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SISTEMA INTEGRADO
DE CONTROL DISTRIBUIDO PARA GESTIÓN LOCAL Y REMOTA DE
EDIFICIOS INTELIGENTES MEDIANTE REDES LONWORKS
José M. Bernárdez
1
Pedro M. Caballero 1
Pedro Domínguez
1 p
Marta Poncela 1
- CARTIF: Centro de Automatización,
Robótica y Tecnologías de la Información
y de la Fabricación.
- RESUMEN
Finalidad:
Se describe la red de
control distribuido y monitorización integral del edificio
del Centro Tecnológico CARTIF, y su aplicación
a los diferentes subsistemas: Sistema Energético con
Instalaciones Solares Fotovoltaica y Térmica, Sistema
de Climatización con Instalaciones de Suelo Radiante
y Bomba de Calor y Sistemas de Gestión de Accesos,
Presencia e Iluminación.
Resultados:
Se han implantado un total
de 35 nodos sobre topología libre permitiendo arquitecturas
en bus y anillo alcanzando una velocidad de 78Kbps. Como soporte
físico se ha empleado la infraestructura de cableado
estructurado existente en el edificio así como diferentes
interfaces: radio, cable UTP y cableado de red eléctrica.
Se han desarrollado nodos
adicionales para realización de medidas y controles
específicos y se ha creado una infraestructura de red
completa, incluyendo las herramientas de gestión de
tráfico en la cual la actualización, cambios
de software o inclusión de nuevos elementos se realiza
de forma casi transparente.
Adicionalmente, se ha
dotado al sistema de conectividad a internet para permitir
una fácil telegestión y monitorización
remota a través de web.
La previsión es
aumentar el número de nodos hasta los 90 para poder
disponer de todos los subsistemas controlados
Conclusiones:
La robustez, interoperabilidad
y bajo coste de las redes y controladores LonWorks, ha permitido
unificar la gestión de multitud de sistemas de naturalezas
muy diferentes, facilitando la integración de nodos
de diferentes fabricantes junto con otros, específicos,
desarrollados por CARTIF. La conectividad internet permite
también una fácil telegestión del sistema
a través de navegadores web estándar.
La red implementada, así
como los nodos de control y monitorización, han demostrado
una fiabilidad y robustez que la hacen aplicable a sistemas
industriales de control.
Es de destacar el fácil
crecimiento de la red y gestión de la misma, disponiendo
de herramientas de gestión de tráfico que posibilitan
una rápida resolución de problemas y agilizan
las actualizaciones del sistema, permitiendo a su vez la convivencia
entre sistemas ya establecidos y en funcionamiento con otros
en continuo desarrollo y depuración.
- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA.
- Introducción y objetivos
El proyecto integra la gestión
y el control de las instalaciones e infraestructuras básicas
de los edificios inteligentes. Sistemas de climatización,
instalaciones solares fotovoltaicas y térmicas, Sistemas
de control y ahorro energético, control de iluminación,
accesos y presencia. El sistema está basado en nodos
de control distribuido LonWORKS que, repartidos por todas las
instalaciones del edificio, realizan el control de las mismas.
Todos ellos están interconectados mediante una red inteligente
de control distribuido. Se han desarrollado también multiples
interfaces para interactuar con los parámetros de control,
realizar la monitorización y telegestión remota.
Estos interfaces comprenden: Acceso WEB y WAP, gestión
por mensajes cortos SMS, acceso a través de DECT y Bluetooth
e interfaz SCADA mediante PDAs.
El proyecto ha sido realizado
a lo largo del año 2.000 mediante la colaboración
de los Laboratorios de Energías Renovables, Mantenimiento
Predictivo Integral e ingeniería del Software.
Los sistemas de generación
energética basados en fuentes renovables requieren, para
su funcionamiento óptimo, de un sistema de control y
monitorización que actúe sobre ellos. Dado el
elevado coste de las instalaciones de generación con
energías renovables, éstas se suelen dimensionar
para satisfacer las necesidades de consumo de la manera más
ajustada posible, con lo que un buen control y supervisión
de los procesos involucrados es imprescindible para hacer viable
y fiable una instalación de este tipo. Adicionalmente
se ha buscado la integración de todos estos equipos de
manera que se pueda realizar una gestión energética
integral.
Este trabajo está
siendo financiado gracias a la unión europea y la CICYT
a través del proyecto FEDER "Desarrollo, control
y supervisión de sistema integrado de energía
solar y eólica en un edificio energéticamente
autónomo" (ref.:1FD97-0863-C02-01) cuyo I.P. es
Luis Javier de Miguel González.
2.2 Descripción
de las instalaciones a controlar
- Climatización
El sistema de climatización
engloba un gran número de equipos de campo, que se combinan
entre sí para obtener un grado óptimo de climatización
en todas las oficinas. Los sistemas que se utilizan para el
ahorro energético son los siguientes:
1) Captadores solares:
paneles planos (37.5 m2) y paneles de vacío con seguimiento
solar azimutal (40 m2). 2) Sistema de almacenamiento (4 depósitos
de 2.000l). 3) Caldera de gas (200.000 kcal/h). 4) Suelos radiantes
(15.000 l/h). Máquina de absorción (35 kW). 5)
Bombas de calor/intercambiadores (18 bombas desde 5.6 hasta
31 kW de frío), torre de refrigeración. 6) Sensores,
válvulas, actuadores, etc.
Se miden 50 temperaturas
repartidas por todo el edificio a través de sondas digitales
de bajo coste, 10 caudales de precisión, y 10 medidores
de presión, tanto absoluta como diferencial. Se actúa
sobre válvulas de dos y tres vías, bombas de impulsión,
y arranque y paro de todos los equipos.
Algunas de las características
de este sistema son las siguientes: 1) Control de arranque y
paro de los distintos dispositivos según los horarios
y las necesidades energéticas, encaminado siempre a una
optimización del rendimiento. 2) Control de bombas
del circuito del primario de agua. 3) Cuantificación
de consumos instantáneos y medios. 4) Control de estados
y alarmas de los equipos de producción de frío
y calor, bombas y fan-coils.
El mismo sistema de supervisión
se utiliza para paneles fotovoltaicos de Si monocristalino.
El campo está dividido en dos subsistemas con finalidades
diferentes. Instalación aislada: dedicada al consumo
en el propio edificio. Instalación conectada a red: diseñada
para vender electricidad a la red general. En estas instalaciones
se recogen las tensiones y las intensidades en grupos de paneles
representativos, señales del regulador de carga, y potencias
generadas antes y después de los inversores.
Para controlar un sistema
de este tipo, formado por subsistemas de naturaleza diferente
y ubicaciones físicas dispersas, la implantación
de un control distribuido de hace necesaria frente a otras estrategias
de control.
- La red Lonworks de control distribuido
Para realizar el control
y gestión de todas estas instalaciones se ha empleado
tecnología Lonworks, que ofrece todas las ventajas de
un sistema de control distribuido en cuanto a robustez y fiabilidad
a un bajo coste en comparación con otros sistemas industriales.
Una red Lonworks está
compuesta por un conjunto de elementos inteligentes denominados
nodos, que se comunican entre sí mediante el protocolo
Lontalk, basado en el modelo OSI, a través de diversos
medios físicos. Existen también elementos específicos
para encaminamiento por la red, routers, y se dispone
de múltiples interfaces y medios de transmisión.
Los subsistemas básicos
de que consta una red Lonworks son:
- Controladores Neuron Chip y firmware
asociado (que incluye soporte para protocolo LonTalk).
- Transceivers que permiten la conexión
a los distintos medios físicos de transmisión.
- Módulos de control Lonworks que
incluyen el Neuron Chip, transceivers y memoria externa.
- Routers que sirven de encaminadores
entre diferentes subredes y/o medios de transmisión.
- Interfaces de red mediante los cuales
se pueden interconectar otros elementos no basados en el protocolo
Lontalk como pueden ser ordenadores personales, PLCs, GSM
etc.
- Herramientas de instalación, gestión,
configuración y diagnóstico tanto de los nodos
como de la red de control como son: DDE server, LonMaker.
- Herramientas de desarrollo de aplicaciones,
compilador Neuron C, enlazador, depuradores, etc.
Figura 1.Estructura de la
red Lonworks
Como se observa en la Figura
1 podemos ver la estructura de la red completa implantada mediante
Lonmaker.
El carácter abierto
de esta tecnología permite el desarrollo de nodos, siempre
basados en el Neuron Chip, con hardware específico para
la aplicación concreta de control, junto con otros comerciales,
para aplicaciones más genéricas.
Así tenemos nodos
de control con memoria y capacidad de procesamiento para calcular
la ley de control y nodos simples transductores/actuadores,
estos actúan leyendo las variables de los transductores
adecuados y enviándolas a través de variables
de red al nodo inteligente.
Se han utilizado una serie
de routers para aislar distintas zonas con mayor tráfico
y se han creado subredes aisladas.
- CONCLUSIONES
En los objetivos se planteó
el control y monitorización de la mayoría de las
variables que intervienen en el aprovechamiento energético
de las instalaciones que posee el edificio. Para realizar la
telegestión y el control de las variables de los modelos
se ha utilizado un control distribuido basado en redes LonWorks.
Las principales conclusiones
a las que se ha llegado son:
- Se ha realizado un modelo lo más
fiable posible del comportamiento energético del edificio.
- Se ha implantado una red LonWorks para
el control distribuido, la cual interconecta los distintos
nodos de control.
- Se están corroborando las características
más destacadas de la red LonWorks, al utilizar diferentes
medios de transmisión (red eléctrica, radio
frecuencia y par trenzado), topologías libres de red
(mezcla de anillos y buses) y minimizar el tiempo de instalación
y ampliación, cuando ha sido necesario.
- La supervisión de todos los sistemas
se facilita al poder acceder a todas las variables deseadas
en cualquier punto de la red mediante PC. Esto permite programar
acciones de mantenimiento predictivo y correctivo, así
como variar las estrategias de control con base en los datos
y resultados observados.
- El control distribuido ha permitido la
independencia de cada uno de los subsistemas formados, pudiendo
reprogramarse cada módulo por separado, sin interferir
ni parar el resto de módulos.
El hecho de que el protocolo
LonTalk sea abierto ha permitido mezclar módulos de diferentes
marcas sin ningún trabajo adicional.
Los nodos de control utilizados
son muy diversos, algunos de los cuales se han desarrollado
integralmente para cumplir las exigencias deseadas. Los módulos
comerciales utilizados son módulos Weidmüller combinados
(entradas/salidas analógicas y digitales).
Los módulos desarrollados
se encargan principalmente de la medida y control de las distintas
temperaturas analizadas, para lo cual implementan un protocolo
de comunicación 1-Wire para la comunicación con
las distintas sondas digitales de temperatura. Además
permiten mostrar por pantalla LCD diferentes informaciones,
así como la actuación sobre una serie de relés
que permiten actuar sobre bombas de calor y válvulas
de suelo radiante.
En la figura 2 se puede
ver uno de los módulos display que ofrece lecturas
de temperatura actual, mínima y máxima alcanzadas
y además permite el control de 2 salidas a relés.
Figura 2. Módulo display.
Se ha desarrollado el software
para programar los controladores, los cuales están basados
en el microcontrolador "neuron TMPN350B1F". Este software
implementa el algoritmo de control óptimo sobre las variables
a controlar.
Se ha conseguido un conocimiento
en el desarrollo de este tipo de nodos de control, lo cual nos
permite desarrollar nuevos módulos a que se adapten a
nuestras exigencias.
El control distribuido basado
en este tipo de nodo ha permitido el control independiente de
cada uno de los sistemas que forman el conjunto del edificio.
Además dichos módulos se comunican entre sí
para compartir información.
Las primeras estimaciones
fijan el ahorro energético conseguido con el control
distribuido y la supervisión en torno a un 30%, debido
fundamentalmente al control integrado de todos los equipos y
a la detección de fallos inmediata.
- REFERENCIAS
Bibliografía
[1] Creus, A.,"Instrumentación
industrial", Marcombo, 1997.
[2] Duffie, J.A., Beckman,
W.A., "Solar engineering of thermal processes",
Wiley Interscince, 1991.
[3] Echelon Corporation,
"LonWorks Engineering Bulletins", Echelon
Corporation, 1999.
[4] Echelon Corporation,
"Neuron C Programmer´s Guide Rev.4", Echelon
Corporation, 1990-1995.
[5] Ljung, "System
Identification: Theory for the User", Prentice-Hall,
Inc., 1987.
[6] Mills. "Transferencia
de calor" Irwin.
- CORRESPONDENCIA
CARTIF: Centro de Automatización,
Robótica y Tecnologías de la Información
y de la Fabricación.
Parque Tecnológico
de Boecillo, Parcela 205 – 47151 Boecillo, Valladolid.
Tel: 983 546504 Fax: 983
546521
e-mail: {pedcab, josber,
pedrodom, marpon}@cartif.es
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