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CAPÍTULO II. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL

II.4. Instrumentación de la instalación y sistema de control y adquisición de datos

II.4.3. Control de la instalación

Para llevar la instalación a las condiciones de ensayo es necesario tener controlados diferentes parámetros o variables a fin de que se alcance el estado estacionario y se mantenga este el tiempo suficiente para registrar los datos necesarios. Este control se realiza mediante seis controladores PID, modelo PM6 de WATLOW, conectados a los parámetros de interés para llevar la instalación a las condiciones de ensayo y a los actuadores adecuados. Tabla II.4. Cuando se han

fijado en los PID los puntos de consigna para las variables controladas, también llamadas variables de proceso, el sistema funciona de forma autónoma controlado por los PID que mantienen estables las condiciones.

Tabla II.4:

Controladores PID de la instalación.

ID Variable a controlar Actuador PID 1 Temp. agua a la entrada de la UTA Válvula de tres vías UTA

PID 2 Temp. agua a la entrada del int. agua-refrigerante Válvula de tres vías intercambiador

PID 3 Temp. agua a la salida del int. agua-refrigerante Bomba de agua intercambiador

PID 4 Temp. ambiente en el interior de la cámara climática Bomba de agua UTA

PID 5 Caudal de aire Variador de frecuencia UTA

PID 6 Humedad relativa en el interior de la cámara climática Humectadora

Los PID se han conectado en serie con el ordenador de adquisición de datos con lo que el punto de consigna de los PID se puede cambiar desde el propio dispositivo o desde el VI de

Página 49 adquisición de datos, Figura II.16. En el caso de los PID 2, 3 y 4, se han montado sondas RTD 3W

adicionales a las RTD 4W que se utilizan en la adquisición de datos durante los ensayos, con el fin de evitar que la incertidumbre en la medida asociada a los PID se traslade a los resultados experimentales.

Figura II.16: Captura de pantalla del VI de control de los PID.

El PID 1 tiene como señal de entrada la temperatura del agua a la salida de la válvula de tres vías de la UTA “Tcw,i”. En modo MR, esta temperatura ha de ser inferior a la temperatura

ambiente deseada en la cámara climática “Ta,i” de forma que el aire pueda enfriarse hasta esta

última. La diferencia de temperaturas “ΔT” entre ambas ha de ser tal que la bomba de agua asociada a la UTA pueda ir regulando su caudal para mantener la temperatura “Ta,i” constante sin alcanzar

los límites de su rango de caudales ya que en caso contrario no se podría mantener constante la temperatura. En modo MC, sucede al contrario y la temperatura ha de ser superior a la temperatura ambiente buscada en la cámara climática, igualmente garantizando que la bomba pueda regular su caudal sin alcanzar los límites de su rango. La señal de salida actúa sobre el servomotor de la válvula de tres vías de la UTA, mezclando en la proporción adecuada el agua proveniente del depósito de inercia con la de retorno de la UTA hasta lograr la temperatura deseada.

El PID 2 tiene como señal de entrada la temperatura del agua a la entrada del intercambiador de placas. La señal de salida actúa sobre el servomotor de la válvula de tres vías asociada al intercambiador agua-refrigerante. Para alcanzar la temperatura estable a la entrada del intercambiador se mezcla el agua de retorno de este con la que viene del depósito de inercia.

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El PID 3 tiene como señal de entrada la temperatura del agua a la salida al intercambiador de placas. La señal de salida actúa sobre el variador de frecuencia de la bomba de agua asociada al intercambiador agua-refrigerante. Para alcanzar la temperatura fijada, el PID varía el caudal de agua que atraviesa el intercambiador para mantener la temperatura constante en el punto de consigna. Como medida de seguridad para evitar la congelación del agua en el interior del intercambiador agua-refrigerante y que esta pueda dañarlo, el PID 3 tiene fijada una alarma de forma que cuando la temperatura baja de 1,5 ºC para el compresor actuando sobre su contactor. Se ha desarrollado un VI adicional, independiente del de adquisición de datos y actuación sobre los PID, que controla una tarjeta de relés modelo USB-ERB08 de MEASUREMENT COMPUTING conectada a los contactores de forma que se puede actuar sobre estos programando el arranque y la parada de los equipos.

El PID 4 tiene como señal de entrada la temperatura del aire en el interior de la cámara climática. Se ha instalado una termorresistencia en la entrada del intercambiador de placas, lo más cerca posible de este sin afectar al flujo de aire, de forma que se ajustase correctamente la temperatura del aire en ese punto. La señal de salida actúa sobre el variador de frecuencia de la bomba de agua asociada a la UTA de forma que se regule en caudal de agua hasta conseguir que el aire se enfríe lo suficiente en modo MR o se caliente en modo MC. Evidentemente, se podría haber optado por fijar el caudal de agua y controlar la temperatura en la cámara climática con la temperatura del agua a la entrada de la UTA, pero esta opción tiene varios inconvenientes como que el rango de temperaturas para el agua con el que se puede trabajar es mucho más reducido que el de caudales, habría que determinar qué caudal permite la correcta regulación o que el ajuste de la temperatura resulta más lento que el del caudal, por lo que el control habría sido mucho más complicado.

El PID 5 tiene como señal de entrada el caudal de aire. La señal de salida actúa sobre el variador de frecuencia del ventilador de la UTA ajustando así el caudal de aire al del punto de consigna. Con el control tipo proporcional, integral y derivativo, aunque el caudal permanecía estable, eran perfectamente audibles las fluctuaciones que se producían en él. Para prevenir posibles errores en las mediciones y teniendo en cuenta que las condiciones del sistema son estables durante los ensayos, este PID se ha configurado para que realice un control tipo proporcional, solucionándose así el problema detectado.

El PID 6 tiene como señal de entrada la humedad del aire en la cámara climática. La señal de salida actúa sobre la humectadora aumentando o disminuyendo cantidad de vapor de agua aportada a fin de mantener estable la humedad en el interior de la cámara climática.

Página 51 Al montar un PID se hace necesario ajustar los valores de sus constantes proporcional, integral y derivativa para que estas sean las adecuadas a la función de transferencia del sistema. Estas constantes se pueden calcular de forma teórica si la función es conocida, pero en general esto no es así en la mayoría de las ocasiones, como en esta instalación experimental. En estos casos lo normal es utilizar la función de autoajuste de los PID ya que determina de forma práctica el valor óptimo de estas constantes.

El funcionamiento de la función de autoajuste es el siguiente: partiendo de un valor de la variable de proceso inferior al del punto de consigna, varía este último a un 90 % del valor que está fijado e intenta hacer que la variable de proceso pase tres veces por el punto de consigna desde valores inferiores al mismo variando la señal de salida, Figura II.17. De esta forma el PID

internamente mide la velocidad y la magnitud con la que varía la variable de proceso al modificar la señal de salida y calcula internamente el valor óptimo de las constantes. Para realizar estos tres pasos tiene un tiempo máximo de una hora, en caso contrario no se completará el autoajuste.

Figura II.17: Ajuste de las constantes proporcional, integral y derivativa en los PID.

Fuente: Manual WATLOW PM 6.

En el caso de la instalación se ha optado por la opción del autoajuste, si bien el PID 4 ha tenido que ajustarse de forma manual ya que la temperatura en la cámara climática tiene una inercia demasiado elevada para que el autoajuste se complete en una hora.

Analizando el control de cada uno de los seis PID puede observarse como el funcionamiento del PID 2 afecta a la regulación que realiza el PID 3 y viceversa. El PID 3 ajusta el caudal para lograr la temperatura del agua adecuada a la salida del intercambiador agua-refrigerante.

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Esto afecta a la temperatura de retorno del agua, por lo que la proporción en la que se mezcla este flujo con el del depósito ya no es la adecuada variando la temperatura a la entrada del intercambiador. En ese momento el PID 2 reajusta la posición del servomotor de la válvula de tres vías para llevar la temperatura de entrada hasta el punto de consigna. Esto a su vez afecta a la temperatura del agua a la salida del intercambiador, haciendo de nuevo necesario que actúe el PID 3, volviendo a la situación de partida.

Cuando se está ajustando un PID es conveniente que el sistema responda exactamente como lo haría en condiciones normales. De esta forma para ajustar el PID 2 es necesario que el PID 3 esté ajustado correctamente y viceversa. Para lograr esto, la solución adoptada es mantener estable la señal de salida en el PID 3 y ajustar el PID 2. De esta forma el PID 2 queda configurado de forma óptima cuando el caudal de agua es constante, lo cual sería aproximadamente el caso cuando la instalación alcance condiciones estables. Después se ajusta el PID 3 dejando que el PID 2 actúe de forma normal, quedando ahora el PID 3 correctamente ajustado a una situación de funcionamiento real. Para mejorar el ajuste de ambos PID, se repite este proceso, pero esta vez se deja que el PID que no se está ajustando regule como lo haría en una situación real.

Esta situación también se produce entre los PID 1 y PID 4, pero en este caso la interacción es mucho menor y no se hace necesario ajustar los PID de forma conjunta, si bien el PID 1 se ajusta en primer lugar al resultar el ajuste del PID 4 mucho más complicada por las razones expuestas anteriormente.

Los PID pueden funcionar en modo de acción directo o en modo de acción inverso – modos COOL y HEAT respectivamente en los PID utilizados –. En modo directo cuando la variable de proceso toma un valor superior al de consigna el PID reacciona aumentando el valor de la señal de salida. En modo inverso el funcionamiento es el contrario y cuando la variable de proceso toma un valor superior al de consigna el PID reacciona disminuyendo el valor de la señal de salida. En la instalación, algunos PID están configurados en modo COOL y otros en modo HEAT, además, la configuración depende de si se está trabajando en modo MR o en MC, Tabla II.5.

Tabla II.5:

Configuración de los PID en función del modo de funcionamiento de la instalación

ID Modo calefacción (MC) Modo refrigeración (MR) PID 1 Acción directa (COOL) Acción inversa (HEAT)

PID 2 Acción inversa (HEAT) Acción directa (COOL)

PID 3 Acción inversa (HEAT) Acción directa (COOL)

PID 4 Acción inversa (HEAT) Acción directa (COOL)

PID 5 Acción inversa (HEAT) Acción inversa (HEAT)

Página 53 Las constantes de los PID han de ser calculadas para cada uno de los modos de funcionamiento según el proceso indicado anteriormente. Estas constantes se han guardado a fin de poder recuperarlas cuando se cambia el modo de funcionamiento de la instalación y no tener que repetir el proceso.

En la instalación hay otro elemento de control no asociado a los PID. Se trata de un variador de frecuencia que alimenta eléctricamente al compresor y que se ajusta para realizar ensayos a frecuencias distintas de 50 Hz. Este elemento se desmonta cuando se quieren realizar ensayos a 50 Hz para que no influya en la medida de la potencia consumida por el compresor.

Finalmente, se instaló el software TeamViewer™ de control remoto que permite manejar la instalación a distancia con ayuda de los sistemas descritos anteriormente, pudiéndose realizar ensayos sin tener que estar físicamente en la instalación arrancando y parando equipos, y cambiando los puntos de consigna.