La solución para el control: automatización

Este blog fue publicado originalmente en Mundo HVACC&R

La automatización poco a poco se ha hecho parte de nuestra vida, por lo que muchos dan por hecho que los dispositivos que usamos siempre han funcionado de la misma manera. Imagina que, al entrar a tu oficina en la mañana, se prenden las luces de manera automática para iluminar el camino, la tarjeta de identificación te permite el acceso al elevador y la temperatura del cubículo comienza a climatizar el entorno para mayor comodidad. Todo esto funciona en sintonía, a fin de lograr que los sistemas se adecuen a las condiciones ideales. En caso contrario, si no estuvieran automatizados, habría varias personas operando de forma manual y sin descanso todos los equipos de aire acondicionado. En consecuencia, los costos de operación, mantenimiento y consumo eléctrico serían muy elevados.

¿Por qué la automatización?

• Permite una fácil operación de los equipos de cualquier inmueble
• Gestiona tiempos de operación de los mismos
• Reduce los costos de personal de mantenimiento
• Alcanza y mantiene la temperatura de confort
• Opera varios sistemas al mismo tiempo
• Monitorea el consumo de energía eléctrica
• Toma decisiones para reducir el consumo de energía
• Permite la programación ordenada de los mantenimientos preventivos desplazando a los correctivos

Empero, antes de entrar en mayor detalle, es necesario considerar los elementos que componen el control de estos sistemas y, para mayor claridad, formular un análisis bajo tres capas.

Primera capa

Productos conectados. Todos los equipos de los sistemas HVAC.

Elementos de control

• Factores controlados
  • Parámetros medidos controlables: temperatura del agua y aire que salen del serpentín
• Variables de entrada (sensores)
  • Miden las variables controladas y mandan una señal al controlador de campo: termistor para agua aire; sensor diferencial de presión para agua
• Equipos controlados
  • Componentes comandados por una señal de salida: válvulas, compuertas, variadores
• Elementos controlados por los dispositivos
  • Agua helada, agua caliente, aire helado
• Controlador
  • Gobernador del sistema: se encarga de hacer la comparativa del punto de ajuste contra las condiciones actuales

Una vez entendido lo anterior, se procede a analizar los tipos de lazo para reconocer sus combinaciones; esto con el propósito de que se pueda entender cómo trabajar la parte mecánica a la par del control.

Control a lazo abierto

La figura 1 muestra una relación fija entre una variable externa (no controlable) y una controlada (una válvula de dos vías).

El termómetro manda una señal al controlador por medio de parámetros elaborados por contratistas de control de HVAC; además, modula la válvula de dos vías para restringir el volumen de agua que corre a través del serpentín.

Este lazo no toma en cuenta variables que lo hacen preciso, como por ejemplo el flujo del aire, la temperatura del agua, aire, entre otros elementos.

Control a lazo cerrado

A diferencia del caso anterior, en la figura 2 se observa una retroalimentación en el sistema. Se puede controlar la válvula de dos vías con base en la temperatura dentro de un cuarto habitado, y también se puede llegar a un punto de ajuste deseado para llegar al confort.

Control híbrido

Éste consiste en una combinación de ambos lazos para crear una buena estrategia de ahorro de energía y llevar un mejor control mezclándolos, como se observa en la figura 3. Cabe destacar que esta estrategia puede servir en lugares donde se registran temperaturas bajas, ya que la temperatura exterior podría ayudar a usar menos agua helada que la que se encuentra expuesta.

También es importante considerar aspectos para los especificadores, así como las compañías de automatización y definir qué controladores se deben utilizar, entre otros.

Puntos de control

Para la gente que sólo tiene experiencia en la parte mecánica podría ser complicado entender su funcionamiento, así como para quienes se dedican exclusivamente al control, pues desconocen el principio de operación de varios sensores con base en ecuaciones aplicadas.

Entradas binarias. Proporcionan un estado muy sencillo de varios dispositivos: válvulas de dos vías, sensor de filtro sucio, donas de estado de corriente

Salidas binarias.  Dan la indicación para que un actuador haga su función: apertura o cierre de una compuerta, arranque de un motor

Entradas análogas. Dan un estado muy preciso acerca de una variable que está cambiando, o bien, del estado de apertura de una válvula: temperatura de un termómetro, presión diferencial, flujo de aire

Salidas análogas. Ofrecen un valor más exacto para modular variables: porcentaje de apertura de una válvula o compuerta, velocidad de un motor

Para tener una mejor perspectiva, la figura 4 explica de qué manera operan cada uno de estos puntos con sensores y actuadores en una unidad manejadora de aire sencilla.

Finalmente, hay que pensar de qué manera el contratista de control trabajará para operar todo el sistema; así como comprender que antes de pasar a dichas estrategias hay que saber qué tipos de control existen en los proyectos, desde lo más simple, hasta lo más complejo.

Segunda capa

Control local. Todos los equipos conectados a un controlador.

Tipos de control

En el aire acondicionado siempre se encontrarán varias formas de controlar todos los equipos, desde un minisplit hasta una chiller, para cumplir con la condición de obtener la temperatura adecuada. Estas son algunas de las estrategias más comunes:

• Control de dos estadosEs el control más común, por ejemplo, cualquier minisplit casero. En éstos, el termostato dará retroalimentación de las condiciones de la zona que está enfriando. Empero, existe un inconveniente: siempre que entra en operación, lo hace a toda su capacidad para alcanzar el punto de ajuste, lo cual elevará el costo en el consumo eléctrico, eventualmente.
• Control flotanteEstá presente en todas aquellas cajas de volumen variable que realizan la apertura o cierre de la compuerta que llevan por dentro, de manera paulatina, dependiendo de la demanda de aire que se registra en cada zona. Una vez satisfecha la demanda, la compuerta modulará con un cierre parcial. También, se puede ordenar su cierre completo.
• Control PIDSin ahondar en cálculo diferencial e integral, el control PID permite establecer un punto de ajuste para mantener una temperatura, encender, apagar o modular cualquier motor. El equipo se conserva trabajando de manera constante, variando el consumo eléctrico, según la carga que se tenga que batir.

Es necesario definir una estrategia de control para poder tener un sistema acondicionado eficiente y que logre un ahorro de energía. Por eso, es importante mencionar que omitir componentes hará el proyecto más barato. No obstante, cuando se necesita un ahorro significativo, lo anterior no será posible, pues obligará al usuario a invertir más de lo que tenía pensado.

Se muestra en la figura 8, el lazo de control por temperatura de descarga que también se pudo ver en el lazo cerrado. El primero dará una retroalimentación hacia el controlador para saber si se está logrando batir la carga y si se cumple el requisito de la modulación de la válvula de dos vías.

En la figura 9, el lazo de control de ventilación nos ayuda a suministrar aire exterior procurando que el aire dentro de una zona o habitación no se esté viciando constantemente causando malos olores, así como ir quitando el dióxido de carbono (CO2) del ambiente.

Finalmente, en la figura 10 tenemos el lazo de control por presión estática. Es muy común que éste se utilice en sistemas con cajas VAV. Esto se debe a que los usuarios solicitan al área de mantenimiento que cierren todas las compuertas o las cajas VAV porque sienten frío. Por ello, es posible que la presión del ducto vaya a inflarse causando eventualmente que se dañe.

Para llevar a cabo alguna estrategia, hay que cargar el programa de control a los controladores locales. A nivel software es posible programarlos todos y también cada uno inpidualmente. También es factible lograrlo independientemente de qué equipo se trate: ventiladores, UMAS, ULAS, chillers, entre otros.

Para hacer más eficiente el control de algunos equipos es imperativo realizar la optimización del sistema. Por ejemplo:

En un piso donde haya cajas VAV, como se observa en la figura 11, están todas abiertas y la manejadora suministra aire. Hay un sensor de diferencial de presión que enviará una señal de baja presión estática. Si se cierran varias cajas VAV, la presión aumentará paulatinamente; por lo tanto, se apreciará que la velocidad del ventilador va a disminuir. Al no tener una VAV abierta, el ventilador trabajará a una velocidad tal que el suministro de aire será insignificante.

Sucede lo mismo del lado del agua helada con base en la demanda por cada equipo, pero con la diferencia de que el sensor que medirá el diferencial de presión estará ubicado en la línea principal de inyección y del retorno de agua helada, como se muestra en la figura 11.

Es importante que antes de realizar todas estas pruebas de control en un proyecto, el contratista HVAC entregue un reporte detallando en el que se evidencie que se hicieron todas las pruebas pertinentes a carga parcial y total. Esto para certificar que el sistema trabaje, sin provocar daños a todo el sistema. Dicho reporte debe tener pruebas con instrumentos de medición certificados por un laboratorio.

Ahora que los equipos de climatización están instrumentados y sus controladores conectados, podemos ir a la última capa.

Tercera Capa

El Sistema de Gestión de Edificio o Building Management System (BMS) es un sistema que gobierna todos los equipos; como un cerebro que genera análisis en la operación de los mismos, teniendo todo de forma centralizada.

Como se mencionó, todos los equipos de aire acondicionado poseen un controlador que gobierna sus funciones, pero eso no garantiza que se pueda monitorear o manipular cualquiera de ellos; hay que conectarlos todos a un solo sistema, intercambiando datos por un protocolo de comunicación.

Los protocolos más comunes son: Bacnet, y Modbus. Existen otros que no están enlistados, pero también son usados (ZigBee, EnOcean, KNX, etcétera).

Hay controladores centrales que pueden hablar varios protocolos de manera nativa, y debe ser así. También existen equipos que requieren de un gateway que convierte de un protocolo a otro.

Se pueden conectar varios controladores Bacnet o Modbus (dependiendo el caso) entre sí en modo “Daisy Chain” o “Cadena Margarita”, para que se comuniquen entre ellos mismos, pero no existe un destino o algo que le diga a cada uno de qué forma deben conectarse (véase la figura 12).

Para la conexión de uno o más dispositivos hay que hacerlo a un nodo de red; así se tendrá todo el sistema enlazado y comunicándose en general vía IP.

Los equipos no se gobiernan a sí mismos; por lo tanto, hay que tener una computadora que esté comandando los dispositivos HVAC. Ésta es el servidor de todo el sistema y será identificada como workstation o estación de trabajo, como se aprecia en la figura 13.

La estación de trabajo permite visualizar en su interfaz de usuario todos los componentes del sistema; de tal forma que es posible configurarlos para verlos a través de planos por piso.

El BMS es capaz de integrar otros sistemas, teniendo un control absoluto del inmueble, como son el control de iluminación, protección contra incendios, accesos, centros de monitoreo de datos y monitoreo de energía.

El monitoreo de energía es vital en un BMS, pues mediante éste el dueño del inmueble podrá llevar un mejor control de sus procesos y hará sus mantenimientos de manera más eficaz y predictiva. Inclusive, si es necesario, hay que elaborar un reporte mensual o quincenal sobre la tarifa de consumo para estar al tanto del estado de todos los equipos.

Para saber cómo la automatización puede funcionar en edificaciones grandes y pequeñas, se debe conocer que durante mucho tiempo se han realizado estudios en la programación de estos sistemas, de tal modo que con el tiempo se han hecho más inteligentes, al tiempo que se reducen costos en la factura energética, de ahí su importancia.

La gestión de los tiempos de operación es indispensable para que los sistemas no tengan que funcionar cuando no es necesario, lo que reduce los costos de personal de mantenimiento, siendo imprescindible operarlos manualmente, ya que en ocasiones se administran varios controles a la vez.

Con el avance tecnológico de hoy es posible monitorear e, incluso, recibir reportes semanales o mensuales acerca de la operación y el consumo para decidir qué áreas requieren más atención que otras. La interconexión de los elementos de un sistema HVAC que trabaja con controles híbridos fomenta una estrategia de ahorro de energía que puede utilizarse y aprovechar los climas helados al regular la temperatura en el interior. Estos controles permiten ajustar el termostato, medir la variación y demanda de climatización en las distintas áreas del edificio, oficina y/o hogar.

Para implementar cualquier estrategia, es necesario que el programa de control y los controladores locales estén en sintonía a nivel software.

El BMS brinda a los usuarios confort, no sólo por la parte de la temperatura, sino también porque suministra aire de calidad a quien se encuentra en el interior. Además, garantiza la posibilidad de monitorear o controlar cualquiera de los equipos, conectando todo desde un solo sistema que facilite procesar la información completa, enviar esos datos y crear un protocolo, de manera que se administre correctamente el uso de las instalaciones. El proceso es por medio de reportes de consumo eléctrico y, a su vez, identificando a los usuarios que consumen más electricidad.

Para que los controles puedan ser operados por el BMS es necesaria la workstation, la cual es el comando y servidor de todo el sistema, como se mencionó anteriormente. Ésta permite visualizar en su interfaz sus componentes, monitorear, operar y capacitar los operadores del sistema e, incluso, integrando sistemas que no son HVAC para controlar totalmente el edificio, registrar el gasto de energía y reportar cada cierto tiempo su consumo.

Antaño este tipo de innovaciones eran inimaginables; sin embargo, la búsqueda por una mejor calidad de vida ha sido el cambio por el que se ha apostado durante años. Mediante plataformas como el BMS, la automatización deja claro que ya no es necesario desperdiciar energía para tener controles funcionales, ahorrativos y capaces de administrar una ciudad entera.

En conclusión, el BMS es un sistema completo,  capaz de implementar varias estrategias de control para brindar a los usuarios las mejores condiciones posibles de confort al interior de una edificación. Esto no sólo porque controla el aire acondicionado, sino también todas las instalaciones de cualquier inmueble, lo que a su vez permite su uso y administración correctas.

Oliver Castellanos

Egresado de la carrera Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Marista de Ciudad de México. Ha trabajado en la supervisión de varios proyectos de Aire Acondicionado. Actualmente, labora para Schneider Electric como Ingeniero Especificador de Building Management System (BMS), Control de acceso y KNX apoyando a la prescripción de productos en varios proyectos. Miembro asociado de ASHRAE Capítulo Ciudad de México.