Les processus de chauffage industriel sont gérés par des régulateurs et capteurs d’alimentation et de température. Ces composants fonctionnent dans un environnement harmonieux pour compléter le cycle thermique d’un processus ou d’un produit. Dans la plupart des cas, ce cycle est contrôlé par un régulateur à boucle unique. Cependant, dans des cas spéciaux, l’environnement de traitement réagit beaucoup plus lentement que le dispositif de chauffage ou de refroidissement, ce qui peut entraîner des performances applicatives médiocres. Si le système est autorisé à fonctionner en modes de cyclage rapide ou fréquent, la durée de vie de l’élément de chauffage peut être réduite, des dommages ou une défaillance du système peuvent en résulter.
Une solution en ce qui concerne le chauffage serait de diminuer la densité de puissance, qui est généralement mesurée en watts par pouce carré (W/po²) de la surface de l’’élément de chauffage. Cela rapprocherait les temps de réaction de l’élément de chauffage et du système global. Cependant, si des produits de chauffage sont déjà installés dans une application, cela peut entraîner des coûts et des temps d’arrêt supplémentaires, en raison de la mise à niveau. Une meilleure solution serait d’utiliser une méthode de contrôle appelée régulation en cascade.
La régulation en cascade implique l’utilisation de deux boucles de régulation discrètes. La première boucle de régulation fournit le point de consigne pour la deuxième boucle de régulation proportionnelle intégrale dérivée (PID). Ce système est conçu pour fournir une réponse améliorée aux gains et perturbations non linéaires dans les systèmes de chauffage.
Fonctionnement du contrôle en cascade
Avant de voir comment un système en cascade est configuré, examinons une boucle de contrôle unique dans une application avec un long temps de décalage. Dans l’application théorique (Figure 1), l’élément de chauffage est immergé dans un bain d’huile, tandis que le capteur se trouve dans le matériau ou le produit en cours de traitement.
En raison du long délai entre l’entrée de l’énergie thermique dans le système et le capteur mesurant le changement de température, l’huile entourant l’élément de chauffage a le potentiel de se dégrader jusqu’au point de combustion ou de “”cokéfaction autour des éléments de chauffage. Cela entraînera une défaillance prématurée de ces éléments en raison de la température extrêmement élevée du fil.
Une solution consiste à concevoir dans un système de limite de surchauffe qui utilise un deuxième capteur fixé aux éléments chauffants et à ouvrir un contacteur en amont du dispositif de commutation d’alimentation. Cependant, cela amènera les opérateurs à réinitialiser constamment un tel dispositif une fois que la valeur limite est atteinte.
La meilleure solution pour cette application est un système de régulation en cascade (Figure 2). Cela surveille la température de l’huile ainsi que le produit pour contrôler l’élément de chauffage afin d’atteindre la température de projet souhaitée.
Avec un système de régulation en cascade, il existe deux boucles de régulation ; la boucle externe ou principale utilise le capteur de produit. Il s’agit de la boucle qui préoccupe le plus le client, car elle fait référence à son produit. La boucle interne ou secondaire utilise le capteur fixé à l’élément de chauffage et exécute la deuxième boucle PID pour maintenir l’élément de chauffage en dessous d’une valeur spécifiée. Le PID primaire calcule un cycle de service de chauffage (ou refroidissement) qui est introduit dans la boucle secondaire et utilisé comme point de consigne pour les éléments chauffants.
Par exemple, si le produit’du client doit être à une température de 500°F, mais est actuellement à 100°F, la boucle principale demandera un cycle de service de 100 % en fonction des valeurs PID. Ce cycle de service sera utilisé par la boucle secondaire, avec le facteur d’échelle correct, comme point de consigne.
Si les éléments chauffants maintiennent le bain d’huile à 100 °°F lorsque le cycle de service de la boucle primaire est de zéro pour cent et 800°°F lorsque le cycle de service est de 100 %, la boucle secondaire fera fonctionner l’élément de chauffage à 800°°F et le maintiendra jusqu’à ce que le capteur de la boucle primaire atteigne 500 °°F et que le cycle de service soit diminué.
Le régulateur’ de processus F4T de Watlow est équipé de cinq ensembles de valeurs PID, ce qui en fait un régulateur PID excellent. Cependant, lorsque l’application l’exige, il existe également une boucle de régulation en cascade permettant une configuration simple et rapide de cette méthode de régulation.
Exigences pour les régulateurs en cascade
Les régulations en cascade peuvent résoudre les problèmes de boucle. Cependant, les conditions suivantes doivent être remplies :
La boucle secondaire doit avoir une influence sur la boucle principale
Pour que le système de régulation en cascade fonctionne, la boucle interne doit influencer la boucle externe de manière répétée. Cela est dû au fait que la boucle principale n’a aucun mécanisme pour s’influencer.
La boucle secondaire doit fonctionner plus rapidement que la boucle principale
Le processus secondaire doit réagir à la boucle interne trois à quatre fois plus vite que le processus principal ne réagit à la boucle externe. Cela garantit que la boucle externe dispose de suffisamment de temps pour compenser les perturbations’de la boucle interne. De plus, il garantit que les perturbations de la boucle interne n’affectent pas les processus primaires.
La boucle secondaire doit avoir des perturbations moins graves
Dans les produits de chauffage, la boucle interne doit avoir des perturbations moins graves. Sinon, le régulateur secondaire sera continuellement engagé dans la correction des perturbations dans le processus secondaire. De graves perturbations peuvent entraver les efforts correctifs’de la boucle secondaire pour le processus principal.
Avantages de la régulation en cascade
La régulation en cascade est utilisée sur les produits thermiques avancés. L’objectif de la régulation en cascade est d’améliorer les performances du processus en réduisant les perturbations grâce à l’utilisation de commandes de thermocouple. Les avantages suivants sont obtenus grâce à la régulation en cascade :
Variabilité globale réduite
Une boucle interne plus rapide peut répondre plus rapidement aux perturbations que la boucle externe. Par conséquent, il réduit la gravité des perturbations et limite la variabilité qui affecterait le processus de chauffage.
Réponse efficace aux perturbations
Dans les boucles où l’architecture en cascade est bien déployée, il existe une réponse efficace aux perturbations. La boucle interne est à la fois plus rapide que la boucle externe et plus proche de la source de la perturbation. Cela permet une correction plus rapide des perturbations dans le processus.
Réglage plus conservateur de la boucle externe
Les ingénieurs de conception peuvent régler la boucle externe pour une régulation plus stable. La boucle interne effectue des ajustements grossiers, laissant la boucle externe comme la seule option pour le réglage précis. Le régulateur’de process F4T de Watlow est l’un des meilleurs régulateurs PID que vous pouvez ajuster avec précision pour limiter la variabilité du process. Il dispose d’une régulation de puissance à ampérage élevé et d’options de régulation améliorées qui améliorent la fiabilité de la régulation en cascade.
Un système de chauffage plus efficace
Les régulateurs en cascade optimisent les processus de chauffage grâce à l’utilisation de régulateurs d’alimentation et de température. Ils rendent les produits de chauffage plus efficaces avec moins de décalages et moins de perturbations. Pour les OEM qui entreprennent des processus de chauffage lourds, la régulation en cascade est la meilleure option. Contactez l’équipe Watlow dès aujourd’hui pour un système de régulation en cascade transparent.