Primera Fase. Sistema SCADA para instalación de calefacción y ACS con RaspberryPi y Arduino MEGA

En el presente proyecto se trata el diseño de un sistema integrado de gestión y control, sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) de una instalación típica para Agua Caliente Sanitaria (ACS) y calefacción de una vivienda unifamiliar.



El objeto de presentación de este proyecto es de carácter lúdico y ó informativo.
La implementación del proyecto permite el uso de la mayoría de  los recursos ofrecidos por el microcontrolador elegido, el MEGA 2560 R3 de Arduino, comprobando y aplicando todo el desarrollo y  resultados en una aplicación real.
Aunque el proyecto es voluminoso y entretenido, su seguimiento permite parcializarlo y centrarse en los puntos de interés que seguro tendrá en coincidencia con cualquier otro tipo de instalación que se quiera supervisar, telegestionar, controlar mediante  un microcontrolador o sencillamente automatizar mediante accesorios convencionales tales como relés, termostatos, pulsadores, finales de carrera, etc.

Hay que advertir además que si se ha optado por seguir el presente proyecto como una opción económica para gestionar o controlar una instalación de este tipo o semejante, no habrá sido  la mejor de las opciones. Aunque el coste total de los equipos y accesorios no supone gran inversión económica, si supone una gran inversión en  el tiempo de ejecución del mismo.
Para esos casos, existen en el mercado Autómatas Programables ó PLC de propósito general, como pueden ser Siemens, Omron, Telemecanique, etc., que resumirían el presente proyecto a unas pocas horas en tiempos de ejecución y por supuesto ofrecerían  más fiabilidad en cuanto al funcionamiento de los equipos.
La presentación del proyecto sólo tratará la instalación a nivel funcional.
No se tratarán temas de importancia capital como por ejemplo son la normativa vigente sobre este tipo de instalaciones.

Por ello se hace necesario recordar que la manipulación de las instalaciones térmicas, hidráulicas, eléctricas y en general todo tipo de instalaciones, requieren de personal especializado  para garantizar unas condiciones de seguridad de funcionamiento y rendimiento óptimo. 
Queda entendido así, que las responsabilidades que se pudieran derivar de la implementación total o parcial de este proyecto, son de quien las implementa o lleva a la práctica, en ningún caso de quien las presenta o divulga.

El proyecto se dividirá en tres fases.

Primera fase:

Listado de equipos principales.
Presentación del esquema hidráulico.
Descripción de funcionamiento.
Diseño e implementación del esquema de funcionamiento eléctrico de la instalación mediante componentes convencionales típicos tales como relés, termostatos, etc.

Esta primera fase nos facilitará la comprensión del  funcionamiento de la instalación, tanto a nivel hidráulico como lógico, lo cual  nos permitirá implementar con posterioridad las funciones en el software  del microcontrolador con mayor rapidez y eficacia.


Segunda fase:

Diseño e implementación de un sistema completo de control de la instalación basado en un microcontrolador de la plataforma Arduino, en concreto el Arduino Mega.
El sistema dispondrá de entradas y salidas digitales para la gestión de los equipos tales como bombas, quemador, termostatos, pulsadores, etc.
Incorporación de tres sondas para la captura de temperatura de impulsión del agua de la caldera, temperatura de ACS y temperatura exterior.
Incorporación de una pantalla LCD que servirá para informar de los estados de los equipos, valores de sondas de temperatura y otros valores importantes de la instalación.
Implementación de un control de la temperatura de impulsión del agua de caldera para los radiadores, en función de la temperatura exterior, (curva de compensación).


Tercera fase:
Implementación de un servidor web que permitirá supervisar, parametrizar y analizar toda la instalación desde cualquier punto con acceso a Internet, convirtiendo todo el proyecto en un modesto pero eficiente sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos).
Para ello se utilizará una RaspberryPi, en la que se instalará un servidor LAMP (Linux, Apache2, MySql, PhP) conectada a la placa Arduino MEGA 2560 a través del puerto serie.
Video demostrativo del funcionamiento.

PRIMERA FASE

LISTADO DE LOS EQUIPOS PRINCIPALES.

La instalación dispone como componentes principales de una caldera, un acumulador de agua caliente sanitaria (ACS), un sistema distribuido de radiadores y dos bombas de agua, una dedicada a enviar el calor producido en la caldera al sistema de radiadores, y otra para enviarlo al acumulador de ACS, según la demanda existente.
Para no entorpecer la navegación de quien ya posee conocimientos de instalaciones hidráulicas ó similares, las descripciones genéricas se ubicarán al final de la entrada.

PRESENTACION DEL ESQUEMA HIDRÁULICO

En el esquema hidráulico de principio se prescinde intencionadamente de toda valvulería, racordería y otras dotaciones que se requieren para un funcionamiento seguro y correcto de una instalación típica tales como válvula de sobrepresión, deposito de expansión, válvulas de aislamiento de equipos, etc. Esto es así para facilitar la comprensión del esquema hidráulico.

Esquema hidráulico de la instalación

Ubicación de los equipos de accionamiento y control

 

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN.

Funcionamiento para demanda para producción de calor para ACS.

Funcionamiento para demanda para producción de calor para calefacción.

Funcionamiento para demanda de producción de calor

DESARROLLO DEL ESQUEMA ELÉCTRICO

Tablas de la verdad y expresiones de accionamiento de los equipos.

Una vez definidos los componentes principales de la instalación, se establecerán  unas condiciones para el funcionamiento de los mismos.
Estas condiciones se incluirán en distintas tablas de la verdad, las cuales tras el resultado permitirán generar las expresiones de accionamiento de los equipos.

Producción de ACS.

Gestión de la bomba de producción de ACS.

Para el accionamiento de la bomba de Producción de  ACS, deben cumplirse dos condiciones.
Primera condición:

La temperatura del agua de ACS ( circuito secundario ), debe ser inferior que la consignada en el Termostato de Agua de Consumo de ACS TACSC .
Segunda condición:

La temperatura de impulsión del agua de la caldera ( circuito primario ) debe ser superior a la consignada en el Termostato de Impulsión Mínima para Producción de ACS  TminImpPACS.

Tabla de la verdad de la bomba de producción de ACS.

Gestión de la producción de calor para ACS

La producción de calor para ACS, ( demanda de funcionamiento de la caldera ) está encomendada a un relé auxiliar,  en este caso al  Relé auxiliar para demanda de  Producción de ACS RaPACS, que para que se energice necesitará dos condiciones.
Primera condición:

Como en el caso anterior, la temperatura del agua de consumo de ACS, debe ser inferior que la consignada en el Termostato de Agua Caliente Sanitaria TACSC.
Segunda condición:

La temperatura del agua de la caldera debe ser inferior a la consignada en el Termostato de Impulsión Máxima para Producción de ACS TmaxImpPACS .

Tabla de la verdad para de la demanda de calor para ACS

Producción de calefacción.

Gestión de la bomba circuladora de calefacción.

Para el accionamiento de la bomba de los radiadores ( BR )  se necesitan tres condiciones.
Primera condición:

No debe haber demanda de ACS. Lo cual, dará prioridad de funcionamiento  a la producción de ACS cada vez que exista simultaneidad en la demanda de ACS y Calefacción.
Segunda condición:

La temperatura ambiente debe ser inferior a la consignada en el termostato de ambiente TA.
Tercera condición:

La temperatura del agua de la caldera debe ser superior a la consignada en el Termostato de Impulsión Mínima para radiadores TminImpR.

Tabla de la verdad para bomba circuladora de calefacción.

Gestión de la demanda de calor para calefacción

La producción de calor  para calefacción está encomendada a un relé auxiliar, el  RaR. No obstante necesita tres condiciones para energizarse.
Primera condición:

No debe existir demanda de producción de ACS.
Segunda condición:

La temperatura ambiente debe ser inferior a la consignada en TA.
Tercera condición:

La temperatura del agua de la caldera debe ser inferior a la consignada en el Termostato de Impulsión Máxima para radiadores  TmaxImpR.

Tabla de la verdad para la demanda de calor para la calefacción

Producción de calor

Gestión del quemador ( Q )

Para el funcionamiento del quemador se requieren tres condiciones.
Primera condición:

La temperatura del agua de la caldera debe ser inferior a la consignada en el termostato de seguridad TS.
Segunda condición:

No debe haber ninguna señal de alarma o control externo activo representados por el contacto OC, el cual deberá enseriarse con otros como por ejemplo detector de estabilidad de llama, detector de humos, detector de fugas, etc.
Tercera condición:

Debe existir demanda de producción de calor procedente del régimen de ACS RaPACS, del régimen de calefacción RaR, o de ambos.

Tabla de la verdad para el quemador.

Esquema eléctrico.

Con la intención de facilitar la comprensión del mismo, en el esquema eléctrico de funcionamiento se prescinde intencionadamente de todo equipo de protección y señalización tales como relés térmicos, magnetotérmicos, diferenciales, pilotos indicadores, detectores de humo, centralitas de control de llama, etc. que se requieren para un funcionamiento seguro y correcto.
No obstante, todas las seguridades pueden integrarse fácilmente en serie entre los contactos TS y OC.
De las funciones que se deprenden de las tablas de la verdad anteriores, se puede deducir el siguiente esquema de funcionamiento eléctrico:

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS

Caldera.

 

El tipo de caldera representada en los esquemas hidráulicos se corresponde con una caldera del tipo de pie, con quemador de gasoil acoplado y hogar sobrepresionado.
Aún así, todo lo presentado en el proyecto puede implementarse con cualquier otro tipo de caldera, ya sea de G.L.P., de tipo mural, atmosférica o incluso una caldera eléctrica.

 

Acumulador de ACS.

 

El acumulador representado en el esquema es del tipo con intercambiador  tubular. Se basa en un depósito para la acumulación del agua aislado térmicamente. Dispone de cuatro tabuladuras ó conexiones principales que sirven para lo siguiente:
Dos de las conexiones son usadas para tratamiento del agua de red. Obviamente una es para la (entrada), conexión con el agua fría de la red, y la otra es la ( salida ), conexión con la instalación  hacia los puntos de consumo existentes.
Al conjunto que forman estos tubos, (entrada y salida de red)  más el recinto destinado al  almacenamiento del agua para ser calentada dentro del propio depósito, es frecuente llamarle Circuito Secundario, pues es el receptor del calor.
Las otras dos conexiones están conectadas interiormente mediante un tubo. A este tubo se le denomina intercambiador de calor. La disposición del intercambiador de calor dentro del depósito es en forma de arrollamiento espiral con objeto de aumentar la superficie de intercambio.
Por el interior del tubo intercambiador circula agua caliente procedente de unos equipos remotos  de producción de calor, normalmente una caldera como es nuestro caso. Al estar sumergido permanentemente en el agua del circuito secundario, el calor, es transferido a la misma.
Al conjunto que forman estos  tubos (entrada y salida del intercambiador y que conectan con la entrada y salida de la caldera ) más la caldera y el propio intercambiador, es frecuente llamarle Circuito Primario, pues es el circuito emisor/productor del calor.
Con estas denominaciones resulta más fácil diferenciarlos  cuando en necesario referenciarse a ellos.

 

Radiador 

 

Los radiadores usados permiten ceder ó disipar el calor  transportado por el agua al aire ambiente, elevando la temperatura del mismo.

 

 

 

 

 

 Bomba de agua

 

Las bombas representadas en los esquemas son circuladores electromecánicos que  permiten transportar selectivamente por la red de tuberías de la instalación, la energía calorífica producida en la caldera, allí donde se necesite, ya sea para producir ACS o para producir calefacción.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO PARA ACS.

Cuando la temperatura del agua ACS  es inferior a la consignada en el termostato de regulación de temperatura del ACS para consumo " TACSC ", existen dos consecuencias posibles para la instalación y que pueden incluso ser simultaneas.
Una de ellas es la puesta en marcha de la Bomba de Producción para ACS " BPACS ", si es que la temperatura del agua de la caldera es superior a la consignada en el Termostato de temperatura Mínima Impulsión para Producción de ACS " TminImpPACS ".
La otra es la solicitud de puesta en marcha de la caldera para producir calor a través del Relé auxiliar para Producción de ACS " RaPACS ", si es que la temperatura del agua de la caldera es inferior a la consignada en el Termostato de temperatura Máxima Impulsión para Producción de ACS "TminImpPACS ".
Queda así establecido un rango de temperaturas del agua de caldera en circulación por el intercambiador de calor de ACS comprendido entre los termostatos  " TminImpPACS " 55ºC para la temperatura mínima y " TmaxImpPACS " 75ºC  para la máxima.
Esta situación se mantendrá mientras la temperatura de ACS no supere a la consignada en el termostato TACSC 43ºC.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO PARA CALEFACCIÓN

Cuando y sólo cuando la temperatura del agua ACS  es superior a la consignada en el termostato de regulación de temperatura del ACS para consumo " TACSC " puede la instalación producir calefacción.
Esto convierte a la demanda de ACS en prioritaria, en todos los casos que exista simultaneidad.
Siendo así,  cuando no existe demanda de producción de ACS y además  la temperatura de ambiente  es inferior a la consignada en el Termostato de  Ambiente " TA " , existen dos consecuencias posibles para la instalación y que pueden incluso ser simultaneas.
Una de ellas es la puesta en marcha de la Bomba de Producción para Calefacción " BR ", si es que la temperatura del agua de la caldera es superior a la consignada en el Termostato de temperatura Mínima Impulsión hacia Radiadores " TminImpR ".
La otra es la solicitud de puesta en marcha de la caldera para producir calor a través del Relé auxiliar para demanda de calefacción " RaR ", si es que la temperatura del agua de la caldera es inferior a la consignada en el Termostato de temperatura Máxima Impulsión hacia radiadores "TminImpR ".
Queda pues establecido un rango de temperaturas del agua de caldera en circulación por los radiadores comprendido entre los termostatos  " TminImpR " 45ºC para la temperatura mínima y " TmaxImpR " 65ºC  para la máxima.
Esta situación se mantendrá mientras la temperatura ambiente no supere a la consignada en el termostato " TA " 22ºC.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO PARA PRODUCCIÓN DE CALOR

Cuando exista demanda de producción de calor a través de los relés auxiliares, ya sea para calefacción " RaR " ó para ACS " RaPACS " se pondrá en marcha el Quemador " Q ", si no existe ninguna alarma activa representadas por los controles  Termostato de Seguridad " TS ", ó Otros Controles de seguridad " OC " .

TABLA DE CONSIGNAS.

 

 

Descripción de los códigos usados en las tablas de la verdad.

Para facilitar la comprensión de las tablas de la verdad y las funciones resultantes de las mismas se ha empleado en ellas un código de colores, los cuales se asocian de la siguiente manera:

Colores para la interpretación del estado de los contactos de los termostatos y relés en   las entradas lógicas de las tablas de la verdad:

Estado del contacto desactivado, en reposo, normalmente cerrado, temperatura por debajo de la consignada ( termostato frío ), valor falso o valor lógico 0.

Color  para el estado del contacto  activado, normalmente abierto, temperatura por encima de la consignada ( termostato caliente ), valor verdadero o valor lógico 1.

Color para el estado del contacto indeterminado o irrelevante para el resultado de la expresión.

Colores para la interpretación del estado de los equipos y relés en las salidas lógicas de las tablas de la verdad:

Color para el estado de marcha.

 Color para el estado de paro.

Interpretación de los colores en las expresiones resultantes de las tablas de verdad:

Expresión.

Significado:

Equipo en ON:

 BACS

Termostato frío, temperatura inferior a la consignada, contacto normalmente cerrado.           

TACS

Termostato caliente, temperatura superior a la consignada, contacto normalmente abierto.

TminImpACS