Programación y Control Automático S.L.

Automatización Industrial - Integración de Sistemas - Industria 4.0

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Acerca de AlfredoSanchez

Ingeniero Superior Industrial y Máster en Ingeniería de Estructuras. Especialista en sistemas de control e integración de equipos, software y redes.

AlfredoSanchez

Consumo eléctrico de un lavavajillas.

Lavavajillas

¿Cuánto consume un Lavavajillas?

Si realizamos una exhaustiva búsqueda en internet sobre el consumo energético de un lavavajillas, encontraremos abundantes artículos que nos hablan sobre el ahorro que supone, en términos de consumo de agua y energía, el uso del lavavajillas frente el lavado ‘a mano’, y de cómo nos va a ayudar en el ahorro al final de mes, adquirir uno con la mejor calificación energética. Pero los datos reales sobre el consumo eléctrico, o como dirían en algunas regiones ‘la pela’, es algo más dificilmente accesible.

Aprovechando que hemos desarrollado un monitor de energía eléctrica capaz de medir la intensidad y de enviar los datos a la nube, vamos a monitorizar a tiempo real el consumo eléctrico de un lavavajillas durante un programa normal de lavado.

El ciclo de lavado.

Un ciclo de lavado básico incluye una fase de prelavado, un lavado con agua caliente, un periodo de aclarado y finalmente el secado. Los tiempos de cada fase dependen del equipo y del programa seleccionado.

Ciclo de un programa de lavado

Ciclo de un programa de lavado

Si observamos el programa de lavado, los mayores consumos de energía se producen en aquellas fases en las que hay aporte de energía al agua para calentar, lo que se realiza mediante el efecto Joule a través de resistencias. En el resto de fases, el consumo de energía se emplea en abrir/cerrar válvulas, arrancar los motores de impulsión y la bomba de de desagüe.

El montaje.

Vamos a emplear un Arduino Mega equipado con una shield a la que conectar transformadores de corriente, con los que medir intensidad eléctrica de modo no invasivo. Para enviar los datos a la nube, incorporamos al proyecto la shield oficial Arduino GSM. Información más detallada sobre cómo realizar el monitor está accesible en una entrada anterior del blog.

Para realizar medidas de intensidad eléctrica, es muy importante tener en consideración que la pinza amperimétrica de medida sólo debe abrazar una de las fases.

Conexion Sensor Intensidad

Conexion Sensor Intensidad

Para ello se puede emplear un conjunto como el de la imagen, donde se han separado las fases y el cable de tierra, dejándolos accesibles. En caso de colocar la pinza en un cable al uso, con las dos fases embutidas, la medida de la pinza será cero, ya que la intensidad que entra por una fase, sale por el neutro, siendo el total nulo.

Los datos.

Gracias al servidor gratuito de emoncms podemos conectar el lavavajillas al ‘internet de las cosas’, lo que nos va a permitir realizar un análisis detallado de los datos. Con el fin de contrastar valores adquiridos, colocamos dos pinzas de medida independientes, denominadas 1 y 2 en las gráficas. Seleccionamos el programa estándar y comenzamos la monitorización. El lavavajillas tiene certificación energética clase A.

En este primera gráfica se muestra la intensidad medida por las pinzas de manera redundante.

Medida de Intensidad

Medida de Intensidad

El programa tiene una duración aproximada de tres horas, y podemos observar dos zonas de elevado consumo que se corresponden con las fases de calentamiento para el lavado y aclarado, además de picos de consumo de corta duración como consecuencia de arranque de motores.

Vamos a mostrar la potencia calculada por el monitor a partir de la intensidad, multiplicando la intensidad por la tensión de suministro, con un valor de referencia de 230V.

Potencia = Intensidad * Voltaje
Grafica Potencia

Grafica Potencia

Observamos claramente que el grueso del consumo eléctrico se invierte en aporte de calor en las fases de lavado y aclarado. En el resto del programa, el consumo de energía es muy reducido, unos 150 W de media, que a lo largo del ciclo completo supone unos 0.45 KW/hora, lo que a un precio de 0.14 €/KWh, apenas si tiene un coste de 7 céntimos antes de impuestos.

La energía necesaria para el aporte térmico es de unos 1500 W de media, suministrados durante dos periodos de aproximadamente media hora, lo que supone un consumo de 1.5 KWh totales, y en términos económicos, 0.21 €, tres veces más que la energía consumida en el resto del programa.

El coste energético del programa completo es de 0.28 € antes de impuestos y tasas, de los que el 75% se ha invertido en aporte de calor. Esto abre las puertas a conseguir grandes ahorros en la factura, por ejemplo alimentando el lavavajillas con agua calentada mediante energía termosolar, pero esto es otro campo que corresponde al ahorro y eficiencia energética.

Monitor de energía eléctrica con Arduino.

Monitor Energia Electrica

Monitor Energia Electrica

El internet de las Cosas.

Arduino y las plataformas de software libre están permitiendo realizar proyectos electrónicos cada vez más complejos y sofisticados a un coste realmente asequible a nivel de hardware, y gracias a la colaboración y difusión de contenidos, con un menor tiempo de desarrollo. Como parte de un proyecto más complejo de monitorización a través de página web, tecnología conocida como ‘Internet de las cosas‘, hemos desarrollado, basándonos en Arduino y la plataforma libre Open Energy Monitor, un monitor de energía eléctrica no invasivo, empleando sensores tipo pinza que se abrazan a la fase a medir.

Descripción.

Vamos a desarrollar un monitor de energía eléctrica o medidor de consumo eléctrico (intensidad y potencia aparente) a tiempo real y a través de internet. Para ello emplearemos una tarjerta Arduino Mega (la placa Arduino Uno carece de memoria suficiente para trabajar con la librería GSM); dos sensores para medir intensidad eléctrica, que conectaremos a nuestro Arduino mediante una shield que acondiciona la señal de los sensores; y un módem GSM para conectarnos a internet y poder enviar las medidas.

Para almacenar datos en la nube necesitamos una plataforma especializada en ‘Internet of Things’ (iot), capaz de recibir y procesar los datos de nuestro nodo de monitorización. Existen en el mercado diversas plataformas para iot con distintas funcionalidades como Carriots o Xively (anteriormente Pachube). En este proyecto nos basaremos en la plataforma Emoncms, un proyecto OpenSource que proporciona almacenamiento limitado gratuito en sus servidores, y que permite descargar la plataforma y ejecutarla en un servidor propio. Incluye además tratamiento de datos y diversos formatos de visualización personalizables, que nos van a ayudar a desarrollar una completa interfaz de monitorización incluyendo seguridad de acceso.

Medida de consumo eléctrico.

Para la monitorización de consumo eléctrico uno de los métodos más empleados consiste en emplear sensores no invasivos de tipo pinza, que son básicamente transformadores de corriente (TC), especialmente indicados para medir corriente alterna.

PinzaAmperimetrica

Sensor Intensidad Eléctrica

Como cualquier transformador, están constituidos por un bobinado de primario, un bobinado de secundario, y un núcleo magnético.

FuncTrafoINT

Funcionamiento trafo Intensidad

La relación de transformación es el cociente entre entre el número de vueltas de bobinado entre primario y secundario, y la intensidad que fluye por el secundario es directamente proporcional a la relación de transformación:

RelacionTransformacion = nVueltasPrimario / nVueltasSecundario.
ISecundario = RelacionTransformacion * IPrimario

Habitualmente en este tipo de sensores, el número de vueltas de bobinado en el secundario es 2000, y el primario está constituido únicamente por la fase a medir, así que la relación de transformación es 1:2000, y la intensidad en el secundario es 1/2000 de la intensidad que fluye por el primario. Para un sensor de 100A como el que hemos adquirido, la intensidad del secundario será 100A/2000 = 0.05A, lo que suele escribirse en la forma 100:0.05.

Tal como hemos visto, el cable de fase a monitorizar constituye el primario del transformador, y al circular por él una corriente alterna, se induce una corriente proporcional en el secundario. Esta señal en forma de intensidad de corriente alterna debe ser acondicionada para poder medirse en una entrada analógica de nuestro Arduino, que es una entrada de tensión variable 0-5 V . Sobre la forma a realizar esta conversión eléctricamente hay amplia documentación en internet. Nosotros nos hemos decantado por adquirir una shield para Arduino realizada y distribuida por Open Energy Monitor, la Emon TX Arduino Shield  que incorpora 4 entradas para sensores de corriente configuradas con los componentes necesarios para medir en los canales análogicos de Arduino, y con conectores de 3.5mm para los sensores; además de dos entradas de temperatura para sensores digitales tipo DS18B20.

EmonTXShield

emonTx Shield V2

Mediante 4 entradas de 3.5mm se conectan a la shield, de forma simple, los equipos de medida que hemos adquirido también en la misma web: Yhdc SCT-013-000. Estos sensores están diseñados para medir una intensidad máxima de 100A. Es posible adquirirlos con una menor intensidad máxima, lo que aumenta la precisión de la medida a realizar.

Una vez la shield montada en la placa Arduino y conectados los sensores, estamos listos para comenzar a probar nuestro monitor de energía eléctrica. Únicamente necesitamos importar la librería EmonLib e incorporarla a nuestro proyecto. Hay que tener en cuenta  que los ejemplos incluidos en la instalación de la librería Emonlib no están desarrollados para la shield de Arduino, sino para otro dispositivo similar. Pare poder utilizar los ejemplos de la librería debemos modificar la línea en que se configura la instancia, introduciendo como constante el valor 60.606. Este valor es el cociente entre la relación de transformación (2000) y la resistencia de carga del circuito (33ohm).

Cte = RelacionTransformacion / ResistenciaCarga = 2000 / 33Ohm = 60.606
emon1.current(1, 60.606) //(pin analógico, cte configuración)

La shield EmonTx está preparada para realizar medidas de voltaje y potencia eléctrica, simplemente conectando una fuente de 9V alterna al conector de alimentación de la propia shield, para hacer de referencia. Si optamos por no incluir la fuente, sólo tenemos la posibilidad de medir intensidad. Para calcular la potencia aparente basta con multiplicar la intensidad medida por la tensión en línea, que debemos incluirla como una constante. En el caso de España, la tensión de suministro es de 230V, aunque este valor puede variar ligeramente en cada punto de suministro.

#include "EmonLib.h" // Incluye la libreria

EnergyMonitor emon1; // Crea una instancia 
void setup() 
{ 
  Serial.begin(9600); 
  emon1.current(1, 60.606); // Configuración: entrada Pin Analógico, calibracion. 
} 
void loop() 
{ 
  double Irms = emon1.calcIrms(1480); 
  Serial.print(Irms*230.0); // Potencia Aparente 
  Serial.print(" "); 
  Serial.println(Irms); // Irms 
}

Conexión de Arduino a Internet.

Aunque existen diversas alternativas para conectar Arduino a internet, nos decantamos por la shield oficial Arduino GSM Shield. Aunque la placa es compatible con nuestro Arduino Mega, es necesario, como se indica en la documentación oficial, realizar unas pequeñas modificaciones para hacerla funcionar:

Arduino Mega Modificacion GSM

Arduino Mega Modificacion GSM

  • Puentear los canales digitales  2 y 10.
  • Doblar la patilla del canal 2 para dejarlo sin conectar
Con estas sencillas modificaciones estamos listos para conectar nuestro Arduino Mega a internet, en este caso a la web de Emoncms. La mejor opción para enviar datos a un servidor web es realizar un enlace cliente-servidor, donde Arduino es el cliente web. Hay abundante documentación sobre el modo de realizar la conexión como cliente, tanto en internet como en los propios ejemplos de la librería GSM.

No debemos olvidar que para conectarnos a internet a través de la shield GSM, debemos tener contratada una tarifa de datos con algún operador móvil. Como en elpaquete de la shield oficial se incluye una tarjeta de Movistar activable vía web, para probar el prototipo hemos adquirido un bono de 10MB a través de la web M2M. Es necesario tener a mano los datos de conexión del operador a la hora de realizar el enlace web:

#include <GSM.h>

// PIN de la tarjeta, en el caso de M2M está vacío #define PINNUMBER "" //Operador #define GPRS_APN "sm2ms.movilforum.es" #define GPRS_LOGIN "" #define GPRS_PASSWORD "" GSMClient client; GPRS gprs; GSM gsmAccess; void setup() { Serial.println("Iniciando la conexion WEB."); boolean notConnected = true; // Inicia el acceso GSM while(notConnected) { if((gsmAccess.begin(PINNUMBER)==GSM_READY) & (gprs.attachGPRS(GPRS_APN, GPRS_LOGIN, GPRS_PASSWORD)==GPRS_READY)) { notConnected = false; Serial.println("Conectado a red GSM"); } else { Serial.println("No conectado"); delay(1000); } } }

Montaje del conjunto.

Ya tenemos todos los componentes del monitor de energía eléctrica probados por separado, es momento de ensamblar el conjunto y programar el código para comenzar a enviar datos al servidor web. El primer paso es montar las shields sobre la placa Arduino. Vamos a emplear dos sensores para tener medidas redundantes, en uno de ellos mediremos la intensidad del cable de fase, y en el otro la intensidad del neutro, ambas medidas deben coincidir.
Arduino Monitor Energia

Arduino Monitor Energia

Arduino Monitor Energia

Arduino Monitor Energia

 

En el sketch añadimos el código para realizar la segunda medida y preparamos la cadena del envío. Para transmitir los datos al servidor de emoncms, empleamos una cadena json según se detalla en la información de la página sobre como transmitir datos, con el formato:

http://emoncms.org/input/post.json?json={power:200}

Debemos estar registrado en el servidor para poder operar en la aplicación. Una vez registrados, se nos asigna un APIKEY con permiso de escritura que es necesario reflejar en el sketch al enviar datos. Este valor indica al servidor emoncms qué usuario está enviando datos. Tambiés podemos incluir, en caso necesario, el número de nodo desde el que se envía, para distinguir en caso de disponer de distintos equipos, o querer monitorizar distintas zonas.

Empleamos el pin 12 como indicador de que hay una transacción de lectura-envío en marcha.

#include "EmonLib.h"
#include 

#define PINNUMBER ""
#define GPRS_APN       "sm2ms.movilforum.es" 
#define GPRS_LOGIN     ""    
#define GPRS_PASSWORD  "" 

//APIKEY para la conexion con Opencms
const String APIKEY = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx";

char server[] = "emoncms.org"; 
const int port=80;
int node = 1;

unsigned long ultimoEnvio=0; 
const unsigned long intervaloEnvio = 10;  //periodo entre envios

String json;

// Inicialización de las librerías
GSMClient client;
GPRS gprs;
GSM gsmAccess;
EnergyMonitor emon1;
EnergyMonitor emon2;

void setup()
{  
  Serial.begin(9600);
  emon1.current(1, 60.606);
  emon2.current(2, 60.606);
  Serial.println("Iniciando la conexion WEB.");

  boolean notConnected = true;
    // Inicia el acceso GSM
  while(notConnected)
  {
    if((gsmAccess.begin(PINNUMBER)==GSM_READY) &
        (gprs.attachGPRS(GPRS_APN, GPRS_LOGIN, GPRS_PASSWORD)==GPRS_READY))
      {
        notConnected = false;
        Serial.println("Conectado a red GSM");
      }
    else
    {
      Serial.println("No conectado");
      delay(1000);
    }
  }
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop()
{
  //Lectura de datos enviados por el servidor web
  if (client.available())
  {
     char c = client.read();
     Serial.print(c);
  }

  if (!client.connected() && ultimoEnvio)
  {
    client.stop();
  }
 //envio de datos
 if(((millis() - ultimoEnvio)/1000 > intervaloEnvio))
  {
    digitalWrite(13, HIGH);
    double Irms1 = emon1.calcIrms(1480);  // Calculate Irms only
    double PotAct1=Irms1*230.0;
    double Irms2 = emon2.calcIrms(1480);  // Calculate Irms only
    double PotAct2=Irms2*230.0;
    //preparamos el dato para enviar
    char aux_Irms1 [8];
    char aux_Pot1 [8];
    char aux_Irms2 [8];
    char aux_Pot2 [8];    
    dtostrf(Irms1, 4, 2, aux_Irms1);
    dtostrf(PotAct1, 4, 2, aux_Pot1);
    dtostrf(Irms2, 4, 2, aux_Irms2);
    dtostrf(PotAct2, 4, 2, aux_Pot2);
    //preparamos la cadena de envio
    json="{";
    //pasamos los datos a la cadena
    datosSerie(json, "Int1", aux_Irms1, true);
    datosSerie(json, "Pot1", aux_Pot1, false);
    datosSerie(json, "Int2", aux_Irms2, false);
    datosSerie(json, "Pot2", aux_Pot2, false);
    json += "}";
    Serial.println(json);
    sendData();
  }
}

void sendData()
{
  // Realizamos la conexión al servidor
 if (client.connect(server, port))
  {
    client.print("GET /api/post?apikey=");
    client.print(APIKEY);
    if (node > 0) {
      client.print("&node=");
      client.print(node);
    }
    client.print("&json=");
    client.print(json);
    client.println(" HTTP/1.1");
    client.println("Host:emoncms.org");
    client.println("User-Agent: Arduino-GSM");
    client.println("Connection: close");
    client.println();   
    Serial.println("Enviada con éxito");
  }
  else
  {
    // if you couldn't make a connection:
    Serial.println("Error en la Conexion.");
    Serial.println();
    Serial.println("desconectando.");
    client.stop();
  }
  // note the time that the connection was made or attempted
  digitalWrite(13, LOW);
  ultimoEnvio = millis();
}

void datosSerie(String &dataString, String Campo, String Valor, boolean Primero)
{
    if (Primero==false) {
      dataString += ",";
    }
      dataString += Campo+":";
      dataString += Valor;
}

Muy importante es recordar que debemos colocar el sensor alrededor de sólo uno de los dos hilos de alimentación, si medimos sobre un cable convencional donde están embutidos los dos hilos de alimentación, la medida será siempre cero, ya que a la intensidad que entra por un hilo es igual y de signo contrario a la que sale por el otro, para que fluya la intensidad.

Conexion Sensor Intensidad

En la próxima entrada, mostraremos como configurar el servidor Opencms para que almacene datos en forma histórica y cómo crear una pantalla de monitorización de datos amigable con gráficos.

Google presenta su casa domótica.

Con la presentación en Madrid de su apuesta por la casa domótica, la Google House, la compañía irrumpe de lleno en el campo de la domótica, afianzando el paso que dio en enero al adquirir Nest Labs, fabricante de equipos para automatización del hogar, y adelanta el paso con el resto de tecnológicas, que pretenden lanzar sus propios sistemas en breve. google-house-7

Marcando el paso.

Google ha presentado en Madrid, tras recorrer medio mundo, la Google House, su apuesta tecnológica por el hogar del futuro. De momento no muestra elementos de domótica, y se limita a enseñar como, a través de sus distintas aplicaciones, los miembros de un hogar pueden realizar una receta de cocina, hacer las tareas del colegio, o visualizar contenido multimedia en un televisor a través de dispositivos portátiles. Esta presentación marca el camino de la línea que la tecnológica inició con la adquisición de Nest Labs, empresa dedicada a la fabricación de sensores, como termostatos y detectores de humo que son interconactables a través de internet. “La compañía construye productos impresionantes que pueden comprar ahora, como termostatos que ayudan a salvar energía, y detectores de humo que pueden ayudar a mantener segura a tu familia“, afirmó Larry Page, director general de Google. “Estamos emocionados de llevar grandiosas experiencias a más hogares en más países y cumplir sus sueños“, agregó Page. Todo parece indicar que la la compañía del buscador está decidida a revolucionar el mundo del hogar a través de la tecnología.

Las otras tecnológicas.

Otra grande que marca el paso en la carrera por la casa domótica es Microsoft, que ha alcanzado un acuerdo con Insteon,creadores de un estándar de domótica muy extendido en los EEUU, para dar soporte a nuevas aplicaciones basadas en Windows 8.1 y Windows Phone. El acuerdo permitirá a los consumidores controlar elementos del hogar tales como lámparas, cámaras, termostatos, y así hasta un conjunto de 200 sensores, a través de sus PC´s, tablets o móviles con sistemas Microsoft, mientras a su vez, Microsoft vende equipos de Insteom en sus propias tiendas. Otra que no quiere perder el paso es Apple, que aprovecha el tirón de la integración de múltiples dispositivos con sus sistemas. Un importante número de StartUps están relacionadas con la domótica y equipos de control del hogar, y gran parte de estos equipos comunican con dispositivos Apple. Según ha avanzado Financial Times, Apple prevé lanzar en breve una plataforma de software que integre dispositivos de control del hogar, la plataforma parece una extensión del programa Apple MFi (Made for iPhone) que la compañía ya ofrece para certificar oficialmente otros accesorios como bases de sonido. Pero tendrá una marca diferente, estará enfocada solo a productos de hogar inteligente, y tendrá su propio apoyo de software para desarrolladores. Con estas medidas Apple busca profundizar en el campo de las aplicaciones de automatización una vez que las ventas mundiales de teléfonos inteligentes comienzan a ralentizarse en los mercados desarrollados. En este contexto, también conviene destacar que Samsung ha lanzado recientemente una gama de frigoríficos, lavadoras y televisores que se pueden controlar desde los smartphones y los relojes inteligentes de la compañía. La firma, que aparece en un informe de Fidelity como una de las empresas favoritas para tomar la delantera en el desarrollo de aparatos domésticos de consumo inteligente que puedan comunicarse entre sí, tiene su propio sistema operativo Tizen, que podría explotar en un futuro en este entorno del internet de las cosas, concretamente dentro del hogar.        

Domótica y Eficiencia Energética

Ahooro Energético En empresas y hogares concienciados con el ahorro y la eficiencia energética, la domótica e integración de equipos de producción y consumo eléctrico en un sistema central supervisado por el usuario, abre la puerta a conseguir altas tasas de rentabilidad y ahorro.

Trabas legales.

Con la coyuntura legislativa actual, en la que el vertido de electricidad producida en hogares a la red no sólo no está recompensado, sino que puede ser penalizado, es de vital importancia para los consumidores que tienen, o desean instalar equipos para producción eléctrica, tales como aerogeneradores, o paneles fotovoltaicos, controlar tanto la producción como el consumo, para amortizar de una forma eficiente las instalaciones. Si tomamos una vivienda conectada a red que instala un conjunto de paneles fotovoltaicos con el fin de reducir su factura eléctrica, es fácil comprender a simple vista, que, en el caso de familias trabajadoras, el momento de máxima producción de su instalación, coincide con el momento de menor consumo, al estar ausentes de casa. En base a este planteamiento, el período de amortización de la instalación puede hacerla poco rentable. Es fundamental que los consumidores modifiquemos nuestros hábitos de consumo para adaptarlos a los momentos en que los equipos de generación están a pleno rendimiento. Para ello es imprescindible el uso de la domótica.

La Domótica y eficiencia energética.

El papel de la domótica en la eficiencia energética debe tener dos facetas complementarias, por un lado debe monitorizar y realizar un seguimiento tanto de la producción eléctrica, como del consumo de instalaciones y electrodomésticos, que permitan a los usuarios conocer sus hábitos de consumo eléctrico, para poder planificar de una forma óptima éstos, en base a su producción. Por otra parte debe permitir al usuario programar y controlar el funcionamiento de electrodomésticos de forma autónoma y programada. De una forma práctica, la idea de la automatización en el hogar nos debe llevar a permitir que de forma autónoma y programada, la lavadora, lavavajillas y demás electrodomésticos que generan un importante consumo eléctrico, se conecten una vez la instalación de producción esté a pleno rendimiento, o incluso ir conectándolos en forma secuencial según la cantidad de electricidad producida en cada momento. Cuando no haya demanda interna de consumo, hay que desconectar el sistema de producción para evitar vertidos indeseados de electricidad a red. En el caso de instalaciones aisladas, la necesidad de sistemas de control se hace aún más crucial, en base a conseguir mayores niveles de confort. Es necesario interconectar los distintos subsistemas: fotovoltaico, baterías, aerogeneradores y en último lugar grupos electrógenos, de forma que el usuario final no llegue en ningún momento a percibir falta de electricidad. http://www.idae.es/index.php/mod.documentos/mem.descarga?file=/documentos_11187_domotica_en_su_vivienda_c7a81517.pdf

Nueva Web

Estrenamos web en la que iremos mostrando información sobre servicios y trabajos realizados, así como novedades en las versiones de Inersoft GMAO.

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