I processi di riscaldamento industriale sono gestiti da controller e sensori di potenza e temperatura. Questi componenti operano in un ambiente armonioso per completare il ciclo termico di un processo o di un prodotto. Nella maggior parte dei casi, questo ciclo è controllato da un controllore a circuito singolo. Tuttavia, in casi speciali, l'ambiente di processo reagisce molto più lentamente rispetto al dispositivo di riscaldamento o raffreddamento, il che può portare a scarse prestazioni applicative. Se il sistema può funzionare in modalità ciclica rapida o frequente, possono verificarsi una riduzione della durata del riscaldatore, danni o guasti del sistema.
Una soluzione rispetto al riscaldamento può essere quella di diminuire la densità in watt, che è tipicamente misurata in watt per pollice quadrato (W/in ²) dell'area superficiale’del riscaldatore. Ciò porterebbe i tempi di reazione del riscaldatore e del sistema complessivo più vicini. Tuttavia, se i prodotti scaldanti sono già installati in un'applicazione, ciò può comportare costi aggiuntivi e tempi di fermo dovuti al retrofit. Una soluzione migliore sarebbe utilizzare un metodo di controllo noto come controllo a cascata.
Il controllo a cascata prevede l'uso di due circuiti di controllo discreti. Il primo circuito di controllo fornisce il valore impostato per il secondo circuito di controllo derivativo integrale proporzionale (PID). Questo sistema è progettato per fornire una migliore risposta ai guadagni e ai disturbi non lineari negli impianti di riscaldamento.
Come funziona il controllo a cascata
Prima di scoprire come è configurato un sistema a cascata, osserviamo un singolo ciclo di controllo in un'applicazione con un lungo ritardo. Nell’applicazione teorica (Figura 1), il riscaldatore viene immerso in un bagno d’olio, mentre il sensore si trova nel materiale o nel prodotto in lavorazione.
A causa del lungo tempo di ritardo tra l'energia termica che entra nel sistema e il sensore che misura il cambiamento di temperatura, l'olio che circonda il riscaldatore ha il potenziale di degradarsi fino al punto di bruciatura o “di coking” intorno agli elementi riscaldatori. Ciò causerà un guasto prematuro di tali elementi a causa della temperatura estremamente elevata del filo.
Una soluzione è progettare in un sistema di limite di sovratemperatura che usa un secondo sensore fissato agli elementi riscaldatori e aprire un contattore a monte del dispositivo di commutazione di potenza. Tuttavia, ciò farà sì che gli operatori resettino costantemente tale dispositivo una volta raggiunto il valore limite.
La soluzione migliore per questa applicazione è un sistema di controllo a cascata (Figura 2). Questo controlla la temperatura dell’olio e del prodotto per controllare il riscaldatore e raggiungere la temperatura di progetto desiderata.
Con un sistema di controllo a cascata, sono presenti due anelli di controllo: il circuito esterno o quello primario utilizza il sensore del prodotto. Questo è il ciclo di cui il cliente è più preoccupato, in quanto si riferisce al suo prodotto. L'anello interno, o secondario, usa il sensore collegato al riscaldatore ed aziona il secondo anello PID per mantenere il riscaldatore al di sotto di un valore specificato. Il PID primario calcola un ciclo di lavoro di riscaldamento (o raffreddamento) che viene alimentato nel circuito secondario e usato come punto preimpostato per gli elementi riscaldatori.
Ad esempio, se il prodotto’del cliente deve essere a una temperatura di 500°F, ma è attualmente a 100°F, il circuito primario richiederà il ciclo di lavoro al 100% a seconda dei valori PID. Questo ciclo di lavoro sarà utilizzato dal circuito secondario, insieme al fattore di scala corretto, come valore impostato.
Se i riscaldatori mantengono il bagno d’olio a 100 -°F quando il ciclo di lavoro dal circuito primario è pari allo zero percento e 800°F quando il ciclo di lavoro è pari al 100%, allora il ciclo secondario farà funzionare il riscaldatore a 800°F e lo manterrà fino a quando il sensore dal circuito primario non raggiunge 500°F e il ciclo di lavoro viene ridotto.
Il controller’ di processo Watlow s F4T è dotato di cinque set di valori PID che lo rendono un controller PID eccellente. Tuttavia, quando l'applicazione lo richiede, esiste anche un circuito di controllo in cascata che consente una configurazione semplice e rapida di questo metodo di controllo.
Requisiti per i controllori in cascata
I controlli a cascata possono risolvere i problemi del circuito. Tuttavia, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:
Il circuito secondario deve avere influenza sul circuito primario
Affinché il sistema di controllo a cascata funzioni, il circuito interno deve influenzare ripetutamente il circuito esterno. Questo perché il circuito primario non ha alcun meccanismo per influenzarsi.
Il circuito secondario deve funzionare più velocemente del circuito primario
Il processo secondario deve reagire al circuito interno tre o quattro volte più velocemente rispetto al processo primario che reagisce al circuito esterno. Ciò garantisce che il circuito esterno abbia tempo sufficiente per compensare i’disturbi del circuito interno. Inoltre, garantisce che i disturbi del circuito interno non influiscano sui processi primari.
Il circuito secondario deve presentare disturbi meno gravi
Nei prodotti riscaldanti, il circuito interno deve presentare disturbi meno gravi. In caso contrario, il controller secondario sarà continuamente impegnato nella correzione dei disturbi nel processo secondario. Gravi disturbi potrebbero ostacolare gli sforzi correttivi’del circuito secondario verso il processo primario.
Vantaggi del controllo a cascata
Il controllo a cascata viene utilizzato su prodotti termici avanzati. Lo scopo del controllo in cascata è migliorare le prestazioni del processo riducendo i disturbi attraverso l'uso di controlli a termocoppia. I seguenti vantaggi si ottengono attraverso il controllo a cascata:
Variabilità complessiva ridotta
Un circuito interno più veloce può rispondere più rapidamente ai disturbi rispetto al circuito esterno. Pertanto, riduce la gravità dei disturbi e limita la variabilità che influirebbe sul processo di riscaldamento.
Risposta efficace ai disturbi
Nei loop in cui l'architettura a cascata è ben distribuita, esiste una risposta efficace ai disturbi. Il circuito interno è più veloce del circuito esterno e più vicino alla fonte del disturbo. Ciò consente una correzione più rapida dei disturbi nel processo.
Messa a punto del circuito esterno più conservativa
I progettisti possono regolare il circuito esterno per un controllo più costante. Il circuito interno effettua regolazioni grossolane, lasciando il circuito esterno come unica opzione per la regolazione fine. Il controller di processo F4T ’di Watlow è uno dei migliori controller PID che è possibile regolare per limitare la variabilità del processo. Dispone di un controllo dell'alimentazione ad alta amperaggio e opzioni di controllo avanzate che migliorano l'affidabilità del controllo in cascata.
Un sistema di riscaldamento più efficace
I controller a cascata ottimizzano i processi di riscaldamento attraverso l'uso di controller di potenza e temperatura. Rendono i prodotti di riscaldamento più efficaci con ritardi ridotti e meno disturbi. Per gli OEM che si occupano di processi di riscaldamento pesanti, il controllo a cascata è l'opzione migliore. Contattate oggi stesso il team Watlow per un sistema di controllo a cascata senza interruzioni.