Curso Control de Temperatura

Curso
Control de Temperatura
OMRON ELECTRONICS S.A.
índice
Pág.
C
Curso
Bá
Básico
i
... 3
Pág.
S l
Selección
ió d
de producto
d t
...74
Método de control
... 7
por método de control
...75
Salida
...38
por sonda
...77
Sonda
...50
por salida
...82
Funciones de alarma
...59
por alarma
...83
Comunicación
...65
por interface
...84
Curso Básico de Control
de Temperatura
Control Feed
Feed-Back
Back (realimentado) y
controladores OMRON
¿Qué es Control de temperatura?
Control secuencial
Control Feed
Feed-back
back (lazo
cerrado)
Descripción/ Es un control secuencial pasoEs un control que detecta
Palabras
a paso de acuerdo con las constantemente el error entre
claves
ordenes previamente
la consigna y el valor real y lo
programadas.
corrige.
Carácter
Cualitativo
Discontinuo
Por ejemplo Tiempo
Número de piezas
Presencia
etc.
Cuantitativo
Continuo
Caudal
Presión
Temperatura
Control Feed-back (Realimentación)
Perturbación
MV
TC
e = SP-PV
Consigna
SP
-
+
Dispositivo
de salida
Lógica de
control
Carga
Controlada
Sonda
Temperatura real
PV
Control ideal
¿Cuál es la definición de "control
control bueno
bueno" para un control
realimentado Feed-back?
Alcance a la consigna
Rápido y/o correctamente
Corrección de error ante
perturbación externa.
Rápido y/o correctamente
Consigna
"Step-response"
Consigna
g
"Disturbance"
Método de Control
es el núcleo de
control
TC
+
-
Control Standard
Pág.
ON/OFF
P
PI
PD
PID
... 8
...12
12
...20
...81
...22
Pág.
2-PID
A to t ning
Auto-tuning
Self-tuning
Fine-tuning
...25
...29
C t l especial
Control
i l
...30
Pág.
...33
Calor / Frío
Cascada
...34
...37
Control ON/OFF
Es un control sencillo y económico.
económico
TC
MV=100%
MV=0%
: PV<SP
: PV>SP
Pico o sobrepasamiento: Overshoot
Se genera un "Overshoot"
Overshoot debido a un exceso de energía
aplicada para alcanzar el SP (consigna).
T (ºC)
Overshoot
PV
SP
Step-response
t (seg.)
Oscilación : Hunting
También puede producirse una oscilación o "Hunting"
Hunting
después de haber alcanzado el SP
T ºC
SP
MV %
100% (todo)
0% (nada)
PV
Hunting
tiempo
Ciclo de ON/OFF muy rápido
Histéresis
Medida p
para alargar
g el ciclo de
ON/OFF.
T ºC
Desventaja:
D
t j
Hunting grande
PV
SP
Histéresis
tiempo
MV %
100% (todo)
0% (nada)
Ciclo más largo
Control P
Proporciona
P
i
lla salida
lid (MV : 0 a 100%) d
dentro
t d
de un
determinado rango (Pb) en función del error (e).
TC
MVp
=
100
Pb
e +M0
Acción P
T (ºC)
OFF
Pb
e
ON
PV
SP
0%
(OFF)
50%
M0
MV
100%
(ON)
Proporcionado de la salida
(contacto)
Salida contacto (Relé,
(Relé Tr,
Tr SSR,
SSR etc.)
etc )
e
Pb / 2
0
Tiempo proporcional
-Pb / 2
ON
0%
M0
100% MV
OFF
Tiempo ON (Ton)
ON
Periodo de Control (CP)
MV
=
Ton
CP
OFF
100
t
Proporcionado de la salida
(Analógica)
Salida analógica (4-20mA,
(4 20mA 0-20mA,
0 20mA 0-10V,
0 10V etc.)
etc )
e
Pb / 2
0
Resolución
División
-Pb / 2
0%
M0
100%
MV
20 mA
Tiempo de
retardo
E5_X,J,F : 212 divis. / 500ms
E5_K, ES100 : 2600 divis.
4 mA
0%
100%
MV
Salida inversa y directa
Salida
directa
Salida
inversa
SP
PV
temp.
baja
temp.
alta
Pb
ON
SP
Pb
OFF
ON
MV
PV
OFF
100%
0%
0%
100%
MV
Offset
El control proporcional puede generar un error de
"Offset" entre PV y SP.
T (ºC)
Offset
SP
PV
t (seg.)
¿Por qué ocurre Offset ?
Cuando la banda P seleccionada no es adecuada a la
característica térmica-estática del sistema se produce el
offset.
Curvas de característica
térmica-estática
MV
C
100%
50%
0%
B' B
A
Cada materia tiene distinta
característica estática según su
capacitancia térmica.
Offset
20
(Ambiente)
100
SP
140
Materia A : Fácil de calentar
Materia B : Adecuado.
Materia C : Difícil de calentar.
T (ºc).
B' : cambio de la temperatura
ambiente.
Manual Reset
Manual Reset elimina el Offset de forma manual.
manual
MVp
=
PV
temp.
baja
SP
Pb
OFF
0%
50%
ON
OFF
MV 100%
0%
ON
MV 100%
OFF
M0
e +M
0
temp.
alta
ON
MV 100%
100
Pb
0%
Control P+I
I:C
Corrige el error acumulado de forma
f
automática.
á
MVi
T (ºC)
=
100
Pb
SP
Offset : e
Corrección
automática
PV
t (seg.)
1
Ti
e dt
Control P+D
D : Corrige
C i ell error instantáneo
i t tá
debido
d bid a
perturbaciones externas.
T (ºC)
MVd
Perturbación : e
SP
PV
Corrección
t (seg.)
=
100
Pb
de
Td dt
Control PID
Un sistema integrado.
integrado P,
P IyD
I
P
D
+
+
PID
MV
=
100
Pb
(e+
1
Ti
e dt + Td de )
dt
Los parámetros o constantes PID
Comportamiento
p
de los p
parámetros
MV=
100
(
Pb
1
e + Ti
de
e dt + Td dt )
Grande
Adecuado
Pequeño
Inestabilidad
(Hunting
pequeño)
Corrige
perturbación
Corrección
lenta de
perturbación
Off t
Offset
C i Offset
Corrige
Off t Oscilación
O il ió
Offset
Alcance a SP
lento
Corrige
picos y
oscilaciones
Pico y
Oscilación
Compatibilidad
Las características de alcance a SP y de corrección de
perturbaciones no siempre son compatibles.
T (ºC)
T (ºC)
SP
Correcto
Hunting
Overshoot /
Hunting
SP
Correcto
Corrección lenta
Offset / Alcance
lento
Step-response
Perturbación
t (seg.)
Step-response
Perturbación
t (seg.)
2-PID de OMRON
Feed-foward
F
df
d ((realimentación
li
t ió anticipativa):
ti i ti ) es un ffreno
constante que previene sobrepasamientos (picos)
La lógica es un constante. (Alfa)
FF
SP
Sólo se efectúa sobre
SP. (Sólo para
Overshoot)
+ e
-
PID
Mientras la lógica PID
controla alcance a
SP,Offset y Hunting
Perturb.
+
MV
+
+
Y lo resta del MV.
Sirve para frenar el
Overshoot.
Constante Alfa
Alfa es la ganancia de Feed-Foward
Feed Foward
1. Ajustar la corrección de perturbación con PID convencional.
2. Ajustar Step-response eligiendo un alfa adecuado (de 0 a 1).
T (ºC)
alfa=0
SP
alfa=1
Alfa
correcto
Step-response
C
Correcto
t
Perturbación
t (seg.)
Lógica Fuzzy
Lógica
g
fuzzy
y es un reajuste
j
de la corrección realizada ante
perturbaciones.
Unicamente funciona cuando se produce una perturbación.
Cuando el PV se desvía del SP después del establecimiento.
No actúa ante cambios del SP.
T (ºC)
2-PID
SP
Fuzzy
Acelera MV
Retiene MV
Step-response
Perturbación
2-PID
2-PID + Fuzzy
Resumen PID
Demasiado grande
Histerésis
Demasiado pequeño
- Vida corta de relé
P
- Hunting
I
- Corrección lenta de Offset
D
Corrige demasiado
________ la ________.
Periodo de Control
- Hunting
Alfa
- Alcanza demasiado _____
al SP
Auto-tuning
Método Ciclo de Límite
Método Step-Response
Step Response
Pc
(seg)
PV
SP
SP
L' (seg)
A
PV
R (ºc/seg)
ON
MV
P=
262
FS
OFF
Tiempo
×A
I=
Pc
2
Pc
D=
8
L (seg)
ON
MV
P = 82 RL'
Ti
Tiempo
I = 2 L'
D = 0.5 L'
Self-tuning
El controlador
l d d
decide
id por síí mismo
i
cuándo
á d reajustar
j
llos
parámetros PID.
SRT (Step Response Tuning)
Cuando se cambia el SP
DT (Disturbance Tuning)
Cuando se detecta una perturbación.
HT (Hunting Tuning)
Cuando se detecta Hunting u oscilaciones.
oscilaciones
SRT
SRT renueva el PID ante
Pb
cambios de SP.
1.27
SPnuevo
1) SPant. SPnuevo
2) Error en el momento del cambio
de SP es mayor que :
SPanterior
Pb 1.27 + 4
L (min)
3) Cambio del SP hacia arriba en
control inverso (control de calor),
calor)
hacia abajo con control directo
(control frío).
Banda
4) Al cambio PV tiene que estar
estable
dentro de la banda estable.
PV
R (%/min)
Tiempo
PID renovado
DT y HT
DT renueva el PID;
1) Cuando PV excede el rango estable
tras haberse establecido con el PID
antiguo.
2) Después de que el SP se ha
cambiado fuera de las condiciones
SRT tras haberse establecido con el
PID antiguo.
Pi 2
Pico
Banda
estable
Pico 1
Cambio SP
<Pb 1.27
*El número de picos que se generan hasta que
se establezca debe ser inferior a 4.
HT renueva el PID;
Si se generan más de 4 picos fuera
de SRT.
Estable
Pico 2
PID renovado
PID renovado
Pico 4
Banda
estable
Pico 1
Pico 3
PID antiguo
( Inestable )
PID renovado
Fine-tuning
Reajusta los PID de una forma manual e intuitiva.
intuitiva
Determinar las características que se desean reajustar seleccionando
de entre:
1) Eliminar Pico (Overshoot)
2) Evitar Hunting
3) Mejorar el tiempo de establecimiento.
Dos de ellos se pueden optimizar a la vez.
Eliminar Pico
Seleccionar el grado de optimización:
Mucho,, medio,, un poco,
p
, etc.
Mejorar tiempo
Evitar Hunting
Control Calor / Frío
Los procesos exotérmicos (por sí mismos generan
calor) necesitan de ambas acciones: enfriamiento y
calentamiento.
Procesos químicos exotérmicos.
Máquina extrusoras de plásticos.
Calor
Frío
Banda muerta / solapada
Banda solapada
Banda muerta
Control preciso
Ahorro de energía
Calor y frío actúan a la vez
MV
MV
100%
0%
Calor y frío no actúan a la vez
Calor
Frío
100%
0%
T (ºc)
Banda solapada
(Overlap band)
100%
Calor
Frío
0%
100%
0%
T (ºc)
Banda muerta
(Dead band)
Coeficiente de frío
Aún teniendo el mismo MV,
MV el comportamiento de frío
puede diferir del comportamiento de calor.
MV
100%
MV
Calor
Frío
100%
100%
Calor
100%
Frío
0%
0%
T (ºc)
0%
50%
0%
T (ºc)
Control Cascada
En este sistema la salida del primer controlador
proporciona el SP del segundo controlador.
Lazo
Secundario
Fluctuación
Lazo
Principal
Calor
Aíre
Frío
Sensor 2
Sensor 1
Aíre
Caliente
Salida
TC
+
-
es el interface de
salida.
Pág.
Tipo de salida
Elemento de calor
Salida analógica
Válvula motorizada
...40
...42
...45
...46
Salida de TC y actuadores
TC
Señal de
salida
Actuadores
Señal
Carga
Energía
Relé
SSR
Tensión
Analógico
Pulsos para válvula
Contactor
SSR externo
Controlador ciclo *
Controlador fase *
Electro-válvula
Válvula motorizada *
Energía eléctrica
Caudal de líquido
Caudal de aire
Presión
Salida de TC (1)
Relés
Control directo de carga eléctrica o contactor. (máx. 5A : E53-R).
Para un sistema con baja frecuencia de operación.
Relé de estado sólido
Control directo de carga eléctrica o contactor. (máx. 1A)
Para un sistema con alta frecuencia de operación.
Tensión
Control de relé de estado sólido externo
Salida de TC (2)
Corriente (Analógica)
Control de fase de carga eléctrica, electro-válvula. etc.
Para un sistema con probabilidad de perturbación.
Tensión (Analógica)
Pata variador de velocidad, electro-válvula, etc.
Pulsos para válvula motorizada.
Para válvula motorizada.
Control de elemento de calor (1)
Control de contacto
Sencillo y económico
Control del tiempo en que
permanece cerrado el contactor.
TC
50% ON
Periodo de control
TC
Señal de salida
Actuador
Relé
directo
SSR
directo
Tensión
SSR externo
2 seg.
P.ej.
MV = 50%
Control de elemento de calor (2)
Control de ciclo
Rápido y sin ruido
Control del número de ciclos en una
operación.
TC
Controlador
de ciclo
50% ON
Tiempo de operación
Señal de salida
Actuador
Salida analógica
(4-20 mA)
Controlador de
ciclo
G3PA
0.08 seg.
P.ej.
MV = 50%
Control de elemento de calor (3)
Control de fase
Control de fase de ON en
medio ciclo.
Alta precisión
TC
Controlador
de fase
50% ON
Medio ciclo
Señal de salida
Actuador
Salida analógica
(4-20 mA)
Controlador de
fase
G3PX
P.ej.
MV = 50%
0.01 seg.
Productos
OMRON
Control de caudal
Electro-válvula
Se utiliza para controlar el caudal de aire o líquido.
20 mA
Escalones
4-20mA
Posicionador
4 mA
0%
100 %
MV
Entrada de caudal
(Presión constante)
Movimiento
mecánico
Salida de
caudal
Válvula motorizada
Es un sistema Servo ON /OFF
Controla la apertura (posición) de la válvula mediante pulsos de
apertura / cierre.
Realimentación de posición
R
Abrir
M
Cerrar
1)) Control flotante
2) Control realimentado
Control flotante
El TC manda
d all motor
t los
l pulsos
l
Abrir o Cerrar.
Cerrar
El rotor
t d
de lla válvula
ál l gira
i d
de
acuerdo con el par del motor.
M
TC
Abrir
Total apertura
Pulso Abrir
Pulso Cerrar
100%
t
0%
t
t : Tiempo total de recorrido (Travel Time)
50%
t/2
25%
t/4
Control realimentado
El TC manda
d all motor
t llos
pulsos Abrir o Cerrar.
Cerrar
TC
Abrir
El rotor de la válvula gira de acuerdo
con el tiempo de los pulsos.
M
Pulso
Cerrar
Pulso
Abrir
Realimentación para el
reajuste de la apertura
El eje del rotor transfiere su
posición al poteciómetro.
Calibración de la Válvula
Control flotante
Medir el tiempo total de recorrido
Control realimentado
Medir los valores límite del potenciómetro
Sonda
TC
+
es ell interface
i
f
de
d
entrada
-
Pág.
Termopar
Termorresistencias
Entrada universal
...52
...53
...56
Sondas de temperatura
Termopar
Baja temperatura : J, K, E, T
Alta temperatura : R, S, B, W, PL-II, N
Termorresistencia
Pt100
Termopar
Pro
Contra
Amplio rango de medida
Estructura sencilla
Económico
Cable de compensación
necesario
Termorresistencia
Alta precisión
Estable
Más linear que termopar
Costoso
Velocidad no alta
Impedancia flotante
Termopar
Efecto Seebeck
materia A
Unión
caliente
Unión fría
Corriente
T2
T1
materia B
V=K(T2-T1)
v
temp
Termorresistencia
Variación de resistencia por temperatura
r
r
temp
Puente Wheatstone
r
R1
Cuando , V=0 ;
V
R2
Vref
R3
r = R1×R2 / R3
Termorresistencia
(Problema y su medida)
Resistencia flotante
Cuando se alarga el cable aparece la llamada resistencia flotante.
rl
TC
rl
Termorresistencia de tres hilos
Para eliminar la resistencia flotante.
r
rl
rl
R1
rl
Cuando, V=0;
R3×(r+rl) = R1×(R2+rl)
r= R1×R2/R3+·(R1-R3)rl/R3
Si R1=R3;
R2
R3
r= R1×R2/R3
Rango de medida
2500
2000
1500
Temperatura
1000
ºC
500
0
-500
High
Low
K
J
R
S
E
T
B
Sonda
W L-II
P
N
00
1
Pt
Sonda universal
Para valores de p
proceso g
generales
Presión
Humedad
Temperatura
Nivel líquido, etc
Señal de salida
Corriente (4-20mA,
(4 20mA 0-20mA,
0 20mA etc.)
etc )
Tensión (1-5V, 0-10V, etc.)
Sensor infrarrojo compatible con
termopar (mV)
Producto OMRON :
ES1A
Escala
Es necesario convertir / escalar la señal analógica normaliza
al valor físico de la variable correspondiente.
Señal
20 mA
4 mA
min.
max..
Fondo escala
Display
Valor físico
ºC Bar,
ºC,
Bar %,
% m,
m etc.
etc
Precisión de entrada
Precisión
Error entre la temperatura real y el valor de display
1: Valoración de error en relación al fondo de escala (E5C2, E5_S,etc.)
2: Valoración de error en relación al valor de indicación (E5_X, J, K, etc
Periodo de muestreo
Viene limitado por las prestaciones del microprocesador del TC.
Rápido --> Control rápido, influencia de ruido
Lento
--> Medida estable, control lento
Funciones de alarma
para la seguridad del
sistema
Tipos de alarma (1/2)
Límite superior
Baja
SP
Relativo
Alarma
Alta
Baja
0 ºC
Alarma
Alta
0 ºC
Absoluto
Alta
Absoluto
Límite inferior
Baja
Alarma
SP
Relativo
Alta
Baja
Alarma
Tipos de alarma (2/2)
Límite
te supe
superior
o e inferior
e o
Baja
SP
Relativo
Alta
SP
Relativo
0 ºC
Absoluto
Rango
Baja
Baja
Alta
Alta
Standby
La alarma es activada cuando se cumple
p la condición de
activación por segunda vez.
Es una medida para evitar falsas alarma en los arranques, puesto que
al comienzo del proceso, la temperatura de la sonda suele estar a la
temperatura ambiente.
SP
2
3
2
3
1
Salida de
alarma 1
ON
Límite superior con standby
Límite inferior con Standby
Lí it superior
Límite
i e iinferior
f i con
Standby.
Límite superior absoluto con Standby
Límite inferior absoluto con Standby
Heater Burnout Alarm
Detecta la rotura del lazo de control midiendo la corriente
del circuito de carga.
Rápido, exacto.
Transformador de corriente necesario. Sólo para cargas eléctricas.
I1
Bien
Cerrar
Cerrar
i1
I2
Mal
i1 i2
rotura
i2
La alarma HBA detecta la disminución de la corriente i.
Loop Break Alarm
Detecta la rotura del lazo de control observando el
comportamiento de PV frente a MV.
De propósito general, el transformador de corriente no es necesario.
Tiempo de detección largo, menos preciso que la alarma HBA.
T ºC
Tiempo de
detección
Comienzo
MV máx.
Fi
n
SP
Banda de
Detección
Rotura
PV
LBA OFF
LBA ON
MV
Tiempo
*Alarma LBA es simétrica.
Comunicación
Integra los controladores OMRON
con equipos principales.
Comunicación serie
RS232C
Comunicación 1 :1 con equipo principal (PC,PLC, etc.)
Distancia máxima :15m
RS422
Comunicación 1 : n (máx. 32 controladores + equipo principal)
Distancia máxima : 500 m.
RS485
Comunicación 1 : n (máx. 31 controladores + equipo principal)
Distancia máxima : 500 m
2 hilos
Protocolo serie
Sincronización : método asíncrono.
Longitud de palabra : ASCII 7 / 8 bits
Bit de Stop: 2 bits.
Detección de error : Paridad Par / Impar
FCS (Frame Check Sequence)
Equipo principal
Controladores
Formato X
C
Comando
d llectura
t
@ 0 0 R X 0 1
fcs
* ¶
Respuesta lectura
@ 0 0 R X 0 0
Código FCS
lazo
Código de cabecera:
Elegir un R_ de la lista de comandos.
Nº de unidad
0 2 5 5
fcs
* ¶
Dato leído (4 díg.)
Código de respuesta:
00 = OK
Comando escritura
@ 0 0 W S 0 1 0 2 5 5
fcs
Dato a escribir
(4 díg.)
* ¶
Respuesta escritura
@ 0 0 WS 0 0
Código de cabecera.
Elegir un W_ de la lista de comandos.
fcs
* ¶
Código de respuesta:
00 = OK
Formato K
Comando
@ 0 0 2 0 1 0 2 5 5
fcs
* ¶
Dato a escribir (4 dígitos) *En caso de lectura, rellenar con "0"
Código de dato. Elegir un dato del mapa de datos.
Tipo de comando: 1 = lectura, 2 = escritura, 3 = especial .
Respuesta
@ 0 0 2 0 1 0 0
0 2 5 5
fcs
* ¶
Dato leído / escrito (4 díg.)
Código de respuesta : 00 = OK
Formato Compoway-F
Comando
STX 00 00 0 XXXX XXXX XXXX XXXX ETX BCC
Texto del comando
Número de nodo.
Código de chequeo
Código de fin
Código de inicio
Respuesta
STX 00 00 0 XXXX XXXX XXXX XXXX ETX BCC
Texto de respuesta
Número de nodo.
Código de inicio
Código de chequeo
Código de fin
BCD
Comunicación paralelo BCD
E/S de PLC
Distancia máxima : 2 a 3m
PLC
Código de operación (4 bits)
Dato leído (4 bits)
TC
TC
Datos a escribir (4 bits)
VAL : Validez de operación
BUSY : Ocupado
Protocolo BCD
Escritura de datos
PLC
VAL off :
fin
PLC
Controlador
Controlador
1. "Leer 1º díg."
1. Dato a escribir
2. "Escribir 1º díg."
3. VAL on :
inicio
6. Dato a escribir
7. "Escribir 2º díg."
Lectura de datos
2. VAL on :
inicio
4. BUSY on
5. BUSY off
T
Terminado
i d
escritura
8. BUSY on
9. BUSY off
Terminado
escritura
6. "Leer 2º díg."
VAL off :
fin
3. BUSY on
4. Dato leído
5. BUSY off
Terminado
escritura
7. BUSY on
8. Dato leído
9. BUSY off
Terminado
escritura
Retransmisión
Retransmisión
Analógica (4-20mA)
Independiente de la salida de control
Registradores
Impedancia de salida : 600
Límite inferior
Límite superior
20 mA
256
Escalones
4 mA
Rango seleccionado
PV / SP (ºC)
MV (%)