Termoregolatori e metodi di regolazione

Termoregolatori e metodi di regolazione

Immagine di un termoregolatore o regolatore di temperatura completamente programmabile formato 48 x 48I termoregolatori consentono, di impostare uno o più valori di temperatura da raggiungere detti set-point. Raggiunto il valore predeterminato cercano di mantenerlo costante per un periodo di tempo definito o fino ad una nuova impostazione di tale valore. Per far questo si innesca un processo di retroazione, che prevede il continuo confronto tra la temperatura impostata e quella misurata dal sensore di riferimento.

I termoregolatori offerti da CD AUTOMATION sono tutti dotati di microprocessore, questo li rende molto flessibili da programmare sia dal punto di vista dell’operatore, che può facilmente impostare le variabili di processo, che da parte del costruttore della macchina o del forno, per cui diventa semplice impostare i parametri di fabbrica.

La quasi totalità degli strumenti proposti dispongono, oltre alla regolazione PID anche della funzione di auto-tuning che permette di calcolare automaticamente i parametri di regolazione.

La gran parte degli strumenti a microprocessore offre la possibilità di utilizzare, come segnali di ingresso per la regolazione della temperatura, oltre alle classiche sonde a termocoppia o a termo resistenza (RTD, Pt100), anche i segnali analogici in corrente (0:20mA o 4:20mA) o in tensione (0:10V).
Alcuni termoregolatori sono provvisti dell’ingresso per trasformatore amperometrico, che rende possibile la diagnostica sul carico, ovvero di determinare anche se oltre alla resistenza è guasto il fusibile a protezione del carico o dell’unità statica. In alcuni modelli è possibile verificare se il relè statico è in corto circuito.
Entrambe le diagnostiche possono essere mostrate sul display o essere comunicate tramite porta seriale, bus di campo o semplice contatto in uscita di allarme.

I termoregolatori offerti da CD AUTOMATION sono generalmente provvisti di una uscita principale, che nella maggior parte dei casi è dedicata al controllo di un attuatore per il mantenimento della temperatura impostata. Quando si deve mantenere una temperatura ambiente o superiore si ha una funzione di riscaldamento, mentre quando la si deve abbassare si parla di una refrigerazione.

Quando si riscalda o si raffredda si ha una zona di termoregolazione a singolo intervento. Vi sono casi in cui è necessario si riscaldare, che raffreddare, questo è il caso delle zone a doppio intervento (Heating&Cooling), in questo caso oltre all’uscita principale se ne usa una secondaria che attiva il raffreddamento quando necessario. Le uscite dei regolatori sono generalmente a Relè, SSR o Analogiche (4:20mA o 0:10V). Vi è poi il caso delle valvole motorizzate, che aprono e chiudono una valvola con due uscite relè. In molti regolatori è possibile anche trovare ulteriori uscite per segnalare allarmi (Relè) o per ritrasmettere una o più variabili di processo con un segnale analogico. Da tempo anche i termoregolatori di fascia media hanno adottato sia la comunicazione seriale RS485 con protocollo Modbus RTU.

Grazie alla comunicazione, specie in presenza di molte zone di regolazione è possibile centralizzare i dati su di un pannello operatore, su di un PC Industriale o trasferire alcuni dati al PLC se presente. I termoregolatori sono integrabili anche all’interno di un sistema dotato di bus di campo, che pone come suo fulcro principale un PLC o un DCS. In alcuni termoregolatori sono integrati i più diffusi bus di campo quali Profibus, ProfiNet e altre forme di comunicazione come il Modbus TCP, si tratta nella maggior parte dei casi di regolatori da retro quadro con attacco a guida din o di termoregolatori con display grafico con attacco a pannello. Anche i regolatori più semplici dotati di seriale possono essere collegati ad un network basato su bus di campo tramite dei moduli esterni.

Regolazione PID e ON-OFF

Con la regolazione ON-OFF si ha un controllo molto semplificato, lento e sensibile alle oscillazioni causate da eventi improvvisi (ad esempio l’apertura di una porta in un forno, l’oscillazione della tensione di rete in un riscaldamento elettrico). In un riscaldamento l’uscita si trova in ON per temperature più basse del valore impostato (set point) mentre è in OFF per temperature più alte.

Nella storia della regolazione, successivamente all’ON/OFF si sono introdotte maggiori sofisticazioni fino ad arrivare alla regolazione di tipo PID.

Alcuni regolatori di temperatura, presentano la sola gestione del proporzionale: in questo caso si vuole togliere l’isteresi della temperatura sull’elemento riscaldante caratterizzata della regolazione ON-OFF. L’utente imposta due temperature (banda proporzionale) che includono il set-point dove la regolazione della temperatura è effettuata in modo continuo in base ad un tempo chiamato ciclo proporzionale (duty cycle) nel quale variano i tempi di ON e di OFF dell’uscita di regolazione. Questo tipo di regolazione permette di avere una temperatura stabile pur essendo in presenza di differenze minime tra set e misura, contenendo le oscillazioni.

Aggiungendo alla Proporzionale la regolazione derivativa, in caso di variazioni rapide della temperatura impreviste, si rientra molto più velocemente alla temperatura di setpoint.

La Regolazione PID

PID sta per Proporzionale, Integrale e Derivativo.

Il controllo PID fornisce una variazione continua dell’uscita all’interno di un meccanismo di retroazione del circuito di controllo per controllare con precisione il processo, rimuovendo l’oscillazione e aumentando l’efficienza.

Come funzionano i Regolatori PID?

Laddove viene utilizzato un controllo proporzionale per ridurre al minimo la caratteristica di oscillazione del controllo on / off, il controllo PID passa questo bit per ridurre gli errori e fornire precisione e stabilità in un processo. Lo fa utilizzando l’azione integrale e le azioni derivate per eliminare gli errori di deviazione del controllo e per gestire i movimenti rapidi del processo. Tutti e tre i termini PID devono essere sintonizzati in modo appropriato per i requisiti applicativi per ottenere il miglior controllo.

Regolatori PID Digitali

Per un alto livello di controllo, spesso vengono utilizzati i Regolatori PID Digitali. Questi tipi vengono tipicamente come Regolatori di Temperatura PID o Regolatori di Processo PID e possono essere strumenti singolo, doppio o multi-loop (multi zona)

La regolazione PID viene utilizzata per una varietà di variabili di processo come: Temperatura, Flusso e Pressione. Tipicamente, in applicazioni impegnative quali i processi di trattamento termico industriale, forni e forni utilizzano i Termoregolatori PID, nonché nel settore scientifico e del laboratorio dove la precisione e l’affidabilità sono essenziali per la qualità di un’applicazione di controllo.

Auto-tuning: la funzione di auto-tuning permette al termoregolatore, tramite un ciclo di autoapprendimento, di calcolare automaticamente tutti i valori ottimali dei parametri dell’azione “PID” in base alle caratteristiche dell’elemento da dover riscaldare.

Regolazione della temperatura: usare PID o la logica di tipo Fuzzy

In questa immagine, i significati delle espressioni freddo, caldo e molto caldo sono rappresentate da funzioni che mappano una scala di temperatura. Un punto su quella scala ha tre valori di verità, uno per ciascuna delle tre funzioni. La linea verticale nell'immagine rappresenta una temperatura particolare che le tre frecce (valori di verità) misurano. Poiché la freccia rossa punta a zero, questa temperatura può essere interpretata come non calda. La freccia arancione (indicata a 0.2) si può descrivere come leggermente calda e la freccia blu (puntando a 0.8) come abbastanza fredda. Questo tipo di funzione è possibile trovarla nei termoregolatori di ultima generazioneIn alcune applicazioni industriali, come i processi di stampaggio a iniezione, è richiesta una regolazione della temperatura molto precisa e rapida ed una risposta immediata ai disturbi con un minimo di sovraccarico e di sovrapposizione nei cambiamenti del setpoint. In questo caso il  tradizionale controllo proporzionale-integrale-derivato (PID) non può soddisfare queste performances elevate.
Tra le metodologie per la realizzazione di un regolatore di temperatura ad alte performance vi è quella dell’utilizzo di una regolazione di tipo fuzzy logic

I principi della logica fuzzy sono stati conosciuti tra gli ingegneri per più di 50 anni. La regolazione fuzzy (ovvero la logica fuzzy nel ruolo di un sistema di controllo) diventa attraente soprattutto per i microcontrollori più piccoli, perché questa tecnica richiede meno potenza computazionale e richiede meno memoria operativa rispetto alla compensazione PID convenzionale. Per questo motivo già a partire dagli anni 90’ si è diffusa anche sui modelli da 1/16 Din di termoregolatore di fascia media-alta (ricordiamo le precedenti serie Fuji PXV4 e PXR4 o la West N6400 e N8200). Ad oggi troviamo questa logica nella maggior parte dei regolatori Fuji Electric (PXF4-PXF5-PXF9) .ed in alcuni modelli West (N6400).

Il controllo fuzzy nella sua forma di base simula un processo di controllo dell’uomo. Una persona regola il potere applicato ad un elemento riscaldante in base alla deviazione temporanea della temperatura dal valore di riferimento e la velocità della modifica della temperatura (o derivata dell’errore di regolazione). L’intero processo è governato più da un senso, che dalla conoscenza del suo comportamento fisico o matematico: sono la deviazione della temperatura e il tasso di cambiamento di temperatura elevato, basso o medio? Il controllo fuzzy funziona esattamente con gli stessi stati del processo variabili.

PID o Fuzzy?

Esempio di controllo fuzzy con termoregolatoreAnche un processo semplice come la regolazione della temperatura può diventare un compito complesso se sono necessarie ulteriori funzionalità come la fase di riscaldamento veloce. L’implementazione della regolazione PID tradizionale di tipo avanzato può essere una sfida, specialmente se le funzionalità di auto-tuning consentono di trovare le costanti PID ottimali. Tuttavia, la teoria della regolazione PID è molto nota e ampiamente utilizzata in molte altre applicazioni che necessitano una regolazione. D’altra parte, anche la regolazione fuzzy sembra avere la stessa qualità di controllo con meno complessità. I nostri clienti hanno a disposizione più di un modello di regolatore in cui possono scegliere l’una o l’altra modalità di controllo e giudicare sul campo quale è la migliore per il loro processo.

Nell'immagine vengono indicate le funzioni specifiche dei displays e dei tasti di configurazione
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CD Automation può fornire un ampia gamma di Termoregolatori Industriali per il controllo e la regolazione di impianti industriali single loop, multi loop, programmabili , universali e a più zone di intervento. La gamma comprende prodotti di CD AUtomation, Fuji, West, PMA, CAL.

 

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