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

Investigación aplicada e innovación Volumen 2 - Nº 1 Primer semestre 2008 Lima - Perú

ISSN 1996-7551

Editorial...............................................................................................................................................................................

Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero.......................................

............................................................................................................................................................ Adolfo Marchese García

Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales.........

1 1

.................................................................................................................................................................Jorge Castillo Migone

Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos..........................................

1 17

.................................................................................................................................................................................Juan Manuel Gers

Modelo de enseñanza de robótica en instituciones de educación superior................

........................................................................................................................ Raúl Medrano Tantaruna / Miguel Chávez Luna

Implementación de un Sistema SCADA para la Supervisión Centralizada de Subestaciones en Empresas Eléctricas............................................................................................

.....................................................................................................................................................................Alvaro Castro Chavarria

Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado en un hogar digital.................................................................................................................

............................................................................................................................................................................Rafael Donaire Peña

Tecnología de la producción de sales de cobre...................................................................................

............................................................................................................................................................................Luis Sánchez Zúñiga

Implementación de una red de telefonía híbrida de bajo costo con asterisk............. ...............................................................................................................................................................Renatto Gonzales Figueroa

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

Director: Alberto Bejarano

Comité Editorial: Adolfo Marchese García Daniel Mendiburu Zeballos Dante Muñoz Díaz Elmer Ramirez Quiroz Hernán Zapata Gamarra Javier Ganoza Piña Luis Maza Arnao

Colaboradores: Adolfo Marchese García Álvaro Castro Chevarría Juan Manuel Gers Jorge Castillo Migone Luis Sánchez Zúñiga Miguel Chávez Luna Rafael Donaire Peña Raúl Medrano Tantaruna Renatto G. Gonzales Figueroa

Corrector de estilo: Jorge Alvarado Cevallos

Diseño, diagramación: 2

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Impresión: Tarea Asociación Gráfica Educativa

Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú: 2007-04706 TECSUP • Arequipa: Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, Perú

• Lima: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita.

Lima 43, Perú

• Trujillo: Via de Evitamiento s/n Victor Larco Herrera.

Trujillo, Perú

Publicación Semestral Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido, sin embargo autoriza la reproducción total ó parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente.

Nota Las ideas y opiniones contenidas en los artículos son de responsabilidad de sus autores y no refleja necesariamente el pensamiento de nuestra institución. Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008

EDITORIAL Al iniciar el segundo año de existencia de nuestra revista Investigación Aplicada e Innovación, nos sentimos muy complacidos por la buena acogida concedida a nuestros primeros números, pero, al mismo tiempo, somos conscientes de que aún hay nuevos retos por enfrentar y superar, entre los cuales, lograr la internacionalización de esta publicación a través de la contribución de profesionales de otras latitudes, como un gesto de verdadera integración. Siendo nuestro país este año sede de importantes cumbres internacionales cuyas agendas están muy relacionados con el desarrollo de los países de nuestra región, es oportuno insistir tambien en la labor que les compete a nuestros profesionales como actores principales para concretar aquel objetivo y en la urgente necesidad de que la práctica de la investigación y el desarrollo sean parte de su agenda personal. Es mas: es imprescindible señalar que dicha práctica no será fácilmente incorporada si es que no ha sido en parte arraigada durante la etapa de los estudios superiores. Por esta razón, los artículos que presentamos en esta edición es el resultado de trabajos de I+D de nuestros profesores, con el apoyo de egresados y estudiantes que son parte importante de la razón de ser de esta revista.

Alberto Bejarano Director Académico

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

Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

Optimization of cyanidation process on an auriferous ore Adolfo Marchese García

RESUMEN Los tratamientos metalúrgicos que se aplican a los mi-

Los resultados de las pruebas de cianuración y el mo-

nerales de oro se basan en las siguientes características

delo matemático obtenido resulta válido por tener la

tecnológicas:

desviación cuadrática media de 1,80%, identificándose los resultados óptimos en las siguientes condiciones

a. La gran diferencia de densidad y/o gravedad espe-

de operación: Cianuro 0,5 g/L, inyección de oxígeno la

cífica del oro con respecto a la ganga, así como su

pulpa y un pH de 10, obteniéndose una extracción del

masa y volumen considerables de sus partículas.

84,5% de oro.

b. La reconocida flotabilidad del oro cuando se presenLa conclusión del trabajo experimental es que el mine-

ta al estado libre o asociado a sulfuros. c. La solubilidad del oro en soluciones alcalinas dilui-

ral en estudio es factible de ser tratado por cianuración y los resultados obtenidos deben servir para elaborar el

das de cianuro.

perfil del proyecto de tratamiento a nivel industrial.

El objetivo del estudio metalúrgico que sirve de base a este articulo consiste en determinar el rendimiento de la

Abstract

aplicación del proceso de cianuración por agitación sobre un mineral aurífero que proviene de la zona sur del

Metallurgical treatments applied to auriferous ores are

país, tomando como factores de mérito la extracción de

based in the following technological considerations:

oro soluble y los consumos de reactivos en el proceso. a. Difference on density and/or specific gravity betEl alcance de las pruebas metalúrgicas de laboratorio se

ween gold and gangue and volume of gold parti-

realizó en los laboratorios del Dpto. Química y Metalurgia,

cles.

las que consistieron en la ejecución de pruebas de cianuración en frasco agitado para obtener recuperaciones

b. Gold floatability when is present in native state or associated with sulphides.

integrales de oro.

c. Gold solubility in diluted alkaline solutions of cyanide.

La metodología empleada en las pruebas metalúrgicas

The metallurgical objective of this study was to deter-

se aplicó el diseño experimental de análisis factorial iden-

mine the application of an agitated cyanidation process

tificada en tres variables para optimizar parámetros del

for treating an auriferous ore from the south zone of the

proceso de cianuración por agitación, cuyas variables

country considering as main factors the extraction of so-

fueron:

luble gold by cyanide and the consumption of reagents used in the process.

Min

Máx.

- Cianuro (g/L) 0,5

- pH 10,0 11,0

Metallurgical testwork was done at laboratories of Chemistry-Metallurgy Department and were done screen analysis in order to know the gold distribution in the ore to be leached and agitated cyanidation tests which

- Oxigenación

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

shown different gold recoveries.

Marchese A. – Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

The methodology employed involved experimental fac-

Tecsup se ha vinculado a un gran número de estudios y

torial design with three variables in order to optimize the

proyectos de investigación aplicada relacionados con el

operative parameters of cyanidation. The variables were

procesamiento de minerales auríferos. En este artículo se

the following:

presenta la optimización de la extracción de oro mediante la aplicación de diseños experimentales estadísticos,

Min

Máx.

- Cyanide (g/L) 0,5

sobre la base de los resultados experimentales obtenidos en nuestra experiencia profesional en Investigaciones Metalúrgicas de minerales auríferos. La experimentación

- pH 10,0 11,0

por cianuración se ha realizado a escala de laboratorio.

- Oxygenation

PROCESOS de lixiviación con cianuro

Results and the mathematical model obtained with an average quadratic deviation of 1,80% indicated that the

La caracterización mineralógica, química y metalúrgica

best operative conditions are 0,5 g/L cyanide, air addi-

de un mineral aurífero o de yacimientos de otros minera-

tion and pH 10. The gold extraction was 84,5%.

les metálicos asociados a valores de oro, es determinante para la selección del proceso de concentración o extrac-

Experimental work showed the feasibility of treating the

ción que permita la más eficiente recuperación del oro.

ore by cyanidation and these results will be used as base line for the industrial treatment of the ore.

Los parámetros básicos que deben conocerse son:

PALABRAS CLAVES

• Identificación, composición y características de los minerales portadores de oro.

Cianuración, Diseño factorial, Oxígeno, Concentrado aurífero

KEY WORDS

• Tipos de asociaciones y composiciones de los minerales y de la ganga que acompañan a las especies auríferas. • Concentración o leyes de oro en el material a procesar. • Granulometría y forma de ocurrencia de las partícu-

Cyanidation, factorial design, Oxygen, auriferous concentrate.

INTRODUCCIóN

las auríferas y de los minerales asociados. • Grado de liberación de las partículas de oro y de los otros elementos de valor constituidos en granos mixtos, así como de la ganga.

En función a la complejidad de los minerales que con-

La recuperación de oro fino contenido en minerales, re-

tienen oro, los procesos metalúrgicos de recuperación o

laves de concentración gravitacional o concentrados de

extracción pueden clasificarse así:

flotación se realiza por medio de procesos químicos de disolución o lixiviación con cianuro de sodio (NaCN), lla-

a. Procesos simples, aplicados a minerales en los que el

mado cianuración. Los factores limitantes para obtener

oro se encuentra liberado o es fácilmente lixiviado,

una óptima extracción del oro en la solución cianurada

tales como la concentración gravimétrica y/o amal-

son:

gamación y la cianuración. b. Procesos complejos, aplicados a minerales en los que el oro se encuentra íntimamente asociado a otra especie mineralógica o posee un tamaño submicroscópico.

• Tiempo de contacto al que está expuesto el mineral durante la lixiviación. • Molienda necesaria para obtener una buena liberación de las partículas de oro de la ganga. • Contenido de sustancias que inhiben o retardan las

Sobre la base de las referencias indicadas en la obra de

reacciones de disolución. Por ejemplo, aquellas que

José Macassi y al atender la demanda de empresas mi-

consumen cianuro u oxígeno libre, elemento nece-

neras por innovar en procesos metalúrgicos aplicados

sario para la reacción del lixiviante con las partículas

a concentrados de oro, el Dpto. Química Metalurgia de

de oro.

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

Marchese A. – Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

Por lo tanto, se debe definir y cuantificar la presencia de

número 2 corresponde a los niveles o valores cuantitati-

sustancias que consumen oxígeno y cianuro, en razón a

vos de las variables. Estos niveles serán uno máximo y el

que tienden a retardar la disolución de oro, por lo que se

otro mínimo y se basan en experiencias preliminares del

hace necesario el empleo de oxígeno en la reacción, tal

mineral en estudio.

como es el caso del material problema que motiva este articulo.

Cada uno de los factores da un efecto definido como la variación media total de la información buscada, produ-

METODOLOGíA Y DISEÑO EXPERIMENTAL

cida por un incremento del nivel del factor considerado. El efecto principal de una variable dada es la diferencia entre el promedio de los resultados obtenidos del nivel

La metodología de la investigación aplicada se sustenta

máximo del valor de la variable y el resultado promedio

en las siguientes consideraciones experimentales:

obtenido al nivel mínimo de la misma variable.

a. En el desarrollo y control de las pruebas se han uti-

El efecto de interacción entre dos variables X1, I2, es la

lizado diferentes equipos y aparatos, entre los que

diferencia media entre el efecto de un Incremento en el

destacan: balanzas de precisión, rodillos giratorios,

nivel X1, al nivel máximo de X2, y el efecto del incremento

equipos de filtración, estufas de secado, pH metro

del nivel X1 al nivel mínimo X2. Para aclarar la explicación

(Beckmann), mallas Tyler, picnómetro y molino de

anterior, considérese que las variables a estudiar sean A,

bolas de laboratorio.

B, C (tres en total) lo que dará un número de experimen-

b. Las pruebas de cianuración se efectuaron por el

tos 23 = 8.

método de frasco agitado en rodillos, empleando botellas de 2000 mL de capacidad; las pulpas fueron

Cada variable tendrá un nivel mínimo m y otro máximo

preparadas con porciones de mineral y soluciones

M. En una tabla se resumiría el experimento del siguiente

conteniendo cianuro de sodio y cal. Para el uso de

modo:

oxígeno en algunas pruebas se aplicó un suministro externo de un balón de oxígeno industrial.

Nº

Notación

Resultado

c. Los análisis químicos de oro en las muestras sólidas

fueron ensayadas por copelación (vía seca). Los aná-

lisis de oro en soluciones fueron realizados por ab-

sorción atómica.

abc

d. Los análisis de cianuro libre se determinaron mediante titilación volumétrica con Rodanina. La determinación de la acidez se determinó con un pH-metro debidamente calibrado. En la experimentación se utilizó cianuro de sodio con 98% de pureza y cal hidratada con 80% de pureza.

ANALISIS FACTORIAL El método del Análisis Factorial permite detectar la influencia de variables individuales así como interacciones entre estas variables durante un experimento. Esta metodología se aplicó porque permite prescindir del método clásico de investigar las variables una a una, teniendo en cuenta que por este procedimiento sería necesario correr numerosas pruebas para estudiar las variables de cianuración susceptibles de ser controladas en el laboratorio. De acuerdo con Iván Quiroz, en el Análisis Factorial el experimento está representado por 2n donde n es el número de variables que serán estudiadas (controladas). El

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

En esta tabla, cada una de las filas representa el nivel al que intervienen las variables y su resultado. Por ejemplo, la prueba 6 (sexta fila), denotada por ac, indica la interacción de las variables a y c en el resultado y también que el factor A estará en su máximo valor, el factor B en su mínimo y el factor C en su máximo. Para obtener el efecto individual de cada variable se analizan los resultados del siguiente modo: Para el factor A, que varía entre Y1, e Y2, Y3 e Y4, Y5 e Y6, Y7 e Y8 Se compara

Y1 + Y3- + Y5 + Y7 -------------------

con

Y 2 + Y4 + Y6 + Y8 ------------------4

Marchese A. – Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

Para el factor B, que varía de Y1 Y2 a Y3 Y4 y Y5 Y6 a Y7 Y8

Au = 22 g/t Ag = 11/g/t

Y1 + Y2 + Y5 + Y6

Y3 + Y4 + Y7 + Y8

As = 0,11 %

Se compara

-------------------

Fe = 5,30 %

Cu = 0,13 %

con

SiO2 = 37,49 % Para C se aplica un razonamiento similar y se deberá

CuOx = 0,04 %

comparar:

MINERALOGíA

Y1 + Y2 + Y3 + Y4

------------------------------

Y5 + Y6 + Y7 + Y8

con ------------------------------

Los análisis químicos de un mineral son importantes para el diseño y control de una operación. Sin embargo, debe

hacerse uso de ellos en relación con la microscopía, para Otra forma de representar la matriz diseño es la siguiente:

que tengan un significado real, que permita adquirir la información adecuada para la determinación del trata-

Nº

No-

Matriz

Matriz de Variables

Vector

ta-

Diseño

Independiente

Observación

Es necesario, entonces, contar con estudios microscópi-

ABC

Resultado

cos como complemento de los análisis químicos, sobre

ción A

miento metalúrgico conveniente.

todo porque estos últimos no dan ninguna información

sobre las especies mineralógicas existentes, el grado de

liberación de las partículas, el tamaño de las mismas, ni la

forma en que ocurren los principales cationes:

abc

En esta tabla se ha reemplazado la notación M y m, por (+) y (-) respectivamente para las variables A, B, C. Para determinar la columna AB, por ejemplo, se realiza el producto interno (escalar) de los vectores A y B. En forma idéntica se generan las otras columnas.

Según el Estudio Mineragráfico del mineral utilizado en la investigación aplicada de laboratorio, los minerales presentes en la muestra son: oro nativo, pirita, arsenopirita, marcasita y limonita. La ganga no metálica la forma principalmente el cuarzo. Hay menores proporciones de calcita, sericita, biotita, clorita y calcedonia. Las conclusiones del Estudio Mineragráfico señalan: 1. El oro ocurre en cantidades interesantes, en forma de oro nativo. 2. El oro nativo se presenta: a. En partículas liberadas por molienda, las cuales

Para calcular los efectos e interacciones se toman los productos interiores de los elementos del vector observa-

tienen tamaños del rango de 3 a 25 micras de diámetro.

ción (resultado), con los correspondientes elementos del

b. Formando amarres mineralógicos, en los cuales

efecto deseado en la matriz de variables independientes.

el oro nativo se encuentra asociado a la pirita y a la limonita. En estos amarres las partículas indivi-

ANáLISIS QUíMICO

duales de oro nativo tienen un rango de granulometría de 2 a 35 micras de diámetro.

El mineral en estudio proveniente de la zona sur del país

3. En general, las partículas de oro nativo tienen tama-

fue recibido en un saco conteniendo 50 kg., con tamaños

ños que oscilan entre 2 y 35 micras de diámetro (me-

de hasta 2 pulgadas, fue inicialmente triturado hasta obtener un producto menor a 1/4 pulgada. A continuación fue homogenizado convenientemente y por cuarteo se obtuvo una porción de 12 kg. que fue chancado a menos malla 10, y por cuarteos sucesivos se volvió a obtener una fracción representativa que se utilizó para el análisis químico de la muestra, la que indicó la siguiente composición:

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

nor a malla Tyler 400). 4. El mineral no metálico mayoritario en esta muestra es el cuarzo. Por lo tanto, la granulometría de las partículas de oro nativo está comprendida dentro del rango en que el proceso de cianuración suele ser efectivo (menos mallas Tyler 400, o sea tamaños menores a 37 micras).

Marchese A. – Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

DETERMINACIONES PREVIAS

A continuación se realizó un diseño factorial a fin de determinar el efecto de tres variables: fuerza de cianuro (%

Para completar la información sobre la caracterización

NaCN), oxigenación y pH. Estas variables fueron aplica-

del mineral en estudio se realizaron algunos ensayos en

das en valores mínimos y máximos, tomando como base

laboratorio que permitieron determinar lo siguiente:

los resultados de las pruebas preliminares.

a. Ángulo de reposo: empleando la norma técnica correspondiente se determinó en 45o. b. Gravedad específica: con el empleo del método del picnómetro se determinó en 2,61. c. pH natural: se determinó en 7,8, lo que demuestra su carácter alcalino.

Las variables fueron:

Min

Máx.

Fuerza NaCN (%)

0,05

0,20

Aporte de oxígeno (*) 0

(*) La variable oxígeno considera que cuando se utiliza un

d. Work index: se empleó el método comparativo de Be-

suministro externo de oxígeno industrial a la pulpa está

rry-Bruce utilizando como muestra patrón mineral de

en el nivel máximo (igual a 1) y sin utilizar el suministro

cuarzo. El valor determinado fue Wi = 12,8 Kw-h/tc.

está en el nivel mínimo (igual a 0).

e. Ecuación: consumo cal - pH

El diseño factorial (2N) y el análisis de Yates se asimila un

pH = 0,3404 (x) + 7,817

modelo lineal.

Donde: X = adición de cal (Kg/t)

Y = Bo + B1X1 + B2X2 + B3X3 + error

RESULTADOS DE PRUEBAS METALúRGICAS

Tabla 2. Resultados metalúrgicos obtenidos. Al inicio se realizaron cuatro pruebas de cianuración a

Prueba

fin de determinar el efecto de la granulometría sobre la

Nº

Efecto

Extraccion

NaCN

Oxígeno

oro (%)

disolución de oro y poder definir el grado de molienda

(%)

más óptimo.

Tabla 1. Condiciones y resultados de las pruebas metalúrgicas. Prueba 1

Prueba 2

Prueba 3

Prueba 4

pH, rango de trabajo

10,5

Dilución (relación líquido sólido)

2.5:1

Granulometría, - 200 m (%)

Fuerza cianuro (%)

0,1

0,453

0,398

0,403

0,374

Tiempo de lixiviación (h)

Consumo de NaCN (kg/t) Consumo de cal (kg/t)

6,5

Extracción oro (%)

63,2

67,3

69,3

72,7

Ley residuo (g/t)

8,1

7,2

6,5

6,0

Ley cabeza (g/t)

22,0

0,05

69,04

0,20

79,04

0,05

84,52

0,20

82,85

0,05

49,76

0,20

61,67

0,05

71,42

abc

0,20

77,14

Los consumos de NaCN y cal producidos en las pruebas metalúrgicas fueron los siguientes: Consumo Kg/t

NaCN

6,90

6,83

16,75

18,06

3,42

5,11

13,49

16,62

Cal

3,50

3,75

8,0

7,0

7,25

5,0

6,0

7,5

Los resultados nos demuestran que la granulometría producida en la molienda del mineral es importante

DISCUSIóN DE RESULTADOS

para permitir el contacto de las partículas de oro con las soluciones de cianuro. De esta forma, la molienda a 80%

De acuerdo con la metodología del diseño factorial es

menos malla 200 permite disolver 73 % de oro, resultado

importante determinar los efectos de las variables estu-

que aún dista de ser óptimo.

diadas sobre la variable respuesta (extracción de oro) y a continuación modelizar el proceso.

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

Marchese A. – Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

Tabla 3. Determinación de los efectos de las variables. Efecto

% Extracción

III

Efecto

69,04

148,08

315,45

575,45

79,04

167,37

260,0

25,96

6,49

Bo = promedio = 575,45/ 8 = 71,93 B1 = efecto “A” / 2 = 6,49 / 8 = 3,25 B2 = efecto “B” / 2 = 14,10 / 2 = 7,05 B3 = efecto “C” / 2 = 13,86 / 2 = -6,93 Luego la fórmula será: Y = 71,93 + 3,25 X1 + 7,05 X2 – 6,93 X3

84,52

111,43

8,33

56,42

14,10

82,85

148,56

17,63

-17,86

-4,46

Sustituyendo la codificación: Extracción oro (%) =

49,76

10,0

19,29

-55,45

-13,86

61,67

-1,67

37,13

9,3

2,32

71,42

11,91

11,67

17,84

4,46

71,93 + 3,25 (% CN – 0,125) + 7,05 ( Oxi. – 0,5) - 6,93 (pH – 10,5)

abc

77,14

5,72

-6,19

5,84

1,37

0,075

0,5

575,45

Con esta fórmula determinamos la extracción de oro calculado y los incrementos y desviaciones estándar. El error

En la tabla 3 determinamos lo siguiente:

cuadrático medio de 1,80 % respecto al valor calculado • El efecto de aumentar la fuerza del cianuro incre-

nos demuestra que es aceptable el modelo matemático propuesto.

menta también la extracción en 6,5%. • El efecto de incrementar la oxigenación en la pulpa produce un aumento en la extracción en 14,40%.

Para el mineral en estudio, a fin de obtener un óptimo pro-

• Aumentar el pH, produce baja en la extracción en

ceso de cianuración debe tenerse en cuenta lo siguiente:

13,8%. • El incremento de la fuerza de cianuro y oxigenación

a. En las condiciones óptimas, se disuelve 85 % de oro con baja alcalinidad (10–10,5), durante 24 horas de

en pulpa disminuye la extracción en 4,46%. • Al incrementar la fuerza de cianuro y el pH experi-

contacto, con una fuerza de cianuro de 0,05% y un grado de molienda igual a 80 % menos malla 200.

menta un aumento de extracción en 2,32%. • La oxigenación y el pH alto resultan en una mayor

b. La oxigenación es un factor importante en el proceso de cianuración de oro.

extracción en 4,46%. • Cuando las tres variables están en su máximo nivel se

c. De acuerdo con los resultados experimentales no es recomendable incrementar a la vez la fuerza del cia-

incrementa la extracción en 1,37%.

nuro y la oxigenación. Los resultados del modelo matemático que se propone pueden ser contrastados con los valores reales obtenidos

CONCLUSIONES

en las pruebas metalúrgicas, tal como se presenta en la En el tratamiento de minerales auríferos es necesario rea-

tabla 4.

lizar pruebas metalúrgicas de laboratorio con el mineral problema, a fin de evaluar la disolución del oro y verificar

Tabla 4. Validación del modelo matemático. Efecto

% NaCN

Aire

0.05

0,20

0,05

la posibilidad de efectuar pretratamiento y la adición de

Extracción oro (%) Real

reactivos químicos.

Calculado

69,04

68,56

-0,48

0,23

incluir la aplicación de métodos estadísticos de diseño

79,04

75,06

-3,98

15,84

experimental. Los resultados de las pruebas de cianura-

84,52

82,66

-1,86

3,46

ción y el modelo matemático obtenido resultan válidos,

0,20

82,85

89,16

6,31

39,80

obteniéndose los resultados óptimos en las siguientes

0,05

49,76

54,70

4,94

24,40

condiciones de operación: cianuro 0.5 g/L, inyección de

0,20

61,67

64,67

3,00

9,00

oxígeno a la pulpa y un pH igual a 10, lo cual permite una

0,05

71,42

68,80

-2,62

6,86

extracción del 84,5% de oro.

abc

0,20

77,14

75,30

1,84

Una forma de evaluación del trabajo de laboratorio debe

3,38 102,97

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

Marchese A. – Optimización del proceso de cianuración de un mineral aurífero

La correcta decisión de aplicar el proceso de cianuración

ACERCA DEL AUTOR

a un determinado mineral aurífero debe basarse en el profundo conocimiento de la materia prima, lo que impli-

Adolfo Marchese García es ingeniero metalúrgico por la

ca disponer de un Estudio Mineragráfico realizado por un

Universidad de Lima. Es magíster en Gestión Ambiental

profesional experto que entregue la información nece-

por la Universidad Politécnica de Madrid. Posee experien-

saria para la interpretación del metalurgista responsable

cia en diseño del procesamiento de minerales auríferos

del trabajo de laboratorio.

y polimetálicos y ha sido docente de la Universidad de Lima.

La conclusión final de este artículo es en el sentido de promover el empleo de tecnologías adecuadas para cada

Es autor de una veintena de artículos técnicos en la es-

mineral específico, pues una parte esencial del presente/

pecialidad de tecnología del procesamiento de minerales

futuro económico del país se basa en la producción mi-

y de coyuntura minera. Ha participado como ponente en

nera y sobre todo a la mayor producción de metales pre-

seminarios y congresos técnicos, a nivel nacional e inter-

ciosos, que han demostrado su gran valor en tiempos de

nacional, sobre Mineralurgia y Metalurgia Extractiva

crisis.

REFERENCIAS BIBLIOGRáFICAS

En la actualidad se desempeña como Jefe del Departamento de Química-Metalurgia de Tecsup y dirige la carrera profesional Procesos Químicos y Metalúrgicos.

1 S.R. La Brooy, H.G. Linge, G.S. Walter. Review of Gold Extraction from Ores Rev. Minerals Engineering, 1994; Vol 7, N° 10. 2 Araya Luco, Tulio. Panorama sobre el Tratamiento Metalúrgico de Menas Auríferas. Publicación del CIMM Chile; Santiago 1986. 3 Marchese G., Adolfo. Caracterización Geometalúrgica

de Minerales Auríferos. Revista Investigación Aplicada e Innovación (I+i). Tecsup 2007; Vol 2, Año 1. 4 Archivo de Informes Técnicos del Dpto. de Química y Metalurgia. Tecsup. Años 1996 - 2007 5 Quiroz N., Iván. Recuperación de Molibdenita. Tesis Universidad Nacional de Ingeniería. 1980 6 Macassi M. José, García A. Hedor. Tratamiento Químico de Menas Refractarias de Oro. 1a edición Lima, 1993.

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

Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales Technology of the micro waves in the conminution of minerals Jorge Castillo Migone

RESUMEN La concentración gravimétrica de oro es muy eficaz si el

other minerals in the ore is usual to overgrinding occurs in

metal está totalmente liberado y el tamaño de partícula

conventional comminution circuits and slime generation

del oro es relativamente grueso. La liberación normal-

leads to inefficient recovery. The liberation of minerals

mente se logra por la comminucion, pero debido a la aso-

can be improved by adding grinding aids, which modify

ciación del oro con otras especies mineralógícas en el mi-

the mechanical properties of the ore and allow breaka-

neral es usual que ocurra una sobremolienda en circuitos

ge at lower stress levels. In this research, microwave pre-

convencionales de conminución y la generación de lamas

treatment was used to augment the grinding of a free-mi-

conduce a una recuperación ineficaz. La liberación de mi-

lling gold ore containing quartz, silicates and iron oxides.

nerales puede mejorarse complementando la molienda,

Under microwave irradiation selective heating of the di-

y modificando las propiedades mecánicas de la mena

fferent mineral components resulted in thermal stresses

que permiten la rotura a los más bajos niveles de esfuer-

that caused cracking. These intergranular and transgranu-

zo. En esta investigación, fue usado el pretratamiento al

lar fractures were confirmed by scanning electron mi-

microondas para incrementar la molienda de un mineral

croscopy. After microwave processing, the grindability of

aurífero libre a la molienda que contiene cuarzo, silicatos

the ore was improved and the crushing strength and the

y óxidos de hierro. Bajo la irradiación al microondas ca-

Bond Work Index were reduced by 31,2% and 18,5%, res-

lentando selectivamente los diferentes componentes del

pectively. In addition to the enhanced grindability, gold

mineral producían esfuerzos térmicos que causaron el

was released from the matrix of the host minerals at a

agrietamiento. Estas fracturas intergranular y transgranu-

coarser size, resulting in a significant increase in free gold

lar fueron confirmadas mediante barrido por microscopía

recovery by gravity concentration. For a gold ore with a

electrónica (1). Después del procesamiento al microon-

head grade of 6,4 g/t, the gold recovery improved from

das, la moliendabilidad de la mena fue mejorada y el es-

about 28 % to 40% after microwave pretreatment.

fuerzo al chancado y el Índice de Trabajo de Bond fueron reducidos en 31,2% y 18,5%, respectivamente. Además se

PALABRAS CLAVES

mejoró la moliendabilidad, el oro fue liberado de la matriz del conjunto de minerales en un tamaño grueso, produ-

Moliendabilidad, conminución, intergranular, Índice de

ciendo un aumento significante en la recuperación de

Trabajo.

oro libre por concentración gravimétrica. Para un mineral aurífero con una ley de cabeza de 6,4 g/t, la recuperación

KEYWORDS

de oro mejoró de aproximadamente 28% a 40% después del pretratamiento con microonda.

Grindability, Comminution, intergranular, Work Index.

ABSTRACT

INTRODUCCIóN

The gravity concentration of gold is very efficient if the

Durante la conminucion de los minerales se generan

metal is fully liberated and the particle size of the gold is

usualmente materiales finos (lamas) que conducen a

relatively coarse. Liberation is usually achieved by com-

pérdidas en la recuperación de metales valiosos por so-

minution, but due to the association of the gold with the

bremolienda. Es necesario, entonces, minimizar estas pér-

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

Castillo J. – Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales

didas mediante un pretratamiento que optimice las ope-

En algunos minerales, el calentamiento diferencial genera

raciones de reducción de tamaño.

tensiones térmicas, las que causan las partículas del mineral a fracturar (2). La rotura ocurre a lo largo de los lí-

La operación de conminución es una etapa muy impor-

mites del grano, causando separación física parcial de los

tante en el procesamiento de los minerales auríferos, ya

componentes. Estos cambios provocados por el pretrata-

que el sistema de molinos es increíblemente ineficien-

miento de la microonda refuerzan la moliendabilidad del

te. La mayor parte de la energía se pierde como ruido y

mineral y la recuperación de las especies mineralógícas

calor, generados por los cilindros o las bolas, al moler el

interés se incrementa.

mineral. Sólo un escaso porcentaje de la energía es la que finalmente va a fracturar la roca hasta el grado de llegar

METODOLOGíA

a exponer el deseado metal para su extracción. Mientras más mineral se explota en el mundo, más difícil y costosa

Material

se está haciendo la extracción, dado que se van agotando las minas de mejor ley. Ello obliga a buscar nuevas tecno-

Tomando como referencia el trabajo de investigadores,

logías que cada vez optimicen el proceso.

una muestra de mineral aurífero fue sometida a Difracción de Rayos X (XRD) y reveló que las fases mayoritarias

Por décadas los investigadores han estado preocupados

eran cuarzo, aluminosílicatos y hematita. La ley de oro en

en desarrollar métodos que faciliten las cosas. Han ensa-

la muestra usada fue determinada por el ensaye al fuego

yado calentar el material o bombardearlo con ondas de

convencional y se determinó que contenía 6,4 g/t.

sonido que, a nivel piloto, parecen promisorios, pero trascosto energético que los métodos convencionales.

Pruebas de calentamiento en microondas

En la actualidad emerge la tecnología de microondas

Un diagrama del equipo empleado en los experimentos

como coadyuvante de la operación de molienda. Un mi-

de calentamiento al microondas se muestra en la figura

neral aurífero fue sujeto a la irradiación al microondas

1. El generador fue de 2 kw con un magnetrón refrige-

antes de la molienda y su efecto en la moliendabilidad

rado por aire que operó a una frecuencia de 2450 MHz.

del mineral y la liberación del oro analizado. Como conse-

Las muestras se colocaron en un crisol de alumino-silicato

cuencia de ello, la recuperación de oro del mineral irradia-

transparente al microondas con las siguientes dimensio-

do con microondas fue determinada por concentración

nes: 9 cm. de altura, 5 cm. de diámetro y un espesor de

gravimétrica y comparada con lo obtenido por proceso

pared de 2,5 mm.

ladados a la etapa comercial, terminan por ser de mayor

convencional. El crisol y su contenido fueron colocados en el centro de la

PROCESAMIENTO CON MICROONDAS

base de la cámara del microondas sobre una plataforma de alúmina transparente al microondas, que actúa como

Las microondas forman parte del espectro electromag-

un aislador (6). La cámara multimodo era una cavidad con

nético y tienen frecuencias en el rango 0,3-300 GHz. Las

las siguientes dimensiones: 26cm x 40cm x 40cm.

bandas de frecuencia internacionalmente aceptadas usadas para el calentamiento al microondas doméstico e in-

La respuesta del calentamiento con microondas del mi-

dustrial son 915 MHz y 2450 MHz, respectivamente.

neral y sus constituyentes minerales (cuarzo, aluminosilicatos, hematita y magnetita) se evaluó midiendo la

Las microondas penetran rápidamente en los materiales

temperatura de la muestra después de la irradiación al

y depositan energía directamente dentro de ellos: la ab-

microondas. La temperatura de la muestra fue medida en

sorción ocurre al nivel molecular o atómico. A diferencia

la base de la muestra insertando una termocupla de tipo

del calentamiento convencional con resistencia, el calen-

K inmediatamente después de apagarse el equipo. La di-

tamiento en microondas no depende de la conducción

mensión de las partículas de mineral estaba en el rango

térmica o convección para alcanzar la temperatura en el

- 6 + 65 malla.

interior de una muestra y los materiales con bajas conductibilidades térmicas pueden calentarse usando los microondas.

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Castillo J. – Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales

Figura 1. Sistema de Microondas.

Pruebas de Moliendabilidad La moliendabilidad fue determinada según el procedi-

se estudió el mineral tal cual fue recibido (Figura 2) y las

miento normal desarrollado por Bond. El molino de Bond

muestras irradiadas con microondas se molieron a tama-

usado en las pruebas de moliendabilidad fue un molino

ños diferentes de molienda a una densidad de pulpa de

de bolas de laboratorio tipo Bico-Braum. Un volumen de

60% sólidos. La prueba de conminución secuencial segui-

muestra fue molido y la fracción -65 mallas se retiraron.

da por la concentración gravimétrica para la recuperación

El peso de la fracción - 65 mallas se reemplazó con el

del oro libre comprendió la molienda a 80% más fino que

alimento fresco para mantener constante la masa de ali-

600 micras. En la segunda etapa, los relaves de la primera

mento al molino.

etapa fueron adicionalmente molidos a 80% pasante 300

Este ciclo fue repetido hasta que la masa neta del material -65 mallas producida por revolución del molino logró el equilibrio con una carga circulante de 250%.

Tamaño de reducción y liberación de oro Para estudiar el efecto de la reducción de tamaño y el pretratamiento con microondas en la liberación de oro

micras. Para la tercera y cuarta etapas, los tamaños finales del alimento fueron 80% pasante, 150 micronas y 80% pasante 75 micras, respectivamente. Después de cada etapa de molienda, el oro libre se recuperó por plateo y la ley fue determinada por digestión al agua-regia seguida por espectroscopia de absorción atómica.

Figura 2. Pruebas experimentales y uso de microondas en minería.

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Castillo J. – Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Tabla 1. Resultados de pruebas de moliendabilidad. Efecto del calentamiento con microonda sobre la moliendabi-

Respuesta del mineral al calentamiento con microondas La Figura 3 muestra el comportamiento al calentamiento

lidad y Work Index del mineral aurífero

Muestra

Moliendabilidad (g/rev)

Work Index

Reducción en el Work Index (%)

Tal cual recibida

1,46

14,2

…

Calentado al microonda a 300°C

1,69

12,57

11,5

Calentado al microonda a 735°C

1,87

11,58

18,5

con microondas de las especies mineralógicas constituyentes del mineral. Se observa que los óxidos de hierro calientan considerablemente más rápido que los minerales ricos en sílice. Se considera que la magnetita es hiperactiva, la hematita es activa, mientras el sílice es inactivo bajo la irradiación a la microonda, diferentes velocidades de calentamiento de los constituyentes minerales podrían llevar a esfuerzos térmicos y rotura (4).

Pruebas de moliendabilidad

Los cambios en los parámetros de esfuerzos como el Work Index, moliendabilidad y esfuerzo al chancado podrían

Comparado con la muestra tal cual fue recibida, el Work

atribuirse a la propagación de la fractura causada por el

index de las muestras que eran calentados con microon-

calentamiento diferencial del mineral, que contiene ab-

das a 300°C y 735°C fueron, respectivamente, reducidos

sorbentes al microondas hiperactivo, activo e inactivo (fi-

por 11,5% y 18,5%, tal como se observa en la Tabla 1.

gura 4). El calentamiento diferencial de los componentes minerales produce esfuerzo térmico de rotura de las partículas del mineral, que llevaron a un menor esfuerzo de chancado e hicieron a la muestra más dócil a la molienda.

Temperatura muestra (oC)

Tiempo (min.)

Figura 3. Efecto del calentamiento con microondas.

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Castillo J. – Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales

DISCUSIóN DE RESULTADOS Las fracturas creadas en la matriz de los minerales conducen a la liberación del oro a un tamaño más grueso durante la molienda. Para la muestra, que fue calentada al microondas a 735°C, una gran cantidad de oro libre fue liberado después de la molienda como es mostrado en la figura 5. Aproximadamente el 70% del oro libre se extrajo de esa muestra fue recuperado a 80% pasante 300 micras. Las recuperaciones de la muestra calentada a 300°C usando microondas y la muestra no irradiada con microondas Figura 4. Microfotografías de muestras calentadas mostrando esfuerzos térmicos y rupturas a lo largo de los límites de grano.

eran 46% y 38%, respectivamente. La recuperación acumulada del oro libre por concentración gravimétrica de las muestras no irradiadas al microondas y aquellas irra-

Del estudio desarrollado se concluye que exclusivamente

diadas al microondas fueron 735°C y 300°C fue 1,81 g/t,

la disminución en el Work Index no puede compensar la

1,98 g/t y 2,55 g/t, respectivamente.

energía utilizada en la etapa de precalentamiento del microondas. Sin embargo, además de estas mejoras en mo-

Esto representa aproximadamente 28%, 31% y 40%, res-

liendabilidad, los costos de conminución decrecerán de-

pectivamente, del oro total en la muestras. El 12% de au-

bido probablemente al menor desgaste de las superficies

mento en la recuperación de oro por concentración gra-

de los medios de molienda; además, menores tonelajes

vimétrica es de importancia económica.

de material se recircularón reduciendo la sobremolienda en el circuito y los valores de oro liberados pueden recuperarse a tamaños de partículas más gruesas.

Recuperación acumulada de oro libre (%)

Tamaño de partículas (micras)

Figura 5. Efecto en la recuperación de oro.

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Castillo J. – Tecnología de las microondas en los procesos de conminución de minerales

CONCLUSIONES

3 J. W. Walkiewicz, S.L. McGill y L.A. Moyer: “Improved grindability of iron ores using microwave energy”.

En la tecnología de pretratamiento con microondas, el ca-

Materials Research Society Symposium Proceedings.

lentamiento diferencial de las especies mineralógícas en

(Microwave Process Mater.), año 1988, volumen 124,

el mineral produce esfuerzos térmicos de rotura. El pretra-

páginas 297-302.

tamiento con la tecnología de microondas incrementa la molienda de un mineral aurífero dócil a la molienda que

4 A. Gungor y U. Atalay: “Microwave processing and

contienen cuarzo y silicatos. Bajo la irradiación con mi-

grindability”, Innovations in Mineral and Coal Pro-

croondas se logra calentar selectivamente los diferentes

cessing Proceedings of the 7th International Mineral

componentes del mineral produciendo esfuerzos térmi-

Processing Symposium, Istanbul, Setiembre 1998, vo-

cos que causan agrietamiento. Con el procesamiento con

lumen 17, paginas 13-16.

microondas es posible reducir el Work Index del mineral en alrededor de 20%, produciendo un aumento signifi-

5 Ana C. Gaviria/Jorge Gonzales/Hermes F. Mora: “Tos-

cativo en la recuperación del oro libre por concentración

tación empleando microondas en menas refractarias

gravimétrica. La rotura con microonda de las partículas

auríferas en la extracción del oro”. DYNA (Revista de

causa separación física parcial de las especies mineraló-

la Facultad de Minas. Universidad Nacional de Co-

gícas y el oro podrá ser liberado a un tamaño más grueso

lombia sede Medellín. Noviembre 2006, año 73 nú-

durante la molienda. La recuperación de oro por concen-

mero 150, páginas 29-37.

tración gravimétrica mejoró en 12% para una muestra de mineral aurífero de 6,4 g/t.

ACERCA DEL AUTOR

REFERENCIAS BIBLIOGRáFICAS

Jorge Castillo Migone, ingeniero metalúrgico, egresado de la Universidad Nacional de Trujillo y Magíster en Ges-

1 C.A. Pickles, R.K. Amankwah, A.U.Khan y W.T.Yen: “Improveded grindability and gold liberation by

tión Medioambiental y Recursos Naturales de la Universidad Politécnica de Madrid.

microwave pretreatment of a free-milling gold ore”,

Trans. Ins. Min. Metall, Marzo 2005. Vol. 114.

Investigador metalúrgico con experencia en el Procesamiento de los minerales. Consultor en el área de Servicios

2 J. W. Walkiewicz, A. E. Clark y S.L. McGill: “Microwaveassisted grinding”. IEEE Trans. Ind. Appl., año 27, páginas 239-243.

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a la industria, Capacitación Continua y Campus Virtual en Tecsup, Lima.

Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos Theory and design of harmonic filters for electrical systems Juan Manuel Gers

RESUMEN

PALABRAS CLAVES

En este artículo se presenta un método para diseñar fil-

Armónicos, filtros, distorsión de voltaje, distorsión de co-

tros sintonizados en sistemas eléctricos. En él se incluye

rriente.

el procedimiento de medición y análisis de parámetros eléctricos. El diseño del filtro parte de requerimientos de

KEY WORDS

reactivos para el dimensionamiento inicial del capacitor. Con un primer valor de éste se seleccionan la inductancia

Harmonics, filters, voltage distortion, current distortion.

y la resistencia de acuerdo al Q apropiado para el sistema. Utilizando el flujo de armónicos se calculan los niveles de

INTRODUCCIÓN

corriente por los elementos y se verifica que no excedan los nominales. En caso de ser ellos excedidos se modifi-

La distorsión en las formas de onda de los voltajes y co-

can los parámetros y se hacen nuevas corridas hasta que

rrientes en un Sistema de Potencia, es un problema cada

se obtengan valores satisfactorios. El procedimiento es

vez mayor debido al incremento en cantidad y capacidad

ilustrado en una planta industrial aunque puede ser usa-

de dispositivos electrónicos no-lineales en los sistemas

do igualmente en sistemas de distribución asociados a

de potencia. La distorsión de una señal referente a una

empresas de energía.

sinusoidal pura se expresa en términos de componentes armónicos o armónicos simplemente. En una señal eléc-

ABSTRACT

trica, un armónico es definido como el contenido de la señal cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia

This article presents a method to design tuned filters in

original del sistema.

electrical systems. The article includes a procedure for the measurement and analysis of electrical parameters. The

Para determinar si hay una buena calidad en el servicio de

filter design starts from the reactive requirements for the

energía, debe conocerse con certeza la magnitud y tipo de

sizing of the capacitor. With a first value of this, the induc-

los armónicos presentes en la red y la fuente que los pro-

tance and reactance are selected according to the appro-

duce, con el fin de determinar la medida remedial má apro-

priate Q for the system. The values of currents through the

piada. Para el efecto debe seguirse un método de solución

different elements are calculated with a harmonic flow to

que garantice que las magnitudes de operación satisfagan

verify that they do not exceed the nominal values. If they

las características de equipos estandarizados y que las so-

are exceeded, the parameters are modified and new runs

bretensiones por efecto de armónicos no filtrados sean

are carried out until good values are attained. The overall

tolerables. Además se verifica que los valores satisfagan

procedure is illustrated with an industrial plant although

los límites indicados en la norma IEEE-519. Un aspecto que

it can be also used with distribution systems associated

finalmente se menciona es el relacionado con la especifica-

to utilities.

ción apropiada de los elementos de acuerdo con equipos de fabricación normalizada. Los siguientes párrafos presentan la fundamentación y el proceso respectivo.

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Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

1. CONCEPTOS GENERALES

1.3.1 Resonancia paralelo

1.1 Fuentes que generan armónicos

Una resonancia paralelo resulta en una impedancia muy alta presentada por el sistema a la corriente armónica co-

Los armónicos de voltaje y corriente son generados por

rrespondiente a la frecuencia de resonancia. Puesto que

cargas especiales, comúnmente denominadas cargas

la mayoría de cargas generadoras de armónicos pueden

deformantes. Las principales cargas generadoras de ar-

ser consideradas como fuentes de corriente, el fenómeno

mónicos en un sistema eléctrico de potencia son las si-

resulta en elevados voltajes y corrientes armónicas en las

guientes:

ramas de la impedancia paralelo.

•

Hornos de arco voltaico

Una resonancia puede ocurrir donde exista un capacitor

•

Drives que alimentan motores de DC

conectado al mismo barraje de una fuente de armónicos.

•

Drives que alimentan motores de AC

Considerando la Figura 1, la impedancia equivalente del

•

Rectificadores AC/DC

Barraje A a tierra es:

En baja tensión aparecen otros productores de armónicos, aunque de menor importancia por cuanto sus efectos son más limitados; entre éstos se incluyen: soldadores eléctricos, dispositivos con transformadores de núcleo saturable, lámparas fluorescentes y en general alumbrado que requiera el empleo de balastos, fuentes AC/DC con tiristores de uso frecuente en instalaciones de computadores, etc.

1.2 Efectos de los armónicos 18

Como consecuencia de la inyección de corrientes armónicas en un sistema eléctrico, pueden ser citados entre

Figura 1. Resonancia paralelo en el barraje “A”.

otros, los siguientes efectos indeseables: La condición de resonancia paralelo ocurre cuando el de•

Calentamiento en cables, transformadores y máqui-

nominador de la expresión anterior se reduce a cero:

nas rotativas. •

Mal funcionamiento de los equipos electrónicos de

Xth + Xc = 0

control, de protección, de medida, de telecomunica-

Xth = -Xc

ciones, etc. • •

Errores en los medidores tipo inducción.

Las reactancias a la frecuencia angular de resonancia

Aparición de sobretensiones armónicas, lo que pue-

(Wn) se expresan así:

de ocasionar fallas, especialmente en bancos de condensadores. Es evidente la necesidad de limitar los armónicos produci-

Además con base en la impedancia a la frecuencia angu-

dos e inyectados por los usuarios en el sistema eléctrico para

lar fundamental (W):

que los problemas antes mencionados sean eliminados o reducidos a niveles aceptables por normas reconocidas.

1.3 Resonancias La presencia de capacitores y reactores para compensación del factor de potencia puede originar resonancias, las cuales, a su vez, producen corrientes o voltajes excesivos que afectan los equipos del sistema.

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Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

Despejando valores para L y C y reemplazando en la con-

En estas condiciones, una función f() con período 2 se

dición de resonancia se obtiene:

representa en serie Fourier de la siguiente forma:

donde: Resolviendo para la frecuencia de resonancia paralelo fp (Wn = 2pfp), se obtiene:

donde: fp:

Frecuencia de resonancias paralelo (Hz)

Frecuencia fundamental (Hz)

MVAcc:

Capacidad de cortocircuito del barraje

MVAcap:

En el caso de una función de tiempo, f(t), con período T, se obtiene:

Capacidad de los capacitores del barraje a la frecuencia fundamental.

1.3.2 Resonancia serie Bajo condiciones de resonancia serie, el sistema ofrece una impedancia muy baja a voltajes armónicos de frecuencia igual a la de resonancia. Por lo tanto, pequeños

donde: w = 2 *  / T = frecuencia angular. Considerando la serie de Fourier en función del tiempo, ella adopta la siguiente forma:

voltajes armónicos en el sistema pueden originar elevadas corrientes armónicas en los equipos. Como se explicará mas adelante, los filtros de armónicos tienen por función introducir una resonancia serie en un barraje dado del sistema. De esta forma, corrientes armó-

19 donde:

nicas inyectadas por cargas deformantes, pueden ser fá-

n = 1, 2, 3, .....

cilmente drenadas a tierra.

2. FUNDAMENTACIóN MATEMáTICA La teoría de Fourier establece que cualquier función con-

Esta ecuación puede ser escrita de la siguiente manera:

tinua y periódica puede ser representada por la suma de una componente sinusoidal fundamental más una serie

de armónicos sinusoidales de orden superior con frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental.

donde:

Una señal cualquiera periódica puede expandirse en series de Fourier siempre que cumpla con las condiciones de Dirichlet: • Poseer un número finito de discontinuidades en un período. • Poseer un número finito de máximos y mínimos en un período. • Que el resultado de integrar la función a lo largo de su período sea un valor finito.

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

a = arctg (Bn / An) “Cn” representa la magnitud y “a” la fase del armónico nésimo de la función f(t). Una vez efectuada la descomposición armónica de una señal, se obtiene la magnitud y el ángulo de fase de cada

Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

uno de los armónicos que aparecen en la misma. Con

prestarse atención al hecho que los transformadores de

base en esta información se define el THD así:

potencial pueden variar su relación de transformación a frecuencias superiores a la fundamental. Esta variación puede introducir errores en la medición. Los transformadores de potencial inductivos tienen una

donde:

respuesta de frecuencia casi plana hasta frecuencias C1:

Magnitud de la componente de frecuencia fun-

entre 700 y 1000 Hz, mientras que los TP tipo capaciti-

damental.

vo tienen una respuesta de frecuencia completamente irregular para frecuencias superiores a 60 Hz, razón por la

Ci:

Magnitud de la componente armónica i-ésima.

cual estos transformadores pueden ampliar o atenuar los armónicos de la onda bajo medición.

Una vez determinado el THD para una señal de voltaje o corriente, se debe comparar su valor con los límites esta-

Teniendo en cuenta la respuesta de frecuencia del trans-

blecidos por la norma correspondiente. Esto con el fin de

formador de potencial tipo inductivo es posible realizar

determinar si la distorsión se considera excesiva.

mediciones confiables de armónicos hasta el 15º, sin que haya atenuación o amplificación de las componentes

3. INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE ARMÓNICOS

armónicas. Esto no resulta una limitación dado que los armónicos predominantes en sistemas de potencia son del orden de 11° o menores. Para otros efectos como in-

Los instrumentos para medición de armónicos han evolu-

terferencia telefónica, en donde se requiere medir radio-

cionado considerablemente en los años recientes. Los di-

frecuencias, no es adecuado un TP con una respuesta de

seños más modernos consisten en analizadores digitales

frecuencia tan estrecha.

que registran componentes armónicos con frecuencias

hasta de 50 veces la frecuencia fundamental (3000 Hz).

Los transformadores de corriente presentan una respues-

Presentan siete (7) canales de entrada: tres para voltajes

ta de frecuencia prácticamente plana hasta aproximada-

de línea, tres para corrientes de línea y un canal de voltaje

mente 5 KHz. Por esto la situación no es de cuidado al usar

para propósito general.

los TC.

Los registros son entregados normalmente como tablas

En cada punto de medición se registraron los voltajes de

de datos y formas de onda, los cuales incluyen la siguien-

fase, Van, Vbn, Vcn y las corrientes de línea Ia e Ib. La co-

te información:

rriente Ic no estaba disponible, por la cual el canal para la corriente de neutro I-N, registró un valor tan alto.

• Tabla resumen con parámetros de los seis canales (tres voltajes y tres corrientes) registrados. Los pa-

Las señales de voltaje y corriente fueron obtenidas del

rámetros son: valor RMS, THD, TIF, It y desbalance

bloque de prueba del punto de facturación del usuario

NEMA.

a 34.5 kV. El bloque de prueba es alimentado por TP’s y

• Tabla con distribución espectral en magnitudes por

TC’s con precisión de medida y proporcionan un método

armónico, de los seis canales y la corriente del neutro.

seguro para cortocircuitar los TC’s y conectar las bobinas

• Tabla con distribución espectral en ángulo de fase por

de corriente del registrador.

armónico, de los seis canales y la corriente del neutro. • Formas de onda para cada uno de los seis canales.

El equipo de registro se interconecta con un microcompu-

• Espectro de frecuencia para cada uno de los seis ca-

tador lap-top IBM o compatible mediante una conexión

nales.

serial RS232. Esto permite que el software de soporte ejecutado en el microcomputador, almacene en medio

Típicamente los rangos de operación para los canales de vol-

magnético la información registrada por el analizador y al

taje y corriente son 0-750 VAC y 5-15 A, respectivamente.

mismo tiempo despliegue en pantalla las formas de onda de las señales analizadas.

Para efectuar mediciones en puntos de alto voltaje, 1 kV o mayores, se requiere de la utilización de transformado-

Cada vez que se realiza un registro, los datos correspon-

res de potencial y de corriente. En tales situaciones debe

dientes son almacenados en un disco flexible bajo un ar-

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Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

chivo con nombre dado por el operario, pero con hora y

• Filtros sintonizados

fecha de registro asignados directamente por el software.

• Filtros amortiguados

Los archivos de los registros son posteriormente editados para la elaboración del informe.

Un filtro sintonizado es un circuito RLC como el indicado en la Figura 2, el cual presenta una impedancia mínima a

4. ANÁLISIS DE MEDIDAS PARA LA ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS

la frecuencia de un armónico definido, tal como se indica en la Figura 3. La impedancia de este tipo de filtro está dada por la siguiente expresión:

Los efectos de los armónicos pueden eliminarse reduciendo la magnitud de las corrientes o voltajes armónicos que se producen en el sistema. La reducción puede hacerse mediante la instalación de filtros o mediante conexión de

la cual se reduce a R a la frecuencia de resonancia (fn)

la carga a un nivel de tensión para lo cual el efecto de los

para lo cual

armónicos será menos considerable. Wn = 2fn La magnitud de armónicos admisible en un sistema se encuentra establecida por la norma IEEE Standard 519-1992,

los parámetros R, L y C pueden obtenerse de las siguien-

“IEEE Recommended Practices and Requirements for Har-

tes relaciones :

monic Control in Power Systems”. Dicha norma establece los límites admisibles, tanto en voltaje como en corriente, para el intercambio de potencia entre la compañía de servicio público y un sistema industrial. Según la norma, debe determinarse el THD en las señales de voltaje y corriente en el PUNTO DE CONEXIÓN DEL USUARIO A LA RED - (POINT OF COMMON COUPLING).

21 La norma indica los niveles máximos admisibles para el THD en corriente, de acuerdo con la tensión de la red, y de acuerdo con la relación Icc/In para el usuario en cuestión. El valor Icc representa el nivel de cortocircuito en el PCC, y el valor In representa la corriente nominal del usuario. De esta manera, se admite que usuarios más pequeños generen niveles de armónicos mas elevados, por cuanto su efecto en las redes de energía será más reducido. Figura 2 Filtro sintonizado.

4.1 Selección y dimensionamiento del filtro El objetivo de un filtro de armónicos es proporcionar una trayectoria a tierra de baja impedancia para los armónicos de voltaje o corriente, con el fin de facilitar su circulación a tierra y prevenir su propagación en el resto del sistema. En este sentido, los filtros deben ser ubicados lo más cerca posible del punto donde se generan los armónicos. Figura 3 Característica de frecuencia del filtro sintonizado.

El tipo de filtro requerido depende del número de armónicos a eliminar del sistema.

De otro lado se define Q como el factor de calidad del filtro, el cual determina el ancho de la banda de sintonía

En general, se tienen dos (2) tipos de filtros para armónicos:

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

del mismo. Valores típicos para Q están en el rango de 30

Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

a 60 de acuerdo con la referencia (4). Puede demostrarse

considerables. En tal caso se utiliza un filtro compues-

que para filtros sintonizados:

to por varias ramas RLC, cada una de ellas sintonizada a una de las frecuencias de los armónicos que se quieran eliminar.

Un filtro amortiguado es un circuito RLC como el indica-

Los filtros amortiguados paso-alto se utilizan normalmen-

do en la Figura 4, el cual presenta una característica de

te para eliminar conjuntos de armónicos, generalmente

frecuencia como la indicada en la Figura 5. Se observa

mayores a 13, con magnitudes relativamente menores.

que la impedancia es mínima a frecuencias mayores a la de sintonía (filtro paso-alto). Los parámetros R, L y C para

La determinación de las características nominales de las

el filtro amortiguado están dados por las siguientes rela-

componentes de un filtro es un proceso iterativo, que

ciones :

parte de los requerimientos de reactivos para el dimensionamiento inicial del capacitor. Con un primer valor de éste se seleccionan la inductancia y la resistencia de acuerdo al Q apropiado para el sistema. Utilizando el flujo de armónicos se calculan los niveles de corriente por los elementos y se verifica que no excedan los nominales. En caso de ser ellos excedidos, se modifican los parámetros y se hacen nuevas corridas.

donde m toma valores entre 0.5 y 2. En el proceso se debe determinar el filtro mínimo que desempeñe la labor de eliminación de armónicos requerida, suministrando adicionalmente la potencia reactiva necesaria para compensar el factor de potencia en la carga deformante. Se requiere además que los componentes del filtro no queden sometidos a sobrecargas ni a

sobrevoltajes durante su operación normal. El tamaño de un filtro es definido por la potencia que los componentes del filtro disipan a la frecuencia fundamental (60 Hz). La potencia del capacitor utilizado normalmente se determina de los requerimientos de potencia reactiva de la carga deformante. Los demás elementos se Figura 4. Filtro amortiguado.

seleccionan para proporcionar al filtro la respuesta de frecuencia deseada. El criterio ideal de diseño es eliminar completamente la distorsión producida por la carga. Sin embargo, dicho criterio resulta técnica y económicamente impracticable debido a la magnitud y costos de los filtros finalmente requeridos. Un criterio más práctico consiste en diseñar un filtro para reducir las distorsiones a niveles aceptables acogiendo una norma para tal fin.

Figura 5. Característica de frecuencia del filtro amortiguado.

4.2 Cambios de niveles de tensión

Los filtros sintonizados son utilizados para la eliminación

El cambio en el nivel de tensión de alimentación de un

de armónicos individuales de bajo orden con magnitudes

usuario representa una alternativa efectiva en algunos

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

Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

casos para disminuir el efecto de los armónicos del usua-

Incluy, entre otras, las siguientes características:

rio sobre el sistema de distribución. • Cálculo de flujos armónicos de potencia. Al cambiar el nivel de tensión a uno mayor, los niveles de

• Soporta la representación completa de cualquier sis-

cortocircuito aumentan en relación a la corriente de car-

tema de potencia, incluyendo desbalances en cargas,

ga del circuito. Por tanto la relación Icc/In aumenta, per-

dispositivos con características dependientes de la

mitiendo un THD mayor en la corriente de carga de acuer-

frecuencia y fuentes múltiples de armónicos. Depen-

do con las Tablas 10.3, 10.4 y 10.5 tomadas de la norma

diendo de la situación, pueden seleccionarse mode-

IEEE Std 519-1992. Posteriormente se ilustrará mediante

los trifásicos o monofásicos para los componentes

un modelo de computador, cómo el efecto de una carga

del sistema.

deformante dada es menor cuando mayor sea el nivel de tensión del punto de conexión.

• Incluye modelos para todos los componentes de un sistema de potencia, tales como: líneas, cables, transformadores, motores, capacitores y cargas.

En usuarios con niveles de distorsión intermedios, la conexión a un mayor nivel de tensión constituye una alter-

Incluye también modelos para dispositivos generadores

nativa para incrementar el margen de distorsión admitido

de armónicos, tales como: transformadores, hornos de

en el punto de conexión con la red de distribución

arco, rectificadores, inversores, cicloconvertidores y capacitores estáticos.

4.3 Modelos de flujos de armónicos El modelo desarrollado para análisis por computador de un La simulación de un sistema mediante un programa de

sistema tiene en cuenta las siguientes consideraciones.

Análisis de Armónicos tiene por objetivo evaluar los efectos de implementar en el sistema las medidas correctivas descritas anteriormente.

• Las cargas que generan armónicos se modelan como fuentes de corriente. El espectro de frecuencia de la fuente de corriente corresponde al determinado me-

Con un flujo de armónicos se pretende concretamente obtener los siguientes objetivos:

diante el registrador a través de mediciones. • La líneas de transmisión se representan por sus parámetros R y L. El programa permite incluir dependen-

• Cuantificar la reducción en el THD de corriente y voltaje en los circuitos con excesivo contenido de armónicos. • Verificar la reducción o eliminación del armónico o armónico predominante del sistema. • Determinar los efectos de trasladar usuarios con cargas deformantes de un nivel de tensión a otro con mayores niveles de cortocircuito. • Determinar las corrientes y voltajes a los que estarán sometidos los componentes de un filtro para estimar sus características nominales.

cia de la impedancia con la frecuencia. • El Sistema de Generación o de Suministro de Energía se representa por su equivalente Thévenin calculado a partir del nivel de cortocircuito existente. A través del programa se puede modelar la variación de la impedancia con la frecuencia. • Los reactores y capacitores son incluidos con modelos internos del programa. • Otros usuarios con niveles de distorsión despreciables son representados por fuentes de corriente sinusoidales puras.

El programa aquí utilizado en las simulaciones permite determinar la característica de respuesta a la frecuencia del sistema, así como también los niveles de armónicos

4.4 Ejemplo del diseño de filtro para una planta industrial

en el sistema originados por fuentes de armónicos conocidas. Posee capacidades gráficas que permiten pre-

Se presenta a continuación una ilustración sobre una

sentar por pantalla o imprimir cualquier tipo de gráfica

planta industrial con un alto contenido de armónicos

de impedancia contra frecuencia o señales en el dominio

generados por dos conjuntos de drives asociados a dos

del tiempo.

transformadores identificados para propósitos de ilustración como T1 y T2, 13200/440 V. el primero de 2800 KVA y el segundo de 2000 KVA.

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4.4.1 Cálculos preliminares

Reemplazando el valor de C, se obtiene:

No resulta práctico eliminar completamente la distorsión en los transformadores sino llevarla a valores que se encuentran dentro de los límites especificados por las normas. La

Que corresponde a una reactancia a 60 Hz de:

Tabla 1 presenta la distorsión total existente en cada transformador y los valores a los cuales se pretende llevar dichas distorsiones mediante la instalación de filtros. Reducción de distorsiones de corrientes Equipo

Distorsiones de corriente THD (%) Existente

Objetivo

15.0

8.0

30.6

8.0

“Transformador

La relación X/R en un reactor normalmente varía entre 50 y 150. Para este caso se toma una relación de 50, por lo tanto:

T1: 2.8 MVA 13.2/0 44 kV” “Transformador

Por tanto, los parámetros preliminares encontrados para el filtro son:

T2: 2.0 MVA 13.2/0 44 KV” Tabla 1. Distorsión total de cada transformador

El valor objetivo corresponde a la distorsión total admisible al nivel de carga efectiva del transformador. Pues-

Estos parámetros son utilizados en el modelo desarrolla-

to que la carga en ambos transformadores es menor al

do en el programa de Análisis de Armónicos para verificar

100%, la distorsión admisible es mayor al 5% de la Norma

que el filtro elimina la distorsión.

IEEE Std C57.12.00-1980.

Dado que no se requieren capacitores para compensar el factor de potencia en los transformadores T1 y T2, se inicia el cálculo con capacitores de reducida potencia, por ejemplo 160 kVAR para ambos transformadores. La reactancia capacitiva viene dada por:

4.4.2 Modelo de computador La Figura 6 presenta el Diagrama Unifilar del modelo utilizado para el Análisis de Armónicos. Este modelo incluye: • Sistema detrás del barraje de sincronización 13.2 kV representado por una impedancia Thevenin. • Sistema desarrollado en el interruptor 1B-6, 13.2 kV del sistema bajo consideración . • Topología completa del área. • Generadores 2 y 3 representados como fuentes de corriente con distorsión armónica despreciable. • Las cargas deformantes en el sistema han sido repre-

El filtro debe estar sintonizado para una frecuencia próxima al armónico a eliminar. Se toma el 4.7 armónico, por debajo del 5° para permitir tolerancias durante la construcción del filtro y para evitar resonancias cerca del 5° armónico.

sentadas por fuentes de corriente con distribución espectral dada por las mediciones efectuadas. • Las líneas y transformadores se representan por sus impedancias características. La Figura 7 presenta los flujos de potencia activa y reactiva monofásica iniciales. Se observan los siguientes niveles de generación en los turbogeneradores: Gen. 2: P2 = 3 x 2023.9 kW = 6071.7 kW, Fp = 0.834 Gen. 3: P3 = 3 x 661.6 kW = 1984.8 kW , Fp = 0.835 Los niveles de carga en cada área de la planta corresponden a las condiciones de máxima demanda.

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Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

Figura 6. Diagrama Unifilar del modelo utilizado para el Análisis de Armónicos.

Figura 7. Flujos de potencia activa y reactiva monofásica iniciales.

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4.4.3 Simulaciones por computador

Como se mencionó anteriormente, el diseño del filtro es un proceso iterativo. La Tabla 2 presenta en forma resumida las (11) diferentes alternativas consideradas.

Utilizando el modelo descrito en el numeral anterior se analizó el impacto de instalar los filtros diseñados en el

El objetivo del proceso es determinar el filtro mínimo que

numeral 4.4.1. Se verifican los siguientes parámetros:

desempeñe la labor de eliminación de armónicos requerida. Se requiere además que los componentes del filtro

• Variación de distorsiones totales en voltajes y co-

no queden sometidos a sobrecargas durante su opera-

rrientes de todo el sistema.

ción normal.

• Reducción en la distorsión de la corriente de carga de los transformadores T1 y T2 • Nivel de carga en los componentes del filtro diseñado

Se observa de la Tabla 2 que los ocho primeros diseños

• Factor de potencia en los transformadores T1 y T2

originan sobrecarga sobre alguno de los componentes del filtro. Por lo tanto se plantean tres alternativas válidas para los filtros correspondientes a los casos 9, 10 y 11.

Nº

CARACTERISTICAS DEL FILTRO DISEÑADO FILTRO 1

THD (%) CORR.

CORRIENTE DE CARGA

FILTRO 2

FILTRO 1

DE CARGA

FILTRO 2

A(rms)

1,440

480

192.50

1.44

480

192.5

424

220

516

268

4.84

8.24

0.523

480

529.20

0.523

480

529.2

648

122

718

135

4.42

6.57

0.261

480

1058.90

0.261

480

1058.9

1122

106

1184

111

3.99

1.90

0.818

600

423.40

0.818

600

423.4

505

119

585

138

4.64

7.44

0.692

600

500.00

0.692

600

500.0

548

109

624

124

4.56

7.14

1,067

800

479.00

1,067

800

479.0

497

103

579

120

4.66

7.53

2x2.13

800

433.02

2x2.13

800

433.0

462

106

548

126

4.71

7.85

2x1.6

800

577.20

2x1.60

800

577.2

514

594

103

4.62

7.40

2x1.6

800

577.20

2x1.33

800

692.8

514

636

91.8

4.63

7.06

0.640

800

721.69

0.53

800

866.0

574

79.5

712

82.2

4.53

6.58

1,440

1200

481.12

1.2

1200

577.3

428

88.9

535

92.7

4.85

8.00

Tabla 2. Alternativas para el diseño de filtros.

4.4.4 Selección del diseño definitivo

• El voltaje en el barraje de 440 V de los transformadores T1 y T2 es prácticamente el mismo para las 3

La Tabla 3 resume las características de los tres diseños

alternativas. Sin embargo, la alternativa 2 redunda

que cumplen los requerimientos de eliminación de armó-

en menores distorsiones totales (4.05 y 4.84%).

nicos y carga en los componentes del filtro. Del análisis

• El suministro de potencia reactiva es menor en la

de las simulaciones efectuadas con los tres filtros se ha

alternativa 3, lo cual constituye un factor favorable

elaborado la Tabla 4.4 de la cual se concluye:

importante. Sin embargo, la potencia aportada por las alternativas 1 y 2 no se considera excesiva toda

• Los filtros operan a un menor régimen de carga proporcionando un mayor margen de operación en la alternativa 2 (79.5 y 82.2%). • El voltaje en terminales de los capacitores es menor en la alternativa 2 (1.08 y 1.10 p.u.).

vez que no origina sobretensiones ni deterioro del factor de potencia equivalente del Feeder 1B-6. • El nivel de carga y distorsión en la corriente de los dos transformadores es admisible en las tres alternativas. La alternativa 2 acarrea el mínimo régimen en T1 (71.8%) y un régimen levemente superior en T2 (65.2%).

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Adicionalmente, debe considerarse:

carga del circuito. Por tanto la relación Icc/In aumenta, permitiendo un THD mayor en la corriente de carga de

• La alternativa 1 requiere la instalación de un filtro com-

acuerdo con la norma IEEE Std 519-1992.

puesto por dos unidades LC en cada transformador lo A manera de ilustración, considérese la carga de un cir-

que implica mayores requerimientos de espacio. • La alternativa 3 requiere de componentes con un

cuito de distribución llamado Arroyondo II:

mayor nivel de aislamiento dada su operación a mayores voltajes.

Por las anteriores razones se considera la alternativa 2 de

Esta carga a 115 tomaría la siguiente corriente:

la Tabla 3 como la mejor opción para el sistema. La Figura 4 presenta la distribución de flujo de potencia activa y reactiva monofásicos cuando se instalan los filtros de alternativa 2 en el sistema.

El nivel de cortocircuito en la S/E que la alimenta, Yumbo 115 kV es de 14.13 KA.

VALORES NOMINALES (60 Hz) FILTRO 1 (T1)

Nº kVAR Nº 1

2x 400

La relación Icc/In es 115 Kv sería:

FILTRO 2 (T2)

VOLT.

(V)

(A rms)

800

577.3

kVAR

VOLT.

(V)

(A rms)

800

692.8

De acuerdo con la norma IEEE 519-1.992 se admitiría un

2x 480

Nº 2

1000

800

721.7

1200

800

866.0

THD en la corriente de 15%. Si la distorsión total en el

Nº 3

1000

1200

481.1

1200

577.3

circuito Arroyondo II es de un 10%, no sería violatoria en 115 Kv como lo es en 34.5 kV.

Tabla 3. Alternativas para eliminación de armónicos.

Esta alternativa no sería viable en el caso de otro circuito

4.5 Ejemplo del cambio de voltaje en el nivel de armónicos Como se indicó anteriormente, el nivel de distorsión admitido en la corriente depende de la relación Icc/In del punto de conexión del usuario.

alimentado desde la misma subestación llamado Arroyohondo I, que presenta una distorsión de 30.40%, tomando una corriente de carga de 97 A: La corriente de carga a 115 Kv sería:

Al cambiar el nivel de tensión a uno mayor, los niveles de cortocircuito aumentan en relación con la corriente de

PORCENTAJE DE ALTERNATIVA

VOLTAJES (p.u.)

CARGA EN FILTROS

(440 V)

440 V)

1.11

1.02

1.04

4.22

5.14

108

1.10

1.02

1.04

4.05

4.84

1.14

1.17

1.01

1.04

4.54

5.77

FILTRO 1

FILTRO 2

CAP 1

CAP 2

Nº 1

89.0

91.8

1.09

Nº 2

79.5

82.2

Nº 3

88.9

92.7

ALTERNATIVA

THD (%) VOLTAJES

kVAR PROPORCIÓN

NIVEL DE CARGA T1

NIVEL DE CARGA T2

FILTRO 1

FILTRO 2

% In

THD (%)

% In

THD (%)

Nº 1

345

436.02

2666

72.6

4.63

1688

64.3

7.05

Nº 2

399

507.00

2637

71.8

4.53

1711

65.2

6.58

Nº 3

279

355.80

2724

74.1

4.85

1665

63.4

8.00

Tabla 4. Comparación de alternativas.

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

Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

Aún con esta relación Icc/In, la distorsión de corriente

• La reubicación del circuito Arroyohondo I no permi-

en el circuito (30.40%) superaría el límite admitido por la

te llevar el THD de corriente a límites admisibles. La

Norma.

distorsión de voltajes originada por el circuito no es considerable en 34.5 KV ni en 115 KV. Por lo tanto, se

Mediante el programa de computador se simuló la co-

concluye que los armónicos de corriente generados

nexión de la carga del circuito Arroyohondo I al barraje

en el circuito deben ser filtrados por el usuario en su

115 KV de Yumbo. La magnitud de la carga en el circuito

propio sistema antes de inyectarlos a la red de dis-

se mantuvo constante, lo mismo la distribución espectral

tribución. La conexión a 115 KV no permite aliviar la

de la corriente de carga.

distorsión de corrientes en el circuito.

La Tabla 5 presenta los niveles de distorsión en la Subes-

CONCLUSIONES

tación después de llevar a cabo la reubicación del circuito Arroyohondo I.

Este artículo contiene información general sobre la teoría y medición de armónicos y las medidas remediales para

THD (%) conexión 115k V

impedir que ellos afecten severamente los diferentes

PUNTO DE MEDICIÓN

MAGNITUD

THN (%) conexión 34,5k V

Barraje 34.5 Kv

0.67

0.54

Dentro de las medidas remediales principales se ha des-

Mulalo

2.37

2.40

crito una metodología para el diseño de filtros, lo cual

Quintex

0.00

ha sido complementado con un ejemplo para una in-

Cencar

3.33

3.43

dustria típica.

Arroyohondo I

38.91

32.44

Arroyohonho II

7.35

7.36

Se han mencionado Igualmente, dentro de las medidas

Industria

1.61

remediales, los cambios de niveles de voltaje, cuyo efecto

Bitaco

10.90

10.79

se ilustró también con otro ejemplo. En éste, se mostró

Calima

1.74

1.78

que el cambio del nivel de tensión no necesariamente

Palmaseca

1.39

1.35

Trafo 1 Lado 34.5 Kv

2.41

2.25

instalación de uno o varios filtros.

Trafo 2 Lado 34.5 Kv

2.41

2.25

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Tabla 5. Reducción de THD con conexión de Arroyohondo I a 115 KV.

componentes de un sistema de potencia.

lleva los niveles de armónicos a valores admisibles y que, por lo tanto, esta medida debe ser acompañada con la

1 IEEE Standard 519-1981

“Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems”.

Se observa de la Tabla lo siguiente: 2 IEEE Standard C57.12.00-1980 • La distorsión total del voltaje en Yumbo 34.5 KV se

“General Requirements for Liquid - Inmersed Distribution, Power and Regulating Transformers”.

reduce en 19.40%. • La distorsión total de la corriente de carga en los transformadores 115/34.5 KV se reduce en 6.64%. • Se introduce una distorsión total de 0.17% en la se-

3 ANSI/IEEE Standard C57.110-1986

“Recommended Practice for Establishing Transformer Capability when Supplying Non sinusoidal Load Cu-

ñal de voltaje de 115 KV en S/E Yumbo.

rrents”.

• Tal como se indicó anteriormente, al conectar el circuito Arroyohondo I a 115 KV se produce un aumento en la relación Icc/In para ese circuito. Sin embargo,

4 J. Arrillaga, D.A. Bradley, P.S. Bodger “Power System Harmonics”.

el THD de la corriente (32.44%) sigue siendo mayor que el límite establecido por la norma para la nueva relación Icc/In.

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

John Wiley & Sons. New Delhi 1985.

Gers J. – Teoría y diseño de filtros de armónicos en sistemas eléctricos

5 IEEE Standard 18-1980

Estuvo vinculado a la empresa de energía EPSA, (anterior-

mente CVC) como ingeniero de diseño de subestaciones

“IEEE Standard for Shunt Power Capacitors”.

entre 1970 y 1977. En 1981 fundó a GERS S.A. que es una 6 Engineering Recommendation P-7/2

empresa de consultoría en ingeniería eléctrica estableci-

da en Colombia y que tiene una afiliada en Florida llama-

Electric Research Association - ERA United Kingdom.

da GERS USA LLC de la cual es su gerente. Ha sido confe7 LO, K. L., GERS, J.M., Feeder Reconfiguration for Losses

rencista invitado de varias entidades en USA entre las que

Reduction in Distribution Systems, Proc. of the UPEC

están Penn State University, Basler Electric, Beckwith Elec-

94 Conference, University College Galway, Ireland,

tric y Megger en EEUU. Ocupó el cargo de viceministro de

September 1994.

Minas y Energía de Colombia en el segundo semestre de 2002 y fue profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica

8 CHANG, N.E., Determination of Primary Feeder Losses, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS

y Electrónica de la Universidad del Valle por más de 20 años.

87, No. 12, pp. 1991-1994, 1968 Es autor de más de 30 artículos técnicos y coautor del 9 BAGHZOUZ, Y., Effects of Nonlinear Loads on Optimal Capacitor Placement in Radial Feeders.

libro ‘Protection of electricity distribution networks” editado por el IEE de Inglaterra, en 1998 con una segunda edición en 2004. Juan Manuel es Chartered Engineer de

10 McGRANAGHAN, M. F. et al, Distribution Feeder Harmonic Study Methodology, IEEE Trans on Power

la IEE y miembro activo del Power Systems Relaying Committe de la IEEE.

Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No. 12, December 1984, pp. 3663-3671. 11 McGRANAGHAN, M. F. et al, Digital Simulation of Distribution System Frequency-Response Characteristics, IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-100, No. 3, March 1981 pp. 1362-1369. 12 RIZY, D.T. et al, Transient and Harmonic Voltages Associated with Automated Capacitor Switching on Distribution Systems, IEEE Trans. on Power Systems, Vol. PWRS-2, No. 3, August 1987, pp. 713-723.

ACERCA DEL AUTOR Juan M. Gers obtuvo el título de ingeniero eléctrico en la Universidad del Valle en Cali, Colombia en 1977. Obtuvo una maestría en Sistemas de Potencia en la Universidad de Salford de Inglaterra en 1981. Realizó un doctorado en la Universidad de Strathclyde en Escocia y se graduó en 1998 con una investigación sobre Automatización de Sistemas de Distribución.

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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

Palabras Claves

La enseñanza de la robótica en universidades e institutos

Cinemática directa, cinemática inversa, matriz de rotación,

tecnológicos se dificulta en la medida que los estudiantes

matriz homogénea.

encuentran algunos tópicos difíciles de entender debido al uso necesario de herramientas matemáticas para de-

Key Words

terminar, por ejemplo, la ubicación de la “garra” del robot, con respecto a un punto de referencia. En este trabajo los

Direct kinematics, inverse kinematics, rotation matrix, ho-

autores proponen un método de enseñanza que combina

mogenous matrix.

la teoría y la práctica para mejorar así el nivel de competencia de los estudiantes interesados en esta disciplina. La

Introducción

primera parte de este artículo se enfoca en la enseñanza

de los conceptos básicos y herramientas de simulación

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

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

nocidos algunos términos que de otro modo ocuparían

vimiento de una cadena cinemática a través de la herra-

muchas líneas en explicarlos. El método de enseñanza

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

usado será dividido en las siguientes etapas:

modelo simulado es implementado entregando un kit a los estudiantes, quienes diseñan el algoritmo de control

Etapa de Fundamentos a) Aplicar herramientas matemá-

usando LabView para control de movimiento.

ticas para localizar un objeto en el espacio, en el cual nos apoyaremos por las matrices de rotación y las matrices

Abstract

homogéneas. b) Estudiar una cadena cinemática conformada por eslabones y articulaciones en donde debemos

Teaching of robotics in universities and technology ins-

localizar cada una de éstas tomando como referencia las

titutes becomes difficult as students find some topics

posiciones de las anteriores para lo cual haremos uso de

hard to understand, due the necessary use of mathema-

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

tical tools for determining for example the position of a

box de Robótica desarrollado por Corke para MATLAB [2]

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

con la cual efectuaremos la simulación de control en cine-

the authors show a teaching method which combines

mática directa de un robot antropomórfico de 5 DOF, que

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

posteriormente será implementado en la etapa práctica.

tence of students interested in this discipline. First part of this article is focused on teaching the basic concepts and

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

simulation tools used to locate a point in space, modeling

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

the movement of a cinematic chain through the robotics

labones son planchas de aluminio, las articulaciones son

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

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

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

gitudes y pesar las piezas del robot para su modelado en

sign the control algorithm using a program in LabView for

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

motion controlling.

Diseñar un programa en LabView para controlar el movimiento angular de los servomotores, que permitan al robot desplazar su extremo entre puntos específicos.

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

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

En la Figura 1 se observa un diagrama de bloques con

Las herramientas matemáticas necesarias para ubicar el

todos los elementos participantes en el control de movi-

punto P(X’,Y’,Z’) respecto del eje cartesiano XYZ se deducen

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

geométricamente y se obtiene la Ecuación 1.

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

(ec. 1)

el movimiento de la garra es un desplazamiento. Para el control efectivo se deben realizar dos conversiones de

Ordenando en el formato de matriz tenemos la ecuación

movimiento que se denominan Cinemática Inversa y Ci-

nemática Directa.

(Ec. 2)

en donde,

(Ec. 3)

Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de control de robot con 3 grados de libertad (DOF).

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

Fundamentos

respecto del eje Z del sistema XYZ. De igual modo pueden ser fácilmente deducidas por los estudiantes las matrices

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

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

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

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

origen está unido con el de otro sistema XYZ. Se desea obtener la posición de dicho punto respecto del sistema

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

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

ejes siguiendo la siguiente secuencia: primero rotando un

ángulo en sentido horario del eje Z.

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 movimientos 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 espacio. La posición del sólido Q viene dada por la posición Figura 2. Posición del punto P en el eje coordenado X’Y’Z’,

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

rotado ° respecto del eje Z de XYZ.

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

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

(Ec. 6)

La matriz de la ecuación 5 se divide en las siguientes submatrices de rotación y traslación respectivamente:

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. 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 puede 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.

(Ec. 5)

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

Entonces, la localización del sólido Q del eje coordenado O’X’Y’Z’ respecto del eje OXYZ es dada por la Ecuación 6.

partes de un robot conformado por eslabones y articulaciones, tal como se muestra en la Figura 5.

Figura 4. Eslabones y articulaciones del robot [3]. Invest. Apl. Innov. 2(1), 2008

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

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

Se observa en la Figura 5 que para cada articulación se

Observamos que los parámetros ai, i representan el ta-

ha escogido un sistema de coordenadas cartesianas, que

maño y la forma del eslabón i respectivamente, mientras

estarán referenciadas una con respecto de la otra hasta

que los parámetros di, i representan la posición relativa

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

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

guiente ecuación de matrices homogéneas:

i son constantes debido al carácter rígido del eslabón mientras que di es variable para una articulación prismá-

(Ec. 9)

tica y i lo es para una articulación rotacional. En conclusión, si los eslabones son planos (sin torsión) y ubicados

Pero ahora tenemos el problema de cuál estándar esco-

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

ger para representar los ejes cartesianos en cada eslabón

que el valor de i =0, ai =cte, di =0 y i =variable. Los siste-

y cuáles parámetros son los necesarios que nos permitan

mas cartesianos de referencia a asignar en cada articula-

ubicarlos ordenadamente. Aquí vamos a usar los paráme-

ción deben seguir el procedimiento mostrado en la Figura

tros que Denavit-Hartenberg propusieron en 1955 para

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

describir la forma y tamaño así como la posición relativa

culación “i” se le nombra con el valor “Zi-1” y, el eje “Xi-1” es

de dos eslabones consecutivos unidos por articulación

resultado de prolongar una línea normal entre los ejes de

rotacional o prismática (ver la Figura 6).

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

Figura 6. Parámetros de D-H [3].

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

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

Entonces para referenciar los ejes coordenados contiguos

Con ayuda de la ecuación 9 tenemos la matriz homogé-

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

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

mientos: Roti(i), Trasi(ai), Trasi(di) y Roti(i) y en conse-

nemática Directa (ver figura 1) pues hemos localizado el

cuencia se deduce la siguiente matriz homogénea:

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 presente 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.

(Ec. 10)

En donde: En la Figura 5 se observan la cantidad de matrices homogéneas 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 valores de los parámetros D-H para cada eslabón referenciados al inmediatamente anterior. Eslabón

i

i

1 ….. i ….. extremo Tabla 1. Valores D-H para cada eslabón.

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

Figure 8. Sistema de coordenadas del robot a implementar.

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

En la Tabla 2 podemos ver los valores de D-H encontrados para el robot. Eslabón

i

i

i

/2

1

2

3

/2

/2+ 4

5

0 Figura 10. Uso de software de diseño mecánico para visualizar

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

el robot antes de fabricarlo.

Usando el Toolbox de Robótica de MATLAB, creamos el

Luego de proceder a la construcción basado en planchas

simulador de robot siguiente:

de aluminio se inicia el proceso de montaje, para lo cual se instalan en las articulaciones del robot los motores del

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

tipo servo (de uso frecuente s en aplicaciones de control

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

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

%D-H.

blado por nuestros estudiantes.

link([alfa

theta

L1 = link([pi/2

sigma])

L2 = link([0

0], ‘standard’);

L3 = link([0

0], ‘standard’);

L4 = link([pi/2

pi/2+q4 0

0], ‘standard’);

L5 = link([0

0], ‘standard’);

Los algoritmos para cinemática directa basados en la matriz homogénea y los parámetros de D-H ya están

Figura 11. Robot ensamblado

implementados en el software y sólo basta con usar los archivos “link” para definir cada eslabón, armar el robot a

Para las pruebas de funcionamiento del robot en Cine-

simular mediante “robot” y luego visualizar la animación

mática Directa, se utiliza el software de control LabView,

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

con el cual se procede a grabar en un archivo de memoria, 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 programa 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 control se desarrollará en posteriores trabajos.

Figura 9. Animación con Robotics Tools.

Aplicación Para consolidar el aprendizaje de los estudiantes de robó-

Figura 12. Elementos del control

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 Rinocerus, lo cual les permite visualizar el robot antes de su fabricación. En la Figura 10 es mostrado un ejemplo de presentación del software mencionado.

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

Figura 13. Programa de control del robot ensamblado.

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

Conclusiones

• Utilizar rúbricas para medir el proyecto de implementación y control del robot con el fin que

• El presente método de enseñanza es una propues-

los estudiantes demuestren sus habilidades en

ta inicial, desarrollada con un grupo de estudiantes

la implementación, detección de fallas y prueba

del Departamento de Electrónica de nuestra insti-

del sistema, de acuerdo a los requerimientos del

tución educativa y que puede extenderse a grupos

profesor.

más numerosos gracias a los exitosos resultados iniciales obtenidos (compromiso de los estudiantes,

• Evaluar el proyecto final de los estudiantes y las

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

entregas previas, asegurando una estructura y re-

do mostrado en este documento es un buen inicio

dacción correctas, así como una adecuada inclu-

que nos permitirá luego, madurar otras propuestas

sión de información técnica, tal como diagramas

con estudios de más profundidad en el campo de la

en base a estándares, anexos, entre otros

robótica.

Referencias Bibliográficas • El tema de Robótica es normalmente algo difícil de aprender debido al uso de herramientas matemáti-

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

cas complejas que normalmente se usan para locali-

damentos de Robótica, Mc Graw Hill, Segunda Edi-

zar un punto en el espacio. Nosotros, como docentes

ción, España, 2007.

estamos proponiendo desarrollar dichos temas del modo más sencillo posible, aplicando los conceptos base y luego apoyándose con una herramienta de

2 P. I. Corke, “A Robotics Toolbox for MATLAB”, IEEE Robotics and Automation Magazine, USA, 1996, pp. 24-32.

software de simulación de robots de MATLAB. Concluimos que las instrucciones del toolbox menciona-

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

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

Sistemas Sensoriales, Prentice Hall, Segunda Edición,

para desarrollar investigación en el futuro respecto

España, 2002.

al control de desplazamiento en lazo cerrado, el cual

requerirá de técnicas de control avanzado.

ACERCA DE Los AUTORes

• Para la parte práctica se han usado los conceptos de

Raúl Medrano Tantaruna, es docente a tiempo completo

Cinemática Directa en lazo abierto para controlar el

en Tecsup por el departamento de Electrónica Industrial.

movimiento de un robot mediante servomotores

Es Ingeniero electrónico titulado por la Universidad Na-

y software de control LabView. Concluimos que el

cional de Ingeniería y ha terminado sus estudios de Maes-

mejor modo de confirmar lo aprendido se observa

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

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

bido curso de especialización en Educación Tecnológica

tudiantes son capacitados en las técnicas del uso de

por convenio con GWZ de Alemania.

software de diseño gráfico, software de control, cableado del robot-controlador y la puesta en marcha

Miguel Chavez Luna es docente a tiempo completo en

respectiva.

Tecsup por el departamento de Electrónica Industrial. Es egresado de Tecsup y ha recibido cursos de especializa-

• Con respecto a los procedimientos a usarse para ase-

ción en Automatización de Procesos de Manufactura por

gurar el proceso de aprendizaje a través de la me-

convenio con SENAI en Brasil y en Ingeniería Mecatrónica

dida de competencias y actividades de evaluación,

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

sugerimos por lo menos lo siguiente:

cuentra culminando la carrera de Ingeniería Electrónica en la Universidad Ricardo Palma.

• Aplicar pruebas o cuestionarios con preguntas que midan el nivel de profundidad de los conocimientos y habilidades adquiridos durante el curso.

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Sistema de supervisión en tiempo real de subestaciones en empresas eléctricas Real time supervisory system for substations in electrical companies Alvaro Castro Chevarría

RESUMEN

ABSTRACT

Las empresas eléctricas tienen la necesidad de supervi-

The present project is about the electrical companies

sar en tiempo real y de manera centralizada las diferentes

need of to report in real time the relevant information of

subestaciones remotas que conforman su sistema eléc-

the electrical system to the regulatory public organism,

trico; el presente trabajo pretende cumplir con esta ne-

modifying the traditional way by other alternative one

cesidad modificando la manera tradicional en que se ha

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

venido llevando a cabo esta tarea por una alternativa que

gies that will allow to obtain more functional benefits and

permite aprovechar el uso de nuevas tecnologías que

less costs of implementation.

además permiten obtener mayores beneficios funcionales y menores costos de implementación

This system of supervision in real time that we propose have a computer or central server located in the electrical

El sistema de supervisión en tiempo real que proponemos

company control center and the devices IEDs (Electronic

está conformado por un computador o servidor central

Intelligent Device) who gather the relevant information

ubicado en el centro de control de la compañía eléctrica y

of the electrical system located in the substations of the

los dispositivos IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente)

above mentioned company. The central computer and

que recogen la información relevante del sistema eléctri-

the devices of substation will be joined by ethernet com-

co ubicado en las subestaciones de dicha compañía. El

munication switches in TCP/IP.

computador central y los dispositivos de subestación se encontrarán unidos por medio de equipos de comunica-

The devices of substation called IEDs (Electronic Intelli-

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

gent Device) are composed fundamentally by relays, meters, controllers, plcs and others that allow to expire with

Los dispositivos de subestación llamados IEDs (Dispositi-

the functions of protection, measurement and control of

vo Electrónico Inteligente) están compuestos fundamen-

the equipments of power of the substation contain the

talmente por relés, medidores, controladores, plcs y otros

relevant information of the electrical system what will be

que permiten cumplir con las funciones de protección,

taken advantage for been sent to the system of supervi-

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

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

estación, éstos contienen la información relevante del sis-

advantage with regard to the traditional way of imple-

tema eléctrico lo que será aprovechado para su envío al

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

sistema de supervisión en tiempo real. Esta es la principal

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

diferencia y ventaja con respecto a la forma tradicional de

vant information of the electrical system, stopping using

implementar un sistema de supervisión ya que nosotros

the concentrating one or the RTU (terminal remote unit)

utilizaremos directamente los IEDs o dispositivos de sub-

typical of the traditional solution.

estación para obtener la información relevante del sistema eléctrico dejando de usar el concentrador o la RTU

PALABRAS CLAVES

(Unidad Terminal Remota) característicos de la solución tradicional.

Sistema de supervisión, SCADA, sistema en tiempo real, dispositivos electrónicos inteligentes, subestaciones eléctricas.

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

KEY WORDS

SISTEMA SUPERVISOR DE SUBESTACIONES ELéCTRICAS

Supervision system, SCADA, real time system, intelligent electronic devices, electrical substations.

El sistema supervisor es el que recibe los parámetros eléctricos de las principales cargas instaladas, posiciones

INTRODUCCIóN

de equipos de maniobra y eventos de los diferentes dispositivos que conforman el sistema en forma continua

El presente trabajo tiene por objeto la implementación de

permitiendo mantener la información de campo perma-

un Sistema en Tiempo Real para la supervisión de subes-

nentemente actualizada y disponible para su consulta y

taciones eléctricas ubicadas en provincias de nuestro país

utilización.

desde un Servidor Central, ubicado en las oficinas de la Compañía Eléctrica propietaria de las mismas.

Los sistemas supervisores en tiempo real en el sector eléctrico reciben la denominación de Sistemas SCADA

Un sistema en tiempo real es un sistema informático que

(Supervisory Control and Data Acquisition).

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 instante 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

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

como parte del proyecto, el poder transmitir los parámetros eléctricos de las principales cargas instaladas, posi-

ciones de equipos de maniobra, eventos y manejo de las

Componentes del Sistema Supervisor

protecciones a sistemas remotos que permitan al usuario conocer el funcionamiento y supervisar a distancia las

Los componentes de un sistema supervisor comprenden

unidades que forman parte del sistema. Estos nuevos pro-

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

yectos están diseñados con el fin de minimizar la nece-

municación, medición y procesamiento de datos hasta el

sidad del recurso humano, sobre la base de automatizar

software que integra todos los dispositivos inteligentes

todo lo que sea posible y pensando en utilizar tecnologías

que forman parte del sistema, sin embargo los compo-

modernas que permitan la integración de equipos hete-

nentes más relevantes de un sistema supervisor son los

rogéneos.

sensores de estado y de medida, los cuales, instalados en el campo, son la base de la generación de la informa-

Estas nuevas soluciones tecnológicas hacen posible la

ción para el sistema supervisor.

integración de diversos productos disponibles en el mercado además de lograr una comunicación rápida y

Los sensores de estado son los que pueden tener sólo

eficiente.

dos posibles valores o un cero o un uno lógico y permiten reflejar los estados de los elementos de control del siste-

En el presente trabajo se pretende realizar la implementa-

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

ción del sistema de supervisión en tiempo real, haciendo

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

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

si un motor está funcionando o detenido y además sirven

net en lo que corresponde a las comunicaciones y de la

también para la señalización de alarmas y eventos.

tecnología OPC OLE para Procesos de Control en lo que corresponde al Software.

Los sensores de medida son capaces de medir valores analógicos como voltajes, amperajes, volúmenes de líqui-

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

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

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

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

Los relés y controladores son los elementos de protección

en las diferentes empresas eléctricas y consiste de un sis-

y control del sistema eléctrico que integrados al sistema per-

tema de supervisión y control del tipo centralizado.

miten la ejecución de acciones automáticas o manuales. Estos sistemas se basan en el concepto de que toda la La red de comunicaciones es la columna vertebral de

inteligencia del sistema está concentrada en un equipo

todo el sistema en tiempo real y de ésta dependerá la

central al cual llegan todas las señales de los sensores de

velocidad y tiempos de respuesta del sistema a eventos

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

externos.

mas procesadores tiene la capacidad de procesamiento para realizar las tareas de análisis y toma de decisiones

Con los elementos descritos, es posible implementar bá-

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

sicamente un sistema supervisor capaz de representar, en

nerada por las unidades de campo se realiza en el equipo

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

central del sistema.

ma eléctrico. Este equipo central puede ser un concentrador o una RTU El Software es el último componente que se requiere, es

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

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

lución tradicional.

mímicas que representan los sistemas eléctricos y que permiten apreciar su comportamiento en el tiempo, inicialmente 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 pantallas gráficas.

SISTEMA DE SUPERVISIÓN TRADICIONAL Hace referencia a la forma convencional cómo se ha venido llevando a cabo la implementación de estos sistemas

En las soluciones basadas en el uso de concentradores, todas las conexiones de los sensores de campo a la unidad 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 comunicaciones 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.

Figura 2. Arquitectura de comunicaciones basada en concentradores.

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

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 subestación, como es el caso de la arquitectura de comunicaciones presentada a continuación.

Figura 4. Capas, interfaces y protocolos en el modelo OSI. Figura 3. Arquitectura de comunicaciones basada en RTUs.

Se trata por tanto de una arquitectura de siete niveles en la que en cada nivel se han tomado protocolos estándar,

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

siendo posible que sobre la misma infraestructura física

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

puedan coexistir diferentes protocolos de comunicación

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

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

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

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

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

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

El sistema de supervisión que proponemos se basa ade-

en día en que se necesitan transmitir mayores cantidades

más en el uso de dispositivos inteligentes intermedios o

de datos son muy limitados.

IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente) con capacidad

SISTEMA DE SUPERVISIóN PROPUESTO BASADO EN EL USO DE TECNOLOGíAS ABIERTAS

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

La arquitectura de comunicaciones del sistema que pro-

de las subestaciones eléctricas, pueden ser los PLCs, los

ponemos se basa en el uso de redes Ethernet dentro del

controladores industriales, los relés digitales, los medido-

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

res de energía o las RTUs con puerto de comunicaciones

Systems Interconnect) fueron creadas por la ISO (Inter-

ethernet.

national Organization for Standarization) en 1974 con el propósito de abrir la comunicación entre diferentes sistemas 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 interoperable. 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.

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Figura 5. Arquitectura de comunicaciones basado en IEDs.

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

De otro lado, el software de supervisión que proponemos

la marca Ruggedcom instalados en cada subestación al

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

que van conectados todos los IEDs de la subestación que

trol) que bajo el patrocinio de Microsoft logró constituir

por su alta performance y robustez son los adecuados

una estandarización orientada a definir una mecánica de

para su aplicación en ambientes industriales y/o subes-

enlace y comunicación entre programas de software de

taciones eléctricas, éstos a su vez se encuentran unidos

supervisión o SCADA.

en una sola red de comunicaciones por medio del uso de routers y enlaces de comunicaciones propietarios o enla-

IMPLEMENTACIóN DEL SISTEMA DE SUPERVISIóN

ces dedicados brindados por las principales empresas de

La columna vertebral del sistema es la red de comunica-

A continuación se muestra la arquitectura de comunica-

ciones Ethernet conformada por switches industriales de

ciones de todo el sistema.

comunicaciones del país.

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

El equipamiento que se integró al sistema son los diferen-

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

tes IEDs conformados por relés, controladores y medido-

sarrollados, nos demuestra que para obtener una buena

res existentes en cada subestación eléctrica.

performance de comunicación se debe considerar un (01) conversor por cada cuatro equipos como máximo.

La mayoría de relés de protección y medidores disponen de un puerto de comunicaciones Ethernet con protocolo

Se suministró asimismo un controlador lógico programa-

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

ble o PLC que se encargó de recepcionar todas las señales

control y supervisión, estos relés son conectados median-

analógicas y/o digitales que se requirieron para obtener

te este puerto a la red Ethernet que permite mantener

la posición de los equipos (seccionadores, interruptores,

altas velocidades de transmisión y una alta performance

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

del sistema.

existentes. Este controlador posee el protocolo de comunicación Modbus TCP/IP y se conectaron a la red de co-

Para aquellos dispositivos que no tienen el puerto Ether-

municaciones Ethernet de la subestación.

net y que manejan el protocolo de comunicación serial Modbus RTU, los cuales disponen de 1 puerto de comu-

En el Servidor SCADA el sistema operativo empleado es

nicaciones RS-485, se integraron al sistema por medio

Windows 2003 Server que por su robustez y madurez ha

del uso de convertidores de protocolo Modbus RTU a

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

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

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

En razón a lo anterior planteamos el uso del protocolo

pacidad de poder recibir simultáneamente la información

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

en tiempo real de todos los dispositivos involucrados en

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

la integración del sistema SCADA. Fue necesario construir

ciones remotas. Resaltando finalmente que el sistema de

para cada equipo el mapeo de direcciones Modbus e in-

comunicaciones propuesto es hábil de integrar dispositi-

troducirlo en la tabla de configuración de dispositivos del

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

servidor OPC.

requerido en el futuro.

Después se instaló el Software SCADA SCAN1000 de Hexatec- Inglaterra versión 5.00, que tiene una poderosa 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 características posicionan a SCAN1000 como una madura plataforma para sistemas de alta confiabilidad, con la finalidad 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 adquisición de datos. En la pantalla del Servidor se construyeron una serie de

Figura 7. Pantalla del unificar general del sistema eléctrico.

RESULTADO

pantallas, tales como las siguientes: Como resultado de esta implementación se obtuvieron • Menú Inicial • Diagrama Unifilar General • Diagrama Unifilar de cada alimentador

• Registro de Eventos en la Subestación • Panel anunciador de alarmas • Reportes Este sistema, desde el punto de vista computacional, adquiere datos de los dispositivos electrónicos inteligentes IEDs (relés y medidores) con capacidad de comunicaciones 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 arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, fue diseñado por Modicon y convertido en un protocolo de comunicaciones 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 semejante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión mediante paquetes TCP/IP.

los siguientes logros: • La arquitectura propuesta se basa en el uso de una colección de normas que permite tener una Arquitectura 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 comunicaciones cerradas que no garantizan que éstos vayan a comunicarse con los demás equipos de la red. Teniendo que comprarse muchas veces el mismo 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 interconexión de redes de comunicaciones, de muchas maneras, ellos son la interconexión. Asímismo, los estándares son la base de los productos y típicamente son los que marcan la diferencia entre la comunicación y la incompatibilidad. • La arquitectura propuesta se basa en el uso del modelo de referencia de la OSI, y la estructura de las capas de la OSI (Open Systems Interconnect) para interconexión de Sistemas Abiertos creadas por la ISO (International Organization for Standarization). Las arquitecturas anteriores se basan en el uso de concentradores o RTUs que reducen la performance del sistema e incrementan el numero de puntos de falla además que tienen un crecimiento limitado.

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

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

• La Arquitectura propuesta se basa en el uso de Swit-

está limitado a tener que adquirir equipos industriales del

ches Industriales de acuerdo con la norma IEC-61850

mismo fabricante o a un único protocolo, pues es posible

que conforman una Red Ethernet de gran velocidad

integrar equipos de diferentes propietarios en diferentes

y performance que permiten el manejo de grandes

protocolos sin causar conflictos con los existentes.

volúmenes de información conforme a las necesidades actuales de transmisión y el uso de sistemas

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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. • La Arquitectura de Comunicación propuesta permite 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 Arquitectura de Comunicación basada en transmisión

1 S.J. Young, Real Time Languages: Design and Development. 2 Mark Adamiak, Introduction to the IEC61850 Protocol. 3 TECSUP, Simposio Internacional de Automatización, Control y Protección de Subestaciones. 4 William Ackerman, Automatización de Subestaciones Eléctricas de Potencia.

RS-232 posee muy bajas velocidades de transmisión

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

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

substation communication standardization develop-

transmitir a velocidades mayores debido a las limita-

ments. 2000 Western Power Delivery Automation.

ciones de esta tecnología. • La Arquitectura de Comunicación propuesta permite

6 Se consigue en:http://www.selinc.com/ techpprs/6105.pdf

reducir los Costos de Integración de diferentes equipos

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

y sistemas de Supervisión y Control porque a diferencia

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

de sus predecesoras, los costos de integración resulta-

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

ban excesivos y se obtenía una baja performance.

CONCLUSIONES Toda implementación actual de automatización de subestaciones eléctricas y de sistemas de supervisión de las mismas debe tener en cuenta el uso de estándares basados en el modelo de referencia de la OSI para interconexión de Sistemas Abiertos creados por la ISO (Interna-

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 substations “IEC 61850”. 10. OPC Foundation (1998), OPC Overview.

tional Organization for Standarization).

ACERCA DEL AUTOR

Los sistemas de supervisión deben no sólo integrar a los

Alvaro Castro Chevarria estudió Ingeniería Informática en

dispositivos existentes sino que deben estar preparados

la Pontificia Universidad Católica del Perú y Electrónica

para poder integrar los dispositivos futuros, como es el

de Sistemas Computarizados en Tecsup. Ha recibido ca-

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

pacitación en programación de controladores en la Uni-

permite integrar directamente a dispositivos (IEDs) de

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

distintos fabricantes, sin la necesidad del uso de conver-

de subestaciones eléctricas bajo la norma IEC-61850 en

sores o concentradores de comunicación en lo que res-

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

pecta al hardware y del mapeo de direcciones en lo que

mentación de sistemas SCADA y en la automatización de

corresponde al software.

las subestaciones eléctricas de empresas peruanas de minería, de generación y de distribución de energía eléc-

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

trica. Se desempeña como Ingeniero de Proyectos para la

de supervisión garantiza una comunicación transparente

división de Process Automation en ABB, y es profesor del

con los dispositivos en el protocolo establecido, permi-

curso “Supervisión de Procesos por Computadora” para

tiendo construir aplicaciones de supervisión y control de

los programas de especialización y capacitación continua

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

en TECSUP. En la actualidad se desempeña como ingenie-

hacer una renovación tecnológica, una ampliación o la

ro de proyectos para la división de Process Automation

integración de dispositivos en un nuevo protocolo, no se

en ABB Perú.

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Diseño, planificación y supervisión de una instalación para un sistema automatizado de un hogar digital Design, planning and supervision of an instalation for an automated system of a digital home

Rafael Donaire Peña

RESUMEN

PALABRAS CLAVES

El presente artículo se basa en la implementación de un

Domótica, pasarela residencial, supervisión, protocolo.

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, sistemas de seguridad, control de persianas y riego, control de temperatura y el control de regulación de iluminación

KEY WORDS Domótica, residencial gateway, supervision, protocol,

INTRODUCCIÓN

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

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

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

nocer el estado de cada uno de los sensores y actuadores

cia y elementos desarrollados por la electrónica e infor-

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

mática, que proporciona un nivel de automatismo en una

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

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

el mismo que se encargará del monitoreo de las variables

y cuyo objetivo es conseguir el aumento de la calidad

medidas. La implementación se realizó con equipos LCN

de vida de sus ocupantes. La palabra domótica viene del

(Local Control Network) de fabricación alemana que utili-

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

za un protocolo propietario y un sistema descentralizado

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

mediante los controladores LCN-SH y LCN-UPP.

de la francesa automatique. Literalmente podríamos decir que la domótica es la automatización de la casa.

ABSTRACT La domótica se ha venido desarrollando desde la décaThe present article is based on the implementation of an

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

automated system for a digital home, which are compose

actualidad algunas empresas dedicadas a la domótica

of all its room and where have been implemented con-

la siguen implementado en sus sistemas, durante todos

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

estos años los diferentes fabricantes han buscado el de-

watering control, temperature control and illumination

sarrollo y el despegue de la domótica con la fabricación

regulation control (energy saving). The techniques of

de avanzados electrodomésticos y dispositivos (sensores,

conventional control were applied in closed knot and in

actuadores y controladores) destinados a automatizar

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

una vivienda.

and actuadores from any point of the house, a supervision 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 carried 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.

La situación actual de la domótica es que existen muchos estándares y asociaciones que tratan de normalizarla, 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 estos tres sistemas.

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

Con el desarrollo de las comunicaciones lo que se busca

Sistemas Descentralizados, todos los elementos de red

de todo proceso automatizado es su integración en redes,

actúan en forma independiente uno de otros, con funcio-

que permitan tener la información del proceso almace-

nalidad de control y mando, para el proyecto se escogió

nada para después observar el comportamiento de cada

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

variable que conforman el proceso, en la domótica se

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

busca la integración con el mismo objetivo que las personas podamos tener la información de lo que está ocu-

Sistemas Distribuidos (híbridos), combinan las topolo-

rriendo en nuestra casa y poder tomar acciones o poder

gías centralizadas y descentralizadas, teniendo un control

tener un registro de todas las incidencias ocurridas du-

local en cada nodo.

rante nuestra ausencia. En un sistema integrado se puede realizar una supervisión de la vivienda, desde un panel de

Sistemas Centralizados, Los sistemas centralizados se

operaciones, poder observar cada uno de nuestros am-

caracterizan por tener un único nodo, el cual debe recibir

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

toda información proveniente de los dispositivos exter-

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

nos, para procesarla y actualizar las salidas.

la casa en el trabajo, en el cine o cualquier otro lugar que tenga acceso a Internet, poder monitorear y saber qué

El Bus LCN puede soportar hasta 250 módulos que se

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

interconectan directamente mediante tres conductores

telefonía celular con acceso a Internet hace posible que

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

podamos supervisar una casa y realizar los cambios nece-

máximo de 30 mil módulos, que pueden automatizar más

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

de seis mil ambientes.

enviar un mensaje de texto.

La planificación pasa por el desarrollo de aplicaciones

DISEÑO Y PLANIFICACIóN

elementales que debemos ir implementando, como el

Antes de iniciar cualquier conexión de los módulos domóticos, debemos definir el tipo de diseño que tendrá nuestro hogar digital. Partiendo del tipo de topología de red, podemos clasificarlas en:

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 compatibilidad con algunos elementos existentes en el hogar; los

Figura 1. Sistema Descentralizado Bus de transmisión de datos

Figura 2. Sistema Centralizado

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recursos con los que contamos, duración y finalmente las

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

pruebas para la puesta a punto de nuestro sistema auto-

dor nos permite hacer un control discreto activando y

matizado.

desactivando salidas tipo relé o digitales. Debemos de

Para la implementación del sistema se ha considerado 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 salacomedor, control de temperatura del dormitorio principal, control de acceso y seguridad mediante sensores de

plantear todas las condiciones que deben activar una salida y cómo se activara ésta. Por ejemplo una bombilla 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.

movimiento, detectores de rotura de vidrio, detectores de

Podemos realizar también un control de lazo cerrado (ver

humo y contactos magnéticos (ver figura 3).

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

DESARROLLO DEL SISTEMA DOMÓTICO

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.

El desarrollo consiste en describir la configuración de los

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

módulos utilizando el software LCN-PRO. Al igual que

consigna al controlador, mediante software o desde un

otros controladores debemos cargar en el controlador

módulo de pulsadores compatible que utilice el protoco-

principal el programa que tiene todas las instrucciones

lo EIB como Siemens.

Figura 3. Plano de la vivienda a automatizar.

Figura 4. Condiciones para activar una salida.

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

Figura 5. Control de lazo cerrado

PROGRAMACIÓN DE LOS MÓDULOS

CONFIGURACIóN DE LA RED DOMÓTICA

Instalados los equipos procedemos a la programación de los módulos y del controlador. El LCN- PRO es el software

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

donde colocaremos los módulos que están conectados

mos considerado realizar las siguientes acciones:

en serie y enchufados a un puerto determinado del controlador maestro, aquí debemos asignar un segmento,

Habitación Principal: Control de luces, control de tem-

por ejemplo se realizara el siguiente procedimiento:

peratura y control de persianas. Habitaciones 1 y 2: control de persianas y control de

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

luces.

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

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

controlador, la configuración de los módulos, la po-

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

demos realizar ON LINE u OFF LINE, y procedemos a

Cocina: control de luces.

signar acciones como temporizado, apertura o cierre

Seguridad: Detector de movimiento (ubicación en la

de un contacto de salida, etc.

sala-comedor), detector de ruptura de vidrio (en la salacomedor), detector de humo (ubicación en la cocina), de-

• Asignemos un ID al módulo haciendo clic con la tecla izquierda del ratón en un módulo no programado,

tector de fuga de agua (ubicación en la lavandería). Jardines: Control de riegos.

aparece una ventana para la adjudicación de números de identificación (ID). Este ID o dirección es un

Ya definida las aplicaciones vamos a proceder a la imple-

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

mentación:

1-5 están reservados. El ordenador con el software LCN-PRO tiene, por ejemplo, el ID 1 y el LCN-W (visua-

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

lización) tiene el ID 2.

actuador del sistema de Bus LCN. Está provisto, de dos salida electrónicas conectoras y reguladoras de 230 V, un

• Hacemos doble clic sobre el módulo y podemos con-

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

figurar su periferia. Para asignar una tecla de desti-

recepción de sensores y actuadores. Con este módulo se

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

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

programada sería la tecla A1. Primero se debe pro-

te sus dos salidas para regulación de luminosidad, así

gramar el destino. Para esto haga clic en el destino

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

con la tecla derecha del ratón y seleccione el propio

travagantes. Gracias a su mecanismo interno también se

módulo.

puede usar para la climatización individual de habitaciones (calefacción y ventilación). Motores para protección

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

Dos salidas: Conexión, regulación, luminosidad y tiempo

lados de acuerdo con la programación y ampliación para

de apertura (rampa) regulables individualmente. Dos

las funciones deseadas.

temporizadores (10ms. 40min) hacen posible el alumbrado de escaleras, el reloj automático a corto plazo, etc. 100

Conexiones del módulo LCN-SH

memorias de escenas por salida (memorizan luminosidad y tiempo de apertura). Estas estarán destinadas al control

• Por el puerto T se realiza la conexión del módulo LCN

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

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

control de riego por lo que necesitamos 3 módulos. Ver

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

figura 9.

entre los modelos es de 100 metros. Ver figura 6. • Por el puerto P se conecta el módulo LCN – R4M2H

Conexiones del módulo LCN-UPP

para el control de ocho motores destinados al control de las persianas de la sala y de las habitaciones. Ver figura 7.

• Por el puerto T lo dejaremos libre para ampliaciones futuras.

• 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

• Por el puerto I conectaremos el módulo LCN – B3I entradas de contacto seco.

(detector de movimiento), LCN-B3I (sensor binario). Para la conexión de todos estos módulos es necesa-

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

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

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

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

control de riego podemos escoger válvulas eléctricas de

bemos conectar los sensores al LCN-IVH, los demás

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

sensores que no se muestran en la figura se conecta

si preferimos un control más avanzado podemos colocar

siguiendo el mismo diagrama.

electro válvulas que trabajen de 0 a 20 mA controlando el flujo de agua, pero acrecienta el costo del diseño ya que

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

también tendríamos que adicionar el módulo LCN-AD1, y

bus LCN. Está provisto de dos salidas electrónicas conec-

conectarlo por el puerto T similar a la conexión realizada

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

para el control de temperatura de la habitación principal.

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.

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

Comunicación por el puerto P

Figura 7- Diagrama de conexión del puerto P.

Figura 8- Diagrama de conexión del puerto I.

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Lámparas de las habitaciones 1 y 2

Figura 9- Diagrama de conexión del LCN - UPP.

figurar los enlaces de cada elemento, teniendo en cuen-

CONFIGURACIÓN DE LA SUPERVISIÓN MEDIANTE EL SOFTWARE LCN – W

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.

Para la vivienda automatizada, cuyo plano se muestra en la figura 3, creamos unas pantallas de supervisión, que

Una vez terminado el paso anterior se podrán mostrar las

nos permitirán ver el estado de los sensores y actuado-

siguientes pantallas, en las cuales observamos el estado

res que se han dispuestos en los diferentes ambientes de

de los dispositivos empleados, así como también pode-

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

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

una computadora destinada a este fin se procede a con-

Figura 10. Pantalla de configuración.

Figura 11. Pantalla monitoreo.

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CONCLUSIONES

ACERCA DEL AUTOR

• Por el tipo de topología cumplió con los requeri-

Rafael Donaire es ingeniero Electrónico por la Universi-

miento de automatización, los controladores LCN-SH

dad Nacional del Callao, estudiando la Maestría en Auto-

poseen la limitación de conexión en sus puertos T y

mática e Instrumentación. En la actualidad es docente del

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

Departamento de Electrotecnia en Tecsup desarrollando

sistema descentralizado.

los cursos de Electricidad y Automatización. Es especialista en Automatización de Sistemas Industriales a través

• La tecnología utilizada por los fabricantes de LCN nos permite colgar en la red equipos que no solamente

de Controladores Lógicos Programables, manejo de software Scada y Sistemas Domóticos.

sean LCN si no compatibles con ella, como son sensores de movimiento, electroválvulas, interruptores EIB, etc. • El sistema de supervisión nos ha permitido monitorear los dispositivos domóticos conectados a la red de datos, pudiendo obtener la información de todos los dispositivos del hogar digital en tiempo real. • Para trabajos de investigación en el futuro podemos mencionar un monitoreo remoto a través de la red de Internet.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 Jose Huidobro, La Domótica Como Solución de Futuro. 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, Protocols, 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 Edificios 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.

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Tecnología de la producción de sales de cobre Technology of production of copper salts

Luís Sánchez Zúñiga

RESUMEN

The above processes have been tested with success at laboratory level, they are technological alternatives in be-

La actividad minera en el país se ha caracterizado siem-

nefit of the copper minerals, and they represent a higher

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

aggregated value to the traditional products obtained.

ducción de concentrados o un volumen limitado de metales refinados.

Palabras claves

En la actualidad el país vive en bonanza económica por

Electrolisis, precipitación, cemento de cobre, óxido

el incremento vertiginoso de los precios de los metales y

cuproso.

se actualizan antiguos proyectos para la explotación de yacimientos de baja ley de cobre especialmente por pro-

Key Words

cesos hidrometalúrgicos. En el presente artículo técnico se presenta la metodología para la obtención de óxido

Electrolysis, precipitation, copper cement, copper oxide.

cuproso por medio electrolítico y sulfato de cobre a partir

de cementos de cobre.

INTRODUCCIóN

Los procesos que se describen han sido probados con éxi-

El Perú es un tradicional productor de cobre, ocupando

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

siempre un lugar de privilegio en el contexto mundial. En

empresarios mineros, como alternativas tecnológicas en

la actualidad se vive una coyuntura especial y nuevamen-

el beneficio de minerales de cobre, y representan además,

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

un mayor valor agregado a los productos que tradicional-

guos” proyectos cupríferos.

mente se obtienen en las minas peruanas. Es conocido que en nuestro territorio existen recursos na-

ABSTRACT

turales y materias primas adecuadas, las mismas que pueden ser utilizadas para la obtención de sales de cobre; de

Spend attention is given to the convenience of working

esta forma, es posible la formulación de proyectos para la

some mineral deposits of oxidezed copper using lixivia-

producción de aquellos.

tion by piles percolation, in order to use part of the sulphuric acid which is being produced at refineries and

En la situación descrita, es conveniente actualizar la idea

smelters.

de trabajar algunos yacimientos de minerales oxidados de cobre, especialmente en la costa sur, aplicando la tec-

In general the products to be obtained due to the usage

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

of these news techniques will be copper cement and also

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

electrolytic copper.

ductos a obtener pueden ser: cemento de cobre, diversas sales de cobre, o alternativamente, cobre electrolítico.

The authors present the methodology to obtain cuprous oxide by electrolysis and copper sulphate starting from

El presente trabajo describe la metodología para la ob-

copper cement.

tención de oxido cuproso por medio electrolítico y sulfato de cobre a partir de cementos de cobre.

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

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

Punto de Ebullición

1800 °C El proceso general de la celda es una reacción química

Es insoluble en agua. Es soluble en HCl, NH4Cl y NH4OH,

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

La tecnología para la producción del óxido cuproso es

calcular el voltaje de descomposición a partir de la Regla

por el proceso electroquímico de electrólisis, que se basa

de Thomson:

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

en pasar corriente eléctrica entre electrodos de cobre y carbón, en un electrolito preparado con una solución de

Erp =

cloruro de sodio (30 g/L) y a una temperatura de 95 °C. El consumo energético se puede calcular considerando Se producen las siguientes reacciones dentro de la celda:

que el equivalente electroquímico del cobre (I) es 2,37 gramos de cobre por amperio-hora.

En el cátodo (carbón)

2H2O + 2e ➞ 2(OH) + H2

En el ánodo (cobre)

2 Cu ➞ 2 Cu++ + 2e-

Obtención de sulfato de cobre La obtención de sulfato de cobre es una tecnología cono-

La combinación de ambos procesos resulta en el proceso

cida, la cual ha sido descrita por diferentes investigadores

general:

y aplicada con éxito en diversas plantas locales. En Lima, operan los denominados “sulfateros”, quienes emplean 2 Cu + 2 H2O ➞ Cu2(OH)2 + H2

como materia prima chatarra de cobre electrolítico (en

observándose que, precipita el hidróxido cuproso ama-

fúrico que adquieren a las refinerías de metales locales. El

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

proceso de fabricación en estas plantas se resume en las

Posteriormente, el hidróxido se hierve durante largo

siguientes etapas:

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

tiempo, con lo cual se realiza el proceso. a. Preparación de la materia prima. Cu2 (OH)2 ➞ Cu2O + H2O

b. Carguío del material en reactores de lixiviación (tanques cilíndricos de acero inoxidable tipo SAE 316) y

Es decir, se descompone el hidróxido cuproso en oxido

se cubre con solución remanente del proceso ante-

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

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

La Figura 1, ilustra el diagrama de flujo del proceso de fabricación de oxido cuproso.

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

solución igual a 40°Bé

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

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

Es posible estimar los consumos unitarios en el proceso

e. Cristalización en tanques, enfriados con chaquetas

de producción de una tonelada de óxido cuproso al 100%

de agua, para producir macrocristales, que tarda al-

requiere lo siguiente:

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 consumidores y compañías mineras, por su mayor pureza (98%) y más apropiado a sus métodos de preparación de soluciones.

• Cobre electrolítico

= 870 kg.

• Cloruro de sodio

• Agua

= 5 m3

• Electricidad

= 414 kw-hora

• Silicona (impermeabilizante) = 0.5 kg. Se realizaron cuatro pruebas de obtención de óxido cuproso a diversas condiciones a fin de determinar las condiciones de una óptima producción en el laboratorio. Las condiciones y resultados se presentan en el Cuadro 1.

b. Microcristales: Contienen mayor humedad y even-

1era. Prueba

2da. Prueba

3era. Prueba

4ta. Prueba

Densidad de corriente, amp/pie2

Voltaje de celda, voltios

Temperatura, °C

Distancia entre electrodos, pulgadas

Eficiencia de corriente, %

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 pureza depende de las condiciones y controles del proceso. Los cementos de cobre son integrados a procesos pirometalúrgicos, en los cuales, junto a la complejidad opera-

50 kg.

cional, normalmente se producen significativas pérdidas por arrastre en chimenea (15 - 20%). Tales inconvenientes contribuyen a que la comercialización de estos cementos

Cuadro 1. Condiciones de operación en laboratorio.

sea un tanto subestimada, inclusive para aquellos precipitados con alta ley (85 - 95% Cu). La situación descrita ha motivado el interés de implementar un proceso que

Obtención de sulfato de cobre a partir de cementos

constituya una alternativa tecnológica y que permita un mejor aprovechamiento de los cementos de cobre.

En este acápite se describe el proceso de obtención de sulfato de cobre a partir de cementos de cobre mediante

METODOLOGíA

un procedimiento aplicado con éxito en el laboratorio. El método adecuado para obtener sulfato de cobre a partir

Pruebas de obtención de óxido cuproso

del cemento, implica un pretratamiento previo del material. El objetivo de las pruebas de laboratorio consistió en

Resultados obtenidos por investigadores nacionales, en

obviar el tostado oxidante convencional del cemento, me-

pruebas piloto y de laboratorio, han demostrado que el

diante el curado con una sal de amonio como oxidante.

proceso funciona en las siguientes condiciones de operación:

Se eligió el Nitrato de Amonio debido a que no forma sales insolubles que dificulte la posterior lixiviación del

• Densidad de corriente

= 30 - 40 amp/pie2

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

• Voltaje de celda

= 1 - 3 voltios

cual se explica por las siguientes reacciones:

• Temperatura óptima

= 95°C

• Distancia entre electrodos

= 2 pulgadas.

• Eficiencia de corriente

= 80 - 85%

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

NH4NO3 ➞ NH3 + NO3H

(1)

4 HNO3 ➞ 4 NO2 + 2 H2O + O2

(2)

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

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

La muestra en estudio es un cemento de cobre, obtenida mediante una reducción de contacto con fierro, que tiene la siguiente composición química:

% extracción de cobre

de Nitrógeno son los agentes oxidantes del cobre.

Al inicio se realizaron nueve pruebas de curado y lixiviación, en las que se estudió el efecto de la relación estequiométrica NH4NO3/cobre. Las condiciones de trabajo

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

• Peso de cemento de cobre

= 1000 gramos.

• Tiempo de curado

= 5 días

• Dilución en la lixiviación

= 5 a 1

• Concentración de ácido

= 300 g/L

• Tiempo de lixiviación

= 60 minutos

• Temperatura de lixiviación

= 70 °C

% extracción de cobre

en laboratorio son las siguientes:

Como el tiempo de curado determinado inicialmente era muy largo se procedió a realizar un segundo set de pruebas metalúrgicas, en el que se estudió dicha variable. Las condiciones de trabajo en laboratorio son las siguientes:

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

tiempo de curado de 5 días; sin embargo, este último parámetro de operación debe ser optimizado. En la Figura

• Relación estequiométrica

= 0.5

• Dilución en la lixiviación

= 5 a 1

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

• Concentración de ácido

= 300 g/L

viación del material curado se efectuó durante una hora

• Tiempo de lixiviación

= 1 hora

con solución de 300 g/L de H2SO4, a dilución 5/1 y a una

• Temperatura de lixiviación

= 70 °C

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

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

problemas de sobresaturación de la solución. La cristali-

RESULTADOS Y DISCUSIóN Los resultados de las pruebas de obtención de óxido cuproso por electrolisis demuestran que el proceso es sensible a la temperatura del electrolito en la celda; a la vez,

zación posterior se llevó a cabo mediante enfriamiento, obteniéndose buena calidad y eficiencia en los cristales producidos.

CONCLUSIONES

la densidad de corriente es otra variable significativa pues la eficiencia de corriente se incrementa en forma propor-

La producción de sales de cobre ofrece la posibilidad de

cional, pero se juzga que será difícil continuar incremen-

mejores rendimientos económicos al momento de su

tándolo en razón al razonable deterioro en la calidad del

comercialización, en comparación a los productos tra-

producto final. En las condiciones de operación de las

dicionales. Las pruebas experimentales de laboratorio

pruebas de laboratorio, se observa que la mayor eficien-

demuestran que es factible la obtención de sulfato de

cia de corriente en el proceso de electrolisis se obtiene

cobre pentahidratado mediante oxidación del cemento

con una densidad de corriente de 40 amp/pie2.

de cobre con Nitrato de Amonio y posterior lixiviación ácida convencional. Asimismo, es factible obtener óxido

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

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

cuproso por el proceso de electrolisis a partir de soluciones concentradas de cobre.

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

Las ventajas de los métodos descritos son: simplicidad

ACERCA DEL AUTOR

de operación, bajos costos de operación y rápida cinética de conversión de cobre, permitiendo obtener un sub-

Luís Sánchez Zúñiga es ingeniero metalúrgico. Es investi-

producto de alta calidad física-química y con potenciales

gador en el área del procesamiento de los minerales. Tiene

campos de aplicación.

experiencia laboral en empresas mineras, focalizando su desarrollo profesional en la implementación de procesos

Independiente del producto a fabricar, es conveniente

metalúrgicos y supervisión en plantas concentradoras de

una minuciosa determinación de la calidad de la materia

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

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

Hidrometalurgia del oro y diseño de plantas metalúrgicas.

zas contaminantes, las cuales no permiten alcanzar grado

Es consultor en Investigación Aplicada de los Servicios a la

de pureza del producto final exigido por los clientes con-

Industria Minera de Tecsup.

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 beneficio de minerales de cobre. Anales de la XX Convención de Ingenieros de Minas. Tacna, 1988. 3 Muñiz D., Juan. Alternativas de solución para Cerro Verde. Anales del IV Simposium Nacional de Ingeniería Metalúrgica. Arequipa, 1987.

56 4 Producción de Sulfato de Cobre a partir de Cemento de Cobre. Informe N° 1746 - LMC. Banco Minero del Perú - Laboratorio Central Callao, 1986.

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Implementación de una red de telefonía híbrida de 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-

Asterisk es una plataforma de comunicaciones, diseña-

trales Telefónicas Privadas son utilizadas por las compa-

da como interfase entre diferentes tecnologías de tele-

ñías para, principalmente, manejar sus llamadas tanto

fonía IP y telefonía analógica de manera que la conver-

entrantes como salientes. Las PBX permiten administrar

gencia entre ellas sea consistente. Asterisk es modular,

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

lo que le da la capacidad de manejar desde canales

veinte anexos que utilizan los empleados en una oficina,

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

así como las llamadas internas entre estos anexos.

voz hasta aplicaciones complejas como IVRs con acceso a bases de datos.

Otras funciones son adicionalmente solicitadas a las PBX, tales como transferencia de llamadas, horarios de aten-

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

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

ejecuta sobre Linux, su instalación ocupa apenas unas

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

decenas de Mega Bytes, puede instalarse sobre cualquier

de llamadas; a estas funciones podríamos agregar otras

PC y es altamente configurable.

más de acuerdo a necesidades específicas, tales como: Estas características hacen de esta plataforma, actual• Un Call Center requiere colas de llamadas, grabación

mente, la alternativa perfecta para que muchas empresas

de llamadas, agentes para atención de llamadas y

grandes, medianas o pequeñas puedan acceder a aplica-

marcadores predictivos.

ciones avanzadas como IVRs, correos de voz, grabación de llamadas, salones de conferencia, interacción con ba-

• Un Hotel requiere funciones como last checkout, avi-

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

sos programados, menús interactivos de voz, avisos

niendo la flexibilidad y la compatibilidad con otras PBX,

en múltiples idiomas, etc.

utilizando estándares de comunicaciones y teniendo el control completo del despliegue, la puesta en marcha y

Estas funciones cuando se implementan con PBX tradi-

el mantenimiento de su sistema.

cionales son muy costosas, necesitan hardware y software especializado, el que, además, al ser propietario, aumenta

ABSTRACT

los costos y disminuye la flexibilidad de las implementaciones, obligando al usuario a mantener una sola marca.

In the telecommunications market, the PBX (Privates Box exchange) is used by companies to mainly handle your

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

calls both incoming and outgoing. The PBX allow mana-

que muchas compañías pequeñas o medianas puedan ac-

ge the use for example of 4 telephone lines between 20

ceder a estas PBX, limitando su capacidad de competencia

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

en el mercado al no contar con tecnología de vanguardia.

nal calls between these extension.

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

Additionally, other functions are applied to the PBX, such

Introducción

as transferring calls, hours of operation, call waiting, conference, call relay, voice mail, interactive Voice Response

Las compañías de hoy en día deben afrontar nuevos re-

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

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

cording to specific needs such as:

grar este objetivo deben apoyarse en la tecnología como herramienta que acelere y sostenga su crecimiento. Entre

• A Call Center requires queues calls, call recording, call agents and predictive markers.

las diferentes áreas en las que la tecnología puede servir de apoyo al crecimiento de una compañía están las comunicaciones. Es imprescindible para cualquier empresa

• A hotel requires functions as last checkout, schedu-

que se mantenga comunicada con sus clientes y provee-

led alerts, interactive voice menus, notices in multi-

dores, así como que se mantenga comunicación entre sus

ple languages, etc.

empleados y oficinas remotas y como principal medio de comunicación tenemos la red telefónica.

These functions when implemented with traditional PBX are very expensive, and require specialized hardware and

A pesar de la gran variedad de formas de comunicación

software, which also increases the ownership costs and

que nos provee la tecnología actual como: correo elec-

reduces the flexibility of deployments, forcing the user to

trónico, mensajería instantánea, páginas Web y otras

maintain a brand.

herramientas de colaboración que nos permiten acortar distancias con una gran rapidez y eficiencia; sigue siendo

Asterisk is open source software platform for communi-

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

cations, designed as an interface between different tech-

na empresa puede prescindir; ya que principalmente nos

nologies of IP telephony and analog telephony so that

permite comunicarnos utilizando una tecnología (la red

the convergence between them is consistent. Asterisk is

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

modular, which gives you the ability to manage channels

tenemos acceso.

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

decs to complex applications such as IVRS with access to

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

databases.

de otras formas de comunicarnos, las empresas siguen utilizando la red telefónica tradicional y, por lo tanto, se

These features make this platform, currently, the perfect

siguen implementando aplicaciones para este medio

alternative for many large, medium or small companies

utilizando PBXs. Las aplicaciones más comunes son: res-

can access advanced applications such as IVRS, voice

puesta de voz interactiva, correo de voz, monitoreo de

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

llamadas cola de llamadas, agentes para atenciones de

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

llamadas, salas de conferencia, entre otras.

ched while maintaining the flexibility and compatibility with other PBX, using standard communications, and ta-

El fin principal de este proyecto es implementar una red

king full control of the deployment, implementation and

telefónica privada para una pequeña empresa que a un

maintenance of your system.

costo razonable pueda beneficiarse de las principales aplicaciones que se implementan sobre PBXs propietarias

Palabras Claves

de alto costo, permitiéndole contar con las herramientas tecnológicas para convertirse en una empresa altamente

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

competitiva.

con una PBX, Telefonía Híbrida, CODECS de Voz.

Escenario Inicial Key Words Para iniciar este proyecto nos planteamos el escenario IP Telephony, Telephony with Asterisk, IVR with Asterisk,

de una empresa pequeña promedio que aún no cuenta

IVR with a PBX, Hybrid Telephony, Voice CODECs.

con una PBX, pero que desea implementar una solución que le permita sacar el mejor provecho a los recursos que posee.

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

La empresa cuenta con lo siguiente:

Este escenario planteado se asemeja mucho a los casos reales en empresas que desde pequeñas empiezan a cre-

Área de Gerencia:

cer y podemos identificar principalmente los siguientes problemas:

• Un teléfono analógico atendido por el gerente. • Cuando ingresa una llamada por la línea 1, timbrarán Área de ventas:

al mismo tiempo los teléfonos de gerencia, administración y producción. Esto causará que si un área

• Dos teléfonos analógicos que son atendidos por tres vendedores.

contesta cuando la llamada es para otra área deberán hacerse transferencias de llamadas, lo que reduce la eficiencia del personal. El caso es similar cuado

Área de Compras: • Dos teléfonos analógicos que son atendidos por dos encargados de compras. Área de Administración:

timbra la línea 2. No hay administración de las líneas telefónicas disponibles. • Otro problema es que cuando no se encuentra ninguna persona en el área de ventas o en el área de

• Un teléfono analógico que es atendido por dos personas.

compras las llamadas o se pierden o en muchos casos los encargos dejados a otras personas no son en-

Área de Producción: • Un teléfono analógico atendido por el jefe del área

tregados a tiempo. No hay mecanismos de guardar mensajes en caso de

de producción.

no encontrarse la persona buscada.

Cuenta, además, con dos líneas telefónicas analógi-

• Cuando el gerente se encuentra en su casa debe uti-

cas que se distribuyen de la siguiente forma:

lizar la red telefónica para comunicarse con su compañía y cuando se encuentra de viaje debe utilizar el

• Línea 1: tiene como anexos el teléfono de gerencia, de administración y de producción. • Línea 2: tiene como anexos los teléfonos de ventas y compras. Cuenta con un enlace a Internet speedy de un Mbps.

teléfono del hotel donde está alojado o su teléfono celular. Ambos casos presentan costos elevados de comunicación. La empresa ha crecido por lo tanto sus nuevas necesidades son las siguientes: • Aumentar de dos líneas a cuatro líneas telefónicas. • Aumentar de tres a cuatro el número de vendedores. • Aumentar de dos a tres el número de encargados de compras. • Adquirir una PBX para poder administrar mejor las cuatro líneas. • Solucionar todos los problemas mencionados anteriormente. Nota: Adicionalmente al tener que aumentar su personal

Figura 1. Escenario inicial planteado.

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de ventas y compras sería un costo difícil de cubrir el contratar una persona más para el cargo de recepcionista.

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

Solución Planteada

Servidor de comunicaciones: • Pentium IV 3.0 Ghz

En términos generales la solución planteada sería la siguiente:

• Memoria RAM: 521 KB • Disco Duro: 40 GB

• Instalar una PBX para administrar las cuatro líneas entrantes y los anexos internos.

• 1 tarjeta de red • 1 tarjeta Digium TDM404P

• Configurar un menú utilizando un IVR (respuesta interactiva de voz) en la PBX para atender las llama-

Laptop del gerente:

das automáticamente y redireccionarlas a las áreas o

• Toshiba Satellite Pentium IV

anexos respectivos. • Implementar correo de voz en la PBX para cada anexo, de tal manera que puedan grabarse los mensajes 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 conectarse a Internet. Según lo mencionado debemos adquirir una central telefónica que soporte IVR, correo de voz y un módulo de te-

• Memoria RAM 512 KB. • Ocho teléfonos analógicos • Cuatro ATAs SIP de dos puertos FXS Para implementar esta solución se utilizó el siguiente software: Servidor de comunicaciones: • Sistema Operativo Linux CentOS 4.4 • Asterisk y librerías (ZAPTEL, LibPri) • Servidor de correos Sendmail.

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

desde aproximadamente US$ 6000.00 dependiendo de la

Estaciones de trabajo:

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

• Softphone: X-Lite o SJphone

los casos este precio no incluye los costos de implementación y capacitación. Debemos mencionar adicionalmente que cuando deseamos realizar cambios o ampliar estas capacidades estaremos atados a la marca que hemos adquirido, lo que nos deja sin la posibilidad de elegir entre diferentes posibili-

Laptop del gerente: • Softphone: X-Lite o SJphone Primero se desarrollo el siguiente plan de discado y asignación de teléfonos:

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). • Configurar un menú IVR en el servidor Asterisk. • Implementar el correo de voz en el servidor Asterisk. • Implementar un anexo remoto IP para que el gerente se pueda conectar desde fuera de la empresa.

Tabla 1. Plan de discado

Para implementar esta solución se utilizaron los siguien-

Para aprovechar los teléfonos analógicos existentes uti-

tes equipos de hardware:

lizaremos ATAs (Analog Telephone Attachment) SIP para poder configurarlos como teléfonos IP.

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

Figura 2: Escenario implementado en el proyecto.

El diagrama de la solución implementada se muestra en

Instalación del servicio de correos:

la siguiente gráfica. 2. Instalar un servidor de correos interno utilizando Pasos de Implementación: Servidor de comunicaciones:

Sendmail (viene por defecto en el CentOS 4.4). 3. Configurar 12 usuarios de correo uno por cada usuario en la tabla superior.

1. Instalar el sistema Operativo Linux CentOS 4.4 en la PC seleccionada como servidor de comunicaciones.

Instalación del servicio asterisk 4. Compilar asterisk y las librerías necesarias en el siguiente orden: a. Compilar la librería ZAPTEL b. Compilar la librería LIBPRI c. Compilar Asterisk 5. Configurar la tarjeta analógica Digium TDM404P utilizando el archivo /etc/zaptel.conf, aquí determinamos 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, Figura 3. Tarjeta Digium TDM con 4 FXO instalada en el servidor de comunicaciones.

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asterisk reconocerá estos canales analógicos como canales ZAP.

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

Configurando el correo de voz

realizar las acciones que deseamos sean ejecutadas. (Ver Figura 4)

7. En el archivo /etc/asterisk/voicemail.conf configuramos cuál es nuestro servidor de correos y cuáles son

10. Para configurar los anexos crearemos una extensión

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

para cada uno y utilizaremos la aplicación DIAL para

cuentas tendrán como nombre el mismo número de

marcar cada canal SIP.

anexo.

Adicionalmente se utilizará la aplicación VOICEMAIL

Esta configuración permitirá que cada vez que se

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

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

cuando el usuario no responda, un menú guiará a la

rreo de cada usuario configurado.

persona llamante a dejar un mensaje.

8. Para los anexos configuraremos teléfonos IP con el

11. Configuraremos además una extensión 2020 para

protocolo SIP que se conectarán a los teléfonos ana-

grabar el mensaje que utilizaremos para el IVR. En la

lógicos utilizando los ATAs.

configuración de esta extensión utilizaremos la aplicación ANSWER para que asterisk conteste automá-

La decisión de utilizar todos los anexos como canales

ticamente la llamada y la aplicación RECORD que nos

IP utilizando el protocolo SIP es para uniformizar la

dará la opción de grabar un mensaje.

administración de todos los anexos y además aprovechar los beneficios de la telefonía IP en todos los

Configurando el menú IVR

anexos. 12. Utilizando la extensión 2020 grabaremos el siguiente

La configuración de las cuentas SIP se hacen en el archivo /etc/asterisk/sip.conf aquí configuramos principalmente:

• El número de cuenta SIP que va ser el mismo número del anexo asignado en la tabla 1. • El lenguaje que se utilizará para los mensajes de audio que envía asterisk. • Si el teléfono IP será remoto o no y necesitará utilizar 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/asterisk/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 configurará el menú IVR.

Cada anexo se crea en el plan de discado como un conjunto de líneas que deben ser ejecutadas siguiendo un orden establecido. Aquí observamos la flexibilidad y potencia del servidor de comunicaciones asterisk al permitirnos utilizar aplicaciones para

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mensaje:

“Bienvenidos a MI EMPRESA si desea hablar con ventas marque 1, si desea hablar con compras marque 2, si desea hablar con Administración marque 3, si desea hablar con producción marque 4, si desea hablar con Gerencia marque 5“

13. En el plan de discado crearemos una extensión especial: 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 aplicaciones DIAL y aplicaciones GOTO crearemos un flujo que nos permitirá enviar la llamada al anexo adecuado de acuerdo con la selección del llamante. Estaciones de trabajo: 14. En las estaciones que utilizarán softphones instalaremos X-LITE o SJPhone como teléfonos por software. 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 deberemos configurar la cuenta SIP con la que se logueará al servidor asterisk y la dirección IP pública del router de la empresa.

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

Figura 4. Teléfonos analógicos y servidores de

Figura 5. ATAs con 2 interfaces FXS.

comunicaciones Asterisk.

ATAs: 16. Cada ATA tiene 2 puertos FXS por lo que ahí conectaremos los teléfonos analógicos. En cada ATA se deberá configurar además los datos de 2 cuentas SIP y la dirección del servidor asterisk. (Ver figura 5) 17. Terminada esta configuración conectaremos los teléfonos 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 • Una vez terminada la configuración el servidor asterisk 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, si la persona llamada no está presente dejará

cada usuario y de esta manera el mensaje será escuchado 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 • Es posible el uso de aplicaciones de código abierto y software libre para implementar soluciones profesionales de comunicaciones y aplicarlas a casos reales de empresas en el Perú. • El uso de asterisk como servidor de comunicaciones nos permite integrar la telefonía tradicional y la Telefonía IP de forma transparente a los usuarios y consistente para los administradores de red.

un mensaje de voz. • La ventaja de un plan de discado flexible que nos • Este mensaje será enviado por correo electrónico a

proporciona asterisk hace posible configurar aplicaciones avanzadas como el IVR y el correo de voz sin necesidad de adquirir software o hardware adicional

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Campus Arequipa Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, Perú T: (54)426610 - F: (54)426654 MAIL: principal@tecsup-aqp.edu.pe Campus Lima Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima 43, Perú T: (51)317-3900 - F: (51-1)317-3901 MAIL: informes@tecsup.edu.pe Campus Trujillo: Via de Evitamiento s/n Victor Larco Herrera. Trujillo, Perú T: (44)60-7800 - F: (44)60-7821 MAIL: informestrujillo@tecsup.edu.pe