Brugen af temperaturstyringsenheder og mikro-PLC'er til at fremskynde mindre automatiseringsprojekter

Varme. Det er vigtigt i mange industrielle processer som f.eks. Maskiner for forsegling af emballage, plaststøbning, reflow-ovne til lodning, halvlederbearbejdning, osv. Hver proces har specifikke behov for temperaturniveauer og styringspræcision.

Automatisering hjælper med at opnå maksimal produktivitet og bæredygtighed til Industri-4.0-anvendelse. Små maskiner og varmebehandling er ingen undtagelse. Men det er ikke alle forhold, der kræver store, omfattende løsninger. Mange anvendelser kan opleve forbedret ydeevne med relativt enkle, dedikerede temperaturstyringsenheder og små programmerbare logikkontrollerer (programmable logic controllers/PLC'er).

Maskinkonstruktører kan vælge mellem en række alternativer til enkle automatiseringsprojekter, herunder varmestyringsenheder til både enkelt- og trefasede strømmiljøer, varmestyringsenheder med en række sofistikerede styringsalgoritmer og PLC'er, der er optimeret til små og mellemstore automatiseringsmiljøer. Nogle små maskiner arbejder relativt isoleret, mens andre kan have fordel af konnektivitet til den større operation.

Denne artikel indeholder en gennemgang af alternative effekt- og varmestyringsenheder, herunder overvejelser om hardware og software. Den afsluttes med et blik på systemintegrationsspørgsmål i forbindelse med sensorteknologier til temperaturmåling og PLC'er, der er optimeret til små og mellemstore maskiner, og præsenterer eksempler på produkter fra Omron.

Fra hærdning af materialer som termohærdende harpiks og klæbemidler til produktion af føde- og drikkevarer kræver industrielle processer ofte temperaturstyring for at opretholde effektiviteten og sikre kvaliteten. Industrielle varmeapparater er nødvendige, men temperaturvarmestyringsenheder er nøglen.

Der er mere end én måde at styre temperaturen på industrielle varmeapparater på. Systemets driftsprioriteter afgør, hvilken tilgang der vælges. Simpel spændingsstyring kan bruges, når driftsomkostningerne er det vigtigste, og mindre præcis temperaturstyring kan accepteres.

Ved at regulere spændingen, der forsyner varmeelementet, kan varmeapparatets strømforbrug styres, og varmeeffekten kan variere. Ændringer i spændingen kan implementeres hurtigt og give tilsvarende temperaturændringer, men med en forsinkelse, der varierer med systemdesignet. Ved at reducere spændingen reduceres energiomkostningerne, og temperaturen sænkes. Alligevel kan reaktionstiden for temperatursænkninger være for lang for mange processer, og det kan være svært at styre temperaturen præcist.

Ud over grundlæggende spændingsstyring

Til mange anvendelser er grundlæggende spændingsstyring utilstrækkelig. I de tilfælde kan designerne bruge on/off-styring, cyklusstyring, optimal cyklusstyring eller fasestyring (figur 1). Hver af disse teknikker har et andet sæt ydeevneegenskaber:

• Fasestyring giver den bedste reguleringsrespons med god løsningsstørrelse og -omkostninger samt acceptabel støjpræstation til de fleste anvendelser.
• Cyklusstyring giver god reguleringsrespons, løsningsstørrelse og -omkostninger samt fremragende støjegenskaber. Ved "optimal" cyklusstyring bestemmes omkoblingsstatus for hver halvcyklus.
• On/off-styring ved hjælp af solidstate-relæer (SSR'er) giver god styrbarhedsrespons med den mindste løsningsstørrelse, rimelige omkostninger og fremragende støjegenskaber.

Figur 1: effektomkoblingsalternativer til styring af industrivarmeapparater. (Billedkilde: Omron)

Implementering af fasestyring og optimal cyklusstyring

Omron tilbyder designere flere alternativer til implementering af on/off-styring, fasestyring eller optimal cyklusstyring, herunder modellen G3PW-A245EU-S, der er klassificeret til driftsspændinger fra 100 V_AC til 240 V_AC; andre modeller findes til anvendelse fra 400 V_AC to 480 V_AC.

Disse styreenheder inkluderer detektering af udbrændte varmelegemer for at øge systemets oppetid. En RS-485-kommunikationsport bruges til at indstille variabler og overvåge belastningsstrømmen.

G3PW-styringsenhederne understøtter overvågning af den samlede driftstid og er velegnede til brug med belastninger med både konstant og variabel modstand.

Flerkanals effektstyringsenheder

G3ZA-serien af flerkanals effektstyringsenheder tilføjer trefaset, optimal cyklusstyring for at understøtte trefasede varmelegemer. Når den bruges med nul-kryds SSR'er, understøtter den støjsvag effektforsyning. En styreenhed kan styre op til 8 SSR'er. Desuden findes der en soft-start-funktion til lampevarmere (figur 2).

Figur 2: G3ZA flerkanals effektstyringsenheder understøtter trefaset, optimal cyklusstyring. (Billedkilde: Omron)

Trefaset, optimal cyklusstyring er blevet tilføjet til trefasede varmelegemer. Modellen G3ZA-4H203-FLK-UTU er klassificeret til anvendelse fra 100 V_AC til 240 V_AC og inkluderer RS-484-konnektivitet. Andre modeller fås til anvendelse fra 400 V_{AC til}480 V_AC.

Temperaturstyringsenheder til systemintegration

Temperaturstyringsenheder. som EJ1N-TC4A-QQ kan tilsluttes effektstyringsenheder som G3ZA-serien af multikanalstyringsenheder. De har indgange til temperatursensorer samt tilslutninger til system-PLC’en. Indgangsenheden kan håndtere termoelementer, platinmodstandstemperaturdetektorer (resistance temperature detectors/RTD'er) og analoge indgange.

Funktionaliteten inkluderer automatisk tuning (AT), der kan hjælpe med at implementere proportional-integral-digital (PID) -styring. Selv-tuning kan bruges til at bestemme PID-konstanterne manuelt ved hjælp af trinrespons-metoden. Op til 16 temperaturstyringsenheder kan tilsluttes ved hjælp af et enkelt DeviceNet-kommunikationsknudepunkt.

Software til termostyring

EJ1N-temperaturstyringsenheder kan drage fordel af at bruge EST2-2C-MV4-softwarepakken til termounderstøttelse. Denne software gør det muligt at redigere og batch-downloade parametre fra en personlig computer, hvilket fremskynder konfiguration og idriftsættelse.

Den understøtter også trendovervågning fra op til 31 styreenheder. Parametre, der kan overvåges, inkluderer procesværdier (PV'er), systemværdier (SV'er), manipulerede værdier (MV'er), PID-parametre og alarm on/off-status.

Understøttede logiske operationer inkluderer indstilling af indgange fra eksterne indgange (hændelsesindgange) eller temperaturstatus, afsendelse af værdier til eksterne styring- eller hjælpeudgange og ændring af driftstilstanden med on/off-forsinkelser.

Forbedret PID

PID-styring kan være meget nyttig til temperaturstyringsanvendelser. Effektstyringsenheder som G3ZA-serien af flerkanalsstyringsenheder med hurtigt omkoblende SSR'er kan sammen med temperaturstyringsenheder, der anvender PID-algoritmer, give den finkornede styring, der er nødvendig for at opretholde de krævede temperaturtolerancer.

Grundlæggende PID-styring indebærer en afvejning mellem hurtigt at opnå SV for anvendelse med en målbar portion oversving eller at minimere oversving, men med en langsommere rampe-op til SV. Derudover er der en afvejning mellem at opnå SV og at reagere på forstyrrelser i den faktiske PV, som måles af en sensor. Bedre respons på PV-ændringer er ofte forbundet med dårlig SV rampe-op ydeevne.

For at løse disse ydeevne-kompromisser har Omron udviklet en forbedret PID-algoritme kaldet 2-PID, eller PID med to frihedsgrader. PID-forudindstillingerne fra fabrikken er velegnede til de fleste opvarmningsopgaver og understøtter respons med minimalt oversving. Men med 2-PID kan designerne indstille reaktionshastigheden til ændringer i SV, og styreenheden indstiller automatisk PID-algoritmen til at give en optimeret reaktion på forstyrrelser i PV (figur 3).

Figur 3: Omron 2-PID-temperaturstyring (nederste graf) kombinerer god forstørrelsesrespons (højre side) med god trinrespons (venstre side). (Billedkilde: Omron)

2-PID-styring er inkluderet i Omrons E5CC-temperaturstyringsenheder, som E5CC-QX3A5M-003. Disse styreenheder kan også implementere grundlæggende on/off-styring til mindre krævende anvendelser.

Det store, hvide PV-display viser PV, og det mindre grønne SV-display viser den ønskede værdi (figur 4). Den valgfrie CX-Thermo-styringssoftware understøtter hurtig programmering. Til enkle anvendelser kan disse styreenheder implementere timer-funktioner og grundlæggende logiske operationer med indgriben fra en PLC.

Figur 4: E5CC-temperaturstyringsenheder viser tydeligt PV- og SV-værdier. (Billedkilde: DigiKey)

RS-485-grænsefladen understøtter Modbus-kommunikation eller Omrons proprietære CompoWay/F. Disse styreenheder accepterer en række forskellige indgange, herunder:

• 12 typer termoelementer
• PT100 eller JPt100 RTD'er
• 4 til 20 mA eller 0 til 20 mA strømindgange
• 1 til 5 V, 0 til 5 V eller 0 til 10 V spændingsindgange

Adaptiv PID til undertrykkelse af forstyrrelser

NX-TC-adaptive-temperaturstyringsenheder tager PID-styring til det næste niveau og kan tilpasse sig driftsbetingelserne i realtid. Adaptiv styring muliggør selvoptimering af styringsindstillinger på grund af procesændringer. Desuden har disse styreenheder indbyggede funktioner til emballageforsegling og vandkølede plastekstrudere. Til enkle anvendelser kan man implementere en grundlæggende on/off-styring.

Forstyrrelsesundertrykkelsesfunktionen (disturbance suppression function/DSF) fungerer sammen med PID-styringen for at undertrykke temperaturfald, forårsaget af rutinemæssige og forventede forstyrrelser i applikationer som f.eks:

• Deponeringsudstyr, hvor kammertemperaturen falder, når der indsprøjtes gas, eller tilføjes eller fjernes materiale igennem en åben dør
• Waferprøvere, når der påføres strøm til waferen, hvilket resulterer i en stigning i temperaturen
• Støbesystemer, hvor formens temperatur falder, når harpiks indsprøjtes

DSF undertrykker automatisk positive og negative temperaturudsving forårsaget af forudsigelige hændelser. DSF startes af trigger-signaler inden forstyrrelsen og lægger til eller trækker fra MV. Denne autotuning justerer fremføring (FF) MV, FF-driftstid og FF-ventetid og kan forkorte tiden til opnåelse af temperaturstabilisering med op til 80 procent (figur 5).

Figur 5: DSF-forstærket PID-styring kan reducere ventetiden på temperaturstabilisering med op til 80 procent. (Billedkilde: Omron)

NX-TC-enheder, som den 2-kanals NX-TC2405, der er designet til at drive SSR'er, er optimeret til skalerbarhed. Designere kan bruge Omrons Sysmac-studie til at programmere styring af flere varmekredse eller steder, når de implementerer varme-/køleprocesser i flere trin.

Ud over DSF-PID understøtter disse styreenheder on/off-styring og inkluderer en funktion til detektering af udbrændte varmelegemer. De inkluderer EtherNet/IP og EtherCAT til netværkskonnektivitet og kan acceptere en række forskellige termoelement- eller RTD-sensorindgange.

Der kan ikke optimeres, hvad der ikke måles

Effektomkoblingsdesigns, temperaturstyringsenheder og varmestyringssoftware kan ikke levere optimal ydelse i et informationsvakuum. Temperatursensorer leverer de driftsdata, der gør det muligt for styreenheder og software at udføre deres arbejde. Der findes en bred vifte af temperatursensorteknologier til rådighed for designere, herunder:

• Termistorer, der fungerer som temperaturfølsomme modstande. De har typisk en repeterbarhed og stabilitet på ca. ±0,1 °C. Model E52-THE5A-0/100C har et driftstemperaturområde på -50 °C til 300 °C.
• En type K-temperatursensor er et termoelement med ledere af krom og alumel. De kan konfigureres som neddypningssensorer, overfladesensorer eller andre typer. Model E52-CA1GTY/2M har et driftstemperaturområde på 0 °C til 300 °C.
• RTD-sensorer er meget nøjagtige, og deres immunitet over for elektrisk støj gør dem velegnede til barske industrimiljøer. E52-P6DY-1M platin pt100-RTD-sensoren er klassificeret til anvendelse fra -50 °C til 250 °C.
• Berøringsfrie, infrarøde (IR) sensorer som ES1-LW100-N kan måle temperaturen på et målområde med en diameter på 35 mm i en afstand af 1.000 mm. Den er specificeret til temperaturer på op til 1.000 °C.

At binde det sammen til et system

Designere af små og mellemstore maskiner med op til 320 I/O'er kan henvende sig til PLC'er i CPE2-serien fra Omron. Kommunikationsfunktionerne i disse små PLC'er understøtter maskin-til-maskine-dataoverførsler (M2M) og integration i Industrial Internet of Things (IIoT).

Med et driftstemperaturområde på -20 °C til +60 °C er CPE2 PLC'er velegnede til forskellige industrielle anvendelser som emballerings- og forseglingsmaskiner, fylde- og kapselmaskiner, metal- eller plastbearbejdningsværktøjer, plaststøbemaskiner og samling af små dele. Model CP2E-N30DR-D har 18 indgange og 12 udgange og kan strømforsynes fra 100 til 240 V_AC eller 24 V_DC. Den kan kombineres med NB7W-TW01B 7" farve-touchskærmen HMI for en komplet systemløsning (figur 6).

Figur 6: Omron CP2E-N30DR-D styreenhed og NB7W-TW01B 7" farve touchskærm HMI. (Billedkilde: Omron)

Konklusion

Varmestyring er et vigtigt aspekt i mange industrielle processer. Det kræver, at man vælger og integrerer effektstyringsenheder og varmestyringsenheder med optimerede algoritmer. Temperatursensorer er en anden vigtig brik i varmestyringspuslespillet. Endelig kan designere bruge små PLC'er til at understøtte M2M-kommunikation og integration i IIoT.