FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROL

-Lazos Circuito abierto, Circuito cerrado

-Modos de control Control de 2 posiciónes Control por etapas Control flotante Control proporcional Control proporcional-integral Control proporcional-integral-derivativo

-Introducción Propósito de un Sistema HVAC

-Definición de sistemas de control Que es un Control

-Componentes de sistemas de Control-ControladoresVariables manipuladas

FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROL

-Controles de temperatura y sus aplicaciones convencionales -Componentes de un Control de Temperatura-Fan & Coil-Equipo Paquete-Controles de presión -Controles de humedad

-Actuadores -Compuertas -Válvulas -Casos prácticos en cálculo de compuertas y válvulas

-Instrumentación -Termostatos-Actuadores-Compuertas-Válvulas

-Instrumentación de Medición-Termómetros -Manómetros -Graficadores -etc.

El proprósito de este curso es describir que es un sistema de control (HVAC) y proporcionar las características y los

componentes de los sistemas de control automatico.

INTRODUCCION

Proveer y mantener un ambiente confortable dentro de

un edificio para los ocupantes y/o proceso.

DEFINICIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL

El control automático consiste en mantener un valor dentro de un punto de ajuste, midiendo el

valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizándo la diferencia para proceder

a reducirla. En consecuencia el control automático exige un lazo cerrado de acción y

reacción que funcione sin intervención humana.

COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA DE CONTROL

Valor Deseado (Set Point)

Valor Existente

22°

23°

21°

UN SISTEMA DE CONTROL HVAC AUTOMATIZADO SE COMPONE DE:

•Equipos Centrales (UMAs, UEA, TE, DX, Cajas VAV)

•Sistema de Control (Termostatos, Controladores, Estaciones de Trabajo, Software)

•Sensores y Actuadores (Temperatura, Humedad, Presión, Válvulas, Actuadores, Variadores de Frecuencia)

•Secuencias de Operación (Horarios, Estrategias de Control, Secuencias de Operación)

APLICACIONES Fan & Coil

Compuerta de Zona

Unidad Manejadora de Aire

Unidad Manejadora de Aire Multizona

Control de Humedad y Temperatura

Unidades Paquete

COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL

•El Actuador

•Serpentin A.H.

•La Medición

•El Control Automático

LAZO: CIRCUITO ABIERTO

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la acción de control es independiente a la entrada.

- La habilidad que éstos tienen para ejecutar una acción con exactitud está determinada por un control externo, el cual establece una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.

LAZO: CIRCUITO ABIERTO

VENTILADOR

SENSOR DE PRESION

CONTROLADOR

VARIADOR DE FRECUENCIA

FLUJO DE AIRE

(ENTRADA)

(SALIDA)

(SALIDA)

(ENTRADA)

LAZO: CIRCUITO CERRADO

Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman

comúnmente sistemas de control por

realimentación (o retroalimentación).

LAZO: CIRCUITO CERRADO

VENTILADOR

SENSOR DE PRESION

VARIADOR DE FRECUENCIA

FLUJO DE AIRE

(SALIDA)

(SALIDA)(ENTRADA)

¿QUÉ ES UN PUNTO DE CONTROL?

• Un punto es cualquier dispositivo o variable de entrada o salida empleado para controlar el equipo.

•Analógo Control con una señal específica de 4-20mA/0-10VDC/2-10VDC/135 Ohms

•Digital Control de 2 Posiciones (ON – OFF)

PUNTO ANALÓGICO

TB7980A1006

ENTRADA

Señal 4 – 20 mA/2-10 VDC/135 ohms

PUNTO DIGITAL

TERMOSTATO MODULANTE

SALIDA

ACTUADOR

ML7984A4009

ENTRADA

C437D1021

INTERRUPTOR DIFERENCIAL DE PRESION DE AIRE

SALIDA

ALARMAAUDIBLEO VISIBLE

Señal DigitalON-OFF

MODOS DE CONTROL

Los sistemas de control utilizan diferentes modos de control para lograr sus propósitos.

Los modos de control para aplicaciones comerciales son:

•Control en 2 Posiciones•Control por Pasos•Control Flotante•Control Proporcional•Control Proporcional-Integral•Control Proporcional-Integral-Derivativo

TIPOS DE SEÑALES

• DIGITALES– On/Off, Etapas– 0 ó 24 VDC– Pulsos– Flotante

• ANÁLOGAS– 0-5VDC– 0-10, 2-10VDC– 0-20, 4-20mA– 0-135 – 1K , 10K

off

on

20mA

0mA

CONTROL EN 2 POSICIONES ON/OFF

El elemento de control final ocupa una de dos posiciones posibles. Dos valores de la variable controlada (normalmente ON/OFF), determinan la

posición del elemento de control.

A medida que la variable de control alcanza uno de los dos valores, el elemento de control asume la posición que corresponde a las

demandas del controlador, y permanece ahí hasta que la variable de control cambia a otro valor.

El elemento de control se desplaza hacia la otra posición y permance ahí hasta que la variable controlada regresa al otro límiete.

SEÑAL DIGITAL

– 0 ó 24 VAC– 0 ó 24 VDC

off

on

CONTROL EN 2 POSICIONES

ON/OFF

Acción Directa e Inversa

Punto de Ajuste

Acción Directa:El diferencial se encuentra por encima del punto de ajuste.

Encendido

Apagado

Encendido

Acción Inversa:El diferencial se encuentra por debajo delpunto de ajuste.

CONTROL EN 2 POSICIONES ON/OFF

CONTROL POR ETAPAS

Los controladores por pasos operan interruptores o relevadores en secuencia para habilitar o deshabilitar

múltiples salidas, o etapas, de dispositivos de dos posiciones, tales como calentadores eléctricos y compresoras de

refrigeración recíproca.

En la figura se muestra como se pueden distribuir las etapas para operar con o sin traslape de los diferenciales de

operación (on/off). En este caso los diferenciales típicos de dos posiciones continúan existiendo pero la salida total es

proporcionada.

El control por pasos utiliza una señal proporcional para

intentar lograr una salida proporcional del equipo, el cual por lo regular es “on”

“off”.

CONTROL FLOTANTE

El control flotante es una variante en dos posiciones y a menudo se conoce como “control en tres posiciones”.

El control flotante requiere un actuador de movimiento lento y un sensor de respuesta rápida.

El control flotante mantiene el punto de control cerca del punto de ajuste en cualquier nivel de carga, y sólo se puede utilizar en sistemas con retraso mínimo entre el medio controlado y el sensor de control.

off

on

off

on

Terminales:Terminales:

(1)(1) ComúnComún

(2)(2) Gira a la derecha (abrir)Gira a la derecha (abrir)

(3)(3) Gira a la izquierda (cerrar)Gira a la izquierda (cerrar)

Tiempo de rotación: 100 SegundosTiempo de rotación: 100 Segundos

tt tt

Terminal (2) Terminal (3)Terminal (2) Terminal (3)

Ejemplo:Ejemplo:

Inicio: 0%; T(2)=20s, T(2)=30s, T(3)=15s, T(3)=12s, T(2)=35s; Final: 58%Inicio: 0%; T(2)=20s, T(2)=30s, T(3)=15s, T(3)=12s, T(2)=35s; Final: 58%

CONTROL FLOTANTE O 3 POSICIONES

SEÑAL DIGITAL

– 0 ó 24 VAC– 0 ó 24 VDC

CONTROL FLOTANTE

CONTROL PROPORCIONAL

En el control proporcional el elemento de control final se desplaza a una posición proporcional a la desviación del valor de la variable controlada del punto de ajuste. La posición del elemento de control final es una función lineal del valor de la variable controlada.

20 21 22 23 24

100%Abierto

50%Abierto

Cerrado

Punto de Control (°C)

Rango de Control

Posición Final delElemento de Control

10 V

2 V

Ley de ohm:Ley de ohm:

V= I x R; R = 500 V= I x R; R = 500 ΩΩ

V = 4mA x 500 V = 4mA x 500 Ω = 2 VΩ = 2 V

V = 20mA x 500 Ω = 10 VV = 20mA x 500 Ω = 10 V

100 %

0 %10 V2 V

CONTROL PROPORCIONAL SEÑAL

DIGITAL– 0 ó 24 VAC– 0 ó 24 VDC

CONTROL PROPORCIONAL - INTEGRAL

En el modo con control proporcional-integral (PI), el restablecimiento del punto de control es automático. El control PI elimina virtualmente la divergencia y hace que la banda proporcional sea casi invisible. Tan pronto como la variable controlada se desvía por arriva o por debajo del punto de ajuste y se produce divergencia, la banda proporcional cambia de manera gradual y automática, y la variable regresa al punto de ajuste.

La principal diferencia entre el control proporcional y el control PI es que el control proporcional está limitado a una sola posición del elemento de control final para cada valor de la variable controlada. El control PI cambia la posición de l elemento de control final para acomodar cambios de carga y, al mismo tiempo, mantiene el punto de control en el punto de ajuste o muy cerca de él.

CONTROL PROPORCIONAL – INTEGRAL - DERIVATIVO

El control Proporcional-Integral-Derivativo (PID) añade la función derivada al control PI. Esta función opone cualquier cambio y es proporcional al rango de cambio. Cuanto más rápido cambia el punto de control, mayor acción correctiva proporciona el sistema PID.

Si el punto de control se aleja del punto de ajuste, la función derivada emite una acción correctiva para que el punto de control regrese más rápido que a través de la acción integral por sí sola. Si el punto de control se acerca al punto de ajuste, la función derivada reduce la acción correctiva para que se acerque de manera más lenta al punto de ajuste, lo cual reduce la posibilidad de sobrecalentamiento.

GRAFICAS COMPARATIVAS DE LA SEÑAL DE CONTROL

T1 T2 T3 T4 T5 T6

PuntoFinal

Tiempo

Punto de Control

Compensación

T1 T2 T3 T4 T5 T6

PuntoFinal

Tiempo

Punto de Control

Compensación

T1 T2 T3 T4 T5 T6

PuntoFinal

Tiempo

Punto de Control

Compensación

CONTROLPROPORCIONAL

CONTROLPI

CONTROLPID

CONTROLES DE TEMPERATURA Y SUS APLICACIONES CONVENCIONALES

Los controladores reciben las entradas de los sensores. El

controlador opera la señal de entrada con la condición

deseada, o un punto de ajuste, y genera una señal de salida

para operar un dispositivo controlado. El controlador

puede tener un sensor integrado, por ejemplo, un

termostato, o éste puede estar ubicado a cierta distancia del

controlador.

SENSOR

CONTROLADOR

DISPOSITIVOSCONTROLADOS

COMPONENTES QUE CONSTITUYEN UN CONTROL DE TEMPERATURA

EL SENSOR

Detecta alguna condición y respondecon algún cambio físico

EL ENLACE

Transmite y amplifica el cambio identificado por el sensor y proporciona un medio para calibrarse en la fábrica y ajustarse en campo.

EL RESULTADO FINAL

Envía la señal de salida a un mecanismo.

El Control Terminado

Sensor

Enlace

Resultado final(Salida)

+

-

Fan&Coil

Características

Control manual de las tres velocidades del ventilador y posición de apagado

Ajuste de temperatura por medio de botones digitales y/o perilla con un rango de 15°C a 30°C

Alimentación a 24VAC, 120VAC o 220 VAC

Opciones disponibles: Frio, Frio y Calor con cambio manual y/o Automático.

APLICACIÓN FAN & COIL

Enfriamiento

Calefaccion Enfriamiento

Arranque / Paro

Fan

Control de Velocidades Automatico y

manual

T6573A1031 T6575C1001

Características

Control manual y/o automático del ventilador (1 velocidad).

Ajuste de temperatura por medio de botones digitales y/o perilla con un rango de 15°C a 30°C.

Alimentación a 24VAC y/o 120VAC.

Opciones disponibles: Frio, Frio y Calor, Multietapas con cambio Manual y/o Automático, y Control para Bomba de Calor.

+

-

EXPANSION DIRECTA

CONTROLES DE HUMEDADLos elementos que miden la humedad relativa por lo regular son mecánicos o electrónicos. Los elementos mecánicos se

expanden y contraen a medida que cambia el nivel de humedad y se denominan elementos “higroscópicos”, el

elemento que más se utiliza es el naylon, a medida que cambia el contenido de humedad en el aire circundante, el elemento

de naylon absorve o libera humedad, expandiéndose o contrayéndose, respectivamente. El movimiento del elemento

opera el mecanismo del controlador.

La medición electrónica de la humedad relativa es rápida y precisa. Un sensor electrónico de humedad relativa responde al

cambio de humedad cambiando ya sea la resistencia o capacitancia del elemento.

CONTROLES DE HUMEDAD

Los sensores de humedad NO se deben utilizar en atmósferas con grandes variaciones de temperatura,

HUMIDOSTATO

INTERRUPTOR

SE CIERRA AL BAJAR LA HR

SE CIERRA AL SUBIR LA HR

VERANO INVIERNO

DESHUMIDIFICADOR HUMIDIFICADOR

W

B

R

CONTROLES DE PRESION

Los sensores de presión responden a la presión de un vacío perfecto (sensores de presión absoluta), a la presión atmosférica (sensores de presión manométrica), o a la presión de un segundo sistema (sensores de presión diferencial), tal como la presión dentro de un serpentín o filtro. Los sensores de presión miden la presión de un gas o líquido en líbras por pulgada cuadrada. La baja presión por lo regular se mide en pulgadas de agua. La presión puede ser generada por un ventilador, una bomba o condensador, una caldera u otros medios.

Los controladores de presión utilizan fuelles, diafragmas o dispositivos sensores de presión similares. El medio bajo presión es transmitido directamente al dispositivo, y el movimiento del dispositivo sensible a la presión opera el mecanismo de un controlador conmutador neumático o eléctrico. Algunas variaciones de sensores de presión miden el rango y cantidad de flujo, el nivel de líquido y la presión estática. Los sensores en estado sólido pueden utilizar el efecto de piezoresistencia, donde el aumento de la presión ejercida sobre cristales de silicio produce cambios de resistencia en los cristales.

ACTUADORES

Un Actuador es un dispositivo que convierte energía eléctrica o neumática en una acción giratoria o lineal. El actuador produce un cambio en la variable controlada, operando diversos dispositivos de control final, tales como válvulas y compuertas.

En general, los actuadores neumáticos proveen acción proporcional o moduladora, lo que significa que pueden mantener cualquier posición en función de la presión del aire que se les suministra. Los actuadores electrónicos son actuadores eléctricos con control proporcional, son bidireccionales, es decir giran en una dirección para abrir la válvula o la compuerta, y en la otra dirección para cerrarlas. Algunos actuadores requieren energía para cada dirección de recorrido, otros se alimentan en una dirección y almacenan energía en un resorte para el recorrido de retorno.

ACTUADORES

ML7984A4009

ACTUADOR PARA VÁLVULA

ACTUADOR PARA FAN & COIL

VC4011

ACTUADOR PARA COMPUERTA

ML6161A2009

COMPUERTAS

Las compuertas son dispositivos de control instaladas en sistemas de aire acondicionado para regular el paso del flujo de aire que se desea suministrar.Existen compuertas normalmente abiertas o normalmente cerradas, estas a su vez son manipuladas por medio de un motor actuador que es controlado según los requerimientos del sistema.

VÁLVULASLa Válvula de Control es Básicamente un Orificio Variable por efecto de un Actuador

Esta Válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y

posteriormente la transforma (Actuador) en una de tipo mecánica

que incide en el cabezal (Cuerpo de la Válvula)

ACTUADOR CUERPO

Válvula

Señal deControl

Caudal

X = Desplazamiento

u x F

INSTRUMENTACION DE MEDICIÓNEs el Grupo de Elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los

recursos utilizados en éste.

En otras palabras la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que esta sucediendo en determinado proceso, nos sirve para actuar sobre algúnos parámetros del sistema.

Algunos instrumentos de medición:

•Termómetros

•Manómetros

•Graficadores

•Flujómetros

•Etc.

INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN

De acuerdo con las normas SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), PMC20, las características de mayor importancia, para los instrumentos son:

•CAMPO DE MEDIDA O RANGO (RANGE): Es el conjunto de valores dentro de los límites superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable. Por ejemplo, un termómetro de mercurio con rango de 0 a 50 °C.•ALCANCE (SPAN): Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida. Para el caso del termómetro del ejemplo, el SPAN será de 50°C.•ERROR: Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento.

INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN

•PRECISIÓN: Esto es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o controlar el instrumento. En otras palabras, es la mínima división de escala de un instrumento indicador. Generalmente se expresa en porcentaje (%) del SPAN.•ZONA MUERTA (DEAD BAND): Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o control.•SENSIBILIDAD: Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el cambio en el proceso que causa este efecto.•REPETIBILIDAD: Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medición, de un mismo valor de la variable real en una única dirección de medición.•HISTERESIS: Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se efectuará en ambas direcciónes.

INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIÓN

•CAMPO DE MEDIDA CON SUPRESIÓN DE CERO: Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la variable.•CAMPO DE MEDIDA CON ELEVACIÓN DE CERO: Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables.

TERMÓMETROS

El termómetro es un instrumento de medición de la temperatura, que usa el principio de la dilatación, por lo que se prefiere el uso de materiales con un coeficiente de dilatación alto de modo que, al aumentar la temperatura, la dilatación del material sea fácilmente visible.

MANÓMETROS•Un manoscopio o manómetro es un aparato que sirve para medir la presión de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los metálicos.

Los manómetros de líquidos emplean, por lo general, como líquido manométrico el mercurio, que llena parcialmente un tubo en forma de U.

En los manómetros metálicos la presión da lugar a deformaciones en una cavidad o tubo metálico, denominado tubo de Bourdon en honor a su inventor. Estas deformaciones se transmiten a través de un sistema mecánico a una aguja que marca directamente la presión sobre una escala graduada.

GRAFICADORES

Los graficadores son instrumentos de medición que registran los valores medidos a través del tiempo en una grafica circular la cual va girando conforme transcurre el tiempo en la dirección que se requiera CW o CCW, estos registran por medio de una abuja (manipulada por el elemento sensor) que escribe sobre el papel circular. Actualmente también podemos encontrar graficadores electrónicos digitales.

INTERRUPTORES DE FLUJO

Los interruptores detectan el flujo de un caudal líquido y lo transforman en una salida digital. Haciendo un permisivo para el arranque y paro de un equipo.

Un interruptor de flujo sencillo consta de una aleta o paleta introducida en un medio. La paleta se flexiona a medida que el medio fluye, indicando que está fluyendo en cierta dirección.

ESTAMOS PARA SERVIRTEEN NUESTRAS SUCURSALES

MÉXICO:Playa Tecolutla N°. 543, Col. Reforma Iztaccihuatl Sur C.P.

08840 Deleg. Iztacalco.TELS. (55) 5634 7147 (55) 5634 6953

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Selva. TELS. (777) 318 5081, 82 Y 83

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FIN

CONTROL PROPORCIONALLa salida del controlador es proporcional a la desviación del

punto de control con respecto al punto de ajuste. Un controlador proporcional se puede describir en términos

matemáticos de la siguiente manera:

V = KE + M

V = Señal de SalidaK = Constante de Proporcionalidad (Ganancia)E = Desviación (Punto de Control – Punto de Ajuste)M = Valor de la Salida Cuando la Desviación es Cero

CONTROL PROPORCIONAL - INTEGRAL

El control PI agrega un componente al algoritmo del control proporcional. En términos matemáticos se describe de la siguiente manera:

V = KE + E dt + M

V = Señal de SalidaK = Constante de Proporcionalidad (Ganancia)E = Desviación (Punto de Control – Punto de Ajuste)T1 = Tiempo de RestablecimientoK/T1 = Ganancia de Restablecimientodt = Diferencial de TiempoM = Valor de la Salida Cuando la Desviación es Cero

KT1f

INTEGRAL

CONTROL PROPORCIONAL – INTEGRAL - DERIVATIVO

La expresión matemática completa para el control PID es la siguiente:

V = KE + E dt + KTD + M

V = Señal de Salida K = Constante de Proporcionalidad (Ganancia)E = Desviación (Punto de Control – Punto de Ajuste)T1 = Tiempo de RestablecimientoK/T1 = Ganancia de Restablecimientodt = Diferencial de TiempoTD = Tiempo de Relación (Intervalo en el cual la derivada acelera el efecto de la acción proporcional).KTD = Constante de ganancia de RelacióndE/dt = Derivada de la desviación con respecto al tiempo (relación del cambio de la señal de error).M = Valor de la Salida Cuando la Desviación es Cero

KT1f

INTEGRAL

dEdt

DERIVATIVAPROPORCIONAL