Uso de controladores de temperatura e micro CLPs para agilizar projetos de automação em pequena escala

Calor. É importante em muitos processos industriais, como máquinas de selagem de embalagens, operações de moldagem de plástico, fornos de refluxo de solda, processamento de semicondutores, etc. Cada processo tem necessidades específicas de níveis de temperatura e precisão de controle.

A automação ajuda a obter o máximo de produtividade e sustentabilidade nas operações da Indústria 4.0. Máquinas pequenas e processamento térmico não são exceções. Mas nem todas as circunstâncias exigem soluções amplas e abrangentes. Muitas aplicações podem ter um desempenho aprimorado com controladores de temperatura dedicados, relativamente simples, além de pequenos controladores lógicos programáveis (CLPs).

Os projetistas de máquinas podem escolher entre uma variedade de opções para projetos de automação simples, incluindo controladores de aquecedores para ambientes de energia monofásica e trifásica, controladores de aquecedores com uma variedade de algoritmos de controle sofisticados e CLPs otimizados para ambientes de automação de pequeno e médio porte. Algumas máquinas pequenas trabalham em relativo isolamento, enquanto outras podem se beneficiar da conectividade com a operação maior.

Este artigo apresenta uma análise dos controladores de potência e das opções de controladores de aquecimento, incluindo considerações sobre hardware e software. Ele encerra com uma visão geral das questões de integração de sistemas relacionadas a tecnologias de sensores para medição de temperatura e CLPs otimizados para máquinas de pequeno e médio porte e apresenta produtos exemplares da Omron.

Desde a cura de materiais, como resinas termofixas e adesivos, até a produção de alimentos e bebidas, os processos industriais geralmente exigem controle de temperatura para manter a eficiência e garantir a qualidade. Os aquecedores industriais são necessários, mas os controladores de temperatura são fundamentais.

Há mais de uma maneira de controlar a temperatura dos aquecedores industriais. As prioridades operacionais do sistema determinam a abordagem selecionada. O controle de tensão simples pode ser usado quando os custos operacionais são a principal consideração e o controle de temperatura menos preciso é tolerável.

Ao regular a tensão que alimenta o elemento de aquecimento, o consumo de energia do aquecedor pode ser controlado e a saída de calor pode variar. As alterações na tensão podem ser implementadas rapidamente, produzindo alterações de temperatura correspondentes, mas com um atraso que varia de acordo com o projeto do sistema. A redução da tensão reduzirá os custos de energia e diminuirá a temperatura. Ainda assim, o tempo de reação para reduções de temperatura pode ser muito longo para muitos processos, e pode ser difícil controlar a temperatura com precisão.

Além do controle básico de tensão

Para muitas aplicações, o controle básico de tensão é inadequado. Nesses casos, os projetistas podem usar o controle liga/desliga, o controle de ciclo, o controle de ciclo ideal ou o controle de fase (Figura 1). Cada uma dessas técnicas apresenta um conjunto diferente de características de desempenho:

• O controle de fase oferece a melhor resposta de controlabilidade com bom tamanho e custo de solução, além de desempenho contra ruído aceitável para a maioria das aplicações.
• O controle de ciclo oferece boa resposta de controlabilidade, tamanho e custo da solução e excelente desempenho contra ruído. No controle de ciclo "ideal", o status de comutação é determinado a cada meio ciclo.
• O controle liga/desliga usando relés de estado sólido (SSRs) oferece uma boa resposta de controlabilidade com o menor tamanho de solução, custo razoável e excelente desempenho contra ruído.

Figura 1: Opções de comutação de energia para controle de aquecedores industriais. (Fonte da imagem: Omron)

Implementação do controle de fase e do controle de ciclo ideal

A Omron oferece aos projetistas várias opções para implementar o controle liga/desliga, o controle de fase ou o controle de ciclo ideal, incluindo o modelo G3PW-A245EU-S, dimensionado para tensões operacionais de 100 V_CA a 240 V_CA; outros modelos estão disponíveis para operação de 400 V_CA a 480 V_CA.

Esses controladores incluem detecção de queima do aquecedor para aumentar o tempo de operação do sistema. Uma porta de comunicação RS-485 é usada para definir variáveis e monitorar a corrente de carga.

Os controladores G3PW suportam monitoramento total do tempo de funcionamento e são adequados para uso com cargas de resistência constante e de resistência variável.

Controladores de potência multicanal

A série de controladores de potência multicanal G3ZA adiciona o controle de ciclo ideal trifásico para dar suporte a aquecedores trifásicos. Quando usado com SSRs com passagem por zero, ele aceita a operação de potência com pouco ruído. Um controlador pode controlar até 8 SSRs. Além disso, uma função de partida suave está disponível para aquecedores de lâmpadas (Figura 2).

Figura 2: Os controladores de potência multicanal G3ZA suportam o controle de ciclo ideal trifásico. (Fonte da imagem: Omron)

O controle de ciclo ideal trifásico foi adicionado para aquecedores trifásicos. O modelo G3ZA-4H203-FLK-UTU é dimensionado para operação de 100 V_CA a 240 V_CA e inclui conectividade RS-484. Outros modelos estão disponíveis para operação de 400 V_CA a 480 V_CA.

Controladores de temperatura para integração de sistemas

Os controladores de temperatura, como o EJ1N-TC4A-QQ, podem se conectar a controladores de potência, como a série G3ZA de controladores multicanais. Eles têm entradas para sensores de temperatura, bem como conexões para o CLP do sistema. A unidade de entrada pode lidar com termopares, detector resistivo de temperatura (RTDs) em platina e entradas analógicas.

A funcionalidade inclui o ajuste automático (AT) que pode ajudar a implementar o controle proporcional-integral-digital (PID). O autoajuste pode ser usado para determinar manualmente as constantes do PID, usando o método de resposta a degraus. Até 16 controladores de temperatura podem ser conectados, usando um único hub de comunicação DeviceNet.

Software de gerenciamento térmico

Os controladores de temperatura EJ1N podem se beneficiar do uso do pacote de software de suporte térmico EST2-2C-MV4. Esse software permite a edição e o download em lote de parâmetros de um computador pessoal, acelerando a configuração e o comissionamento.

Ele também suporta o monitoramento de tendências de até 31 controladores. Os parâmetros que podem ser monitorados incluem valores de processo (PVs), valores do sistema (SVs), valores manipulados (MVs), parâmetros PID e status de ativação/desativação de alarmes.

As operações lógicas suportadas incluem a configuração de entradas a partir de entradas externas (entradas de eventos) ou status de temperatura, o envio de valores para controle externo ou saídas auxiliares e a alteração do estado operacional com atrasos de ativação/desativação.

PID aprimorado

O controle PID pode ser muito útil para aplicações de controle de temperatura. Controladores de potência como a série G3ZA de controladores multicanais com SSRs de comutação rápida, aliados com os controladores de temperatura que usam algoritmos PID, podem fornecer o controle refinado necessário para manter as tolerâncias exigidas de temperatura.

O controle PID básico envolve uma troca entre atingir rapidamente o SV de operação com uma quantidade mensurável de sobressinal ou minimizar o sobressinal, mas com uma rampa mais lenta até o SV. Além disso, há uma compensação entre atingir o SV e responder a distúrbios no PV real, conforme medido por um sensor. A melhor resposta às mudanças de PV está frequentemente associada a um desempenho ruim do aumento da rampa do SV.

Para resolver essas compensações de desempenho, a Omron desenvolveu um algoritmo PID aprimorado chamado 2-PID, ou PID de dois graus de liberdade. As predefinições de PID de fábrica são adequadas para a maioria das aplicações de aquecimento e suportam respostas com o mínimo de sobressinal. No entanto, com o 2-PID, os projetistas podem definir a velocidade de reação às mudanças no SV, e o controlador ajusta automaticamente o algoritmo do PID para fornecer uma resposta otimizada aos distúrbios no PV (Figura 3).

Figura 3: O controle de temperatura Omron 2-PID (gráfico inferior) combina uma boa resposta a distúrbios (lado direito) com uma boa resposta a degraus (lado esquerdo). (Fonte da imagem: Omron)

O controle 2-PID está incluído nos controladores de temperatura E5CC da Omron, como o E5CC-QX3A5M-003. Esses controladores também podem implementar o controle básico de liga/desliga para aplicações menos exigentes.

O grande display mostra o PV na cor branca e o display verde menor mostra o valor desejado do SV (Figura 4). O software de gerenciamento CX-Thermo opcional permite uma programação rápida. Para aplicações simples, esses controladores podem implementar funções de temporizador e operações lógicas básicas com a intervenção de um CLP.

Figura 4: Os controladores de temperatura E5CC exibem claramente os valores PV e SV. (Fonte da imagem: DigiKey)

A interface RS-485 suporta comunicação Modbus ou CompoWay/F de propriedade da Omron. Esses controladores aceitam uma variedade de entradas, incluindo:

• 12 tipos de termopares
• RTDs PT100 ou JPt100
• Entradas de corrente de 4 a 20 mA ou 0 a 20 mA
• Entradas de tensão de 1 a 5 V, 0 a 5 V ou 0 a 10 V

PID adaptável para supressão de interrupções

Os controladores de temperatura adaptativos NX-TC levam o controle PID para o próximo nível e podem se adaptar às condições operacionais em tempo real. O controle adaptativo permite a auto-otimização das configurações de controle, devido às mudanças no processo. Além disso, esses controladores incluem funções integradas para aplicações como selagem de embalagens e extrusoras de plástico resfriadas a água. Para aplicações simples, é possível implementar o controle básico de ligar/desligar.

A função de supressão de distúrbios (DSF) funciona em conjunto com o controle PID para suprimir quedas de temperatura, causadas por distúrbios rotineiros e previstos em aplicações como:

• Equipamentos de deposição, em que a temperatura da câmara cai quando o gás é injetado ou o material é adicionado, ou removido por uma porta aberta
• Sondas de lâmina semicondutora, quando a corrente é aplicada à lâmina, resultando em um aumento de temperatura
• Sistemas de moldagem em que a temperatura do molde cai, quando a resina é injetada

A DSF suprime automaticamente as excursões positivas e negativas de temperatura, causadas por eventos previsíveis. A DSF é iniciada por sinais de gatilho, antes do distúrbio e é adicionada ou subtraída da MV. Essa autosintonia ajusta o VM de avanço (FF), o tempo de operação do FF e o tempo de espera do FF e pode reduzir o tempo para atingir a estabilização da temperatura em até 80% (Figura 5).

Figura 5: O controle PID aprimorado por DSF pode reduzir o tempo de espera para a estabilização da temperatura em até 80%. (Fonte da imagem: Omron)

As unidades NX-TC, como o NX-TC2405 de 2 canais projetados para acionar SSRs, são otimizadas para escalabilidade. Os projetistas podem usar o Sysmac studio da Omron para programar o controle de vários circuitos de aquecimento ou locais, ao implementar processos de aquecimento/resfriamento de vários estágios.

Além do PID DSF, esses controladores suportam controle liga/desliga e incluem uma função de detecção de erro da queima do aquecedor. Eles incluem EtherNet/IP e EtherCAT para conectividade de rede e podem aceitar uma variedade de entradas de sensor de termopar ou RTD.

Não é possível otimizar o que não se mede

Os projetos de comutação de potência, os controladores de temperatura e o software de gerenciamento térmico não podem oferecer desempenho ideal em um vácuo de informações. Os sensores de temperatura fornecem os dados operacionais que permitem que os controladores e o software façam seu trabalho. Há uma grande variedade de tecnologias de sensores de temperatura disponíveis para os projetistas, incluindo:

• Os termistores que funcionam como resistores sensíveis à temperatura. Normalmente, eles têm repetibilidade e estabilidade de cerca de ±0,1°C. O modelo E52-THE5A-0/100C tem uma faixa de temperatura operacional de -50°C a 300°C.
• Um sensor de temperatura Tipo K é um termopar que contém condutores de cromel e alumel. Eles podem ser configurados como sensores de imersão, sensores de superfície ou outros estilos. O modelo E52-CA1GTY 2M tem uma faixa de temperatura operacional de 0°C a 300°C.
• Os sensores RTD são altamente precisos e sua imunidade a ruídos elétricos os torna adequados para ambientes industriais severos. O sensor RTD de platina pt100 E52-P6DY 1M é dimensionado para operação de -50°C a 250°C.
• Sensores infravermelhos (IV) sem contato, como o ES1-LW100-N, podem medir temperaturas de uma área-alvo de 35 mm de diâmetro a uma distância de 1.000 mm. É especificado para temperaturas de até 1.000°C.

Unindo tudo em um sistema

Os projetistas de máquinas de pequeno e médio porte com até 320 E/Ss podem recorrer aos CLPs da série CPE2 da Omron. Os recursos de comunicação desses pequenos CLPs suportam transferências de dados de máquina a máquina (M2M) e integração à Internet Industrial das Coisas (IIoT).

Com uma faixa de temperatura de operação de -20°C a +60°C, os CLPs CPE2 são adequados para várias aplicações industriais, como máquinas de embalagem e selagem, máquinas de envase e tamponamento, ferramentas de usinagem de metal ou plástico, máquinas de moldagem de plástico e montagem de peças pequenas. O modelo CP2E-N30DR-D tem 18 entradas e 12 saídas e pode operar com alimentação de 100 a 240 V_CA ou 24 V_CC. Ele pode ser combinado com a IHM de tela tátil colorida de 7" NB7W-TW01B para uma solução completa de sistema (Figura 6).

Figura 6: Controlador Omron CP2E-N30DR-D e IHM com tela tátil colorida de 7" NB7W-TW01B. (Fonte da imagem: Omron)

Conclusão

O gerenciamento do calor é um aspecto essencial de muitos processos industriais. Isso requer a seleção e a integração de controladores de potência e controladores de aquecedor com algoritmos otimizados. Os sensores de temperatura são outra peça importante do quebra-cabeça do gerenciamento de calor. Por fim, os projetistas podem recorrer a pequenos CLPs para dar suporte à comunicação M2M e à integração à IIoT.