Los procesos de calefacción industrial se gestionan mediante controladores y sensores de potencia y temperatura. Estos componentes funcionan en un entorno armonioso para completar el ciclo térmico de un proceso o producto. En la mayoría de los casos, este ciclo se controla mediante un controlador de un solo bucle. Sin embargo, en casos especiales, el entorno del proceso reacciona mucho más lento que el dispositivo de calefacción o refrigeración, lo que puede conducir a un rendimiento deficiente de la aplicación. Si se permite que el sistema funcione en los modos de ciclo rápido o frecuente, se puede reducir la vida útil del calentador, dañar o fallar el sistema.
Una solución con respecto al calentamiento sería disminuir la densidad de vatios, que se mide típicamente en vatios por pulgada cuadrada (W/in ²) del área’superficial del calentador. Esto acercaría los tiempos de reacción del calentador y el sistema general. Sin embargo, si los productos de calefacción ya están instalados en una aplicación, esto puede resultar en costos adicionales y tiempo de inactividad, debido a la readaptación. Una mejor solución sería utilizar un método de control conocido como control en cascada.
El control en cascada implica el uso de dos lazos de control discretos. El primer bucle de control proporciona el punto de ajuste para el segundo bucle de control proporcional derivado integral (PID). Este sistema está diseñado para proporcionar una respuesta mejorada a las ganancias no lineales y perturbaciones en los sistemas de calefacción.
Cómo funciona el control en cascada
Antes de ver cómo se configura un sistema en cascada, veamos un único bucle de control en una aplicación con un tiempo de retardo largo. En la aplicación teórica (Figura 1), el calentador se sumerge en un baño de aceite, mientras el sensor está en el material o producto que se está procesando.
Debido al tiempo de retardo prolongado entre la entrada de energía térmica en el sistema y el sensor que mide el cambio de temperatura, el aceite que rodea el calentador tiene el potencial de degradarse hasta el punto de quemarse o “coque” alrededor de los elementos calentadores. Esto provocará un fallo prematuro de esos elementos debido a una temperatura del cable extremadamente alta.
Una solución es diseñar un sistema de límite de sobretemperatura que utilice un segundo sensor conectado a los elementos calentadores y abrir un contactor aguas arriba del dispositivo de conmutación de energía. Sin embargo, esto hará que los operadores restablezcan constantemente dicho dispositivo una vez que se alcance el valor límite.
La mejor solución para esta aplicación es un sistema de control en cascada (Figura 2). Esto vigila la temperatura del aceite, así como el producto, para controlar el calentador y alcanzar la temperatura deseada del proyecto.
Con un sistema de control en cascada, hay dos lazos de control; el lazo exterior o primario utiliza el sensor del producto. Este es el bucle que más preocupa al cliente, ya que se refiere a su producto. El bucle interno o secundario utiliza el sensor conectado al calentador y ejecuta el segundo bucle PID para mantener el calentador por debajo de un valor especificado. El PID primario calcula un ciclo de trabajo de calor (o frío) que se alimenta en el lazo secundario y se utiliza como punto de ajuste para los elementos calentadores.
Por ejemplo, si se requiere que el’producto del cliente esté a una temperatura de 500°F, pero actualmente está a 100°F, el bucle primario solicitará un ciclo de trabajo del 100 % dependiendo de los valores PID. Este ciclo de trabajo será utilizado por el bucle secundario, junto con el factor de escala correcto, como punto de ajuste.
Si los calentadores mantienen el baño de aceite a 100.°oF cuando el ciclo de trabajo del lazo primario es cero por ciento y 800.°oF cuando el ciclo de trabajo es 100%, entonces el lazo secundario hará funcionar el calentador a 800.°oF y lo mantendrá hasta que el sensor del lazo primario alcance 500.°oF y el ciclo de trabajo disminuya.
El controlador’ de procesos F4T de Watlow está equipado con cinco conjuntos de valores PID, lo que lo convierte en un excelente controlador PID. Sin embargo, cuando la aplicación lo requiere, también hay un lazo de control en cascada que permite una configuración simple y rápida de este método de control.
Requisitos para controladores en cascada
Los controles en cascada pueden resolver problemas de bucle. Sin embargo, deben cumplirse las siguientes condiciones:
El bucle secundario debe tener influencia sobre el bucle principal
Para que el sistema de control en cascada funcione, el lazo interior tiene que influir en el lazo exterior repetidamente. Esto se debe a que el bucle primario no tiene ningún mecanismo para influir en sí mismo.
El bucle secundario debe funcionar más rápido que el bucle primario
El proceso secundario debe reaccionar al bucle interior de tres a cuatro veces más rápido que el proceso primario al bucle exterior. Esto garantiza que el bucle exterior tenga tiempo suficiente para compensar las’ perturbaciones del bucle interior. Además, garantiza que las perturbaciones del bucle interno no afecten a los procesos primarios.
El bucle secundario debe tener perturbaciones menos graves
En los productos de calentamiento, el bucle interior debe tener perturbaciones menos graves. De lo contrario, el controlador secundario estará continuamente involucrado en la corrección de perturbaciones en el proceso secundario. Las perturbaciones graves pueden obstaculizar los esfuerzos correctivos’del bucle secundario para el proceso primario.
Ventajas del control en cascada
El control en cascada se utiliza en productos térmicos avanzados. El propósito del control en cascada es mejorar el rendimiento del proceso al reducir las perturbaciones mediante el uso de controles de termopar. Los siguientes beneficios se obtienen mediante el control en cascada:
Menor variabilidad general
Un bucle interior más rápido puede responder más rápidamente a las perturbaciones que el bucle exterior. Por lo tanto, reduce la gravedad de las perturbaciones y limita la variabilidad que afectaría al proceso de calentamiento.
Respuesta efectiva a las perturbaciones
En los bucles en los que la arquitectura en cascada está bien implementada, existe una respuesta eficaz a las perturbaciones. El bucle interno es más rápido que el bucle externo y más cercano a la fuente de la perturbación. Esto permite una corrección más rápida de las molestias en el proceso.
Ajuste de bucle exterior más conservador
Los ingenieros de diseño pueden ajustar el lazo exterior para un control más estable. El bucle interior realiza ajustes aproximados, dejando el bucle exterior como la única opción para el ajuste fino. El controlador de procesos F4T ’de Watlow es uno de los mejores controladores PID que puede ajustar para limitar la variabilidad del proceso. Tiene un control de potencia de alto amperaje y opciones de control mejoradas que mejoran la fiabilidad del control en cascada.
Un sistema de calefacción más eficaz
Los controladores en cascada optimizan los procesos de calentamiento mediante el uso de controladores de potencia y temperatura. Hacen que los productos de calentamiento sean más eficaces con menos retrasos y menos perturbaciones. Para los OEM que realizan procesos de calentamiento intensivo, el control en cascada es la mejor opción. Póngase en contacto con el equipo de Watlow hoy mismo para obtener un sistema de control en cascada perfecto.