Controle de Temperatura

[juloliveira]

Ando pensando em como controlar com microcontroladores uma resistência de aquecimento, tipo de um forno elétrico.
Para somar nas minhas pesquisas, esse controle penso em fazer com PID com alguns sensores de temperatura.

Pesquisando encontrei algumas opções:

TRIAC - A solução que li o projetista usou um circuito para detectar a passagem da AC pelo zero para assim consolar a potência do TRIAC
http://automatobr.blogspot.com.br/2013/05/controle-de-potencia-em-corrente.html

SSR - Parece simples, mas acho que um SSR é caro. Eu estava vendo preço na farnell, deixa pra lá... Não é caro não...
MOSFET/PWM - Nesse caso, imagino que a alimentação da resistência teria que ser DC, no caso se for um forno, a alimentação seria 110V.

Quais outras opções existem e quais vocês acham melhores. Das que citei, o que acham?

Abração

[xformer]

Você está se preocupando com os atuadores, mas e os sensores ?  Ou nessa parte já está resolvido e dominado ?

[juloliveira]

Pensei que não seria meu maior problema já que posso usar um LM35 ou algum componente semelhante.

[xformer]

Se for pra uma chocadeira ou aquário, ou coisas com temperatura não muito alta (menos de 100°C) o LM35 e afins serve.  Mas se for um forno, aí tem que usar outra coisa (termopar, termoresistência, etc), e a coisa complica.

[juloliveira]

Minha ideia é para fazer a cura das minhas pcb, ou seja, coisa de 70 graus.

[xformer]

Ah, é uma "chocadeira" de placas !     É que lá em cima você falou em forno.

Eu faria assim, pra não complicar:

- Usaria resistores de potência de fio alimentado por tensão PWM e chaveados por MOSFETs, para fazer o aquecimento. Isso é muito mais fácil de controlar do que os TRIACs, pois não precisa ficar monitorando a passagem por zero da tensão AC da rede, além de ser mais perigoso usar AC da rede.  Com PWM pode usar até 12Vdc, já que a potência para esquentar as placas não será elevada.
- Os microcontroladores em geral já tem módulos controladores PWM com alta resolução, o que permitirá um controle melhor e preciso do aquecedores.
- Para essa aplicação, o LM35 é perfeito (eu sugiro o MCP9700A da Microchip), pois ele fornece uma tensão proporcional e linear de acordo com a temperatura. O microcontrolador apenas lê a tensão (pode amplificar) enviada pelo sensor e liga o PWM de acordo com o necessário.

[plautz]

Se o intuito também é fazer a cura da máscara de solda o LM35 não serve.

Sensores para mais de 100 graus é muito difícil de achar ou são caros demais.

[daniellp]

Há um tempo eu montei um negócio assim, com PIC16F628. Mas o acionamento da resistência era por relé. O sensor de temperatura usei um DS18B20 da Dallas, que é digital e extremamente preciso. O preço é bem razoável e não precisa ficar se preocupando com as interferências nas leituras analógicas. Como tua aplicação não é tão crítica, além do que a temperatura é uma grandeza com grande histerese acho que o acionamento com relé deve resolver.

Daniel.

[juloliveira]

Se o intuito também é fazer a cura da máscara de solda o LM35 não serve.

Sensores para mais de 100 graus é muito difícil de achar ou são caros demais.

Plautz,

A máscara de solda que eu tenho indica uma segunda cura à 90 graus
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É que lá em cima você falou em forno.

É que estou pensando em comprar um forninho mesmo, tem uns no ML por uns R$ 40,00, por isso pensei num SSR

[Ledod]

 Juloliveira

 Eu vi algo sobre controle PID e me lembrei do meu querido professor de controle,
 Barbosa (que acrescentávamos um caloroso "t" entre uma certa consoante e vogal) e seu exemplo didático do forno de recozer aço.

 Na sua aplicação, creio que um controle proporcional dara conta muito bem. O processo de aquecimento possui um tempo consideravel e baixo overshoot, alem de não ser uma aplicacao critica. Acredito que não ira exigir um compensador integral (para diminuir o erro de estado estacionario) ou um derivativo ( para antecipar a resposta transitória do sistema).

 Um proporcional, com o ganho ajustado, ou mesmo um controle "bang bang" já da conta!

 Voltando ao professor..... Já se fosse um forno de recozer aço que fica dias ou semanas, ai acho que uma modelagem mais profunda seria necessária... ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

 Um abraço!

 Eduardo
----- Sobre os sensores, existem alguns termistores NTC e PTC que aguentam temperaturas mais elevadas, mas você terá que linearizar a escala (que são estritamente exponenciais) ou aplicar o controle proporcional em uma pequena região linearizada da escala.

 Claro, os circuitos também deverão converter  leitura de resistência em tensão do modo correto para aplicar no ADC...

[juloliveira]

Ah, com certeza, acho que até um On/Off cabe num caso simples desses. Fazer com PID é só pra visualizar o comportamento mesmo 

Ah, uma dúvida: O resultado de um PID, ou mesmo apenas da parte proporcional é apenas um número real. Como, no caso de usar um MOSFET chaveado por PWM, como fazer esse resultado do PID um parâmetro para o PWM?

[xformer]

Se você quiser usar um SSR (solid state relay = relé de estado sólido, usar siglas não muito comuns não ajuda muita gente a compreender o problema e poder ajudá-lo), se ele for AC, cai no mesmo problema do TRIAC, pois o relé tem um TRIAC. Se for DC, é um MOSFET.

O problema do TRIAC e SSR-AC é que você vai ter que determinar o momento do disparo (o ângulo a partir da passagem por zero). E a potência do aquecedor vai depender da tensão eficaz entregue à resistência (e por sua vez a potência, que é proporcional ao quadrado da tensão). Ocorre que se você quer usar controle PID, além de ficar fazendo as contas para determinar a quantidade de potência entregue, ainda vai ter que ficar calculando quanto de tensão eficaz precisa e o ângulo de disparo (não é linear, mas a área da senóide a partir daquele ângulo de disparo, em que ocorre a condução do TRIAC. A não ser que use tabela, o cálculo é de integral definida.
Outra opção é usar acionamento integral do TRIAC ou SSR, e ao invés de cortar a senóide em todos os ciclos, usar condução de ciclos inteiros durante um período e corte em outros, de forma a na média obter a potência desejada. Isso elimina a introdução de ruídos na rede, mas ainda exige a monitoração da passagem por zero.

O uso de relé simples (ligado ou desligado) não permite o uso do controle PID como você deseja. Leia os parágrafos seguintes e vai entender porquê.

Ah, uma dúvida: O resultado de um PID, ou mesmo apenas da parte proporcional é apenas um número real. Como, no caso de usar um MOSFET chaveado por PWM, como fazer esse resultado do PID um parâmetro para o PWM?

Com o acionamento PWM, o MOSFET funciona como chave liga-desliga em alta velocidade, onde o tempo de ligado (duty cycle) pode variar de 0 a 100% em vários passos. Desligado, o MOSFET fornece 0% da potência, se estiver com duty cycle = 100%, a potência será máxima (100%). Se o duty cycle for 50%, a potência será 25%. Se o duty cycle for 70%, a potência será perto de 50% (49%). Ou seja o seu controle de potência apenas depende do duty cycle usado. Assim, para fazer o aquecimento, de início se começa com 100% de potência, que pode se manter até se atingir a temperatura desejada (set point) e desligar para 0% (e aí fica ligando e desligando periodicamente = relé), ou à medida que se vai chegando perto da temperatura desejada, pode-se ir diminuindo gradualmente a potência entregue de acordo com o que falta para o set point (100%, 99%, 98%, etc) e quando atingir o set point se manter o mesmo duty cycle continuamente (a potência que mantém constante a temperatura, atingindo o equilíbrio com o que se perde para o ambiente), fazendo assim o controle PID (ou só PI).
O duro é achar os parâmetros para esse controle, pois vai depender de uma série de fatores: o sistema tem inércia térmica, o tamanho da estufa e as perdas dela, a velocidade com que se quer atingir o set point, a variação aceitável em torno do set point, etc.  Muito vai ter que ser empírico (principalmente quanto de potência vai ser necessária, distribuição das resistências para dar uniformidade, o ponto de posicionamento do sensor, etc).

[Ledod]

 Isso e simples!

 O PWM e setado a partir de uma porcentagem do ciclo ativo (ou pelos contadores/acumuladores dos timers, depende do microcontrolador), ou seja de 0 a 100%.
 Digamos que você já tenha levantado a curva de transferência entre a porcentagem do PWM com a temperatura interna estável do forno ( por ex 50% - 80°c, 100% - 135°c, 0% - 26°c, tempo ambiente).
 Essa curva provavelmente sera uma reta pois as perdas de calor para o ambiente são proporcionais as diferenças de temperatura interna e externa. Com isso você já terá o k em °C/% que seria a função de transferência do seu forno.

 O resto e encontrar outros k's que relacionam as outras grandezas, como exemplo um ADC de 12 bits que vai de 0 a 4095, que representa de 0 a 3v3, que representa para um sensor uma temperatura de 25° a 150°, que representa um certo nivel de PWM. Entendeu? Você "cascateia" as unidades ate relacionar todas as grandezas presentes no sistema.
 No fim vira um "numero magico" com uma unidade estranha que quando multiplicado, fornece a unidade que você precisa.

 No caso do seu controlador você poderá fixar a unidade de calculo como ex em graus celsius, % de PWM, uma escala genérica de 0 a 1000 ou 0 a 4095 ou utilizar o tamanho de um tipo de dado do seu microcontrolador (um char ou int por ex), para você ter a melhor resolução possível nos cálculos internos de controle.

 Basicamente o sinal de controle de um controlador proporcional é o sinal de entrada (set point) menos a saída (grandeza controlada) multiplicado por um ganho. Como na física, você não pode misturar unidades (graus celsius com leitura do ad e PWM). Mas você pode multiplicar esses valores por k's que fornecem a transferência (sempre não lineares   mas você tenta lineariza-los ou encontrar uma região linear do sensor/atuador).
 A malha fechada e uma simples conta de subtração. O complicado e encontrar esses k's... Hehe

 Um abraco!

 Eduardo
 

[xformer]

Mais ou menos simples.

Tomemos um resumo do blog que o Juliano citou:

Controle Proporcional: calcula o MV (variável de manipulação = potência) levando em conta a distância entre o set point e o valor da variável PV (variável de processo = temperatura) em um determinado instante.

Controle Integral: calcula o MV (potência) levando em conta o tempo em que o sistema fica distante do set point (SP).

Controle Derivativo: calcula o MV (potência) levando em conta a taxa de variação (velocidade com que varia, ou derivada) do PV (temperatura).

Ou seja, não é só definir um duty cycle que corresponda a uma determinada potência que mantenha a temperatura constante. Se o controle é PID, precisa se determinar qual a potência de partida (100% vai chegar mais rápido do que 50%, 25% talvez nunca chegue), qual a taxa de diminuição da potência em função da diminuição da diferença entre a temperatura desejada e a atual, se a temperatura do set point está sendo alcançada muito rapidamente ou lentamente (altera-se também a taxa de variação da potência ou mesmo o novo ponto de partida).

[Matec]

Do modo que está esse tópico, o que eu vou dizer vai parecer antigo.  

Mas há muito tempo atraz eu trabalhava com manutenção de equipamentos de laboratório, e muitas estufas, banho-marias e esterilizadoras funcionavam com controle de temperatura baseada num CI,  que era o CA3059 http://www.classiccmp.org/rtellason/chipdata/ca3059.pdf

Esse CI é um Zero Voltage Switch que comanda um triac. O sensor é um ntc e o circuito é bem simples (tão simples que quando não tinha CIs no mercado eu fazia o circuito inteiro com componentes discretos).

Funciona muito bem para temperaturas até 100°C.

Tem os mesmos problemas que outros controladores, quando se vai projetar um equipamento:

O duro é achar os parâmetros para esse controle, pois vai depender de uma série de fatores: o sistema tem inércia térmica, o tamanho da estufa e as perdas dela, a velocidade com que se quer atingir o set point, a variação aceitável em torno do set point, etc.  Muito vai ter que ser empírico (principalmente quanto de potência vai ser necessária, distribuição das resistências para dar uniformidade, o ponto de posicionamento do sensor, etc).

A calibragem sera manual. e a precisão depende da paciência do montador.

Outra coisa. Em estufas com controle de temperatura mais preciso, é necessária a circulação forçada do ar, para evitar "pontos quentes". Isso vale para qualquer tecnologia de controle.

Abs