sábado, 31 de julio de 2021
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Alumbrado público II, posibilidades, ventajas e inconvenientes de cada tecnología

Reproducción parcial del “Manual de Alumbrado Público”, Parte II. Fuente: Smart Tech Cluster, España.

Grado 2, Alumbrado con sistemas de ahorro energético

La utilización de un grado 2, tiene como principal objetivo el obtener un ahorro energético mediante la adaptación del consumo a las necesidades lumínicas de la instalación durante sus horas de funcionamiento.
 
Un alumbrado con sistema de ahorro energético es aquel que permite ajustar el nivel de luminosidad en el alumbrado público durante unas franjas horarias, racionalizando el consumo eléctrico durante los horarios de reducción de las necesidades lumínicas y consiguiendo un importante ahorro en los costes de la energía eléctrica.
 
Los sistemas de ahorro reducen, en un determinado período nocturno, la potencia que consume el punto de luz y consecuentemente el nivel de iluminación en instalaciones en las que una disminución de la actividad o las características de utilización así lo justifiquen.
Este grado es válido para cualquier tipo de lámpara que permita una cierta reducción de la tensión o potencia de alimentación sin que se produzca el apagado o mal funcionamiento de esta, por lo que la capacidad de ahorro de estos sistemas dependerá del tipo de lámpara usado y la potencia de estas, siendo las lámparas LED las que mayor porcentaje de ahorro permiten y las de halogenuros metálicos las que menos.
Esta reducción de la tensión o potencia se puede realizar desde el centro de mando y afectar a toda la instalación o realizarse localmente en cada punto de luz.
Normalmente todos estos sistemas, además de reducir la tensión o potencia, también disponen de una función de estabilización para corregir los sobre consumos que originan las tensiones superiores a la nominal.
Para el correcto control del sistema y de los ahorros obtenidos, debe estar instalado un sistema de telegestión basado en la unidad de control del Centro de Mando.
 
Alumbrado con reguladores estabilizadores de flujo
 
Un alumbrado con reguladores y/o estabilizadores de flujo son aquellos que, mediante la variación de la tensión de la línea eléctrica desde el centro de mando, permitirán poder adaptar el nivel lumínico a las necesidades del alumbrado, consiguiendo un ahorro energético.
 
Ejemplo de ciclo de los diferentes niveles de tensión en un regulador de flujo. Fuente: AFEISA
 
Un sistema de alumbrado con reguladores o estabilizadores de flujo, consta de los siguientes componentes:
- Centro de mando
 
Un regulador y/o estabilizador de flujo en el centro de mando, que variará la tensión de la línea eléctrica en función de las órdenes recibidas y mantiene esta tensión estabilizada en todo momento.
 
Un reloj astronómico o equipo de telegestión que da las órdenes de encendido y reducción lumínica al regulador o estabilizador de flujo.
 
El mantenimiento y reprogramación de los reguladores de flujo, se realizará en el centro de mando.
 
- Punto de luz
 
Los reguladores y/o estabilizadores de flujo se utilizan habitualmente con lámparas de descarga y especialmente con las de vapor de sodio. Esto es debido a que se utilizan con reactancias magnéticas que ajustan la tensión de entrada a la salida. En la tecnología LED también se puede utilizar, siempre que el driver LED disponga de la opción de regulación por cabecera.
Este tipo de sistemas aún se encuentran instalados en multitud de alumbrados públicos, pero en la actualidad, las nuevas instalaciones se suelen realizar con alumbrados que incorporan sistemas de ahorro por punto de luz asociados al Driver LED.
 
Equipo de telegestión
 
El regulador estabilizador de flujo, puede ir accionado por un reloj astronómico o por un equipo de telegestión. Además de sus funciones de equipo de telemando explicadas en apartados anteriores, dispone de funciones adicionales orientadas a garantizar la gestión de la eficiencia energética. Ejemplo de ello son:
 
Registro de parámetros eléctricos y consumos energéticos
Los equipos de telegestión realizan el registro de medidas de forma periódica, desde el encendido del alumbrado hasta su apagado, siendo el periodo de registro de 15 minutos el más habitual.
 
Los principales parámetros eléctricos que se registran por cada fase, son los contadores de energía activa y reactiva trifásica, tensión, corriente, potencia activa, potencia reactiva y factor de potencia.
 
Media mensual del consumo de varios centros de mando Fuente: AFEISA
 
También es de interés disponer de contadores de horas de funcionamiento para cada una de las salidas a relé para el mando: astronómico del alumbrado, del sistema de ahorro y de otros circuitos de maniobras.
 
Control de alarmas
El equipo de telegestión podrá detectar alarmas generadas por la lectura de los parámetros eléctricos como consignas de máximos y mínimos de los parámetros eléctricos y/o estados de funcionamiento de las lámparas, entre otros. También deberá controlar entradas de alarma a partir del cambio de estado de funcionamiento de diferenciales, contactores, conmutador manual, control de puerta, etc.
 
Registro de otros parámetros
El equipo de telegestión podrá leer otros sensores como el aislamiento eléctrico de la instalación, sondas ambientales, temperatura, ruido, etc.
 
Alumbrado con sistema de ahorro por puntos de luz
 
El sistema de ahorro por punto de luz, permite definir los diferentes niveles lumínicos que tendrá el alumbrado durante la noche, consiguiendo un notable ahorro energético durante las horas de menor nivel lumínico.
 
Imagen ejemplo de los diferentes niveles nocturnos programados en un control por punto de luz. Fuente: Vossloh
 
Un sistema de control por punto de luz consta de los siguientes componentes:
  • Un reloj astronómico o equipo de telegestión en el cuadro eléctrico, que realizará el control del encendido horario a los dispositivos de control instalados en cada luminaria.
  • Un dispositivo de control instalado en cada luminaria que permite ser programado y reprogramado posteriormente, con el nivel lumínico de encendido y sus diferentes niveles lumínicos durante la noche.
Inicialmente el dispositivo de control debe ser programado con la situación horaria en la que será instalado para poder aplicar las variaciones horarias producidas durante la noche debido a sus necesidades lumínicas.
El dispositivo de control puede estar integrado en el propio driver.
Se recomienda que este dispositivo disponga de la opción de lectura del programa actual, para poder comprobar la programación a posteriori y para copiar/pegar el programa de un dispositivo a otro.
 
• Un driver de corriente constante en cada luminaria, para poder actuar sobre los módulos LED. El driver debe tener comunicación (DALI o 1-10V) para comunicar con el dispositivo de control.
 
La gran ventaja de este sistema es que el dispositivo de control no requiere de complejas puestas en marcha y el fabricante del alumbrado ya envía el alumbrado con el dispositivo de control programado según las especificaciones de cada proyecto de alumbrado. Además, cualquier modificación sobre el nivel de encendido o niveles lumínico-nocturnos se pueden reprogramar fácilmente desde el cuadro eléctrico o de manera remota si se dispone de sistema de telegestión.
 
La comunicación para la reprogramación de los diferentes dispositivos de control desde el cuadro eléctrico se realiza mediante la línea eléctrica (PLC: Power Line Communication). Es una comunicación PLC unidireccional que no dispone de límite de dispositivos a comunicar ni distancias máximas, mientras llegue la línea eléctrica existe comunicación y se puede reprogramar. La reprogramación se realizará aguas abajo de cada contactor del cuadro eléctrico. En el caso de querer reconfigurar solo una parte del alumbrado, se deberán dejar abiertos aquellos contactores que actúen sobre las luminarias que no queremos reconfigurar.
 
En un sistema de ahorro por punto de luz, la comunicación mediante la línea eléctrica entre el cuadro eléctrico y los dispositivos de control de cada luminaria es unidireccional, emitiendo la secuencia de configuración desde el centro de mando y dejando los dispositivos de control reprogramados para que actúen sobre cada una de las luminarias.
 
El dispositivo de control puede ser externo y compatible con los diferentes drivers, al utilizar protocolos de regulación, o estar integrados en el propio driver.
 
Protocolos de regulación
 
Para controlar los drivers hay dos protocolos de regulación ampliamente extendidos DALI y 1-10V. El primero de ellos, DALI es una señal digital bidireccional e identificada capaz de comunicar diferentes elementos de iluminación, unidos por un simple bus de datos (dos hilos), y poder formar grupos independientes de un modo lógico (a través de software).
 
Respuesta a las consignas DALI
Fuente: Elaboración propia.
 
Para controlar y poder parametrizar las luminarias DALI, deberemos instalar un elemento de control que lo permita. Generalmente estos dispositivos pueden gestionar hasta 64 drivers (64 luminarias independientes).
Por otro lado, el sistema 1-10V permite la regulación del flujo luminoso, entre alrededor del 10 y el 100%, mediante una señal analógica que llega a los equipos a través de una línea de control adicional de dos hilos desde el centro de mando o el dispositivo de control de la luminaria. Estos hilos de control poseen una polaridad positiva y negativa respectivamente que hay que respetar a la hora de realizar el cableado.
La señal analógica tiene un valor de tensión continua entre 1V y 10V, obteniéndose el nivel mínimo de luz con 1V o cortocircuitando la entrada de control del equipo, y el máximo nivel de luz con 10 V o dejando la entrada de control en circuito abierto.
 
Consigna 1 a 10V
Fuente: Elaboración propia.
 
Mediante la línea de control solo se puede realizar la regulación del flujo luminoso, el encendido y el apagado de la luz, que puede tener lugar en cualquier momento de la regulación, se realiza mediante un interruptor colocado en la línea de alimentación del equipo. Ambas líneas, la de control y la de alimentación, se encuentran separadas eléctricamente entre sí.
Cuando la línea de control proviene desde el centro de mando, la longitud de su cableado está limitada por la caída de tensión que se produce a lo largo de la misma, por tanto, la máxima distancia está limitada por el número de equipos a controlar conectados. Estos últimos fijan la corriente por la línea y la sección del cable usado.
 
Equipo de telegestión para punto de luz
La incorporación de un equipo de telegestión a un alumbrado con sistema de ahorro con punto de luz debe de permitir, además de las funciones descritas anteriormente para la gestión de la eficiencia energética, facilitar el control del funcionamiento del sistema de ahorro.
Por ejemplo, el control del estado de las luminarias se puede realizar mediante la medición del consumo eléctrico en el centro de mando. En el caso de tener consumos inferiores a los preestablecidos, el equipo de telegestión instalado en el centro de mando permite dar avisos a los servicios de mantenimiento.
Otra cuestión importante es que incorpore la función de reprogramación mediante la línea eléctrica, para poder realizar la reprogramación de los puntos de luz a distancia y sin necesidad de desplazarse al Centro de Mando.
 
Grado 3, Sistema de Telegestión
El grado 3 implica la instalación e integración de los equipos de control y ahorro necesarios para el control global del funcionamiento de las instalaciones de alumbrado, incluyendo la posibilidad de comunicación con otros elementos como los relés de protección diferencial o los contadores de energía de las compañías.
Para obtener el mejor funcionamiento de la instalación y ahorro energético, el control y actuación puede llegar a realizarse para cada una de las líneas de salida, llegando a poder controlar hasta cada punto de luz de forma individual.
Este tipo de control es el que puede generar un máximo ahorro y optimización de la instalación, al integrar en una plataforma de telegestión, los equipos de control de los diferentes grados.
 
Sistema de telegestión de centros de mando
Los sistemas de telegestión que gestionan las unidades de control comentadas anteriormente deben estar diseñados para administrar de forma escalable desde pequeños a grandes proyectos que requieran de una gestión continuada de estas instalaciones eléctricas alumbrado público.
Estos sistemas deben disponer información detallada de las instalaciones y herramientas para la gestión de estas, los datos registrados por los equipos de telemando o de telegestión son tratados y transformados en información práctica de los principales parámetros de funcionamiento de la instalación.
La información debe aparecer de forma ordenada y simplificada, para facilitar la toma de decisiones, ya que estas decisiones aportan un alto grado de fiabilidad en las medidas tomadas y la comprobación posterior de los resultados obtenidos.
 
Visualización del tipo de alarmas e incidencias registradas Fuente: AFEISA
 
Una de las ventajas de esta gestión continuada, es que nos permite visualizar y monitorear permanentemente aspectos fundamentales de la instalación, como los eventos de funcionamiento, las variables de los parámetros eléctricos, los consumos energéticos, así como las alarmas que suceden en las instalaciones. De esta manera podemos detectar anomalías en el funcionamiento, verificar sus efectos y actuar de forma inmediata.
Con tal de facilitar la gestión y simplificar la supervisión del estado de las instalaciones estos sistemas deben aportar resúmenes del funcionamiento diario y evolutivo de las instalaciones.
A través de estos informes nos van a permitir la identificación de oportunidades de mejora que nos ayudarán a determinar qué acciones de gestión son las más precisas para mejorar el rendimiento de la instalación.
La capacidad de estos sistemas en apoyarse en planos cartográficos permite la localización de las instalaciones a partir de unos mapas interactivos, por lo que con una simple visualización nos permite la localización geográfica de las instalaciones, facilitando la supervisión de su estado y el mantenimiento de las instalaciones.
Para la gestión de la eficiencia energética dispone de herramientas para el análisis con múltiples formatos de filtrado y representación gráfica de contadores de energía, activa y reactiva, así como el análisis cuarto horario de los parámetros eléctricos.
También el sistema de telegestión va a controlar el correcto funcionamiento de las maniobras programadas en el calendario de los diferentes centros de mando.
El sistema debe permitir el forzado de los circuitos para poder encender o apagar una instalación, así como actuar en el sistema de ahorro; el accionamiento de alumbrados especiales como proyectores de playa o monumentos, actuar sobre ellos.
Pero es muy importante que los equipos de telemando o telegestión deben ser autónomos, es decir, que ante pérdidas de comunicación con el sistema de telegestión, siempre efectuarán las programaciones de encendidos y apagados que tenga programadas.
 
Comunicación con los centros de mando
La información de los equipos de telegestión que controlan cada uno de los centros de mando se debe centralizar, almacenar y gestionar en una plataforma de telegestión. Esta información se puede transmitir básicamente de dos maneras: de forma cableada o por radio frecuencia.
Actualmente la forma más habitual de comunicación cableada es una red LAN de fibra óptica, con los consecuentes costes de infraestructura y de mantenimiento de la misma. También existen redes de cable de par trenzado, aunque su alcance normalmente es menor.
Entre las redes de radiofrecuencia, inicialmente las más utilizadas era crear una red propia de radio módems, pero los costes de este tipo infraestructura y la necesidad de mantenerla, obligó a buscar otras alternativas.
La utilización de las redes M2M de las operadoras de telefonía, es la opción más utilizada para la comunicación con los equipos de telegestión del centro de mando. Su principal ventaja es utilizar una red existente, que mantiene y actualiza la operadora, junto a que permite el envío de los datos directamente a una plataforma en la nube. Lo que implica que hay que pagar un coste mensual a la operadora, aunque la limitada cantidad de datos transmitidos y la cantidad de centros de mando de una ciudad hace que sus costes sean asumibles.
 
Modem M2M para la comunicación de equipos de telegestión. Fuente: AFEISA
 
Existen otras alternativas de comunicación por radiofrecuencia que veremos con más detalle en el apartado de Tecnologías inalámbricas.
Para asegurar la transmisión de datos y garantizar que estos se encuentran a salvo de usos fraudulentos, es aconsejable usar una conexión sobre una red que incorpore mecanismos para realizar una conexión segura y ofrecer garantías de que los datos son empleados exclusivamente por la aplicación en cuestión de una manera securizada.
 
Plataformas de telegestión de centros de mando
Existen diferentes plataformas que permiten la gestión del alumbrado y que en mayor o menor medida son abiertas e interoperables. Como ya comentaremos en el punto de Interoperabilidad, es aconsejable que el sistema que se utilice sea integrable en plataformas horizontales de Smart City e interoperable con otras soluciones que disponga la ciudad.
Otras cuestiones fundamentales son la facilidad de: acceso, incorporación de actualizaciones y el mantenimiento; lo que depende en gran medida del tipo de plataforma que dispongamos.
Existen básicamente dos maneras de alojar y acceder a las plataformas para la gestión del alumbrado, esta puede estar alojada en un proveedor de servicios en la nube o alojada en un servidor local que puede ser del propio cliente.
 
En el caso del servidor local, la primera diferencia es que la puesta en servicio es mucho más compleja y requiere de la colaboración de los servicios informáticos del propio ayuntamiento o cliente final. Además, al depender de estos, en caso de un fallo del servidor, el sistema no funcionará. Para la administración de la aplicación y las actualizaciones del software se deberán coordinar entre usuario y proveedor de la aplicación. Todos los datos permanecen en las instalaciones del usuario y es este el responsable de realizar las copias de seguridad de datos y la gestión de la seguridad. El usuario generalmente paga el coste del software una única vez, más el coste adicional por la integración de la infraestructura de hardware y del software en el servidor. Además, los servicios de soporte (por ejemplo, servicio de asistencia) y las actualizaciones de software tienen unos costes adicionales.
 
En el caso de un proveedor de servicios en la nube, el acceso a la aplicación se realiza a través de sesiones de usuario encriptadas usando una conexión segura (https). La administración de la aplicación (actualizaciones, seguridad, etc.) la realiza el proveedor del sistema de telegestión. El cliente entra al software a través de su perfil donde dispone de usuario y contraseña. Además, dependiendo del aplicativo, existirán diferentes tipos de roles o perfiles: técnico, administrador, visualizador, etc. Asimismo, se debe disponer de accesos mediante autenticación, para evitar que personas o dispositivos ajenos puedan acceder a la red.
 
Fuente: AFEISA
 
Es aconsejable que los sistemas que se implanten sean sostenibles en el tiempo, por lo que disponer de un servicio de Software as Service (SaaS) es recomendable, ya que facilita la actualización del software, bugs, mejoras en el sistema, etc. Las actualizaciones de software hacen que los sistemas sean siempre robustos y se evite la entrada de futuros hackers.
Estas plataformas de acceso en la nube, normalmente implica una tarifa de servicio y se enmarca dentro de un contrato de SaaS (Software as a Service).
 
Principales funciones de un sistema de telegestión
 
Registro de parámetros eléctricos y consumos energéticos
El control de consumos desde el cuadro de alumbrado, está ampliamente extendido y tiene sentido tanto para el mantenedor/instalador como para el propio ayuntamiento para la gestión energética de su instalación.
Los principales parámetros eléctricos que se registran pueden ser por cada fase de: contadores de energía activa y reactiva trifásica, tensión, corriente, potencia activa, potencia reactiva y factor de potencia.
También es de interés disponer de contadores de horas de funcionamiento para cada una de las salidas a relé para el mando: astronómico del alumbrado, del sistema de ahorro y de otros circuitos de maniobras.
 
Control de alarmas
Los equipos de telemando o telegestión podrán detectar alarmas generadas por la lectura de los parámetros eléctricos: consignas de máximos y mínimos de los parámetros eléctricos, estados de funcionamiento de las lámparas, etc.
También deberá controlar entradas de alarma a partir del cambio de estado de funcionamiento de diferenciales, contactores, conmutador manual, control de puerta, etc.
 
Registro de otros parámetros
Las unidades de telegestión podrán leer otros sensores como el aislamiento eléctrico de la instalación, sondas ambientales, temperatura, ruido y otras....
 
Comunicación con la unidad de control
La comunicación debe de ser on-line, recibiendo el sistema las alarmas prioritarias en tiempo real. El resto de las alarmas y eventos, sí se pueden descargar de forma periódica, por ejemplo, una vez al día.
Es también fundamental que el equipo de telemando o telegestión, disponga de la posibilidad de enviar una alarma al sistema de que no hay tensión en el centro de mando, puesto que frente a una falta de comunicación con los equipos hay que poder diferenciar si es por falta de tensión en el cuadro, alarma prioritaria, o es un problema de comunicación.
 
Otras funciones y sistemas de telegestión
 
Sistemas de control de accionamiento a partir de la iluminación natural ambiente
Existen sistemas que condicionan el control del accionamiento de los centros de mando con telegestión, a partir de la supervisión on-line del nivel de iluminación ambiente de una ciudad o área. Lo que permite actuar de forma automática en situaciones críticas o especiales, en que los fenómenos meteorológicos pueden afectar al nivel de iluminación de luz natural de las diferentes calles de una ciudad y hacer necesaria la utilización del alumbrado artificial.
Este tipo de solución trabaja de forma similar a una fotocélula, pero utilizando sondas luxométricas de alta precisión donde detecta un nivel de iluminancia y este envía una orden al sistema de telegestión para que este fuerce el encendido o apagado del alumbrado de todos los cuadros de alumbrado asignados. En caso de no recibir ninguna orden, el equipo de telegestión del centro de mando realiza los encendidos y apagados programados astronómicamente.
 
 
Medida del nivel de iluminancia en lux a la salida y puesta del sol. Fuente AFEISA
 
De la misma forma, si las condiciones meteorológicas son favorables, se envía órdenes al sistema de telegestión para retrasar la hora de encendido o adelantar la hora de apagado de los cuadros de alumbrado correspondientes.
Normalmente estas soluciones permiten definir diferentes zonas con distintos niveles de actuación por lo que pueden actuar en zonas que sea necesario ajustar la iluminación artificial si los niveles de luz ambiental disminuyen o aumentan.
 
Regulación del flujo luminoso dependiendo del tráfico
La gestión de la iluminación según el tráfico son soluciones para carreteras con un volumen de circulación fluctuante. Estos sistemas regulan la intensidad luminosa a partir estadísticas obtenidas por el contaje del aforo de la vía a través diferentes técnicas como radares, visión artificial, aforo neumático y otros.
Esta información es tratada en el sistema de telegestión y actúa según la parametrización de los datos obtenidos.
 
Telegestión bidireccional puntos de luz
La diferencia entre los sistemas de ahorro en los puntos de luz comentada en el grado 2 y los sistemas de telegestión del punto de luz es la comunicación bidireccional con la luminaria.
Las soluciones de control de la iluminación bidireccionales nos permiten la conectividad con la luminaria con lo que dispondrá de un control total sobre el funcionamiento y los principales parámetros eléctricos de la luminaria como corriente, tensión y potencia consumida, así como alarmas de funcionamiento en el caso de que se produzcan, y que nos permiten gestionar de forma eficiente la iluminación de las instalaciones de alumbrado exterior
Además la posibilidad de comunicarnos con el driver a través de los principales estándares de comunicación DALI y 1-10V permite también incorporar funciones de ahorro y disponer de un control total sobre la atenuación de la iluminación.
Además, hay que tener en cuenta que la cada vez más creciente demanda de sistemas de telegestión hace que las economías de escala se apliquen a estos productos y por lo tanto los precios de estos equipos tecnológicos bajen. Las principales diferencias entre los diferentes sistemas de telegestión del punto de luz son consecuencia de la tecnología utilizada para comunicarse con el punto de luz. Las tecnologías de comunicación que existen actualmente se detallan a continuación.
 
Telegestión punto de luz por PLC
 
Telegestión a través del cable (Power Line Communication), es decir utilizando los circuitos de alimentación de las luminarias, para comunicarnos bidireccionalmente mediante una onda portadora.
Los sistemas PLC (Power Line Control) tienen la ventaja que, al ser la transmisión de la información por el propio cable, la luminaria no debe ser modificada para realizar dicha comunicación.
 
Fuente: Sinapse
 
Entre los puntos fuertes podemos destacar:
  • Aprovechamiento de la propia red.
  • Ofrece una rápida respuesta con líneas nuevas.
  • Inmune a interferencias Radio.
  • Menor afectación de inhibidores.
  • Instalación del módulo de comunicación por portadora en el centro de mando lo que facilita su mantenimiento.
  • No es necesario incorporar y mantener infraestructura adicional a la de los centros de mando.
Entre las principales debilidades destacar:
  • Requiere instalar elementos accesorios como filtros que hay que mantener.
  • Equipos más costosos pues son equipos conectados a mucha carga.
  • Sensibilidad a los ruidos Electromagnéticos provocados en la ciudad (maquinas, tranvías, iluminación pública).
  • Emparejamientos y diafonías cable a cable (variable según el estado del cable).
  • Limitación en banda de onda portadora.
 
Telegestión punto de luz por RF
Telegestión a través de Ondas (Radio Frequency), es decir utilizando determinadas frecuencias de radio e instalando una red de comunicaciones propia, por encima de la red eléctrica.
Los beneficios de la conectividad inalámbrica entre otros son el ahorro en cableado, la flexibilidad a la hora de desplegar e instalar sistemas de control que permite la posibilidad de control en instalaciones viales que, hasta ahora resultaba poco rentable con el uso del cableado.
Fuente: Sinapse
Entre los puntos fuertes podemos señalar:
  • La zona telegestionada es independiente de la configuración eléctrica (circuitos).
  • Recomendado para lugares donde la red eléctrica no es estable.
  • No requiere cableado nuevo (no depende del estado del cable), ni elementos accesorios como filtros.
  • Posibilidad de expansión del sistema para integración de otros sensores en la ciudad.
Fuente: Sinapse
 
Como principales debilidades podemos encontrar:
  • Es necesario incorporar y mantener infraestructura adicional como: concentradores, gateways, repetidores, etc.
  • Requiere un cálculo previo de cobertura, dimensionamiento, etc.
  • Obstáculos radio deben ser contorneados.
  • Zonas con inhibidores.
En los sistemas radio, en la mayoría de los casos, se debe habilitar una salida física para permitir la comunicación de los equipos bien a través de antenas o de estándares previamente definidos. Lo que puede modificar el aislamiento, inmunidad y certificación de la luminaria.
 
Integración en las luminarias
Una alternativa es utilizar un estándar de integración de hardware en la luminaria, que garantiza que el conjunto de la luminaria pueda certificarse con un determinado estándar y posteriormente incorporar módulos compatibles certificados, así como sustituirlos por otros al ir evolucionando la tecnología.
 
En cuanto a los estándares hay, básicamente dos sistemas que se están imponiendo la conexión NEMA y ZHAGA. Estos estándares permiten disociar los sistemas de telegestión de las luminarias, facilitando la expansión de las soluciones pues estas no están sujetas a la integración en las luminarias y permiten tanto a los instaladores como al cliente final (ayuntamientos, diputaciones, consejos comarcales, etc.) disponer de equipos compatibles.
 
Sistema NEMA: La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) es una asociación industrial estadounidense, creada el 1 de septiembre de 1926. Este organismo es el responsable de numerosos estándares industriales comunes usados en el campo de la electricidad. Entre otros, la NEMA ha establecido una amplia gama de estándares para encapsulados de equipamientos eléctricos. En el caso del alumbrado, el estándar utilizado es el ANSI C136.41 que permite una conectividad “plug and play de los equipos. Mediante estos encapsulados utilizados para la incorporación de fotocélulas, se pueden implementar equipos de telegestión para mejorar la eficiencia energética con las capacidades de dimming y control que estos proporcionan. A través de la regulación 0-10 VCC o “DALI” (Digital Addressable Lighting Interface). La interconexión se consigue a través de un sistema de bloqueo mediante un giro. El sistema más extendido en la actualidad dada su versatilidad es el NEMA ANSI C136.41 7 pines pues permite la regulación tanto de 1-10V como DALI. Indicar que son conexiones a 120 o 240 VAC lo que implica unos requisitos de seguridad eléctrica a tener en cuenta.
Sistema ZHAGA: El Consorcio Zhaga es una organización internacional, fundada en febrero de 2010, que establece especificaciones industriales de interfaces para componentes utilizados en luminarias LED. Las especificaciones de Zhaga, que se denominan “Books”, abordan las interfaces eléctricas, mecánicas, ópticas, térmicas y de comunicación y permiten la interoperabilidad de componentes. La comunidad Zhaga incluye a fabricantes de luminarias, fabricantes de lámparas, productores de módulos LED y compañías que suministran componentes y material a la industria de iluminación. Indicar que son conexiones a 24 VDC, es decir a Muy Baja Tensión de Seguridad.
Hoy en día y con la irrupción de las Smart Cities cada vez más municipios se están interesando por los métodos de control existentes. Un informe reciente de Navigant Research declaró “El alumbrado público inteligente está siendo reconocido por muchos líderes de la ciudad, como el primer paso hacia el desarrollo de ciudades inteligentes”. En esta búsqueda de sistemas, NEMA tiene la ventaja que es una tecnología con un amplio bagaje y totalmente contrastada. Por otro lado, no hay que menospreciar las ventajas del sistema Zhaga que reduce el tamaño de los nodos y garantiza una mayor seguridad eléctrica. Este punto es muy importante para la estética de las luminarias que finalmente son las que establecen la fisonomía y carácter de las ciudades. A pesar de todo esto, todavía hay muchos nodos que van incorporados dentro de las luminarias pues el diseño es un valor a tener en cuenta tanto por las administraciones como por los arquitectos.
 
Tecnologías inalámbricas
Dado que continuamente están surgiendo nuevos desarrollos inalámbricos y existen multitud de tecnologías: Wifi, NB IOT, Zigbee, Bluetooth, Bluetooth Mesh, LORA, Sigfox, 4G/5G, 6LoWPAN, etc. y todavía no se ha impuesto ninguna de ellas, surgen dudas a la hora de decidirse por alguna de ellas. Principalmente, podemos agrupar las redes en:
  • Licenciado (NB-IoT (depende del país), Sigfox, 2G, 3G, 4G, 5G)
Acceso basado en tarifas.
El uso de este tipo de comunicación habitualmente directa a la nube (tecnología licenciada), hace que sea muy útil y segura. Puesto que no son necesarios gateways, su gran velocidad de transmisión, y el hecho de que esta tecnología, ya sea 2G, 3G o 4G, cubre casi la totalidad del planeta, hace de su uso uno de los medios de comunicación más usados en determinadas plataformas verticales de gestión de Smart City. El hecho singular de que el alumbrado público abarca un gran número de dispositivos hace que los gastos en comunicación sean muy importantes y por lo tanto este tipo de tecnología es de difícil implementación de forma masiva, aunque hay que tener en cuenta que la evolución del 5G puede hacer que esto cambie.
  • Sin licencia (Aplicaciones ISM) (Wifi, NB-IoT, Zigbee, Bluetooth, Bluetooth Mesh, LORA, 6LoWPAN, etc.) Aunque en la mayoría de casos el pago de licencia se realiza al comprar el dispositivo, puesto que el fabricante paga un coste o royalty al organismo o asociación que gestiona la tecnología.
Acceso gratuito concedido a todos los usuarios. Las principales bandas de frecuencia por zona son:
- Europa: 315Mhz, 433Mhz, 868Mhz, 2.4Ghz
- Asia-Pacífico: 315 MHz, 2.4Ghz
- Oriente Próximo y África: 433 MHz, 2.4Ghz
- Nueva Zelanda: 864-868 MHz, 915-928 MHz, 2.4Ghz - América y Asia: 915 MHz, 2.4Ghz
- India: 865-867MHz, 2.4Ghz
- Australia: 915-928 MHz, 2.4Ghz - Japón: 920 MHz, 2.4Ghz
Podemos agrupar ahora las tecnologías enmarcadas dentro de las bandas ISM:
 
• Tecnologías basadas en LPWA (Red Amplia de Baja Potencia)
- LoRaWan: las redes LoRaWAN son redes específicas que se despliegan “ad hoc” para implementar equipos de baja transferencia de datos. La red pertenece a la empresa que la despliega y principalmente se usa para equipos IoT. Si cae un repetidor, se cae toda la red. Es decir, la red no se basa en otras tecnologías para evacuar los datos, como 3G/4G/GPRS, dependientes de operadores de telefonía, aunque se pueden instalar gateways para esta función.
- Sigfox: Es la solución de un operador de red global (Abertis/Cellnex) e implementa redes inalámbricas para conectar dispositivos de bajo consumo. Principalmente se ha usado para medidores eléctricos, centrales de alarmas o relojes inteligentes, que necesitan estar continuamente encendidos y enviando pequeñas cantidades de datos.
 
• Radiofrecuencias basadas en el estándar IEEE 802.15.X
- Bluetooth: establece una comunicación de corto alcance y 1Mbps. Bluetooth se basa en el estándar IEEE 802.15.1. Está pensado para pequeños equipos de la informática personal, puede ser una solución para poder comunicar a pequeña escala (por ejemplo un Driver, para poder comprobar y programar una luminaria in situ o zonas de corto alcance). Utiliza la banda 2.4Ghz.
- Wi-Fi: se basa en el estándar IEEE 802.11. Es muy fácil de instalar y gestionar, además, existen múltiples dispositivos ya con antenas WiFi para integrarlos. Tiene el problema del corto alcance de la red. WiFi Max, se desarrolló para amplificar estas distancias, el principal problema es el alto consumo que tendrían los nodos con este tipo de antenas, y que estaríamos desperdiciando mucho ancho de banda si establecemos una red como esta para dispositivos de bajo nivel, como son los nodos de una red Smart city. Utiliza normalmente las bandas 2.4Ghz o 5 Ghz.
- ZigBee: se basa en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas. Sus características principales son que tiene un bajo consumo, dispone de una red mallada, lo cual lo hace muy robusto, su integración es muy sencilla, y ha tenido un gran desarrollo mundial. Principalmente para usos domésticos. Puede utilizar las bandas 868 MHz (Europa), 915 (USA). Aunque principalmente se usa 2.4 GHz.
- 6LowPAN: se basa también en el estándar IEEE 802.15.4. Dispone de red mallada, tiene bajo consumo y dispone de una mejor adaptación al IoT, pues posibilita el uso de IPv6 y la comunicación directa de los equipos con otros dispositivos IP. Ofrece libertad de bandas de frecuencia.
 
Teniendo en cuenta la topología de la iluminación en el alumbrado público donde son importantes factores tales como:
• Interdistancia de los puntos de luz (entre 20 – 40 metros)
• Obstáculosparalacomunicación,como:edificios,arbolado,etc. • Aspectosmeteorológicos:lluvia,niebla,etc.
Hace que sea recomendable el uso de tecnologías que funcionen en bandas sub-GHz (≤1GHz), es decir: 433Mhz, 868Mhz, 915Mhz, (LoRaWan o SigFox) ya que tiene mayor alcance 2 o 3 veces mayor que los standards que trabajan a 2.4GHz. El coste de la implementación es relativamente bajo y el consumo de energía es bajo. Estas tecnologías están reguladas por países, por lo que se debe comprobar que la frecuencia de la solución se ajusta a la legislación vigente. Por otro lado, debido a la propia tecnología, una solución basada en Bluetooth o WiFi, dispone de menor alcance y posteriormente se deberán tener en cuenta pasarelas.
 
Por todo ello, es importante conocer el tipo de configuración de red, para asegurar la calidad de la comunicación. Existen principalmente dos tipos:
  • Comunicación directa entre una serie de puntos y el Gateway de manera individual requiere de una configuración individual detallada y por lo tanto más costosa. Además, los puntos se deben ver o disponer de poca distancia con el concentrador.
  • Comunicación mesh/malla: cada dispositivo es capaz tanto de transmitir información como de reenviar aquella que recibe, pudiendo saltar la información y haciendo que la distancia con el Gateway sea mayor. Podremos controlar entre 150 - 300 luminarias (dependiendo de la oleografía del terreno, así como de la topología de la instalación) separadas entre sí.
La ampliación de este tipo de despliegues requiere tan solo de añadir más gateways desplegando una red como la anterior a su alrededor.
 
Telegestión punto de luz por IoT
Telegestión de cada punto de luz a través de la red celular (red celular de telefonía móvil), es decir instalando y contratando una tarjeta SIM en cada punto de luz).
Entre las fortalezas de este tipo de telegestión podemos apuntar:
  • Redes celulares mantenidas por las operadoras de telefonía
  • Reducción de elementos redundantes (no hacen falta instalar y mantener infraestructura adicional como concentradores/gateways). Como principales debilidades:
  • El punto de luz es fijo y no se puede ir desplazando en busca de mejor cobertura.
  • La red y cobertura depende de los usuarios totales, así como del operador.
  • Gastos en comunicaciones fijos por cada punto de luz.
  • Dependencia del operador y cliente cautivo, para cambiar de operador hay que reemplazar la tarjeta SIM.
  • Posibles ataques cibernéticos y sobrecostes en comunicaciones.
 
Otras funcionalidades de la telegestión punto de luz
A parte de las funcionalidades comentadas los sistemas de telegestión del punto de luz pueden disponer de elementos adicionales que permitan disponer de otras funcionalidades añadidas a las comentadas.
 
Geolocalización
Existen determinados equipos de telecontrol que disponen de geolocalización mediante comunicación GPS para poder realizar a posteriori un seguimiento de equipos, así como hacer una planificación de regulaciones teniendo en cuenta la ubicación de los mismos. La geolocalización puede venir dada porque la luminaria dispone de un chip GPS o bien con alguna herramienta externa que geolocalice el equipo en cuestión con sus coordenadas.
 
A la hora de valorar estas tecnologías se deben tener en cuenta aspectos como el sobrecoste que supone integrar esta tecnología en cada uno de los equipos. Movilidad de las luminarias, pues en términos generales, estos elementos son estáticos. También se ha de tener en cuenta la precisión de los equipos GPS pues siempre hay márgenes de error.
 
Sensorización
Las luminarias son un elemento que por su idiosincrasia: hay en toda la ciudad, cada pocos metros (30/40 metros) y disponen de toma de red eléctrica, hacen que sea un lugar ideal para incorporar nuevos elementos IoT para la obtención de datos de la ciudad.
 
Fuente: Sinapse
 
Estos sensores los podemos dividir en:
  • Sensores/actuadores que interactúan con las luminarias
- Sensor de ruido con incremento de la luminosidad
- Sensor de movimiento
  • Sensores/actuadores ajenos al funcionamiento de la iluminación
- Partículas en suspensión, pluviómetro, humedad, etc.
 
Sistema de telegestión de los puntos de luz
Tal y como hemos visto, existen diferentes formas de enviar y recibir los datos desde los puntos de luz dependiendo del tipo de tecnología utilizada en el alumbrado conectado.
En el caso de tecnología IoT con comunicación 3G/4G/5G cada punto de luz comunicará directamente con la plataforma de telegestión en la nube.
 
Fuente: Sinapse
 
Con el resto de tecnologías tendremos que ir a parar a un equipo concentrador que transmitirá la información a la plataforma de telegestión. Mediante un sistema de comunicaciones por: cableado (ethernet/fibra), inalámbrico (3G, LTE, 4G) o WiMax.
 
En la tecnología por PLC el equipo concentrador está ubicado en el centro de mando y normalmente se comunicará junto con el equipo de telegestión del propio centro de mando, para el envío de la información a la plataforma de telegestión.
En la tecnología por RF los equipos concentradores están ubicados en diferentes puntos de la instalación y normalmente se comunicará de forma independiente al equipo de telegestión del centro de mando, para el envío de la información a la plataforma de telegestión.
Los sistemas de telegestión del punto de luz, normalmente incorporan un sistema de telegestión del centro de mando.
Existen diferentes tipos de sistemas de telegestión punto a punto, con mayor o menor capacidad de control. Sin embargo, todas ellas tienen unas funcionalidades comunes mínimas como son:
  • Posibilidad de crear grupos de luminarias para ser telegestionadas.
  • Posibilidad de apagado/regulación individual de cada punto de luz.
  • Programación para cada punto de luz o grupos.
  • Configuración de grupos de luminarias para ser telegestionadas.
  • Posibilidad de variar las regulaciones por grupo/horario y según calendarios.
  • Posibilidad de crear curvas de regulación específicas para festivos y eventos.
  • Medición de potencias activas por cada punto de luz.
  • Detección de fallo de lámpara individual para mejorar la calidad de servicio y mantenimiento.
Actualmente muchas de las licitaciones exigen que el control de consumo sea punto a punto. En este aspecto, el control punto a punto te permite obtener una cantidad de información muy elevada como puede ser:
·       Conocer si se está realizando la regulación.
·       Conocer el estado de las luminarias.
·       Conocer si hay picos de tensión.
Todo esto también debe llevar asociado un acompañamiento para la gestión de todos estos datos pues esto puede llegar a suponer que el exceso de información sea un hándicap a la hora de llevar la gestión de la instalación. Además, este control de consumos, en muchos casos, supone que el coste en hardware sea más elevado, lo que implica que el coste de la instalación suba y, por lo tanto, esta tipología de control de consumo no es necesario. A pesar de ello, es importante remarcar que en determinadas circunstancias el control de consumos punto a punto puede facilitar una información de alto valor.
 
En la próxima edición de nuestra publicación on line, el jueves 29 de julio, publicaremos la adecuación de las tecnologías en función de las necesidades a cubrir y recomendaciones para la elaboración de pliegos de licitación.
 
Este manual ha sido redactado por:
- Carlos J. Vives, CEO; David de Paco, Smart City Solutions y Jordi Vila, Product Manager – Smart City Solutions, de AFEI Sistemas y Automatización, S.A. (AFEISA)
- Robert Merchante, Product Manager Senior Outdoor Lighting, de Simon Lighting S.A.
- Alberto García, Chief Marketing Officer y José Ignacio, Project Manager, de Sinapse Energia.
- Juan Carlos Lopez, Business Development Manager, de Applus Laboratories
- David Rius, Technical Sales y Joan Presas, Executive Manager Director, de Vossloh-Schwabe Ibérica S.L.
El manual ha sido supervisado por:
- Susana Prieto, Clúster Manager; Sergi Gómez, Project Manager y Leticia Gómez, Project Manager, del Clúster de las Tecnologías Inteligentes para las Ciudades, los Edificios y la Industria DOMOTYS
- Jessica Juliette Kamps, Clúster Manager, del Clúster de Iluminación CICAT
 

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