instituto politÉcnico nacional escuela superior de...

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 4.10 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.



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.



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.



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



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.

http://www.shneider-electric.com/



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



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



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


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



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.



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.



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



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



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



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.



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.



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



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.



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.



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.



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



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.



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)



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.



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).



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.



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).



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



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.

http://es.wikipedia.org/wiki/PHhttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/RTDhttp://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/

instituto politÉcnico nacional escuela superior de...

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