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Transcripción

1 TOKY Electrical. Co. Ltda. CONTROLADORES DE TEMPERATURA Series TE Fundamentos Básicos del control de Temperatura Que es una termocupla. Las termocuplas son los sensores de temperatura más comúnmente utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y níkel) Al colocar la unión de estos metales a 750 C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts. Unión de Fierro + Termocupla J Unión de Constatan - Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable ú otro material (vaina), en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Tipos determocuplas. Existen una infinidad de tipos de termocuplas para su uso en la industria, en la tabla que en adelante podrá ver aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K. Debido a que los rangos de temperatura que generalmente se emplean en distintos procesos industriales son menores a los 1300 C.

2 Usos típicos en la Industria. Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio).en temperaturas no mayores a los 800ºC La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero) Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Sensores Pt100. en rangos disponibles hasta 200ºC a 600ºC. Sensores de temperatura PT100. Los sensores de temperatura PT100 o también conocidos como RTD (resistencia dependiente de temperatura). Son elementos semiconductores cuyo valor resistivo cambian en función a la temperatura. Las ventajas que ofrecen los sensores PT 100 es de tener mayor precisión para rangos de temperatura no mayores de 200 a 500 C. ( en sensores especiales). Además que para transmitir su señal puede utilizar cable de cobre apantallado en una longitud máxima de 300 Mts. El principio de funcionamiento del control con PT100 es el del puente Weaston en la cual cualquier variación Ohmica en el puente Weaston genera una diferencia de tensiones que son convertidas y leídas por el controlador en unidades de ºC. Pt 100

3 TIPOS DE SENSORES PARA TEMPERATURA TC y PT100. TERMINOLOGIA. Variable de proceso o variable controlada ( VP ). La variable medida que se desea estabilizar (controlar) recibe el nombre de variable de proceso ("process value") y se abrevia PV Set Point o punto de consigna ( VS ). Es el valor expresado en unidades de temperatura ( C / F) al cual se desea alcanzar y mantener constante para un proceso determinado. Error. ( E ) Es el resultado de la comparación entre la variable medida y la señal de referencia

4 Automático Manual (M/A) solo en series TH y AT Esta función permite al usuario tener control sobre el elemento de control final ( Válvula de control Proporcional ) de manera que se pueda efectuar cambios en el proceso aperturando porcentualmente de 0 a 100% ( 4 20 ma ) a la válvula de control a la necesidad u antojo del usuario del proceso. Esta función solo lo tienen equipos especialmente preparados para control de procesos y las series TH4, TH7,TH9 y AT de Toky los tiene en sus modelos estándares para que usted pueda efectuar a su antojo dicho control. Histéresis ( HIS ) Es aplicable cuando el controlador de temperatura trabaja en modo ON/OFF en ella se determinará el rango dentro del cual se realizara el control de activación o desactivación del rele de control (Out Put ). Si el Set point es 80 C i la histéresis es 2, entonces la banda de control en modo On/Off será entre 79 y 81 C. Auto Tuning o Auto sintonía ( AT ). La función de auto sintonía es utilizada para auto ajustar los parámetros de control y corrección de los equipos en el proceso. PID Se recomienda utilizar el parámetro de auto sintonía al inicio de funcionamiento del proceso para que el equipo capte los datos del proceso y los guarde y compare en su procesador para que calcule los valores del algoritmo matemático del PID. 1. Variable de proceso, Set Point y Error. La variable medida que se desea estabilizar (controlar) recibe el nombre de variable de proceso ("process value") y se abrevia PV. Un buen ejemplo de variable de proceso es la temperatura, la cual mide el instrumento controlador mediante una termocupla o una Pt100. Otro ejemplo de una PV puede ser un caudal (litros / minuto), este se mide mediante algún sensor y su transductor adecuado que entreguen una señal de 4 a 20 ma proporcional al caudal. La corriente 4 a 20 ma entra al controlador en donde se reescala a las unidades originales de la PV. Ejemplos adicionales de PV pueden ser velocidad, presión, humedad, etc cada una de las cuales se mide con el sensor apropiado y se convierten comúnmente a mA para ingresar al control.

5 En adelante durante todo este tutorial se usará la temperatura como ejemplo de PV por ser lo más intuitivo. Esto no hace perder generalidad, pues todo lo que se hable sobre temperatura y hornos es perfectamente análogo a sistemas de control de velocidad, presión, etc. El valor prefijado (Set Point, SP) es el valor deseado de la variable de proceso, es el valor cual el control se debe encargar de mantener la PV. Por ejemplo en un horno la temperatura actual es 155 C y el controlador esta programado de modo de llevar la temperatura a 200 C. Luego PV=155 y SP=200. Se define error como la diferencia entre la variable de proceso PV y el set point SP, E = SP - PV En el ejemplo anterior E = (SP - PV) = (200 C C) = 45 C. Recuerde que el error será positivo cuando la temperatura sea menor que el set point, PV < SP. Donde: Set Point SP Variable de Proceso PV, Error E

6 TIPOS DE CONTROL Control On/Off Tomemos por ejemplo, el caso de un horno eléctrico. La temperatura aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante un contactor, gobernado a su vez por un relé dentro del controlador. El modo de control ON/OFF es lo más elemental y consiste en activar el mando de calentamiento cuando la temperatura está por debajo de la temperatura deseada SP y luego desactivarlo cuando la temperatura esté por arriba. Inevitablemente debido a la inercia térmica del horno la temperatura estará continuamente fluctuando alrededor del SP. La inercia térmica es consecuencia del retardo en la propagación del calor en el interior del horno desde la resistencia calentadora hasta el sensor de temperatura. No es difícil imaginar que las fluctuaciones aumentarán cuanto mayor sea la inercia térmica del horno (retardo). Evidentemente este algoritmo de control no es el más adecuado cuando se desea una temperatura constante y uniforme Pero sí ofrece la ventaja de provocar poco desgaste en los contactares electromecánicos, pues estos se activan y desactivan lo mínimo necesario. Incluso para reducir aún más el desgaste a veces se efectúa un control ON/OFF con histéresis, es decir que el mando de calentamiento se activa unos pocos grados por arriba del SP y se desactiva unos grados por abajo del SP, provocando por supuesto una mayor fluctuación de la temperatura pero menor funcionamiento de los contactores. El control ON/OFF con histéresis se usa generalmente en cámaras frigoríficas donde la temperatura debe estar dentro de un rango y se desea activar y desactivar lo menos posible los motores del sistema de refrigeración.

7 Control proporcional. Para poder controlar la temperatura con menos fluctuaciones, se debe poder entregar al horno una potencia gradual, en la medida requerida para mantenerlo a la temperatura deseada. En el ejemplo anterior del control ON/OFF, el relé del mando de calentamiento estará activado 100%, entregando el máximo de potencia al horno o bien desactivado sin entregar potencia. El controlador proporcional entrega una potencia que varía en forma gradual entre 0 y 100% según se requiera y en forma proporcional al error (SP-PV). Lo más natural para entregar una potencia que varia de 0% a 100% en forma continua seria usar un horno a petróleo o gas y que el control module la potencia mediante la llave de paso del combustible. La llave cerrada seria 0% de potencia y la llave totalmente abierta seria 100%. Control Proporcional Derivativo PD Un control PD es uno proporcional al que se le agrega la capacidad de considerar también la velocidad de la temperatura en el tiempo. De esta forma se puede "adelantar" la acción de control del mando de salida para obtener así una temperatura más estable. Si la temperatura esta por debajo del SP, pero subiendo muy rápidamente y se va a pasar de largo el SP, entonces el control se adelanta y disminuye la potencia de los calefactores. Al revés si la temperatura es mayor que el SP, la salida debería ser 0% pero si el control estima que la temperatura baja muy rápido y se va pasar para abajo del SP, entonces le coloca algo de potencia a la salida para ir frenando el descenso brusco.

8 Control Proporcional Integral PI La forma efectiva de solucionar el problema del error estacionario es agregando al control proporcional el termino "Integral" llamado también a veces "automatic reset" o "reset action", nosotros lo llamaremos "acción integral". El control será el mismo proporcional, pero a la salida se le suma la acción integral, que la corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el tiempo que este ha permanecido. Para ello se le programa al control una constante I, que es formalmente "la cantidad de veces que aumenta la acción proporcional por segundo". La salida se corrige en una cantidad equivalente a la integral del error. El control Proporcional, Integrativo, Derivativo PID. Acción de PID que combina con la acción proporcional, la acción integral, la acción derivativa es ideal para aplicaciones sensibles de temperatura. La acción proporcional salida se desactiva en proporcional a la desviación de la temperatura actual versus la temperatura prefijada. la acción de la derivación acorta el tiempo que toma la temperatura para estabilizarse y acercarse al valor prefijado. la acción integral elimina cualquier desplazamiento fuera del valor de la temperatura prefijado.

9 CONCLUCIONES : Cuando el proceso debe de usar el modo de control ON/OFF o PID..? Aplicación Fuente de Calor Modo de control Elemento final de control Accesorios Hornos de Pan Quemador ON/OFF Calderos Quemador ON/OFF Secaderos Quemador ON/OFF Contactor de la potencia suficiente para la activación del motor del quemador Contactor de la potencia suficiente para la activación del motor del quemador Contactor de la potencia suficiente para la activación del motor del quemador J J J R / S Hornos de Válvula solenoide para la activación del Quemador ON/OFF Cerámica pase de gas o petróleo a el quemador Autoclaves de Rele de estado sólido o contactor para uso Resistencia PID farmacéutico Incubadoras Resistencia PID Estufas de uso farmacéutico Autoclaves de uso Industrial Selladoras de Bolsas o empaques Resistencia Quemador Resistencia PID ON/OFF PID Esterilizadoras Resistencia PID gobernar a las resistencias calefactoras Rele de estado sólido monofásico o trifásico para gobernar a las resistencias calefactoras Rele de estado sólido monofásico o trifásico para gobernar a las resistencias calefactoras Contactor de la potencia suficiente para la activación del motor del quemador Rele de estado sólido monofásico o contactor para gobernar a las resistencias calefactoras Rele de estado sólido monofásico, trifásico o contactor para gobernar a las resistencias calefactoras J / K / Pt100 J / K / Pt100 J / K / Pt100 J / K J / Pt100 J / Pt100