O que é um controlador de temperatura PID?
O controle de temperatura PID é um recurso de controle de loop encontrado na maioria dos controladores de processo para melhorar a precisão do processo.
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Os controladores de temperatura PID trabalham usando uma fórmula para calcular a diferença entre o ponto de ajuste de temperatura desejado e a temperatura atual do processo e, em seguida, prediz quanta energia usar nos ciclos de processo subsequentes para garantir que a temperatura do processo permaneça o mais próximo possível do ponto de ajuste, eliminando o impacto mudanças no ambiente de processo.
Diversos tipos de Controladores PID
Os controladores de temperatura PID diferem dos controladores de temperatura On / Off nos quais a potência de 100% é aplicada até que o ponto de ajuste seja atingido, ponto no qual a energia é reduzida para 0% até que a temperatura do processo caia novamente abaixo do setpoint. Isso leva a overshoots e defasagens regulares que podem afetar a qualidade geral do produto.
Controladores de temperatura com PID são mais eficazes em lidar com distúrbios de processo, o que pode ser algo aparentemente tão inócuo como abrir uma porta do forno, mas a mudança de temperatura pode ter um impacto sobre a qualidade do produto final.
Se o controlador de temperatura PID estiver sintonizado corretamente, ele compensará a perturbação e retornará a temperatura do processo ao ponto de ajuste, mas reduzirá a energia à medida que a temperatura se aproximar do ponto de ajuste, de modo que não ultrapasse o risco de danificar o produto com muito calor.
O P, I e D
O controle PID pertence à categoria “ótima” da teoria de controle, que especifica que uma determinada variável de processo é otimamente obtida. Para o controlador de temperatura PID, a variável ideal é manter a temperatura do processo no ponto de ajuste para o período de tempo desejado, evitando alterações severas de atraso, overshoot ou distúrbios.
Os três elementos do algoritmo PID são o Proporcional, o Integral e o Derivativo. Cada um desses elementos se relaciona com a variação na temperatura do processo em relação ao ponto de ajuste em um período de tempo.
- Proporcional – a variância entre o ponto de ajuste e a temperatura atual do processo
- Integral – a variação anterior do ponto de ajuste
- Derivativo – a variação futura prevista com base na variação anterior e atual
Essas variações ao longo do tempo são calculadas usando uma fórmula PID, seja manualmente por um engenheiro ou automaticamente pelo controlador de temperatura, e o resultado é quanta energia precisa ser aplicada ao processo para manter a temperatura no ponto de ajuste.
A história dos Controladores PID
Dispositivos de realimentação mecânicos têm sido utilizados desde o final do século 18 na forma de governadores. Estes eram limitados a apenas um ou dois elementos de Proporcional, Integral ou Derivativo e foram originalmente planejados para manter uma velocidade de operação consistente em motores a vapor que estavam sendo usados para acionar máquinas de fábrica.
O primeiro controlador PID completo foi desenvolvido em 1911 por Elmer Sperry para a Marinha dos EUA para automatizar a direção de navios. Sperry projetou seu sistema para imitar o comportamento dos timoneiros, que eram capazes de compensar uma variância persistente, bem como antecipar como a variação iria mudar no futuro.
Posteriormente, em 1922, o engenheiro Nicolas Minorsky publicou a primeira análise teórica do controle de IDP, similarmente baseada em observações da capacidade de um timoneiro de se adaptar às condições de mudança. Minorsky tornou a capacidade do timoneiro de se adaptar às mudanças de condições como uma fórmula matemática, que formou a base para o controle moderno do PID.
Referência: Desenvolvimento do Controlador PID – Stuart Bennett
Os diferentes métodos de ajuste para controladores PID
Existem duas formas principais de sintonizar um controlador de temperatura com os valores do PID.
- Um engenheiro calcula manualmente as variáveis P, I & D e o nível de energia necessário no processo para manter o setpoint.
- Ao inserir os valores-alvo e usar a função de auto-ajuste, o controlador de temperatura calcula automaticamente o PID para controlar diretamente o processo.
Em ambos os casos, a fórmula PID fornece um nível de energia para aplicar no processo para manter o setpoint, que é inserido pelo engenheiro ou definido pelo próprio controlador PID.
Qual controlador de temperatura PID escolher?
O ajuste do loop PID é usado em uma variedade de controladores de temperatura e em vários números de loops.
A configuração mais básica é para um controlador de temperatura calcular o PID e gerenciar um único processo.
O equipamento de limpeza médica geralmente usa um controlador de temperatura PID de loop único para garantir que o processo funcione na temperatura certa por tempo suficiente para esterilizar corretamente os implementos.
Um sensor de temperatura mede a temperatura dentro do tanque de esterilização, que o controlador de temperatura PID então interpreta e usa para aumentar ou diminuir a energia para o elemento de aquecimento.
Uma configuração mais complicada do controlador de temperatura PID é multi-loop, na qual um único controlador de temperatura gerencia vários processos simultaneamente. No entanto, cada processo é discreto e, portanto, opera em loops individuais, portanto, um distúrbio em um processo não terá impacto em outro.
Por exemplo, uma padaria pode ter vários fornos operando com o mesmo ponto de ajuste, mas não afetando um ao outro, o que seria executado por um controlador de temperatura PID de múltiplos loops .
Controladores PID com Loops de Controle em Cascata
Alguns controladores de temperatura PID possuem recursos aprimorados.
Eles permitem que eles operem vários loops relacionados uns com os outros, em vez de cada loop operando discretamente sob controle central.
O controle em cascata é onde dois loops de controle operam em relação um ao outro na forma de um loop primário e secundário. O loop primário controla o elemento principal do processo sendo aquecido, no entanto, ele não tem um elemento de aquecimento direto trabalhando nele.
Em vez disso, há um elemento secundário que geralmente é uma jaqueta ao redor do primeiro e é controlado por um elemento de aquecimento.
O controlador PID mede os loops primário e secundário e ajusta o nível de potência que afeta o calor do elemento secundário para que, por sua vez, aqueça o elemento primário no ponto de ajuste. Um exemplo familiar para isso é o derretimento do chocolate, onde, se o chocolate estiver diretamente exposto ao calor, é provável que ele queime, mas pode ser derretido em uma tigela com água quente.
O chocolate é o laço primário, a substância delicada que, em última análise, precisa ser aquecida, e a tigela de água é o laço secundário, o intermediário entre a aplicação de calor e o laço primário.
Loops em cascata funcionam no mesmo princípio, mas em uma escala muito maior e com controle preciso da temperatura. O ajuste PID em loops em cascata é essencial, pois, do contrário, pode haver overshoot excessivo esperando que o elemento primário atinja o ponto de ajuste. O controlador PID reduz a energia à medida que a temperatura se aproxima do ponto de ajuste para atender e depois manter o ponto de ajuste.
Controladores PID de temperatura multi-loop
Os controladores de temperatura Multiloop PID também são valiosos para o gerenciamento de processos multi-loop em que há um único processo a ser gerenciado. Entretanto o elemento de aquecimento é tão grande que pode haver discrepâncias de temperatura entre uma área e outra.
Por exemplo, imagine um forno industrial com seis elementos de aquecimento diferentes. A temperatura deve ser consistente em todo o forno, mas os diferentes elementos podem fazer com que algumas áreas sejam mais quentes do que outras. Como o processo requer uma temperatura uniforme, a solução é usar um controlador de temperatura multiponto PID para operar todos os seis elementos de aquecimento. Dessa forma efetivamente existem seis malhas de controle funcionando simultaneamente.
O controlador PID pode então ajustar a potência para cada elemento de aquecimento individualmente para manter o ponto de ajuste em todas as zonas de aquecimento no forno.
A West Control Solutions possui uma ampla gama de controladores de temperatura PID montados em painel DIN de vários níveis para atender a quaisquer requisitos de processos industriais. Para mais ajuda ou informação, por favor, entre em contato.
Sobre a Controladores WEST
A Controladores WEST é uma das empresas operacionais Specialty Product Technologies, Grupo Fortive, do qual também fazem parte a Veeder-Root, Dynapar, Hengstler, Anderson-Negele, entre outras.
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