptima es 0.5, para un

Figura 2. Efecto de la relación estequiometrica en la disolución de cobre.

% e

xtra

cció

n d

e co

bre

Figura 3. Efecto del tiempo de curado en la disolución de cobre.

% e

xtra

cció

n d

e co

bre

56



Las ventajas de los métodos descritos son: simplicidad

de operación, bajos costos de operación y rápida cinéti-

ca de conversión de cobre, permitiendo obtener un sub-

producto de alta calidad física-química y con potenciales

campos de aplicación.

Independiente del producto a fabricar, es conveniente

una minuciosa determinación de la calidad de la materia

prima, a fin de evitar las dificultades al separar las impure-

zas contaminantes, las cuales no permiten alcanzar grado

de pureza del producto final exigido por los clientes con-

sumidores.

ReFeRenCIAs

1 Producción de sulfato de cobre a partir de cementos

de cobre de Refinería Cajamarquilla. Informe privado.

Tecsup. Lima, 2006.

2 Rodríguez V., Jorge. Nuevas alternativas en el bene-

ficio de minerales de cobre. Anales de la XX Conven-

ción de Ingenieros de Minas. Tacna, 1988.

3 Muñiz D., Juan. Alternativas de solución para Cerro

Verde. Anales del IV Simposium Nacional de Ingenie-

ría Metalúrgica. Arequipa, 1987.

4 Producción de Sulfato de Cobre a partir de Cemento

de Cobre. Informe N° 1746 - LMC. Banco Minero del

Perú - Laboratorio Central Callao, 1986.

ACeRCA deL AuToR

Luís Sánchez Zúñiga es ingeniero metalúrgico. Es investi-

gador en el área del procesamiento de los minerales. Tiene

experiencia laboral en empresas mineras, focalizando su

desarrollo profesional en la implementación de procesos

metalúrgicos y supervisión en plantas concentradoras de

minerales de oro, plata y cobre. Sus áreas de interés son:

Hidrometalurgia del oro y diseño de plantas metalúrgicas.

Es consultor en Investigación Aplicada de los Servicios a la

Industria Minera de Tecsup.

57


Implementación de una red de telefonía híbridade bajo costo con asterisk

Implementation of low-cost hybrids telephone network with asterisk

Renatto g. gonzales Figueroa

ResuMen

En el mercado de las telecomunicaciones las PBX o Cen-

trales Telefónicas Privadas son utilizadas por las compa-

ñías para, principalmente, manejar sus llamadas tanto

entrantes como salientes. Las PBX permiten administrar

el uso de, por ejemplo, cuatro líneas telefónicas entre los

veinte anexos que utilizan los empleados en una oficina,

así como las llamadas internas entre estos anexos.

Otras funciones son adicionalmente solicitadas a las PBX,

tales como transferencia de llamadas, horarios de aten-

ción, llamadas en espera, conferencias, desvíos de llama-

das, correos de voz, menú interactivo de voz (IVR), reporte

de llamadas; a estas funciones podríamos agregar otras

más de acuerdo a necesidades específicas, tales como:

• UnCallCenterrequierecolasdellamadas,grabación

de llamadas, agentes para atención de llamadas y

marcadores predictivos.

• UnHotelrequierefuncionescomolastcheckout,avi-

sos programados, menús interactivos de voz, avisos

en múltiples idiomas, etc.

Estas funciones cuando se implementan con PBX tradi-

cionales son muy costosas, necesitan hardware y software

especializado, el que, además, al ser propietario, aumenta

los costos y disminuye la flexibilidad de las implementa-

ciones, obligando al usuario a mantener una sola marca.

Estos costos elevados evitan, en la mayoría de los casos,

que muchas compañías pequeñas o medianas puedan ac-

ceder a estas PBX, limitando su capacidad de competencia

en el mercado al no contar con tecnología de vanguardia.

Asterisk es una plataforma de comunicaciones, diseña-

da como interfase entre diferentes tecnologías de tele-

fonía IP y telefonía analógica de manera que la conver-

gencia entre ellas sea consistente. Asterisk es modular,

lo que le da la capacidad de manejar desde canales

TDM de voz, paquetes de voz IP y múltiples codecs de

voz hasta aplicaciones complejas como IVRs con acce-

so a bases de datos.

Asterisk es, además, software libre de código abierto, se

ejecuta sobre Linux, su instalación ocupa apenas unas

decenas de Mega Bytes, puede instalarse sobre cualquier

PC y es altamente configurable.

Estas características hacen de esta plataforma, actual-

mente, la alternativa perfecta para que muchas empresas

grandes, medianas o pequeñas puedan acceder a aplica-

ciones avanzadas como IVRs, correos de voz, grabación

de llamadas, salones de conferencia, interacción con ba-

ses de datos, etc. a precios razonables. Todo esto mante-

niendo la flexibilidad y la compatibilidad con otras PBX,

utilizando estándares de comunicaciones y teniendo el

control completo del despliegue, la puesta en marcha y

el mantenimiento de su sistema.

AbsTRACT

In the telecommunications market, the PBX (Privates Box

exchange) is used by companies to mainly handle your

calls both incoming and outgoing. The PBX allow mana-

ge the use for example of 4 telephone lines between 20

extension used by employees in an office, and also inter-

nal calls between these extension.

58


InTRoduCCIón

Las compañías de hoy en día deben afrontar nuevos re-

tos para cumplir las metas que se han trazado, para lo-

grar este objetivo deben apoyarse en la tecnología como

herramienta que acelere y sostenga su crecimiento. Entre

las diferentes áreas en las que la tecnología puede servir

de apoyo al crecimiento de una compañía están las co-

municaciones. Es imprescindible para cualquier empresa

que se mantenga comunicada con sus clientes y provee-

dores, así como que se mantenga comunicación entre sus

empleados y oficinas remotas y como principal medio de

comunicación tenemos la red telefónica.

A pesar de la gran variedad de formas de comunicación

que nos provee la tecnología actual como: correo elec-

trónico, mensajería instantánea, páginas Web y otras

herramientas de colaboración que nos permiten acortar

distancias con una gran rapidez y eficiencia; sigue siendo

aún el teléfono una de las herramientas de la cual ningu-

na empresa puede prescindir; ya que principalmente nos

permite comunicarnos utilizando una tecnología (la red

telefónica, sea fija o móvil) a la que prácticamente todos

tenemos acceso.

Por eso, que a pesar de la aparición cada vez más rápida

de otras formas de comunicarnos, las empresas siguen

utilizando la red telefónica tradicional y, por lo tanto, se

siguen implementando aplicaciones para este medio

utilizando PBXs. Las aplicaciones más comunes son: res-

puesta de voz interactiva, correo de voz, monitoreo de

llamadas cola de llamadas, agentes para atenciones de

llamadas, salas de conferencia, entre otras.

El fin principal de este proyecto es implementar una red

telefónica privada para una pequeña empresa que a un

costo razonable pueda beneficiarse de las principales

aplicaciones que se implementan sobre PBXs propietarias

de alto costo, permitiéndole contar con las herramientas

tecnológicas para convertirse en una empresa altamente

competitiva.

esCenARIo InICIAL

Para iniciar este proyecto nos planteamos el escenario

de una empresa pequeña promedio que aún no cuenta

con una PBX, pero que desea implementar una solución

que le permita sacar el mejor provecho a los recursos que

posee.

Additionally, other functions are applied to the PBX, such

as transferring calls, hours of operation, call waiting, con-

ference, call relay, voice mail, interactive Voice Response

(IVR), reporting calls; these functions could add others ac-

cording to specific needs such as:

• ACallCenterrequiresqueuescalls,callrecording,call

agents and predictive markers.

• Ahotelrequiresfunctionsaslastcheckout,schedu-

led alerts, interactive voice menus, notices in multi-

ple languages, etc.

These functions when implemented with traditional PBX

are very expensive, and require specialized hardware and

software, which also increases the ownership costs and

reduces the flexibility of deployments, forcing the user to

maintain a brand.

Asterisk is open source software platform for communi-

cations, designed as an interface between different tech-

nologies of IP telephony and analog telephony so that

the convergence between them is consistent. Asterisk is

modular, which gives you the ability to manage channels

from TDM voice, IP voice packets and multiple voice co-

decs to complex applications such as IVRS with access to

databases.

These features make this platform, currently, the perfect

alternative for many large, medium or small companies

can access advanced applications such as IVRS, voice

mail, call recording, conference halls, interaction with da-

tabases, etc. at reasonable prices. All of this can be rea-

ched while maintaining the flexibility and compatibility

with other PBX, using standard communications, and ta-

king full control of the deployment, implementation and

maintenance of your system.

PALAbRAs CLAves

Telefonía IP, Telefonía con Asterisk, IVR con Asterisk, IVR

con una PBX, Telefonía Híbrida, CODECS de Voz.

Key WoRds

IP Telephony, Telephony with Asterisk, IVR with Asterisk,

IVR with a PBX, Hybrid Telephony, Voice CODECs.

Gonzales R. – Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk

59


Este escenario planteado se asemeja mucho a los casos

reales en empresas que desde pequeñas empiezan a cre-

cer y podemos identificar principalmente los siguientes

problemas:

• Cuandoingresaunallamadaporlalínea1,timbrarán

al mismo tiempo los teléfonos de gerencia, admi-

nistración y producción. Esto causará que si un área

contesta cuando la llamada es para otra área debe-

rán hacerse transferencias de llamadas, lo que redu-

ce la eficiencia del personal. El caso es similar cuado

timbra la línea 2.

No hay administración de las líneas telefónicas dis-

ponibles.

• Otroproblemaesquecuandonoseencuentranin-

guna persona en el área de ventas o en el área de

compras las llamadas o se pierden o en muchos ca-

sos los encargos dejados a otras personas no son en-

tregados a tiempo.

No hay mecanismos de guardar mensajes en caso de

no encontrarse la persona buscada.

• Cuandoelgerenteseencuentraensucasadebeuti-

lizar la red telefónica para comunicarse con su com-

pañía y cuando se encuentra de viaje debe utilizar el

teléfono del hotel donde está alojado o su teléfono

celular.

Ambos casos presentan costos elevados de comuni-

cación.

La empresa ha crecido por lo tanto sus nuevas necesida-

des son las siguientes:

• Aumentardedoslíneasacuatrolíneastelefónicas.

• Aumentar de tres a cuatro el número de vendedores.

• Aumentardedosatreselnúmerodeencargadosde

compras.

• Adquirir una PBX para poder administrar mejor las

cuatro líneas.

• Solucionartodoslosproblemasmencionadosante-

riormente.

Nota: Adicionalmente al tener que aumentar su personal

de ventas y compras sería un costo difícil de cubrir el con-

tratar una persona más para el cargo de recepcionista.

La empresa cuenta con lo siguiente:

Área de Gerencia:

• Unteléfonoanalógicoatendidoporelgerente.

Área de ventas:

• Dosteléfonosanalógicosquesonatendidosportres

vendedores.

Área de Compras:

• Dosteléfonosanalógicosquesonatendidospordos

encargados de compras.

Área de Administración:

• Un teléfono analógico que es atendido por dos personas.

Área de Producción:

• Unteléfonoanalógicoatendidoporel jefedelárea

de producción.

Cuenta, además, con dos líneas telefónicas analógi-

cas que se distribuyen de la siguiente forma:

• Línea1:tienecomoanexoselteléfonodegerencia,

de administración y de producción.

• Línea2:tienecomoanexoslosteléfonosdeventasy

compras.

Cuenta con un enlace a Internet speedy de un Mbps.

Figura 1. Escenario inicial planteado.


60


Servidor de comunicaciones:

• PentiumIV3.0Ghz

• MemoriaRAM:521KB

• DiscoDuro:40GB

• 1tarjetadered

• 1tarjetaDigiumTDM404P

Laptop del gerente:

• ToshibaSatellitePentiumIV

• MemoriaRAM512KB.

• Ochoteléfonosanalógicos

• CuatroATAsSIPdedospuertosFXS

Para implementar esta solución se utilizó el siguiente

software:


• SistemaOperativoLinuxCentOS4.4

• Asteriskylibrerías(ZAPTEL,LibPri)

• ServidordecorreosSendmail.

Estaciones de trabajo:

• Softphone:X-LiteoSJphone

Laptop del gerente:

• Softphone:X-LiteoSJphone

Primero se desarrollo el siguiente plan de discado y asig-

nación de teléfonos:

Tabla 1. Plan de discado

Para aprovechar los teléfonos analógicos existentes uti-

lizaremos ATAs (Analog Telephone Attachment) SIP para

poder configurarlos como teléfonos IP.

soLuCIón PLAnTeAdA

En términos generales la solución planteada sería la si-

guiente:

• Instalar una PBX para administrar las cuatro líneas

entrantes y los anexos internos.

• ConfigurarunmenúutilizandounIVR(respuestain-

teractiva de voz) en la PBX para atender las llama-

das automáticamente y redireccionarlas a las áreas o

anexos respectivos.

• Implementar correo de voz en la PBX para cada

anexo, de tal manera que puedan grabarse los men-

sajes de los clientes, proveedores, etc.

• Darle acceso a la central telefónica a través de la

conexión a Internet disponible para que el gerente

pueda estar en contacto con su oficina desde su casa

y desde cualquier punto remoto, donde pueda co-

nectarse a Internet.

Según lo mencionado debemos adquirir una central tele-

fónica que soporte IVR, correo de voz y un módulo de te-

lefonía IP. Este tipo de PBX tiene costos elevados que van

desde aproximadamente US$ 6000.00 dependiendo de la

marca, modelo y funciones adicionales. Y en la mayoría de

los casos este precio no incluye los costos de implemen-

tación y capacitación.

Debemos mencionar adicionalmente que cuando desea-

mos realizar cambios o ampliar estas capacidades estare-

mos atados a la marca que hemos adquirido, lo que nos

deja sin la posibilidad de elegir entre diferentes posibili-

dades de solución.

La solución planteada por este proyecto es la siguiente:

- Instalar un servidor Asterisk en una PC para administrar

las cuatro líneas entrantes, los anexos locales y los anexos

remotos (Teléfono IP del gerente).

• ConfigurarunmenúIVRenelservidorAsterisk.

• ImplementarelcorreodevozenelservidorAsterisk.

• ImplementarunanexoremotoIPparaqueelgeren-

te se pueda conectar desde fuera de la empresa.

Para implementar esta solución se utilizaron los siguien-

tes equipos de hardware:


61


Instalación del servicio de correos:

2. Instalar un servidor de correos interno utilizando

Sendmail (viene por defecto en el CentOS 4.4).

3. Configurar 12 usuarios de correo uno por cada usua-

rio en la tabla superior.

Instalación del servicio asterisk

4. Compilar asterisk y las librerías necesarias en el si-

guiente orden:

a. Compilar la librería ZAPTEL

b. Compilar la librería LIBPRI

c. Compilar Asterisk

5. Configurar la tarjeta analógica Digium TDM404P uti-

lizando el archivo /etc/zaptel.conf, aquí determina-

mos la señalización y el tipo de interfase.

Configuramos 4 interfases FXO con señalización

KewlStart

6. Configurar los canales analógicos en el archivo /etc/

asterisk/zapata.conf. Esta configuración es necesaria

para poder utilizar los canales en el plan de discado,

asterisk reconocerá estos canales analógicos como

canales ZAP.

El diagrama de la solución implementada se muestra en

la siguiente gráfica.

Pasos de Implementación:


1. Instalar el sistema Operativo Linux CentOS 4.4 en la

PC seleccionada como servidor de comunicaciones.

Figura 3. Tarjeta Digium TDM con 4 FXO instalada en el

servidor de comunicaciones.

Figura 2: Escenario implementado en el proyecto.


62


realizar las acciones que deseamos sean ejecutadas.

(Ver Figura 4)

10. Para configurar los anexos crearemos una extensión

para cada uno y utilizaremos la aplicación DIAL para

marcar cada canal SIP.

Adicionalmente se utilizará la aplicación VOICEMAIL

para activar el correo de voz de cada usuario. Así,

cuando el usuario no responda, un menú guiará a la

persona llamante a dejar un mensaje.

11. Configuraremos además una extensión 2020 para

grabar el mensaje que utilizaremos para el IVR. En la

configuración de esta extensión utilizaremos la apli-

cación ANSWER para que asterisk conteste automá-

ticamente la llamada y la aplicación RECORD que nos

dará la opción de grabar un mensaje.

Configurando el menú IVR

12. Utilizando la extensión 2020 grabaremos el siguiente

mensaje:

“Bienvenidos a MI EMPRESA si desea hablar con ven-

tas marque 1, si desea hablar con compras marque 2,

si desea hablar con Administración marque 3, si de-

sea hablar con producción marque 4, si desea hablar

con Gerencia marque 5“

13. En el plan de discado crearemos una extensión espe-

cial: la extensión S, que será la que reciba las llamadas

entrantes. Luego una aplicación ANSWER tomará la

llamada, otra aplicación BACKGROUND repetirá el

mensaje grabado anteriormente. Y utilizando aplica-

ciones DIAL y aplicaciones GOTO crearemos un flujo

que nos permitirá enviar la llamada al anexo adecua-

do de acuerdo con la selección del llamante.

Estaciones de trabajo:

14. En las estaciones que utilizarán softphones instala-

remos X-LITE o SJPhone como teléfonos por soft-

ware. En la configuración del softphone colocamos

la cuenta SIP con la que se logueará el teléfono y la

dirección IP del servidor de comunicaciones.

15. En el caso particular de la laptop del gerente debere-

mos configurar la cuenta SIP con la que se logueará

al servidor asterisk y la dirección IP pública del router

de la empresa.

Configurando el correo de voz

7. En el archivo /etc/asterisk/voicemail.conf configura-

mos cuál es nuestro servidor de correos y cuáles son

las cuentas que tienen acceso a él. En este caso las

cuentas tendrán como nombre el mismo número de

anexo.

Esta configuración permitirá que cada vez que se

deje un correo de voz, sea enviado a la cuenta de co-

rreo de cada usuario configurado.

8. Para los anexos configuraremos teléfonos IP con el

protocolo SIP que se conectarán a los teléfonos ana-

lógicos utilizando los ATAs.

La decisión de utilizar todos los anexos como canales

IP utilizando el protocolo SIP es para uniformizar la

administración de todos los anexos y además apro-

vechar los beneficios de la telefonía IP en todos los

anexos.

La configuración de las cuentas SIP se hacen en el ar-

chivo /etc/asterisk/sip.conf aquí configuramos prin-

cipalmente:

• ElnúmerodecuentaSIPquevaserelmismonúmero

del anexo asignado en la tabla 1.

• Ellenguajequeseutilizaráparalosmensajesdeau-

dio que envía asterisk.

• SielteléfonoIPseráremotoonoynecesitaráutilizar

el protocolo NAT. Para este caso sólo a la cuenta SIP

del gerente se le configurará el soporte NAT.

Asterisk reconocerá a cada cuenta SIP configurada

como un canal SIP.

9. El Plan de Discado se configura en el archivo /etc/as-

terisk/extensions.conf. aquí configuramos las reglas

de marcación para el servidor asterisk. Y qué es lo

que debe hacer cuando recibe una llamada entrante

o ejecuta una llamada saliente. Además aquí se con-

figurará el menú IVR.

Cada anexo se crea en el plan de discado como un

conjunto de líneas que deben ser ejecutadas si-

guiendo un orden establecido. Aquí observamos la

flexibilidad y potencia del servidor de comunicacio-

nes asterisk al permitirnos utilizar aplicaciones para


63



cada usuario y de esta manera el mensaje será es-

cuchado desde cualquier ubicación con acceso al

correo.

• El gerente utilizando su laptop podrá registrar su

cuenta SIP desde cualquier ubicación remota con

acceso a Internet y realizar llamadas a través de la

central asterisk como si se encontrara en la oficina.

ConCLusIones

• Esposibleelusodeaplicacionesdecódigoabierto

y software libre para implementar soluciones profe-

sionales de comunicaciones y aplicarlas a casos rea-

les de empresas en el Perú.

• Elusodeasteriskcomoservidordecomunicaciones

nos permite integrar la telefonía tradicional y la Tele-

fonía IP de forma transparente a los usuarios y con-

sistente para los administradores de red.

• La ventaja de un plan de discado flexible que nos

proporciona asterisk hace posible configurar aplica-

ciones avanzadas como el IVR y el correo de voz sin

necesidad de adquirir software o hardware adicional

ATAs:

16. Cada ATA tiene 2 puertos FXS por lo que ahí conecta-

remos los teléfonos analógicos. En cada ATA se debe-

rá configurar además los datos de 2 cuentas SIP y la

dirección del servidor asterisk. (Ver figura 5)

17. Terminada esta configuración conectaremos los te-

léfonos analógicos a los ATAs y los ATAs a la red de

datos de la empresa. Cada cuenta SIP se registrará en

el servidor asterisk.

ResuLTAdos

• Unavezterminadalaconfiguraciónelservidoraste-

risk recibirá las llamadas por cada una de las cuatro

líneas analógicas y contestará la llamada utilizando

el IVR, de esta manera las personas llamantes podrán

escoger con qué área desean comunicarse.

• Luego,silapersonallamadanoestápresentedejará

un mensaje de voz.

• Estemensajeseráenviadoporcorreoelectrónicoa

Figura 4. Teléfonos analógicos y servidores de

comunicaciones Asterisk.

Figura 5. ATAs con 2 interfaces FXS.

Campus ArequipaUrb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, PerúT: (54)426610 - F: (54)426654MAIL: [email protected]

Campus LimaAv. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima 43, PerúT: (51)317-3900 - F: (51-1)317-3901MAIL: [email protected]

Campus Trujillo:Via de Evitamiento s/n Victor Larco Herrera. Trujillo, PerúT: (44)60-7800 - F: (44)60-7821MAIL: [email protected]

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I+i Investigación aplicada e innovación. Volumen 2 - Nº 1 / Primer Semestre 2008