Využití regulátorů teploty a mikro-programovatelných logických automatů (PLC) k urychlení projektů automatizace malého rozsahu

Teplo. Teplo je důležité v mnoha průmyslových procesech, jako jsou stroje na utěsňování obalů, lisovací operace plastů, pece na pájení přetavením, zpracování polovodičů atd. Každý proces má specifické požadavky na úrovně teploty a přesnost řízení.

Automatizace pomáhá dosáhnout maximální produktivity a udržitelnosti v provozech s koncepcí Industry 4.0. Výjimkou nejsou ani malé stroje a tepelné zpracování. Velká a komplexní řešení však nejsou vyžadována za všech okolností. Mnoho aplikací může zaznamenat zvýšený výkon s relativně jednoduchými vyhrazenými regulátory teploty a malými programovatelnými logickými automaty (PLC).

Konstruktéři strojů mohou vybírat z řady možností pro jednoduché automatizační projekty, včetně řídicích jednotek ohřívačů pro jednofázový a třífázový rozvod, řídicích jednotek ohřívačů s řadou sofistikovaných řídicích algoritmů a programovatelných logických automatů (PLC) optimalizovaných pro malá až středně velká automatizační prostředí. Některé malé stroje pracují v relativní izolaci, zatímco jiné mohou využívat konektivitu k většímu provozu.

Tento článek představuje přehled možností regulátorů výkonu a tepla včetně hardwarových a softwarových kritérií. Na závěr uvede náhled do problematiky systémové integrace v souvislosti se senzorovými technologiemi pro měření teploty a programovatelnými logickými automaty (PLC) optimalizovanými pro malé až středně velké stroje, a představí ukázkové produkty od společnosti Omron.

Průmyslové procesy často vyžadují regulaci teploty, která zachovává účinnost a zajišťuje kvalitu - od vytvrzovacích materiálů, jako jsou termosetové pryskyřice a lepidla, až po výrobu potravin a nápojů. Ačkoli jsou průmyslové ohřívače důležité, klíčovou úlohu hrají regulátory teploty.

Existuje více než jeden způsob regulace teploty průmyslových ohřívačů. Provozní priority systému určují zvolený přístup. Jednoduchou regulaci napětí lze použít tehdy, pokud jsou primárním hlediskem provozní náklady a lze tolerovat méně přesnou regulaci teploty.

Regulací napájecího napětí topného tělesa lze řídit spotřebu energie ohřívače a měnit jeho tepelný výkon. Změny napětí lze provádět rychle, což vede k odpovídajícím změnám teploty, avšak se zpožděním, které se liší podle konstrukce systému. Snížením napětí dojde ke snížení nákladů na energii a též ke snížení teploty. Přesto může být reakční doba na snížení teploty pro mnoho procesů příliš dlouhá a přesná regulace teploty obtížná.

Nad rámec základní regulace napětí

Pro mnoho aplikací je základní regulace napětí nedostatečná. V takových případech mohou konstruktéři využívat regulaci zapínáním/vypínáním, regulaci cyklu, optimální regulaci cyklu nebo fázovou regulaci (obrázek 1). Každá z těchto technik představuje jiný soubor výkonnostních charakteristik:

• Fázová regulace poskytuje nejlepší reakci na ovládání s dobrou velikostí řešení a cenou a navíc s přijatelnou úrovní rušení pro většinu aplikací.
• Regulace cyklu poskytuje dobrou reakci na ovládání, velikost a cenu řešení a vynikající potlačení rušení. Při „optimální“ regulaci cyklu je stav sepnutí stanoven pro každý půlcyklus.
• Regulace zapínáním/vypínáním pomocí polovodičových relé (SSR) poskytuje dobrou reakci na ovládání s minimální velikostí řešení, rozumnou cenou a vynikajícím potlačením rušení.

Obrázek 1: možnosti spínání výkonu pro ovládání průmyslového ohřívače. (Zdroj obrázku: Omron)

Implementace fázové regulace a optimálního regulace cyklu

Společnost Omron nabízí konstruktérům několik možností implementace regulace zapínáním/vypínáním, fázové regulace nebo optimální regulace cyklu, včetně modelu G3PW-A245EU-S, který je dimenzován na provozní napětí 100 V_AC až 240 V_AC; další modely jsou k dispozici pro provoz s napětím 400 V_AC až 480 V_AC.

Tyto regulátory jsou vybaveny detekcí vyhoření ohřívače, čímž je dosaženo vyšší doby provozuschopnosti systému. Komunikační port RS-485 slouží k nastavení proměnných a sledování proudu zátěže.

Regulátory G3PW podporující monitorování celkové doby provozu jsou vhodné pro použití se zátěží s konstantním a proměnným odporem.

Vícekanálové regulátory výkonu

Řada vícekanálových regulátorů výkonu G3ZA přidává třífázovou optimální regulaci cyklu pro podporu třífázových ohřívačů. Při použití polovodičového relé (SSR) se spínáním v nule tyto regulátory podporují provoz s nízkou úrovní rušení. Jeden regulátor je schopen ovládat až 8 relé SSR. Pro lampové ohřívače je dále k dispozici funkce měkkého startu (obrázek 2).

Obrázek 2: vícekanálové regulátory výkonu G3ZA podporují třífázovou optimální regulaci cyklu. (Zdroj obrázku: Omron)

U třífázových ohřívačů byla přidána třífázová optimální regulace cyklu. Model G3ZA-4H203-FLK-UTU je dimenzován na provozní napětí 100 V_AC až 240 V_AC a podporuje konektivitu přes rozhraní RS-484. Ostatní modely jsou k dispozici s provozním napětím 400 V_AC až 480 V_AC.

Regulátory teploty pro systémovou integraci

Regulátory teploty, například model EJ1N-TC4A-QQ, lze propojit s regulátory výkonu, jako jsou vícekanálové regulátory řady G3ZA. Tyto regulátory jsou opatřeny vstupy pro teplotní senzory, jakož i přípojkami pro systémové programovatelné logické automaty (PLC). Vstupní jednotka je schopná pracovat s termočlánky, platinovými odporovými teplotními detektory (RTD) a analogovými vstupy.

Funkce zahrnuje automatické ladění (AT), které může pomoci implementovat proporcionálně-integrační-digitální (PID) regulaci. K ručnímu určení konstant PID metodou krokové odezvy lze využít automatické ladění. Pomocí jediného komunikačního hubu DeviceNet lze připojit až 16 regulátorů teploty.

Software tepelného managementu

Regulátory teploty EJ1N mohou využívat výhod softwarového balíku EST2-2C-MV4 s podporou tepelného managementu. Tento software podporuje úpravy a dávkové stahování parametrů z osobního počítače, urychlení konfigurace a uvedení do provozu.

Podporuje také sledování trendů až z 31 regulátorů. Parametry, které lze monitorovat, zahrnují procesní hodnoty (PV), systémové hodnoty (SV), manipulované hodnoty (MV), parametry PID regulace a stav zapnutí/vypnutí alarmu.

Podporované logické operace zahrnují nastavení vstupů na základě externích signálů (vstupů událostí) nebo teplotního stavu, odesílání hodnot na externí řídicí nebo pomocné výstupy a změnu provozního stavu se zpožděním zapnutí/vypnutí.

Vylepšená PID regulace

PID regulace může být velmi praktická pro aplikace regulace teploty. Regulátory výkonu, například vícekanálové regulátory řady G3ZA s rychle spínajícími relé SSR, mohou společně s regulátory teploty využívajícími PID algoritmy poskytovat jemnou regulaci potřebnou k udržení požadovaných teplotních tolerancí.

Základní PID regulace zahrnuje kompromis mezi rychlým dosažením provozní hodnoty SV s měřitelnou mírou překmitu, nebo s minimalizací překmitu, avšak s pomalejším náběhem na hodnotu SV. Kromě toho existuje kompromis mezi dosažením hodnoty SV a reakcí na poruchy skutečné hodnoty PV měřené senzorem. Lepší reakce na změny hodnoty PV je často spojena se nevyhovujícím náběhem na SV.

Jako řešení těchto výkonnostních kompromisů společnost Omron vyvinula vylepšený algoritmus PID s názvem 2-PID neboli PID se dvěma stupni volnosti. Tovární předvolby regulace PID, které jsou vhodné pro většinu tepelných aplikací, podporují odezvy s minimálními překmity. V případě algoritmu 2-PID však mohou konstruktéři nastavit rychlost reakce na změny hodnoty SV, kdy regulátor automaticky vyladí algoritmus PID tak, aby poskytoval optimalizovanou odezvu na rušivé vlivy hodnoty PV (obrázek 3).

Obrázek 3: regulace teploty pomocí algoritmu 2-PID od společnosti Omron (spodní graf) kombinuje dobrou odezvu na rušení (pravá strana) s kvalitní skokovou odezvou (levá strana). (Zdroj obrázku: Omron)

2-PID regulaci využívají regulátory teploty E5CC od společnosti Omron, například model E5CC-QX3A5M-003. Tyto regulátory mohou také implementovat základní regulaci zapínáním/vypínáním pro méně náročné aplikace.

Velký bílý displej PV zobrazuje hodnotu PV, přičemž menší zelený displej SV zobrazuje požadovanou hodnotu (obrázek 4). Volitelný software na správu CX-Thermo podporuje rychlé programování. Pro jednoduché aplikace mohou tyto regulátory implementovat funkce časovače a základní logické operace se zásahem programovatelného logického automatu (PLC).

Obrázek 4: regulátory teploty E5CC přehledně zobrazují procesní (PV) a systémové (SV) hodnoty. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Rozhraní RS-485 podporuje komunikaci přes rozhraní Modbus nebo vlastní rozhraní CompoWay/F společnosti Omron. Tyto regulátory podporují různé vstupy, včetně následujících:

• 12 typů termočlánků
• Detektory RTD PT100 nebo JPt100
• Proudové vstupy 4 až 20 mA nebo 0 až 20 mA
• Napěťové vstupy 1 až 5 V, 0 až 5 V nebo 0 až 10 V

Adaptivní PID regulace pro potlačení rušení

Adaptivní regulátory teploty NX-TC, které posouvají PID regulaci na další úroveň, se mohou přizpůsobovat provozním podmínkám v reálném čase. Adaptivní regulace umožňuje samočinnou optimalizaci nastavení regulace vlivem změn procesu. Tyto regulátory dále obsahují vestavěné funkce pro aplikace utěsňování obalů a vodou chlazené plastové extrudéry. Pro jednoduché aplikace lze implementovat základní regulaci zapínáním/vypínáním.

Funkce potlačení poruch (DSF) ve spolupráci s PID regulací potlačuje poklesy teploty způsobené rutinními a očekávanými poruchami v aplikacích, jako jsou:

• Nanášecí zařízení, kde teplota v komoře klesá, pokud je vstřikován plyn nebo přidáván či odebírán materiál skrze otevřené dveře.
• Sondy polovodičových destiček v okamžiku přivedení proudu do destičky, což vede ke zvýšení teploty.
• Formovací systémy, kde teplota formy klesá během vstřikování pryskyřice.

Funkce DSF automaticky potlačuje kladné a záporné výkyvy teploty způsobené předvídatelnými událostmi. Funkce DSF je iniciována spouštěcími signály před poruchou a přičítá se k hodnotě MV, nebo se od ní odečítá. Toto automatické ladění upravuje dopřednou (FF) provozní dobu hodnot MV, FF, čekací dobu FF, a může zkrátit dobu nutnou k dosažení teplotní stabilizace až o 80 procent (obrázek 5).

Obrázek 5: PID regulace rozšířená o funkci DSF může zkrátit dobu čekání na stabilizaci teploty až o 80 procent. (Zdroj obrázku: Omron)

Jednotky NX-T, například 2kanálový regulátor NX-TC2405 navržený pro ovládání SSR relé, jsou optimalizovány s ohledem na škálovatelnost. Konstruktéři mohou při implementaci vícestupňových procesů ohřevu/chlazení využívat software Sysmac Studio od společnosti Omron, který slouží k programování regulace více topných okruhů nebo míst.

Kromě funkce DSF PID tyto regulátory podporují regulaci zapínáním/vypínáním a zahrnují funkci detekce chyby vyhoření ohřívače. Regulátory podporují protokoly EtherNet/IP a EtherCAT pro síťovou konektivitu a jsou schopné přijímat různé vstupy termočlánků nebo RTD senzorů.

Nelze optimalizovat to, co se neměří

Návrhy se spínáním výkonu, regulátory teploty a software tepelného managementu nemohou poskytovat optimální výkon v informačním vakuu. Teplotní senzory poskytují provozní data umožňující regulátorům a softwaru plnit svou funkci. Konstruktéři mají k dispozici širokou škálu technologií teplotních senzorů, včetně následujících:

• Termistory pracují jako odpory citlivé na teplotu. Vykazují typickou opakovatelnost a stabilitu přibližně ±0,1 °C. Model E52-THE5A-0/100C nabízí rozsah provozních teplot -50 °C až 300 °C.
• Teplotní senzor typu K je termočlánek obsahující vodiče z materiálu Chromel-Alumel. Tyto senzory mohou být konfigurovány jako ponorné senzory, povrchové senzory nebo senzory v jiném provedení. Model E52-CA1GTY 2M nabízí rozsah provozních teplot 0 °C až 300 °C.
• RTD senzory nabízejí vysokou přesnost a díky odolnosti vůči elektrickému šumu jsou vhodné do náročných průmyslových prostředí. Platinový RTD senzor PT100 E52-P6DY 1M je dimenzován na provoz v rozsahu teplot -50 °C až 250 °C.
• Bezkontaktní infračervené (IR) senzory, například model ES1-LW100-N, jsou schopné měřit teploty cílové oblasti o průměru 35 mm na vzdálenost 1000 mm. Senzor je navržen pro teploty do 1000 °C.

Spojení všeho do jednoho systému

Konstruktéři malých až středně velkých strojů do 320 vstupů/výstupů (I/O) mohou využívat programovatelné logické automaty (PLC) řady CPE2 od společnosti Omron. Komunikační schopnosti těchto malých PLC automatů podporují přenosy dat mezi stroji (M2M) a integraci do průmyslového internetu věcí (IIoT).

Programovatelné logické automaty (PLC) CPE2 nabízející rozsah provozních teplot -20 °C až +60 °C jsou vhodné pro různé průmyslové aplikace, například balicí a utěsňovací stroje, plnicí a uzavírací stroje, nástroje na obrábění kovů nebo plastů, lisy na plasty a zařízení na montáže malých dílů. Model CP2E-N30DR-D používá 18 vstupů a 12 výstupů a je schopen provozu na napětí v rozsahu 100 až 240 V_AC nebo 24 V_DC. Spárováním tohoto PLC automatu s barevným 7“ rozhraním člověk-stroj (HMI) NB7W-TW01B lze vytvořit kompletní systémové řešení (obrázek 6).

Obrázek 6: regulátor CP2E-N30DR-D od společnosti Omron a barevné 7” dotykové rozhraní člověk-stroj (HMI) NB7W-TW01B. (Zdroj obrázku: Omron)

Závěr

Regulace tepla je základním aspektem mnoha průmyslových procesů. Tato situace vyžaduje výběr a integraci regulátorů výkonu a tepla používajících optimalizované algoritmy. Teplotní senzory jsou dalším důležitým dílem do skládanky tepelného managementu. A nakonec platí, že konstruktéři mohou využívat malé programovatelné logické automaty (PLC) na podporu M2M komunikace a integrace do průmyslového internetu věcí (IIoT).