Dlaczego potrzebujemy kontrolerów temperatury?

Regulatory temperatury są potrzebne w każdej sytuacji wymagającej stabilnego utrzymania danej temperatury. Może to mieć miejsce w sytuacji, w której obiekt musi być ogrzewany, chłodzony lub jedno i drugie i pozostawać w temperaturze docelowej (nastawie), niezależnie od zmieniającego się otoczenia wokół niego. Istnieją dwa podstawowe rodzaje regulacji temperatury; sterowanie w pętli otwartej i zamkniętej. Pętla otwarta jest najbardziej podstawową formą i stosuje ciągłe ogrzewanie / chłodzenie bez względu na rzeczywistą temperaturę wyjściową. Działa analogicznie do wewnętrznego ogrzewania w samochodzie. W zimny dzień może być konieczne całkowite włączenie ogrzewania, aby ogrzać samochód do 25 °. Jednak podczas cieplejszej pogody takie samo ustawienie spowodowałoby, że wnętrze samochodu byłoby znacznie cieplejsze niż wymagane 25 °.

Sterowanie w pętli zamkniętej jest znacznie bardziej wyrafinowane niż w pętli otwartej. W zastosowaniach w pętli zamkniętej temperatura wyjściowa jest stale mierzona i regulowana, aby utrzymać stałą moc wyjściową przy żądanej temperaturze. Sterowanie w pętli zamkniętej zawsze jest świadome sygnału wyjściowego i przekazuje go z powrotem do procesu sterowania. Sterowanie w pętli zamkniętej jest analogiczne do samochodu z klimatyzacją wewnętrzną. Jeśli ustawisz temperaturę samochodu na 25 °, układ klimatyzacji automatycznie dostosuje ogrzewanie (w zimne dni) lub chłodzenie (w ciepłe dni), aby utrzymać docelową temperaturę 25 °. W systemach grzewczych z PID stosowane jest sterowanie w pętli zamkniętej.

Działanie sterujące WŁ. / WYŁ. Włącza lub wyłącza wyjście w oparciu o wartość zadaną. Skutkiem tego wyjście często zmienia się wraz z niewielkimi zmianami temperatury, co skraca żywotność przekaźnika wyjściowego lub niekorzystnie wpływa na niektóre urządzenia podłączone do Regulatora Temperatury. Aby temu zapobiec, pomiędzy operacjami włączania i wyłączania tworzony jest pasmo temperatur zwane histerezą.

Jeśli histerezę ustawimy na 10°C a nastaw temperatury kotła wynosi 80 ° C, pompa wyłączy się przy wartości temperatury 80 ° C i włączy się przy wartości 70 ° C.

Ustawienie dużej histerezy spowoduje, że temperatura, przy której wyjście zmienia się z WYŁ. Na ZAŁ., Będzie niższa niż nastawa o wartość ustawioną dla histerezy, powodując czasami, że użytkownicy myślą, że wyjście nie działa zgodnie z ustawieniami.

Z drugiej strony, jeśli histereza jest ustawiona na małą wartość, wyjście może drgać. Dlatego histerezę należy ustawić na odpowiednią wartość.

Wprowadzenie do regulatorów temperatury

Regulator temperatury to urządzenie służące do utrzymywania zadanej temperatury na określonej wartości.

Najprostszym przykładem regulatora temperatury jest popularny termostat stosowany w domach. Na przykład podgrzewacz ciepłej wody użytkowej wykorzystuje termostat do kontrolowania temperatury wody i utrzymywania jej na określonej zadanej temperaturze. Regulatory temperatury są również używane w piecach grzewczych ( kotłach na pellet, kotłach na ekogroszek, kotłach gazowych ) a nawet w piekarnikach kuchennych. Gdy temperatura jest ustawiona dla piekarnika, sterownik monitoruje rzeczywistą temperaturę wewnątrz piekarnika. Jeśli spadnie poniżej ustawionej temperatury, wysyła sygnał do włączenia grzałki w celu podniesienia temperatury z powrotem do wartości zadanej. Termostaty są również używane w lodówkach. Jeśli więc temperatura stanie się zbyt wysoka, kontroler inicjuje akcję obniżenia temperatury.

Typowe zastosowania kontrolera temperatury

Regulatory temperatury w przemyśle działają tak samo, jak w typowych zastosowaniach domowych. Podstawowy regulator temperatury zapewnia kontrolę przemysłowych lub laboratoryjnych procesów ogrzewania i chłodzenia. W typowych zastosowaniach czujniki mierzą rzeczywistą temperaturę. Ta mierzona temperatura jest stale porównywana z wartością zadaną użytkownika. Gdy rzeczywista temperatura odbiega od nastawy, regulator generuje sygnał wyjściowy, aby aktywować inne urządzenia regulujące temperaturę, takie jak elementy grzejne lub komponenty chłodnicze, aby przywrócić temperaturę do wartości zadanej.

Typowe zastosowania w przemyśle

Kontrolery temperatury są używane w wielu różnych gałęziach przemysłu do zarządzania procesami produkcyjnymi lub operacjami. Niektóre typowe zastosowania regulatorów temperatury w przemyśle obejmują wytłaczanie tworzyw sztucznych i wtryskarki, maszyny do termoformowania, maszyny pakujące, przetwórstwo żywności, przechowywanie żywności, klimatyzatory domowe, klimatyzatory przemysłowe i banki krwi. Poniżej znajduje się krótki przegląd niektórych typowych zastosowań kontroli temperatury w przemyśle:

  • Obróbka cieplna / piekarnik – Regulatory temperatury są używane w piecach i do obróbki cieplnej w piecach, piecach ceramicznych, kotłach do ogrzewania i wymiennikach ciepła.
  • Opakowanie – W świecie opakowań maszyny wyposażone w listwy zgrzewające, aplikatory kleju, funkcje topienia folii na gorąco, tunele obkurczające lub aplikatory etykiet muszą pracować w wyznaczonych temperaturach i w określonych przedziałach czasowych. Regulatory temperatury precyzyjnie regulują te operacje, aby zapewnić wysoką jakość produktu.
  • Tworzywa sztuczne – Kontrola temperatury w przemyśle tworzyw sztucznych jest powszechna w przenośnych agregatach chłodniczych, lejach samowyładowczych i suszarkach oraz urządzeniach do formowania i wytłaczania. W urządzeniach do wytłaczania regulatory temperatury służą do precyzyjnego monitorowania i kontrolowania temperatur w różnych krytycznych punktach produkcji tworzywa sztucznego.
  • Opieka zdrowotna – Regulatory temperatury są stosowane w branży medycznej w celu zwiększenia dokładności kontroli temperatury. Typowe wyposażenie wykorzystujące regulatory temperatury obejmuje sprzęt laboratoryjny i testowy, autoklawy, inkubatory, sprzęt chłodniczy oraz krystalizacyjne komory wzrostu i komory testowe, w których próbki muszą być przechowywane lub testy muszą być przeprowadzane w określonych parametrach temperatury.
  • jedzenie i napoje – Typowe zastosowania w przetwarzaniu żywności, w których wykorzystywane są regulatory temperatury, obejmują zaparzanie, blendowanie, sterylizację oraz piece do gotowania i pieczenia. Sterowniki regulują temperaturę i / lub czas procesu, aby zapewnić optymalną wydajność.

Budowa regulatora temperatury

Wszystkie kontrolery mają kilka wspólnych części. Na początek kontrolery mają wejścia. Wejścia służą do pomiaru zmiennej w kontrolowanym procesie. W przypadku regulatora temperatury mierzoną zmienną jest temperatura.

Wejścia sygnału

Regulatory temperatury mogą mieć kilka typów wejść. Typ czujnika wejściowego i potrzebny sygnał mogą się różnić w zależności od typu kontrolowanego procesu. Typowe czujniki wejściowe obejmują termopary i rezystancyjne urządzenia termiczne (RTD) oraz wejścia liniowe, takie jak mV i mA. Typowe znormalizowane typy termopar obejmują między innymi typy J, K, T, R, S, B i L.

Kontrolery można również ustawić tak, aby akceptowały RTD jako wejście wykrywające temperaturę. Typowym RTD byłby czujnik platynowy 100 Ω.

Alternatywnie, kontrolery można ustawić tak, aby przyjmowały sygnały napięciowe lub prądowe w zakresie miliwoltowym, woltowym lub miliamperowym z innych typów czujników, takich jak czujniki ciśnienia, poziomu lub przepływu. Typowe sygnały napięcia wejściowego obejmują 0 do 5 V DC, 1 do 5 V DC, 0 do 10 V DC i 2 do 10 V DC. Kontrolery można również skonfigurować tak, aby przyjmowały sygnały miliwoltowe z czujników, które obejmują od 0 do 50 mVDC i od 10 do 50 mVDC. Kontrolery mogą również przyjmować sygnały miliamperowe, takie jak 0 do 20 mA lub 4 do 20 mA.

Sterownik zazwyczaj zawiera funkcję wykrywania, kiedy czujnik wejściowy jest uszkodzony lub go nie ma. Jest to znane jako wykrycie uszkodzenia czujnika. Niewykryty stan usterki może spowodować znaczne uszkodzenie sterowanego sprzętu. Ta funkcja umożliwia sterownikowi natychmiastowe zatrzymanie procesu w przypadku wykrycia uszkodzenia czujnika.

Wyjścia sygnału

Typowe wyjścia dostarczane z regulatorami temperatury obejmują wyjścia przekaźnikowe, sterowniki przekaźników półprzewodnikowych (SSR), triak i liniowe wyjścia analogowe. Wyjście przekaźnikowe to zwykle jednobiegunowy przekaźnik dwupołożeniowy (SPDT) z cewką napięciową DC. Sterownik zasila cewkę przekaźnika, zapewniając izolację styków. Pozwala to stykom sterować zewnętrznym źródłem napięcia zasilającym cewkę znacznie większego stycznika grzewczego. Należy zauważyć, że prąd znamionowy styków przekaźnika jest zwykle mniejszy niż 2A. Styki mogą sterować stycznikiem grzewczym o prądzie znamionowym 10–20 A używanym w taśmach grzejnych lub elementach grzejnych.

Innym typem wyjścia jest sterownik SSR. Wyjścia sterownika SSR to wyjścia logiczne, które włączają lub wyłączają przekaźnik półprzewodnikowy. Większość przekaźników półprzewodnikowych wymaga do włączenia od 3 do 32 VDC. Typowy sygnał włączenia sterownika SSR o wartości 10 V może sterować trzema przekaźnikami półprzewodnikowymi.

Triak zapewnia funkcję przekaźnika bez żadnych ruchomych części. Jest to urządzenie półprzewodnikowe kontrolujące prądy do 1A. Wyjścia triakowe mogą pozwolić na niewielką ilość prądu upływowego, zwykle mniejszą niż 50 mA. Ten prąd upustowy nie wpływa na obwody styczników ogrzewania, ale może stanowić problem, jeśli wyjście jest używane do podłączenia do innego obwodu półprzewodnikowego, takiego jak wejście PLC. Jeśli jest to problem, lepszym wyborem byłby standardowy styk przekaźnika. Zapewnia prąd zerowy absolutny, gdy wyjście jest pozbawione napięcia, a styki są otwarte.

W niektórych sterownikach dostępne są wyjścia analogowe, które generują sygnał 0–10 V lub 4–20 mA. Sygnały te są kalibrowane w taki sposób, że sygnał zmienia się jako procent sygnału wyjściowego. Na przykład, jeśli sterownik wysyła sygnał 0%, wyjście analogowe będzie miało wartość 0 V lub 4 mA. Gdy sterownik wysyła sygnał 50%, na wyjściu będzie 5 V lub 12 mA. Gdy sterownik wysyła sygnał 100%, na wyjściu będzie 10 V lub 20 mA.

Jak to działa sterownik temperatury w kotłach grzewczych

Wszystkie kontrolery, od podstawowego do najbardziej złożonego, działają prawie w ten sam sposób. Kontrolery kontrolują lub utrzymują pewną zmienną lub parametr na ustalonej wartości. Sterownik wymaga dwóch zmiennych; rzeczywisty sygnał wejściowy i żądana wartość zadana. Sygnał wejściowy jest również nazywany wartością procesową. Wejście do kontrolera jest próbkowane wiele razy na sekundę, w zależności od kontrolera.

Ta wartość wejściowa lub procesowa jest następnie porównywana z wartością zadaną. Jeżeli wartość rzeczywista nie zgadza się z wartością zadaną, regulator generuje zmianę sygnału wyjściowego w oparciu o różnicę między wartością zadaną a wartością procesową oraz to, czy wartość procesowa zbliża się do wartości zadanej lub odchyla się dalej od wartości zadanej. Ten sygnał wyjściowy inicjuje następnie pewien rodzaj odpowiedzi, aby skorygować rzeczywistą wartość, tak aby była zgodna z wartością zadaną. Zwykle algorytm sterowania aktualizuje wartość mocy wyjściowej, która jest następnie podawana na wyjście.

Podjęte działania kontrolne zależą od typu kontrolera. Na przykład, jeśli sterownik jest regulatorem typu WŁ. / WYŁ., Sterownik decyduje, czy wyjście ma zostać włączone, wyłączone, czy pozostawione w obecnym stanie.

Sterowanie typu WŁ. / WYŁ. Jest jednym z najprostszych do wdrożenia typów sterowania. Działa poprzez ustawienie pasma histerezy. Na przykład regulator temperatury można ustawić tak, aby kontrolował temperaturę w pomieszczeniu. Jeśli nastawa wynosi 68 °, a rzeczywista temperatura spada do 67 °, sygnał błędu wskazywałby różnicę –1 °. Sterownik wysłałby wtedy sygnał, aby zwiększyć doprowadzone ciepło, aby podnieść temperaturę z powrotem do wartości zadanej 68 °. Gdy temperatura osiągnie 68 °, grzejnik wyłącza się. Dla temperatury od 68 ° do 67 ° regulator nie podejmuje żadnych działań i grzałka pozostaje wyłączona. Jednak gdy temperatura osiągnie 67 °, grzejnik ponownie się włączy.

W przeciwieństwie do regulacji typu WŁ. / WYŁ., Regulacja PID określa dokładną wartość wyjściową wymaganą do utrzymania żądanej temperatury. Moc wyjściowa może wynosić od 0 do 100%. Kiedy używany jest typ wyjścia analogowego, napęd wyjściowy jest proporcjonalny do wartości mocy wyjściowej. Jeśli jednak wyjście jest wyjściem binarnym, takim jak przekaźnik, sterownik SSR lub triak, to wyjście musi być proporcjonalne w czasie, aby uzyskać reprezentację analogową.

System proporcjonalny do czasu wykorzystuje czas cyklu do proporcjonalności wartości wyjściowej. Jeśli czas cyklu jest ustawiony na 8 sekund, system żądający 50% mocy będzie miał wyjście włączone na 4 sekundy i wyłączone na 4 sekundy. Dopóki wartość mocy się nie zmieni, wartości czasu nie ulegną zmianie. Z biegiem czasu moc jest uśredniana do 50% zadanej wartości, w połowie włączona i wyłączona. Gdyby moc wyjściowa musiała wynosić 25%, to przez ten sam 8-sekundowy czas cyklu wyjście byłoby włączone na 2 sekundy i wyłączone na 6 sekund.

Przy wszystkich pozostałych parametrach pożądany jest krótszy czas cyklu, ponieważ regulator może szybciej reagować i zmieniać stan wyjścia na dane zmiany w procesie. Ze względu na mechanikę przekaźnika krótszy czas cyklu może skrócić żywotność przekaźnika i nie zaleca się, aby był krótszy niż 8 sekund. W przypadku półprzewodnikowych urządzeń przełączających, takich jak sterownik SSR lub triak, krótsze czasy przełączania są lepsze. Dłuższe czasy przełączania, niezależnie od typu wyjścia, pozwalają na większe oscylacje wartości procesowej. Ogólna zasada jest taka, że ​​TYLKO jeśli proces na to pozwala, gdy używane jest wyjście przekaźnikowe, pożądany jest dłuższy czas cyklu.

Jakie są różne typy kontrolerów i jak działają?

Istnieją trzy podstawowe typy regulatorów: włącz-wyłącz, proporcjonalny i PID. W zależności od sterowanego systemu, operator będzie mógł sterować procesem za pomocą jednego lub drugiego typu.

Sterowanie włączaniem / wyłączaniem

Regulator włącz-wyłącz to najprostsza forma urządzenia do regulacji temperatury. Wyjście z urządzenia jest włączone lub wyłączone, bez stanu środkowego. Regulator on-off przełączy wyjście tylko wtedy, gdy temperatura przekroczy nastawę. W przypadku sterowania ogrzewaniem wyjście jest włączone, gdy temperatura spadnie poniżej wartości zadanej i wyłączone powyżej wartości zadanej. Ponieważ temperatura przekracza wartość zadaną, aby zmienić stan wyjścia, temperatura procesowa będzie się nieustannie zmieniać, przechodząc od wartości poniżej nastawy do góry iz powrotem poniżej. W przypadkach, gdy to cykliczne następuje szybko i aby zapobiec uszkodzeniu styczników i zaworów, do operacji sterownika dodawana jest różnica załączania i wyłączania, czyli „histereza”. Ta różnica wymaga, aby temperatura przekroczyła nastawę o określoną wartość, zanim wyjście zostanie wyłączone lub ponownie włączone. Różnica załączania i wyłączania zapobiega „drganiom” wyjścia lub dokonywaniu szybkich, ciągłych przełączeń, jeśli cykliczne zmiany powyżej i poniżej wartości zadanej występują bardzo szybko. Sterowanie włącz-wyłącz jest zwykle stosowane, gdy precyzyjne sterowanie nie jest konieczne, w systemach, które nie radzą sobie z częstym włączaniem i wyłączaniem energii, gdzie masa systemu jest tak duża, że ​​temperatura zmienia się bardzo wolno lub w przypadku alarmu temperatury. Specjalnym rodzajem sterowania włącz-wyłącz używanego do alarmu jest kontroler limitu. Ten sterownik wykorzystuje przekaźnik zatrzaskowy, który należy ręcznie zresetować i służy do wyłączania procesu po osiągnięciu określonej temperatury. Sterowanie włącz-wyłącz jest zwykle stosowane, gdy precyzyjne sterowanie nie jest konieczne, w systemach, które nie radzą sobie z częstym włączaniem i wyłączaniem energii, gdzie masa systemu jest tak duża, że ​​temperatura zmienia się bardzo wolno lub w przypadku alarmu temperatury. Specjalnym rodzajem sterowania włącz-wyłącz używanego do alarmu jest kontroler limitu. Ten sterownik wykorzystuje przekaźnik zatrzaskowy, który należy ręcznie zresetować i służy do wyłączania procesu po osiągnięciu określonej temperatury. Sterowanie włącz-wyłącz jest zwykle stosowane, gdy precyzyjne sterowanie nie jest konieczne, w systemach, które nie radzą sobie z częstym włączaniem i wyłączaniem energii, gdzie masa systemu jest tak duża, że ​​temperatura zmienia się bardzo wolno lub w przypadku alarmu temperatury. Jednym ze specjalnych rodzajów sterowania włącz-wyłącz używanego do alarmu jest kontroler limitów. Ten sterownik wykorzystuje przekaźnik zatrzaskowy, który należy ręcznie zresetować i służy do wyłączania procesu po osiągnięciu określonej temperatury.

Sterowanie proporcjonalne ( modulacja )

Sterowanie proporcjonalne ma na celu wyeliminowanie cykli związanych ze sterowaniem włącz-wyłącz. Regulator proporcjonalny zmniejsza średnią moc dostarczaną do grzejnika, gdy temperatura zbliża się do wartości zadanej. Powoduje to spowolnienie nagrzewnicy, aby nie przekroczyła wartości zadanej, ale zbliżyła się do wartości zadanej i utrzymywała stabilną temperaturę. To działanie można zrealizować przez włączanie i wyłączanie wyjścia na krótkie odstępy czasu. To „proporcjonowanie czasu” zmienia stosunek czasu „włączenia” do czasu „wyłączenia” w celu kontrolowania temperatury. Dozowanie odbywa się w „paśmie proporcjonalności” wokół nastawy temperatury. Poza tym pasmem sterownik działa jako jednostka włącz-wyłącz, z wyjściem całkowicie włączonym (poniżej pasma) lub całkowicie wyłączonym (powyżej pasma). Jednak w zakresie wyjścia jest włączane i wyłączane w stosunku różnicy pomiaru od wartości zadanej. W punkcie nastawy (w środku zakresu proporcjonalności) stosunek włączenia: wyłączenia wyjścia wynosi 1: 1; to znaczy, czas włączenia i czas wyłączenia są równe. jeśli temperatura jest dalej od nastawy, czasy włączenia i wyłączenia zmieniają się proporcjonalnie do różnicy temperatur. Jeśli temperatura jest poniżej nastawy, wyjście będzie włączone dłużej; jeśli temperatura jest zbyt wysoka, wyjście będzie wyłączone dłużej. czas pracy i czas wolny są równe. jeśli temperatura jest dalej od nastawy, czasy włączenia i wyłączenia zmieniają się proporcjonalnie do różnicy temperatur. Jeśli temperatura jest poniżej nastawy, wyjście będzie włączone dłużej; jeśli temperatura jest zbyt wysoka, wyjście będzie wyłączone dłużej. czas pracy i czas wolny są równe. jeśli temperatura jest dalej od nastawy, czasy włączenia i wyłączenia zmieniają się proporcjonalnie do różnicy temperatur. Jeśli temperatura jest poniżej nastawy, wyjście będzie włączone dłużej; jeśli temperatura jest zbyt wysoka, wyjście będzie wyłączone dłużej.

Sterowanie PID, histereza

Trzeci typ regulatora zapewnia sterowanie proporcjonalne ze sterowaniem całkującym i różniczkującym lub PID. Sterownik ten łączy sterowanie proporcjonalne z dwoma dodatkowymi regulacjami, co pomaga urządzeniu automatycznie kompensować zmiany w systemie. Te korekty, całkowite i pochodne, są wyrażone w jednostkach czasowych; są one również określane przez ich odwrotność, odpowiednio, RESET i RATE. Składniki proporcjonalności, całkowania i pochodnych muszą być indywidualnie dostosowane lub „dostrojone” do konkretnego systemu metodą prób i błędów. Zapewnia najdokładniejszą i najbardziej stabilną regulację spośród trzech typów regulatorów i najlepiej sprawdza się w układach o stosunkowo niewielkiej masie, które szybko reagują na zmiany energii dodawanej do procesu. Jest zalecany w układach, w których obciążenie zmienia się często, a regulator ma automatycznie kompensować z powodu częstych zmian wartości zadanej, ilości dostępnej energii lub kontrolowanej masy.