Asservissement de température d'un four

[sandrecarpe]

Bonjour à tous,

Dans le cadre d'un projet étudiant dans une assoc d'électronique, je souhaite réaliser l'asservissement de température d'un four à CMS. Malgré mes cours d'automatisme, et quelques TP, je me retrouve bloqué dès le début dans la démarche d'identification du système (le four).
Je ne possède pas encore le four, mais ce serait un petit truc de la taille d'un micro-onde, pas plus. Pour l'instant je chercher juste à faire une étude théorique et préparer le terrain.

La résistance chauffante sera contrôlée par un variateur à triac dont je fais varier l'angle d'amorçage. La mesure de la température est fait par thermocouple, et un PIC s'occupera de faire le PID et la détection du passage du secteur par 0 pour le contrôle du triac.

Je sais qu'on pourra approximer la réponse du four par un système du premier ordre. Théoriquement je sais qu'on se place en boucle ouverte, qu'on met un échelon connu en entrée du système et on observe la sortie.
Problème : l'entrée du système est un angle d’amorçage et la sortie une température. Or, je fais un asservissement de température, ma consigne doit être une température. Donc il manque sûrement un "truc" entre la sortie du comparateur et le correcteur.
Qu'est-ce que je dois mettre à cet endroit ? Ou alors il y a peut-être un truc que je n'ai pas compris


Merci d'avance pour votre aide
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[Vincent PETIT]

Salut,
Je voulais juste te faire part d'une réflexion que j'ai eu il y a un an sur le même projet et qui concerne tout autre chose.

Pour faire de la soudure CMS, tu sais que tu dois réaliser un profil de température. Donc celle-ci doit suivre une courbe avec des paliers à respecter (de mémoire il y a 1 palier de plus qu'avant à cause de la norme sur le sans plomb)

Avant que tu n'ailles plus loin, as tu trouvé une astuce pour monter ou baisser assez vite en température en fonction de l'inertie du four ? Par exemple, si tu dois baisser rapidement la température, comment faire ? Ouvrir la porte et ventiler à fond ? Idem pour monter en température, est ce qu'en chauffant à fond tu vas respecter la courbe ? Je pense que c'est impossible. Et que ceux pour qui ça marche je crois que les paliers ne sont pas du tout respectés (un peu comme ci tu soudais au décapeur thermique, ça fonctionne aussi, je te le garantie et sans profil thermique)

Je vais suivre ton post de prés car il m'intéresse. De mon côté, je vais essayer de récupérer le profil de soudure de la ligne CMS mon ancienne boîte pour te l'envoyer et comme mon frangin bosse dans le service industrialisation de cette même entreprise, je lui demanderai qu'il m'explique comment est foutu le système de chauffe sur le four, comment avec un convoyeur qui avance relativement vite, on peut respecter la courbe du profil de température.

Je passais devant tous les jours et j'ai ma petite idée de comment c'est fichu mais je vais attendre une confirmation. Pour moi il s'agit de faire chauffer 4 résistances à des températures différentes (le max des 4 paliers) et de faire passer plus ou moins vite la carte d'une résistance à l'autre sur un tapis.

A+

[Antoane]

Bonjour,

Problème : l'entrée du système est un angle d’amorçage et la sortie une température. Or, je fais un asservissement de température, ma consigne doit être une température. Donc il manque sûrement un "truc" entre la sortie du comparateur et le correcteur.

Il ne manque rien :
- le PID prendra en entrée une température et renverra un angle (ou une temporisation) ;
- le "Four + variateur" (+thermocouple) prendra en entrée une tempo et renverra une température.
Le gain du PID sera exprimé en rad/K (ou plutôt en ms/K).
Le "5" est exprimé en K/rad (ou K/ms).

Cela ne pose pas de problème pour identification : il suffit d'envoyer un échelon de temporisation (par exemple passer de 5 à 6 ms) et de voir comment évolue la température du four.



Détails pratiques : dans les fours à refusion "petits formats", i.e. sans convoyeur (e.g. http://cif.fr/fr/les-fours-de-refusi...cee-ft-03.html, https://www.lpkf.com/products/rapid-...eflow-oven.htm), pour une carte à la fois, la chauffe est généralement faite principalement par des IR. C'est alors un (ou plusieurs) tube halogène qui est utilisé. Je ne sais pas ce qu'il en est dans le plus gros fours mais je pense que c'est similaire. La mesure de température avec chauffe par rayonnement n'est pas évident mais je ne saurai pas en dire beaucoup plus.


Dans "mon" four (http://cif.fr/fr/les-fours-de-refusi...pes-ft-02.html), la régulation est plus simpliste : l'élément de chauffe est à fond ou bien clignote en PWM à environ 0.5 Hz. Possible que ce soit pour une histoire de fiabilité de l'élément de chauffe (tube halogène) ou pour éviter de devoir gérer sa non-linéarité (sa résistance dépend de sa température).

[sandrecarpe]

Pour faire de la soudure CMS, tu sais que tu dois réaliser un profil de température. Donc celle-ci doit suivre une courbe avec des paliers à respecter (de mémoire il y a 1 palier de plus qu'avant à cause de la norme sur le sans plomb)
Avant que tu n'ailles plus loin, as tu trouvé une astuce pour monter ou baisser assez vite en température en fonction de l'inertie du four ? Par exemple, si tu dois baisser rapidement la température, comment faire ? Ouvrir la porte et ventiler à fond ? Idem pour monter en température, est ce qu'en chauffant à fond tu vas respecter la courbe ? Je pense que c'est impossible

Salut à vous,
Merci pour vos réponse !

@Vincent : le but de cet asservissement est justement de respecter un profil de température (qui dépend si on fait de la soudure avec ou sans plomb). Le correcteur sera réglé pour "compenser" l'inertie du four pour que la température suit le profil au plus près.
Dans la première phase, le système prendra en entrée une rampe de température de 1 à 3°C/s, ensuite on aura une phase constante à 150°C, puis une autre rampe de 1 à 3°C/s. Et enfin refroidissement. Là, j'ai prévu, soit :
- De ventiler comme un malade avec le ventilo interne. Mais je suis moyennement convaincu de l'efficacité
- Faire un système de trappe qu'on ouvre puis on extrait l'air avec le ventilo, mais ce serait un peu pénible à faire

@Antoane :
Ah d'accord ! Juste ça alors ! Dès que j'ai le four je teste et je vous tiens au courant, j'aurais sûrement d'autres problèmes. Mais je vais pas pouvoir tester avant mi-juin voire fin juin...

Dans "mon" four (http://cif.fr/fr/les-fours-de-refusi...pes-ft-02.html), la régulation est plus simpliste : l'élément de chauffe est à fond ou bien clignote en PWM à environ 0.5 Hz. Possible que ce soit pour une histoire de fiabilité de l'élément de chauffe (tube halogène) ou pour éviter de devoir gérer sa non-linéarité (sa résistance dépend de sa température).

Ils ne se prennent donc pas la tête autant que moi haha

Si vous êtes intéressés, je peux poster le schéma de tout ça. Je serais content d'avoir un avis

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vincent PETIT]

Re,
Merci pour la précision Antoane.

Donc le système de CIF utilise le rayonnement pour chauffer la carte tandis que le bon vieux four utilisera la convection et c'est avec l'inertie que j'ai un gros doute.

Peut être que je me trompe mais pour moi la convection a deux problèmes. Elle doit chauffer un volume d'air pour mettre la carte électronique à bonne température mais l'air a de l'inertie et les réactions ne seront pas immédiates, d'où l'intérêt du PID ici et la mise au point va être très intéressante. Elle est aussi fonction de l'isolation du four et de son étanchéité, c'est à dire que pour monter la température de 3 degrés (au hasard) donc on parle du volume d'air, il faut prendre en compte que l'air fiche le camp en permanence et la convection se propage un peu dehors, un peu dans la porte, un peu dans les parois etc...

Bien entendu pour faire cuire une pizza on se fou de tout ceci, c'est bien marginal, ceux sont des détails légers mais pour contrôler une courbe de température (profil de soudure) j'ai vraiment un doute.

En revanche avec le rayonnement d'une lampe c'est différent, il s'agit d'émission de photon et ça ne dépend ni du volume d'air, ni de l'isolation du four.... Tiens d'ailleurs quand j'y pense, le four CMS de mon ancienne entreprise n'était pas totalement fermé (il était fermé un peu comme un appareil à gauffre ou à croc Monsieur) puisque je voyais un peu le convoyeur et les cartes dessus.

Je confirme bientôt mais oui Antoane, c'est probablement des lampes aussi.

sandrecarpe, je suis très intéressé par tes tests/schémas/détails... Tout ton projet quoi et je serai ravi d'avoir tord sur la possibilité de faire de la refusion contrôlée avec un simple four.

Merci à toi.
Vincent

[Chtulhu]

Bonjour,

un lien qui peut être utile:
https://faire-ca-soi-meme.fr/outils/...ur-a-refusion/

A 130 euros le four, ça vaut le coup de le modifier très facilement.

[plumele]

Bonjour,

Problème : l'entrée du système est un angle d’amorçage et la sortie une température. Or, je fais un asservissement de température, ma consigne doit être une température. Donc il manque sûrement un "truc" entre la sortie du comparateur et le correcteur.
Qu'est-ce que je dois mettre à cet endroit ? Ou alors il y a peut-être un truc que je n'ai pas compris

Je vois les choses ainsi.
Dans un premier temps il faut créer un bloc qui va définir un profil de température en fonction du but à atteindre.


Je ne comprends pas ce que peut faire le" truc" après le comparateur.
On veut réguler une température, la régulation doit se faire avec des valeurs de t° et pas autre chose.
Il ne faut pas tout mélanger.
La valeur d'entrée du PID sera la différence: t° de consigne - t° mesurée calculé par le comparateur.

Si l'étage de sortie est un Thyristor, il faut rajouter un bloc dédié qui transforme la valeur de sortie du PID (t°) en signal interprétable pour le pour le Thyristor.
Ce bloc sera disposé juste avant l'étage de puissance mais surtout pas en entrée.
Là il faut réfléchir.

Ensuite vient le PID.
Dans un PID, les trois parties proportionnelles, intégrales, et différentielles doivent avoir leurs propres paramètres de réglage ( facteur d'amplification, constante de temps, reset , limitation maxi-mini pour l'intégrateur, reset ....)
La valöeur de sortie du PID est utilisée par le variateur.
C'était la phase de développement. Ensuite on passe à la phase d'application qui consiste à calibrer tout ces paramètres en conditions de fonctionnement: d'abord la partie proportionnelle, ensuite l'intégrale et enfin la différentielle si nécessaire.

Cette phase se traduit par de nombreux essais, car on ne connait pas au départ le temps de réaction du four ainsi que les conditions de fonctionnement puisque celle-ci changent en fonction du travail effectué.

[sandrecarpe]

Merci pour votre intérêt pour ce sujet !

@Vincent et les intéressés : voilà en pièce jointe le schéma développé à l'heure actuelle.
Je vous mets ça en pdf parce que le schéma est tellement grand que c'était illisible sous forme d'image. Pour le code, je suis en train de le développer, mais comme je n'ai fais encore aucun test, je ne vais pas vous filer un truc qui potentiellement ne marche pas du tout Par contre je veux bien avoir votre avis sur la partie communication en SPI avec l'ADC AD7793.

Je suis certain qu'on aura un résultat correcte. Pour des protos rapides, je fais ça thermomètre à la main et asservissement manuel par ouverture/fermeture de la porte et ça marche très bien

En revanche avec le rayonnement d'une lampe c'est différent, il s'agit d'émission de photon et ça ne dépend ni du volume d'air, ni de l'isolation du four.... Tiens d'ailleurs quand j'y pense, le four CMS de mon ancienne entreprise n'était pas totalement fermé (il était fermé un peu comme un appareil à gauffre ou à croc Monsieur) puisque je voyais un peu le convoyeur et les cartes dessus.

Faire un four comme ça demande sûrement pas mal de modification sur un four existant, et comme on veut faire ça relativement low cost (autant au niveau coût matériel que temporel)...

Si l'étage de sortie est un Thyristor, il faut rajouter un bloc dédié qui transforme la valeur de sortie du PID (t°) en signal interprétable pour le pour le Thyristor.
Ce bloc sera disposé juste avant l'étage de puissance mais surtout pas en entrée.

Je pense plutôt mettre tout dans le PID, comme dit Antoane : en entrée une température et en sortie une temporisation directement utilisable par le triac.

Ensuite vient le PID.
Dans un PID, les trois parties proportionnelles, intégrales, et différentielles doivent avoir leurs propres paramètres de réglage ( facteur d'amplification, constante de temps, reset , limitation maxi-mini pour l'intégrateur, reset ....)
La valöeur de sortie du PID est utilisée par le variateur.
C'était la phase de développement. Ensuite on passe à la phase d'application qui consiste à calibrer tout ces paramètres en conditions de fonctionnement: d'abord la partie proportionnelle, ensuite l'intégrale et enfin la différentielle si nécessaire.

Cette phase se traduit par de nombreux essais, car on ne connait pas au départ le temps de réaction du four ainsi que les conditions de fonctionnement puisque celle-ci changent en fonction du travail effectué.

En effet la partie de réglage ne sera pas une partie de plaisir
Mais après identification du système, je devrais pouvoir bien avancer par simulation

[sandrecarpe]

Bonjour,

un lien qui peut être utile:
https://faire-ca-soi-meme.fr/outils/...ur-a-refusion/

A 130 euros le four, ça vaut le coup de le modifier très facilement.

Ca dépend de son concept du "faire soi-même", pour moi c'est déjà tout fait là

[plumele]

.
Je pense plutôt mettre tout dans le PID, comme dit Antoane : en entrée une température et en sortie une temporisation directement utilisable par le triac.

juste pour dire...
la raison pour laquelle on n'utilise cette solution dans la pratique pas est que...
en cas de modification du circuit de puissance pour une raison ou pour une autre, on n'a pas à refaire toutes les calibrations de la régulation mais seulement à adapter le dernier étage.
Pour un prototype pas de problème, mais à bannir pour tout autre projet.
Edit: de plus je dirais que quand on calibre on sait de quoi on parle : de température et pas d'autre chose

En effet la partie de réglage ne sera pas une partie de plaisir
Mais après identification du système, je devrais pouvoir bien avancer par simulation

J'ai fait du développement et de l'application, les deux donnent du plaisir





bravo pour le boulot effectué.

[Chtulhu]

Ca dépend de son concept du "faire soi-même", pour moi c'est déjà tout fait là

C'est vrai.
On ne sait jamais, entre l'envie, simuler et finaliser il y a tout un monde

Bonne continuation.

[sandrecarpe]

juste pour dire...
la raison pour laquelle on n'utilise cette solution dans la pratique pas est que...
en cas de modification du circuit de puissance pour une raison ou pour une autre, on n'a pas à refaire toutes les calibrations de la régulation mais seulement à adapter le dernier étage.
Pour un prototype pas de problème, mais à bannir pour tout autre projet.

Si l'étage de sortie est un Thyristor, il faut rajouter un bloc dédié qui transforme la valeur de sortie du PID (t°) en signal interprétable pour le Thyristor.
Ce bloc sera disposé juste avant l'étage de puissance mais surtout pas en entrée.

C'est vrai que c'est pas mal, je vais réfléchir sur cette solution !

J'ai fait du développement et de l'application, les deux donnent du plaisir

C'est la première fois que je vais régler, de a à z et pour de vrai, un asservissement...on va attendre pour le plaisir je pense

[plumele]

C'est vrai que c'est pas mal, je vais réfléchir sur cette solution !

Sur tous les systèmes avec régulation sur lesquels j'ai pu travaillé en automobile (régulation de température,de tension, de régime, de position angulaire d'actuateur etc ) il est toujours fait ainsi.
Les paramètres de calibrations et les mesures se font donc dans mon exemple en °C, tr/mn, Volt, angle voir en % mais jamais en utilisant l'unité du signal appliquée sur l'étage de puissance
Il faut bien différentier les fonctionnalités d'un système pour éviter de tout mélanger.
Il y a encore d'autres raisons à cette méthode mais je vais éviter de surcharger le post pour rien.