Um guia completo para controladores de temperatura PID e SSRs

1. Introdução

 Para atingir esse nível de controle, sistemas sofisticados são usados. Os controladores de temperatura PID emparelhados com relés de estado sólido estão entre as soluções mais populares e eficazes. Este artigo fornece uma visão geral detalhada dos controladores PID integrados aos SSRs. Este artigo começa definindo os componentes principais e explicando suas funções distintas, bem como os benefícios de combiná-los. Compreender essa tecnologia é importante para obter um controle preciso da temperatura. Este esboço guiará o leitor para as próximas seções. Isso os ajudará a entender os benefícios, as vantagens e as aplicações dos controladores PID combinados com SSRs.

2. Entendendo os controladores PID

A. A. Noções básicas de controle PID

Os controles PID são baseados no cálculo do valor do erro, que é a diferença entre as temperaturas de ponto de ajuste desejadas e as medições reais de temperatura. O valor do erro é processado por três ações de controle diferentes, cada uma contribuindo para o sinal de saída final.

Controle (P) por Proporção: Um controle proporcional produz uma saída diretamente proporcional ao erro. O controle proporcional produzirá uma grande mudança de saída se a temperatura tiver sido significativamente alterada em relação ao ponto de ajuste. Um pequeno erro resulta em ajustes menores na saída. O controle proporcional puro pode reduzir o erro, mas geralmente resulta em um erro de estado estacionário. Isso significa que o sistema não atinge seu ponto de ajuste exato e pode oscilar.

Controle Integral (I): Este termo é usado para corrigir o erro no estado estacionário deixado pelo controle proporcional. O termo integral calcula a soma ao longo do tempo de todos os erros e, em seguida, adiciona ou subtrai de acordo com a saída. A ação integral aumentará ou diminuirá a saída continuamente até que o erro seja eliminado se o erro continuar a persistir. Pode ajudar a eliminar deslocamentos, mas também pode levar a respostas mais lentas e, em alguns casos, instabilidade ou oscilações.

Controle (D) Derivada: Este termo derivado é focado na taxa na qual o erro muda. O termo derivado prevê erros no futuro com base nas tendências atuais e produz um produto que se opõe a essa taxa de variação. O termo derivado amortece o excesso de temperatura se estiver se desviando rapidamente do ponto de ajuste. Isso aumenta a estabilidade e a velocidade de resposta, mas é suscetível a ruídos. Também pode ser instável se implementado incorretamente.

Equação PID com variáveis

A equação PID padrão pode expressar a relação entre os termos (i) e (u), a saída de controle, matematicamente.

u(t) = Kp * e(t) + Ki * e(t)dt + Kd * de(t)/dt

Onde:

u (t) representa o sinal de controle de saída no momento.

e(t), calculado dividindo a variável de processo medida (PV) pelo Setpoint desejado (SP), é um erro que ocorre no tempo t.

Kp é o ganho proporcional, Ki e Kd respectivamente. São parâmetros ajustados que são determinados pelo processo a ser controlado. Esses parâmetros de ajuste são essenciais para um desempenho ideal.

é o erro integral do tempo.

de (t)/dt é a derivada do erro em relação ao tempo.

B. B. Aplicações de controladores PID

Os controladores PID são amplamente utilizados em muitos campos devido à sua versatilidade e eficácia. As aplicações comuns incluem

Processos industriais: Controle de temperaturas de reatores químicos, controle de caldeiras, processo de secagem e extrusão, controle sobre a temperatura do material, etc.

Equipamentos de laboratório: Regulação de temperatura de fornos, controle para incubadoras, calibração e estabilidade de câmaras ambientais.

Ar condicionado e refrigeração: Manter temperaturas exatas em data centers, instalações de armazenamento de alimentos e produtos farmacêuticos.

Automotivo: Sistemas de controle do motor, sistemas de freio antibloqueio (ABS), controle climático.

Eletrodomésticos: Condicionadores de ar (temperatura da água), máquinas de lavar, geladeiras e outros eletrodomésticos.

C. Benefícios do uso de controladores PID

3. Os controladores de temperatura PID têm várias vantagens.

Exatidão e precisão: O sistema PID pode ser usado para obter bandas de controle de temperatura apertadas. Isso minimiza os desvios do ponto de ajuste.

Estabilidade Os controladores PID ajustados corretamente podem manter um desempenho estável mesmo quando operando sob diferentes condições de carga.

Flexibilidade: Um sistema ' A flexibilidade pode ser ajustada para atender às mudanças nos requisitos ou dinâmicas do processo.

Automação Depois de configurados, os controladores PID automatizam automaticamente o controle de temperatura, com intervenção mínima de humanos.

Resposta rápida: Esses dispositivos podem reagir rapidamente a desvios de temperatura e retornar a temperatura ao seu ponto de ajuste.

III. Relés de estado sólido: introdução

Os controladores PID tomam decisões inteligentes, mas exigem um atuador confiável que possa executar essas decisões. Isso inclui ligar e desligar sistemas de aquecimento ou resfriamento. Os relés de estado sólido são a solução ideal para o controle de temperatura moderno. É importante entender como os SSRs funcionam e seus benefícios em relação aos relés tradicionais para apreciar sua sinergia com os controladores PID.

A. A. Definição e Função

SSRs são interruptores eletrônicos que ligam ou desligam a energia usando dispositivos semicondutores. Eles geralmente não têm partes móveis mecânicas. Os SSRs são totalmente eletrônicos, ao contrário dos relés mecânicos mais antigos que usam bobinas eletromagnéticas para abrir e fechar contatos. Os SSRs são usados para controlar cargas elétricas, como motores ou elementos de aquecimento, usando um sinal de baixa potência de um dispositivo externo.

B. Análise Comparativa com Relés Mecânicos

Há décadas, os relés mecânicos são o interruptor elétrico mais comum. Os SSRs têm vários benefícios:

Uma vida útil mais longa: Como os SSRs não possuem partes móveis que podem se desgastar, eles são capazes de operar por um período de tempo mais longo do que os relés mecânicos.

Velocidade de comutação: Os SSRs são capazes de ligar e desligar mais rapidamente do que os relés mecânicos.

Menos ruído: O SSR é silencioso, enquanto os relés mecânicos fazem ruídos de clique quando mudam.

Sem arco Ao alternar cargas indutivas com SSRs, os arcos elétricos produzidos pelos contatos mecânicos do relé não são destrutivos ou perigosos.

Menos interferência eletromagnética (EMI): A comutação eletrônica gera normalmente menos EMI do que os saltos de contato mecânicos encontrados nos relés.

C. Diferentes tipos de SSRs

Existem diferentes tipos de SSRs, que podem ser distinguidos principalmente pela quantidade que manipulam.

SSRs CC São projetados para comutar cargas CC, como diodos emissores de luz ou motores.

SSRs CA Os SSRs CA são projetados para comutar cargas CA, como lâmpadas padrão ou elementos de aquecimento. Os SSRs CA são ainda classificados com base no comportamento do interruptor de cruzamento zero.

SSRs com cruzamento zero: Altere a carga quando o ciclo CA atingir o ponto zero. Eles são mais silenciosos, geram menos interferência eletromagnética (EMI), mas lidam com correntes de surto em um nível mais baixo do que os tipos de cruzamento diferente de zero.

SSRs que não cruzam zero: Altere a carga durante o ciclo CA. Esses SSRs podem lidar com altas correntes de surto, mas também produzem muito ruído e podem aumentar os perigos elétricos.

Existem também classificações baseadas na tensão de entrada de controle, por exemplo, entradas CC de baixa tensão de 3-5 V ou proteção interna (como proteção contra sobretensão, proteção contra subtensão e proteção contra curto-circuito).

D. Uso de SSRs para controle de temperatura

Os SSRs são uma ferramenta poderosa para controlar a temperatura quando usados em conjunto com controladores PID.

Controle de precisão: Os SSRs são capazes de responder muito rapidamente às mudanças nos sinais de controle do controlador PID, o que permite ajustes mais precisos da energia fornecida aos aquecedores ou resfriadores.

Resposta rápida: Devido à sua natureza eletrônica, eles podem ser ligados e desligados rapidamente. Isso contribui para a velocidade com que o loop controla a temperatura.

Durabilidade: Ao eliminar os contatos mecânicos, o desgaste é reduzido significativamente. Isso leva a um sistema que se torna mais durável e confiável ao longo do tempo.

Operação silenciosa: A ausência de ruído mecânico permite que os SSRs sejam usados em aplicações que exigem operação silenciosa.

Compatível com PID: Normalmente, os SSRs aceitam sinais de controle CC de baixa tensão de controladores PID padrão. Isso facilita a integração.

4. Combinação de SSRs e controladores PID para controlar a temperatura

A integração de PIDs e SSRs fornece uma solução flexível e poderosa para controle de temperatura. A seção abaixo explora a maneira como esses componentes interagem e as principais considerações de design.

A. Os SSRs aprimoram o controle PID

SSR é o último estágio do loop de controle. Ele converte o controlador PID e#39; s saída calculada na energia real fornecida ao elemento de resfriamento ou aquecimento. O controlador PID é o cérebro, determinando ações corretivas com base nas diferenças entre os pontos de ajuste e as variáveis medidas. SSR é o "músculo" que executa essa ação, controlando com precisão o fluxo de potência. Essa sinergia fornece controle de temperatura altamente preciso e estável. SSR' A capacidade de comutação rápida do garante que os controladores PID sejam ajustados rapidamente. Isso resulta em um sistema de controle mais responsivo.

B. B.

A integração de um PID com um SSR requer várias etapas.

Escolhendo componentes Escolha um controlador PID adequado para sua carga. (Pode ser um módulo de hardware ou software em um microcontrolador). Além disso, escolha um SSR com a classificação apropriada (tipo de elementos de aquecimento, potência, tensão, corrente e compatibilidade dos sinais de controle).

Conexão do sensor: Conecte o sensor de temperatura à entrada do controlador PID para medir PV.

Conexão para a carga: Conectando o elemento de aquecimento ou os elementos de resfriamento aos terminais de saída no SSR.

Controle de Sinal: Conectando o PID' s saída de sinal (geralmente baixa tensão sinais CC como 0-10V ou 4-20mA) para entrada de controle SSR. Verifique se o controlador PID' s faixa de saída corresponde às especificações de entrada SSR.

Fonte de alimentação: Certifique-se de que todos os componentes sejam alimentados corretamente por fontes apropriadas (PIDs, SSRs, sensores, cargas).

C. C. Considerações para o design do sistema

Ao projetar um sistema, é importante considerar vários fatores.

Tipo de carga: Os SSRs devem atender aos requisitos para elementos de aquecimento específicos (como resistivos, indutivos, etc.). O SSR deve ser adequado para a carga específica do elemento de aquecimento (resistivo, indutivo, etc.).

Compatibilidade dos sinais de controle: Os tipos de entrada e saída (loop de tensão ou circuito de corrente) para o SSR devem ser compatíveis.

SSR Heat Sinking: Os SSRs geram calor durante a operação. É importante ter um dissipador de calor que possa suportar alta potência e funcionar de forma confiável. Fabricante' s determinarão o tamanho e o tipo necessários.

Ajustando o loop de controle – Alcançar controles estáveis e responsivos requer o ajuste dos ganhos de Kp, Kd e Ki dos controladores PID. É importante acertar isso. Isso pode ser feito usando métodos automatizados ou alguma tentativa e erro.

Segurança Use medidas de segurança apropriadas, como prevenção de superaquecimento (por exemplo, um interruptor de limite alto conectado ao PID ou um seccionador automático).

D. Exemplo de controladores de temperatura PID usando SSRs

Muitos módulos e sistemas disponíveis comercialmente combinam controladores PID com SSRs. Eles geralmente são empacotados como sistemas completos para aplicações específicas.

Controladores de temperatura industriais: Unidades projetadas para suportar condições adversas, com múltiplas entradas e saídas (como Modbus) e displays grandes.

Controles de Laboratório: Unidades pequenas e compactas para o controle de fornos, incubadoras e câmaras.

Módulos SSR: Certos fabricantes oferecem módulos SSR que podem ser usados em conjunto com controladores PID para fornecer flexibilidade para o projeto do sistema.

Os exemplos abaixo demonstram como o PID+SSR pode ser usado em uma variedade de setores e em diferentes escalas.

5. Implementação e funcionamento

Para implantar um PID com SSR com sucesso, é necessária calibração e monitoramento cuidadosos. Esta seção é um guia sobre como colocar o sistema em operação e mantê-lo.

A. Instalando o sistema

A configuração inicial inclui conexões físicas e configuração básica.

Montagem: Instale o sensor de temperatura e todos os componentes associados, incluindo controladores PID, SSRs e sensores de temperatura, de acordo com o fabricante' s instruções.

Fiação: Conecte o sensor de temperatura nos terminais de entrada do PID. Conecte o SSR' s terminais de saída para a carga SSR (componente de aquecimento/resfriamento). Conecte a saída do controlador PID à entrada de controle SSR. Toda a fiação deve estar segura e polarizada corretamente.

Conexões de energia: Conecte a fonte de alimentação para controladores PID, SSRs, sensores e cargas. Verifique as tensões, polaridade e conexões.

Configuração inicial Acesse o menu de configurações do controlador PID através do teclado ou computador conectado ao sistema. Os parâmetros básicos podem ser configurados:

Controle de temperatura: Selecione a temperatura.

Unidades : Escolha a unidade de temperatura (por exemplo, Celsius ou Fahrenheit).

Tipo de sensor: Selecione o sensor de temperatura correto (por exemplo, termopar tipo K ou RTD PT100).

Ponto de ajuste Insira a temperatura desejada:

Faixa de entrada: Selecione a faixa a ser usada para sensores de temperatura.

Faixa de sinais de saída: Selecione a faixa e o tipo (por exemplo, 0-10V) para o seu sinal de saída.

B. B.

Para garantir que o sistema esteja operando corretamente e com eficiência, a calibração e o ajuste são etapas essenciais.

Calibração: Isso garante que o sensor de temperatura forneça leituras precisas para o controlador PID. Envolve calibrar o controlador PID comparando a saída do sensor com uma fonte de temperatura conhecida por ser precisa e, em seguida, ajustar os parâmetros de calibração do sensor. Por favor, siga o fabricante' s para o sensor e o controlador PID.

Ajuste: Isso envolve o ajuste dos ganhos de Kp, Kd e Ki para obter o desempenho desejado do controle: resposta rápida, undershoot mínimo e nenhum erro de estado estacionário. Os métodos de ajuste comumente usados incluem:

Método de Ziegler Nichols: Métodos heurísticos que envolvem encontrar os ganhos finais (Ku) e os períodos finais (Tu) do sistema. Em seguida, os ganhos são definidos com base nas fórmulas empíricas.

Ajuste manual: Comece com ganhos conservadores e aumente-os gradualmente enquanto observa a resposta do sistema para determinar uma configuração estável.

Ajuste automático: Os controladores PID avançados possuem rotinas de ajuste automático integradas que ajustam os ganhos automaticamente de acordo com a dinâmica do sistema.

A iteração pode ser necessária durante o processo de ajuste. É importante reduzir as oscilações de temperatura em torno do ponto de ajuste e garantir que o sistema atinja e mantenha essa temperatura rapidamente.

C. Monitore e ajuste a temperatura

Após a calibração e ajuste, você pode colocá-lo em uso. Pode ser necessário monitorar o sistema regularmente e fazer ajustes de tempos em tempos.

Monitoramento: Monitore o desempenho do sistema ao longo do tempo. Monitore o desvio e certifique-se de que o sistema reaja a mudanças na carga ou interrupções. A maioria dos controladores PID possui visores que mostram a temperatura no momento, bem como os níveis de ponto de ajuste e saída.

Modificações: Os ganhos de PID podem ser reajustados se o desempenho do sistema se degradar ou se as mudanças no processo exigirem características de controle diferentes. Se os requisitos para o ponto de ajuste mudarem, você pode simplesmente modificar o valor do ponto de ajuste no controlador.

D. Considerações de segurança

Qualquer sistema de controle de temperatura que use elementos de aquecimento deve ser seguro. As considerações de segurança para sistemas de controle de temperatura incluem:

Interruptor de limite alto: Instale um sensor de temperatura adicional em conexão com um interruptor de limite alto. O interruptor desconectará a energia do aquecedor se a temperatura atingir um determinado nível. Este é um sistema à prova de falhas.

Componentes aterrados: Certifique-se de que todos os componentes elétricos estejam aterrados corretamente para evitar riscos.

Isolamento: Use isolamento adequado em elementos de aquecimento e fios para evitar queimaduras acidentais.

Fiação elétrica: Selecione conectores e fios adequados para sua tensão e corrente de carga. Além disso, certifique-se de que as conexões e todas as outras partes do circuito estejam seguras para evitar superaquecimento e curtos-circuitos.

Compatível: Certifique-se de que o projeto do seu sistema e seus componentes estejam em conformidade com os padrões elétricos e regulamentos de segurança relevantes (por exemplo, CE, UL).

Inspeção Regular: Inspecione o sistema periodicamente quanto a desgaste ou danos. Preste atenção especial ao SSR, ao elemento de aquecimento e aos sensores de temperatura.

6. Benefícios do uso de controladores de temperatura PID em conjunto com SSRs

A combinação de controladores PID e SSR tem muitos benefícios. É uma solução popular no controle de temperatura.

A. A.

Os controladores PID têm um alto nível de precisão e exatidão. O sistema, quando emparelhado com um SSR que oferece controle preciso do fornecimento de energia, pode manter a meta de temperatura muito próxima dos pontos de ajuste e, muitas vezes, dentro de faixas de tolerância extremamente apertadas. O nível de precisão necessário é fundamental para qualquer processo em que as mudanças de temperatura possam ter um impacto significativo na qualidade do produto e na taxa de reação.

B. B.

Quando ajustados corretamente, os controles PID podem maximizar a quantidade de energia fornecida ao elemento aquecedor. O controle PID aplica apenas a potência necessária para manter e atingir o ponto de ajuste. Isso evita superaquecimento ou desperdício de energia. Os SSRs são mais eficientes porque permitem um melhor controle e podem até ter menores perdas de energia em comparação com relés mecânicos que comutam altas correntes. O resultado é uma economia significativa de energia em processos contínuos ou de grande escala.

C. C.

Os SSRs aumentam a longevidade do sistema. Os SSRs não possuem partes móveis, ao contrário dos relés mecânicos que podem se desgastar com o tempo devido a tensões elétricas e mecânicas. Os SSRs são resistentes a vibrações e choques. Isso, combinado com a alta confiabilidade dos componentes eletrônicos usados no sistema de controle PID, resulta em sistemas com vida útil operacional muito mais longa.

D. D. Necessidades de manutenção reduzidas

Os sistemas de controle PID+SSR requerem menos manutenção do que os métodos mais antigos de controle, uma vez que estão devidamente calibrados e ajustados. Os SSRs não possuem contatos mecânicos, o que reduz as falhas devido ao desgaste ou erosão do contato. Se as condições do processo permanecerem estáveis, a inteligência do controle PID minimiza os ajustes manuais. Embora ainda seja recomendado realizar inspeções regulares dos componentes críticos, como dissipadores de calor, sensores e outras peças.