Control de temperatura de un centro de cómputo Temperature

Revista Investigación Científica
Vol. 3, No. 3, Nueva época. Septiembre - Diciembre 2007.
ISSN 1870-8196
Control de temperatura de un centro de cómputo
Temperature control of a computing center
Rafael Villela Varela
Aurelio Beltrán Telles
Remberto Sandoval Aréchiga
Miguel Eduardo González Elías
Claudia Reyes Rivas
Julio C. Delgado López
Jacobo Montoya Becerra
Oscar A. Sandoval Rodríguez
Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
Universidad Autónoma de Zacatecas
E–mail: [email protected].
Resumen
En un centro de cómputo se produce calentamiento debido al funcionamiento de
las computadoras, lo que puede provocar fallas en el equipo electrónico y
malestar e incomodidad en las personas que ahí se encuentren. Para evitar tales
problemas se propone en este trabajo de investigación disminuir el calentamiento
mediante el uso de ventiladores. A cada ventilador se le aplicará un voltaje
proporcional al grado de enfriamiento requerido. Entre más se aleje del valor
deseado la temperatura del recinto, mayor será el voltaje aplicado al motor de
cada ventilador, de manera que la velocidad del motor dependerá de la
cantidad de enfriamiento necesario.
El nivel de temperatura se mide con un sensor LM35 que entrega 10 milivolts por
cada grado centígrado; este voltaje es enviado a un Controlador Lógico
Programable (PLC) que ejecuta un control PID (Proporcional, Integrador y Derivativo)
que envía hacia el motor el voltaje indispensable para que gire a la velocidad
requerida que mantenga la temperatura en el nivel deseado. Con este sistema se
logra una reducción gradual de la temperatura hasta alcanzar el nivel propuesto,
el cual es seleccionado por el usuario mediante un reóstato. Así se alcanzará una
mayor eficiencia en el uso de la energía eléctrica en cada ventilador, ya que sólo
se activará cuando sea necesario y se le entregará únicamente la energía
requerida para la velocidad determinada por el control PID.
Palabras clave: controladores lógicos programables, control de temperatura,
control PID, sensor de temperatura.
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Abstract
In a computing center is generated heat due to the computers working, which can
provoke failures in the electronic equipment and discomfort in the people working
there. To avoid these problems it is proposed in this research to decrease the heat
by using fans. To each fan will be applied a certain voltage proportional to the
required cooling degree. As the temperature of the room increases more than the
desired temperature, a higher voltage will be applied to the fan motor, so the motor
speed will depend on the necessary cooling degree.
The temperature level is measured with a LM35 sensor which delivers 10 mV for
each centigrade degree; this voltage is sent to a Programmable Logic Controller
(PLC) which executes a PID Control (Proportional, Integrating and Derivative) that
sends to the motor the necessary voltage to work at the required speed to keep the
temperature at the desired level. The PID temperature control was found
experimental and analytically. With this system is accomplished a gradual reduction
until the desired level is reached, which is selected by the user with a rheostat. It is
accomplished a higher efficiency in the use of electric energy in each fan, since it
will only be activated when necessary and it will be delivered only the required
energy for the speed determined by the PID Control.
Keywords: programmable logic controllers, temperature control, PID control,
temperature sensor.
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Introducción
Para disminuir el calentamiento en un recinto se pueden usar ventiladores y
sistemas de aire acondicionado. Desde el punto de vista económico es más
conveniente utilizar ventiladores, ya que son de menor costo y emplean menos
energía eléctrica que los sistemas de aire acondicionado, además se instalan más
fácilmente.
Por lo general, los ventiladores enfrían el ambiente de una habitación a través de
un sistema manual de encendido/apagado. Esto no es muy eficiente puesto que
los ventiladores mantendrán su máxima velocidad. No es recomendable que un
ventilador siempre esté funcionando, porque consumiría permanentemente el
mismo nivel de energía eléctrica aun en los momentos en que no se requiera que
funcione a su máxima velocidad. Se puede lograr un ahorro considerable de
energía si sólo se le entrega a un ventilador el nivel de energía preciso para que
gire a la velocidad adecuada al nivel de enfriamiento necesario. El objetivo de
esta investigación fue diseñar y construir un sistema capaz de mantener la
temperatura de un centro de cómputo en un valor seleccionado por el usuario. El
sistema debe ser sencillo, económico, eficiente, de fácil operación y con pocos
requerimientos de mantenimiento. Para ello se usó un PLC S7–200 de Siemens
como dispositivo de control.
Materiales y métodos
Descripción del sistema
Se construyó una maqueta para el diseño y las pruebas del sistema. Se simuló el
calentamiento producido por una computadora con una lámpara incandescente;
en total se utilizaron seis lámparas de 12 watts cada una. También se agregó un
ventilador con un voltaje nominal de 24 volts de corriente directa (CD), y un sensor
de temperatura LM35. Cabe mencionar que el motor contaba con tacogenerador
para convertir la velocidad en pulsos digitales de determinada frecuencia.
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En la Figura 1 se muestran las partes principales del sistema de control. La
temperatura del recinto es detectada por el sensor LM35 que entrega un voltaje
entre 0 y 1 volt de CD en el rango de 0–100 ºC («National Semiconductor
Corporation», 2007); este voltaje analógico es amplificado diez veces en la etapa
de acondicionamiento (Figura 2) para quedar en el rango de 0–10 volts y es
aplicado a una entrada analógica del PLC. Tal voltaje es proporcional al nivel de
temperatura
existente
en
el
recinto,
de
igual
modo
puede
leerse
el
correspondiente al valor deseado de temperatura, el cual es seleccionado por el
operador del sistema desde un reóstato (Figura 3). Este voltaje debe estar en el
rango de 0–10 volts.
El programa utiliza las lecturas de dichos voltajes para determinar la velocidad del
motor del ventilador en el rango de 0–100%, y entrega la correspondiente señal de
salida analógica de voltaje en el rango de 0–10 volts que se aplica a la etapa de
potencia del motor de la Figura 4 («Datasheet Catalog», 2007). Misma que
proporciona un voltaje de 0–24 volts al motor, y su velocidad será proporcional al
nivel de enfriamiento requerido. Al girar las aspas del ventilador se enfría el
ambiente del recinto y esto afecta a la lectura del sensor de temperatura,
repitiéndose el ciclo de control permanentemente.
Los voltajes analógicos del sensor de temperatura y del valor deseado de
temperatura están en el rango de 0–10
volts y son aplicados al módulo de
entradas analógicas del PLC que los digitaliza en el rango de 0–32000 («Manual
del PLC S7–200», 2000). El valor de cada lectura debe ser normalizado por el
programa para que quede en el rango de 0 a 1 y pueda ser utilizado en la rutina
PID. En forma similar, el programa determina la velocidad del motor en el rango
de 0 a 1, siendo 1 la velocidad máxima, y este valor debe ser desnormalizado
para que esté en el rango de 0–32000 que en el módulo de salida analógica del
PLC corresponde a un voltaje de 0–10 volts que es enviado hacia la etapa de
potencia.
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Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de control de temperatura
Figura 2. Amplificador del sensor de temperatura LM35.
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Modelado del sistema
Una vez construida la maqueta se procedió a obtener el modelo matemático del
sistema que consiste en una ecuación que represente su comportamiento. Para
determinar el modelo matemático fue necesario analizar la parte eléctrica y
mecánica de dicho sistema (Castro Chaírez y Carreón Gaytán, 2003).
+
11 V
Rx
R1
100 ohms
1K
+V
Voltaje analógico hacia el PLC
Figura 3. Reóstato para el valor deseado de temperatura
Figura 4. Etapa de potencia del motor
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El comportamiento del sistema es representado por la ecuación siguiente:
y (t ) = −V1
d
f
1 − e − bt ) + ya + V2 (1 − e − gt )
(
b
g
Donde:
•
y (t ) es la respuesta del sistema (temperatura alcanzada en el recinto en el
tiempo t )
•
V1 es el voltaje escalón aplicado al circuito del ventilador (12 volts de CD)
•
V2 es el voltaje escalón aplicado al circuito de las lámparas (127 volts de
CA)
•
b y d son los parámetros del modelo del ventilador
•
f y g son los parámetros del modelo de las lámparas (calefactores)
•
el comportamiento del enfriamiento provocado por el ventilador se
representa como:
−V1
•
d
1 − e − bt )
(
b
el comportamiento del calentamiento provocado por las fuentes de calor
(lámparas en la maqueta, computadoras en el caso real) se representa
como:
V2
•
f
1 − e − gt )
(
g
ya es la temperatura ambiente
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Para la parte experimental del modelado se obtuvieron tres gráficas de la
respuesta de temperatura del sistema, utilizando la tarjeta procesadora de señales
TM320LF2407 de Texas Instruments y el programa VisSim. Las pruebas fueron:
1. El calentamiento que ocasionan las fuentes de calor
2. El enfriamiento con el ventilador una vez que se alcanzó 29 ºC
3. El comportamiento de ambos factores juntos: las fuentes de calor y el
ventilador
En la primera prueba del modelado se analizó el calentamiento que ocasionan las
fuentes de calor sin usar el ventilador. Se aplicó un voltaje escalón de 127 volts de
C.A. En la Figura 5 se observa que la temperatura de estado estacionario fue de
27.096 ºC en 1132.69 segundos. Mientras que en la gráfica de la Figura 6 se
determinó que el sistema necesitó un tiempo de 293.71 segundos para que la
temperatura alcanzara el 63.3 % de su valor final (26.08 ºC).
Figura 5. Temperatura estacionaria para las fuentes de calor, sin usar ventilador
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Figura 6. Tiempo para que la temperatura alcanzara el 63.3 %
de su valor final en la prueba 1 del modelado.
El modelo de la respuesta de los calefactores es:
w( s ) =
f
s+g
Donde:
g=
1
tb
y
f =
T final g
V2
Siendo tb el tiempo necesario para que la temperatura alcance el 63.3 % de su
valor final T final .
Entonces:
tb = 293.87 ; g = 0.003402 y f = 0.0007263
Y el modelo matemático de los calefactores queda como:
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W ( s) =
0.0007263
s + 0.003402
En la segunda prueba del modelado se analizó la respuesta de enfriamiento del
ventilador. Una vez que se alcanzó una temperatura de 29 ºC con los focos
encendidos, se apagaron éstos y se encendió el ventilador, usando un voltaje
escalón de 12 volts de CD. El sistema de enfriamiento del ventilador estabilizó la
temperatura en 25.066 ºC en un tiempo de 604.669 segundos. El tiempo en que
la temperatura alcanzó el 63.3 % de su valor final fue 91.963 segundos.
Parecido al cálculo realizado en la prueba 1, se obtuvo el modelo de enfriamiento
del ventilador:
W (s) =
0.03466
s + 0.01666
En la tercera prueba del modelado se encendieron los calefactores hasta
alcanzarse una temperatura de 29 ºC y después se activó el ventilador sin apagar
los calefactores. En esta última prueba se alcanzó una temperatura estacionaria
de 26.644 ºC en un tiempo de 1119.843 segundos, y en un tiempo de 27.4793
segundos se logró que la temperatura llegara al 63.3 % de su valor final. En forma
similar al cálculo realizado en la prueba 1, se obtuvo el modelo del sistema
completo:
W (s) =
0.048186
s + 0.02047
Controlador PID
Un controlador P (Proporcional) entrega una señal de salida proporcional al error o
diferencia entre el valor deseado de temperatura y el valor medido;
es de
respuesta rápida y da estabilidad al sistema pero no puede alcanzar el valor
deseado. Un controlador I (Integral) entrega una señal de salida proporcional al
error acumulado, ya que integra la señal de error y así obtiene información del
comportamiento del sistema a lo largo del proceso, y la respuesta no sólo
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depende del valor instantáneo del error como en el controlador P; es un modo
lento de control pero obliga al sistema a llegar al valor deseado. Un controlador D
(Derivativo) retarda la respuesta del sistema produciendo una respuesta suave; la
salida de este controlador es proporcional a la velocidad de cambio en la
medición del error (Ortega Cárdenas, 1993).
Un controlador PI (Proporcional e Integral) es una combinación de los controles
Proporcional e Integral que elimina al error que el control Proporcional en muchos
sistemas no puede corregir. Un controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo)
combina los tres tipos de controladores y ofrece muchas alternativas de ajuste en
la respuesta del sistema (Kuo, 2001). Como el modelo del sistema de este
proyecto es de primer orden, no existe parte derivativa y por lo tanto se utilizó un
controlador PI para el control de temperatura (Cabrera Villalobos, 1998). Con base
en el diagrama de lazo cerrado con un controlador PI (Figura 7) y el modelo
matemático de la planta o sistema, se consiguió la función de transferencia
general:
0.048186 K p s + 0.048186 K i
W (s)
= 2
Wd ( s ) s + ( 0.02047 + 0.048186 K p ) s + 0.048186 K i
Figura 7. Diagrama de bloques del sistema controlado
Para calcular las ganancias proporcionales ( K p ) e integral ( K i ) se aplicó el método
denominado «cancelación de polos» (Ogata, 1998), obteniéndose:
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K p = 0.110682 y
K i = 0.002266
En la Figura 8 se muestra el diagrama de bloques del sistema de control completo,
con las ganancias proporcional e integral, y con los modelos matemáticos de las
fuentes de calor y del ventilador.
Figura 8. Controlador PI con el modelo completo
Programa en el PLC
El PLC se puede programar en lenguaje escalera o KOP. El programa se realizó
para tener un controlador PI de temperatura. El programa consta de:
•
Una interrupción que se encarga de leer a la temperatura del recinto y al
valor deseado de temperatura, además manda llamar a la rutina PID y
envía el valor de la señal analógica de salida hacia la etapa de potencia
del motor del ventilador. También realiza el paro del proceso de control de
temperatura cuando así lo indique el usuario.
•
Una subrutina que carga los valores de las ganancias del controlador PI y
controla a la interrupción (Grey, 2006).
•
Un bloque principal que manda llamar a la subrutina.
Para ilustrar la manera en que se hace un programa en lenguaje KOP en el PLC,
en la Figura 9 se muestra una parte del programa que corresponde al bloque de
la interrupción.
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En el segmento o network 1 comienza el proceso de control cuando el usuario
oprime el botón de inicio, y en el segmento 2 se activa un temporizador cada
cuatro segundos para sincronizar al sistema de control (Figura 9.a). En el segmento
3 el PLC lee al valor deseado de temperatura en el rango 0–32000 y lo normaliza
al rango 0–1 (Figura 9.b), y en el segmento 4 se hace algo similar con la lectura del
sensor de temperatura (Figura 9.c).
El PLC S7–200 cuenta con una subrutina para el control PID, la que es llamada en
el segmento 5 de la Figura 9.d; esta subrutina procesa la información del valor
deseado y del valor de la temperatura del recinto detectada por el sensor, así
como los parámetros del modelo PID que se introdujeron previamente en la
memoria del PLC,
entregando como
resultado
un valor entre 0 y 1 que
representa la proporción de la velocidad que debe tener el ventilador para que el
enfriamiento obtenido permita alcanzar la temperatura deseada.
Figura 9a. Inicio de proceso
Figura 9b. Normalización del valor deseado
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Figura 9c. Lectura del sensor
Figura 9d. Control PID
La señal de salida de la subrutina PID es desnormalizada para que esté en el rango
0–32000 que corresponde a un voltaje de 0–10 volts en el canal de salida
analógica del PLC, esto se hace en el segmento 6 del programa de interrupción
(Figura 9.d).
Resultados
Se realizaron cuatro pruebas y al inicio de cada una de ellas se activaron las
lámparas (permaneciendo así durante toda la prueba) y se mantuvo apagado al
ventilador hasta alcanzarse el valor inicial de temperatura, y después se ejecutó el
programa de control PID desde el PLC para determinar el nivel de velocidad del
ventilador en el rango de 0–100 % según se requiriera para alcanzar el valor
deseado de temperatura.
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Prueba 1
Consistió en obtener el valor deseado de temperatura (23 ºC) a partir de un valor
inicial mayor (30 ºC). El sistema detectó el error entre la temperatura medida y la
deseada, y trató de reducirlo enviando al inicio el máximo voltaje al motor del
ventilador, pero al hacerse más pequeño el error fue disminuyendo el voltaje,
reduciéndose la velocidad del motor. Sí se alcanzó con muy pocas oscilaciones el
valor deseado de temperatura en aproximadamente 300 segundos y se mantuvo
estable. En la Figura 10 se observa la respuesta del sistema en esta prueba.
Prueba 2
La prueba inició con una temperatura de 23.5 ºC y se pretendía alcanzar un valor
deseado de 25.5 ºC. Después se activó el PLC y como la temperatura deseada
era mayor al valor inicial de temperatura, el control PID no envió voltaje al
ventilador y éste no operó sino hasta que se superó el valor deseado. Se observa
en la Figura 11 que se incrementó la temperatura hasta el valor deseado en
aproximadamente
200
segundos,
pero
después
la
temperatura
siguió
aumentando a causa de las fuentes de calor, y aunque se activó el ventilador
para tratar de bajarla y estabilizarla en el valor deseado, esto no fue posible, ya
que la temperatura se mantuvo oscilando por encima de este valor.
Figura 10. Respuesta de la prueba 1
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Figura 11. Respuesta de la prueba 2
Prueba 3
La temperatura inicial (26.5 ºC) fue mayor al valor deseado (24 ºC). En la Figura 12
se observa que el sistema sí fue capaz de enfriar hasta un valor muy cercano al
deseado en aproximadamente 200 segundos pero después se registró un
pequeño aumento en la temperatura y se estabilizó en el valor de la temperatura
ambiente del exterior de la maqueta (24.5 ºC). No fue posible alcanzar el valor
deseado por ser menor a esa temperatura ambiente.
Figura 12. Respuesta de la prueba 3
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Prueba 4
El valor deseado de temperatura fue igual al valor de la temperatura ambiente del
exterior del recinto (25 ºC).
Figura 13. Respuesta de la prueba 4
Se esperaba que el sistema de control mantuviera el recinto a la temperatura
ambiente pero el calentamiento producido por las fuentes de calor impidió que la
temperatura se estabilizara en ese valor, aunque se observa en la Figura 13 que el
sistema intentaba llegar al valor deseado.
Discusión de resultados
El sistema tiene una muy buena respuesta cuando la temperatura que se persigue
es menor a la temperatura inicial del recinto (se necesita enfriamiento); no
obstante, presenta muy mala respuesta de temperatura cuando el valor deseado
es superior a la temperatura inicial (se necesita calentamiento). Lo anterior debido
a que el sistema fue diseñado para enfriar al recinto con el uso del ventilador y no
se agregaron calefactores para incrementar la temperatura, puesto que en un
centro de cómputo el problema a resolver es enfriar el ambiente y para esto no se
necesitan calefactores.
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Costo del sistema
Este sistema tiene un costo relativamente bajo, ya que la parte más cara es el PLC
con un precio de $7000, incluyendo un módulo de CPU y un módulo de entradas /
salidas analógicas. El sensor de temperatura y el ventilador, junto con la circuitería
y cableado de las etapas de acondicionamiento, de potencia y de valor deseado
poseen un costo no mayor a $500. Éste aumentará al implementar el sistema de
control de temperatura en un centro de cómputo real, porque será necesario usar
varios sensores y ventiladores, incrementándose los requerimientos de circuitería y
cableado. Cabe mencionar que la inversión realizada para este sistema se puede
recuperar con el ahorro de energía que produce.
Conclusiones
•
El sistema alcanza y mantiene la temperatura en un nivel muy cercano al
valor deseado, en un tiempo relativamente corto.
•
El sistema es más eficiente cuando el valor deseado es menor a la
temperatura inicial. Es decir, el sistema está diseñado para disminuir la
temperatura no para aumentarla, por lo que la respuesta del sistema es
deficiente cuando el valor deseado es superior a la temperatura inicial.
•
El valor que se persigue no debe ser menor a la temperatura exterior del
recinto, ya que no será posible enfriar por debajo de la temperatura exterior,
pero en caso de requerirse esta condición será necesario usar sistemas de
aire acondicionado, incrementándose los costos del equipo y de la energía.
•
Este sistema se puede usar para el control del enfriamiento de cualquier
recinto como talleres, almacenes o salones de clase, haciendo los ajustes
necesarios de acuerdo con los requerimientos de cada caso.
•
El sistema de control de temperatura es relativamente barato.
•
Se ahorra energía eléctrica, debido a que el ventilador sólo gira a la
velocidad necesaria para el nivel indispensable de enfriamiento.
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Trabajo futuro
•
Utilizar varios sensores de temperatura y varios ventiladores.
•
Incluir sistemas de aire acondicionado.
•
Diseñar y construir un modelo para un recinto real.
•
Monitorear el comportamiento del sistema de ventilación durante periodos
prolongados para verificar su eficiencia.
•
Determinar el ahorro de energía que produce este sistema.
Bibliografía
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