Dentro de un controlador BMS: cuadros, dispositivos de campo y el bucle DDC

Foto: Cuadro de control industrial abierto con módulos de E/S y regletas de bornes. Foto de Raymond Sime en Unsplash.

Un controlador BMS es el pequeño ordenador industrial que ejecuta la lógica de climatización, iluminación o ventilación de un edificio. No debe confundirse con un controlador de Battery Management System, el chip que equilibra las celdas de una batería en un vehículo eléctrico o un sistema de almacenamiento. Mismas siglas en la literatura en inglés, campos completamente distintos. Este artículo trata solo sobre automatización de edificios.

Continúa nuestra entrada de glosario sobre sistemas de gestión de edificios, que explica el BMS como sistema completo. Aquí bajamos un nivel: qué hace realmente el controlador, qué hay físicamente dentro del cuadro, qué dispositivos de campo están conectados, y dónde se conecta una capa de analítica como FrostLogic Explore una vez que la tecnología de control ya está funcionando.

Qué hace un controlador BMS: el bucle DDC

Todo controlador BMS trabaja con el mismo patrón básico, control digital directo, o DDC por sus siglas en inglés. Un sensor reporta un valor: temperatura de impulsión, nivel de CO2, presión del conducto. La lógica del controlador compara ese valor con un punto de consigna y calcula una salida mediante un algoritmo de control, normalmente PID (proporcional-integral-derivativo). Un actuador ejecuta el cambio: una válvula se abre un poco, una compuerta se cierra, un ventilador acelera. El bucle se repite, a menudo varias veces por segundo, mientras la instalación esté en marcha.

Ese ciclo de leer-decidir-actuar es lo que hace que el control sea "directo": el controlador lee sus propios puntos de campo y acciona sus propias salidas sin esperar a un servidor central en cada ciclo. Un único controlador puede ejecutar un solo bucle (una caja VAV que mantiene la temperatura de una zona) o varias docenas (una unidad de tratamiento de aire que coordina calefacción, refrigeración, compuertas de mezcla y velocidad del ventilador a la vez). Estos controladores de automatización de edificios se suministran como hardware dedicado de fabricantes como Siemens, Schneider Electric, Honeywell, Trend y Johnson Controls, cada vez más también como controladores definidos por software sobre una plataforma Niagara. El principio DDC es el mismo, sea cual sea la caja que lo aloja.

Controlador DDC frente a controlador supervisor

No todos los controladores de un BMS hacen el mismo trabajo. La jerarquía suele tener dos niveles.

Los controladores DDC (o de campo) ejecutan bucles locales cerca de la instalación: uno por unidad de tratamiento de aire, uno por las cajas VAV de una planta, uno por enfriadora. Mantienen sus puntos de consigna y horarios aunque se pierda la conexión de red. Un controlador DDC sin conexión sigue manteniendo la zona en temperatura, solo deja de reportar hacia arriba.

El controlador supervisor se sitúa por encima y coordina. Normalmente no ejecuta él mismo un bucle estrecho de sensor a actuador; en su lugar, envía horarios y puntos de consigna globales a los controladores DDC, recoge datos de tendencia y alarmas hacia arriba, y da al operador un único lugar donde cambiar un horario en vez de cuarenta. En un edificio pequeño ese papel puede recaer en un único PC de operador; en una cartera grande es un servidor dedicado, a veces toda una red de nodos BACnet o Niagara.

Esa estructura de dos niveles es a lo que se refiere la gente cuando habla de "controles BMS" como sistema y no como un único aparato: los controladores de campo sostienen la física, el nivel supervisor la coordinación, y el protocolo de red entre ambos, casi siempre BACnet, a veces Modbus, lleva tanto los datos de tendencia hacia arriba como los cambios de consigna hacia abajo.

Dentro de un cuadro de control BMS

El controlador en sí es solo un componente del cuadro de control BMS, el armario metálico que un electricista monta en la sala de instalaciones. Al abrir uno, normalmente se encuentra:

• La placa (o placas) del controlador. La lógica DDC descrita arriba, a menudo con una pequeña pantalla local o un puerto de puesta en marcha.
• Módulos de E/S. Tarjetas de entrada/salida que traducen el cableado de campo en señales que el controlador puede usar: entradas analógicas para sensores de temperatura y presión, entradas digitales para contactos de estado, salidas analógicas para actuadores modulantes, salidas digitales (de relé) para equipos todo/nada como bombas y ventiladores. Si la capacidad de E/S integrada no basta, se añaden módulos de expansión.
• Regletas de bornes. Bornes de tornillo numerados donde llega cada cable de campo, según el esquema de cableado. Aquí es donde realmente trabaja un instalador o un técnico de puesta en marcha; un punto defectuoso se rastrea hasta el borne, no hasta una línea de código.
• Fuente de alimentación, protecciones y conexión de red, normalmente RS-485 o Ethernet para BACnet, Modbus o un bus propietario hacia el nivel supervisor.

Un solo cuadro de control puede alojar un controlador para una unidad de cubierta, o varios controladores para toda una sala de instalaciones. El cuadro es el embalaje y el cableado; el controlador de dentro es lo que realmente ejecuta la lógica.

Dispositivos de campo: qué lee y qué acciona el controlador

Un controlador es tan bueno como lo que tiene conectado. Los dispositivos de campo se dividen en dos familias.

Los sensores aportan información: sondas de temperatura y humedad, sensores de CO2 y calidad del aire, sensores de presión diferencial en filtros o conductos, caudalímetros, sensores de presencia y de nivel de luz, transformadores de corriente en motores, y contactos de estado que indican si un equipo está realmente en marcha. La mayoría reporta mediante un bucle de 4-20 mA, una señal analógica de 0-10 V, o cada vez más como un punto nativo BACnet o Modbus en dispositivos inteligentes que se saltan por completo la conversión analógica.

Los actuadores ejecutan la decisión del controlador: actuadores de válvula modulantes o todo/nada en baterías de calor y frío, actuadores de compuerta en unidades de tratamiento de aire y cajas VAV, variadores de frecuencia en ventiladores y bombas, y relés que conmutan circuitos de iluminación o arrancan motores. La tarea de un actuador es estrecha: moverse a la posición que ordena el controlador. Por eso la inteligencia reside en el controlador, no en el dispositivo.

Controlador de automatización de edificios y sistema de control BMS: la misma tecnología, distintos nombres

"Controlador BMS", "controlador de automatización de edificios" y "controlador del sistema de gestión de edificios" describen el mismo hardware. Qué término aparece en la documentación depende sobre todo del fabricante o del mercado: la automatización de edificios subraya la regulación local, el sistema de gestión de edificios (BMS) el conjunto completo de controladores, cuadros, dispositivos de campo y nivel supervisor. "Sistema de control BMS" se refiere precisamente a ese conjunto, no a un solo aparato. Ninguno de estos términos describe un componente de un Battery Management System, y ninguno describe una plataforma de analítica. Un sistema de control BMS hace funcionar la instalación; no prioriza ni predice nada por sí mismo.

Dónde se conecta la capa de analítica

Nada del hardware anterior cambia cuando se añade una capa de analítica. FrostLogic Explore lee los mismos puntos que ya exponen los controladores DDC y el nivel supervisor, a través de BACnet, Modbus, OPC UA o oBIX, los mismos protocolos que un integrador usó para poner en marcha el cuadro en primer lugar. Explore se sitúa por encima de la tecnología de control, tal como describe la entrada de glosario del BMS: lee datos de tendencia, ejecuta detección y previsión, y convierte la telemetría bruta del controlador en una lista priorizada de qué corregir. Consulte analítica de BMS en FrostLogic Explore para ver cómo funciona esa capa de lectura, y el centro de integraciones para las vías de conexión específicas por fabricante: Siemens Desigo, Schneider EcoStruxure, Honeywell Niagara, Johnson Controls Metasys y Honeywell Trend entre ellas.

El acceso de escritura es una capa separada y opcional sobre esa vía de lectura. A través del FrostLogic Edge Agent, Explore puede proponer un cambio de consigna o de horario con su razonamiento y el efecto esperado, y después escribirlo en el controlador, ya sea tras la revisión y aprobación de una persona, o de forma automática dentro de un ámbito que usted ha concedido explícitamente. El acceso de escritura está desactivado por defecto en toda instalación; nada cambia en el controlador hasta que un operador activa ese ámbito. Cómo funciona ese modelo de permisos se describe con detalle en la página de Automation. El bucle DDC descrito al principio del artículo sigue siendo lo que ejecuta el cambio. Explore propone y, donde tiene permiso, escribe; el controlador sigue gestionando la física.

Preguntas frecuentes

¿Qué controla exactamente un controlador BMS? Un controlador BMS ejecuta un bucle de leer-decidir-actuar para una parte de la instalación o una zona: lee un sensor, compara el valor con un punto de consigna y acciona un actuador o un relé para corregir la desviación. Una unidad de tratamiento de aire o una caja VAV suele estar atendida por un único controlador que ejecuta varios de estos bucles a la vez.

¿Es un controlador BMS lo mismo que un controlador de Battery Management System? No. Solo comparten las siglas BMS en la literatura en inglés, nada más. Un controlador de Battery Management System supervisa y equilibra las celdas de una batería, por ejemplo en un vehículo eléctrico. Un controlador BMS de un edificio gestiona climatización, ventilación y otras instalaciones. Este artículo trata sobre este segundo caso.

¿Qué diferencia a un controlador DDC de un controlador supervisor? Un controlador DDC ejecuta un bucle local de leer-decidir-actuar y sigue funcionando aunque se pierda la conexión de red. El controlador supervisor se sitúa por encima del nivel de campo, envía horarios y puntos de consigna globales hacia abajo, y recoge datos de tendencia y alarmas para el operador. La mayoría de los edificios tienen varios controladores DDC que reportan a un único nivel supervisor.

¿Qué hay dentro de un cuadro de control BMS? Normalmente una placa de controlador, módulos de E/S que traducen el cableado de campo en señales utilizables, regletas de bornes para los cables de campo, una fuente de alimentación y una conexión de red hacia el nivel supervisor.

¿Tengo que sustituir mis controladores BMS para añadir analítica? No. Una capa de analítica como FrostLogic Explore lee los puntos que sus controladores ya exponen mediante BACnet, Modbus, OPC UA o oBIX. No sustituye ni la lógica DDC ni el cuadro de control en el que corre. Lee en paralelo, y el acceso de escritura, si se activa, es una capa separada y sujeta a permisos por encima.

¿Qué fabricantes construyen controladores BMS? Siemens (Desigo), Schneider Electric (EcoStruxure), Honeywell (incluidas las plataformas basadas en Niagara), Trend y Johnson Controls (Metasys) son los que más se encuentran en edificios comerciales. Una cartera grande suele tener varios de ellos funcionando en paralelo, a menudo de generaciones distintas, una razón más para que una capa de analítica neutral respecto al fabricante resulte útil.

¿Quiere ver qué encuentra una capa de analítica al leer sus controladores actuales? Hable con nosotros u obtenga su Building Intelligence Score: doce preguntas, gratis, y una visión clara de dónde el edificio está perdiendo valor.