Användning av temperaturregulatorer och mikro-PLC:er kan snabba på småskaliga automationsprojekt

Värme. Värme är viktigt i många industriella processer, som t.ex. förslutningsmaskiner för förpackningar, plastgjutning, ugnar för våglödning, halvledarbearbetning m m. Varje process har specifika behov av temperaturnivåer och noggrann styrning.

Automation bidrar till att uppnå maximal produktivitet och hållbarhet i Industry 4.0-verksamheter. Små maskiner och värmebehandling är inga undantag. Men alla omständigheter kräver inte stora och omfattande lösningar. Många tillämpningar kan uppnå bättre prestanda med relativt enkla dedicerade temperaturregulatorer och små programmerbara logiska styrenheter (PLC).

Maskinkonstruktörer kan välja mellan en rad olika alternativ för enkla automationsprojekt, inklusive strömregulatorer för värmeelement med en eller tre faser, värmeregulatorer med en rad sofistikerade styralgoritmer samt programmerbara logiska styrenheter som är optimerade för små till medelstora automationsmiljöer. Vissa små maskiner arbetar relativt isolerat, medan andra kan dra nytta av uppkoppling till den överordnade verksamheten.

Artikeln innehåller en genomgång av olika effekt- och värmeregulatorer, inklusive överväganden avseende hård- och mjukvara. Artikeln avslutas med en titt på systemintegrationsfrågor relaterade till givarteknologier för temperaturmätning och programmerbara logiska styrenheter som är optimerade för små till medelstora maskiner samt ger exempel på produkter från Omron.

För att upprätthålla effektiviteten och säkerställa kvaliteten kräver industriella processer ofta temperaturreglering i allt från härdning av material, som t.ex. värmehärdande harts och lim till produktion av mat- och dryckesprodukter. Industriella värmelement är nödvändiga, men temperaturregulatorer är nyckeln.

Det finns mer än ett sätt att reglera temperaturen för industriella värmeelement. Systemets driftsprioriteringar avgör vilken metod som väljs. Enkel spänningsreglering kan användas när driftskostnaderna är det viktigaste och mindre exakt temperaturreglering kan tolereras.

Genom att reglera spänningen som driver värmeelementet kan värmelementets effektförbrukning kontrolleras och värmeeffekten variera. Spänningsändringar kan genomföras snabbt och ge motsvarande temperaturändringar, men med en fördröjning som varierar beroende på systemets utformning. Genom att sänka spänningen minskar energikostnaderna och temperaturen sänks. Reaktionstiden för temperatursänkningarna kan dock vara för lång för många processer och det kan vara svårt att styra temperaturen exakt.

Mer än enkel spänningsreglering

För många tillämpningar räcker det inte med en enkel spänningsreglering. I sådana fall kan konstruktörer använda styrning av till/från, styrning av cykel, optimal styrning av cykel eller styrning av faser (figur 1). Var och en av dessa tekniker har olika egenskaper vad det gäller prestanda:

• Styrning av faser har den bästa reglerbarheten med en bra storlek och kostnad för lösningen, samt acceptabel tålighet mot störningar för de flesta tillämpningarna.
• Styrning av cykel ger bra reglerbarhet, bra storlek på lösningen och kostnad samt utmärkt tålighet mot störningar. Vid "optimal" styrning av cykel bestäms statusen för switchningen vid varje halvcykel.
• Styrning av till/från med Solid state-reläer (SSR) har bra reglerbarhet med minsta möjliga storlek för lösningen, rimlig kostnad och utmärkt tålighet mot störningar.

Figur 1: Switchningsalternativ för styrning av industriella värmeelement. (Bildkälla: Omron)

Implementering av styrning av faser och optimal styrning av cykel

Omron har flera alternativ som konstruktörer kan använda sig av för att implementera styrning av till/från, styrning av faser eller optimal styrning av cykel, inklusive modellen G3PW-A245EU-S, som är klassificerad för driftspänningar mellan 100 V_AC och 240 V_AC Det finns andra modeller för drift mellan 400 V_ACoch 480 V_AC.

Styrenheterna inkluderar detektering av sönderbränning av värmeelementet för fler drifttimmar i systemet. En kommunikationsport för RS-485 används för att ställa in variabler och övervaka lastens ström.

Styrenheterna för G3PW har stöd för fullständig övervakning av drifttiden och är lämpliga för användning med laster med konstant eller varierande resistans.

Effektregulatorer för flera kanaler

Serien G3ZA med effektregulatorer för flera kanaler lägger till optimal styrning av cykel för tre faser för att stödja värmeelement med tre faser. När den används med Solid state-reläer med nollgenomgång har den stöd för strömförsörjning med låga nivåer av störningar. En styrenhet kan styra upp till åtta Solid state-reläer. Dessutom finns en funktion för mjukstart av värmeelement av lamptyp (figur 2).

Figur 2: Effektregulatorn G3ZA för flera kanaler har stöd för optimal styrning av cykel med tre faser. (Bildkälla: Omron)

Optimal styrning av cykel med tre faser har lagts till för värmeelement med tre faser. Modellen G3ZA-4H203-FLK-UTU är klassificerad för drift mellan 100 V_AC till 240 V_AC och inkluderar anslutning för RS-485. Andra modeller finns för drift mellan 400 V_AC och 480 V_AC.

Temperaturregulatorer för systemintegration

Temperaturregulatorer som t.ex. EJ1N-TC4A-QQ kan anslutas till effektregulatorer som t.ex. serien G3ZA för flera kanaler. De har ingångar för temperaturgivare samt anslutningar för systemets programmerbara logiska styrenhet. Ingångsenheten kan hantera termokopplare, RTD-givare av platina och analoga ingångar.

Funktionaliteten omfattar automatisk justering (AT) som kan göra det lättare att implementera reglering med PID (proportional-integral-digital). Självjustering kan användas för att manuellt bestämma PID-konstanter med hjälp av metoden för stegsvar. Upp till 16 temperaturregulatorer kan anslutas med hjälp av en enda kommunikationshubb för DeviceNet.

Programvara för temperaturhantering

Temperaturregulatorerna EJ1N kan med fördel använda programvarupaketet EST2-2C-MV4 för stöd vid temperaturhantering. Programvaran möjliggör redigering och massnedladdning av parametrar från en dator, vilket snabbar på konfigurering och driftsättning.

Den har även stöd för trendövervakning av upp till 31 styrenheter. Parametrar som kan övervakas är processvärden (PV), systemvärden (SV), manipulerade värden (MV), PID-parametrar och status för larm till/från.

Den har stöd för logiska operationer som t.ex. inställning av ingångar från externa ingångar (händelseingångar) eller temperaturstatus, sändning av värden till externa styr- eller hjälputgångar och ändring av drifttillstånd med fördröjningar för till/från.

Förbättrad PID

PID-reglering kan vara mycket användbar för tillämpningar med temperaturreglering. Effektregulatorer som t.ex. serien G3ZA med regulatorer för flera kanaler med snabbt växlande Solid state-reläer, tillsammans med temperaturregulatorer som använder PID-algoritmer, kan ge den finkänsliga reglering som krävs för att upprätthålla de nödvändiga temperaturtoleranserna.

Enkel PID-reglering innebär en avvägning mellan att snabbt uppnå systemvärden för drift med en mätbar mängd överskridanden eller att minimera överskridanden men med en långsammare stigning upp till systemvärdena. Det finns dessutom en avvägning mellan att uppnå systemvärden och att reagera på störningar i de faktiska processvärden som mäts av en givare. Bättre respons på ändringar för processvärden är ofta förknippat med dålig tålighet vid systemvärdets stigning.

För att hantera prestandaförlusterna har Omron utvecklat en förbättrad PID-algoritm som kallas 2-PID, eller PID med två frihetsgrader. De fabriksinställda värdena för PID är lämpliga för de flesta värmetillämpningar och ger svar med minimala överskridanden. Men med 2-PID kan konstruktörerna ställa in reaktionshastigheten på förändringar av systemvärden, och regulatorn ställer automatiskt in PID-algoritmen för att ge ett optimerat svar vid störningar av processvärden (figur 3).

Figur 3: Temperaturreglering för 2-PID (nedre diagrammet) kombinerar bra störningsrespons (höger sida) med bra stegrespons (vänster sida). (Bildkälla: Omron)

Styrning för 2-PID ingår i temperaturregulatorn E5CC från Omron, som t.ex. E5CC-QX3A5M-003. Styrenheterna kan även implementera grundläggande styrning för till/från för mindre krävande tillämpningar.

Den stora vita skärmen visar processvärdet och den mindre gröna skärmen visar det önskade systemvärdet (figur 4). Programvaran CX-Thermo, som är ett tillval, har stöd för snabb programmering. För enkla tillämpningar kan styrenheterna implementera timerfunktioner och grundläggande logiska operationer med hjälp av en programmerbar logisk styrenhet.

Figur 4: Temperaturregulatorn E5CC visar tydligt process- och systemvärden. (Bildkälla: DigiKey)

Gränssnittet för RS-485 har stöd för kommunikation via Modbus eller via Omrons egenutvecklade CompoWay/F. Styrenheterna kan hantera en mängd olika ingångsenheter, inklusive:

• 12 typer av termokopplare
• RTD-givare PT100 eller JPt100
• Strömingångar på 4 till 20 mA eller 0 till 20 mA
• Spänningsingångar på 1 till 5 V, 0 till 5 V eller 0 till 10 V

Adaptiv PID för dämpning av störningar

NX-TC Adaptive Temperature Controllers tar regleringen för PID till nästa nivå och kan anpassa sig till driftsförhållanden i realtid. Adaptiv reglering möjliggör självoptimering av regleringsinställningarna beroende på förändringar i processen. Styrenheterna har dessutom inbyggda funktioner för förslutning av förpackningar och vattenkylda plastextrudrar. För enkla tillämpningar kan en enkel styrning för till/från implementeras.

Funktionen för dämpning av störningar (DSF) arbetar tillsammans med PID-regleringen för att dämpa temperaturminskningar som orsakas av rutinmässiga och förväntade störningar i tillämpningar som t.ex:

• Deponeringsutrustning där kammartemperaturen sjunker när gas injiceras eller material tillsätts eller avlägsnas genom en öppen lucka
• Anslutning av mätutrustning till plattor (wafers) när ström tillförs plattan, vilket leder till en temperaturökning
• Gjutsystem där temperaturen i gjutformen sjunker när hartset sprutas in

Funktionen för dämpning av störningar dämpar automatiskt positiva och negativa temperaturavvikelser som orsakas av förutsägbara händelser. Funktionen för dämpning av störningar initieras av utlösande signaler före störningen och adderar till eller subtraherar från de manipulerade värdena. Den automatiska justeringen justerar matningen framåt (FF) för manipulerade värden, drifttid och väntetid för matning framåt och kan förkorta tiden för att uppnå temperaturstabilisering med upp till 80 % (figur 5).

Figur 5: PID-reglering förstärkt med funktion för dämpning av störningar kan minska väntetiden för temperaturstabilisering med upp till 80 %. (Bildkälla: Omron)

Enheter för NX-TC som t.ex. NX-TC2405 med två kanaler som är konstruerad för att driva Solid state-reläer är optimerade för skalbarhet. Konstruktörer kan använda Sysmac studio från Omron för att programmera styrning av flera värmekretsar eller platser vid implementering av värme-/kylprocesser i flera steg.

Förutom PID med funktion för dämpning av störningar har regulatorerna stöd för styrning av till/från och har en funktion för detektering av fel vid sönderbränning av värmeelement. De inkluderar EtherNet/IP och EtherCAT för nätverksanslutning och kan hantera en mängd olika ingångar för termoelement eller RTD-givare.

Du kan inte optimera det du inte mäter

Konstruktioner med switchning, temperaturregulatorer och programvara för termohantering kan inte leverera optimal prestanda i ett informationsvakuum. Temperaturgivare bistår med driftdata som gör det möjligt för styrenheter och programvara att utföra sitt jobb. Det finns ett brett utbud av teknologier för temperaturgivare tillgängliga för konstruktörer, inklusive:

• Termistorer som fungerar som temperaturkänsliga resistorer. De har normalt en repeterbarhet och stabilitet på cirka ±0,1 °C. Modellen E52-THE5A-0/100C har ett drifttemperaturområde på -50 till 300 °C.
• En temperaturgivare av typ K är ett termoelement med ledare av chromel eller alumel. De kan konfigureras som givare för nedsänkning, ytgivare eller andra typer av givare. Modellen E52-CA1GTY/2M har ett drifttemperaturområde på 0 till 300 °C.
• RTD-givare är mycket noggranna och deras immunitet mot elektriska störningar gör dem lämpliga för tuffa industriella miljöer. pt100 RTD-givaren E52-P6DY 1M av platina är klassificerad för drift från -50 till 250 °C.
• Beröringsfria infraröda (IR) givare som t.ex. ES1-LW100-N kan mäta temperaturen i ett målområde med en diameter på 35 mm på ett avstånd av 1 000 mm. De är specificerade för temperaturer på upp till 1 000 °C.

Sätta ihop det hela till ett system

Konstruktörer av små till medelstora maskiner med upp till 320 I/O:s kan använda sig av programmerbara logiska styrenheter i serien CPE2 från Omron. Kommunikationsmöjligheterna i dessa små programmerbara logiska styrenheter har stöd för dataöverföring från maskin till maskin och integrering av IIoT (Industrial Internet of Things).

Med ett drifttemperaturområde på -20 till +60 °C är programmerbara logiska styrenheter för CPE2 lämpliga för olika industriella tillämpningar som t.ex. förpacknings- och förslutningsmaskiner, påfyllnings- och lockförslutningsmaskiner, verktyg för bearbetning av metall eller plast, maskiner för gjutning i plast och montering av smådelar. Modell CP2E-N30DR-D har 18 ingångar och 12 utgångar och kan drivas med 100 till 240 V_AC eller 24 V_DC. Den kan sammankopplas med färgpekskärmen NB7W-TW01B på 7" för att skapa en komplett systemlösning med gränssnitt mellan människa och maskin (figur 6).

Figur 6: Omron CP2E-N30DR-D styrenhet och färgpekskärmen NB7W-TW01B på 7" för gränssnitt mellan människa och maskin. (Bildkälla: Omron)

Sammanfattning

Att hantera värme är en viktig aspekt i många industriella processer. Det kräver att man väljer ut och integrerar effektregulatorer och värmeregulatorer med optimerade algoritmer. Temperaturgivare är en annan viktig pusselbit av värmehanteringen. Slutligen kan konstruktörer använda sig av små programmerbara logiska styrenheter för stöd för maskin till maskin-kommunikation och integration av IIoT.