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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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