Utilizarea regulatoarelor de temperatură și a micro-PLC-urilor pentru accelerarea proiectelor de automatizare la scară mică

Căldura. Este importantă în multe procese industriale, cum ar fi utilajele de ambalat și sigilat, operațiunile de turnare a plasticului, cuptoarele de retopire pentru lipire, prelucrarea semiconductorilor etc. Fiecare proces are nevoi specifice pentru nivelurile de temperatură și precizia controlului.

Automatizarea contribuie la obținerea unei productivități și durabilități maxime în cadrul operațiunilor din Industria 4.0. Utilajele mici și prelucrarea termică nu fac excepție. Dar nu toate situațiile necesită soluții ample și cuprinzătoare. Multe aplicații pot beneficia de performanțe îmbunătățite cu ajutorul unor regulatoare de temperatură dedicate relativ simple și al unor controlere logice programabile (PLC) de mici dimensiuni.

Proiectanții de utilaje pot alege dintr-o gamă largă de opțiuni pentru proiecte de automatizare simple, inclusiv regulatoare de încălzire pentru medii de alimentare monofazate și trifazate, regulatoare de încălzire cu o gamă de algoritmi de control sofisticați și PLC-uri optimizate pentru medii de automatizare de dimensiuni mici și medii. Unele utilaje mici funcționează relativ izolat, în timp ce altele pot beneficia de conectivitate cu operațiunea în ansamblu.

Acest articol prezintă o trecere în revistă a regulatoarelor de putere și a opțiunilor de control al încălzitorului, inclusiv considerente legate de hardware și software. Se încheie cu o privire asupra problemelor de integrare a sistemelor legate de tehnologiile senzorilor pentru măsurarea temperaturii și a PLC-urilor optimizate pentru utilaje mici și mijlocii și prezintă exemple de produse de la Omron.

De la întărirea materialelor, cum ar fi rășinile și adezivii termorezistenți, până la fabricarea produselor alimentare și a băuturilor, procesele industriale necesită adesea controlul temperaturii pentru a menține eficiența și a asigura calitatea. Încălzitoarele industriale sunt necesare, dar regulatoarele de temperatură sunt cheia.

Există mai multe moduri de a controla temperatura încălzitoarelor industriale. Prioritățile de funcționare ale sistemului determină abordarea selectată. Controlul simplu al tensiunii poate fi utilizat în cazul în care costurile de operare sunt principalul considerent și se acceptă un control mai puțin precis al temperaturii.

Prin reglarea tensiunii care alimentează elementul de încălzire, consumul de energie al încălzitorului poate fi controlat, iar puterea termică poate varia. Modificările de tensiune pot fi implementate rapid, producând modificări corespunzătoare de temperatură, dar cu un decalaj care variază în funcție de proiectarea sistemului. Reducerea tensiunii va reduce costurile de energie și va scădea temperatura. Cu toate acestea, timpul de reacție pentru reducerea temperaturii poate fi prea lung pentru multe procese, iar controlul precis al temperaturii poate fi dificil.

Dincolo de controlul de bază al tensiunii

Pentru multe aplicații, controlul de bază al tensiunii este inadecvat. În aceste cazuri, proiectanții pot utiliza controlul de pornire/oprire, controlul ciclului, controlul ciclului optim sau controlul fazei (Figura 1). Fiecare dintre aceste tehnici prezintă un set diferit de caracteristici de performanță:

• Controlul de fază oferă cel mai bun răspuns de controlabilitate cu o soluție de dimensiuni și costuri bune, plus o performanță acceptabilă la zgomot pentru majoritatea aplicațiilor.
• Controlul ciclului oferă o combinație bună de răspuns bun la control, dimensiunea și costul soluției și o performanță excelentă a zgomotului. În cazul controlului ciclului „optim”, starea de comutare este determinată pentru fiecare jumătate de ciclu.
• Controlul de pornire/oprire cu ajutorul releelor cu semiconductori (SSR) oferă un răspuns bun de controlabilitate cu cea mai mică dimensiune a soluției, un cost rezonabil și o performanță excelentă la zgomot.

Figura 1: Opțiuni de comutare a puterii pentru controlul încălzitoarelor industriale. (Sursa imaginii: Omron)

Implementarea controlului fazelor și a controlului ciclului optim

Omron oferă proiectanților mai multe opțiuni pentru implementarea controlului de pornire/oprire, a controlului fazelor sau a controlului ciclului optim, inclusiv modelul G3PW-A245EU-S, care este clasificat pentru tensiuni de funcționare de la 100 V_c.a. la 240 V_c.a.; sunt disponibile și alte modele pentru funcționare de la 400 V_c.a. la 480 _c.a.

Aceste regulatoare includ detectarea arderii încălzitorului pentru creșterea timpului de funcționare a sistemului. Un port de comunicare RS-485 este utilizat pentru setarea variabilelor și monitorizarea curentului de sarcină.

Regulatoarele G3PW acceptă monitorizarea totală a timpului de funcționare și sunt potrivite pentru utilizarea cu sarcini cu rezistență constantă și cu rezistență variabilă.

Regulatoare de putere cu mai multe canale

Seria de regulatoare de putere cu mai multe canale G3ZA adaugă controlul ciclului optim trifazat pentru a susține încălzitoarele trifazate. Atunci când este utilizat cu SSR cu trecere prin zero, acceptă funcționarea cu putere cu zgomot redus. Un regulator poate controla până la 8 SSR-uri. În plus, este disponibilă o funcție de pornire treptată pentru încălzitoarele cu lampă (Figura 2).

Figura 2: Regulatoarele de putere cu mai multe canale G3ZA acceptă controlul optim al ciclului trifazat. (Sursa imaginii: Omron)

Controlul optim al ciclului trifazat a fost adăugat pentru încălzitoarele trifazate. Modelul G3ZA-4H203-FLK-UTU este evaluat pentru funcționare de la 100 V_c.a. la 240 V_c.a. și include conectivitate RS-484. Alte modele sunt disponibile pentru funcționare de la 400 V_c.a. la 480 V_c.a.

Regulatoare de temperatură pentru integrarea sistemelor

Regulatoarele de temperatură precum EJ1N-TC4A-QQ se pot conecta la regulatoare de putere precum cele cu mai multe canale din seria G3ZA. Acestea au intrări pentru senzorii de temperatură, precum și conexiuni pentru PLC-ul sistemului. Unitatea de intrare poate gestiona termocupluri, detectoare de temperatură de rezistență (RTD) din platină și intrări analogice.

Funcționalitatea include auto-reglare (AT), ce poate ajuta la implementarea controlului proporțional-integral-digital (PID). Auto-reglarea poate fi utilizată pentru a determina manual constantele PID utilizând metoda răspunsului în trepte. Până la 16 regulatoare de temperatură pot fi conectate utilizând un singur hub de comunicare DeviceNet.

Software de gestionare termică

Regulatoarele de temperatură EJ1N pot beneficia de pe urma utilizării pachetului software de suport termic EST2-2C-MV4. Acest software permite editarea și descărcarea pe loturi a parametrilor de pe un computer personal, accelerând configurarea și punerea în funcțiune.

De asemenea, acceptă monitorizarea tendințelor de la maxim 31 de regulatoare. Parametrii care pot fi monitorizați includ valorile procesului (PV), valorile sistemului (SV), valorile manipulate (MV), parametrii PID și starea de activare/dezactivare a alarmelor.

Operațiile logice acceptate includ setarea intrărilor de la intrări externe (intrări de eveniment) sau starea temperaturii, trimiterea de valori la ieșiri auxiliare sau de control externe și schimbarea stării de funcționare cu întârzieri de pornire/oprire.

PID îmbunătățit

Controlul PID poate fi foarte util pentru aplicațiile de control al temperaturii. Regulatoarele de putere precum regulatoarele cu mai multe canale din seria G3ZA cu SSR-uri cu comutare rapidă, împreună cu regulatoarele de temperatură care utilizează algoritmi PID, pot oferi controlul fin necesar pentru a menține toleranțele de temperatură necesare.

Controlul PID de bază implică un compromis între atingerea rapidă a SV de funcționare cu o cantitate măsurabilă de supraîncărcare sau minimizarea supraîncărcării, dar cu o creștere mai lentă până la SV. În plus, există un compromis între atingerea SV și răspunsul la perturbările în PV reale măsurate de un senzor. Un răspuns mai bun la schimbările PV este adesea asociat cu o performanță slabă de creștere a SV.

Pentru a aborda aceste compromisuri de performanță, Omron a dezvoltat un algoritm PID îmbunătățit numit 2-PID, sau PID cu două grade de libertate. Presetările PID din fabrică sunt potrivite pentru majoritatea aplicațiilor de încălzire și acceptă răspunsuri cu supraîncărcare minimă. Cu toate acestea, cu 2-PID, proiectanții pot seta viteza de reacție la modificările SV, iar regulatorul ajustează automat algoritmul PID pentru a oferi un răspuns optimizat la perturbările PV (Figura 3).

Figura 3: Controlul temperaturii Omron 2-PID (graficul de jos) combină răspunsul bun la perturbații (partea dreaptă) cu răspunsul bun la trepte (partea stângă). (Sursa imaginii: Omron)

Controlul 2-PID este inclus în regulatoarele de temperatură E5CC de la Omron, precum E5CC-QX3A5M-003. Aceste regulatoare pot implementa, de asemenea, controlul de bază de pornire/oprire pentru aplicații mai puțin solicitante.

Afișajul mare alb PV arată PV, iar afișajul mai mic verde SV arată valoarea dorită (Figura 4). Software-ul opțional de gestionare CX-Thermo permite programarea rapidă. Pentru aplicații simple, aceste regulatoare pot implementa funcții de temporizare și operații logice de bază cu intervenția unui PLC.

Figura 4: Regulatoarele de temperatură E5CC afișează clar valorile PV și SV. (Sursa imaginii: DigiKey)

Interfața RS-485 acceptă comunicarea Modbus sau CompoWay/F brevetată de la Omron. Aceste regulatoare acceptă o varietate de intrări, inclusiv:

• 12 tipuri de termocupluri
• RTD-uri PT100 sau JPt100
• Intrări de curent de la 4 la 20 mA sau de la 0 la 20 mA
• Intrări de tensiune de la 1 la 5 V, de la 0 la 5 V sau de la 0 la 10 V

PID adaptiv pentru suprimarea perturbațiilor

Regulatoarele adaptive de temperatură NX-TC duc controlul PID la nivelul următor și se pot adapta la condițiile de funcționare în timp real. Controlul adaptiv permite auto-optimizarea setărilor de control în funcție de modificările procesului. În plus, aceste regulatoare includ funcții integrate pentru aplicații de sigilare a ambalajelor și extrudere de plastic răcite cu apă. Pentru aplicații simple, poate fi implementat controlul de bază pentru pornire/oprire.

Funcția de suprimare a perturbațiilor (DSF) funcționează împreună cu controlul PID pentru a suprima scăderile de temperatură cauzate de perturbațiile obișnuite și anticipate în aplicații precum:

• Echipamente de depunere în care temperatura camerei scade atunci când se injectează gaz sau se adaugă sau se îndepărtează material printr-o ușă deschisă
• Aparatele de sondare pentru plăcuțele semiconductoare atunci când se aplică curent la plăcuță, ceea ce duce la o creștere a temperaturii
• Sisteme de turnare în care temperatura matriței scade atunci când este injectată rășina

DSF suprimă automat variațiile pozitive și negative de temperatură cauzate de evenimente previzibile. DSF este inițiat de semnale de declanșare înainte de perturbare și se adaugă la sau se scade din MV. Această auto-reglare ajustează MV cu buclă deschisă (FF), timpul de funcționare FF și timpul de așteptare FF și poate scurta timpul de stabilizare a temperaturii cu până la 80 % (Figura 5).

Figura 5: Controlul PID îmbunătățit cu DSF poate reduce timpul de așteptare pentru stabilizarea temperaturii cu până la 80 %. (Sursa imaginii: Omron)

Unitățile NX-TC, cum ar fi NX-TC2405 cu 2 canale, concepute pentru conducerea SSR-urilor, sunt optimizate pentru scalabilitate. Proiectanții pot utiliza studioul Sysmac de la Omron pentru a programa controlul mai multor circuite de încălzire sau locații atunci când implementează procese de încălzire/răcire în mai multe etape.

Pe lângă DSF PID, aceste regulatoare acceptă controlul de pornire/oprire și includ o funcție de detectare a erorii de ardere a încălzitorului. Acestea includ EtherNet/IP și EtherCAT pentru conectivitate în rețea și pot accepta o varietate de intrări de senzori de termocuplu sau RTD.

Nu puteți optimiza ceea ce nu măsurați

Modelele de comutare a puterii, regulatoarele de temperatură și software-ul de gestionare termică nu pot oferi performanțe optime într-un vid de informații. Senzorii de temperatură furnizează datele operaționale care permit regulatoarelor și software-ului să își facă treaba. Proiectanții au la dispoziție o gamă largă de tehnologii de senzori de temperatură, inclusiv:

• Termistoarele funcționează ca rezistoare sensibile la temperatură. Acestea au, de obicei, o repetabilitate și o stabilitate de aproximativ ±0,1 °C. Modelul E52-THE5A-0/100C are un interval de temperatură de funcționare de la -50 °C la 300 °C.
• Un senzor de temperatură de tip K este un termocuplu care conține conductori din crom și alumel. Aceștia pot fi configurați ca senzori de imersie, senzori de suprafață sau alte stiluri. Modelul E52-CA1GTY 2M are un interval de temperatură de funcționare de la 0 °C la 300 °C.
• Senzorii RTD sunt extrem de preciși, iar imunitatea lor la zgomotul electric îi face potriviți pentru medii industriale dificile. Senzorul RTD pt100 E52-P6DY 1M din platină este evaluat pentru funcționare de la -50 °C la 250 °C.
• Senzorii cu infraroșu (IR) fără contact, precum ES1-LW100-N, pot măsura temperatura unei zone țintă cu diametrul de 35 mm la o distanță de 1 000 mm. Este specificat pentru temperaturi de până la 1 000 °C.

Crearea unui sistem

Proiectanții de utilaje de dimensiuni mici și medii cu până la 320 de intrări/ieșiri pot utiliza PLC-urile din seria CPE2 de la Omron. Capacitățile de comunicare ale acestor PLC-uri mici susțin transferurile de date dintre dispozitive (M2M) și integrarea în Internetul industrial al lucrurilor (IIoT).

Cu o temperatură de funcționare cuprinsă între -20 °C și +60 °C, PLC-urile CPE2 sunt potrivite pentru diverse aplicații industriale, precum utilaje de ambalare și sigilare, utilaje de umplere și capsulare, unelte de prelucrare a metalului sau plasticului, utilaje de turnare a plasticului și asamblarea pieselor mici. Modelul CP2E-N30DR-D are 18 intrări și 12 ieșiri și poate funcționa de la 100 la 240 V_c.a. sau 24 _c.c. Acesta poate fi asociat cu HMI-ul cu ecran tactil color de 7" NB7W-TW01B pentru o soluție de sistem completă (Figura 6).

Figura 6: Regulator CP2E-N30DR-D și HMI cu ecran tactil color de 7" NB7W-TW01B de la Omron. (Sursa imaginii: Omron)

Concluzie

Gestionarea căldurii este un aspect esențial al multor procese industriale. Aceasta necesită selectarea și integrarea regulatoarelor de putere și a regulatoarelor de încălzire cu algoritmi optimizați. Senzorii de temperatură sunt o altă piesă importantă din puzzle-ul gestionării căldurii. În cele din urmă, proiectanții pot alege PLC-uri de mici dimensiuni pentru a sprijini comunicarea M2M și integrarea în IIoT.