View
216
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
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
Señal de control, SC
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
Batería de calentamiento
R
Calentamiento de aire
y
válvula NA
Apertura [%]
SCSC2SC1
100
0
NA
Señal de control, SC
Temperatura
SC2
SC1
t1 t2
Acción directa
3-26
Consigna
T
Válvula
Regulador
Batería de calentamiento
R
Calentamiento de aire
y
válvula NC
Apertura [%]
SC2SC1
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 [%]
SCSC2SC1
100
0
NA
Señal de control, SC
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
Batería de enfriamiento
R
Señal de control, SC
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
Temperatura exterior
Compensador de consigna
Temp. Ext. Consigna
Consigna
Apertura (%)
VálvulaActuador
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 (%)
VálvulaActuador
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.
(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
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
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:
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)
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)
Recommended