|
來(lái)源：Digikey 作者：Jeff Shepard 加熱。在包裝封口機、塑料成型作業(yè)、焊料回流爐、半導體加工等許多工業(yè)流程中，加熱都很重要。每種工藝對溫度水平和控制精度都有特定的要求。 自動(dòng)化有助于在工業(yè) 4.0 設施中實(shí)現最高生產(chǎn)率和可持續性。小型機器和熱加工也不例外。但并不是所有情況都需要大型、全面的解決方案。借助相對簡(jiǎn)單的專(zhuān)用溫度控制器和小型可編程邏輯控制器 (PLC)，也可以提高許多應用的性能。 機器設計人員可為簡(jiǎn)單的自動(dòng)化項目選擇一系列選項，包括適用于單相和三相電源環(huán)境的加熱器控制器、采用一系列復雜控制算法的加熱器控制器，以及針對中小型自動(dòng)化環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的 PLC。一些小型機器在相對孤立的環(huán)境中工作，而另一些機器與大型設備連接則更有益。 本文介紹了功率控制器和加熱器控制器的各種選擇，包括硬件和軟件方面的考量。最后簡(jiǎn)單介紹了與用于測量溫度的傳感器技術(shù)和已針對中小型機器進(jìn)行優(yōu)化的 PLC 有關(guān)的系統集成問(wèn)題，以及 Omron 的典型產(chǎn)品。 從熱固樹(shù)脂和粘合劑等材料的固化到食品飲料產(chǎn)品的生產(chǎn)，工業(yè)流程通常都需要進(jìn)行溫度控制才能維持效率和確保質(zhì)量。工業(yè)加熱器不可或缺，但溫度控制器才是關(guān)鍵。 控制工業(yè)加熱器溫度的方法不止一種。系統的運行優(yōu)先級決定了所選擇的方法。當運行成本是首要考慮因素且較低的溫度控制精度可以接受時(shí)，便可采用簡(jiǎn)單的電壓控制系統。 通過(guò)調節加熱元件的供電電壓，可以控制加熱器的功耗，并改變熱量輸出。電壓的變化可以快速實(shí)現，并產(chǎn)生相應的溫度變化，但其滯后性隨系統設計的不同而變化。減小電壓可降低能源成本和溫度。不過(guò)，對于許多工藝而言，溫度降低的響應時(shí)間可能太長(cháng)，而且很難精確控制溫度。 基礎電壓控制之外 對于許多應用而言，基礎電壓控制是不夠的。在這些情況下，設計人員可使用開(kāi)/關(guān)控制、周期控制、最優(yōu)周期控制或相位控制（圖 1）。每種技術(shù)都具有不同的性能特點(diǎn)： · 相位控制可提供極佳的可控性響應，并具有優(yōu)異的解決方案尺寸和成本，而且噪聲性能在大部分應用中都可以接受。 · 周期控制可提供優(yōu)異的可控性響應，并具有優(yōu)異的解決方案尺寸和成本，而且噪聲性能也同樣優(yōu)異。在“最佳”周期控制中，每半個(gè)周期都會(huì )確定開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 · 使用固態(tài)繼電器 (SSR) 進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制具有優(yōu)異的可控性響應、最小的解決方案尺寸、合理的成本以及出色的噪聲性能。 
圖 1：用于工業(yè)加熱器控制的電源開(kāi)關(guān)選項。（圖片來(lái)源：Omron） 實(shí)現相位控制和最優(yōu)周期控制 Omron 為設計人員提供多種選項來(lái)實(shí)現開(kāi)/關(guān)控制、相位控制或最優(yōu)周期控制，其中包括型號 G3PW-A245EU-S，其額定工作電壓為 100 VAC 至 240 VAC；另提供工作電壓為 400 VAC 至 480 VAC 的其他型號。 這些控制器加入了加熱器燒毀檢測功能，可延長(cháng)系統正常運行時(shí)間。一個(gè) RS-485 通信端口用于設置變量和監測負載電流。 G3PW 控制器支持總運行時(shí)間監測，適用于恒阻負載和變阻負載。 多通道功率控制器 G3ZA 多通道功率控制器系列增加了三相最優(yōu)周期控制功能，以支持三相加熱器。與過(guò)零型 SSR 結合使用時(shí)，可支持低噪聲功率運行。一個(gè)控制器最多可控制 8 個(gè) SSR。此外，燈加熱器還具有軟啟動(dòng)功能（圖 2）。
圖 2：G3ZA 多通道功率控制器支持三相最優(yōu)周期控制。（圖片來(lái)源：Omron） 三相加熱器已增加了三相最優(yōu)周期控制功能。型號 G3ZA-4H203-FLK-UTU 的額定工作電壓為 100 VAC 至 240 VAC，包括 RS-484 連接。另有工作電壓為 400 VAC 至 480 VAC 的其他型號可供選擇。 用于系統集成的溫度控制器 EJ1N-TC4A-QQ 等溫度控制器可連接至 G3ZA 系列多通道控制器等功率控制器。這些控制器具有用于溫度傳感器的輸入端和用于系統 PLC 的連接端。輸入單元可處理熱電偶、鉑電阻溫度檢測器 (RTD) 和模擬輸入。 功能包括自動(dòng)調諧 (AT)，可幫助實(shí)現比例-積分-數字 (PID) 控制。自動(dòng)調諧可用于通過(guò)手動(dòng)使用階躍響應法確定 PID 常量。一個(gè) DeviceNet 通信集線(xiàn)器最多可連接 16 個(gè)溫度控制器。 熱管理軟件 EJ1N 溫度控制器可受益于 EST2-2C-MV4 熱支持軟件包。該軟件可從個(gè)人電腦編輯和批量下載參數，加快配置和調試速度。 還支持對多達 31 個(gè)控制器進(jìn)行趨勢監測�？杀O測的參數包括過(guò)程值 (PV)、系統值 (SV)、操縱值 (MV)、PID 參數和警報開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。 支持的邏輯運算包括從外部輸入（事件輸入）或溫度狀態(tài)設置輸入，向外部控制或輔助輸出裝置發(fā)送值，以及通過(guò)開(kāi)/關(guān)延遲改變工作狀態(tài)。 改進(jìn)的 PID PID 控制在溫度控制應用中非常有用。具有快速 SSR 的 G3ZA 系列多通道控制器等功率控制器與采用 PID 算法的溫度控制器結合使用時(shí)，可提供維持要求的溫度公差所需的細粒度控制。 基礎 PID 控制需要在快速達到工作 SV 但存在可測量的過(guò)沖量，或盡量減少過(guò)沖但以較慢的速度上升到 SV 之間進(jìn)行權衡。此外，在達到 SV 與響應傳感器測得的實(shí)際 PV 干擾之間也要進(jìn)行權衡。對 PV 變化的響應更好往往意味著(zhù) SV 上升性能不佳。 為了解決這些性能權衡問(wèn)題，Omron 開(kāi)發(fā)了一種增強型 PID 算法，稱(chēng)為 2-PID，或雙自由度 PID。出廠(chǎng)時(shí)的 PID 預設值適合大部分加熱應用，并支持過(guò)沖最小的響應。然而，借助 2-PID，設計人員還可設置對 SV 變化的響應速度，控制器會(huì )自動(dòng)調整 PID 算法，以提供對 PV 干擾的優(yōu)化響應（圖 3）。
圖 3：Omron 的 2-PID 溫度控制（下圖）結合了優(yōu)異的干擾響應（右側）和優(yōu)異的階躍響應（左側）。（圖片來(lái)源：Omron） Omron 的 E5CC 溫度控制器（如 E5CC-QX3A5M-003）加入了 2-PID 控制。這些控制器還可以為要求不高的應用實(shí)現基礎開(kāi)/關(guān)控制。 大號白色 PV 顯示屏顯示的是 PV 值，小號綠色 SV 顯示屏顯示的是期望值（圖 4）。選配 CX-Thermo 管理軟件支持快速編程。對于簡(jiǎn)單的應用，這些控制器可在 PLC 的介入下實(shí)現定時(shí)器功能和基本邏輯運算。
圖 4：E5CC 溫度控制器可清楚顯示 PV 值 和 SV 值。（圖片來(lái)源：DigiKey） RS-485 接口支持 Modbus 通信或 Omron 專(zhuān)有的 CompoWay/F。這些控制器可接受各種輸入，包括： · 12 種熱電偶 · PT100 或 JPt100 RTD · 4 至 20 mA 或 0 至 20 mA 電流輸入 · 1 至 5 V、0 至 5 V 或 0 至 10 V 電壓輸入 用于干擾抑制的自適應 PID NX-TC 自適應溫度控制器將 PID 控制提升到了一個(gè)新的水平，并且能夠適應實(shí)時(shí)工作條件。自適應控制可根據工藝變化對控制設置進(jìn)行自我優(yōu)化。此外，這些控制器還包括用于包裝密封應用和水冷塑料擠出機的內置功能。對于簡(jiǎn)單的應用，可以實(shí)現基礎開(kāi)/關(guān)控制。 干擾抑制功能 (DSF) 與 PID 控制結合后，可抑制常規和預期干擾造成的溫度下降，例如在以下應用中： · 當通過(guò)打開(kāi)的門(mén)注入氣體或添加或移除材料時(shí)，腔室溫度會(huì )下降的沉積設備 · 電流流過(guò)晶圓時(shí)會(huì )導致溫度升高的晶圓探針 · 注入樹(shù)脂時(shí)模具溫度會(huì )下降的成型系統 DSF 可自動(dòng)抑制由可預見(jiàn)事件引起的正負溫度波動(dòng)。DSF 在發(fā)生干擾前由觸發(fā)信號啟動(dòng)，然后對 MV 進(jìn)行增減。這種自動(dòng)調整可調整前饋 (FF) MV、FF 工作時(shí)間和 FF 等待時(shí)間，并且最多可將實(shí)現溫度穩定的時(shí)間縮短 80%（圖 5）。
圖 5：DSF 增強型 PID 控制最多可將溫度穩定的等待時(shí)間縮短 80%。（圖片來(lái)源：Omron） 專(zhuān)為驅動(dòng) SSR 設計的 NX-TC 單元（如雙通道 NX-TC2405）針對可擴展性進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)現多級加熱/冷卻過(guò)程時(shí)，設計人員可使用 Omron 的 Sysmac studio 對多個(gè)加熱電路或位置進(jìn)行編程控制。 除 DSF PID 外，這些控制器還支持開(kāi)/關(guān)控制，并且具有加熱器燒毀錯誤檢測功能。不僅包括用于網(wǎng)絡(luò )連接的 EtherNet/IP 和 EtherCAT，而且還可接受各種熱電偶或 RTD 傳感器輸入。 不測量就無(wú)法優(yōu)化 電源開(kāi)關(guān)設計、溫度控制器和熱管理軟件無(wú)法在信息真空時(shí)提供最佳性能。溫度傳感器提供運行數據，使控制器和軟件能夠完成它們的工作。有多種溫度傳感器技術(shù)可供設計人員選擇，其中包括： · 用作溫度敏感型電阻器的熱敏電阻。這些熱敏電阻的可重復性和穩定性通常約為 ±0.1°C。型號 E52-THE5A-0/100C 的工作溫度范圍為 -50°C 至 300°C。 · K 型溫度傳感器是一種含有鉻和鋁導體的熱電偶。這些傳感器可以配置為浸入式傳感器、表面傳感器或其他樣式。型號 E52-CA1GTY 2M 的工作溫度范圍為 0°C 至 300°C。 · RTD 傳感器精度高，抗電噪聲能力強，因此適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。E52-P6DY 1M 鉑 pt100 RTD 傳感器的額定工作溫度范圍為 -50°C 至 250°C。 · ES1-LW100-N 等非接觸式紅外 (IR) 傳感器可在 1,000 mm 的距離內測量直徑為 35 mm 的目標區域的溫度。其指定使用溫度高達 1,000°C。 集成到一個(gè)系統中 設計最多具有 320 個(gè) I/O 的中小型機器時(shí)，可選用 Omron 的 CPE2 系列 PLC。這些小型 PLC 的通信功能支持機器對機器 (M2M) 數據傳輸，并且可集成到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中。 CPE2 PLC 的工作溫度范圍為 -20°C 至 +60°C，適用于各種工業(yè)應用，例如包裝封口機、灌裝壓蓋機、金屬或塑料加工工具、塑料成型機以及小零件裝配。型號 CP2E-N30DR-D 有 18 個(gè)輸入和 12 個(gè)輸出，可在 100 至 240 VAC 或 24 VDC 電源下工作�？膳c NB7W-TW01B 7" 彩色觸摸屏 HMI 搭配使用，以形成完整的系統解決方案（圖 6）。
圖 6：Omron 的 CP2E-N30DR-D 控制器和 NB7W-TW01B 7" 彩色觸摸屏 HMI。（圖片來(lái)源：Omron） 結語(yǔ) 熱管理是許多工業(yè)流程的一個(gè)重要方面。這就需要選擇并集成具有優(yōu)化算法的功率控制器和加熱器控制器。溫度傳感器是熱管理難題的另一個(gè)重要組成部分。最后，設計人員可選用小型 PLC 來(lái)支持 M2M 通信并集成到 IIoT 中。 |
