Implantación de un sistema de monitorización para un laboratorio de termotecnia

Zhu Ji, Juntian (2020). Implantación de un sistema de monitorización para un laboratorio de termotecnia. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Implantación de un sistema de monitorización para un laboratorio de termotecnia
Author/s:
  • Zhu Ji, Juntian
Contributor/s:
  • García Beltrán, Ángel
  • González García, Juan Manuel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: October 2020
Subjects:
Freetext Keywords: Laboratorio, instalaciones, lazo de calor, calderas de condensación de gas, intercambiador de calor, torre de refrigeración, SCADA, National Instruments, PXI, módulos periféricos PXI, sensores de temperatura, caudalímetro, bombas hidráulicas, variadores de frecuencia, LabVIEW, interfaces, productor/consumidor
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La ETSII dispone de un antiguo laboratorio adscrito a la Unidad Docente de Termotecnia donde se realizaban ensayos de rendimiento de calderas de gasóleo. La popularización de las calderas de condensación de gas y la legislación medioambiental supuso un revés para el laboratorio. Por ello desde hace varios años la Unidad Docente de Termotecnia se encuentra inmerso en un proyecto de reconversión de las instalaciones con un fin didáctico y un fin industrial para la ampliar la gama de equipos que se pueden ensayar en el laboratorio. Uno de esos equipos son las calderas de condensación de gas. Para ello se dispone de un circuito hidráulico al que se llamará circuito o lazo de calor a partir de ahora. Dicho circuito está específicamente diseñado para medir el rendimiento de la caldera de gas. La idea fundamental es medir la potencia térmica extraída por el circuito hidráulico y compararla con la energía química de reacción de la combustión. Sabiendo esto, el equipo de desarrollo diseñará una primera versión funcional de un sistema SCADA. Para ello se emplearán los sistemas PXI de National Intruments y el software de LabVIEW. Se trata por tanto de un proyecto profesional que contará con la ayuda de ingeniero técnico de telecomunicaciones para las labores de automatización. Participarán también dos alumnos de la ETSII que tendrán como objetivo formarse en LabVIEW, ayudar en tareas de depuración de código, realizar tareas de calibración y documentar la experiencia adquirida en forma de una memoria para un Trabajo de Fin de Grado. Los tutores colaborarán con el equipo de desarrollo para la especificación de requisitos de software y ofrecerán soporte para realizar cualquier consulta relacionada con el proyecto. Como se ha comentado en el párrafo anterior, este documento solamente trata el lazo de calor. Paralelamente a este proyecto se desarrollará otro de características similares en la que se analiza el homólogo de frío y que dispone de una enfriadora. Los equipos de lazo de calor se pueden agrupar en tres categorías. En primer lugar, los sensores. Actualmente, están implementados dos de ellos: los sensores de temperatura Pt-100 RTD, y un caudalímetro magnético. Hay un tercer tipo, los sensores de presión. Debido a la falta de tiempo y recursos no se han llegado a comunicar con el sistema de adquisición de datos. En segundo lugar, los actuadores que en este caso son bombas hidráulicas. Hay de dos tipos en la instalación: unas que incorporan un motor monofásico y se controlan con una tensión de 0-10V; y otras heredadas de la antigua instalación. Estas últimas se controlan a través de variadores de frecuencia de la gama MicroMaster Vector de Siemens y que actualmente están descatalogadas. Mención aparte merecen estos dispositivos ya que la idea fundamental de los sistemas PXI es que las comunicaciones con los equipos terminales se hagan a través de los módulos periféricos que ofrece National Instruments. Sin embargo, por motivos técnicos y económicos finalmente se decidió controlar los variadores a través de un conector serie del PC de control. Esto supuso un verdadero reto para el equipo de desarrollo ya que hubo que investigar el protocolo USS de Siemens para las comunicaciones seriales; se tuvo que buscar una librería no oficial de dicho protocolo para LabVIEW y se desarrolló una placa de interconexiones para la comunicación del PC con los variadores de frecuencia. En tercer lugar, están los dispositivos con un carácter más “energético” como los intercambiadores de calor, los depósitos de agua, depósitos de expansión, etc. Estos últimos se describirán de manera breve en este proyecto ya que existen trabajos anteriores donde se realiza un estudio de las instalaciones desde la perspectiva de un ingeniero energético. Como curiosidad de los sistemas PXI mencionados, se comenta que son sistemas de adquisición que aprovechan el bus eléctrico, y las interfaces de PCI y PCIe. Además, disponen de módulos periféricos con multitud de funcionalidades: E/S digitales y analógicas; módulo especializados para sensores RTD; algunas llevan FPGA incluidas, etc. El otro gran bloque dentro de este trabajo es la aplicación software. LabVIEW es un entorno de programación gráfica que consiste en el diseño de diagramas conformados por bloques de Instrumentos Virtuales o VI. Los VI son una serie de herramientas que al aprovechar una plataforma de computación estándar y emplear una serie de periféricos modulares y drivers, permiten realizar tareas que se hacen con equipos tradicionales como puede ser el empleo de un osciloscopio para la lectura de señales. Esta filosofía induce a que la programación esté orientada a las máquinas y los procesos como veremos a continuación. Antes de entrar en más detalles es conveniente comentar que para la especificación de los requisitos de la aplicación se optado por emplear la estructura del estándar IEEE 830. La idea es utilizar un modelo ampliamente aceptado entre la comunidad de desarrolladores. En este documento se hará hincapié en dos aspectos de programa: la interfaz y el código fuente. La interfaz se define a través de la morfología del lazo de calor y de la lista de requisitos funcionales especificadas por los tutores. La solución adoptada consta de una interfaz principal a través de la cual se controlan y visualizan los distintos equipos. Tiene un amplio repertorio de botones y cuadros de textos para llevar a cabo las tareas para la cual fue diseñada. Los paneles restantes son interfaces complementarias donde por ejemplo se muestran histogramas de temperatura y caudal. Uno de los más importantes es un panel a través del cual se especifican las configuraciones de los distintos equipos (tipo de conexionado, puerto de comunicaciones, etc.). A la hora de diseñar las interfaces se ha procurado que estas fueran intuitivas y fáciles de utilizar. Con respecto al código fuente se resalta que el programa se ha desarrollado siguiendo la filosofía de Productor/Consumidor de NI que es similar al de Maestro/Esclavo. En el código se definen mediante estructuras de bucles y estructuras de casos, una serie de máquinas de estado referidas a cada uno de los dispositivos que se controlan. Estos últimos son los llamados Consumidores. El Productor por su parte es una máquina de eventos que responde a los cambios producidos en la interfaz (por ejemplo, el accionamiento de un botón virtual). Es por tanto la encargada de iniciar las comunicaciones, a las que NI llama notificaciones, en las que los distintos Consumidores intercambian datos de parámetros de la instalación. Las principales ventajas de esta metodología son la creación de un código modular y, relacionado con esto último, también más fácil de depurar. En la actualidad están implementados cinco Consumidores cuyos nombres hacen referencia a las máquinas que controlan: MicroMaster Vector, PXI TEMP, BOMBAS SEDICAL, CAUDAL CALDERA y TIMER. Para terminar, se citan una serie de actividades adicionales a las del proceso de automatización realizadas por los alumnos. Entre ellas se encuentran la elaboración de presupuestos para lanzar peticiones de compra; la actuación como canal de comunicación entre los diferentes miembros del equipo y calibración de sensores.

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Item ID: 65596
DC Identifier: http://oa.upm.es/65596/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65596
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 03 Dec 2020 16:23
Last Modified: 02 Feb 2021 23:30
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