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.

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