ES2902870T3 - Sistema y procedimiento de control de salas limpias - Google Patents

Abstract

Un sistema de control (10) para controlar el volumen de aire para mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia (100) suministrada por un sistema HVAC que funciona para suministrar aire tratado a la sala limpia (100) que comprende una o más zonas o salas (102, 104, 106, 108), teniendo cada una de las zonas o salas (102, 104, 106, 108) una respectiva concentración deseada de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC (12) que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos (32), y uno o más dispositivos de volumen de aire constante (34) y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable (42) colocados en un conducto (44) generalmente asociado a cada zona o sala respectiva (102, 104, 106, 108) de la sala limpia (100), comprendiendo el sistema medios de detección para detectar una concentración de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real; y medios de procesamiento para comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables con la concentración deseada de contaminación en el aire y emitir al menos una señal de control al sistema HVAC basada en la comparación, y caracterizado porque el medio de procesamiento comprende un controlador predictivo de modelo que comprende un componente de modelo (62) configurado para recibir una condición de operación del sistema HVAC a partir del análisis de datos extrínsecos y configurado para modelar el comportamiento del sistema HVAC; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema HVAC y emitir la al menos una señal de control al sistema HVAC basada en el comportamiento modelado del sistema HVAC , una función de minimización de costes (66) y restricciones (68).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento de control de salas limpias

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un sistema y a un procedimiento de control de salas limpias. En particular, la presente invención se refiere a un sistema de control de salas limpias que mantiene los estrictos requisitos de limpieza del aire de las salas limpias, a la vez que optimiza el rendimiento energético del equipo necesario para las operaciones, que incluye principalmente un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) de la sala limpia.

Antecedentes

Una sala limpia es un entorno, típicamente utilizado en la fabricación o en la investigación científica, que tiene un bajo nivel de contaminantes ambientales, como el polvo, los microbios en el aire, las partículas de aerosol y los vapores químicos para aplicaciones e investigación en entornos críticos. Más concretamente, una sala limpia tiene un nivel de contaminación controlado que se especifica por el número de partículas por metro cúbico con un tamaño de partícula determinado. Para ponerlo en perspectiva, el aire exterior de un entorno urbano típico contiene 35.000.000 de partículas por metro cúbico con un diámetro superior a 0,5 pm. Esto se clasificaría como una sala limpia de clase 9 de la Organización Internacional de Normalización (ISO) 14644-1. Para las aplicaciones en entornos más críticos, una sala limpia de clase 1 ISO se define como aquella que no permite más de 10 partículas de 0,1 pm de diámetro o más por metro cúbico.

La mayoría de las salas limpias que se han diseñado desde la década de los años 50 se basan en un sistema de volumen de aire fijo que, por lo general, está sobrediseñado para suministrar más aire del necesario para cumplir la clasificación correspondiente y cubrir el riesgo de no mantener la clasificación por falta de información continua. Mientras que la ropa de sala limpia y los procedimientos operativos estándar han mejorado mucho desde el inicio de las salas limpias, hasta ahora no se han producido avances comparables en los sistemas de control.

Esto da lugar a unos costes energéticos mucho más elevados de lo que realmente se necesita para el operación de la sala limpia. Existe una gran necesidad comercial de contar con un sistema de control que mantenga los estrictos requisitos de limpieza del aire de la sala limpia, optimizando al mismo tiempo el rendimiento energético del sistema HVAC de la sala limpia. Cualquier sistema de control que aborde este problema tiene dos objetivos principales: en primer lugar, ayudar a reducir los costes energéticos de la sala limpia y, en segundo lugar, ayudar a las empresas a adoptar una postura más sostenible que mejore su imagen pública.

Las actividades de eficiencia energética son escasas en las salas limpias, sin embargo, presentan una oportunidad muy real en términos de ahorro de energía. Los requisitos energéticos de las salas limpias son inmensos: en algunos casos, hasta el 80% de la energía consumida la requiere el sistema de climatización para controlar la temperatura y la humedad, así como para filtrar las partículas y mantener el control de la presión. La integridad del entorno de la sala limpia también depende del mantenimiento de una presión positiva o negativa, creada por el sistema HVAC.

Hasta hace poco tiempo, la eficiencia energética no preocupaba mucho a las operaciones de las salas limpias, ya que los precios de la energía eran bajos. Dado que el cumplimiento de las Buenas Prácticas de Fabricación (BPF) es de suma importancia en la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, por ejemplo, la mayoría de las empresas de estos sectores han estado dispuestas a aceptar cualquier energía necesaria para mantener el rendimiento del sistema de climatización y garantizar el cumplimiento resultante. Esto ha dificultado hasta ahora que los operadores de salas limpias reduzcan los costes energéticos de los sistemas de climatización.

Se calcula que los fabricantes de alta tecnología del Reino Unido gastan 200 millones de libras esterlinas en energía para sus operaciones en salas limpias y muy pocas operaciones en salas limpias farmacéuticas cuentan con algún tipo de mitigación para reducir el consumo de energía de HVAC. Sin embargo, con el aumento de los precios de la energía y el deseo de obtener productos más sostenibles, los operadores de las plantas están muy interesados en encontrar formas de reducir el consumo de energía sin sacrificar el rendimiento de la planta.

Ya se han propuesto varias estrategias para el control de los sistemas HVAC de salas limpias. Los sistemas de control existentes suelen ser independientes entre sí y están dedicados a subsistemas o grupos de subsistemas, por ejemplo: ventilación, calefacción y refrigeración, humidificación y presurización.

Uno de los sistemas de control de HVAC disponibles en la técnica se describe en los documentos US 2013/0324026 A1. US 2013/0324026 A1 proporciona un sistema y un procedimiento de control de la sala limpia que reduce la energía consumida por el sistema de tratamiento de aire de la sala limpia en los momentos en que la sala limpia no estaba en uso. También proporciona un sistema y un procedimiento de control de la sala limpia que permita que el sistema de tratamiento del aire de la sala limpia vuelva a un estado de operación (en el que el sistema de tratamiento del aire funcione a plena capacidad) desde un estado bajo o reducido a petición o en momentos predeterminados.

Los sistemas de control conocidos de este tipo siguen presentando problemas. No proporcionan el control y la flexibilidad antes mencionados para mantener la integridad de la sala limpia y reducir significativamente los costes de energía. Otras disposiciones del estado de la técnica se divulgan en los documentos US 2016/063833 A1, EP 2527755 A2, US 5,538,471 yWO 2006/099125 A2.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de control de salas limpias y su procedimiento de uso que supere o reduzca los inconvenientes asociados a los productos conocidos de este tipo. La presente invención proporciona un sistema de control de salas limpias que pueda utilizarse con un sistema HVAC de salas limpias, o adaptarse al mismo, y que puede ahorrar el 50% o más de los costes energéticos de una sala limpia, manteniendo al mismo tiempo los niveles de calidad del aire deseados. Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de control que integre todas las operaciones de la sala limpia, incluyendo la ventilación, la calefacción, la refrigeración, la presión de la sala, la filtración y la ocupación. Se han desarrollado complejos algoritmos para tener en cuenta el uso de las salas limpias, la demanda y las actividades de los usuarios y/o los precios de la energía. La presente invención es capaz de autoadaptarse para mantener el área o zona de la sala limpia en las condiciones requeridas de la manera más eficiente energéticamente y rentable. Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de control de salas limpias que capture continuamente, y actúe sobre los datos de los contadores de partículas en el aire, los sensores de temperatura/humedad, los sensores de presión diferencial, los sensores de ocupación, los sensores de presión ambiental, los sensores de contaminación molecular en el aire (AMC), los sensores de deposición de partículas y los sensores microbiológicos. El uso de la presente invención permite la comunicación, integración y/o interoperabilidad con otros productos de terceros, incluidos los sistemas de gestión de edificios (BMS) existentes. La presente invención utiliza estándares abiertos e interfaces de programación de aplicaciones (API) para la comunicación. Al utilizar el control predictivo por modelos, se pueden utilizar variables como la ocupación, los costes energéticos y los datos de supervisión y uso anteriores para crear patrones de uso y previsiones para el control predictivo. Esto es clave para acelerar el tiempo de respuesta del sistema y garantizar la limpieza y calidad del aire. El uso de la presente invención proporciona un sistema flexible, modular y escalable que puede ser adecuado para la adaptación y las instalaciones independientes. El sistema de control es lo suficientemente flexible como para ampliarlo o modificarlo a medida que cambia el entorno de la sala limpia.

Sumario de la invención

La presente invención se describe en el presente documento y en las reivindicaciones.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema de control del volumen de aire para mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia suministrada por un sistema HVAC que funcione para suministrar aire tratado a la sala limpia que comprende una o más zonas o salas, cada una de las cuales tiene una concentración deseada respectiva de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos, y uno o más dispositivos de volumen de aire constante y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable colocados en un conducto generalmente asociado a cada zona o sala respectiva de la sala limpia, comprendiendo el sistema

medios de detección para detectar una concentración de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real; y

medios de procesamiento para comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables con la concentración deseada de contaminación en el aire y emitir al menos una señal de control al sistema HVAC basada en la comparación,

y se caracteriza porque los medios de procesamiento comprenden un controlador predictivo de modelos que comprende un componente de modelo que recibe una condición de operación del sistema HVAC a partir del análisis de datos extrínsecos y que modela el comportamiento del sistema HVAC; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema HVAC y emitir la al menos una señal de control al sistema HVAC basada en el comportamiento modelado del sistema HVAC y en una función de minimización de costes y restricciones.

Una ventaja de la presente invención es que puede utilizarse para mantener la sala limpia en las condiciones requeridas de la manera más eficiente desde el punto de vista energético y rentable tanto en operación como en reposo. El sistema de control puede variar los parámetros de control en función de una proporción de la clasificación deseada, determinada por un nivel de riesgo aceptable.

Además, preferentemente, la concentración deseada de contaminación en el aire se especifica por el número de partículas no viables por metro cúbico que tienen un tamaño de partícula igual o superior a 0,1 pm, 0,2 pm, 0,3 pm, 0,5 pm, 1 pm y/o 5 pm de diámetro.

En el uso, la sala limpia puede clasificarse por la concentración de tamaño de las partículas, tal como se define en la norma ISO 14644-1 o cualquier otra norma de clasificación relacionada con la concentración de tamaño de las partículas, según lo determine el usuario de la sala limpia.

Además, preferentemente, el sistema de control detectará el movimiento y cambiará automáticamente de una clasificación o modo de operación "en reposo" a uno "en operación".

Además, preferentemente, el tratamiento del aire se selecciona del grupo que consiste en uno cualquiera de los siguientes: filtración, ventilación, calefacción, refrigeración, humidificación, presurización, ocupación y combinaciones de los mismos.

En uso, los medios de detección pueden comprender uno o más contadores de partículas láser calibrados según la norma ISO 14644-1 y/o sensores de control de partículas viables colocados en la sala limpia o en los conductos del sistema HVAC.

Preferentemente, el sistema de control comprende además uno o más medios de detección secundarios para detectar una condición ambiental y/o una condición del proceso y/o una condición del sistema HVAC en tiempo real o casi real.

Además, preferentemente, los medios de detección secundarios comprenden además uno o más sensores seleccionados del grupo que consiste en uno cualquiera de los siguientes: sensor de temperatura, sensor de humedad, sensor de presión, sensor de presión diferencial, sensor de contaminación molecular en el aire, sensor de deposición de contaminantes, sensor de flujo de aire, sensor de proximidad, y combinaciones de los mismos.

En uso, los medios de procesamiento pueden recibir datos sobre el precio de la energía y/o datos de uso.

Preferentemente, los medios de procesamiento reciben la condición ambiental detectada y/o la condición del proceso y/o la condición del sistema HVAC y/o los datos del precio de la energía y/o los datos de uso y emiten una o más señales de control secundario al sistema HVAC.

Además, preferentemente, la una o más señales de control secundarias se emiten sin provocar que la concentración de partículas detectada se aparte de la concentración deseada de contaminación en el aire.

En el uso, la concentración deseada de contaminación en el aire y/o los datos del precio de la energía y/o los datos de uso pueden ser inicialmente configurables por el usuario.

Preferentemente, la al menos una señal de control al sistema HVAC que controla el volumen de aire suministrado a la sala limpia.

Además, es preferente que una o más señales de control secundarias controlen la filtración, la ventilación, la calefacción, la refrigeración, la humidificación, la presurización, la ocupación y las combinaciones de las mismas suministradas a la sala limpia.

Preferentemente, se proporcionará una indicación dentro de la sala limpia a través de un sistema de indicación visual para indicar el estado. También puede proporcionarse una interfaz gráfica de usuario.

Preferentemente, el algoritmo de control predictivo del modelo es capaz de autoadaptarse.

Preferentemente, el sistema de control se implementa en un controlador lógico programable (PLC).

Además, preferentemente, el sistema de control comprende además medios de visualización.

En uso, el sistema de control puede comprender además medios para permitir la comunicación y/o integración y/o interoperabilidad con sistemas de gestión de edificios (BMS) de terceros.

Preferentemente, el sistema de control comprende además la supervisión del rendimiento energético de la sala limpia y/o el rendimiento a la concentración de contaminación de partículas dentro de la sala limpia.

También según la presente invención se proporciona un procedimiento de control del volumen de aire para mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia suministrada por un sistema HVAC que funciona para suministrar aire tratado a la sala limpia que comprende una o más zonas o salas, cada una de las cuales tiene una concentración deseada respectiva de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos, y uno o más dispositivos de volumen de aire constante y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable colocados en un conducto generalmente asociado con cada zona o sala respectiva de la sala limpia, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

detectar una concentración de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real; comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o viables con la concentración deseada de contaminación en el aire; y

emitir al menos una señal de control al sistema HVAC basada en la comparación,

y se caracteriza porque la etapa de salida está determinada por un controlador predictivo por modelos que comprende un componente de modelo que recibe una condición de operación del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado a partir del análisis de datos extrínsecos y que modela el comportamiento del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado y para emitir al menos una señal de control al sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado basada en el comportamiento modelado del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado y en una función de minimización de costes y en restricciones.

Además, según la presente invención, se proporciona un producto de programa informático para controlar el volumen de aire con el fin de mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia suministrada por un sistema HVAC que funciona para suministrar aire tratado a la sala limpia que comprende una o más zonas o salas, cada una de las cuales tiene una concentración deseada respectiva de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos, y uno o más dispositivos de volumen de aire constante y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable colocados en un conducto generalmente asociado con cada zona o sala respectiva de la sala limpia, comprendiendo el producto de programa informático:

programa informático que permite recibir una concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real;

un programa informático para comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables con la concentración deseada de contaminación en el aire; y

un programa informático que permite enviar al menos una señal de control al sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado basándose en la comparación,

y caracterizado porque el medio de programa informático para la emisión comprende un controlador predictivo de modelo que comprende un componente de modelo que recibe una condición de operación del sistema HVAC desde el análisis de datos extrínsecos y que modela el comportamiento del sistema HVAC; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema HVAC y la emisión de la al menos una señal de control al sistema HVAC basada en el comportamiento modelado del sistema HVAC y una función de minimización de costes y restricciones.

Se cree que un sistema de control de salas limpias y su procedimiento de uso de acuerdo con la presente invención aborda al menos los problemas expuestos anteriormente.

Será obvio para los expertos en la materia que las variaciones de la presente invención son posibles y que el alcance de la presente invención debe estar limitado únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá ahora sólo a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una ilustración esquemática de una sala limpia típica en la que el sistema de control de la presente invención se utiliza para supervisar y mantener la limpieza del aire y otras variables controladas, como la temperatura, la humedad, la ocupación, la presión, etc;

La figura 2 muestra una ilustración esquemática de cómo puede utilizarse el sistema de control de la presente invención para mantener la limpieza del aire requerida en una sala limpia;

La figura 3 es un diagrama de flujo de alto nivel que muestra las entradas y salidas multivariables del sistema de control de la presente invención;

La figura 4 ilustra un diagrama de bloques de un controlador predictivo de modelo (MPC) para un sistema HVAC de sala limpia de la presente invención;

La figura 5 muestra un diagrama de flujo que ilustra cómo se obtiene el modelo del sistema para el controlador MPC de la presente invención;

La figura 6 es una ilustración esquemática de una sala limpia típica alimentada por dos unidades de tratamiento de aire HVAC separadas y controladas por el controlador MPC de la presente invención;

Las figuras 7 y 8 muestran datos comparativos obtenidos en la sala limpia de la figura 6 y muestran las concentraciones de partículas medidas en varias zonas de la sala limpia con respecto a la prueba experimental definida en la Tabla 1, los datos de la prueba muestran la respuesta de un sistema de control BMS conocido que se basa en un algoritmo de control proporcional-integral (PI);

La figura 9 muestra la respuesta dinámica del sistema de control de la sala limpia de la presente invención en respuesta a la misma prueba experimental de las figuras 7 y 8, basada en un primer valor de ajuste óptimo;

La figura 10 muestra la respuesta dinámica del sistema de control de la sala limpia de la presente invención en respuesta a la misma prueba experimental de las figuras 7 y 8, basada en un segundo valor de ajuste óptimo; y

La figura 11 muestra la potencia consumida por un sistema BMS conocido a varias tasas de cambio de aire obtenidas de la sala limpia de la figura 6, así como las mediciones comparativas de potencia dinámica obtenidas por el sistema de control de la sala limpia de la presente invención, y muestra que el control predictivo del modelo reduce significativamente el consumo de energía del sistema HVAC de la sala limpia.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes

La presente invención ha adoptado el enfoque de utilizar un sistema de control de salas limpias que puede utilizarse con un sistema HVAC de salas limpias, o adaptarse al mismo, que pueda ahorrar el 50% o más de los costes de energía de una sala limpia, manteniendo al mismo tiempo los niveles de calidad del aire deseados. Ventajosamente, la presente invención proporciona un sistema de control que integra todas las operaciones de la sala limpia, incluyendo la ventilación, la calefacción, la refrigeración, la presión de la sala, la filtración y la ocupación. Se han desarrollado complejos algoritmos para tener en cuenta el uso de las salas limpias, la demanda y las actividades de los usuarios y/o los precios de la energía. La presente invención es capaz de autoadaptarse para mantener el área o zona de la sala limpia en las condiciones requeridas de la manera más eficiente energéticamente y rentable. Además, la presente invención proporciona un sistema de control de salas limpias que capturará continuamente, y actuará sobre los datos de los contadores de partículas en el aire, los sensores de temperatura/humedad, los sensores de presión diferencial, los sensores de ocupación, los sensores de presión ambiente, los sensores de contaminación molecular en el aire (AMC), los sensores de deposición de partículas y los sensores microbiológicos. El uso de la presente invención permite la comunicación, integración y/o interoperabilidad con otros productos de terceros, incluidos los sistemas de gestión de edificios (BMS) existentes. La presente invención utiliza estándares abiertos e interfaces de programación de aplicaciones (API) para la comunicación. Además, al utilizar el control predictivo, se pueden utilizar variables como la ocupación, los costes energéticos y los datos de monitorización y uso anteriores para crear patrones de uso y previsiones para el control predictivo. Esto es clave para acelerar el tiempo de respuesta del sistema y garantizar la limpieza y calidad del aire. Además, el uso de la presente invención proporciona un sistema flexible, modular y escalable que puede ser adecuado para la adaptación y la instalación independiente. El sistema de control es lo suficientemente flexible como para ampliarlo o modificarlo a medida que cambia el entorno de la sala limpia.

Con referencia ahora a los dibujos, la figura 1 es ilustrativa de una sala limpia típica 100 para la cual el sistema de control 10 de la presente invención puede ser utilizado para mantener la limpieza del aire requerida. La sala limpia 100 mostrada en la figura 1 es sólo a efectos ilustrativos y el sistema de control 10 de la presente invención puede utilizarse para controlar múltiples zonas o salas en múltiples configuraciones según los requisitos de la instalación. Como puede observarse, una sala limpia típica 100 comprende una serie de zonas o salas que suelen tener distintas clasificaciones ISO de limpieza, u otras según sea necesario. La sala limpia 100 del ejemplo de la figura 1 tiene su zona o sala de mayor calificación, en este caso la zona 108, que es una sala limpia de clase 5 ISO en el punto más alejado de la entrada de la puerta principal 110. Se encuentra junto a una sala o zona 104 de clasificación de limpieza "más sucia", que en este ejemplo es una sala limpia ISO de clase 7, a través de una sala de batas/vestidos 106. La entrada a la sala 104 se realiza a través de la esclusa 102.

El experto apreciará que la sala limpia ISO Clase 5 se mantiene a una presión de aire más alta (conocida como "cascada de presión") para evitar que los contaminantes de, por ejemplo, la sala limpia ISO Clase 7 adyacente 104 entren a través de la sala de vestir/desvertir 106. Este diferencial de presión se mantiene mediante el suministro de aire filtrado y acondicionado, que fluye a través de las entradas 112. El aire de exfiltración/extracción se toma de las salidas 114. Los flujos de entrada 112 y de salida 114 son controlados por el sistema de contro1HVAC de la sala limpia 10, como se describe con más detalle a continuación.

La figura 2 muestra cómo se puede controlar un sistema de sala limpia HVAC utilizando la unidad de control o el sistema 10 de la presente invención. Con el fin de ayudar a la clarificación, sólo se representa una única unidad central de tratamiento de aire HVAC (AHU) 12, aunque el experto apreciará que cualquier número de tales unidades de tratamiento de aire HVAC 12 puede ser controlado por la unidad de control 10 de acuerdo con el tamaño, la capacidad y/o los requisitos de limpieza de la sala limpia 100.

Como se muestra en la Figura 2, el aire fresco se extrae a través de la entrada 14 de la unidad de tratamiento de aire 12. Esto se controla mediante una serie de deflectores 16. El aire entrante puede mezclarse con el aire que regresa de la sala limpia 100 generalmente en la zona de mezcla 18 detrás de los deflectores 16. Si es necesario, el aire de retorno de la sala limpia 100 puede ventilarse directamente fuera de la unidad de tratamiento de aire 12 a través de la salida de descarga 20.

A continuación, el aire se filtra, en primer lugar, a través de un prefiltro 22a y un filtro secundario 22b antes de pasar por una serie de elementos de calentamiento y enfriamiento 24, 26 que son aspirados por el soplador de aire principal 28. La salida del soplador de aire principal 28 pasa a través del elemento filtrante principal de aire con partículas de alta eficiencia (HEPA) 30 antes de ser transferido a través de los conductos 32 a una serie de dispositivos propios de volumen de aire constante (CAV) 36. Es necesario regular las variaciones de presión en el sistema de conductos de aire 36 para conseguir el flujo de aire deseado en la sala o zonas 102, 104, 106, 108. La salida del aire a la sala o zonas 102, 104, 106, 108 se realiza a través de las rejillas de distribución 38.

El aire a recircular es aspirado a través de las rejillas 40 y la unidad de control 10 modula una pluralidad de dispositivos de volumen de aire variable (VAV) 42 antes de devolver el aire de escape a través de los conductos 44 y la válvula de retorno o de retención 46.

La unidad de control 10 de la presente invención se utiliza para supervisar y controlar todas y cada una de las operaciones del sistema de sala limpia HVAC. Como se muestra en la figura 2, la unidad de control 10, que normalmente se implementa como microcontrolador, recibe una serie de entradas de sensores 48 indicadas generalmente en el lado izquierdo de la unidad de control 10. El microcontrolador 100 puede considerarse un sistema autónomo con un procesador, memoria y periféricos y puede utilizarse para controlar todas las operaciones de la sala limpia 100, incluyendo la ventilación, la calefacción, la refrigeración y la filtración a través de una serie de salidas indicadas generalmente en el lado derecho de la unidad de control 10.

Por razones de claridad en la figura 2, el experto apreciará que hay un número significativo de sensores y transductores que se introducen en la unidad de control 10. Éstas se han representado esquemáticamente como entradas de sensores 48 en la figura 2. Este dibujo es un diagrama esquemático y, para facilitar la aclaración, no se muestran muchos otros elementos del circuito. Por ejemplo, aunque no se muestra en la Figura 2, la señal analógica recibida de uno o más de los sensores se convierte primero a una forma digital mediante cualquier tipo adecuado de convertidor analógico-digital (ADC) disponible en la técnica. Igualmente, una o varias de las salidas digitales del microprocesador 100 pueden convertirse en analógicas utilizando cualquier forma de convertidor digital-analógico (DAC) disponible en la técnica. Por ejemplo, dicha señal de salida analógica podría utilizarse para energizar el elemento calefactor 24. En operación, un conjunto de instrucciones o algoritmo escrito en software en el microcontrolador está configurado para programar la unidad de control 10. La unidad de control 10 procesa las señales de entrada utilizando complejos algoritmos para proporcionar salidas de control a múltiples dispositivos HVAC, incluyendo la unidad central de tratamiento de aire HVAc 12, los dispositivos de volumen de aire constante 36 y los dispositivos de volumen de aire variable 42 para mantener un suministro de aire filtrado y acondicionado dentro de la sala limpia 100, teniendo en cuenta al mismo tiempo la clasificación de la sala limpia, el uso y la ocupación, y otras actividades dentro del entorno de la sala limpia 100.

La unidad de control 10 proporciona un control dinámico predictivo basado en sensores del sistema HVAC de la sala limpia para mantener la limpieza del aire requerida mientras se maximiza la eficiencia energética. La unidad 10 es una solución de control modular y de adaptación, fácilmente ampliable a medida que cambia el entorno de la sala limpia 100. Es capaz de comunicarse con productos de terceros para una completa integración con, por ejemplo, un sistema de gestión energética de edificios. Se han desarrollado algoritmos de control a medida basados en aplicaciones de salas limpias del mundo real en la propia instalación de pruebas de salas limpias HVAC del solicitante.

La presente invención maneja de forma inteligente los niveles de partículas en la sala limpia 100 mediante el control de partículas viables y/o no viables de distintos tamaños. El sistema de control 10 controla el volumen de aire para mantener por debajo de una concentración deseada tanto las partículas viables (partículas que contienen microorganismos vivos) como las no viables (partículas que no contienen microorganismos vivos pero que actúan como transporte de las partículas viables) utilizando contadores de partículas viables y no viables en tiempo real o casi real, y otros sensores y transductores introducidos en el sistema de control. El sistema de control 10 es capaz de variar la señal de control emitida al sistema HVAC de la sala limpia como un porcentaje por debajo del límite de clase deseado como punto de ajuste variable o ponderación. El sistema de control 10 también detectará la ocupación dentro del entorno de la sala limpia 100 para determinar el límite de partículas que se está controlando entre un modo de operación "en reposo" o "en operación" y sacar el sistema del estado "en reposo" para ayudar a la velocidad de respuesta, según sea necesario.

La figura 3 muestra sistemáticamente cómo se siguen las etapas de control de la unidad 10 utilizando el flujo lógico mostrado en la figura 3. En la siguiente descripción, cada etapa de la figura 3 se denominará "S" seguido de un número de etapa, por ejemplo, S52, S54, etc.

La figura 3 también muestra que la unidad de control 10 puede ser implementada como parte de, o integrada dentro de, un sistema de gestión de edificios 50 que es un sistema de control basado en ordenador instalado en edificios que controla y supervisa los equipos mecánicos y eléctricos del edificio como la ventilación, la iluminación, los sistemas de energía, los sistemas contra incendios y los sistemas de seguridad.

En su sentido más amplio, el sistema de control 10 de la presente invención supervisará, procesará y controlará todas las variables, incluidos los sensores de partículas, en tiempo real continuo para garantizar que el equipo de HVAC responda a las demandas, la ocupación y los cambios dentro del entorno de la sala limpia 100 y otras áreas asociadas atendidas por el sistema de HVAC de la sala limpia. El sistema de control 10 controlará el volumen de aire como función secundaria para mantener una temperatura y/o humedad del aire correctas directamente o enviará y recibirá datos al sistema BMS 50 existente, según sea necesario.

La disposición de los sensores y del control de la presente invención es tal que proporciona un nivel de redundancia para garantizar el operación a prueba de fallos del equipo HVAC en caso de fallo de los sensores o del sistema de control. En uso, la disposición de sensores captura continuamente datos del entorno de la sala limpia 100 (incluyendo el recuento de partículas, la temperatura, la humedad, la ocupación, la presión) y envía esos datos en tiempo real a la unidad de control 10 para su procesamiento. Estos modos de operación "a prueba de fallos" garantizarán que la unidad de control 10 maximice el riesgo para el producto en la sala limpia 100.

En una realización preferente, el sistema de control 10 se instalará con un panel de control (no mostrado) local en la sala limpia 100. Habrá una opción de interfaz gráfica de usuario con pantalla táctil en el panel de control. Los dispositivos externos, como los diversos sensores, los CAVs 36, los VAVs 42 y las AHUs 12 estarán cableados directamente al sistema de control 10, aunque el sistema 10 podrá controlar los equipos HVAC existentes a través de un servidor de comunicaciones de plataforma abierta (OPC) en un sistema b Ms existente 50. Además, una o más de las diversas entradas de los sensores 48 que se encuentran a distancia de la unidad de control 10 pueden introducirse a través de protocolos de comunicación inalámbricos, como, por ejemplo, Wi-Fi (norma IEEE 802.11), Bluetooth o una red de telecomunicaciones celulares también sería apropiado.

El BMS 50 o el panel de control de la unidad de control 10 pueden utilizarse para establecer las entradas de referencia para las salas o zonas de la sala limpia 100. En ellas se incluirán la temperatura y la humedad y la clasificación deseada de la sala limpia para las distintas zonas. Las clasificaciones de la sala limpia para las partículas se definen en la norma ISO 14644-1, o equivalente, pero la persona experta entenderá que todas las clasificaciones serán seleccionables o programables en el software. La cantidad de aire suministrado para cumplir con la clasificación de la sala limpia dentro de un nivel deseado de margen o comodidad también es un parámetro seleccionable, y tendrá que ser una decisión basada en el riesgo por parte de cada operador particular de la sala limpia.

Además del nivel o clase de contaminación por partículas, es necesario mantener la cascada de presión dentro de la sala limpia 100 para lograr la cascada deseada en función de las clasificaciones de las salas y de las salas adyacentes. Este será un parámetro seleccionable y controlable como parte del sistema de control 10.

Una vez que las diversas variables de entrada se han ajustado inicialmente, el sistema de control de la sala limpia 10 capturará continuamente, y actuará en función de los datos de los contadores de aire, los sensores de temperatura/humedad, etc., y será capaz de autoadaptarse para mantener el área o zona de la sala limpia 100 en las condiciones requeridas de la manera más eficiente desde el punto de vista energético y económico.

En S52, la entrada del sensor principal que se introduce en el sistema de control 10 para mantener el área o zona de la sala limpia 100 en la condición o clase requerida es la monitorización continua en tiempo real de las partículas no viables detectadas en las distintas salas o zonas de la sala limpia 100 o en el conducto de extracción 44. Las partículas que serán principalmente la medida de control serán no viables, en el rango de tamaño de 0,1 pm, 0,2 pm, 0,3 pm, 0,5 pm, 1 pm y 5 pm de diámetro, pero cualquier tamaño de partícula medible por un contador de partículas podría ser seleccionado como la medida de control primaria. Las partículas no viables en el rango de tamaño de 0,5 pm y 5 pm son las preferentes para las salas limpias farmacéuticas 100.

El sistema de control 10 también podrá supervisar las partículas viables utilizando uno o más dispositivos de recuento de partículas viables. Los contadores de partículas no viables y viables se colocan en el espacio de la sala o dentro del conducto de extracción 44 que sirve a la zona controlada en la sala limpia 100.

El algoritmo de control predictivo seguirá la metodología de recuento de partículas requerida definida por la norma ISO 14644, pero también será configurable según otras normas y requisitos. El dispositivo de medición será un instrumento calibrado, tal como se define en la norma ISO 14644. Las partículas no viables son partículas inertes de diferentes tamaños. Los tamaños de las partículas para clasificar las salas limpias son de 0,1 pm, 0,2 pm, 0,3 pm, 0,5 pm, 1 pm a 5 pm. La medición de estas partículas no viables en el rango de tamaño de 0,5 pm a 5 pm será la principal medida de control del sistema de control 10. Se pueden seleccionar otros tamaños de partículas en caso de que sean necesarios.

Las partículas viables son aquellas que podrían transportar patógenos y bacterias. El sistema de control 10 es capaz de controlar las tasas de ventilación a los recuentos viables utilizando un equipo apropiado de recuento de partículas viables. Esta será la función o medida de control secundaria para el control de la sala limpia 100.

El sistema de control 100 también tendrá que ser capaz de controlar el volumen de aire como función secundaria para mantener una temperatura y/o humedad del aire correctas. Esto podría medirse a través de un sensor de temperatura/humedad conectado, pero también podría ser a través del ^b M^s 50 remoto. Como se ha mencionado, la temperatura y la humedad son una función de control secundaria, ya sea que se midan a través de los sensores conectados o a través de la entrada externa BMS 50.

En S52, la UTA 12 también puede ser monitorizada con sensores de equipo que miden la presión, la temperatura, la humedad, la potencia, la presión del filtro, etc. y que son todos medidos como parámetros de entrada secundarios pero que siguen siendo parte de la entrada de sensores de la unidad de control. Cada una de estas variables forma parte del sistema de control multivariable.

En S54, los diversos sensores de entrada son interrogados continuamente para asegurar que las salas o zonas de la sala limpia 100 están dentro de los límites inicialmente establecidos por el operador o modificados por el algoritmo de control predictivo. Como se ha mencionado, el sistema 10 será capaz de controlar directamente o en interfaz con el BMS 50 los siguientes parámetros adicionales: control de la presión estática del ventilador, temperatura y/o humedad.

Además, la cascada de presión entre áreas o zonas de diferente clasificación es un requisito clave para las salas limpias 100. El sistema de control 10 mantendrá un punto de ajuste de la presión para cada sala o zona que se controle, ya sea la presión absoluta o la presión diferencial con respecto a las habitaciones adyacentes. El control de la presión, en S58, se logrará con sensores de presión propios y amortiguadores mecánicos capaces de actuar y estabilizarse rápidamente.

La clave de la presente invención, que proporciona avances con respecto a otros controles de salas limpias basados en sensores continuos, es que integra todas las operaciones de la sala limpia 100 (ventilación, calefacción, refrigeración, filtración, presión) en un algoritmo de control complejo o múltiples algoritmos de control que tienen en cuenta el uso de la sala limpia, la ocupación y/o las actividades de los usuarios. El número y la complejidad de las variables a vigilar y controlar, así como su constante evolución, hacen que el algoritmo deba autoadaptarse para mantener la zona en las condiciones requeridas de la manera más eficiente desde el punto de vista energético y económico.

La respuesta de salida del sistema de control 10 se determina mediante el algoritmo de control predictivo en S56. El algoritmo es adaptativo y autodidacta de forma automática y continua, en el sentido de que procesará y analizará para realizar una acción de control predictivo basada en las condiciones pasadas del entorno y la operación del equipo, con el fin de acercarse a las condiciones óptimas de limpieza y rendimiento del equipo según los criterios definidos por el operador de la instalación.

Los algoritmos de control integrados en la unidad de control 10 utilizan un algoritmo de control predictivo de modelos (MPC) para maximizar el control de las entradas y salidas. Como se ha mencionado, el sistema de control 10 recibe los datos de los contadores de partículas, los sensores de presión, los sensores de temperatura y/o cualquier señal externa del BMS 50. Está previsto que los precios de la energía y los datos recogidos puedan utilizarse también para crear patrones de uso y previsiones para el control predictivo. El algoritmo MPC procesará todos los parámetros para proporcionar la salida de control óptima, optimizando al mismo tiempo el rendimiento energético de los equipos necesarios para las operaciones de HVAC.

En S58, el volumen de aire se controlará utilizando dispositivos CAV propios 36 y dispositivos VAV 42 fácilmente disponibles en el mercado con las capacidades requeridas. La unidad central de tratamiento de aire HVAC 12 también puede ser controlada directamente desde el sistema de control 10 si es necesario para optimizar el consumo de energía del sistema y el control.

El sistema de control 10 puede modular el CAV 36, el VAV 42 y la AHU 12 para lograr los volúmenes de aire óptimos y minimizar el consumo de energía y mantener el margen deseado para la clasificación de la sala limpia 100. Las salidas del controlador en S58 alteran las condiciones de la sala limpia 100 y éstas se controlan de nuevo continuamente en S60, como se ha descrito anteriormente.

El experto apreciará que el sistema de control 10 también puede proporcionar alarmas e informes con condiciones no correctas. Esto puede ser a través de señales de semáforo dentro de la sala limpia 100, o localmente en el panel de control, correo electrónico, mensajería celular o a través de un tablero web remoto.

La supervisión y la alarma fuera de la instalación también estarán disponibles para permitir que el sistema 10 sea supervisado a distancia. La sala limpia 100 y su rendimiento energético pueden controlarse mediante el uso de los sistemas de control energético a distancia basados en GSM del solicitante con la marca MEMU™. Estas unidades de monitorización remota envían información a un panel de control y pueden incluir variables monitorizadas como la temperatura, la velocidad del flujo de aire, la velocidad de los ventiladores, la energía consumida, la presión de los filtros, etc. El operador de la planta puede configurar y acceder al mantenimiento predictivo y planificado y a las condiciones de alarma en el tablero de mandos.

El software integrado en el sistema de control 10 de la presente invención es capaz de cumplir con la CRF11 Parte 2. El sistema se suministrará completo y con un protocolo de validación estándar para garantizarlo.

Como se ha mencionado, los algoritmos de control integrados en la unidad de control 10 utilizan un algoritmo de control predictivo de modelos (MPC) para explotar el control de las entradas y salidas. La figura 4 muestra un diagrama de bloques de un controlador predictivo modelo ilustrativo (MPC) 10 para un sistema HVAC de sala limpia. En esencia, el control predictivo de modelos es un algoritmo de control multivariable que utiliza un modelo dinámico 62 para predecir las salidas futuras del proceso, basándose en los valores pasados y actuales y en las acciones de control futuras óptimas propuestas. Estas acciones son calculadas por un optimizador 64 que tiene en cuenta una función de minimización de costes 66, así como diversas restricciones 68.

Como se muestra en la Figura 4, los principales valores que utiliza el controlador MPC 10 son los sensores 70 y los controladores 71. En la realización ilustrativa de la figura 4, el controlador MPC 10 que controla el sistema HVAC de la sala limpia 100 recibe la tasa de flujo de aire detectada 70, la presión del aire, la concentración de partículas no viables y viables, la temperatura, la humedad y la ocupación. Estos dan los resultados pasados del modelo 62. Los otros valores principales a los que se refiere el controlador MPC 10 son los controladores 70. Los controladores 70 son dispositivos utilizados para implementar o manipular la acción de control, por ejemplo, los sopladores 28 para lograr una velocidad particular del ventilador, y/o los CAVs 36 y VAVs 42 ajustados a varias posiciones de las compuertas y/o las bobinas de refrigeración 26 o de calefacción 24 para entregar una temperatura de aire adecuada, y/o los humidificadores para humedecer el aire, si es necesario. Estos dan las entradas pasadas al modelo 62. El modelo 62 utiliza estas entradas y salidas pasadas, y las entradas futuras del optimizador 64 para predecir las salidas futuras. Los algoritmos de control conocidos, como el control proporcional integral (P I), no tienen esta capacidad de predicción. La diferencia 74 entre las salidas futuras previstas y una trayectoria de referencia 72, se define como errores futuros que se introducen en el optimizador 62. El optimizador 62 limita las entradas y salidas utilizando las restricciones 68. Minimiza la función de coste 66 para que la salida se aproxime al punto de consigna (objetivo), la entrada para alcanzar un valor determinado y la tasa de incremento de la entrada hasta el nivel calculado.

Las funciones de coste 66 son la suma de la diferencia entre la salida medida actual y pasada y la consigna deseada, Wy es un coeficiente de ponderación; la suma del incremento de las entradas, w*u es un coeficiente de ponderación; y la suma de la entrada y un valor particular, Wu es un coeficiente de ponderación.

Las restricciones 68 son el límite superior y el límite inferior de la entrada u, la salida y y la tasa de incremento de la entrada.

El experto comprenderá que el modelo de proceso 62 desempeña un papel crucial en la realización del controlador MPC 10. El modelo elegido debe ser capaz de captar la dinámica del proceso para predecir con precisión los resultados futuros y ser sencillo de aplicar y comprender. El control predictivo por modelos no es un enfoque único, sino un conjunto de metodologías diferentes, y hay muchos tipos de modelos que pueden utilizarse para predecir el comportamiento del sistema.

El optimizador 64 es una parte fundamental de la estrategia de control ya que proporciona las acciones de control. Si la función de coste 66 es cuadrática, su mínimo puede obtenerse como una función explícita (lineal) de las entradas y salidas pasadas y de la trayectoria de referencia futura. En presencia de restricciones de desigualdad, la solución debe obtenerse mediante algoritmos numéricos más complejos. El tamaño de los problemas de optimización depende del número de variables y de los horizontes de predicción utilizados, y suele resultar un problema de optimización relativamente modesto que no requiere ser resuelto por programas informáticos sofisticados.

La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra cómo se puede obtener el modelo de sistema 62 para un controlador MPC 10 de la presente invención para la sala limpia típica particular 100 mostrada en la figura 6. En la siguiente descripción, cada etapa de la figura 5 se denominará "S" seguido de un número de etapa, por ejemplo, S76, S78, etc.

Para determinar un modelo matemático apropiado de la sala limpia 100 de la figura 6, el proceso implica, en S76, ejecutar una serie de mediciones operativas del equipo HVAC de la sala limpia 100 bajo el control del sistema BMS existente 50. Estas mediciones operativas de la sala limpia 100 pueden recogerse a través del servidor de comunicaciones de plataforma abierta (OPC) en el sistema BMS 50 existente, que funciona con varios controladores PI de una entrada y una salida (SISO). Los datos se recogen en S78 desde el servidor OPC a partir de los resultados de estas diversas pruebas experimentales para derivar las entradas y salidas del modelo. Como se indica más adelante, los datos medidos para la identificación del modelo pueden recopilarse de diversas maneras, como la prueba en bucle abierto aplicando una señal de paso (u otro tipo de señal) de entrada y recogiendo la salida medida, o la prueba en bucle cerrado mediante PI u otros procedimientos de control, etc. En esencia, se puede utilizar cualquier conjunto de datos de entrada y salida para identificar el modelo matemático.

El experto apreciará que, aunque se ha descrito una medición en bucle cerrado del sistema, también es posible que la estructura y los parámetros del modelo se obtengan en sistemas de bucle abierto sin tener ninguna retroalimentación. Para la presente invención, dado que el sistema HVAC puede ser operado por el BMS 50 con control PI, los datos de bucle cerrado son más fáciles de recolectar.

Las perturbaciones que afectan al proceso influirán en gran medida en la modelización y, por lo tanto, se requieren hipótesis a priori sobre el ruido para describir el proceso. La principal perturbación de este sistema es la que afecta al proceso internamente, como la fuga de aire, la distribución del hardware, la histéresis y el retardo de los sensores 70, etc. Por lo tanto, se genera una señal de ruido blanco que se integra en la entrada para superar estas incertidumbres.

En S80, el modelo se determina entonces utilizando una variedad de técnicas disponibles en la técnica. Este paso implica la aplicación de metodologías para modelar computacionalmente la estructura y la parametrización. toda persona capacitada entenderá que se pueden utilizar varios conjuntos de herramientas y aplicaciones informáticas para analizar y diseñar sistemáticamente el modelo del sistema. Para el control MPC de la sala limpia típica 100 que se muestra en la Figura 6 se aplicó un enfoque de modelado de caja negra para permitir una selección juiciosa de tres estructuras de modelo: incluyendo modelos autorregresivos con entrada eXogenous (ARX), modelo de espacio de estado (SS) y modelos de función de transferencia (TF). Se especifica una función de criterio para medir la adecuación entre las salidas del modelo identificado y las mediciones operativas.

El modelo estimado se evalúa en S82 para decidir si el modelo resultante es lo suficientemente preciso como para ser utilizado en el controlador MPC 10. Es posible ajustar el rendimiento del controlador 10 a medida que se ejecuta afinando los modelos de perturbación, los horizontes, las restricciones y los pesos. En la realización preferente, estas etapas se llevaron a cabo utilizando los bloques Model Predictive Control Toolbox™ y Simulink® de Matlab®. Después de la evaluación, en S84, el modelo matemático robusto puede ser utilizado para apoyar el diseño del controlador MPC 10 y el diseño del modelo del sistema puede ser embebido en un controlador lógico programable (PLC).

La figura 6 es ilustrativa de una sala limpia típica 100 alimentada por dos unidades de tratamiento de aire HVAC separadas 12a, 12b y controladas por el controlador MPC 10, y que se ha utilizado para desarrollar la metodología de la presente invención. A diferencia de la Figura 2, la sala limpia 100 de la Figura 6 tiene dos UTAs 12a, 12b separadas que permiten una amplia variedad de opciones de pruebas de rendimiento. Los experimentos de prueba se llevan a cabo en la sala limpia 100 a través del sistema HVAC. El sistema de HVAC limpia y hace circular el aire extraído del exterior de la sala limpia 100, cuya funcionalidad se consigue mediante el operación de los equipos que incluyen las UTAs 12a, 12b, los VAVs 42, los conductos de extracción 44, los sensores, las rejillas 38 y los difusores 40, como se ha descrito anteriormente.

Esta sala limpia típica 100 está configurada con una entrada 120 que conduce a una sala de cambio ISO Clase 7 122. Desde la sala de cambio 122 hay una zona o sala pequeña 124 que es una sala limpia ISO Clase 7124. Entre la sala limpia de clase 7124 y una sala limpia de clase 5 ISO más grande 130 hay una serie de salas de paso de material y esclusa 126 y una gran sala de cambio de laboratorio 128 que es una sala de cambio de clase 5. Al igual que en la figura 2, la sala limpia de clase 5130 funciona a una presión mayor que la sala limpia de clase 7124. La sala limpia 100 del ejemplo de la figura 6 tiene su sala de mayor capacidad, en este caso la sala más grande 130, en el punto más alejado de la entrada de la puerta principal 110. Está contigua a la sala más pequeña de clasificación de limpieza "más sucia" 124, a través de una sala de cambio 122.

El experto apreciará que la sala limpia de clase 5130 se mantiene a una presión de aire más alta (conocida como "cascada de presión") para evitar los contaminantes de, por ejemplo, la sala limpia de clase 7 adyacente 124. Dicha configuración se ha utilizado para validar el modelo 62 y proporciona una mejora significativa en términos de respuesta dinámica y eficiencia, como se describe y se muestra en las figuras 7 a 11.

Se concibió una prueba simple para desafiar el control estándar de la sala limpia BMS 50 contra el sistema de control basado en partículas MPC 10. Todos los resultados de las pruebas dinámicas siguientes se han obtenido siguiendo el mismo protocolo de pruebas que se indica en el cuadro 1.

Tabla 1 - Protocolo de pruebas experimentales; el personal se viste con ropa de sala limpia

La figura 7 muestra datos comparativos obtenidos de la sala limpia de la figura 6, y muestra las concentraciones de partículas medidas en varias salas de la sala limpia 100, de acuerdo con la prueba experimental definida en la Tabla 1, los datos de la prueba muestran la respuesta de un sistema de control BMS 50 conocido que se basa en un algoritmo de control proporcional-integral (PI).

Los controladores PI implementados en el BMS 50 mantienen la tasa de cambio de aire (ACR) para cada sala 124, 130 en un estado estable. Las tasas de ACR se fijaron en 17 ACR/h para la sala ISO 7124, y en 40 ACR/h para la sala ISO 5130 (y se denominan ACR1 en la Tabla 2). Al mismo tiempo, la presión del aire en cada laboratorio se mantiene constante a 15 Pa en la sala ISO 7124, y a 30 Pa en la sala ISO 5130.

Se analizan dos tamaños de partículas: 0,5 pm y 5 pm. La sala 124 tiene un contador de partículas, y la sala 130 tiene dos contadores de partículas, PC2 y PC3.

Las figuras 7 a 10 también hacen referencia a los datos de intervalo y a los datos rodantes. Se obtiene como se describe a continuación: Los contadores de partículas muestrean continuamente el aire con una frecuencia de muestreo fija.

El tamaño de la muestra de aire está, por tanto, determinado por la longitud del intervalo de medición. El caudal estándar es de 1,0 pies cúbicos (0,03 metros cúbicos, por minuto), lo que limita la concentración admisible de partículas a 1 millón por pie cúbico (CF) o 35,3 millones por metro cúbico (CM). El volumen de la muestra puede recogerse en modo CF o en modo CM. El tiempo de muestreo para el modo CF es de 1 minuto, mientras que el tiempo de muestreo para el modo CM es de 35,3 minutos, como se muestra en las figuras 7 a 10:

datos a intervalos: 60 veces más frecuentes que el volumen total de la muestra, basados en 1/60 del volumen total de la muestra, actualizados cada 35,3s; y

datos rodantes: los recuentos totalizados, la concentración de partículas sobre un volumen de muestra continuo, no un número creciente de partículas para la muestra actual, actualizado cada 35,3s.

La figura 7(a) muestra la concentración de partículas de 0,5 pm de la sala ISO 7 124; la figura 7(b) muestra la concentración de partículas de 5 pm de la sala ISO 7124; la figura 7(c) muestra la concentración de partículas de 0,5 pm de la sala ISO 5130; y la figura 7(d) muestra la concentración de partículas de 5 pm de la sala ⁱS^o 5130. Se puede observar claramente que el sistema de control conocido BMS 50, que se basa en un algoritmo de control proporcional-integral (PI), tarda un tiempo considerable en hacer descender el número de partículas en las distintas salas 124, 130.

La figura 8 muestra el mismo sistema de control BMS 50 funcionando con otro ACR (denominado ACR4 en la Tabla 2) y estando fijado en 3 ACR/h para la sala ISO 7124 y 10 ACR/h para la sala ISO 5130. De nuevo, el algoritmo de control proporcional-integral (PI) tarda un tiempo considerable en reducir el número de partículas en las salas 124, 130.

Las figuras 9 y 10 muestran la respuesta dinámica del controlador MPC 10 de la presente invención al mismo protocolo de prueba experimental establecido en la Tabla 1, cuando los puntos de ajuste de la concentración de partículas deseada se fijan en el 20% y el 50%, respectivamente. Estos resultados de las pruebas dinámicas se obtuvieron con el controlador MPC 10 implementado en una plataforma PLC. Los valores medidos por los contadores de partículas se transfieren a valores porcentuales que se calculan en función de las limitaciones de partículas definidas en las clasificaciones. La sala 124, diseñada como sala limpia de clase 7, tiene una limitación de 3.520.000 partículas de 0,5 pm y 29.000 partículas de 5 pm por metro cúbico. La sala 130, diseñada como sala limpia de clase 5, tiene una limitación de 352.000 partículas de 0,5 pm y 2.900 partículas de 5 pm por metro cúbico.

Las Figuras 9(a) y 10(a) muestran las concentraciones de partículas de 0,5 |jm y 5 |jm de la sala ISO 7124; y las Figuras 9(b) y 10(b) muestran las concentraciones de partículas de 0,5 jm y 5 jm de la sala ISO 5, y en ambas queda claro que se obtiene una respuesta dinámica mejorada.

Las figuras 9(c) y 10(c) muestran el control dinámico de las tasas de cambio de aire en la sala ISO 7124 y en la sala ISO 5130, y de nuevo se puede ver que la pendiente ACR aumenta rápidamente cuando hay partículas en las salas 124, 130, como se esperaba.

Las figuras 9(d) y 10(d) muestran la presión estática de la sala ISO 7124 (15 Pa) y la sala ISO 5130 (30 Pa). Las presiones se controlan dentro del rango de proceso ± 5 Pa, excepto cuando la puerta 110 está abierta y cerrada. La presión diferencial (DP) mínima se monitoriza y se establece como alarma en este sistema 10 y se determina que es de 5 Pa para la sala ISO 7124 y de 15 Pa para la sala ISO 5130, separadas con esclusas 126, 128 para mantener la DP durante las transiciones de personal y material. Los valores de DP superiores a 5 Pa proporcionan un desbordamiento suficiente en un lado. Los puntos de ajuste de la presión estática de las salas limpias están diseñados como 15 Pa en la sala ISO 7124 y 30 Pa en la sala ISO 5130. El sistema se recupera del pico al estado estacionario en muy poco tiempo.

Las figuras 9(e) y 10(e) muestran el control dinámico del ventilador de suministro de la UTA 12a (UTA1) y del VAV de suministro 42 de cada sala 124, 130 y muestra una buena respuesta dinámica cuando la concentración de partículas es superior al punto de consigna.

La respuesta dinámica del controlador MPC (Figuras 9 y 10) es mucho mejor que la obtenida por el sistema de control BMS 50 conocido (Figuras 7 y 8).

La figura 11 muestra la potencia consumida por un sistema BMS 50 conocido a varias tasas de cambio de aire (ACR) obtenidas en la sala limpia típica 100 de la figura 6, como se indica en la Tabla 2.

Tabla 2 - Tasas de cambio de aire de una sala limpia típica 100, como se muestra en la figura 11

Todos los ventiladores se controlan en estado estacionario, lo que da potencias estables, y las cifras demuestran la potencia media consumida en cada ACR del sistema BMS 50 conocido.

La porción derecha de la figura 11 es una medición de potencia dinámica comparativa obtenida por el controlador MPC 10 de la presente invención y muestra que el control predictivo del modelo reduce significativamente el consumo de energía del sistema HVAc de la sala limpia. Se puede ver claramente que la potencia consumida por el controlador MPC 10 es significativamente menor que el ACR en estado estacionario del sistema BMS 50 conocido. Tabla 3 - Energía consumida para el control MPC y BMS 50, según la figura 11

La energía consumida para cada prueba se calcula como se muestra en la Tabla 3. El consumo de energía del control dinámico se calcula mediante la integral de la potencia (de la curva de potencia de la figura 11) frente al tiempo. Como el sistema BMS 50 funciona en estado estacionario, se supone que la potencia es estática. El consumo de energía del sistema BMS 50 conocido se calcula multiplicando la potencia estática y el tiempo de duración del control dinámico. Como se muestra en la Tabla 3, el control dinámico consume menos energía que el sistema BMS 50 conocido, sea cual sea la tasa de cambio de aire (ACR) que mantenga el sistema.

El sistema de la presente invención es lo suficientemente flexible como para ampliarse y/o modificarse a medida que cambian los requisitos de la sala limpia 100. El sistema de control 10 es completamente escalable para una única sala limpia 100 hasta múltiples salas o zonas dentro de múltiples salas limpias 100. Además, nunca se ha producido ni se ha insinuado en ninguna publicación impresa la utilización de un sistema de la finalidad generalmente para uso industrial dentro de salas limpias existentes o salas limpias a medida y que proporciona avances en el control de salas limpias mediante sensores basados en la continuidad.

El uso de las letras HVAC (calefacción, ventilación, aire acondicionado) se pretende utilizar con su significado ordinario en inglés y esto es generalmente aceptado como las palabras calefacción, ventilación, aire acondicionado, como se han utilizado anteriormente en el documento.

Cuando se utilizan en la presente memoria y en las reivindicaciones, los términos "comprende" y "que comprende" y sus variaciones significan que las características, etapas o números enteros especificados están incluidos. Estos términos no deben interpretarse de manera que se excluya la presencia de otras características, etapas o componentes.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de control (10) para controlar el volumen de aire para mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia (100) suministrada por un sistema HVAC que funciona para suministrar aire tratado a la sala limpia (100) que comprende una o más zonas o salas (102, 104, 106, 108), teniendo cada una de las zonas o salas (102, 104, 106, 108) una respectiva concentración deseada de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC (12) que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos (32), y uno o más dispositivos de volumen de aire constante (34) y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable (42) colocados en un conducto (44) generalmente asociado a cada zona o sala respectiva (102, 104, 106, 108) de la sala limpia (100), comprendiendo el sistema

medios de detección para detectar una concentración de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real; y

medios de procesamiento para comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables con la concentración deseada de contaminación en el aire y emitir al menos una señal de control al sistema HVAC basada en la comparación,

y caracterizado porque el medio de procesamiento comprende un controlador predictivo de modelo que comprende un componente de modelo (62) configurado para recibir una condición de operación del sistema HVAC a partir del análisis de datos extrínsecos y configurado para modelar el comportamiento del sistema HVAC; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema HVAC y emitir la al menos una señal de control al sistema HVAC basada en el comportamiento modelado del sistema HVAC , una función de minimización de costes (66) y restricciones (68).

2. El sistema de control (10) según la reivindicación 1, en el que la concentración deseada de contaminación en el aire se especifica por el número de partículas no viables por metro cúbico que tienen un tamaño de partícula igual o superior a 0,1 pm, 0,2 pm, 0,3 pm, 0,5 pm, 1 pm y 5 pm de diámetro.

3. El sistema de control (10) según la reivindicación 1 o 2, en el que la sala limpia (100) se clasifica según la concentración de tamaño de partículas definida en la norma ISO 14644-1 o cualquier norma de clasificación relacionada con la concentración de tamaño de partículas determinada por el usuario de la sala limpia.

4. El sistema de control (10) según la reivindicación 1, en el que el medio de detección comprende uno o más contadores de partículas láser calibrados según la norma ISO 14644-1 y/o sensores de control de partículas viables colocados en la sala limpia (100) o en el conducto (44) del sistema HVAC.

5. El sistema de control (10), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además uno o más medios de detección secundarios para detectar una condición ambiental y/o una condición de proceso y/o una condición del sistema HVAC en tiempo real o casi real, y en el que los medios de detección secundarios comprenden además uno o más sensores seleccionados del grupo que consiste en uno cualquiera de los siguientes: sensor de temperatura, sensor de humedad, sensor de presión, sensor de presión diferencial, sensor de contaminación molecular en el aire, sensor de deposición de contaminantes, sensor de flujo de aire, sensor de proximidad, y combinaciones de los mismos.

6. El sistema de control (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de procesamiento reciben datos sobre el precio de la energía y/o datos de uso, y

en el que los medios de procesamiento están configurados para recibir las condiciones ambientales detectadas y/o las condiciones del proceso y/o las condiciones del sistema HVAC y/o los datos del precio de la energía y/o los datos de uso, y para emitir una o más señales de control secundario al sistema HVAC, y

en el que una o más señales de control secundarias están configuradas para ser emitidas sin provocar que la concentración de partículas detectada se aparte de la concentración deseada de contaminación en el aire.

7. El sistema de control (10) según la reivindicación 7, en el que la concentración deseada de contaminación en el aire y/o los datos del precio de la energía y/o los datos de uso son inicialmente configurables por el usuario.

8. El sistema de control (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la al menos una señal de control al sistema HVAC controla el volumen de aire suministrado a la sala limpia (100).

9. El sistema de control (10) según la reivindicación 7, en el que una o más señales de control secundarias están configuradas para controlar la filtración, la ventilación, la calefacción, la refrigeración, la humidificación, la presurización, la ocupación y las combinaciones de las mismas suministradas a la sala limpia.

10. El sistema de control (10) según la reivindicación 1, en el que el algoritmo de control predictivo del modelo es capaz de autoadaptarse.

11. El sistema de control (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema de control: se implementa en un controlador lógico programare (PLC); y

comprende además medios de visualización; y

comprende además medios para permitir la comunicación y/o integración y/o interoperabilidad con sistemas de gestión de edificios de terceros (50); y

comprende además medios para supervisar el rendimiento energético de la sala limpia y/o la concentración de contaminación de partículas dentro de la sala limpia (100).

12. Un procedimiento de control del volumen de aire para mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia (100) suministrada por un sistema de HVAC que es operativo para suministrar aire tratado a la sala limpia (100) que comprende una o más zonas o salas (102, 104, 106, 108), cada una de las zonas o salas (102, 104, 106, 108) tiene una respectiva concentración deseada de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC (12) que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos (32), y uno o más dispositivos de volumen de aire constante (34) y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable (42) colocados en un conducto (44) generalmente asociado a cada zona o sala respectiva (102, 104, 106, 108) de la sala limpia (100), comprendiendo el procedimiento las etapas de:

detectar una concentración de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real; comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o viables con la concentración deseada de contaminación en el aire; y

emitir al menos una señal de control al sistema HVAC basada en la comparación,

y caracterizado porque la etapa de salida comprende un controlador predictivo de modelos que comprende un componente de modelo (62) que recibe una condición de operación del sistema HVAC a partir del análisis de datos extrínsecos y que modela el comportamiento del sistema HVAC; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema HVAC y emitir la al menos una señal de control al sistema HVAC basada en el comportamiento modelado del sistema HVAC ,

una función de minimización de costes (66) y restricciones (68).

13. Un producto de programa informático para controlar el volumen de aire para mantener una concentración deseada de contaminación en el aire en una sala limpia (100) suministrada por un sistema de HVAC que es operativo para suministrar aire tratado a la sala limpia (100) que comprende una o más zonas o salas (102, 104, 106, 108), teniendo cada una de las zonas o salas (102, 104, 106, 108) una respectiva concentración deseada de contaminación en el aire, y el sistema HVAC comprende al menos una unidad de tratamiento de aire HVAC (12) que suministra aire tratado a través de un sistema de conductos (32), y uno o más dispositivos de volumen de aire constante (34) y/o uno o más dispositivos de volumen de aire variable (42) colocados en un conducto (44) generalmente asociado a cada zona o sala respectiva (102, 104, 106, 108) de la sala limpia (100), comprendiendo el producto de programa informático

un medio de programa informático para recibir una concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables en tiempo real o casi real;

un medio de programa informático para comparar la concentración detectada de partículas no viables y/o de partículas viables con la concentración deseada de contaminación en el aire; y

medios de programa informático para emitir al menos una señal de control al sistema HVAC basada en la comparación,

y caracterizado porque el medio de programa informático para la emisión comprende un controlador predictivo de modelo que comprende un componente de modelo (62) que recibe una condición de operación del sistema HVAC desde el análisis de datos extrínsecos y que modela el comportamiento del sistema HVAC; y medios para recibir el comportamiento modelado del sistema HVAC y emitir la al menos una señal de control al sistema HVAC basada en el comportamiento modelado del sistema HVAC , una función de minimización de costes (66) y restricciones (68).