5- Controle de Temperatura de Aquecimento em Multizonas
1. O Sistema Coleiro + Aplicadores de Cola:
O diagrama elétrico apresentado na página 1 da resenha “2- Acionamento de Aquecimento
para Termofusão de Polímeros”, que é reproduzido aqui, na pag. 29 desta dissertação, representa
o exemplo de aplicação prática no qual iremos nos pautar aqui, portanto convém ter aquela literatura em mão. Neste exemplo de aplicação, um conjunto de cinco peças de SSR de potência, são empregados para o acionamento de cinco conjuntos resistências elétricas, em um sistema de aquecimento com temperatura controlada.
Neste sistema, a temperatura atual é monitorada em seis diferentes zonas de controle da máquina em questão, por onde circulará um fluido que deverá ser aquecido até o derretimento e movimentado, sob temperatura controlada. No caso deste exemplo, tal fluído trata-se de um adesivo termofundível do tipo hot melt. As zonas de controle de temperatura do equipamento serão as seguintes:
1. O Coleiro: que se refere, propriamente dito, ao recipiente metálico (cuba), aonde os blocos ou de fragmentos de adesivo seco serão aquecidos até atingir um ponto adequado de derretimento;
2. A Bomba: instalada na parte inferior da cuba, ela produz a pressão que suga o adesivo, já derretido, para fora da cuba, impelindo-o a circular, através de duas mangueiras termoelétricas, em direção aos respectivos bicos aplicadores do adesivo.;
3. A Mangueira 1: que serve de meio condutor do fluxo do adesivo, derretido e pressurizado, desde o duto de saída da Bomba, mantendo-o adequadamente aquecido, ao longo de todo o percurso, até que ele alcance o Bico Aplicador 1, instalado na extremidade vazante;
4. O Bico Aplicador 1: Que acondiciona, aquecendo, dando forma, controlando e impulsionando a vazão de saída do fluxo do adesivo, por meio de válvula solenoide que injeta ar pressurizado e aquecido, produzindo o filete a ser aplicado sobre a superfície de um objeto;
5. A Mangueira 2: atua de modo semelhante a Mangueira 1;
6. O Bico Aplicador 2: atua de modo semelhante ao Bico Aplicador 1.
Com exceção da zona “Bomba”, cujo aquecimento se dá por condução do calor produzido na Cuba do Coleiro, e, portanto, não possui resistências de aquecimento próprias, todas as demais zonas possuem resistências elétricas embutidas, para produzir aquecimento. Veja também o diagrama ilustrativo da página 2 da mesma resenha anterior, “2- Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros”.
O monitoramento da temperatura atual, nas diversas zonas de controle, é feito por meio de Detectores de Temperatura Resistivos (em inglês Resistance Temperature Detectors or RTDs) do tipo Pt100. Os RTDs são, normalmente, fornecidos encapsulados em sondas para detecção e medição de temperatura e se encontram alojados estrategicamente, para medir a temperatura do adesivo em pontos que correspondem as seis zonas de controle referidas, considerando que é necessário que todo o corpo da sonda esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação.
Os sinais provenientes dos PT100 exigem a utilização de circuito de interface que realize um adequado acondicionamento destes sinais, antes de entregá-los à uma unidade central de processamento de um Controlador Programável, a qual, efetivamente, através da execução de um programa adequado, realizara o controle da temperatura.
2. Acondicionamento de Sinais para Monitoramento de Temperatura em Multizonas:
Tal acondicionamento se faz necessário, pois, apesar de os PT100 estarem entre os sensores de temperatura mais precisos disponíveis, com resolução e precisão de medição de ± 0,1 °C, a variação da resistência elétrica em função da temperatura é muito pequena. Os acondicionadores de sinal compensam, também, a resistência que deriva do comprimento do cabo, que aumenta a resistência embutida no sinal tendo como efeito de resultados de leitura errôneos. Daí a necessidade tanto de amplificar o sinal da sonda sensora, como também o de compensar os efeitos do cabo, se necessário.
Praticamente todos os Controladores Programáveis modernos, possuem a capacidade de agregar como módulo de expansão, diretamente ao seu conjunto modular, um módulo inteligente especial, que faça o acondicionamento de sinal de RTDs.
No caso do Controlador Programável escolhido para este projeto, que foi o modelo FP-Σ do fabricante Panasonic-Matsushita®, isto não é diferente, pois ele é tem a capacidade de conetar diretamente ao seu barramento principal o módulo de expansão modelo FP0-RTD6, o qual é dotado de 6 entradas para aquisição dados a partir de RTDs dos tipos PT100, PT1000 ou Ni1000.
A princípio a utilização dese módulo parece perfeita, pois otimizaríamos o hardware, por fazer uso de todos os seis canais do módulo FP0-RTD6. A ferramenta de software para edição do programa do Controlador Programável FP-Σ é o FPWIN Pro (versão 5 ou superior), também fornecido pela Panasonic-Matsushita®, existindo para disponibilidade de download de versão demo gratuita.
A utilização do módulo FP0-RTD6, e a consequente programação da
sua função especial de aquisição de dados, requer, tão somente, que se acrescente a biblioteca padrão do software editor do programa do controlador programável, um item extra, que é o arquivo fp-analog-v12.sul. O aspecto geral dessa função especial de aquisição de dados, como ela aparece na tela do editor ladder, é mostrada a seguir:
6 canais de entrada RTD com o módulo FP0-RTD6 usando o bloco de função FP0_RTD6
Variáveis de entrada:
Identificador Tipo de dados Função
Slot_1_3 INT Posição do módulo relativa ao módulo da UCP CH_0_2_Resistor BOOL Habilita os canais 0 a 2
CH_3_5_Resistor BOOL Habilita os canais 3 a 5 Variáveis de saída:
Identificador Tipo de dados Função
ENO BOOL Habilita a saída
CH0..5 INT Valores de temperatura lidos a partir dos canais de entrada 0 a 5 inputs (6 saídas do Bloco de função)
Muito embora a aparente conveniência do uso do módulo FP0-RTD6, por causa das necessidades observadas por uma visão do projeto de maior completeza, tal opção foi descartada, uma vez que, além de adquirir os dados de 6 zonas de controle de temperatura, neste mesmo equipamento, teremos ainda a necessidade de adquirir dados relativos a uma célula de carga (a fim de monitorar o abastecimento de material na cuba do coleiro), bem como, da saída analógica de um Inversor de frequência (a fim de controlar a velocidade da bomba do mecanismo de aplicação de cola). Isto significa que, se usássemos o módulo FP0-RTD6, ainda ficaríamos carentes de duas entradas analógicas, o que ocasionaria a necessidade de mais algum módulo agregado.
Existem no mercado de produtos eletroeletrônicos para automação, uma boa quantidade de opções de hardware a ser utilizado para aquisição de dados em controle de temperatura multizonas. Apenas para mencionas, uma opção interessante que eu estou testando atualmente é módulo de aquisição de dados do fabricante Brainchild Electronics®, modelo IO-6RTD.
O módulo IO-6RTD é um módulo de seis entrada RTD. O módulo pode acomodar ambos os tipos de sensores RTD, a 2 ou a 3 fios. E as entradas de RDT (analógicas) são isoladas opticamente da parte da lógica.
A resistência RTD é lida pelo circuito do módulo, é linearizada e é convertida em graus Centígrados. Nenhuma calibração é necessária uma vez o módulo da suporte a um agama bastante completa de RTDs. Estes módulos são utilizados com IHM, PLC ou SCADA via Modbus RTU.
Modbus é um dos mais antigos e popular protocolo de comunicação de dados utilizado em sistemas de automação industrial, utilizados em redes
de Controladores Programáveis, pelo fato de seu criador, a Modicon® (atualmente parte do grupo Schneider Electric®), ter colocado as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. Por esta razão é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em Automação Industrial.
De uma maneira geral, o Modbus equivale a uma camada de aplicação e utiliza o RS-232, RS-485 ou Ethernet como meios físicos e, mas especificamente no caso do módulo IO-6RTD, é utlizado RS485.
endereços e valores são representados em formato binário, como números inteiros variando entre -32768 e 32767, que podem ser representados por 2 bytes. O mesmo número precisaria de quatro caracteres para ser representado no modo ASCII (em hexadecimal) de modbus. O tamanho da palavra no modo RTU é de 8 bits.
No módulo IO-6RTD, o valor que é lido a partir do registo Modbus é a temperatura real em graus centígrados a uma resolução de 0,1 ° C, isto é, um valor de 3451, por exemplo, corresponde a uma temperatura de 345,1 ° C.
O Controlador Programável FP-Σ (V 3.0 ou superior) é, concordemente, dotado de funções especiais para Modbus RTU mestre-escravo, para ambos os seus portais de comunicação (COM1 e COM2), o que lhe permite a comunicação com dispositivos de controle de temperatura, inversores de frequência ou instrumentos de medição, que podem ser realizadas com programações simples (uma instrução para enviar e uma instrução para receber dados), usando o FP-Σ como uma unidade mestre. Comunicação com uma rede pre existente, também pode ser realizada com o FP-Σ sendo usado como unidade
escravo.
Todavia, apenas o Tool Port (COM0), RS232C, é fornecido em sua unidade principal padrão, muito embora, os cassetes com interfaces de comunicação RS232C ou RS485 estão disponíveis como opção extra, contra um acréscimo de custo, além do mais, continuaríamos precisando adicionar hardware de entrada analógica para conectar, no mínimo a célula
de carga referida
anteriormente (já que o
inversor de frequência, também mencionado, também poderia ir conectado para a rede Modbus). Por isso, mediante uma análise comparativa dos custos dos componentes, neste projeto específico, o módulo de aquisição de dados de temperatura para rede Modbus, foi descartado.
3. Mini Módulo Transdutor de Temperatura Configurável p/ PT-100:
Assim, optou-se para que o acondicionamento dos sinais provenientes das sondas PT-100 sejam acondicionados por um conjunto de 6 pequenos módulos individuais, no caso, um para cada zona de controle: o transdutor de temperatura configurável para Pt100, fabricados pela Phoenix Contact®, modelo MINI MCR-SL-PT100-UI-200, que é dotado das seguintes funções e características:
• Transdutor de medição de temperatura 3-way configurável.
• Apropriado para a conexão de termômetros de resistência Pt100, de acordo com a norma IEC 60751, com 2, 3 e 4 condutores de sistemas de conexão.
• Faixa de medição de -50 ° C a 200 ° C pode ser configurado via DIP switch;
0 ... 10 V, 0 ... 5 V, 1 ... 5 V, 10 ... 0 V , 20 ... 0 mA, 20 ... 4 mA estão disponíveis; • Eletricamente isolados acoplamento óptico;
• Tensão de alimentação 19,2 Vcc - 30Vcc
Os interruptores DIP são acessíveis na lateral da caixa do mini módulo e eles permitem que os seguintes parâmetros sejam configurados:
• Sistema de conexão do sensor (2, 3 ou 4 fios);
• Faixa de temperatura a ser medida;
• Padrão do sinal de saída; • Tipo de avaliação de erro
❶ Entrada: Pt100 termômetro de resistência;
❷ Tampa transparente (visor); ❸ LEDs de diagnósticos;
❹ Sulco p/ tira marcadora ZBF 6 Zack;
❺ Saída: sinais padrão; ❻ Tensão de alimentação;
❼ Opção de conexão para trilho DIN; ❽ Bloco de micro-interuptores DIP S1; ❾ Bloco de micro-interuptores DIP S2; ❶⓿ Bloco de micro-interuptores DIP S3;
❶❶Pés snap-on universal para montagem em trilhos DIN 35 mm.
A atribuição dos blocos de terminais de conexão é mostrado no diagrama de blocos a seguir:
Diagnósticos:
Os LEDs são visível na frente e exibe os seguinte estados de erro: • LED pisca: Faixa de medição atinge menos do que 50 Ω; • LED aceso: Quebra de linha no lado do sensor;
• LED aceso: Faixa de medição ultrapassada; • LED aceso: Faixa de medição caiu abaixo.
3.1 Configurações do Mini Módulo Transdutor:
Todos os micro-interruptores DIP estão na posição 0. O dispositivo não tem uma função definida até os interruptores DIP sejam definidas.
O bloco DIP S1 define a conexão do sistema, o alcance do sinal de saída e o início da faixa de medição.
O Bloco DIP S3 é usada para selecionar a opção de saída de tensão ou corrente.
4. O controle de Temperatura:
Os sinais referentes as seis zonas de controle, já acondicionados, são fornecidos no formato de sinais padronizados, na forma de sinais de corrente de 0 a 20mA, adequados a serem processados, a partir das entradas analógicas disponíveis no Controlador Programável (Programmable Controller). O Controlador Programável contém um programa (software) que processa os sinais relativos às temperaturas atuais medidas e realiza os cálculos que o permitirão a ele decidir ligar ou desligar as suas várias saídas, as quais comandam os acionamentos dos SSRs.
Por sua vez, a saída dos SSRs aplicarão impulsos de energia às resistências elétricas que, por efeito Joule, produzirão a energia térmica que causarão aquecimento (calor), em cada uma das seis zonas de controle do equipamento.
Pela ação do programa que é executado no Controlador Programável, os pulsos fornecidos para acionamento dos SSR sofrerão uma Modulação de Largura de Pulso (Pulse Width Modulation
ou PWM), que uma por sua vez, resulta numa variação da potência média que é entregue às
resistências de aquecimento. O Controlador controla, cada saída de pulso, de modo independente, ligando-as ou desligando-as, de acordo com a necessidade de se elevar ou reduzir a temperatura em determinada zona.
O diagrama elétrico referente ao sistema descrito acima e na sequencia é apresentado na figura da página 1 da dissertação “2- Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros”. Eu recomendo que visualize-o, agora, para uma melhor contextualização.
A velocidade de atuação deste tipo de controle é, por natureza, relativamente lenta, uma vez que, energizando-se uma resistência de aquecimento causa-se, forçosamente, a elevação da temperatura, que em si já é relativamente lenta, porém, desligando-se uma resistência de aquecimento, a efetiva redução da temperatura fica a merce da inércia da variação térmica, ou seja, ainda mais lenta. O aquecimento da RTD PT-100 encapsulada em sonda constitui-se, também, um problema, pois o tempo de resposta fica mais demorado.
As resistências de aquecimento são energizadas pela aplicação de uma tensão proveniente de uma rede de energia C.A. de valor de tensão nominal de 220V, com um lado conectado diretamente à uma extremidade das resistências e o outro lado conectado a saída do respectivo SSR (ver
esquema elétrico apresentado na dissertação denominada “2- Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros”).
Notadamente, no caso de um Coleiro, para uma melhor distribuição da energia térmica, ao invés de uma única resistência, temos um conjunto de resistências associadas (no caso do exemplo, elas estão associadas em paralelo), que se encontram alojadas, estrategicamente, distribuídas no corpo do recipiente metálico (cuba) do coleiro.
No exemplo apresentado na mencionada literatura anterior, o conjunto de resistência associadas do Coleiro apresenta um valor de resistência total tal que, permite o desenvolvimento de uma potência media efetiva de 3800W, quando o conjunto é alimentado, continuamente, pela rede C.A. de 220V.
Devido a proximidade de contato com o Cuba, a Bomba não possui resistência de aquecimento própria, mas tem, também,
a sua temperatura monitorada, de modo que o Controlador processa as duas
informações de temperatura
(temperatura atual do coleiro e temperatura atual da Bomba), em um único controle com duas malhas (onde o estado lógico da uma única saída depende do processamento e análise de duas informações de medidas).
A potência nominal máxima é efetivamente desenvolvida nas resistências de aquecimento, apenas quando a máquina é ligada e todas as zonas monitoradas se encontram em sua temperatura mais baixa, que é determinada pela temperatura do ambiente. Deste modo, ao ligarmos a máquina, inicialmente, todos os SSR devem ser acionados, continuamente, até que certos valores de temperatura ideal sejam atingidos.
Somente após decorrido um certo tempo, que é relativamente longo, durando vários minutos, neste tipo de aplicação, quando o valor medido em uma determinada zona atinge um valor igual ao temperatura ideal (valor desejado definido pelo operador), é que começa, efetivamente, a atuar a comutação com o controle liga / desliga do respectivo SSR.
A finalidade do controle liga / desliga, aplicado aos SSRs, é a de manter a temperatura atual estabilizada, num valor o mais próximo possível a um valor de temperatura ideal, que é determinado para a respectiva zona. Para realizar isso o programa do Controlador pode fazer uso de
blocos de controle PID e, a partir desse momento, a potência efetivamente desenvolvida numa dada resistência de aquecimento deve ser considerada pelo seu valore médio.
O Controlador e seu programa tem a habilidade de processar os seis sinais de temperatura atual, compará-los com os respectivos valores de temperatura desejados, e, produzir na saída os pulsos de PWM adequados, respondendo de modo bastante rápido, podendo realizar um grande número de comutações, em intervalos de tempo adequados, durante todo tempo de operação, em regime permanente, com temperaturas estáveis na zonas de controle da máquina. A frequência das comutações e os longos tempos de operacionais e o que torna desaconselhável, neste caso, o emprego de relés eletromecânicos, mas sim, torna os SSRs ideais para tal aplicação.
A potência necessária a ser desenvolvida nas resistências de aquecimento das Mangueiras termoelétricas e dos Bicos Aplicadores são, consideravelmente, menores do que a potência necessária para aquecer o coleiro. Para o dimensionamento das resistências deve ser considerado, também, uma boa coordenação entre os tempos de estabilização da temperatura de aquecimentos, nos valores ideais, das diversas zonas de controle envolvidas, além da definição de um tempo total ideal, para que a máquina, ao ser energizada e partindo de uma temperatura ambiente mínima, atinja a estabilização de todas as temperaturas e se torne pronta para iniciar a operação de aplicação do adesivo.
Deste modo, para otimizar os custos dos componentes utilizados na confecção do painel de controle eletroeletrônico da máquina, garantindo, ao mesmo tempo, uma total segurança operacional e um ótimo tempo de vida de funcionamento da máquina, sem a ocorrência de panes elétricas, os SSR devem ser, também, cuidadosamente especificados e selecionados.
Deve-se considerar, sobretudo a potência máxima que será desenvolvida nos instantes iniciais, quando a máquina é ligada e as temperaturas nas zonas controladas estão em seu valor mínimo. É bom lembrar que os materiais utilizados na confecção das resistências de aquecimento poderão ser, num grau, mesmo que pequeno, também dependentes da temperatura. Os fios e fitas constituídos algumas ligas metálicas como os de níquel-cromo (nícromo) e outros, possuem, em geral, um pequeno coeficiente positivo de variação com a temperatura, ou seja, as resistências de aquecimento feitas desse material, quando se encontram frias, apresentarão um valor efetivo de resistência ôhmica relativamente menor do que quando aquecidas.
Já as resistências feitas de Constantan®, que geralmente é composta por cerca de 55% em cobre, 44% em níquel e 1% em manganês (além de traços de outros elementos, notadamente ferro) é caracterizada por exibir, numa ampla faixa de temperatura, coeficiente de variação térmica da resistividade elétrica aproximadamente constante. Efetivamente, o Constantan apresenta curva característica de resistividade elétrica versus temperatura de operação tão proximamente linear que pode ser assumida como plenamente linear. Essa propriedade justifica sua utilização com sucesso em aplicações técnicas eletrotérmicas, termoelétricas e outras até o limiar de 500 °C.
De qualquer modo, o pico de potência desenvolvida será sempre nos instantes iniciais após acionado o aquecimento, e estes podem durar vários minutos e isso deve ser atentado para especificar a potência nominal dos SSRs.
SSRs subdimensionados, em termos de potência, estarão sujeitos a sofrerem estresses que poderão levar a avarias, as quais, deverão ocorrer sobretudo, nesses instantes iniciais do acionamento do aquecimento da máquina. Dai, as potências a serem consideradas devem ser aquelas que se desenvolvem sob as condições mais extremas, ou seja, considerando:
• Valores de resistências ôhmica mínimas, em função de variações tolerada, inerentes aos processos de confecção de tais resistências;
• Valores da tensão da rede de alimentação C.A. máximos, em função de possíveis variações toleradas.
Além disso, uma razoável margem de segurança extra é, ainda, recomendável, para garantir um alto tempo de vida útil dos dispositivos de eletrônica de potência envolvidos no acionamento.
O emprego de qualquer dispositivo de eletrônica de potência trazem preocupação com respeito a dissipação da energia térmica produzida no corpo do dispositivo. No caso dos SSRs envolvem questões tais como o uso ou não de dissipadores térmicos especiais, a fixação direta na placa do painel, a espessura da chapa do painel, o distanciamento entre as peças, o local de posicionamento, bem como, em certos casos, a necessidade ou não de algum tratamento da superfície do local da placa do painel onde os SSRs serão instalados. De modo geral, o uso de pasta térmica é, sempre, altamente recomendável.
5. O Algorítimo de Controle de PID:
Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é o algoritmo de controle mais usado na indústria e tem sido utilizado em todo o mundo para sistemas de controle industrial. A popularidade de controladores PID pode ser atribuída em parte ao seu desempenho robusto em uma ampla gama de condições de funcionamento e em parte à sua simplicidade funcional, que permite aos engenheiros operá-los de uma forma simples e direta.
Um algoritmo PID é composto por três coeficientes de ações distintas: proporcional, integral e derivativo, que são ajustados, em compromisso, de modo a se obter a resposta ideal. Neste artigo técnico será discutido sistemas de circuito fechado, a teoria clássica do PID e os efeitos do ajuste de um sistema de controle em malha fechada. Também será discutido as características do controle em multipontos e questionada a interferência de uma zona de controle sobre a sua consequente.
A ideia básica por trás de um controlador PID é ler um sensor, calcular a resposta de saída do atuador através do cálculo proporcional, integral e derivativo e então somar os três componentes para calcular a saída. Antes de começarmos a definir os parâmetros de um controlador PID, vamos ver o que é um sistema de circuito fechado e algumas das terminologias associadas à ela.
Em um sistema de controle típico, em malha fechada variável do processo é o parâmetro do sistema que precisa ser controlado como temperatura (º C), pressão (psi) ou fluido (litros/minuto). Um sensor é usado para medir a variável de processo e fornecer um sinal de realimentação que corresponde ao valor atual, para o sistema de controle. O valor desejado (Set Point) é o valor desejado, comando pelo operador para a variável de processo, tais como 100ºC, no caso de um sistema de controle de temperatura. A qualquer momento, a diferença entre a variável de processo e o set point é usada pelo algoritmo do sistema de controle (compensador), para determinar a saída desejada do atuador, que por sua vez, irá acionar o sistema (planta).
Por exemplo, se a variável de processo “temperatura” medida é de 100 º C e o setpoint da temperatura desejada é de 120 º C, então a saída do atuador especificada pelo algoritmo de controle pode ser a unidade de um aquecedor. Controlar um atuador para ligar um aquecedor faz com que o sistema fique mais quente, e resulta em um aumento na variável de processo “temperatura”. Isto é chamado de um sistema de controle em malha fechada, porque o processo de leitura dos sensores para fornecer o sinal de realimentação é constante e o cálculo para definir a saída desejada do atuador se repete continuamente a uma taxa fixa, como ilustrado na figura a seguir:
