Wykorzystanie kontrolerów temperatury i programowalnych mikrosterowników PLC do przyspieszenia realizacji małoskalowych projektów automatyki

Ciepło. Jest ono ważne w wielu procesach przemysłowych, takich jak zgrzewanie opakowań, operacje formowania tworzyw sztucznych, lutowanie rozpływowe, obróbka półprzewodników itp. Każdy proces ma określone wymagania w zakresie poziomów temperatury i precyzji sterowania.

Automatyka pomaga osiągnąć maksymalną produktywność i zrównoważony rozwój w operacjach Przemysłu 4.0. Małe maszyny i obróbka cieplna nie stanowią tu wyjątków. Jednak nie wszystkie okoliczności wymagają dużych, kompleksowych rozwiązań. W wielu zastosowaniach można uzyskać lepsze parametry działania dzięki stosunkowo prostym dedykowanym regulatorom temperatury i małym programowanym sterownikom logicznym (PLC).

Projektanci maszyn mogą wybierać spośród wielu opcji prostych projektów automatyki, w tym kontrolerów elementów grzejnych do jednofazowych i trójfazowych środowisk zasilania, kontrolerów elementów grzejnych z wieloma zaawansowanymi algorytmami sterowania oraz programowalnych sterowników logicznych (PLC) zoptymalizowanych pod kątem małych i średnich środowisk automatyki. Niektóre małe maszyny pracują we względnej izolacji, podczas gdy dla innych korzystne będzie połączenie z większymi układami.

W niniejszym artykule przedstawiono przegląd kontrolerów mocy i opcji kontrolerów elementów grzejnych, uwzględniając przy tym zagadnienia sprzętowe i programowe. Artykuł kończy się spojrzeniem na problemy z integracją systemów związane z technologiami czujników do pomiaru temperatury oraz z programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) zoptymalizowanymi pod kątem małych i średnich maszyn, a także przedstawia przykładowe produkty firmy Omron.

Od procesów utwardzania materiałów, takich jak żywice termoutwardzalne i kleje, po produkcję żywności i napojów, procesy przemysłowe często wymagają kontroli temperatury w celu utrzymania wydajności i zapewnienia jakości. Przemysłowe elementy grzejne są konieczne, ale kluczowe znaczenie mają kontrolery temperatury.

Istnieje więcej niż jeden sposób kontrolowania temperatury przemysłowych elementów grzejnych. O wybranym podejściu decydują priorytety operacyjne systemu. Gdy głównym czynnikiem są koszty operacyjne, a mniej precyzyjna regulacja temperatury jest tolerowana, może być stosowane proste sterowanie napięciem.

Regulując napięcie zasilające element grzejny można kontrolować pobór mocy przez element grzejny, dzięki czemu można manipulować mocą grzewczą. Zmiany napięcia można wprowadzać szybko, powodując odpowiednie zmiany temperatury, choć nadal z opóźnieniem, które będzie różnić się w zależności od projektu układu. Obniżenie napięcia obniża koszty energii oraz temperaturę. Jednak czas reakcji na obniżenie temperatury może być zbyt długi dla wielu procesów, a precyzyjne sterowanie temperaturą może być trudne.

Nie tylko podstawowe sterowanie napięciem

W przypadku wielu zastosowań podstawowe sterowanie napięciem jest niewystarczające. W takich przypadkach projektanci mogą zastosować sterowanie włączaniem/wyłączaniem, sterowanie cyklem, optymalne sterowanie cyklem lub sterowanie fazowe (ilustracja 1). Każda z tych technik posiada inną charakterystykę działania:

• Sterowanie fazowe zapewnia najlepszą odpowiedź sterowalności przy dobrych rozmiarach i kosztach rozwiązania, a także akceptowalną charakterystykę szumów dla większości zastosowań.
• Sterowanie cyklem zapewnia dobrą odpowiedź sterowalności, rozmiary i koszt rozwiązania oraz znakomite parametry szumów. W „optymalnym” sterowaniu cyklem stan przełączania jest określany dla każdej połowy cyklu.
• Sterowanie włączaniem-wyłączaniem za pomocą przekaźników półprzewodnikowych (SSR) zapewnia dobrą odpowiedź sterowalności przy najmniejszych rozmiarach rozwiązania, rozsądnych kosztach i znakomitych parametrach szumów.

Ilustracja 1: opcje przełączania zasilania do sterowania przemysłowymi elementami grzejnymi. (Źródło ilustracji: Omron)

Wdrażanie sterowania fazowego i optymalnego sterowania cyklem

Firma Omron oferuje projektantom kilka opcji implementacji sterowania włączaniem-wyłączaniem, sterowania fazowego lub optymalnego sterowania cyklem, w tym model G3PW-A245EU-S, który jest przystosowany do napięć roboczych od 100V_~ do 240V_~. Dostępne są również inne modele do pracy przy napięciach od 400V_~ do 480V_~.

Omawiane kontrolery posiadają funkcję wykrywania przepalenia elementu grzejnego, co wydłuża czas pracy systemu. Port komunikacyjny RS-485 służy do ustawiania zmiennych i monitorowania prądu obciążenia.

Kontrolery G3PW umożliwiają monitorowanie całkowitego czasu pracy i mogą być używane z obciążeniami o stałej i zmiennej rezystancji.

Wielokanałowe kontrolery mocy

W serii wielokanałowych kontrolerów mocy G3ZA wprowadzono optymalizację trójfazowego sterowania cyklem w celu obsługi elementów grzejnych trójfazowych. W przypadku użycia z przekaźnikami półprzewodnikowymi (SSR) z przełączaniem przy przejściu sinusoidy przez zero, obsługują one zasilanie przy niskich poziomach szumów. Jeden kontroler może sterować maksymalnie 8 przekaźnikami półprzewodnikowymi (SSR). Dodatkowo dostępna jest funkcja płynnego uruchamiania lamp grzewczych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wielokanałowe kontrolery mocy G3ZA obsługują optymalne cykle sterowania trójfazowego. (Źródło ilustracji: Omron)

Dodano sterowanie optymalnym cyklem trójfazowym dla nagrzewnic trójfazowych. Model G3ZA-4H203-FLK-UTU jest przystosowany do pracy przy napięciach od 100V_~ do 240V_~ i jest wyposażony w łączność RS-484. Dostępne są inne modele do pracy przy napięciach od 400V_~ do 480V_~.

Kontrolery temperatury do integracji systemów

Kontrolery temperatury, takie jak EJ1N-TC4A-QQ, można łączyć z kontrolerami mocy, takimi jak seria kontrolerów wielokanałowych G3ZA. Posiadają one wejścia dla czujników temperatury, a także złącza dla systemowego programowanego sterownika logicznego (PLC). Jednostka wejściowa może obsługiwać termopary, platynowe rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) i wejścia analogowe.

Jedną z dostępnych funkcji jest automatyczne dostrajanie (AT), które może pomóc w implementacji sterowania proporcjonalno-całkująco-cyfrowego (PID). Do określenia stałych regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID) można wykorzystać samostrojenie przy ręcznym użyciu metody odpowiedzi skokowej. Do jednego koncentratora komunikacyjnego DeviceNet można podłączyć maksymalnie 16 regulatorów temperatury.

Oprogramowanie do zarządzania temperaturą

W regulatorach temperatury EJ1N można wykorzystać pakiet oprogramowania EST2-2C-MV4 ułatwiający zarządzanie temperaturą. Oprogramowanie to umożliwia edycję i masowe pobieranie parametrów z komputera osobistego, co przyspiesza konfigurację i przekazanie do użytkowania.

Obsługuje ono również monitorowanie trendów z maksymalnie 31 kontrolerów. Parametry, które można monitorować, to m.in. wartości procesowe (PV), wartości systemowe (SV), wartości modyfikowane (MV), parametry sterowania proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID) oraz status włączenia i wyłączenia alarmu.

Obsługiwane operacje logiczne obejmują ustawianie danych wejściowych z wejść zewnętrznych (wejścia zdarzeń) lub statusu temperatury, wysyłanie wartości do zewnętrznych wyjść sterujących lub pomocniczych oraz zmianę stanu roboczego z opóźnieniem włączania-wyłączania.

Udoskonalone sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID)

Sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) może być bardzo przydatne w zastosowaniach regulacji temperatury. Regulatory mocy, takie jak seria G3ZA wielokanałowych regulatorów z szybko przełączającymi przekaźnikami półprzewodnikowymi (SSR), wraz z regulatorami temperatury wykorzystującymi algorytmy proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID), mogą zapewnić precyzyjną regulację niezbędną do utrzymania wymaganych tolerancji temperatury.

Podstawowe sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) wymaga kompromisu pomiędzy szybkim osiągnięciem wartości systemowej (SV) z mierzalnym przeregulowaniem lub minimalizacją przeregulowania, ale z wolniejszym narastaniem wartości w kierunku wartości systemowej (SV). Ponadto istnieje kompromis między osiągnięciem wartości systemowej (SV) a reagowaniem na zakłócenia rzeczywistej wartości procesowej (PV) mierzonej przez czujnik. Lepsza odpowiedź na zmiany wartości procesowej (PV) jest często związana ze słabymi parametrami narastania do wartości systemowej (SV).

Aby zniwelować problem opisanego kompromisu w zakresie parametrów działania, firma Omron opracowała udoskonalony algorytm proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (PID) o nazwie 2-PID, czyli algorytm proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (PID) o dwóch stopniach swobody. Fabryczne nastawy algorytmu proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID) są odpowiednie dla większości zastosowań grzewczych i zapewniają odpowiedzi z minimalnym przeregulowaniem. Jednak dzięki algorytmowi 2-PID projektanci mogą ustawić szybkość reakcji na zmiany w wartości systemowej (SV), a regulator automatycznie dostraja algorytm proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (PID), aby zapewnić zoptymalizowaną odpowiedź na zakłócenia w wartości procesowej (PV) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: sterowanie temperaturą z wykorzystaniem algorytmu proporcjonalno-całkująco-różniczkującego o dwóch stopniach swobody (2-PID) firmy Omron (dolny wykres) łączy w sobie dobrą odpowiedź na zakłócenia (prawa strona) z dobrą odpowiedzią skokową (lewa strona). (Źródło ilustracji: Omron)

Algorytm 2-PID zastosowano w regulatorach temperatury E5CC firmy Omron, takich jak E5CC-QX3A5M-003. Kontrolery te mogą również realizować podstawowe sterowanie włączaniem-wyłączaniem w mniej wymagających zastosowaniach.

Duży biały wyświetlacz PV pokazuje wartość procesową (PV), a mniejszy zielony wyświetlacz SV - wartość żądaną (ilustracja 4). Opcjonalne oprogramowanie zarządzania CX-Thermo umożliwia szybkie programowanie. W przypadku prostych zastosowań omawiane kontrolery mogą realizować funkcje układu czasowego i podstawowe operacje logiczne za pomocą programowanego sterownika logicznego (PLC).

Ilustracja 4: regulatory temperatury E5CC zapewniają wyraźne wyświetlanie wartości procesowych (PV) i systemowych (SV). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Interfejs RS-485 obsługuje komunikację Modbus lub zastrzeżoną technologię CompoWay/F firmy Omron. Omawiane kontrolery przyjmują różne sygnały wejściowe, dostarczane między innymi przez:

• 12 typów termopar
• rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) PT100 lub JPt100
• wejścia prądowe 4-20mA lub 0-20mA
• Wejścia napięciowe 1-5V, 0-5V lub 0-10V

Adaptacyjne sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) do tłumienia zakłóceń

Adaptacyjne regulatory temperatury NX-TC przenoszą sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) na wyższy poziom i mogą dostosowywać się do warunków pracy w czasie rzeczywistym. Sterowanie adaptacyjne oznacza, że urządzenie samoczynnie optymalizuje swoje ustawienia sterowania w następstwie zmian w procesach. Ponadto omawiane kontrolery zawierają wbudowane funkcje przeznaczone do takich zastosowań jak uszczelnianie opakowań oraz zastosowań wykorzystujących chłodzone wodą wytłaczarki do tworzyw sztucznych. W przypadku prostych zastosowań można wdrożyć podstawowe sterowanie włączaniem-wyłączaniem.

Funkcja tłumienia zakłóceń (DSF) działa w połączeniu ze sterowaniem proporcjonalno-całkująco-różniczkującym (PID) w celu ograniczenia spadków temperatury spowodowanych przez rutynowe i przewidywane zakłócenia w takich zastosowaniach, jak:

• Urządzenia do osadzania, w których temperatura w komorze spada po wstrzyknięciu gazu lub dodaniu lub usunięciu materiału przez otwarte drzwiczki
• Próbniki wafli półprzewodnikowych, gdy do wafla przykładany jest prąd, co powoduje wzrost temperatury
• Systemy do formowania, w których temperatura formy spada po wtrysku żywicy

Funkcja tłumienia zakłóceń (DSF) automatycznie tłumi dodatnie i ujemne skoki temperatury spowodowane przewidywalnymi zdarzeniami. Funkcja tłumienia zakłóceń (DSF) jest inicjowana przez sygnały wyzwalające przed wystąpieniem zakłócenia i dodaje lub odejmuje odpowiednie wartości od wartości modyfikowanej (MV). To automatyczne dostrajanie zmienia wartość modyfikowaną (MV), tryb pracy oraz czas oczekiwania w trybie wyprzedzającym (FF), a także może skrócić czas osiągnięcia stabilizacji temperatury nawet o 80 procent (ilustracja 5).

Ilustracja 5: sterowanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID) wspomagane funkcją tłumienia zakłóceń (DSF) pozwala skrócić czas oczekiwania na stabilizację temperatury nawet o 80 procent. (Źródło ilustracji: Omron)

Urządzenia NX-TC, na przykład 2-kanałowe urządzenie NX-TC2405 przeznaczone do sterowania przekaźnikami półprzewodnikowymi (SSR), są zoptymalizowane pod kątem skalowalności. Podczas wdrażania wielostopniowych procesów ogrzewania/chłodzenia projektanci mogą skorzystać z oprogramowania Sysmac Studio firmy Omron do zaprogramowania sterowania wieloma obwodami grzewczymi lub lokalizacjami.

Oprócz sterowania proporcjonalno-całkująco-różniczkującego z funkcją tłumienia zakłóceń (DSF PID) omawiane kontrolery obsługują sterowanie włączaniem.wyłączaniem i posiadają funkcję wykrywania błędów przepalenia elementu grzejnego. Zawierają one łączność sieciową EtherNet/IP oraz EtherCAT i mogą przyjmować różnorodne sygnały wejściowe z czujników termoparowych lub rezystancyjnych (RTD).

Nie da się zoptymalizować tego, czego nie mierzymy

Konstrukcje przełączania zasilania, regulatory temperatury i oprogramowanie zarządzania temperaturą nie są w stanie zapewnić optymalnej wydajności w próżni informacyjnej. Kontrolery i oprogramowanie realizują swoje zadania dzięki danym operacyjnym dostarczanym przez czujniki temperatury. Dla projektantów dostępna jest szeroka gama technologii czujników temperatury, w tym:

• Termistory, które działają jak rezystory wrażliwe na temperaturę. Zwykle charakteryzują się powtarzalnością i stabilnością około ±0,1°C. Model E52-THE5A-0/100C posiada zakres temperatur roboczych od -50°C do 300°C.
• Czujniki temperatury typu K, które są termoparami zawierającymi przewodniki chromelowe i alumelowe. Mogą być skonfigurowane jako czujniki zanurzeniowe, czujniki powierzchniowe lub inne. Model E52-CA1GTY 2M posiada zakres temperatur roboczych od 0°C do 300°C.
• Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD), które charakteryzują się wysoką dokładnością, a ich odporność na zakłócenia elektryczne sprawia, że nadają się do stosowania w trudnych warunkach przemysłowych. Platynowy rezystancyjny czujnik temperatury (RTD) pt100 E52-P6DY 1M jest przystosowany do pracy w temperaturach od -50°C do 250°C.
• Bezkontaktowe czujniki podczerwieni (IR), takie jak ES1-LW100-N, które mogą mierzyć temperaturę obszaru docelowego o średnicy 35mm z odległości 1000mm. Są przeznaczone do pomiaru temperatur dochodzących do 1000°C.

Łączenie elementów w jeden system

Projektanci małych i średnich maszyn zawierających do 320 wejść-wyjść mogą sięgnąć po programowane sterowniki logiczne (PLC) z serii CPE2 firmy Omron. Możliwości komunikacyjne tych niewielkich programowanych sterowników logicznych (PLC) pozwalają na przesyłanie danych między maszynami (M2M) oraz integrację z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT).

Dzięki zakresowi temperatur roboczych od -20°C do +60°C, omawiane programowane sterowniki logiczne (PLC) CPE2 mogą być używane w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak maszyny pakujące i uszczelniające, maszyny do napełniania i zamykania, narzędzia do obróbki metali i tworzyw sztucznych, maszyny do formowania tworzyw sztucznych oraz w montażu małych części. Model CP2E-N30DR-D posiada 18 wejść oraz 12 wyjść i może pracować przy zasilaniu od 100 do 240V_~ lub 24V₌. Możne on współpracować z interfejsem człowiek-maszyna (HMI) NB7W-TW01B z kolorowym ekranem dotykowym 7”, tworząc kompletne rozwiązanie systemowe (ilustracja 6).

Ilustracja 6: kontroler CP2E-N30DR-D firmy Omron i interfejs człowiek-maszyna (HMI) NB7W-TW01B 7” z kolorowym ekranem dotykowym. (Źródło ilustracji: Omron)

Podsumowanie

Zarządzanie ciepłem jest istotnym aspektem wielu procesów przemysłowych. Wymaga ono doboru i integracji kontrolerów mocy i kontrolerów elementów grzejnych ze zoptymalizowanymi algorytmami. Kolejny ważny element układanki związanej z odprowadzaniem ciepła to czujniki temperatury. Ostatnim są niewielkie programowane sterowniki logiczne (PLC), po które mogą sięgnąć projektanci, aby zapewnić obsługę komunikacji M2M i integrację z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT).