CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN – CIIMA CIIMA
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27 y 28 de Octubre del 2016, Bucaramanga, Colombia
SISTEMA PREVENTIVO PARA LA DETECCIÓN DE ANOMALÍAS E IRREGULARIDADES EN EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO TIPO SPLIT PREVENTIVE SYSTEM FOR DETECTION OF ANOMALIES AND IRREGULARITIES IN SPLIT AIR CONDITIONER CONDITIONER EQUIPMENT Arley Salazar Hincapié, Carlos Valencia Hernández, Andrés Romero Maya, Sebastián Marín Muñoz. Facultad de ingeniería, Institución Universitaria Pascual Bravo, Medellín, Colombia.
Normalmente la programación del mantenimiento mantenimiento en los sistemas de aire acondicionado se realiza basándose en Resumen: Normalmente aspectos como; las recomendaciones de los fabricantes, la bibliografía técnica y la normatividad internacional vigente. Todos los aspectos antes mencionados comparten la premisa que los equipos de refrigeración refrigeración funcionan en condiciones de trabajo ideales. Contrario a esto, en muchos casos los sistemas de aire acondicionado se encuentran instalados en ambientes con niveles elevados de partículas disueltas en el aire, en ambientes corrosivos y rodeados de fuentes de altas temperaturas que pueden alterar los parámetros de operación del sistema. sistema. Las plataformas de hardware libres han llegado a ser muy importante en la enseñanza de la ingeniería en los últimos años. Entre estas plataformas, Arduino, caracterizado por su versatilidad, popularidad y accesibilidad económica. En este proyecto se desarrolló un sistema sistema predictivo para evitar fallas fallas en plantas de aire acondicionado y refrigeración. refrigeración. Este realiza una adquisición de datos de temperatura con una plataforma plataforma de desarrollo Arduino, la cual se programó con un algoritmo basado en lógica difusa permitiéndole permitiéndole determinar determinar la ocurrencia de fallas y sus sus posibles causas. Como Como resultado el sistema sistema facilitó la programación de las tareas de mantenimiento preventivas y/o correctivas basadas ya en la condición real de operación del equipo y sus componentes. componentes . Adicionalmente permitió prevenir preve nir fallas repentinas en el sistema y por consiguiente evito la suspensión del servicio de refrigeración refrigeración de forma intempestiva. intempestiva. Palabras clave: Aire acondicionado, Anomalías, Arduino, Sensor.
maintenance of air conditioner systems systems are done based on aspects such as the recommendations Abstract: Normally scheduled maintenance of the manufacturers, the technical literature and existing international standards. All the above aspects share the premise that refrigeration equipment operating in ideal working conditions. Contrary to this, in many cases, air conditioning systems and cooling are installed in environments environments with high levels of dissolved particles in the air, surrounded by corrosive environments environments and sources of high temperatures that can alter the operating parameters of the system. The free hardware platforms have become very important in engineering education in recent years. Among these platforms, Arduino, characterized by its versatility, popularity and low price This project developed a predictive system to prevent plant failures of air conditioning and refrigeration. This makes a data acquisition temperature with Arduino development platform, which is programmed with a system based on fuzzy logic allowing you to determine the occurrence of failures and possible cause’s algorithm. As a result the system facilitated the scheduling of preventive maintenance and / or corrective based on the actual condition and operation of the equipment and its components. components. Additionally allowed prevent sudden failures in the system and thus avoid service suspension cooling inopportunely . Key words: Air conditioner, Anomalies, Arduino, Sensor.
I. I NTRODUCCIÓN
El análisis de prevención de anomalías en un sistema de aire acondicionado se traduce en la verificación de las posibles causas que se encuentran en el manual del fabricante y a la contratación de técnicos especialistas en aire acondicionado. La mayoría de personas optan por estas alternativas pero dejan a un lado el uso de la tecnología que bien permite monitorear los diferentes componentes que se hallan en este medio, esto genera como resultado un diagnóstico con menor calidad del esperado. Un método para controlar y monitorear un sistema de aire acondicionado se basa en el uso de sensores y la utilización de un software especializado para interpretar y almacenar las señales del sensor, en este caso esta técnica se implementó en un sistema de desarrollo Arduino. Arduino es una plataforma de desarrollo electrónico basada en hardware y software libre. Tiene como componente central un microcontrolador de la familia Admega que posee todos los elementos necesarios para conectarse al mundo exterior. Actualmente hay varios modelos de sistemas Arduino que van cambiando de modelo de microcontrolador según las necesidades de la aplicación. Debido a su filosofía libre puede utilizarse sin inconvenientes para desarrollar cualquier tipo de proyecto sin tener que adquirir ningún tipo de licencia. En este trabajo esta plataforma es el dispositivo que se encarga de recolectar las lecturas de los sensores, así como de procesar los datos, enviarlos a una salida de visualización predeterminada y tomar acciones de control si así se requiere. Cabe señalar que es posible manejar señales análogas y digitales en el 100% de los diferentes modelos de la plataforma Arduino. Cuando una instalación de aire acondicionado funciona correctamente, en sus sistemas presenta presiones, consumos eléctricos y temperaturas de operación, que se encuentran dentro de unos valores estándar. Una vez el sistema de aire acondicionado entra en avería, exterioriza su “dolencia” cambiando la magnitud de estas variables. La
instalación de manómetros, pinzas amperimétricas, termómetros y un buen razonamiento de los valores detectados, permitirán al usuario o técnico diagnosticar de manera concreta del motivo causante de la avería. En el presente trabajo se especifica un paquete tecnológico de bajo costo, con materiales disponibles en el mercado nacional, que emplea sensores comerciales para la lectura de datos. Dichos datos se muestran en una pantalla LCD sirviendo como insumo para el apoyo a los procesos de mantenimiento tanto preventivo como correctivo aplicados a los equipos de refrigeración y aire acondicionado. II. MARCO TEÓRICO Según estudios, sigue en aumento la necesidad de recopilar datos del funcionamiento, verificando el desempeño de los
sistemas para el acondicionamiento del aire y la calidad del ambiente interior en los edificios [1], obteniendo una mejor información sobre el comportamiento del sistema en el edificio, puede mejorar nuestra comprensión del uso de la energía [2] , el confort térmico [3], y la calidad del ambiente interior [4], [5] . Los sistemas de gestión de datos en edificios pueden obtener gran cantidad de información durante la operación [6], pero la caracterización precisa de muchos parámetros en el ambiente interior como en el sistema, a menudo se limita a la utilización de hardware y software privado, lo que puede afectar negativamente los costos, la flexibilidad y la integración de datos [7]. Como resultado, muchas investigaciones sobre el confort del ambiente interior y el buen funcionamiento del sistema no llegan a obtener muchos parámetros acerca del rendimiento del edificio, lo que puede influir negativamente en su eficacia. Por lo tanto, existen muchas opciones para reducir los costos en adquisición de datos en el ámbito de la sistematización de aire acondicionado en la edificación, por ejemplo, pasar del software y hardware privado, a las plataformas de fuente abierta [8]. Los sistemas de calefacción, ventilación, y aire acondicionado representan una suma significativa y creciente en los usuarios de energía. El sector residencial y comercial representa 20-40% del consumo final de energía en los países desarrollados, superando en muchos casos otros grandes sectores. Dentro del sector residencial y comercial, estos sistemas representan aproximadamente el 50% del total, y tienen un equivalente al 10-20% del consumo final de energía [9]. En un estudio de consumo de subsistencia realizado por la Unidad de planeación Minero Energética (UPME), en Colombia los sistemas de aire acondicionado representaban unos de los consumos más altos en los diferentes sectores, hallándose que para el sector viviendas en las zonas caribes se presentaban consumos superiores a 400 kWh/mes, el aire acondicionado es lo que más pesa en el consumo (puede significar hasta el 80%). Proporcionar comodidad necesaria para los consumidores en establecimientos ocupados por personas, requiere grandes sistemas de acondicionamiento del aire además de una gran cantidad de energía [10]. En los edificios destinados para oficinas, la fiabilidad de los sistemas para el acondicionamiento del aire es seriamente considerada como un aspecto importante de la productividad y el confort de los ocupantes [11]. De hecho, la operación y mantenimiento ineficiente de estos sistemas puede causar desperdicios de energía, quejas de los clientes, calidad pobre del aire interior e incluso daños al medio ambiente. Por lo tanto, el mantenimiento de sistemas de climatización debe ser planeado y llevado a cabo con eficacia para asegurar la satisfacción de los ocupantes con el servicio y el sistema [12]. Generalmente, los fabricantes especifican las recomendaciones de mantenimiento y el entorno operativo para los usuarios [13]. Wu et al destaca cuatro tipos de programas de mantenimiento para sistemas de climatización; Prueba e inspección, el mantenimiento
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programado, el mantenimiento basado en la condición y el mantenimiento correctivo.
2.1 Características del sensor DS18S20
III. MATERIALES
1. Controlador Arduino mega 2560
Arduino es una plataforma física computacional openhardware basada en una sencilla placa con entradas y salidas (E/S), analógicas y digitales, y en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje Processing/Wiring. Ver Figura 1.
Rango de temperatura: -55 a 125°C Resolución: de 9 a 12 bits (configurable) Interfaz 1-Wire (Puede funcionar con un solo pin) Identificador interno único de 64 bits Múltiples sensores puede compartir el mismo pin Precisión: ±0.5°C (de -10°C a +85°C) Tiempo de captura inferior a 750ms Alimentación: 3.0V a 5.5V
3. Despliegue de información
Para la visualización de datos es necesario; una pantalla LCD 16x2 la cual realiza el despliegue de cada una de las mediciones tomadas por los sensores. Ver Figura 3.
Figura 1: Controlador Arduino mega 2560 y componentes. Arduino integra su propia interfaz de desarrollo para la programación del microcontrolador, la compilación del programa y transferencia del código hacia el microchip. El código fuente para la medición de los sensores, y la visualización de los datos a través de una pantalla LCD. 2. Sensores en la unidad interna y externa (Temperatura)
Un sensor es un dispositivo que produce una señal en respuesta a una detección o medida de una propiedad [13], como por ejemplo; posición, desplazamiento, aceleración, presión, en este caso temperatura que presenta el sensor DS18S20, ver Figura 2
Figura 2: Sensor DS18S20
Figura 3: LCD y componentes. 4. Software para el procesamiento de datos
El software implementado se desarrolló bajo la plataforma Arduino la cual posee su propio lenguaje. El algoritmo codificado toma las señales de temperatura, las procesa, las consigna en un archivo plano compatible con Excel y las publica ya sea en la LCD instalada en el equipo o en la página web almacenada en el mismo. Otro componente del software implementado en el Arduino se encarga de analizar los datos obtenidos y generar alarmas visibles ya sea en la LCD o en la página web del equipo. Dicha alarma está acompañada por las posibles causas que originaron cada una de las alarmas
IV. METODOLOGÍA El sistema inteligente para la detección de anomalías se desarrolló mediante el monitoreo en tiempo real y la alteración de las variables de operación de un sistema de aire acondicionado tipo Split. Dichas Alteraciones se realizaron en los procesos de condensación y evaporación, registrando los cambios usando sensores de temperatura en diferentes componentes involucrados en estos procesos como se muestra en la Figura 4. Se analizaron los parámetros alterados empleando la lógica difusa, y se verificaron las alarmas correspondientes con los posibles eventos que podrían estar alterando la operación del equipo.
Figura 6: Montaje de la unidad condensadora. Las pruebas tuvieron un periodo de 3 meses, en el cual cada semana, se verifica el estado operacional de sus componentes bajo diferentes circunstancias. Se simularon condiciones anormales en los procesos de evaporación y condensación del equipo, para los cuales el sistema generó las siguientes alarmas de acuerdo a los posibles eventos ocurrentes en el equipo basándose en lógica difusa, según el esquema mostrado en la Figura 7.
Figura 4: Ubicación de los sensores en los diferentes componentes del equipo. V. DESARROLLO En primer lugar, se realizó la instalación y montaje de la unidad evaporadora, la unidad condensadora del equipo de aire acondicionado y el sistema para la detección de anomalías. Como se ve en las Figuras 5 y 6.
Figura 7: Generación de alarmas y posibles eventos ocurrentes en el sistema. VI. R ESULTADOS
Figura 5: Montaje de la unidad evaporadora y sistema para la detección de anomalías.
Tanto el buen funcionamiento como la obtención de alarmas en equipos de climatización empleando controladores Arduino, generan las causas verídicas de los estados en los que opera el equipo, visualizándolas a través de la pantalla LCD del sistema como se muestra en la Figura 8. Empleando este sistema se evita la parada de los equipos, pérdidas económicas en la producción, altos niveles de insatisfacción en el cliente final, horas extras en tareas de mantenimiento y la falla general de aquellos sistemas que dependen del aire acondicionado como es el caso de Racks, salas de computo, y centro de datos.
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Figura 8: Reportes en el sistema.
VII. CONCLUSIONES Al identificar anomalías menores a tiempo, la vida útil de los equipos puede ser extendida. Además, las reparaciones pueden ser programadas cuando sea conveniente, minimizando el tiempo de inactividad, mantenimientos innecesarios e insatisfacción en los usuarios. La identificación y el diagnóstico de irregularidades en los equipos de aire acondicionado, favorece a los propietarios de dichos equipos obteniendo reducciones en los consumos de energía, en espacios ocupados y/o refrigerados. VIII. REFERENCIAS [1] [2]
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