Control de temperatura PID - guía detallada

Meta título:Control de la temperatura PIDMeta: PID control de temperatura con Siemens paso 7. La guía completa incluye la instalación, configuración y ajuste para la regulación de temperatura industrial.

1. introducción

Overview: Overview of temperature control and ITS role in PID (en inglés).

Contenido:

En muchas aplicaciones industriales y entornos de laboratorio, el control preciso de la temperatura es esencial.

El software Siemens Step 7 es una herramienta de programación popular para controladores lógicos programables Siemens. El software proporciona potentes herramientas para implementar y configurar varias estrategias de control, incluyendo el control PID de temperatura. Por lo tanto, los ingenieros y técnicos de automatización deben dominar la sintonía y configuración de los controladores PID en el entorno Step 7. Esta guía le proporcionará una explicación detallada y detallada paso a paso sobre cómo usar el paso 7 de Siemens para implementar el Control de temperatura PID. Cubre todo desde la configuración inicial hasta la puesta a punto y la solución de problemas. Los conceptos subyacentes serán explicados en un lenguaje claro y fácil de entender para asegurar que aquellos que deseen mejorar sus capacidades de programación de PLC puedan entenderlos fácilmente.

1. Comprensión del Control PID

Resumen: explica los componentes P, I y D, así como los parámetros clave y aplicaciones.

Contenido:

Los controles PID se basan en calcular el error como la diferencia entre un punto de ajuste deseado (el objetivo) y una variable de proceso real (temperatura). La señal de error será procesusando tres componentes matemáticos diferentes, a saber, Integral proporcional y derivada. Es importante entender cómo estos componentes matemáticos afectan las acciones de control.

Proporcional (P). Genera un resultado que es directamente proporcional con el error. La salida cambia más cuando el error es mayor. Aunque el control P reduce el error, el sistema a menudo permanecerá fuera del objetivo y no alcanzará su punto de ajuste exacto. La ganancia proporcional Kp es el factor determinante en la sensibilidad de las respuestas P. Cuanto mayor es el Kp, más fuerte es la respuesta a los errores. Esto podría conducir a un ajuste más rápido, pero también puede aumentar el riesgo de oscilación.

El término Integral (I) se refiere al desplazamiento de estado estacioninherente al control P puro. Este término integra el valor del error acumulado. Este error acumulado se utiliza para ajustar la salida. La constante de tiempo Integral Ti determina la velocidad de las acciones integrales. La constante de tiempo integral (Ti) es un valor que determina qué tan rápido la acción integral responde a los errores.

La derivada (D) predice errores futuros considerando la velocidad a la que cambia el error. El término mide la tasa a la que un error cambia y toma acciones correcproporciona a ese cambio. Esta capacidad predictiva está influenciada por la constante de tiempo derivada. El efecto derivado se ve reforzada por una mayor Td, que ayuda a reducir las oscil, mejorar la estabilidad y amortigulos procesos que tienen alta inercia. La acción derivada es sensible al ruido de medición, que puede causar un comportamiento errático si it' no está afinado cuidadosamente.

La ecuación PID combina estos tres elementos:

Salida = Kp * (Error + (1/Ti) * Error dt + Kd * d(Error)/dt)

Donde:

La salida representa la señal que se envía a un actuador, como un elemento calentador.

El error se define como la diferencia entre el punto de ajuste (temperatura) y la variable de proceso.

Kp representa la ganancia proporcional.

La constante de tiempo integral es.

Kd representa la ganancia derivada.

Error Dt es el Error integral en tiempo.

D (Error)/dt es la tasa de cambio en el Error.

Los controles PID se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo hornos y hornos de calentamiento. También se pueden aplicar a calentadores de agua, reacciones químicas o sistemas de refrigeración. La capacidad de PID para proporcionar un control robusto, preciso y estable es esencial en la automatización industrial.

3. Instalar el sistema

Descripción general: descripción e instalación del hardware requerido (sensores y actuadores) así como configuración inicial del software (paso 7 instalación) y conexión física.

Contenido:

Se requiere un sistema físico antes de configurar PID en el software del paso 7. Los componentes de Hardware incluyen, por ejemplo, un dispositivo de detección de temperatura, un actuador que puede afectar a la temperatura y un PLC Siemens que ejecuta la lógica. La elección de sensores (por ejemplo, termopar o RTD), así como de actuadores (por ejemplo, elemento calefactor, ventilde refrigeración) depende de la aplicación.

Este sensor convierte la medición de la temperatura física en una señal eléctrica que el PLC puede procesar. La señal es a menudo condicionada (amplificada, filtr) para encajar dentro del rango que el módulo de entrada analógico del PLC acepta. El módulo de salida analógica del PLC envía la señal de control que se utiliza para regular la acción de calor o frío. Esta señal puede variar entre 0 a 10 voltios y 4 a 20 miliamperios.

Es el controlador lógico programable que controla el sistema. El PLC recibe la señal condicionada de la sonda de temperatura a través del módulo AI. Luego ejecuta un algoritmo PID basado en el valor de consigna y el valor medido y envía una señal correspondiente al actuador a través del módulo AO. Se requiere energía para el PLC y sensores, así como actuadores.

Es necesario instalar el software Step 7 de Siemens en un ordenador. Los ingenieros pueden crear, configurar y descargar sus programas de control al hardware del PLC. El paso 7 contiene las herramientas y bloques necesarios para programar la lógica del PLC. Esto incluye los bloques necesarios para el control PID. El paso 7 debe estar instalado en la versión correcta para el hardware. El software se utiliza para configurar los módulos y crear la aplicación de control.

La conexión física es la fase final de la configuración inicial. Los cables deben correr desde el módulo de AI del PLC hasta el actuador, así como entre el módulo de AO del PLC. Para reducir el ruido que podría interferir con la precisión, los cables deben tener terminaciones seguras y blindaje, especialmente para los sensores de temperatura. Todos los dispositivos también deben tener sus conexiones de alimentación hechas correctamente, de acuerdo con las normas de seguridad. La configuración física es crucial, puesto que formará la fundación para la configuración del software.

En el paso 7, configure PID

Resumen: pasos para crear un proyecto paso 7, añadir bloques PID, configurar parámetros (Kp Ki Kd Setpoint Input/Output) y configurar conexiones de señal.

Contenido:

Siemens Step 7 proporciona un número de diferentes maneras de configurar los controles PID. El software#Los bloques de funciones 39;s son los más importantes.

En el paso 7, cree un proyecto. El primer paso es crear un nuevo proyecto en el paso 7. Esto incluye la configuración de la estructura del proyecto, la definición de configuraciones de hardware (especificmodelos de PLC y módulos conectados como AI y AO), así como la creación de símbolos y variables para el programa. El enfoque estructurado garantiza que la lógica del control es clara y ayuda a organizar.

El siguiente paso sería añadir bloques PID a su programa. Siemens Step 7 proporciona bloques PID en su biblioteca. Estos se encuentran normalmente en el menú marcado ' bloques de funciones o bloques. El algoritmo PID está incorporado en estos bloques. Crear un bloque de control PID o una instancia en el programa principal. El bloque debe tener entradas y salidas conectadas. Estos más tarde se atarán a las variables de proceso reales, y el setpoint.

La configuración del parámetro PID es un paso importante. En la ventana de parámetros o propiedades para la instancia PID, la ganancia proporcional (Kp), la constante de tiempo integral (Ti), así como la constante de tiempo derivada (Td) son típicamente establecidas. Estos valores tienen un gran impacto en el rendimiento del controlador. Ziegler Nichols es un método común para determinar los valores iniciales de Kp, Kd y Ki. Esto implica medir el período crítico de oscilación y la ganancia del controlador y calcular los valores de Kp, Kd y Ki. Los valores iniciales también pueden basarse en la aplicación o experiencia.

Setpoint (SP), la temperatura objetivo que debe ser mantenida por el controlador PID, también debe ser ajustada. El punto de ajuste es la temperatura objetivo que el controlador PID está tratando de alcanzar. Los Setpoints pueden definirse como una constante en la programación o ser alterados dinámicamente a través de la entrada HMI (interfaz hombre-máquina), o por comunicación con otro sistema.

La entrada Variable de proceso (PV), que es la temperatura medida, también debe conectarse al PID. El módulo AI es de donde viene esta entrada. Recibe las señales del sensor y las convierte en valores numéricos dentro del rango del PLC.

La salida (OUT) del módulo PID debe estar conectada al módulo AO. La señal de salida (a menudo un valor numérico) será enviada por el actuador para cambiar la temperatura del proceso. Este rango de salida debe coincidir con las especificaciones y requisitos del módulo AO. Si el 'Auto-Tune». La función está disponible en los bloques Step 7 del PID, it's importante establecer esto. Esto automáticamente calculará los valores de Kp, Kd y Ki basándose en la dinámica del proceso.

Ajuste del controlador PID

Esbozar una explicación del método de Ziegler Nichols y las técnicas de afinación manual. También, cómo ajustar Kp, Kd, y Ki para un rendimiento óptimo.

Contenido:

La configuración inicial de los parámetros PID sólo representa el principio; Para lograr un rendimiento óptimo, se requiere un ajuste cuidadoso. Los valores de Kp, Kd y Ki se ajustan para asegurarse de que el sistema es sensible al cambio, que alcanza su punto de ajuste con precisión, se mantiene estable, sin oscilaciones, y no tiene errores de estado estacionario. El método de Ziegler Nichols o ajuste manual son los dos enfoques principales.

El método de Ziegler Nichols es un enfoque empírico sistematizado que requiere un sistema estable. Este proceso tiene dos pasos. En primer lugar, determinar la ganancia final del sistema (Ku), y luego el último período. La ganancia última (Ku) es la ganancia máxima a la que el sistema operará sin oscilación después de un cambio de paso. Para encontrar Ku y Pu, se elige un valor muy alto de Kp (la ganancia crítica), y el sistema se ajusta manualmente hasta que oscila con un período consistente (Pu). Ku es entonces igual a esta ganancia crítica, y Pu es el período de estas oscil. El objetivo es lograr una respuesta que sea lo suficientemente rápida como para corregir las desviaciones, pero no tan rápida como para provocar oscil. Una vez que se encuentra un Kp razonable, la acción Integral (Ki) se introduce y se ajusta para eliminar cualquier error de estado estacionario. Por último, la acción derivada (Kd) se añade con precaución, principalmente para amortigulas oscil, mejorando la estabilidad sin ralentisignificativamente la respuesta. Este proceso iterativo requiere paciencia y observación cuidadosa del system's comportamiento, a menudo usando tendencias gráficas mostradas por el HMI o dentro del paso 7.

Ensayo y calibr

Esquema: ejecución de simulaciones en el paso 7, pruebas prácticas con hardware real, y la importancia de la calibrpara la precisión.

Contenido:

Después de configurar y ajustar el controlador PID dentro del software Step 7, es crucial probar a fondo y calibrar el sistema para asegurarse de que funciona como se pretende y logra el nivel requerido de precisión.

Las pruebas pueden realizarse inicialmente utilizando herramientas de simulación disponibles en el entorno Step 7. Muchos bloques PID incluyen capacidades de simulación que le permiten probar la lógica de control sin conexión. Puede aplicar cambios simulde de valores de ajuste o perturbaciones de carga y observar el system's respuesta sobre las tendencias gráficas mostradas en el Step 7 Comfort o WinCC Comfort software. Esta etapa de simulación ayuda a identificar posibles errores de programación, verificar los parámetros de ajuste, y entender el system's comportamiento antes de conectar hardware vivo. Aunque la simulación es valiosa, no puede repliccompletamente la dinámica y las potenciales no linearidades del proceso real.

El siguiente paso crítico es la prueba práctica con la configuración real del hardware. Una vez que el sistema está conectado físicamente y el PLC está ejecutando la lógica de control programada, debe observar su rendimiento en condiciones reales de funcionamiento. Aplique el valor de ajuste y observe cómo responde la temperatura. Compruebe la estabilidad, el rebas, el tiempo de asentamiento (el tiempo que tarda la temperatura en permanecer dentro de un rango especificado alrededor del punto de ajuste) y el error de estado estacionario. Introduzca perturbaciones controladas, si es posible, para ver cómo se recupera el sistema. Compare la respuesta real con los resultados de la simulación y realice más ajustes de ajuste a los parámetros PID si es necesario. Este proceso iterativo de prueba y ajuste es vital para lograr un control de temperatura fiable y eficaz.

La calibración es el paso crítico final, asegurando la precisión del sistema de medición. La calibrprecisa garantiza que el controlador PID está respondiendo a los valores correctos de temperatura, lo que lleva a un rendimiento de control fiable.

Solución de problemas y mantenimiento

Esquema: problemas comunes (inestabilidad, oscilación, respuesta lenta, desplazamiento) y sus causas, consejos de mantenimiento regulares, y consideraciones de seguridad.

Incluso con una configuración y ajuste cuidad, los sistemas de control de temperatura PID pueden encontrar problemas. Reconocer los problemas comunes y sus causas potenciales es esencial para una solución de problemas eficaz. La solución de problemas a menudo implica la comprobación sistemática del hardware, la configuración del software y los parámetros de ajuste.