OMICRON INGENIERÍA LIMITADA CONTROL DE TEMPERATURA DELTA-TEMP Vers 3.3 Manual de referencia para el usuario
1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA: El control de temperatura de la serie DELTA (δ-temp) es ideal para controlar procesos, hasta 150ºC, con alta precisión, confiabilidad y seguridad. El sensor de temperatura, incluido, es construido con un termistor NTC, el cual posibilita una precisión de una décima de grado (0.1ºC), alta repetitividad y bajo costo comparado con sistemas igualmente precisos basados en una RTD como la PT100. Los controles δ-temp son fáciles de programar y pueden registrar los eventos en que se presentan las temperaturas fuera de rango a través de alarmas visuales y auditivas. 1.1. Las aplicaciones principales para estos equipos son: Equipos de uso clínico: Como baños maría, Incubadoras, hornos de cultivo, calentadores de suero, equipos de desinfección, etc. Incubadoras de huevos para aves como codornices, gallinas, etc y reptiles. Control de Saunas y Turcos. Procesos de calentamiento que requieran alta precisión a temperaturas inferiores a 150 C. 1.2. Características técnicas principales: Sistema digital, microcontrolado, con algoritmo de control PID incorporado. Indicación de temperatura en Display de 4 dígitos. Parámetros de indicación de temperatura: Parámetro Equipo de Rango Normal Equipo Rango Extendido Rango de Temperatura 10 a 105 C 10 a 150 C Resolución 0.1 C en toda la escala 0.1 C T >60 C. 0.5 C T< 60 C. Error Máximo de Lectura 0.5 C en toda la escala 1 C en toda la escala Indicación de temperatura en C o F Sensor de temperatura incluido, longitud de cable desde 0,5 hasta 10 metros. Alarmas visual y sonora interna por temperatura fuera de rango. Tres salidas de control: Salida 1: Salida de control de calentamiento PID, seleccionable entre: - Relé 1: de 5A/110VAC para usar directamente o a través de SSR entrada AC. - Salida para SSR (0 a 5 VDC). Relé 2: Una salida auxiliar tipo relé 2A/110 VAC temporizada para activar un motor de agitación o para volteo automático. Relé 3: Una salida auxiliar tipo relé 2A/110 VAC para alarma remota. Atención. Si se utiliza el Rele 3 en conjunto con el Rele1 ó el Rele2 debe tenerse en cuenta que hay una la señal de voltaje AC común en el pin 10. Alimentación eléctrica: 115 VAC ó 230 VAC.
Extremadamente fácil programación para el usuario final (solo acceso al Set Point). Parámetros de control programables por el fabricante, protegidos por clave de acceso. Ambiente de trabajo: Equipo: 10 ºC < TA < 60ºC / H.R. < 80% no condensable. Sensor: -40ºC < Tw < 120ºC. Advertencia : Los componentes electrónicos de este dispositivo no están diseñados para trabajar directamente dentro del sistema a controlar ya que esto puede exceder los rangos de temperatura y humedad ambiente permitidos. 2. OPERACIÓN: El control de temperatura de las serie δ TEMP es un sistema PID (Proporcional Integral Derivativo). Esta teoría de control la puede consultar en el Anexo 1. 2.1 Operación en equipos de laboratorio y hospitalarios: El control δ TEMP esta diseñado para procesos que requieran alta precisión como los equipos de uso hospitalario, como por ejemplo baños María, hornos de cultivo, etc. Se pueden utilizar sus tres salidas: - La salida para activar la resistencia de calefacción. - La salida temporizada se puede utilizar para activar un motor de agitación de agua o un ventilador para homogenizar el aire en la cámara interior de un horno. - La tercer salida para una indicación visual o sonora de alarma. - Los parámetros de control PID vienen optimizados para operar con este tipo de equipos por lo que no requiere de grandes ajustes. 2.2 Operación en incubadoras de huevos: Las incubadoras de huevos son un proceso que requiere alta precisión, los controles δ TEMP han sido utilizados para este tipo de equipos permitiendo a los productores obtener tasas de nacimientos de hasta el 85% comparadas con las tasas obtenidas con termóstatos que solo alcanzan un máximo del 65%, esto es debido a la gran estabilidad que se logra en la temperatura con los controles δ TEMP. Se pueden utilizar las tres salidas: - La salida para activar resistencia de calentamiento. - La salida 2 temporizada para activar el ciclo de volteo. - La salida 3 para una indicación visual o sonora de alarma. - Los parámetros de control PID vienen optimizados para operara con este tipo de equipos por lo que no requiere de grandes ajustes. El volteo automático: La salida 2 temporizada se puede aprovechar para conectar el motor de volteo para las bandejas de los huevos, para ello siga las siguientes recomendaciones:
- Utilice el botón disminuir ( ) para realizar un volteo manual. - Los dos primeros días de incubación deje las bandejas de la incubadora niveladas y apague el volteo, bien sea a través de un suiche externo que desconecte el motor de volteo o coloque el parámetro t.on = 0. - Después del tercer día de incubación active el volteo y con la activación manual (botón ) lleve las bandejas al extremo superior o inferior y calcule el tiempo requerido para realizar medio giro, guarde este parámetro en t.on. - La incubadora comenzará a realizar automáticamente un volteo de medio giro a las bandejas de acuerdo a los valores programados en los parámetros t.on y t.off. 3. PROGRAMACIÓN: El usuario final solo tiene acceso a programar la temperatura deseada, pero el fabricante que utilice los controles en sus productos, puede programar los diferentes parámetros de control, al introducir la siguiente clave de acceso (0221), la cual le pedirá el sistema cuando lo enciende dejando presionada la tecla aumentar ( ). En la siguiente tabla se ilustran los parámetros de programación. PARÁMETRO SIGNIFICADO RANGO Td Temperatura deseada programada por el usuario o [10ºC a SPL] Set point. SPL Set Point Limite: Permite limitar el máximo Set Point [25 a 100ºC] Programable por el usuario final. Ad1 Diferencial de Temperatura: Permite Ajustar la lectura de temperatura introduciendo el valor que [-12 a +12ºC] se requiere para que la temperatura sea igual a la de otro instrumento patrón. SON Habilitación de alarma sonora interna. 0: Alarma apagada 1: Alarma activada AL.b Diferencial de Alarma Baja: permite fijar un valor diferencial con respecto al set-point para generar alarmas por baja temperatura. Si no quiere generar esta alarma fije un valor diferencial grande de modo que el sistema nunca alcance el valor de temperatura calculado como T = Td-Al.b. [-0.1 a -Td C] Ejemplo: para fijar alarma baja un grado por debajo del Set.point, fije el valor AL.b=-1.0 C. Diferencial de Alarma Alta: permite fijar un [+0.1 a +50.0 C] AL.A SIL Pro* valordiferencial que se le suma al set-point, (Td+AL.A), para generarar alarmas por alta temperatura. Si no quiere generar esta alarma fije un valor diferencial grande de modo que el sistema nunca alcance el valor de temperatura calculado como T = Td+Al.A Tiempo de retardo y silenciamiento de la alarma Sonora. Acción Proporcional: Permite fijar la Banda Proporcional Bp. Si Pro=0, Se tiene un control tipo ON/OFF Ejemplo: para fijar alarma alta un grado por encima del set point, fije AL.A=+1.0 C; [0 a 240] min [0 a 50%] Int* Acción Integral. (Factor dividido por 1000) [0 a 50] /1000 s der* Acción Derivativa. (Factor dividido por 10) [0 a 50]/10 s Tc* Tiempo de ciclo [ 0 a 60] seg
Pot* Potencia Máxima del equipo en fase de control PID. [10 a 100] % t.on Tiempo de activación de la Salida 2 temporizada 0: Salida 2 apagada [1 segundo a 300 minutos] t.off Tiempo de apagado de la Salida 2 temporizada [1 segundo a 300 minutos] OUt GrA Tipo de salida para activar resistencia de calentamiento. Para seleccionar visualización entre Grados Celsius y Fahrenheit. Por defecto el control realiza cálculos internos en Celcius, Farenheit solo es para visualizar. * Se recomienda leer el Anexo 1 para entender el funcionamiento de estos parámetros. 0: Salida en Relé 1 1: Salida en SSR para activar relé de estado sólido. 0: Celsius 1: Fahrenheit Recomendaciones generales de utilización: - Si no se quiere utilizar la alarma sonora y visual es mejor que sea desactivada colocando el parámetro SON = 0. - Si no se requiere utilizar la Salida del 2 temporizada colocar el valor t.on=0. Fijación del sensor de temperatura: Es crítico fijar bien la posición del sensor de temperatura ya que de ello depende la estabilidad de la temperatura y su homogeneidad en todos los puntos del equipo en control. Se recomienda lo siguiente: - En un horno o incubadora el sensor debe medir la temperatura del aire en un punto medio de la cámara, evite que el sensor toque las paredes y no lo coloque directamente en la salida del ventilador o la resistencia ya que allí se pueden generar grandes diferencias de temperatura con respecto al resto de la cámara. - En un Baño María o en una aplicación donde el sensor sea sumergido es preferible utilizar un termopozo que proteja el sensor, la agitación del agua por medio de una espoleta es recomendable para mantener la temperatura homogénea.
4. CONEXIONES E INSTALACIÓN: La siguiente gráfica ilustra las conexiones de acuerdo a los conectores presentes en la parte posterior del control δ-temp. CONEXIÓN 1: Utilizando directamente salida de Relé 1 SSR 0...5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rele 3 Rele 2 Rele 1 Sensor NTC M común Entrada AC Nota 1: Los puntos indican donde hay conexión. Nota 2: Este tipo de conexión es recomendada para cargas de baja potencia con tiempos de ciclo (Tc) largos ya que la conmutación genera carbonización que va aislando el relé 1. Nota 3: Utilizar parámetro OUt = 0. Resistencia Luz Piloto
CONEXIÓN 2: Utilizando SSR de entrada 90 280 VAC SSR 0...5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rele 3 Rele 2 Rele 1 Sensor NTC M común Entrada AC Nota 1: Los puntos indican donde hay conexión. Nota 2: Utilizar parámetro OUt = 0. Input: 90-280 VAC Relé Estado Sólido (SSR) Output: 32-380 VAC / 40A Resistencia Luz Piloto
CONEXIÓN 3: Utilizando SSR de entrada 4..32VDC SSR 0...5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rele 3 Rele 2 Rele 1 común Sensor NTC M Entrada AC Input: 4.. 32 VDC Relé Estado Sólido (SSR) Output: 32-380 VAC / 40A Nota 1: Los puntos indican donde hay conexión. Nota 2: Utilizar parámetro OUt = 1. Resistencia Luz Piloto
5. DIMENSIONES PARA INSTALACIÓN: 37 mm 76 mm 78 mm El equipo puede empotrarse en lámina calibre 16 ó 18 (Máximo 1,5 mm) perforando un agujero de 72 x 32 mm 32 mm 72 mm
ANEXO 1: CONTROL PROPORCIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVO (PID) 1. Definición de conceptos: En este tipo de controles, intervienen conceptos que es necesario definir para poder comprender su funcionamiento propiamente dicho. Variable de proceso (Pv) Es la variable medida que se desea estabilizar o controlar, es decir, la temperatura actual. Valor prefijado o Set point (Sp): Es el valor deseado de la temperatura, fijado por el usuario. Error (E): Se define como la diferencia entre la variable de proceso y el set point, Error = Sp-Pv. Tiempo de ciclo (Tc): Es un lapso de tiempo fijo, menor al tiempo de respuesta del equipo a controlar, al cual se debe modular la activación de la salida, con el fin de que dicho equipo reciba un promedio de potencia. Banda proporcional (Bp): Corresponde a una banda de temperatura situada por debajo de Td a lo largo de la cual, la potencia de salida variará proporcionalmente al Error, disminuyendo cuanto más cercana sea la temperatura al Sp. Esta se programa en el control como un porcentaje del Sp como la acción proporcional (Pro). Por si sola, la acción proporcional no logra llevar el sistema al valor del Sp generando un error estacionario. Acción o constante derivativa (der): Este parámetro tiene en cuenta la velocidad de la temperatura en el tiempo. Permite adelantar la acción de control del mando de salida para obtener así una temperatura más estable. Por ejemplo, si la variable de proceso Pv esta por debajo del Sp, pero sube muy rápidamente, entonces el control se adelanta y disminuye la potencia de los calefactores. Acción o constante Integral (Int): Proceso que consiste en ir introduciendo una pequeña cantidad de potencia a la salida, proporcional a la sumatoria del Error medido cada segundo, generando así el "ajuste" de la potencia necesaria para mantener el equipo o sistema a controlar en su temperatura deseada (Sp). Limite de la potencia Máxima en la salida (Pot): Este parámetro sirve para limitar la potencia máxima de salida en los calefactores en el rango de 10 a 100%. Este límite de potencia no se aplica en la fase de calentamiento, sino después de que el equipo a iniciado la acción de control PID (Esto sucede cuando el Error <75% de Bp). Con este parámetro se pueden evitar sobrepicos de temperatura como los generados por perturbaciones largas al sistema, tal como una puerta abierta en un horno por mucho tiempo y que luego es cerrada.
2. Calculo realizado para controlar la temperatura: El control Delta-Temp realiza un algoritmo de control PID de la temperatura, normalizado en el rango de [0 a 100%] expresado en la fórmula siguiente, para la potencia que debe suministrar a los elementos calentadores: Donde: Pot = [100%(Error Der/10*VEL + Int/1000 * Error)/Bp] Bp (Banda proporcional) = Sp* Prop /100% VEL = Tactual Tanterior Error: Es la sumatoria del error segundo a segundo. 3. Selección de parámetros: La clave del éxito en el funcionamiento de los controles de temperatura, en una determinada aplicación, es la selección apropiada de los parámetros Pro, Der, Int, Tc y Pot que deben ser introducidos por el fabricante de los equipos que integre el control a sus productos. (El usuario final no tiene acceso a estos parámetros). Para esto se deben tener en cuenta los siguientes comportamientos y consideraciones prácticas con el fin de llegar a la condición óptima. Comportamiento inestable: Se dice que un sistema y su controlador tienen un comportamiento inestable cuando después de un tiempo razonable de funcionamiento y sin ocurrir perturbaciones externas, la temperatura permanece fluctuando alrededor del Sp. Este es el caso de un control de tipo on/off o un sistema con la Bp muy pequeña. Comportamiento estable: Es aquel en el que la temperatura se mantiene en un valor constante mientras no ocurran perturbaciones externas. Dentro de las condiciones de estabilidad existen 3 tipos de comportamientos bien definidos: Sistema sobre amortiguado: Tiene una velocidad de respuesta lenta y después que ocurre una perturbación, el sistema puede tardar en volver al Sp. La ventaja es que es muy estable y no adquiere comportamientos oscilatorios indeseables. Esta condición ocurre cuando la banda proporcional Bp es más grande de lo necesario y cuando la constante derivativa der es muy grande, ya que la acción derivativa tiende a frenar la temperatura. Sistema sub amortiguado: Posee una velocidad de respuesta muy buena, pero pueden ocurrir varias oscilaciones de cierta amplitud antes que la temperatura llegue a un valor estable. Esta condición sucede cuando Bp y der son pequeñas y la constate de integración Int es grande. Sistema con amortiguamiento crítico: A esta condición corresponden los valores óptimos de los parámetros Bp, Der e Int. En este caso el sistema es bastante estable y la velocidad de respuesta es la mejor que se puede lograr.
Los diferentes comportamientos se ilustran en las gráficas que aparecen a continuación: PV Inestable PV Estable, Sub amortiguado PV Estable con amortiguamiento critico Estable, Con amortiguamiento critico PV Estable, sobre amortiguado Estable, Sobre amortiguado TIEMPO Tiem po 4. Consideraciones prácticas: Además, es importante tener presente algunas consideraciones como: Menor Banda Proporcional (Bp) hace más oscilatorio el sistema, ya que el control proporcional se comportará más parecido al On/Off, es decir tenderá a presentar oscilaciones alrededor de la temperatura deseada Td. A mayor Tc, menos desgaste de los elementos de salida y de calefacción, pero siempre tiene que ser inferior al tiempo en que el sistema pierde calor llamado tiempo característico del sistema. La práctica recomendada es usar un tiempo de ciclo igual a la mitad del tiempo característico del sistema. Normalmente Int deberá ser grande solo en sistemas que reaccionan rápidamente y pequeño para sistemas lentos con mucha inercia (por ejemplo hornos e incubadoras).