Controle PID com Siemens S7-1200: Como utilizar?

Introdução

Se você já trabalhou com fornos industriais, sabe que o controle da temperatura de refrigeração não é opcional — é crítico. Uma variação mal gerenciada compromete o processo, estressa os equipamentos e pode gerar parada de linha. O controle PID com o Siemens S7-1200 resolve esse problema de forma elegante: simples de configurar no TIA Portal, robusto o suficiente para aguentar o dia a dia da planta.

Neste artigo, vou mostrar exatamente como implementamos esse controle em um projeto real aqui na Automach. O sistema cuida da temperatura da água que circula nos fornos: uma bomba mantém a água em movimento e um inversor de frequência ajusta a velocidade de um ventilador que resfria essa água. Quem manda no inversor é o PID, fechando o laço a partir de um sensor de temperatura instalado na linha de água.

Você vai aprender a configurar o bloco PID_Compact no TIA Portal, entender os parâmetros que realmente importam e ver como estruturamos a lógica de controle para esse tipo de aplicação.

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Por que usar PID para controlar temperatura no sistema de refrigeração?

O controle liga/desliga (on/off) até funciona em alguns casos, mas numa aplicação de refrigeração com inércia térmica alta — como acontece nos sistemas de forno —, ele gera ciclos de temperatura com overshoot constante. Isso significa que o ventilador fica alternando entre velocidade máxima e parado, gerando desgaste mecânico e resposta lenta.

O controle PID (Proporcional-Integral-Derivativo) resolve isso porque ele calcula continuamente o erro entre a temperatura de setpoint e a temperatura medida, e entrega ao inversor exatamente a frequência necessária para compensar esse erro — sem overshoots desnecessários, sem liga-desliga.

Na prática:

• P (Proporcional): age proporcional ao erro atual. Quanto mais longe do setpoint, mais o ventilador acelera.
• I (Integral): elimina o erro estático ao longo do tempo. Sem ele, o sistema estabiliza ligeiramente abaixo ou acima do setpoint.
• D (Derivativo): antecipa variações bruscas. No nosso caso, ajuda quando a carga do forno muda de repente.

Para refrigeração de água em fornos, na maioria dos projetos o PD é suficiente ou um I com tempo longo. O D costuma ser dispensado em sistemas com bastante inércia — mas o PID_Compact do S7-1200 te deixa ajustar tudo isso via autotune.

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Visão Geral do Sistema

Antes de ir para o TIA Portal, entenda a arquitetura do projeto:

Componente	Função
Siemens S7-1200 (CPU 1212C ou superior)	Controlador principal — executa o PID
Sensor de temperatura PT100 / 4–20 mA	Mede a temperatura da água de retorno
Módulo analógico SM 1231	Converte o sinal do sensor para o PLC
Inversor de frequência (WEG CFW ou Siemens G120)	Controla a velocidade do ventilador
Bomba de circulação	Mantém a água em movimento no circuito
Ventilador do radiador	Resfria a água antes de retornar aos fornos

O fluxo de controle é simples: o sensor mede a temperatura da água → o S7-1200 calcula o erro em relação ao setpoint → o PID gera um sinal de 0 a 100% → esse sinal vai como referência de velocidade para o inversor via saída analógica (0–10 V ou 4–20 mA) → o inversor acelera ou desacelera o ventilador.

⚠️ Atenção: A bomba de circulação NÃO é controlada pelo PID. Ela deve estar sempre ligada enquanto o forno estiver em operação. O PID controla apenas o ventilador. Lembre-se de criar um intertravamento que garanta que o inversor só entre em operação com a bomba confirmada (pressostato ou corrente).

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Configurando o PID_Compact no TIA Portal

O TIA Portal disponibiliza o bloco PID_Compact (FB41) dentro da biblioteca de tecnologia. Ele já inclui a lógica completa de PID com autotune integrado — não precisa implementar na mão.

Passo 1: Adicionar o bloco PID_Compact ao projeto

1. No TIA Portal, abra seu projeto e vá até a CPU S7-1200.
2. Na pasta Technology Objects (dentro do device), adicione um novo objeto → selecione PID_Compact.
3. Dê um nome significativo: PID_Temperatura_Agua.
4. O TIA Portal cria automaticamente o DB de instância associado.

💡 Dica: Coloque o bloco PID_Compact em um OB de execução cíclica com tempo fixo — o OB30 (Cyclic Interrupt) é o mais indicado. No nosso projeto usamos 100 ms de ciclo para temperatura de água, que tem inércia razoável. Nunca rode PID em OB1 (ciclo livre), pois o tempo de execução variável corrompe o cálculo do integral.

Passo 2: Configurar os parâmetros no bloco

Após inserir o bloco no OB30, acesse a configuração (duplo clique no bloco → aba Configuration):

Aba Basic Settings:

• Controller type: Temperature
• Control direction: Reverse — porque ao aumentar a temperatura, queremos aumentar a saída (mais ventilação = mais resfriamento)

⚠️ Atenção: Cuidado com a direção do controle. Em refrigeração, temperatura alta = saída alta (ventilador rápido). Em aquecimento seria o inverso. Se inverter aqui, o sistema vai divergir ao invés de controlar.

Aba Input/Output:

• Input: selecione Input_PER se for usar entrada analógica direta (valor em formato percentual do módulo SM 1231) ou Input se já converter para engenharia (°C) no ladder.
• Output: Output_PER para saída analógica direta, ou Output para tratar no ladder.
• Setpoint: conecte a uma variável DB ou tag de memória (SetpointTemperatura).

No nosso projeto, usamos a entrada em formato de engenharia (Input em °C) convertida com o bloco NORM_X / SCALE_X a partir do valor bruto do SM 1231:

scl

// Conversão do sensor PT100 (4-20mA → 0-100°C)
"PID_Temperatura_Agua".Input := NORM_X(MIN := 0.0, VALUE := #SensorRaw, MAX := 27648.0) * 100.0;

Passo 3: Definir os limites de saída

Ainda na configuração:

• Output high limit: 100.0 (100% da saída analógica → frequência máxima do inversor)
• Output low limit: 0.0 — mas avalie se faz sentido o ventilador parar completamente. Em alguns projetos colocamos 20.0 como mínimo para garantir circulação mínima de ar.

💡 Dica: Se o inversor tem uma frequência mínima configurada (ex: 5 Hz), não importa se você manda 0% — ele vai operar no mínimo mesmo. Alinhe o limite inferior do PID com o que o inversor realmente faz.

Passo 4: Ajustar os parâmetros PID (Manual ou Autotune)

Valores iniciais para testar:

Parâmetro	Valor inicial sugerido
Ganho proporcional (P)	2.0
Tempo integral (Ti)	30 s
Tempo derivativo (Td)	0.0 s (desabilitado inicialmente)

Para temperatura de água com inércia média-alta, esses valores são um bom ponto de partida. Depois use o Autotune do próprio TIA Portal para refinar.

Como rodar o Autotune:

1. Com o PLC em modo RUN e o sistema em operação estável, acesse Online → PID_Compact → Commissioning.
2. Ative o modo Pretuning — o bloco faz um degrau na saída e mede a resposta do processo.
3. Em seguida, rode o Fine tuning para refinar os ganhos.
4. Ao finalizar, os parâmetros são escritos no DB de instância. Copie os valores para a configuração offline e faça o download permanente.

⚠️ Atenção: Nunca rode o Autotune com o forno em temperatura crítica ou com produto dentro. Faça o processo em condição de vazio ou com a produção parada, pois o autotune faz variações propositais na saída.

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Lógica de Controle e Intertravamentos

Além do PID em si, o projeto precisa de uma lógica de controle ao redor. Aqui está o que implementamos:

Habilitação do PID

O PID só deve rodar quando:

1. A bomba de circulação está ligada e confirmada (sinal de corrente ou pressostato)
2. O forno está em modo operação (não em manutenção)
3. Não há falha no sensor de temperatura

scl

// Habilitação do PID_Compact
"PID_Temperatura_Agua".ManualEnable := FALSE; // Modo automático
"PID_Temperatura_Agua".Reset := "FalhaSensor" OR NOT "BombaConfirmada";

// Modo manual de emergência (operador pode forçar frequência pelo HMI)
IF "ModoManualHMI" THEN
    "PID_Temperatura_Agua".ManualEnable := TRUE;
    "PID_Temperatura_Agua".ManualValue := "FrequenciaManualHMI"; // 0-100%
END_IF;

Saída para o Inversor

A saída do PID (0–100%) precisa ser convertida para o formato da saída analógica (0–27648 para saída de corrente 4–20 mA, ou 0–27648 para tensão 0–10 V):

scl

// Conversão da saída PID para o módulo analógico
"SaidaInversor_AQ" := SCALE_X(
    MIN := 0,
    VALUE := "PID_Temperatura_Agua".Output,
    MAX := 27648
);

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Alarmes

Sempre inclua:

• Temperatura alta (High-High): desliga o forno, não apenas alarme
• Falha de sensor: vai para modo manual com frequência fixa de segurança
• Falha do inversor: alarme crítico e bloqueio do processo

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Configuração do Inversor para Controle via PID

O inversor recebe o sinal analógico do S7-1200 e converte para frequência de saída. Os parâmetros essenciais a configurar (exemplo WEG CFW11 / Siemens G120):

Parâmetro	Configuração
Referência de velocidade	Entrada analógica (AI1)
Sinal de referência	0–10 V ou 4–20 mA (conforme hardware)
Frequência mínima	10–15 Hz (evita parada total do ventilador)
Frequência máxima	60 Hz
Rampa de aceleração	5–10 s (suave para motor do ventilador)
Rampa de desaceleração	10–15 s

💡 Dica: Para ventiladores, sempre configure rampa de desaceleração generosa. Ventiladores têm inércia alta e forçar parada rápida pode gerar sobretensão no barramento CC do inversor (Fault 7 no CFW, por exemplo).

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Sensor de Temperatura: PT100 vs Transmissor 4–20 mA

A escolha do sensor impacta diretamente a qualidade do controle:

Critério	PT100 direto	Transmissor 4–20 mA
Custo	Mais barato	Mais caro
Módulo necessário	SM 1231 RTD	SM 1231 AQ (comum)
Ruído elétrico	Suscetível em cabo longo	Imune (corrente)
Distância do painel	Limitada (~50 m)	Sem limitação prática
Instalação	Mais simples	Necessita fonte 24V
Recomendação	Painel próximo ao sensor	Ambiente ruidoso ou distante

Em ambientes industriais com inversores e motores por perto — como é o caso de sistemas com fornos —, o transmissor 4–20 mA é sempre preferível. Ruído elétrico em cabo PT100 longo vai comprometer a leitura e deixar o PID instável.

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Checklist de Implementação

• Bloco PID_Compact adicionado ao OB30 (Cyclic Interrupt 100 ms)
• DB de instância criado e nomeado corretamente
• Direção do controle configurada como “Reverse” para refrigeração
• Limite de saída mínimo alinhado com frequência mínima do inversor
• Sensor de temperatura com sinal 4–20 mA (preferencial)
• Conversão de entrada NORM_X/SCALE_X implementada
• Saída analógica convertida com SCALE_X para o módulo AQ
• Intertravamento: PID só habilitado com bomba confirmada
• Modo manual via HMI implementado com ManualEnable/ManualValue
• Reset do PID em caso de falha de sensor
• Alarme de temperatura alta configurado (High e High-High)
• Autotune executado com sistema estabilizado
• Parâmetros PID salvos no projeto offline após autotune

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Erros Comuns

1. Rodar o PID no OB1 (ciclo livre) O PID_Compact precisa de tempo de ciclo fixo para calcular corretamente os termos I e D. No OB1, o tempo varia e isso distorce o comportamento. Use sempre OB cíclico (OB30 ou superior).

2. Direção de controle errada Inverter o sentido (Direct ao invés de Reverse ou vice-versa) faz o PID agir ao contrário: temperatura sobe, ventilador desacelera. O sistema vai direto para o limite máximo de temperatura. Sempre verifique antes de ligar.

3. Não colocar limite mínimo de saída Com saída em 0%, o inversor pode desligar completamente o ventilador. Se o forno ainda estiver quente e a bomba estiver em operação, a temperatura da água vai subir lentamente sem resfriamento nenhum. Coloque um mínimo de 15–20% na saída do PID.

4. Fazer autotune com carga variável Se fizer o autotune enquanto o forno está sendo carregado ou descarregado, a perturbação externa vai confundir o algoritmo de identificação. O resultado vai ser um PID mal ajustado. Estabilize o processo antes de iniciar.

5. Ignorar falha de sensor Sensor com fio partido entrega sinal fora de escala (0 mA ou abaixo de 4 mA). O PID vai interpretar como temperatura negativa e abrir a saída em 100% tentando “refrigerar”. Implemente verificação de underrange/overrange e force modo manual em caso de falha.

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Conclusão

O controle PID com o S7-1200 para temperatura de água em sistemas de refrigeração de fornos é uma aplicação clássica e muito eficiente quando implementada corretamente. O bloco PID_Compact no TIA Portal entrega praticamente tudo pronto — você precisa configurar a direção certa, o tempo de amostragem adequado, os intertravamentos de segurança e fazer um bom autotune.

O detalhe que faz diferença na prática é o cuidado com os periféricos: sensor com sinal de corrente (4–20 mA) para evitar ruído, rampa generosa no inversor para proteger o motor do ventilador e um modo manual bem implementado para o operador assumir o controle em situações de emergência.

Se você implementou um controle parecido ou ficou com alguma dúvida sobre a configuração do PID_Compact, deixa nos comentários — esse tipo de troca de experiência é o que faz o técnico crescer de verdade.

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FAQ

O PID_Compact do TIA Portal funciona no S7-1200 e no S7-1500? Sim. O PID_Compact é compatível com ambos os controladores. No S7-1500 você também tem o PID_3Step (para controle de atuadores de três pontos, como válvulas motorizadas) e o PID_Temp (focado em controle de temperatura com funcionalidades extras). Para a maioria das aplicações de temperatura industrial, o PID_Compact no S7-1200 já é suficiente.

Qual a diferença entre PID_Compact e PID_3Step no TIA Portal? O PID_Compact gera uma saída contínua (0–100%), ideal para inversor de frequência ou válvula proporcional. O PID_3Step é para atuadores que recebem pulsos de “abre” e “fecha” — como válvulas motorizadas sem retorno de posição. Para controle de ventilador via inversor, sempre use o PID_Compact.

Posso usar o bloco PID sem o módulo analógico, via Modbus para o inversor? Sim. Em vez de saída analógica, você pode escrever a saída do PID (0–100%) diretamente no registrador de referência de velocidade do inversor via Modbus RTU ou Modbus TCP. O S7-1200 suporta comunicação Modbus nativamente. A vantagem é eliminação do módulo analógico; a desvantagem é latência um pouco maior na comunicação serial.

Quanto tempo leva para o autotune do PID_Compact convergir? Depende da inércia do processo. Para temperatura de água com trocador de calor e ventilador, o pretuning costuma levar entre 5 e 15 minutos. O fine tuning pode levar mais 10 a 20 minutos. No total, conte com 30 a 45 minutos de processo estável para fazer um autotune completo e confiável.

O que fazer se o PID ficar oscilando mesmo após o autotune? Primeiro verifique se o sensor não está com ruído elétrico — isso confunde o autotune. Se o ruído estiver ok, tente aumentar o tempo integral (Ti) em 20–30% e reduzir o ganho proporcional (P). Oscilação geralmente indica ganho P alto demais ou Ti muito curto. O bloco PID_Compact tem um filtro de entrada (DerivativeTime → DFilterCoeff) que pode ajudar a suavizar o sinal se o ruído for inevitável.

Preciso de licença especial no TIA Portal para usar o PID_Compact? Não. O PID_Compact faz parte da biblioteca de tecnologia padrão do TIA Portal e está disponível sem custo adicional para CPUs S7-1200 e S7-1500. Basta adicionar o bloco ao projeto normalmente.