SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA, HUMEDAD...
Transcript of SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA, HUMEDAD...
SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA, HUMEDAD Y PROTECCIÓN CONTRA INCENDIO PARA CUARTO DE METROLOGÍA DE MEDIDAS ELÉCTRICAS
Estado del Arte Beltrán Pérez cesar augusto 20081283007, rodriguez sanches Edwin
20071283025
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
RESUMEN- Se describe el diseño del sistema de control de temperatura, humedad y protección contra incendio para un cuarto de metrología de medidas eléctricas, utilizando como central de control, un PLC siemens s7-200, el cual se encarga de recibir las señales de los detectores del sistema contra incendio basado en agente limpio HFC 125 y del sistema de aire acondicionado y deshumificación, de manera independiente. Con el fin de controlar y monitorear a través de una interfase HMI, las variables establecidas.
TEMPERATURE CONTROL SYSTEM, MOISTURE AND FIRE PROTECTION FOR FOURTH
MEASURES OF ELECTRICAL METROLOGY
ABSTRACT - We describe the design of the control system of temperature, humidity and fire protection for a quarter of metrology of electrical measurements, using central control, a Siemens S7-200 PLC, which is responsible for receiving signals from the detectors fire fighting system based on clean agent HFC 125 and the air conditioning system and deshumificación independently. In order to control and monitor via an HMI interface, the variables set.
INTRODUCCIÓN
Los cuartos de metrología de medidas eléctricas son aquellos donde se puede realizar el ajuste y calibración de equipos para medición correspondiente a medidas eléctricas teniendo en cuenta los patrones de medición establecidos a nivel mundial.
Las instalaciones de los cuartos de metrología de medidas eléctricas, deben contar con protección contra incendios, sin que ésta afecte la integridad física de los ocupantes. Dentro de las instalaciones, se deben mantener parámetros ambientales, que no comprometan la calidad
requerida de las mediciones. Por tal razón es importante realizar el seguimiento, control y registro de las condiciones ambientales de acuerdo a las especificaciones de la norma ISO/IEC 17025 “Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y de calibración”.
METODOLOGÍA
El desarrollo del proyecto, se inicia realizando un diagrama de trazabilidad, bajo las entidades de patronamiento establecidas por el NIST, y la superintendencia de industria y comercio. En este diagrama se determinan los criterios y restricciones de humedad y temperatura para el cuarto de metrología.
Posteriormente, se diseña el sistema de protección contra incendio basado en agente limpio HFC 125. Bajo el
documento de DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE FIKE PARA AGENTE LIMPIO HFC 125. Y el software ECARO 25, el cual nos corrobora los cálculos realizados y nos muestra la ubicación física de los componentes del sistema, teniendo en cuenta que la descarga del agente extintor debe hacerse en un tiempo menor a 10 segundos.
Para el control de temperatura y humedad se selecciona un equipo de aire acondicionado multi Split inverter con bomba de calor, el cual nos permite climatizar el cuarto, manteniendo la temperatura y la humedad en los niveles deseados, sin importar la variación de éstas en el ambiente.
Para el control de todos los sistemas, se utiliza un plc siemen s7-200, CPU 224 XP, y 2 módulos análogos adicionales. Este se programa en KOP, y se enlaza con el simulador de
Siemens s7-200, para verificar el correcto funcionamiento del control.
Para el controlador de temperatura y humedad, se diseñan dos controles PID. Uno para caudal de aire frío, y el otro para caudal de aire caliente con el fin de mantener la temperatura en
el set point, sin importar si esta aumenta o disminuye.
RESTRICCIONES PARA EL DISEÑO
El cuarto de metrología de medidas eléctricas podrá soportar un máximo de 3 personas en el momento de realizar calibraciones.
Los equipos que se encontrarán dentro del cuarto de metrología, serán los siguientes:
• Equipos a calibrar • Pinzas Fluke 322. • Fuentes Tektronix ps-280, ps-
283. • Osciloscopios Tektronix tds-
210, tds-1012. • Multímetros Fluke 175, 179.
Equipos de calibración:
• Calibrador 9100 • Calibrador 5500ª • 2 equipos de cómputo
Para el caso en particular del cuarto, se tomaran las siguientes restricciones:
23°C +-5 °C y humedad de 40 al 60% según diagrama de trazabilidad y NTC 17025.
El cuarto tendrá unas dimensiones de:
• 10 metros de largo. • 5 metros de ancho. • 2,5 metros de alto.
La iluminación del cuarto se determinará según norma RETIELAP (Reglamento técnico de iluminación y alumbrado público).
El cuarto estará ubicado en Bogotá Colombia. A una altura de 2600m sobre el nivel del mar.
El cuarto debe contar con un sistema de control que permita monitorear y controlar los diferentes sistemas.
DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA INCENDIO.
• Cálculo manual del sistema contra incendio:
Los cálculos se realizan según el documento Design, Installation & Mantenance Manual for Fike HFC-125 Clean Agent Extinguishing Systems
Agente extintor HFC-125 requerido, para la extinción total de un incendio en el cuarto específico:
Agente HFC-125 Peso molecular = 120,02
𝛿 𝑎 25°𝐶 = 4,982𝑘𝑔𝑚3 =
0.3111𝑙𝑏𝑓𝑡3
Presión a 25°C= 13 bar Punto de congelación= -48.14 °C Viscosidad = 0.137 lb/ft-h Concentración = 8% 80000ppm W=peso del agente V=Volumen ft3 C=Concentración S=vapor especifico en ft3/lb C=8% V=125m3 = 4414.33ft3 S=0,0274ft3/lb = 3.1706ft3/lb
𝑊 =𝑉𝑆�
𝑐100 − 𝑐
�
𝑊 =121.0669219 lb
Factor de corrección por Altitud 0.72 W =121.0669219 lb * 0.72 W=87.18618377 lb
En la Tabla 1, se encuentran los datos estándar para la selección de Cilindro contenedor de agente. Este se selecciona de acuerdo a los cálculos anteriores. Para este caso se utilizará el que tiene un rango de 78-173 lb, que tiene como referencia 70-154.Tabla 1. Selección del cilindro.
DATOS DE CONTENEDORES DE AGENTE LIMPIO- U.S. ESTÁNDAR FiKe PN
Peso
Neto
(Lb)
Válvula
Peso
vacio
(Lb)
HFC-
125 (Lb)
Posición
Válvula
Referencia
70-
098
20 1 21 8-36
Horizontal
o Vertic
al
4B500
70-
089
35 1 32 14-30
Horizontal
o Vertic
al
4B500
70-
152
60 1 44 25-54
Horizontal
o Vertic
al
4BW500
70-
153
100 1 61 39-87
Vertical
4BW500
70-
041
125i 2 1/2
180 46-101
Invertida
4BA500
70-
077
215i 2 1/2
225 80-178
Invertida
4BA500
70-
154
215 1 150 78-173
Vertical
4BW500
70-
155
375 1 218 139
-302
Vertical
4BW500
70-
156
650 1 350 236
-528
Vertical
4BW500
70-
157
1000 1 515
374-
839
Vertical
4BW500
En la Tabla 2 se encuentran los datos estándar para la selección de boquillas. Para este caso se utilizará la 80-039, que cubre un área horizontal circular con radio de 9.04 m
Tabla 2. Selección de boquillas.
• Cálculo por medio de software:
Se realizó un diseño específico para corroborar los cálculos manuales y distribuir los componentes del sistema dentro del cuarto, empleando un software (ECARO 25) diseñado para tal fin.
Figura 1. Representación Sistema contra incendio.
DISEÑO DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO.
Para el diseño del sistema de aire acondicionado, se realizaron cálculos de transferencia de carga térmica, y cálculo de agua a eliminar en el ambiente; esto permitirá conocer la potencia requerida del equipo de aire acondicionado, tanto para enfriamiento, calentamiento y deshumificación del aire, facilitando la selección del mismo.
Fuentes de energía térmica (cargas varias):
• Carga térmica cedida por tres (3) personas.
• Carga térmica cedida por la iluminación del cuarto.
• Carga térmica cedida por los equipos de calibración.
• Carga térmica cedida por los equipos de cómputo.
• Ganancia de carga por paredes.
Carga total de enfriamiento para el equipo de aire acondicionado:
𝑄𝑡𝑒 = 2283.12BTU/h+ 3194.4744BTU/h+ 272.97𝐵𝑇𝑈/ℎ+ 2730𝐵TU/h
+ 50.32𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 47,6𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 559.93BTU
h
+ 3727𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 329𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 658.5𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 1278.288𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 20.6𝐵𝑇𝑈ℎ
𝑄𝑡𝑒 =15.15KBTU
h= 4.436KW
Carga total de calentamiento para el equipo de aire acondicionado:
𝑄𝑡𝑐 = 1632.25𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 309.80𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 3639.55BTU
h
+ 24226𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 2140.95𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 4281𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 8308.872𝐵𝑇𝑈ℎ
+ 125.89𝐵𝑇𝑈ℎ
− 2283.12BTU/h− 3194.4744BTU/h− 272.97𝐵𝑇𝑈/ℎ− 2730𝐵TU/h
𝑄𝑡𝑐 = 36.183𝐾𝐵𝑇𝑈ℎ
= 10.595𝐾𝑊
Cálculo de agua a eliminar en el ambiente del cuarto de metrología: Para realizar el cálculo de agua a eliminar en el ambiente, se tuvieron en cuenta los valores de temperatura máxima que se podrían presentar en el cuarto de metrología de medidas eléctricas T1 [C] y la humedad relativa media máxima registrada en Bogotá U1 [%H.R]. Con relación a estos dos datos, se establece la cantidad de agua presente por cada kilogramo de aire (X1) en g/kg; este valor se selecciona del diagrama de MOLLIER. Vagua = X × P Volumen del cuarto: V = 125 m3
Densidad media del aire: δ= 1,2
Kg/m3
Condiciones iniciales: 25°C / 70%
H.R
En estas condiciones, se establece
que X1= 13.9 g/kg de aire
Condiciones deseadas: 23°C / 50%
H.R., obtenemos que:
X2 = 8.74 g/kg de aire
Por lo tanto: X = X1-X2 =13.9-8.74 =
5.16 g/kg de aire
Considerando el volumen del cuarto
determinamos el peso P total del aire:
P= V × δ = 125 × 1,2= 150 kg
La cantidad total de agua que tiene
que ser extraída del cuarto será igual
a:
Vagua = X × P = 5.16 × 150= 774 g ≈
0.7 litros
Con éste resultado se observa, que
es necesario eliminar 0.774 litros de
agua del ambiente para obtener una
humedad relativa del 50%.
DISEÑO DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL. Para el diseño del sistema de control, se realizó, el modelo matemático del Fan motor, ubicado en las unidades interiores del equipo de aire acondicionado, y el modelo matemático de la planta teniendo en cuenta las variables necesarias para mantener la temperatura y la humedad en el rango deseado.
• Modelamiento matemático fan / motor / unidad interior:
Figura 2. Representación Sistema contra incendio.
Función de transferencia del Fan Motor:
4.441e-016 s + 3.937e-005 ----------------------------- s^2 + 2.071 s + 0.01533
Figura 3. Fan motor ante un step.
Modelo matemático de la planta:
Figura 4. Representación Planta.
Figura 5. Representación planta.
Grafica original continuo
Time (sec)
Am
plitu
de
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
0.5
1
1.5
2
2.5
3x 10
-3
System: gsSettling Time (sec): 527
System: gsPeak amplitude >= 0.00256Overshoot (%): 0At time (sec) > 800
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL:
Caudal aire caliente
𝑻𝑪 =𝑲𝟏
(𝝉𝒔𝟏 + 𝟏)𝑸𝒄𝒂𝒍𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆(𝒔)
Caudal aire frio
𝑻𝑪 =𝑲𝟐
(𝝉𝒔𝟐 + 𝟏) 𝑸𝒇𝒓𝒊𝒐(𝒔)
Figura 6. Diagrama de Bloques Planta.
• Modelos aproximados de la planta.
Caudal Caliente
Sistema real:
𝑞𝑣(𝑠) =316
0.0008884𝑠 + 1
Sistema aproximado
𝑞𝑣(𝑠) = 316𝑒−0.00000694𝑠
0.0008964𝑠+1
Caudal Frio
Sistema real:
𝑞𝑣(𝑠) =−296
0.0009553𝑠 + 1
Sistema aproximado
𝑞𝑣_𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥(𝑠) =−296𝑒−0.0000495𝑠
0.0009945𝑠 + 1
Figura 7. Comparación Modelo vs Sistema Real Caliente.
Figura 8. Comparación Modelo vs Sistema Real Frio.
Utilizando el método de modelo interno de control (IMC), es posible realizar la sintonización del controlador.
0 1 2 3 4 5 6
x 10-3
0
50
100
150
200
250
300
350Comparación Modelo vs Sistema real
tiempo(h) (sec)
Salid
a(°C
)
0 1 2 3 4 5 6
x 10-3
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0Comparación Modelo de caudal de aire frio vs Sistema real
tiempo(h) (sec)
Salid
a(°C
)
Aire Caliente
𝐾
=2(0.0008964) + (0.0000069405)
(2 × 0.000020822 + 0.0000069405)= 37.0459
𝑇𝑖 = 0.0008964 +0.0000069405
2= 8.9991𝑒 − 004
𝑇𝑑
= +(0.0008964)0.0000069405
(2(0.0008964) + 0.0000069405)= 3.4569𝑒 − 006
Aire Frio
𝐾 =2(0.0009945) + (0.0000495)(2 × 0.0001485 + 0.0000495)
= 5.8831
𝑇𝑖 = 0.0009945 +0.0000495
2= 0.0010
𝑇𝑑 = +(0.0009945)0.0000495
(2(0.0009945) + 0.0000495)= 2.4149𝑒 − 005
Figura 9. Sistema Controlado Caudal Aire Caliente.
Figura 10. Sistema Controlado Caudal Aire Frio.
Integración de la Planta con el Fan Motor
Figura 11. Diagrama de bloques caudal aire frio.
Sistema controlado
tiempo (h) (sec)
Salid
a(°C
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10-5
289
290
291
292
293
294
295
296
297 System: untitled1Final Value: 296
System: untitled1Settling Time (sec): 1.39e-005
Sistema controlado de caudal de aire frio
tiempo (h) (sec)
Salid
a(°C
)
0 0.5 1 1.5
x 10-4
296
297
298
299
300
301
302
303
304
System: untitled1Settling Time (sec): 9.55e-005
System: untitled1Final Value: 296
Figura 12. Sistema controlado caudal aire frio.
Figura 13. Diagrama de bloques caudal aire Caliente.
Figura 14. Sistema controlado caudal aire Caliente.
CONCLUSIONES
• Se determinó, que para el proyecto, las variables más representativas, son: Temperatura, Humedad y concentración de partículas de
humo en partes por millón (ppm).
• Debido a que las condiciones climáticas donde se ubicará el sistema diseñado, pueden variar si se cambia de ubicación geográfica el equipo, fue necesario el diseño de un control, en este caso de lazo cerrado, para garantizar una óptima operación de este.
• Debido a las características deshumificantes del sistema de aire acondicionado, y a las condiciones de humedad que puedan llegar a presentarse en el ambiente, se deduce que no es necesario la instalación de un sistema de deshumificación adicional.
• Se diseñó y simuló un sistema contra incendio, que cumple con la normatividad actual existente NFPA 2001. Se encontró que la simulación se ajusta perfectamente a los parámetros establecidos.
• Se diseñó y simuló un sistema de aire acondicionado, que cumple con las restricciones establecidas, y que de acuerdo a la simulación se concluye que éste se ajusta perfectamente a la variación de las variables seleccionadas.
• Como se elaboró y simuló un sistema de control de temperatura, remplazando el utilizado comercialmente en los equipos de aire acondicionado, sería necesaria la implementación y el ensayo del sistema, para corroborar su confiabilidad.
• Se estableció una metodología de control PID, integrada a una interface humano-máquina, la cual mostró respuestas favorables en el ajuste de las variables seleccionadas.
BIBLIOGRAFÍA
• Design, Installation & Mantenance Manual for Fike HFC-125 Clean Agent Extinguishing Systems
• ROY J, Dossat. Principios de
refrigeración. Cecsa. Vigésima quinta reimpresión 2004.
• Internal Model Control. D. Morari, M. y Skogestad, S. (1986);
• http://www.cenam.mx/dme/pdf/PRE-PL%20El%20Panorama%20de%20la%20Metrolog%C3%ADa%20El%C3%A9ctrica.pdf
• http://www.cenam.mx/dme/en
me07/archivos/ME10.pdf
• http://www.cenamep.org.pa/metrologia/queEs/
• http://161.116.7.34/conferencie
s/carpetes/guerrero/4_ARTICULOS_LENGUA_ACTSEM/42_UNIDADES_ACTSEM_33.PDF
• http://www.accrweb.com/faqac.
htm
• http://www.ventdepot.com/mexico/temasdeinteres/aireacondicionado/index.html
• www.fiberglasscolombia.com/a
dmin/assetmanager/images/notas/aire/NTAA47.pdf
• www.windpower.org/ES/stat/un
itsw.htm • http://arquinstal02.co.cc/public
aciones/i2-tp11_2006_aa1_psicro.pdf
• http://www.docstoc.com/docs/3248673/C-Intercambio-de-calor-entre-el-cuerpo-humano-y-el
• http://www.semicro.es/pdf/actualidad/SEM33_33.PDF?PHPSESSID=9f48a7acbc0ea9571ddcd45386027147
• http://www.zytemp.com.mx/calibracion.php?tema=2
• http://www.benalmadenaclima.com/?f=Servicios&id=13
• http://www.pfc.com.co/cortafuegos%20tecnica.pdf
• http://www.iat.es/simce/html/subidas/descarga/metrolog%C3%ADa%20equipos%20y%20maquinas.pdf
• http://www.redproteger.com.ar/Escuela%20de%20Seguridad/curso_incendio/Modulo04_Halones_Agentes_Limpios_Marzo2009.pdf
• www.ideam.gov.co
• http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001619/lecciones/estado/node4.html
• http://publiespe.espe.edu.ec/librosvirtuales/hormigon/temas-de-hormigon-armado/hormigon03.pdf
• http://www.slideshare.net/samuelob/motor-ac-2445122?src=related_normal&rel=1154112