Controlador de temperatura digital LED PID

1. Introdução

Ação proporcional: o componente que ajusta a saída de acordo com o erro de magnitude real. A saída é ajustada com base na magnitude de um erro. Um pequeno erro resultará em um ajuste muito menor. O controle proporcional reduz o erro rapidamente, mas deixa para trás um erro residual (deslocamento).

Ação integral (I): A ação leva em consideração o erro cumulativo ao longo do tempo. A saída é continuamente acionada para remover o erro residual da ação proporcional. Este componente lembra erros passados e faz ajustes na saída para atingir o ponto de ajuste, porém lentamente.

Ação derivada (D), : A parte que reage à taxa de alteração no erro. A Ação Derivada aplica uma força apropriada ao sistema se a temperatura mudar rapidamente. Ajuda a estabilizar o sistema e reduzir o overshoot (quando a temperatura excede o ponto de ajuste), além de melhorar os tempos de resposta.

Essa combinação de três parâmetros de ajuste (Kp, Kd e Ki - essas são as ações) determinará o desempenho do controlador em uma aplicação específica. Os controladores PID modernos oferecem uma interface sofisticada para monitorar e definir os parâmetros. Este princípio deve ser entendido para garantir que a conexão e o ajuste sejam bem-sucedidos. Recursos como a Introdução ao Controle PID da Control Engineering ajudarão você a entender melhor esse princípio.

2. Estabelecendo as bases para sua conexão

O planejamento é a chave para uma conexão bem-sucedida. Esta etapa não deve ser apressada, pois pode resultar em fiação e configuração incorretas, danos ao equipamento ou questões de segurança.

Defina seu sistema Esclareça o processo ou sistema cuja temperatura requer controle preciso. Qual é a faixa de temperatura normal? Qual precisão é necessária? Quanta massa térmica é necessária e quanto tempo leva para o sistema responder? As especificações do controlador e do atuador são determinadas por essas informações.

Escolha o controlador certo: Os controladores PID não têm todos os mesmos recursos. Leve em consideração fatores como:

Algoritmo de controle: Este controlador possui um PID padrão ou algoritmos avançados? (por exemplo, opções de preditor e filtro de Smith) Ou oferece proteção anti-reset contra enrolamentos.

Tipos de entrada: Certifique-se de que o controlador seja capaz de aceitar os sinais do sensor que você pretende usar.

Qual tipo de saída você escolherá? Existem muitas opções, incluindo relés de estado sólido para ventiladores ou aquecedores, saídas de relé que controlam solenóides ou contatores, modulação por largura de pulso (PWM), saídas usadas para controlar diretamente as velocidades do ventilador e tensão/corrente analógica para interface com outros controladores.

Comunicações: A aplicação requer comunicação para monitoramento, registro ou integração com um sistema maior (por exemplo, Modbus RTU/TCP/Profibus, Ethernet/IP, etc.)?

Interface e exibição: Qual nível de interface você precisa? O que é melhor, um LCD simples ou uma IHM avançada?

A calibração é uma consideração: A calibração inicial pode ser necessária dependendo dos requisitos da aplicação e do estado em que o sensor/controlador foi instalado inicialmente. Isso garantirá que as leituras sejam precisas e que o sistema de controle funcione corretamente.

Preenchendo a lacuna de medição: Conectando o sensor de temperatura

Os sensores de temperatura são o "nariz" do controlador - eles medem a temperatura. Termopares, como Tipo K, E ou J, e Sensores de Temperatura de Resistência (RTDs, Pt100, Pt1000) são sensores industriais comuns.

Localize os terminais de entrada do sensor: Localize os terminais de entrada designados no painel do controlador PID, que geralmente são marcados como "IN", THERM", "TC" e "RTD".

Determine o Tipo de Sensor: Certifique-se de identificar o tipo de sensor que você' re usando. Este tipo de sensor deve ser correspondido pelo controlador.

O diagrama de fiação está abaixo: Consulte o manual do controlador PID para obter o diagrama de fiação. O diagrama informará como conectar os RTDs e termopares (por exemplo, três ou quatro fios para RTDs e termopar padrão) e qual polaridade é necessária.

Termopar Ex: Geralmente conectado com conectores específicos, por exemplo, BNC, DB9 ou terminais de parafuso. Este diagrama mostra quais fios se conectam a cada terminal e se a compensação da junção fria foi incorporada ao controlador ou se um sensor externo é necessário.

Exemplo de RTD: Pode exigir até quatro fios, dependendo se o elemento sensor é usado e como ele' está animado. Os diagramas de fiação detalharão as conexões adequadas para medições precisas de resistência.

Se os blocos de terminais estiverem disponíveis, use-os. Evite conexões roscadas diretas para maior confiabilidade.

Teste de calibração (opcional, mas recomendado): Execute um teste básico após a fiação se você conseguir acessar uma fonte de temperatura conhecida e calibrar um termômetro. Verifique a temperatura exibida pelo controlador em relação à calibração. Com os recursos de calibração do seu controlador, você pode fazer pequenos ajustes.

Executando o comando de controle: Conectando ao elemento de controle final (atuador).

É "o músculo" de todo o sistema. O receptor PID ajusta a temperatura do processo com base nos sinais recebidos do PID.

Identifique o atuador Determine qual dispositivo vai ajustar a temperatura.

Localize os terminais de saída Procure os terminais de saída do controle PID, que geralmente são marcados como "OUT", "AO" ou "DA" (Digital/Relay-Output).

Selecione o tipo de saída para corresponder a um atuador: Certifique-se de que a saída do controlador corresponda ao requisito de entrada do atuador.

Saída analógica (AO/DA). Saída digital/relé (DA): Usada para comutar energia para dispositivos como contatores e relés, que controlam grandes cargas. Deve-se prestar atenção ao voltage classificações (por exemplo, lógica de 5 V ou bobina de relé de 24 V) e a configuração da fiação (normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NC). É importante definir a saída do controlador corretamente (por exemplo, comprimento de pulso e ciclo de trabalho).

Conecte um atuador Conecte seu atuador de acordo com sua folha de dados. Se você estiver usando saídas de relé para alternar dispositivos, certifique-se de que o dispositivo esteja conectado corretamente entre os terminais NO/COM (ou NC/COM, dependendo da aplicação) da saída e da fonte de alimentação. Conecte o fio de entrada do atuador analógico ao controlador' s sinal.

Definir faixa/escala de saída: Abra o menu de configuração do seu controlador (normalmente por meio de botões, uma tela LCD ou software de interface de PC). Navegue até a saída e ajuste os parâmetros para se adequar ao seu atuador. Defina a faixa de saída (por exemplo, de 0-100% a 0-10V).

Conectando a energia ao controlador: Sistema de energização

3. É necessário um fornecimento estável de energia para que o PID funcione. A fiação incorreta pode levar a sérios perigos.

Localize os terminais de entrada de energia. Procure os terminais "AC IN", VAC" ou outros terminais semelhantes localizados na parte traseira ou lateral do controlador.

Desligue a alimentação principal no fusível/disjuntor da fonte.

Conecte os terminais do controlador à fonte de alimentação (Live, Neutral e Ground). O diagrama de fiação está no manual do usuário.

Conecte a fonte de alimentação, que geralmente é o cabo com fusível da alimentação principal CA.

Segurança e Polaridade: Verifique todas as conexões. Antes de tocar em qualquer fio, certifique-se de que a eletricidade esteja desligada. Verifique a fase da alimentação CA (L1/L2/N/G). O controlador pode ser danificado por polaridade incorreta ao usar a alimentação CC.

Algoritmos de ajuste para o controlador PID

4. O controlador e#39; s inteligente ganha vida durante a configuração. É necessária atenção nesta etapa.

Acesso ao modo de configuração: Entre no modo de programação usando o teclado ou os botões do controlador ou usando um software de interface de PC. Isso pode ser indicado com padrões de LED específicos ou por uma mudança no modo de exibição.

Definir Setpoint (SP). Use o teclado do controlador para inserir a temperatura desejada.

Definir tipo de entrada (tipo de sensor): Escolha o tipo de entrada apropriado nas configurações do controlador (por exemplo, TC Tipo Pt100, RTD Tipo K). O controlador interpretará o sinal do sensor corretamente. Certos controladores oferecem compensação de junta fria quando um sensor externo é usado.

Selecione a faixa/tipo de saída: Escolha a faixa/tipo de saída do seu controlador (por exemplo, Voltage, Relé, PWM). Defina a faixa de saída para corresponder exatamente aos requisitos do seu atuador (por exemplo, 0-100%, 0-10V, 4-20mA). A aplicação correta do sinal de controle depende da escala.

Configuração dos parâmetros PID iniciais (Tuning). Esta parte é geralmente a mais complicada. Os parâmetros iniciais são frequentemente ajustados ("ajustados"). Autotune ou "Auto Tune", um recurso de muitos controladores, realiza um teste automático, que envolve uma mudança no ponto de ajuste (geralmente com um pequeno passo) para observar como ele responde. Em seguida, calcula os valores P, I e D. Consulte os recursos de ajuste manual do PID (como o método Ziegler Nichols) se preferir ou precisar. Ajuste incrementalmente, começando com valores conservadores. Monitore a resposta do processo (overshoot mínimo e sedimentação rápida) durante o ajuste. É importante ajustar o sistema de controle para obter uma operação estável, responsiva e sem oscilações. As notas de aplicação da Honeywell fornecem muitas estratégias práticas de ajuste.

Filtro de saída e amortecimento: Certos controladores têm uma configuração de filtro de saída que suaviza os sinais de ruído provenientes dos sensores, o que evita ações erráticas. Alguns controladores têm funções de amortecimento que podem reduzir a caça ou overshoot (pequenas oscilações perto do ponto de ajuste).

Transmissão sem solavancos: Configure a transmissão sem solavancos se o controlador for capaz. Isso permite que você altere os parâmetros ou o ponto de ajuste sem que o sinal salte repentinamente. Isso pode causar overshoot ou até mesmo danificar seu sistema.

Salvar e sair: Depois que as configurações forem definidas, certifique-se de que elas estejam armazenadas na memória do controlador (verifique seu manual para descobrir o comando de salvamento exato). Saia do modo de configuração.

Verificação e teste: validando o desempenho

5. É importante testar minuciosamente após a configuração física e a conexão para garantir o desempenho correto e verificar a operação.

Inspeção visual: Verifique todos os fios quanto ao isolamento, correção e segurança.

Ligar: Substitua o fusível ou disjuntor na fonte de alimentação.

Monitor de resposta inicial: Observe a tela do seu controlador. Está mostrando a temperatura certa? Os atuadores respondem? (por exemplo, o interruptor do aquecedor é acionado ou o ventilador começa a funcionar) Verifique se há mensagens de erro no visor.

Verifique a leitura do sensor: Use um medidor de temperatura independente e calibrado ou registradores de dados portáteis (como dispositivos fabricados pela Pico Technology ou National Instruments) para verificar se a temperatura exibida é a mesma. Verifique a calibração do sensor, se necessário.

Controle de loop fechado: Modifique o ponto de ajuste (SP). Observe a resposta do sistema. O sistema é capaz de atingir o ponto de ajuste com precisão? É preciso? Existem oscilações excessivas ou overshoots em torno dos pontos de ajuste? Observe a taxa de aproximação e a estabilidade.

Ajuste final: Se necessário, revise os parâmetros PID à luz do desempenho inicial. Para um desempenho ideal, podem ser necessários pequenos ajustes. Isso é especialmente verdadeiro para a Ação Integral para reduzir erros de estado estacionário e a Ação Derivada para aumentar a estabilidade.

Registro de dados (opcional). Se o seu controlador tiver recursos de registro de dados, você poderá habilitar o registrador de dados para registrar dados de temperatura e dados de controle de saída. Ele pode ser inestimável na análise do desempenho do seu sistema e na solução de problemas.

Problemas comuns e solução de problemas: como resolvê-los

6. Mesmo com um planejamento cuidadoso, ainda podem surgir problemas. Aqui estão alguns sintomas que podem ocorrer e suas possíveis causas.

Temperatura não muda / saída do controlador não ativa:

Verifique se o ponto de ajuste foi definido corretamente e está dentro da faixa do processo.

Verifique se a configuração de saída é compatível com os requisitos do atuador.

Teste de energia elétrica (luzes acesas, motor funcionando).

Verifique a fiação dos terminais de saída do controlador para o atuador.

Se o display no controlador não mostrar o valor desejado, verifique a saída.

Oscilações de caça:

Causa: Parâmetro PID muito agressivo (Tempo Integral Ti muito baixo ou Tempo Derivativo Td muito alto).

Solução: Reduza Kp ou Ti. Consulte a seção de ajuste.

Procure por problemas externos (por exemplo, rascunhos que afetam um sistema menor).

Se o sistema parecer mecanicamente instável, como por componentes soltos (por exemplo), ele deve ser verificado.

A seguir estão exemplos de resposta lenta / grande erro de estado estacionário (deslocamento)

Causar Ação Integral Insuficiente (Ki) e/ou ganho proporcional excessivamente conservador (Kp). As configurações do filtro podem ser definidas de forma muito agressiva.

Solução Diminuir a Ação Integral (diminuir Ti) ou Aumentar o Ganho Proporcional (aumentar Kp). Certifique-se de que o tempo integral corresponda ao tempo de resposta do sistema.

Leitura incorreta do sensor / desvios da exibição do controlador:

Causa: Fiação ruim (conexões soltas ou quebradas, interferência), desvio de calibração do sensor, compensação de junção fria incorreta, falha do sensor.

Resolução: Verifique a configuração do sensor. Verifique as conexões e a fiação do sensor. Recalibrando o controlador ou o sensor' A junção fria pode ser considerada. Diagnostique o problema com um termômetro calibrado.

O atuador não está respondendo corretamente:

Causa: Fiação inadequada do atuador, falha do atuador, sinais de saída incompatíveis do controlador, relé ou SSR defeituoso.

Solução: Consulte a folha de dados do atuador. Verifique se a fiação está de acordo com sua especificação. Verifique se a saída do controlador corresponde ao requisito de entrada do atuador. Se possível, teste o atuador sozinho.

Consulte o manual do controlador PID antes de iniciar a solução de problemas. Fóruns como Control.com e Instrumentation.com também são ótimos recursos para compartilhar experiências.