INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN TESINA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA NOMBRE DEL SEMINARIO: CONTROL MODERNO APLICADO A MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS NO. REGISTRO: DES/ESIME-CUL/ /10/11 DEBERAN DESARROLLAR: Bello Ocampo Emmanuel Benítez Zárate Ilse Rocío NOMBRE DEL TEMA: CONTROL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE UN DATA CENTER MEDIANTE EL AHORRO DE ENERGÍA INTRODUCCIÓN En el presente proyecto se desarrolla una solución de diseño intrínsecamente eficaz en lo que respecta al ahorro de energía en los centros de datos, sin dejar de lado la responsabilidad que se tiene con el medio ambiente, además de ofrecer un impacto económico menor para las empresas. Esto es logrado gracias al uso de ventiladores de velocidad variable que optimizan el rendimiento de los equipos utilizados para este fin, brindan flexibilidad para adaptar las capacidades de enfriamiento a las cargas reales, y maximizan la eficiencia energética como resultado del diseño del sistema y la administración proactiva de la energía. CAPITULADO I. INTRODUCCIÓN II. MARCO TEÓRICO III. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN IV. PRUEBAS Y RESULTADOS Fecha: México D.F. a 30 de septiembre de 2011 M. EN C. LAZARO EDUARDO CASTILLO BARRERA COORDINADOR DEL SEMINARIO ING. EDGAR MAYA PÉREZ ASESOR M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SÁNCHEZ ASESOR M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA SUBDIRECTOR ACADÉMICO

2 AGRADECIMIENTOS Bello Ocampo Emmanuel En primer lugar le agradezco a Dios por proporcionarme la vida y con ello el tiempo para poder realizar el proyecto, por ponerme en lugares y con las personas adecuadas que han sido parte fundamental para mí. A mi familia por su apoyo incondicional, principalmente a mis padres, Rosa Ma. Ocampo y Antonio Bello, que han sido mi ejemplo, y a quienes debo este triunfo profesional, por su trabajo y dedicación dándome la oportunidad de estudiar una carrera profesional y formar la persona que ahora soy. A mis hermanos que me han dado ánimos, soporte, apoyo y que siempre creyeron en mí. Al Instituto Politécnico Nacional, a la ESIME Culhuacan por el espacio y equipo para la realización del proyecto y a los profesores que nos transmitieron su conocimiento. A mis amigos y amigas con los cuales conviví y que fueron parte de esta etapa de mi vida en la universidad. A mi novia y compañera de tesis Ilse, que me enseñó a salir adelante y que fue parte fundamental para la conclusión de este proyecto, por su confianza y apoyo. A todos y cada uno de ellos MUCHAS GRACIAS! Benítez Zárate Ilse Rocío A mi madre y hermano, por esa paciencia y el apoyo incondicional que siempre los ha caracterizado, por ver en mí a una persona que a mí me cuesta trabajo reconocer, por confiar en mí y, sobre todo, por ese amor que nunca me ha faltado y que siempre ha sido mi motivación para seguir adelante. A mis profesores y en especial a los asesores del seminario, por la disponibilidad, los conocimientos y el apoyo brindado a lo largo de este arduo camino. A ti Emmanuel, por permitirme compartir contigo esta parte del camino y enmendar juntos los errores cometidos. ii

3 ÍNDICE Contenido Agradecimientos Página ii CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción Objetivo General Objetivos específicos Justificación Estado del arte El uso de los variadores de velocidad puede proporcionar ahorros 13 energéticos de hasta 69% Green Verter: Ahorros sin riesgos Necesidades del cliente Beneficios Soluciones administradas para enfriamiento 15 CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO 2.1 Data Center El aspecto físico La infraestructura de red Técnicas de enfriamiento Enfriamiento de la sala Enfriamiento por hilera Enfriamiento por rack Enfriamiento mixto Controlador Lógico Programable (PLC) Ventajas y desventajas de los PLC s Arquitectura interna de un PLC Inteligencia del PLC Las interfaces de entradas y salidas Dispositivos de programación Operación simplificada de un PLC Ciclo de barrido de un PLC Arquitectura externa de un PLC SIEMENS SIMATIC S Módulos de ampliación del S Paquete de programación STEP7-Micro/WIN Requisitos del sistema Variadores de frecuencia para motores de corriente alterna Micromaster Características Sensores 38 iii

4 Contenido Página Características Sensor LM Características 39 CAPÍTULO 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 3.1 Diseño Puesta en servicio rápida del variador de frecuencia Configuración de variador para la señal de consigna a través de 44 una señal analógica 3.3 Prueba del variador de frecuencia utilizando el PLC S Promedio de las señales de entrada Circuito de amplificación para el sensor LM Prueba del promediador utilizando el sensor de temperatura 51 CAPÍTULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS 4.1 Diseño final Programa final Arranque del sistema Promedio de temperatura Comparación para activar el porcentaje adecuado al variador de 61 frecuencia Conexiones necesarias Pruebas del sistema Conclusiones Crecimiento a futuro 65 iv

5 ÍNDICE DE FIGURAS Contenido Página Figura 1.1 Gastos 14 Figura 1.2 Data Center 15 Figura 2.1 Aspecto Físico 18 Figura 2.2 Diferentes tipos de PLC s 22 Figura 2.3 Sistema de integración total 23 Figura 2.4 Gráficos de computadoras 23 Figura 2.5 Arquitectura básica de un PLC 24 Figura 2.6 Componentes básicos internos de un PLC 25 Figura 2.7 Unidades centrales de procesamiento 25 Figura 2.8 Paquetes de memoria 26 Figura 2.9 Fuentes de alimentación 26 Figura 2.10 Módulos de entrada 27 Figura 2.11 Módulos de salida 27 Figura 2.12 Dispositivos de programación 27 Figura 2.13 Operación simplificada de un PLC 28 Figura 2.14 Ciclo de barrido de un PLC 29 Figura 2.15 PLC s fijos o compactos 29 Figura 2.16 PLC s americanos 30 Figura 2.17 PLC s europeos 30 Figura 2.18 Micro-PLC S Figura 2.19 Arquitectura del Micro PLC S Figura 2.20 STEP 7 Micro/WIN 33 Figura 2.21 Motor de corriente directa y motor de corriente alterna 33 Figura 2.22 Curva de trabajo de una bomba 34 Figura 2.23 Diferentes modelos de variadores de velocidad 35 Figura 2.24 Variadores de velocidad por PWM 35 Figura 2.25 MicroMaster Figura 2.26 Sensor LM35. Conexiones 40 Figura 3.1 Diagrama a bloques para el diseño del proyecto 42 Figura 3.2 Teclado BOP del variador Micromaster Figura 3.3 Motor de inducción 44 Figura 3.4 Bornes de la entrada analógica en el variador 44 Figura 3.5 Conexión del variador MicroMaster con consigna analógica 45 Figura 3.6 Conexiones entre PLC y MicroMaster Figura 3.7 Conexiones para el promediador 48 Figura 3.8 Comprobación del programa de promedio de entradas analógicas 49 Figura 3.9 Amplificador operacional 49 Figura 3.10 Configuración del circuito amplificador no inversor 50 Figura 3.11 Diagrama del circuito amplificador 50 Figura 3.12 Circuito amplificador 51 v

6 Contenido Página Figura 3.13 Resultados obtenidos de la prueba del programa con sensores 53 físicos Figura 4.1 Diagrama de flujo del programa 55 Figura 4.2 Diagrama de conexiones 61 Figura 4.3 Conexiones del sensor LM35 61 Figura 4.4 Conexiones físicas al PLC 62 Figura 4.5 Conexiones físicas del MicroMaster Figura 4.6 Diagrama de conexiones para motor de CA 62 Figura 4.7 Imagen 1 de la HMI propuesta 65 Figura 4.8 Imagen 2 de la HMI propuesta 65 Figura 4.9 Imagen 3 de la HMI propuesta 66 Figura 4.10 Variables necesarias para la programación de la HMI propuesta 66 vi

7 ÍNDICE DE TABLAS Contenido Página Tabla 2.1 Comparativa de los CPU s S Tabla 2.2 Módulos de ampliación S Tabla 3.1 Configuración de parámetros para puesta en servicio rápida 43 Tabla 3.2 Cambio de parámetros de la puesta en servicio rápida 44 Tabla 3.3 Resultados de la prueba 1 de PLC- Variador 46 Tabla 3.4 Valores enviados 48 Tabla 3.5 Valores registrados en las marcas 48 Tabla 3.6 Valores obtenidos de las operaciones aritméticas 48 Tabla 3.7 Valores registrados en las marcas II 52 Tabla 4.1 Funcionamiento del variador de acuerdo a la temperatura sensada 56 Tabla 4.2 Equivalencias entre temperatura y unidades de ingeniería 56 Tabla 4.3 Equivalencias entre porcentaje de funcionamiento del variador y unidades 57 de ingeniería Tabla 4.4 Tabla de direccionamientos 57 Tabla 4.5 Equivalencias entre temperatura, unidades de ingeniería y % de 61 funcionamiento del variador Tabla 4.6 Resultados obtenidos de la prueba integral del sistema 63 vii

8 CAPÍTULO 1. Introducción

9 Capítulo 1. Introducción 1.1 INTRODUCCIÓN En estos días se vive una época en donde tener acceso a la información parece ser una necesidad primordial. Con el paso del tiempo se han desarrollado tecnologías que cada vez tienen mayor impacto y penetración en la sociedad. Pero también, hoy en día la demanda sin precedentes de dicha tecnología, además del crecimiento de la población humana, tiene un impacto de grandes proporciones en el medio ambiente, lo que está produciendo un declive cada vez más acelerado en la calidad de éste y en su capacidad para sustentar la vida. Todo tipo de redes de comunicación se debe almacenar o administrar en un punto central que es llamado Data Center o centro de datos, en el cual se genera una gran demanda de energía, principalmente por el mantenimiento de los servidores que ahí se encuentran y que deben trabajar a una temperatura entre 18 C y 27 C, por lo cual debemos tener un sistema de enfriamiento para que dichos equipos funcionen correctamente. Actualmente los equipos de enfriamiento que existen funcionan para mantener una temperatura estable pero trabajan requiriendo la misma cantidad de voltaje todo el tiempo que se encuentran funcionando. En ocasiones es innecesario que trabajen de esta forma, porque los equipos que se encuentran ahí no tienen los mismos procesos entre semana y en horas de oficina que en fines de semana y cuando no se encuentran en horas de oficina. Hoy en día, los desafíos en materia de enfriamiento aquejan a todos los espacios informáticos. Los requisitos de enfriamiento se han vuelto complejos y específicos de cada aplicación como resultado de varios factores: incremento de las expectativas de disponibilidad, consolidación de servidores, perfiles de temperatura dinámicos, requisitos reglamentarios en materia de eficiencia y planes inciertos para el largo plazo en materia de capacidad o densidad. Sabemos, por ejemplo, que el suministro excesivo de enfriamiento a la instalación completa puede agotar la potencia disponible en el edificio y como resultado, poner en riesgo la disponibilidad del centro de datos, además de generar costos innecesarios y desperdicios de energía. Es por ello que en el presente proyecto se desarrolla una solución de diseño intrínsecamente eficaz en lo que respecta al ahorro de energía en estos centros de datos, sin dejar de lado la responsabilidad que se tiene con el medio ambiente, además de ofrecer un impacto económico menor para las empresas. Esto es logrado gracias al uso de ventiladores de velocidad variable que optimizan el rendimiento de los equipos utilizados para este fin, brindan flexibilidad para adaptar las capacidades de enfriamiento a las cargas reales, y maximizan la eficiencia energética como resultado del diseño del sistema y la administración proactiva de la energía. 9

10 Capítulo 1. Introducción 1.2 OBJETIVO GENERAL Diseñar un control del sistema de enfriamiento de un Data Center mediante el ahorro de energía empleando un variador de velocidad mediante el uso de un PLC OBJETIVOS PARTICULARES o Realizar el estudio programando el PLC incrustando el programa correspondiente para el control de temperatura con respecto al Data Center. o Diseñar el sistema de control de temperatura mediante un promediador de voltaje para que obtenga un valor medio de la temperatura registrada por varios sensores para así mandarlo al PLC. o Implementar el variador de velocidad para el sistema de enfriamiento, para así controlar el abastecimiento de energía hacia el equipo a través de la señal que manda el circuito promediador. 10

11 Capítulo 1. Introducción 1.3 JUSTIFICACIÓN Actualmente, debido a las altas exigencias de los usuarios y a la gran competencia en el mercado, las industrias requieren de equipos con tecnología de punta para hacer más eficientes sus procesos, esto representa una mayor demanda de energía y, por lo tanto, conlleva un gasto mayor para la empresa. Dentro de las empresas de tecnología, el mayor gasto de energía normalmente se genera en el cerebro del corporativo, es decir, su centro de datos, el cual se encarga del sistema de comunicaciones y de la base de datos de toda la empresa. Este gasto energético lo genera el funcionamiento propio del equipo más el equipo de mantenimiento requerido, refiriéndonos con esto al sistema de aire acondicionado necesario para que el equipo opere en el rango de temperatura establecido de acuerdo a las normas nacionales e internacionales. Hoy en día es común encontrar funcionando el sistema de aire acondicionado casi a su máxima potencia todo el tiempo que este se encuentra funcionando, incluso cuando la temperatura de los equipos que necesitan este sistema no se encuentran fuera del rango de temperatura en la que se recomienda que operen, lo que significa un desperdicio de energía eléctrica y, por ende, un mayor gasto económico para la empresa. Es por ello que la implementación de algún dispositivo que pueda ayudarnos a ahorrar energía dentro de la empresa es indispensable, en este caso los sensores de temperatura y el variador de velocidad con los que se trabajará en este proyecto permitirán utilizar sólo la energía eléctrica necesaria, sin presentar ningún tipo de pérdida ya que el equipo funcionará a su total capacidad solo de ser necesario. 11

12 Capítulo 1. Introducción 1.4 ESTADO DEL ARTE La energía se ha convertido en una materia prima hegemónica y fundamental para el funcionamiento de las economías. México no es la excepción, de hecho la evolución del crecimiento económico muestra una alta correlación, tanto en niveles como en tasas de crecimiento, con el consumo nacional de energía. El consumo per cápita de energía, después de un acelerado crecimiento durante el periodo de 1965 a 1980, se ha mantenido relativamente estable, con una ligera recuperación a partir de Así, entre el período de 2000 a 2006 muestra una tasa de crecimiento media anual del orden de 1.1%, pasando de un nivel de millones de joules por habitante en el año 2000 a un nivel de millones joules en Este nivel de consumo indica que cada habitante ha demando, aproximadamente 20 mega watts, lo equivalente a tener encendido un poco más de 500 focos de 100 watts todo el año, y este nivel de energía, con la tecnología actual, requiere el consumo de litros de petróleo al año por habitante. [13] Ello sugiere que tanto la población se ha hecho más intensiva desde el punto de vista energético como consecuencia de la creciente demanda de energía asociada a la evolución del producto lo que desde luego plantea un reto importante para el futuro. De tal manera que, los actuales niveles de consumo de energía en México fundamentalmente asociados a la trayectoria del producto son ciertamente inconsistentes con un desarrollo económico sustentable. En efecto, los requerimientos energéticos de la economía mexicana por unidad de producto son ciertamente elevados de tal modo que una recuperación sostenida del ritmo de crecimiento económico se vería acompañada por una creciente demanda de energía con sus consecuencias negativas sobre el medio ambiente. [13] Asociado al consumo de energía, cada sector tiene requerimientos diferentes sobre las fuentes de abastecimiento de combustibles. En el sector industrial, el gas natural es el energético que más se utiliza con cerca de 34%, seguido de la electricidad con 28%, el coque de petróleo con 10% y el diesel con 3.1% (SENER, 2007). Por ello, a lo largo de los últimos años se ha tratado de generar conciencia dentro de todos los sectores de la población mundial. Para el sector industrial se han desarrollado infinidad de alternativas que reducen el consumo eléctrico que generan el uso de equipo electrónico como son motores, sistemas de iluminación, equipos de talar, tornos, sistemas de refrigeración, etc., mismas que permiten obtener unas prestaciones técnicas (tales como precisión, rapidez de respuesta, etc.) así como rendimientos energéticos cercanos a la unidad para amplios márgenes de potencia, inalcanzables en otras tecnologías. La necesidad de la optimización del consumo energético está modificando profundamente los criterios de selección de los sistemas de control de velocidad de los accionamientos electrónicos, y está promoviendo el desarrollo de nuevas configuraciones controladas, cuya finalidad fundamental es la de obtener el máximo ahorro energético. Además, las empresas se preocupan cada vez más por ser amigables con el ambiente, tratando de provocarle el menor daño posible, sin olvidar que ello representa un ahorro en los costos de la empresa. Una de esas empresas, quizá la más destacada, es Schneider Electric, la cual ha presentado una serie de equipos que trabajan con el menor uso de energía y que ofrecen una gran funcionalidad para las empresas que utilicen sus productos en cuanto a variadores de velocidad se refiere. A continuación 12

13 Capítulo 1. Introducción se presenta un artículo publicado en su página de internet, que describe a dichos productos EL USO DE VARIADORES DE VELOCIDAD PUEDE PROPORCIONAR AHORROS ENERGÉTICOS DE HASTA UN 69% Según estudios realizados por Schneider Electric, la implantación de variadores de velocidad permite alcanzar ahorros de energía en climatización de hasta un 45%, un máximo de 69% en ventilación y un 38% de ahorro energético en bombas. A nivel industrial, los motores son los principales consumidores de electricidad; concretamente, los ventiladores y las bombas representan el 63% de la energía consumida. En aplicaciones de ventilación y bombeo, el control del régimen de funcionamiento del motor puede generar grandes ahorros de energía cuando éste es controlado por un variador de velocidad. Green Verter, es una nueva solución de eficiencia energética de Schneider Electric, basada en la implantación de variadores de velocidad en instalaciones industriales, edificios de oficinas, centros comerciales o infraestructuras con el objetivo de proporcionar ahorros energéticos. Esta solución se presenta con garantía total de ahorro de energía, ya que la compañía asegura que, si una vez realizada la auditoría no se contemplan reducciones significativas, el cliente no tendrá que pagar este servicio y, si además, no se alcanzan los ahorros previstos, tampoco pagará la solución Green Verter. La solución Green Verter de Schneider Electric incluye un paquete de servicios formado por: Realización de un estudio energético focalizado en el funcionamiento de los motores de las instalaciones. Selección de los variadores de velocidad y de la solución necesaria que mejor se ajusta a las necesidades de la instalación. Instalación, puesta en marcha del proyecto y mantenimiento hasta alcanzar el potencial de ahorro existente. Asesoramiento para la tramitación de la documentación necesaria para acogerse a los planes de subvenciones y ayudas para actuaciones en ahorro y Eficiencia Energética de las diferentes comunidades autónomas Green Verter: ahorros sin riesgos El servicio innovador de Eficiencia Energética para aplicaciones de ventilación y bombeo con garantía total de ahorro Eficiencia Energética sin riesgo. GreenVerter es el último servicio innovador de Schneider Electric para proporcionar ahorros energéticos sin riesgo, gracias a la implantación de variadores de velocidad en aplicaciones de par variable. Los potenciales de ahorro pueden llegar a ser de hasta el 40% Necesidades del cliente Dirigido a consumidores de energía con necesidades de ventilación y bombeo con motores de potencia superior a 30 kw. 13

14 Capítulo 1. Introducción A nivel industrial, los motores son los principales consumidores de electricidad, concretamente los ventiladores y las bombas representan el 63% de la energía consumida. En aplicaciones de ventilación y bombeo, el control del régimen de funcionamiento del motor puede generar grandes ahorros de energía cuando son controlados por un variador de velocidad. Conseguir importantes ahorros energéticos facilitando al máximo la financiación y con una garantía del 100% de que se conseguirán los ahorros Beneficios Eficiencia Energética sin riesgo. GreenVerter es el último servicio innovador de Schneider Electric para proporcionar ahorros energéticos sin riesgo, gracias a la implantación de variadores de velocidad en aplicaciones de par variable. Los potenciales de ahorro pueden llegar a ser de hasta el 40% Consultoría energética específica: Realizamos un estudio energético focalizado en el funcionamiento de los motores de las instalaciones. De este modo localizamos los puntos de mejora y estimamos el potencial de ahorro. Garantía en la reducción del gasto energético, verificado según las directrices marcadas por el International Performance Measurement and Verification Protocol. IPMVP. Productos de última generación: Nuestros técnicos especialistas eligen los variadores de velocidad y conforman la solución necesaria y que mejor se ajusta a las necesidades de la instalación. Para la elección se tiene en cuenta la aplicación donde serán instalados, la potencia necesaria y su régimen de funcionamiento. Instalación, puesta en marcha del proyecto y mantenimiento hasta el final: Instalamos y configuramos los variadores de velocidad para alcanzar el potencial de ahorro existente. Asesoramiento en la tramitación de subvenciones: Asesoramos a nuestros clientes en la documentación necesaria para acogerse a los planes de subvenciones y ayudas para actuaciones en ahorro y Eficiencia Energética de las diferentes Comunidades Autónomas. Además, existe la opción de financiar la inversión por medio de un renting o un leasing de los equipos, a través de una entidad bancaria predefinida y con una cuota mensual pagada - en su totalidad- con los ahorros obtenidos. [7] Fig. 1.1 Gastos 14

15 Capítulo 1. Introducción De igual manera, Schneider Electric ofrece una solución más enfocada a los centros de datos (la solución mostrada anteriormente puede ser aplicada en cualquier ramo de la Industria donde se utilicen bombas, ventiladores y/o motores en general) la cual se presenta en el artículo Soluciones administradas para enfriamiento de equipos informáticos, publicado en la revista Uptime, México, en su edición del mes de Agosto 2011 y que se presenta a continuación SOLUCIONES ADMINISTRADAS PARA ENFRIAMIENTO DE EQUIPOS INFORMÁTICOS Solo Schneider Electric da respuesta a cualquier problema de enfriamiento, desde la sala de gestión de redes hasta el centro de datos. Hoy en día los desafíos en materia de enfriamiento aquejan a todos los espacios informáticos. Los requisitos de enfriamiento se han vuelto complejos y específicos de cada aplicación como resultado de varios factores: incremento de las expectativas de disponibilidad, consolidación de servidores, perfiles de temperatura dinámicos, requisitos reglamentarios en materia de eficiencia y planes inciertos para el largo plazo en materia de capacidad o densidad. Schneider Electric lo ayuda a dar respuesta a todo tipo de desafío en materia de enfriamiento. Gracias a una experiencia sin igual en el sector, una actividad continua de investigación y vastas relaciones con clientes en todo el mundo, disponemos de la cartera de soluciones, las herramientas de diseño y los conocimientos necesarios para dar respuesta rápida y fácilmente a los desafíos que usted enfrenta. Garantizamos que su infraestructura de enfriamiento pueda adaptarse durante todo su ciclo de vida a las necesidades comerciales concretas que se planteen en diferentes momentos, de modo que esté al servicio de su negocio y contemple las condiciones futuras. Nuestra amplia cartera de soluciones incluye enfriamiento estrechamente acoplado, enfriamiento de salas, soluciones para distribución de aire, pisos elevados, plantas de agua helada y sistemas para la Fig Data Center transferencia de calor. Si bien el propósito de cada solución varía, todas ellas tienen algo en común: están listas para usar y permiten la administración de odas sus funciones. Schneider Electric ofrece una cartera completa de soluciones para enfriamiento que le brindan la confiabilidad, flexibilidad y eficiencia que usted necesita para asegurarse de que su centro de datos pueda seguir el ritmo del negocio en todo momento. Gracias a que nuestras soluciones se basan en investigaciones confiables y diseños probados, son un factor decisivo a la hora de garantizar que su empresa cuente con un tiempo productivo de 24 horas, los 365 días del año. Los componentes de implementación fácil y rápida son compatibles con los requisitos más exigentes de la infraestructura física de su centro de datos en materia de flexibilidad. Además, nuestras soluciones se administran desde un único punto que ofrece una vista integral de todas las infraestructuras y equipos informáticos. 15

16 Capítulo 1. Introducción Por último, su diseño intrínsecamente eficaz (ventiladores de velocidad variable en nuestras unidades InRow en pos del dimensionamiento adecuado del sistema de enfriamiento) permite que los operadores de centros de datos perciban mejoras energéticas reales. [8] 16

17 CAPÍTULO 2. Marco Teórico

18 Capítulo 2. Marco Teórico 2.1 DATA CENTER Un data center, o centro de datos, es una instalación especializada para brindar facilidades desde hospedaje web de páginas webs estáticas hasta hospedaje de aplicaciones y diversos servicios de infocomunicaciones. Como el nombre lo implica, el propósito es el manejo de datos. Empresas de mediano a gran tamaño usan sus propios centros de datos o contratan servicios externos para suplir sus necesidades de comunicación, la escala varía dependiendo de las necesidades. Tal como se sabe, la información en la mayoría de los casos es un activo muy valioso para las empresas, es por eso que un data center tiene que asegurarle al cliente medidas de seguridad y privacidad en sus operaciones diarias esto sin tener nada que ver con las características físicas del complejo EL ASPECTO FÍSICO Un centro de datos puede ocupar uno o varios cuartos o pisos o todo un edificio completo. Usualmente los servidores usados son servidores 1U empotrados en racks de 19, que usualmente son alineados en celdas formando un corredor entre ellos. Esto permite el acceso para los servicios técnicos y por supuestos mejor circulación del aire para el enfriamiento (Figura 2.1). El ambiente dentro de un centro de datos está controlado las 24 horas de día. El aire Fig Data Center. Aspecto Físico acondicionado es usado para mantener la temperatura, generalmente en 17 grados Celsius, esto es crucial ya que esta clase de equipo confinado en un cuarto sin ventilación no sobreviviría un periodo muy largo sin las condiciones ideales. Respaldo de energía. Este recurso es 100% indispensable, se mantienen plantas de diesel de alto rendimiento para cubrir los apagones, y minimizar el tiempo de fuera de línea. Piso falso. Un piso falso es adecuado para manejar todo el cableado de red y de electricidad. Sistemas de alarma para incendios. Son otro paso usado para contener los riegos de una catástrofe. Usar agua en equipo eléctrico operacional no es lo mejor para apagar un incendio. Originalmente el gas halom fue usado para este fin, el uso de un gas inerte es necesario para expulsar el oxigeno de las salas, sin embargo esto fue prohibido en algunos países por el riesgo que representa para la salud. Las alternativas más recientes son el uso de Aragonite y FM200 e incluso sistemas de agua ultra pura. La seguridad física juega un rol importante, el acceso del personal al sitio es usualmente restringido a unos pocos; video cámaras y guardias de seguridad permanentes son usados para resguardar la información de los clientes LA INFRAESTRUCTURA DE LA RED Las comunicaciones hoy en día entre data centers se basan en el protocolo IP; el uso de routers y switches transportan el tráfico entre el data center y el internet. Algunos de los servidores en el centro de datos son usados para tareas básicas del personal como uso del internet, intranets, , etc. 18

19 Capítulo 2. Marco Teórico La seguridad de la red está tremendamente desarrollada, firewalls, detección de intrusos, así como sistemas de monitoreo son las mejores armas para mantener su información protegida. TIA-942 es un estándar desarrollado por la Telecommunications Industry Association (TIA) para definir las directrices para la planificación y la construcción de centros de datos (data centers), en particular con respecto a los sistemas de cableado y diseño de la red. La norma abarca tanto los medios de comunicación de cobre como la fibra óptica. La TIA-942 hace referencia de las especificaciones públicas y privadas de los requisitos de dominio de centro para las aplicaciones y procedimientos, tales como: Arquitectura de red El diseño eléctrico de almacenamiento de archivos, copia de seguridad y archivo de la redundancia del sistema de control de red Acceso y seguridad de gestión de base de datos Web Hosting. Alojamiento de aplicaciones de distribución de contenido Control ambiental. Protección contra riesgos físicos (incendios, inundaciones, huracanes) La gestión de energía Las principales ventajas del diseño de centros de datos de conformidad con la norma TIA-942 incluyen la nomenclatura estándar, el funcionamiento a prueba de fallos, sólida protección contra las catástrofes naturales o manufacturadas, además de fiabilidad a largo plazo, capacidad de expansión y escalabilidad [11] TÉCNICAS DE ENFRIAMIENTO Cada sistema de aire acondicionado para centros de datos cumple dos funciones vitales: proporcionar una capacidad de enfriamiento global y distribuir el aire a las cargas de TI. La primera función, proveer una capacidad de enfriamiento global, es invariable para todas las arquitecturas de enfriamiento. En esencia, significa que la capacidad de enfriamiento global del sistema de aire acondicionado expresada en kilovolts debe extraer la potencia total de la carga (kw) de los equipos informáticos. Las diversas tecnologías para el desempeño de esta función no varían, ya sea que se trate de un sistema de enfriamiento diseñado para el ámbito de la sala, de la hilera o del rack. La principal diferencia entre las arquitecturas radica en la ejecución de la segunda función clave: la distribución de aire a las cargas. A diferencia de la distribución de energía, en la que el flujo se circunscribe a los cables y se distingue claramente como parte del diseño, la circulación de aire se ve apenas demarcada por el diseño de la sala y el trayecto del aire no es visible, con variaciones considerables entre las distintas instalaciones. El control del flujo del aire es el principal objetivo de los distintos enfoques de diseño en sistemas de enfriamiento Enfriamiento de la Sala En esta arquitectura de enfriamiento de la sala, las unidades CRAC se asocian con la sala y funcionan en simultáneo para disipar la carga térmica total de la sala. Una arquitectura de este tipo puede constar de una o más unidades de aire acondicionado que suministran aire frío sin ninguna restricción impuesta por ductos, reguladores, ventilaciones, etcétera, o bien el suministro o el retorno pueden tener una limitación parcial por un sistema de piso elevado o una cámara de retorno instalada en altura. 19

20 Capítulo 2. Marco Teórico Durante el diseño, la atención que se presta a la circulación del aire suele variar mucho. En salas pequeñas, a veces no se planifica la ubicación de los racks; por lo tanto, tampoco se planifican las limitaciones para la circulación de aire. En instalaciones más sofisticadas, puede utilizarse el piso elevado para distribuir el aire en una disposición de pasillo caliente/pasillo frío bien planificada, con el expreso propósito de dirigir y alinear el flujo de aire con los gabinetes de IT. El diseño de enfriamiento de la sala se ve muy afectado por las limitaciones exclusivas de cada sala, entre ellas, la altura del techo, la forma de la sala, las obstrucciones por encima y por debajo del piso, la disposición de los racks, la ubicación de la unidades CRAC, la distribución eléctrica entre las cargas de IT, etc. En consecuencia, la predicción y la uniformidad del rendimiento no son satisfactorias, en especial, a medida que aumenta la densidad de potencia. Por lo tanto, puede ser preciso recurrir a un complejo método de simulaciones por computadora denominado dinámica de fluidos computacional (CFD) para ayudar a comprender el rendimiento del diseño de instalaciones específicas. Más aun, las modificaciones, como los agregados, los traslados y los cambios de equipos informáticos, pueden invalidar el modelo de rendimiento y exigir pruebas o análisis más detallados. En especial para asegurarse de que existe redundancia en las unidades CRAC, debe realizarse un análisis muy complicado que resulta difícil de validar. Otra carencia significativa de la arquitectura de enfriamiento de la sala es que en muchos casos no es posible utilizar toda la capacidad nominal de la unidad CRAC. Esto se debe al diseño de la sala y se produce cuando una fracción importante de las vías de distribución de aire proveniente de las unidades CRAC se desvía de las cargas informáticas y recircula directamente hacia las unidades CRAC. Este aire que se desvía representa la circulación de aire de la unidad CRAC que no ayuda a refrigerar las cargas; en esencia, se trata de una disminución de la capacidad de enfriamiento general. Como resultado, los requisitos de enfriamiento de las cargas de IT pueden superar la capacidad de enfriamiento de la unidad CRAC, incluso si la capacidad de enfriamiento global (kw) adicional de la unidad CRAC no se utiliza totalmente Enfriamiento por Hilera En una arquitectura de enfriamiento por hilera, las unidades CRAC se asocian con una hilera y, a los efectos del diseño, se consideran unidades dedicadas a una hilera. Las unidades CRAC pueden montarse entre los racks de IT, en altura o debajo del piso. En comparación con la arquitectura de enfriamiento de la sala, el trayecto del aire es más corto y mejor definido. Además, la circulación de aire es mucho más predecible, puede utilizarse toda la capacidad nominal de la unidad CRAC y se logra una mayor densidad de potencia. La arquitectura de enfriamiento por hilera presenta muchas ventajas adicionales, además del rendimiento en enfriamiento. Al reducirse el trayecto del aire, también se reduce la potencia que debe tener el ventilador de la unidad CRAC, con lo cual se aumenta la eficacia. No se trata de un beneficio menor si se tiene en cuenta que, en muchos centros de datos de poca carga, la potencia del ventilador de la unidad CRAC por sí sola supera el consumo energético total de las cargas de IT. El diseño de enfriamiento por hilera permite que la capacidad de enfriamiento y la redundancia respondan a la demanda real de las hileras específicas. Por ejemplo, la arquitectura de enfriamiento por hilera permite que una hilera de racks ejecute aplicaciones de alta densidad, como los servidores Blade, mientras otra hilera se ocupa de aplicaciones de baja densidad de potencia, como los gabinetes de comunicaciones. Es más, se puede apuntar a una redundancia N+1 o 2N para determinadas hileras. 20

21 Capítulo 2. Marco Teórico Las arquitecturas de enfriamiento por hilera pueden implementarse sin piso elevado. De este modo, aumenta la capacidad de carga del piso, reduce los costos de instalación, elimina la necesidad de rampas de acceso y permite que se monten centros de datos en edificios que no tienen la altura libre necesaria para permitir la instalación del piso elevado adecuado. Este problema cobra especial relevancia en instalaciones de alta densidad, en las que se requiere un piso elevado de un metro o más de altura. La disposición geométrica, sencilla y predefinida de la arquitectura de enfriamiento por hilera da lugar a un rendimiento predecible que el fabricante puede representar en su totalidad y es relativamente inmune a los efectos de la geometría de la sala u otras restricciones. Así se simplifica tanto la especificación como la implementación de los diseños, en especial con densidades superiores a los 5 kw por rack. Si bien esta arquitectura aparenta exigir más unidades CRAC que una arquitectura de enfriamiento de la sala, no es necesariamente así, en particular en instalaciones de mayor densidad de potencia Enfriamiento por rack En la arquitectura de enfriamiento por rack, las unidades CRAC se asocian con un rack y, a los efectos del diseño, se consideran unidades dedicadas a un rack. El montaje de las unidades CRAC se realiza directamente dentro de los racks de IT o en dirección a ellos. En comparación con la arquitectura de enfriamiento de la sala o por hilera, el trayecto del aire es aun más corto y mejor definido, de modo que la circulación de aire es totalmente inmune a cualquier variación de la instalación o restricción de la sala. Puede utilizarse toda la capacidad nominal de la unidad CRAC y es posible lograr la mayor densidad de potencia (hasta 50 kw por rack). Similar al enfriamiento por hilera, la arquitectura de enfriamiento por rack presenta otras características exclusivas, además de la capacidad de densidad extrema. Al reducirse el trayecto del aire, también se reduce la potencia que debe tener el ventilador de la unidad CRAC, con lo cual se aumenta la eficacia. Como se mencionó anteriormente, no se trata de un beneficio menor si se tiene en cuenta que, en muchos centros de datos de poca carga, la potencia del ventilador de la unidad CRAC por sí sola supera el consumo energético total de las cargas de IT. El diseño de enfriamiento por rack permite que la capacidad de enfriamiento y la redundancia respondan a la demanda real de las racks específicos, por ejemplo, diferentes densidades de potencia para servidores Blade en comparación con los gabinetes de comunicaciones. Es más, se puede apuntar a una redundancia N+1 o 2N para determinados racks. En contraste, la arquitectura de enfriamiento por hilera solo permite que estas características se especifiquen en el ámbito de la hilera, y la arquitectura de enfriamiento de la sala solo permite que se especifiquen en el ámbito de la sala. La principal desventaja de este enfoque es que se precisa una gran cantidad de dispositivos de aire acondicionado y tuberías correspondientes en comparación con los otros enfoques, en especial en instalaciones de baja densidad de potencia. Estos factores se cuantificarán más adelante en el presente informe Enfriamiento mixto No existe impedimento para que las arquitecturas de enfriamiento de la sala, por hilera y por rack se utilicen juntas en la misma instalación. De hecho, existen muchos casos en los que una arquitectura 21

22 Capítulo 2. Marco Teórico mixta es muy útil. Específicamente, un centro de datos que funciona con un amplio espectro de densidades de potencia puede sacar provecho de una combinación de los tres tipos. Enfriamiento de la sala: Suministro a la sala, pero principalmente brinda servicio a un área de baja densidad con equipos mixtos, como equipos de comunicación, servidores de baja densidad y almacenamiento. Objetivo: entre 1 y 3 kw por rack; entre 323 y 861 W/m2 (entre 30 y 80 W/pie2). Enfriamiento por hilera: Suministro a un área de densidad alta o ultra alta con servidores Blade o servidores de 1 U. Enfriamiento por rack: Suministro aislado a racks de densidad alta o ultra alta. Las arquitecturas de enfriamiento por hilera o por rack también son eficaces para aumentar la densidad dentro de un diseño existente de enfriamiento de la sala con baja densidad. En este caso, algunos pequeños grupos de racks en un centro de datos existente se equipan con sistemas de enfriamiento por hilera o por rack. Los equipos de enfriamiento por hilera o por rack aíslan los nuevos racks de alta densidad con gran eficacia y los transforman en térmicamente neutros para el sistema de enfriamiento de la sala existente. De esta manera, es posible agregar cargas de alta densidad a un centro de datos de baja densidad, sin necesidad de modificar el sistema de enfriamiento de la sala existente [12]. 2.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) Un PLC (Programmable Logic Controller) es un sistema de control de estado sólido que tiene una memoria programable de usuario que almacena instrucciones para la implementación de tareas específicas, como lógica de control de entrada/salida, tiempo, conteo, aritmética, y manipulación de datos. En la figura 2.2 se muestran algunos PLC s de diferentes fabricantes. El alto grado de aceptación de los Fig. 2.2 Diferentes tipos de PLC s PLC s originó que la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA- National Electrical Manufacturer Association) de Estados Unidos diera una definición formal de ellos. Tal definición, que se incluye en la norma ICS3-1978, parte ICS3-304, dice que un PLC es un aparato electrónico digital que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para implementar instrucciones específicas, como lógicas, de secuencia, de temporización, conteo y aritméticas, para controlar, a través de módulos de entrada y/o salida, digitales y/o analógicos, varios tipos de máquinas y de procesos. El controlador lógico programable o PLC se ha descrito como la revolución industrial de los años setenta del siglo XX. En un corto tiempo desde su introducción al mercado dotó a la industria de capacidades de control industrial nunca antes soñadas. Los sistemas de control industriales que incorporan un controlador lógico programable o PLC, como comúnmente se le denomina, operan máquinas y procesos con una eficiencia y disponibilidad no logradas con los sistemas tradicionales basados en relevadores, controles neumáticos o hidráulicos. Aunque los sistemas de control de 22

23 Capítulo 2. Marco Teórico relevadores nunca serán obsoletos, el advenimiento del PLC cambió el modo de pensar de los ingenieros y diseñadores de los sistemas de control industriales. Durante los primeros cinco años después de aparecer el primer PLC en el mercado ( ), algunos de los sistemas de PLC añadieron grandes cambios de flexibilidad e inteligencia a sus funciones de control lógico. Algunos de estos primeros cambios fueron: Tubo de rayos catódicos (CRT). Este dispositivo fue el primer gran cambio en la técnica de programación y mantenimiento. El CRT permite al usuario teclear o introducir programas usando símbolos lógicos familiares, desplegar varias líneas de programas y ver el estado de las entradas y salidas permitiendo un monitoreo del proceso. Antes del CRT, el operador solo podía introducir o ver una sola instrucción en un instante usando un dispositivo programador de mano (hand-held), lo que hacía del proceso algo tedioso y tardado. Conjunto mejorado de instrucciones. Progresivamente se han ido añadiendo funciones cada vez más complejas. En la actualidad son comunes los temporizadores, contadores, funciones matemáticas y funciones de control analógico no disponibles en los primeros PLC s. Comunicación. La capacidad de comunicarse con otros PLC s o estaciones de entradas/salidas remotas permitió a un simple procesador manejar aplicaciones de control más grandes y complejas. Fig Sistema de de Integración Total Memorias más grandes. El incremento de la memoria permitió una mayor capacidad de programación, así como incorporar más puntos de entrada/salida. Entradas y salidas analógicas. La adición de señales continuas (usualmente 0-10 VCD o 4-20 ma) permite el monitoreo y control de variables como presión y temperatura. Interfaz de operador. Los botones y lámparas piloto han empezado a ser remplazados por teclados multifunción y terminales de operador. Los PLC s actuales se han convertido en sistemas de control muy poderosos, mucho más allá de lo que anticiparon los primeros usuarios o ingenieros de diseño. Mediante una red de comunicaciones, los datos puedes ser transferidos a PLC s de diferentes fabricantes, equipos de adquisición de datos, interfaces de usuarios y computadoras personales, como se muestra en la figura 2.3. El uso extendido de las computadoras personales ha permitido que algunas compañías ofrezcan programas que muestren en forma dinámica el proceso de control con gráficas de computadoras a colores, como se muestra en la figura 2.4. Fig. 2.4 Gráficos de computadoras 23

24 Capítulo 2. Marco Teórico Además, las características de autodiagnóstico se han mejorado enormemente, lo que a su vez ha ayudado al operador y al técnico de mantenimiento en la detección de fallas del hardware o software del PLC, y de aquellas de la máquina o proceso controlado VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PLC S Ventajas: Desventajas: Menor costo con un alto rendimiento Capacidad de entrada/salida remota Manipulación y almacenamiento de datos Diseño modular para facilitar el cambio de hardware Comunicación serial Funciones matemáticas extensas Menor tiempo en el diseño de un proyecto Modificaciones a la operación sin cambiar el cableado Ocupa poco espacio Menor costo de mano de obra de instalación Facilidad en su montaje Fiabilidad del sistema al eliminar contactos móviles. Requiere poco o nulo mantenimiento Posibilidad de controlar varias maquinas con un solo PLC Incorpora indicadores de estados para facilitar el diagnóstico de falla Menor tiempo en la puesta en marcha del sistema automatizado Posibilidad de poder reutilizarlo en otra aplicación Costo inicial. Puede ser o no ser una desventaja, esto dependerá del sistema por automatizar Se requiere personal capacitado en la instalación y programación ARQUITECTURA INTERNA DE UN PLC La arquitectura interna de un PLC se refiere a los componentes, hardware o circuitería electrónica que lo componen, así como al funcionamiento de cada uno de ellos. Todos los sistemas de PLC consisten en cinco componentes básicos internos que son: CPU, memoria, fuente de alimentación, módulo de entrada y módulo de salida; y de un componente externo, que es el dispositivo de programación para introducir las instrucciones, como se muestra en la figura 2.5. Fig. 2.5 Arquitectura básica de un PLC. 24

25 Capítulo 2. Marco Teórico Fig. 2.6 Componentes básicos internos de un PLC. La figura 2.6 nos muestra los cinco componentes básicos internos, los cuales quedan constituidos en dos grupos funcionales que son: Inteligencia del PLC Ésta se basa en un procesador similar al de las computadoras. La sección del procesador de un PLC incluye la CPU, la memoria y la fuente de alimentación. El procesador es el responsable del análisis de todos los datos que llegan, así como de los datos previamente almacenados y para responder a estos datos de acuerdo con el programa almacenado en la memoria del PLC. Todos los procesadores de los PLC s están diseñados para realizar una variedad de funciones como: Relevador Temporizador Contador Secuenciador Enclaves o candados Aritméticas Lógicas De control analógicas, etc. Estas funciones dan la flexibilidad para que el PLC sea utilizado en la solución de una gran variedad de aplicaciones de control. Los componentes que integran este primer grupo funcional son: a) Unidad central de proceso (CPU). La CPU es el cerebro del PLC. Recibe los datos de entrada, realiza decisiones lógicas basadas en el programa de usuario y energiza las salidas de acuerdo con ello (figura 2.7). La CPU está basada principalmente en un microprocesador o microcontrolador. Fig Unidades centrales de procesamiento. 25

26 Capítulo 2. Marco Teórico La CPU coordina todas las tareas del PLC, tales como: Ejecución de programa Cálculos lógicos y aritméticos Diagnóstico Control de los módulos de entrada y salida Comunicación con dispositivos externos b) Memoria. La memoria del procesador almacena el programa del usuario, los datos de entrada/salida, los valores de los temporizadores y contadores, y cualesquiera constantes de control del programa (figura 2.8). Los cuatro tipos de memorias más comunes para un PLC son: EPROM: memoria de solo lectura programable eléctricamente. EEPROM: memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente. RAM: memoria de acceso aleatorio. Fig. 2.8 Paquetes de Memoria FLASH: está basada en las memorias EEPROM pero permite el borrado bloque a bloque y es más barata y densa. c) Fuente de Alimentación. Su función es la de proveer la energía necesaria para la operación del PLC y todos sus módulos respecto a voltaje y corriente. Los PLC s traen integrada una fuente de alimentación capaz de abastecer de potencia al módulo base o principal, los módulos de expansión y otras cargas externas que requieran alimentación, por ejemplo el programador de mano. En ocasiones la corriente suministrada por la fuente principal no es capaz de satisfacer la corriente demandada por la configuración que se necesita instalar, por lo que es necesario colocar una fuente de alimentación externa. La fuente de alimentación es típicamente de 120 o 240 VCA y convierte estos voltajes a +5 VCD. +12 VCD o +24 VCD para los requerimientos de los diferentes módulos del PLC, así como para los dispositivos de entrada y salida de campo (figura 2.9). Fig. 2.9 Fuentes de Alimentación En algunos PLC s el módulo de CPU ofrece alimentación de 24 VCD y 5 VCD para: Suministrar un voltaje de 24 VCD a sensores, a puntos de entradas locales y para bobinas de relevadores en los módulos de expansión. Si el consumo de 24 VCD es mayor a la corriente que aporta el módulo de la CPU, entonces es necesario añadir una fuente de alimentación externa de 24 VCD para cubrir la corriente demandada. Suministrar un voltaje de 5 VCD a los módulos de expansión que están conectados al módulo principal. Si el consumo de 5 VCD de los módulos de expansión supera la corriente suministrada por el módulo de la CPU, entonces es necesario añadir una fuente de alimentación externa de 5 VCD o desconectar los módulos de expansión necesarios para no superar la corriente suministrada por el módulo de la CPU. 26

27 Capítulo 2. Marco Teórico Las Interfaces de Entradas y Salidas (E/S) Constituye el segundo grupo funcional, y son módulos electrónicos cuya función es adquirir información del exterior desde los dispositivos de entrada de campo y generar las señales eléctricas necesarias para accionar los dispositivos de salida de campo, con el propósito de traducirla a códigos digitales entendibles por el módulo de procesamiento, para su manipulación, análisis y almacenamiento. Esta interfaz o estructura se diseña en general para que sea modular, fácil de remplazar y sencilla de expandirse, es por eso que también se le conoce como módulo de E/S, aunque en los PLC s pequeños esta condición no se cumple, ya que la fuente de alimentación, el procesador y la interfaz de entrada/salida vienen integrados en un solo módulo. a) Interfaz de entrada. La interfaz de entrada provee una interfaz eléctrica entre los dispositivos de entrada y los circuitos de control lógico internos del procesador (figura 2.10). Los dispositivos de entrada incluyen botones, interruptores de límite, interruptores de presión, sensores, etc. Fig Módulos de entrada. b) Interfaz de salida. La interfaz de salida provee el medio para usar las señales de bajo voltaje del procesador, por ejemplo: 5 o 12 VCD para energizar un dispositivo de salida (figura 2.11). Esto se efectúa por medio de un relevador electromagnético o un fototransistor. Los dispositivos de salida incluyen lámparas piloto, relevadores, alarmas, display digitales, arrancadores de motor, válvulas, solenoides, etc DISPOSITIVOS DE PROGRAMACIÓN Fig Módulos de salida. Estos dispositivos generalmente son externos al PLC aunque en la actualidad algunos PLC s lo incorporan como parte integral del mismo. Permiten al programador introducir las instrucciones del programa de usuario a la memoria del PLC. Se pueden clasificar de la siguiente manera (figura 2.12): Fig Dispositivos de programación. 27

28 Capítulo 2. Marco Teórico a) Terminal de programación de fabricante, cargado con el software de programación y conectado al PLC mediante una interfaz. b) Programador de mano fijo conectado directamente al PLC. c) Computadora portátil, o computadora personal, cargada con el software de programación y conectada al PLC mediante una interfaz. d) Programador de mano (hand-held) conectado al PLC mediante una interfaz. La interfaz utilizada generalmente es la interfaz serie RS-232, RS-422 o RS-485. Está compuesta generalmente de un cable y un conector en cada extremo, aunque muchas de ellas incluyen un dispositivo convertidor de interfaz específico del fabricante OPERACIÓN SIMPLIFICADA DE UN PLC La figura 2.13 ilustra la operación simplificada de un PLC. Las señales de los dispositivos de entrada de campo son leídas por los módulos de entrada. Estas señales son transferidas al procesador para su uso durante la interpretación y resolución del programa de lógica de escalera. Posteriormente el procesador, basado en la solución del programa, envía las señales de respuesta que son sacadas por los módulos de salida para activar, comandar o energizar los dispositivos de salida de campo. Fig Operación simplificada de un PLC. 28

29 Capítulo 2. Marco Teórico CICLO DE BARRIDO DE UN PLC Como el programa de lógica de escalera tiene que resolverse muchas veces, se establece un ciclo de trabajo del PLC conocido como ciclo de barrido o scan, como se muestra en la figura 2.14, el cual establece la operación del PLC en las etapas siguientes: a) Lectura de entradas. El procesador del PLC lee continuamente los estados actuales del módulo de entrada y actualiza la tabla de imagen de entrada. b) Solución del programa de usuario. El procesador del PLC resuelve continuamente el programa de usuario basado en los estados actuales de la tabla de imagen de entrada y actualiza continuamente los estados de la tabla de imagen de salida basado en la solución del programa de usuario. c) Actualización de salidas. El procesador del PLC activa o desactiva continuamente los estados del módulo de salida de acuerdo con los estados de la tabla de imagen de salida. En el barrido del programa las instrucciones son ejecutadas secuencialmente y el tiempo de barrido depende de la longitud del programa ARQUITECTURA EXTERNA DE UN PLC Figura 2.14 Ciclo de barrido del PLC. La arquitectura externa de un PLC se refiere a su aspecto físico exterior. Desde su aparición y hasta hoy han sido muchas y diferentes las arquitecturas que han salido al mercado, esto se debe a que cada fabricante ofrece diferentes modelos. Estos fabricantes los podemos dividir en americanos y europeos. Las arquitecturas exteriores las podemos clasificar en: 1. Fija o Compacta. Presenta en un solo módulo o bloque todos sus componentes funcionales: fuente de alimentación, procesador, entradas y salidas. Este tipo de arquitectura lo constituyen los PLC s pequeños (figura 2.15). Fig PLC s fijos o compactos. 29

30 Capítulo 2. Marco Teórico 2. Modular. Se divide en módulos o tarjetas que realizan funciones específicas y que van colocadas en ranuras o slots dentro de un gabinete o rack. Se clasifican en arquitectura americana y europea. a. Arquitectura americana. Separa los módulos o tarjetas de entradas y salidas del resto del PLC, de manera que en un solo módulo se encuentran la fuente de alimentación y el procesador. El procesador lo constituye la CPU y la memoria (figura 2.16). Fig PLC s americanos. b. Arquitectura europea. Todos los módulos o tarjetas son independientes: fuente de alimentación, procesador, entradas y salidas (figura 2.17) [1] SIEMENS SIMATIC S7-200 Fig PLC s europeos. La gama S7-200 comprende diversos sistemas de automatización pequeños (Micro-PLCs) que se pueden utilizar para numerosas tareas. Gracias a su diseño compacto, su configuración flexible, su bajo costo y su amplio juego de operaciones, los sistemas de automatización S7-200 son idóneos para controlar tareas sencillas. La gran variedad de modelos S7-200 y el software de programación basado en Windows ofrecen la flexibilidad necesaria para solucionar las tareas de automatización (figura 2.18). El S7-200 vigila las entradas y cambia el estado de las salidas conforme al programa de usuario que puede incluir operaciones de lógica booleana, operaciones con controladores y temporizadores, operaciones aritméticas complejas, así como comunicación con otros aparatos inteligentes. La CPU S7-200 incorpora en una carcasa compacta un microprocesador, una fuente de alimentación integrada, así como circuitos Fig Micro-PLC s7-200 de entrada y de salida que conforman un potente Micro-PLC (figura 2.19). Tras haber cargado el 30

31 Capítulo 2. Marco Teórico programa en el S7-200, éste contendrá la lógica necesaria para supervisar y controlar los aparatos de entrada y salida de la aplicación. Fig Arquitectura del Micro-PLC S Siemens ofrece diferentes modelos de CPUs S que ofrecen una gran variedad de funciones y prestaciones para crear soluciones efectivas de automatización destinadas a numerosas aplicaciones. En la tabla 2.1 se comparan de forma resumida algunas de las funciones de la CPU. Tabla. 2.1 Comparativa de las CPUs S Es preciso calcular la corriente necesaria para determinar cuánta energía puede suministrar la CPU S a la configuración deseada. Si se excede la corriente necesaria para la CPU, es posible que no se pueda conectar el número máximo de módulos. Consulte el anexo A para más información acerca de los requisitos de alimentación de la CPU y de los módulos de ampliación, así como el anexo B para calcular la corriente necesaria. 31

32 Capítulo 2. Marco Teórico Módulos de ampliación del S La gama S incluye una gran variedad de módulos de ampliación para poder satisfacer aún mejor los requisitos de la aplicación. Estos módulos se pueden utilizar para agregar funciones a la CPU S En la tabla 1-2 figura una lista de los módulos de ampliación disponibles en la actualidad. Tabla 2.2 Módulos de ampliación S PAQUETE DE PROGRAMACIÓN STEP 7--MICRO/WIN El paquete de programación STEP 7--Micro/WIN constituye un entorno de fácil manejo para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de controlar la aplicación. STEP 7-- Micro/WIN provee tres editores que permiten desarrollar de forma cómoda y eficiente el programa de control. Para encontrar fácilmente la información necesaria, STEP 7--Micro/WIN ofrece una completa Ayuda en pantalla y un CD de documentación que incluye una versión electrónica del manual, ejemplos de aplicación y otras informaciones de gran utilidad [5] Requisitos del sistema STEP 7--Micro/WIN (figura 2.20) se puede ejecutar en un ordenador (PC), o bien en una programadora de Siemens (p. ej. en una PG 760). El PC o la PG debe cumplir los siguientes requisitos mínimos: Sistema operativo: Windows 2000, Windows XP, Vista 350 Mbytes libres en el disco duro (como mínimo) 32

33 Capítulo 2. Marco Teórico Ratón (recomendado) Fig STEP 7--Micro/WIN 2.3 VARIADORES DE FRECUENCIA PARA MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Poder variar la velocidad de un proceso o de un sistema es una necesidad que se plantea obligatoriamente en la mayoría de los sectores de la industria. En el pasado los más populares métodos para controlar la velocidad de un motor fueron el uso de motores de corriente directa o con motores de corriente alterna acoplados a mecanismos, como cajas de engranes y poleas. Estos dispositivos reducen la eficiencia del sistema, aumentan el tamaño, el costo y la complejidad de la instalación. Una de las limitaciones del motor de inducción de corriente alterna es el tener velocidades fijas sin posibilidades de variación, contrariamente a lo que ocurre con un motor de corriente continua (directa). En la actualidad se han desarrollado diferentes métodos para variar la velocidad de placa de los motores de inducción, siendo el variador de frecuencia, comúnmente llamado variador de velocidad, el que tiene más ventajas sobre los otros métodos. Comparando el motor de corriente continua con el motor de corriente alterna, el primero tiene las desventajas de mayor tamaño, precio y complejidad constructiva del colector, el cual presenta problemas de mantenimiento imponiendo además ciertos límites de velocidad y potencia. El motor de inducción de corriente alterna tiene como principal inconveniente la complejidad del controlador electrónico necesario para variar su velocidad. Aunque el motor de corriente continua es más caro que el de corriente alterna, el conjunto regulador-motor de corriente alterna supera en precio al de corriente continua. A pesar de este inconveniente es más utilizado el motor de corriente alterna pues su eficiencia no se altera al cambiar la carga, caso contrario en un motor de corriente directa (figura 2.21). Fig Motor de corriente directa y motor de corriente alterna. 33

34 Capítulo 2. Marco Teórico La aparición de los dispositivos de conmutación de potencia electrónica a altas tensiones, intensidades y frecuencias, ha facilitado la regulación de todo tipo de motores en general y de los de corriente alterna particularmente, mediante la alimentación de tensión de frecuencias variables; consiguiendo así un control de velocidad y par aceptables. Basta decir que hoy en día existen en el mercado convertidores de frecuencia para motores asíncronos con una gama de potencias que van desde unos cuantos kilowatts hasta varios cientos. Respecto al margen de velocidad a controlar, se puede decir que los modernos variadores de velocidad son capaces de generar una frecuencia de salida de hasta 500 Hz, lo cual permite controlar la velocidad del motor entre cero y diez veces su velocidad nominal, aproximadamente. Entre los fabricantes más importantes que se dedican a comerciar con este tipo de variadores están Siemens, Grupo Schneider, ABB, Power Controls, Moeller, etc. Para los motores que deban trabajar con curvas de carga continuamente cambiantes, resulta muy interesante poder modificar la velocidad del motor consiguiendo que siempre trabaje en condiciones óptimas, de manera que no se esté suministrando un exceso de potencia que, en definitiva, es energía desaprovechada. Este sería el caso de un ascensor en un edificio, y que si el ascensor está diseñado con una capacidad de 20 pasajeros y únicamente opera con 2, no se estaría trabajando en las condiciones de diseño (condiciones óptimas) por lo que se estaría malgastando energía. Una solución sería la instalación de un variador de velocidad. Los variadores de velocidad son dispositivos que permiten variar la velocidad del eje según la carga del motor, reduciendo el consumo de energía. Además, incluyen las ventajas de los dispositivos de arranque, proporcionando un arranque suave del motor. En la figura 2.22 se aprecia cómo los variadores de velocidad pueden disminuir el consumo energético en bombas. Fig Curva de trabajo de una bomba. La bomba con variador de velocidad modifica la velocidad en función de las nuevas condiciones y de esta forma suministra justamente la potencia requerida. El variador de frecuencia es un sistema diseñado para controlar la velocidad de un motor de corriente alterna (CA), variando la frecuencia del voltaje de alimentación del motor. Un motor de CA, normalmente es de velocidad constante: 120XHz/N polos (figura 2.23). 34

35 Capítulo 2. Marco Teórico Fig Diferentes modelos de variadores de velocidad. 120 y N polos son constantes, por lo que variando la frecuencia es como variaremos la velocidad del motor. El motor puede girar muy lento o muy rápido, según la frecuencia suministrada por el variador de velocidad. Al mismo tiempo, el voltaje también es variable en la misma proporción que la frecuencia para asegurar que la relación voltaje-frecuencia se mantenga con el mismo valor en todo el rango de velocidad. Esto se hace porque el par que proporciona el motor está determinado por esta relación desde su diseño. Por ejemplo, un motor de 440 V tendrá una relación de voltaje/frecuencia de 7.6, para este mismo motor al 50% de su velocidad tendremos que suministrarle un voltaje de 220 V a una frecuencia de 30Hz, cualquier cambio en esta relación puede afectar el par, la temperatura o el ruido. La manera en como el variador de frecuencia convierte el voltaje y la frecuencia constantes en voltaje y frecuencia variables, se basa en un proceso de dos pasos principales. Primero, la corriente alterna es rectificada y convertida a corriente continua, después la invierte y vuelve a entregar corriente alterna pero con diferente frecuencia y voltaje, dependiendo de la velocidad deseada. Los variadores de frecuencia se pueden agrupar en tres tipos: de entrada de voltaje (VVI), entrada de fuente de corriente (CSI) y de modulación por ancho de pulso (PWM). La selección del tipo de variador dependerá de su aplicación, siendo el más popular el de PWM (figura 2.24). Fig Variadores de frecuencia por PWM. Los variadores de frecuencia aportan indudables beneficios como son el mejoramiento en el control de procesos, flexibilidad en condiciones variables, ahorro de energía y reducción en las necesidades de mantenimiento, sin embargo, debido a que los variadores operan con elementos estáticos de switcheo, como transistores y tiristores, los cuales son cargas no lineales en el suministro eléctrico, el voltaje del suministro que es prácticamente senoidal, será afectado por los elementos estáticos que causan distorsión en la línea debido a que las corrientes generadas tienen forma rectangular. Este efecto se llama distorsión armónica y en exceso afecta a otras cargas conectadas a la línea, como a los transformadores de alimentación. 35

36 Capítulo 2. Marco Teórico Los voltajes y corrientes armónicas son múltiplos exactos de la frecuencia fundamental, que en la mayoría de los casos es de 60Hz. En la mayoría de las aplicaciones que corresponden a variadores de velocidad de 6 pulsos, estos son de potencia pequeña y por ende las distorsiones armónicas que producen no afectan sensiblemente al sistema eléctrico, sin embargo, se debe tomar en cuenta que una cantidad apreciable de variadores de 6 pulsos pueden afectar al sistema. Como ya se mencionó las armónicas generadas por los variadores de 6 pulsos pueden causar problemas a otras cargas conectadas a la línea o sobrecargas a algunos componentes electrónicos (computadoras, iluminación, etc.) pero también los motores pueden ser afectados en el sistema de distribución, los capacitores de corrección de factor de potencia y transformadores de distribución son lo más afectado por las corrientes armónicas. Los variadores de 6 y 12 pulsos se están convirtiendo en cosa del pasado y debe tomarse en cuenta como un aspecto importante a la hora de seleccionar variadores de, al menos 18 pulsos, debido a que los variadores de más pulsos presentan un menor contenido de armónicas. Aunque se pueden instalar variadores de frecuencia en accionamientos de cualquier potencia y tipo de carga, es necesario tener en cuenta una serie de aspectos: La rentabilidad de un variador de frecuencia aumenta con la variación de la carga y el número de horas de funcionamiento. Para motores de muy elevada potencia no existen variadores fabricados en serie, con lo que deben diseñarse a la medida, pudiendo encarecer el producto. Aunque podrían usarse variadores de frecuencia únicamente para solucionar el problema del arranque (sobrecorriente) de los motores, en la práctica no se hace, ya que el costo de un variador de frecuencia es mayor que el de un dispositivo de arranque suave [2] [3] MICROMASTER 440 La serie MICOMASTER 440 es una gama de convertidores de frecuencia (también denominados variadores) para modificar la velocidad de motores trifásicos. Los distintos modelos disponibles abarcan un rango de potencias desde 120W para entrada monofásica hasta 75KW con entrada trifásica. Los convertidores están controlados por microprocesadores y utilizan tecnología IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de última generación. Esto los hace fiables y versátiles. Un método especial de modulación por ancho de impulsos con frecuencia de pulsación seleccionable permite un funcionamiento silencioso del motor. Extensas funciones de protección ofrecen una protección excelente tanto del convertidor como del motor. El MICROMASTER 440, con sus ajustes por defecto realizados en fábrica, es ideal para una gran gama de aplicaciones sencillas de control de motores. El MICROMASTER 440 también puede utilizarse para aplicaciones más avanzadas de control de motores haciendo uso de su funcionalidad al completo. El MICROMASTER 440 puede utilizarse tanto en aplicaciones donde se encuentre aislado como integrado en sistemas de automatización (figura 2.25). 36

37 Capítulo 2. Marco Teórico Fig MICROMASTER Características Características principales: Fácil de instalar, parametrizar y poner en servicio Diseño robusto en cuanto a CEM Puede funcionar en alimentación de línea IT Tiempo de respuesta a señales de mando rápido y repetible Amplio número de parámetros que permite la configuración de una gama extensa de aplicaciones Conexión sencilla de cables Relés de salida Salidas analógicas (0-20 ma) 6 entradas digitales NPN/PNP aisladas y conmutables 2 entradas analógicas o AIN1: 0-10 V, 0-20 ma y -10 a +10 V o AIN2: 0-10 V, 0-20 ma Las 2 entradas analógicas se pueden utilizar como la 7ª y 8ª entrada digital Tecnología BiCo Diseño modular para configuración extremadamente flexible Altas frecuencias de pulsación para funcionamiento silencioso del motor Información de estado detallada y funciones de mensaje integradas Opciones externas para comunicaciones por PC, panel BOP (Basic Operator Panel), panel AOP (Advanced Operator Panel) y módulo de comunicación PROFIBUS Prestaciones: Control vectorial sin sensores (sensorless vector control) Corriente de flujo corriente FCC (flux current control) para una mejora de la respuesta dinámica y control de motor Limitación rápida de corriente FCL (fast current limitation) para funcionamiento libre de disparos intempestivos Freno por inyección de corriente continua integrado Frenado compuesto o combinado para mejorar las prestaciones de frenado Tiempos de aceleración/desaceleración con redondeo de rampa programable 37

38 Capítulo 2. Marco Teórico Control en lazo cerrado utilizando una función PID (proporcional, integral y diferencial), con autoajuste Chopper de frenado incorporado Rampas de subida y bajada seleccionables Alisamiento de rampa con 4 puntos Característica V/f multipunto Se puede conmutar entre 3 juegos de parámetros, permitiendo a un único convertidor controlar varios procesos de forma alternada. Características de protección: Protección de sobretensión/mínima tensión Protección de sobre temperatura para el convertidos Protección de defecto a tierra Protección de cortocircuito Protección térmica del motor por l 2 t Protección del motor mediante sondas PTC/KTY [6] 2.4 SENSORES Un sensor es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, ph, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (RTD), una capacidad eléctrica (sensor de humedad), una Tensión eléctrica (termopar), una corriente eléctrica (fototransistor), etc. Un sensor se diferencía de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc CARACTERÍSTICAS Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. 38

39 Capítulo 2. Marco Teórico Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. salida. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (por ejemplo, un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano SENSOR LM35 El LM35 es un circuito integrado de precisión que funge como sensor de temperatura, cuya salida es linealmente proporcional a la temperatura en grados centígrados. El LM35 tiene una gran ventaja sobre los sensores cuya salida está calibrada para entregar grados Kelvin, pues el usuario no requiere utilizar algún otro aditamento para convertir su salida a grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa para trabajar con una precisión de ±1 4 C de la temperatura de la habitación donde se disponga y ±3 4 C cuando la temperatura se encuentra dentro del rango de -55 a +150 C. Se asegura un bajo costo cuando se calibra a nivel del mar. La baja impedancia de salida del LM35, su salida linear, y su precisa calibración hacen de la interfaz de lectura o del control de circuito algo realmente sencillo. Este sensor puede ser utilizado con una sola fuente de alimentación o con fuentes de voltaje positivo y negativo. Como se puede apreciar por su bajo consumo de corriente, solamente 60 μa, este dispositivo presenta un nivel muy bajo de calentamiento, menos de 0.1 C en ambientes ventilados. El LM35 está hecho para operar dentro de un rango de temperatura de -55 a +150 C, mientras que el LM35C opera dentro del rango de -40 a +110 C (-10 con una precisión mejorada). La serie LM35 se puede encontrar bajo el encapsulado hermético TO-46, mientras que el LM35C, el LM35CA, y el LM35D también están disponibles en el encapsulado plástico tipo transistor TO- 92. El LM35D también está disponible en un encapsulado de montaje superficial de 8 pines y en el encapsulado plástico TO-220 (figura 2.26) [9] Características Calibrado directamente en Centígrados Factor de escala lineal de mv/ C Precisión garantizada de 0.5 C ( a una temperatura de +25 C) Trabaja dentro del rango de -55 a +150 C Ideal para aplicaciones remotas Bajo costo en calibración a nivel del mar Opera desde 4 hasta 30 volts 39

40 Capítulo 2. Marco Teórico Menos de 60 μa de consumo de corriente Bajo nivel de calentamiento, 0.08 C en ambientes ventilados Baja impedancia de salida, 0.1 W por 1 ma de carga Fig Sensor LM35. Conexiones. 40

41 CAPÍTULO 3. Diseño e Implementación

42 Capítulo 3. Diseño e Implementación 3.1 DISEÑO Este proyecto se diseñó tomando como base un diagrama de bloques, donde se muestran, a grandes rasgos, los pasos a seguir para la creación del proyecto en su totalidad. Dicho diagrama se muestra a continuación: Fig. 3.1 Diagrama a Bloques para diseño del proyecto 42

43 Capítulo 3. Diseño e Implementación 3.2 PUESTA EN SERVICIO RAPIDA DEL VARIADOR DE FRECUENCIA Para comprobar el buen funcionamiento del variador de frecuencia, se decidió probar la puesta en servicio rápida que recomienda el fabricante, la cual permite ingresar parámetros relativos al motor, determinar si se activará por medio del mismo variador o con entradas digitales, determinar si la frecuencia se ajustará utilizando el teclado del variador o un medio externo, y ajustar los tiempos de las rampas de aceleración y desaceleración. La configuración utilizada se describe en la tabla 3.6: Tabla 3.1. Configuración de parámetros para puesta en servicio rápida Parámetro Definición Valor P0010 Comenzar puesta en servicio 1 Puesta en servicio rápida rápida P0100 Funcionamiento para Europa/Norteamérica 1 Potencia en hp, frecuencia por defecto 60 Hz P0304 Tensión nominal del motor 220 El motor trabaja con 220V* P0305 Corriente nominal del motor 3.6 El motor consume 3.6A* P0307 Potencia nominal del motor 1 El motor trabaja con 1hp* P0310 Frecuencia nominal del motor 60 El motor trabaja a 60Hz* P0311 Velocidad nominal del motor 1730 El motor trabaja a 1730RPM* P0700 Selección de la fuente de 1 Panel BOP comandos P1000 Selección de la consiga de 1 Control de frecuencia por BOP frecuencia P1080 Frecuencia mínima del motor 0 Ajusta la frecuencia mínima del motor a la que girará el motor con independencia de la consigna de frecuencia, para este caso: 0Hz P1082 Frecuencia máxima del motor 60 Ajusta la frecuencia máxima del motor a la que girará el motor con independencia de la consigna de frecuencia, para este caso: 60Hz P1120 Tiempo de aceleración 5 Tiempo que tarda el motor para acelerar desde el estado de reposo hasta la frecuencia máxima del motor, para este caso: 5s P1121 Tiempo de desaceleración 5 Tiempo que tarda el motor para desacelerar desde la máxima frecuencia del motor hasta el estado de reposo, para este caso: 5s P3900 Fin de la puesta en servicio rápida 1 Fin de la puesta en servicio rápido con cálculo del motor y reajuste de fábrica *Datos obtenidos de la placa de características del motor (figura 3.3) Con esta configuración se pudo observar cómo es que trabaja el variador sin necesidad de conectarse a otro equipo. En este caso, se configuró el equipo para que la puesta en marcha y el paro fueran accionados desde el teclado BOP del variador (parámetro P0700, con valor 1) y se determinó que el cambio de frecuencia se hiciera desde ese mismo teclado (parámetro P1000, con valor 1). Así, al accionar el botón de marcha, el variador entró en funcionamiento sin accionar al motor (configurado mediante el parámetro P1080). Para hacer el cambio de frecuencia se utilizaron dos botones del teclado BOP del variador y se observó el cambio en la velocidad del giro del motor (figura 3.2). 43

44 Capítulo 3. Diseño e Implementación Fig. 3.2 Teclado BOP del variador Micromaster 440 Fig. 3.3 Motor de Inducción CONFIGURACIÓN DEL VARIADOR PARA LA SEÑAL DE CONSIGNA A TRAVÉS DE UNA SEÑAL ANALÓGICA Una vez conociendo el funcionamiento del variador de frecuencia, se procedió a realizar una primera prueba utilizando la consigna analógica del variador en la cual se realizarían los cambios de frecuencia mediante una fuente de alimentación externa (para este caso se utilizó la misma fuente de alimentación del variador). Dentro de la configuración de puesta en servicio rápida fue necesario realizar un cambio de parámetro, el cual se describe en la siguiente tabla: Tabla 3.2. Cambio de parámetros de la puesta en servicio rápida Parámetro Definición Valor P1000 Selección de la consigna de 2 Consigna analógica frecuencia Al realizar dicho cambio, se establece que el control del cambio de frecuencia se hará desde las entradas analógicas del variador de frecuencia, ubicadas en los bornes 3 y 4 del panel SDP (Status Display Panel) del variador (figura 3.4). Fig. 3.4 Bornes de la entrada analógica en el variador. 44

45 Capítulo 3. Diseño e Implementación Realizadas las conexiones el equipo lucía de la siguiente manera (figura 3.5): Fig. 3.5 Conexión del variador Micromaster 440 con consigna analógica. Así, fue posible apreciar el control del variador desde una fuente externa. 3.3 PRUEBA DEL VARIADOR DE FRECUENCIA UTILIZANDO EL PLC S7-200 Una segunda prueba del control de cambio de frecuencia mediante la consiga analógica se realizó, pero esta vez utilizando la salida analógica del PLC S Para ello se realizaron ciertas conexiones y se diseñó un pequeño programa, todo descrito a continuación: 1.- Se conecta la entrada analógica del variador a la primera salida analógica del PLC. 2.- Se realizaron las conexiones pertinentes para que la segunda salida analógica del PLC estuviera conectada con la entrada analógica número 1 (figura 3.6). Fig. 3.6 Conexiones entre PLC y Micromaster Para el programa, se utiliza una marca para poder variar el valor que será enviado al variador (MW4), y dicho valor se envía a la salida analógica 2. 45

46 Capítulo 3. Diseño e Implementación 4.- Ese mismo valor será recibido en la entrada analógica 1 y a su vez, será enviado a una marca (MW0). 5.- Por último, el valor de dicha marca será enviado a la salida analógica 1, donde está conectado el variador de velocidad. Con ello se pudo observar el cambio de frecuencia en el motor. Los resultados obtenidos se detallan en la siguiente tabla: Tabla 3.3. Resultados de la Prueba 1 de PLC- Variador Valor enviado Frecuencia registrada en el variador 0 0 Hz Hz Hz 3.4 PROMEDIO DE SEÑALES DE ENTRADA En el programa principal de este proyecto será necesario calcular un promedio de las señales de entrada, pues se tendrán distintos puntos de medición de temperatura (para este caso, 4) y así controlar la velocidad a la que funcionará el sistema de enfriamiento. Con el fin de probar el funcionamiento del promediador a utilizar, se realizó una prueba con el siguiente programa: 46

47 Capítulo 3. Diseño e Implementación 47

48 Capítulo 3. Diseño e Implementación Para este programa fueron necesarias ciertas conexiones, las cuales se muestran a continuación. Fig. 3.7 Conexiones para el promediador Se ha conectado la salida analógica 1 a las entradas analógicas 1 y 2, y la salida analógica 2 a las entradas 3 y 4 para así simular cuatro entradas analógicas necesarias para el programa del promediador; por lo tanto el valor enviado a la salida 1 será posible leerlo en las entradas 1 y 2, y el valor enviado a la salida 2 se leerá en las entradas 3 y 4. En el programa se envían valores diferentes a las salidas analógicas para así, tener valores diferentes de entrada del programa y poder realizar operaciones. Una vez leídos los valores de entrada se envían cada uno a uno marca diferente (en el programa lo ubicaremos en las networks 2, 3, 5 y 6). Realizado esto, se realizan operaciones con los valores guardados en las marcas. Como los módulos de operaciones aritméticas solo cuentan con 2 entradas (en este caso necesitaríamos 4) se realiza la suma de todos los valores de entrada de manera seccionada, esto es entrada 1 + entrada 2 (network 7), entrada 3 + entrada 4 (network 8), y por último la suma de los resultados anteriores (network 9). Posteriormente se procede a realizar una división entre el número de entradas (en este caso 4) para así obtener el promedio (network 10). Los resultados de esta prueba los podemos observar en las siguientes tablas: Tabla 3.4. Valores enviados Salida Valor enviado Entrada Valor recibido AQW0 500 AIWO 464* AIW2 464* AQW2 800 AIW4 812* AIW6 812* *Se aprecia una ligera pérdida debido a la calibración del equipo Tabla 3.5. Valores registrados en las marcas Marca Valor guardado MW0 464 MW2 464 MW4 812 MW6 812 Tabla 3.6. Valores obtenidos de las operaciones aritméticas Operación Resultado MW0+MW2 928 MW4+MW MW8+MW MW12/

49 Capítulo 3. Diseño e Implementación Los valores arriba descritos pueden comprobarse en las siguientes imágenes: Fig. 3.8 Comprobación del programa de Promedio de entradas analógicas 3.5 CIRCUITO DE AMPLIFICACIÓN PARA EL SENSOR LM35 El sensor LM35 entrega a la salida una señal del orden de milivolts. Esto puede resultar un inconveniente pues se trata de una señal muy pequeña a diferencia de las señales que maneja a la entrada el PLC, que son del orden de volts. Para poder trabajar adecuadamente con la señal es necesario utilizar un circuito amplificador. Este circuito se diseñará con el circuito integrado LM741, el cual es un amplificador operacional sencillo de uso general considerado un estándar de la industria [10]. Este amplificador operacional está compensado internamente y está protegido contra las sobrecargas de entrada y salida. Su diagrama de conexiones es el siguiente: Fig. 3.9 Amplificador Operacional LM741 49

50 Capítulo 3. Diseño e Implementación En este caso, el circuito que utilizaremos será el amplificador no inversor, cuya configuración es la siguiente: Fig Configuración del circuito amplificador no inversor Para esta configuración, la ganancia se calcula bajo la siguiente fórmula: Av = 1 + R 2 R 1 En este caso se requiere una ganancia de Se propone a R 2 como una resistencia de 100KΩ y se calcula el valor de R 1 [4] R 1 = R 2 Av 1 R 1 = 100K = 100K = 8.695K 4.7K + 3.9K Valor comercial más próximo Una vez teniendo esos valores, se diseña el circuito con el sensor LM35 y el amplificador operacional LM741, el cual lo podemos apreciar en la siguiente figura. Fig Diagrama de circuito amplificador 50

51 Capítulo 3. Diseño e Implementación 3.6 PRUEBA DE PROMEDIADOR UTILIZANDO EL SENSOR DE TEMPERATURA La construcción física del circuito se puede observar en la siguiente figura: Fig Circuito amplificador Se realizó una prueba con el siguiente programa: 51

52 Capítulo 3. Diseño e Implementación Los resultados obtenidos son los siguientes: Tabla 3.7. Valores registrados en las marcas II Marca Valor guardado MW MW MW MW MW MW MW MW MW MW Dichos resultados se pueden comprobar en las siguientes imágenes: 52

53 Capítulo 3. Diseño e Implementación Fig Resultados obtenidos de la prueba del programa promediador con sensores físicos 53

54 CAPÍTULO 4. Pruebas y Resultados

55 Capítulo 4. Pruebas y Resultados 4.1 DISEÑO FINAL El presente proyecto fue diseñado para ser implementado en cualquier tipo de Data Center, sin importar sus dimensiones o el tipo de enfriamiento con el que éste cuente, lo único que se tendrá que recalcular será el número total de sensores de temperatura, así como también elegir la ubicación de estos, de forma tal que el programa sea funcional. En el proyecto, se tiene como objetivo sensar la temperatura en 4 puntos específicos, estos puntos serán los que nos darán los valores de entrada de nuestro sistema. Al contar con dichos valores, se procederá a calcular un promedio de la temperatura en la sala para así determinar el porcentaje de funcionamiento adecuado del variador. Esto hará que el sistema ahorre energía, pues no se utilizará el variador al 100% de forma continua, solo se utilizará la cantidad necesaria de energía dependiendo de la temperatura sensada. El programa final de este proyecto se rige por el siguiente diagrama de flujo: Fig. 4.1 Diagrama de Flujo del programa. 55

56 Capítulo 4. Pruebas y Resultados Se elije el rango de temperatura de 18 a 28 C ya que de acuerdo a la Asociación Norteamericana de Climatización (ASHRAE por sus siglas en inglés American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers, Inc.) es la temperatura recomendada para el perfecto funcionamiento de los equipos (servidores, switches, routers, etc.) A continuación se muestra una tabla donde se determina el porcentaje de funcionamiento del variador de acuerdo a la temperatura que sea sensada. Tabla 4.1. Funcionamiento del Variador de acuerdo a la temperatura sensada Temperatura % de funcionamiento del variador > a 18 C 0 Entre 18 y 20 C 10 Entre 20 y 22 C 20 Entre 22 y 24 C 30 Entre 24 y 26 C 40 Entre 26 y 28 C 50 Entre 28 y 32 C 70 < a 32 C 90 Para trabajar con las entradas analógicas de un PLC es necesario saber que éstas trabajan con unidades de ingeniería, siendo estas las características de resolución del PLC, las cuales equivalen a 2 N, siendo N=15 (bit), por lo tanto 2 15 = 32768, siendo el ultimo bit reservado para el signo (+ ó -). Existen dos tipos de configuraciones, bipolar y unipolar. En configuración bipolar se puede trabajar en un rango de a , siendo el equivalente a -10V y el equivalente a +10V. En configuración unipolar el rango disponible es de 0 a correspondientes a 0 y 10V respectivamente. Dicho lo anterior, se obtuvo una relación de equivalencias entre el voltaje de entrada y el valor en unidades de ingeniería que este representa, siendo los valores máximos posibles 10 V y respectivamente, pues se trabajó con la configuración unipolar. Tabla 4.2. Equivalencias entre temperatura y Unidades de Ingeniería Temperatura ( C) Voltaje entregado por el LM35 (V) Equivalencia en Unidades de Ingeniería

57 Capítulo 4. Pruebas y Resultados Tabla 4.3. Equivalencias entre porcentaje de funcionamiento del Variador y Unidades de Ingeniería % de funcionamiento del variador Frecuencia marcada por el variador (Hz) Equivalencia en Unidades de Ingeniería Una vez contando con dichas equivalencias es posible determinar los valores que serán enviados a la salida para controlar el funcionamiento del variador, y así diseñar el programa, el cual se realizará a base de comparadores PROGRAMA FINAL A continuación se presenta la tabla de direccionamientos del programa para facilitar su comprensión. Tabla 4.4. Tabla de Direccionamientos. Dirección Función I1.4 Botón de Inicio de Sistema I1.5 Botón de Paro de Sistema I1.2 Botón de Paro de Emergencia AIW0 Entrada analógica 1, designada al sensor de temperatura No. 1 AIW2 Entrada analógica 2, designada al sensor de temperatura No. 2 AIW4 Entrada analógica 3, designada al sensor de temperatura No. 3 AIW6 Entrada analógica 4, designada al sensor de temperatura No. 4 MW0 Marca de almacenamiento del valor entregado por la entrada analógica 1 MW2 Marca de almacenamiento del valor entregado por la entrada analógica 2 MW4 Marca de almacenamiento del valor entregado por la entrada analógica 3 MW6 Marca de almacenamiento del valor entregado por la entrada analógica 4 MW8 Marca de almacenamiento del valor resultante de la suma entre MW0 y MW2 MW10 Marca de almacenamiento del valor resultante de la división entre MW8 y 2 MW12 Marca de almacenamiento del valor resultante de la suma entre MW4 Y MW6 MW14 Marca de almacenamiento del valor resultante de la división entre MW12 y 2 MW16 Marca de almacenamiento del valor resultante de la suma entre MW10 Y MW12 MW18 Marca de almacenamiento del valor resultante de la división entre MW12 y 2 MW22 Marca de almacenamiento del valor enviado al Variador de Frecuencia AQW2 Salida analógica 2, designada al Variador de Frecuencia Q0.0 Indicador luminoso de Inicio de Sistema Q0.1 Indicador luminoso de Paro de Sistema Q0.7 Indicador luminoso de Paro de Emergencia M21.1 Marca condicionante para la adquisición de datos en el sistema 57

58 Capítulo 4. Pruebas y Resultados El programa final es el siguiente: 58

59 Capítulo 4. Pruebas y Resultados 59

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