TRABAJO ESPECIAL DE GRADO AUTOMATIZACIÓN, CONTROL Y SUPERVISIÓN REMOTA DEL SISTEMA CENTRAL DE AIRE ACONDICIONADO (AGUA HELADA) PARA UN EDIFICIO

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1 TRABAJO ESPECIAL DE GRADO AUTOMATIZACIÓN, CONTROL Y SUPERVISIÓN REMOTA DEL SISTEMA CENTRAL DE AIRE ACONDICIONADO (AGUA HELADA) PARA UN EDIFICIO Presentado ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela Por el Br. Becerra L, Jonathan F. Para optar al Titulo De Ingeniero Mecánico Caracas, 2007

2 TRABAJO ESPECIAL DE GRADO AUTOMATIZACIÓN, CONTROL Y SUPERVISIÓN REMOTA DEL SISTEMA CENTRAL DE AIRE ACONDICIONADO (AGUA HELADA) PARA UN EDIFICIO TUTOR ACADÉMICO: Prof. Hans Garcia Presentado ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela Por el Br. Becerra L, Jonathan F. Para optar al Titulo De Ingeniero Mecánico Caracas, 2007

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4 DEDICATORIA DEDICATORIA A Dios. A mis padres Profs. Wanda de Becerra y Franklin Becerra. A mis hermanos Engelberth y Wanda Becerra. A la Universidad Central de Venezuela. A la Escuela de Ingeniería Mecánica, a mis profesores, a mis amigos y compañeros de estudio. ii

5 AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la luz para lograr el éxito. A mi Madre Prof. Wanda de Becerra, y mi Padre Prof. Franklin Becerra por darme la vida y proporcionarme todas las facilidades para lograr mis metas. A mis hermanos Engelberth y Wanda Becerra por su apoyo incondicional. A la Universidad Central de Venezuela La casa que vence la sombra. A mis profesores por darme los conocimientos y herramientas indispensables en mi desarrollo como personal y profesional. A la Escuela de Ingeniería Mecánica. y compañeros de clase. Al Prof. Hans García por su apoyo como Tutor. Al Prof. Jesuardo Areyano por su apoyo. Al Ing. Antonio Alvarado por su asesoria técnica. Al Ing. Luis Martinez por darme la oportunidad de realizar esta tesis. Al Ing. Otlio Aguilar, Anabel Cabrera. Al Ing. Albeniz Melendez. iii

6 AGRADECIMIENTOS RESUMEN Becerra L., Jonathan F. AUTOMATIZACIÓN, CONTROL Y SUPERVISIÓN REMOTA DEL SISTEMA CENTRAL DE AIRE ACONDICIONADO (AGUA HELADA) PARA UN EDIFICIO Tutor Académico: Prof. Hans García. Tesis. Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Mecánica. Año 2006, 135 páginas. Palabras Claves: Aire Acondicionado, Automatización, PLC, PID. Resumen: En este trabajo se plantea la implementación de un sistema de control y monitoreo remoto por medio de Internet que realice las maniobras y permita la visualización por parte de la Empresa encargada de la operación del equipo, para obtener el óptimo funcionamiento de los equipos de aire acondicionado del Edificio del Bingo Caribe para el confort de las personas que lo utilizan. El sistema de control que se propone en este trabajo se basa en un autómata programable modelo QUANTUM de Schneider Electric con una arquitectura local de entradas y salidas (RIO) formada con un bastidor maestro y seis bastidores locales. La programación se realizó bajo el software de programación de autómatas programables UNITY PRO, en lenguaje de bloques funcionales. El sistema es capaz de ser monitorizado vía INTERNET (TCP/IP). iv

7 INDICE INDICE Pág. Dedicatoria Agradecimientos.. Resumen.. Listado de Tablas. ii iii iv xi Listado de Figuras... xiii Introducción CAPITULO I EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del Problema Objetivo General Objetivos Específicos Justificación Alcances.. 22 CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1 Antecedentes de otras Investigaciones Presentación de la Empresa INGEMECA 3000 C.A Aire Acondicionado Fundamentos Básicos Clasificación de los Sistemas de Aire Acondicionado v

8 INDICE Sistemas de Expansión Directa Unidades de Ventana Sistemas en partición (Split) Unidades de techo (Roff Top) Volumen de refrigerante variable Sistemas Centrales (Agua Helada) Componentes del sistema Unidades enfriadoras Reciprocantes o Alternativas Centrifugas Por Absorción Evaporador Generador Condensador Bomba de evaporador Bombas de solución Intercambiador de calor Unidad de purga Absorción y Centrífugos Combinados Condensadores Condensador mediante refrigeración por aire Condensador evaporativo Condensador mediante refrigeración por agua Torres de Enfriamiento De acuerdo a sus componentes mecánicos Tiro natural Tiro mecánico De acuerdo a la transferencia de calor vi

9 INDICE Flujo Paralelo Flujo cruzado Contraflujo De acuerdo a la superficie del agua Mediante rociado del agua Mediante bandejas Combinación de las 2 anteriores Mediante serpentín Fundamentos de Control Tipos de Acción de Control Acción de dos posiciones (on/off) Acción flotante Acción proporcional Acción proporcional más integral Acción proporcional más derivado Acción proporcional más integral más derivada (PID ) Control PID Controladores Lógicos Programables (PLC) Antecedentes e Historia Estructura de los PLC`s La sección de Entradas La Unidad Central de Procesos o CPU La sección de salidas La Unidad de programación Interfaces Estructura Externa Estructura Compacta Estructura Modular Quantum El Software vii

10 INDICE Estructura del Quantum Backplanes Fuentes de Alimentación CPU Batería Interruptores Puertos Módulos de entradas/salidas Tipo de Módulo Número de parte Tarjetas de entradas discretas Tarjetas de salidas discretas Tarjetas de salidas discretas Tarjetas de entradas/salidas discretas Tarjetas de entradas analógicas Tarjetas de salidas analógicas Tarjeta de entradas/salidas analógicas mixtas Tarjetas intrínsicamante seguras Códigos de color de los módulos Arquitectura Remota (RIO) Drop Local Drop Remoto Los TAP Los Terminales de Línea Indicadores luminosos Conectores para cable coaxial La tarjeta RIO HEAD 140 CRP 93X Resumen de características de la arquitectura RIO Protocolo TCP/IP Capa de aplicación. 71 viii

11 INDICE Capa de transporte Capa de Red Capa de acceso a la red Capa física Direcciones IP Direcciones IP públicas Direcciones IP privadas. 72 CAPITULO III MARCO METODOLOGICO 3.1 Tipo de Investigación Diseño de la Investigación Etapa Documental Etapa de Campo Etapa de Diseño Técnicas e instrumentos de la Investigación Técnicas de la Observación Técnicas del Formato Técnica de la Entrevista. 76 CAPITULO IV LA PROPUESTA 4.1 Inventario de Equipos CHILLER Bombas de Agua Helada UMAS Y FANCOILS PLANTA BAJA PISO PISO 2 (BINGO) PISO PISO PISO ix

12 INDICE PISO Descripción del Sistema de Control Elementos finales de Control Sensores de Temperatura Válvulas modulantes Válvulas solenoides Hardware del PLC Maestro(Head Drop) Esclavos PISO PISO PISO PISO PISO PISO Software Definición de variables Direccionamiento de las variables Programa Bloque de adición de enteros ADD_INT Bloque divisor de enteros DIV_INT Bloque transformador de entero a real INT_TO_REAL Bloque multiplicador MUL_REAL Bloque transformador de real a entero REAL_TO_INT Bloque AND Bloque de comparación de enteros GT_INT Bloque PID.. 94 x

13 INDICE Calibración de los Bloques. PID Procedimiento para la calibración de los Bloques PID Programa para la calibración del PID Configuración de la Red Ethernet TCP/IP Monitoreo y Operación CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA LISTADO DE ABREVIATURAS 103 APENDICE A. 104 APENDICE B. 108 APENDICE C APENDICE D ANEXOS. 129 xi

14 INDICE LISTADO DE TABLAS Pág. Tabla Características de los backplanes Quantum Tabla Características de las fuentes de alimentación para el Quantum Tabla Características de los CPU Tabla Tarjetas de Entradas Discretas Tabla Tarjetas de Salidas Discretas Tabla Tarjetas Mixtas de Entradas/Salidas Discretas Tabla Tarjetas de Entradas Analógicas. 59 Tabla Tarjetas de Salidas Analógicas Tabla Tarjeta Mixta de Entradas/Salidas Analógicas Tabla Códigos de color que identifican los diferentes grupos de módulos Quantum. 64 Tabla Significado de los indicadores luminosos de la cara frontal del CRP 93X Tabla Características de la arquitectura RIO.. 70 Tabla 4.1 Datos técnicos del CHILLER. 77 Tabla 4.2 Datos técnicos de las Bombas 77 Tabla 4.3 Datos técnicos de las UMAS y FANCOILS de la Planta Baja.. 78 Tabla 4.5 Datos técnicos de las UMAS y FANCOILS del Piso Tabla 4.6 Datos técnicos de los FANCOILS del Piso Tabla 4.7 Datos técnicos de las UMAS del Piso 3.81 Tabla 4.8 Datos técnicos de los FANCOILS del Piso Tabla 4.7 Datos técnicos de las UMAS del Piso Tabla 4.8 Datos técnicos de los FANCOILS del Piso Tabla 4.9 Datos técnicos de los FANCOILS del Piso Tabla 4.10 Módulos del Drop Maestro Tabla 4.11 Módulos del Drop Piso xii

15 INDICE Tabla 4.12 Módulos del Drop Piso Tabla 4.13 Módulos del Drop Piso Tabla 4.14 Módulos del Drop Piso Tabla 4.15 Módulos del Drop Piso Tabla 4.16 Módulos del Drop Piso Tabla 4.17 Direcciones topológicas para el Drop Maestro Tabla 4.18 Direcciones topológicas para los Drops esclavos Tabla 4.19 Resumen de variables.. 90 xiii

16 INDICE LISTADO DE FIGURAS Pág. Figura Ciclo estándar de aire acondicionado. 26 Figura Aire acondicionado de ventana.. 27 Figura Unidad split Figura Unidad compacta Figura Chiller. 31 Figura Unidades condensadoras Figura Torres de enfriamiento Figura Diagrama de un sistema de control Figura Diagrama de un control PID Figura PlC s Figura Aspecto del Quantum. 44 Figura Backplanes para Quantum.. 45 Figura Aspecto físico y partes de una fuente Figura Diagrama de conexión 48 Figura Indicación Power OK en las fuentes de alimentación para Quantum. 48 Figura CPUs de la serie 6xxxx.. 50 Figura Interruptores deslizables en la cara frontal de un CPU Quantum Figura Switches rotatorios para fijar la dirección Modbus Plus del CPU.. 52 Figura Diagrama de conexión de la tarjeta de entradas discretas 140 DAI Figura Diagrama de conexión de la tarjeta de salidas discretas 140 DAO Figura Diagrama de conexión tarjeta de entradas analógicas 140 AVI xiv

17 INDICE Figura Diagrama de conexión tarjeta de salidas analógicas 140 ACO Figura Diagrama de conexión de la tarjeta de entradas/salidas Discretas mixtas 140 DDM (parte correspondiente a las salidas) Figura Diagrama de conexión de la tarjeta de entradas/salidas Discretas mixtas 140 DDM (parte correspondiente a las entradas) Figura Ejemplo de una arquitectura mixta RIO con un Drop Local y 3 Drops Remotos Figura Indicadores luminosos en un módulo CRP 93X.. 66 Figura Aspecto de la cara frontal de la tarjeta RIO tipo CRP Figura Switches rotatorios para fijar la dirección del Drop Remoto en la tarjeta CRA Figura 4.1 Aspecto de físico del Drop Maestro Figura 4.2 Aspecto de físico del Drop Piso Figura 4.3 Aspecto de físico del Drop Piso Figura 4.4 Aspecto de físico del Drop Piso Figura 4.5 Aspecto de físico del Drop Piso 4 87 Figura 4.6 Aspecto de físico del Drop Piso Figura 4.7 Aspecto de físico del Drop Piso Figura 4.8 Bloque ADD_INT. 92 Figura 4.9 Bloque DIV_INT Figura 4.10 Bloque INT_TO_REAL.. 92 Figura 4.11 Bloque MUL_REAL Figura 4.12 Bloque REAL_TO_INT.. 93 Figura 4.13 Bloque AND Figura 4.14 Bloque GT_INT.. 94 Figura 4.15 Bloque PID.. 94 Figura 4.16 Ventana del operador que permite ingresar diferentes valores para la calibración del bloque PID. 95 xv

18 INDICE Figura 4.17 Vista del programa de calibración del Bloque PID. 97 Figura 4.18 Ventana para la configuración de la dirección IP del PLC Figura 4.19 Puerto TCP/IP del CPU Figura 4.20 Ventana para la selección de la dirección IP del PlC con el cual se realizará la conexión. 98 xvi

19 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN La automatización de una máquina o proceso tiene entre otras consecuencias la liberación física y mental del hombre de dicha labor. Ésta, quizás sea la manera más relevante de asegurar económicamente la operación y eficiencia de lo diferentes equipos e instalaciones que pueden tener los procesos y obras civiles. En el pasado, los controles neumáticos eran por excelencia los responsables del control de los requerimientos de ventilación y aire acondicionado para la mayoría de las obras civiles e industriales. Con el correr del tiempo se han desarrollado y puesto en práctica muchos tipos y sistemas de control para los requerimientos de control en acondicionamiento de aire. En el caso específico de los aires acondicionados, la automatización permite garantizar las condiciones de confort en el ambiente a acondicionar. La automatización de la industria, obras civiles y edificios y su control inteligente, constituye una tecnología novedosa que cambia totalmente el concepto de control tradicional electromecánico con su complejidad y problemas de instalación. Hoy en día existen sistemas que nos permiten alcanzar tanto el control como el monitoreo o supervisión de las distintas variables o equipo de una industria u obra civil. La decisión de cuánto invertir en sistemas de control y protección del equipo es una decisión del propietario que debe ser estudiada, tomando en cuenta especialmente el destino y aplicación del equipo. Los equipos e instalaciones deben ser usados para lo que fueron proyectados, y en las condiciones especificadas de operación. En la actualidad, con el desarrollo de las comunicaciones y el Internet, se han creado protocolos de comunicación que permiten la transmisión de datos y el uso de 17

20 INTRODUCCIÓN software gráficos para visualizar en un sencillo PC todas las tareas de control y alarmas de una industria u obra civil, lo que facilita el trabajo de operadores de servicio y mantenimiento, mostrando pantallas simples, alarmas con prioridades y comandos con botones gráficos de muy claros mensajes. Un punto importante que se debe destacar, es el ahorro a nivel energético que se puede alcanzar, cuando los equipos de una instalación, en este caso de aire acondicionado, operan de manera automatizada. El presente proyecto es una iniciativa del proyectista, y a solicitud de la Empresa INGEMECA, tutoreado por el Profesor Hans Garcia. En él se propone la implementación de un sistema de control y supervisión remota del sistema central de aire acondicionado, del edificio Bingo Caribe, ubicado en la Av. Urdaneta del Area Metropolitana de Caracas. En este trabajo se plantea la implementación de un sistema de control y monitoreo remoto por medio de Internet, que realice las maniobras y permita la visualización por parte de la Empresa encargada de la operación del equipo, para obtener el óptimo funcionamiento de los equipos de aire acondicionado del Edificio del Bingo Caribe. 18

21 CAPÍTULO I CAPÍTULO I EL PROBLEMA 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El Edificio Bingo Caribe, posee 1500 metros cuadrados de construcción, distribuidos en siete niveles en donde se encuentran diversas salas de recreación con una carga térmica total de 230 toneladas de refrigeración. El actual sistema de aire acondicionado de este edificio está conformado por un enfriador de agua helada (CHILLER), con una capacidad de 200 toneladas de refrigeración, nueve unidades de manejo de aire (UMA), de diferentes capacidades, catorce Fancoils y dos bombas de manejo de agua helada, un tanque de reposición y una red de tubería de distribución. Tras hacer una revisión de la operación y funcionamiento del actual sistema instalado y a raíz de las fluctuaciones térmicas que se evidencian a diferentes horas del día, sobre todo, cuando los espacios de recreación son copados por una mayor cantidad de usuarios, es detectado que el manejo de dicho sistema, tal como se hace de manera manual no es la forma más conveniente de mantenerlo, bien sea desde el punto de vista operativo como de mantenimiento, pues el consumo de energía eléctrica se incrementa y el régimen de trabajo en que opere puede ser tal que el desgaste de los equipos sea cada vez mayor, todo lo cual no ha de convenirle, sin duda alguna, al propietario de la edificación. Actualmente este sistema de Aire acondicionado no cuenta con un sistema de control ni con los equipos necesarios para la supervisión en tiempo real, que permita el mantenimiento oportuno y su óptima operación, lo que trae como consecuencia un funcionamiento forzado y la operación manual de los componentes del sistema. Ahora bien, todo esto nos lleva al planteamiento del problema en consideración de la manera siguiente: 19

22 CAPÍTULO I <<De continuar operándose el actual sistema de Aire Acondicionado del edificio Bingo Caribe, de manera manual, al igual que manteniéndose la misma o mayor asistencia de personas al Bingo, con las fluctuaciones que hasta ahora han venido presentándose, continuará observándose una irregularidad en la prestación del servicio de acondicionamiento de aire, el desgaste acentuado de los equipos y al mismo tiempo, aumentado los costos de operación como de su respectivo mantenimiento>>. De modo, pues, que como posible respuesta de aplicación factible al problema en cuestión se formula la siguiente hipótesis de trabajo: <<Si se instala en el sistema de aire acondicionado del edificio, un sistema de control automatizado y dispositivos de supervisión remota, vía Internet, para que realice todas las operaciones y maniobras necesarias para obtener, la optima operatividad del sistema de aire acondicionado en tiempo real por la empresa encargada de su operación, se podrá obtener el máximo confort de las personas que transitan por las instalaciones del edificio además de prolongar la vida útil del equipo y disminuir el consumo de energía.>> Lo anterior sería el problema a solucionar, aplicando los conocimientos adquiridos en las materias especializadas de Ingeniería Mecánica cursadas, así como la implementación in situ de las técnicas que el caso amerita. 20

23 CAPÍTULO I 1.2 OBJETIVOS Objetivo General Automatizar, Controlar y Supervisar a distancia remota el Sistema Central de Aire Acondicionado (Agua Helada) para El Edificio Bingo Caribe. Objetivos Específicos Seleccionar el Sistema de Control Seleccionar los dispositivos para la comunicación del Sistema de Control Establecer el protocolo de comunicación Seleccionar el SOFTWARE para la visualización y monitoreo del Sistema de Aire Acondicionado Supervisar en tiempo real la operación del sistema de aire acondicionado. 1.3 JUSTIFICACION El sistema Central de Aire Acondicionado del Bingo Caribe carece, en los actuales momentos, de un sistema de control y supervisión remota, que garantice las condiciones de confort, en cuanto a temperatura de sus ambientes. Las instalaciones de este centro de recreación están abiertas al público las 24 horas del día, los 7 días de la semana. En él, el tráfico de personas varía dependiendo de la hora del día y el día de la semana. Siendo las horas de la noche y los últimos días de la semana los momentos de mayor afluencia de público. Esto trae como consecuencia la variación de la carga térmica en el edificio. Al no poseer sistema de control la unidad enfriadora o CHILLER esta siempre operando a nivel máximo. Esto produce una disminución de su vida útil, incrementado los costos de mantenimiento y de energía. Este proyecto aquí propuesto en este trabajo permite al departamento de mantenimiento del Bingo Caribe y la empresa INGEMECA monitorear en tiempo real las condiciones de operación del sistema. 21

24 CAPÍTULO I Así mismo, el proyectista tiene justificación e importancia en la realización del mismo para cumplir con un requisito principal de grado, a objeto de obtener el titulo de Ingeniero Mecánico de la facultad de Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela. 1.4 ALCANCES Los alcances que se proponen son: 4.1 Evaluación del sistema de aire acondicionado del Edificio Bingo Caribe. 4.2 Selección del sistema de control más adecuado para el sistema de aire acondicionado. 4.3 Automatización del sistema de Aire Acondicionado. 4.4 Selección de los dispositivos para la supervisión remota del sistema de aire acondicionado. 4.5 Selección del software para la visualización del sistema de control. 4.6 Supervisión remota del Sistema de Aire Acondicionado en tiempo real, por parte de la compañía a cargo de la operación del sistema. 4.7 Lograr el máximo confort de las personas que utilizan el edificio. 22

25 CAPÍTULO II CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES DE OTRAS INVESTIGACIONES En la Escuela de Ingeniería Mecánica en sus proyectos de investigación de pregrado en diversas áreas de la ingeniería se encontraron, los siguientes trabajos referentes a sistemas de control: El Trabajo Especial de Grado realizado por Carbonell, Elkinf, Año 2000,, titulado: Automatización de los Sistemas de Aire Acondicionado de una Empresa de cosmeticos. El Trabajo Especial de Grado para optar al Titulo de Ingeniero Mecánico, se contempla el control y la supervisión de los equipos de aire acondicionado e iluminación, ubicación en el edificio administrativo de Avon Cosmetics de Venezuela. El aire acondicionado de este edificio está formado por un sistema central, el cual consta de dos unidades enfriadoras de aire, tres unidades manejadoras de aire (UMAs) y sesenta fancoils. Adicional al sistema central, se tienen trece unidades SPLIT y dos unidades tipo Compacto. El Trabajo Especial de Grado realizado por Arlindo Abreu y Carlos Martinez, Año 1994,, titulado: Proyecto para la Automatización y control del Sistema Central (Agua helada) de la Empresa TOPFLIGHT C.A. El Trabajo Especial de Grado para optar al Titulo de Ingeniero Mecánico, muestra el HARDWARE y SOFTWARE, necesarios para el funcionamiento automatizado y programable, de las instalaciones con miras al logro de obtener un eficaz mantenimiento preventivo, prolongar la vida útil y el ahorro de energía. El Trabajo Especial de Grado realizado por Figuera Victor y Music Jose, en 1991,, titulado: Optimización del Aire Acondicionado y su control y su supervisión mediante el CC

26 CAPÍTULO II El Trabajo Especial de Grado para optar al Titulo de Ingeniero Mecánico, contempla el estudio de los equipos que influyen directa o indirectamente, en el sistema de aire acondicionado de las torres de Parque Central. La conexión y puesta en marcha del sistema de control remoto CC-1000 para el encendido y apagado de las unidades de manejo de aire de cada piso de las torres. El análisis de las partes del sistema computarizado JC-8540 Johnson Controls, su conexión y control en el sistema de aire acondicionado. La elaboración de un banco de prueba y calibración para unidades controladoras recibidoras neumáticas. La optimización del sistema de control automático de las unidades de manejo de aire para garantizar un ahorro de energía y mejorar el plan de mantenimiento integral; y el estudio de la instrumentación instalada en el sistema de agua helada (funcionamiento y especificaciones técnicas). 24

27 CAPÍTULO II 2.2 PRESENTACIÓN DE LA EMPRESA INGEMECA 3000 C.A. La empresa Servicios INGEMECA 3000, C.A. fue fundada en el año 2002, específicamente el día 08 de febrero del año antes mencionado, por el Ing. Luis Martínez quien es el propietario de la empresa. Dicha empresa, es de capital venezolano, creada con la finalidad de ofrecer servicios diseños estructurales, montura, instalación y mantenimientos de aire acondicionado; de igual forma se ofrecen los servicios en el área de refrigeración. La empresa se encuentra ubicada en la urbanización Industrial Cloris, Av. Este 2, Galpón 91, Local 06, en Guarenas Estado Miranda, lugar donde se apertura en el año 2002, actualmente posee una oficina en Chacao, donde son atendidos todos los requerimientos de los clientes para mejorar el estado de respuesta de los mismos. La misión de la empresa es Crear soluciones innovadoras basadas en las tecnologías de sistemas más avanzadas, ofrecer el mejor servicio de Diseños de Estructurales, Instalación y Mantenimiento de Aires Acondicionado y Refrigeración. La empresa cuenta con una Gerencia de Proyecto, de la cual depende el departamento de Ingeniería, que comprende el área de servicio técnico, mantenimientos e instalaciones mecánicas. En el referido departamento, es donde se va desarrollar el presente Proyecto del Trabajo Especial de Grado de un Sistema Automatizado para el Control de Obras y Mantenimientos, con la aplicación de herramientas tecnológicas que, permitan ofrecer a sus clientes, un mejor servicio y poder enfrentar el crecimiento que viene desarrollando la empresa en cuanto al incremento de obras y mantenimientos. 25

28 CAPÍTULO II 2.3 AIRE ACONDICIONADO Fundamentos Básicos. Un sistema de aire acondicionado debe proporcionar en un ambiente, condiciones adecuadas de temperatura, humedad, movimiento del aire, calidad del aire, ventilación y nivel acústico. Todo esto lleva a la consecución por parte de los ocupantes de dicho ambiente de la sensación de confort. Cualquier sistema de aire acondicionado consta básicamente de los siguientes componentes (existiendo diferentes tipos de cada componente y combinaciones muy variadas de dos o más de ellos): a) Equipo de refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador; elementos pertenecientes al ciclo estándar de refrigeración por compresión de vapor, usado ampliamente con el fin de producir el enfriamiento necesario para el acondicionamiento del aire. b) Equipo de disipación de calor a la atmósfera. c) Equipo de manejo de aire. d) Equipo de suministro y distribución del aire (ductos, difusores, rejillas, etc.) Figura Ciclo estándar de aire acondicionado 26

29 CAPÍTULO II Clasificación de los Sistemas de Aire acondicionado Los sistemas de aire acondicionado más comunes serán clasificados en dos grandes grupos: sistema de expansión directa y sistemas centrales Sistemas de Expansión Directa Se caracterizan por reunir todos los componentes en una sola carcasa (equipos de refrigeración, tomas de aire exterior y de aire de retorno, filtro, ventilador y rejilla para el suministro de aire) el cual únicamente es necesario proveer de conexión eléctrica y acceso al exterior Unidades de ventana. Son equipos modulares, generalmente de capacidades pequeñas, dentro de un mismo módulo se encuentran el compresor, el evaporador, condensador y la válvula de expansión. Se utilizan para enfriar áreas pequeñas, poseen una parte inferior en el interior del ambiente y otra en el exterior: No tienen ductos de suministro de aire, se utilizan para enfriar áreas pequeñas. La capacidad de estos equipos oscila entre 9000 y BTU/h. Las unidades de mayor capacidad de refrigeración están caracterizadas porque incorporan conductos para la distribución del aire y así servir a espacios de mayores dimensiones. Se les conoce como unidades de enfriamiento simple compacta, su capacidad se encuentra entre 1.5 y 40 toneladas de refrigeración. Poseen unos o dos compresores herméticos, con una o dos líneas de tubería. El equipo se encuentra ubicado en el exterior del ambiente Figura Aire acondicionado de ventana. 27

30 CAPÍTULO II Sistemas en partición (Split). Estos sistemas de expansión directa, los elementos del equipo de refrigeración se encuentran formando parte, generalmente, de dos equipos. Así, las combinaciones más frecuentes son: 1. Condensador (enfriado por aire): constituye una unidad y el evaporador (serpentín) juntos constituye la otra unidad. 2. Condensador y compresor formando una sola unidad (unidad de condensación), el evaporador (serpentín) constituyendo la otra unidad. En cualquiera de los casos, incorporados al equipo donde se encuentran el evaporador, también esta incluida la válvula de expansión del circuito de refrigeración, los ventiladores para la circulación de aire, filtros y conexiones necesarias para los ductos de aire de suministro y retorno. Figura Unidad split Unidades de techo (Roff Top). Son unidades de gran tamaño donde el conjunto de equipos se encuentra dentro de una sola unidad: varios compresores semiherméticos, reciprocantes, evaporador, 28

31 CAPÍTULO II condensador y válvulas de expansión. Esta última, alimenta al evaporador a través de un múltiple de expansión, mejorando así la eficiencia en la distribución del refrigerante líquido. Pueden ser tener hasta cuatro compresores y el condensador es enfriado por aire. Dependiendo del área a alimentar se dimensiona la ductería; si se tiene áreas pequeñas bien definidas, es necesario el uso de cajas de volumen de aire variable, las cuales son alimentadas por los ductos de suministro principal. En este caso, el ventilador puede tener un variador de frecuencia o una compuerta o paletas directrices (inlet vane) en la entrada, para regular el volumen de aire suministrado. Son equipos que manejan capacidades entre 45 y 135 toneladas de refrigeración.. Figura Unidad compacta Volumen de refrigerante variable. Son equipos donde se tienen unidades exteriores e interiores. La unidad exterior está en capacidad de alimentar hasta ocho unidades interiores. Una de las ventajas que ofrece la unidad exterior es que tiene un compresor vareador de frecuencia, es decir, que dependiendo de la carga en la unidad interior y el número de ellas en operación, el compresor va a girar a determinadas revoluciones, además la unidad exterior posee un recipiente para escoger el refrigerante líquido, y gaseoso. Si una unidad interior sale fuera de servicio, este recoge el refrigerante que estaba utilizando dicha unidad reduciendo la frecuencia para trabajar a cargas parciales, traduciéndose en esto una disminución del consumo de energía. Por otro lado este tipo de sistema tiene válvulas de expansión modulante que actúa bajo una señal de control PID del termostato. El sistema es modular, es decir, tenemos una unidad exterior con ocho evaporadores, 29

32 CAPÍTULO II también se puede tener módulos de unidades exteriores con un grupo de evaporadores cada uno, esto nos permite por una parte aislar los grupos de aire acondicionado. Los pesos de las unidades son relativamente bajo, por lo que no se requiere de equipos especiales para su montaje y además ocupan poca área física Sistemas Centrales (Agua Helada). Estos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeración centralizados y comúnes en todos los ambientes, siendo el agua (se conoce como helada por su baja temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificación del aire. El agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER. Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberías y bombas, a través de los serpentines (evaporadores) de la UMA S, las cuales están ubicadas ya sea en el interior o fuera del ambiente o conjunto de locales. Este tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes capacidades de refrigeración. Básicamente consta de una unidad o varias unidades enfriadores (CHILLER) donde cada una está constituida por compresores, condensador, evaporador y válvulas de expansión. El evaporador es un serpentín por dentro de cuyos tubos, circulan el refrigerante y exteriormente el agua, es aquí donde se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor. El agua del enfriador circula a lo largo de las tuberías de las UMA s y/o FanCoils, el aire interior desplazado por el ventilador, pasa a través de los serpentines en donde (el aire) disminuye su temperatura. Este sistema también permite una gran individualidad a los ambientes locales acondicionados, ya que el área servida por cada UMA s y/o FanCoil, es acondicionado independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las condiciones particulares de este espacio. El sistema de agua central de aire acondicionado es recomendable en edificios con gran número de ambientes y con horarios y condiciones de ocupación distinta, como son hoteles, centros comerciales, edificios de oficina, etc. 30

33 CAPÍTULO II Figura Chiller Componentes del sistema Unidades enfriadoras Como su nombre lo indica son las encargadas de enfriar el agua que se suministra al sistema. Se clasifican: Reciprocantes o Alternativas. El componente principal de estas máquinas es el compresor alternativo, que es un dispositivo de desplazamiento positivo. Los sistemas equipados con este tipo de enfriadores, generalmente poseen dos o cuatro unidades alimentando las líneas de tubería de suministro a las UMA s y FanCoils. Cada unidad posee más de un compresor, los cuales son accionados por etapas. El proceso de regulación de la carga de los compresores de acuerdo a la carga requerida es como sigue: se arrancan varias etapas del compresor y si eso no satisface la carga requerida, se arranca otro compresor hasta satisfacer la demanda. 31

34 CAPÍTULO II Las unidades reciprocantes pueden tener dos tipos de condensadores, enfriados por aire y enfriados por agua. En el caso de los enfriados por agua, ésta proviene de una torre de enfriamiento; debido a esto se tendrán dos sistemas de bombeo de agua: uno que bombea a la torre de enfriamiento y al condensador y otro que maneja el agua que suministra a las UMA s y FanCoils Centrifugas. Estos equipos se construyen para funcionamiento continuo de servicio pesado y se les considera como funcionamiento seguro de todos los equipos de aplicaciones comerciales e industriales. Comprende esencialmente un compresor centrífugo, un evaporador y un condensador. Un compresor centrífugo trabaja con grandes volúmenes de gas, y por consiguiente, puede utilizar refrigerantes que tengan altos volúmenes específicos. El evaporador es ordinariamamente un intercambiador de calor del tipo de tubos dentro de un recipiente en el que el refrigerante esta del lado del envolvente. El condensador también esta del lado del envolvente. El condensador también es del mismo tipo y utiliza agua o aire como agente de condensación. Los compresores pueden ser de dos tipos, igual que en el caso de las unidades reciprocantes, abiertos y herméticos. Por otro lado pueden ser de una o dos etapas, además las rpm varían dependiendo del fabricante y la carga a enfriar por ellos. La variación de la carga se produce a través de unas paletas directrices a la entrada del compresor. Si la carga disminuye, es decir, se requiere enfriar poco agua, se cierran las paletas directrices produciendo un alivio de la carga a la cual está sometido el compresor. La modulación del equipo se produce a través de un actuador de acción proporcional que mueve las paletas de acuerdo a la temperatura de suministro del agua. Si se abren completamente las paletas del compresor maneja mayor cantidad de refrigerante, pero a la vez aumenta la carga en el motor, ocasionando un mayor consumo de energía. Si la temperatura de suministro se incrementa, porque aumenta la temperatura de retorno, se encienden más compresores, lo que hace el equipo actuar sobre un conector en el compresor. 32

35 CAPÍTULO II Por Absorción. Constituye una unidad para el enfriamiento del agua que utiliza directamente el calor sin emplear propulsión o máquina motriz, utilizando, pues, los medios de calefacción todo el tiempo y durante todo el año. Utiliza los refrigerantes más baratos, seguros y más fácilmente asequibles, ordinariamente agua de la cañería. Éstas unidades utilizan agua refrigerante y una solución del alguna sal tal como bromuro de litio, como absorbente. Sus componentes principales son los siguientes: Evaporador: donde es enfriada el agua helada por evaporación del refrigerante que es rociado sobre los tubos de agua. Absorbedor: donde el vapor de agua evaporada es absorbido por el absorvente. El calor de absorción es disipado por circulación de agua en el condensador de esta sección Generador: donde es adicionado calor en forma de vapor o de agua caliente para hacer que hierva el refrigerante del absorbente y reconcentrar la solución Condensador: donde el vapor de agua producido en el generador es condensado por el agua Bomba de evaporador: que hace circular a presión el refrigerante sobre el haz de tubos de la sección del evaporador Bombas de solución: que bombean la solución de sal hasta el generador y hasta el colector de pulverización Intercambiador de calor: donde la solución diluida que se bombea hasta el generador desde el absorbedor es calentada por la solución caliente concentrada que es retornada al absorbedor. 33

36 CAPÍTULO II Unidad de purga: que es empleada para eliminar los vapores no condensables de la máquina y mantener una baja presión en esta Absorción y Centrífugos Combinados. Un sistema combinado es muy adecuado para sistemas de acondicionamiento de aire de gran capacidad cuando es importante el factor económico de funcionamiento y como fuerza propulsora se utiliza la energía del vapor a alta presión. En estas aplicaciones están incluidos los edificios grandes, grandes complejos de edificaciones como colegios, y procesos industriales que requieren agua a los niveles de temperatura de acondicionamiento de aire. Además en sistemas ya existentes en que se planee la ampliación del acondicionamiento de aire, se puede añadir ordinariamente más carga sin aumentar los requisitos de energía de refrigeración Condensadores Son los equipos de disipación de calor. El calor absorbido en el evaporador y el calor equivalente al trabajo necesario para elevar la presión del refrigerante son eliminados en el condensador del sistema de refrigeración. Los condensadores pueden disipar directamente el calor del aire ó bien pueden utilizar un fluido, generalmente agua, para eliminar el calor del sistema. Aunque el agua puede ser posteriormente aprovechada, sin embargo comúnmente es conservada por un proceso de enfriamiento en una torre de enfriamiento ó en un condensador evaporativo Condensador mediante refrigeración por aire. En este el calor es disipado directamente por transferencia de calor sensible Condensador evaporativo. Las funciones del condensador y de la torre de enfriamiento son combinadas en el condensador evaporativo. El refrigerante se condensa dentro de los tubos del serpentín sobre las cuales se rocía agua (utilizando una bomba de circulación del propio equipo), siendo el calor del refrigerante absorbido por el aire que circula a través de la lluvia de agua y de los tubos del condensador. En un condensador 34

37 CAPÍTULO II evaporativo las cantidades de agua de reposición son esencialmente las mismas que para una torre de enfriamiento Condensador mediante refrigeración por agua: en el que el calor sensible es transferido al agua. Figura Unidades condensadoras Torres de Enfriamiento. En las torres de enfriamiento el agua se enfría por contacto con el aire y por evaporación de una parte del agua. De la forma siguiente las torres de enfriamiento se pueden clasificar: De acuerdo a sus componentes mecánicos: Tiro natural: muy poco utilizadas en sistemas de aire acondicionado debido a la altura para obtener el efecto de chimenea necesaria para el tiro Tiro mecánico: comprendiendo las torres de tiro forzado (ventiladores manejan aire seco) y las torres de tiro inducido (los ventiladores mueven aire caliente húmedo) De acuerdo a la transferencia de calor: Flujo paralelo: el aire se mueve en la dirección opuesta al agua Flujo cruzado: el aire se mueve perpendicular a la dirección del agua. 35

38 CAPÍTULO II Contraflujo: el aire se mueve en la dirección opuesta al agua De acuerdo a la superficie del agua: Mediante rociado del agua: la superficie es producida por atomización del agua a través de la toberas Mediante bandejas: el agua se le hace salpicar al caer en la torre de una bandeja a otra Combinación de las 2 anteriores: utilizando toberas y bandejas para la distribución de aguas Mediante serpentín: el agua es circulada a través de un serpentín (de enfriamiento), conocido como enfriador a circuito cerrado. Figura Torres de enfriamiento. 36

39 CAPÍTULO II 2.4 Fundamentos de Control En un sistema de aire acondicionado la función primordial de los sistemas de control es mantener las condiciones de diseño interior del ambiente como lo son la temperatura y humedad. El sistema básico de control de aire acondicionad tiene los siguientes componentes: a) Variable controlada: son los parámetros como la temperatura, humedad o presión que deberán ser controlados. b) Controlador: consiste en 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 para hacer el ajuste correspondiente. c) Fuente de energía: medio de potencia para la transmisión de la acción del controlador como energía eléctrica o aire comprimido. d) Componente controlado: elemento que recibe la acción del controlador como válvulas, compuertas, motor del ventilador. e) Agente de control: medio que regula el componente controlado. f) Equipo de control: la regulación del agente de control cambia sus condiciones de operación. Para el ajuste continuo de la variable controlada, el sistema deberá responder continuamente a la señal de retroalimentación. FUENTE DE ENERGIA VARIABLE MANIPULADA CONTROLADOR ELEMENTO FINAL DE CONTROL VARIABLE CONTROLADA RETROLIMENTACION Figura Diagrama de un sistema de control 37

40 CAPÍTULO II Tipos de Acción de Control Se definen los siguientes conceptos básicos: a) Señal de salida: es la variable que se desea controlar. b) Señal de referencia: es el valor que se desea que alcance la señal de salida. c) Error: es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida. d) Señal análoga: es una señal continua en el tiempo. e) Señal digital: es una señal que solo toma valores de 1 o 0. f) Señal de control: es la señal que produce el controlador par modificar la variable controlada de tal forma que se disminuya o elimine el error. g) Sistema de control de lazo cerrado: es aquel en el cual se esta monitoreando la señal de salida para compararla con la señal de referencia y calcular la señal de error, la cual a su vez aplicada al controlador para aplicar la señal de control y tratar de llevar la señal de salida al valor deseado. h) Sistema de control de lazo abierto: en estos sistemas de control la señal de salida no es monitoreada para generar una señal de control. Se disponen de varios tipos de acción correctiva de los dispositivos de control (controladores) cuando sensan una desviación del valor de la variable controlada respecto a valor deseado, acción que deben impartir al componente controlado Acción de dos posiciones (on/off): el componente controlado puede ser posicionado solamente en una condición máxima o mínima, o encendido o apagado. El controlador que actué según dos posiciones, tendrá un valor diferencial o rango algo menor que al diferencial de funcionamiento de la variable controlada debido al defasaje que transcurre entre la actuación del dispositivo y la reacción del sistema Acción flotante: el componente controlado se deberá mover entre las posiciones cerrada y abierta operado por un controlador de dos posiciones. Generalmente una zona neutra entre las dos posiciones permite que el componente controlado flote en una posición intermedia, siempre que el valor de la variable controlada esté dentro del diferencial del controlador. 38

41 CAPÍTULO II Acción proporcional: el controlador en este modo de acción envía su señal en proporción a la magnitud de cambio en la variable controlada moviéndose proporcionalmente el componente controlado. El controlador y el componente controlado deberán ser del tipo proporcional. Una modalidad de acción de control lo constituye la Acción proporcional con reajuste automático, en el que valor medido se lleva automáticamente al punto de consigna siempre que se produzca alguna desviación reduciendo la diferencia y obteniendo por lo tanto una regulación más precisa de la variable controlada Acción proporcional más integral: en el control integral, el elemento final se mueve de acuerdo a una función integral en el tiempo de la variable controlada. Con una acción integral, un error pequeño positivo produce una acción de control creciente, y si fuera negativo la señal de control será decreciente Acción proporcional más derivado: en la regulación derivada existe una relación lineal continua entre la velocidad y la posición del elemento final de control. Cuando una acción de control derivada se agrega a un controlador permite obtener un controlador de alta sensibilidad Acción proporcional más integral más derivada (PID): esta acción combinada reúne las ventajas de cada una de las acciones de control individuales. Se fija la banda proporcional, se amplifica la desviación entre la variable y el punto de consigna, se fija el valor del punto de consigna 39

42 CAPÍTULO II Control PID El control PID se encarga de regular la salida de una planta (proceso) a través una combinación de acciones correctivas. Figura Diagrama de un control PID. El Setpoint (SP) se compara con la variable de proceso (X). La diferencia entre ellos es el error (E). La acción derivada establece la velocidad de cambio, a esta se le suma la acción integral, la cual integra la función que representa el error con respecto al tiempo, obteniendo el valor de la constante de tiempo T. Este se mide en repeticiones por segundos. Mientras mayor sea T, menor es la acción integral. 40

43 CAPÍTULO II 2.5 Controladores Lógicos Programables (PLC) Figura PlC s EL Autómata o Controlador Lógico Programable en inglés, Programmable Logic Controller,- es un equipo electrónico diseñado para controlar, en tiempo real, procesos secuenciales de cualquier tipo. Las amplias ventajas de todo tipo que ofrece respecto a la lógica cableada, lo convierte en elemento imprescindible en el campo de la automatización industrial. Seguridad, fácil manejo, economía y tiempo son los factores fundamentales que han determinado su aceptación Antecedentes e Historia El desafió que toda industria tiene planteado para ser competitiva ha sido el motor impulsor del desarrollo de nuevas tecnologías para conseguir una mayor productividad. En 1968, Ford y General Motors impusieron a sus proveedores de automatismos unas especificaciones para la realización de un sistema de control electrónico programable, sin recurrir a los computadores industriales ya en servicio en la industria. 41

44 CAPÍTULO II A medio camino entre estos microcomputadores y la lógica cableada aparecen los primeros modelos de Autómatas, también llamados controladores lógicos programables (PLC`s). Limitados originalmente a los tratamientos de lógica secuencial, los Autómatas se desarrollaron rápidamente, y actualmente extienden sus aplicaciones al conjunto de sistemas de control de procesos Estructura de los PLC`s La sección de Entradas: mediante el interfaz, adapta y codifica de forma comprensible por el CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada como pulsadores, finales de carrera, sensores, etc. También tiene una misión de protección de los circuitos electrónicos internos del PLC`s, realizando una separación eléctrica entre éstos y los captadores La Unidad Central de Procesos o CPU: es el cerebro del sistema, ya que mediante la interpretación de las instrucciones del programa de usuario y en función de los valores de las entradas, activa las salidas deseadas La sección de salidas: mediante el interfaz, trabaja de forma inversa a la de entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, las amplifica y los manda a arrancadores, electro válvulas, etc. Aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas y de protección de circuitos internos La Unidad de alimentación o fuente de alimentación: adapta la tensión de red a la de los dispositivos de entrada La Unidad de programación: es los PLC`s más sencillos se realiza directamente por botones en la parte frontal del equipo a diferencia de los más grandes, en donde se realiza mediante un PC la cual posee un Software de programación Interfaces: son aquellos circuitos o dispositivos que permiten la conexión al PLC`s con elementos exteriores. Dispositivos de Entrada Sección de entradas CPU Sección de salidas Dispositivos de Salida 42