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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/5122005/10/11
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 M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SÁNCHEZ ASESOR ASESOR
M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA SUBDIRECTOR ACADÉMICO
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ ii ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ iii ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
ÍNDICE
Contenido Página
Agradecimientos ii CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción 9
1.2 Objetivo General 10
1.2.1 Objetivos específicos 10
1.3 Justificación 11
1.4 Estado del arte 12
1.4.1 El uso de los variadores de velocidad puede proporcionar ahorros
energéticos de hasta 69%
13
1.4.1.1 Green Verter: Ahorros sin riesgos 13
1.4.1.2 Necesidades del cliente 13
1.4.1.3 Beneficios 14
1.4.2 Soluciones administradas para enfriamiento 15
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO
2.1 Data Center 18
2.1.1 El aspecto físico 18
2.1.2 La infraestructura de red 18
2.1.3 Técnicas de enfriamiento 19
2.1.3.1 Enfriamiento de la sala 19
2.1.3.2 Enfriamiento por hilera 20
2.1.3.3 Enfriamiento por rack 21
2.1.3.4 Enfriamiento mixto 21
2.2 Controlador Lógico Programable (PLC) 22
2.2.1 Ventajas y desventajas de los PLC´s 24
2.2.2 Arquitectura interna de un PLC 24
2.2.2.1 Inteligencia del PLC 25
2.2.2.2 Las interfaces de entradas y salidas 27
2.2.3 Dispositivos de programación 27
2.2.4 Operación simplificada de un PLC 28
2.2.5 Ciclo de barrido de un PLC 29
2.2.6 Arquitectura externa de un PLC 29
2.2.7 SIEMENS SIMATIC S7-200 30
2.2.7.1 Módulos de ampliación del S7-200 32
2.2.8 Paquete de programación STEP7-Micro/WIN 32
2.2.8.1 Requisitos del sistema 32
2.3 Variadores de frecuencia para motores de corriente alterna 33
2.3.1 Micromaster 440 36
2.3.1.1 Características 37
2.4 Sensores 38
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ iv ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Contenido Página 2.4.1 Características 38
2.4.2 Sensor LM35 39
2.4.2.1 Características 39
CAPÍTULO 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
3.1 Diseño 42
3.2 Puesta en servicio rápida del variador de frecuencia 43
3.2.1 Configuración de variador para la señal de consigna a través de
una señal analógica
44
3.3 Prueba del variador de frecuencia utilizando el PLC S7-200 45
3.4 Promedio de las señales de entrada 46
3.5 Circuito de amplificación para el sensor LM35 49
3.6 Prueba del promediador utilizando el sensor de temperatura 51
CAPÍTULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Diseño final 55
4.1.1 Programa final 57
4.1.1.1 Arranque del sistema 60
4.1.1.2 Promedio de temperatura 60
4.1.1.3 Comparación para activar el porcentaje adecuado al variador de
frecuencia
61
4.1.2 Conexiones necesarias 61
4.1.3 Pruebas del sistema 63
4.2 Conclusiones 64 4.3 Crecimiento a futuro 65
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ v ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 S7-200 30
Figura 2.19 Arquitectura del Micro PLC S7-200 31
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 440 37
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 440 44
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 440 45
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
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ vi ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Contenido Página Figura 3.13 Resultados obtenidos de la prueba del programa con sensores
físicos
53
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 440 62
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
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ vii ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
ÍNDICE DE TABLAS
Contenido
Página
Tabla 2.1 Comparativa de los CPU’s S7-200 31
Tabla 2.2 Módulos de ampliación S7-200 32
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
de ingeniería
57
Tabla 4.4 Tabla de direccionamientos 57
Tabla 4.5 Equivalencias entre temperatura, unidades de ingeniería y % de
funcionamiento del variador
61
Tabla 4.6 Resultados obtenidos de la prueba integral del sistema 63
CAPÍTULO 1.
Introducción
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 9 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 10 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
1.2.1 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.
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 11 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 12 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 1995. 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 69 800 millones de joules por habitante en el año 2000 a un nivel de 75 277
millones joules en 2006. 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 1 750 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
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 13 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
se presenta un artículo publicado en su página de internet, www.shneider-electric.com, que describe a
dichos productos.
1.4.1 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.
1.4.1.1 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%.
1.4.1.2 Necesidades del cliente
Dirigido a consumidores de energía con necesidades de ventilación y bombeo con motores de
potencia superior a 30 kW.
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 14 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
1.4.1.3 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
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 15 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
1.4.2 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
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.
Fig. 1.2. Data Center
Capítulo 1. Introducción
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 16 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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]
CAPÍTULO 2.
Marco Teórico
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 18 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
2.1.1 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
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.
2.1.2 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, email, etc.
Fig. 2.1. Data Center. Aspecto Físico
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 19 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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].
2.1.3 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.
2.1.3.1 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.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 20 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
2.1.3.2 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.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 21 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
2.1.3.3 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.
2.1.3.4 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
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 22 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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
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
Fig. 2.2 Diferentes tipos de PLC’s
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 23 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 (1970-1974),
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.
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. 5 Sistema de Integración Total Fig. 2.3 Sistema de Integración Total
Fig. 2.4 Gráficos de computadoras
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 24 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
2.2.1 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PLC’S
Ventajas:
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
Desventajas:
Costo inicial. Puede ser o no ser una desventaja, esto dependerá del sistema por
automatizar
Se requiere personal capacitado en la instalación y programación
2.2.2 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.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 25 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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:
2.2.2.1 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. 2.7. Unidades centrales de procesamiento.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 26 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
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).
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.
Fig. 2.8 Paquetes de Memoria
Fig. 2.9 Fuentes de Alimentación
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 27 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
2.2.2.2 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. 2.10 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.
Fig. 2.11 Módulos de salida.
2.2.3 DISPOSITIVOS DE PROGRAMACIÓN
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. 2.12 Dispositivos de programación.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 28 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
2.2.4 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. 2.13 Operación simplificada de un PLC.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 29 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
2.2.5 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.
Figura 2.14 Ciclo de barrido del PLC.
2.2.6 ARQUITECTURA EXTERNA DE UN 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. 2.15 PLC’s fijos o compactos.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 30 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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. 2.16 PLC’s americanos.
b. Arquitectura europea. Todos los módulos o tarjetas son independientes:
fuente de alimentación, procesador, entradas y salidas (figura 2.17) [1].
Fig. 2.17 PLC’s europeos.
2.2.7 SIEMENS SIMATIC S7-200
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
de entrada y de salida que conforman un potente Micro-PLC (figura 2.19). Tras haber cargado el
Fig. 2.18 Micro-PLC s7-200
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 31 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
programa en el S7-200, éste contendrá la lógica necesaria para supervisar y controlar los aparatos de
entrada y salida de la aplicación.
Fig. 2.19 Arquitectura del Micro-PLC S7-200.
Siemens ofrece diferentes modelos de CPUs S7--200 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 S7-200
1 Es preciso calcular la corriente necesaria para determinar cuánta energía puede suministrar la CPU S7--200 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.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 32 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
2.2.7.1 Módulos de ampliación del S7--200
La gama S7--200 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
S7--200. En la tabla 1-2 figura una lista de los módulos de ampliación disponibles en la actualidad.
Tabla 2.2 Módulos de ampliación S7-200
2.2.8 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].
2.2.8.1 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)
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 33 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Ratón (recomendado)
Fig. 2.20 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. 2.21. Motor de corriente directa y motor de corriente alterna.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 34 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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. 2.22. 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).
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 35 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Fig. 2.23. 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. 2.24. 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.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 36 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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].
2.3.1 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).
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 37 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Fig. 2.25 MICROMASTER 440
2.3.1.1 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
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 38 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 𝑙2𝑡
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.
2.4.1 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.
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 39 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la
variación de la magnitud de entrada.
Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la
salida.
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.
2.4.2 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].
2.4.2.1 Características
Calibrado directamente en °Centígrados
Factor de escala lineal de + 10.0 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
Capítulo 2. Marco Teórico
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 40 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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. 2.26 Sensor LM35. Conexiones.
CAPÍTULO 3.
Diseño e Implementación
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 42 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 43 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 rápida
1 Puesta en servicio 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 comandos
1 Panel BOP
P1000 Selección de la consiga de frecuencia
1 Control de frecuencia por BOP
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).
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 44 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Fig. 3.2 Teclado BOP del variador Micromaster 440 Fig. 3.3 Motor de Inducción
3.2.1 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 frecuencia
2 Consigna analógica
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.
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 45 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 S7-200. 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 440
3.- 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.
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 46 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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
16384 30.64 Hz
32767 60 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:
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 47 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 48 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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+MW6 1624
MW8+MW10 2552
MW12/4 638
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 49 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 50 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
En este caso, el circuito que utilizaremos será el amplificador no inversor, cuya configuración es la
siguiente:
Fig. 3.10 Configuración del circuito amplificador no inversor
Para esta configuración, la ganancia se calcula bajo la siguiente fórmula: 𝐴𝑣 = 1 + 𝑅2
𝑅1
En este caso se requiere una ganancia de 12.5. Se propone a 𝑅2 como una resistencia de 100KΩ y
se calcula el valor de 𝑅1 [4]
𝑅1 =𝑅2
𝐴𝑣 − 1
𝑅1 =100𝐾
12.5−1=
100𝐾
11.5= 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. 3.11 Diagrama de circuito amplificador
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 51 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
3.6 PRUEBA DE PROMEDIADOR UTILIZANDO EL SENSOR DE TEMPERATURA
La construcción física del circuito se puede observar en la siguiente figura:
Fig. 3.12 Circuito amplificador
Se realizó una prueba con el siguiente programa:
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 52 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Tabla 3.7. Valores registrados en las marcas II
Marca Valor guardado
MW0 10435
MW2 10436
MW4 10959
MW6 10959
MW8 20871
MW10 21978
MW12 10438
MW14 10989
MW16 21428
MW18 10724
Dichos resultados se pueden comprobar en las siguientes imágenes:
Capítulo 3. Diseño e Implementación
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 53 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Fig. 3.13 Resultados obtenidos de la prueba del programa promediador con sensores físicos
CAPÍTULO 4.
Pruebas y Resultados
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 55 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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.
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 56 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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 2𝑁 ,
siendo N=15 (bit), por lo tanto 215 = 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 -32767 a +32767, siendo -32767 el equivalente a -10V y +32767 el equivalente a +10V. En
configuración unipolar el rango disponible es de 0 a 32767 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 32767
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
0 0 0
18 2.25 7372
20 2.5 8191
22 2.75 9010
24 3 9830
26 3.25 10649
28 3.5 11468
32 4 13106
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 57 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
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
0 0 0
10 6 3277
20 12 6554
30 18 9831
40 24 13108
50 30 16384
70 42 22938
90 54 29490
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.
4.1.1 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
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 58 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
El programa final es el siguiente:
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 59 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 60 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
4.1.1.1 Arranque de Sistema
En el programa se espera hasta que se active el botón de inicio de sistema para comenzar con la
lectura de los datos proporcionados por los sensores. Esta actividad está condicionada a que el botón de
paro de emergencia no esté activado, en caso contrario, este botón interrumpe todo el proceso. Si se
desea detener el sistema momentáneamente, basta accionar el botón de paro de sistema para lograr
dicho propósito.
4.1.1.2 Promedio de Temperatura
Una vez iniciado el sistema se toma la lectura de las 2 primeras entradas, se suman y se divide
entre 2 el resultado de dicha suma; lo mismo se hace con las 2 entradas restantes. Finalmente se suman
los resultados de las divisiones y se dividen nuevamente entre 2, de esta manera se obtiene el promedio
de temperatura de la sala.
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 61 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
4.1.1.3 Comparación para activar el porcentaje adecuado del variador de frecuencia
Al contar con el valor del promedio de temperatura se compara su valor con los valores definidos
previamente y se determina qué porcentaje es adecuado. Lo anterior se puede apreciar mejor en la
siguiente tabla:
Tabla 4.5. Equivalencias entre temperatura, unidades de ingeniería y % de funcionamiento del variador
Rango del Promedio
Temperatura
Equivalencia en Unidades de
Ingeniería
Unidades de Ingeniería enviadas
al variador
Equivalencia en % de funcionamiento
del variador
> a 18°C > a 7372 0 0
Entre 18 y 20°C Entre 7372 y 8191 3277 10
Entre 20 y 22°C Entre 8191 y 9010 6554 20
Entre 22 y 24°C Entre 9010 y 9830 9831 30
Entre 24 y 26°C Entre 9830 y 10649 13108 40
Entre 26 y 28°C Entre 10649 y 11468 16384 50
Entre 28 y 32°C Entre 11468 y 13106 22938 70
< a 32°C < a 13106 29490 90
4.1.2 CONEXIONES NECESARIAS
Para la realización del proyecto fueron necesarias las siguientes conexiones:
Fig. 4.2 Diagrama de Conexiones
Físicamente, las conexiones pueden apreciarse de la siguiente manera:
Sensor de Temperatura LM35
Fig. 4.3 Conexiones del Sensor LM35
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 62 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
PLC S7-200
Fig. 4.4 Conexiones físicas al PLC
MicroMaster 440
Fig. 4.5 Conexiones físicas del MicroMaster 440
Motor de CA
Fig. 4.6 Diagrama de conexiones para Motor de CA
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 63 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
4.1.3 PRUEBAS DEL SISTEMA
Para comprobar el buen funcionamiento del sistema se realizaron 3 pruebas, de las cuales se
registran los resultados obtenidos en la siguiente tabla:
Tabla 4.6. Resultados obtenidos de la prueba integral del sistema
Parámetro o Marca
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
Voltaje entregado por
el LM35 (V)
0.25 0.33 0.29
0.25 0.33 0.29
0.30 0.32 0.31
0.30 0.32 0.31
Voltaje entregado por
el LM41 (V)
3 4.3 3.7
3 4.3 3.7
3.7 4.1 3.9
3.7 4.1 3.9
MW0 10627 13330 11790
MW2 10627 13330 11790
MW4 11777 13471 12000
MW6 11777 13471 12000
Promedio 11207 13225 11895
Valor enviado al variador
16384 29490 22938
Frecuencia registrada en el
variador (Hz)
30.7 55 43
Con ello es posible decir que el sistema funciona a la perfección, demostrando que tanto los
circuitos sensores de temperatura, el programa cargado al PLC, y la configuración del variador fueron las
correctas, pues se obtuvieron valores razonables en todas las pruebas. Así mismo se puede comprobar
que la ganancia calculada para la parte de amplificación de la señal de salida del sensor de temperatura
es la misma que entrega el amplificador físicamente. La pequeña variación de frecuencia registrada en el
variador puede deberse a cierto ruido en la señal, pero ésta se puede considerar como despreciable,
pues no altera en lo más mínimo el funcionamiento del sistema.
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 64 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
4.2 CONCLUSIONES
Al haber realizado este proyecto fue posible conocer un poco sobre la implementación de un PLC
para automatizar un proceso, incluso cuando no se trata de un proceso industrial. Se aprendió a utilizar
tanto entradas y salidas digitales como las analógicas, se comprendió el concepto de unidades de
ingeniería y se aprendió a utilizarlas, se trabajó con el funcionamiento y la configuración básica de un
variador de velocidad, y se obtuvo una introducción al mundo de las HMI’s.
Como se pudo observar, se realizo la programación correspondiente de acuerdo a las
especificaciones y condiciones que el mismo Data Center demanda, esto a través de una programación
en lenguaje escalera utilizando el programa STEP 7-Micro WIN. Además, se diseño el circuito necesario
para sensar la temperatura, del cual se construyeron 4 circuitos, pues el objetivo es distribuirlos en la
sala del Data Center de manera tal que sea posible la obtención de una medición lo más exacta posible,
pues de ello dependerá la variación del porcentaje de funcionamiento del sistema de aire de dicha sala.
Por otro lado cabe destacar que el objetivo primordial de este proyecto, el ahorro de energía, se
cumple al pie de la letra al poder regular la energía utilizada por el sistema de enfriamiento en la sala.
No se debe olvidar que el ahorro de energía actualmente es muy importante no solo en relación al
costo-beneficio para las empresas, sino también, para el cuidado del medio ambiente que cada vez se ve
más deteriorado por la actividad del hombre.
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 65 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
4.3 CRECIMIENTO A FUTURO DEL SISTEMA
Aun cuando el sistema funciona perfectamente, es posible incrementar su alcance o bien
implementar otros dispositivos de control para apreciar el funcionamiento del sistema, como por
ejemplo una HMI (por sus siglas en inglés Human Machine Interfase). Aquí se propone el diseño de una
HMI desde la que se controlará la activación del sistema, utilizando la HMI 177 Micro de Siemens:
Imagen 1
Fig. 4.7 Imagen 1 de la HMI propuesta
Botón Transfer: necesario para cambiar al modo de transferencia del programa.
Botón Inicio: Cambia la imagen de pantalla, a la imagen de inicio de sistema.
Imagen 2
Fig. 4.8 Imagen 2 de la HMI propuesta
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 66 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Botón Paro de Emergencia: Tiene la misma función que el botón físico del sistema, interrumpir el
proceso en momento necesario.
Botón de Inicio de Sistema: Tiene la misma función que el botón físico del sistema, iniciar la
lectura de los datos de entrada del sistema.
Botón de Paro de Sistema: Tiene la misma función que el botón físico del sistema, finalizar o
detener la lectura de los datos de entrada del sistema.
Botón Flecha izquierda y Botón Flecha derecha: Permiten la navegación entre imágenes de la HMI
Imagen 3
Fig. 4.9 Imagen 3 de la HMI propuesta
Botón Flecha izquierda: Permite la navegación entre imágenes de la HMI
Esta imagen servirá para la visualización tanto del promedio de temperatura que en ese momento
se haya obtenido, como del porcentaje de funcionamiento del variador que en el momento se esté
utilizando.
Será necesario determinar las variables a utilizar dentro de la programación de la HMI, las cuales
se pueden apreciar en la siguiente imagen:
Fig. 4.10 Variables necesarias para la programación de la HMI propuesta
Capítulo 4. Pruebas y Resultados
“Control del Sistema de Enfriamiento de un ≈ 67 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
Dichas variables serán utilizadas en el programa de lenguaje escalera del sistema, el cual es muy
similar al ya realizado, solo es necesario modificar la parte de Arranque y Paro del Sistema como se
describe a continuación:
Una vez realizadas dichas configuraciones y modificaciones, además de concretar la comunicación
HMI-PLC, será posible el control del sistema a través de la HMI.
Cabe mencionar que esta no es la única mejora que se puede aplicar al sistema, solo es una
propuesta.
“Control del Sistema de Enfrimiento de un ≈ 68 ≈ Data Center mediante el ahorro de energía”
BIBLIOGRAFÍA
[1] Controladores Lógicos Programables
Ubaldo Ordaz Díaz
Ed. Trillas, 239 p., Primera Edición.
[2] Ascensores Electrónicos y Variadores de Velocidad
Carlos Francisco Tedesco
Ediciones Tecnibook. Primera edición.
[3] Eficiencia energética en instalaciones y equipamiento de edificios
Alfonso Aranda Usón, Ignacio Zabalza Bribián
Prensas universitarias de Zaragoza, España, 2010
[4] Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales
Robert F. Coughlin,Frederick F. Driscoll,Raúl Bautista Gutiérrez
Ed. Pearson Education. Quinta edición.
[5] Manual del sistema de automatización S7-200
574 p. Documentación de usuario
[6] Manual de Instrucciones de uso del MicroMaster 440
116 p. Documentación de usuario
[7] www.schneider-electric.com
[8] Revista Uptime, México.
Edición Agosto 2011
[9] Hoja de datos del sensor de temperatura LM35
[10] Hoja de datos del amplificador operacional LM741
[11] www.compuarca.com
[12] Centro de Datos. Técnicas de enfriamiento.
Artículo publicado por ITNews ( www.itnews.ec )
[13] Prospectiva del consumo de energía y su impacto en las emisiones de gases de efecto invernadero
(GEI). El caso de México.
Horacio Catalán. Luis Sánchez. Profesores de la UNAM
Artículo publicado en la revista Economía Informa en la edición de Septiembre-Octubre del 2009
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