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Invest Apl Innov 2(2), 2008
Valencia M. – Sistema de control y monitorización industrial por línea telefónica
Sistema de control y monitorización industrial por línea telefónica
Industrial Monitoring and control system by telephone line
Miguel Valencia
Resumen
Gracias a la microelectrónica, hoy en día podemos con-
trolar con mayor eficacia la mayoría de los procesos in-
dustriales, así como monitorear su evolución y supervisar
los resultados obtenidos. Estas tareas normalmente se
realizan en forma local, pero en algunas aplicaciones es
necesario hacerlo remotamente, es decir fuera del am-
biente de producción o alejado del proceso en particular.
Para un acceso remoto al sistema de control se debe usar
algún medio de comunicación que permita transmitir los
comandos u órdenes propios de las tareas de supervisión.
Una opción para efectuarlo es a través de una línea tele-
fónica. En este artículo se describe la implementación de
un sistema que permite realizar dos operaciones: activar
o desactivar dispositivos discretos (on/off ) y la monitori-
zación de los mismos como herramienta de supervisión.
Para su implementación se usó una línea telefónica están-
dar, medio de comunicación del cual se valdrá el sistema
para enviar información de control y recibir información
del estado de los procesos. El envío de información por
línea telefónica se hace gracias a la utilización de señales
de audio frecuencia mediante la codificación DTMF (do-
ble-tono multi-frecuencia). Con cada tecla del teléfono se
genera este tipo de señales, lo cual permitirá codificar y
decodificar cada suceso, ya sea del sistema de seguridad
o del sistema de monitorización y esto se da en ambos
sentidos.
El sistema de control de dispositivos realiza su tarea gra-
cias a un circuito electrónico de adaptación telefónica, el
cual permite accionar diferentes dispositivos como por
ejemplo: encender una bomba de agua, variar la veloci-
dad de un motor o invertir su giro; incrementar o dismi-
nuir la velocidad de un proceso, activar o desactivar alar-
mas, etcétera.
El sistema de monitorización logra la recopilación de
datos usando sensores electrónicos, los cuales trabajan-
do en conjunto con un circuito de muestreo y compara-
ción indican si el proceso está trabajando dentro de los
márgenes previstos o no. Este sistema al estar habilitado
permanentemente, informará al supervisor, vía teléfono,
cuando se presente una emergencia en el proceso de
producción.
Abstract
Thanks to microelectronics nowadays we can control
more effectively most of industrial processes, as well as
monitor their progress and monitor results. These tasks
normally are realized locally but in certain applications,
we need doing that remotely, that means outer of process
environment or far of it. For a remote access to the control
system we must use some media communication, it let
transmits command and orders of supervision tasks. One
option to do that is trough a telephone line. This paper
describes implementation of a system that realizes two
operations; turn on and turn off discrete devices and se-
cond monitors the process as a tool of supervising.
For its implementation we use a standard phone line, a
communication mean which the system uses to send
control information and receive information about state
of process. The sending of information by telephone line
is possible thanks to the using of audio frequency signals
through coding DTMF (Dual-tone multi-frequency). With
each key of phone we generate this kind of signals, it let
us code and decode each event of the process.
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The control system of devices performs its tasks through
an electronic circuit adaptation phone, which will handle
various devices, such as turning on a water pump, vary the
speed of an engine or invest their turn, increase or decrease
the speed of a process, arm and disarm alarms and so on.
The monitoring system manages the collection of data
using electronic sensors, which work together with a cir-
cuit and sampling permitted comparison define whether
the process is working within the range expected or not.
This system when is enabled permanently reports to su-
pervisor by phone when there is an emergency in pro-
duction process.
Palabras claves
Decodificador DTMF (doble-tono multi-frecuencia), mi-
crocontrolador, codificación, voltaje RMS (raíz media cua-
drada), opto - acoplador, circuitos de potencia, CI (circuito
integrado), BCD (decimal codificado en binario).
Key words
Decoder DTMF (dual-tone multi-frequency), microcontro-
ller, codification, voltage RMS (root mean square), opto -
coupler, power circuits, CI (integrated circuit), BCD (binary
coded decimal).
INTRODUCCIÓN
En gran número de empresas es necesario realizar opera-
ciones fuera de horas de trabajo, como son: el encendido
de motores, bombas de agua, habilitar contactores o relés,
revisar el nivel de agua de un tanque, recibir reportes de
procesos fallidos o de ingresos de personal en horas no
programadas, etcétera. Contando con un teléfono celular
e implementando este sistema es posible realizar estas y
muchas otras operaciones.
El uso de una línea telefónica para el codificado de infor-
mación es una alternativa bastante interesante, ya que
toda empresa cuenta con una línea telefónica estándar,
por lo que no es necesario adquirir una adicional para im-
plementar este sistema.
Cuando se entabla una conversación telefónica, ya sea
por teléfono celular o por un teléfono doméstico se pue-
den enviar y recibir los diferentes tonos correspondientes
a cada tecla del teléfono, estos son una combinación de
frecuencias DTMF (doble-tono multi-frecuencia). Si se nos
envían estos tonos, nosotros, mediante un decodificador
los podemos interpretar para luego transformarlos en in-
formación digital, la cual posteriormente se podrá proce-
sar, según nuestras necesidades. En la Tabla 1 se muestran
los doble-tonos utilizados en telefonía que registran los
dígitos y las letras.
Tabla 1. Tabla de frecuencias DTMF.
De manera análoga, si se quiere codificar información
para ser enviada, se tendrán que generar estos tonos de
frecuencia, lo cual se hará con un circuito electrónico de
discado, el cual no es más que un generador de frecuen-
cias que cumple las mismas funciones que un teléfono
doméstico.
El enviar voz acompañando el aviso de un determinado
suceso en el sistema de monitorización no es un proceso
complicado; por el contrario, es sumamente sencillo: para
el grabado de los diferentes mensajes se usará un circui-
to de voz o simplemente una grabadora de CDs, donde
se grabarán las diferentes pistas y gracias a un lectora de
CDs se usarán cuando se les requiera, de acuerdo con el
suceso ocurrido.
Finalmente, si queremos hacer de nuestro sistema un sis-
tema autónomo será necesario que cuente con un circui-
to de detección de timbrado y descolgado automático, el
cual se hará con un microcontrolador que se programará
de acuerdo con nuestras necesidades o requerimientos
del sistema.
PROCEDIMIENTO
Descripción del sistema
En la Figura 1 se observa las tres etapas del proyecto: de
adaptación de línea telefónica, de control y de monitori-
zación; las dos últimas son independientes una de otra en
su funcionamiento; sin embargo, pueden interactuar en
paralelo por medio del adaptador de línea telefónica.
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Figura 1. Diagrama general de bloques.
Figura 2. Diagrama de bloques del adaptador de línea telefónica.
Figura 3. Diagrama de bloques del sistema de control.
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El adaptador de Línea Telefónica, como se aprecia en la
Figura 2, es un circuito que permite convertir las señales
analógicas que se transmiten por una línea telefónica a
formato digital de 5Vpp. La primera de ellas es la señal
de timbrado, la cual es de alto voltaje 90 Vrms aproxima-
damente, y las siguientes son las de tonos de frecuencia
con amplitudes de 23 a 30 Vrms aproximadamente. Esto
se logra gracias a un circuito optoacoplador, que reduce
la amplitud de dichas señales, además de convertirlas a
señales cuadradas, las cuales se considerarán formato di-
gital previa adaptación.
El sistema de control, mostrado en la Figura 3, consta de
una serie de circuitos electrónicos que se detallan a con-
tinuación:
• Circuito de descolgado, que tiene la función de con-
testar automáticamente las llamadas telefónicas, y
se realizará después de un número determinado de
intentos, además de contar con un código de valida-
ción para evitar el acceso de intrusos en el sistema.
• Decodificador DTMF, que tiene la función de convertir
los tonos de timbrado a valores binarios comprensi-
bles por el microprocesador.
• Microprocesador y memoria, que enviará las órde-
nes para las diferentes operaciones a realizar, según
el tono de timbrado recibido que, previamente, fue
decodificado a binario.
• Circuitos de potencia, que tienen la función de lograr
la interfaz entre los dispositivos electromecánicos con
el control digital que generará el microprocesador.
El Sistema de Monitorización, mostrado en la Figura 4,
consta de una serie de circuitos electrónicos que se deta-
llan a continuación:
• Sensores electrónicos, que trabajando conjuntamen-
te con un circuito de muestreo y comparación, per-
mitirán definir si el proceso está trabajando dentro
de los márgenes previstos o si no lo está haciendo.
• Microprocesador y memoria, que generarán los tonos
telefónicos requeridos en formato digital, los cuales
formarán un número donde se enviará el reporte de
monitorización y el microprocesador activará adicio-
nalmente el circuito de voz.
• Circuito de discado, que recibirá los tonos telefónicos
en formato digital que fueron generados por el mi-
croprocesador para convertirlos a señal analógica, así
la información podrá ser transmitida en banda base
por la línea telefónica.
• Circuito de voz, con el cual se podrán enviar los di-
ferentes mensajes de voz para los sucesos ocurridos,
y que también será controlado por el microprocesa-
dor, el cual programará la pista de voz necesaria. Las
pistas de voz están grabadas en un CD, por ello será
necesario el uso de una lectora de CD para su repro-
ducción, la cual también será activada y controlada
por el microprocesador.
Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de monitorización.
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RESULTADOS
Los resultados de este proyecto se ven en función de los
circuitos y placas electrónicas de la implementación, de-
bido a que el sistema se estableció como módulo educati-
vo que se usará dentro de los laboratorios de electrónica.
Para el diseño del módulo se tomaron las consideraciones
del caso, como son: un dimensionamiento adecuado para
su maniobrabilidad; fácil acceso a los componentes, ya sea
para su reemplazo como para hacer mediciones de for-
ma sencilla y rápida de las diferentes etapas; indicadores
visuales por cada señal; modularidad en los dispositivos
utilizados; cableado externo adicional en caso se quiera
rectificar o variar el funcionamiento; entre otros aspectos.
Circuito de fuente de alimentación
Circuito diseñado para proporcionar voltajes DC de 5 y
12 voltios. Su funcionamiento se basa en el uso de regu-
ladores encapsulados de voltaje de la familia CI 78XX y
condensadores tanto electrolíticos como cerámicos para
filtrar el potencial ruido o picos de corriente o voltaje que
se generen en el transformador de alimentación con nú-
cleo de ferrita.
Figura 5. Circuito de fuente de alimentación.
Circuito adaptador de línea telefónica
Como se observa en la figura 6, gracias al optoacoplador
4N35 y al transistor NPN BC547 convertimos las señales
de timbrado analógico superiores a los 50 Vpp a señales
en formato digital de 5Vpp, las cuales serán utilizadas por
el microcontrolador del sistema de descolgado.
Figura 7. Microcontrolador del sistema de descolgado.
Figura 6. Circuito adaptador de línea telefónica.
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Microcontrolador del sistema de descolgado
El microcontrolador usado es un PIC de la familia 16F84X
marca Microchip cuyo circuito se muestra en la Figura 7.
La configuración presentada es una configuración típica
utilizando el Puerto A (PortA) como estradas de señal y el
Puerto B (PortB) como salidas de control.
Circuito grabador del microcontrolador PIC
16f84a
El grabado del microcontrolador se hizo gracias al graba-
dor experimental JDM por puerto COM1 (Conector DB9)
usando la interfaz de comunicaciones RS232, como se ve
en la Figura 8 y el software de programación ICProg.
Microprocesador y memoria
Esta etapa esta delegada a un microprocesador similar al
usado en el sistema de descolgado, se usa la misma con-
figuración, lo que varía de uno a otro módulo son los pro-
gramas grabados en cada uno de ellos.
Circuito de descolgado telefónico
El descolgado de la línea telefónica se hace con dos relés
normalmente cerrados, como muestra en la Figura 9, los
cuales son habilitados gracias a una señal digital generada
por el microcontrolador de descolgado y un transistor NPN
BC547 encargado de la polarización de la bobina del relé.
Decodificador DTMF
El circuito mostrado en la Figura 10 usa un CI decodificador
DTMF MT8870 en una configuración típica los tonos ana-
lógicos de timbrado telefónico se convertirán en señales
BCD (Binary coded decimal-decimal codificado en binario),
las cuales serán procesadas por el microprocesador.
Relés activadores de Circuitos de potencia
Los circuitos de potencia no son más que cargas eléctri-
cas como motores, bombas de agua o incluso un brazo
robotizado, las cuales son activadas con el accionamien-
Figura 8. Circuito grabador del microcontrolador PIC 16F84A.
Figura 9. Circuito de descolgado telefónico.
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to de relés,como se ve en la Figura 11. La configuración
usada en esta etapa es de relés normalmente cerrados o
abiertos según sean los requerimientos de las cargas y su
número variará en función de las cargas que se deseen
controlar.
Discusión de resultados
Antes de implementar este proyecto, en su proceso de
formulación, se vio que debía de ser cuantificado según
las innovaciones y mejoras que brindará a la industria; es
por ello, que luego de su implementación y el análisis de
su funcionamiento, se clasificaron las mismas en dos aé-
reas, en el área tecnológica y en el área de en servicios.
Innovaciones y mejoras Tecnológicas
• El usar una línea telefónica estándar para un servicio
adicional que no sea el de llamadas telefónicas o ser-
vicio de Internet es un gran aporte, pocas empresas
hacen uso de este beneficio, algunas de ellas lo ha-
cen para servicios de telemetría o similares, pero las
empresas que brindan estos servicios cobran men-
sualidades por mantenimiento, además de requerir
una línea dedicada para su servicio.
• El poder controlar un proceso complejo, o simple-
mente el encender motores, apagar o invertir su giro
mediante un circuito operado desde un teléfono es
una idea innovadora, con este diseño se puede lo-
grar un control interactivo.
• El uso de microprocesadores en el diseño de pro-
yectos industriales nos lleva un paso adelante en
la tecnología, ya que al disminuir el tamaño de los
circuitos y la complejidad de sus diseños permite la
modificación de las funciones iniciales, gracias a que
se pueden reprogramar, por ello no será necesario
hacer cambios en la estructura física del circuito.
Innovaciones y mejoras en servicios
• El usar la línea telefónica para un sistema de control y
monitorización es sumamente económico, ya que no
Figura 10. Decodificador DTMF.
Figura 11. Relés activadores de circuitos de potencia.
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• El usar una línea telefónica requiere de un análisis
minucioso de las señales analógicas que son transmi-
tidas por la línea telefónica, el cual nos servirá como
fundamento y base para luego poder llevarlas a for-
mato digital, si bien es cierto las líneas telefónicas
están estandarizadas en sus frecuencias de sus tonos
y valores de amplitud, siempre es necesario verificar
estas aseveraciones, lo cual se puede hacer con un
osciloscopio, un frecuencímetro o multímetro.
• Este sistema al no ser muy complejo puede presentar
variaciones y mejoras en un futuro, las bases para un
diseño más complejo están sentadas. El incrementar
las prestaciones de este sistema tan sólo depende-
rá de los periféricos y componentes adicionales que
se utilicen, ya que ellos determinaran la cantidad de
componentes que se pueden controlar o la cantidad
de sensores para la detección de movimiento u otros
sucesos o, incluso el control de otros dispositivos.
REFERENCIAS
[1] GTZ (Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenar-
beit). Electronics Course III - Modules in Micro-electronics.
Heinz-Piest-Institud für Handwerkstechnik at the University
of Hannover, Alemania; 1996.
[2] Huidobro Moya, José Manuel. Manual de Telecomunicacio-
nes. RA-MA Editorial, Madrid, España; 2004.
[3] Rogers, Everett M., Larsen, Judith K. La Fiebre del ”Silicon Va-
lley”. Editorial Reverté S.A., Barcelona; 1986.
[4] Tomasi, Wayne. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas
cuarta edición. Pearson Educación, México; 2003.
[5] Kong, Maynard, Lenguaje Ensamblador Macro Assembler
primera edición. Fondo Editorial de la Pontificia Universidad
Católica del Perú, Lima, Perú; 1989.
ACERCA DEL AUTOR
Miguel Valencia, es ingeniero electrónico
y miembro de Cisco Networking Acade-
my. Con especialización en Telecomuni-
caciones. Ganador del primer concurso de
tecnología de Tecsup Arequipa. Ha focali-
zado sus áreas de interés en Telecomuni-
caciones y Redes.
se tendrá que pagar montos adicionales como suce-
de con empresas que brindan servicios similares, tan
sólo se tendrá que adquirir el sistema e instalarlo.
• Este proyecto sienta las bases para más adelante
poder implementar una central de servicios de tele-
metría por línea telefónica. Es cierto que el diseño se
complicaría sustancialmente, pero se puede lograr
con la tecnología adecuada.
• En la actualidad Los sistemas de monitorización
tienden al uso de cámaras para poder observar los
sucesos en tiempo real, lo cual es usual implementar
a través de Internet. Este proyecto serviría como un
pequeño bloque en un sistema de estas característi-
cas, ya que siempre se necesitará un sistema de so-
porte para que brinde la señal de alerta inicial. Esto
es factible ya que las líneas telefónicas actuales so-
portan teléfono e Internet.
CONCLUSIONES
• Siempre que se trabaje con sistemas que necesiten
procesamiento de datos, ya sea para almacenamien-
to y/o envío, es recomendable trabajarlos en formato
digital; por ejemplo, si la información que nos llega
esta en formato analógico será necesario convertirla
a formato digital; análogamente si se requieren ge-
nerar señales analógicas primero se generarán en
formato digital y luego se convertirán a sus equiva-
lentes analógicas.
• El implementar un sistema de control para disposi-
tivos tanto electrónicos y/o mecánicos, requiere de
una interfaz que permita convertir las señales de
mando digitales a señales eléctricas o mecánicas,
pues las señales digitales son muy fáciles de proce-
sar y almacenar, pero no son muy útiles para el con-
trol industrial, por ello se hace indispensable el uso
de etapas de adaptación.
• El implementar un sistema de monitorización de
estas características y prestaciones requiere de un
fundamento en electrónica tanto analógica como
digital y telefonía bastante amplia; para implemen-
tar cada uno de los circuitos es necesario hacer bas-
tantes pruebas y mediciones, que permitirán ubicar
errores en los diseños o incluso ruido generado por
la mala soldadura de los circuitos impresos o la cali-
dad de los componentes.
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