Aplicación de LabVIEW en el desarrollo de simuladores para formación profesional

Aurelio Cadenas Suárez, Centro Integrado de Formación Profesional Mantenimiento y Servicios a la Producción

"El entorno de LabVIEW constituye una herramienta sumamente eficaz que nos ha permitido dar un enfoque diferente sobre el aprendizaje de las instalaciones térmicas, posibilitándonos su estudio dinámico en el tiempo, sin necesidad de disponer de equipos físicos, que no siempre están disponibles."

- Aurelio Cadenas Suárez, Centro Integrado de Formación Profesional Mantenimiento y Servicios a la Producción

The Challenge:

Diseñar simuladores de instalaciones térmicas e hidráulicas de los edificios, que puedan ser utilizados por el profesorado como recurso didáctico y permita a los alumnos realizar sus propios montajes y comprender el funcionamiento de dichas instalaciones.

The Solution:

Desarrollar con LabVIEW una biblioteca de instrumentos virtuales (VI) que simulen el funcionamiento de los equipos y los componentes básicos de las instalaciones térmicas e hidráulicas de los edificios, que puedan interconectarse para configurar otras instalaciones más complejas y poder simularlas, permitiendo obtener datos de los parámetros de funcionamiento, de consumos y eficiencia energética, ayudando al alumnado a comprender dichos sistemas.

Author(s):

Aurelio Cadenas Suárez - Centro Integrado de Formación Profesional Mantenimiento y Servicios a la Producción
Laudino Rodríguez García - Centro Integrado de Formación Profesional Mantenimiento y Servicios a la Producción

 

Introducción:

A menudo la labor docente encuentra limitaciones a la hora de transmitir los conocimientos relacionados con el funcionamiento de instalaciones térmicas, hidráulicas o de cualquier otra instalación activa, cuyo éxito pasa por disponer de sistemas reales o a escala, los cuales no siempre están al alcance de los centros educativos y mucho menos de los alumnos en sus propios domicilios. Este hecho se acentúa aún más en el caso de la Formación Profesional a Distancia en especialidades relacionadas con los sectores productivos y tecnológicos que demandan unos recursos didácticos adecuados, como complemento a la labor tutorial del profesorado.

 

Estas necesidades han llevado a un equipo de profesores del Centro Integrado de F.P. de Mantenimiento y Servicios a la Producción a desarrollar una serie de simuladores virtuales modulares, que pueden ser utilizados para configurar y simular otras instalaciones más complejas diseñadas por los propios alumnos. Todo ello ha sido realizado bajo el entorno de programación gráfica LabVIEW, gracias a la  disponibilidad de recursos matemáticos y otras muchas funcionalidades que posee, así como a su sencillez de uso, que hacen de este software una potente herramienta, también en el campo de la simulación. La potencialidad de LabVIEW nos permite incluso hacer sistemas combinados que por un lado funcionen en modo de simulación y por otro en modo real, permitiéndonos comparar los resultados obtenidos.  

 

Los simuladores desarrollados servirán al alumnado como herramienta para realizar prácticas de montaje virtual, así como de puesta en marcha y de análisis del funcionamiento de las instalaciones, ayudándoles a investigar y a entender mejor el comportamiento de las mismas. Todo ello lo podrán realizar en el aula o bien desde sus propios domicilios, lo que les permitirá tener una total disponibilidad de uso durante su etapa de formación.   

 

Fases del proyecto:

El proyecto se ha llevado a cabo  siguiendo el orden siguiente:

(a). Creación de los instrumentos virtuales básicos.

(b). Creación de ejemplos de instalaciones tipo simuladas.

    (c). Elaboración de guías de uso.

 

Para la creación de los instrumentos virtuales básicos ha sido necesario: 

  • Seleccionar los equipos y componentes básicos de las instalaciones térmicas e hidráulicas.
  • Obtener las funciones que determinan el comportamiento simulado de los equipos y componentes anteriores, caracterizando las entradas y salidas necesarias para los mismos.
  • Programar en LabVIEW los instrumentos virtuales correspondientes, basados en las funciones anteriores y configurarlos como subVIs, incluyendo en los paneles frontales los elementos gráficos necesarios para que puedan ser utilizados en otros proyectos.
  • Realizar pruebas de funcionamiento y depuración de errores.

 

Los instrumentos virtuales básicos que se han desarrollado han sido los siguientes:

  • Generadores térmicos: Caldera y bomba de calor aire-agua.
  • Colector hidráulico de distribución.
  • Vaso de expansión.
  • Acumuladores de agua: Interacumulador de ACS, acumulador de ACS y depósito de inercia.
  • Intercambiadores de calor: batería de agua fría, batería de agua caliente,  batería de frío y calor, intercambiador de placas y recuperador de calor aire-are.
  • Mezclador termostático para ACS
  • Bomba circuladora.
  • Válvulas de 3 vías: de acción todo-nada, a 3 puntos, proporcional 0..10V y mezcladora.
  • Paneles solares térmicos.
  • Radiadores.
  • Fancoils a 2 tubos y a 4 tubos.
  • Conducciones: tuberías y conductos de aire.
  • Climatizadores: humectador adiabático, sección de mezcla, free-cooling, ventilador, baterías de frío y calor, recuperador de calor.
  • Compuertas: normalmente abierta, normalmente cerrada, de free-cooling.
  • Servomotores: de control todo-nada, a  3 puntos y  proporcional 0..10V.
  • Termostatos para instalaciones a  2 y 4 tubos.
  • Centralita de regulación solar
  • Centralita de regulación de calefacción en función de la temperatura exterior.
  • Reguladores de temperatura PID para instalaciones a 2 tubos y a 4 tubos
  • Regulador a 3 puntos.
  • Regulador por control de pulsos modulados (PWM).
  • Programador de horarios de funcionamiento manual-automático, diario y semanal
  • Valores higrométricos y de mezcla de aire
  • Evolución de condiciones del local tratado con aire y con emisores térmicos

 

 

Los VIs creados pueden ser insertados en un nuevo proyecto e interconectados para configurar la instalación deseada. En la figura 1 se puede ver un ejemplo de diagrama de bloques con varios de estos subVis básicos conectados para formar una instalación solar térmica.

 

Para ayudar a crear los paneles frontales de nuestros proyectos, se han añadido elementos gráficos a los paneles frontales de los Vis básicos, a los cuales se puede acceder haciendo doble clic sobre los iconos que los representan. De este modo podemos copiar los elementos que aparecen, para incorporarlos a nuestro panel. Esta posibilidad, junto con los recursos gráficos que ofrece el programa, facilitan la creación de nuestros propios paneles.

 

Como ejemplos de aplicación se han creado varias instalaciones “tipo” de simulación, entre las que se señalan:

  • Instalación solar térmica
  • Instalación de calefacción con regulación por temperatura exterior
  • Instalación de bomba de calor con acumulación de inercia
  • Instalación de agua caliente sanitaria con apoyo de energía solar
  • Instalación de unidad de tratamiento de aire de volumen variable
  • Instalación térmica de piscina con bomba de calor geotérmica
  • Instalación de fancoil a 2 y 4 tubos con control por termostato y mediante regulador PID
  • Instalación de intercambiador de calor con control PID
  • Instalación de grupos de presión con funcionamiento secuencial controlado
  • Instalación de depósito de agua con funcionamiento controlado de tipo todo-nada y PID

 

 

En la figura 2 se muestra el panel frontal de la instalación solar térmica cuyo diagrama de bloques corresponde a la figura 1.

 

Para completar la utilidad de este recurso, se incluyen guías de finalidad y uso de los instrumentos virtuales básicos, de configuración de instalaciones a partir de ellos y de los ejemplos de instalaciones simuladas. También se proponen diversos casos para resolver, con las orientaciones necesarias para llevarlos a cabo y por último, se añaden modelos de pruebas de evaluación de conocimientos.

(ver figuras 1 y 2)

 

Conclusión:   

El entorno de LabVIEW  constituye una herramienta sumamente eficaz que nos ha permitido dar un enfoque diferente sobre el aprendizaje de las instalaciones térmicas, posibilitándonos su estudio dinámico en el tiempo, sin necesidad de disponer de equipos físicos, que no siempre están disponibles.

 

Por último, los múltiples recursos que dispone el programa facilitan la visualización y obtención de datos, el manejo de información, etc., que nos ayuda a comprender el funcionamiento de los sistemas. El acceso a través de la web facilita aún más las posibilidades de uso al alumnado, lo que sin duda le convierte en un recurso de gran ayuda a la labor docente.     

 

Author Information:

Aurelio Cadenas Suárez
Centro Integrado de Formación Profesional Mantenimiento y Servicios a la Producción
Spain

Figura 1. Ejemplo de diagrama de bloques de una instalación solar térmica
Figura 2. Ejemplo de panel frontal de la instalación solar térmica