AUTOMATIZACIÓN DE UN LABORATORIO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

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AUTOMATIZACIÓN DE UN LABORATORIO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Favio Estévez Luis González Egresados de la Carrera de Ingeniería en Electrónica, Automatización
AUTOMATIZACIÓN DE UN LABORATORIO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Favio Estévez Luis González Egresados de la Carrera de Ingeniería en Electrónica, Automatización y Control de la Escuela Politécnica del Ejército. Departamento de Eléctrica y Electrónica. Sangolquí Ecuador RESUMEN: El ahorro energético es un aspecto que viene tomando relevancia en los últimos años, y varios los caminos tomados para mejorar la eficiencia y reducir la contaminación ambiental. Las Lámparas Fluorescentes Compactas (LFC) o más conocidos como focos ahorradores son uno de los productos que ha tomado fuerza en los hogares ecuatorianos. El Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN está a cargo de reglamentar las características de técnicas de desempeño de estas lámparas, por eso se crean los Laboratorios de Eficiencia Energética, específicamente el dedicado a LFC, donde por medio de ensayos normalizados se determinarán las características de desempeño de las LFC. El objetivo de este proyecto es la automatización del Laboratorio de LFC que está provisto de los equipos necesarios para los ensayos. Se desea conseguir un monitoreo de las variables de interés, el control de los equipos remotamente, la generación automática de reportes y el almacenamiento adecuado de la información. PALABRAS CLAVE: Lámparas fluorescentes compactas, ensayos normalizados, INEN, automatización, laboratorio. 1. INTRODUCCIÓN: El ahorro energético ha tomado un papel protagónico en la última década, muchos son los esfuerzos para reducir el consumo energético y la contaminación que inevitablemente tienen consecuencias nefastas para el medio ambiente. Según datos del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable un hogar ecuatoriano promedio gasta hasta el 20% del total de consumo eléctrico en iluminación, lo que representa una gran cifra que indudablemente puede ser disminuida, se estima que con la sustitución de focos incandescentes por lámparas fluorescentes compactas (focos ahorradores) se dejaría de emitir hasta toneladas de dióxido de carbono al año, y tomando en cuenta que estos focos ahorradores consumen hasta un 75% menos de energía, se puede apreciar que las ventajas son innegables. El Estado Ecuatoriano, a través del Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN), se ha puesto manos a la obra en este proyecto de ahorro energético para lo cual es deber de esta misma entidad reglamentar las características técnicas mínimas de desempeño de las lámparas, tanto de las producidas en el país como de las provenientes de importaciones. Es así que se emite el reglamento RTE INEN 036:2010 EFICIENCIA ENERGÉTICA. LÁMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS. RANGOS DE DESEMPEÑO ENERGÉTICO Y ETIQUETADO que efectivamente ofrece lineamientos de desempeño de lámparas producidas y comercializadas en el país. El Estado Ecuatoriano garantiza el derecho a disponer de bienes y servicios públicos y privados, de óptima calidad, a elegirlos con libertad, así como recibir información veraz sobre su contenido y características. Entonces sería lógico pensar que el Estado, a través de una entidad competente, en este caso el INEN, está en la obligación de realizar el proceso de la evaluación de la conformidad en Lámparas Fluorescentes Compactas. El Laboratorio de Eficiencia Energética en lámparas fluorescentes compactas dispone de equipos para la realización de distintos ensayos, pero no dispone de los procedimientos de manejo de los mismos, ni de la automatización para el control, obtención automática de datos y elaboración de informes. El presente tiene como objetivo la implementación de un sistema de monitoreo y control amigable, por medio de un HMI (Interfaz Humano-Máquina) para llevar a cabo el proceso de verificación de las lámparas fluorescentes compactas asegurando la toma de datos fiables por medio de un controlador, y la elaboración de reportes automáticos para los siguientes ensayos: Tiempo de vida Flujo Luminoso Mantenimiento de flujo luminoso Potencia consumida Eficiencia Energética mínima Factor de potencia Nivel de Armónicos Adicional a estos ensayos existen los ensayos de Etiquetado, cantidad de mercurio e índice de rendimiento de color que no forman parte del laboratorio. 2. MATERIALES Y MÉTODOS: Para la solución de la problemática expuesta se requiere de un método de ensayo estandarizado y una automatización para que el procedimiento tenga la menor intervención humana Métodos de ensayo: Con un método de ensayo aprobado y estandarizado se puede conseguir medidas que puedan ser reproducibles en cualquier laboratorio de ensayos. Las normas utilizadas son IES LM (Approved Method Life Testing of Compact Fluorescent Lamps), IES LM (Approved Method Electrical and Photometric Measurements of Single- Ended Compact Fluorescent Lamps) que describen detalladamente los métodos de ensayo en lámparas fluorescentes compactas. Estas normas se las toma íntegramente en su mayoría con las siguientes variantes: En el ensayo de flujo luminoso en lugar de tomar 6 medidas se toma 10 con el mismo criterio de error expuesto en la norma. En los ensayos de potencia, factor de potencia y nivel de armónicos se toma 10 valores a un intervalo de 30 segundos cada uno ya que la norma no especifica una toma de datos en concreto. Esos son los cambios más relevantes que se realiza a las normas de referencia Automatización del procedimiento: Tomando en cuenta los procedimientos que se deben cumplir en el laboratorio de eficiencia energética en lámparas fluorescentes compactas, se realiza el diseño del sistema de adquisición y control. Este diseño debe incorporar todos los equipos, las estructuras, y los instrumentos necesarios para que los resultados estén al nivel de un laboratorio de ensayos certificado. Para dicho efecto como punto de partida se conoce que el laboratorio ya incorpora lo siguiente: 1. Analizador de Energía Fluke Sistema de Integración fotométrica. 3. Fuente de Poder AC y DC. 4. PC de escritorio. 5. Estructura metálica para montaje de tableros con capacidad de rotación de 180º. 6. Software Labview Pero todos los equipos funcionan de manera aislada y la migración de los datos a la PC resulta muy larga y se requiere de un vasto conocimiento de operación de los equipos. Además el control de conmutaciones para los ensayos requiere de un controlador. El objetivo entonces será el de generar una herramienta capaz de lo siguiente: 1. Servir de vínculo entre la PC y los instrumentos de medida para que la toma de datos pueda ser realizada en línea. 2. Tener acceso a los registros del controlador para poder controlar las conmutaciones de las lámparas y para extraer el dato del tiempo de operación de las mismas. 3. Tener la programación adecuada para que la toma de datos y los cálculos sean automáticos. 4. Incorporar un almacenamiento de datos que contenga toda la información detallada de cada ensayo. 5. Permitir el acceso a usuarios autorizados y restringirlo a los que no, para proteger la información de los ensayos. 6. Visualizar los resultados y generar los reportes de acuerdo a los formatos de Excel aprobados por el laboratorio. Estos puntos son únicamente basados en la programación y el procesamiento de información. Adicional a estos puntos se debe construir tableros con las condiciones adecuadas para la toma de medidas de las lámparas y también un gabinete correctamente diseñado para incorporar todo el control necesario para las conmutaciones. Es así que se diseña una arquitectura de control capaz de satisfacer todas las demandas que exige el proyecto en cuestión. Figura 1: Arquitectura del Sistema de Control Como se puede apreciar el sistema consta de dos comunicaciones seriales RS232 y una Ethernet, todas centralizadas hacia un único computador. También existe una conexión entre el gabinete y el tablero de pruebas lo que quiere decir que el gabinete es el que realiza el control de conmutaciones. La flecha entre el tablero de pruebas y el Fluke 435 expresa la conexión del instrumento al tablero de pruebas para la posterior adquisición de datos. La esfera no tiene una conexión directa con el tablero debido a que las lámparas deben ser transportadas hacia el mismo independientemente para el ensayo. El computador de escritorio Incorpora Labview 2010 capaz de soportar una comunicación serial entre los instrumentos de medida, a demás incorpora un Servidor OPC de National Instruments con una herramienta dedicada para la comunicación con el Micrologix 1100 de Rockwell Automation. La esfera fotométrica tiene una conexión con el equipo Digilux 9500, mismo que sirve acondicionando la señal proveniente del sensor incorporado en la esfera, lo muestra mediante un display incorporado, y tiene la capacidad de transmitir la señal hacia el computador. No existe ningún bus estándar en común para los instrumentos y cada interfaz debe ser configurada independientemente para la adquisición de datos en línea Sistema Mecánico: El laboratorio consta de 3 tableros para los ensayos en Lámparas Fluorescentes Compactas, cada tablero tiene la capacidad de conexión de 20 Lámparas. El tablero N 1 está dispuesto para la realización de ensayos de Potencia, Factor de potencia, y Armónicos, además para la medición de los parámetros eléctricos de corriente, y voltaje por medio del instrumento Fluke 435 en todos los casos. Cada boquilla para ensayo dispone de un cable de alimentación expuesto en forma de arco para la conexión de la pinza amperimétrica. Todas las boquillas están conectadas en paralelo en 4 grupos de 5 boquillas y por cada grupo se dispone de un par de borneras: fase y neutro, para la conexión de los terminales del dispositivo de medida. Adicional una bornera de tierra. El tablero N 2 y N 3 están diseñados específicamente para el ensayo de Tiempo de vida en LFC y para el envejecimiento de lámparas, por esto están montados en una estructura metálica que permite su rotación en un ángulo de 180. Todas las boquillas están conectadas en paralelo sin agrupación. Consta también de un gabinete que contiene los elementos que permiten el control de las conmutaciones en los tableros de ensayos N 1, N 2 y N 3: relés, borneras, controlador, etc. Además en su parte exterior dispone de elementos para un fácil monitoreo y control del sistema con luces piloto, selector y pulsadores Sistema Eléctrico: Las conexiones de las boquillas E27 son distintas según los tableros. En el Tablero de ensayos N 1 las lámparas están conectadas en paralelo, en 4 grupos de 5. Con esto se puede manipular la conmutación de dichas lámparas de manera más específica para el desarrollo de los ensayos. Los tableros N 2 y N 3 tienen conexiones eléctricas iguales, las 20 lámparas de cada uno se encuentran conectadas en paralelo. El resto del sistema de eléctrico se encuentra concentrado en el gabinete de control y consta de los siguientes elementos: PLC Allen Bradley MICROLOGIX permite el control de los tableros de pruebas de LFC Módulo de salidas a Relé 1762-OW8.- por medio de este módulo se realizará las conmutaciones de las luces piloto Pulsador para encendido/apagado.- activa o desactiva todos los relés de control de los tableros de pruebas de LFC Selector de alimentación de lámpara en la Esfera Integradora AC/DC.- permite seleccionar la señal de alimentación para la lámpara en la Esfera Integradora 4 Relés Electromagnéticos 10 Amperios (KM3, KM4,KM5,KM6).- controlan la conmutación de las secciones del tablero de pruebas N 1 2 Relés Electromagnéticos 15 Amperios. (KM1,KM2).- controlan las conmutaciones de las lámparas de los tableros N 2 y N 3 respectivamente 2.3. Software: Interfaz entre el Digilux 9500 y Labview. El Digilux 9500 viene incorporado con un software propietario llamado Digilumen 9500 el cual permite la adquisición de datos en la PC, pero este software no permite una programación personalizada, y, como se muestra en el procedimiento, la adquisición de datos debe darse hasta que los valores obtenidos en la lámpara estén estables y su error sea menos al 1%. De tal manera se ve la necesidad de que la adquisición de los datos del Digilux 9500 sea a través de Labview el cual permite una programación más acorde con lo requerido. El manual de operación del Digilux 9500 incorpora la información de las características de la comunicación serial que se describen en el Cuadro 1: Característica Valor Baud Rate 9600 Flow Control None Data Bit 8 Stop bit 1 Parity None Cuadro 1: Características de la comunicación serial entre el Digilux 9500 y Labview 2010 Una vez conocida las características de la comunicación se requiere saber cuáles son las palabras que se deben escribir para que el equipo proporcione el dato de las medidas de flujo luminoso instantáneamente. En este punto la opción más adecuada es utilizar un monitor del puerto serial, el programa utilizado para esto tiene el nombre de HDD Serial Port Monitor el mismo que puede ser descargado del internet de manera gratuita. Con esta sencilla herramienta se puede analizar el tráfico en el puerto. Para que el equipo envíe los valores de flujo luminoso necesita una palabra de requerimiento por parte de la PC, para esto se procede a analizar el tráfico en el puerto cuando se encuentra conectado el Digilux 9500 y su software propietario Digilumen El cuadro 2 describe el significado de las palabras escritas en el puerto: Palabra ML\r CL\r0.9621\r ST\r Significado Palabra de inicio de la comunicación. El equipo responde con la palabra \06 para afirmar que existe conexión entre los dispositivos Esta palabra se la podría tomar como una contraseña ya que debe ser escrita cada vez que se quiera extraer un dato del instrumento, la respuesta del equipo debe ser nuevamente \06 si la comunicación se realiza de manera normal. Esta palabra es un requerimiento de dato al equipo el cual instantáneamente toma el dato actual y lo envía en una cadena de caracteres. Esta cadena contiene un encabezado y un pie los mismos que no se requieren, así que se toma únicamente el dato numérico de la cadena, este dato tiene formato de notación científica y va desde el caracter 5 al 11. Cuadro 2: Descripción de las palabras del puerto Interfaz entre el Fluke 435 y Labview. El analizador de energía Fluke 435 tiene la capacidad de medir múltiples variables eléctricas, e incorpora un software propietario llamado FlukeView el cual permite controlar el equipo remotamente así como adquirir datos en línea que se concentran únicamente en este software y que pueden ser migrados a formatos de texto plano. Una vez conocido que es posible adquirir datos en línea con el equipo el siguiente paso es saber qué tiempo de comunicación maneja con la PC. El equipo se conecta a la PC mediante un cable USB, al analizar su interfaz en el administrador de dispositivos se observa que realmente es una comunicación serial enmascarada en una USB. Lo siguiente que se debe saber son las características con las que se realiza la comunicación, esto se obtiene con el software HHD Device Monitoring Studio 6.23 el mismo que tiene la capacidad de proporcionar las características de la comunicación, mismas que se muestran en el cuadro 3: Característica Valor Baud Rate 1200/9600/19200/57600 Flow Control None Data Bit 8 Stop bit 1 Parity None Timeout 10 segundos Cuadro 3: Características de la comunicación serial entre el Fluke 435 y Labview 2010 Una vez que se sabe todas las características de la comunicación se procede a analizar las tramas de datos. Estas tramas se las obtiene analizando el tráfico existente entre el equipo Fluke 435 con su software propietario FlukeView. El mismo software con el que se obtiene las características de la comunicación (HHD Device Monitoring Studio 6.23) también es utilizado para monitorear las tramas que se están transmitiendo en el puerto de comunicación. El cuadro 4 explica la manera en la que se establece el enlace con el Fluke 435. Palabra Significado \r Es la palabra con la que se inicia la comunicación, el equipo responde con 0\r o 1\r. Ambas palabras mencionan que el dispositivo esta enlazado. \r Esta palabra es para confirmar que el equipo está listo. Su respuesta es 0\r o 1\r igualmente. ID\r Esta palabra es un requerimiento de identificación para el equipo, si la comunicación es correcta el equipo responde con su ID. Cuadro 4: Tramas para el enlace inicial entre el Fluke 435 y el computador Si las respuestas del equipo son las adecuadas el enlace se realizó exitosamente, caso contrario se deberá comprobar que el equipo se encuentre bien conectado y que las tramas de datos escritas sean las correctas. La velocidad de transmisión puede variar, esto depende de la velocidad a la que se realizó la última transmisión la cual es tomada por defecto para la próxima comunicación. Pantalla Palabra Significado Nivel de Armónicos QM\s0,3,4,7,8,11,1 2,15,16,19,20,24,27,28,31\r Parabra de requerimiento de dato en Armónicos. El equipo responde con un string de datos separado por comas donde contiene la información hasta del armónico 25. Se extrae el THD, el tercer y el quinto armónico de corriente los cuales se encuentran en las posiciones 1, 3 y 5 del string respectivamente. Potencia Factor de Potencia QM\s0,3,4,7,8,11,1 2,15,16,19,20,24\r QM\s0,3,4,7,8,11,1 2,15,16,19,20,24\r Parabra de requerimiento de dato en Potencia. El equipo responde con un string de datos separado por comas donde contiene la información de voltaje, corriente, potencia, factor de potencia los cuales se encuentran en las posiciones 2, 8, 11 y 12 del string respectivamente. Parabra de requerimiento de dato en Potencia. El equipo responde con un string de datos separado por comas donde contiene la información de voltaje, corriente, potencia, factor de potencia los cuales se encuentran en las posiciones 2, 8, 11 y 12 del string respectivamente. Cuadro 6: Tramas para obtener datos en el Fluke 435. Para la extracción de datos del fluke es necesario que el equipo se encuentre en la pantalla de la señal de la cual se requiera la extracción. Por ejemplo, si se desea un dato de nivel de armónicos es necesario estar en la pantalla de Armónicos del equipo de tal manera que se vuelve indispensable controlar el equipo remotamente para una automatización más completa. Analizando el tráfico de datos se obtiene el cuadro 5 para controlar los botones de navegación del Fluke 435 desde el computador: Palabra Significado KY\s10\r Tecla de navegación hacia arriba KY\s11\r Tecla de navegación hacia abajo KY\s12\r Tecla de navegación hacia la izquierda KY\s13\r Tecla de navegación hacia la derecha KY\s7\r Tecla de Menú KY\s9\r Tecla de Enter KY\s5\r Tecla F5 KY\s4\r Tecla F4 KY\s3\r Tecla F3 KY\s2\r Tecla F2 KY\s1\r Tecla F1 Cuadro 5: Tramas para controlar el Fluke 435 desde la PC mediante comunicación serial. Una vez que el equipo está en la pantalla deseada se procede a la extracción de datos misma que se la hace instantáneamente después de escribir las tramas que se encuentran en cuadro Interfaz entre el Micrologix 1100 y Labview. La arquitectura de control contempla una interfaz entre Labview y Micrologix para lo cual se utiliza el NI OPC Server. Este paquete de National Instruments permite compartir variables entre Labview y Micrologix mediante el protocolo de comunicación OPC. El PLC debe tener la capacidad de realizar el control de las conmutaciones con las siguientes características para ser manejado desde el HMI: 1. Poder dar inicio y fin a un ciclo de conmutaciones en cualquier momento (Botones de Start y Stop para cada sección). 2. Ingresar los valores de tiempo de encendido y apagado. 3. Ingresar el tiempo total de operación de las lámparas. 4. Tener la información del tiempo que las lámparas llevan encendidas. El Cuadro 7 explica la función de cada uno de los grupos de tags. Grupo de tags START_SECCIÓN TIEMPO-ENCENDIDO- APAGADO Función Inicia el ciclo de conmutaciones de cada sección, dependiendo de los valores seteados en los tiempos de encendido o apagado (TIEMPO-ENCENDIDO-APAGADO) Estos tags guardan los valores de tiempo del ciclo total de operación (T_C_T_SECCIÓN) y el tiempo de encendido de cada sec
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