SISTEMA DE VENTILACIÓN Y EXTRACCIÓN DE AIRE AUTOMATIZADO DANIEL MATEUS SANTIAGO SIMBAQUEBA UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN BOGOTÁ 2015 SISTEMA DE VENTILACIÓN Y EXTRACCIÓN DE AIRE AUTOMATIZADO DANIEL MATEUS SANTIAGO SIMBAQUEBA Informe Final de Investigación Director: Álvaro Antonio Patiño Forero UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN BOGOTÁ 2015 3 A DIOS PADRE, HIJO Y ESPÍRITU SANTO, a nuestras familias y amigos… 4 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN 11 OBJETIVO GENERAL 12 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 12 1. REFERENTE TEÓRICO 13 1.1 SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE VENTILACIÓN Y EXTRACCIÓN DE AIRE 13 1.2 SENSORES 14 1.2.1 SENSOR DE TEMPERATURA: TERMISTOR Y RTD 14 1.2.2 SENSOR ELÉCTRICO DE VELOCIDAD DE AIRE 14 1.2.3 SENSOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL 14 1.2.4 SENSOR DE DIÓXIDO DE CARBONO 15 1.2.5 SENSOR DE HUMEDAD CAPACITIVO Y RESISTIVO 16 1.3 ACTUADORES 16 1.3.1 COMPUERTA 16 1.3.2 VENTILADOR 16 1.3.3 VARIADOR DE VELOCIDAD 16 1.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE 18 1.5 PANTALLA DE VISUALIZACIÓN Y OPERACIÓN TÁCTIL 19 1.6 REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL 19 1.6.1 PROTOCOLO MODBUS RTU 19 2 METODOLOGÍA 20 5 2.1 PRIMERA FASE – LEVANTAMIENTO DE INFORMACIÓN 20 2.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ACTUAL 20 2.1.2 ARQUITECTURA ACTUAL DE CONTROL Y COMUNICACIONES 22 2.1.3 DISTRIBUCION ACTUAL DE LAS SEÑALES EN LA CPU Y LOS MÓDULOS ADICIONALES 25 2.1.4 PROGRAMA ACTUAL 28 2.1.4.1 BLOQUES DE PROGRAMA ACTUAL E INTERACCIÓN 29 2.1.5 INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL 31 2.2 SEGUNDA FASE – ARQUITECTURA DE CONTROL Y COMUNICACIONES 32 2.2.1 PROPUESTA DE ARQUITECTURA DE CONTROL 32 2.2.2 PROPUESTA DE ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES 35 2.2.3 PROPUESTA DE DISTRIBUCIÓN DE LAS SEÑALES EN LA CPU Y LOS MÓDULOS ADICIONALES 38 2.2.4 PROPUESTA PANTALLA DE VISUALIZACIÓN Y OPERACIÓN TÁCTIL 40 2.2.5 PROGRAMA PROPUESTO 40 3.3 TERCERA FASE – CARACTERIZACIÓN Y DEFINICIÓN DE INSTRUMENTOS DE CAMPO 41 3.3.1 TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL 42 3.3.2 TRANSMISOR DE VELOCIDAD DE AIRE 43 3.3.3 TRANSMISOR DE TEMPERATURA 45 3.3.4 TRANSMISOR DE DIÓXIDO DE CARBONO. 46 3.4 CUARTA FASE – PLANIMETRÍA 46 4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 49 6 5 CONCLUSIONES 51 BIBLIOGRAFÍA 52 ANEXOS 54 7 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Distribución actual de las señales en CPU ............................................................. 25 Tabla 2. Distribución actual de las señales en Módulos Adicionales ................................... 26 Tabla 3. Instrumentos Sistema Actual .................................................................................. 31 Tabla 4. Propuesta de distribución de señales en Módulos Adicionales .............................. 39 Tabla 5. Tabla parcial de Selección de Unidad de Ventilación del Fabricante ..................... 42 Tabla 6. Tabla parcial de Selección de Unidad de Ventilación del Fabricante. .................... 44 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Sensor de Presión .................................................................................................. 15 Figura 2. Acondicionamiento de la Señal ............................................................................ 17 Figura 3. Sistema Actual de Ventilación .............................................................................. 21 Figura 4. Arquitectura de Control y Comunicaciones Actual .............................................. 22 Figura 5. Ductos en zona Tienda .......................................................................................... 23 Figura 6. Ducto en zona Mezzanine ..................................................................................... 24 Figura 7. Bloque PID de Temperatura ................................................................................. 28 Figura 8. Diagrama actual de interacción de bloques .......................................................... 30 Figura 9. Diagrama de Bloques para Control PID de temperatura ...................................... 33 Figura 10. Diagrama de Bloques para Control PID de CO2 ................................................ 33 Figura 11. Diagrama de Bloques para Control PID de presión ............................................ 34 Figura 12. Arquitectura de Control y de Comunicaciones Propuesta .................................. 35 Figura 13. Vista Interna de Disposición de Equipos en Tablero Actual ............................... 37 Figura 14. Bloque de control PID propuesto ....................................................................... 41 Figura 15. Sección tomada de Tabla de Selección de Transmisor de Presión del Fabricante .............................................................................................................................................. 43 Figura 16. Sección tomada de Tabla de Selección de Transmisor de Velocidad de Aire del Fabricante ............................................................................................................................. 45 Figura 17. Sección tomada de Tabla de Selección de Transmisor de Presión del Fabricante .............................................................................................................................................. 46 Figura 18. Diagrama de Proceso e Instrumentación zona Tienda, Estándar ASHRAE 134- 2005 ANSI ............................................................................................................................ 47 Figura 19. Diagrama de Proceso e Instrumentación zona Mezzanine, Estándar ASHRAE 134-2005 ANSI .................................................................................................................... 47 9 LISTA DE ECUACIONES 1. Ecuación 1 ………………………………………………………………………...16 2. Ecuación 2 ………………………………………………………………………...43 10 LISTA DE ANEXOS 1. Anexo A (Requerimiento Empresa Aire Acondicionado) 2. Anexo B (Planos Unifilares) 3. Anexo C (Plano Vista Superior Planta) 4. Anexo D (Foto de Transmisor de Velocidad de Aire) 5. Anexo E (Foto de Transmisor de Temperatura) 11 INTRODUCCIÓN Una de las sucursales de un almacén de cadena, ubicada en el municipio de Mosquera – Cundinamarca, cuenta con un sistema de ventilación y extracción de aire que opera de manera manual. El sistema actualmente tiene la instrumentación adecuada para ser operado de forma automática, pero es necesario realizar un análisis de los equipos de control y comunicaciones para que funcione de forma automática. Se propone realizar el diseño de la arquitectura de control y comunicaciones, selección de equipos complementarios a la arquitectura de control actual y planimetría necesaria para una posible implementación. El presente informe de investigación está compuesto por las siguientes cuatro secciones: Referente Teórico, Metodología, Discusión de Resultados y Conclusiones. En el Referente Teórico se definen algunos conceptos importantes para el diseño de sistemas automatizados de ventilación y extracción de aire. En la Metodología se desarrolla por fases cada uno de los objetivos de la investigación. En la Discusión de Resultados se amplían detalles del desarrollo de cada una de las fases de la Metodología. Finalmente se presentan las Conclusiones. 12 OBJETIVO GENERAL Proponer un diseño automatizado para el sistema de ventilación y extracción de aire. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Identificar la instrumentación con la que cuenta el sistema de ventilación y extracción actual.  Diseñar la arquitectura de control y comunicaciones.  Caracterizar y definir los instrumentos de campo.  Realizar la planimetría del sistema automático. 13 1. REFERENTE TEÓRICO En esta sección se explica el funcionamiento de los sistemas automatizados de ventilación y extracción de aire. También se definen algunos elementos que son importantes para la automatización de un sistema de ventilación y que al mismo tiempo se relacionan con la propuesta de diseño. 1.1 SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE VENTILACIÓN Y EXTRACCIÓN DE AIRE Los sistemas de ventilación y extracción de aire tienen como propósito mantener un lugar con ciertas condiciones ambientales, a través del suministro y la extracción del aire. (Heinsohn & Cimbala, 2003) Las condiciones ambientales están, algunas veces, determinadas por la temperatura, la humedad, la presión y la calidad del aire. El cambio en el valor de éstas variables, en un sistema de ventilación, está relacionado con el proceso de suministro y extracción de aire. Este proceso puede realizarse de manera natural (aire a través de ranuras, puertas, ventanas, etc.) o mecánica, utilizando ventiladores de suministro y extracción. (Haines & Wilson, 1994) (TSI, 2013) En un sistema de ventilación automatizado, el suministro y extracción del aire se realiza de manera automática dependiendo de los valores de las variables anteriormente mencionadas. Por lo tanto, el dispositivo controlador que toma la decisión de suministrar o extraer el aire debe conocer estos valores, para poder realizar las acciones que sean necesarias, según la lógica de control. Una manera de conocer los valores de las variables o condiciones ambientales, es por 14 medio de transmisores, quienes realizan la medición y envían los datos adquiridos de manera entendible a un dispositivo de control encargado de tomar las decisiones. La transmisión de los datos adquiridos por los instrumentos sensores a los dispositivos de control se puede realizar a través de señales físicas o a través de redes de comunicación industrial. 1.2 SENSORES 1.2.1 SENSOR DE TEMPERATURA: TERMISTOR Y RTD El termistor es un dispositivo fabricado con material semiconductor que varía su resistividad de manera no lineal con el cambio de la temperatura. El RTD (por sus siglas en inglés: resistance temperature detector), a diferencia del termistor, es un dispositivo fabricado de metal, por lo que este si varía su resistividad de manera lineal con el cambio de la temperatura. (National Instruments, 2012) 1.2.2 SENSOR ELÉCTRICO DE VELOCIDAD DE AIRE Este tipo de sensor trabaja de la siguiente manera: “Utilizan un alambre calentado o termistor colocado en el caudal de aire. La cantidad de corriente que se necesita para mantener la temperatura del alambre o termistor varía con el efecto de refrigeración de las diferentes velocidades del aire y, por tanto, es una medida de la velocidad del aire. Un alambre referencia o un termistor protegido del flujo del aire compensan de las variaciones de la temperatura del aire.”(Grimm & Rosaler, 1996, pp. 52.13) 1.2.3 SENSOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL Para detectar la presión diferencial, se utiliza algún tipo de diafragma (Figura 1). El 15 diafragma separa las dos mitades de una cámara cerrada, con cada una de las dos presiones introducida en cada mitad, o una mitad puede estar abierta a la atmósfera como referencia. Los materiales del diafragma pueden ser un elastómero flexible o un metal delgado, dependiendo del uso y el rango de presión. (Haines & Wilson, 1994) Fuente: Tomado de Haines & Wilson, 1994. 1.2.4 SENSOR DE DIÓXIDO DE CARBONO “El dióxido de carbono y otros gases compuestos por dos o más átomos diferentes absorben la radiación infrarroja de una forma única y característica. Es posible detectar dichos gases mediante el uso de técnicas de radiación infrarroja. El vapor de agua, el metano, el dióxido de carbono y el monóxido de carbono son ejemplos de gases que pueden medirse por medio de un sensor de radiación infrarroja...La detección de IR (infrared) es la tecnología más aplicada para la detección de CO2. Los sensores de IR presentan muchos beneficios respecto de los sensores químicos. Son estables y altamente selectivos del gas medido. Tienen un ciclo de vida extenso y, debido a que el gas medido no interactúa en forma directa con el sensor, los sensores de IR soportan la humedad alta, el polvo, la suciedad y otras condiciones hostiles.” (Vaisala, 2013, Ref. B211228ES-A) Figura 1. Sensor de Presión 16 1.2.5 SENSOR DE HUMEDAD CAPACITIVO Y RESISTIVO El sensor de humedad capacitivo basa su funcionamiento “en el cambio de la capacidad que sufre un condensador en presencia de humedad.” (Angulo & Gamboa, 2012, pp. 145). El sensor de humedad resistivo “aplica un principio de conductividad de la tierra. Es decir, cuanta más cantidad de agua hay en la muestra, más alta es la conductividad de la tierra”. (Angulo & Gamboa, 2012, pp. 147). 1.3 ACTUADORES 1.3.1 COMPUERTA Es un dispositivo que se ubica generalmente dentro de los ductos para permitir o bloquear el paso del aire. Se conoce en el mercado como Damper. “Damper es un elemento que se introduce en el interior de un conducto para generar una pérdida de carga variable que permita regular el paso de aire o gas a través de ese conducto”. (Sánchez, 2013, pp. 378) 1.3.2 VENTILADOR “Su funcionamiento se basa en el suministro de energía mecánica al aire a través de un rotor que gira a alta velocidad y que incrementa la energía cinética del aire, que luego se transforma parcialmente en presión estática. Los ventiladores se dividen en dos grandes grupos: los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos”. (Londoño, 2011, pp. 127) 1.3.3 VARIADOR DE VELOCIDAD Es un dispositivo que permite variar la velocidad de giro de un motor al variar su frecuencia y tensión. La Ecuación 1 (Sánchez, 2013) que relaciona la velocidad de giro con la 17 frecuencia es la siguiente: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑖𝑟𝑜 (𝑟𝑝𝑚) = 𝑓 ( 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 ) ∗ 60 (1) Por lo tanto, “un motor con dos pares de polos, operando a una frecuencia de 50 Hz tendrá una velocidad de 1.500 rpm.” (Sánchez, 2013, pp. 386). La señal que ingresa al variador desde la red de alimentación es análoga, sin embargo antes de ser entregada al motor se acondiciona, a través de los dispositivos que se muestran en los bloques de la Figura 2, para poder modular la señal por número y ancho de pulsos, donde el número de pulsos determina la frecuencia y el ancho la tensión. Fuente: Tomada de Sánchez (2013). Los bloques de la Figura 2 llamados Rectificador, Estabilizador y Ondulador, se explican a continuación: • El rectificador convierte la corriente alterna trifásica a corriente continua. • El estabilizador almacena energía para estabilizar la corriente continua. • El ondulador o inversor convierte la corriente continua a corriente alterna con frecuencia variable para alimentar el motor. (Sánchez, 2013). Figura 2. Acondicionamiento de la Señal 18 1.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE También conocido como PLC, es un dispositivo que “permite controlar un proceso o realizar una secuencia automática a partir de un programa definido por el usuario. Esto lo realiza ejecutando en forma cíclica una secuencia de instrucciones que, a partir de la información que llega a sus entradas desde los sensores, deciden cuándo conmutar sus salidas, donde se encuentran conectados los actuadores”. (Daneri, 2008, pp. 89) Debido a que la programación del proyecto actualmente en estudio, fue desarrollado en el software TIA Portal de la marca Siemens, a continuación, se explica la estructura de programación a través de bloques lógicos: “Los bloques de organización (OBs) definen la estructura del programa. Algunos OBs tienen reacciones y eventos de arranque predefinidos. No obstante, también es posible crear OBs con eventos de arranque personalizados. Las funciones (FCs) y los bloques de función (FBs) contienen el código de programa correspondiente a tareas específicas o combinaciones de parámetros. Cada FC o FB provee parámetros de entrada y salida para compartir datos con el bloque invocante. Un FB también utiliza un bloque de datos asociado (denominado DB de instancia) para conservar los valores de datos para la instancia de la llamada de FB. Puede llamar a un FB muchas veces, cada vez con un DB de instancia único. Las llamadas al mismo FB con DB de instancia distintos no afectan a los valores de datos del resto de los DB de instancia. Los bloques de datos (DBs) almacenan datos que pueden ser utilizados por los bloques del programa.” (Siemens, 2014, pp.79) 19 1.5 PANTALLA DE VISUALIZACIÓN Y OPERACIÓN TÁCTIL Es una pantalla que permite, dependiendo del diseño de control, seleccionar las variables del proceso que se quieren visualizar. Además de esto, como dispositivo de operación, también permite ingresar datos al proceso. (Rodríguez, 2008) 1.6 REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Las redes de comunicación industrial permiten la transmisión de datos entre dispositivos. El tamaño de los datos y las características de los dispositivos determinan el tipo de red. El Protocolo o conjunto de reglas establecidas para realizar la comunicación, define la red. (Schneider, 2009) 1.6.1 PROTOCOLO MODBUS RTU Es un protocolo de comunicaciones de tipo serial que utiliza el método maestro – esclavo para la transmisión de información. El maestro siempre inicia la comunicación, y lo hace enviando una petición a un solo esclavo o a todos. Sin embargo los esclavos solo responden al maestro los mensajes enviados a ellos individualmente. La estructura de datos utilizada por el maestro y por los esclavos para la comunicación es la misma y está constituida por la dirección del dispositivo, el código de la petición, los datos y el chequeo de errores. (Protocol M.M., 1996) 20 2. METODOLOGÍA Este informe se desarrolló en cuatro fases:  Primera Fase – Levantamiento de Información: A partir de la consulta de documentos, planos, y el programa de control del sistema de ventilación y extracción de aire actual, se obtuvo la información acerca del funcionamiento del sistema y las características de los dispositivos que hacen parte del mismo.  Segunda Fase – Diseño de Arquitectura de Control y Comunicaciones: Analizando la información obtenida en la primera fase y teniendo en cuenta la instrumentación actual del sistema, se diseñó una arquitectura de control y comunicaciones paralela a la implementada actualmente.  Tercera Fase – Caracterización de Instrumentos de Campo: De acuerdo a lo propuesto en la segunda fase se caracterizaron y se definieron los instrumentos de campo.  Cuarta Fase – Planimetría: Como resultado final del informe se realizaron los planos del diseño del sistema de ventilación y extracción automático propuesto, comprendido por los instrumentos, la arquitectura de control y las comunicaciones. 2.1 PRIMERA FASE – LEVANTAMIENTO DE INFORMACIÓN 2.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN ACTUAL Como se puede observar en la Figura 3, el área a ventilar se encuentra divida en dos zonas llamadas Tienda y Mezzanine. Para esta tarea, el sistema cuenta con cuatro unidades de ventilación UV1, UV2, UV3 y UV4, que suministran aire a las diferentes zonas (Tienda y 21 Mezzanine) a través de ductos. Por medio de compuertas ubicadas en los ductos se controla la dirección del aire hacia las diferentes subzonas. Las unidades de ventilación están distribuidas de la siguiente manera:  Para la zona Tienda suministra aire UV1, UV2 y UV3.  Para la zona Mezzanine suministra aire únicamente UV4. Además de las unidades de ventilación, el sistema también cuenta con dos unidades de extracción de aire UE1 y UE2, para la zona Tienda. Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. Las convenciones de la Figura 3 son las siguientes: UV: Unidad de Ventilación UE: Unidad de Extracción TPD: Transmisor de Presión Diferencial TT: Transmisor de Temperatura Figura 3. Sistema Actual de Ventilación 22 CO2: Transmisor de Dióxido de Carbono TVA: Transmisor de Velocidad de Aire __: Ductos 2.1.2 ARQUITECTURA ACTUAL DE CONTROL Y COMUNICACIONES El sistema de ventilación y extracción de aire actual que se observa en la Figura 4, tiene un PLC para controlar la velocidad de giro de las cuatro unidades de ventilación UV1, UV2, UV3 y UV4, a través de variadores de velocidad asociados a cada unidad. Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. Las convenciones de la Figura 4 son las siguientes: HMI: Pantalla de Visualización y Operación Táctil VFD: Variador de Velocidad UV: Unidad de Ventilación UE: Unidad de Extracción Figura 4. Arquitectura de Control y Comunicaciones Actual 23 E/S: Entradas/Salidas La velocidad de giro de cada unidad de ventilación UV depende de la temperatura y los niveles de CO2 detectados por transmisores de temperatura y CO2 ubicados en las zonas Tienda y Mezzanine (TT y CO2 en Figura 3). Las unidades de extracción UE1 y UE2 trabajan a velocidad constante, ya que no tienen algún dispositivo para la variación de la velocidad de giro, y esto se debe a que ningún transmisor está asociado a su funcionamiento. Su activación se realiza a través de contactores. Cada unidad de ventilación cuenta con un transmisor de velocidad de aire a la salida de cada una de ellas, con el fin de monitorear sus respectivos caudales de aire. La Figura 5 es una representación de los ductos asociados a UV1, UV2 y UV3. Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. El ducto que corresponde a la unidad de ventilación UV4 ubicada en la zona Mezzanine cuenta en su trayecto con diferentes compuertas, no consideradas directamente en la lógica de control, ya que se controlan de manera local (independiente del control centralizado realizado por el PLC). Inicialmente se creía que estas compuertas iban a ser controladas por el PLC, por lo que el ducto de la zona Mezzanine además de tener un transmisor de velocidad de aire, como los demás, cuenta con un transmisor de presión diferencial como Figura 5. Ductos en zona Tienda 24 se observa en la Figura 6. La intención era mantener la presión estática en el ducto asociado a UV4 constante en caso de apertura o cierre de las compuertas de la zona Mezzanine a través de algún tipo de control realizado por el PLC (Anexo A). Finalmente las compuertas quedaron siendo controladas independientemente del control centralizado del PLC. La información técnica y la cantidad de las compuertas de la zona Mezzanine no pudieron ser conocidas. Además, no se confirmó la ubicación en el ducto de Mezzanine del transmisor de presión diferencial (TPD en Figura 3 y Figura 6) Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. Figura 6. Ducto en zona Mezzanine 25 2.1.3 DISTRIBUCION ACTUAL DE LAS SEÑALES EN LA CPU Y LOS MÓDULOS ADICIONALES El PLC se comunica con los diferentes dispositivos del sistema (variadores de velocidad, contactores y transmisores) a través de señales físicas digitales y análogas. La distribución actual de estas señales, en los puertos integrados de la CPU y en los módulos adicionales, es la siguiente: Tabla 1. Distribución actual de las señales en CPU CPU # NOMBRE ENTRADA DIGITAL # NOMBRE SALIDA DIGITAL # NOMBRE ENTRADA ANÁLOGA 0-10 V DC 1 Estado Relé VFD UV1 1 Arranque / Parada UV1 1 Reserva 2 Estado Relé VFD UV2 2 Arranque / Parada UV2 2 Reserva 3 Estado Relé VFD UV3 3 Arranque / Parada UV3 4 Estado Relé VFD UV4 4 Arranque / Parada UV4 5 Estado Guardamotor UV1 5 Arranque / Parada UE1 6 Estado Guardamotor UV2 6 Arranque / Parada UE2 7 Estado Guardamotor UV3 7 Compuerta Ducto UV1 8 Estado Guardamotor UV4 8 Compuerta Ducto UV2 9 Estado Contactor UE1 9 Compuerta Ducto UV3 10 Estado Contactor UE2 10 Reserva 11 Estado Guardamotor UE1 12 Estado Guardamotor UE2 13 Selector Manual / Automático 14 Reserva Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. 26 Tabla 2. Distribución actual de las señales en Módulos Adicionales MÓDULOS ADICIONALES # MÓDULO ADICIONAL 1 – MÓDULO DE 8 ENTRADAS ANÁLOGAS RTD # MÓDULO ADICIONAL 2 – MÓDULO DE 4 ENTRADAS ANÁLOGAS RTD # MÓDULO ADICIONAL 3 – MÓDULO DE 8 ENTRADAS ANÁLOGAS 0/4- 20mA/0-10V DC # MÓDULO ADICIONAL 4 – MÓDULO DE 8 ENTRADAS ANÁLOGAS 0/4-20mA/0- 10V DC 1 Transmisor Temperatura 1 Tienda 1 Transmisor Temperatura 3 Mezzanine 1 Transmisor CO2 1 Tienda 1 Transmisor Velocidad Aire UV1 2 Transmisor Temperatura 2 Tienda 2 Reserva 2 Transmisor CO2 2 Tienda 2 Transmisor Velocidad Aire UV2 3 Transmisor Temperatura 3 Tienda 3 Reserva 3 Transmisor CO2 3 Tienda 3 Transmisor Velocidad Aire UV3 4 Transmisor Temperatura 4 Tienda 4 Reserva 4 Transmisor CO2 4 Tienda 4 Transmisor Velocidad Aire UV4 5 Transmisor Temperatura 5 Tienda 5 Transmisor CO2 5 Tienda 5 Velocidad Actual VFD UV1 6 Transmisor Temperatura 6 Tienda 6 Transmisor CO2 6 Tienda 6 Velocidad Actual VFD UV2 7 Transmisor Temperatura 1 Mezzanine 7 Transmisor CO2 1 Mezzanine 7 Velocidad Actual VFD UV3 8 Transmisor Temperatura 2 Mezzanine 8 Transmisor CO2 2 Mezzanine 8 Velocidad Actual VFD UV4 MÓDULO ADICIONAL 5 – MÓDULO DE 4 ENTRADAS ANÁLOGAS 0/4-20mA/0- 10V DC MÓDULO ADICIONAL 6 – MÓDULO DE 4 SALIDAS ANÁLOGAS 0/4-20mA/0- 10V DC MÓDULO ADICIONAL 7 – MÓDULO DE 4 SALIDAS ANÁLOGAS 0/4- 20mA/0-10V DC 1 Transmisor CO2 3 Mezzanine 1 Velocidad Deseada UV1 1 Damper Modulante 2 Reserva 2 Velocidad Deseada UV2 2 Damper Modulante 3 Reserva 3 Velocidad Deseada UV3 3 Damper Modulante 4 Reserva 4 Velocidad Deseada UV4 4 Reserva Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. 27 Las variables del módulo adicional siete (7) llamadas Damper Modulante (de color azul) posiblemente se refieren a las señales físicas para controlar las compuertas ubicadas en el ducto asociado a UV4. Sin embargo, debido a que el control de estas compuertas no está asociado al PLC, estas señales no están asignadas a la CPU y a los módulos adicionales. Según la documentación de la configuración de la pantalla HMI (que se describirá a continuación) el transmisor de presión diferencial actualmente entrega una señal análoga con el valor de la presión estática del ducto asociado a UV4 pero en la distribución de las señales en la CPU y los módulos adicionales esta señal no se encuentra. La pantalla de visualización y operación táctil se comunica con el PLC a través de la red de comunicación PROFINET. Este dispositivo permite:  Visualizar el estado actual de las unidades de ventilación y extracción, valores actuales de temperatura, CO2, caudal de aire y presión estática en el ducto asociado a UV4.  Visualizar alarmas por fallo de unidades de ventilación y extracción, alta y baja temperatura, alta y baja concentración de CO2.  Configurar los horarios de activación y desactivación de las unidades de ventilación y extracción.  Parametrizar los valores máximos y mínimos permitidos de las variables temperatura, CO2, y presión estática; así como los valores deseados (set points) de cada una de ellas.  Parametrizar los lazos PID del sistema.  Visualizar y definir los parámetros de escalización de los transmisores. 28 2.1.4 PROGRAMA ACTUAL El programa de control del sistema fue desarrollado en el software TIA Portal, utilizando lenguaje de contactos (Ladder). Este software permite la estructuración de programas a través de diferentes tipos de bloques lógicos, mencionados anteriormente. En este programa se encuentran definidos los bloques PID para el control de las variables temperatura, CO2 y presión estática. Sin embargo, no están configuradas las salidas de los bloques como se puede observar en la Figura 7. Fuente: Tomado del programa de Control desarrollado en TIA Portal, 2014. Figura 7. Bloque PID de Temperatura 29 2.1.4.1 BLOQUES DE PROGRAMA ACTUAL E INTERACCIÓN Como se puede observar en la Figura 8 el programa de control del sistema de ventilación actual está compuesto por cuatro (4) bloques de organización OB (OB1, OB30, OB31, OB100) y cuatro (4) bloques de función FB (FB1, FB2, FB3 y FB4). El bloque OB1 es el Bloque de Organización Principal por lo cual están asociados a él los bloques OB30 y OB31. Además de esto, contiene al bloque de función FB3, en el cual se encuentran los horarios para la activación automática de las unidades y las alarmas por falla en el arranque de las mismas. Otras secuencias como la selección manual – automático del sistema, el control de encendido de las unidades de extracción y la lectura de la fecha y la hora también hacen parte de OB1 pero no hacen parte de FB3. El bloque de organización OB30 se encarga de la lectura de los sensores a través de los bloques de función FB1, FB2, y FB4. El bloque FB1 contiene las secuencias para la escalización de los sensores; el bloque FB2 se encarga de la conversión de unidades de FPM (feet per minute) a CFM (cubit feet per minute); y el bloque FB4 contiene las alarmas por alcance de límites de temperatura, CO2 y presión. El bloque OB31 se encarga del control de velocidad de las unidades de ventilación. Por este motivo contiene los parámetros y controles PID de la temperatura, el CO2 y la presión. En este bloque también se encuentran las secuencias de encendido automático de las unidades de ventilación. El bloque predeterminado para el arranque del sistema es el OB100. 30 Figura 8. Diagrama actual de interacción de bloques Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. 31 2.1.5 INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL El sistema de ventilación actual cuenta con la instrumentación contenida en la Tabla 3: Tabla 3. Instrumentos Sistema Actual Transmisores Rango de Operación Alimentación Señal de Salida Límites de Temperatura Exactitud Transmisor de Presión Diferencial 1 PSI 10 a 35 VDC 17 a 36 VDC 21,6 a 33 VAC 4 a 20 mA 0 a 5 V 0 a 10 V -18 a 66°C ±1% desde 0,25 inwg a 25 inwg Transmisor de Velocidad de Aire 0 a 3150 FPM 24 VDC 4 a 20 mA 0 a 50°C ±5% de toda la escala Transmisor de Temperatura -40 a 60°C 24 VDC 84,27Ω a 123,24Ω Desconocido ±0,3°C a 25°C Transmisor de Dióxido de Carbono 0 a 2000 PPM de CO2 20 a 28 VAC 18 a 30 VDC 0 a 10V 4 a 20 mA 0 a 50°C ±3% de la lectura OTROS EQUIPOS DISPOSITIVO ESPECIFICACIONES Variador de Velocidad Entradas Digitales: 4 de 0 – 24 VDC Entradas Análogas: 2 de 0 – 10 VDC o 0/4 – 20 mA Salidas Análogas: 2 de 0 – 10 VDC o 0/4 – 20 mA, pueden ser utilizadas como salidas digitales. Salidas Programables a Relé: 2 (240 VAC, 2 A y 400 VAC, 2 A) Protocolo de Comunicación: Modbus RTU. PLC – CPU Catorce (14) entradas digitales Diez (10) salidas digitales Dos (2) entradas análogas Módulo de comunicaciones Ethernet Pantalla Táctil Display Teclas de Función Interfaz PROFINET Alimentación a 24VDC Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. 32 2.2 SEGUNDA FASE – ARQUITECTURA DE CONTROL Y COMUNICACIONES 2.2.1 PROPUESTA DE ARQUITECTURA DE CONTROL El objetivo del sistema de ventilación y extracción de aire actual es controlar la temperatura y el nivel de CO2 al interior del almacén. Para realizar ésta tarea se debe aumentar y/o disminuir el flujo de aire, que depende de la velocidad de giro de las unidades de ventilación y extracción. Sin embargo, en el sistema actual solo se puede controlar la velocidad de giro de las unidades de ventilación debido a que son las únicas que cuentan con variadores de velocidad; las unidades de extracción no cuentan variadores de velocidad. A través de los transmisores de temperatura y CO2 actuales, se pueden obtener los valores de las correspondientes variables temperatura y CO2 al interior del almacén, para que por medio de la disminución o el aumento del flujo del aire puedan ser controladas. Como son dos variables a controlar se plantearán dos lazos de control, uno para la temperatura y otro para el CO2. En éste caso se propondrán lazos de control PID debido a la naturaleza análoga de las variables a controlar. Para los lazos de control PID de temperatura y CO2 las entradas serán los valores deseados de cada una de ellas. Con estos valores el bloque de control PID determinará la velocidad de giro de las unidades de ventilación modificando la frecuencia en el variador de velocidad. Dependiendo de los valores retroalimentados por los transmisores de temperatura y CO2, el bloque de control PID realizará los ajustes posiblemente adecuados para mantener las variables dentro de los niveles deseados. 33 Las figuras 9 y 10 muestran los diagramas de bloques para el funcionamiento de los controles PID de la temperatura y el CO2. Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. Figura 10. Diagrama de Bloques para Control PID de CO2 Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. Como se pudo observar en la primera fase de levantamiento de información, los bloques PID para la temperatura y el CO2 ya están definidos dentro del programa actual. Aunque, ninguno de ellos tiene valores asociados a la salida, lo que representaría en diagramas de Figura 9. Diagrama de Bloques para Control PID de temperatura 34 bloques, como los de las Figuras 9 y 10, desconocer los parámetros de la PLANTA. Un bloque adicional PID para controlar la presión estática dentro del ducto asociado a UV4 también está definido en el programa actual. Pero, al igual que los bloques PID de temperatura y CO2, no está configurado correctamente. Por lo tanto, se debe configurar correctamente para poder controlar la presión interna del ducto asociado a UV4 de tal forma que la unidad de ventilación UV4 disminuya la velocidad o se apague cuando las compuertas se cierren y por consecuencia aumenten la presión interna del ducto. La Figura 11 muestra el diagrama de bloques para el funcionamiento del control PID de presión: Figura 11. Diagrama de Bloques para Control PID de presión Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. 35 2.2.2 PROPUESTA DE ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES Debido a que los variadores de velocidad actualmente instalados (Danfoss, 2014) permiten la comunicación a través del protocolo Modbus RTU, se presenta la posibilidad de implementar una red de comunicaciones entre los variadores de velocidad y el PLC utilizando este protocolo. Sin embargo para poder establecer esta comunicación es necesario adicionar al PLC un módulo de comunicaciones especial (Siemens, 20015). Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. Figura 12. Arquitectura de Control y de Comunicaciones Propuesta 36 Las convenciones de la Figura 12 son las siguientes: SCADA: Sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos HMI: Pantalla de Visualización y Operación Táctil VFD: Variador de Velocidad UV: Unidad de Ventilación UE: Unidad de Extracción E/S: Entradas/Salidas En la Figura 12 se observa la arquitectura de comunicaciones utilizando el protocolo Modbus RTU. El PLC puede comunicarse con los cuatro variadores de velocidad a través de una conexión física que va desde el módulo de comunicaciones Modbus RTU del PLC hasta el puerto integrado Modbus RTU de los variadores. De ésta manera es posible tener acceso a los diferentes parámetros propios de los variadores de velocidad, como frecuencia, torque, velocidad, entre muchos otros (Danfoss, 2011). Utilizando la conexión existente que va desde el puerto Ethernet integrado de la CPU hasta el puerto Ethernet integrado de la pantalla HMI, y a través del protocolo de comunicaciones PROFINET (línea de color verde en Figura 12), se podrán visualizar y manipular los parámetros propios de los cuatro variadores de velocidad en la pantalla HMI debido a que la información está a disposición en el PLC a través de la red Modbus RTU. Un parámetro muy importante es la frecuencia del variador, ya que a través de éste parámetro se varía la velocidad de giro de las unidades de ventilación, que se relaciona con las variables temperatura, CO2 y presión del sistema a través de los controles PID planteados. Por lo tanto, se pueden realizar los controles PID de temperatura, CO2 y presión a través del protocolo de comunicaciones Modbus RTU; y se pueden visualizar y manipular 37 a través de PROFINET. A través del protocolo de comunicaciones PROFINET también se puede establecer comunicación entre PLC´s y computadores. Por lo tanto se podría asociar la arquitectura de control y de comunicaciones a un computador, lo que permitiría la implementación de un Sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA). Uno de los beneficios de utilizar una red de comunicaciones es la disminución del cableado, lo que implica menor probabilidad de errores y menor trabajo, como en el caso de la marcación de los cables para la identificación de las señales. El cable de comunicaciones para protocolo PROFINET se encuentra tendido actualmente, por lo cual solo se deberá tender el cable de comunicaciones para Modbus RTU, lo que se facilita debido a que los variadores de velocidad están instalados en el mismo tablero con el PLC, como se aprecia en la Figura 13. Fuente: Fotografía propiedad de AIE SAS. La comunicación entre el PLC y los transmisores continuaría siendo a través de señales físicas digitales y análogas (corriente y resistencia) debido a la configuración de fabricación Figura 13. Vista Interna de Disposición de Equipos en Tablero Actual 38 de los instrumentos actualmente instalados. No obstante, algunos transmisores también pueden ser cableados a las entradas análogas de los variadores de velocidad y de esta forma obtener redundancia en el sistema para algunas variables. Cada variador de velocidad tiene dos (2) entradas análogas que trabajan con voltaje o con corriente, por lo tanto se tienen disponibles ocho (8) entradas análogas para la redundancia del sistema. Como estas entradas trabajan con corriente o con voltaje no se pueden utilizar para los transmisores de temperatura. Se propone seleccionar un (1) transmisor de CO2 por cada unidad de ventilación (en total 4), los tres (3) transmisores de velocidad de aire de la zona Tienda y el transmisor de presión de la zona Mezzanine. De esta forma se tendrá redundancia para todos los lazos de control planteados. 2.2.3 PROPUESTA DE DISTRIBUCIÓN DE LAS SEÑALES EN LA CPU Y LOS MÓDULOS ADICIONALES Actualmente, el PLC se comunica de manera física con los variadores de velocidad a través de señales de 0 o 4 a 20 mA, para controlar le velocidad de giro de las unidades de ventilación. Con la implementación del protocolo Modbus RTU para la comunicación entre los variadores de velocidad y el PLC no se utilizarán los módulos adicionales cinco (5) y seis (6), porque a través de éstos módulos el PLC se comunica con los variadores de velocidad y controla las señales relacionadas a la velocidad de giro de las unidades de ventilación (variables en color purpura en Tabla 2). La señal del transmisor de presión ubicado en el ducto asociado a UV4 (TPD en Figura 3), puede ser asignada al módulo adicional cuatro (4) (variable en color verde en Tabla 4). El 39 resto de módulos adicionales (cinco (5), seis (6) y siete (7)) quedarán como reserva y la distribución de las señales en la CPU permanecerá igual. En la Tabla 4 se puede observar la distribución definitiva de las señales en los módulos adicionales y en los variadores. Las señales que tienen los mismos colores son las que tienen redundancia a través de las entradas análogas de los variadores de velocidad. Tabla 4. Propuesta de distribución de señales en Módulos Adicionales MÓDULOS ADICIONALES Y VARIADORES # MÓDULO ADICIONAL 1 - MÓDULO DE 8 ENTRADAS ANÁLOGAS RTD # MÓDULO ADICIONAL 2 - MÓDULO DE 4 ENTRADAS ANÁLOGAS RTD # MÓDULO ADICIONAL 3 - MÓDULO DE 8 ENTRADAS ANÁLOGAS 0/4-20mA/0-10V DC # MÓDULO ADICIONAL 4 - MÓDULO DE 8 ENTRADAS ANÁLOGAS 0/4-20mA/0- 10V DC 1 Transmisor Temperatura 1 Tienda 1 Transmisor Temperatura 3 Mezzanine 1 Transmisor CO2 1 Tienda 1 Transmisor CO2 3 Mezzanine 2 Transmisor Temperatura 2 Tienda 2 Reserva 2 Transmisor CO2 2 Tienda 2 Transmisor Velocidad Aire UV1 3 Transmisor Temperatura 3 Tienda 3 Reserva 3 Transmisor CO2 3 Tienda 3 Transmisor Velocidad Aire UV2 4 Transmisor Temperatura 4 Tienda 4 Reserva 4 Transmisor CO2 4 Tienda 4 Transmisor Velocidad Aire UV3 5 Transmisor Temperatura 5 Tienda 5 Transmisor CO2 5 Tienda 5 Transmisor Velocidad Aire UV4 6 Transmisor Temperatura 6 Tienda 6 Transmisor CO2 6 Tienda 6 Transmisor de Presión UV4 7 Transmisor Temperatura 1 Mezzanine 7 Transmisor CO2 1 Mezzanine 7 Reserva 8 Transmisor Temperatura 2 Mezzanine 8 Transmisor CO2 2 Mezzanine 8 Reserva ENTRADAS ANÁLOGAS INTEGRADAS VARIADOR UV1 0/4-20mA/0- 10V DC ENTRADAS ANÁLOGAS INTEGRADAS VARIADOR UV2 0/4-20mA/0- 10V DC ENTRADAS ANÁLOGAS INTEGRADAS VARIADOR UV3 0/4-20mA/0- 10V DC ENTRADAS ANÁLOGAS INTEGRADAS VARIADOR UV4 0/4-20mA/0- 10V DC 1 Transmisor CO2 1 Tienda 1 Transmisor CO2 2 Tienda 1 Transmisor CO2 3 Tienda 1 Transmisor CO2 1 Mezzanine 2 Transmisor 2 Transmisor 2 Transmisor 2 Transmisor de 40 Velocidad Aire UV1 Velocidad Aire UV2 Velocidad Aire UV3 Presión UV4 Fuente: Elaboración propia de los autores, 2014. 2.2.4 PROPUESTA PANTALLA DE VISUALIZACIÓN Y OPERACIÓN TÁCTIL Además de las funciones actualmente presentes en la pantalla HMI, se propone:  Adicionar una pantalla de visualización general del sistema, donde se pueda reconocer visualmente el estado actual de cada uno de los dispositivos.  Adicionar a la pantalla de visualización de las unidades de ventilación y extracción, el estado actual de las compuertas de la zona Tienda y de la zona Mezzanine, y los parámetros que se deseen de los variadores de velocidad.  Adicionar la opción de operación manual de las compuertas, las unidades de ventilación y extracción, y los parámetros que se deseen de los variadores de velocidad.  Eliminar de la pantalla de parametrización de los lazos PID del sistema el lazo de presión estática. 2.2.5 PROGRAMA PROPUESTO Teniendo en cuenta que el control se realizará a través del protocolo de comunicaciones Modbus RTU, es posible acceder desde el PLC a los parámetros de control de velocidad de los variadores. Por lo tanto cada uno de los bloques PID de temperatura, CO2 y presión debe ser configurado de tal manera que la salida esté asociada al parámetro de velocidad del variador como se muestra en la Figura 14. 41 Figura 14. Bloque de control PID propuesto Fuente: Tomado del programa de Control desarrollado en TIA Portal, 2015 Los mismos bloques de organización y de funciones, con sus respectivas interacciones pueden ser aprovechados para el mejoramiento del sistema. 3.3 TERCERA FASE – CARACTERIZACIÓN Y DEFINICIÓN DE INSTRUMENTOS DE CAMPO A continuación se definirá la consideración dentro de la propuesta de diseño de los instrumentos instalados, a través de la comparación de los rangos de operación de cada uno de ellos con análisis realizados acerca de los límites de operación que el sistema actual de ventilación permite. 42 3.3.1 TRANSMISOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL El transmisor de presión diferencial se encuentra ubicado en el ducto asociado a la unidad de ventilación UV4. En la tabla de selección del fabricante de la unidad de ventilación (Soler&Palau, 2012), para este caso UV4, se encuentran los valores de presión estática que genera cada unidad de ventilación dependiendo de diferentes características constructivas. Con el valor de presión estática identificado según las características de la unidad de ventilación, se puede acudir a la tabla de rangos de operación en términos de presión de la ficha técnica del fabricante del transmisor de presión (Dwyer, 2015) y realizar la correspondiente selección. Según los planos unifilares (Anexo B) la unidad de ventilación UV4 genera un caudal de 2200 Pies Cúbicos por Minuto (CFM – Cubit Feet per Minute) con un motor de 2 Caballos de Fuerza (HP – Horse Power). De acuerdo a estos valores la unidad de ventilación según la ficha técnica del fabricante que más se acerca a estas características es la que se muestra en la Tabla 5; la cual genera una presión estática de 1,27 pulgadas de columna de agua (inwg – inch water gauge). Tabla 5. Tabla parcial de Selección de Unidad de Ventilación del Fabricante 43 Fuente: Tomada de ficha técnica de Fabricante (Soler&Palau, 2012) Se asume que utilizando el valor de presión estática de 1,27 pulgadas de columna de agua anteriormente identificado se puede seleccionar la referencia del transmisor de presión en la Figura 16 donde se observan los rangos de operación en términos de presión del fabricante. Figura 15. Sección tomada de Tabla de Selección de Transmisor de Presión del Fabricante Fuente: Fuente: Tomada de ficha técnica del Fabricante (Dwyer, 2015) Como se puede observar en la Figura 16, tres referencias de transmisores cumplen con las especificaciones de presión, sin embargo, el tipo de señal de salida de 4 – 20 mA determina su selección. La referencia del transmisor de presión actualmente instalado se desconoce, únicamente se conoce la marca y la familia a la que pertenece. 3.3.2 TRANSMISOR DE VELOCIDAD DE AIRE Cada unidad de ventilación tiene asociado un transmisor de velocidad de aire. Según los planos unifilares las unidades de ventilación UV1, UV2 y UV3 generan un caudal de 15.000 CFM y la unidad de ventilación UV4 genera un caudal de 2.200 CFM. Con los valores de caudal generado por la unidades de ventilación se puede calcular la 44 velocidad del aire y de esta manera seleccionar el rango de operación del transmisor de velocidad de aire para las unidades. De acuerdo al plano de la vista superior del almacén (Anexo C) la referencia de las unidades de ventilación UV1, UV2 y UV3 es la CDAFH 30/28. Según la tabla de selección de las unidades del fabricante, la configuración más cercana a los datos de los planos unifilares es la mostrada en la Tabla 6. Tabla 6. Tabla parcial de Selección de Unidad de Ventilación del Fabricante. Fuente: Tomada de ficha técnica de Fabricante (Soler&Palau, 2012) Por lo tanto el caudal máximo en CFM para las unidades de ventilación UV1, UV2 y UV3 es 16.623 y para la unidad de ventilación UV4 es 2.745. Según la ficha técnica del fabricante, las unidades de ventilación UV1, UV2 y UV3 poseen un área de salida de 8,443 Pies Cuadrados (SF- Square Feet) y la unidad UV4 posee un área de salida de 1,466 SF. Con los valores de caudal y área de salida de las unidades, se puede calcular la velocidad del aire. Para la UV1, UV2, UV3 y UV4 la velocidad del aire en FPM será: Velocidad Aire UV1, UV2 y UV3 = Caudal Máximo de la Unidad / Área de Salida de la Unidad (2) 45 = 16.623 CFM / 8,443 SF = 1.968,85 FPM Velocidad Aire UV4 = 2.745 CFM / 1,466 SF = 1.872,44 FPM Utilizando los valores de velocidad de aire calculados se puede seleccionar la referencia del transmisor de velocidad de la Figura 16; la misma referencia funcionará para todas la unidades de ventilación. Figura 16. Sección tomada de Tabla de Selección de Transmisor de Velocidad de Aire del Fabricante Fuente: Tomada de ficha técnica del Fabricante (Dwyer, 2015) Como se puede observar en la Figura 16, dos referencias de transmisores cumplen con las especificaciones de velocidad de aire sin embargo el tipo de señal de salida de 4 – 20 mA determina su selección. El transmisor de velocidad de aire actualmente instalado es la referencia seleccionada en la Figura 16 (Anexo D). 3.3.3 TRANSMISOR DE TEMPERATURA El rango de operación en términos de temperatura del transmisor actualmente instalado es de -40 a 60 grados Celsius (Dwyer, 2015). Este rango es suficiente debido a que temperaturas por encima de 25 grados Celsius afectan la comodidad física de las personas. 46 (Almiñana, 2007). La referencia selecciona en La Figura 17 es la que se tiene actualmente en campo (Anexo E). Figura 17. Sección tomada de Tabla de Selección de Transmisor de Presión del Fabricante Fuente: Tomada de ficha técnica del Fabricante (Dwyer, 2015) 3.3.4 TRANSMISOR DE DIÓXIDO DE CARBONO El transmisor actualmente instalado tiene un rango de operación en términos de partículas por millón de CO2 de 0 a 2000 (Kele, 2015), lo cual es ideal debido a que según la norma ASHRAE 62 el nivel máximo adecuado de partículas por millón de CO2 debe ser de 700. (Zambrano, 2008) 3.4 CUARTA FASE – PLANIMETRÍA Las Figuras 18 y 19 son los diagramas de proceso e instrumentación del sistema de ventilación y extracción de aire automatizado. La Figura 18 representa la zona Tienda y la Figura 19 la zona Mezzanine. En la Figura 18 se puede observar que el aire fluye desde las unidades de ventilación o ventiladores centrífugos (CF – Centrifugal Fan) hacia las salidas (E - Exhaust) pasando por las compuertas (D - Damper). Los transmisores de velocidad de aire (AVT – Air Velocity Transmitter) al detectar la variación en el caudal de aire identifican el estado actual de la posición de las compuertas y envían la señal de confirmación de apertura o cierre a la 47 unidad de control. Los lazos de control de la velocidad de giro de las unidades de ventilación dependen de las lecturas que realizan los transmisores de temperatura y dióxido de carbono (T – CO2). Cada ventilador tiene asociado dos transmisores de temperatura y dos transmisores de dióxido de carbono. Las unidades extractoras o ventiladores axiales (AF – Axial Fan) extraen el aire de la zona proveniente de las entradas (I - Intake) y lo envían fuera. Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015 Figura 18. Diagrama de Proceso e Instrumentación zona Tienda, Estándar ASHRAE 134- 2005 ANSI 48 En la Figura 19 se observa que en la zona Mezzanine hay un lazo de control para cada una de las variables de temperatura, CO2 y presión. Fuente: Elaboración propia de los autores, 2015. Figura 19. Diagrama de Proceso e Instrumentación zona Mezzanine, Estándar ASHRAE 134- 2005 ANSI 49 4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS En el presente informe se presenta la propuesta de un diseño automático de un sistema de ventilación y extracción de aire. Se desarrolló en cuatro fases asociadas a los objetivos específicos planteados inicialmente. Para el desarrollo de la primera fase llamada levantamiento de información, se consultaron documentos, planos y el programa de control del sistema actualmente instalado. En esta fase se identificó el funcionamiento del sistema y las características técnicas de los dispositivos que lo componen. En la segunda fase se diseñó la arquitectura de control y comunicaciones propuesta teniendo en cuenta los instrumentos actuales que tiene el sistema. Para el desarrollo de la propuesta de la arquitectura de control, se analizó el programa de control actual y se identificó que los bloques que contienen los lazos de control no estaban en funcionamiento. Por tal motivo, se propuso los bloques de los lazos de control, definiéndose uno para la temperatura y otro para el CO2, aunque la instrumentación de campo actual permite plantear lazos de control para otras variables. Únicamente se plantearon bloques de lazos de control para la temperatura y el CO2 porque además de ser variables críticas en un sistema de ventilación y extracción de aire, los valores de estas variables se pueden medir utilizando los instrumentos actualmente instalados. La arquitectura de comunicaciones se diseñó a partir de la posibilidad de utilizar el protocolo de comunicaciones Modbus RTU. La razón de su selección se debe a los variadores de velocidad, los cuales poseen un puerto integrado para comunicaciones con Modbus RTU. El PLC aunque no tiene un puerto integrado como los variadores de velocidad puede establecer comunicación por Modbus RTU a través de un módulo adicional. 50 En la tercera fase se definieron los instrumentos de campo a partir de las fichas técnicas de los instrumentos actualmente instalados. Se utilizó como criterio de selección el rango de operación de las variables. En esta fase se determinó que todos los transmisores actualmente instalados están dentro del rango de operación, a excepción del transmisor de presión del cual no se tenía la referencia. Existen otras marcas y referencias de instrumentos de campo pero no fueron tenidas en cuenta en la propuesta de diseño, debido a que los instrumentos actualmente instalados cumplen con los requerimientos del sistema. Como fase final del informe, se realizó un diagrama de proceso e instrumentación (P&ID - Process and Instrumentation Diagram) donde se puede observar los lazos de control y la instrumentación de campo del sistema automatizado de ventilación y extracción de aire. 51 5 CONCLUSIONES  La instrumentación industrial y el programa de control del sistema actual no están bien configurados.  La utilización de la red de comunicaciones Modbus RTU permitirá un mayor aprovechamiento de los recursos y disminuirá considerablemente el cableado.  La seguridad del sistema aumentará debido al nivel de redundancia propuesto.  La implementación de un sistema SCADA posibilitará el flujo de información a nivel de piso de planta. 52 BIBLIOGRAFÍA  Almiñana, D. G. (2007). Instalaciones de refrigeración y aire acondicionado. Editorial UOC.  Daneri, P. A. (2008). PLC. Automatización y control industrial. Editorial Hispano Americana HASA.  Danfoss (2011). 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