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DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE PLC PARA L AS
INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO CENTRAL (AGUA
HELADA) E ILUMINACIÓN DE UN EDIFICIO DE LABORATORIO S
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por el T.S.U.
Luis Antonio Boscán Añez.
Para optar por el Título de
Ingeniero Mecánico
Caracas, Noviembre, 2010
ii
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE PLC PARA L AS
INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO CENTRAL (AGUA
HELADA) E ILUMINACIÓN DE UN EDIFICIO DE LABORATORIO S
Tutor Académico: Prof. Pedro Lecue
Tutor Industrial: Ing. Pedro Parra
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por el T.S.U.
Luis Antonio Boscán Añez .
Para optar por el Título de
Ingeniero Mecánico
Caracas, Noviembre, 2010
iii
DEDICATORIA
A Dios que es la luz que ilumina mi camino en momentos de
oscuridad.
A mis Padres, Antonio José y Australia, los que con su educación y
principios arraigados hicieron de mi un hombre de bien, llevándome siempre
por la senda correcta.
A mi esposa, Doried Maybé que siempre ha sido mi apoyo en
momentos bueno y no tan buenos, que hombro a hombro vivimos la vida y
superamos barreras.
A mi hermana que me ha hecho madurar para ser ejemplo a seguir y
sobre todo amigo y consejero.
A mis compañeros de trabajo, que me han apoyado siempre.
A todos los que de una u otra manera contribuyeron con su granito en
mi formación primeramente como persona y luego como profesional.
iv
AGRADECIMIENTOS
A mis Familiares, PAPA, MAMA, ESPOSA Y HERMANA, por ser parte
de mi, en las buenas y en las malas, por ser pilares fundamentales en mi
formación y crecimiento integral.
Al Profesores Pedro Lecue, mi Tutor, que me brindo su apoyo y
confianza para el desarrollo de esta tesis.
Al Profesor Hans García por el asesoramiento incondicional, por las
molestias causadas y por ayudarme e instruirme en el área de PLC y
automatización.
Al Profesor José Barriola, que con las nociones básicas despertó en
mí la curiosidad por automatizar procesos e investigar acerca de los mismos.
Al Ing. Pedro Parra, mi Tutor Industrial, el cual me encaminó acerca de
los sistemas de aire acondicionado y por sus sabios consejos.
Al Ing. Noel Marfisi, jefe de la División de Ingeniería, al que le debo su
confianza al permitirme trabajar a tiempo completo en esta tesis para cumplir
la meta tan anhelada.
A mi amigo Carlos Carmona, que me animó en momentos donde mas
lo necesitaba y me incentivó a luchar para lograr la meta.
A todos las personas que colaboraron con la realización de este
trabajo especial de grado, gracias!!!
v
Boscán Añez, Luis Antonio
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE PLC PARA L AS INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO CENTRAL (AGUA HELADA) E ILUMINACIÓN DE UN EDIFICIO DE LABORATORIO S
Tutor: Prof. Pedro Lecue. Tesis. Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica. Año 2010, 200 p
Palabras claves: Controlador Lógico Programable, Automatización, Aire Acondicionado, Iluminación.
Resumen
El presente trabajo se presenta el diseño de un sistema para la
automatización de los sistemas de aire acondicionado y luminarias del
edificio de laboratorios Lab –Volt ubicado en el Vigía- Edo. Mérida, con la
finalidad de mejorar las condiciones de confort del edificio para los usuarios
controlando la temperatura de los espacios manteniendo una temperatura de
74ºF y reducir el consumo de energía eléctrica de éste mediante la
programación horaria y la colocación de detectores de presencia, que
controlan el encendido iluminación y aire acondicionado. Mediante la correcta
selección de los actuadores y sensores a utilizar para el control, la elección
del Controlador Lógico Programable Telemecanique modelo Twido, además
de los diferentes módulos de ampliación para manejar los procesos, también
se estudiaron las diferentes formas de comunicación remota por vía Ethernet
y por vía GSM, apoyando el diseño con una interfaz humano maquina en
donde se podrán visualizar y manipular las variables implícitas en los
mismos.
vi
Boscán Añez, Luis Antonio
DESIGN OF A SYSTEM OF CONTROL BY MEANS OF PLC FOR THE FACILITIES OF EQUIPPED CENTRAL AIR (FROZEN WATER) A ND
LIGHTING OF A LABORATOR BUILDING
Tutor: Prof. Pedro Lecue. Thesis. Caracas, U.C.V. F aculty of Engineering School of Mechanical Engineering. Year 2010, 200 p
Key words: Logical Programmable Controller, Automation, Air conditioning, Lighting.
Summary
The present work Edo appears the design of a system for the automation of the systems of air conditioning and lights of the laborator building Lab-Volt located in the Vigía--. Merida, with the purpose of improving the conditions of comfort of the building for the users controlling the temperature of the spaces supporting a temperature of 74ºF and to reduce the consumption of electrical energy of this one by means of the hourly programming and the placement of detectors of presence, which control the ignition lighting and air conditioning. By means of the correct selection of the actuadores and sensors to using for the control, the choice of the Logical Programmable Controller Telemecanique I shape Twido, besides the different modules of extension to handle the processes, Also there were studied the different forms of remote communication by Ethernet route and by route GSM, supporting the design with an interface humanly it machinates where they will be able to visualize and to manipulate the implicit variables in the same ones.
vii
INDICE
INTRODUCCIÓN 1
IDENTIFICACIÓN DE LA EMPRESA. 3
1.1 RESEÑA HISTÓRICA 3
Objetivos estratégicos del INCES 5
1.2 MISIÓN. 6
1.3 VISIÓN. 7
1.4 ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL DEL INSTITUTO. 7
1.4.1 Organigrama estructural 8
1.4.2 Organigrama de la gerencia de infraestructura y servicios 9
DEFINICIÓN DEL PROYECTO.
10
2.1.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.
10
2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 10
2.3 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS. 12
2.3.1 Objetivo General 12
2.3.2 Objetivos Específicos 12
2.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. 13
2.4.1 Justificación Empresarial 13
2.4.2 Justificación Académica 14
2.5 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN. 14
2.6 LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN 15
MARCO TEÓRICO 16
3.1 CONDICIONES DE COMODIDAD. 16
3.1.1 Factores que influyen en la comodidad desde el punto de vista
viii
del aire acondicionado: 17
3.2 CONFORT TÉRMICO. 18
3.3 AIRE ACONDICIONADO. 20
3.3.1 Sistemas de aire acondicionado. 22
3.3.2 Red de Distribución de Agua Helada. 37
3.4 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN 38
3.4.1. Principio de Funcionamiento de una Lámpara Fluorescente: 40
3.4.2 Sistema automático de luces 43
3.5 AUTOMATIZACIÓN 47
3.5.1. Objetivos de la automatización 48
3.5.2. Evolución de los sistemas para la automatización. 49
3.6 SISTEMA DE CONTROL 51
3.6.1 Componentes de un sistema de control. 51
3.6.2 Elementos transmisores. 52
3.6.3 Componentes controlados. 66
3.6.4 Variable del Proceso, Set Point y Error.
Error 68
3.7 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) 69
3.7.1. Conceptos Básicos: 69
3.7.2 Breve historia de los PLC. 71
3.7.3 Características sobresalientes de los PLCs. 73
3.8 VENTAJAS DE LOS PLCS SOBRE LA LÓGICA A RELÉS. 77
3.9. DISEÑO CONCEPTUAL 78
3.10 ARQUITECTURA BÁSICA DE UN PLC 78
3.11 DISEÑO FUNCIONAL DEL PLC 79
3.11.1. Modo de Operación del PLC 79
3.12 Tipos de Entrada / Salida a los PLCs. 82
3.12.1 Entradas al PLC. 83
3.12.2 Entradas DC. 85
ix
3.12.3 Entradas AC. 86
3.12.4. Entrada AC al PLC. 87
3.12.6 Salidas Discretas 89
3.12.7 Modulo AI 89
3.12.8 Modulo AO 90
3.18.6. Conversión Analógica/Digital 90
3.13 DIAGRAMA DE ESCALERAS (RLL) 91
INPUT: 92
NC-INPUT: 92
OUTPUT: 93
TOF: 93
TON: 94
TP: 95
CTU: 96
3.14 Rango de los PLCs Según sus E/S 97
3.15. SUMARIO DE INSTRUCCIONES DE LOS PLC 98
3.16 DIAGRAMA DE CONEXIONES DE UN PLC: 98
Pasos a seguir para programar tareas en un PLC: 100
3.17 PLC TWIDO DE SHNEIDER ELECTRIC 100
3.14. TIPOS DE COMUNICACIÓN: 107
3.14.1. Redes Ethernet: 107
3.14.2. Protocolo de Comunicaciones Modbus: 108
3.14.3. TCP/IP. 109
3.14.4. GSM o GPRS 109
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 113
5.1. CONDICIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE AIRE
ACONDICIONADO 113
5.1.1. Variables de diseño 113
5.1.2. Características del sistema: 114
x
5.2. CONTROL PID 125
5.2.1. Funcionamiento 126
5.2.2. Control Proporcional. 128
5.2.3. Control Integral. 130
5.2.4. Control Derivativo. 131
5.2.4. Significado de las constantes 133
5.2.5. Elementos finales de control 134
5.3. DESCRIPCIÓN DEL CONTROL DE ILUMINACIÓN: 136
5.3.1. Descripción del sistema: 138
5.3. HARDWARE UTILIZADO 141
5.4. SENSORES Y ACTUADORES UTILIZADOS EN CADA ESPACIO 142
5.5. SOFTWARE UTILIZADO: 145
5.5.1. Direccionamiento de las variables: 145
5.6. COMUNICACIÓN E INTERFAZ HUMANO-MAQUINA (HMI 152
5.5.1. Comunicación 152
5.5.2. Entorno Visual: 175
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 183
BIBLIOGRAFÍA 183
ANEXOS 187
xi
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Organigrama General del INCE. 8
Figura 2. Sistema de Refrigeración. (Fuente: Martínez, F. 2005). 23
Figura 3. Equipo compacto de Techo. 27
Figura 3.1. Equipo Dividido central. 28
Figura 4. Sistema Central todo Aire 29
Figura 5. Sistema de agua aire. 31
Figura 6. Unidades terminales de Fancoil. 32
Figura 7. Unidad Enfriadora de agua. 33
Figura 8. Sistema Central de Agua Helada. 33
Figura 9. Esquema de Funcionamiento de una Unidad Enfriadora de Agua
Helada compuesta de dos circuitos. 34
Figura 10. Sistema básico de las unidades de manejo de aire. 35
Figura 11. Esquema del intercambio de calor entre el aire y las tuberías
de agua helada. 36
Figura 12. Unidad Manejadora de Aire (UMA) 37
Figura 14. Diagrama de control manual. Fuente: Barriola, 2008 49
Figura 15. Diagrama de control manual con instrumentos de medición 50
Figura 16. Esquema de Funcionamiento de un Contactor. 56
Figura 17. Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo glóbulo con
diferentes tipos de terminales - b. Tipo disco - c. Tipo barra . 58
Figura 18. Relación Rt + R20 en función de la temperatura
para termorresistencias metálicas (Pt, Cu, Ni) y para
termistores NTC con coeficientes α20 entre 20. 103 y 60. 103 61
Figura 18. Termistor NTC utilizado en el Sistema 65
Figura 17 Válvulas motorizadas de dos y tres vías 67
Figura 20 Tipos de memorias en un PLC. 74
xii
Figura 21. Capacidad modular de los PLCs. 74
Figura 22. Visualizador de status del PLC. 75
Figura 23. Lógica programada. 75
Figura 24. Capacidad de comunicación. 76
Figura 25. Diseño conceptual de un PLC. Fuente: Barriola, J. (2002) 78
Figura 26. Arquitectura básica de un PLC. Fuente: Barriola, J. (2002) 78
Figura 27. Diseño Funcional de un PLC. Fuente: Barriola, J. (2002) 79
Figura 28. Descripción del ciclo SCAN de un PLC 81
Figura 29. Diagrama de modo de operación de un PLC. 82
Figura 32. Entrada AC 87
Figura 33. Diagrama de entradas discretas Fuente: Barriola, J. (2002) 88
Figura 34. Diagrama de salidas discretas Fuente: Barriola, J. (2002) 89
Figura 35. Circuito equivalente de modulo AI. Fuente: Barriola, J. (2002) 89
Figura 36. Circuito equivalente de modulo AO. Fuente: Barriola, J. (2002) 90
Figura 37. Digitalización de la señal analógica y su
correspondiente almacenamiento en el equipo. Fuente: Barriola, J.(2002) 90
Figura 38. Conversion Digital Analógica del valor del registro del equipo 91
Figura 39. Símbolo de Contacto normalmente abierto 92
Figura 40. Símbolo de Contacto normalmente cerrado. 92
Figura 41. Símbolo de Salida, bobina de relé. 93
Figura 42. Símbolo de Temporizador con retardo a la desconexión. 94
Figura 43. Símbolo de Temporizador con retardo a la conexión. 94
Figura 44. Símbolo de Temporizador con retardo al pulso. 95
Figura 45. Símbolo de Contador descendente. 95
Figura 46. Símbolo de Contador ascendente. 96
Figura 47. Símbolo de Contador ascendente/descendente. 96
Figura 48. Rango de PLC´s 97
Figura 49. Diagrama de lógica de control automático 98
Figura 50. Diagrama de conexiones del autómata TSX07 de
xiii
Telemecanique (de 16 E/S). 99
Figura 51. Pasos para la programación de tareas en un PLC. 100
Figura 56. Termistor NTC. 124
Figura 57. Diagrama de un control PID. 126
Figura 58. Control proporcional 128
Figura 59. Control proporcional integral 129
Figura 60. Control proporcional derivativo 131
Figura 61. Arquitectura del modem. 161
Figura 62. Componentes de Módem GSM 162
Figura 63. Conector micro FIT 162
Figura 64. Antena GSM 163
Figura 65 Pantallas del Twido Suite 165
Figura 66. Elemento Genérico ASCII 166
Figura 67. Configuración del GSM 167
Figura 68. Modo comando de un módem 169
Figura 69. Sintaxis de un comando AT 172
Figura 71. Configuración del I/O Server Mbenet 178
Figura 72 Configuración del Access Name en Intouch. 180
Figura 73 Configuración de la Dirección del Twido Ethernet. 181
Figura 74. Configuración del Access Point 182
xiv
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Condiciones físicas de confort. 19
Tabla 2. Comparación entre PLCs y RELES 77
Tabla 3. Resumen de características de todos los modelos TWIDO 103
Tabla 4. Resumen de características de todos los módulos de I/O
digitales TWIDO 104
Tabla 6. Algunos accesorios opcionales que ofrece TWIDO 106
Tabla 7. Especificaciones Técnicas de Equipos Unidad Enfriadoras
de Agua 115
Tabla 8. Características técnicas de las bomba. Marca KSB 118
TABLA 9. INVENTARIO DE FANCOILS 120
Tabla 10. Datos tecnicos del cuerpo de valvula 135
Tabla 11. Detalles técnicos del actuador de la válvula motorizada de
2 vias. 136
Tabla 12. Descripción de los elementos para la iluminación 140
Tabla 13. Resumen de equipos 143
Tabla de 14. Resumen de sensores y actuadores. 144
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
1
INTRODUCCIÓN
En la actualidad es un problema grave a resolver la alta demanda
energética en nuestro país y el mundo entero, también es de gran
importancia satisfacer las necesidades de las personas y maquinarias las
cuales son sensibles a cambios de temperatura y humedad.
El objetivo principal de este trabajo de investigación es lograr un
balance entre confort y ahorro de energía, mediante la implementación de un
sistema automatizado para el acondicionamiento del aire e iluminación en un
edificio de aulas y laboratorios.
Este edificio pertenece al El Centro de Formación Polivalente el Vigía
del INCES, el cual queda ubicado en la ciudad de El Vigía – Edo. Mérida, en
donde se situarán varias oficinas administrativas, laboratorios y salones de
clases, cabe destacar, que allí se encontrarán diversos equipos eléctricos y
gran cantidad de personas los cuales generan a su vez una enorme carga
térmica, lo que se traduce en elevados niveles de temperatura y humedad
relativa, por tanto se requiere de un sistema capaz de generar una atmósfera
apropiada en el área.
Adicionalmente el acondicionamiento del aire del edificio se basará en
un sistema mediante agua helada que se compone de una gran cantidad de
equipos de expansión directa de baja capacidad que generan una gran
demanda de energía eléctrica y por ende un alto costo de la misma.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
2
En este trabajo de investigación y de diseño, está contemplando la
selección de los equipos necesarios, para optimizar el proceso, el medio de
comunicación entre el operador y el sistema así como, el canal de
transmisión de datos entre los cuales se evaluará la mejor opción, entre
internet o via GSM mediante un estudio de factibilidad.
Para alcanzar el objetivo general de la investigación se presentan
cinco capítulos en los cuales se desarrollan las correspondientes fases del
proyecto:
El Capítulo I, contiene los aspectos concernientes a la empresa: reseña
histórica, misión, visión, valores organizacionales y organigramas.
Capítulo II, comprende la definición del proyecto: descripción del proceso,
planteamiento del problema, los objetivos y el alcance del mismo.
Capítulo III, muestra y desarrolla las bases teóricas adquiridas de
diversas fuentes bibliográficas y que fundamentan el proyecto.
Capítulo IV, correspondiente a la metodología, es un breve recorrido por
el procedimiento a emplear y los pasos a seguir para desarrollar la
propuesta.
Capítulo V, en donde se desarrollarán los diseños de control de
iluminación y el del sistema de agua helada, junto con el panel del
operador y los sistemas de comunicación empleados, en él se presentan
los resultados y análisis de éstos.
Capítulo VI, se darán las conclusiones y recomendaciones acerca de el
sistema de control planteado.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3
CAPÍTULO I
IDENTIFICACIÓN DE LA EMPRESA.
1.1 RESEÑA HISTÓRICA
Hacia 1959 Venezuela carecía de una institución que se encargara
de promover la formación profesional de los trabajadores, que contribuyera a
la formación de personal especializado, que llevara a cabo programas de
adiestramiento para la juventud desocupada y que fomentara y desarrollara
el aprendizaje de los trabajadores. Este vacío incuestionable lo lleno El
instituto Nacional de Cooperación Educativa (INCE), recogiendo esas
aspiraciones como fin y compromiso propio.
El Instituto Nacional de Cooperación Educativa, INCE es un
organismo autónomo con personalidad jurídica y patrimonio propio, creado
por la Ley el 22 de Agosto de 1959. En 1990 de acuerdo al decreto
publicado en la gaceta oficial N° 34563 de fecha 28 de Septiembre de ese
mismo año, se reforma el reglamento de la Ley del INCE, con la finalidad de
reorganizar el Instituto para adecuarlo a los nuevos intereses del País y al
proceso de reconversión industrial, conjugando los esfuerzos de los tres
elementos claves: Los Trabajadores, El empresario Nacional y el Estado.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
4
El INCE “Bajo la tutela del Estado y con la colaboración de los
patronos y trabajadores de los sectores productivos de bienes y servicios,
tiene como finalidad lograr una eficiente formación y capacitación continua de
la fuerza laboral, complementando la educación recibida en el sistema
formal.
El Instituto Nacional de Cooperación Educativa (INCE), nace justo en
el momento en que Venezuela salía de una dictadura; Urgía para la nueva
Venezuela una Institución que se encargara de organizar, fomentar y
desarrollar la Formación Profesional, de los trabajadores en servicios, de
ejecutar programas de adiestramiento para la juventud desocupada, de
sistematizar y desarrollar el aprendizaje de los trabajadores.
El éxito del INCE estriba en la conjugación de iniciativas y esfuerzos
de los tres elementos potenciales en el campo del mercado: El Estado, los
trabajadores organizados y el empresario nacional
El INCE de hoy investiga, planifica, desarrolla y evalúa su acción,
considerando las tendencias más modernas en la Formación Profesional del
individuo, fija estrategias coherentes que permiten determinar
simultáneamente la función de educar y la función de producir, esta filosofía
en la acción, ha permitido orientar sus actividades en función del desarrollo
económico del país, fundamentándose en la dinámica del capital humano.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
5
Objetivos estratégicos del INCES
De Formación
• Desarrollar los Sistemas de formación Profesional acorde a las
exigencias del nuevo modelo de desarrollo socioproductivo.
• Ampliar las oportunidades de acceso y permanencia activa a los
procesos formativos de los sectores excluidos de la población
• Articular los programas de Formación Profesional a las necesidades y
potencialidades de las comunidades ubicadas en los ejes de
desarrollo nacional.
• Crear Programas de Capacitación Ocupacional a fin de entender las
necesidades sociales de la Población Económicamente Activa,
orientadas al fortalecimiento de la Economía Popular
Institucionales
• Incrementar los niveles de efectividad de la gestión en la asignación y
uso de los recursos institucionales.
• Consolidar alianzas estratégicas nacionales e internacionales para el
intercambio de tecnologías para la reactivación del aparato productivo
de la nación y de los países aliados.
• Desarrollar las potencialidades del recurso humano de la organización,
a los fines de responder a las exigencias de los avances sociales y
tecnológicos destinados a fortalecer la Economía Popular.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
6
• Adecuar al marco jurídico, procedimental y organizacional a la nueva
realidad institucional.
De Participación
• Impulsar a través de la acción formativa, la conformación de
organizaciones asociativas de producción, como mecanismo social de
participación en el modelo de desarrollo endógeno.
• Desarrollar programas de atención dirigidos a la población, en materia
de capacitación y asistencia técnica, para el fortalecimiento del
proceso de formación técnico-productivo, en el marco de la Economía
Popular.
De Comunicación
• Promover y divulgar la acción de Formación Profesional a través de
los medios de comunicación tradicionales y alternativos que permitan
su interrelación con los sectores productivos y sociales del país.
1.2 MISIÓN.
Formar y capacitar integralmente a hombres y mujeres a través de
programas diseñados mediante un modelo constructivista, productivo y de
inclusión, contribuyendo al desarrollo socio-económico del país.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
7
1.3 VISIÓN.
Ser una institución de formación y capacitación actualizado
tecnológicamente, reconocida a nivel nacional e internacional, por la
diversidad y flexibilidad de oportunidades de participación, erigiéndose como
elemento dinamizador de los procesos de transformación social y facilitando
las herramienta que exige el nuevo modelo de desarrollo económico del país.
1.4 ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL DEL INSTITUTO.
El Instituto Nacional de Cooperación Educativa es un organismo
autónomo, con personalidad jurídica y patrimonio propio e independiente del
Fisco Nacional y según su propia ley. La estructura del Instituto está
determinada por lo dispuesto en el capítulo II, artículos 7 y 8 y en el capítulo
V artículo 22 del reglamento de la citada ley.
El Instituto Nacional de Cooperación Educativa, INCE, está
constituido por un nivel jerárquico representado por el Consejo Nacional
Administrativo y un Comité Ejecutivo, a quienes corresponde la dirección y
administración del Instituto; por un nivel gerencial medio, constituido por las
Gerencias Generales y Gerencia Regionales, y por un nivel operativo,
conformado por las Escuelas Especiales como Centros de Formación y
Capacitación.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
8
1.4.1 Organigrama estructural
Figura 1 Organigrama General del INCE.
Fuente: Instituto Nacional de Cooperación Educativa (INCE),2008
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
9
1.4.2 Organigrama de la gerencia de infraestructura y servicios
Figura 2 Organigrama de la Gerencia de Infraestructura y servicios
Fuente: Instituto Nacional de Cooperación Educativa (INCE).
GERENCIA DE INSFRAESTRUCTURA
Y SERVICIOS
DIVISION DE CONTRATOS
GERENCIA DE ABASTECIMIENTO
Y LOGÍSTICA
DIVISION DE INGENIERIA
GERECIA DE SERVICIOS
GENERALES
DIVISIÓN DE
SERVICIOS
DIVISIÓN DE PLANTA FÍSICA
DIVISIÓN DE SEGURIDAD Y
TRANSPORTE
GERENCIA DE
MANTENIMIENTO
DIVISIÓN DE EDIFICACIONES Y
EQUIPOS
DIVISIÓN DE
UNIDADES MOVILES
DIVISIÓN DE HIGIENE Y
SEGURIDAD INDUSTRIAL
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
10
CAPÍTULO II
DEFINICIÓN DEL PROYECTO.
2.1.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.
En estos momentos, en donde el ahorro de energía y la optimización
en los procesos son los puntos de mayor importancia en todo proyecto que
se vaya a realizar, es un factor determinante tomar en cuenta estos aspectos
desde la mesa de proyectos. En este caso particular, el proyecto consta en
la automatización de la iluminación y del aire acondicionado central de un
edificio de Laboratorios mediante la utilización de un Controlador Lógico
Programable (PLC). Situado en El Centro de Formación Polivalente el Vigía
se encuentra ubicado en la Urb. Buenos Aires, adyacente a las instalaciones
de Aguas de Mérida, empresa de distribución y canalización del agua potable
del municipio Alberto Adriani, en El Vigía – Edo. Mérida.
El uso de este edificio es netamente educacional, para lo que se debe
prever gran flujo de personas las cuales deben transitar y permanecer dentro
de la infraestructura en condición de confort.
2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
El Centro de Formación Polivalente el Vigía es un edificio que tiene
como función la capacitación como objetivo principal de la institución que
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
11
representa como lo es el INCES, en donde funcionaran una serie de
laboratorios como:
Laboratorio de Neumática.
Laboratorios de Hidráulica .
Laboratorios de Mecanizado.
Laboratorio de Electrónica .
Laboratorio de Telecomunicaciones.
Laboratorio de Instrumentación.
Laboratorio de Máquinas Eléctricas.
Contando con 1.683,35 m2 de construcción, debe proporcionar a todo
el personal que transite y permanezca dentro del edificio condiciones de
confort, en lo que a temperatura respecta, dado a que se encuentra ubicado
geográficamente en una zona calurosa en donde las temperaturas oscilan
entre 28 y 34°C, debe contemplarse temperaturas de 21 y 22°C para
garantizar el buen funcionamiento de los equipos y la comodidad de las
personas, para ello se realizó el proyecto de diseño de un sistema de
acondicionamiento de aire mediante agua helada, dando como resultado una
capacidad nominal 60 TR.
Este sistema consta de una serie de maquinarias como Chiller y
unidades de acondicionamiento del aire tipo Fan-coil, (que son alimentados
eléctricamente, en condiciones normales de operaciones en donde no se ve
afectado por algún sistema de control automático, el sistema se diseña para
que todo el edificio se mantenga a la misma temperatura, las horas laborales
o las 24 horas de cada día en algunos casos. Por ello se desea realizar un
sistema de control que pueda optimizar el ahorro de energía en donde las
maquinarias del sistema de acondicionamiento de aire proporcionen las
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
12
cargas necesarias para satisfacer las necesidades en los ambientes
ocupados, reduciendo así la demanda energética cuando haya espacios y
aulas desocupados.
En el mismo orden de ideas, es un factor determinante de ahorro el
perfecto uso de la iluminación del edificio, optimizando la energía apagando
las luminarias que no sean necesarias cuando los ambientes estén
desocupados.
Para este fin, se diseñará un sistema de control mediante PLC que
pueda operar el sistema de acondicionamiento de aire y el sistema de
iluminación, esperando reducir considerablemente la demanda energética del
edificio respecto a otro similar que no posea automatización.
2.3 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS.
2.3.1 Objetivo General
Diseño de un sistema de control por medio de un controlador lógico
programable (PLC), para una unidad de aire acondicionado por agua helada
de 60TR, que sea capaz de sensar el estado del sistema, supervisando
parámetros de humedad y temperatura, tomando como variable para su
funcionamiento si el espacio a acondicionar esta ocupado o no, controlando a
su vez la iluminación del ambiente, optimizando el consumo energético
requerido por el edificio.
2.3.2 Objetivos Específicos
Familiarizarse con el ciclo de actividad diaria del edificio.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
13
Diseñar el sistema de control para variables de humedad y
temperatura específicas para tres (7) laboratorios: Maquinas Electricas,
Instrumentación y Control, Neumática, Hidráulica, Telecomunicaciones,
Electrónica y Mecanizado.
Diseñar el sistema de control mediante un controlador lógico
programable (PLC), conectado a válvulas modulantes a nivel de cada Fan-
Coil, que sensen y regulen el caudal de agua que pasa por cada una de
estas unidades, controlando así la temperatura de los laboratorios y el
edificio en general.
Diseñar un sistema de control de iluminación eficiente para las
instalaciones del edificio, que pueda detectar si hay o no personas dentro del
recinto y pueda encender y apagar las luces del mismo.
Estudiar la factibilidad de los dispositivos de transmisión vía Internet o
GSM, haciendo un estudio comparativo entre ellos y realizando el diseño
para la opción que se ajuste mas a las condiciones del edificio, el uso del
sistema elegido se basará en enviar mensajes de monitoreo y alerta a un
computador personal conectado a Internet a un teléfono celular vía GSM.
2.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
2.4.1 Justificación Empresarial
El objeto del presente proyecto es la optimización de los sistemas de
aire acondicionado e iluminación, traduciéndose esta implementación en un
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
14
ahorro significativo en la energía demandada por el edificio en pleno,
contribuyendo con la economía y el ambiente.
2.4.2 Justificación Académica
La implementación de automatización en edificaciones es un tema en
boga en el ámbito de tecnología actual, los edificios inteligentes representan
un mayor confort para sus habitantes y un notable ahorro en la energía,
reduciendo costos de operación y contribuyendo así con la preservación del
ambiente. El aporte académico a este tipo de proyectos es crear bases para
una nueva mentalidad en donde la automatización de procesos brinde mejor
calidad de vida a las personas del entorno, sea un objetivo principal; crear
sistemas seguros que puedan monitorearse en cualquier momento a
distancia y en donde los nuevos prototipos no destruyan sino que colaboren
con el medio ambiente haciendo un aporte hacia una nueva misión de la
ingeniería.
2.5 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN.
El proyecto esta diseñado para automatizar todo lo relacionado con las
necesidades de acondicionamiento de aire del edificio de laboratorios CFS El
Vigía del INCES en el Vigía – Edo. Mérida, optimizando el uso de la energía
cuando los ambientes están en uso o no, mediante sensores de temperatura
que crean ambientes confortables. Este diseño estará realizado para un
sistema de control mediante un controlador lógico programable PLC, con una
cabina de control en donde se hallará un computador en donde se
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
15
supervisaran todas las variables criticas. Este sistema también enviara
reportes de funcionamiento y alertas mediante un dispositivo GSM o
INTERNET a uno o más celulares previamente estipulados y a una
computadora ubicada en un sitio remoto.
2.6 LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN
Dado al costo de los equipos y por tratarse del desarrollo de un
estudio teórico de diseño, no podrá ser posible una demostración con una
maqueta que cuente con el PLC, los sensores y actuadores asi como los
equipos de transmisión de datos vía GSM o RED, por lo tanto se limitará a la
demostración mediante el software en donde se podrá simular el proceso de
automatización de iluminación y acondicionamiento de aire del edificio.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
16
CAPÍTULO III
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se darán los conceptos básicos que hay que conocer
en un proyecto de diseño de automatización de aire acondicionadoe
iluminacion de un edificio, conociendo las variables inplicitas en cada uno de
los procesos, comenzando por nuestra necesidad como humanos por
sentirnos comodos y de las maquinarias para trabajar dentro de un rango de
temperatura aceptable que no afecte su eficiencia y desempeño.
El comportamiento fisiológico del cuerpo humano demanda que
la cantidad de calor interno producido por el cuerpo, sea igual a la cantidad
de calor externo perdido.
El cuerpo humano tiene un sistema de control de temperatura para
regular sus pérdidas que ocurren por convección, radiación y evaporación. La
proporción relativa de cada una depende de la cantidad de calor generado
por el cuerpo, que a su vez depende de la actividad que se este realizando;
también depende de la ropa, de la temperatura y condiciones del aire.
3.1 CONDICIONES DE COMODIDAD.
El ser humano siempre ha deseado crear y tener un ambiente
cómodo. Esto se refleja en la arquitectura tradicional de todo el mundo,
desde la historia antigua hasta el presente. Actualmente, la creación de un
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
17
ambiente cómodo es uno de los parámetros más importantes que se
consideran cuando se proyectan edificios.
Pero ¿Qué es la comodidad térmica? La norma ISO 7730 lo define
como "aquella condición mental que expresa satisfacción con el ambiente
térmico".
3.1.1 Factores que influyen en la comodidad desde e l punto de
vista del aire acondicionado:
a. Temperatura del aire.
b. Humedad del aire.
c. Movimiento del aire.
d. Pureza del aire.
Temperatura del aire o temperatura del bulbo seco:
Es la temperatura del aire indicada por un termómetro ordinario. Si no
existiera un control de la temperatura no se obtuviera una comodidad
optima; el adecuado control de la temperatura del medio ambiente que
circunda por el cuerpo humano elimina el esfuerzo fisiológico de
acomodación, obteniéndose con ello un mejor confort y la consiguiente
mejora del bienestar físico y de las condiciones de salubridad.
Humedad del aire:
Gran parte del calor del cuerpo humano se pierde por evaporación a
través de la piel. La evaporación se debe a la baja humedad relativa del aire;
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
18
las altas humedades retardan el proceso de evaporación. Esto da una idea
de la importancia que tiene el control de la humedad. Los excesos de la
humedad relativa producen no solamente reacciones fisiológicas molestas,
sino también afectan las propiedades de algunos materiales.
Movimiento del aire:
Cuando el aire por medio de movimiento es sentido por el cuerpo
humano este hace que aumente la perdida de calor y humedad modificando
la sensación tanto de frío como de calor. El control sobre los aspectos del
movimiento del aire depende básicamente del diseño correcto de la inyección
y el retorno del aire.
Pureza del aire:
Es el aporte de aire puro, extracción de aire viciado, supresión de
partículas y bacterias; esto es de vital importancia no solo para la salud del
ser humano sino además disminuye los gastos de limpieza y mantenimiento.
3.2 CONFORT TÉRMICO.
El confort térmico es el parámetro mas importante dentro del diseño
arquitectónico bioclimatico. Lograr bienestar físico y psicológico es el objetivo
primordial al diseñar y construir cualquier espacio. Para lograr un buen
diseño se debe tomar en cuenta las condiciones físicas del lugar, y el tipo de
aplicación que posee el mismo, en función de ello se establece las
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
19
condiciones interiores que garanticen el confort térmico. Para ello se puede
utilizar la tabla # 1 donde se muestran diversos tipos de aplicaciones y sus
condiciones físicas de confort.
A manera de mantener un balance del calor emanado por el cuerpo
humano que normalmente mantiene una temperatura de 98.6ºF +/- 1ºF; se
debe producir confort en un ambiente en el cual es necesario mantener el
aire, la temperatura y la humedad apropiadas, esto en referencia al confort
en el aire acondicionado, que esta basado en los factores de metabolismo
del cuerpo humano. La American Society of Heating, Refrigeration and air
Conditioning Engineers.Inc. ha publicado la denominada zona de confort
térmico (ver gráfica #1) donde se puede observar de forma gráfica el rango
optimo de confort térmico en la carta psicrométrica.
Tabla 1. Condiciones físicas de confort.
Fuente: Carrier, ”Handbook of Air Conditioning and System
Design”,2004
Fuente: Manual de In
3.3 AIRE ACONDICIONADO.
El acondicionamiento del
controlando, además, su temperatura y contenido de humedad. En
condiciones ideales se logra todo esto de manera simultánea.
Un equipo de aire a
espacio determinado cumple la función de mantener las condiciones de
confort térmico, las condiciones necesarias para el proceso de fabricación
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
20
Gráfica 1. Carta de Confort térmico.
Fuente: Manual de Ingeniero mecánico Tomo II
AIRE ACONDICIONADO.
El acondicionamiento del aire es el proceso que limpia y circula el
controlando, además, su temperatura y contenido de humedad. En
condiciones ideales se logra todo esto de manera simultánea.
Un equipo de aire acondicionado es un dispositivo que dentro de un
espacio determinado cumple la función de mantener las condiciones de
confort térmico, las condiciones necesarias para el proceso de fabricación
Gráfica 1. Carta de Confort térmico.
geniero mecánico Tomo II,2001
que limpia y circula el aire,
controlando, además, su temperatura y contenido de humedad. En
condiciones ideales se logra todo esto de manera simultánea.
condicionado es un dispositivo que dentro de un
espacio determinado cumple la función de mantener las condiciones de
confort térmico, las condiciones necesarias para el proceso de fabricación
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
21
de un determinado producto o las condiciones óptimas para una necesidad
específica.
El término aire acondicionado, tradicionalmente se ha asociado con el
simple proceso del enfriamiento de un determinado volumen de aire
atmosférico para posteriormente inyectarlo al interior de un ambiente:
vivienda, oficina, etc. Se define al control estricto y simultáneo, no solo de la
temperatura del aire de un ambiente determinado, sino también de su grado
de humedad, de su calidad y de su movilidad, manteniéndolos
constantemente a lo largo del tiempo o permitiendo su variación dentro de un
cierto rango, pero en cualquier caso, independientemente de las condiciones
de temperatura, humedad, velocidad y calidad del aire reinante en el medio
exterior. Así, controlando estas cuatro variables se pueden obtener múltiples
combinaciones para el acondicionamiento del aire ambiental: aire frío,
húmedo, caliente, deshumificado, recalentamiento, aire aséptico, libre de
bacterias y gérmenes, etc.
En Venezuela el aire acondicionado esta principalmente relacionado
con el término de calor, lo cual nos indica que la transferencia térmica ocurre
desde un cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.
Con relación a los medios profesionales, se considera necesario para
proporcionar un confort ambiental, actuar sobre tres propiedades del aire
como mínimo, generalmente estos son (Temperatura, humedad relativa,
velocidad o pureza) y regular sus valores o límites.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
22
3.3.1 Sistemas de aire acondicionado.
Un sistema de aire acondicionado debe proporcionar un estado de
confort y bienestar humano, esto buscando la selección de un determinado
sistema siguiendo las características físicas del edificio, aspecto económico y
grado de flexibilidad requerido.
Para refrigerar un ambiente de forma pasiva existen dos estrategias:
reducir las ganancias de calor en el interior (detener la radiación solar,
maximizar la iluminación natural, reducir las ganancias de calor internas por
iluminación artificial y otros equipos) e incrementar las pérdidas de calor al
exterior (ventilación).A veces, aún aplicando estos principios no es suficiente
lo cual conlleva a la necesidad de usar sistemas de refrigeración mecánica.
La correcta aplicación de los principios de reducción de ganancia de
calor interior y de ventilación, disminuirán los requerimientos de refrigeración
mecánica para lograr condiciones de confort. Esto se reflejará en una
reducción del consumo de energía, de los costos de funcionamiento, y por lo
tanto un ahorro por parte del usuario.
Sistema de refrigeración:
La refrigeración no es el proceso de producir frío, es en realidad el
proceso de extraer calor. Para producir frío lo que se hace es transportar
calor de un lugar a otro. Así, el lugar al que se le sustrae calor se enfría. El
sistema de refrigeración de aire debe proporcionar a un ambiente en
condiciones adecuadas de temperatura, humedad, movimiento del aire,
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
23
calidad del aire, ventilación y nivel acústico. El fin de un sistema de
refrigeración es absorber calor del aire, agua o cualquier otra sustancia. ( ver
figura # 1)
Figura 2. Sistema de Refrigeración. (Fuente: Martín ez, F. 2005).
Cualquier sistema de refrigeración consta de los siguientes
componentes:
Equipo de Refrigeración: Compresor, condensador, dispositivo de
expansión y evaporador.
Compresor: Es un dispositivo de desplazamiento positivo en el que
se emplea el ciclo de compresión de vapor, y el cual es aplicado con
refrigerantes que poseen características de bajos volúmenes específicos y
presión relativamente alta.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
24
Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación es
aspirado desde el evaporador por la línea de aspiración hasta la entrada del
compresor. En el compresor, la presión y la temperatura del vapor aumentan
considerablemente gracias a la compresión, entonces al vapor a alta
temperatura y a alta presión es devuelto por la línea de expulsión. Esta etapa
se puede observar entre los puntos 2 y 3 de la figura 1.
Condensador: Se puede definir como el lugar donde se produce el
intercambio de calor que tiene como finalidad licuar el gas proveniente del
compresor. El vapor atraviesa la línea de expulsión hacia el condensador
donde libera el calor hacia el aire exterior. Una vez que el vapor ha
prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva
temperatura de saturación que corresponde a su nueva presión. La etapa de
condensación se muestra entre los puntos 3 y 4 de la figura 1.
El condensador puede ser: Enfriado por aire: Los cuales son
intercambiadores de calor donde el calor absorbido por el refrigerante
durante el proceso de evaporización es entregado al aire.
Enfriado por agua: Donde el agua circula por unos tubos que se
encuentran dentro de un cilindro lleno de refrigerante caliente. El resultado es
que el calor que se quita de la habitación a acondicionar es absorbido por el
agua la cual después es enfriada en una torre de enfriamiento para ser usada
nuevamente en el ciclo.
Evaporador: En el evaporador, el líquido se vaporiza a presión y
temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el
refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Existe un intercambiador de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
25
calor, en el que el calor pasa desde la sustancia que se va a enfriar hasta el
refrigerante en ebullición. Esta sustancia es el aire en el caso del
acondicionamiento ambiental y esta etapa se puede ver entre los puntos 1 y
2 de la figura 1.
Sistema de Expansión directa:
Son equipos autónomos diseñados para acondicionar espacios
individuales o comunes según sean las necesidades.
Se caracteriza por usar refrigerante R134A como medio de
enfriamiento del aire, siendo los condensadores del equipo de refrigeración
enfriados por aire, poseen su propio ciclo de refrigeración (no dependen de
un equipo central).
En general se usan en forma individual, para acondicionar espacios
personales. También existen equipos de mayor potencia para espacios
comunes. Las capacidades de estos equipos oscilan entre 0,5 y 50 toneladas
de refrigeración.
Estos equipos realizan la climatización del ambiente mediante su
conexión a la red de energía eléctrica. No requieren de instalaciones
adicionales más que un drenaje y alimentación eléctrica.
Se dividen:
Equipos compactos
Equipos divididos o Split
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
26
Sistemas centrales:
Son sistemas que centralizan la generación del fluido térmico
encargado de transportar la energía a los locales a acondicionar.
Los sistemas de aire acondicionado central para uso residencial o
comercial mantienen el lugar fresco en los meses más calurosos, mientras
que ayudan a reducir el nivel de humedad en el interior. Los sistemas
incluyen un compresor, un ventilador, un serpentín condensador, un
serpentín evaporador y un refrigerante que extrae el calor del aire interior y lo
transfiere hacia el exterior (dejando el aire frío dentro del hogar para ser
reciclado.) La eficiencia de estos sistemas es medida en rangos EER
(clasificación de Eficiencia Energética.)
Se dividen en:
Todo aire
Aire agua
Todo agua
Todo Aire:
Se basan en que el aire es enfriado directamente por el fluido
refrigerante sin la intervención de un refrigerante indirecto. La distribución de
energía a los diversos locales se realiza mediante aire climatizado que se
impulsa a través de conductos desde las unidades de tratamiento hasta los
elementos terminales. Se subdividen en:
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
27
Compactos o autocontenidos Equipos de techo (Roof - top)
Divididos (Split centrales) y Equipos múltiples (Multisplit)
Equipos compactos de roof: Son aparatos autónomos que contienen
todos los elementos del ciclo de refrigeración y están diseñados para ser
instalados sobre la cubierta del local o en jardines. (Ver figura # 2)
Figura 3. Equipo compacto de Techo.
Fuente: http://www.farq.edu.uy
Equipos divididos (Split central): Son equipos compuestos por dos
unidades separadas. La unidad exterior (compresor más condensador) y la
unidad interior (evaporador) unidas por tuberías por donde circula
refrigerante. (Ver figura # 3). Son más completos que el Equipo compacto
(Roof- top) pues permiten seleccionar la capacidad de modificar la cantidad
de vapor de agua (mayor capacidad de deshumectación del ambiente).
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
28
Figura 3.1. Equipo Dividido central.
Fuente: http://www.farq.edu.uy
Los equipos «Todo Aire» aportan, entre otras, las siguientes ventajas:
Filtración, humidificación y deshumidificación centralizadas.
Funcionamiento silencioso: todos los aparatos móviles se encuentran
situados en un espacio común y reducido, lo que permite un tratamiento
acústico más sencillo. (Los ruidos originados por el flujo de aire en los
conductos y transmitidos de un local a otro deben ser estudiados aparte).
Todo el aire de retorno pasa por la unidad de tratamiento central, por
lo que sufre una nueva filtración y corrección de la humedad, redundando en
una mayor calidad del aire.
El aire de renovación es captado por una única toma exterior, lo que
permite una mejor ubicación de la misma, de forma que los efectos del viento
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
29
en fachada tengan una menor incidencia y que se encuentre alejada de
zonas de evacuación de aire viciado o torres de enfriamiento.
Economía de funcionamiento: en estaciones con temperaturas suaves
todo el aire impulsado a los locales puede provenir del exterior sin ningún
coste adicional, freecooling, sin existir retornos y mejorándose notablemente
la calidad del aire interior.
Mantenimiento centralizado: filtros, sistemas de humidificación y
deshumidificación, intercambiadores del calor y aparatos móviles están
ubicados en un mismo local.
Posibilidad de emplear aparatos de control de las condiciones
ambientales de cada local, sencillos y económicos.
Figura 4. Sistema Central todo Aire
Fuente: www.Frioycalor.cl
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
30
Aire – Agua:
Se basan en la distribución de energía a los diversos locales a través
de circuitos de agua enfriada y aire. Requieren de una central de generación
de agua fría.
Se componen de: unidades centrales de acondicionamiento de aire
(manejadoras de aire) y/o unidades terminales de acondicionamiento de aire,
funcionando estas últimas con agua helada.
Se divide en:
Enfriadores de agua
Manejadores de aire
Inductores de aire
Enfriadores de agua: Son equipos de refrigeración que utilizan el
ciclo de refrigeración para enfriar agua en lugar de enfriar aire. Tienen los
mismos componentes, evaporador, compresor, condensador y válvula de
expansión.
Manejadores de aire: Son equipos compuestos por un intercambiador
de calor agua – aire, construido con tubos aletados, un ventilador movido por
un motor eléctrico, filtros de aire, una bandeja de drenaje y un gabinete
aislado térmicamente con una entrada de aire.
Dentro de los tubos del intercambiador se hace circular agua helada o
agua caliente, lográndose las funciones de calefacción o refrigeración. En la
figura 5 se puede observar el esquema de una unidad central de
acondicionamiento de aire mediante un sistema Aire – Agua.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
31
Figura 5. Sistema de agua aire.
Fuente: http://www.farq.edu.uy
Todo Agua:
Se basan en la distribución de energía a los diversos locales
exclusivamente mediante agua. El agua fría es utilizada por unidades
llamadas ventilador serpentín o (FanCoil) que se instalan en cada ambiente
individual.
Ventilador serpentín o (Fancoil):
Es una unidad Terminal provista básicamente de un ventilador y un
serpentín de intercambio térmico por donde circula agua helada. (Ver figura #
6) Puede disponer también de filtro de aire y batería de calefacción (eléctrica
o agua caliente).
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
32
Figura 6. Unidades terminales de Fancoil.
Fuente: http://www.farq.edu.uy
Sistema Central de Agua Helada:
Estos sistemas se caracterizan por tener un equipo de refrigeración
centralizado y común a todos los ambientes siendo el agua ( se conoce como
agua helada por su baja temperatura ) el medio utilizado para el enfriamiento
y deshumificación del aire y la cual es procesada centralmente por un equipo
conocido como unidad enfriadora de agua o chiller. En la figura # 7 se puede
observar un ejemplo de una unidad enfriadora de aire, cuya función es la
generación del agua helada necesaria , en condiciones requeridas para todas
las unidades de manejo de aire, utilizándose bombas centrifugas para hacer
circular el agua en una red apropiada de tuberías. La figura 8 muestra el
esquema de funcionamiento de un sistema central de agua helada.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
33
Figura 7. Unidad Enfriadora de agua.
Fuente: www.Chiller.com.ve
Figura 8. Sistema Central de Agua Helada.
Fuente: Propia
Figura
Enfriadora de Agua Helada compuesta de dos circuito s.
Las unidades enfriadoras de agua pueden ser de uno o varios circ
de refrigeración, En la figura #
de una unidad enfriadora de agua de dos circuitos.
Las Unidades de manejo de aire (UMA) constan básicamente del
serpentín de enfriamiento y deshumificación y de los ventilado
suministro de aire, siendo su ubicación preferiblemente dentro del local a
acondicionar (generalmente encima del techo raso) o fuera del local (en un
cuarto especial conocido como sala de maquinas) dependiendo
principalmente del espacio requer
función de la capacidad de refrigeración) y de las facilidades que se
dispongan para el mantenimiento de las unidades. Con la ubicación de la
unidad dentro del local a acondicionar, se tiene la alternativa, depen
del área servida, de usar o no conductos de aire, mientras que si la unidad
se coloca afuera del lugar a acondicionar es imprescindible la utilización de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
34
Figura 9. Esquema de Funcionamiento de una Unidad
Enfriadora de Agua Helada compuesta de dos circuito s.
Fuente: Martinez,2007. Tesis de Grado
Las unidades enfriadoras de agua pueden ser de uno o varios circ
de refrigeración, En la figura # 9 se muestra un esquema de funcionamiento
de una unidad enfriadora de agua de dos circuitos.
Las Unidades de manejo de aire (UMA) constan básicamente del
serpentín de enfriamiento y deshumificación y de los ventilado
suministro de aire, siendo su ubicación preferiblemente dentro del local a
acondicionar (generalmente encima del techo raso) o fuera del local (en un
cuarto especial conocido como sala de maquinas) dependiendo
principalmente del espacio requerido por la unidad (El tamaño del equipo es
función de la capacidad de refrigeración) y de las facilidades que se
dispongan para el mantenimiento de las unidades. Con la ubicación de la
unidad dentro del local a acondicionar, se tiene la alternativa, depen
del área servida, de usar o no conductos de aire, mientras que si la unidad
se coloca afuera del lugar a acondicionar es imprescindible la utilización de
. Esquema de Funcionamiento de una Unidad
Enfriadora de Agua Helada compuesta de dos circuito s.
. Tesis de Grado
Las unidades enfriadoras de agua pueden ser de uno o varios circuitos
se muestra un esquema de funcionamiento
Las Unidades de manejo de aire (UMA) constan básicamente del
serpentín de enfriamiento y deshumificación y de los ventiladores para el
suministro de aire, siendo su ubicación preferiblemente dentro del local a
acondicionar (generalmente encima del techo raso) o fuera del local (en un
cuarto especial conocido como sala de maquinas) dependiendo
ido por la unidad (El tamaño del equipo es
función de la capacidad de refrigeración) y de las facilidades que se
dispongan para el mantenimiento de las unidades. Con la ubicación de la
unidad dentro del local a acondicionar, se tiene la alternativa, dependiendo
del área servida, de usar o no conductos de aire, mientras que si la unidad
se coloca afuera del lugar a acondicionar es imprescindible la utilización de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
35
conductos para el transporte del aire con las complicaciones que esto
representa debido al espacio requerido para el paso de ductos. En la figura #
10 se observa como es tratado el aire, tanto para el local a acondicionar
como para el exterior del mismo, dentro de un sistema básico de Unidades
de Manejo de Aire)
Este tipo se sistemas son utilizados generalmente cuando se
requieren de grandes capacidades de refrigeración, básicamente consta de
una o varias unidades enfriadoras de agua donde cada una esta constituida
por: Compresores, condensador, evaporador y válvula de expansión: el
evaporador es un intercambiador de calor de un recipiente (serpentín con
refrigerante y posteriormente agua) el agua del enfriador va a lo largo de las
tuberías de las UMAS, esta agua pasa a través de los serpentines de las
UMAS enfriando el aire que es desplazado por el ventilador. (Ver figura # 11).
La variante de estos sistemas depende de la distribución del agua y aire a
través del tipo de UMA utilizado de acuerdo a los tipos de enfriadores.
Figura 10. Sistema básico de las unidades de manejo de aire.
Fuente: Martínez Urbina, F. (2005).
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
36
Figura 11. Esquema del intercambio de calor entre e l aire y las
tuberías de agua helada.
Fuente: www.caloryfrio.cl
Este tipo de sistema permite una gran individualidad a los ambientes o
locales acondicionados ya que el área servida por cada UMA. Es
acondicionada independientemente y por lo tanto el control de la temperatura
y humedad corresponde a las condiciones particulares de cada espacio.
El sistema central de aire acondicionado por media de agua helada es
recomendable en edificios con gran número de ambientes con horarios y
condiciones de ocupación distinta como son: hoteles, centros médicos,
centros comerciales, edificios de oficinas, etc. Para el caso de los centros
médicos o centros comerciales por ejemplo, es necesario disponer de UMAS
de gran capacidad que manejen un gran caudal de aire en función de las
necesidades requeridas, en la figura 12 se puede observar un ejemplo de
este tipo de UMAS.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
37
Figura 12. Unidad Manejadora de Aire (UMA)
Fuente: Trane.com.ve
3.3.2 Red de Distribución de Agua Helada.
Como parte primordial de un Sistema de Acondicionamiento de Aire,
se debe poner atención en el diseño de los circuitos que conducen el agua
helada a través del sistema.
Los circuitos que transportan fluidos, (conductos o tuberías), deben
ajustarse estrictamente para su diseño, a los lineamientos que se indiquen
según sus normas, incluyendo a los materiales necesarios, válvulas ,
conexiones, e instrumentos de medición que los integran. En los sistemas
de Acondicionamiento de Aire en los que se trabaje por medio de agua
helada se tiene que tener muy en cuenta aspectos muy importantes, Cuando
el sistema lleva una Unidad Enfriadora de Agua y esta tiene Condensador
Enfriado por Agua, requiere de dos circuitos:
Un circuito que transporte y distribuya el Agua Helada que demande la
Carga Térmica del Edificio.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
38
Otro circuito que transporte el Agua de Condensación para
proporcionar el gasto necesario y eliminar el calor rechazado por el
Refrigerante en el Condensador de la Unidad Generadora de Agua, y la
Torre de Enfriamiento.
Cuando la Unidad Generadora de Agua utiliza Condensador Enfriado
por Aire, entonces únicamente se requiere el circuito de agua helada. (Ver
figura #13)
Figura 13. Red de distribución de agua helada para unidades
enfriadoras de agua condensadas por aire. Fuente: Tesis Ing.Oscar Martinez
3.4 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN
Iluminación se refiere al conjunto de dispositivos que se instalan para
producir ciertos efectos luminosos, tanto prácticos como decorativos. Con la
iluminación se pretende, en primer lugar, conseguir un nivel de iluminación, o
iluminancia, adecuado al uso que se quiere dar al espacio, dependerá de la
tarea que los usuarios hayan de realizar.
La fatiga visual se ocasiona si los lugares de trabajo y las vías de
circulación no disponen de suficiente iluminación, ya sea natural o artificial,
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
39
adecuada y suficiente durante la noche y cuando no sea suficiente la luz
natural.
Las instalaciones de iluminación de los locales, de los puestos de
trabajo y de las vías de circulación deberían estar colocadas de tal manera
que el tipo de iluminación previsto no suponga riesgo de accidente para los
trabajadores.
Los locales, los lugares de trabajo y las vías de circulación en los que
los trabajadores estén particularmente expuestos a riesgos en caso de avería
de la iluminación artificial deben contar con una iluminación de seguridad de
intensidad suficiente.
La iluminación deficiente ocasiona fatiga visual en los ojos, perjudica
el sistema nervioso, ayuda a la deficiente calidad de trabajo y es responsable
de una buena parte de los accidentes de trabajo. Un sistema de iluminación
debe cumplir los siguientes requisitos:
La iluminación tiene que ser suficiente y la necesaria para cada tipo de
trabajo.
La iluminación tiene que ser constante y uniformemente distribuida
para evitar la fatiga de los ojos, que deben acomodarse a la intensidad
variable de la luz. Deben evitarse contrastes violentos de luz y sombra, y las
oposiciones de claro y oscuro.
Los focos luminosos tienen que estar colocados de manera que no
deslumbren ni produzcan fatiga a la vista debido a las constantes
acomodaciones.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
40
El rendimiento lumínico de las lámparas incandescentes es de
10 lm/W (lúmenes por vatio). Las lámparas incandescentes halógenas tienen
un rendimiento lumínico de 20 lm/W. La vida útil de este tipo de lámparas es
de 1000 a 2000 horas.
Las lámparas de mercurio de alta presión alcanzan un rendimiento de
40 a 55 lm/W y su duración es de 15000 horas; se utilizan en la iluminación
pública o de grandes espacios. Las lámparas de mercurio halogenadas
incluyen un aditivo de halogenuro metálico que agrega más bandas de
emisión, con lo cual su rendimiento lumínico alcanza los 80 lm/W; se usan
para alumbrado interior o exterior de fachadas, monumentos, etc.
Las lámparas de sodio de alta presión alcanzan un rendimiento de 100
a 120 lm/W, con una vida de hasta 16000 horas. Se usan en alumbrado
público.
3.4.1. Principio de Funcionamiento de una Lámpara F luorescente:
El principal elemento de una lámpara fluorescente es un tubo cargado
de un gas inerte (generalmente Argón) y una pequeña cantidad de Mercurio
a baja presión, el tubo está recubierto en su interior por una capa de pintura
fluorescente (contiene fósforo) y en cada extremo posee un filamento
recubierto de calcio y magnesio.
Para encender la lámpara se utiliza un cebador y para mantener una
diferencia de potencial a través de ésta se utiliza un balastro.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
41
Al accionar el interruptor para el encendido de la lámpara, el flujo de
electrones de la corriente eléctrica al llegar al cebador produce un arco o
chispa entre los dos electrodos situados en su interior, lo que provoca que el
gas neón (Ne) contenido también dentro de la cápsula de cristal, se
encienda. El calor que produce el gas neón encendido hace que una
pequeña placa bimetálica, que forma parte de uno de los dos electrodos del
cebador, se curve y cierre un contacto eléctrico dispuesto entre ambos
electrodos. Cuando el contacto del cebador está cerrado, se establece el flujo
de corriente eléctrica necesaria para que los filamentos del tubo de vidrio se
enciendan, a la vez que se apaga el gas neón.
Los filamentos de Tungsteno encendidos provocan la emisión de
electrones por calentamiento y la ionización del gas Argón (Ar), contenido
dentro del tubo. Esto crea las condiciones previas para que, posteriormente,
se establezca un puente de plasma conductor de la corriente eléctrica por el
interior del tubo, entre un filamento y otro.
La placa bimetálica del cebador, al dejar de recibir el calor que le
proporcionaba el gas neón encendido, se enfría y abre el contacto dispuesto
entre los dos electrodos. La fuerte corriente que fluye por dentro del tubo
producida por el balastro, provoca que los electrones comiencen a chocar
con los átomos del gas Argón, aumentando la cantidad de iones y de
electrones libres. Como resultado se crea un puente de plasma, es decir, un
gas compuesto por una gran cantidad de iones y de electrones libres, que
permite que estos se muevan de un extremo a otro del tubo.
Esos electrones libres comienzan a chocar con una parte de los
átomos de Mercurio (Hg) contenidos también dentro del tubo, que han
pasado del estado líquido al gaseoso debido a la energía que liberan dichos
electrones dentro del mismo. Los choques de los electrones libres contra los
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
42
átomos de Mercurio excitan a sus electrones, haciendo que liberen fotones
de luz ultravioleta.
Figura 14 .Esquema de Funcionamiento de una Lámpara Fluorescente.
Fuente: www.wikipedia.com/Schematic of the installation of a fluorescent
lamp
Los fotones de luz ultravioleta invisibles para el ojo humano, impactan
a continuación contra la capa de Fósforo (P) que recubre la pared interior del
tubo fluorescente. El impacto excita los electrones de los átomos de Fósforo
(P) los que emiten, a su vez, fotones de luz visible, que hacen que el tubo se
ilumine con una luz fluorescente blanca.
El impacto de los electrones que se mueven por el puente de plasma
contra los dos electrodos situados dentro del tubo, hace que éstos se
mantengan calientes (a pesar que los filamentos se encuentran ya
apagados). Mantener caliente esos dos electrodos se hace necesario para
que la emisión de electrones continúe y el puente de plasma no se extinga.
Las lámparas de tubos fluorescentes tienen la ventaja sobre las lámparas de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
43
bombillos incandescentes, que utilizan menor energía eléctrica para generar
la misma cantidad de luz, además de tener una vida útil más larga.
3.4.2 Sistema automático de luces
El control de la iluminación y sus estrategias
Para el ahorro de energía en los sistemas de iluminación no basta con
la instalación de equipos de iluminación de alta eficiencia, aunque
necesariamente este debe ser el primer paso. Se debe complementar con
equipos de control automático, por ejemplo sensores de presencia, sensores
de movimiento, timers o tableros de control, con los que se puede obtener
importante porcentaje adicional de ahorro en el consumo de energía.
Dispositivos de control
La forma más simple de mejorar la eficiencia en los sistemas de
iluminación es apagándola cuando no se necesite. El equipo más sencillo
para controlar el encendido y apagado de los equipos de iluminación son los
interruptores, que van desde los más simples como los apagadores de pared
o tan complicados como los sistemas digitales que controlan a todo un
edificio. Los interruptores son la base de cualquier estrategia de
programación; también pueden ser utilizados para esquemas de adaptación -
compensación de luz natural.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
44
Control Automático
Estos dispositivos pueden ser utilizados en conjunto para integrar un
sistema completo que sea capaz de manejar varias estrategias de control
para un gran número de luminarias.
Relojes (Timers):
La forma más fácil de programación es utilizando unidades de tiempo.
Su aplicación más sencilla es la de encender las luces a una hora
determinada y la de apagarlas a otra, como en sistemas de iluminación para
exteriores.
Existen unidades más complejas que permiten una programación para
los 365 días del año y con ajustes para cada estación.
Timers que operan eléctricamente y accionan el inte rruptor
mecánicamente:
Este tipo de dispositivos mecánicos se encuentran en versiones de 24
horas y de 7 días, algunos otros tienen ajustes astronómicos para compensar
las variaciones en la duración del día y la noche de acuerdo a la estación del
año.
Timers electrónicos:
Aquellos que utilizan circuitos integrados, de bajo costo, alta
precisión, que incorporan funciones como calendarios y ajustes astronómicos
para 365 días. Este tipo de dispositivos controlan la energía de los circuitos
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
45
por medio de relevadores. Algunos tienen la posibilidad de manejar dos o
más relevadores con diferentes horarios, por lo general, tienen una batería
de respaldo por si falla el suministro de energía eléctrica.
Sensores de Presencia
Este tipo de dispositivos fueron desarrollados en un principio para la
industria de la seguridad, debido a su alta confiabilidad en la detección de
personas en el lugar de su instalación. Su funcionamiento es sencillo ya que
mientras no se detecte la presencia de alguna persona en el lugar, no
enciende las luces. La mayoría pueden ser calibrados para determinar el
tiempo entre la última detección y el apagado de la iluminación.
Los modelos más eficientes requieren que el usuario encienda las
luces en el área controlada, mientras que la función de apagado es
automática.
Este tipo de controles proporcionan un ahorro potencial entre el 25 y
50% y funcionan con alguna de las tres técnicas explicadas a continuación.
Detector PIR (pasivo infrarrojo):
Los detectores PIR reaccionan sólo ante determinadas fuentes de
energía tales como el cuerpo humano. Estos captan la presencia detectando
la diferencia entre el calor emitido por el cuerpo humano y el espacio
alrededor.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
46
Con objeto de lograr total confiabilidad, algunas marcas integran
además, un filtro especial de luz que elimina toda posibilidad de falsas
detecciones causadas por la luz visible (rayos solares), así como circuitos
especiales que dan mayor inmunidad a ondas de radio frecuencia.
Detector ultrasónico:
Son sensores de movimiento que utilizan el principio Doppler. Dado
que la cobertura ultrasónica puede "ver" a través de puertas y divisiones, es
necesario darle una ubicación adecuada para evitar así, posibles detecciones
fuera de la zona deseada. Las áreas con alfombra gruesa y materiales anti-
acústicos absorben el sonido y pueden reducir la cobertura. La eficiencia del
sensor también puede verse alterada por el flujo excesivo de aire (provocado
por aires acondicionados, ventiladores, calefacción, etc.)
Detector dual:
La tecnología Dual combina las tecnologías PIR y Ultrasónica,
permitiendo así el control de iluminación en áreas donde sensores de una
sola tecnología pudieran presentar deficiencias en la detección, dicha
combinación permite que el sensor aproveche las mejores características de
ambas tecnologías, ofreciendo así mayor sensibilidad y exactitud de
operación.
Los sensores de presencia se colocan generalmente en los siguientes
lugares:
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
47
Techo
Para cubrir toda el área del cuarto y evitar interferencia. Los sensores
omnidireccionales (o para centro) son utilizados en espacios rectangulares,
tales como oficinas y salones de clases. Los sensores unidireccionales (o
para esquina o pared) se utilizan en grandes oficinas o salas de juntas. Los
bidireccionales se utilizan en corredores, bibliotecas e iglesias.
Pared
Este tipo de sensores sustituyen directamente a interruptores de pared
y los mejores incluyen un interruptor manual. Algunos se diseñan con un
sensor fotoeléctrico incorporado, lo cual evita que las luces se enciendan
cuando existe aportación de luz natural suficiente; sin embargo, no detectan
el nivel de iluminación en el plano de trabajo.
En general, los sensores de presencia son efectivos cuando se aplican
en oficinas privadas, salones de clase, ciertas áreas de los aeropuertos y en
todos aquellos lugares con visitas esporádicas y que no requieren de una
iluminación constante.
3.5 AUTOMATIZACIÓN
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto
de elementos tecnológicos.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
48
a. Parte de Mando
b. Parte Operativa
La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son
los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación
deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores
de las máquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores
como fotodiodos, finales de carrera.
La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología
programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés
electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos
(tecnología cableada) . En un sistema de fabricación automatizado el
autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de
comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
3.5.1. Objetivos de la automatización
a. Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la
producción y mejorando la calidad de la misma.
b. Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los
trabajos penosos e incrementando la seguridad.
c. Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o
manualmente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
49
d. Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las
cantidades necesarias en el momento preciso.
e. Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera
grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
f. Integrar la gestión y producción.
3.5.2. Evolución de los sistemas para la automatiza ción.
a) Control Manual
Características:
Excesiva intervención humana.
Operación riesgosa.
Baja calidad.
Sólo para procesos simples.
Figura 14. Diagrama de control manual. Fuente: Barr iola, 2008
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
50
b. Control Manual, con instrumentos de medición.
Características:
Excesiva intervención humana.
Operación menos riesgosa.
Baja calidad.
Sólo para procesos simples.
Figura 15. Diagrama de control manual con instrumen tos de
medición
Fuente: Barriola, 2008.
c. Control automático local (neumático).
Características:
Intervención humana moderada.
Poca capacidad de adaptación
Lazos locales de control.
Alto mantenimiento.
Poca capacidad de supervisión central.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
51
Manejo manual de la información.
Figura 16. Diagrama de control automático
Fuente: Barriola, 2008
3.6 SISTEMA DE CONTROL
En un sistema de aire acondicionado la función primordial de los
controles es mantener las condiciones de diseño interior del ambiente
(temperatura, humedad); tomando en consideración que el sistema
frecuentemente opera a carga parcial pero es seleccionado para su
operación en el día de diseño cuando se tiene la máxima carga térmica en
dicho ambiente.
3.6.1 Componentes de un sistema de control.
Cada sistema de control tiene los siguientes componentes:
Variable controlada: condición como la temperatura o humedad que
deberá ser controlada.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
52
Controlador: consistente de dos partes básicas, el elemento sensor
que recibe la señal externa y el elemento de control o transmisor que
compara el valor de la variable controlada con el valor deseado y genera una
acción al componente controlado para hacer el ajuste correspondiente.
Fuente de energía: medio de potencia para la transmisión de la acción
del controlador, puede ser aire comprimido, energía eléctrica, etc.
Componente controlado: elemento que recibe la acción del controlador
como válvulas, compuertas, motor del ventilador.
Agente de control: medio que regula el componente controlado, como
agua circulando por la válvula, aire a través de una compuerta, corriente
eléctrica de un motor.
Equipo de control: la regulación del agente de control cambia sus
condiciones de operación, como el ventilador, serpentín de enfriamiento y
deshumidificación, el compresor.
Para el ajuste continuo de la variable controlada, el sistema deberá
responder continuamente a la señal de retroalimentación.
3.6.2 Elementos transmisores.
Entre los elementos transmisores de la señal recibida por el elemento
sensor del controlador se tiene:
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
53
Contactos eléctricos: Consiste de dos contactos eléctricos conectados
al componente controlado. Muy utilizados con un elemento bimetálico como
sensor, el cual al moverse debido a cambios en la temperatura abre o cierra
un circuito eléctrico que actúa sobre el componente controlado.
Interruptor de mercurio: Consiste de un tubo de vidrio con una
pequeña cantidad de mercurio en su interior. El mecanismo sensor bascula el
tubo, con mucha suavidad sobre su centro, haciendo el mercurio el papel de
conductor para conectar o desconectar los terminales del circuito eléctrico.
Puente de Wheatstone: utiliza generalmente un elemento de
resistencia como sensor: Consiste en un circuito eléctrico que suministra un
voltaje proporcional a la señal recibida. Este voltaje es muy pequeño y por lo
tanto es amplificado.
Un tipo de relé usa un solenoide. El núcleo de hierro en el circuito de
bajo voltaje actúa como un magneto cuando recibe la energía eléctrica, tira
de la armadura de contacto haciendo la conexión en el circuito de alto voltaje.
Neumático tipo purga: la acción del sensor sobre una chapaleta
modifica su posición y con ello la presión del aire variando así la posición del
componente controlado.
Relé eléctrico: frecuentemente utilizados con controladores y en otras
partes de un circuito de control. Este dispositivo electromecánico abre o
cierra un circuito eléctrico cuando la señal es recibida desde otro circuito
eléctrico.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
54
a. Funcionamiento de un Contactor. Funcionamiento d e los
Contactores y Relés:
Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un
campo magnético intenso de manera que el núcleo atrae con un movimiento
muy rápido. Al producirse este movimiento, todos los contactos del Contactor
(tanto principales como auxiliares) cambian de posición. Para volver los
contactos a su posición inicial reposo basta con desenergizar la bobina.
La corriente absorbida por la bobina es relativamente elevada debido
a que prácticamente la única resistencia es el conductor con que está hecha
la bobina. En estas condiciones, el Cos 5 (factor de potencia) es alto (0,8 a
0,9) y la reactancia inductiva muy baja por existir mucho entrehierro entre el
núcleo y la armadura.
Una vez cerrado el circuito magnético la impedancia de la bobina
aumenta, de manera tal que la corriente de llamada se reduce
considerablemente. La corriente formada se la denomina de mantenimiento
o trabajo. Ésta es mucho más baja - de 6 a 10 veces menos a la corriente de
llamada.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
55
Clasificación de los Contactores:
A) Por tipo de corriente que alimenta la bobina: AC o DC
B) Por la función y la clase de contactos:
1. Contactores principales (con contactos principales y
auxiliares)
2. Contactores Auxiliares (con contactos únicamente auxiliares)
C) Por la carga que pueden maniobrar (o categoría de empleo):
1. AC1: cargas no inductivas o débilmente inductivas, cuyo
factor de potencia es mínimo 0,95.
2. AC2: para arranques de motores de anillos, inversión de
marcha, frenado por contracorriente, marcha a impulsos de motores
de anillos, cuyo factor de potencia es de 0,3 a 0,7.
3. AC3: para el control de motores jaula de ardilla que se
apagan a plena marcha y que en el arranque consumen de 5 a 7
veces la intensidad normal.
4. AC4: Arranque de motores de rotor en cortocircuito,
inversión de marcha, marcha a impulsos, frenado por contracorriente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
56
Figura 16. Esquema de Funcionamiento de un Contactor.
b. Termistores:
Compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor
es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor
térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativo de valor muy
elevado.
Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la
denominaci6n NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos
especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la
temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient).
En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura
ambiente puede disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de
temperatura.
1. Contactos móviles. 2 - Contactos Fijos. 3. Hierro móvil. 4. Muelle antagonista. 5 - Bobina. 6. Espira de sombra (en corriente alterna). 7. Hierro fiio. 8. Cimentación bobina.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
57
Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el
termistor resulte muy adecuado para mediciones precisas de temperatura,
utilizándoselo ampliamente para aplicaciones de control y compensación en
el rango de 150ºC a 450ºC.
El termistor se fabrica a partir de óxidos metálicos comprimidos y
sintetizados. Los metales utilizados son níquel, cobalto, manganeso, hierro,
cobre, magnesio y titanio, como típicas se pueden considerar las
preparaciones de óxido de manganeso con cobre y óxido de níquel con cobre
. Modificando las proporciones de óxido se puede variar la resistencia básica
un termistor ; se dispone de termistores con resistencias básicas a 25 ºC
desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms.
Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura
tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño
tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos
especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y
protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que
trabajar.
Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en
superficies o cementados.Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable,
aluminio, plástico, bronce u otros materiales.
Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son
los glóbulos, las sondas y los discos. Los glóbulos se fabrican formando
pequeños elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos
separados unos 0,25 mm (fig. l). Normalmente recubiertos con vidrio por
razones de protección, son extremadamente pequeños (0,15 mm a 1,3 mm
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
58
de diámetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rápida a variaciones
de temperatura.
Figura 17. Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo
glóbulo con diferentes tipos de terminales - b. Tip o disco - c. Tipo barra
.
Tabla 2 . Sensibilidades relativas de termistores, termorresistencias y
termocuplas.
Las sondas son glóbulos con conductores de extensión sellados
dentro de puntas de varillas de vidrio sólidas con diámetros de 0,76 mm a
2.54 mm y largos de 6,3 mm a 50 mm. Las sondas de vidrio resultan por lo
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
59
general robustas y más fáciles de montar que los glóbulos pero tienen una
mayor constante de tiempo y requieren más espacio.
Los discos se fabrican prensando el material bajo una presión de
varias toneladas dentro de un molde redondo, lográndose piezas cilíndricas
planas. Resultan útiles para las sondas de medición de temperatura en
superficies donde se deben sensar un área relativamente grande .
Características de los termistores
En comparación con las termocuplas y las termorresistencias, el
termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad.
Posiblemente, una ventaja importante esté en la extremadamente elevada
sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura, lo cual puede
apreciarse en la Tabla 2.
Los termistores NTC poseen elevadas resistencias a baja temperatura,
pero sus resistencias disminuyen exponencialmente a medida que crece la
temperatura. Por el contrario, las resistencias de los metales como ser
platino, níquel y cobre aumentan linealmente con la temperatura fig. 18).
Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de
alcances amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado
grandes para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo
instrumento; alcances de alrededor de 100K suelen ser lo máximo admisible.
Los termistores resultan particularmente útiles para medir alcances
reducidos de temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
60
resistencia; por ejemplo, la resistencia de un termistor típico varía 156 ohms
de 0ºC a 1ºC , mientras la del platino varía tan sólo 0,385 ohm.
La elevada resistencia de los termistores no sólo hace aumentar la
sensibilidad, posibilitando la medición de alcances reducidos de temperatura,
sino también permite la conexión bifilar. La resistencia del alambre de
conexión y los efectos de la temperatura ambiente son despreciables si se
los compara con la resistencia del termistor y las variaciones de resistencia.
La estabilidad del termistor es una de las características que están
bajo estudio. Recientemente se ha desarrollado una técnica de deposición
electrónica de radiofrecuencia que produce sensores de SiC de película
delgada adecuados para temperaturas entre 100ºC y 450ºC. y se dicen que
sufren un cambio de resistencia menor del 3% luego de 2.000 horas a 400ºC.
La linealidad es otra área donde se registran importantes avances.
Actualmente se está fabricando un termistor que puede mantenerse lineal
dentro de 0,5ºC desde 65ºC hasta 200ºC. La especificación es estrictamente
válida sólo para potencia cero, puesto que los problemas de disipación de
calor interfieren con el de desempeño, pero el fabricante sostiene que los
errores son mínimos a los niveles prácticos de corriente y tensión.
La linealización también puede obtenerse mediante un diseño
adecuado del circuito de medición La linealización digital suele ser
considerada efectiva para la mayoría de los termistores con un rango de
trabajo no mayor a 1000 ohms. Para los sistemas analógicos opera los
sistemas digitales que se estima funcionarán más allá de ese rango, la
práctica normal es emplear un resistor secundario en paralelo con el
termistor de forma de linealizarlo y también poder hacerlo intercambiable con
sensores del mismo tipo (fig.3) Con esta solución, por lo general, su
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
61
coeficiente de temperatura decrece muchísimo, pero sin llegar a los valores
típicos de una termorresistencia metálica.
Figura 18. Relación R t + R20 en función de la temperatura para
termorresistencias metálicas (Pt, Cu, Ni) y para te rmistores NTC con
coeficientes α20 entre 20. 103 y 60. 103
Rt Resistencia a la temperatura de trabajo o.
R20 Resistencia a 20°C.
α20 Variación media de la resistencia a 20°C.
Consideraciones mecánicas o físicas
Las especificaciones mecánicas se refieren a:
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
62
Tamaño y configuración adecuados para el uso previsto, como ser el
método de montaje el elemento sensor expuesto o encerrado,
terminación, etc., lo que, a su vez, determina la constante de
disipación y la constante de tiempo.
Material a utilizarse para la construcción del conjunto sensor del
termistor, lo cual depende del medio (como ser aire, agua, aceite,
etc.), longitud de exposición y medio corrosivo, niveles de choque,
vibración y humedad , temperatura de operación y rango de
temperatura, presión del medio al que se halla expuesto el termistor,
etc.
Todas estas consideraciones son las mismas que se deben tener en
cuenta para los casos ya vistos de termocuplas y termorresistencias.
Consideraciones eléctricas.
Las consideraciones eléctricas se refieren en forma somera a aquellas
características de un termistor que pueden determinarse mediante un ensayo
eléctrico.
La resistencia y la tolerancia a cierta temperatura de referencia.
La constante de disipación, que es la potencia, generalmente en mW
que hará subir la temperatura del termistor 1°C por encima de la
temperatura ambiente; esta constante queda determinada en cierta
medida por el tipo y tamaño del termistor utilizado, y por el método de
montaje.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
63
La constante de tiempo, que es el tiempo, en segundos, para que todo
el conjunto cambie su propia temperatura un 63% de como lo haría a
partir de su temperatura original hasta alguna temperatura final al
estar sometido a una variación escalón de temperatura; también
queda determinado en cierta medida por el tipo y tamaño del termistor
utilizado, y por el método de montaje.
El coeficiente de temperatura o la variación de resistencia por cada
grado de variación de temperatura del termistor.
Valores de resistencia en los extremos del alcance de
temperatura.
Se deben considerar tres factores:
Antes que nada, si la curva del termistor. será positiva o negativa
(PTC o NTC). Por lo general y su difusión lo confirma, en la medición
de temperaturas se utiliza el NTC , salvo para casos de compensación
de alguna variable a que forzosamente deba ser de característica
PTC. Entonces considerando un termistor NTC, los otros dos factores
a considerar son:
La resistencia máxima a bajas temperaturas no debe ser demasiado
alta para poder satisfacer las necesidades de los circuitos asociados
como ser amplificador, lectura, etc. Si la resistencia a bajas
temperaturas es muy alta, se debe considerar la posibilidad de
captación de señales espurias. Si por otras razones es necesaria una
elevada resistencia y la captación es un problema. se aconseja utilizar
líneas blindadas, filtros y alimentación CC .
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
64
La resistencia mínima a elevadas temperaturas no debe ser
demasiado baja para poder satisfacer las necesidades del
amplificador, lectura, etc. Si la resistencia a elevadas temperaturas es
demasiado baja, se deben tener en cuenta los posibles errores
debidos a las resistencias de contacto, a la resistencia de línea y a la
variación de la resistencia de línea para variaciones de la temperatura
ambiente.
Sensibilidad.
La mayoría de las aplicaciones tienen una tolerancia expresada en
unidades de temperatura. En cambio, los termistores suelen
especificarse en términos de tolerancia de resistencia. Es una
característica de los termistores que una tolerancia de resistencia fija
sobre un alcance de temperatura sea equivalente a una tolerancia de
temperatura que es menor en el extremo de temperaturas bajas y
mayor en el extremo de temperaturas altas.
Autocalentamiento.
La potencia (PR) disipada en el termistor hará subir su temperatura
por encima de la ambiente. El incremento de temperatura es una
función directa de la constante de disipación del termistor con su
montaje dentro del medio ambiente donde opera.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
65
Aplicaciones .
Según la utilización, pueden encontrarse en el mercado termistores
con valores entre 100 ohms y 30 K ohms, los de uso más frecuente se
encuentran en la franja entro 1K y 5K ohms. Dentro de estos valores,
tal como se mencionó anteriormente, no influyen los pequeños valores
de resistencia correspondientes a los conductores de extensión o los
propios del termistor.
El rango de temperatura de uso más difundido es entre ?50°C y
200°C, a pesar de haber algunos que alcanzan los 45 0°C.
Su aplicación más frecuente es como sensor de temperatura para
mediciones rápidas en sondas manuales que acompañan a los
termómetros portátiles electrónicos, hoy más difundidos.
Su desventaja es su falta de estabilidad en el tiempo y su gran
dispersión en comparación con las termorresistencias, que pueden
fabricarse con valores de resistencia superiores (Pt 500 y Pt 1000),
mayores exactitudes y valores normalizados universalmente que
garantizan su intercambio sin calíbraci6n previa.
La ventaja más importante es su pequeña masa, lo que permite
velocidades de respuesta muy altas.
Figura 18. Termistor NTC utilizado en el Sistema
Fuente: Marval, S. (2008)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
66
3.6.3 Componentes controlados.
Entre estos equipos se encuentran: las válvulas reguladoras del
caudal de agua o refrigerante y las compuertas reguladoras del flujo de aire.
Válvulas
Los equipos trabajan frecuentemente a carga parcial y por lo tanto las
válvulas deben regular las distintas condiciones de cargas térmicas. Se
pueden clasificar, de acuerdo al número de pasos para el flujo en válvulas de
dos y tres vías. En la figura 42 se pueden observar estos tipos de válvulas.
Las válvulas de control se pueden clasificar, de acuerdo a su característica
de regulación en tres grupos:
a) Apertura rápida
b) Lineal
c) Igual porcentaje
Entre los accionadores u operadores de las válvulas se tienen
principalmente los motores eléctricos, solenoides y para válvulas neumáticas
un diafragma, resorte o pistón.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
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Figura 17 Válvulas motorizadas de dos y tres vías
Fuente: Catálogo de Fan Coil Air Stream. Carrier.
Compuertas.
La variable controlada se puede mantener mediante las compuertas
automáticas variando, mezclando o desviando el flujo de aire.
Las compuertas se pueden clasificar, de acuerdo a la
disposición de las hojas o paletas en:
Paralelas: Las paletas se mueven en el mismo sentido, paralelamente
unas a otras. Muy utilizadas para el control de dos posiciones (abierto-
cerrado).
Opuestas: Las paletas contiguas se mueven en sentidos opuestos.
Son utilizadas cuando se requiere regulación del flujo de aire.
Los accionadores de las compuertas pueden ser neumáticos
(pistones), eléctricos (motores) y deben tener la fuerza necesaria para vencer
la resistencia del aire y el rozamiento de las articulaciones.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
68
3.6.4 Variable del Proceso, Set Point y Error.
La variable medida que se desea estabilizar (controlar) recibe el
nombre de variable de proceso ("process value") y se abrevia PV. Un buen
ejemplo de variable de proceso es la temperatura, la cual mide el instrumento
controlador mediante un termopar o una Pt100.
Otro ejemplo de una PV puede ser un caudal (litros/minuto), este se
mide mediante algún sensor y su transductor adecuado que entreguen una
señal de 4 a 20 mA proporcional al caudal. La corriente 4 a 20 mA entra al
controlador en donde se reescala a las unidades originales de la PV.
Ejemplos adicionales de PV pueden ser velocidad, presión, humedad,
etc cada una de las cuales se mide con el sensor apropiado y se convierten
comúnmente a 4...20mA para ingresar al control.
En adelante durante todo este tutorial se usará la temperatura como
ejemplo de PV por ser lo más intuitivo. Esto no hace perder generalidad,
pues todo lo que se hable sobre temperatura y hornos es perfectamente
análogo a sistemas de control de velocidad, presión, etc.
Set Point SP
El valor prefijado (Set Point, SP) es el valor deseado de la variable de
proceso, es el valor al cual el control se debe encargar de mantener la PV.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
69
Por ejemplo en un horno la temperatura actual es 155 °C y el
controlador esta programado de modo de llevar la temperatura a 200°C.
Luego PV=155 y SP=200.
Error
Se define error como la diferencia entre la variable de proceso PV y el
set point SP, E = SP – PV.
En el ejemplo anterior E = (SP - PV) = (200°C - 155 °C) = 45 °C
Recuerde que el error será positivo cuando la temperatura sea menor que el
set point, PV < SP .
3.7 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)
3.7.1. Conceptos Básicos:
a) Definición de PLC:
Un PLC ( Controlador Lógico Programable) es un dispositivo
electrónico de estado sólido que puede controlar un proceso o una máquina y
que tiene la capacidad de ser programado o reprogramado rápidamente
según la demanda de la aplicación. Fue inventado para remplazar los
circuitos secuenciales basados en relés que eran necesarios para el control
de las máquinas. El PLC funciona monitoreando sus entradas, y
dependiendo de su estado, activando y desactivando sus salidas. El usuario
introduce al PLC un programa, usualmente vía Software, lo que ocasiona que
el PLC se comporte de la manera deseada.
Los PLCs son usados en muchas aplicaciones: Maquinado de piezas,
Embaladoras, Manipulación de materiales, ensamblado automático, y en
general cualquier tipo de aplicación que requiera de controles eléctricos
puede usar más bien un PLC.
Figura 19. Aplicación
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
70
Figura 18 - Aspecto físico de un PLC.
s son usados en muchas aplicaciones: Maquinado de piezas,
Embaladoras, Manipulación de materiales, ensamblado automático, y en
general cualquier tipo de aplicación que requiera de controles eléctricos
puede usar más bien un PLC.
Aplicación típica de un PLC. Fuente: infoPLC.com
Aspecto físico de un PLC.
s son usados en muchas aplicaciones: Maquinado de piezas,
Embaladoras, Manipulación de materiales, ensamblado automático, y en
general cualquier tipo de aplicación que requiera de controles eléctricos
infoPLC.com
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
71
3.7.2 Breve historia de los PLC.
Los PLCs fueron introducidos por primera vez a finales de 1960. La
razón principal para introducir tal dispositivo fue la de eliminar el gran costo
que representaba remplazar los sistemas de control basados en lógica de
relés. En 1968, una expresa consultora llamada Bedford Associates (Bedford,
MA) diseño para la General Motors un dispositivo de control que llamaron
Controlador Digital Modular (Modular Digital Controller, MODICON) 084.
Otras compañías al mismo tiempo propusieron esquemas de control basados
en computadoras, uno de los cuales se basó en el PDP-8. El MODICON 084
representó el primer PLC en el mundo dentro de la producción comercial.
La razón principal que impulsó este nuevo tipo de control fue que
cuando cambiaba los requerimientos de producción, también lo hacia el
sistema de control, y esto se tornaba costoso sobre todo cuando los cambios
eran frecuentes. También, como los relés son elementos mecánicos, ellos
tienen un período de vida limitado y además requieren de un estricto
programa de mantenimiento. Igualmente, la resolución de problemas en la
lógica de control era muy tediosa sobre todo cuando estaban involucrados
gran cantidad de relés; y los paneles de control de las máquinas incluían
cada vez más funciones que si se utilizaba lógica a relés, estos incluirían
cientos de ellos, lo que ocasiona el problema inicial del difícil cableado de los
paneles.
Estos nuevos controladores también tenían que ser fáciles de
programar por los ingenieros de planta y de mantenimiento. El tiempo de vida
tenía que ser largo y los cambios en la programación de las funciones debía
ser fácilmente realizable. También, los nuevos controladores debían poseer
cualidades para resistir a los severos ambientes industriales. La respuesta a
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
72
este lote de planteamientos era usar técnicas de programación que ya le
fueran familiares a los técnicos de plantas(diagramas de contacto: LADDER)
y a la par remplazar los relés electromecánicos por unos que fueran de
estado sólido.
A mediados de los 70 la tecnología dominante en los PLCs eran las
maquinas secuenciadoras de estados y los bit-Slice based CPU. El AMD
2901 y 2903 eran bastante populares en los PLCs de Allen Bradley y en los
de MODICON. Los microprocesadores convencionales carecían de la
potencia para satisfacer los requerimientos de lógica en todo los PLCs
excepto en los más pequeños. Según como los microprocesadores
convencionales evolucionaron, en esa misma medida se construyeron PLCs
cada vez más grandes y potentes.
Las posibilidades de comunicación comienzan a aparecer
aproximadamente en 1973. El primero de tales sistemas fue el ModBus de
MODICON. Los PLCs pueden a partir de aquí comunicarse con otros PLCs
distantes e intercambiar con ellos datos de las máquinas controladas.
Igualmente se pueden usar para enviar y recibir voltajes variables lo que les
permite entrar al mundo analógico. Desdichadamente, la carencia de
estandarización acoplada con los continuos cambios tecnológicos hicieron la
comunicación entre los PLCs un mar negro de redes y protocolos
incompatibles.
En los 80 se vio el intento por estandarizar las comunicaciones con el
Protocolo de Automatización de la Manufactura de la General Motors (MAP).
En este tiempo también se redujo el tamaño de los PLCs y se hicieron
programables mediante la programación simbólica desde computadores
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
73
personales PCs en vez de mantener los terminales de programación
dedicados o programadores "handheld". Hoy, el PLC más pequeño en el
mundo es del tamaño de un simple relé de control.
En los 90 se vio una gradual reducción en la introducción de nuevos
protocolos, y en la modernización de las capas físicas de alguno de los más
populares protocolos que sobrevivieron a la década de los 80. El último
standard (IEC 1131-3) ha tratado de unificar los lenguajes de programación
de los PLCs bajo un único standard internacional. Actualmente hay PLC que
son programables en diagramas de Bloques de Funciones, Lista de
instrucciones, "C++" y texto estructurado, Diagrama de Contactos(LADDER)
y GRAFCET al mismo tiempo.
3.7.3 Características sobresalientes de los PLCs.
a. Poseen memoria volátil y no volátil.
Tanto el programa de aplicación escrito por el usuario como los datos
internos del PLCs, normalmente es guardado en una RAM (memoria volátil),
lo que le permite tener un acceso más veloz a las instrucciones de programa
y a los datos internos de registros, contadores, temporizadores, bits internos,
etc. También, una vez que se ha depurado el programa de aplicación, los
PLCs permiten la opción de salvaguardar el programa en memorias tipo
EEPROM (no volátiles) para así recuperar el mismo en caso de un corte muy
prolongado de energía que ocasiona una perdida de datos de la RAM.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
74
Figura 20 Tipos de memorias en un PLC.
b. Capacidad modular de entradas / salidas.
Esto permite la combinación de distintos niveles y tipos de señal de
entrada, así como también el manejo de salidas para distintos tipos de carga.
Igualmente si la aplicación crece, y se requiere mayor número de entradas /
salidas, casi sin ningún problema los PLCs pueden adecuarse al nuevo
requerimiento.
Figura 21. Capacidad modular de los PLCs.
647
c. Auto diagnóstico
El PLC monitorea el funcionamiento de su CPU, Memoria y circuito de
interfases de entrada y de salida, e igualmente
funcionamiento del pro
medio de LEDs en su cara frontal el estado respectivo. Obviamente esta
capacidad es de gran utilidad para efectos de mantenim
fallas.
d. Programación de la lógica de control.
Esto permite la fácil adaptación a los cambios en la lógica de
operación de las máquinas y procesos.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
75
Auto diagnóstico de fallas.
El PLC monitorea el funcionamiento de su CPU, Memoria y circuito de
de entrada y de salida, e igualmente monitorea el correcto
funcionamiento del pro grama de aplicación. En ambos casos señaliza por
medio de LEDs en su cara frontal el estado respectivo. Obviamente esta
capacidad es de gran utilidad para efectos de mantenimiento y corrección de
Figura 22. Visualizador de status del PLC.
Programación de la lógica de control.
Esto permite la fácil adaptación a los cambios en la lógica de
operación de las máquinas y procesos.
Figura 23. Lógica programada.
El PLC monitorea el funcionamiento de su CPU, Memoria y circuito de
monitorea el correcto
grama de aplicación. En ambos casos señaliza por
medio de LEDs en su cara frontal el estado respectivo. Obviamente esta
iento y corrección de
Visualizador de status del PLC.
Esto permite la fácil adaptación a los cambios en la lógica de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
76
e. Capacidad para generar reportes y comunicarse co n otros
sistemas.
Con esta facilidad se pueden integrar interfaces de explotación
Hombre-Máquina, sacándole al sistema mayor cantidad de información.
Igualmente los PLCs pueden participar en redes de datos comunicándose
con otros PLCs para formar sistemas de control distribuidos, o integrándose
a las redes administrativas de la producción.
Figura 24. Capacidad de comunicación.
3.8 VENTAJAS DE LOS PLCS SOBRE LA LÓGICA A RELÉS.
Tabla 2. Comparación entre PLCs y RELES
LÓGICA CON PLCs LÓGICA CON RELES
Flexibilidad de configuración y
programación.
Costosos cambios de hardware
Rápidos cambios de la lógica de
control.
Mayor tiempo de cambios en la lógica de
control
Amplia variedad de funciones: Relés,
Contadores, Temp., Secuenciadores,
Registros, etc.
Pocas funciones: Relés, Contadores,
Temporizadores
Reducción de espacio Mayor espacio relativo
Montaje fácil y rápido Montaje lento y tedioso
Localización fácil y rápida de averías y
fallas
Búsqueda lenta y más difícil de averìas
Alta confiabilidad. Elementos de
estado sólido
Poca confiabilidad. Partes
mecánicas
Múltiples contactos NO, NC Máximo de 4 a 6 contactos
Consumo de energía reducido Mayor consumo de energía
Reducción del costo a medida que
aumenta la complejidad del proceso
A partir de 15 o 20 relés, el costo
comparativo supera el costo con PLCs
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.9. DISEÑO CONCEPTUAL
Figura 25. Diseño conceptual de un PLC. Fuente: Bar riola, J.
(2002)
3.10 ARQUITECTURA BÁSICA DE UN PLC
Figura 26. Arquitectura básica de un PLC. Fuente: B arriola, J.
(2002)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.11 DISEÑO FUNCIONAL DEL PLC
Figura 27. Diseño Funcional de un PLC. Fuente: Barr iola, J.
(2002)
3.11.1. Modo de Operación del PLC
Paso 1 Diagnóstico interno
En este paso el PLC revisa su circuitería interna en busca de defectos
de entradas, salidas, CPU, memorias y batería. También revisa el
WATCHDOG y los desbordamiento de memoria para revisar fallas en el
programa de aplicación.
Chequear el status de las entradas
El PLC primero le hecha un "vistazo" a cada una de las entradas
para determinar si están activadas o desactivadas. En otras
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
palabras , el PLC pregunta, ¿ Estará el sensor conectado en la
primera entrada accionado? ¿ Como está el de la segunda
entrada? ¿ Y el tercero... ? y así sucesivamente
Guarda estos datos en su memoria para ser usado durante la
siguiente etapa.
Paso 2 Ejecución del programa
Después, el PLC ejecuta su programa una instrucción a la
vez. Posiblemente su programa diga que si la primera entrada
está activada entonces que se accione la primera salida.
Ya que, desde la etapa anterior, éste ya sabe que entradas
están accionadas o apagadas, será capaz de decidir si la primera
salida tendría que prender basándose en el estado de la primera
entrada.
Este guardará los resultados de la ejecución para ser usados
más tarde en la siguiente etapa.
Paso 3 Actualización del status de las salidas
Finalmente el PLC actual iza el status de las salidas. Las
actualiza de acuerdo a que entradas estuvieron activadas durante
el primer paso y los resultados de la ejecución de su programa
durante el segundo paso.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
De acuerdo al ejemplo del paso 2 ahora prendería la primera
salida ya que la primera entrada estuvo accionada y su programa
dijo, prender la primera salida cuando esta condición sea
verdadera.
Después del tercer paso el PLC retorna al paso 1 y repi te los
pasos continuamente.
Figura 28. Descripción del ciclo SCAN de un PLC
Fuente: www.infoPLC.com
El tiempo de un "scan" es definido como el tiempo que se toma para
ejecutar los 3 pasos listados arriba. El tiempo requerido para realizar un
SCAN puede oscilar entre 1 y 100 milisegundos y depende de:
El número de entradas y salidas Involucradas.
La longitud del programa del usuario.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
El número y t ipo de periféricos conectados al
autómata
El SCAN se da en término de milisegundos por cada mil
instrucciones (mseg/K).
Figura 29. Diagrama de modo de operación de un PLC.
Fuente: Barriola, J. (2002)
3.12 Tipos de Entrada / Salida a los PLCs.
Las entradas y salidas a un PLC le sirven para controlar y monitorear
las máquinas y procesos. Existen básicamente dos tipos de entradas /
salidas a los PLCs: Entradas-Salidas discretas, y Entradas-Salidas
analógicas. Las entradas discretas, también conocidas como entradas
digitales, son las que poseen dos estados: ON u OFF. Provienen de
Pushbottons, detectores de proximidad, interruptores de posición, etc. En la
condición de ON, una entrada discreta puede ser llamada como un 1 o como
un ALTO, mientras que en la condición de OFF se conoce como un 0 o como
un BAJO.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Las salidas discretas tienen también dos condiciones posibles: ON u
OFF. Ellas van a servir a las bobinas de los contactores, a válvulas
solenoides, a luces pilotos, etc.
Por su parte las entradas analógicas son voltajes o corrientes
continuas que provienen de procesos de control de temperatura, presión,
flujo, nivel, etc. Típicamente son señales cuyo rango es de 4 a 20 mA DC, o
señales de rango de 0 a 10 voltios DC.
Las salidas analógicas son señales de corriente o voltaje continuo.
Pueden ser tan simples como un nivel de 0 a 10 voltios que maneje un
voltímetro analógico, o un poco más complejas como señales de corriente
que manejen convertidores corriente - presión de aire que a su vez sirvan a
actuadores como lo son Servo válvulas para el control de flujo. Igualmente,
con la interfase adecuada, servirían a otros tipos de actuadores dentro de
esos mismos procesos como lo son: servomotores, controles de potencia de
hornos, etc.
3.12.1 Entradas al PLC.
Las entradas a los PLCs son poco variadas. Las más populares son
las DC (Fuente o Sumidero) y las AC. Los rangos típicos de voltajes de
entrada listados en orden de popularidad son los siguientes:
12 - 24 Vdc
100-120 Vac
5 Vdc(TTL)
200-240 Vac
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
48 Vdc
24 Vac
El PLC debe convertir esta variedad de niveles lógicos de voltaje a
niveles de voltaje de lógica TTL (5 Vdc). Para lograr esto utiliza dos
interfaces circuitales típicas: DC a TTL, y AC a TTL.
Una primera vista comparativa del uso de entradas DC o AC se da a
continuación:
Los voltajes DC usualmente son más bajos (12 - 24 V) y por lo tanto
es menos riesgoso operar con ellos.
Las entradas DC son muy rápidas. Las entradas AC requieren de un
tiempo mayor para ser reconocida.
Los voltajes DC pueden ser conectados a una gran variedad de
equipos y sistemas eléctricos.
Las señales AC son más inmunes al ruido que las señales DC, por eso
pueden cubrir mayor distancia y ambientes ruidosos.
El suministro AC es más fácil y menos costoso al momento de
alimentar equipos eléctricos.
Las señales AC son muy comunes en muchos equipos de
automatización.
3.12.2 Entradas DC.
Típicamente existen módulos de entradas DC que trabajan a 5, 12, 24,
o 48 voltios, pero el de uso más popular
entradas DC permiten conectar sensores transistorizados del tipo PNP
(fuente) o NPN (sumidero). Si se está usando un switch convencional
(interruptores o pushbutton) no hay cuidado si las entradas son NPN o PNP.
Sin embargo, si se está usando un sensor electrónico (fotoeléctricos, de
proximidad, etc.) se debe tener cuidado que su configuración de salida sea
compatible con el tipo de entrada (NPN o PNP) del PLC. La diferencia entre
los dos tipos es que la carga (en este caso
es conectado a un voltaje positivo. Un sensor tipo NPN conmuta la carga a
tierra, mientas que un sensor tipo PNP suministra a la carga un voltaje
positivo.
Figura 30.
En este tipo de sensor se conecta uno de los terminales de salida al
PLC, mientras que el otro se conecta a la referencia de la fuente de
alimentación. Si el sensor no es alimentado de la misma fuente que alimenta
al PLC, los negativos de ambas fuentes deben u
terminal de referencia común. Los sensores NPN son de uso común mas que
todo en Norte América.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Entradas DC.
Típicamente existen módulos de entradas DC que trabajan a 5, 12, 24,
o 48 voltios, pero el de uso más popular es el de 24 VDC. Los módulos de
entradas DC permiten conectar sensores transistorizados del tipo PNP
(fuente) o NPN (sumidero). Si se está usando un switch convencional
(interruptores o pushbutton) no hay cuidado si las entradas son NPN o PNP.
, si se está usando un sensor electrónico (fotoeléctricos, de
proximidad, etc.) se debe tener cuidado que su configuración de salida sea
compatible con el tipo de entrada (NPN o PNP) del PLC. La diferencia entre
los dos tipos es que la carga (en este caso el PLC) es conmutada a tierra o
es conectado a un voltaje positivo. Un sensor tipo NPN conmuta la carga a
tierra, mientas que un sensor tipo PNP suministra a la carga un voltaje
Figura 30. Etapa de salida de un sensor tipo NPN (Sumidero).
ste tipo de sensor se conecta uno de los terminales de salida al
PLC, mientras que el otro se conecta a la referencia de la fuente de
alimentación. Si el sensor no es alimentado de la misma fuente que alimenta
al PLC, los negativos de ambas fuentes deben unirse entre sí para formar un
terminal de referencia común. Los sensores NPN son de uso común mas que
todo en Norte América.
Típicamente existen módulos de entradas DC que trabajan a 5, 12, 24,
es el de 24 VDC. Los módulos de
entradas DC permiten conectar sensores transistorizados del tipo PNP
(fuente) o NPN (sumidero). Si se está usando un switch convencional
(interruptores o pushbutton) no hay cuidado si las entradas son NPN o PNP.
, si se está usando un sensor electrónico (fotoeléctricos, de
proximidad, etc.) se debe tener cuidado que su configuración de salida sea
compatible con el tipo de entrada (NPN o PNP) del PLC. La diferencia entre
el PLC) es conmutada a tierra o
es conectado a un voltaje positivo. Un sensor tipo NPN conmuta la carga a
tierra, mientas que un sensor tipo PNP suministra a la carga un voltaje
Etapa de salida de un sensor tipo NPN (Sumidero).
ste tipo de sensor se conecta uno de los terminales de salida al
PLC, mientras que el otro se conecta a la referencia de la fuente de
alimentación. Si el sensor no es alimentado de la misma fuente que alimenta
nirse entre sí para formar un
terminal de referencia común. Los sensores NPN son de uso común mas que
En los sensores tipo PNP se conecta uno de los terminales de salida
al positivo de la fuente, mientras que el otro se conecta a la
entrada del PLC. Si el sensor no es alimentado por la misma fuente que
alimenta al PLC, se deben conectar ambos V+'s entre sí. Los sensores tipo
PNP son más comúnmente usados en Europa.
Figura 31
Dentro del sensor el transistor actúa como un switch estático. Es decir,
la circuitería interna de procesamiento del sensor habilita al transistor de
salida para que se active cuando por ejemplo sea detectada la presencia de
un objetivo. De esta
conexiones que se muestra arriba (V+ y entrada del PLC).
3.12.3 Entradas AC.
Un voltaje AC es uno que no posee polaridad, es decir, no hay positivo
o negativo por el cual preocuparse a la hora de la co
este tipo de entrada posee la desventaja de ser algo peligrosa (SHOCK
eléctrico) si no se toman las precauciones debidas. Los módulos de entrada
AC que existen típicamente trabajan con voltajes de 24, 48, 110, y 220
voltios.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
En los sensores tipo PNP se conecta uno de los terminales de salida
al positivo de la fuente, mientras que el otro se conecta a la
entrada del PLC. Si el sensor no es alimentado por la misma fuente que
alimenta al PLC, se deben conectar ambos V+'s entre sí. Los sensores tipo
PNP son más comúnmente usados en Europa.
Figura 31 . Etapa de salida de un sensor tipo PNP (
Dentro del sensor el transistor actúa como un switch estático. Es decir,
la circuitería interna de procesamiento del sensor habilita al transistor de
salida para que se active cuando por ejemplo sea detectada la presencia de
un objetivo. De esta manera el transistor cerrará el circuito entre las 2
conexiones que se muestra arriba (V+ y entrada del PLC).
Entradas AC.
Un voltaje AC es uno que no posee polaridad, es decir, no hay positivo
o negativo por el cual preocuparse a la hora de la conexión. Sin embargo
este tipo de entrada posee la desventaja de ser algo peligrosa (SHOCK
eléctrico) si no se toman las precauciones debidas. Los módulos de entrada
AC que existen típicamente trabajan con voltajes de 24, 48, 110, y 220
En los sensores tipo PNP se conecta uno de los terminales de salida
al positivo de la fuente, mientras que el otro se conecta a la correspondiente
entrada del PLC. Si el sensor no es alimentado por la misma fuente que
alimenta al PLC, se deben conectar ambos V+'s entre sí. Los sensores tipo
Etapa de salida de un sensor tipo PNP (Fuente).
Dentro del sensor el transistor actúa como un switch estático. Es decir,
la circuitería interna de procesamiento del sensor habilita al transistor de
salida para que se active cuando por ejemplo sea detectada la presencia de
manera el transistor cerrará el circuito entre las 2
Un voltaje AC es uno que no posee polaridad, es decir, no hay positivo
nexión. Sin embargo
este tipo de entrada posee la desventaja de ser algo peligrosa (SHOCK
eléctrico) si no se toman las precauciones debidas. Los módulos de entrada
AC que existen típicamente trabajan con voltajes de 24, 48, 110, y 220
Los módulos de entradas AC son menos comunes que los de entrada
DC. La razón es que la gran mayoría de los sensores actuales utilizan salidas
transistorizadas (NPN o PNP), y un transistor no trabaja con polarizaciones
AC.
3.12.4. Entrada AC
La conexión típica de los elementos de entrada AC a los módulos del
PLC se muestra en la figura de arriba. Comúnmente la línea activa (fase) se
conecta a los switch, mientras que el neutro se conecta a la entrada común
del PLC. El terminal de ater
carcasa del PLC.
Los únicos terminales accesibles al usuario son los marcados como
COMÚN, ENTRADA 0000, ENTRADA xxxx. Un switch ordinario como por
ejemplo un limit switch, pushbutton, etc; debe ser conectado d
los terminales de entrada. Un terminal del switch se conecta al conductor
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
s de entradas AC son menos comunes que los de entrada
DC. La razón es que la gran mayoría de los sensores actuales utilizan salidas
transistorizadas (NPN o PNP), y un transistor no trabaja con polarizaciones
Figura 32. Entrada AC
Entrada AC al PLC.
La conexión típica de los elementos de entrada AC a los módulos del
PLC se muestra en la figura de arriba. Comúnmente la línea activa (fase) se
conecta a los switch, mientras que el neutro se conecta a la entrada común
del PLC. El terminal de aterramiento de la red AC debe ser conectado a la
Los únicos terminales accesibles al usuario son los marcados como
COMÚN, ENTRADA 0000, ENTRADA xxxx. Un switch ordinario como por
ejemplo un limit switch, pushbutton, etc; debe ser conectado d
los terminales de entrada. Un terminal del switch se conecta al conductor
s de entradas AC son menos comunes que los de entrada
DC. La razón es que la gran mayoría de los sensores actuales utilizan salidas
transistorizadas (NPN o PNP), y un transistor no trabaja con polarizaciones
La conexión típica de los elementos de entrada AC a los módulos del
PLC se muestra en la figura de arriba. Comúnmente la línea activa (fase) se
conecta a los switch, mientras que el neutro se conecta a la entrada común
ramiento de la red AC debe ser conectado a la
Los únicos terminales accesibles al usuario son los marcados como
COMÚN, ENTRADA 0000, ENTRADA xxxx. Un switch ordinario como por
ejemplo un limit switch, pushbutton, etc; debe ser conectado directamente a
los terminales de entrada. Un terminal del switch se conecta al conductor
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
activo y el otro terminal va a la entrada del PLC. Esto por supuesto asume
que el terminal común esta conectado al neutro.
Finalmente, vale mencionar que típicamente una entrada AC toma
más tiempo para que el PLC la vea que la que toma para una entrada DC.
Sin embargo en muchos casos esto no representa un problema ya que
normalmente los elementos de entrada AC son switch o elementos
mecánicos que son bastantes lentos en su reacción. Es común que un PLC
requiera que la entrada este ON por 25 o más milisegundos antes de que él
la valide. Estos tiempo son requeridos para efectos de filtrado de las entradas
del PLC.
3.12.5 Entradas Discretas
Figura 33. Diagrama de entradas discretas Fuente: Barriola, J.
(2002)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.12.6 Salidas Discretas
Figura 34. Diagrama de salidas discretas Fuente: Barriola, J.
(2002)
3.12.7 Modulo AI
Figura 35. Circuito equivalente de modulo AI. Fuente: Barriol a, J.
(2002)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.12.8 Modulo AO
Figura 36. Circuito equivalente de modulo AO. Fuente: Barriol a,
J. (2002)
3.18.6. Conversión Analógica/Digital
Figura 37. Digitalización de la señal analógica y s u
correspondiente almacenamiento en el equipo. Fuente : Barriola,
J.(2002)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Figura 38. Conversion Digital Analógica del valor d el registro
del equipo
Fuente: Barriola, J.(2002)
3.13 DIAGRAMA DE ESCALERAS (RLL)
El lenguaje de programación LADDER (escalera) permite representar
gráficamente el circuito de control de un proceso dado mediante el uso
simbólico de contactos N.A. y N.C., temporizadores, contadores, registros de
desplazamiento, relés, etc. Este tipo de lenguaje debe su nombre a su
similitud con los diagramas eléctricos de escalera.
El programa en lenguaje LADDER, es realizado y almacenado en la
memoria del PLC (sólo en ciertos tipos de PLC´s que están preparados para
ello) por un individuo (programador). El PLC lee el programa LADDER de
forma secuencial (hace un scan o barrido), siguiendo el orden en que los
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
renglones (escalones de la escalera) fueron escritos, comenzando por el
renglón superior y terminando con el inferior.
En este tipo de programa cada símbolo representa una variable lógica
cuyo estado puede ser verdadero o falso. Dispone de dos barras verticales
que representan a la alimentación eléctrica del diagrama; la barra vertical
izquierda corresponde a un conductor con tensión y la barra vertical derecha
corresponde a la tierra o masa.
A continuación se muestra la simbología más comúnmente usada en la
elaboración de diagramas de escalera, según la normativa IEC-1131:
INPUT:
Representa a una entrada normalmente abierta. Este componente
puede representar a una entrada física del PLC o a una entrada lógica
asociada a un relé interno (auxiliar) del PLC.
Figura 39. Símbolo de Contacto normalmente abierto
NC-INPUT:
Representa a una entrada normalmente cerrada. Este componente
puede representar a una entrada física del PLC o a una entrada lógica
asociada a un relé interno (auxiliar) del PLC.
Figura 40. Símbolo de Contacto normalmente cerrado.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Es importante destacar que tanto los contactos asociados a las
entradas del PLC como los contactos de los relés internos o auxiliares del
mismo, pueden constituir configuraciones lógicas AND, OR, NOT, XOR, etc.
(tal y como se vió en la unidad I de este portal), o en forma general, pueden
estar representados en las conocidas "tablas de la verdad" a fines de activar
o desactivar a salidas específicas del PLC o a relés internos del mismo.
OUTPUT:
Representa a un dispositivo genérico de salida que puede estar
asociado a una salida física del PLC o a una salida lógica del diagrama
escalera (por ej. una bobina de un relé interno del PLC).
Figura 41. Símbolo de Salida, bobina de relé.
TOF:
Este dispositivo representa a un temporizador con retardo a la
desconexión.
Al aplicar un nivel lógico alto en la entrada IN, inmediatamente se
activa la salida Q. En este punto, si se corta la señal en la entrada IN, es
cuando comienza a transcurrir el tiempo en el temporizador. Cuando el
tiempo programado (aplicado a la entrada PT) ha transcurrido
(permaneciendo cortada la señal en la entrada IN), la salida Q se desactiva.
Esta condición se mantendrá mientras la entrada IN permanezca sin señal. Si
se aplica nuevamente un nivel lógico alto a la entrada IN antes de que el
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
temporizador alcance su tiempo programado, la cuenta del tiempo se pondrá
en cero y la salida Q se activará. El pin de salida ET indica el tiempo actual
transcurrido.
Figura 42. Símbolo de Temporizador con retardo a la
desconexión.
TON:
Este dispositivo representa a un temporizador con retardo a la
conexión.
Al aplicar un nivel lógico alto en la entrada IN, comienza a transcurrir
el tiempo en el temporizador. Cuando el tiempo programado (aplicado a la
entrada PT) ha transcurrido (manteniendo la señal en la entrada IN), la salida
Q se activa. Esta condición continuará hasta que se corte la señal en la
entrada IN. Si la señal en la entrada IN es cortada antes de que el
temporizador alcance su tiempo programado, la cuenta del tiempo se pondrá
en cero y la salida Q se desactivará. El pin de salida ET indica el tiempo
actual transcurrido.
Figura 43. Símbolo de Temporizador con retardo a la conexión.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
TP:
Este tipo de temporizador tiene el mismo comportamiento del
temporizador de simple-tiro o monoestable. Cuando una transición de flanco
ascendente (de OFF a ON) es detectada en la entrada IN, la salida Q se
activa. Esta condición continuará hasta que hasta que el temporizador
alcance su tiempo programado en la entrada PT. Luego de que transcurra el
tiempo programado en el temporizador, la salida Q permanecerá activa
siempre y cuando se mantenga la señal en la entrada IN. Este temporizador
no es re-disparable, es decir, que luego de que comience a transcurrir el
tiempo en el temporizador, no se podrá detener sino hasta que se complete
la sesión. El pin de salida ET indica el tiempo actual transcurrido.
Figura 44. Símbolo de Temporizador con retardo al p ulso.
CTD:
Representa a un contador descendente. Un flanco ascendente en la
entrada CD (count-down) decrementará la cuenta en 1. La salida Q se
activará cuando la cuenta actual sea igual o menor que cero. Si se le aplica
un nivel lógico alto en la entrada LD (load), el contador se cargará (carga
asíncrona) con el valor que tenga la entrada PV (programmed value). El pin
de salida CV (counter value) indica el valor actual de la cuenta.
Figura 45. Símbolo de Contador descendente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
CTU:
Representa a un contador ascendente. Un flanco ascendente en la
entrada CU (count-up) incrementará la cuenta en 1. Cuando la cuenta actual
alcance al valor fijado en la entrada PV, la salida Q se activará. Si se le aplica
un nivel lógico alto en la entrada R (reset), el contador se pondrá en cero
(puesta a cero asíncrona). El pin de salida CV indica el valor actual de la
cuenta.
Figura 46. Símbolo de Contador ascendente.
CTUD:
Representa a un contador programable ascendente/descendente.
Un flanco ascendente en la entrada CU incrementará al contador en 1,
mientras que un flanco ascendente en la entrada CD lo decrementará en 1.
Si se le aplica un nivel lógico alto en la entrada R, el contador se pondrá en
cero. Una nivel lógico alto en la entrada LD cargará al contador con el valor
que tenga la entrada PV. La salida QU se activa cuando la cuenta actual sea
mayor o igual que el valor fijado en la entrada PV. La salida QD se activa
cuando la cuenta actual sea menor o igual que cero. El pin de salida CV
indica el valor actual de la cuenta.
Figura 47. Símbolo de Contador ascendente/descenden te.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.14 Rango de los PLCs Según sus E/S
Figura 48. Rango de PLC´s
Fuente: Barriola, J.(2002)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.15. SUMARIO DE INSTRUCCIONES DE LOS PLC
Figura 49. Diagrama de lógica de control automático
Fuente: Barriola, J. (2002)
3.16 DIAGRAMA DE CONEXIONES DE UN PLC:
Para este caso tomaremos como referencia al autómata TSX07 de
Telemecanique (de 16 E/S). Este autómata consta de 9 entradas y 7 salidas.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Las entradas son identificadas como:
%I0.0, %I0.1, %I0.2, %I0.3, %I0.4, %I0.5, %I0.6, %I0.7, %I0.8,etc…
y las salidas como:
%Q0.0, %Q0.1, %Q0.2, %Q0.3, %Q0.4, %Q0.5, %Q0.6.
A continuación se muestra el diagrama de conexiones asociadas a
las entradas y salidas del autómata en estudio:
Figura 50. Diagrama de conexiones del autómata TSX0 7 de
Telemecanique (de 16 E/S).
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Pasos a seguir para programar tareas en un PLC:
Figura 51. Pasos para la programación de tareas en un PLC.
3.17 PLC TWIDO DE SHNEIDER ELECTRIC
El TWIDO es un controlador fabricado por Schneider Electric para
aplicaciones de automatización y control pequeñas a medianas, donde el
número total de entradas/salidas a manejar no llegue a 300. Conectado en
red, sin embargo, permite expandir la capacidad de entradas/salidas a unas
cuantas miles.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
A continuación se resumen las características más importantes del
TWIDO.
El TWIDO es un controlador que puede venir en dos modelos:
TWIDO Compacto
TWIDO Modular
Ambos modelos vienen con un determinado número de
entradas/salidas incorporadas, como se indica a continuación.
El TWIDO Compacto está disponible en las siguientes versiones de
I/O:
10 I/O
16 I/O
24 I/O
El TWIDO Modular está disponible en las siguientes versiones de I/O:
20 I/O
40 I/O
En el caso de algunos de los módulos TWIDO se pueden añadir
expansiones de I/O. Existen 14 tipos de módulos de expansión de I/O
discretas y 4 tipos de módulos de expansión de I/O analógicas.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Además el TWIDO se puede complementar con una o varias de las
siguientes opciones:
Cartucho de memoria
Cartucho RTC (Reloj en Tiempo Real)
Adaptadores de comunicación
Módulos de expansión de comunicación (sólo para el TWIDO
modular)
Módulo de visualización del operador (sólo para el TWIDO
compacto)
Módulo de expansión con visualización del operador (sólo para
el TWIDO modular)
Simuladores de señales de entrada
Cables de programación
Cables para I/O digitales
Kit TELEFAST para I/O
Las tablas que se incluyen a continuación resumen todas las
características físicas y funcionales del TWIDO.
La tabla 2. enumera todos los tipos de controladores (módulos)
TWIDO y resume sus características principales.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Nombre del controlador Número de parte Cantidad y tipo de I/O Alimentación
Compacto de 10 I/O TWDLCAA10DRF 6 entradas de 24 VDC
4 salidas a relé
100-240 VAC
Compacto de 16 I/O TWDLCAA16DRF 9 entradas de 24 VDC
7 salidas a relé
100-240 VAC
Compacto de 24 I/O TWDLCAA24DRF 14 entradas de 24 VDC
10 salidas a relé
100-240 VAC
Modular de 20 I/O TWDLMDA2ODUK 12 entradas de 24 VDC
8 salidas transistor (sink)
24 VDC
Modular de 20 I/O TWDLMDA2ODTK 12 entradas de 24 VDC
8 salidas transistor (source)
24 VDC
Modular de 20 I/O TWDLMDA2ODRT 12 entradas de 24 VDC
6 salidas a relé
2 salidas transistor (source)
24 VDC
Modular de 40 I/O TWDLMDA4ODUK 24 entradas de 24 VDC
16 salidas transistor (sink)
24 VDC
Modular de 40 I/O TWDLMDA4ODTK 24 entradas de 24 VDC
16 salidas transistor (source)
24 VDC
Tabla 3. Resumen de características de todos los modelos TWIDO
La tabla 3 enumera los 14 tipos de módulos de expansión de
entradas/salidas discretas para TWIDO, y resume sus características
principales.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Tipo de Módulo Número de parte Tipo de I/O Tipo de Conexión
ENTRADAS DISCRETAS
8 puntos de entrada TWDDDI8DT 24 VDC Bloque terminal
extraíble
16 puntos de entrada TWDDDI16DT 24 VDC Bloque terminal
extraíble
16 puntos de entrada TWDDDI16DK 24 VDC Conector
32 puntos de entrada TWDDDI32DK 24 VDC Conector
SALIDAS DISCRETAS
8 puntos de salida TWDDDO8UT Transistor (Sink) Bloque terminal
extraíble
8 puntos de salida TWDDDO8TT Transistor (Source) Bloque terminal
extraíble
8 puntos de salida TWDDRA8RT Relé Bloque terminal
extraíble
16 puntos de salida TWDDRA16RT Relé Bloque terminal
extraíble
16 puntos de salida TWDDDO16UK Transistor (Sink) Conector
16 puntos de salida TWDDDO16TK Transistor
(Source)
Conector
32 puntos de salida TWDDDO32UK Transistor (Sink) Conector
32 puntos de salida TWDDDO32TK Transistor (Source) Conector
ENTRADAS / SALIDAS MIXTAS
4 puntos de entrada
4 puntos de salida
TWDDMM8DRT Entradas: 24VDC
Salidas: Relé
Bloque terminal
extraíble
16 puntos de entrada
8 puntos de salida
TWDDDM24DRF Entradas: 24VDC
Salidas: Relé
Bloque terminal NO
extraíble
Tabla 4. Resumen de características de todos los módulos de I/O
digitales TWIDO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
La tabla 4 enumera 4 tipos de módulos de expansión de
entradas/salidas analógicas para TWIDO, y resume sus características
principales
Tipo de Módulo Número de parte Tipo de I/O Tipo de Conexión
2 entradas analógicas de
alto nivel
TWDAMI2HT 12 bits; 0-10 V; 4-20 mA Bloque terminal
extraíble
1 salida analógica de alto
nivel
TWDAMO1HT 12 bits; 0-10 V; 4-20 mA Bloque terminal
extraíble
2 entradas analógicas /
1 salida analógica de alto
nivel
TWDAMM3HT 12 bits; 0-10 V; 4-20 mA Bloque terminal
extraíble
2 entradas analógicas de
bajo nivel, 12 bits.
1 salida analógica de alto
nivel, 12 bits.
TWDALM3LT 2 entradas: Termocupla
(K,J,T), y PT100
1 salida: 0-10V; 4-20 mA,
Bloque terminal
extraíble
Tabla 5. Resumen de características de todos los módulos de I/O
analógicos TWIDO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
La tabla 5 enumera algunas de las opciones del sistema TWIDO.
Nombre del accesorio opcional Número de parte
Módulo de visualización del operador TWDXCPODC
Módulo de expansión con módulo de visualización del operador TWDXCPODM
Cartucho RTC (Reloj Tiempo Real) TWDXCPRTC
Cartucho de memoria 32 K EEPROM TWDXCPMFK32
Cartucho de memoria 64 K EEPROM TWDXCPMFK64
Adaptador de comunicaciones, RS 485, mini DIN TWDNAC485D
Adaptador de comunicaciones, RS 232, mini DIN TWDNAC232D
Adaptador de comunicaciones, RS 485, terminal TWDNAC485T
Módulo de expansión de comunicaciones, RS 485, mini-DIN TWDNOZ485D
Módulo de expansión de comunicaciones, RS 232, mini-DIN TWDNOZ232D
Módulo de expansión de comunicaciones, RS 485, terminal TWDNOZ485T
Simuladores: de 6, de 9 y de 14 entradas discretas TWDXSIM6/9/14
Cable PC a Controlador TSXPCX1031
Cable de comunicación mini DIN a cable libre TSXCX100
Tabla 6. Algunos accesorios opcionales que ofrece TWIDO
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
3.14. TIPOS DE COMUNICACIÓN:
3.14.1. Redes Ethernet:
Ethernet se refiere a las redes de área local y dispositivos bajo el
estándar IEEE 802.3 que define el protocolo CSMA/CD, la norma de Ethernet
fue definida por el Instituto para los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
(IEEE) como IEEE Standard 802.3. Adhiriéndose a la norma de IEEE, los
equipos y protocolos de red pueden inter-operar eficazmente.
Ethernet basa su operación en el protocolo MAC CSMA/CD, en el que
una estación con un paquete de datos listo para enviar, retarda la transmisión
hasta que "sense" o verifique que el medio por el cual se va a trasmitir, se
encuentre libre o desocupado. Después de comenzar la transmisión existe un
tiempo muy corto en el que una colisión puede ocurrir, este es el tiempo
requerido por las estaciones de la red para "sensar" en el medio de
transmisión.
Ethernet es actualmente uno de los protocolos más usados en redes
de área local. Es popular porque permite un buen equilibrio entre velocidad,
costo y facilidad de instalación. Estos puntos fuertes, combinados con la
amplia aceptación en el mercado y la habilidad de soportar virtualmente
todos los protocolos de red populares, hacen a Ethernet la tecnología ideal
para la red de la mayoría los usuarios de la informática actual. Adhiriéndose
a la norma de IEEE, los equipos y protocolos de red pueden inter-operar
eficazmente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Los elementos de una red Ethernet son: los nodos de red y el medio
de interconexión. Los nodos de red pueden clasificarse en dos grandes
grupos: Equipo Terminal de Datos (DTE) y Equipo de Comunicación de
Datos (DCE). Los DTE son dispositivos de red que generan o que son el
destino de los datos: como las PC, las estaciones de trabajo, los servidores
de archivos, los servidores de impresión; todos son parte del grupo de las
estaciones finales. Los DCE son los dispositivos de red intermediarios que
reciben y retransmiten los paquetes de datos dentro de la red; pueden ser:
ruteadores, conmutadores (switch), concentradores (hub), repetidores o
interfaces de comunicación. Cada tarjeta de red posee una dirección MAC
única, que permite la identificación del dispositivo en la red, así como una
dirección IP.
3.14.2. Protocolo de Comunicaciones Modbus:
Modbus es un protocolo de comunicaciones de red basado en la
arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor. Este protocolo fue
desarrollado por la compañía Modicon en el año 1979 para la comunicación
de PLCs y se ha convertido en el protocolo más difundido y utilizado para la
comunicación de equipos electrónicos industriales.
Existen dos variantes del protocolo Modbus, con diferentes
representaciones numéricas de los datos y detalles de protocolo ligeramente
desiguales. Modbus RTU es una representación binaria compacta de los
datos. Modbus ASCII es una representación legible del protocolo pero menos
eficiente. Ambas implementaciones del protocolo son serie. El formato RTU
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
finaliza la trama con suma de control de redundancia cíclica (CRC), mientras
que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia longitudinal
(LRC). La versión Modbus/TCP es muy semejante al formato RTU, pero
estableciendo la transmisión mediante paquetes.
3.14.3. TCP/IP.
Un una red Modbus cada dispositivo posee una dirección única.
Cualquier dispositivo puede enviar órdenes Modbus, aunque lo habitual es
permitirlo sólo a un dispositivo maestro. Cada comando Modbus contiene la
dirección del dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos
reciben la orden pero sólo el destinatario la ejecuta (salvo un modo especial
denominado "Broadcast"). Cada uno de los mensajes incluye información
redundante que asegura su integridad en la recepción. Los comandos
básicos Modbus, permiten controlar un dispositivo Terminales Remotos
(RTU) para modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el
contenido de dichos registros.
3.14.4. GSM o GPRS
Existe gran cantidad de módems que aceptan el protocolo Modbus.
Algunos están específicamente diseñados para funcionar con este protocolo.
Existen implementaciones para conexión por cable, Inalámbricos, SMS o
GPRS.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
CAPÍTULO IV
MARCO METODOLÓGICO
Cada trabajo de investigacion debe seguir lineamientos
preestablecidos gracias al estudio y planificacion del proyecto,para realizar
asi de manera ordenada cada uno de los pasos hasta la conclusion del
mismo, optimizando asi su tiempo de ejecucion. Este capítulo se basará en
la descripcion de las etapas a cubrir para la realizacion de este trabajo
especial de grado.
4.1. Etapa Documental
Al momento de realizar un proyecto, se deben conocer todas las
variables que intervienen en él, para ello se debe profundizar en lo que se
posee y lo que se quiere lograr. En el caso particular de la automatización de
los sistemas de aire acondicionado e iluminacion para edificios, se debe
estudiar la apliacacion de cada ambiente esto quiere decir, las condiciones
de temperatura y humedad dependiendo de su utilización asi como las
características, secuenciación, configuración, especificaciones técnicas y
estado de funcionamiento de los sistemas de aire acondicionado para poder
establecer las variables a controlar.
Dichas variables dependerán de la informacion registrada en los
sensores es necesario investigar sobre los diferentes sensores y actuadores
involucrados en el proceso de control, para escoger mediante un analisis en
donde las variables predominantes son funcionalidad, costo, campo de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
aplicación, compatibilidad entre otras, los elementos que mejor se adapten al
tipo de diseño de aire acondicionado central.
Realizar la descripcion detallada e inventario de equipos y elementos
involucrados tanto en el sistema de aire acondicionado central como en el
sistema de iluminacion del edificio, discretizando la informacion por
ambientes a automatizar.
Se debe ahondar mas en conocimientos sobre los controladores
lógicos programables (PLC), sus tipos,fabricantes, versatilidades para
diversas aplicaciones, asi como los modulos de ampliacion necesarios para
efectuar la implementación del sistema de control, tales como los modulos de
comunicación via internet o protocolos dedicados dependiendo de las
diferentes marcas, que pueden ser por cable o de forma inalámbrica, o
tambien via GSM o SMS. Asi mismo dominar los software para la correcta
programacion y configuracion del PLC.
Por ultimo establecer los requerimientos civiles, mecánicos,
informaticos y electricos necesarios para la instalacion del sistema de control,
incluyendo sensores y actuadores.
4.2. Etapa de Diseño
Esta etapa comprende el diseño del sistema de control a instalar en el
edificio,desde la elaboracion de planos de la infraestructura, el
establecimiento de las variables a controlar, el diseño de la arquitectura del
sistema y la elaboración tanto del programa a utilizar por el PLC para
funcionar de forma independiente, como de un sistema que permita la
interacción de los usuarios con el PLC mediante un computador personal fijo
o remoto. También se incluye en esta etapa la selección de los sensores,
actuadores, tarjetas de expansión y comunicación del PLC; así como la
planificación de las conexiones entre los dispositivos, la ubicación del
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
cableado y tablero del PLC, elementos necesarios para su instalacion como
el dimensionamiento y modo de sujeción de las bandejas portacables, la
selección de los puntos de alimentación para el PLC y los actuadores dentro
del edificio además de la localización de los sensores y actuadores de
sistema.
4.3. Simulacion en software
En esta etapa se programara en el software twido suite, todas las
variables que intervienen en el diseño del sistema automatizado tanto para el
aire acondicionado como para el sistema de iluminación, realizando a su vez
una interfaz grafica llamada pantalla del operador en donde se pueda de
manera didactica y practica, visualizar la simulación del proceso y la
respuesta del sistema a las variaciones en el ambiente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
CAPÍTULO V
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Se desea diseñar el sistema de control para el aire acondicionado
central e iluminación de un edificio de laboratorios, para tal fin se deben
conocer las instalaciones y equipos con que se cuentan para tal fin.
5.1. CONDICIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE AIRE
ACONDICIONADO
Para el edificio anexo de laboratorios Tipo Lab-Volt del CFS El Vigía,
Estado Mérida se decide utilizar un sistema central de aire acondicionado de
Agua Helada, en la modalidad de Todo Agua. A continuación se detallan las
variables de diseño y características del sistema.
5.1.1. Variables de diseño.
El Sistema de Aire Acondicionado del Centro de Formación Socialista l
de El Vigía, Estado Mérida se proyecta de acuerdo con las Normas
establecidas por la División de Ingeniería del Instituto Nacional de
Capacitación y Educación Socialista, y las recomendaciones de la Asociación
Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado
(ASHRAE) para edificaciones de este tipo.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Las condiciones exteriores de diseño para el cálculo de la carga
térmica fueron:
Ubicación = El Vigía, Estado Mérida, Venezuela.
Temperatura de Bulbo Seco = 89,6 ºF.
Temperatura de Bulbo Húmedo = 85 ºF.
Rango Diario de Temperatura = 17,8 ºF.
Humedad Relativa = 70 %
Elevación = 426,5 ft.
Latitud = 8,6 º Norte
Longitud = 71 º Oeste
Las condiciones interiores de diseño utilizadas para los ambientes a
ser acondicionados son las siguientes:
Temperatura de Bulbo Seco = 74 ºF
Temperatura de Bulbo Húmedo = 62.7 ºF
Humedad Relativa = 50 %
Uso de los ambientes = Salones de Clase y áreas administrativas.
5.1.2. Características del sistema:
a. Unidad Enfriadora de Agua (Chiller)
Para el sistema de central de aire acondicionado del CFS El Vigía se
debe colocar una Unidad Enfriadora de Agua (Chiller) de condensado por
aire con una capacidad Nominal de 60 Toneladas de Refrigeración. La
unidad debe poseer dos circuitos de refrigeración, debe poseer 4
compresores los cuales deben ser tipo Scroll y con capacidad nominal cada
uno de 15 Toneladas de Refrigeración, el refrigerante a utilizar debe ser
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ecológico, preferiblemente R407c. Esta unidad debe ir colocada sobre unas
bases antivibratorias y luego estas colocadas sobre una base fabricada en
concreto, esto con la finalidad de aislar las vibraciones del equipo hacia el
piso. La temperatura de salida del agua del Chiller debe ser de 45 ºF y la de
entrada de 55 ºF, por lo que se obtiene un diferencial de temperatura de 10
ºF, Se recomienda la unidad Marca TRANE modelo CGAD060 para esta
instalación. Ver Tabla 14
Marca Trane
Modelo CGAD060
Número de Unidades 1 Unidad
Capacidad Nominal 60 Toneladas de Refrigeración
Capacidad Real 53,8 Toneladas de Refrigeración
Número de Compresores 4 Compresores
Tipo de Compresores Tipo Scroll Hermético
Número de Ventiladores 6 Ventiladores
Caudal de Agua en el Cooler 215,74 GPM Máximo 71,77 GPM
Mínimo
Volumen de Almacenaje 143 lts.
Tipo de Refrigerante R-407C.
Conexión de entrada de Agua al
Cooler 4”
Conexión de salida de agua del
Cooler 4”
Dimensión Largo 2,989 mt.
Dimensión Ancho 1,880 mt.
Dimensión Alto 2,190 mt.
Peso 2500 Kg.
Tabla 7. Especificaciones Técnicas de Equipos Unidad Enfriadoras de Agua
Fuente: Trane. (2007)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Sistema de Tuberías de Agua Helada.
Para la puesta en funcionamiento del sistema de aire acondicionado
del Centro de Formación Socialista El Vigía, perteneciente al INCES Mérida,
se requiere construir un sistema de tuberías para suministro y retorno de
agua. Dicho sistema debe incluir sus respectivos codos, filtros, válvulas,
manómetros, termómetros, juntas flexibles, control de caudal, aislante
térmico en base a poliuretano expandido con recubrimiento de aluminio. Los
montantes deben ser de un diámetro nominal de 2 pulgadas para manejar un
caudal de 95,66 Galones por minuto aproximadamente, a una velocidad
nominal de 3 metros por segundo.
La Red de tuberías para el sistema de bombeo de agua helada para
suministro y distribución del Agua Helada va desde las unidades enfriadoras
de agua hacia las diferentes unidades Ventilador Serpentín (fan-coil). La red
de tuberías que se indica será recubierta externamente con material de
característica aislantes como es el poliuretano expandido, dotadas de
impecables barreras de vapor (protecapa) y protegidas externamente por un
material más rígido tal como camisas o chaquetas de aluminio. Nota: Los
tramos de tuberías entre juntas de construcción dispondrán de juntas
flexibles que permitan absorber los movimientos relativos de las dos
estructuras contiguas sin producir ningún esfuerzo significativo en la tubería
que ocasione su posible falla o ruptura. Tales juntas flexible se identifican en
el plano y serán del mismo diámetro de la tubería que las contenga y serán
instaladas en pares tanto en la tubería de suministro como de retorno.
Sistema de Bombeo de Agua Helada.
El sistema de bombeo deberá contar con dos bombas centrífugas con
descarga vertical, las bombas serán de una potencia de 4 HP y 3500
Revoluciones por Minuto y capaz de vencer una altura dinámica total teórica
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
de 100,61 pies de columna de agua, las bombas deben ser del tipo eje libre,
que están constituidas por un sistema de transmisión mediante un eje al
motor eléctrico el cual permite realizar mantenimiento a los motores
eléctricos y en caso de necesitar sustituir el motor de la bomba se pueda
cambiar el mismo sin desconectar el sistema de tuberías de la bomba.
El sistema será del tipo Bomba – Chiller, lo cual significa que el
suministro de la bomba debe estar conectado de manera directa a la entrada
del chiller, cada una de las dos bombas estará seleccionada para operar todo
el sistema, las bombas se alternarán periódicamente y en algún momento
cuando una falle quedará la otra bomba como reserva del sistema. Las
bombas deben vencer las pérdidas de todo el sistema de tuberías a fin de
garantizar el constante funcionamiento del sistema. El caudal de agua total
del sistema de agua helada es de 95,66 Galones por Minuto.
Cabe destacar que las bombas deben estar en fucionamiento antes de
que se energice el chiller, garantizando asi el flujo de agua por las tuberias
del equipo enfriador. En la tabla 15 se pueden observer las caracteristicas
tecnicas de la bomba sugerida.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Sistema Central de Aire Acondicionado CFS El Vigía,
Estado Mérida.
Especificaciones Técnicas de Equipos
Bomb as de agua
Marca (Recomendada) KSB
Modelos Opcionales Meganorm 35-125,1
Numero de Bombas 2
Caudal de Agua a Manejar 95,66 GPM
Altura Dinámica Total a Vencer 100,611 ft
Potencia Mínima Requerida 4 HP
Potencia Nominal del Motor
Eléctrico 5 HP
Configuración Eje Libre "back-pull-out"
Succión Horizontal
Descarga Vertical
Cuerpo Espiral, Horizontal, Fundido en una sola pieza
Revoluciones por Minuto 3500
Especificaciones eléctricas 208/230 V / 3 Ph / 60 Hz
Tabla 8. Características técnicas de las bomba. Marca KSB
Fuente: http://www.ksb.com
Unidades Ventilador Serpentín (Fan-Coil).
Para el sistema de aire acondicionado central del Centro de Formación
Socialista El Vigía, perteneciente al INCES Mérida se propone la colocación
de ocho Unidades Ventilador Serpentín (Fan-coil), los cuales estarán
colocados en cada uno de los siete laboratorios de edificio y el último fan-coil
se colocará en el área administrativa del centro.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Para la instalación de estos nuevos equipos se deben realizar las
conexiones pertinentes al sistema de agua helada y al sistema de ductos
para la distribución del aire, estas Unidades están colocadas sobre el plafond
por lo que es necesario tomar las previsiones necesarias para poder realizar
la sustitución, una vez montado el equipo nuevo se debe verificar su
funcionamiento y correcta conexión al sistema de control a fin de lograr
regular la temperatura del ambiente a acondicionar. Es necesario al momento
de realizar la instalación de la unidad fan-coil colocar de manera correcta los
accesorios que deben ser instalados tanto en la tubería de suministro como
de retorno que garantizarán el correcto funcionamiento del sistema. Estos
accesorios son las juntas flexibles, los filtros Y, las válvulas de compuerta, los
termómetros, los manómetros el tapón de servicio y por supuesto la válvula
motorizada dos vías. Una vez instalados los instrumentos y el fan-coil es
necesario colocar el respectivo aislante térmico de las tuberías a fin de evitar
condensación en las mismas, el aislante debe ser a base de poliuretano
expandido inyectado en chaquetas de aluminio.
En resumen son ocho (8) Unidades fan-coil, con su respectiva sección
de filtros, serpentín de enfriamiento para agua helada, ventilador centrífugo,
motor de ventilador de velocidad constante, bandeja de condensación. El
control de estás unidades es por medio de un sensor de temperatura de
ambiente que controla el flujo de agua helada a través de la válvula
motorizada de 2 vías.
A continuación se detallan las unidades Fan-Coil a colocar, su
capacidad y la marca y modelos recomendados que se deben colocar:
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Especificaciones de equipos.
Unidades Fan -Coil # Marca Modelo Row TR Btu/Hr GPM
Área Administrativa 1 Trane HCCA14 4 3,2 38774 7,75
Laboratorio de Máquinas 2 Trane HCCA18 3 7,3 87040 17,41
Laboratorio de Isntrumentación 3 Trane HCCA24 4 5,8 70035 14,01
Laboratorio de Neumática 4 Trane HCCA18 3 3,9 46507 9,30
Laboratorio de Hidráulica 5 Trane HCCA18 3 4,1 49546 9,91
Laboratorio de Telecomunicaciones 6 Trane HCCA24 4 6,4 76736 15,35
Laboratorio de Electrónica 7 Trane HCCA18 3 4,1 49347 9,87
Laboratorio de Mecanizado 8 Trane HCCA18 3 5,0 60315 12,06
TABLA 9. INVENTARIO DE FANCOILS
Sistema de Distribución de aire.
En los diferentes salones destinados para laboratorios y en las oficinas
administrativas del edificio anexo para laboratorios LAB-VOLT del CFS El
Vigía en el Estado Mérida la distribución de aire acondicionado se realizará
mediante ductos elaborados en láminas de hierro galvanizado, los ductos
deberán estar debidamente aislados térmicamente con fibra de vidrio de 1”
de espesor y cubierta de aluminio con barrera de vapor a fin de evitar la
condensación en los mismos y los difusores serán hechos en aluminio
anodinado, estos difusores serán de 4 Vías con control de volumen.
El retorno del aire se realizará por plafond mediante rejillas regulables
de retorno colocadas estratégicamente en cada ambiente creando una
cámara de aire sobre el cielo raso y retornando libremente el aire hasta la
unidad fan-coil. La toma de aire fresco se realizará de manera libre por una
rejilla regulable de retorno colocada de manera contigua a la cámara de aire.
Sistema de Control
Para el sistema de aire acondicionado central del Centro de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Formación Socialista El Vigía, perteneciente al INCES Mérida se propone la
implementacion de un sistema automático mediante PLC. Esto incluye
tambien la colocación de válvulas motorizadas de dos vías a nivel de las
unidades Fan-Coil, las cuales, mediante su apertura y cierre que puede ser
graduada desde 0 a 100% y accionadas por una señal emitida desde un
controlador lógico programable el cual estará conectado a los teristores NTC,
ubicado respectivamente en cada local a acondicionar, esta apertura y cierre
regulará el caudal de agua que circule por el serpentín del fan-coil. Este tipo
de control permitirá sensar las temperaturas de los ambientes a acondicionar
y compararlo con el set-point para garantizar asi la temperatura constante,
Para esto es necesario la colocación de termómetros y manómetros
colocados a nivel de cada fan-coil. Es importante acotar que la temperatura
de set-point de los termostatos debe ser de 74 ºF.
El chiller por ser una maquina compleja, posee un control interno el
cual hace que por medio de diferencia de presión entre la línea de salida y la
de retorno, pueda regular su capacidad de enfriamiento ya que posee 4
compresores tipo Scroll, los cuales funcionarán de acuerdo a la demanda de
manera proporcional usando combinaciones que va desde un compresor al
25,50,75% hasta poseer las mismas configuraciones adicionando los que
sean necesarios hasta completar la máxima demanda en donde trabajarán
los 4 compresores al 100%.
El sistema de agua helada requiere de un by-pass en las tuberías de
suministro y retorno principal mediante una válvula motorizada de tres vías,
esto debido a que las bombas de agua helada operan a caudales constantes
y cualquier incremento de la presión en el sistema de tuberías producto de la
limitación de flujo de agua por parte de las válvulas de control de dos vías
colocadas a nivel de cada fan-coil y que es captada por un medidor
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
diferencial de presión a nivel de las tuberías principales produce una
respuesta, lo que ocasiona la apertura o cierre de la válvula motorizada 3
vías produciendo un desvío del agua de suministro hacia el retorno y por
ende una disminución en la temperatura del agua de retorno lo cual produce
una disminución o aumento de la capacidad del equipo en función de la
demanda energética del edificio (carga térmica) reflejándose esto
principalmente en el consumo de electricidad del sistema.
La unidad enfriadora de agua deberá poseer una válvula de control
automática del tipo mariposa, de dos posiciones: abierta o cerrada, en la
línea de retorno, el actuador abre la válvula cuando arranca la bomba
asignada al enfriador. La válvula automática es del tipo “spring return” retorna
la válvula a la posición cerrada cuando la bomba deja de funcionar, evitando
recirculación de agua en el enfriador que tiene su bomba apagada.
A fin de reponer las pérdidas de agua que puedan ocurrir en el
sistema, se debe colocar un tanque de expansión con capacidad de 100 litros
conectado en la tubería de retorno principal antes del sistema de bombeo, a
fin de garantizar el volumen constante de agua dentro del sistema y permitir
la expansión del agua en las tuberías sin afectar la integridad de las mismas.
Regulación de temperatura:
El principio de funcionamiento de los sistemas centrales de agua
helada es llevar el agua a bajas temperaturas hacia las unidades
manejadoras de aire, en este caso Fan-Coils, para que esta por medio de un
sistema ventilador- serpentin realicen en intercambio de calor con el
ambiente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
La temperatura de cada laboratorio dependerá de las cargas térmicas
que estén asociadas, como lo son, orientación espacial, tipo de material
usado en la construcción, tanto en paredes como en piso y techo, cargas por
concepto de luminarias, cargas asociadas a equipos (eléctricos, hidráulicos,
neumáticos, informáticos, etc.).
Como el chiller seleccionado posee este tipo de control interno, el
control que implementaremos será la regulación del caudal de agua helada
que entra a cada uno de los Fan-Coil, ya que la bomba envía un caudal
constante de agua, es necesario para mantener una temperatura constante
en los ambientes regular por medio de válvulas motorizadas el caudal de
agua proporcionalmente a la temperatura que será sensada por medio de
termistores tipo NTC, colocados en cada laboratorio, así se podrá tener la
relación que cuando la temperatura aumenta se debe abrir la válvula lo
necesario para volver al set point o variable de diseño, que en este caso es
de 21ºC y cuando la temperatura disminuye se cerrara la válvula,
restringiendo así el paso del flujo y haciendo que el intercambio de calor sea
mas lento, para elevar la temperatura hasta el set point.
En la figura Figura 57 se puede observar el termistor a usar.
Las válvulas motorizadas serán de 2 vias
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Figura 56. Termistor NTC.
Fuente: http://perso.wanadoo.es/aldomartin/sensor3.htm
CODIGO
GM
R
@25°
C
(Ohm
B 25/85 ±5%
(°K)
TEMPERA
TURA
MAXIMA
(°C)
RESISTEN
CIA
@Tmax
(Ohms)
626-22102 1K 2075 200 75
626-22222 2.2K 2285 200 150
626-22103 10K 3750 200 85
626-22105 1M 4100 300 850
Encapsulado en vidrio miniaturaAltas temperaturas de sensado, hasta 300°CBaja constante térmica, rápida respuestaResistente a medios corrosivos
APLICACIONES:SENSADO Y CONTROL DE TEMPERATURA
ELECTRICAL SPECIFICATIONS
Resistance at 25°C: 1K-1MegOhms
Resistance tolerance: ±10%, ±5%
B-value at 25°C:
Resistance Ratio (25°/125°): 7.25-37.54
Maximum Dissipation: 2.5 mW
Dissipation factor: 0.8 mW/°C
Maximum temperature (Tmax): 300°C
Stability after 1000 hours at Tmax: <1%
TERMISTORES NTC
MEPCO//ELECTRASERIE 626 - NTC MINIATURA DE VIDRIO
2075-4100 end_of_the_skype_highlighting°K 2075-4100 begin_of_the_skype_highlighting (±5%)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
5.2. CONTROL PID
El control de la temperatura y el porcentaje de apertura de las válvulas
de suministro de agua helada a los Fan-coil, son señales analógicas tanto de
entrada como de salida, para ello se requieren módulos de ampliación para
que el PLC pueda procesar dichas señales.
Como el procesamiento de estas señales analógicas debe hacerse
mediante un control PID.
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control
por realimentación que se utiliza en sistemas de control industriales. Un
controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor que se quiere
obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede
ajustar al proceso acorde.
El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros
distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional
determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección
proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un
esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El
Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La
suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un
elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía
suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres variables en
el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control
diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del
controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un
error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de
oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza
control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones
pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de
control. Un controlador PID puede ser ll
ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son
particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al
ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al val
deseado debido a la acción de control.
5.2.1. Funcionamiento
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un
proceso o sistema se necesita, al menos:
1. Un sensor, que determine el estado del si
caudalímetro, manómetro
2. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada
(resistencia eléctrica
El sensor proporciona una
cual representa el punto actual
La señal puede representar ese valor en
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de
control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la
ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son
particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al
ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al val
deseado debido a la acción de control.
Figura 57. Diagrama de un control PID.
Funcionamiento
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un
proceso o sistema se necesita, al menos:
Un sensor, que determine el estado del sistema (
manómetro, etc).
Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada
rica, motor, válvula, bomba, etc).
El sensor proporciona una señal analógica o digital
punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema.
La señal puede representar ese valor en tensión eléctrica
pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de
amado también PI, PD, P o I en la
ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son
particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al
ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor
Figura 57. Diagrama de un control PID.
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un
stema (termómetro,
Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada
digital al controlador, la
en el que se encuentra el proceso o sistema.
tensión eléctrica, intensidad de
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
corriente eléctrica o frecuencia. En este último caso la señal es de corriente
alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son con corriente continua.
El controlador lee una señal externa que representa el valor que se
desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto
de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de
valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta
compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano,
habrá que establecer algún tipo de interfaz(HMI-Human Machine Interface),
son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se usan para hacer más
intuitivo el control de un proceso.
El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de
consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la
diferencia que hay entre el valor deseado (consigna) y el valor medido. La
señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes del
controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida que el
controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la
suma de estas tres se llama variable manipulada y no se aplica directamente
sobre el actuador, si no que debe ser transformada para ser compatible con
el actuador que usemos.
Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional,
acción Integral y acción Derivativa. El peso de la influencia que cada una de
estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional,
el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente. Se pretenderá
lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el mínimo tiempo
posible los efectos de las perturbaciones.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Figura 58. Control proporcional
5.2.2. Control Proporcional.
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y
la constante proporcional como para que hagan que el error en estado
estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores
solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control,
siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin
embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir
del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los
deseados. Este fenómeno se llama sobreoscilación y, por razones de
seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es conveniente que la parte
proporcional ni siquiera produzca sobreoscilación. Hay una relación lineal
continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento
final de control (la válvula se mueve al mismo valor por unidad de
desviación). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la
mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
contenga alguna componente que tenga en cuenta la variación respecto al
tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa.
La fórmula del proporcional esta dada por:
El error, la banda proporcional y la posición inicial del elemento final
de control se expresan en tanto por uno. Nos indicará la posición que pasará
a ocupar el elemento final de control
Ejemplo: Cambiar la posición de una válvula (elemento final de control)
proporcionalmente a la desviación de la temperatura (variable) respeto al
punto de consigna (valor deseado).
Figura 59. Control proporcional integral
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
5.2.3. Control Integral.
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el
error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control
integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de
consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción
proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o
sumarlo por un período determinado; Luego es multiplicado por una
constante I. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo
Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una
respuesta estable del sistema sin error estacionario.
El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90º
que sumados a los 180º de la retroalimentación ( negativa ) acercan al
proceso a tener un retraso de 270º, luego entonces solo será necesario que
el tiempo muerto contribuya con 90º de retardo para provocar la oscilación
del proceso. <<< la ganancia total del lazo de control debe ser menor a 1, y
así inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el
proceso a estabilidad del mismo. >>> Se caracteriza por el tiempo de acción
integral en minutos por repetición. Es el tiempo en que delante una señal en
escalón, el elemento final de control repite el mismo movimiento
correspondiente a la acción proporcional.
El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset
(desviación permanente de la variable con respeto al punto de consigna) de
la banda proporcional.
La formula del integral esta dada por:
Isal
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Ejemplo: Mover la válvula (elemento final de control) a una velocidad
proporcional a la desviación respeto al punto de consigna (variable deseada).
Figura 60. Control proporcional derivativo
5.2.4. Control Derivativo.
La acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor
absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos
proporcional e integral).
El error es la desviación existente entre el punto de medida y el valor
consigna, o "Set Point".
La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimo
corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de
esta manera evita que el error se incremente.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y
luego se suma a las señales anteriores (P+I). Es importante adaptar la
respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayor derivativa
corresponde a un cambio más rápido y el controlador puede responder
acordemente.
La fórmula del derivativo esta dada por:
El control derivativo se caracteriza por el tiempo de acción derivada en
minutos de anticipo. La acción derivada es adecuada cuando hay retraso
entre el movimiento de la válvula de control y su repercusión a la variable
controlada.
Cuando el tiempo de acción derivada es grande, hay inestabilidad en
el proceso. Cuando el tiempo de acción derivada es pequeño la variable
oscila demasiado con relación al punto de consigna. Suele ser poco utilizada
debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las complicaciones que
ello conlleva.
El tiempo óptimo de acción derivativa es el que retorna la variable al
punto de consigna con las mínimas oscilaciones
Ejemplo: Corrige la posición de la válvula (elemento final de control)
proporcionalmente a la velocidad de cambio de la variable controlada.
La acción derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de la
variable durante el arranque del proceso. Puede emplearse en sistemas con
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
tiempo de retardo considerables, porque permite una repercusión rápida de
la variable después de presentarse una perturbación en el proceso.
5.2.4. Significado de las constantes
P, constante de proporcionalidad: se puede ajustar como el valor de la
ganancia del controlador o el porcentaje de banda proporcional. Ejemplo:
Cambia la posición de la válvula proporcionalmente a la desviación de la
variable respecto al punto de consigna. La señal P, mueve la válvula
siguiendo fielmente los cambios de temperatura multiplicados por la
ganancia.
I, constante de integración: indica la velocidad con la que se repite la
acción proporcional.
D, constante de derivación: hace presente la respuesta de la acción
proporcional duplicándola, sin esperar a que el error se duplique. El valor
indicado por la constante de derivación es el lapso de tiempo durante el cual
se manifestará la acción proporcional correspondiente a 2 veces el error y
después desaparecerá. Ejemplo: Mueve la válvula a una velocidad
proporcional a la desviación respeto al punto de consigna. La señal I, va
sumando las áreas diferentes entre la variable y el punto de consigna
repitiendo la señal proporcional según el tiempo de acción derivada
(minutos/repetición).
Tanto la acción Integral como la acción Derivativa, afectan a la
ganancia dinámica del proceso. La acción integral sirve para reducir el error
estacionario, que existiría siempre si la constante Ki fuera nula. Ejemplo:
Corrige la posición de la válvula proporcionalmente a la velocidad de cambio
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
de la variable controlada. La señal d, es la pendiente (tangente) por la curva
descrita por la variable.
La salida de estos tres términos, el proporcional, el integral, y el
derivativo son sumados para calcular la salida del controlador PID.
Definiendo u (t) como la salida del controlador, la forma final del algoritmo del
PID es:
5.2.5. Elementos finales de control.
Válvulas Motorizadas: se implementarán válvula motorizada de dos
vías en la entrada de cada fan-coil, la cual modulará el flujo de agua que
entra a la unidad.
La válvula propuesta es de marca KIELMANN ELECTRIC, de la serie
srv2200-20 de dos vías ¾ de pulgada, similar a las Honeywell VB30, V50,
V80 y Erie Modelo 635 Pop-up, ver tabla 15 para ver las características del
producto.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
SRV2000 DATOS TECNICOS DEL CUERPO DE VALVULA
MODEL TYPE SIZE Kv FACTOR CLOSING-
OFF PRES.
(kPa)
RATING
PRES.
(MPa)
OPTIONAL
ACTUATORS
SRV2200-15 Normally close 2-
way
G1/2" 0.6 1.0 1.5 250 1.6 SRA2100-220
SRA2100-110
SRA2100-24
SRA2110-220
SRA2110-110
SRA2110-24
SRV2300-15 Mixing 3-way G1/2" 1.5 250
SRV2200-20 Normally close 2-
way
G3/4" 1.6 2.5 3.5 100
SRV2300-20 Mixing 3-way G3/4" 2.5 100
SRV2200-25 Normally close 2-
way
G1" 2.5 4.8 60
SRV2300-25 Mixing 3-way G1" 4.8 60
Tabla 10. Datos tecnicos del cuerpo de valvula
El actuador que usa esta válvula es el SRA2100-24 de voltaje de
trabajo de 24 V. ver tabla 16 para ver detalles técnicos.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
SRV2000 VALVE BODY TECHNICAL _ DATA
MODEL RATED
VOLTAGE
POWER DRIVING WAY OPERATIONG TIME WHEN FIT WITH SRV2000
VALVE BODY
SRA2100-220 AC220V± 10% 6W Synchronous
hysteresis motor
Spring return
Fully open duration:
About 10s after power-on;
Closed duration: About 5s after power-off
SRA2100-110 AC110V±10%
SRA2100-24 AC24V±10%
SRA2100-220R3 AC220V±10% 6W
Fully open duration:
About 19s after power-on;
Closed duration: About 7s after power-off
SRA2100-110R3 AC110V±10%
SRA2100-24R3 AC24V±10%
Tabla 11. Detalles técnicos del actuador de la válvula motorizada de 2 vias.
5.3. DESCRIPCIÓN DEL CONTROL DE ILUMINACIÓN:
La iluminación en los recintos de formación, y diferentes edificaciones
es un factor a tomar en cuenta para darle el uso apropiado y eficiente, esto
quiere decir que con la consciente aplicación de encendido y apagado de
luces se puede reducir considerablemente el consumo de energía eléctrica
en el edificio.
Por ello se implementara que el sistema de iluminación integral del
edificio se realice de manera automatizada, creando un horario de trabajo por
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
medio de bloques calendario comprendido desde las 06:30am hasta las
08:00pm, ya que el horario en que se dictan clases será hasta las 06:00pm y
dando dos horas de holgura para que los instructores y personal que quede
laborando puedan culminar sus tareas eficientemente. Por ser un edificio de
aulas y laboratorios en donde eventualmente se podría realizar alguna
exposición o presentación por parte de los instructores o participantes,
existirá la opción de apagar las luminarias mientras se realiza la
presentación, por medio del interruptor habitual de luces, logrando asi un
seccionamiento seguro.
Se colocarán detectores de presencia en cada laboratorio para que
cuando no haya personas dentro del recinto, las luces estén apagadas
contribuyendo así de manera eficiente al ahorro energético ya que los
laboratorios no son usados completamente en el periodo laboral. Su
funcionamiento es simple, siempre que esté dentro del horario programado
por los bloques calendario, al sensar presencia en el laboratorio se activaran
automáticamente las luces, al retirarse la última persona, las luces
permanecerán encendidas por el lapso de un minuto, evitar que el sistema se
vea afectado con entrada y salida repentina de personas dentro del salón.
Cabe destacar que el funcionamiento de los detectores de presencia
dependen del horario preestablecido de trabajo, si alguna persona necesitara
entrar fuera del horario deberia encender las luces de manera manual.
En el panel del operador que se propone se podran visualizar cada
una de las areas a iluminar para poder observar fallos, o simplemente ver
cuales espacios estan iluminados y cuales no, a su vez, poder llevar un
registro del consumo energético en kw/hr de las luminarias encendidas en el
edificio.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
El sistema se ilustra en el diagrama 2. el cual explica de manera
detallada los componentes involucrados en este sistema de lazo cerrado.
5.3.1. Descripción del sistema:
A cada salón o laboratorio se le instalara un contactor tripolar, a cada
contactor le corresponderá una salida digital del PLC la cual se activará solo
en el horario de trabajo, programando unos segundos de retardo para cada
salida para prevenir así sobrecargas en el sistema. Además, se le asignarán
bloques horarios diferentes a cada laboratorio para poder llevar así un control
independiente de cada espacio.
Cabe mencionar que los contactores tienen bobinas que necesitan
una diferencia de potencial de 120V para operar, como las salidas digitales
del PLC proporcionan solo 24V, es necesario utilizar en cada salida del plc
relés de manera que el voltaje entregado por cada salida energice los relés y
estos a su vez, conectados a una línea común de 120V puedan energizar la
bobina de cada contactor. Como una protección al PLC contra cualquier
sobrecarga del sistema eléctrico se colocaran en serie con las salidas
digitales un fusible.
Se debe colocar en la línea de 120V en el contacto normalmente
cerrado del relé, para que en caso del alguna falla de los equipos, las luces
permanezcan encendidas.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
A continuación se describen las partes a utilizar en el sistema:
Detector de presencia B-ticino light tech NT4432/12 7
El detector a rayos infrarrojos pasivos abre nuevas perspectivas en el
campo de la automatización, permitiendo el encendido de equipos de manera
automática al paso de las personas (por ejemplo la luz se enciende sin el
accionamiento de un interruptor o pulsador). Se puede regular tanto el umbral
de intervención del aparato en función de la iluminación natural del ambiente,
como regular el retardo de la desconexión automática después del último
movimiento a fin de optimizar las prestaciones.
El campo de acción se puede aumentar instalando más aparatos en
distintos puntos con las salidas en paralelo.
La cobertura volumétrica queda asegurada por 3 niveles de rayos A, B
y C orientados a +2, -6 y -30 grados respecto del eje de instalación,
extendiéndose por 6 metros.
Características técnicas
Alimentación: 127V 60 Hz.
Cargas que se pueden comandar: relé incorporado (ver tabla).
Regulación tiempo de encendido: de 30 segundos a 10 minutos,
aproximadamente.
Regulación de intervención crepuscular: de 5 lux a excluido.
Mando a través de pulsador externo.
Selector AUTO-MAN-OFF (funcionamiento automático o de
pulsador, manual a través de pulsador, siempre apagado).
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Tabla 12. Descripción de los elementos para la iluminación
area
m2 cant tipo V W w (TOTALES) sensor automatiz
Área Administrativa 54,00 7 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 672
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Máquinas 90,00 16 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 1536
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Instrumentación 81,00 12 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 1152
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Neumática 45,00 9 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 864
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Hidráulica 45,00 9 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 864
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Telecomunicaciones 81,00 15 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 1440
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Electrónica 45,00 9 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 864
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Laboratorio de Mecanizado 45,00 9 LF-32 (Paralux Embutida) 120 3 x 32W 864
L4432/127
detector
LIVING B-
Ticino
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Almacén 14,00 4 LF-32 (Paralux Embutida) 120 2x32 w 256
CONTROL
MANUAL
Pasillos Generales, Pasillo de los baños. LE-26 120 2x26 w CFNI 0 por horario
BLOQUE
HORARIO
POR MEDIO
DEL PLC
Pasillo de Servicio Trasero LP-06 120 1x26 ó 1x60 w 0
CONTROL
MANUAL
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Cuarto para Lavamopa, Baños. 4 LP-22 120 1x26 ó 1x60 w 240
CONTROL
MANUAL
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
Sala de Fancoils, Tablero Principal,
Cuarto de electricidad, Cuarto de Basura,
Cuarto de Compresor, Cuarto de Bombas,
Caseta de Hidroneumático.
8 LF-23 (Hermética Industrial) 120 2x32 w T8 512CONTROL
MANUAL
BLOQUE
HORARIO Y
PRESENCIA
POR MEDIO
DEL PLC
9264CARGA TOTAL ASOCIADA A ILUMINACIÒN (EN WATTIOS)
ILUMINACIÓN
Nombre del AmbienteLuminarias
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
5.3. HARDWARE UTILIZADO
Para la selección de los materiales y equipos a usar en este proyecto
se estudiaron varios factores como lo son: que se puedan aplicar todos los
objetivos planteados, es decir, que contenga las entradas y salidas
necesarias que satisfagan las necesidades del proyecto de automatización,
que se pueda comunicar via Ethernet y via GSM mediante envio y recepción
de SMS, que las válvulas y sensores se adapten a las característica del
sistema, que haya disponibilidad de compra en el país, que el análisis costo-
beneficio indique alta factibilidad de aplicación.
Se seleccionó el PLC de la casa Schneider Electric, modelo compacto
TWDLCDE40DRF, cuenta con la siguiente descripción:
Fuente de alimentación 24V
24 entradas de 24VDC
16 salidas, 14 a relé y 2 a transistor
Puerto RJ45 Ethernet integrado
RTC reloj calendario integrado
2 potenciómetros analógicos
Un puerto de serie integrado
1 slot para puerto en serie adicional
Compartimiento para batería externa reemplazable por el usuario.
Admite hasta 7 modulos de ampliación de Entradas y Salidas.
Admite hasta dos modulos de interface de bus AS INTERFACE-V2
Admite un cartucho de memoria adicional de 32 o 64K
Admite monitor de operación opcional.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Se necesitan modulos de ampliación para incrementar las entradas y
salidas digitales, asi como añadir entradas analógicas compatibles con
termistores NTC, y salidas analógicas para controlar válvulas motorizadas.
El modulo de ampliación de entradas digitales que se usará es el
TWDDDI32DK, Con las siguientes características:
32 entradas digitales de 24VDC
Tipo de terminal: Conector
El modulo de ampliación de salidas digitales que se usará es el
TWDDO32TK de 32 salidas de transistor de común negativo
El modulo de entradas analógicas es el TWDARI8HT que posee 8
entradas para sensores tipo NTC o PTC, de 10bits.
El módulo para salidas analógicas que se implementará es el
TWDAVO2HT. Posee 2 salidas de 11bits, de -10 a 10V.
En la tabla 18 se podrán observar los elementos aquí descritos.
5.4. SENSORES Y ACTUADORES UTILIZADOS EN CADA
ESPACIO.
Para el control de la iluminación se utilizarán sensores para detectar
presencia, asi como sus respectivos contactores y reles ya que las señales
que deben manejar el PLC deben ser de 24VDC y las luminarias son de 110-
120VAC.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Tabla 13. Resumen de equipos
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Tabla de 14. Resumen de sensores y actuadores.
CONTROL DE ILUMINACION CONTROL DEL AIRE ACONDICIONADO
ADMINISTRATIVA Y
PASILLOS
1 CONTACTOR ac-110v
1CONTACTO DE CONTROL 110V/
CONTACTOS 120V 25amp RELE
DE 24V AC/DC
1 CONTACTOR ac-110v
1 CONTACTO DE CONTROL 110V
CONTACTOS 120V 25amp
RELE DE 24V AC/DC
TERMISTOR NTC MEPCO Serie 626 en conexión del
termostato
VALVULA MOTORIZADA KIELMANN ELECTRIC
LAB. MAQUINAS
ELECTRICAS Y
1 CONTACTOR ac-110v 1
CONTACTO DE CONTROL 110V/CONTACTOS
120V 25amp DETECTOR DE PRESENCIA
RELE DE 24V AC/DC
1 CONTACTOR ac-110v
1 CONTACTO DE CONTROL 110V
CONTACTOS 120V 25amp
RELE DE 24V AC/DC
TERMISTOR NTC O Serie 626 en conexión del
termostato
VALVULA MOTORIZADA KIELMANN ELECTRIC
P
?
LAB. INTRUMENTACION
1 CONTACTOR ac-110v 1
CONTACTO DE CONTROL 110V/CONTACTOS
120V 25amp DETECTOR DE PRESENCIA
RELE DE 24V AC/DC
1 CONTACTOR ac-110v
1 CONTACTO DE CONTROL 110V
CONTACTOS 120V 25amp
RELE DE 24V AC/DC
TERMISTOR NTC O Serie 626 en conexión del
termostato
VALVULA MOTORIZADA KIELMANN ELECTRIC
P
?
LAB. NEUMATICA
1 CONTACTOR ac-110v 1
CONTACTO DE CONTROL 110V/CONTACTOS
120V 25amp DETECTOR DE PRESENCIA
RELE DE 24V AC/DC
1 CONTACTOR ac-110v
1 CONTACTO DE CONTROL 110V
CONTACTOS 120V 25amp
RELE DE 24V AC/DC
TERMISTOR NTC O Serie 626 en conexión del
termostato
VALVULA MOTORIZADA KIELMANN ELECTRIC
P
?
LAB. HIDRAULICA
1 CONTACTOR ac-110v 1
CONTACTO DE CONTROL 110V/CONTACTOS
120V 25amp DETECTOR DE PRESENCIA
RELE DE 24V AC/DC
1 CONTACTOR ac-110v
1 CONTACTO DE CONTROL 110V
CONTACTOS 120V 25amp
RELE DE 24V AC/DC
TERMISTOR NTC O Serie 626 en conexión del
termostato
VALVULA MOTORIZADA KIELMANN ELECTRIC
P
?
LAB.
TELECOMUNICACIONES
1 CONTACTOR ac-110v 1
CONTACTO DE CONTROL 110V/CONTACTOS
120V 25amp DETECTOR DE PRESENCIA
RELE DE 24V AC/DC
1 CONTACTOR ac-110v
1 CONTACTO DE CONTROL 110V
CONTACTOS 120V 25amp
RELE DE 24V AC/DC
TERMISTOR NTC O Serie 626 VALVULA
MOTORIZADA KIELMANN ELECTRIC
P
?
AREA SENSOR Y ACTUADOR SENSOR Y ACTUADOR
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5.5. SOFTWARE UTILIZADO:
Para el manejo del PLC se utiliza el TWIDO SUITE, ya que posee una
licencia gratuita, descargado desde la pagina de SCHENEIDER ELECTRIC.
5.5.1. Direccionamiento de las variables:
a. Variables de entrada:
Variables de entrada digital de la dirección 0. TWD LCDE40DRF
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b. En el modulo de ampliación 1. TWDDDI32DK
c. Salidas de la dirección 0. TWDLCDE40DRF. Digital 24 V DC
Normalmente Abierto
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d. Salidas de la dirección 2. TWDDDO32TK. Digital 2 4 V DC
Normalmente Abierto
Nota: Las entradas y las salidas que quedan libres son para posibles
ampliaciones en el sistema de control como lo son el sistema contra
incendios, el hidroneumático, etc…
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e. Entradas analógicas de la dirección 3. TWDARI8HT
Las cuales fueron configuradas por medio de formula, introduciendo los
datos:
Las variables utilizadas por el termistor seleccionado:
B=2075
Temperatura de referencia: 25°C
Resistencia de Referencia=1000Ω
f. Salidas analógicas de las direcciones 4,5,6 y7. TWDAVO2HT
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g. Para la programación del PLC se definieron los s iguientes
objetos:
• Objetos de Bits de memoria (%M):
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Objetos de palabra de memoria (%MW)
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5.6. COMUNICACIÓN E INTERFAZ HUMANO-MAQUINA (HMI)
5.5.1. Comunicación
El PLC cuenta con posibilidades de comunicación, mediante un
monitor de operación, red Ethernet, via MODBUS, mediante Puerto RJ45
Ethernet integrado, Un puerto de serie integrado y 1 slot para puerto en serie
adicional, con los que se podrá crear un entorno visual interactivo llamado
panel del operador con el que se podrá menejar de manera amigable por
medio de PCs remotas, también cuenta con la capacidad de comunicarse
mediante un modulo de envio y recepción de mensajes SMS por medio de
red GSM o GPRS.
A continuación se hace un estudio de factibilidad y de funcionalidad de
los componentes de comunicación del sistema, señalando sus características
principales, fortalezas y desventajas.
a. Comunicación vía Ethernet:
Permitirá conectar al PLC a un PC remoto para controlar, supervisar y
monitorear los procesos, gracias a que el PLC posee un puerto RJ45
Ethernet integrado, esto se hace al asignarle una dirección IP fija al PLC y
mediante un ruteador inalámbrico y un software se podrá tener acceso desde
cualquier computador con acceso inalámbrico a las variables del proceso, a
continuación se muestra los pasos a seguir para configurar la conexión.
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b. Comunicación vía SMS por GSM.
Permitirá mediante el modem SRMOD, que el sistema tenga
capacidad de comunicarse con un dispositivo GSM (celular), mediante envio
y recepción de SMS (mensajes de texto Corto), para controlar y supervisar el
estado del sistema de manera remota y en tiempo real.
GSM derivado de Sistema Global para Comunicaciones Móviles, es un
sistema de telefonía móvil digital de segunda generación, desarrollado y
estandarizado en Europa por el ETSI, durante los años de 1982 y 1992.
Hoy en día GSM es ampliamente difundido a nivel mundial, pues está
presente en más de doscientos países y territorios y cuenta con más de mil
millones de usuarios, lo que facilita ofrecer a los usuarios una cobertura
mundial, claro esto se hace posible gracias a los acuerdos existentes entre
operadoras de diversos países, lo que le permite a un cliente que viaja fuera
de su país utilizar en el extranjero su propio equipo y número telefónico, una
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vez que el teléfono es encendido, la red local lo registra como visitante
autorizado, y le habilita usar normalmente su teléfono GSM.
La tecnología GSM es más que transmisión de voz, brinda nuevas
formas de comunicación, por ejemplo ha sido pionera de servicios como el
envío y recepción de mensajes de texto, mensajes multimedia, imágenes,
videos, fotos, televisión en tiempo real móvil, roaming, entre otros.
Esta tecnología digitaliza y comprime los datos con información del
usuario y los envía a través de un canal, cada uno de ellos en su propia
ranura de tiempo. Funciona en bandas de frecuencia de 900 MHz o de 1800
MHZ. Aunque hay operadoras que poseen redes en ambas frecuencias,
también existen redes de 1900 MHz. y más recientemente de 850 MHz.
Arquitectura GSM
La arquitectura GSM se compone de cuatro bloques o subsistemas
que engloba el conjunto de elementos de la jerarquía del sistema, cada uno
de estos subsistemas desempeña funciones específicas para en su conjunto
ofrecer el servicio de telefonía móvil al usuario final. Los cuatro subsistemas
de la arquitectura de GSM son los siguientes:
Estación Móvil (MS):
Son teléfonos digitales que pueden ir integrados como terminales en
vehículos, pueden ser portables e incluso portátiles, los cuales tienen
incorporado la tarjeta SIM o Módulo de Identificación de Abonado.
La SIM es la tarjeta de abonado que proporciona el operador al
usuario cuando se contrata el servicio de telefonía, y se puede utilizar en
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cualquier terminal compatible. en ella se almacena toda la información del
usuario, contiene un microprocesador y una pequeña memoria.
La tecnología GSM está basada en el uso de la tarjeta SIM pues los
servicios que ofrece están asociados a la tarjeta SIM y no al equipo móvil, de
tal forma que los clientes pueden cambiar de equipo y mantener sus datos.
Lo que le brinda al cliente portabilidad de la información, o a su vez es
posible también cambiarse de operadora con solo adquirir una nueva tarjeta
SIM y contratar los servicios.
La tarjeta SIM Guardará, entre otras, la siguiente información para la
comunicación:
• Número de serie
• Identificación internacional del abonado móvil (IMSI)
• Identificación temporal del abonado móvil (TMSI)
• PIN (Clave corta de desbloqueo)
• PUK (Clave larga de desbloqueo)
• Clave del algoritmo de autentificación (Ki)
• Algoritmo de autentificación (A3)
• Algoritmo de generación de claves de cifrado (A8)
• Algoritmo de cifrado (A5)
• Clave del algoritmo de cifrado (Kc)
Subsistema de Estación (BSS)
El subsistema de estación está conformado por un grupo de
dispositivos y equipos que soportan la interface de radio de redes de
conmutación.
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Entre sus principales componentes se halla el Controlador de Estación
Base (BSC) y una o varias Estaciones Base (BTS). Estos dos elementos
pueden estar integrados en el mismo equipo o separados, en ese caso la
interfaz de comunicación entre ambos se denomina Abis. El BSC tiene las
tareas de decisión como la gestión de radiocanales para la configuración,
salto de frecuencia, asignación, la gestión de canales en el enlace MSC-
BSC, determinación de hand-over, control de potencia, etc.
LA BTS, tiene tareas más inmediatas como la temporización, calculo
de medidas de la intensidad de campo y la calidad del servicio, encriptación,
detección de accesos de estaciones móviles.
En el BSS existen una serie de características que el estándar GSM
define como opcionales es decir, que es el operador el que decide si quiere
utilizarlas o no.
Subsistema de Conmutación y Red (NSS)
Es el centro de procesamiento de la red GSM y es el responsable de
gestionar una comunicación confiable y conmutación entre la red GSM y las
redes externas, así como también con las bases de datos empleadas
utilizadas para la gestión adicional de la movilidad y de los abonados. Lo más
importante es la conexión con la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN).
Sus componentes principales son el centro de conmutación de
Servicios Móviles (MSC), que contiene integrados Registros de Ubicación
Loca (HLR) y el Registro de Ubicación de Visitantes (VLR) y las bases de
datos de HLR y VLR que se interconectan utilizando la Red de Control SS7.
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Subsistema de Operaciones (OSS)
Este subsistema es el responsable del mantenimiento y operación de
la red, así como de la gestión de los equipos móviles y también de la gestión
y cobro de cuota.
c. Ventajas del uso de GSM .
Aunque GSM presenta diversas ventajas nos centraremos en aquellas
que están relacionadas con el objeto de estudio.
La tecnología GSM hace posible controlar las anomalías de los
equipos como si estuviera verdaderamente presente ante ellos. Todos los
procesos de control se realizan en un corto espacio de tiempo y la
configuración de los programas y su prueba son inmediatos.
Al emplear un sistema de comunicaciones móvil, se resuelve los
problemas y fallos que puedan ocasionar los enlaces de las líneas telefónicas
fijas tradicionales, pues posee la capacidad de control y comunicación
inalámbricos mediante terminales móviles, permitiendo a los usuarios
además de una comunicación desde su teléfono celular, tener una línea de
control y monitorización estable. Esto permite realizar el control directo de los
instrumentos en cualquier instante, sin las restricciones de lugar de conexión
y fiabilidad que suponen las líneas analógicas convencionales.
d. SMS
SMS derivado de Servicio de Mensaje Corto, es un servicio
inalámbrico que permite el envío y recepción de mensajes alfanuméricos de
hasta 160 caracteres entre teléfonos celulares. Apareció por primera vez en
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Europa en 1991 a manos del ETSI. Posteriormente para el año de 1998
estuvo disponible también en América del Norte con las operadoras
BellSouth Mobility y Nextel.
El servicio de mensajería SMS está presente en casi todos los planes
de suscripciones proporcionados por las operadoras a un costo relativamente
bajo, lo que lo ha hecho muy popular; SMS permite que un equipo activo sea
capaz de recibir o enviar un mensaje corto en cualquier momento,
independientemente si existe o no una llamada de voz o datos en progreso lo
cual resulta muy útil para aplicaciones de control industrial a distancia.
Este servicio establece un mecanismo para la transmisión de
mensajes, una vez que el emisor envía el mensaje, este no es dirigido hacia
su destinatario si no más bien es direccionado a un centro de mensajes
(SMSC), que lo envia al teléfono receptor. Para esto, el SMSC envía un
requerimiento de SMS al registro de localización (HLR) para encontrar al
cliente, quien responde al SMSC informando el estado del cliente: inactivo o
activo y en dónde está. Si la respuesta es "inactivo", el SMSC almacenará el
mensaje por un periodo de tiempo y hasta cuando el cliente active su
dispositivo, y pueda ase entregado. El SMSC recibe la verificación de la
recepción del mensaje, y lo etiqueta como "enviado" para no tratar de
enviarlo de nuevo.
e. Aplicaciones para SMS
Los SMS fueron inicialmente diseñados para soportar mensajes de
tamaño limitado, en la mayoría de los casos notificaciones, pero se están
descubriendo nuevos usos, que han hecho que este mercado explote.
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Servicios de noti f icación:
Los servicios de notificación son unos servicios SMS ampliamente
utilizados. Ejemplos de servicios de notificación usando SMS son los
mensajes de notificación de correo de voz, notificación de correo electrónico,
recordatorio de citas, horarios de reuniones, etc.
Interconexión de redes de correo electrónico:
Los servicios de correo electrónico existentes pueden ser fácilmente
integrados con SMS para proveer correo electrónico bidireccional a la
mensajería corta.
Interconexión de redes de búsqueda
Servicios de búsqueda integrados con SMS pueden permitir a los
abonados inalámbricos digitales ser accesibles a través de interfaces de
búsqueda existentes en otras redes.
Servicios de información
Se puede proporcionar una amplia variedad de servicios de
información, incluyendo partes meteorológicos, información del trafico,
información de entretenimiento (cines, teatros, conciertos), información
financiera (cotizaciones de bolsa, servicios bancarios, servicios de corretaje,
etc.), y directorios.
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Servicios de datos móviles
El SMSC también puede ser usado para enviar datos inalámbricos
cortos. Los datos inalámbricos pueden ser servicios interactivos donde las
llamadas de voz estén involucradas.
Algunos ejemplos de servicios de esta naturaleza incluyen despachos
rápidos, manejo de inventarios, confirmación de itinerarios, procesamiento de
órdenes de ventas y manejo de contactos de clientes.
Atención de clientes y administración
El SMSC también puede ser usado para transferir datos binarios que
pueden ser interpretados por la estación móvil, sin ser presentados al cliente.
Esta capacidad le permite a los operadores administrar sus clientes al
proveerlos de la capacidad de programar las estaciones móviles.
Servicios de local ización
La habilidad de rastrear la localización de un objeto móvil, o de un
usuario, es muy valiosa tanto para los proveedores como para los clientes.
Esta aplicación, de nuevo, solo necesita un intercambio de pequeñas
cantidades de información, tales como la longitud y latitud en un momento
preciso del día, y quizás otros parámetros como velocidad, temperatura o
humedad.
A continuación se mostrará los pasos para configurar el modem para
el envió de sms a un teléfono celular.
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f. Introducción al módulo GSM
Para el desarrollo del proyecto se ha elegido el Módem SR2 MOD03
de Schneider Electric, que permite una conexión GSM, por lo cual resulta
idóneo para efectuar un control y diagnosis remoto.
g. Arquitectura del Módem
En la figura 61 se muestra la arquitectura del Módem, a continuación
se detallarán las partes y conexiones internas del módem.
Figura 61. Arquitectura del modem.
Fuente: Vieira, Andrea (2009)
h. h. h. h. Conexiones externas del MConexiones externas del MConexiones externas del MConexiones externas del Módemdemdemdem
En la Figura 62. Se muestran los componentes externos del módem,
los mismos que se detallarán a continuación:
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Figura 62. Componentes de Módem GSM
Fuente: Vieira, Andrea (2009)
Conector Micro FIT
Este conector tipo hembra de 4 pines permite la conexión de un
suministro externo de energía DC, en el siguiente, esquema se puede
observar el tipo de señal que transmite cada Pin del
Figura 63. Conector micro FIT
Conector para antena GSM
El conector de la antena GSM es SMA de tipo Hembra con una
impedancia de 50 Ohms.
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Antena Magnética GSM
Es una antena que permite la interconexión del módem con la red
GSM, para ello trabaja en las bandas 850/900/1800/1900 MHz, y utiliza el
cable coaxial para la transmisión de datos.
Se conecta directamente al Módem a través de un conector SMA de tipo
Macho
Figura 64. Antena GSM
Por defecto, inicialmente el módem se configura automáticamente
usando las operadoras de red europeas, si embargo una vez que la tarjeta
SIM es insertada en el módem se inicia el escaneo de operadoras de red,
para ello una aplicación integrada automáticamente chequea la presencia de
una red.
Al hallarla la almacena la información respectiva en el módem, este
proceso se repite cada vez que se inserta una nueva tarjeta SIM.
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GSM LED
Adicionalmente el módem cuenta con un LED, el cual es usado para
indicar el estado del módem.
En la tabla 20. se muestran los diferentes estados que puede tomar el
módem.
i. Estados del módem
GSM LED actividad estado del módem del LED
Encendido LED
Encendido
constante
El módem esta encendido, y listo para funcionar pero todavía
no es reconocido por la red. El Código PIN no ha sido
ingresado en la antena o está desconectada.
Led Titilante (Un
vez cada 2
segundos)
El módem está encendido, El Código PIN está activado y el
módem es reconocido por la red y hacer o recibir una
llamada. El módem se encuentra en un modo inactivo.
LED Titilante
(Cada segundo)
El módem está encendido y se encuentra ahora en estado de
comunicación, ya sea de vos, datos o fax.
Apagado LED apagado El módem esta apagado o en fase de RESET.
Tabla 16. Estados del Módem
j . Configuración y Programación del Módulo GSM y el
PLC Twido TWDLCDE40DRF
La configuración del módulo GSM y del PLC Twido se efectúan con el
uso de la Herramienta Twido Suite, para ello se deben realizar los siguientes
pasos:
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Figura 65 Pantallas del Twido Suite
2. En el submenú "Describe" se seleccionan los elementos a usar, que
aparecen en el Catalogo del Programa. Para la configuración del PLC Twido
TWDLCDE40DRF se seleccionan los siguientes elementos:
Para efectuar la conexión del PLC con el módem GSM, se selecciona
del Catalogo un elemento Genérico ASCII.
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Figura 66. Elemento Genérico ASCII
El módem GSM inicialmente está pre configurado con los siguientes
parámetros:
Velocidad del Puerto: 19200 baudios
Bit de datos: 8
Paridad: ninguna
Bits de parada: 1
Control de flujo: ninguno
Finalmente al efectuar la conexión del PLC con el elemento genérico
ASCII tales parámetros deben ser establecidos en el puerto de comunicación
SR232 del PLC, tal como se muestra en la Figura 68
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Figura 67. Configuración del GSM
k. Herramientas y protocolos de funcionamient o que
permitan el control remoto a través de GSM.
Una vez conectado y configurado el módem al computador, ya es
posible comunicarse con el teléfono celular mediante el envío de
instrucciones al mismo, para ello se utilizan los comandos AT.
Comandos AT
Una herramienta fundamental para el desarrollo de la tesis es el uso
de comandos AT debido a que el equipo móvil se comunica con la aplicación
a través de estos comandos, estableciendo una conversación del tipo
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pregunta/respuesta donde cada comando enviado al equipo móvil generara
una respuesta inmediata lo que permite generar la lista de parámetros
necesarios para leer y enviar un mensaje SMS. Es por ello que se dedicara
un tiempo al estudio de los estos comandos.
Los comandos AT cuyo nombre proviene de la abreviatura de
attention son instrucciones que nos permiten comunicarnos con un terminal
módem, fue desarrollado por Dennis Hayes en 1977, de allí que se los
conozca también como comandos Hayes, diseñados con el objeto de contar
con una interface de comunicación que permita configurar y proporcionar
instrucciones a un módem, por ejemplo marcar un número telefónico. Con el
desarrollo del baudio las compañías Microcomm y US Robotics tomaron la
batuta en su desarrollo hasta llegar a que su uso sea estandarizado.
Si bien es cierto que la función principal de los comandos AT es la
comunicación con módems es posible también utilizarla para la comunicación
con otros terminales móviles, de allí que GSM la haya adoptado como
estándar de comunicación con sus terminales. De tal manera que todos los
teléfonos móviles GSM poseen un juego de comandos AT específico que
sirve de interfaz para configurar y proporcionar instrucciones a los terminales,
al conjunto de estos comandos se los puede hallar en la documentación
técnica de los terminales GSM y la finalidad de ellos es permitir acciones
tales como realizar llamadas de datos o de voz, leer y escribir entradas en la
agenda de contactos y gestión de mensajes SMS, además de muchas otras
opciones de configuración del terminal.
La implementación de los comandos AT corre a cuenta del dispositivo
GSM y no depende del canal de comunicación a través del cual estos
comandos sean enviados, ya sea cable de serie, canal Infrarrojos, Bluetooth,
etc. De esta forma, es posible distinguir distintos teléfonos móviles del
mercado que permiten la
parcialmente.
Los comandos Hayes se dividen en dos grandes tipos: Comandos de
ejecución de acciones inmediatas (ATD marcación, ATA contestación o ATH
desconexión) y comandos de configuración de algún parámetro del módem
(ATV define como el módem responde tras la
ATE selecciona el eco local, etc)
Generalmente un módem posee dos modos de funcionami ento:
Modo comando:
El módem responde a los comandos que le envía la terminal local o
sea, que la información que recibe el módem la procesa sin transmitirla por la
línea y le envía su respuesta a la terminal. En este modo es posible
configurar el módem o realizar operaciones de marcado y conexión.
Antes de que se
en el presente Antes de que se pueda enviar un comando al módem, este
debe estar en el presente modo
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
etc. De esta forma, es posible distinguir distintos teléfonos móviles del
mercado que permiten la ejecución total del juego de comandos AT o sólo
Los comandos Hayes se dividen en dos grandes tipos: Comandos de
de acciones inmediatas (ATD marcación, ATA contestación o ATH
desconexión) y comandos de configuración de algún parámetro del módem
ATV define como el módem responde tras la ejecución
ATE selecciona el eco local, etc)
Generalmente un módem posee dos modos de funcionami ento:
Modo comando:
El módem responde a los comandos que le envía la terminal local o
nformación que recibe el módem la procesa sin transmitirla por la
línea y le envía su respuesta a la terminal. En este modo es posible
configurar el módem o realizar operaciones de marcado y conexión.
Figura 68. Modo comando de un módem
Antes de que se pueda enviar un comando al módem, este debe estar
en el presente Antes de que se pueda enviar un comando al módem, este
debe estar en el presente modo
etc. De esta forma, es posible distinguir distintos teléfonos móviles del
de comandos AT o sólo
Los comandos Hayes se dividen en dos grandes tipos: Comandos de
de acciones inmediatas (ATD marcación, ATA contestación o ATH
desconexión) y comandos de configuración de algún parámetro del módem
de un parámetro,
Generalmente un módem posee dos modos de funcionami ento:
El módem responde a los comandos que le envía la terminal local o
nformación que recibe el módem la procesa sin transmitirla por la
línea y le envía su respuesta a la terminal. En este modo es posible
configurar el módem o realizar operaciones de marcado y conexión.
Modo comando de un módem
pueda enviar un comando al módem, este debe estar
en el presente Antes de que se pueda enviar un comando al módem, este
Modo en línea:
Cuando el módem se conecta con otro. Aquí, cualquier información
que envíe la terminal lo
este caso el módem no procesa ningún tipo de información y simplemente la
transmite a través de la línea. Lo que sí puede hace es añadir a los datos
información adicional para la corrección de errores y ver
recibe del otro módem no han sido adulterados.
Para salir de este modo, la terminal local debe enviar el carácter de
escape repetido 3 veces de forma seguida. Dicho carácter es configurado en
el modo comando. De fábrica, por lo gene
Figura 70. Modo en línea de un módem
Comúnmente cuando uno realiza una conexión mediante un módem
telefónico contra otra terminal se utilizan programas que tiene una interfaz
amigable y la mayoría de los comandos que
ingresa al módem es transparente al usuario. Pero ver en detalle los
comandos Hayes ayuda a entender cómo es en sí este tipo de comunicación.
Formato de los comandos
La mayoría de los comandos Hayes empieza con la secuenci
siendo las excepciones el comando "A/" que repite el último comando
introducido y la secuencia triple del caracter de escape. Los otros comandos
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Modo en línea:
Cuando el módem se conecta con otro. Aquí, cualquier información
que envíe la terminal local al módem será transmitida al módem remoto. En
este caso el módem no procesa ningún tipo de información y simplemente la
transmite a través de la línea. Lo que sí puede hace es añadir a los datos
información adicional para la corrección de errores y verificar si los datos que
recibe del otro módem no han sido adulterados.
Para salir de este modo, la terminal local debe enviar el carácter de
escape repetido 3 veces de forma seguida. Dicho carácter es configurado en
el modo comando. De fábrica, por lo general, el carácter de escape es el "+".
Figura 70. Modo en línea de un módem
Comúnmente cuando uno realiza una conexión mediante un módem
telefónico contra otra terminal se utilizan programas que tiene una interfaz
amigable y la mayoría de los comandos que el software de comunicación le
ingresa al módem es transparente al usuario. Pero ver en detalle los
comandos Hayes ayuda a entender cómo es en sí este tipo de comunicación.
Formato de los comandos
La mayoría de los comandos Hayes empieza con la secuenci
siendo las excepciones el comando "A/" que repite el último comando
introducido y la secuencia triple del caracter de escape. Los otros comandos
Cuando el módem se conecta con otro. Aquí, cualquier información
cal al módem será transmitida al módem remoto. En
este caso el módem no procesa ningún tipo de información y simplemente la
transmite a través de la línea. Lo que sí puede hace es añadir a los datos
ificar si los datos que
Para salir de este modo, la terminal local debe enviar el carácter de
escape repetido 3 veces de forma seguida. Dicho carácter es configurado en
de escape es el "+".
Figura 70. Modo en línea de un módem
Comúnmente cuando uno realiza una conexión mediante un módem
telefónico contra otra terminal se utilizan programas que tiene una interfaz
el software de comunicación le
ingresa al módem es transparente al usuario. Pero ver en detalle los
comandos Hayes ayuda a entender cómo es en sí este tipo de comunicación.
La mayoría de los comandos Hayes empieza con la secuencia "AT",
siendo las excepciones el comando "A/" que repite el último comando
introducido y la secuencia triple del caracter de escape. Los otros comandos
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
luego de la secuencia "AT" siguen con las letras del alfabeto. Además,
muchos de ellos necesitan a continuación un valor numérico, que en el caso
que no se escriba se tomará como que dicho valor es cero. Por eiemplo, la
función "ECO" permite que el módem envíe a la terminal el mismo carácter
que recibe de ella y procesa. De esta forma eloperador de la terminal puede
visualizar en pantalla lo que le está enviando al módem. La secuencia ATE1
activa esta función y la ATE0 ó ATE (al no escribir el valor numérico el
módem lo toma como que es cero) la desactiva. A media que se fueron
requiriendo más funciones en los módems se tuvo la necesidad de agregar
más comandos. A estos comandos se los llama extendidos y tienen la forma
AT&X donde "&" indica que el comando X es extendido. Así mismo cada
fabricante introdujo otros que no fueron estándares y cumplían funciones
específicas. No todos los módems responden a estos comandos.
En resumen, a los comandos Hayes se los puede dividir en 4 grupos:
Comandos Básicos (AT...) Estos comandos fueron los que inicialmente
fueron definidos y cumplen funciones elementales.
Comandos de Registro (ATSi=, ó ATSi?): Modifican los valores de los
registros internos del módem ó solicitan sus valores.
Comandos Extendidos(AT&..): Son comandos adicionales que se
agregaron posteriormente a las definiciones de los comandos básicos.
Generalmente cumplen funciones poco más complejas que los básicos.
Comandos Propietarios(AT/...):
Estos comandos son definidos por el fabricante del equipo.
Sintaxis de los comandos
En la figura siguiente se detalla la sintaxis de comandos utilizados por
AT.
Comandos AT más uti l izados
A continuación se presenta una lista de los comandos AT que son
mayormente utilizados en el desarrollo de aplicaciones GSM, a estos
comandos se los debe anteponer AT.
Comando
A Responder la llamada entrante
A/ Repetir el último comando (no se le antepone AT)
D Configura la forma de marcado: T (por tonos), P (por pulsos)
E Deshabilita el eco para la terminal
E1 Habilita el eco
H Cuelga la llamada
I Pedido d
L Regula el volumen del sonido de salida del módem
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
Sintaxis de los comandos
En la figura siguiente se detalla la sintaxis de comandos utilizados por
Figura 69. Sintaxis de un comando AT
Comandos AT más uti l izados
A continuación se presenta una lista de los comandos AT que son
mayormente utilizados en el desarrollo de aplicaciones GSM, a estos
comandos se los debe anteponer AT.
COMANDOS AT BÁSICOS
Descr ipción
Responder la llamada entrante
Repetir el último comando (no se le antepone AT)
Configura la forma de marcado: T (por tonos), P (por pulsos)
Deshabilita el eco para la terminal
Habilita el eco
Cuelga la llamada
Pedido de información
Regula el volumen del sonido de salida del módem
En la figura siguiente se detalla la sintaxis de comandos utilizados por
Sintaxis de un comando AT
A continuación se presenta una lista de los comandos AT que son
mayormente utilizados en el desarrollo de aplicaciones GSM, a estos
Configura la forma de marcado: T (por tonos), P (por pulsos)
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
O Retorna al modo En Línea desde el modo Comando.
Q Configuración para mostrar los resultados
Q1 Hace que el módem no arroje resultados de las operaciones
Sn? Pregunta por el valor del registro n
V El módem devuelve resultados numéricos
V1 El módem devuelve resultados con palabras
X Reporta los códigos básicos de conexión
X1 ídem al anterior y agrega la velocidad de la conexión
X2 ídem al anterior y además detecta tono de marcado
X3 ídem X1 y además es capaz de detectar tono de ocupado
X4 El módem reporta y detecta todos los acontecimientos anteriores
Z Se resetea la configuración del módem con los datos del perfil 0
Z1 Se resetea la configuración del módem con los datos del perfil 1
W Envía códigos de progreso de la negociación
+++ Carácter de escape para volver al modo comando estando en modo en línea sin
colgar la comunicación
Comando Descr ipc ión
&C Mantiene activa la señal de "Carrier Detect"(contra el otro módem).
&C1 Detecta e indica "Carrier Detect" (contra el otro módem).
&D Ignora la señal de "Data Terminal Ready".
&D1 Si DTR se desactiva el módem para a modo comando.
&D2 El módem cuelga la comunicación si el DTR cae.
&D3 El módem cuelga, se resetea y vuelve a modo comando si cae el DTR.
&F Carga el perfil de configuración de fábrica 0.
&F1 Carga el perfil de configuración de fábrica 1 (IBM-PC compatible).
&F2 Carga el perfil de configuración de fábrica 2 (MAC compatible).
&F3 Carga el perfil de configuración de fábrica 3 (MAC compatible).
&K Deshabilita el control local de flujo.
&K1 Habilita el control local de flujo por hardware (RTS/CTS).
&Q Deshabilita el control de errores.
&Q5 Selecciona el control de errores V.42 (necesita control de flujo).
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
&Q8 Selecciona una corrección de errores alternativa: MNP
&Q9 Condiciona la compresión: si está activo la V.42 bis desactiva el MNP5.
&U Habilita la modulación Trellis según la norma V.32.
&V Muestra la configuración activa.
&W Guarda la configuración actual en el perfil 0.
&Y Hace que el perfil 0 sea el activo cuando se prende el equipo.
Comandos AT Propietarios
COMANDOS PROPIETARIOS
Comando Descr ipc ión
%C Deshabilita la compresión de los datos.
%C1 Habilita la compresión MNP5.
%C2 Habilita la V.42 bis.
%C3 Habilita la MNP5 y la V.42 bis.
l. Ajuste de modem
AT&D0 IGNORAR SEÑAL DTR
ATV0 ELIMINA CRLF DE RESPUESTAS
AT+CBST=nº velocidad,0,1 VELOCIDAD DE COMUNICACIÓN
(7=9600)
AT+ICF=bit de datos, paridad (2= 8 Bits datos / 2), (4=sin paridad)
AT&W GUARDA PARAMETROS EN EPROM MODEM
m. Comandos comunes
AT+CMGL=”ALL” MUESTRA TODOS LOS MENSAJES RECIBIDOS
+CMTI: “SM”,3 RECIBIDO NUEVO MENSAJE, Nº3
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
AT+CMGD=n,0 BORRA EL MENSAJE Nº n
AT+CMGD=1,1 BORRA MENSAJES LEIDOS
AT+CMGD=1,2 BORRA MENSAJES LEIDOS Y ENVIADOS
AT+CMGD=1,3 BORRA MENSAJES LEIDOS Y NO LEIDOS
(TODOS)
AT+CMGR=n LEER EL MENSAJE Nº n
n. Envio de SMS
AT+CMGS= “numero telefono” CR (retorno de carro)
Texto a enviar CTRL+Z ENVIO DE MENSAJE
ñ. Función de comunicación para el Twido
[EXCHx %MWi:L] o [EXCHx %KWi:L]
O: x = número de puerto (1 o 2); L = número total de palabras de la
tabla de palabras (máximo de 121). Los valores de la tabla de
palabras internas %MWi:L son del tipo i+L - 255<= 255.
5.5.2. Entorno Visual:
En la industria se debe tener control total sobre los procesos continuos
y esto se hace posible gracias al conocimiento general del proceso y las
variables que en el intervienen, en este caso particular, no basta con la
programación a pie de maquina del PLC, se debe poseer una interfaz que
permita controlar, supervisar y modificar los parámetros de funcionamiento.
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Para ello se utilizará el software de Scada Intouch para crear una interfaz
hombre-máquina (pantalla del operador) que además de ser amigable, pueda
mostrar en tiempo real el estado del sistema, es decir, que luces están
encendidas o no, vigilar el correcto funcionamiento de las bombas, chiller y
Fan-Coils, así como qué temperatura promedio está registrada en los
recintos, también es muy importante contar con alarmas de falla, para así
poder tomar las acciones requeridas a tiempo.
Esta pantalla del operador se podrá monitorear por medio de la red
Ethernet mediante el protocolo Modbus TCP/IP, asignándole una dirección IP
al PLC, para conectar una PC bajo ambiente Windows, Ya que al PLC posee
un módulo de comunicaciones Modbus sobre Ethernet integrado es posible
interconectar el PLC una red internet inalámbrica dedicada utilizando un
Ruteador o Router y de ésta manera con sólo instalar el programa de
Interface Gráfica y suministrar la correspondiente clave de acceso controlar
las operaciones y el horario del PLC desde cualquier computadora personal
en el edificio con tarjeta de red inalámbrica.
a. Descripción del HMI usado:
InTouch de Wonderware
InTouch es un paquete de software utilizado para crear aplicaciones
de interface hombre-máquina bajo entorno PC. InTouch utiliza como sistema
operativo el entorno WINDOWS 95/98/NT/2000. El paquete consta
básicamente de dos elementos: WINDOWMAKER y WINDOWVIEWER.
WINDOWMAKER es el sistema de desarrollo. Permite todas las funciones
necesarias para crear ventanas animadas interactivas conectadas a sistemas
de e/s externos o a otras aplicaciones WINDOWS. WINDOWVIEWER es el
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sistema runtime utilizado para rodar las aplicaciones creadas con
WINDOWMAKER.
b. Requerimientos del Sistema
Cualquier PC compatible IBM con procesador Pentium 200 MHz o
superior
Mínimo 500 Mb de disco duro
Mínimo 64 Mb RAM
Adaptador display SVGA (recomendado 2 Mb mínimo)
Puntero (mouse, trackball, touchscreen)
Adaptador de red
c. Creación de pantalla .
La pantalla es el entorno en donde se colocaran todos los elementos,
es importante que en ella se puedan visualizar todas las variables implícitas
en los mismos, en este caso en particular se muestra la vista de planta de
arquitectura del Lab-Volt El Vigía en donde se podrán observar: el estado de
las luces y por ende si hay clase o no en ese espacio gracias al detector de
presencia, el estado del sistema de bombeo, el status del chiller, el
funcionamiento de los Fan Coil, la temperatura de los laboratorios, asi como
las acciones de las válvulas reguladoras de flujo para mantener el set point.
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d. Comunicación entre el programa Intouch y el PLC:
En esta parte del proyecto se detalla cada una de las configuraciones
realizadas en los equipos para el correcto funcionamiento. Se describirá paso
a paso la forma de levantar cada una de las partes que conforman el
SCADA. Las magnitudes de las variables de proceso son los datos que
deben llegar desde los módulos hacia el PLC y estas hacia el servidor. Para
esto se configura el I/O server MBENET de la forma como se indica a
continuación.
e. Configuración del I/O server MBENET.
MBENET, es un protocolo, que permite la comunicación entre el
Intouch y el PLC.
El Twido MBENET I/O Server, actúa como servidor de comunicación
ya que es el que permite el acceso al programa del PLC desde las
aplicaciones de Windows (Intouch). Por lo tanto, se necesita direccionarle
hacia el PLC, y para esto se debe configurar los siguientes parámetros de la
figura 71.
Figura 71. Configuración del I/O Server Mbenet
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Topic Name.
Es el nombre que se le da a la aplicación de la cual se quiere leer los
datos. El Topic Name debe ser igual al Access Name de los I/O tags del
programa Intouch, en este caso se asigno el nombre "PROYECTO".
IP Address.
Es la dirección IP del PLC con el cual se desea comunicarse para
transferencia de los datos. Por lo tanto, es la misma dirección IP configurada
en el Twido Port Ethernet del PLC; en este caso "192.168.1.3".
Salve Device Type
Se refiere al PLC con el que hay que comunicarse, en este caso el
PLC "584/984PLC".
En la Figura 71 anterior se observa que como nombre de tópico se
emplea "PROYECTO". La dirección IP escogida es la del PLC la cual es
única para cada módulo. Además, para completar la configuración de
parámetros en el HMI se debe definir un "Access Name" en el Intouch como
se indica a continuación.
f. Configuración del access name en INTOUCH
Para poder enlazar datos vía DDE hacia el PLC, en InTouch se debe
definir un Access Name. Al mismo que le podemos asociar una Aplicación y
un Tópico.
Access Name, (Nombre de enlace) Se recomienda utilizar el
mismo nombre que el tópico, en este caso "PROYECTO"
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Node Name. (Nombre del Nodo) Sólo hay que asignarlo si se
va a leer datos de otro PC. En caso que los datos sean del mismo PC,
dejarlo en blanco.
Application Name. (Nombre de la Aplicación) Se debe poner el
nombre de la aplicación del PC que se va a comunicar con el PLC, En este
caso el servidor de comunicación es el MBENET, que a su vez es quien
accede a los datos del PLC.
Topic Name. (Nombre del Tópico); Es el nombre del archivo del
que queremos leer, en este caso "PROYECTO" ya que así fue establecido en
el MBENET.
Figura 72 Configuración del Access Name
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Whichprotocol To Use. Puede ser enlace DDE o SuiteLink. Se
deja por defecto.
When to Advise Server. Normalmente dejar por defecto
Configuración del Twido Port.
Se usa el cuadro de dialogo "Configuración del Twido Port" para
configurar la dirección IP del dispositivo, se debe estar en la misma red de la
computadora que ejecuta el TwidoSuite, como lo muestra la Figura 73.
Es importante conocer que al Twido Ethernet se debe configurar
cuando está en el modo Offline.
h. Configuración de la red wireless.
La red wireless a implementarse está formada por varios equipos, que
permiten la interconexión y transporte de datos. En esta parte del proyecto se
detalla la forma en que se configura cada uno de ellos.
Figura 73 Configuración de la Dirección del Twido
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i. Configuración del acces point.
Existe dos maneras de configurar los parámetros de comunicación
para el Access Point: automática y manual.
La forma automática es a través de un servidor DHCP, cuya función es
asignar automáticamente la dirección lógica de un dispositivo. De manera
general un servidor DHCP asigna la dirección IP, la máscara y el Gateway.
Para configurar manualmente el Access Point usando el menú de
configuración se realiza lo siguiente:
Se abre el navegador de Internet y se ingresar a la IP por defecto del
router (http://192.168.0.1), Se debe escribir "admin" como nombre de usuario
y se deja en blanco en el password.
Una vez abierta la ventana del menú de configuración del Access
Point se ingresa la IP del router, la máscara de subred y el dominio, tal como
se indica en la figura 3.5.1.2. Como se muestra en la Figura 74 la nueva IP
es la 192.168.1.100 con mascara 255.255.255.0, por lo que para ingresar
nuevamente por consola al router se tiene que poner esta nueva IP en el
navegador de Internet y seguir el mismo procedimiento anterior para poder
administrarlo.
Figura 74. Configuración del Access Point
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CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En el desarrollo de cualquier proyecto de diseño de un sistema
automatizado, involucra una exhaustiva investigación del proceso a
automatizar, en el estudio del funcionamiento del proceso, las variables que
se manejan, justificación de la automatización, los materiales y herramientas
existentes es decir hacer un inventario de equipos, para hacer la selección
del equipo de control y actuadores, asi como también como puede hacerse
la comunicación, estudiándolas diversas alternativas y creando una interfaz
Humano-máquina amigable que cuente con todos los parámetros de control
para vigilar, monitorear y supervisar el o los lazos de control.
Luego de realizar la etapa documental, se procedió a Familiarizarse
con el ciclo de actividad diaria del edificio.
Se diseñó el sistema de control para controlar la iluminación,
asignando bloques horarios especificados para siete (7) laboratorios:
Maquinas Eléctricas, Instrumentación y Control, Neumática, Hidráulica,
Telecomunicaciones, Electrónica, Mecanizado y aéreas comunes y
administrativas, para contribuir con mayor ahorro energético se implemento
en el diseño elementos detectores de presencia haciendo que el encendido
de las luces no solo dependa del horario sino también de que cada
laboratorio este ocupado por personas.
Se diseñó el sistema de control mediante un controlador lógico
programable (PLC) marca Schneider Electric, Modelo compacto: Twido
TWDLCDE40DRF , conectado a válvulas modulantes a nivel de cada Fan-
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Coil, sensada por medio de termistores conectados a un módulo de
ampliación para entradas NTC y mediante el control PID accionar válvulas
motorizadas que regulen el caudal de agua que pasa por cada una de estas
unidades, controlando así la temperatura de los laboratorios.
Se estudió la factibilidad de los dispositivos de transmisión vía
Internet o GSM, haciendo un estudio comparativo entre ellos y realizando el
diseño para la opción que se ajuste más a las condiciones del edificio, el uso
del sistema elegido se basará en enviar mensajes de monitoreo y alerta a un
computador personal conectado a Internet a un teléfono celular vía GSM.
En ese caso se darán detalles de configuración de los dos sistemas,
por red LAN o WLAN ya que los dos sistemas son muy prácticos para la
supervisión del sistema de control, por red Modbus para monitoreo en tiempo
real y de manera visual, y la bondad mas resaltante de la comunicación GSM
para el reporte de alamas ya que se hace mediante un dispositivo celular.
La automatización en los edificios es de suma importancia ya que
contribuye con el ahorro energético tan demandado actualmente a nivel
mundial, reduciendo de manera significativa el consumo eléctrico.
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RECOMENDACIONES
Se recomienda instalar el programa de comunicación por lo menos en
una computadora asignada al control de los procesos y adiestrar al personal
en su correcta manipulación.
Como los proyectos LAB-VOLT del INCES, son pilotos a nivel
nacional, se recomienda implementar este sistema de automatización, en
todos los centros, contribuyendo en reducir considerablemente el consumo
energético.
Actualmente con el avance de la tecnología se cuentan con módulos
PID, externos al PLC que están especialmente diseñados para regular el flujo
de agua helada según el sensado de temperatura con gran precisión, que
pueden manejar gran cantidad de entradas y salidas, es recomendable que
se estudie las características del sistema a fondo y de acuerdo a la precisión
requerida evaluar si es más factible utilizar un solo módulo PID que
reemplazaría los 4 módulos analógicos de salida y el modulo de entrada
Se recomienda para el desarrollo de futuros trabajos de grado
complementar este, realizando el diseño de un entorno que pueda llevar los
registros del historial de consumo diario.
Se recomienda implementar los dos sistemas de comunicación, por
red WLAN y por vías GSM ya que como no se cuenta con personal dedicado
a la automatización existirán diversa maneras de conocer el estado del
sistema en tiempo real.
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BIBLIOGRAFÍA
ANDRE, S. (2004) Problemas Resueltos con Autómatas Programables, 3ra
ed. Editorial Parainfo, Madrid.
Arias, F. (2004). El Proyecto de Investigación: Introducción a la Metodología
Científica. 4ta ed. Caracas. Episteme.
BECERRA, Jhonatan (2007).Trabajo de Grado: Automatización, control y
supervisión remota del sistema central de aire acondicionado (agua helada)
para un edificio. U.C.V Ing. Mecánica.
CARBONELL, Elkin.(2000) Trabajo de Grado: Automatización de los
sistemas de aire acondicionamiento e iluminación de una empresa de
cosméticos . U.C.V. Ing. Mecánica
HUGH, Jack (2005). Automating Manufacturing Systems with PLCs.
Claymore Engineers. 4ta Ed.
MACÍAS, Javier (2002) .Trabajo de Grado: Automatización del sistema de
aire acondicionado de Metrópolis Shopping Center. U.C.V. Ing. Mecánica
Martínez Urbina, F. (2005). Informe de pasantía. Universidad Nacional
Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”.Caracas.
Marval, Salvador. (2008) tesis de grado. Automatización de luminarias y aires
Acondicionado de la escuela de Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la
Universidad Central de Venezuela
MYER, Kutz (2006) Mechanical Engineer's Handbook. 3ra Ed. John Wiley &
Sons.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
PIEDRAFITA, R. (2004) Ingeniería de la Automatización Industrial, 3ra ed ,
Madrid. Editorial Alfaomega.
LOGITEC S.A. (2005) Formación InTouch Nivel. WONDERWARE.
WANG, S. (2003) Handbook of Air Conditioning and Refrigeration, 2da ed,
New York, Editorial MCGRAW-HILL.
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ANEXOS