Conheça mais sobre o controle da temperatura

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Cristiano Bertulucci Silveira

O controle de temperatura aplicado na indústria é uma das tecnologias essenciais na fabricação adequada de produtos pois em um processo de fabricação, se a temperatura variar muito acima ou abaixo da faixa ideal necessária para uma determinada fase de um processo de fabricação, os resultados podem ser revestimentos danificados, adesão inadequada, material enfraquecido ou um componente comprometido. Por este motivo, torna-se cada vez mais importante que o fabricante não apenas determine a temperatura adequada para cada etapa de produção, mas também monitore a temperatura dentro deste processo.

Os controladores de temperatura nas operações de fabricação cumprem a seguinte função: São responsáveis por garantir que a etapa do processo opere dentro dos padrões, medindo a temperatura constantemente e comparando e corrigindo com a temperatura especificada (programadas internamente) no controlador. Como resultado, os fabricantes podem descobrir problemas relacionados com a temperatura mais rapidamente e tratá-los quando necessário. Existem três tipos gerais de controles de temperatura que são aplicados durante os processos de fabricação: controle de temperatura ON-OFF, Proporcional e PID.

O controle de temperatura ON/OFF é o mais barato de todos os tipos de controle e também o mais simples em termos de funcionamento pois o seu controle é apenas ligar ou desligar. Por exemplo, no caso de uma temperatura medida ficar abaixo de um certo ponto, os sinais de controle são enviados para a máquina ligar um resistência de forma com que a temperatura se eleve. Da mesma forma, se a temperatura ultrapassar um determinado ponto, o controle de temperatura é acionado para desligar a resistência ou ligar um sistema de resfriamento a fim de baixar esta temperatura.

controle de temperatura on off

Um outro exemplo comum de controle ON/OFF é um termostato doméstico de uma geladeira por exemplo. Quando a temperatura cai abaixo de um certo ponto, o controlador aciona o motor da geladeira para diminuir a temperatura e fazer com que ela volte ao valor programado. Com o ar condicionado funciona da mesma maneira: se a temperatura sobe passando um certo ponto, o controlador aciona o ar-condicionado, fazendo com que a temperatura volte ao estado que foi programada. Controles ON/OFF são freqüentemente usados em processos onde a mudança de temperatura é muito lenta e o controle de temperatura não é necessário.

Ao contrário do controle de temperatura ON/OFF, que só atua quando um limite ajustado é atingido, os controles proporcionais são projetados para responder à mudança de temperatura antes que ela saia da faixa desejada. Essencialmente, os controles proporcionais aumentam ou diminuem a fonte de energia à medida que a temperatura atinge seu limite superior, inferior ou Setpoint, o que retarda ou acelera o aquecimento e ajuda a estabilizar a temperatura.

controle-de-temperatura-proporcional-1

Pela Figura 2, podemos ver que a uma variação no tempo do disparo de um rele ou um Triac pode resultar em uma porcentagem da carga em relação a original na saída. Veja que ligando a saída por 5 segundos e deixando ela desligada por mais 15 segundos até ligar ela novamente, fazemos com que o sistema dose a energia de forma com que a carga na saída se mantenha a 25% da energia que poderia vir da carga e existir ali. Veja abaixo outro exemplo em que aumentamos o tempo ligado para 12 segundos e o tempo desligado para 8 segundos. Agora temos uma carga na saída 60% da carga nominal.

controle-de-temperatura-proporcional-2

O tempo de ciclo deve ser curto o suficiente para permitir que a massa térmica da carga suavize os pulsos de comutação e neste exemplo utilizamos um ciclo de 20 segundos. Deve-se atentar que alguns sistemas podem necessitar de tempos de ciclo mais curtos do que os que suportados por um relé por exemplo. Nesses casos, um relé de estado sólido é tipicamente usado com tempos de ciclo de até 0,2 segundos.

Na prática, o tempo de ciclo pode não ser uma constante, podendo variar com a demanda da potência. A seguir você pode ver uma animação e entender como variando a largura dos pulsos, podemos dosar a energia e qual o resultado produzido em um diodo (mais ou menos energia para produzir luz):

inversor de frequencia pwm

O controle de temperatura PID combina os chamados controle proporcional com o controle integral e derivativo (PID). Assim, ele permite que o sistema opere dentro de uma banda proporcional da mesma forma que um controle proporcional faz mas com duas características adicionadas que melhoram a regulação global da temperatura. O recurso proporcional permite que o controle reaja às circunstâncias atuais e ajuste adequadamente. Já valor integral leva em consideração a soma de eventos recentes (ou seja, ritmos de controle proporcional passados) e o valor derivado por sua vez determina a reação apropriada com base na taxa com a qual os ritmos passados estão mudando. Combinados, os três usam dados atuais, dados passados e a taxa na qual os dados estão mudando para definir um algoritmo específico de controle de temperatura compensando assim, o erro de temperatura entre a variável de processo e o ponto de ajuste, mantendo uma temperatura constante.

controle-de-temperatura-pid

Em termos simples, PID significa:

P para Proporcional
I para Integral
D para Deirivativo

Ao decidir qual o tipo de controle é melhor para um processo específico, há várias coisas que devemos ter em mente. Em primeiro lugar, considere o tipo de sensor de entrada (termopar ou RTD) e o intervalo de temperatura que o seu processo exige. Em segundo lugar, considere a forma que a saída deve ser associada: relé eletromecânico, SSR ou saída analógica. Em terceiro lugar, decida que tipo de algoritmo de controle é necessário (on/off, proporcional ou PID). Por fim, considere o número e o tipo de saídas necessárias para a aplicação, como calor, resfriamento, alarme e limite. Uma vez que estes fatores foram determinados, será muito mais fácil determinar que tipo de controlador de temperatura é adequado para uma aplicação específica.

O controlador de temperatura é necessário em qualquer situação onde é desejado manter a temperatura estável e controlada. Isto pode ser uma situação onde deseja-se manter objetos quentes ou resfriados e que esta temperatura esteja igual a temperatura alvo (setpoint), independente de mudanças no ambiente. Neste contexto, existem dois tipos fundamentais de controlador de temperatura: o de controle em malha aberta e o de controle em malha fechada sendo que o de controle em malha aberta é a aplicação mais básica de controle de temperatura e nesta aplicação a temperatura real do objeto não é levada em consideração.

controlador-de-temperatura-malha-aberta-malha-fechada

Para que você possa entender melhor o controle em malha aberta, imagine o sistema de ar condicionado de um carro convencional. Em um dia quente, o ar condicionado regulado no máximo deixaria a temperatura confortável, mas por outro lado em um dia frio, a mesma configuração deixaria o ambiente do carro muito gelado pois o controlador de temperatura opera sem considerar a temperatura ambiente.

Para que a temperatura ambiente seja considerada, é necessário a utilização de um sensor que faz a leitura da da temperatura e informa ela ao controlador que por sua vez realiza o controle a fim de manter um valor desejado. Na figura acima podemos ver esta diferença na indústria em que temos o aquecimento de um tanque. No controle em malha aberta o operador deve olhar a temperatura e então agir na válvula manualmente. A válvula opera sem ter o valor exato da temperatura na sua entrada. Por outro lado em malha fechada, a válvula abre e fecha no tempo exato pois ele sabe exatamente como está ficando a temperatura na saída.

Abaixo, você pode visualizar um diagrama de controle em malha aberta:

controlador de temperatura malha aberta

Já o controle em malha fechada é mais sofisticado e nestas aplicações a saída da temperatura é medida e ajustada constantemente a fim de manter constante a temperatura de saída próxima da desejada (setpoint). Como exemplo, podemos citar a medição da temperatura feita pelo sensor de temperatura dentro de um forno que comprada com o setpoint definido no controlador do painel elétrico. O controlador de temperatura por sua vez se encarrega de manter e controlar o processo da forma como deve ser. Veja abaixo um diagrama de controle em malha fechada:

controlador de temperatura em malha fechada

Como vimos, o controlador de temperatura é um dispositivo aplicado para manter uma temperatura desejada em um valor específico. O exemplo mais simples de controlador de temperatura é o encontrado nas geladeiras das residências onde um termostato mede a temperatura do refrigerador e envia a informação para o controlador de forma com que ele comanda o motor da geladeira que por sua vez faz circular gás nas serpentinas que retiram calor interno da geladeira de forma com que a sua temperatura fique dentro da regulada por você. Também temos o exemplo do forno elétrico, onde o controlador monitora a temperatura interna e liga ou desliga a resistência de forma com que a temperatura fique dentro da desejada.

O controlador de temperatura aplicado na indústria opera da mesma forma do que os encontrados nas residências sendo que as aplicações mais comuns são para o controle de aquecimento e resfriamento de fornos, chillers e ar condicionados individuais e centrais. No ambiente industrial utiliza-se vários tipos de sensores que medem a temperatura constantemente e que comparam esta medição com a desejada gerando assim um sinal de correção de forma com que os dispositivos como válvulas proporcionais ou controladores de corrente e tensão ajustem a energia necessária para manter a temperatura desejada.

Algumas das aplicações que podemos encontrar o controlador de temperatura gerenciando a manufatura são em extrusoras de plástico, formadoras térmicas, embalagens, processamento e armazenamento de alimentos, etc. A seguir podemos ver alguns exemplos nestes segmentos:

Tratamento Térmico / Fornos

Os controladores de temperatura são usados em fornos e em aplicações de tratamento térmico tais como fornos cerâmicos, caldeiras e trocadores de calor.

Embalagem

No mundo da embalagem, as máquinas equipadas com barras de vedação, aplicadores de cola, funções de fusão a quente, túneis de encolhimento ou aplicadores de etiquetas devem operar com níveis de temperatura e tempo de processo estabelecidos por padrões de qualidade. Neste quesito, o controlador de temperatura regula com precisão estas operações para garantir a fabricação de produto com alta qualidade.

Plástico

É comum realizar o controle de temperatura na indústria de plásticos em chillers portáteis, secadores e equipamentos de moldagem e extrusão. Em equipamentos de extrusão, o controlador de temperatura é utilizado para monitorar e controlar precisamente temperaturas em diferentes pontos críticos na produção do plástico.

Saúde e Farmacêutico

O controlador de temperatura é  utilizado no setor de saúde para aumentar a precisão. Equipamentos comuns que utilizam estes dispositivos incluem instrumentos de ensaio de laboratório, autoclaves, incubadoras, equipamento de refrigeração, câmaras de cristalização e câmaras de ensaio onde os espécimes devem ser mantidos dentro de parâmetros de temperatura específicos.

Alimentação

As aplicações comuns de processamento de alimentos que envolvem o controlador de temperatura incluem processos que possuem preparação de cerveja, mistura, esterilização e fornos de cozimento e recozimento sendo que nestes processos os controladores regulam a temperatura e/ou tempo de processo para garantir um desempenho ideal.

Todos os controladores de mercado possuem alguns pontos em comum que são as entradas e as saídas. Tipicamente, se você deseja medir algo, você precisa de uma entrada de medição, que neste caso é a temperatura. Após medir, se você deseja controlar algo, entrão você precisará de uma saída.
O controlador de temperatura pode ter diferentes tipos de entradas. Isto porque a entrada depende do tipo do sinal e do sensor especificado para determinado processo. Os 3 tipos de sensores para aplicações de temperatura são os termoacopladores ou termopares, resistivos (RTDs) e termistores.

termopar

Os termopares ou termoacopladores incluem os tipos J, K, T, R, S, B e L entre outros e a letra se caracteriza pela composição dos materiais que compõem os 2 fios do instrumento de medição e pela temperatura que eles suportam. Por possuir um par de fios distintos em termos de materiais, eles também são chamados de termopar. Abaixo, você pode ver uma tabela com a característica mostrando a composição de cada um de cada um. (clique na tabela para uma melhor visualização)

controlador-temperatura-tabela-termopar

 

 

 

 

 

 

 

 

controlador-de-temperatura-rtd-resistivo-pt100

 

Os RTDs (Resistance Temperature Detectors) utilizam materiais como a platina em sua composição que suporta temperaturas de até 500ºC ou níquel (um pouco menos estável que a platina). Eles se baseiam na variação da resistividade com a temperatura e por possuírem característica resistivas podem apresentar uma desvantagem com relação ao termopar devido ao fato de que quando a corrente circula pelo RTD, ela provoca aquecimento, que pode interferir na medição da temperatura. Tipicamente o RTD é chamado de PT100 é composto por platina, possuindo 100Ω e é muito encontrados em processos com fornos industriais.

controlador-temperatura-termistor-ntc-ptc

Os termistores podem ser de dois tipos: NTC ou PTC e são sensores semicondutores que podem ter a varição de resistência de forma proporcional. A resistência pode se elevar com a temperatura (PTC – positive temperature coeficient) ou se comportar de forma inversa em que a resistência diminui com a elevação da temperatura (NTC – negative temperature coeficient).

Os termistores são muito encontrados nas geladeiras, freezers e tanques de refrigeração de bebidas.

Alternativamente, o controlador de temperatura pode possuir entradas de tensão e corrente, permitindo assim a aquisição de sinais de outros tipos de sensores como pressão, nível e fluxo. Entradas típicas de sinais de tensão podem ser de 0 a 5VDC, 0 a 10VDC (mais comum) e 2 a 10VDC. Já para entradas do tipo corrente, podemos encontrar no mercado a de 0 a 20mA e 4 a 20mA (mais comum).

Tipicamente, um controlador de temperatura pode ter incorporado um recurso para detectar quando um sensor de entrada está com defeito ou está ausente. Isso é conhecido como detecção de falha de sensor e sem esta funcionalidade de condição de falha, poderão haver danos significativos ao equipamento a ser controlado caso falhe o sensor pois esse recurso permite que o controlador interrompa o processo imediatamente se uma condição de falha do sensor for detectada.

Da mesma forma que os controladores possuem entradas, eles também possuem saídas sendo que cada saída pode ser utilizada para fazer várias funções, incluindo controle de processo tais como ligar ou desligar aquecimento ou resfriamento, disparar um alarme ou enviar o valor de temperatura para um CLP.

As saídas típicas de um controlador de temperatura incluem reles comuns, reles de estado sólido e saídas analógicas. Uma saída a rele possui tipicamente um polo alinhado com uma bobina de tensão DC. O controlador energiza a bobina do rele, provendo isolação dos seus contatos. Isso permite que os contatos controlem uma fonte de tensão externa capaz de alimentar a bobina de um contator que fará o controle em correntes muito mais elevadas por exemplo.

Outro tipo de saída que pode ser encontrada em um controlador de temperatura é a do tipo SSR. SSR são saídas lógicas que ligam ou desligam um rele de estado sólido. A maioria dos relés de estado sólido requerem de 3 a 32VDC para ligar e um SSR típico com sinal de 10V pode ativar até três relés de estado sólido.

Um triac fornece a função de rele sem peças móveis. É um dispositivo de estado sólido que controla correntes de até 1A e suas saídas podem permitir uma pequena quantidade de corrente de fuga, geralmente menor que 50mA. Esta corrente de fuga não afeta circuitos de contator de aquecimento, mas pode ser um problema se a saída for usada para conectar a outro circuito de estado sólido, como uma entrada de um CLP. Se isso é uma preocupação, um contato de relé padrão seria uma escolha melhor pois fornece corrente zero absoluta quando a saída é desenergizada e os contatos estão abertos.

Saídas analógicas também podem ser encontradas no controlador de temperatura com sinais típicos de 0-10V ou 4-20mA sendo que estes sinais são calibrados de modo a variar em porcentagem da saída. Por exemplo, se um controlador de temperatura estiver enviando um sinal de 0%, a saída analógica será 0V ou 4mA. Da mesma forma, quando o controlador estiver enviando um sinal de 50%, a saída será 5V ou 12mA e quando ele estiver enviando um sinal 100%, a saída será 10V ou 20mA.

Um controlador de temperatura poderá possuir vários parâmetros além do Setpoint. Basicamente o Setpoint é o alvo setado pelo operador e representa o que o controlador precisa manter estável. Por exemplo, uma temperatura nominal de 30°C significa para o controlador que ele deverá manter a temperatura neste valor o tempo todo.

Alarme Alto ou Baixo – Outro parâmetro é o valor de alarme que é utilizado para indicar quando um processo atingiu alguma condição determinada. Há algumas variações nos tipos de alarmes. Por exemplo, um alarme alto pode indicar que a temperatura ficou mais quente do que o valor ajustado e da mesma forma, um alarme baixo pode indicar que a temperatura caiu abaixo do valor ajustado.

Em um sistema de controle de temperatura, um alarme fixo elevado evita que uma fonte de calor danifique o equipamento desligando a fonte se a temperatura exceder algum valor de Setpoint. Um alarme fixo baixo, por outro lado pode proteger o equipamento caso exceda a mínima temperatura evitando o congelamento.

O controlador de temperatura também pode testar um dispositivo de saída danificado, tal como um elemento de aquecimento aberto. Isto pode ser feito verificando a quantidade de sinal de saída e comparando com a quantidade de alteração detectada no sinal de entrada. Por exemplo, se o sinal de saída for 100% e o sensor de entrada detectar qualquer alteração na temperatura após um certo período de tempo sem alterar a saída, o controlador determinará que o loop está quebrado. Esse recurso é conhecido como alarme de Loop.

Alarme de Desvio – Outro tipo de alarme é o alarme de desvio que é ajustado em algum valor em torno do Setpoint. O alarme de desvio monitora o ponto de ajuste do processo e permite que o operador seja notificado quando o processo variar muito em relação ao valor pré-programada do Setpoint.

Alarme de Banda – Uma variação no alarme de desvio é o alarme de Banda e ele será ativado dentro ou fora de uma faixa de temperatura designada. Tipicamente, os pontos deste tipo de alarme são definidos metade acima e metade abaixo do ponto de ajuste do controlador de temperatura. Por exemplo, se o ponto de ajuste for 150° e os alarmes de desvio estiverem ajustados em ± 10°, os alarmes seriam ativados quando a temperatura atingisse 160° no extremo superior ou 140° no extremo inferior. Se o Setpoint for alterado para 170°, o alarme alto ativará a 180° e o alarme baixo a 160°.

Abaixo podemos ver uma Figura com os diferentes tipos de alarmes para um controlador de temperatura.

parametro-alarme-controlador-temperatura

Outro conjunto comum de parâmetros do controlador de temperatura são os parâmetros PID, que significa proporcional, integral, derivada e é uma função de controle avançado que usa feedback do processo controlado para determinar a melhor forma de controlar esse processo. Todo controlador de temperatura, do básico ao mais complexo opera basicamente da mesma forma.

Vimos que basicamente, os controladores controlam ou mantêm alguma variável ou parâmetro com um valor definido e neste sentido existem duas variáveis requeridas pelo controlador que são o sinal de entrada real e valor de Setpoint desejado. O sinal de entrada é também conhecido como o valor do processo e é amostrado muitas vezes por segundo, dependendo do controlador para o efetivo controle

O valor de entrada ou processo, após amostrado, é comparado com o valor de Setpoint e caso o valor real não seja igual ao do Setpoint, o controlador de temperatura gera uma mudança de sinal de saída com base na diferença entre o Setpoint e o valor de processo juntamente com a informação se o valor de processo está se aproximando ou se afastando do Setpoint. Este sinal de saída inicia então algum tipo de resposta para corrigir o valor real de forma que ele busque o Setpoint.

A ação de controle tomada depende do tipo de controlador de temperatura. Por exemplo, se o controlador de temperatura tiver um controle do tipo ON/OFF, será o Setpoint que vai  decidir se a saída precisa ser ligada, ou desligada. O controle ON/OFF é um dos tipos mais simples de controle a ser implementado e ele opera em cima de valores pre definidos. Por exemplo, imagine um controlador de temperatura que foi ajustado para controlar a temperatura dentro de uma sala. Se o Setpoint for 68° e a temperatura real cair para 67°, um sinal de erro mostrará uma diferença de -1°.

O controlador enviará então um sinal para ligar a resistência que gera o calor necessário para elevar a temperatura de volta ao ponto de ajuste de 68°. Uma vez que a temperatura chega a 68°, o aquecedor desliga. Para uma temperatura entre 68 ° e 67 °, o controlador não toma nenhuma ação e o aquecedor permanece desligado. No entanto, uma vez que a temperatura chega a 67 °, o aquecedor vai ligar novamente.

Por outro lado, ao contrário do controle ON/OFF, o controle PID determina o valor de saída exato necessário para manter a temperatura desejada e neste caso a potência de saída pode variar de 0 a 100% (no ON/OFF era somente ligado e desligado). No PID o controlador de temperatura utiliza um tipo de saída analógica sendo o conversor de saída proporcional ao valor da entrada. No entanto, se a saída for um tipo de saída binária, como um rele por exemplo ou um controlador SSR ou triac, a saída deverá ser proporcional ao tempo para obter uma representação analógica.

Um sistema proporcional ao tempo usa tempos de ciclo para proporcionar o valor de saída.  Como exemplo, se o tempo de ciclo for ajustado para 8 segundos, um sistema que pede 50% de energia terá a saída ligada por 4 segundos e desligada por 4 segundos. Contando que o valor de potência não mude, os valores de tempo também não mudariam pois ao longo do tempo, a potência foi calculada em média para o valor de 50% comandado (metade ligado e metade desligado). Se a potência de saída precisasse ser 25%, então para o mesmo tempo de ciclo de 8 segundos, a saída estaria ligada por 2 segundos e desligada por 6 segundos. Veja figura abaixo:

pid-controlador-temperatura

Se os pulsos forem iguais (4s ligado e 4 segundos desligado), um tempo de ciclo mais curto é desejável porque o controlador pode reagir mais rapidamente e mudar o estado da saída para determinadas mudanças no processo. No entanto, devido à mecânica de um rele, um tempo de ciclo mais curto pode encurtar a atuação dele batendo na sua limitação de velocidade de chaveamento. Assim, este tempo não é recomendável ser inferior a 2 segundos.

Para dispositivos de comutação de estado sólido como um controle SSR ou triac, os tempos de comutação podem ser bem melhores e como falado, tempos de comutação mais longos, independentemente do tipo de saída, permitem uma maior oscilação no valor do processo. A regra geral é que, somente se o processo permitir, quando uma saída de rele for usada, um tempo de ciclo mais longo deve ser pensado.

Características adicionais

Comunicação – O controlador de temperatura também pode ter vários recursos opcionais adicionais. Um deles é a capacidade de comunicação. Um link de comunicação permite que o controlador se comunique com um CLP ou um computador permitindo a troca de dados entre o controlador de temperatura e o CLP. Um exemplo de troca de dados típica seria um computador som sistema SCADA conectado ao CLP que por sua vez recebe a informação da temperatura do controlador que está lendo o valor do processo.

Setpoint Remoto – Uma segunda opção é um Setpoint remoto. Esse recurso permite que um dispositivo remoto, como um CLP ou computador altere o Setpoint do controlador de temperatura. Neste caso, ao contrário da capacidade de comunicação mencionada acima, a entrada de Setpoint remoto utiliza um sinal de entrada analógico linear que é proporcional ao valor de Setpoint. Isso fornece maior flexibilidade ao operador para alterar o Setpoint de um local remoto. Com relação ao sinal, um sinal típico pode ser 4-20 mA ou 0-10 VDC.

Configuração por Software – Outro recurso comum fornecido com o controlador de temperatura é a capacidade de configurá-lo usando um software especial em um computador conectado via um link de comunicação. Isso permite uma configuração rápida e fácil do controlador e também a opção de salvar configurações para uso futuro.

Entrada Digital – Outra característica comum é a entrada digital. que pode trabalhar em conjunto com um Setpoint remoto permitindo selecionar o Setpoint local ou remoto para o controlador. Também pode ser usado para selecionar entre o Setpoint 1 e o Setpoint 2 conforme programado no controlador de temperatura. As entradas digitais também podem redefinir remotamente um dispositivo caso ele entre na condição de limite.

Outras características opcionais incluem uma fonte de alimentação do transmissor que pode ser usada para alimentar um sensor de 4-20mA por exemplo. Esta fonte de alimentação poderia ser usada para fornecer alimentação de 24VDC até no máximo de 40mA.

Display – Em algumas aplicações, um display de duas cores também pode ser uma característica desejável, facilitando a identificação de diferentes estados do controlador. Alguns produtos também possuem monitores que podem mudar de vermelho para verde ou vice-versa dependendo de condições pré-programadas, como por exemplo mostrar em vermelho uma condição de alarme. Assim, nenhum alarme poderia ser mostrado por um display verde, mas se um alarme estiver presente, o visor ficaria vermelho.

O controlador de temperatura pode ser encontrado em diferentes tipos com uma vasta gama de recursos e capacidades. Há também muitas maneiras de categorizar os controladores de acordo com suas capacidades funcionais.

Loop único ou Multi-loop

Em geral, o controlador de temperatura é de loop único ou multi-loop. O controlador de loop único possui uma entrada e uma ou mais saídas para controlar um sistema térmico. Já os controladores multi-loop possuem múltiplas entradas e saídas capazes de controlar vários loops em um processo. Com mais loops de controle é possível controlar mais funções do sistema de processo.

controlador-de-temperatura-loop

O controlador de temperatura de loop único pode ser encontrado no mercado na sua forma básica em que mudanças de Setpoint devem ser realizadas de forma manual e na forma mais sofisticados que seja capaz de executar automaticamente até oito mudanças de Setpoint ao longo de um determinado período de tempo.

Analógico

controlador-de-temperatura-analógicoO tipo de controlador de temperatura mais simples e básico é o controlador analógico. Controladores analógicos são de baixo custo, simples e versáteis o suficiente para um controle de processo robusto e confiável em ambientes industriais severos, incluindo aqueles com ruídos e interferências significativas. Neste tipo, o display do controlador é tipicamente um botão giratório.

Os controladores analógicos são usados principalmente em sistemas térmicos não críticos ou não sofisticados que necessitam apenas de controle de temperatura ON-OFF. Um controlador de temperatura analógico básico aceita termopares ou entradas RTD e oferece opcionalmente o modo de controle de potência percentual para sistemas sem sensores de temperatura. Sua desvantagem básica é a falta de exibição de informação legível e a falta de sofisticação para tarefas de controle mais desafiadoras. Além disso, a ausência de qualquer capacidade de comunicação limita a sua utilização para aplicações simples, tais como comutação ON/OFF em elementos de aquecimento ou dispositivos de arrefecimento.

Controlador de Controle de Limite

controlador-de-temperatura-limiteEstes tipos de controladores realizam o controle de limite de segurança sobre a temperatura do processo sendo que neste caso eles não possuem capacidade para controlar a temperatura por conta própria. Simplificando, os controladores de limite são dispositivos de segurança independentes para serem utilizados ao lado ou em conjunto com um controlador de loop de controle existente. O controlador de temperatura de limite é capaz de aceitar termopar, RTD ou entradas de processo com limites ajustados para alta ou baixa temperatura, assim como um controlador comum. O limite de travamento deve ser definido por um operador conforme necessidades do processo. Um exemplo típico seria uma segurança definida para um forno. Se o forno exceder alguma temperatura definida, o dispositivo limite desligaria o sistema a fim de evitar danos ao forno e possivelmente qualquer produto que possa ser danificado por temperaturas excessivas.

Controlador de Temperatura de Uso Geral

controlador-de-temperatura-uso-geralOs controladores de temperatura de uso geral são usados para controlar a maioria dos processos típicos na indústria. Normalmente, eles possuem uma variedade de tamanhos DIN, saídas múltiplas e funções de saída programáveis. Estes controladores também podem executar o controle PID em situações que possuem esta demanda e são tradicionalmente colocados no painel frontal com o visor para facilitar a acessibilidade do operador.

A maioria dos controladores de temperatura digitais modernos podem calcular automaticamente os parâmetros PID para obter o melhor desempenho do sistema térmico usando seus algoritmos de auto-ajuste incorporados. Estes tipos de controlador de temperatura possuem uma função pré-tune responsável por calcular inicialmente os parâmetros PID para um processo e definir uma função de sintonia contínua para refinar constantemente os parâmetros PID. Isso permite uma configuração rápida, economia de tempo e redução de desperdício.

Controlador de Temperatura para Acionamento de Motor de Válvula

controlador-de-temperatura-valvulaUm tipo especial de controlador de uso geral é o controlador de temperatura para acionamento de motor de válvula (VMD). Estes controladores são projetados especificamente para controlar motores de válvulas aplicados em processos de fabricação, tais como controle de queimador de gás em uma linha de produção. Neste tipo de controlador, algoritmos de ajuste especiais dão um controle preciso e uma reação de saída rápida sem a necessidade de feedback de slidewire ou conhecimento excessivo em algoritmos de ajuste de PID. Os controladores VMD controlam a posição da válvula em algum lugar entre 0% a 100%, dependendo das necessidades energéticas do processo industrial.

Controlador de Perfil de Temperatura

controlador-de-temperatura-perfilO controlador de temperatura do tipo perfil, também chamado de controlador de rampa de imersão permite aos operadores programar uma série de setpoints e o tempo para chegar em cada setpoint. Programar uma mudança de setpoint é chamado de rampa e o tempo para permanecer em cada setpoint é chamado de soak ou dwell. Uma rampa ou um soak é considerado um segmento. Um controlador de temperatura perfilador oferece a capacidade de inserir um número de segmentos para permitir perfis complexos de temperatura sendo que estes podem ser armazenados como receitas pelo operador. A maioria dos perfiladores permitem o armazenamento de várias receitas para uso posterior sendo que os perfiladores menores podem permitir quatro receitas com dezesseis segmentos cada um.

O controlador de temperatura de perfil é capaz de executar perfis de rampa e imersão tais como mudanças de temperatura ao longo do tempo juntamente com a duração de espera e imersão/ciclo sem a necessidade de um operador. Aplicações típicas para controladores de perfil incluem tratamento térmico, recozimento, câmaras ambientais e fornos de processo complexos.

Controlador de Temperatura Multi Loop

controlador-de-temperatura-multi-loopAlém do controlador de temperatura de loop único que pode controlar apenas um loop de processo, os controladores de loop múltiplo podem controlar mais de um loop, o que significa que eles podem aceitar mais de uma variável de entrada. De um modo geral, um controlador multi-loop pode ser pensado como um dispositivo com muitos controladores de temperatura individuais dentro de um chassi único. A programação de qualquer um dos loops é semelhante à programação de um controlador de temperatura comum. No entanto, sistemas multi-loop tendem a não ter a tradicional interface de usuário física (sem display ou switches) utilizando em vez disso um link de comunicação dedicado.

Os controladores de loop múltiplo precisam ser configurados por um programa de software especializado em um PC onde o controlador de temperatura pode ser programado e configurado usando a interface de comunicações dedicada. As informações podem ser acessadas através de uma interfaces de comunicações que podem ser DeviceNet, profibus, modbus/RTU, CanOPEN, Ethernet/IP e modbus/TCP.

O controlador de temperatura de malha múltipla fornece um sistema modular compacto que pode operar dentro de um sistema autônomo ou em um ambiente de CLP. Como uma substituição para os controles de temperatura em CLPs, eles fornecem controle PID rápido e poupam o trabalho intensivo de cálculos a partir do processador de um CLP, permitindo taxas mais rápidas de varredura. Como substituto para vários controladores DIN, eles fornecem um único ponto de acesso de software a todos os loops de controle e o custo de instalação é reduzido eliminando muita fiação, recortes de painel e economia de espaço.

Controladores de loop múltiplo fornecem alguns recursos adicionais não disponíveis em controladores tradicionais. Por exemplo, os controladores de loop múltiplo têm maior densidade de loop para um determinado espaço. Alguns sistemas de controle de temperatura de múltiplos laços podem ter até 32 loops de controle em um pacote montado no trilho DIN não muito maior que 8″. Eles também reduzem a fiação por ter um ponto de conexão comum para a fonte de alimentação e interfaces de comunicação.

O controladore de temperatura multi-loop também possui recursos de segurança aprimorados, um dos quais é a ausência de botões onde qualquer pessoa pode alterar configurações críticas. Ao ter controle completo sobre as informações que estão sendo lidas ou escritas para o controlador, o fabricante do equipamento pode limitar as informações que qualquer operador possa ler ou alterar, impedindo que ocorram condições indesejáveis, como a definição de um valor de ajuste muito alto para um intervalo que pode danificar o produto ou a máquina.

Existem tipicamente duas opções de tensão de alimentação quando se trata de controlador de temperatura: baixa tensão (24VAC / DC) e alta tensão (110-230VAC). Controladores podem possuir tamanhos padrão que são referidos por números DIN como 1/4 DIN, 1/8 DIN, 1/16 DIN e 1/32 DIN sendo que DIN é um acrônimo para a tradução aproximada “Deutsche Institut fur Normung”, uma organização alemã de padrões e medições. Para nossos propósitos, o DIN indica simplesmente que um dispositivo está em conformidade com um padrão geralmente aceito para dimensões de painel.
Comparação do tamanho DIN.

controlador-de-temperatura-din

 

Tamanho DIN 1/4 1/8 1/16 1/32
Tamanho em mm 92 x 92 92 x 45 45 x 45 49 x 25
Tamanho em polegadas 3.62 x 3.62 3.62 x 1.77 1.77 x 1.77 1.93 x 0.98

Observando a figura e a tabela podemos ver que o menor tamanho é o 1/32 DIN, que é 24mm×48mm com um recorte de painel correspondente a 22,5mm×45mm. O próximo tamanho é o 1/16 DIN que mede 48mm×48mm com um corte de painel tamanho de 45mm×45mm. O 1/8 DIN é 48mm×96mm com um recorte de painel de 45mm×92mm. Por fim, o tamanho maior é o 1/4 DIN que mede 96mm×96mm com um recorte de painel de 92mm×92mm.

É importante notar que as normas DIN não determinam a profundidade de um controlador atrás de um painel. Elas apenas determinam as dimensões do painel frontal e dimensões do painel de corte.

Em alguns casos, é desejável que um controlador de temperatura tenha algum tipo de aprovação de um instituto ou agência para garantir que o controlador atenda a um conjunto mínimo de padrões de segurança. O tipo de aprovação depende do país em que o controlador será utilizado sendo que o registro mais comum de aprovação, UL e cUL, aplica-se a todos os controladores usados nos EUA e no Canadá. Geralmente, há uma certificação requerida para cada país e no Brasil temos o INMETRO. Para controladores que são usados em países da União Européia, a aprovação CE é necessária. Um terceiro tipo de aprovação é FM e isso se aplica apenas a dispositivos de limite de controladores nos EUA e no Canadá.

Cristiano Bertulucci Silveira é engenheiro eletricista pela Unesp com MBA em Gestão de Projetos pela FVG e certificado pelo PMI. Atuou em gestão de ativos e gestão de projetos em grandes empresas como CBA-Votorantim Metais, Siemens e Votorantim Cimentos. Atualmente é diretor de projetos da Citisystems –cristiano@citisystems.com.br – Skype: cristianociti

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