A comprehensive Guide to PID temperature controllers and SSRs (en inglés)

1. introducción

 Para alcanzar tal nivel de control se utilizan sistemas sofisticados.Controladores de temperatura PIDEmparecon relés de estado sólido están entre las soluciones más populares y eficaces. Este artículo da una descripción detallada de los controladores PID que están integrados con SSRs. Este artículo comienza con la definición de los componentes principales y la explicación de sus distintas funciones, así como los beneficios de combinarlos. Entender esta tecnología es importante para lograr un control preciso de la temperatura. Este esquema guiará al lector a las siguientes secciones. Les ayudará a entender los beneficios, las ventajas y las aplicaciones de los controladores PID combinados con SSRs.

2. Comprensión de los controladores PID

A. A. Basics of PID control (en inglés)

Los controles PID se basan en el cálculo del valor de error, que es la diferencia entre las temperaturas de ajuste desey las mediciones de temperatura reales. El valor de error es procesado por tres acciones de control diferentes que cada una contribuye a la señal de salida final.

Control (P) por proporción: un Control proporcional produce una salida directamente proporcional con el error. El control proporcional producirá un gran cambio de salida si la temperatura se ha desplazado significativamente desde el punto de ajuste. Un pequeño error resulta en ajustes más pequeños A la salida. El control proporcional puro puede reducir el error pero a menudo resulta en un error de estado estacion. Esto significa que el sistema no alcanza su punto de ajuste exacto, y puede oscilar.

Control Integral (I): este término se utiliza para corregir el error en el estado estaciondejado por el Control proporcional. El término integral calcula la suma en el tiempo de todos los errores y luego suma o resta en consecuencia de la salida. La acción integral aumentará o disminuirá la salida continuamente hasta que el error haya sido eliminado si el error continúa persisti. Puede ayudar a eliminar desplazamientos, pero también puede conducir a respuestas más lentas y en algunos casos inestabilidad u oscil.

Derivada de Control (D) : este término de derivada se centra en la velocidad a la que cambia el error. El término derivado predice errores en el futuro basado en tendencias actuales y produce una salida que se opone a esa tasa de cambio. El término derivado amortigua el rebasamiento de la temperatura si se desvía rápidamente del punto de ajuste. Esto aumenta la estabilidad y la velocidad de respuesta, pero es susceptible al ruido. También puede ser inestable si se implementa incorrectamente.

Ecuación PID con Variables

La ecuación PID estándar puede expresar la relación entre los términos (i) y (u), la salida de control, matemáticamente.

U (t) = Kp * e(t) + Ki * e(t)dt + Kd * de(t)/dt

Donde:

U (t) representa la señal de control de salida en ese momento.

E (t), calculado dividiendo la Variable de proceso medida (PV) con el punto de ajuste deseado (SP), es un error que ocurre en el momento t.

Kp es la ganancia proporcional, Ki y Kd respectivamente. Son parámetros sintonizados que son determinados por el proceso a ser controlado. Estos parámetros de ajuste son esenciales para un rendimiento óptimo.

Es el error integral del tiempo.

De (t)/dt es la derivada del error en relación con el tiempo.

B. B. aplicaciones de los controladores PID

Los controladores PID son ampliamente utilizados en muchos campos debido a su versatiy eficacia. Aplicaciones comunes incluyen

Procesos industriales: Control de temperaturas de reactores químicos, Control de calder, proceso de secado y extru, Control de temperatura de materiales, etc.

Equipos de laboratorio: regulación de temperatura de los hornos, control de las incubadoras, calibry estabilidad de las cámaras ambientales.

Aire acondicionado y refrigeración: mantenimiento de temperaturas exactas en centros de datos, instalaciones de almacenamiento de alimentos y productos farmacéuticos.

Automoción: sistemas de control del motor, sistemas de freno antibloqueo (ABS), climati.

Electrodomésticos: acondicionadores de aire (temperatura del agua), lavadoras, frigoríficos y otros electrodomésticos.

C. beneficios de usar controladores PID

3. Los controladores de temperatura PID tienen varias ventajas.

Precisión y precisión: el sistema PID se puede utilizar para lograr bandas de control de temperatura ajustadas. Esto minimiza las desviaciones del valor de consigna.

Los controladores PID de estabilidad ajustados correctamente pueden mantener un rendimiento estable incluso cuando operan bajo diferentes condiciones de carga.

Flexibilidad: un sistema &#La flexibilidad de 39;s se puede ajustar para satisfacer los requisitos o dinámicas cambiantes del proceso.

Automatización después de configurar los controladores PID automatizan automáticamente el control de temperatura, con una mínima intervención de los humanos.

Respuesta rápida: estos dispositivos pueden reaccionar rápidamente a las variaciones de temperatura, y devolver la temperatura a su punto de ajuste.

III. Solid State Relays: Introduction (en inglés)

Los controladores PID toman decisiones inteligentes, pero requieren un actuador confiable que pueda ejecutar esas decisiones. Esto incluye encender y apagar sistemas de calefacción o refrigeración. Los relés de estado sólido son la solución ideal para el control de temperatura moderno. Es importante entender cómo funcionan los SSR y sus beneficios sobre los relés tradicionales con el fin de apreciar su sinergia con los controladores PID.

A. A. definición y función

Los SSR son interruptores electrónicos que se encienden o apagusando dispositivos semiconductores. Por lo general no tienen partes móviles mecánicas. Los SSR son completamente electrónicos, a diferencia de los relés mecánicos más antiguos que utilizan bobelectropara abrir y cerrar contactos. Los SSR se utilizan para controlar cargas eléctricas como motores o elementos calefactores utilizando una señal de baja potencia de un dispositivo externo.

B. análisis comparativo con relés mecánicos

Desde hace décadas, los relés mecánicos son el interruptor eléctrico más común. Los SSR tienen varios beneficios:

Una vida útil más larga: debido A que los SSR no tienen partes móviles que pueden desgastarse, son capaces de operar por un período de tiempo más largo que los relés mecánicos.

Velocidad de conmutación: los SSR son capaces de encender y apagar más rápidamente que los relés mecánicos.

Menos ruido: el SSR es silencioso, mientras que los relés mecánicos hacen ruidos de clic cuando cambian.

Al conmutar cargas inductivas con SSR, los arcos eléctricos producidos por los contactos mecánicos del relé No son destructivos o peligrosos.

Menos interferencia electromagnética (EMI): la conmutación electrónica genera típicamente menos EMI que rebode contacto mecánicos que se encuentran en los relés.

C. diferentes tipos de SSR

Hay diferentes tipos de SSR, que se pueden distinguir principalmente por la cantidad que manejan.

Los SSR de cc están diseñados para conmutar cargas de cc tales como diodos emisores de luz o motores.

Los SSRs de ca están diseñados para conmutar cargas de ca tales como bombillas estándar o elementos de calefacción. Los SSR AC se clasifican basándose en el comportamiento del interruptor de cruce cero.

SSR con cruce cero: cambie la carga cuando el ciclo de ca alcance el punto cero. Estos son más silenciosos, generan menos interferencia electromagnética (EMI), pero manejan corrientes de sobretensión a un nivel más bajo que los tipos de cruce no nulo.

SSR que no cruzan cero: cambia la carga durante el ciclo de ca. Estos SSR pueden manejar altas corrientes de sobretensión, pero también producen mucho ruido y podrían aumentar los peligros eléctricos.

También hay clasificaciones basadas en la tensión de entrada de control, por ejemplo, entradas de cc de baja tensión de 3-5V, o protección interna (como protección de sobretensión, protección de subtensión y protección de cortocircuito).

D. Uso de SSR para el Control de temperatura

Los SSR son una herramienta poderosa para controlar la temperatura cuando se usan en conjunto con controladores PID.

Control de precisión: los SSR son capaces de responder muy rápidamente a los cambios en las señales de Control del controlador PID, lo que permite ajustes más finos de la potencia suministrada a los calentadores o refriger.

Respuesta rápida: debido a su naturaleza electrónica, se pueden encender y apagar rápidamente. Esto contribuye a la velocidad a la que el bucle controla la temperatura.

Durabilidad: al eliminar los contactos mecánicos, el desgaste se reduce significativamente. Esto conduce a un sistema que se vuelve más duradero y fiable con el tiempo.

Funcionamiento silencioso: la ausencia de ruido mecánico permite que los SSR se utilicen en aplicaciones que requieren funcionamiento silencioso.

Compatible con PID: típicamente, los SSR aceptan señales de control DC de bajo voltade controladores PID estándar. Esto facilita la integración.

4. Combinación de SSRs y controladores PID para controlar la temperatura

La integración de PIDs y SSR proporciona una solución flexible y potente para el control de temperatura. La siguiente sección explora la forma en que estos componentes interactúan y las consideraciones clave de diseño.

A. SSRs enhance PID control

SSR es la última etapa del bucle de control. Convierte el PID controller's producción calculada en la energía real suministrada al elemento de refrigeración o calefacción. El controlador PID es el cerebro, determinando acciones correcbasadas en las diferencias entre puntos de ajuste y variables medidas. SSR es el "músculo" Que ejecuta esta acción, controlando con precisión el flujo de potencia. Esta sinergia proporciona un control de temperatura muy preciso y estable. SSR&#La rápida capacidad de conmutación 39;s asegura que los controladores PID se ajusten rápidamente. Esto resulta en un sistema de control más sensible.

B. B.

La integración de un PID con un SSR requiere varios pasos.

Elija un controlador PID que sea adecuado para su carga. (esto puede ser un módulo de hardware, o software en un microcontrolador). Además, elija un SSR con la calificación adecuada (tipo de elementos de calentamiento, calificaciones de potencia, volta, corriente y compatibilidad de las señales de control).

Conexión de Sensor: conecel Sensor de temperatura a la entrada del controlador PID para medir PV.

Conexión para la carga: conexión del elemento calentador o refrigera los terminales de salida de la SSR.

Control de señal: conectando el PID' salida de señal de 39;s (normalmente señales de DC de bajo voltacomo 0-10V o 4-20mA) a la entrada de control SSR. Verifique que el controlador PID controller&#El rango de salida 39;s coincide con las especificaciones de entrada SSR.

Fuente de alimentación: asegúrese de que todos los componentes estén correctamente alimentados por fuentes apropiadas (PIDs, SSR, sensores, cargas).

C. C. consideraciones para el diseño de sistemas

Al diseñar un sistema, es importante tener en cuenta varios factores.

Tipo de carga: los SSR deben cumplir los requisitos para elementos específicos de calentamiento (tales como resistivos, inductivos, etc.). El SSR debe ser adecuado para la carga específica del elemento calefactor (resistiva, inductiva, etc.).

Compatibilidad de las señales de Control: los tipos de entrada y salida (bucle de tensión o circuito de corriente) para la SSR deben ser compatibles.

SSR Heat Sinking: los SSR generan calor durante el funcionamiento. Es importante tener un disipador de calor que pueda soportar alta potencia, y un rendimiento fiable. Fabricación en la cual:#39;s specs determinará el tamaño y el tipo requerido.

Ajustar el bucle de Control: lograr controles estables y sensibles requiere ajustar las ganancias Kp, Kd y Ki de los controladores PID. Es importante hacerlo bien. Esto se puede hacer mediante el uso de métodos automatizados o algún ensayo y error.

Seguridad utilice medidas de seguridad adecuadas, como la prevención de sobretemperaturas (por ejemplo, un interruptor de alto límite conectado al PID o un desconecautomático).

D. Ejemplo de controladores de temperatura PID usando SSRs

Muchos módulos y sistemas comercialmente disponibles combinan controladores PID con SSRs. A menudo se empaquetan como sistemas completos para aplicaciones específicas.

Controladores de temperatura industriales: unidades diseñadas para soportar condiciones duras, con múltiples entradas y salidas (como Modbus) y grandes pantallas.

Controles de laboratorio: unidades pequeñas y compactas para el control de hornos, incubadoras y cámaras.

Módulos SSR: algunos fabricantes ofrecen módulos SSR que se pueden utilizar en conjunto con controladores PID para proporcionar flexibilidad para el diseño del sistema.

Los siguientes ejemplos demuestran cómo PID+SSR puede ser usado en una variedad de industrias, y en diferentes escalas.

5. Ejecución y funcionamiento

Para desplegar un PID con SSR con éxito, se requiere una cuidadosa calibry monitoreo. Esta sección es una guía sobre cómo poner el sistema en funcionamiento y mantenerlo.

A. instalar el sistema

La configuración inicial incluye conexiones físicas y configuración básica.

Montaje: instalar el sensor de temperatura y todos los componentes asociados, incluyendo controladores PID, SSR y sensores de temperatura, según el fabricante#39;s instrucciones.

Cable: conecel sensor de temperatura a los terminales de entrada del PID. Conecte el SSR&#Terminales de salida 39;s para la carga SSR (componente de calefacción/refrigeración). Conecla la salida del controlador PID a la entrada de control SSR. Todo el cabledebe ser seguro y polaricorrectamente.

Conexiones de alimentación: conecte la fuente de alimentación para controladores PID, SSR, sensores y cargas. Comprobar tensiones, polaridad y conexiones.

Configuración inicial accede al menú ajustes del controlador PID a través del teclado o del ordenador conectado al sistema. Se pueden configurar los parámetros básicos:

Control de temperatura: seleccione temperatura.

Unidades: elija la unidad de temperatura (por ejemplo, Celsius o Fahrenheit).

Tipo de Sensor: seleccione el Sensor de temperatura adecuado (por ejemplo, termopar tipo K o PT100 RTD).

Introduzca la temperatura deseada:

Rango de entrada: seleccione el rango a utilizar para los sensores de temperatura.

Rango de señales de salida: seleccione el rango y el tipo (por ejemplo, 0-10V) para su señal de salida.

B. B.

Para asegurar que el sistema está funcionando correctamente y eficientemente, la calibración y el ajuste son pasos esenciales.

Calibración: esto asegura que el sensor de temperatura dé lecturas precisas para el controlador PID. Consiste en calibrar el controlador PID mediante la comparación de la salida del sensor con una fuente de temperatura que se sabe que es precisa y luego ajustar los parámetros de calibrdel sensor. Por favor siga el fabricante#39;s para el sensor y el controlador PID.

Ajuste: esto implica ajustar las ganancias Kp, Kd, y Ki con el fin de obtener el rendimiento deseado del control: respuesta rápida, undershoot mínimo y ningún error de estado estable. Los métodos de afinque se usan comúnmente incluyen:

Método de Ziegler Nichols: métodos heurísticos que implican encontrar las últimas ganancias (Ku), y los últimos períodos (Tu), del sistema. Entonces, las ganancias se establecen sobre la base de las fórmulas empíricas.

Ajuste Manual: comience con ganancias conservadoras, y aumentarlas gradualmente mientras observa la respuesta del sistema para determinar un ajuste estable.

Ajuste automático: los controladores PID avanzados han incorporado rutinas de ajuste automático que ajustan las ganancias automáticamente de acuerdo a la dinámica del sistema.

La iteración puede ser necesaria durante el proceso de ajuste. Es importante reducir las oscilde temperatura alrededor del punto de ajuste, y asegurarse de que el sistema alcanza y mantiene esa temperatura rápidamente.

C. controlar y ajustar la temperatura

Después de la calibry ajuste, puede ponerlo en uso. Puede ser necesario monitorear el sistema regularmente y hacer ajustes de vez en cuando.

Monitoreo: monitorear el rendimiento del sistema a lo largo del tiempo. Vigila la deriva y asegúrate de que el sistema reacciona ante cambios en la carga o perturbaciones. La mayoría de los controladores PID tienen pantallas que muestran la temperatura actual, así como los niveles de setpoint y output.

Modificaciones: las ganancias PID pueden ser reajustadas si el rendimiento del sistema se degrada, o si los cambios en el proceso exigen diferentes características de control. Si los requisitos para el cambio de setpoint, simplemente puede modificar el valor del setpoint en el controlador.

D. Consideraciones de seguridad

Cualquier sistema de control de temperatura que utilice elementos calefactores debe ser seguro. Las consideraciones de seguridad para los sistemas de control de temperatura incluyen:

Interruptor de límite alto: instalun sensor de temperatura adicional en conexión con un interruptor de límite alto. El interruptor desconectará la energía del calentador si la temperatura alcanza un cierto nivel. Esto es a prueba de fallas.

Componentes conectados a tierra: asegúrese de que todos los componentes eléctricos estén conectados a tierra correctamente para evitar cualquier riesgo.

Aislamiento: utilice aislamiento adecuado en los elementos calefactores y cables para evitar quemaccidentales.

Cableeléctrico: seleccione conectores y cables que sean adecuados para su voltay corriente de carga. Además, asegúrese de que las conexiones y todas las otras partes de la circuitería es seguro con el fin de evitar el sobrecalentamiento y cortocircuitos.

Conforme: asegúrese de que el diseño de su sistema y sus componentes se ajusten a las normas eléctricas y reglamentos de seguridad pertinentes (por ejemplo, CE, UL).

Inspección Regular: inspeccionar el sistema periódicamente por desgaste o daños. Preste especial atención al SSR, al elemento calentador y a los sensores de temperatura.

6. Beneficios de usar controladores de temperatura PID en conjunto con SSRs

La combinación de controladores PID y SSR tiene muchos beneficios. Es una solución popular en el control de temperatura.

A. A.

Los controladores PID tienen un alto nivel de precisión y precisión. El sistema, cuando se combina con un SSR que ofrece un control fino de la entrega de potencia puede mantener el objetivo de temperatura muy cerca de los puntos de ajuste, y a menudo dentro de bandas de tolerancia extremadamente apretadas. El nivel de precisión requerido es crítico para cualquier proceso donde los cambios en la temperatura pueden tener un impacto significativo en la calidad del producto y la velocidad de reacción.

B. B.

Cuando se ajusta correctamente, los controles PID pueden maximizar la cantidad de energía que se entrega al elemento calentador. El control PID solo aplica la potencia necesaria para mantener y alcanzar el valor de ajuste. Esto evita el sobrecalentamiento o el desperdide energía. Los SSR son más eficientes porque permiten un mejor control, e incluso pueden tener menores pérdidas de potencia en comparación con los relés mecánicos que conmutan altas corrientes. El resultado es un importante ahorro de energía en procesos continuos o a gran escala.

C. C.

Los SSR aumentan la longevidad del sistema. Los SSR no tienen partes móviles, a diferencia de los relés mecánicos que pueden desgastcon el tiempo debido a tensiones eléctricas y mecánicas. Los SSR son resistentes a las vibraciones y los golpes. Esto, combinado con la alta confiabilidad de los componentes electrónicos usados en el sistema de control PID, resulta en sistemas con una vida útil de operación mucho más larga.

D. D. Reducción de las necesidades de mantenimiento

Los sistemas de control PID+SSR requieren menos mantenimiento que los métodos antiguos de control una vez que están calibrados y sintonizados correctamente. Los SSR no tienen contactos mecánicos, lo que reduce las fallas debido al desgaste o erosión del contacto. Si las condiciones del proceso permanecen estables, la inteligencia del control PID minimilos ajustes manuales. Mientras que todavía se recomienda realizar inspecciones regulares de los componentes críticos, tales como disipadores de calor, sensores y otras partes.