Sistema de monitoreo de funcionamiento en tiempo real para equipos de refrigeración

Transcripción

1 Sistema de monitoreo de funcionamiento en tiempo real para equipos de refrigeración Zambrano Juan Carlo, Contreras César, Jean Méndez, Daniel Escobar. Universidad Nacional Experimental del Táchira, Decanato de Investigación San Cristóbal, Venezuela Resumen- Se describe el desarrollo de un sistema de comunicación para el monitoreo y control remoto de equipos de refrigeración los cuales son utilizados para almacenar y conservar diferentes tipos de productos a una temperatura determinada. El desarrollo de un sistema de comunicación para el monitoreo y control remoto de equipos de refrigeración tiene como finalidad reducir los costos de mantenimiento debido a que el monitoreo de las temperaturas en el ciclo térmico permite prevenir fallas en los equipos y aumentar la eficiencia energética así como la disponibilidad de los mismos. Para esto, se seleccionaron las variables que tienen mayor influencia en el funcionamiento y desempeño energético de un circuito de refrigeración, se diseñó el sistema de control y comunicaciones que permite la transmisión de datos a través de una red IP, una sencilla interfaz gráfica que permite adquirir, almacenar, actualizar y tener acceso a los datos obtenidos. Finalmente se presentan resultados de las pruebas de monitoreo en tiempo real. Palabras Claves: Eficiencia Energética, Refrigeración, Monitoreo. I. INTRODUCCIÓN Los sistemas de refrigeración tienen un papel crucial en diferentes industrias como en el caso de alimentos y bebidas, desde el punto de vista de proceso productivo, es necesario que el recinto cuente con las condiciones adecuadas de temperatura y/o humedad relativa para evitar el deterioro de la materia prima y mantener la esterilidad requerida, asimismo es importante garantizar la continuidad operativa minimizando interrupciones por mantenimiento en

2 cualquiera de sus tipos obligando a la aplicación de estrategias predictivas para lograrlo. Por otra parte, los sistemas de refrigeración demandan una gran cantidad de energía relativa al total de global de una planta cualquiera haciendo que su funcionamiento tenga vital importancia tanto en monto de uso y consumo eléctrico, así como a Corpoelec ya que es bien sabido que la energía en Venezuela tiene un alto subsidio. Para verificar cómo se usa y cómo se puede ahorrar la energía la administración de energía constituye una filosofía fundamental que involucra aspectos técnicos, medioambientales y administrativo-financieros [1], [2], lo cual se realiza mediante una evaluación y determinación de oportunidades de ahorro de energía llamada auditoría energética, lamentablemente este proceso no es continuo y requiere que personal calificado para su ejecución. Así, se pretende hacer un monitoreo en tiempo real de variables fundamentales de funcionamiento para sistemas de refrigeración que permita remotamente conocer el estado actual de los subsistemas de refrigeración, y valorar el uso energético. El trabajo ha sido desarrollado dentro de un conjunto de soluciones en automatización industrial y domótica; realizadas en la Universidad Nacional Experimental del Táchira por diferentes grupos de investigación los cuales han contado con financiamiento parcial del sector privado. II. CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN El circuito de refrigeración comúnmente usado es el de compresión de vapor como se muestra en la Fig. 1 el cual está constituido de los siguientes subsistemas: Evaporación, donde se transfiere energía en forma de calor desde el ambiente a refrigerar hasta el fluido de trabajo. Compresión, el cual impulsa el movimiento del refrigerante elevando su presión y temperatura. Condensación, donde se condensa el refrigerante a una alta presión y la energía en forma de calor liberada en el proceso es disipada hacia el medio ambiente, logrando de esta forma baja la temperatura. Expansión, que reduce súbitamente la presión y por lo tanto la temperatura del refrigerante que alimenta la evaporación y así completar el ciclo [3], [4].

3 Fig. 1 Esquema de un ciclo de refrigeración Energéticamente hablando, todos los subsistemas tienen directa influencia tanto en la capacidad de enfriamiento como en el consumo energético. Por lo tanto, después de realizar un análisis que está fuera de los objetivos de este artículo, se seleccionaron para ser monitoreadas y registradas las variables que se indican en el circuito de refrigeración de la Fig. 1 usando normas ISA [5] y que se describen en la Tabla 1, Tabla 2 y Tabla 3: Tabla 1 Temperaturas medidas del circuito de refrigeración. Identificador Nombre Descripción TE102 T evap Sensor de temperatura de la tubería a la salida del evaporador o de evaporación. TE101 T suc Sensor de temperatura de la tubería a la entrada del evaporador o de succión. TE201 T des Sensor de temperatura de la tubería a la salida de compresor o de descarga. TE202 T con Sensor de temperatura de la tubería después del condensador o de condensación. TE203 T fil Sensor de temperatura de la tubería después del filtro secador.

4 Tabla 2 Temperaturas medidas del aire. Identificador Nombre Descripción TE104 T e,ev Sensor de temperatura del aire a la entrada del evaporador o Temperatura del recinto. TE103 T s,ev Sensor de temperatura del aire a la salida del evaporador. TE204 T e,co Sensor de temperatura del ambiente a la entrada del condensador. TE205 T s,co Sensor de temperatura a la salida del condensador. Tabla 3 Variables eléctricas. Identificador Nombre Descripción EE101, EE102, EE103 V 1N, V 2N, V 3N, Sensores de voltajes de fase. IE101, IE102, IE103 I 1, I 2, I 3 Sensores de corrientes de línea. III. DISPOSITIVO DE MONITOREO A continuación se justifica la selección de los sensores y se describen los respectivos circuitos de acondicionamiento, el hardware de control y comunicación y los actuadores para el diseño y construcción de la unidad de monitoreo. A. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES Para la potencia se mide la corriente y el voltaje instantáneo. Como sensor de corriente se usó un transformador de corriente de 30 A, modelo ECS1030-L72 de núcleo partido [6], ya que; su rango de medición es superior al requerido, es de tipo no invasivo y el circuito de acondicionamiento para conectarse al dispositivo de control es simple, como se muestra en la Fig. 2(a). Luego, como sensor de voltaje se utilizó el circuito divisor de voltaje de la Fig. 2(b), a través del cual se rectifica y se filtra la onda de voltaje AC, lográndose medir un valor proporcional al valor pico del voltaje [7]. Por último, para medir las temperaturas se seleccionaron termistores NTC de 10 kω de la siguiente forma; 4 termistores tipo gota para la medición de temperatura de aire y 5 termistores tipo tubería para el resto de mediciones, porque este tipo de sensores son típicamente usados en sistemas de refrigeración, ya que pueden medir temperaturas desde -50 C hasta 130 C que es el rango del ciclo termodinámico de un cuarto frio [8].

5 (a) (b) (c) Fig. 2 Acondicionamiento (a) Sensor de corriente, (b) Sensor de voltaje y (c) Sensor de temperatura B. SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO DE CONTROL Y COMUNICACIÓN El microcontrolador Arduino Mega, como el de la Fig. 3(a) fue usado por tener la mejor relación entre desempeño y costo, se programa bajo lenguaje C++ que es muy conocido en el desarrollo de aplicaciones y especialmente, está basado en una filosofía de hardware y software libre. Asimismo, se usó el módulo de comunicación Arduino Ethernet Shield Fig. 3(b), ya que está diseñado especialmente para el Arduino y además es suficiente un cable de red para conectarse a cualquier otro medio de transmisión, como un modem 3G, ADSL, router o suiche de red local [9]. (a) (b) Fig. 3 (a) Arduino Mega: placa de desarrollo basada en el microcontrolador ATmeg1280, (b) Placa de comunicación Arduino Ethernet Shield C. SALIDA DE POTENCIA El circuito controlador de relé consiste de un transistor conectado en configuración emisor común, que conmuta entre los estados de corte y saturación según sea excitada la base del transistor. La excitación de la base se hace a través de un divisor de voltaje formado por dos resistencias. Un diodo conectado entre el terminal +Vcc y el colector del transistor que a su vez está en paralelo con la bobina del relé, absorbe los picos de corriente que genera la bobina cuando el transistor cambia de estado [7]. Por otra parte se usaron 5 relés, cada terminal normalmente abierto se usa para cerrar el circuito de alimentación de 5 contactores que a su

6 vez energiza el evaporador, el condensador y el compresor y los dos restantes se tienen como auxiliares para la válvula de expansión y la resistencia de descarchado si es el caso. IV. RESULTADOS A. INSTALACIÓN Y UBICACIÓN DEL HADWARE Al realizar la inspección al cuarto frío se determinó que los componentes que conforman el sistema de monitoreo y control debían dividirse en dos módulos, el primero se ubicó junto al cuarto frío, este contiene el microcontrolador, la tarjeta de comunicación, el display de visualización local de la data y el teclado para la configuración y operación de la unidad, como se observa en la Fig. 4(a). En el área exterior y junto a los actuadores y elementos de potencia se colocó el segundo módulo que contiene los circuitos acondicionadores de los sensores de voltaje, corriente y temperatura, y los relés conectados a los actuadores, como se muestra en la Fig. 4(b). (a) (b) Fig. 4 (a) Modulo de control y comunicaciones, (b) Módulo de acondicionamiento de sensores y actuadores. B. INTERFAZ DE SUPERVISIÓN Y CONTROL REMOTO. Dentro de la pantalla de configuración la Fig. 5(a), pueden cambiarse los valores de setpoint, histéresis, tiempo para el ciclo de descongelamiento y duración del mismo. Para esto se ajustan los sliders dispuestos debajo de cada uno de estos valores y remotamente será ajustado a la configuración de funcionamiento. También es posible seleccionar de una lista el refrigerante que usa el cuarto frío para hacer una relación entre la temperatura a lo largo del ciclo y su respectiva presión. Luego en la pantalla de monitoreo de la Fig. 5(b), el usuario puede ver el comportamiento histórico de las variables monitoreadas a través de distintas gráficas para las temperaturas, voltajes y corrientes.

7 (a) (b) Fig. 5 (a) Pantalla de configuración y monitoreo, (b) Pantalla de monitoreo. C. PUESTA EN MARCHA Y CRITERIOS DE AHORRO DE ENERGÍA Inicialmente se instalaron los sensores del prototipo y se puso en operación el sistema con la conexión de red en operación, los valores obtenidos fueron validados por medio de instrumentos específicos como termómetros, amperímetros y voltímetros de laboratorio. Al mismo tiempo se contrastó el algoritmo de funcionamiento con el sistema electromecánico actual y se verificó que la propuesta brinda mayor seguridad de operación ya que considera mayor cantidad de parámetros. Finalmente el lazo de control fue cerrado y el sistema de refrigeración fue conectado totalmente al dispositivo electrónico de control y monitoreo y actualmente se encuentra operativo a satisfacción del operador del cuarto frio. Con respecto al software se han incluido alarmas relacionadas a factores que puedan incidir tanto en el desempeño operativo como en el uso energético, a continuación se mencionan algunas: Comparación continúa de la demanda energética con respecto a valores predeterminados, y con respecto al histórico. Detección y diagnóstico de problemas de funcionamiento. Uso de diferentes perfiles de operación, ajustados al horario y uso del recinto. Monitoreo continuo del fluido eléctrico. Determinación de indicadores operativos para la realización de diferentes tipos de mantenimiento. D. ASPECTOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS Normalmente los sistemas de refrigeración requieren cierta cantidad de equipos

8 electromecánicos para realizar la secuencia de control, entre los que pueden mencionar: protectores térmicos, temporizadores de arranque, termostato de aire, presostatos de refrigerante en alta y baja, termostato de congelamiento, temporizador de descongelamiento entre otros; por lo generalmente se incurre en costos elevados, tanto en la adquisición como en la instalación de estos elementos que tienen una funcionalidad limitada. Para el prototipo construido, los costos son cercanos al 40% con respecto al sistema tradicional y tiene la potencialidad de permitir la actualización de nuevas funciones ya que dependen de programación y no de hardware. V. CONCLUSIONES Se diseñó y construyó el dispositivo de monitoreo y control de sistemas de refrigeración en tiempo real, utilizando elementos electrónicos disponibles en el país. El sistema realiza las labores comunes de control de refrigeración y adiciona beneficios derivados del uso electrónico de los datos que son transmitidos a distancia a través de un puerto ethernet vía internet. Energéticamente puede realizarse un monitoreo continuo de las variables eléctricas, y programación de rutinas de uso eficiente de la energía de acuerdo al perfil de uso. El sistema es adaptable a diversos sistemas de refrigeración, por lo que se puede instalar en refrigeración industrial y comercial, acondicionadores de aire, neveras, entre otros, debido a que los datos manipulados presentan características similares a la mayoría de estos equipos y solo se requiere de configuración por software. VI. REFERENCIAS [1] B. Capehart, W. Turner and W. Kennedy, Guide to Energy Management, Lilburn. GA: The Fairmont Press, [2] S. Doty and W. Turner, Energy Management Handbook (6 ed), Lilburn. GA: Fairmont Press, [3] ASHRAE, Fundamentals Handbook, Atlanta: The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., 2009.

9 [4] A. Thumann and W. Younger, Handbook of Energy Audits, Lilburn: Fairmont Press, [5] O. B. PONTE, INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL, PUERTO LA CRUZ: UNIVERSIDAD DE ORIENTE, [6] L. ECHUN Electronic Co., "The ENFUSE Team," [Online]. Available: [Accessed ]. [7] L. N. Robert Boylestad, Electrónica Teoría de Circuitos, Sexta dición ed., P. Hall, Ed., [8] W. C. M. Allan H. Robbins, Análisis de circuitos teoría y práctica, Cuarta edición ed., Thomson DelmarLearning, [9] Arduino, "Arduino Mega," [Online]. Available: