Controlador de electroválvula proporcional - Cómo funciona

Las electroválvulas proporcionales se utilizan para regular el caudal del fluido variando la posición del émbolo de la válvula. La regulación del caudal es la más utilizada para controlar la presión, el nivel y la temperatura. Otras variables del proceso, como el valor del pH, la conductividad y la humedad, también pueden verse afectadas por el caudal. La posición del émbolo se controla mediante un campo magnético, que se genera aplicando una fuente de alimentación a la bobina del solenoide. Normalmente, las electroválvulas proporcionales están normalmente cerradas (se cierran sin energía), pero también pueden estar normalmente abiertas (se abren sin energía). Este artículo tratará sobre las electroválvulas proporcionales normalmente cerradas.

Cuando se suministra energía a la bobina, el émbolo sube y empuja contra la fuerza del muelle para abrir la válvula. Sin alimentación, el émbolo es empujado contra el asiento de la válvula por la fuerza de un muelle para cerrar la salida de la válvula. A diferencia de un solenoide estándar de accionamiento directo, la posición del émbolo de una electroválvula proporcional puede controlarse en un rango de posiciones de carrera variando la potencia suministrada a la bobina del solenoide. Las válvulas adecuadas para el control proporcional tienen un diseño ligeramente diferente para mejorar la estabilidad de la posición del émbolo en posiciones intermedias. La fuente de alimentación de la válvula suele controlarse automáticamente mediante un controlador de modulación de ancho de pulso (PWM) como los controladores Burkert 8611 (Figura 1 izquierda) u 8605 (Figura 1 derecha). Se denominan reguladores de válvulas proporcionales

Los controladores Burkert 8611 y 8605 están diseñados para controlar válvulas proporcionales Burkert, pero también pueden controlar válvulas de otras marcas. El 8605 es un controlador de válvula proporcional dedicado, y el 8611 es un controlador universal. El 8611 es capaz de controlar válvulas proporcionales y otras válvulas y dispositivos de proceso. Cada controlador está equipado con funciones de control configurables para garantizar un control preciso y fiable del proceso. Además, existen múltiples opciones de diseño para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de control de procesos.

Este artículo tratará sobre el funcionamiento de los controladores de electroválvulas proporcionales con la teoría de control de ancho de pulso (PWM) y PI (proporcional e integral) y mostrará una visión general de los controladores de electroválvulas proporcionales 8611 y 8605 de Burkert. Además, tenemos artículos sobre el 8611 y el 8605 en los que se habla de esos controladores con más profundidad.

Índice de contenidos

• Modulación por ancho de pulso (PWM)
• Teoría de control PI (proporcional e integral)
• Resumen del 8605 frente al 8611
• Información Adicional

Modulación por ancho de pulso (PWM)

Los tipos 8611 y 8605 de Burkert están equipados con tecnología de control para generar señales de salida de modulación de ancho de pulso (PWM) para controlar las electroválvulas proporcionales de un sistema.

La señal PWM es una señal pseudoanalógica fabricada a partir de una señal digital que se conecta y desconecta. El PWM consta de dos componentes principales que influyen en la salida, la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo. La frecuencia de conmutación determina la rapidez con la que se completa un ciclo entre ON y OFF. Por ejemplo, una frecuencia de conmutación de 20 Hz sería de 20 ciclos por segundo. El ciclo de trabajo representa el porcentaje de tiempo que la señal está en estado ON sobre el ciclo completo. Por ejemplo, con un ciclo de trabajo del 75%, la salida de la señal estará en ON el 75% del ciclo. El ciclo de trabajo y la frecuencia de conmutación influyen en la corriente efectiva suministrada al solenoide durante la modulación.

Aunque los impulsos de tensión PWM a la bobina son cuadrados, la corriente se suministra a la bobina en una curva en diente de sierra debido a la inductancia de la bobina y al ciclo de trabajo (Figura 2). El resultado es una oscilación constante del émbolo en un estado de equilibrio que se denomina comúnmente dither. La interpelación reduce la fricción estática y disminuye la histéresis (cuando la posición real del émbolo se retrasa con respecto a la posición de mando). En la figura 2, el tiempo de apagado (toff) y el tiempo de encendido (ton) son del ciclo de trabajo y la tensión nominal (U) es la que se suministra creando la onda de tensión (I) resultante.

La sensibilidad de la válvula y el movimiento de dither están influenciados por las propiedades de la bobina, la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo. La reacción de la válvula a una señal PWM es más sensible cuando se opera en un rango específico de frecuencia de conmutación (f) a un ciclo de trabajo óptimo. El punto en el que la válvula responde mejor se conoce como punto de trabajo. El punto de trabajo se muestra en la figura 3 en la intersección de la frecuencia superior y el ciclo de trabajo del 60%. En sus límites de frecuencia superior (fHI) e inferior (fLO) la válvula reaccionará más lentamente a una señal PWM. En la figura 3 se muestra un ejemplo del rango de funcionamiento ideal de una válvula proporcional.

Las frecuencias límite, el ciclo de trabajo óptimo y las propiedades de la bobina son únicos y cruciales para el control preciso de cualquier válvula. El mal funcionamiento de la válvula o un mayor ruido audible puede resultar si una válvula se controla con parámetros de funcionamiento incorrectos.

La ventaja de utilizar la serie de válvulas proporcionales Burkert con su controlador, es que se conocen las frecuencias de conmutación y los puntos de funcionamiento correctos para todas las válvulas. Burkert determinó estos valores empíricamente para cada tipo de válvula. El 8611 memoriza los límites de frecuencia de conmutación de todas las válvulas Burkert. Durante la configuración del controlador se puede introducir el tipo de válvula y los parámetros de funcionamiento se cargan automáticamente en el esquema de control sin necesidad de realizar más configuraciones. El 8605 incluye la mayoría de las frecuencias en la memoria por defecto, sin embargo, algunas pueden necesitar ser revisadas antes de su funcionamiento. Todos los parámetros de funcionamiento de la válvula proporcional Burkert son proporcionados por Burkert. Cuando se utiliza una electroválvula proporcional de otra marca con un controlador Burkert, los parámetros de funcionamiento deben introducirse correctamente para obtener un rendimiento óptimo.

Las funciones de control utilizadas para regular la señal PWM para el control del proceso variarán entre el 8611 y el 8605. La diferencia más notable entre los controladores es que el 8611 utiliza el control de bucle cerrado para PWM. El 8605 utiliza un control de bucle abierto para el PWM. Las diferencias y las funciones de control disponibles para cada modelo se discutirán más adelante en este artículo.

Teoría de control PI (proporcional e integral)

Un bucle de control PI (Figura 4) es un sistema de bucle cerrado que ajusta una variable de control (es decir, la frecuencia de conmutación PWM) en relación con la retroalimentación medida proporcionada por la variable del proceso que se controla (es decir, la presión). El bucle de control PI utiliza parámetros conocidos como términos proporcionales e integrales para ajustar dinámicamente la variable de control para reducir el error. El 8611 puede funcionar en un sistema de bucle cerrado, mientras que el 8605 sólo es de bucle abierto.

• SP: Consigna deseada
• PV: Variable de proceso medida
• e(t): Valor del error
• P: Parámetro proporcional
• Kp: Constante de sintonía proporcional
• I: Parámetro integral
• KI: Constante de sintonía integral
• MV: Variable medida (o de control)

Los parámetros proporcional e integral se calculan utilizando el error del sistema. El parámetro proporcional es el producto de un factor de ajuste y la diferencia entre la consigna deseada (es decir, la consigna de presión deseada) y una variable de proceso medida (es decir, la presión real medida). El parámetro integral tiene en cuenta el error en un periodo de tiempo determinado. Para definir el parámetro integral se utiliza el producto de un factor de sintonía y la diferencia entre el punto de consigna deseado y una variable de proceso medida e integrada durante un período de tiempo determinado. La ecuación de la figura 5 muestra que la suma de los parámetros proporcional e integral se utiliza para determinar el valor de la variable de control (u(t)).

El propósito de un algoritmo de control PI es estabilizar y reducir el error del sistema a lo largo del tiempo regulando con precisión una variable de control. Este método se utiliza ampliamente en los procesos de control de fluidos. En teoría, el algoritmo es bastante simple y relativamente fácil de implementar en muchas aplicaciones. Sin embargo, el controlador debe estar bien sintonizado con los parámetros proporcionales e integrales correctos. Sin una sintonía adecuada, la variable de control puede reaccionar de forma exagerada a los cambios del sistema u oscilar en torno al punto de consigna deseado. Dado que cada proceso es diferente, cada sistema utilizará diferentes parámetros de ajuste para lograr el rendimiento deseado. Aunque existen varios métodos de ajuste, lo más habitual es ajustar manualmente cada parámetro hasta conseguir la estabilidad. La mayoría de los fabricantes de sistemas de control ofrecen orientación sobre los puntos de partida. Sin unas entradas precisas y unos parámetros de ajuste optimizados, se sacrificará la estabilidad del control.

Las ventajas de un sistema de control de bucle cerrado, como un bucle PI, son las siguientes

• Reducción de la histéresis del punto de consigna
• Corrección automática de errores de proceso
• Mayor estabilidad del proceso

Resumen del 8611 frente al 8605