Caso de estudio · Sector: equipos HVAC
Un solo diseño de control. Todas las unidades de la serie.
Un M-Duino 58 mueve ventiladores, baterías y compuertas, y habla Modbus con el BMS.
Una unidad de tratamiento de aire sale de fábrica con un controlador que debe funcionar en un edificio que nadie de la fábrica ha visto.
Por eso el fabricante pone el mismo PLC en todas las unidades, y cada modelo, cada opción y cada obra se convierten en parámetros.
Basado en instalaciones reales de clientes del sector; datos y nombres no publicados. Fabricantes de equipos HVAC integran controladores de Industrial Shields en sus unidades de tratamiento de aire, en serie. Esta página muestra la arquitectura, las señales y las secuencias de control de ese tipo de unidad. Las consignas, los límites y los mensajes son ejemplos de una forma habitual de hacerlo, no los ajustes de un producto real.
El reto
Muchos modelos, muchas opciones, un solo controlador que mantener.
Un fabricante de unidades de tratamiento de aire vende una gama de tamaños, con o sin batería de calor, con o sin free cooling, con uno o dos ventiladores. Cada unidad va a un edificio distinto, con un sistema de gestión técnica distinto. El ingeniero de control quiere un solo controlador y un solo programa para toda la gama, abierto para poder cambiarlo, y con un mapa de datos claro para el integrador del edificio.
Mantener el aire de impulsión
Mantener la temperatura de impulsión en su consigna con la secuencia de calor, free cooling con aire exterior y frío mecánico.
Mover el aire justo
Mantener la presión estática del conducto con el variador de impulsión, y saber cuándo hay que cambiar el filtro.
Respetar las seguridades
Las protecciones antihielo y de humo paran la unidad por cable. El controlador debe leerlas y llevar la unidad a un estado seguro.
Hablar con el edificio
Dar al BMS un mapa fijo: estados, medidas, alarmas y las órdenes que puede enviar.
Un programa para toda la gama
Tamaño, baterías, ventiladores y opciones son parámetros que se fijan al final de la línea, no un programa distinto para cada unidad.
Cómo funciona
Tres trabajos del controlador de la unidad: temperatura, aire, seguridad.
Cada panel muestra un trabajo del PLC. Pulsa los botones. Son simulaciones ilustrativas: consignas, límites y mensajes son ejemplos, no datos de una unidad real.
Calor, free cooling, frío: una secuencia para el aire de impulsión.
El PLC compara la temperatura de impulsión con su consigna y ejecuta una secuencia: primero la válvula de calor, después la compuerta de aire exterior para el free cooling y después la válvula de frío. La temperatura exterior decide si vale la pena el free cooling. Prueba una mañana fría, un día suave, un día de free cooling y una tarde calurosa.
- Consigna de impulsión, lazo PI
- Calor, free cooling y frío en secuencia
- Siempre el aire exterior mínimo
- La temperatura exterior habilita el free cooling
Controlador de la unidad (ejemplo)
- Unidad 2: ocupada, consigna de impulsión 16 °C.
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una unidad real. Valores de ejemplo: consigna de impulsión 16 °C, aire exterior mínimo del 20 %. La secuencia y los límites reales dependen de la unidad y del edificio.
Controla el confort, el aire exterior y las alarmas de cuatro zonas en el simulador de zonas de un edificio
El ventilador mantiene la presión del conducto. El filtro avisa cuando está sucio.
El variador del ventilador de impulsión sigue la presión estática del conducto: cuando las cajas de caudal variable (VAV) cierran, la presión sube y el ventilador baja la velocidad. El PLC también lee la presión en el filtro y comprueba que cada ventilador gira de verdad tras la orden de marcha. Cierra las cajas, ensucia el filtro y haz fallar el ventilador.
- Presión estática del conducto, lazo PI sobre el variador
- Alarma de filtro por presión diferencial
- Confirmación de marcha: el estado sigue a la orden
- Fallo del variador leído del variador
Ventiladores y filtro (ejemplo)
- Consigna de presión del conducto 250 Pa.
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una unidad real. Valores de ejemplo: consigna del conducto 250 Pa, alarma de filtro a 300 Pa, confirmación de marcha a los 20 s. Cada modelo tiene sus valores.
La cadena de seguridad detiene la unidad. El PLC la deja segura y avisa al BMS.
Las protecciones antihielo y de humo están cableadas para parar los ventiladores sin esperar al programa. El PLC lee su estado, cierra la compuerta de aire exterior, abre la válvula de calor si salta el antihielo y envía la alarma. El BMS lo ve todo en el mapa Modbus TCP, y puede fijar el modo ocupado o desocupado.
- Cadena de seguridad cableada, leída por el PLC
- Posiciones seguras para compuertas y válvulas
- Modo ocupado y desocupado desde el BMS
- Alarmas y estados en un mapa Modbus TCP fijo
Seguridad y BMS (ejemplo)
- El BMS consulta la unidad por Modbus TCP.
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una unidad real. Valores de ejemplo: termostato antihielo a unos 4 °C en la cara de la batería. Las acciones antihielo y por humo siguen el diseño y la normativa local de cada proyecto.
Consulta esclavos Modbus y sirve un mapa a un BMS en el simulador de red Modbus
Arquitectura del sistema
¿Cómo controla un PLC una unidad de tratamiento de aire fabricada en serie?
Un M-DUINO ETHERNET PLC ARDUINO 58 va en el cuadro de control de la unidad. Lee las temperaturas del aire, la presión estática del conducto, la calidad del aire, el filtro, el estado de ventiladores y variadores, y el estado de la cadena de seguridad. Gobierna la velocidad de los ventiladores, las válvulas de las baterías y las compuertas, y da al sistema de gestión del edificio un mapa Modbus TCP fijo por Ethernet.
| Señal | Entre | Tipo | Función |
|---|---|---|---|
| Temperatura de impulsión, retorno, exterior y mezcla | EntreTransmisores → M-Duino 58 | TipoAnalógica 0-10 V | FunciónLazo de impulsión, free cooling, vigilancia antihielo |
| Presión estática del conducto | EntreTransmisor → PLC | TipoAnalógica 0-10 V | FunciónLazo de velocidad del ventilador |
| CO2 y humedad | EntreSensores del aire de retorno → PLC | TipoAnalógica 0-10 V | FunciónAire exterior y confort |
| Pérdida de carga del filtro | EntreTransmisor o presostato → PLC | TipoAnalógica o digital | FunciónAlarma de mantenimiento |
| Ventilador en marcha, fallo del variador | EntreVariadores → PLC | TipoEntrada digital, o Modbus RTU (habitual) | FunciónConfirmación de marcha y fallos |
| Antihielo, detector de humo | EntreCadena de seguridad → PLC | TipoEntrada digital, solo lectura | FunciónPosiciones seguras y alarmas |
| Velocidad de ventiladores | EntrePLC → variadores de impulsión y retorno | TipoAnalógica 0-10 V, o Modbus RTU | FunciónMantener la presión del conducto |
| Válvulas de baterías | EntrePLC → válvulas de frío y calor | TipoAnalógica 0-10 V | FunciónTemperatura de impulsión |
| Compuertas | EntrePLC → actuadores de aire exterior y de retorno | TipoAnalógica 0-10 V | FunciónAire mínimo y free cooling |
| Marcha de ventiladores, etapas, relé de alarma | EntrePLC → cuadro | TipoSalida digital | FunciónÓrdenes y señalización |
| Estados, medidas, órdenes | EntrePLC ↔ BMS | TipoModbus TCP por Ethernet | FunciónIntegración en el edificio |
Por qué funciona
Las E/S que pide la unidad, y abierto para toda la gama.
Toda la unidad en un PLC
Con 36 entradas y 22 salidas, 16 de ellas entradas analógicas y 8 salidas analógicas, un M-Duino 58 cubre los sensores y actuadores de una unidad habitual.
Parámetros, no versiones
Tamaño, baterías, ventiladores y opciones viven en parámetros que se fijan al final de la línea, así un programa sirve para toda la gama.
Las seguridades siguen cableadas
Las protecciones antihielo y de humo paran los ventiladores por cable. El PLC añade las posiciones seguras y las alarmas, no sustituye la cadena.
Un mapa que el integrador puede usar
El integrador del BMS recibe un mapa Modbus TCP fijo, el mismo en todas las unidades de la serie.
Programación abierta
El M-Duino se programa con el Arduino IDE, así el fabricante mantiene su propio código y lo puede cambiar.
Hecho para un cuadro
Carril DIN, de 12 a 24 Vdc, reloj de tiempo real para los horarios y ranura microSD para los registros.
Hardware
Un M-Duino 58 en el cuadro de control de cada unidad.
M-DUINO ETHERNET PLC ARDUINO 58
Un PLC industrial basado en Arduino, con 58 E/S y Ethernet, para carril DIN. Es el controlador de la unidad: lazos de control, secuencias, posiciones seguras y el mapa Modbus TCP para el BMS.
- Función
- Controlador de la unidad: impulsión, ventiladores, compuertas, baterías, seguridades y mapa para el BMS
- Microcontrolador
- Arduino Mega 2560 (ATmega2560, 16 MHz)
- Entradas
- 36: 16 analógicas/digitales (0-10 V, 10 bits) y 20 digitales optoaisladas, de 5 a 24 Vdc, 6 con interrupción
- Salidas
- 22: 8 analógicas/digitales/PWM (0-10 V, 8 bits) y 14 digitales optoaisladas, de 5 a 24 Vdc
- Comunicaciones
- USB 2.0 tipo B, Ethernet (W5500, 10/100), RS-485, RS-232, TTL, I2C, SPI
- Alimentación y montaje
- De 12 a 24 Vdc, carril DIN TS35, IP20, de 0 a 60 °C; reloj de tiempo real y ranura microSD
Las sondas de temperatura como NTC o Pt1000 necesitan transmisores a 0-10 V o un módulo de entradas de temperatura. Las salidas digitales son de transistor a 24 Vdc: usa relés de interfaz para contactores y etapas de compresor. Si el edificio pide BACnet, una pasarela de protocolo junto al PLC traduce el mapa Modbus TCP. Muchos cuadros de UTA dan 24 Vac: alimenta el PLC con una fuente de 24 Vdc en carril DIN.
Preguntas sobre este caso
¿Puede un PLC ser el controlador de una unidad de tratamiento de aire fabricada en serie?
Sí. Un M-Duino 58 tiene las entradas analógicas para las temperaturas y presiones del aire, las salidas analógicas para variadores, válvulas y compuertas, y Ethernet para el BMS. El fabricante escribe un programa para la gama y ajusta cada unidad con parámetros al final de la línea.
¿Cuál es la secuencia de control de la temperatura de impulsión?
Una secuencia habitual usa un lazo sobre la temperatura de impulsión y reparte su salida: primero la válvula de calor, después la compuerta de aire exterior para el free cooling y después la válvula de frío. La temperatura exterior habilita o bloquea el free cooling, y la compuerta nunca baja del aire exterior mínimo.
¿El PLC sustituye el termostato antihielo y el detector de humo?
No. Siguen cableados en la cadena de seguridad y paran los ventiladores por sí solos. El PLC lee su estado, pone las compuertas y válvulas en posición segura y envía la alarma al BMS. Las acciones siguen el diseño de la unidad y la normativa local.
¿Cómo lee el BMS la unidad?
Por Modbus TCP sobre Ethernet, con un mapa de registros fijo: medidas, estados, alarmas y las órdenes que el BMS puede escribir, como el modo ocupado o la consigna. Consulta un mapa de registros Modbus TCP en un M-Duino. Si el edificio necesita BACnet, una pasarela traduce el mapa.
¿Cómo gobierna el PLC los variadores de los ventiladores?
Con una señal de velocidad de 0-10 V y una orden de marcha, o por Modbus RTU sobre RS-485 cuando el variador lo admite, que además da velocidad, corriente y fallos. Consulta el control de velocidad de un variador por Modbus en un M-Duino y el control de una enfriadora por Modbus RTU.
¿En qué se diferencia del caso de éxito del centro comercial?
El caso de éxito del centro comercial es una unidad HVAC hecha para un edificio por un integrador, con un Raspberry PLC. Esta página trata de un fabricante que produce unidades de tratamiento de aire en serie y pone el mismo controlador en todas.
Descarga el caso de estudio
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