Capítulo 3. Reguladores - ELAI-UPM

FUNCIONES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
- Función básica:
Mantener las condiciones ambientales del local
(temperatura, humedad, etc.) en valores próximos a los de
diseño con independencia de:
ƒ Las condiciones exteriores y
ƒ Las cargas térmicas interiores.
Capítulo 3. Reguladores
- Las instalaciones se diseñan para combatir una determinada
carga máxima de diseño y la mayor parte del tiempo trabajan con
carga parcial.
- Ejemplo:
3-1
-
Otras funciones:
tEXT=30ºC
tL=23 ºC
tL=23 ºC
100 personas
25 personas
Carga máxima
Carga parcial
3-2
3. Desconexión programada
1. Programación
Modificación el valor de consigna de una variable en función
del tiempo de acuerdo a un programa preestablecido.
Ejemplo:
tEXT=40ºC
Disminución de la temperatura de los locales
durante la noche.
Dejar fuera de servicio un equipo por diferentes motivos:
- Cuando no sea necesario (Ejemplo: local desocupado).
- Sobrecoste.
- Demanda de potencia excesiva.
4. Seguridad
2. Ahorro de energía
Elección un modo de operación que, en función de
determinadas condiciones, permita reducir el consumo
energético de la instalación
Parada de los equipos cuando las condiciones de operación
sean peligrosas para ellos o para las propias personas.
Ejemplo: fallo en el quemador de una caldera.
5. Mantenimiento
Ejemplo:
Enfriamiento gratuito con aire exterior en
régimen de refrigeración.
Proporcionar información de las condiciones de operación o
activar alarmas en caso de funcionamiento anómalo.
3-3
3-4
Sistema de control de calentamiento de aire en lazo cerrado
Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado
Regulador
Temperatura
de consigna
Valor o punto
de consigna:
temperatura
R
Actuador
Sensor de
temperatura
Variable operada
o manipulada:
caudal de agua
Señal de
control
Variable controlada:
temperatura
de impulsión
Suministro de
agua caliente
Válvula de
dos vías
-
Error
T
+
Batería de
calentamiento
Flujo de
aire
Actuador
(válvula)
Controlador
Proceso
(calefacción)
tI
Comparador
Variables de
perturbación:
Ej: tEXT
Regulador
Retorno de
agua caliente
Realimentación
Sensor de
temperatura
3-5
Ejemplo: regulación automática de la temperatura de A.C.S
3-6
Lazo abierto
- No utiliza realimentación.
Regulador
R
T
- Ejemplo:
Temperatura
de consigna
Controlador
Temperatura
exterior
C
Sonda termométrica
Aire
exterior
Agua caliente
de la caldera
Compuerta
Válvula mezcladora
de tres vías
- Diagrama de bloques:
Agua fría de la red
de suministro
Sensor
(temperatura)
3-7
Controlador
Actuador
(compuerta)
Proceso
(flujo de aire)
3-8
Ejemplo: limitación de presión
Acción TODO-NADA pura (ON-OFF)
- La señal de control sólo tiene dos estados y cambia de uno a otro
cuando el error cambia de signo.
Variable controlada
Señal de control
Válvula abierta
ON
Consigna
Válvula cerrada
OFF
Consigna
Tiempo
Variable
controlada
- La variable controlada no fluctúa alrededor del valor de consigna.
- Sólo se utiliza en dispositivos de seguridad y protección.
3-9
3-10
(Fuente: Kilian. Modern control technology).
Variable controlada
- La señal de control cambia de estado cuando el error supera un
determinado umbral.
Señal de control
Banda
inactiva
Consigna
Acción TODO-NADA con banda inactiva
Válvula abierta
Banda
inactiva
Señal de control
ON
Banda de
operación
Tiempo
ON
Válvula
cerrada
OFF
Tiempo
OFF
Consigna
- La variable controlada fluctúa alrededor del valor de consigna.
Variable
controlada
3-11
- Se utiliza en multitud de dispositivos (termostatos, válvulas de
solenoide, interruptores eléctricos, etc).
3-12
Regulador ON-OFF puro
Regulador ON-OFF con banda diferencial
Contactos
Tornillo de ajuste
Contactos
Imán
Regulador ON-OFF comercial
Estado del
contacto
Cerrado
Abierto
t1
t2
Temperatura
3-13
3-14
Acción TODO-PARO-NADA
- La señal de control puede tener tres estados distintos, que a su
ver determinan tres posiciones del actuador.
- Ejemplo: compuerta de aire
Señal de
control
Posición de la
compuerta
TODO
Completamente abierta
PARO
Parcialmente abierta
NADA
Completamente cerrada
Compuerta
Motor eléctrico
3-15
Fuente: Honeywell
3-16
Ejemplo: regulación de la presión estática en un conducto
Acción proporcional (P)
Regulador
La señal de control es proporcional al error:
R
PREF
PE
Variable controlada
SC = S0 + K P e
Flujo de
aire
Compuerta
Donde:
Consigna
Banda
inactiva
Presión estática
Abierta
Apertura de
la compuerta
Offset
Valor de
consigna
P
SC
Señal de control
KP
Ganancia proporcional
e
Error = Variable controlada - Valor de consigna
S0
Valor de la señal de control cuando e=0
(normalmente se ajusta para que el actuador
trabaje abierto al 50%)
Tiempo
Cerrada
3-17
Tiempo
Función de transferencia de un regulador proporcional de
acción directa
Definiciones
El margen de estrangulamiento es el intervalo de valores de la
variable controlada que hace que la salida del regulador sea igual
al margen de ajuste.
Banda de ajuste
Señal de control, SC
Margen de ajuste
3-18
SC2
La banda proporcional (BP) se define como el cociente entre la
banda de estrangulamiento y la banda de operación del sensor,
normalmente expresada en tanto por ciento:
BP (%) = 100
SC1
Banda de estrangulamiento
Banda de operación del sensor
El margen de ajuste es el intervalo de valores de la señal de
control que hace que el actuador pase de estar completamente
abierto a estar completamente cerrado.
X1
Banda proporcional
X2
Variable controlada
Margen de estrangulamiento
3-19
3-20
Función de transferencia de un regulador proporcional de
acción inversa
Posición normal de un actuador
La posición normal de un actuador es el estado que adopta
cuando la salida del regulador es nula.
Señal de control, SC
Banda de ajuste
Margen de ajuste
Tipos:
SC1
- Normalmente abierto (NA) o cerrado (NC)
Aire comprimido
Muelle
SC2
X1
Banda proporcional
X2
Variable controlada
Entrada
Salida
Margen de estrangulamiento
NA
3-21
Actuador normalmente abierto (NA)
NC
3-22
Actuador normalmente cerrado (NC)
Apertura [%]
Apertura [%]
100
100
0
0
SC1
SC2
Señal de control
Margen de ajuste
SC1
SC2
Señal de control
Margen de ajuste
3-23
3-24
Regulador
Regulador
R
Consigna
Válvula
Calentamiento de aire
y
y
T
válvula NC
Batería de
calentamiento
Apertura [%]
Válvula
Calentamiento de aire
T
válvula NA
Batería de
calentamiento
Señal de control, SC
Señal de control, SC
Apertura [%]
SC2
100
SC1
100
NA
R
Consigna
Acción directa
Acción inversa
NC
SC1
SC2
0
0
SC1
SC2
SC
t1
t2
Temperatura
SC1
SC2
t1
SC
t2
3-25
3-26
Regulador
Regulador
R
Consigna
Enfriamiento de aire
Enfriamiento de aire
Batería de
enfriamiento
Señal de control, SC
Apertura [%]
Señal de control, SC
SC1
100
T
válvula NC
Batería de
enfriamiento
Apertura [%]
Válvula
y
T
válvula NA
R
Consigna
Válvula
y
SC2
100
Acción directa
Acción inversa
NA
Temperatura
NC
SC1
SC2
0
0
SC1
SC2
SC
t1
t2
Temperatura
3-27
SC1
SC2
SC
t1
t2
Temperatura
3-28
Acción del regulador
Posición Normal
NA
NC
Calentamiento
Directa
Inversa
Enfriamiento
Inversa
Directa
Aplicación
3-29
3-30
REGULACIÓN EN CASCADA
- Como valor de consigna del lazo de control se utiliza la señal de
control de otro regulador.
Consigna 1
Salida 1 / Consigna 2
R1
Sensor 1
R2
Salida 2
Sensor 2
Regulador
principal
3-31
Regulador
secundario
3-32
Compensación de consigna
Ejemplo: regulación de la temperatura del aire de impulsión
- Permite modificar en valor de consigna en función de otra
variable diferente de la que estamos regulando.
tL
- Ejemplo:
Aire de
retorno
Modificación de la temperatura del agua caliente de una caldera en
función de la temperatura exterior.
LOCAL
Batería de
calentamiento
Temperatura del agua, ºC
90
Aire de
impulsión
tI
R
55
R
Consigna tI
Consigna tL
-15
3-33
Temperatura exterior, ºC
3-34
Ejemplo: Compensación de la temperatura de impulsión en
función de la temperatura exterior.
Algoritmo implementado en un microprocesador
Temperatura
exterior
15
Compensador de consigna
Consigna
75
Temp. Ext.
Regulador
Consigna
Apertura (%)
Variable
controlada
Actuador
Válvula
Temperatura
Proceso
del agua
controlado Suministro
de agua
caliente
Variable
medida
Vapor
Flujo
Intercambiador de
calor vapor-agua
Agente de
control
Variable
manipulada
Retorno
de agua
caliente
(Fuente: Honeywell)
3-35
(Fuente: Honeywell)
3-36
Selección de señales
Limitación de señales
- Permite elegir el valor de consigna entre varias señales de
entrada según un determinado criterio.
- Impide que una señal sobrepase el valor por motivos de diseño o
de seguridad.
- Ejemplo: limitación de la humedad de impulsión
Ejemplo: regulación de una batería de enfriamiento.
Humedad impulsada
Batería de
enfriamiento
80%
Sensor de temperatura
Consigna
R
Selector
Sensor de humedad
Consigna
R
80%
Máxima demanda
de frío (mayor apertura)
Humedad necesaria
3-37
- Ejemplo: limitación de la temperatura de impulsión
3-38
Secuenciamiento de procesos
Consiste en controlar sucesivamente dos o más actuadores con un
mismo regulador.
tL
Ejemplo:
Acción directa
Aire de retorno
R
LOCAL
Batería de
enfriamiento
Aire de impulsión
NA
(carga térmica
mayor que la de
diseño)
Consigna
NC
T
tI
R
Limitador
R
Batería de
calentamiento
Consigna
3-39
Batería de
enfriamiento
3-40
Apertura [%]
100
Batería de
calentamiento
(Válvula NA)
Batería de
enfriamiento
(Válvula NC)
0
Señal de control
3-41
3-42
Ejemplo: secuenciamiento con múltiples etapas
CONTROL POR ETAPAS
- Consiste en operar varios equipos de manera secuencial en
función de la variable controlada.
Etapas de calentamiento
eléctrico
(Fuente: Honeywell)
Etapas de enfriamiento
con baterías de
expansión directa
3-43
(Fuente: Honeywell)
3-44
Ejemplo:
3.6 REGULADORES DIGITALES
Regulador digital
Utilizan procesadores y cálculo digital.
Consigna
Control digital directo (DDC).
A/D
Microprocesador
Proceso básico de control:
D/A
A/D
Leen señales electrónicas de los sensores y las convierten a
digitales.
Actuador
T
Sensor
Realizan operaciones lógicas o matemáticas de control (P, PI,
PID, etc) con programas almacenados en memoria.
Convierten las señales digitales en señales de control para los
actuadores.
3-45
3-46
Múltiples bucles de control en un solo regulador
UTA 1: Control de la presión
estática
Alarmas
Entrada
UTA-1: Control de la
temperatura de impulsión
Entrada
Bucle 1
Bucle 4
Salida
Salida
Flexibilidad
Coste elevado
pequeños
Secuencias de control sofisticadas
“Cajas negras”
Precisión y repetibilidad
Más difíciles de entender, aplicar y
operar
Gestión energética
Bucle 3
Salida
Bajo coste por función
Monitorización y control remotos
Entrada
Bucle 2
Desventajas:
Comunicaciones
Regulador digital
Entrada
Ventajas:
Alarmas
Salida
para
sistemas
Operadores especializados
Interoperatividad
(incompatibilidad
entre componentes de diferentes
fabricantes)
Mantenimiento preventivo
UTA-1: Control de la
humedad
Control del “free-cooling”
Registros históricos de operación
Comunicaciones
3-47
3-48
3.6.1 CONFIGURACIÓN
Listado de Puntos
Reloj
EEPROM
REGULADOR
DIGITAL
Microprocesador
RAM
- Entradas analógicas (sensores y transductores):
0-10V, 4-20mA
- Salidas analógicas (actuadores y transductores):
0-10V, 4-20mA
PUNTOS
Puerto de
comunicaciones
Entradas y
salidas
binarias
Acondicionamiento
de señal y
conversor A/D
Multiplexador
de entrada
Conversor D/A
Multiplexador
de salida
- Entradas binarias (digitales):
Señales
digitales
Dos estados: abierto/cerrado, ON/OFF, etc.
Estado de los equipos (ventilador, bomba,
compuerta, etc.)
Sensores y
transductores
-Salidas binarias (digitales):
Actuadores y
transductores
Dos estados: abierto/cerrado, ON/OFF, etc.
Control ON/OFF (motor, válvula, compuerta,
etc.)
3-49
3.6.2 SOFTWARE
3-50
SOFTWARE DDC
-Tipos:
Operadores
Descripción
- Sistema operativo
Acciones de control
Algoritmos P, PI, PID, etc.
- Rutinas de programación horaria
Acción directa/inversa
Permite cambiar la salida del regulador para
adecuarse a la acción requerida por el actuador
Escala
Traslada una salida analógica de una escala a otra.
Salida digital controlada por
entrada analógica
Permite cambiar el valor de una salida digital
cuando una entrada analógica alcanza un cierto
valor.
- Operación (“firmware”)
- Multiplexación de entrada/salida
- Gestión de interrupciones
- Conversión A/D y D/A
- Acceso y visualización de variables del programa de control
- Aplicación
También puede asignarse una banda inactiva.
- DDC
Salida analógica controlada
por entrada digital
- Gestión energética
El estado de la señal digital permite seleccionar una
salida analógica entre dos entradas analógicas
- Gestión de alarmas, monitorización, etc.
3-51
3-52
SOFTWARE DE GESTIÓN ENERGÉTICA
SOFTWARE DDC
Operadores
Descripción
Salida analógica controlada Igual que el anterior, pero en este caso el valor y la
por entrada analógica
variación de una entrada analógica permite
seleccionar entre dos señales analógicas de entrada.
Entrada máxima
Selecciona el máximo de varias entradas analógicas
para una salida analógica.
Entrada mínima
Selecciona el mínimo de varias entradas analógicas
para una salida analógica.
Retardo
Permite incluir retardos en distintos lugares del
programa.
Otras
- Puede desarrollarse a partir de operadores DDC, funciones matemáticas o de
calendario, etc, o puede programarse con subrutinas independientes.
- Ejemplo: arranque óptimo
Tiempo ajustable
On
Off
27
24
21
18
Temperatura
interior (ºC)
Rutinas de cálculo (Ej: cálculo de la entalpía)
8:00
10:00 12:00
Ocupación
normal
Funciones matemáticas
Tiempo/calendario (Ej: programación horaria)
6:00
Etc.
Refrigeración
Zona de
confort
Calefacción
6:00
8:00
10:00 12:00
3-53
- Ejemplo: parada óptima
3-54
- Ejemplo: ciclo nocturno.
Mantiene una temperatura mínima (invierno) o máxima (verano) durante la noche
Tiempo de
parada
Arranque
óptimo
Parada óptima
UTA On
Ocupación normal
Verano
Temperatura
interior (ºC)
Invierno
Banda de
control
UTA Off
16:30 17:00
8:00
Edificio desocupado
Zona de confort
Consigna diurna
22
Temperatura
interior ºC
19
16
17:00
3-55
0:00
8:00
Consigna nocturna
(invierno)
3-56
- Ejemplo: banda de “energía cero”
- Ejemplo: “preenfriamiento” nocturno (verano)
Zona de confort
- Ejemplo: “free-cooling” (locales que requieren refrigeración todo el año)
Calefacción
?
Sí
Temperatura de
retorno
Aumentar la
proporción de aire
exterior
100%
Aire exterior
mínimo
0%
Refrigeración
Operación
¿
Temperatura
exterior
Sólo ventilación
No
21
23
24
Temperatura, ºC
3-57
3.6.3 PROGRAMACIÓN
3-58
Programación clásica
Programación clásica (poco usada)
-Ventajas
Ejemplo:
100
105
110
120
130
500
510
520
530
540
600
610
620
2000
25.5
-Programación de cualquier acción de control
C***ECONOMIZER OUTDOOR AIR DAMPER CONTROL
C***SHUT DAMPER WHEN FAN IS OFF
IF (FANDPS.EQ.ON) THEN GOTO 510
SET (0,OADMPR)
GOTO 1000
C***SHUT OFF ECONOMIZER WHEN OAT>65
DBSWIT (1, OATTEMP, 63, 65, $LOC3)
IF ($LOC3) THEN GOTO 610
SET (20, OADMPR)
GOTO 2000
C***OUTDOOR AIR DAMPER, N.C., 0 TO 100%
LOOP (128, MATEMP, $LOC1, 55, 10, 30, 0, 50.0, 0, 100, 0)
MAX (OADAMPR, $LOC1, 20)
C***END OF ECONOMIZER CONTROL
-Potente y flexible
- Desventajas:
-Programadores especializados
-Programación intensiva
-Depuración tediosa
-Difícil de entender para los usuarios
3-59
3-60
Programación gráfica
Programas específicos
Ejemplo:
Ejemplo:
Pregunta
Respuesta
21. ¿Control la batería? (s/n)
s
22. Tipo de batería: (seleccionar a, b)
a
a. Agua caliente
b. Agua enfriada
23. Tipo de control: (seleccionar a, b, c, o d)
a
a. Dos posiciones
b. P
PID
1. Selección de una batería
de enfriamiento controlada
por una válvula de dos vías.
2. Selección de aire de
impulsión y colocación del
sensor
c. PI
3. Selección del modo de
control
d. PID
24. Valor de consigna (_ºC)
50ºC
3-61
3-62
3.7.1 ARQUITECTURA DISTRIBUIDA
3.7 GESTIÓN AUTOMATIZADA EN EDIFICIOS
Gestión
Eficiencia
energética
Periféricos
PC
Red Ethernet
Operación
Periféricos
PC
Comunicaciones
Control
centralizado
Sistema
RD
Seguridad
Zona
RD
RD
A
sensores
y
RD
actuadores
RD
Sensor
Confort térmico
RD
RD
PC
RD
RD
A
sensores
y
actuadores
RD
A sensores y
actuadores
RD
A sensores y
actuadores
RD
Actuador
3-63
3-64
3.7.2 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN
Ejemplo:
- Tipos:
ƒ Estandarizados: publicados y controlados por organismos de
estandarización (permiten la comunicación entre equipos de
diferentes compañías).
Ejemplos:
X10 (corrientes portadoras), BACnet (ASHRAE),
LonTalk (EIA) , HES (ISO/IEC), etc.
ƒ Propietarios: publicados, o no, y controlados por una compañía (sólo
se comunican entre sí equipos de la misma compañía).
Ejemplos:
Simon VIS (Simon S.A.)
Amigo (Schneider Electric)
Hometronic (Honeywell)
- Pasarelas: permiten integrar estos protocolos en otras redes, por ejemplo, en
internet que usa TCP/IP.
(Fuente: ASHRAE)
3-65
3-66