Capítulo 3. Reguladores

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:

ƒ Las condiciones exteriores y ƒ 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: t_L=23 ºC 100 personas Carga máxima tEXT=40ºC t_L=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 Controlador Actuador (válvula) -+ Regulador Error Realimentación Sensor de temperatura Proceso (calefacción)

t

Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado

3-7

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

Regulador Temperatura de consigna T Agua 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 Compuerta Aire exterior Temperatura exterior Controlador Controlador Actuador (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

solenoide, interruptores eléctricos, etc). Variable controlada Tiempo Consigna Banda inactiva Banda de operación Tiempo ON OFF Señal de control

3-13 Contactos Tornillo de ajuste Imán Estado del contacto Cerrado Abierto Temperatura t1 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 cerrada NADA Parcialmente abierta PARO Completamente abierta TODO 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 PE PREF Flujo de aire R Compuerta Regulador PE PREF Flujo de aire 3-18 Acción proporcional (P)

La señal de control es proporcional al error:

Donde:

S_C Señal de control K_P 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%)

e

K

S

S

=

+

acción directa Señal de control, SC Variable controlada SC2 SC1 X₁ X2 Banda proporcional

Margen de ajuste Banda de ajuste

Margen de estrangulamiento

3-20

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.

sensor del operación de Banda miento estrangula de Banda BP(%)=100

3-21 Función de transferencia de un regulador proporcional de

acción inversa Señal de control, SC Variable controlada SC1 S_C2 X1 X2 Banda proporcional

Margen de ajuste Banda de ajuste

Margen de estrangulamiento

3-22 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 Entrada Salida Muelle NA NC 3-23 Actuador normalmente abierto (NA)

Apertura [%] Señal de control SC2 SC1 Margen de ajuste 100 0 3-24 Actuador normalmente cerrado (NC)

Apertura [%] Señal de control SC2 SC1 Margen de ajuste 100 0

3-25 Consigna T Válvula Regulador Batería de calentamiento R Calentamiento de aire y válvula NA Apertura [%] SC SC2 SC1 100 0 NA Señal de control, S_C Temperatura SC2 S_C1 t₁ t₂ Acción directa 3-26 Consigna T Válvula Regulador Batería de calentamiento R Calentamiento de aire y válvula NC Apertura [%] SC2 SC1 100 0 SC NC Señal de control, SC Temperatura SC1 SC2 t1 t2 Acción inversa 3-27 Enfriamiento de aire y válvula NA Consigna T Válvula Regulador Batería de enfriamiento R Apertura [%] SC SC2 SC1 100 0 NA Señal de control, S_C Temperatura SC1 S_C2 t1 t2 Acción inversa 3-28 Enfriamiento de aire y válvula NC Apertura [%] SC2 SC1 100 0 SC NC Consigna T Válvula Regulador Batería de enfriamiento R Señal de control, S_C Temperatura SC2 S_C1 t1 t2 Acción directa

3-29 Directa Inversa Enfriamiento Inversa Directa Calentamiento NC NA Posición 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 2 Sensor 2 Regulador principal Regulador secundario

3-33 Ejemplo: regulación de la temperatura del aire de impulsión

LOCAL Batería 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, ºC 90 55 3-35 Temperatura exterior Compensador de consigna

Temp. Ext. Consigna

Consigna Apertura (%) Válvula Actuador Vapor Flujo Agente de control Variable manipulada Suministro de agua caliente Proceso controlado Regulador Variable medida Retorno de agua caliente Temperatura del agua Variable controlada Intercambiador de calor vapor-agua 75 Temperatura exterior Compensador de consigna

Temp. Ext. Consigna

Consigna Apertura (%) Válvula Actuador Vapor Flujo Agente de control Variable manipulada Suministro de agua caliente Proceso controlado Regulador Variable medida Retorno de agua caliente 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.

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 Batería de enfriamiento 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) Batería de enfriamiento Aire de retorno tI R tL R Aire de impulsión Consigna Limitador

- 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: Batería de calentamiento Batería de enfriamiento 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)

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 los actuadores. 3-46

Ejemplo:

UTA 1: Control de la presión estática

Bucle 1 Entrada

Salida

Control del “free-cooling” Bucle 3 Entrada Salida UTA-1: Control de la temperatura de impulsión Bucle 4 Entrada Salida UTA-1: Control de la humedad Bucle 2 Entrada 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 sistemas pequeños

“Cajas negras”

Más difíciles de entender, aplicar y operar

Operadores especializados

Interoperatividad (incompatibilidad entre componentes de diferentes fabricantes)

3-49 3.6.1 CONFIGURACIÓN Microprocesador Reloj RAM EEPROM Entradas y salidas binarias Multiplexador de entrada Multiplexador de 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. Escala

Permite cambiar el valor de una salida digital cuando una entrada analógica alcanza un cierto valor.

También puede asignarse una banda inactiva. Salida digital controlada por

entrada analógica

El estado de la señal digital permite seleccionar una salida 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/inversa

Algoritmos P, PI, PID, etc. Acciones de control

Descripción Operadores

3-53

SOFTWARE DDC

Igual que el anterior, pero en este caso el valor y la variación de una entrada analógica permite seleccionar 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

Descripción Operadores

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 Temperatura interior (ºC) On Off Ocupación normal 6:00 8:00 10:00 12:00 6:00 8:00 10:00 12:00 27 24 21 18 3-55 - Ejemplo: parada óptima

Tiempo de parada Zona de confort Temperatura interior (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 Arranque

óptimo UTA On UTA Off Edificio desocupado 16:30 17:00 8:00 17:00 0:00 8:00 22 16 19 Temperatura interior 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 Temperatura exterior Temperatura de retorno

¿

_?

Calefacción Sólo ventilación Refrigeración

Temperatura, ºC Op eración 100% 0% 21 23 24 25.5 Zona de confort 3-59 3.6.3 PROGRAMACIÓN

100 C***ECONOMIZER OUTDOOR AIR DAMPER CONTROL 105 C***SHUT DAMPER WHEN FAN IS OFF

110 IF (FANDPS.EQ.ON) THEN GOTO 510 120 SET (0,OADMPR)

130 GOTO 1000

500 C***SHUT OFF ECONOMIZER WHEN OAT>65 510 DBSWIT (1, OATTEMP, 63, 65, $LOC3) 520 IF ($LOC3) THEN GOTO 610

530 SET (20, OADMPR) 540 GOTO 2000

600 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

3-61

Programación gráfica

Ejemplo:

1. Selección de una batería de enfriamiento controlada por una válvula de dos vías.

PID

2. 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 Seguridad Comunicaciones 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:

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.

3-66

Ejemplo: