Los controladores de temperatura son instrumentos utilizados para controlar equipos de calefacción. Se utilizan en entornos industriales y domésticos para mantener una temperatura establecida a lo largo del tiempo con fluctuaciones mínimas. En este artículo, hablaremos sobre los controladores de temperatura PID, cómo funcionan y cómo usarlos.
¿Qué es un controlador de temperatura PID y cómo funciona?
Hablemos de los controladores de temperatura en general antes de hablar de los controladores PID. Los controladores de temperatura son dispositivos que pueden controlar elementos/bobinas de calefacción para proporcionar la temperatura necesaria para un proceso. Estos pueden ser dispositivos electrónicos o electromecánicos como termostatos. Su funcionalidad básica es encender el elemento calefactor cuando la temperatura está por debajo de un mínimo y apagarlos cuando se alcanza la temperatura deseada.
Hay tres tipos principales de controladores de temperatura; lazo on-off, proporcional y PID controladores de tipo. El tipo PID es el tipo de controlador de temperatura más avanzado de ellos. Es el controlador más preciso y de respuesta más rápida.
El acrónimo 'PID' significa control 'Proporcional-Integral-Derivativo', que es un método de control de bucle cerrado muy popular y eficaz que se utiliza en entornos que cambian rápidamente. Pertenece a la 'óptimo' categoría de teoría de control que describe el intento de lograr de manera óptima una determinada variable de proceso.
En el caso de los controladores de temperatura PID, la variable óptima es la temperatura del proceso. El dispositivo debe trabajar para alcanzar la temperatura establecida lo más rápido posible de la manera más precisa sin sobreimpulso, retraso o perturbación. Para monitorear el valor del proceso/temperatura actual, los controladores de temperatura PID usan uno o más termopares/RTD o alguna otra forma de medición de temperatura. Usando este valor como entrada contra el punto de referencia, el controlador luego ajusta la potencia suministrada al actuador (calentador) para aumentar la temperatura. Si la temperatura actual es más alta que el punto de ajuste, corta la energía al calentador. La diferencia entre el valor del proceso y el punto de ajuste se llama error. El controlador intenta mantener el error cerca de cero todo el tiempo.
Sin embargo, la idea detrás de la implementación de PID es nunca exceder el punto de ajuste de temperatura mientras se alcanza la temperatura establecida lo más rápido posible. Para esto, los controladores de temperatura PID adoptan tres enfoques diferentes pero conectados:
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- Proporcional: cuando el valor del proceso (lectura de temperatura actual) es inferior al punto de ajuste, la salida aumenta proporcionalmente al error. Un error más grande significa que se suministra más potencia al calentador para que se caliente rápidamente. Un error más pequeño hace que el controlador reduzca la potencia.
- Lleno: La parte integral del controlador trata de aumentar la potencia de salida al calentador para reducir el tiempo necesario para alcanzar el punto de ajuste. Si la potencia no es suficiente para reducir el error, el controlador integral intenta aumentar la potencia al calentador.
- Derivado: El control derivativo está influenciado por el tiempo transcurrido. A medida que pasa el tiempo y se reduce el error de temperatura, la potencia de salida también disminuye para evitar el exceso.
Estos tres controladores finalmente controlan la energía al calentador para obtener una respuesta como se muestra en la figura a continuación. los pólipo punto marcado en el eje x es la temperatura deseada.
Circuito controlador de temperatura PID
Los controladores de temperatura PID están disponibles en muchas configuraciones. Por lo general, el controlador solo lee la temperatura del proceso a través de un sensor y controla un dispositivo de control de energía externo como un SSR para controlar la energía aplicada al calentador. La imagen a continuación muestra un kit de este tipo que tiene el controlador de temperatura PID, un SSR (relé de estado sólido), el disipador de calor y el sensor de temperatura.
Para cablear este sistema se puede seguir el siguiente esquema. Los cables del termopar no deben intercambiarse ya que interfieren con la capacidad del controlador para leer la temperatura del proceso. Una lectura de temperatura no válida puede hacer que el controlador de temperatura PID no funcione correctamente.
Algunos controladores tienen funciones de detección de errores, como detección de termopar abierto para mayor seguridad. Dichos controladores pueden dejar de funcionar y desconectar la alimentación del calentador si detectan que el termopar está desconectado.
Según los cálculos internos realizados por el controlador, controla el relé de estado sólido (SSR) para controlar la potencia promedio aplicada al elemento calefactor. Esto se hace encendiendo y apagando momentáneamente el dispositivo de control de energía. Cuando se ajusta correctamente, el sistema puede alcanzar la temperatura deseada y mantener las condiciones incluso bajo perturbaciones externas.
¿Cuáles son los diferentes tipos de dispositivos de control de temperatura?
Como discutimos anteriormente, los controladores de temperatura PID son los controladores de temperatura industriales más precisos y de respuesta más rápida. Hay dos tipos más de dispositivos de control de temperatura que son menos precisos pero útiles en ciertas aplicaciones.
Controladores de temperatura de encendido/apagado
Esta es la forma más simple de controladores de temperatura. El controlador de temperatura on-off tiene dos parámetros, el punto fijo y del diferencial. El setpoint es la temperatura deseada que debe tener el sistema. El diferencial (también conocido como histéresis) son los dos extremos que definen los límites cuando el controlador de temperatura debe encenderse y apagarse. El mínimo definido a qué temperatura debe encenderse el calentador y viceversa.
Los controladores de temperatura de encendido/apagado suelen ser los más fáciles de cablear. Necesitan tres conexiones externas para funcionar:
- Fuente de alimentación – Suministra energía al controlador de temperatura.
- Sensor – Un sensor de temperatura como un RTD o un termopar para obtener la temperatura actual del sistema.
- Solenoide – Puede ser un relé o un SSR que controla a. calentador de alta potencia, o una conexión directa del calentador si el dispositivo tiene un relé incorporado
- Entrada del usuario – Los controladores de temperatura modernos tienen pantallas digitales con entradas de botón para configurar los parámetros. Algunos dispositivos tienen potenciómetros giratorios para establecer manualmente los límites.
Los controladores de temperatura de tipo encendido/apagado se utilizan en sistemas donde los cambios de temperatura son muy lentos y no se necesita un control preciso.
Controladores de temperatura proporcionales
Los controladores de temperatura proporcionales son una versión simplificada de los controladores de temperatura PID. A diferencia de los controladores de tipo encendido/apagado que se activan cuando la temperatura cae por debajo o sube por encima de los umbrales, los controladores proporcionales impulsan la salida casi siempre para mantener la temperatura.
Este tipo de controladores regulan la temperatura variando la potencia suministrada al calentador. Esto implica un control de estado sólido como SSR para ajustar la potencia de salida. El rango de temperatura en el que trabaja el dispositivo se llama 'banda proporcional'. Similar al tipo encendido/apagado, estos también tienen límites superior e inferior.
Al iniciarse, los controladores de temperatura proporcionales se comportan de manera similar al tipo de encendido/apagado. Para llevar la temperatura del sistema a la banda proporcional, el controlador operó el calentador al 100% de potencia. Una vez que la temperatura supera el umbral mínimo de la banda proporcional, la potencia se reduce para mantener la temperatura dentro de la región requerida.
En el diagrama que se muestra a continuación, el gráfico marrón es un controlador proporcional puro. Podemos observar como la temperatura varía constantemente dentro de una estrecha región entre 10 a 18 Celcius.
Ventajas y desventajas del controlador de temperatura PID
Los controladores de temperatura PID son muy útiles en sistemas dinámicos. Son ampliamente utilizados en aplicaciones donde la temperatura fluctúa con frecuencia. Los controladores de temperatura PID pueden mantener las temperaturas preestablecidas independientemente de las condiciones cambiantes del sistema.
Como cualquier otro controlador industrial, existen ventajas y desventajas asociadas con los controladores de temperatura PID.
Ventajas del controlador de temperatura PID
Estas son algunas de las ventajas de usar un controlador de temperatura PID:
- Fácil instalación e implementación
- Los controladores de temperatura PID son dispositivos integrados que solo necesitan unos pocos componentes externos para funcionar
- Mayor estabilidad del sistema.
- Los controladores PID pueden compensar rápidamente las perturbaciones externas del sistema. Esto es muy importante en aplicaciones sensibles a la temperatura.
- Reduce el error de estado estable
- Los controladores normales de tipo encendido-apagado a menudo tienen un gran sobreimpulso. Esto significa que la temperatura del sistema casi siempre puede ser más alta que el valor deseado, incluso si es por una fracción de tiempo. El controlador PID ajustado correctamente puede eliminar este problema al alcanzar la temperatura establecida sin sobrepasarse.
- Respuesta mas rapida
- Los controladores PID alcanzan el punto de ajuste más rápido que cualquier otro controlador en la mayoría de los casos. Esto es muy útil en sistemas altamente dinámicos para alcanzar y mantener la temperatura requerida.
Desventajas del controlador de temperatura PID
Los controladores PID también tienen algunas desventajas inherentes que pueden ser problemáticas en algunas situaciones. Por ejemplo,
- Dificultades en la afinación inicial
- La mayoría de los controladores PID requieren el ajuste manual de las constantes proporcional, derivada e integral del lazo de control. Esto puede ser engorroso al principio ya que puede llevar mucho tiempo ya que no se conocen los parámetros. Para sintonizar un controlador PID, puede seguir los pasos que se muestran en así vídeo.
- Controladores de temperatura PID
- Los controladores PID son, en general, lineales. Esto significa que funcionan mejor en sistemas lineales (predecibles). Si el sistema no es lineal, el rendimiento puede variar.
El control PID es un sistema de control de retroalimentación que se basa en el error entre el punto de ajuste y el valor del proceso. Cuando ocurre una perturbación externa que aumenta el error, el controlador PID interviene e intenta llevar el error a cero. Esto funciona bien para perturbaciones en magnitudes más altas. Sin embargo, para pequeños cambios en un sistema, el lazo PID puede tardar más en compensarse y esto puede ser menos deseable en algunos casos.
¿Cómo se configura el PID para el control de temperatura?
Hay dos tipos de sintonización PID, sintonización automática y manual. El ajuste automático sigue un algoritmo para determinar automáticamente las constantes proporcionales, integrales y derivadas del controlador. El proceso manual necesita prueba y error para ajustar correctamente el controlador. Los controladores automáticos pueden facilitar este proceso al reducir los valores de las constantes particulares.
Para averiguar cómo configurar las constantes P, I y D de un controlador en particular, consulte primero su manual de usuario. Además, al realizar cualquier modificación, asegúrese de que los ajustes no causen efectos graves en el sistema. Idealmente, necesitará un entorno controlado para llevar a cabo el proceso de ajuste.
La sintonización PID generalmente comienza con la determinación de la ganancia proporcional mientras se dejan constantes los otros dos valores. Establezca la constante proporcional en un valor en el que el sistema comience a oscilar alrededor del punto de referencia. Puede aumentar el valor P actual en un factor de dos y, si causa demasiada oscilación, reducirlo en un 50 % de la cantidad aumentada.
Después de alcanzar una oscilación bastante estable, el término integral se puede ajustar de la misma manera. Cuando sintonice la constante integral, ajústela para que el sistema alcance el punto de referencia en el menor tiempo posible. Al ajustar la constante integral, puede haber sobreimpulsos y oscilaciones.
Finalmente, ajuste la constante derivada para minimizar las oscilaciones bajo perturbaciones externas.
Si está utilizando un controlador PID más avanzado como el Controladores PID de la serie Omega Platinum, el fabricante puede ofrecer un software especializado para ajustar el sistema de una manera más precisa. También puede haber funciones adicionales, como salidas de enganche, alarmas y algoritmos de ajuste automático inteligente.
Aplicaciones de los controladores de temperatura PID
Los controladores de temperatura PID generalmente se usan en aplicaciones donde se necesita un tiempo de respuesta más rápido y una mayor precisión.
Una de tales aplicaciones es la industria de fabricación de neumáticos. Al preparar la materia prima y mezclar los compuestos, la temperatura de la mezcla de caucho debe mantenerse en un margen muy fino para garantizar que el material se trate correctamente.
En las industrias de procesamiento de alimentos y bebidas, como la pasteurización de la leche, las temperaturas deben ser muy precisas para evitar el crecimiento de bacterias y la pérdida de nutrientes importantes. Los controladores de temperatura PID se utilizan para mantener la temperatura en la leche durante el proceso de pasteurización.
Otra aplicación de los controladores PID es el sector sanitario. Máquinas como equipos de prueba, refrigeradores médicos, incubadoras y cámaras de cultivo deben mantener la temperatura dentro de márgenes muy ajustados. Los controladores de temperatura PID casi siempre encuentran aplicaciones en estos sistemas.
¿Cómo elegir un controlador de temperatura PID?
Al comprar un controlador de temperatura PID, busque las siguientes especificaciones clave:
- Tipo de entrada
- El controlador de temperatura necesita un sensor adecuado para obtener el valor del proceso. Esto se hace a través de un sensor de temperatura. Puede ser un termopar (tipo K, J, T o cualquier otro), un RTD o incluso un sensor de temperatura digital en algunos casos. Seleccione uno que esté especializado para ser utilizado en la aplicación en particular.
- Rango de temperatura
- Es importante conocer el rango de temperatura en el que funcionará el sistema. Tenga en cuenta cualquier extremo que pueda sufrir el sistema durante el funcionamiento.
- Tipo de salida
- El tipo de salida puede ser electromecánico (relé). SSR o una salida digital.
- Acción de control
- Esto puede ser un simple control de encendido/apagado, relativo o PID.
- Características adicionales
- Verifique si el dispositivo admite sintonización avanzada y cualquier característica adicional, como salidas de alarma, perfiles programables y soporte para integración con sistemas SCADA si la aplicación lo requiere.
Conclusión
Los controladores de temperatura PID se utilizan en muchos sistemas de automatización para controlar y mantener las temperaturas con precisión. Existen alternativas a los controladores PID que se pueden usar en aplicaciones de control de temperatura donde no se requiere tal precisión y velocidad.
