Controle de temperatura PID - Guia detalhado

Meta título:Controle de temperatura PID: Etapa 7, Configuração, Ajuste e Práticas Recomendadas Descrição Meta: Controle de temperatura PID com Siemens Etapa 7. O guia abrangente inclui configuração, configuração e ajuste para regulação de temperatura industrial.

1. Introdução

Visão geral geral: visão geral do controle de temperatura e seu papel no PID.

Conteúdo:

Em muitas aplicações industriais e ambientes de laboratório, o controle preciso da temperatura é essencial.

O software Siemens Step 7 é uma ferramenta de programação popular para controladores lógicos programáveis da Siemens. O software fornece ferramentas poderosas para implementar e configurar várias estratégias de controle, incluindo controle PID de temperatura. Engenheiros e técnicos de automação devem, portanto, dominar o ajuste e a configuração dos controladores PID no ambiente da Etapa 7. Este guia fornecerá uma explicação abrangente e passo a passo sobre como usar o Siemens Step 7 para implementar o controle de temperatura PID. Abrange tudo, desde a configuração inicial até o ajuste e solução de problemas. Os conceitos subjacentes serão explicados em uma linguagem clara e fácil de entender para garantir que aqueles que desejam melhorar seus recursos de programação PLC possam entendê-los facilmente.

1. Entendendo o controle PID

Visão geral: Explica os componentes P, I e D, bem como os principais parâmetros e aplicações.

Conteúdo:

Os controles PID são baseados no cálculo do erro como a diferença entre um ponto de ajuste desejado (o alvo) e uma variável real do processo (temperatura). O sinal de erro será então processado usando três componentes matemáticos diferentes, a saber, Integral Proporcional e Derivada. É importante entender como esses componentes matemáticos afetam as ações de controle.

Proporcional (P). gera um resultado que é diretamente proporcional ao erro. A saída muda mais quando o erro é maior. Embora o controle P reduza o erro, o sistema geralmente permanecerá fora do alvo e não atingirá seu ponto de ajuste exato. O ganho proporcional Kp é o fator determinante na sensibilidade das respostas de P. Quanto maior o Kp, mais forte é a resposta aos erros. Isso pode levar a um ajuste mais rápido, mas também pode aumentar o risco de oscilação.

O termo Integral (I) aborda o deslocamento de estado estacionário inerente ao controle P puro. Este termo integra o valor do erro cumulativo. Este erro acumulado é usado para ajustar a saída. Constante de Tempo Integral Ti determina a velocidade das ações integrais. A constante de tempo integral (Ti) é um valor que determina a rapidez com que a ação integral responde a erros.

A derivada (D) prevê erros futuros considerando a taxa na qual o erro está mudando. O termo mede a taxa na qual um erro muda e toma ações corretivas proporcionais a essa mudança. Essa capacidade preditiva é influenciada pela Constante de Tempo Derivada. O efeito derivado é potencializado por um Td mais alto, o que ajuda a reduzir oscilações, melhorar a estabilidade e amortecer processos que possuem alta inércia. A ação derivada é sensível ao ruído de medição, que pode causar comportamento errático se...#39; não é afinado com cuidado.

A equação PID combina estes três elementos:

Saída = Kp * (Erro + (1/Ti) * Erro dt + Kd * d(Erro)/dt)

Onde:

A saída representa o sinal que é enviado a um atuador, como um elemento de aquecimento.

O erro é definido como a diferença entre o ponto de ajuste (temperatura) e a variável do processo.

Kp representa o ganho proporcional.

A constante de tempo integral é.

Kd representa o ganho derivado.

O erro Dt é o erro integral no tempo.

d (Erro)/dt é a taxa de alteração no erro.

Os controles PID são usados em uma variedade de aplicações, incluindo fornos e fornos de aquecimento. Eles também podem ser aplicados a aquecedores de água, reações químicas ou sistemas de refrigeração. A capacidade do PID de fornecer controle robusto, preciso e estável é essencial na automação industrial.

3. Instalando o sistema

Visão geral: Descrição e instalação do hardware necessário (sensores e atuadores), bem como configuração inicial do software (Etapa 7 Instalação) e conexão física.

Conteúdo:

É necessário um sistema físico antes de configurar o PID no software Step 7. Os componentes de hardware incluem, por exemplo, um dispositivo de detecção de temperatura, um atuador que pode afetar a temperatura e um PLC Siemens que executa a lógica. A escolha de sensores (por exemplo, termopar ou RTD), bem como atuadores (por exemplo, elemento de aquecimento, ventiladores de refrigeração) depende da aplicação.

Este sensor converte a medição de temperatura física em um sinal elétrico que o PLC é capaz de processar. O sinal é frequentemente condicionado (amplificado, filtrado) para caber dentro da faixa que o módulo de entrada analógica PLC aceita. O módulo de saída analógica do PLC envia o sinal de controle que é usado para regular a ação de calor ou resfriamento. Este sinal pode variar entre 0 a 10 volts e 4 a 20 miliamperes.

É o Controlador Lógico Programável que controla o sistema. O PLC recebe o sinal condicionado do sensor de temperatura através do módulo AI. Em seguida, ele executa um algoritmo PID com base no valor do ponto de ajuste e no valor medido e envia um sinal correspondente ao atuador por meio do módulo AO. A energia é necessária para o PLC e sensores, bem como atuadores.

O ambiente de software Siemens Step 7 deve ser instalado em um computador. Os engenheiros podem então criar, configurar e baixar seus programas de controle para o hardware do CLP. A etapa 7 contém as ferramentas e blocos necessários para programar a lógica do CLP. Isso inclui os blocos necessários para o controle PID. A etapa 7 deve ser instalada na versão correta para o hardware. O software é então usado para configurar os módulos e criar o aplicativo de controle.

A conexão física é a fase final da configuração inicial. Os cabos devem ir do módulo PLC AI ao atuador, bem como entre o módulo PLC AO. Para reduzir o ruído que pode interferir na precisão, os cabos devem ter terminações e blindagem seguras, principalmente para sensores de temperatura. Todos os dispositivos também devem ter suas conexões de energia feitas corretamente, de acordo com as normas de segurança. A configuração física é crucial, pois formará a base para a configuração do software.

Na Etapa 7, configure o PID

Visão geral: Etapas para criar um projeto da Etapa 7, adicionar blocos PID, configurar parâmetros (entrada/saída de ponto de ajuste Kp Ki Kd) e configurar conexões de sinal.

Conteúdo:

A Etapa 7 da Siemens fornece várias maneiras diferentes de configurar controles PID. O software;#39; Os blocos de função são os mais importantes.

Na Etapa 7, crie um projeto. O primeiro passo é criar um novo projeto na Etapa 7. Isso inclui a configuração da estrutura do projeto, a definição de configurações de hardware (especificando modelos de CLP e módulos conectados como AI e AO), bem como a criação de símbolos e variáveis para o programa. A abordagem estruturada garante que a lógica do controle seja clara e ajuda a organizar.

O próximo passo seria adicionar blocos PID ao seu programa. O Siemens Step 7 fornece blocos PID em sua biblioteca. Estes são geralmente encontrados no menu rotulado ' Blocos de função ou blocos. O algoritmo PID está incorporado nesses blocos. Crie um bloco de controle PID ou uma instância no programa principal. O bloco deve ter entradas e saídas conectadas. Posteriormente, eles serão vinculados às variáveis reais do processo e ao ponto de ajuste.

A configuração do parâmetro PID é uma etapa importante. Na janela de parâmetros ou propriedades da instância PID, o ganho proporcional (Kp), a constante de tempo integral (Ti), bem como a constante de tempo derivada (Td) são normalmente definidos. Esses valores têm um grande impacto no desempenho do controlador. Ziegler Nichols é um método comum para determinar os valores iniciais de Kp, Kd e Ki. Isso envolve medir o período crítico de oscilação e o ganho do controlador e calcular os valores de Kp, Kd e Ki. Os valores iniciais também podem ser baseados no aplicativo ou na experiência.

O ponto de ajuste (SP), a temperatura alvo que deve ser mantida pelo controlador PID, também deve ser definido. O ponto de ajuste é a temperatura alvo que o controlador PID pretende atingir. Os setpoints podem ser definidos como uma constante na programação ou alterados dinamicamente via entrada HMI (Interface Homem-Máquina), ou por comunicação com outro sistema.

A entrada da variável de processo (PV), que é a temperatura medida, também deve ser conectada ao PID. O módulo AI é de onde vem essa entrada. Ele recebe os sinais do sensor e os converte em valores numéricos dentro da faixa do PLC.

A saída (OUT) do módulo PID deve ser conectada ao módulo AO. O sinal de saída (geralmente um valor numérico) será enviado pelo atuador para alterar a temperatura do processo. Esta faixa de saída deve corresponder às especificações e requisitos do Módulo AO. Se o ' Auto-Tune" está disponível nos blocos Step 7 do PID, it' é importante configurar isso. Isso calculará automaticamente os valores de Kp, Kd e Ki com base na dinâmica do processo.

Ajuste do controlador PID

Esboço Uma explicação do método Ziegler Nichols e técnicas de afinação manual. Além disso, como ajustar Kp, Kd e Ki para um desempenho ideal.

Conteúdo:

A configuração inicial dos parâmetros PID representa apenas o início; Para obter o desempenho ideal, é necessário um ajuste cuidadoso. Os valores de Kp, Kd e Ki são ajustados para garantir que o sistema responda às mudanças, que atinja seu ponto de ajuste com precisão, permaneça estável, sem oscilações e não tenha erros de estado estacionário. O método Ziegler Nichols ou afinação manual são as duas abordagens principais.

O método de Ziegler Nichols é uma abordagem empírica sistematizada que requer um sistema estável. Este processo tem duas etapas. Primeiro, determine o ganho final do sistema (Ku) e, em seguida, o período final. O ganho final (Ku) é o ganho máximo em que o sistema operará sem oscilação após uma mudança de etapa. Para encontrar Ku e Pu, um valor muito alto de Kp é escolhido (o ganho crítico), e o sistema é ajustado manualmente até oscilar com um período consistente (Pu). Ku é então igual a esse ganho crítico, e Pu é o período dessas oscilações. O objetivo é obter uma resposta que seja rápida o suficiente para corrigir desvios, mas não tão rápida que cause oscilações. Uma vez que um Kp razoável é encontrado, a ação Integral (Ki) é introduzida e ajustada para eliminar qualquer erro de estado estacionário. Finalmente, a ação derivada (Kd) é adicionada com cautela, principalmente para amortecer as oscilações, melhorando a estabilidade sem diminuir significativamente a resposta. Este processo iterativo requer paciência e observação cuidadosa do sistema.#39; , geralmente usando tendências gráficas exibidas pela IHM ou na Etapa 7.

Teste e calibração

Esboço: Execução de simulações na Etapa 7, testes práticos com hardware real e a importância da calibração para precisão.

Conteúdo:

Depois de configurar e ajustar o controlador PID no software Step 7, é crucial testar e calibrar minuciosamente o sistema para garantir que ele funcione conforme o esperado e atinja o nível de precisão necessário.

O teste pode ser executado inicialmente usando ferramentas de simulação disponíveis no ambiente da Etapa 7. Muitos blocos PID incluem recursos de simulação que permitem testar a lógica de controle offline. Você pode aplicar mudanças simuladas de setpoint ou distúrbios de carga e observar o sistema' s sobre as tendências gráficas exibidas no software Step 7 Comfort ou WinCC Comfort. Este estágio de simulação ajuda a identificar possíveis erros de programação, verificar os parâmetros de ajuste e entender o sistema.#39; antes de conectar o hardware ao vivo. Embora a simulação seja valiosa, ela não pode replicar totalmente a dinâmica e as potenciais não linearidades do processo real.

A próxima etapa crítica é o teste prático com a configuração real do hardware. Uma vez que o sistema esteja fisicamente conectado e o PLC esteja executando a lógica de controle programada, você deve observar seu desempenho em condições reais de operação. Aplique o ponto de ajuste e observe como a temperatura responde. Verifique a estabilidade, o overshoot, o tempo de estabilização (o tempo que leva para a temperatura permanecer dentro de uma faixa especificada em torno do ponto de ajuste) e o erro de estado estacionário. Introduza distúrbios controlados, se possível, para ver como o sistema se recupera. Compare a resposta real com os resultados da simulação e faça ajustes adicionais nos parâmetros PID, se necessário. Este processo iterativo de teste e ajuste é vital para obter um controle de temperatura confiável e eficaz.

A calibração é a etapa crítica final, garantindo a precisão do sistema de medição. A calibração precisa garante que o controlador PID esteja respondendo aos valores corretos de temperatura, levando a um desempenho de controle confiável.

Solução de problemas e manutenção

Esboço: Problemas comuns (instabilidade, oscilação, resposta lenta, deslocamento) e suas causas, dicas de manutenção regular e considerações de segurança.

Mesmo com configuração e ajuste cuidadosos, os sistemas de controle de temperatura PID podem encontrar problemas. Reconhecer problemas comuns e suas possíveis causas é essencial para uma solução de problemas eficaz. A solução de problemas geralmente envolve a verificação sistemática do hardware, da configuração do software e dos parâmetros de ajuste.