Controllo di temperatura di un liquido in una vasca tramite PID implementato su PLC
 

 

 

 
    Per realizzare il controllo di temperatura di un liquido in una vasca, a parte la possibilità di poter svuotare o riempire la vasca sotto opportune condizioni, è necessario soprattutto avere la possibilità di “leggere” la temperatura e poter riscaldare il liquido presente all’interno della vasca. Questo vuol dire che sono necessari un “sensore” di temperatura e un “attuatore”- riscaldatore.

A tale scopo abbiamo utilizzato, come sonda di temperatura, un componente elettronico siglato AD590 prodotto da ANALOG DEVICE. Tale sensore è caratterizzato dalla possibilità di poter “sentire” una variazione di temperatura di   0,1°C in un campo di temperatura che va da  –55 °C a +150°C con una caratteristica corrente/temperatura di 1 mA/K.

Come attuatore abbiamo utilizzato una semplice termoresistenza di un tipico scaldabagno domestico. Una volta stabilito come “misurare” e “variare” la temperatura del liquido nella vasca, la nostra attenzione si è concentrata su degli aspetti che potrebbero sembrare secondari ma che, al fine di un controllo quanto più preciso possibile, non sono poi tali.

         Il nostro PLC possiede ingressi e uscite digitali (0-24V) e solo ingressi analogici (0-10V e 4-20 mA). Dunque abbiamo dovuto stabilire un range di escursione per la temperatura letta in modo da poterla convertire in uno dei possibili range accettati dal PLC. Per semplicità e praticità  realizzativa la nostra attenzione si è concentrata nella possibilità di un’escursione 0-10V su un campo di temperature di 10-90°C.

        Per far ciò abbiamo utilizzato un semplice amplificatore operazionale in una particolare configurazione che ci da’ la possibilità di regolare lo zero e il campo di escursione (entro i valori ammissibili dai componenti utilizzati) .

         Cosa più complicata è stata la “volontà” di poter regolare la potenza sull’elemento riscaldante senza operare il classico controllo ON/OFF tipico degli scaldabagni domestici. A tal fine abbiamo cercato e scartato varie soluzioni fino a giungere ad una che, sebbene destinata ad applicazioni domestiche “eleganti”, si è bene adattata alla nostra necessità. Inoltre tale soluzione ci ha permesso di aggirare un problema che sarebbe sorto a causa della non presenza di uscite analogiche dal PLC, cioè la necessità di un convertitore A/D per controllare un possibile attuatore analogico.

        La nostra soluzione prevede dunque la possibilità di regolare la potenza con un classico principio di controllo di fase a Triac utilizzando un particolare componente prodotto da SIEMENS siglato SLB0587 che non è altro che un driver per Triac con particolari funzioni. Questo componente permette un controllo di fase compreso tra 45° e 152°; ciò vuol dire che, in realtà, la potenza trasferita al carico non sarà proprio compresa tra 0 e il massimo che si avrebbe con la linea a 220V~, ma tra un minimo che non è certamente zero e un massimo che è leggermente inferiore a quello con la linea elettrica domestica. La possibilità di regolare la fase di innesco del Triac può essere realizzata mediante un sensore sensibile al tatto (per le applicazioni domestiche come interruttore/varialuce) o con un pulsante in funzione di tale regola:

  • Se il pulsante (o il sensore) viene attivato per un intervallo che va da 40 a 400 msec il segnale viene interpretato come  OFF/ON o ON/OFF.
  • Se invece il pulsante viene attivato per un intervallo superiore ai 400 msec il segnale viene interpretato  come “regolazione”(vedi grafico).

L’andamento di regolazione si inverte ogni qualvolta l’interruttore viene acceso/spento (o viceversa), o  se, tra una regolazione e l’altra (senza spegnere), vi è un intervallo superiore ai 400ms.

 

 

 

 

 

 

 

Quando l’interruttore viene spento e poi riacceso si accenderà sempre al livello di tensione regolato l’ultima volta, realizzando cosi un effetto memoria.

Un ciclo completo MAX-MIN-MAX, a meno dei primi 400 msec, dura 7,6 sec

Dato che il controllo della potenza diviene il controllo di un'intervallo di tempo e visto che questo tempo deve essere dato dal PLC, per evitare sfasamenti tra intervallo calcolato e potenza (tensione) realmente erogata siamo ricorsi ad un relay per togliere tensione al circuito tutte quelle volte in cui si iniziava un ciclo di controllo per azzerarlo alla massima potenza (tensione).

Per interfacciare il circuito di controllo della resistenza con l’uscita digitale del PLC abbiamo utilizzato un fotoaccoppiatore in modo da poter essere sicuri di separare le parti alimentate in continua dalle parti alimentate a 220V~. 

E’ ovvio, a questo punto, che il nostro sistema, in questo modo, risulta lento al controllo, ma non bisogna dimenticare che, comunque, il sistema vasca/liquido ha anch’esso una dinamica piuttosto lenta.
 
HARDWARE