FUNCIONES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL - … · 3-41 Apertura [%] Señal de control 100 0 Batería de...

3-1

Capítulo 3. Reguladores

3-2

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:

Las condiciones exteriores y

Las cargas térmicas interiores.

- Las instalaciones se diseñan para combatir una determinada carga máxima de diseño y la mayor parte del tiempo trabajan con carga parcial.

- Ejemplo:

tL=23 ºC

100 personas

Carga máxima

tEXT=40ºC

tL=23 ºC

25 personas

Carga parcial

tEXT=30ºC

3-3

- Otras funciones:

1. Programación

Modificación el valor de consigna de una variable en función del tiempo de acuerdo a un programa preestablecido.

Ejemplo: Disminución de la temperatura de los locales durante la noche.

2. Ahorro de energía

Elección un modo de operación que, en función de determinadas condiciones, permita reducir el consumo energético de la instalación

Ejemplo: Enfriamiento gratuito con aire exterior en régimen de refrigeración.

3-4

3. Desconexión programada

Dejar fuera de servicio un equipo por diferentes motivos:- Cuando no sea necesario (Ejemplo: local desocupado).- Sobrecoste.- Demanda de potencia excesiva.

4. Seguridad

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

Proporcionar información de las condiciones de operación o activar alarmas en caso de funcionamiento anómalo.

3-5

Temperatura de consigna

T

Suministro de agua caliente

Actuador

Flujo de aire

Regulador

Sensor de temperatura

Batería de calentamiento

R

Válvula de dos vías

Retorno de agua caliente

Sistema de control de calentamiento de aire en lazo cerrado

3-6

Valor o punto de consigna:temperatura

Variable controlada: temperatura de impulsión

ControladorActuador(válvula)

-

+

Regulador

Error

RealimentaciónSensor detemperatura

Proceso(calefacción)

tI

Variable operada o manipulada: caudal de agua

Comparador

Variables de perturbación:

Ej: tEXT

Señal de control

Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado

3-7

Ejemplo: regulación automática de la temperatura de A.C.S

ReguladorTemperatura de consigna

TAgua caliente de la caldera

Válvula mezcladora de tres vías

Sonda termométrica

R

Agua fría de la red de suministro

3-8

Lazo abierto

- No utiliza realimentación.

- Ejemplo:

C

CompuertaAire exterior

Temperatura exterior

Controlador

ControladorActuador

(compuerta)Proceso

(flujo de aire)Sensor

(temperatura)

- Diagrama de bloques:

3-9

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.

Señal de control

Variable controlada

Válvula abierta

Válvula cerrada

Consigna

ON

OFF

Variable controlada

Tiempo

Consigna

- La variable controlada no fluctúa alrededor del valor de consigna.

- Sólo se utiliza en dispositivos de seguridad y protección.

3-10(Fuente: Kilian. Modern control technology).

Ejemplo: limitación de presión

3-11

Acción TODO-NADA con banda inactiva

- La señal de control cambia de estado cuando el error supera un determinado umbral.

Señal de control

Variable controlada

ON

OFF

Consigna

Banda inactiva Válvula abierta

Válvula cerrada

3-12

- La variable controlada fluctúa alrededor del valor de consigna.

- Se utiliza en multitud de dispositivos (termostatos, válvulas de solenoide, interruptores eléctricos, etc).

Variable controlada

Tiempo

Con

sign

a

Banda inactiva

Banda de operación

Tiempo

ON

OFF

Señal de control

3-13

Contactos

Tornillo de ajuste

Imán

Estado del contacto

Cerrado

AbiertoTemperaturat1 t2

Regulador ON-OFF con banda diferencial

Contactos

Regulador ON-OFF puro

Regulador ON-OFF comercial

3-14

3-15 3-16

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

Completamente cerradaNADA

Parcialmente abiertaPARO

Completamente abiertaTODO

Posición de la compuerta

Señal de control

Motor eléctrico

Fuente: Honeywell

Compuerta

3-17

Ejemplo: regulación de la presión estática en un conducto

Banda inactiva

Consigna

Presión estática

Apertura de la compuerta

Abierta

Cerrada

Tiempo

R

Compuerta

Regulador

PEPREF

Flujo de aire

R

Compuerta

Regulador

PEPREF

Flujo de aire

3-18

Acción proporcional (P)

La señal de control es proporcional al error:

Donde:

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 actuadortrabaje abierto al 50%)

eKSS PC += 0

Variable controlada

Tiempo

Valor de consigna

Offset

P

3-19

Función de transferencia de un regulador proporcional de acción directa

Señal de control, SC

Variable controlada

SC2

SC1

X1 X2Banda proporcional

Mar

gen

de a

just

e

Ban

da d

e aj

uste

Margen de estrangulamiento3-20

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.

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:

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.

sensordeloperacióndeBandamientoestranguladeBandaBP 100(%) =

3-21

Función de transferencia de un regulador proporcional de acción inversa


Variable controlada

SC1

SC2

X1 X2Banda proporcional

Mar

gen

de a

just

e

Ban

da d

e aj

uste

Margen de estrangulamiento3-22

Posición normal de un actuador

La posición normal de un actuador es el estado que adopta cuando la salida del regulador es nula.

Tipos:

- Normalmente abierto (NA) o cerrado (NC)

Aire comprimido

EntradaSalida

Muelle

NA NC

3-23

Actuador normalmente abierto (NA)

Apertura [%]

Señal de controlSC2SC1

Margen de ajuste

100

0

3-24

Actuador normalmente cerrado (NC)

Apertura [%]

Señal de controlSC2SC1

Margen de ajuste

100

0

3-25

Consigna

T

Válvula

Regulador


R

Calentamiento de aire

y

válvula NA

Apertura [%]

SCSC2SC1

100

0

NA


Temperatura

SC2

SC1

t1 t2

Acción directa

3-26

Consigna

T

Válvula

Regulador


R

Calentamiento de aire

y

válvula NC

Apertura [%]

SC2SC1

100

0

SC

NC


Temperatura

SC1

SC2

t1 t2

Acción inversa

3-27

Enfriamiento de aire

y

válvula NA

Consigna

T

Válvula

Regulador

Batería de enfriamiento

R

Apertura [%]

SCSC2SC1

100

0

NA


Temperatura

SC1

SC2

t1 t2

Acción inversa

3-28

Enfriamiento de aire

y

válvula NC

Apertura [%]

SC2SC1

100

0

SC

NC

Consigna

T

Válvula

Regulador


R


Temperatura

SC2

SC1

t1 t2

Acción directa

3-29

DirectaInversaEnfriamiento

InversaDirectaCalentamiento

NCNAPosición Normal

Aplicación

Acción del regulador

3-30

3-31 3-32

REGULACIÓN EN CASCADA

- Como valor de consigna del lazo de control se utiliza la señal de control de otro regulador.

R1

R2

Consigna 1

Sensor 1

Salida 1 / Consigna 2

Salida 2Sensor 2

Regulador principal Regulador

secundario

3-33

Ejemplo: regulación de la temperatura del aire de impulsión

LOCALBatería de calentamiento

Aire de retorno

tI

R

tL

R

Aire de impulsión

Consigna tI Consigna tL

3-34

Compensación de consigna

- Permite modificar en valor de consigna en función de otra variable diferente de la que estamos regulando.

- Ejemplo:

Modificación de la temperatura del agua caliente de una caldera en función de la temperatura exterior.

Temperatura exterior, ºC

-15 15

Temperatura del agua, ºC90

55

3-35


Compensador de consigna

Temp. Ext. Consigna

Consigna

Apertura (%)

VálvulaActuador

Vapor

Flujo Agente de control

Variable manipulada


Proceso controlado

Regulador

Variable medida


Temperatura del agua

Variable controlada

Intercambiador de calor vapor-agua

75


Compensador de consigna

Temp. Ext. Consigna

Consigna

Apertura (%)

VálvulaActuador

Vapor

Flujo Agente de control

Variable manipulada


Proceso controlado

Regulador

Variable medida


Temperatura del agua

Variable controlada

Intercambiador de calor vapor-agua

75

(Fuente: Honeywell)

Algoritmo implementado en un microprocesador

3-36

Ejemplo: Compensación de la temperatura de impulsión en función de la temperatura exterior.

(Fuente: Honeywell)

3-37

Selección de señales

- Permite elegir el valor de consigna entre varias señales de entrada según un determinado criterio.

Ejemplo: regulación de una batería de enfriamiento.

Selector

R


R

Máxima demanda de frío (mayor apertura)

Sensor de temperatura

Sensor de humedad

Consigna

Consigna

3-38

Limitación de señales

- Impide que una señal sobrepase el valor por motivos de diseño o de seguridad.

- Ejemplo: limitación de la humedad de impulsión

Humedad necesaria

Humedad impulsada

80%

80%

3-39

LOCAL

(carga térmica mayor que la de

diseño)


Aire de retorno

tI

R

tL

R

Aire de impulsión

ConsignaLimitador

- Ejemplo: limitación de la temperatura de impulsión

3-40

Secuenciamiento de procesos

Consiste en controlar sucesivamente dos o más actuadores con un mismo regulador.

Ejemplo:



T

R Consigna

Acción directa

NA NC

3-41

Apertura [%]

Señal de control

100

0

Batería de calentamiento (Válvula NA)

Batería de enfriamiento (Válvula NC)

3-42

3-43

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

3-44(Fuente: Honeywell)

Ejemplo: secuenciamiento con múltiples etapas

3-45

3.6 REGULADORES DIGITALES

Utilizan procesadores y cálculo digital.

Control digital directo (DDC).

Proceso básico de control:Leen señales electrónicas de los sensores y las convierten a digitales.

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 losactuadores.

3-46

Ejemplo:

Regulador digital

Consigna

TActuador

Sensor

Microprocesador

A/D

D/AA/D

3-47

UTA 1: Control de la presiónestática

Bucle 1Entrada

Salida

Control del “free-cooling”

Bucle 3Entrada

Salida

UTA-1: Control de la temperatura de impulsión

Bucle 4Entrada

Salida

UTA-1: Control de la humedad

Bucle 2Entrada

Salida

Regulador digital

Comunicaciones

Alarmas

Múltiples bucles de control en un solo regulador

3-48

Ventajas:Bajo coste por función

Flexibilidad

Secuencias de control sofisticadas

Precisión y repetibilidad

Comunicaciones

Monitorización y control remotos

Gestión energética

Alarmas

Mantenimiento preventivo

Registros históricos de operación

Desventajas:Coste elevado para sistemaspequeños

“Cajas negras”

Más difíciles de entender, aplicar y operar

Operadores especializados

Interoperatividad (incompatibilidadentre componentes de diferentesfabricantes)

3-49

3.6.1 CONFIGURACIÓN

Microprocesador

Reloj

RAMEEPROM

Entradas y salidas binarias

Multiplexadorde entrada

Multiplexadorde salida

Acondicionamiento de señal y

conversor A/D

Conversor D/A

Sensores y transductores

Actuadores y transductores

Señales digitales

Puerto de comunicaciones

PUNTOS

REGULADOR DIGITAL

3-50

Listado de Puntos

- Entradas analógicas (sensores y transductores): 0-10V, 4-20mA

- Salidas analógicas (actuadores y transductores): 0-10V, 4-20mA

- Entradas binarias (digitales): Dos estados: abierto/cerrado, ON/OFF, etc.

Estado de los equipos (ventilador, bomba, compuerta, etc.)

-Salidas binarias (digitales): Dos estados: abierto/cerrado, ON/OFF, etc.

Control ON/OFF (motor, válvula, compuerta, etc.)

3-51

3.6.2 SOFTWARE

-Tipos:

- Operación (“firmware”)

- Sistema operativo- Rutinas de programación horaria- Multiplexación de entrada/salida- Gestión de interrupciones- Conversión A/D y D/A- Acceso y visualización de variables del programa de control

- Aplicación

- DDC

- Gestión energética

- Gestión de alarmas, monitorización, etc.

3-52

SOFTWARE DDC

Traslada una salida analógica de una escala a otra.EscalaPermite cambiar el valor de una salida digital cuando una entrada analógica alcanza un ciertovalor.

También puede asignarse una banda inactiva.

Salida digital controlada por entrada analógica

El estado de la señal digital permite seleccionar unasalida analógica entre dos entradas analógicas

Salida analógica controlada por entrada digital

Permite cambiar la salida del regulador para adecuarse a la acción requerida por el actuador

Acción directa/inversaAlgoritmos P, PI, PID, etc.Acciones de controlDescripciónOperadores

3-53

SOFTWARE DDC

Igual que el anterior, pero en este caso el valor y la variación de una entrada analógica permiteseleccionar entre dos señales analógicas de entrada.

Salida analógica controlada por entrada analógica

Permite incluir retardos en distintos lugares del programa.

Retardo

Funciones matemáticas

Tiempo/calendario (Ej: programación horaria)

Rutinas de cálculo (Ej: cálculo de la entalpía)

Etc.

Otras

Selecciona el mínimo de varias entradas analógicas para una salida analógica.

Entrada mínima

Selecciona el máximo de varias entradas analógicas para una salida analógica.

Entrada máxima

DescripciónOperadores

3-54

SOFTWARE DE GESTIÓN ENERGÉTICA

- Puede desarrollarse a partir de operadores DDC, funciones matemáticas o de calendario, etc, o puede programarse con subrutinas independientes.

- Ejemplo: arranque óptimo

Tiempo ajustable

Refrigeración

Calefacción

Zona de confort

Temperaturainterior (ºC)

On

Off

Ocupaciónnormal

6:00 8:00 10:00 12:00

6:00 8:00 10:00 12:00

27242118

3-55

- Ejemplo: parada óptima

Tiempo de parada

Zona de confortTemperaturainterior (ºC)

Verano

Invierno

Ocupación normal

Banda de control

3-56

- Ejemplo: ciclo nocturno.

Mantiene una temperatura mínima (invierno) o máxima (verano) durante la noche

Parada óptima Arranqueóptimo

UTA On

UTA Off

Edificio desocupado

16:30 17:00 8:00

17:00 0:00 8:00

22

16

19Temperaturainterior ºC

Consigna diurna

Consigna nocturna(invierno)

3-57

- Ejemplo: “preenfriamiento” nocturno (verano)

- Ejemplo: “free-cooling” (locales que requieren refrigeración todo el año)

Sí

Aire exterior mínimo

Aumentar la proporción de aire

exterior

Temperaturaexterior

Temperatura de retorno

¿ ?

No

3-58

- Ejemplo: banda de “energía cero”

Calefacción Sólo ventilación Refrigeración

Temperatura, ºC

Oper

ación

100%

0%

21 23 24 25.5

Zona de confort

3-59

3.6.3 PROGRAMACIÓN

100 C***ECONOMIZER OUTDOOR AIR DAMPER CONTROL105 C***SHUT DAMPER WHEN FAN IS OFF110 IF (FANDPS.EQ.ON) THEN GOTO 510120 SET (0,OADMPR)130 GOTO 1000500 C***SHUT OFF ECONOMIZER WHEN OAT>65510 DBSWIT (1, OATTEMP, 63, 65, $LOC3)520 IF ($LOC3) THEN GOTO 610530 SET (20, OADMPR)540 GOTO 2000600 C***OUTDOOR AIR DAMPER, N.C., 0 TO 100%610 LOOP (128, MATEMP, $LOC1, 55, 10, 30, 0, 50.0, 0, 100, 0)620 MAX (OADAMPR, $LOC1, 20)2000 C***END OF ECONOMIZER CONTROL

Programación clásica (poco usada)

Ejemplo:

3-60

Programación clásica

-Ventajas

-Programación de cualquier acción de control

-Potente y flexible

- Desventajas:

-Programadores especializados

-Programación intensiva

-Depuración tediosa

-Difícil de entender para los usuarios

3-61

Programación gráfica

Ejemplo:

1. Selección de una batería de enfriamiento controlada

por una válvula de dos vías.

PID2. Selección de aire de

impulsión y colocación del sensor

3. Selección del modo de control

3-62

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

c. PI

d. PID

24. Valor de consigna (_ºC) 50ºC

Programas específicos

Ejemplo:

3-63

3.7 GESTIÓN AUTOMATIZADA EN EDIFICIOS

Control centralizado

Eficiencia energética

SeguridadComunicaciones

Confort térmico

3-64

3.7.1 ARQUITECTURA DISTRIBUIDA

RD

RD

RD

RD

RD

RD

RD RD RD RD RD RD

Sensor

Actuador

A sensores y actuadores

A sensores y actuadores

Zona

A sensores

y actuadores

A sensores

y actuadores

Periféricos PC

PC

PC

Periféricos

Sistema

Operación

Gestión

Red Ethernet

3-65

3.7.2 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

- Tipos:

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.

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.

3-66

Ejemplo:

(Fuente: ASHRAE)

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