WO2015155383A1 - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas provenientes de dispositivos de ventilación - Google Patents

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WO2015155383A1
WO2015155383A1 PCT/ES2014/070285 ES2014070285W WO2015155383A1 WO 2015155383 A1 WO2015155383 A1 WO 2015155383A1 ES 2014070285 W ES2014070285 W ES 2014070285W WO 2015155383 A1 WO2015155383 A1 WO 2015155383A1
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acquiring
ventilation
ventilation device
signals
electrical signals
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PCT/ES2014/070285
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Roberto ARIAS ÁLVAREZ
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Talleres Zitrón, S.A.
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F1/00—Ventilation of mines or tunnels; Distribution of ventilating currents
    • E21F1/003—Ventilation of traffic tunnels

Definitions

  • the present invention relates to a system for acquiring and monitoring electrical and pneumatic signals from industrial type ventilation devices, which is compact and standard.
  • the present invention allows, by means of the system described herein, that the operation of a plurality of ventilation devices can be managed without adapting the proposed solution to each type of ventilation device.
  • devices for the acquisition and monitoring of electrical and pneumatic signals are used, designed specifically for each ventilation system. It also allows monitoring, control and management of both the electrical and pneumatic part of the ventilation devices.
  • the technical field referred to in the present invention is that of industrial equipment ventilation management electronics.
  • PLCs with specific cards in analog signals are used for the management of the electrical components of the ventilation devices.
  • management devices for said electrical components from different manufacturers such as the Twido and M340 Schnedier, Bcxxxx, Bxxxxx and Cxxxxx products from Beckhoff, S7-300 and S7-1200 from Siemens, etc.
  • external transducers are usually used. These external transducers are basically of two types: 1- Differential pressure transducers (pressure and flow) with 4..20mA interface that are wired to the electrical component management PLC. Again there are multiple alternatives in the market of various manufacturers, such as Yokowaga, ABB and Honeywell. 2- Presostatic transducers (anti-pumping system). The choice of this type of transducers is usually made for economic reasons since its cost is much lower than the differential pressure transducers. There are also alternatives in the market of various manufacturers, such as Honeywell or Danfoss. These devices are wired to a digital input of the electrical component management PLC.
  • the present invention relates to a system for acquiring and monitoring electrical and pneumatic signals from ventilation devices, where it is preferably provided that the ventilation devices are of an industrial nature, such as mine fans, industrial cooling fans or road tunnel fans.
  • Said system at least comprises:
  • a processor comprising means for managing electrical and pneumatic signals from at least one ventilation device; ⁇ A plurality of acquisition channels of the electrical and pneumatic signals from the ventilation device, where said acquisition channels are connected to the processor. These acquisition channels are input channels of electrical or pneumatic analog signals that are previously converted to digital signals with a certain numerical conversion. The information captured by the acquisition channels is subsequently sent to an external control system where it is usually used to generate alarms or control sequences. Communication between the system object of this invention and the external control system is realized through a communication interface; a first communication protocol for long distances and low data transmission speed and a second communication protocol for short distances and high data transmission speed. These protocols are used in the communications of the acquisition and monitoring system with both the fan and an external control system.
  • one protocol or another is used.
  • the distance between the fan and the acquisition and monitoring system can be hundreds of meters, so a communication protocol for long distances and low distances would be used for this particular case.
  • This memory can be an SD memory card. The information contained in this memory is subsequently sent to the external control system or it can be directly accessible from the outside to be able to download said information.
  • These pneumatic measuring elements are inside the fan itself; Y, • an industrial type connector for power supply and communication of the acquisition and monitoring system with the external control system.
  • the plurality of acquisition channels of the signals from the ventilation device are selected from at least:
  • the system for acquiring and monitoring electrical and pneumatic signals comprises integrated power supply means. More preferably, the system is powered at a voltage of 24Vdc.
  • the system for acquiring and monitoring electrical and pneumatic signals comprises auxiliary supply means at a voltage less than 24Vdc.
  • the electrical and pneumatic signal acquisition and monitoring system comprises a metal enclosure with electromagnetic shielding with a protection level IP ⁇ 66.
  • This envelope can be a metal box or the like.
  • the protection level is selected to ensure adequate protection of the system electronics against unfavorable environmental conditions such as humidity, chemical agents, dust, etc.
  • the temperature measurement signal acquisition channel comprises at least 6 subchannels of PT100 (thermo-resistive temperature sensors).
  • the temperature control signal acquisition channel has at least 6 PTC subchannels (thermistors).
  • the signal measurement signal acquisition channel comprises at least 9 analogue reading channels at 4..20mA.
  • the pneumatic signal acquisition channel comprises 6 differential pressure measurement channels. This differential pressure can be measured between two points of the ventilation device or between one point of the ventilation device and atmospheric pressure.
  • the digital input acquisition channel comprises management means for 8 potential-free digital input channels.
  • the digital output acquisition channel comprises management means for 8 relay outputs.
  • the channels for acquiring digital inputs and digital outputs are intended to monitor digital signals that in turn are used for auxiliary uses of the ventilation device, such as limit switches, flow direction indicators, local push-buttons, etc. . In this way, outputs can be implemented for signaling to certain events and / or perform a small digital control of the ventilation device.
  • Said digital signals are intended to provide the invention with non-standard functionality.
  • the adduction and monitoring system comprises a communications connector for communication with the ventilation device and / or with the external control system by means of the protocol for short distances and high speed.
  • the communication protocol of the acquisition and monitoring system with the ventilation device or with the external control system for long distances and low speed is a Modbus RTU (Remote Terminal Unit) protocol and because the protocol for short distances and high speed it is a Modbus TCP (Transmission Control Protocol) protocol.
  • the communication of the system object of the present invention by means of the Modbus RTU protocol is carried out by means of the industrial power and communication type connector, while the communication of the system by means of the Modbus TCP protocol is carried out by means of the communication connector.
  • the data of the signals from the sampled ventilation device stored in the memory are in CSV format (Comma Separated Values).
  • Diagnosis It is possible to provide the system with a "diagnostic console" for local application, for example a touch panel that supports a Modbus communications protocol.
  • the metal enclosure which integrates the system object of the present invention, fully connectorized facilitates the replacement for analysis and subsequent repair, outside the work.
  • This system becomes a standard replacement reference for fans, easily diagnosable and replaceable (Currently, several different devices or different systems are needed as a spare part and the susceptibility diagnosis complex)
  • Black Box With the memory (Datalogger) integrated in the system, there is a high-value "Black Box” to record, analyze and diagnose the problems that machines may suffer in your life. Currently, this information is never available, or the operator does not have it or does not transfer it;
  • the pumping detection is carried out by means of a differential pressure sensor, which is able to distinguish the situation of OK, Pumping and measurement problem (clogged duct included).
  • a digital pressure switch is used for cost, which distinguishes OK and Pumping, but does not obstruct conduit. So this solution is an improvement.
  • Figure 1. Shows a simplified block diagram of an embodiment of the acquisition and monitoring system of electrical and pneumatic signals object of the present invention.
  • Figure 2. Shows a front perspective view of an embodiment of the box with connectors where the system object of the present invention is integrated.
  • Figure 3. Shows a rear perspective view of the box with connectors shown in Figure 2.
  • Figure 4.- Shows an example of the realization of the acquisition and monitoring system of electrical and pneumatic signals object of the present invention integrated within an integral management system of an industrial fan of a mine.
  • Figure 1 shows a block diagram of an embodiment of the signal acquisition and monitoring system from industrial type ventilation devices, object of the present invention.
  • said diagram shows a microprocessor (1) connected to a memory (2), for example a removable memory SD, where it stores the information coming from acquisition channels (3-8) of electrical and pneumatic signals.
  • the microprocessor (1) manages and exchanges information with the ventilation device and with an external control system.
  • the information stored in the memory has CSV format, easily editable with computer spreadsheets.
  • the memory also serves as a safe or black box for the operation of the ventilation device.
  • the electrical and pneumatic signals come from an industrial type ventilation device (not shown) and therefore the acquisition channels (3-8) are connected to various devices and measurement sensors integrated in said ventilation device.
  • the communication of the microprocessor (1) with the external control system (not shown) is done through an external connector (9).
  • the system also has auxiliary feeding means (10), which in this specific example are integrated within the acquisition and monitoring system itself.
  • external power is used at 24Vdc.
  • the temperature measurement acquisition channel (3) has 6 PT100 channels (1 1). These channels (1 1) are connected to various temperature sensors in the ventilation device and return the temperature values measured in ° C.
  • the temperature control acquisition channel (4) in turn has 6 PTC channels (12) and returns the state OK, or FAILURE.
  • the PTC channels (12) internally measure the resistance value and if they are within a previously established threshold, said channels send the OK state to the processor, if the resistance value is outside the threshold, said channels send the FAIL state to the processor.
  • the signal measurement acquisition channel (5) in turn has 9 analogue reading channels 4..20mA (13), and returns the state by an integer value.
  • the pneumatic signal acquisition channel (6) has 6 differential pressure measurement channels that are captured in various differential pressure measurement sensors installed in the ventilation device and returns the pressure value measured by an integer value in Paséales.
  • the pressure difference measured by these sensors can be between two points of the fan itself or one point of the fan with respect to atmospheric pressure.
  • the digital input acquisition channel (7) has 8 potential free digital input channels.
  • the channel for acquiring digital outputs (8) also has 8 relay outputs.
  • Both the digital input acquisition channel (7) and the digital output acquisition channel (8) are connected to the microprocessor through the interposition of a digital multiplexer (15).
  • the acquisition channels of temperature measurement (3), temperature control (4), signal measurement (5), digital inputs (7) and digital outputs (8) are channels of acquisition of electrical signals.
  • FIG. 2 shows a front perspective view of an exemplary embodiment of a metal enclosure (16) with special protection with EMC shielding and high level of IP66 protection. Since the system object of the present invention is installed in proximity to industrial fans, it is necessary to protect the internal electronics from vibrations, dirt and even shocks. For this reason, it is planned to integrate the electronics into an enclosure or box (16) formed by a main body (17) and a cover (18) to make the electronics accessible. The cover (18) is attached to the main body (17) by means of screws (19). Additionally, said main body has the necessary connectors to connect the acquisition and monitoring system with the fan and the external control system.
  • this figure 2 shows the connectors (20) of the acquisition channels of the system object of the invention (which is integrated inside the box (16)) with the ventilation device and the external power connector (22) that also connects the wired signals from the PT100, PCT, or vibration measurement sensors, etc.
  • Figure 3 shows a rear perspective view of the metal enclosure (16) of Figure 2.
  • This view shows the power and communication connection with the external control system and with the fan itself which is carried out by means of a Industrial type connector with screw terminals (22). This part is done with a screwed system as it will have to be connected on site and is about facilitating the connection.
  • This connector (22) in addition to connecting to an external power supply, is also used as an interface for connection via I Modbus RTU protocol for large distances and low data transmission rate.
  • the communications connector (23) with the external control system and with the fan is used as an interface with the Modbus TCP communications protocol for short distances and high data rate.
  • the communications connector (23) can be a female RJ45 port.
  • FIG. 4 shows a block diagram of an exemplary embodiment of the present invention in which the system for acquiring and monitoring electrical and pneumatic signals object of the present invention is integrated into an integral fan management system.
  • Industrial of a mine This shows the industrial fan (24) responsible for the ventilation of the ducts of the mine formed by a motor (25) that drives the blades of the fan disk (26).
  • Said motor (25) is fixed inside the fan housing and at the ends of said housing (27) two silencers (28) are fixed.
  • the fan motor (25) is connected to the power supply device (31) and to a signal connection box (29).
  • the housing (27) has pneumatic measuring devices (30) integrated.
  • the integral management system also comprises an external control system (32) managed by a PLC (33) and a power drive system (34) that integrates a frequency inverter, soft starter or other type of drive.
  • the external control system (32) is connected to the acquisition and monitoring system (35) to supply power and obtain information regarding the electrical and pneumatic signals acquired from the fan (24).
  • the power drive system (34) is connected directly to the fan motor (25) through the power supply device (31) and is responsible for driving, starting the fan stop (24), etc.
  • the acquisition and monitoring system (35) object of the present invention has a power and communication connection (37) that communicates it with the external control system (32), connections (38) with pneumatic measuring devices (30) located in the housing (27) of the fan for the measurement of the total pressure, static pressure and pumping of the fan. Finally, it also has a multifilar connection (39) for the reception of the electrical signals from the fan through the signal box (29). This junction box (29) receives and centralizes the electrical signals from the fan (24) for later sending to the acquisition and monitoring system (35).
  • connection of the pneumatic signal acquisition channels (38) with the corresponding measurement elements of the fan (24) is carried out by automatic pneumatic fittings (similar to those commonly used in this type of fans).
  • the connection of the electrical signal acquisition channels (39) with the corresponding measuring elements of the ventilation device is carried out by means of a multi-pin connector with a high degree of protection IP67.
  • the information acquired from all these signals would be automatically stored in the memory of the acquisition and monitoring system. This information can be used to generate alarms or control sequences once sent to an external control element (32).
  • the temperature measurement acquisition channels (PT100) are connected to temperature measurement sensors integrated in the fan. These sensors will be thermo resistors of type PT100. When the acquisition channel detects the sensor disconnection (for example due to cable breakage or connection error), the output is activated at 200 ° C (maximum temperature value) to notify the processor of the problem.
  • This type of channel captures information related to the temperature (in ° C) of various fan elements, typically to perform functions of protection of the drive (motor windings, bearings, ). It is of interest for predictive maintenance as it allows to diagnose a quantitative deterioration in the ventilator. Sometimes it can be used for environmental control (air temperature).
  • the temperature control acquisition (PTC) channels are connected to temperature measurement sensors integrated in the fan. These sensors will be PTC type thermo resistors. When the acquisition channel detects the sensor disconnection (due to, for example, cable breakage or connection error), its output is activated in order to notify the processor of the problem, that is, the alarm is activated.
  • the value returned by this type of channel is a 0-1 digital value (OK, Failure) that will depend on whether the temperature of the element connected to the PTC sensor is above or below the temperature at which the PTC sensor is set.
  • These types of acquisition channels are typically used to protect bearings and windings. Unlike the PT100, in this case the actual temperature at which the element to be protected is not known. Its objective is the protection of the fan, it practically lacks interest in predictive maintenance since it does not provide information until the defect occurs (sometimes there is a double PTC sensor connected to the same element, a lower setting to give a warning previous).
  • the signal measurement acquisition channels are connected to measuring devices with 4..20mA output.
  • the acquisition channel detects the sensor disconnection (due for example to cable breakage or connection error) it returns a value of 0 mA.
  • the value returned by this type of channel is a numerical value in the range 0, 400-2000mA.
  • This type of channel is very versatile, allowing the connection of sensors equipped with 4..20mA transducer which is a widely used standard in the industrial field
  • a common application in ventilation applications is the connection of vibration transducers. In this case, it would allow mechanical protection of the fan and provide information for preventive maintenance.
  • Another common application is the connection of environmental transducers, pressure, humidity, gases, etc.
  • This type of acquisition channel provides an industrial standard interface to provide the system with versatility.
  • the pneumatic acquisition channels are connected to differential pressure measurement sensors capturing pressure values in passages (range: -5000.5000Pa).
  • the monitoring of these types of measures can be used with two objectives: measurement and protection.
  • the measurement of the total pressure and differential pressure allows to know the pressure and the flow rate supplied by the fan.
  • the main interest is for environmental control and energy saving since it would allow speed adjustment according to need, reducing consumption.
  • the differential pressure measurement allows to determine the pumping status of the fans. It is a fan protection that can be implemented through a differential pressure measurement.
  • the digital input acquisition channels connect to potential-free contacts (dry contacts) and return an "All-Nothing" value. They are used to monitor signals from, for example, emergency push buttons, a limit switch, etc.
  • the digital output acquisition channels receive "All-Nothing" values and their output is connected to potential-free relay contacts. They are used to activate some drive, lamps, sirens, brakes, motors, etc.

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Abstract

Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas provenientes de dispositivos de ventilación El sistema comprende un procesador de gestión de señales eléctricas y neumáticas provenientes de al menos un dispositivos de ventilación, una pluralidad de canales de adquisición de las señales provenientes del dispositivo de ventilación, unos protocolos de comunicación con el dispositivo de ventilación, una memoria donde se almacenan datos de las señales provenientes del dispositivo de ventilación previamente digitalizadas y muestreadas, un conector multi-pin con alto grado de protección para la conexión eléctrica con el dispositivo de ventilación, una pluralidad de racores neumáticos automáticos para la conexión neumática con el dispositivo de ventilación y un conector para la alimentación eléctrica y comunicación con el dispositivo de ventilación.

Description

SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y MONITORIZACIÓN DE SEÑALES ELÉCTRICAS Y NEUMÁTICAS PROVENIENTES DE DISPOSITIVOS DE VENTILACIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas provenientes de dispositivos de ventilación de tipo industrial, que es compacto y estándar. La presente invención permite, mediante el sistema aquí descrito, que se pueda gestionar el funcionamiento de una pluralidad de dispositivos de ventilación sin necesidad de adaptar la solución propuesta a cada tipo de dispositivo de ventilación. En la actualidad se emplean dispositivos de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas, diseñados específicamente para cada sistema de ventilación. Además permite la monitorización, el control y la gestión tanto de la parte eléctrica como neumática de los dispositivos de ventilación.
Preferentemente se ha previsto su aplicación en dispositivos o sistemas de ventilación de tipo industrial, como por ejemplo ventiladores de túneles de carretera, ventiladores de minas, etc.
El campo técnico al que se refiere la presente invención, es el de la electrónica de gestión de equipamiento de ventilación de tipo industrial.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad no existen en el estado de la técnica sistemas de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas provenientes de dispositivos de ventilación que integren la gestión tanto de la parte eléctrica como de la parte neumática de dichos dispositivos.
Así, en el estado general de la técnica, para la gestión de los componentes eléctricos de los dispositivos de ventilación se emplean PLCs con tarjetería especifica en señales analógicas. Existen múltiples alternativas de dispositivos de gestión de dichos componentes eléctricos de diferentes fabricantes como pueden ser los productos Twido y M340 Schnedier, Bcxxxx, Bxxxxx y Cxxxxx de Beckhoff, S7-300 y S7-1200 de Siemens, etc.
Para la gestión de los componentes neumáticos de los dispositivos de ventilación habitualmente se recurre a transductores externos. Estos transductores externos son básicamente de dos tipos: 1- Transductores de presión diferencial (presión y caudal) con interfaz 4..20mA que se cablean al PLC de gestión de componentes eléctricos. Nuevamente existen múltiples alternativas en el mercado de diversos fabricantes, como por ejemplo Yokowaga, ABB y Honeywell. 2- Transductores presostáticos (Sistema anti-bombeo). La elección de este tipo de transductores suele realizarse por motivos económicos ya que su coste es mucho menor que los transductores de presión diferencial. Existen también alternativas en el mercado de diversos fabricantes, como por ejemplo Honeywell o Danfoss. Estos equipos se cablean a una entrada digital del PLC de gestión de componentes eléctricos.
No obstante la necesidad de incorporar dispositivos independientes para la gestión de los componentes eléctricos y de los componentes neumáticos implica la necesidad de un mayor cableado para la conexión de los diferentes componentes a los dispositivos y de los dispositivos entre si lo que a su vez requiere un mayor espacio. Esto incrementa la complejidad del montaje así como los costes y tiempos de instalación de los equipos de ventilación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas provenientes de dispositivos de ventilación, donde preferentemente se ha previsto que los dispositivos de ventilación sean de carácter industrial, como por ejemplo ventiladores de minas, ventiladores de refrigeración industrial o ventiladores de túneles de carreteras. Dicho sistema al menos comprende:
• un procesador que comprende medios de gestión de señales eléctricas y neumáticas provenientes de al menos un dispositivo de ventilación; · una pluralidad de canales de adquisición de las señales eléctricas y neumáticas provenientes del dispositivo de ventilación, donde dichos canales de adquisición se conectan al procesador. Estos canales de adquisición son canales de entrada de señales analógicas eléctricas o neumáticas que se convierten previamente a señales digitales con una cierta conversión numérica. La información capturada por los canales de adquisición es posteriormente enviada a un sistema de control externo donde se emplea habitualmente para generar alarmas o secuencias de control. La comunicación entre el sistema objeto de la presente invención y el sistema de control externo se realiza mediante un interfaz de comunicación; un primer protocolo de comunicación para largas distancias y baja velocidad de transmisión de datos y un segundo protocolo de comunicación para cortas distancias y alta velocidad de transmisión de datos. Dichos protocolos se emplean en las comunicaciones del sistema de adquisición y monitorización tanto con el ventilador como con un sistema de control externo. Dependiendo de la distancia del sistema de adquisición y monitorización al dispositivo de ventilación o al sistema de control externo se emplea un protocolo u otro. En algunas aplicaciones, como por ejemplo en dispositivos de ventilación de minas, la distancia entre el ventilador y el sistema de adquisición y monitorización puede ser de cientos de metros por lo que se emplearía para este caso concreto un protocolo de comunicación para largas distancias y baja velocidad de transmisión; una memoria donde se almacenan información y datos de las señales eléctricas y neumáticas provenientes del dispositivo de ventilación y donde dichas señales han sido previamente muestreadas. Esta memoria puede ser una tarjeta de memoria SD. La información contenida en esta memoria es enviada posteriormente al sistema de control externo o puede ser directamente accesible desde el exterior para poder descargar dicha información. Se trata de un dispositivo de seguridad tipo "caja negra" del funcionamiento del ventilador; un conector multi-pin con alto grado de protección (por ejemplo IP-67) para la conexión eléctrica con el dispositivo de ventilación, más concretamente para conexionar las señales cableadas provenientes de sensores de medida como por ejemplo sensores de medida de temperatura, de control de temperatura o de medida vibraciones, etc.; una pluralidad de racores neumáticos automáticos para la conexión que actúan de interfaz de conexión con las señales neumáticas capturadas por los canales de adquisición que se conectan con elementos de medida neumática del dispositivo de ventilación. Estos elementos de medida neumática se encuentran en el interior del propio ventilador; y, • un conector tipo industrial de alimentación eléctrica y comunicación del sistema de adquisición y monitorización con el sistema de control externo.
En una realización particular de la invención, la pluralidad de canales de adquisición de las señales provenientes del dispositivo de ventilación están seleccionados entre al menos:
- un canal de adquisición de señales eléctricas de medida de temperatura, que envía información al procesador sobre la temperatura medida por un sensor;
- un canal de adquisición de señales eléctricas de control de temperatura, que envía información al procesador para controlar la temperatura pero no para medirla;
- un canal de adquisición de señales eléctricas de medida de señal, que envía información al procesador de señales analógicas 4..20mA;
- un canal de adquisición de señales neumáticas;
- un canal de adquisición de entradas digitales; - un canal de adquisición de salidas digitales; y,
- una combinación de los mismos.
En otra realización particular de la invención, el sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas comprende unos medios integrados de alimentación eléctrica. Más preferentemente la alimentación del sistema se realiza a una tensión de 24Vcc.
En otra realización particular de la invención, el sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas comprende medios de alimentación auxiliares a tensión menor de 24Vcc.
En otra realización particular de la invención, el sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas comprende una envolvente metálica con apantallamiento electromagnético con un nivel de protección IP≥66. Esta envolvente puede ser una caja metálica o similar. El nivel de protección se selecciona para asegurar la adecuada protección de la electrónica del sistema ante condiciones ambientales desfavorables como humedad agentes químicos, polvo, etc. En otra realización particular de la invención, el canal de adquisición de señales de medida de temperatura comprende al menos 6 subcanales de PT100 (sensores de temperatura termoresistivos).
En otra realización particular de la invención, el canal de adquisición de señales de control de temperatura dispone de al menos 6 subcanales de PTC(termistores).
En otra realización particular de la invención, el canal de adquisición de señales de medida de señal comprende al menos 9 canales analógicos de lectura a 4..20mA.
En otra realización particular de la invención, el canal de adquisición de señales neumáticas comprende 6 canales de medida de presión diferencial. Esta presión diferencial puede ser medida entre dos puntos del dispositivo de ventilación o bien entre un punto del dispositivo de ventilación y la presión atmosférica.
En otra realización particular de la invención, el canal de adquisición de entrada digitales comprende medios de gestión para 8 canales de entrada digital libres de potencial.
En otra realización particular de la invención, el canal de adquisición de salidas digitales comprende medios de gestión para 8 salidas a relé.
Los canales de adquisición de entradas digitales y de salidas digitales se han previsto para monitorizar señales digitales que a su vez se emplean para usos auxiliares del dispositivo de ventilación, como son entradas de finales de carrera, indicadores de sentido de flujo, pulsadores locales, etc. De este modo se pueden implementar salidas para señalización ante determinados eventos y/o realizar un pequeño control digital del dispositivo de ventilación. Dichas señales digitales están pensadas para dotar a la invención de una funcionalidad no estándar.
En otra realización particular de la invención, el sistema de aduisicion y monitoirzacion comprende un conector de comunicaciones para la comunicación con el dispositivo de ventilación y/o con el sistema de control externo mediante el protocolo para distancias cortas y alta velocidad.
En otra realización particular de la invención, el protocolo de comunicación del sistema de adquisición y monitorización con el dispositivo de ventilación o con el sistema de control externo para distancias largas y baja velocidad es un protocolo Modbus RTU (Unidad Terminal Remota) y porque el protocolo para distancias cortas y alta velocidad es un protocolo Modbus TCP (Protocolo de Control de Transmisión). La comunicación del sistema objeto de la presente invención mediante el protocolo Modbus RTU se lleva acabo mediante el conector tipo industrial de alimentación y comunicación, mientras que la comunicación del sistema mediante el protocolo Modbus TCP se realiza mediante el conector para comunicaciones. En otra realización particular de la invención, los datos de las señales provenientes del dispositivo de ventilación muestreadas almacenados en la memoria tienen formato CSV (Valores separados por coma).
Entre las ventajas de la presente invención frente al estado de la técnica conocido, enumeramos las siguientes: · Minimiza el cableado entre el sistema objeto de la presente invención y el dispositivo de ventilación. Únicamente se conectan a través de cableado convencional y mangueras neumáticas. Esto adicionalmente reduce el coste y tiempo de instalación;
• Logra la estandarización a nivel de control de ventilador. En el estado de la técnica se utiliza una solución a medida para cada posible configuración de señales de cada dispositivo de ventilación;
• Reducción de costes, teniendo en cuenta los siguientes aspectos:
- Ingeniería: En el estado de la técnica se realizan esquemas y configuraciones a la medida de cada dispositivo de ventilación, mientras que la presente invención proporciona una solución estándar.
- Programación: En el estado de la técnica se ajusta a medida de cada dispositivo de ventilación y se tienen diferentes sistemas según la aplicación.
- Materiales: Reduce los costes de fabricación al tratarse de una solución estándar.
- Test: Permite testar el cableado de control en fábrica en lugar de hacerlo in-situ con la problemática que eso conlleva.
- Formación: Un sistema estándar redunda en la formación del personal. (En el estado de la técnica se utilizan soluciones heterogéneas en función del problema particular). - Documentación: La generación de documentación de proyecto es homogénea a nivel de dispositivo de ventilación.
• Aumenta la calidad frente a otras soluciones del estado de la técnica. Con el test de fábrica se puede verificar el cableado. Actualmente este cableado presenta errores hasta el momento de la puesta en marcha que deben ser testados in- situ;
• Facilita la puesta en marcha. Sin errores de cableado se minimiza el tiempo de puesta a punto y arranque.
• Facilita el mantenimiento en base a los siguientes aspectos:
- Diagnóstico: Es posible proveer al sistema de una "consola de diagnóstico" para aplicación local, por ejemplo un panel táctil que soporte un protocolo de comunicaciones Modbus.
- Sustitución: La envolvente metálica (caja), donde se integra el sistema objeto de la presente invención, totalmente conectorizada facilita la sustitución para análisis y reparación posterior, fuera de la obra.
- Repuesto. Este sistema se convierte en una referencia de repuesto estándar para los ventiladores, fácilmente diagnosticable y sustituible (En la actualidad son necesarias varios equipos diferentes o sistemas diferentes como repuesto y el diagnostico susceptiblemente complejo)
• Caja Negra. Con la memoria (Datalogger) integrada en el sistema se dispone de una "Caja negra" de alto valor para registrar, analizar y diagnosticar los problemas que pueden sufrir las maquinas en su vida. Actualmente nunca se dispone de esta información, o el explotador no la tiene o no la cede;
• Sistema de medidas neumática. La detección de bombeo se realiza mediante un sensor de presión diferencial, que es capaz de distinguir la situación de OK, Bombeo y problema de medida (conducto obstruido incluido). En la actualidad por coste se utiliza un presostato digital, que distingue OK y Bombeo, pero no conducto obstruido. Por lo que esta solución supone una mejora.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con el objeto de complementar la descripción de la invención y sus características, se acompaña como parte integrante de dicha descripción las siguientes figuras: Figura 1.- Muestra un diagrama de bloques simplificado de un ejemplo de realización del sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas objeto de la presente invención.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva frontal de un ejemplo de realización de la caja con conectores donde se integra el sistema objeto de la presente invención.
Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva trasera de la caja con conectores mostrada en la figura 2.
Figura 4.- Muestra un ejemplo de realización del sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas objeto de la presente invención integrado dentro de un sistema de gestión integral de un ventilador industrial de una mina.
DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Seguidamente se realiza, con carácter ilustrativo y no limitativo, una descripción de un ejemplo de realización de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de realización del sistema de adquisición y monitorización de señales provenientes de dispositivos de ventilación de tipo industrial, objeto de la presente invención.
Así dicho diagrama muestra un microprocesador (1) conectado a una memoria (2), por ejemplo una memoria extraíble SD, donde almacena la información proveniente de unos canales de adquisición (3-8) de señales eléctricas y neumáticas. El microprocesador (1) gestiona e intercambia información con el dispositivo de ventilación y con un sistema de control externo. La información almacenada en la memoria tiene formato CSV, fácilmente editable con hojas de cálculo informáticas. La memoria sirve también como una caja de seguridad o caja negra del funcionamiento del dispositivo de ventilación.
Las señales eléctricas y neumáticas provienen de un dispositivo de ventilación de tipo industrial (no mostrado) y por tanto los canales de adquisición (3-8) se conectan a diversos dispositivos y sensores de medida integrados en el citado dispositivo de ventilación. La comunicación del microprocesador (1) con el sistema de control externo (no mostrado) se realiza a través de un conector externo (9). El sistema también dispone de medios de alimentación auxiliares (10), que en este ejemplo concreto se integran dentro del propio sistema de adquisición y monitorización. Además se emplea alimentación externa a 24Vcc.
El canal de adquisición de medida de la temperatura (3) dispone a su vez de 6 canales de PT100 (1 1). Estos canales (1 1) se conectan a diversos sensores de temperatura en el dispositivo de ventilación y retornan los valores de temperatura medidos en °C.
El canal de adquisición de control de temperatura (4) dispone a su vez de 6 canales de PTC (12) y retorna el estado OK, o FALLO. Los canales PTC (12) miden internamente el valor de resistencia y si están dentro de un umbral previamente establecido, dichos canales envían al procesador el estado OK, si el valor de resistencia está fuera del umbral, dichos canales envían al procesador el estado FALLO.
El canal de adquisición de medida de señal (5) dispone a su vez de 9 canales analógicos de lectura 4..20mA (13), y retorna el estado mediante un valor entero.
El canal de adquisición de señales neumáticas (6) dispone de 6 canales de medida de presión diferencial que se captura en diversos sensores de medida de presión diferencial instalados en el dispositivo de ventilación y retorna el valor de presión medido mediante un valor entero en Paséales. La diferencia de presión medida por estos sensores puede ser entre dos puntos de propio ventilador o bien de un punto del ventilador con respecto a la presión atmosférica.
La información enviada desde estos canales de adquisición (3-6) al microprocesador (1) pasa previamente por un convertidor analógico/digital (14).
El canal de adquisición de entrada digitales (7) dispone a su vez de 8 canales de entrada digital libres de potencial.
El canal de adquisición de salidas digitales (8) dispone a su vez de 8 salidas a relé.
Tanto el canal de adquisición de entrada digitales (7) como el canal de adquisición de salidas digitales (8) se conectan al microprocesador mediante la interposición de un multiplexador digital (15). En este ejemplo de realización, los canales de adquisición de medida de temperatura (3), de control de temperatura (4), de medida de señal (5), de entradas digitales (7) y de salidas digitales (8) son canales de adquisición de señales eléctricas.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva frontal de une ejemplo de realización de una envolvente metálica (16) con protección especial con apantallamiento EMC y alto nivel de protección IP66. Dado que el sistema objeto de la presente invención se instala en proximidad a los ventiladores industriales, se hace necesario proteger la electrónica interna de vibraciones, suciedad e incluso golpes. Por esa razón se ha previsto integrar la electrónica en una envolvente o caja (16) formada por un cuerpo principal (17) y una tapa (18) para hacer accesible la electrónica. La tapa (18) se une al cuerpo principal (17) mediante unos tornillos (19). Adicionalmente dicho cuerpo principal dispone de los conectores necesarios para conectar el sistema de adquisición y monitorización con el ventilador y el sistema de control externo. Así esta figura 2 muestra los conectores (20) de los canales de adquisición del sistema objeto de la invención (que se integra dentro de la caja (16)) con el dispositivo de ventilación y el conector de alimentación externa (22) que además conexiona las señales cableadas provenientes de los sensores de medida PT100, PCT, o sensores de medida de vibraciones, etc.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva trasera de la envolvente metálica (16) de la figura 2. En esta vista se muestra la conexión de alimentación y comunicación con el sistema de control externo y con el propio ventilador que se lleva a cabo mediante un conector tipo industrial con bornes de tornillo (22). Esta parte se realiza con un sistema atornillado ya que tendrá de conectarse en obra y se trata de facilitar la conexión. Este conector (22) además de conectarse a una fuente de alimentación externa también se emplea como interfaz para la conexión mediante I protocolo Modbus RTU para grandes distancias y baja tasa de transmisión de datos. El conector de comunicaciones (23) con el sistema de control externo y con el ventilador se emplea como interfaz con el protocolo de comunicaciones Modbus TCP para cortas distancias y alta tasa de transmisión de datos. El conector de comunicaciones (23) puede ser un puerto RJ45 hembra. La figura 4 muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de realización de la presente invención en el que el que el sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas y neumáticas objeto de la presente invención se integra dentro de un sistema de gestión integral de un ventilador industrial de una mina. Así se muestra el ventilador industrial (24) encargado de la ventilación de los conductos de la mina formado por un motor (25) que acciona los alabes del disco del ventilador (26). Dicho motor (25) se fija en el interior de la carcasa del ventilador y en los extremos de dicha carcasa (27) se fijan sendos silenciadores (28). El motor (25) del ventilador se conecta dispositivo de alimentación (31) y a una caja de conexiones de señales (29). La carcasa (27) dispone de unos dispositivos de medición neumática (30) integrados.
El sistema de gestión integral comprende también un sistema de control externo (32) gestionado por un PLC (33) y un sistema de accionamiento de potencia (34) que integra un variador de frecuencia, arrancador suave u otro tipo de accionamiento. El sistema de control externo (32) se conecta al sistema de adquisición y monitorización (35) para suministrarle alimentación y obtener la información relativa a las señales eléctricas y neumáticas adquiridas del ventilador (24). El sistema de accionamiento de potencia (34) se conecta directamente al motor (25) del ventilador a través del dispositivo de alimentación (31) y es el encargado del accionamiento, puesta en marcha parada del ventilador (24), etc. Existe una conexión auxiliar (36) de control entre el sistema de control y el sistema de accionamiento de potencia. Esta conexión (36) se emplea para gestionar desde el sistema externo de control (32) el sistema de accionamiento de potencia (34)
El sistema de adquisición y monitorización (35) objeto de la presente invención dispone de una conexión de alimentación y comunicación (37) que lo comunica con el sistema de control externo (32), conexiones (38) con dispositivos de medición neumática (30) situadas en la carcasa (27) del ventilador para la medición de la presión total, presión estática y de bombeo del ventilador. Por último, también dispone de una conexión multifilar (39) para la recepción de las señales eléctricas del ventilador a través de la caja de señales (29). Esta caja de conexiones (29) recibe y centraliza las señales eléctricas provenientes del ventilador (24) para su posterior envió al sistema de adquisición y monitorización (35).
La conexión de los canales de adquisición de señales neumáticas (38) con los elementos de medida correspondientes del ventilador (24) se realiza mediante racores neumáticos automáticos (análogos a los utilizados habitualmente en este tipo de ventiladores).
La conexión de los canales de adquisición de señales eléctricas (39) con los elementos de medida correspondientes del dispositivo de ventilación se realiza mediante un conector multi pin con alto grado de protección IP67. La información adquirida de todas estas señales se almacenaría de forma automática en la memoria del sistema de adquisición y monitorización. Esta información puede ser empleada para generar alarmas o secuencias de control una vez enviada a elemento de control externo (32). Los canales de adquisición de medida de temperatura (PT100) se conectan a sensores de medida de temperatura integrados en el ventilador. Estos sensores serán termo resistencias de tipo PT100. Cuando el canal de adquisición detecta la desconexión de sensor (debido por ejemplo a la rotura del cable o error de conexionado) se activa la salida a 200°C (valor máximo de temperatura) para avisar al procesador del problema. Este tipo de canales captura información relativa a la temperatura (en °C) de diversos elementos del ventilador, típicamente para realizar funciones de protección del accionamiento (devanados motor, rodamientos,... ). Tiene interés para el mantenimiento predictivo ya que permite diagnosticar un empeoramiento cuantitativo en el ventilador. En ocasiones puede utilizarse para el control ambiental (temperatura del aire). Los canales de adquisición de control de temperatura (PTC) se conectan a sensores de medida de temperatura integrados en el ventilador. Estos sensores serán termo resistencias de tipo PTC. Cuando el canal de adquisición detecta la desconexión de sensor (debido por ejemplo a la rotura del cable o error de conexionado) se activa su salida para así avisar al procesador del problema, es decir, se activa la alarma. El valor que devuelve este tipo de canal es un valor digital 0-1 (OK, Fallo) que dependerá de si la temperatura del elemento conectado al sensor PTC está por encima o debajo de la temperatura a la que esta tarada el sensor PTC. Este tipo de canales de adquisición se emplean para proteger típicamente rodamientos y devanados. A diferencia de las PT100, en este caso no se puede conocer la temperatura real a la que se encuentra el elemento a proteger. Su objetivo es la protección del ventilador, prácticamente carece de interés en el mantenimiento predictivo puesto que no aporta información hasta que se produce el defecto (en ocasiones se dispone de doble sensor PTC conectado a un mismo elemento, una tarada más baja para dar un aviso previo).
Los canales de adquisición de medida de señal se conectan a dispositivos de medida con salida en 4..20mA. Cuando el canal de adquisición detecta la desconexión de sensor (debido por ejemplo a la rotura del cable o error de conexionado) devuelve un valor de 0 mA. El valor que devuelve este tipo de canal es un valor numérico en el rango 0, 400-2000mA. Este tipo de canal es muy versátil, al permitir la conexión de sensores equipados con transductor 4..20mA que es un estándar ampliamente utilizado en el campo industrial. Una aplicación habitual en las aplicaciones de ventilación es la conexión de transductores de vibraciones. En este caso permitiría realizar la protección mecánica del ventilador y aportaría información al mantenimiento preventivo. Otra aplicación habitual es la conexión de transductores ambientales, presión, humedad, gases, etc. Este tipo de canal de adquisición provee de un interfaz estándar industrial para dotar al sistema de versatilidad.
Los canales de adquisición neumáticos se conectan a sensores de medida de presión diferencial capturando valores de presión en paséales (rango: -5000,5000Pa). La monitorización de este tipo de medidas se puede emplear con dos objetivos: medición y protección.
1. Medición:
La medición de la presión total y presión diferencial, permite conocer la presión y el caudal suministrado por el ventilador. El interés principal es para el control ambiental y el ahorro energético puesto que permitiría realizar un ajuste de la velocidad en función de la necesidad reduciendo el consumo.
2. Protección:
La medición de la presión diferencial permite determinar el estado de bombeo de los ventiladores. Se trata de una protección propia de los ventiladores que se puede implementar a través de una medida de presión diferencial. Los canales de adquisición de entradas digitales se conectan a contactos libre de potencial (contactos seco) y devuelven un valor "Todo-Nada". Se emplean para monitorizar señales provenientes por ejemplo de pulsadores de emergencia, un final de carrera, etc.
Los canales de adquisición de salidas digitales reciben valores "Todo-Nada" y su salida se conecta a contactos de relés libres de potencial. Se emplean para activar algún accionamiento, lámparas, sirenas, frenos, motores, etc.
Un ejemplo de estas señales eléctricas y neumáticas provenientes del ventilador puede ser: - Señales típicas de protección:
1. Temperaturas de rodamientos (PT100)
2. Protección de Temperatura de devanados (PTC)
3. Protección de vibraciones (4..20mA)
4. Protección anti-bombeo (neumática Todo-Nada)
- Señales típicas de medición para control ambiental:
1. Presión del ventilador (neumática Pa)
2. Caudal del ventilador (neumática m3/s)
3. Otras mediciones, gases CO, C02 ... ( 4..20mA)

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Sistema de adquisición y monitorizacion de señales eléctricas provenientes de dispositivos de ventilación, caracterizado porque comprende:
• un procesador que comprende medios de gestión de señales eléctricas y neumáticas provenientes de al menos un dispositivos de ventilación;
• una pluralidad de canales de adquisición de las señales provenientes del dispositivo de ventilación, conectados al procesador;
• un protocolo de comunicación con el dispositivo de ventilación para largas distancias y baja velocidad de transmisión de datos y un protocolo de comunicación con el dispositivo de ventilación para cortas distancias y alta velocidad de transmisión de datos;
• una memoria donde se almacenan datos de las señales provenientes del dispositivo de ventilación previamente digitalizadas y muestreadas;
• un conector multi-pin con alto grado de protección para la conexión eléctrica con el dispositivo de ventilación;
• una pluralidad de racores neumáticos automáticos para la conexión neumática con el dispositivo de ventilación; y,
• un conector con bornes de tornillo para la alimentación eléctrica y comunicación con el dispositivo de ventilación mediante el protocolo de comunicación para largas distancias y baja velocidad de transmisión de datos.
2. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 1 , caracterizado porque la pluralidad de canales de adquisición de las señales provenientes del dispositivo de ventilación están seleccionados entre al menos: - un canal de adquisición de señales de medida de temperatura;
- un canal de adquisición de señales de control de temperatura;
- un canal de adquisición de señales de medida de señal, un canal de adquisición de señales neumáticas;
- un canal de adquisición de entradas digitales; - un canal de adquisición de salidas digitales; y, - una combinación de los mismos.
3.- Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende medios de alimentación a 24Vcc.
4.- Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas para dispositivos de ventilación, según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende medios de alimentación auxiliares a tensión menor de 24Vcc.
5. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende una envolvente metálica con apantallamiento electromagnético con un nivel de protección IP≥66.
6. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 2, caracterizado porque el canal de adquisición de señales de medida de temperatura comprende al menos 6 subcanales de PT100.
7. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 2, caracterizado porque el canal de adquisición de señales de control de temperatura dispone de al menos 6 subcanales de PTC.
8. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 2, caracterizado porque el canal de adquisición de señales de medida de señal comprende al menos 9 canales analógicos de lectura a 4- 20mA.
9. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 2, caracterizado porque el canal de adquisición de señales neumáticas comprende 6 canales de medida de presión diferencial.
10. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 2, caracterizado porque el canal de adquisición de entrada digitales comprende medios de gestión para 8 canales de entrada digital libres de potencial.
1 1. - Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 2, caracterizado porque el canal de adquisición de salidas digitales comprende medios de gestión para 8 salidas a relé.
12.- Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende un conector de comunicaciones para la transmisión del protocolo para distancias cortas y alta velocidad de transmisión de datos.
13.- Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 12, caracterizado porque el protocolo para distancias largas y baja velocidad de transmisión de datos es un protocolo Modbus RTU y porque el protocolo para distancias cortas y alta velocidad de transmisión de datos es un protocolo Modbus TCP.
14.- Sistema de adquisición y monitorización de señales eléctricas de dispositivos de ventilación, según la reivindicación 1 , caracterizado porque los datos de las señales provenientes del dispositivo de ventilación muestreadas almacenados en la memoria tienen formato CSV.
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