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HORNO INDUSTRIAL

Maxtrol Corporation Manual de Entrenamiento Interno Educación Continua Nivel 1

No Controlado Training Manual: P0G01002 level 1 Date: December 01, 2006 Prepared: CAC Verified: MG Public Released: February 14, 2006 Reference: Training_Manual\PLC\P0G01002

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MANUAL DE ENTRENAMIENTO P0G01002

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Manual de Entrenamiento en PLCs P00 Nivel 1 Horno Industrial No Controlado

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Autor: Ing. María Guadalupe Juárez E.E.

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HORNO INDUSTRIAL 1. INTRODUCCIÓN El problema a tratar en esta sección corresponde al diseño de un horno industrial para aplicaciones de re -flujo de soldadura, específicame nte para circuitos impresos con tecnología de montaje en superficie (SMT).

250

C

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Temperature ( C)

El patrón de temperaturas sugerido por el manufacturador de partes electrónicas SMT se muestra en la figura 1. Debido a que este patrón varía un poco de manufacturador a manufacturador y, en la mayoría de los casos el cliente utiliza sus propios patrones de temperatura que mejor resultados le generan, es requerido que los puntos A, B, C y D sean programables para lograr resultados óptimos. Note que el punto F indica que el enfriado sea tan rápido como sea posible.

D

200 150 100

A B

50 600

500

400

300

200

0

100

F

Tiempo (segundos)

Figure 1: Patrón de temperaturas. El sistema al nivel de componentes de control para efectuar la operación automática del horno industrial de muestra en la figura 2. Debe hacerse notar que el diseño y selección de componentes es muy sencillo más no así el diseño del programa de control como se mostrara mas adelante. Nuestro cliente desea utilizar un PLC A/B para construir el prototipo debido a que sus técnicos de mantenimiento están familiarizados con este tipo de PLC.

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El horno consiste de un horno convencional, el cual se le ha agregado un extractor reversible que funciona como extractor durante la fase de enfriamiento y como circulador de calor durante la fase de calentamiento.

Ventila

Motor Abre/Cierra Extractor

Censor Temperatura PCB

Figure 2: Horno industrial. El sistema cuenta con un ve ntilador que se cierra durante la fase de calentamiento y se habre durante la fase de enfriamiento. El funcionamiento del conjunto es muy sencillo. Se colocan los tableros dentro del horno y se presiona el interruptor de arranque. A continuación, el prog rama de control verifica que el ventilador esta cerrado, y lo cierra si no lo esta. Se enciende el abanico extractor en modo de circulación y se aplica potencia al elemento calentador. El control tomara lecturas de la temperatura dentro del horno mediante un termopar. Prácticamente nada se mueve hasta que la secuencia de re -flujo es completada y se ha alcanzado la fase de enfriamiento. Durante esta fase, se suprime la potencia al calentador, de cambia el modo del extractor y se habre la ventila. Una vez a lcanzada la temperatura de enfriamiento y/o el tiempo de enfriamiento, se enciende una luz verde indicando que el proceso ha terminado y los tableros se pueden retirar.

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Elemento Calentador

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2. DISEÑO DEL CONTROL ELÉCTRICO

Fuente de poder CPU Salidas discretas Modulo de temperatura Salida analógica Modulo de pantalla

Ventila Amplificador de Potencia

Motor Abre/Cierra

PLC

Extractor

Elemento Calentador

Censor Temperatura

Pantalla sencible al tacto.

PCB

Horno apagado

Figure 3: Diseño eléctrico del Horno Industrial. La figura 3 muestra todos los elementos necesarios para automatizar el Horno industrial. Se requiere un PLC con los módulos necesarios (presentados en la figura 3), también es necesario una pantalla LCD sensible al tacto para configurar los parámetros de tiempos y temperaturas especificadas en la figura 1. Se agregaron dos luces para indicar el estado actual del horno. Una luz roja encendida indica que el horno esta trabajando y por lo tanto tiene cierta temperatura y no es seguro abrirlo. Una luz verde indica que el horno ha terminado el proceso de reflujo y se puede abrir para empezar otra secuencia de reflujo.

3. DISEÑO DEL PROGRAMA Esta es la parte responsable que nuestro cliente nos haya pedido incluir este ejemplo en nuestro curso de introducción a proyectos con PLCs.

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Horno en uso

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Para claridad de todos se define el programa en dos secciones, el programa supervisor y el programa de control. Nuestro cliente completo perfectamente bien la fase del diseño eléctrico tal como se muestra en la figura 3. Inclusive completo perfectamente bien la fase del programa referente al supervisor, sin embargo la parte del control fue la que no pudieron resolver. Un análisis detallado nos mostró que nuestro cliente utilizo una sola secuencia del programa para cubrir el supervisor y el control, po niendo muy poca atención al control y mucho énfasis al supervisor. A continuación se desarrollan ambas partes por separado en detalle para clarificar los hechos y demostrar por que es importante hacerlo en dos pasos.

3.1.

VISTA GENERAL DEL PROGRAMA

Programa de

Diagnostico

Supervisor

Interface Humano-Maquina

Control

Figure 4: Programa completo para automatizacion. La sección de diagnostico es una parte del programa que continuamente esta tomando lecturas de temperatura y comparando dichas lecturas con las temperaturas planeadas sobre tiempo. Este modulo no es muy importante para desarrollar el prototipo y nuestr o cliente nos informo que no esta seguro que no llegue a necesitar por lo que se deja para desarrollo futuro. El interfase Humano -Maquina si es necesario, sin embargo esta fuera de este curso ya que no tiene nada que ver con el PLC. El interfase

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En reali dad el programa consiste de 4 bloques, de los cuales solo se desarrollaran 2 en esta sección. Los otros dos son básicos y están fuera del alcance de este curso por lo que solo se mencionan como bloques del programa.

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Humano-Maquina se usa para leer y escribir información al PLC a través de la pantalla sensible al tacto. La sección del Supervisor, se encarga de activar, desactivar y manipular el control. En otras palabras, su trabajo principal es la de manejar todas las secuenc ias requeridas por el horno para realizar sus funciones en conjunto. La sección del Control, se encarga de regular las temperaturas en los tiempos predefinidos. Esta es la parte que el cliente fallo en diseñar y por lo tanto el horno no funciono como se esperaba,

Programar temperaturas y tiempos

Activa Supervisor

Colocar tableros en el horno

Figure 5: Operaciones del usuario. Figura 5 muestra las operaciones básicas del usuario durante la operación del horno. Nótese, que el programa del Supervisor es activado por el usuario al activar el interruptor de arranque.

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Activar interruptor de arranque

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3.2.

PROGRAMA SUPERVISOR Programa Supervisor

Ventila

Abanico

Control

Luz Roja

Luz Verde

Reloj

Arranque Cerrar Circular

Aire

Temperatura

Calentamiento

Enciende Tiempo

Calentamiento

Temperatura Pre-Flujo Tiempo

Pre-Flujo

Temperatura Tiempo

Flujo Flujo

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Apagar Abrir Extractor Tiempo

Enfriamiento

Apaga Enciende

Figure 6: Diagrama de secuencias para programa Supervisor. En referencia a la figura 6 (UML –Diagrama de secuencias) se muestran las funciones del programa Supervisor. Cuando el operador arranca el horno, el programa supervisor entra en funciones inmediatamente cerrando la ventila, poniendo el abanico en modo de circulación de aire, enciende la luz roja y programa el programa de control para regular la temperatura de Calentamiento. Cuando el tiempo de Calentamiento pasa, el reloj le indica al prog rama Supervisor que el tiempo programado para la operación de calentamiento ha pasado. Cuando esta notificación llega, el programa Supervisor programa la siguiente temperatura (pre -flujo) en el programa de Control. La secuencia continua hasta que el proces o

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completo se ha terminado, y es indicado encendiendo la luz verde y apagando la roja.

Queremos mencionar como nota adicional, que nuestro cliente ya había tomado este curso de introducción a proyectos con PLCs y por consecuencia no tuvimos ningún problema comunicándonos los pormenores y problemas que iban encontrando durante el desarrollo del prototipo. Hasta este punto, nuestro cliente lo hizo muy bien. El problema principal fue con la sección del Control. Dicho problema se explica en la siguiente sección en forma d etallada esperando sea clara, sencilla y fácil de comprender.

3.3.

PROGRAMA DE CONTROL A continuación se resume en secciones para evitar confusiones y tratar de ilustrar que tan dramático puede ser un problema cuando no se tiene el soporte necesario en el tiempo adecuado.

Para entender el problema y por lo tanto la solución, es necesario modelar el sistema del horno.

T1(t)

V1 C1

Vo R1

U(t) U(t)

Figure 7: Equivalente eléctrico del horno industrial. La figura 7 muestra el Horno industrial y su equivalente eléctrico para obtener la función de transferencia del mismo. Aplicando el principio de conservación de la energía al Horno industrial mostrado en la figura 7

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3.3.1. MODELO DEL HORNO

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m1c1

Símbolo

d T1 u (t ) k10  T1 T0  dt

m c

Cantidad Velocidad del flujo de calor Masa Calor especifico

K

Conductancia térmica 1/R

R

Resistencia térmica 1/K

T h

Temperatura Energía en calor

q

Ingles BTU/minute

Métrico Watts o Joules/sec

Lbs BTU Lb   F BTU min  F  F BTU / min  F BTU

Kilogramos Joules Kg   C Joules Watts  s  C  C  C Watts  C Joules

Convirtiendo al dominio de Laplace se puede obtener fácilmente la función de transferencia del horno. La función de transferencia de todo el sistema fue encontrada y modificada manualmente de tal modo que los valores encontrados en simulaciones concordaran con valores obtenidos experimentalmente.

To 1000 G( s)    e 5 s ref 500 s 12.5

La función de transferencia es definida como la entrada de referencia (0 a 10V) de entrada producen temper atura dentro del Horno industrial entre temperatura ambiente y 1,000  C. Nótese que el sistema tiene un retardo en tiempo de 5 segundos y una constante de tiempo bastante significativa. Es muy obvio que nuestro programa de control tiene que aceptar las referencias programadas de temperatura y forzar el Horno Industrial a alcanzarlas y regularlas tanto como sea posible.

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Table 1: Símbolos y unidades térmicas.

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3.3.2. BITÁCORA DEL PROBLEMA Nuestro cliente nos comunica que todo funciona bien excepto que las temperaturas programas no son alcanzadas y quieren que revisemos el programa.

La figura 8 muestra la respuesta de temperatura del Horno Industrial a una referencia de entrada de 10V.

+-

E(s)

G(s)

To

Figure 9: Programa de Control. Se encontró que solo cerraron el lazo con ret roalimentación unitaria creando una condición de inestabilidad. Si, así es, el sistema como la muestra la figura 9 se convirtió en inestable. En referencia a la figura 9, ref es la entrada de referencia de 0 -10V y To es la temperatura dentro del Horno Industrial. Después de observar la respuesta del programa de control y la función de transferencia se concluye inmediatamente que el sistema es controlable y debería de existir ningún problema.

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Figure 8: Respuesta del Horno a una referencia de 10V.

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3.3.3. SOLUCIÓN Aprovechando que se tiene el modelo matemático del Horno Industrial se procedió a utilizar un PID en el lazo de retroalimentación con una ganancia en el lazo de alimentación directa. Esto se decidió debido a los buenos resultados obtenidos en otros proyectos anteriores envolviendo funciones de transferencia de primer grado con retardos de tiempo.

+-

E(s)

G(s)

Kp

To

PID

Figure 10: Diseño del Control con PID y Kp.

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Figure 11: Referencia de entrada. Figura 10 muestra el programa de control. Nótese que el bloque PID es utilizado para estabilizar el sistema y el bloque Kp es utilizado para calibrar la temperatura de salida. Esto es debido a que 0 -10V debería de generar una temperatura dentro del Horno Industrial de Temperatura ambiente a 1000 C.

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Figura 11 muestra la entrada de comandos de temperatura sobre tiempo que tiene que proveer el programa supervisor al programa de control para generar las temperaturas especificadas por el Horno industrial.

Figura 12 muestra la respuesta de temperaturas a los comandos de referencia. Compare los resultados mostrados e n la figura 12 con las especificaciones mostradas en la figura 1. La fase de enfriamiento no será más rápida que la mostrada en la figura 12 debido a que no se simulo con el extractor encendido. De los muchos y variados métodos disponibles para sintoniza r un PID no pudimos resistir la tentación de hacerlo al tanteo. Para nuestra sorpresa la sintonía del PID fue rápida y sin dolor, obteniendo magníficos resultados. Las ganancias del PID quedaron como: Kp=0.001, Ki=0 y Kd=0.01. La ganancia de escala Kp finalizo como: Kp=1.5. Como nota adicional, cuando se implemento el programa de control se decidió experimentar un poco con las ganancias para darle un punto óptimo al sistema. También se experimento con otros métodos de sintonía de Ziegler Nichols y el método definido por Cohen-Coon. El método de Ziegler -Nichols fue modificado ya que solo esta popularmente definido para PID en el lazo de alimentación directa y no para PID localizados en el lazo de retroalimentación.

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Figure 12: Respuesta de temperaturas deseadas.

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4. IMPLEMENTACIÓN DEL PROGRAMA DE CONTROL (LA SAGA CONTINUA) Nuestra recomendación de siempre es la de utilizar un Microcontrolador para la implementación de programas de control, desde un simple PID hasta un sistema de control autosintonizable. La manera más fácil de implementar el control en un PLC industrial tal como el A/B SLC500, es utilizar los bloques de PID que vienen incluidos en el programa. Esto fue lo que sugerimos a nuestro cliente. Después de algún tiempo el cliente nos comunico que habían tratado nuestra sugerencia, sin embargo los bloques de PID incluidos en el programa del PLC A/B SLC500 contenían una cantidad indescriptible de variables para sintonizar un simple PID y no existe documentación clara al respecto, por lo que no tuvieron éxito sintonizandolo. Kd z

-1

+ + -

Kd

Figure 13: Simple Control PD Respondiendo a los requerimientos de nuestro cliente, se procedió a diseñar una implementación del PID utilizando bloques de matemáticas y el sistema de registros internos del PLC. Nuestro cliente nos pidió un PID que solucione su problema utilizando el mínimo de variables. Nuestra solución es mostrada en la figura 13. Nuestro PID se convirtió en PD debido a que la ganancia integral no es requerida, por lo que solo se tienen que ajustar la ganancia proporcional Kp y la ganancia diferencial Kd. Existen otr as dos variables no muy necesarias, sin embargo como medida de precaución se agregó. Nos referimos a límite de la salida de la ganancia diferencial. Durante la prueba del sistema con nuestro control PD no hubo necesidad de ajustar esta última variable.

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PID

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5. RESULTADOS Es obvio que si el sistema no hubiera contenido un retardo de tiempo (delay) de 5 segundos, hubiera sido más fácil sintonizar el programa controlador (PID o PD). Como es bien sabido, cualquier sistema de control se altera cuando existe un ret ardo de tiempo, cuanto mas grande este sea, mas grande es el deterioramiento del programa de control. En nuestro particular caso 5 segundos es bastante, suficiente para desestabilizar el Horno Industrial completamente.

La respuesta del Horno Industrial en lazo abierto (amarillo) y trazo cerrado (morado) es mostrada en la figura 14. No es mucha la diferencia y se puede ajustar un poco mas incrementando el valor de Kd con la consecuencia de pequeñas oscilaciones en la respuesta. Los beneficios de usar el lazo cerrado no son muy obvios a juzgar por la respuesta graficada en la figura 14. Sin embargo, durante operación normal, el lazo cerrado tiene mejor regulación de temperatura no es afectada fácilmente por variaciones en los parámetros.

6. UNA MEJOR SOLUCIÓN Actualmente se trabaja en el diseño de un programa de Control para este mismo horno utilizando otras técnicas y los resultados estarán disponibles públicamente, solo se requiere que los pidan por correo electrónico.

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Figure 14: Respuestas de lazo abierto/cerrado.