FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROL

2. FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROL • -Introducción • Propósito de un Sistema HVAC • -Lazos • Circuito abierto, Circuito cerrado • -Definición de sistemas de control • Que es un Control • Componentes de sistemas de Control • Controladores • Variables manipuladas • -Modos de control • Control de 2 posiciónes • Control por etapas • Control flotante • Control proporcional • Control proporcional-integral • Control proporcional-integral-derivativo

3. 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.

4. INTRODUCCION 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. Proveer y mantener un ambiente confortable dentro de un edificio para los ocupantes y/o proceso.

5. 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.

6. COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA DE CONTROL Valor Existente 23° Valor Deseado (Set Point) 22° 21°

7. 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)

8. APLICACIONES • Fan & Coil • Compuerta de Zona • Unidad Manejadora de Aire • Unidad Manejadora de Aire Multizona • Control de Humedad y Temperatura • Unidades Paquete

9. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL • El Actuador • Serpentin A.H. • La Medición • El Control Automático

10. 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.

11. LAZO: CIRCUITO ABIERTO VARIADOR DE FRECUENCIA (SALIDA) CONTROLADOR (ENTRADA) (ENTRADA) (SALIDA) SENSOR DE PRESION FLUJO DE AIRE VENTILADOR

12. LAZO: CIRCUITO CERRADO Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación (o retroalimentación).

13. LAZO: CIRCUITO CERRADO VARIADOR DE FRECUENCIA (ENTRADA) (SALIDA) (SALIDA) SENSOR DE PRESION FLUJO DE AIRE VENTILADOR

14. ¿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)

15. PUNTO ANALÓGICO PUNTO DIGITAL ENTRADA ENTRADA C437D1021 TB7980A1006 INTERRUPTOR DIFERENCIAL DE PRESION DE AIRE TERMOSTATO MODULANTE Señal 4 – 20 mA/2-10 VDC/135 ohms Señal Digital ON-OFF SALIDA SALIDA ACTUADOR ALARMA AUDIBLE O VISIBLE ML7984A4009

16. 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

17. on off 20mA 0mA 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 

18. 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.

19. on off CONTROL EN 2 POSICIONES ON/OFF • SEÑAL DIGITAL • 0 ó 24 VAC • 0 ó 24 VDC

20. Acción Directa:El diferencial se encuentra por encima del punto de ajuste. Encendido Apagado Punto de Ajuste Encendido Acción Inversa:El diferencial se encuentra por debajo del punto de ajuste. CONTROL EN 2 POSICIONES ON/OFF Acción Directa e Inversa

21. 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”.

22. 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.

23. on on off off CONTROL FLOTANTE O 3 POSICIONES Terminal (2) Terminal (3) • SEÑAL DIGITAL • 0 ó 24 VAC • 0 ó 24 VDC t t • Terminales: • Común • Gira a la derecha (abrir) • Gira a la izquierda (cerrar) • Tiempo de rotación: 100 Segundos Ejemplo: Inicio: 0%; T(2)=20s, T(2)=30s, T(3)=15s, T(3)=12s, T(2)=35s; Final: 58%

24. CONTROL FLOTANTE

25. 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. 100% Abierto Posición Final del Elemento de Control 50% Abierto Cerrado 20 21 22 23 24 Punto de Control (°C) Rango de Control

26. 10 V 2 V CONTROL PROPORCIONAL • SEÑAL DIGITAL • 0 ó 24 VAC • 0 ó 24 VDC 100 % Ley de ohm: V= I x R; R = 500 Ω V = 4mA x 500 Ω = 2 V V = 20mA x 500 Ω = 10 V 0 % 2 V 10 V

27. 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.

28. CONTROLPROPORCIONAL – 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.

29. GRAFICAS COMPARATIVAS DE LA SEÑAL DE CONTROL Punto de Control Punto de Control Compensación Compensación Punto Final Punto Final CONTROL PROPORCIONAL CONTROL PI T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 Tiempo Tiempo Punto de Control Compensación Punto Final CONTROL PID T1 T2 T3 T4 T5 T6 Tiempo

30. CONTROLES DE TEMPERATURA Y SUS APLICACIONES CONVENCIONALES SENSOR 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. CONTROLADOR DISPOSITIVOS CONTROLADOS

31. COMPONENTES QUE CONSTITUYEN UN CONTROL DE TEMPERATURA

32. Detecta alguna condición y responde con algún cambio físico EL SENSOR

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

34. Envía la señal de salida a un mecanismo. EL RESULTADO FINAL

35. Enlace Resultado final(Salida) Sensor El Control Terminado

36. Fan&Coil Características • Alimentación a 24VAC, 120VAC o 220 VAC • Opciones disponibles: Frio, Frio y Calor con cambio manual y/o Automático. • 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

37. APLICACIÓN FAN & COIL Control de Velocidades Automatico y manual Arranque / Paro Fan Enfriamiento Calefaccion Enfriamiento T6573A1031 T6575C1001

38. EXPANSION DIRECTA Características • 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. • 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.

39. CONTROLES DE HUMEDAD Los 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.

40. CONTROLES DE HUMEDAD Los sensores de humedad NO se deben utilizar en atmósferas con grandes variaciones de temperatura, SE CIERRA AL SUBIR LA HR W B HUMIDOSTATO SE CIERRA AL BAJAR LA HR R INTERRUPTOR VERANO INVIERNO DESHUMIDIFICADOR HUMIDIFICADOR

41. 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.

42. 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.

43. ACTUADORES ACTUADOR PARA COMPUERTA ACTUADOR PARA VÁLVULA ACTUADOR PARA FAN & COIL ML6161A2009 ML7984A4009 VC4011

44. COMPUERTAS • Las compuertas son dispositivos de control instaladas en sistemas de aire acondicionadopara 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.

45. VÁLVULAS La Válvula de Control es Básicamente un Orificio Variable por efecto de un Actuador Válvula x F u ACTUADOR CUERPO Señal de Control Caudal X = Desplazamiento 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)

46. INSTRUMENTACION DE MEDICIÓN Es 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. • Algunos instrumentos de medición: • Termómetros • Manómetros • Graficadores • Flujómetros • Etc. 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.

47. 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.

48. 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.

49. 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.

50. 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.