Hőmérséklet-szabályozók és mikro-PLC-k használata kisüzemi automatizálási projektek felgyorsításához

Hevítés. Számos ipari folyamatban fontos, például a csomagoláslezáró gépek, a műanyagfröccsöntési műveletek, az újraolvasztásos lágyforrasztó kemencék, a félvezető-feldolgozás stb. területén. A hőmérsékletszintekre és a szabályozási pontosságra vonatkozóan minden folyamatnak sajátos igényei vannak.

Az automatizálás segít az Ipar 4.0-s műveletek maximális termelékenységének és a fenntarthatóságnak az elérésében. Ez alól a kisgépek és a hőmérséklet-szabályozás sem jelentenek kivételt. De nem minden körülmények között van szükség nagy, átfogó megoldásokra. Számos felhasználási területen viszonylag egyszerű, az adott célra készült hőmérséklet-szabályozókkal és kis PLC-kkel (programmable logic controller, programozható logikai vezérlőegység) is nagyobb teljesítményt lehet elérni.

Az egyszerűbb automatizálási projektekhez a géptervezők számos lehetőség közül választhatnak, beleértve az egy- és háromfázisú áramellátású környezetekhez való fűtésszabályozókat, a különféle kifinomult vezérlőalgoritmusokkal vezérelt fűtésszabályozókat, valamint a kis és közepes méretű automatizálási környezetekhez optimalizált PLC-ket. Egyes kisebb gépek viszonylag elszigetelten működnek, míg mások esetében előnyös lehet a nagyobb üzemhez való kapcsolódás.

Ez a cikk a feszültség- és a fűtésszabályozási lehetőségek áttekintését adja, beleértve a hardveres és szoftveres szempontokat is. A cikket a hőmérséklet mérésére szolgáló érzékelőtechnikákkal és a kis és közepes méretű gépekhez optimalizált PLC-kkel kapcsolatos rendszerbe illesztési kérdések rövid ismertetése zárja, és a cikk példaként az Omron néhány termékét mutatja be.

Az ipari folyamatok – a hőre keményedő műgyanták, ragasztók és más hasonló anyagok hőkezelésétől kezdve az élelmiszer- és italgyártásig – gyakran igényelnek hőmérséklet-szabályozást a hatékonyság fenntartása és a minőség biztosítása érdekében. Az ipari hevítőberendezésekre szükség van, de a kulcsot hozzájuk a hőmérséklet-szabályozók jelentik.

Az ipari hevítőberendezések hőmérsékletének szabályozására többféle módszer is létezik. A választott módszert a rendszer működésének fontossági szempontjai határozzák meg. Az egyszerű feszültségszabályozás akkor használható, ha az üzemeltetési költségek az elsődleges szempont, és megengedhető a kevésbé pontos hőmérséklet-szabályozás.

A fűtőelemre kapcsolt feszültség szabályozásával szabályozható a fűtőelem fogyasztása, és változtatható a hőteljesítmény. A feszültség változtatása gyorsan végrehajtható, és ennek megfelelő hőmérséklet-változást eredményez, de a rendszer kialakításától függően változó késleltetéssel. A feszültség csökkentése csökkenti az energiaköltségeket és a hőmérsékletet. A hőmérséklet-csökkentés reakcióideje azonban sok folyamat esetében túl hosszú lehet, és nehéz lehet a hőmérséklet pontos szabályozása.

Az alapszintű feszültségszabályozáson túl

Számos felhasználási terület esetében az alapszintű feszültségszabályozás nem elegendő. Ezekben az esetekben a tervezők használhatnak ki-be kapcsolásos szabályozást, ciklusszabályozást, optimális ciklusszabályozást vagy fázisszabályozást (1. ábra). Ezen módszerek mindegyikének eltérőek a jellemzői:

• A fázisszabályozás nyújtja a legjobb szabályozási reakciót jó megoldásméret és költségek mellett, és a legtöbb felhasználási területhez elfogadható mértékű a zaja.
• A ciklusszabályozás jó szabályozási reakciót, megoldásméretet és költségeket kínál, és kiváló (kicsi) a zaja. Az „optimális” ciklusszabályozásnál félciklusonként van meghatározva a kapcsolási állapot.
• A szilárdtestrelék (SSR, solid state relay) segítségével történő ki-be kapcsolásos szabályozás jó szabályozási reakciót kínál a legkisebb megoldásmérettel, észszerű költségekkel és kiváló zajjal.

1. ábra: Az ipari hevítőberendezések szabályozására használható fűtőfeszültség-kapcsolási lehetőségek (ábra: Omron)

A fázisszabályozás és az optimális ciklusszabályozás megvalósítása

Az Omron számos lehetőséget kínál a tervezőknek a ki-be kapcsolásos szabályozás, a fázisszabályozás és az optimális ciklusszabályozás megvalósítására, beleértve a G3PW-A245EU-S típusú szabályozót, amelynek a névleges üzemi feszültsége 100 V és 240 V váltakozó feszültség (V_AC) közötti. Más típusok kaphatóak 400 V és 480 V váltakozó feszültség közötti névleges üzemi feszültséggel is.

Ezek a szabályozók a rendszer rendelkezésre állási idejének növelése érdekében a fűtőszál kiégését is érzékelik. Az RS-485 kommunikációs port a változók beállítására és a terhelőáram figyelésére szolgál.

A G3PW szabályozók teljes futásidejű figyelést tesznek lehetővé, és állandó és változó ellenállású terhelésekkel való használatra is alkalmasak.

Többcsatornás feszültségszabályozók

A G3ZA többcsatornás feszültségszabályozó-sorozat háromfázisú optimális ciklusszabályozással van kiegészítve, hogy háromfázisú hevítőberendezésekhez is használni lehessen. Nullpontátmenet-érzékelő szilárdtestrelékkel együtt használva kis zajú működést tesz lehetővé. Egy feszültségszabályozó akár 8 szilárdtestrelét is vezérelhet. Ezen kívül lágyindítási funkciót is tartalmaz a lámpás hevítőberendezésekhez (2. ábra).

2. ábra: A G3ZA többcsatornás feszültségszabályozók lehetőséget adnak a háromfázisú optimális ciklusszabályozásra is (kép: Omron)

Háromfázisú optimális ciklusszabályozással is el van látva, hogy háromfázisú hevítőberendezésekhez is használni lehessen. A G3ZA-4H203-FLK-UTU jelű típus névleges üzemi feszültsége 100 V és 240 V közötti váltakozó feszültség, és RS-484 csatlakozóval van ellátva. Más típusok kaphatóak 400 V és 480 V váltakozó feszültség közötti névleges üzemi feszültséggel is.

Rendszerbe illesztésre alkalmas hőmérséklet-szabályozók

Az olyan hőmérséklet-szabályozók, mint az EJ1N-TC4A-QQ jelű típus, csatlakoztathatók olyan feszültségszabályozókhoz, mint a G3ZA többcsatornás sorozat tagjai. Ezek el vannak látva hőmérséklet-érzékelőkhöz való bemenetekkel, valamint a rendszer-PLC-hez való csatlakozásra szolgáló csatlakozóval. A bemeneti egység képes hőelemek, platina ellenállásos hőmérséklet-érzékelők (RTD, resistance temperature detector) és analóg bemenőjelek kezelésére is.

A funkciói között szerepel az automatikus beállítás (AT, auto-tuning) is, amely segíthet a PID-szabályozás (PID: proportional-integral-derivative, arányos-integráló-deriváló) szabályozás megvalósításában. Az önbeállítás használható a PID-állandók kézzel, a felfutási reakciók módszerét használva történő beállítására. Egyetlen DeviceNet kommunikációs gyűjtőegység (hub) segítségével akár 16 hőmérséklet-szabályozó is csatlakoztatható a rendszerhez.

Hőmérséklet-szabályozó szoftver

Az EJ1N hőmérséklet-szabályozókhoz előnyös lehet az EST2-2C-MV4 hőmérséklet-szabályozó szoftvercsomag használata. Ez a szoftver lehetővé teszi a paraméterek személyi számítógépen való szerkesztését és arról történő kötegelt letöltését, felgyorsítva ezzel a beállítást és az üzembe helyezést.

Emellett lehetővé teszi a trendfigyelést is akár 31 feszültségszabályozót figyelve. A figyelhető paraméterek közé tartoznak a folyamatértékek (PV, process value), a beállított értékek (SV, set value), a módosított értékek (MV, manipulated value), a PID-paraméterek és riasztás állapota (be- vagy kikapcsolva).

A támogatott logikai műveletek közé tartoznak a külső bemenetekről (eseménybemenetek) kapott bemenőjeleknek vagy a hőmérséklet állapotának a beállítása, értékek küldése külső vezérlő- vagy segédkimenetekre, valamint az üzemállapot megváltoztatása a be- és kikapcsolások késleltetésével.

Továbbfejlesztett PID

A hőmérséklet-szabályozó berendezésekben rendkívül hasznos lehet a PID-szabályozás. Az olyan berendezések, mint a gyors kapcsolású szilárdtestrelékkel ellátott G3ZA sorozatú többcsatornás feszültségszabályozók, a PID-algoritmusokat használó hőmérséklet-szabályozókkal együtt képesek biztosítani a szükséges hőmérséklettűrések betartásához szükséges finomszabályozást.

Az alapszintű PID-szabályozás kompromisszumot jelent az üzemi beállított értékek mérhető mértékű túllövéssel való gyors elérése, illetve a túllövés minimálisra csökkentése, de a beállított értékek lassabb felfutással történő elérése között. Ezenkívül kompromisszumot kell kötni a beállított értékek elérése és az érzékelőkkel mért tényleges folyamatértékek ingadozásaira (zavaraira) való reagálás között. A folyamatértékek változásaira való gyorsabb reagálás gyakran a beállított érték lassú felfutással való elérésével jár.

A teljesítménybeli kompromisszumok kezelésére az Omron kifejlesztett egy továbbfejlesztett PID-algoritmust, a 2-PID-t, azaz a két szabadságfokú PID-t. A gyári PID-beállítások a legtöbb hevítőberendezéshez alkalmasak, és minimális túllövéssel teszik lehetővé a berendezés reagálását. A 2-PID esetében azonban a tervezők beállíthatják a folyamatérték változásaira való reagálás sebességét, és a szabályozóegység automatikusan úgy állítja be a PID-algoritmust, hogy optimálisan reagáljon adjon a folyamatérték ingadozásaira (3. ábra).

3. ábra: Az Omron 2-PID hőmérséklet-szabályozó algoritmus (alsó ábra) kombinálja a zavarokra való jó reagálást (jobb oldal) a jó felfutási reakcióval (bal oldal) (ábra: Omron)

Az Omron E5CC hőmérséklet-szabályozói, amilyen például az E5CC-QX3A5M-003 jelű eszköz, alkalmasak a 2-PID-szabályozásra. Ezek a hőmérséklet-szabályozók a kisebb követelményeket támasztó felhasználási területeken alapszintű ki-be kapcsolásos szabályozást is képesek megvalósítani.

A nagy fehér folyamatérték-kijelző a pillanatnyi folyamatértéket, a kisebb zöld beállítottérték-kijelző pedig a kívánt értéket mutatja (4. ábra). A külön rendelhető CX-Thermo hőszabályozó szoftver gyors programozást tesz lehetővé. Egyszerű berendezések esetén ezek a hőmérséklet-szabályozók egy PLC közbeiktatásával időzítőfunkciók és alapszintű logikai műveletek végrehajtására is képesek.

4. ábra: Az E5CC hőmérséklet-szabályozók egyértelműen mutatják a folyamatértéket és beállított értéket (kép: DigiKey)

Az RS-485 csatlakozó lehetővé teszi a Modbus-kommunikációt, illetve az Omron saját fejlesztésű CompoWay/F-kommunikációját. Ezek a hőmérséklet-szabályozók számos bemenet fogadására képesek, többek között az alábbiakra:

• 12 hőelemtípus
• PT100 és JPt100 típusú ellenállásos hőmérséklet-érzékelők
• 4–20 mA-es és 0–20 mA-es árambemenet
• 1–5 V-os, 0–5 V-os és 0–10 V-os feszültségbemenet

Alkalmazkodó PID a zavarelnyomáshoz

Az NX-TC alkalmazkodó hőmérséklet-szabályozók a PID-szabályozást a következő szintre emelik, és képesek alkalmazkodni a valós idejű működési feltételekhez. Az alkalmazkodó (idegen szóval adaptív) szabályozás lehetővé teszi a szabályozási beállításoknak a folyamat változásai miatt szükséges önoptimalizálását. Ezen túlmenően ezek a szabályozók beépített funkciókat tartalmaznak a csomagoláslezáró gépekhez és a vízhűtéses műanyagsajtoló gépekhez. Egyszerű berendezések esetén alapszintű ki-be kapcsolásos szabályozást is képesek megvalósítani.

A zavarelnyomó funkció (DSF, disturbance suppression function) a PID-szabályozással együtt működik, hogy elnyomja a gyakori és a várható zavarok okozta hőmérséklet-ingadozásokat olyan felhasználási területeken, mint például az alábbiak:

• Rétegképző berendezés, ahol a kamra hőmérséklete csökken, amikor nyitott ajtón keresztül gázt fecskendeznek be, illetve valamilyen anyagot juttatnak be a kamrába, vagy távolítanak el abból.
• Félvezetőostya-tesztelő készülékek, ahol amikor áramot kapcsolnak a félvezetőostyára, az a hőmérséklet növekedését eredményezi.
• Fröccsöntőgépek, ahol a szerszám hőmérséklete csökken a műgyanta befecskendezésekor.

A zavarelnyomó funkció automatikusan elnyomja az előre látható események okozta hőmérséklet-növekedést vagy -csökkenést. A zavarelnyomó funkciót a zavarás megjelenése előtti indítójelek indítják el, és a zavarelnyomó jel értéke hozzáadódik a módosított értékhez, vagy kivonódik abból. Ez az automatikus funkció beállítja a pozitív visszacsatolással (FF, feed forward) módosított értéket, a pozitív visszacsatolás működési idejét és az pozitív visszacsatolás várakozási idejét, és akár 80 százalékkal is lerövidítheti a hőmérséklet-stabilizáció eléréséhez szükséges időt (5. ábra).

5. ábra: A zavarelnyomó funkcióval kiegészített PID-szabályozás akár 80 százalékkal is csökkentheti a hőmérséklet-stabilizálás idejét (ábra: Omron)

A szilárdtestrelék vezérlésére tervezett NX-TC egységek, amilyen például a 2 csatornás NX-TC2405, a méretezhetőségre vannak optimalizálva. Többlépcsős fűtési/hűtési folyamatok esetén, amikor több fűtőáramkör vagy terület szabályozásának programozására van szükség, a tervezők használhatják az Omron cég Sysmac Studio szoftverét.

A zavarelnyomó funkcióval kiegészített PID-szabályozás mellett ezek a szabályozók képesek a ki-be kapcsolásos szabályozásra, és a fűtőszál kiégését észlelő hibaérzékelő funkciót is tartalmaznak. Lehetőséget adnak EtherNet/IP és EtherCAT hálózati csatlakozásra, és többféle hőelemtől, illetve ellenállásos hőmérséklet-érzékelőtől érkező bemenőjelet képesek fogadni.

Amit nem mérünk, azt nem lehet optimalizálni.

A ki-be kapcsolásos szabályozók, a hőmérséklet-szabályozók és a hőmérséklet-szabályozó szoftverek adatok hiányában nem képesek optimális teljesítményt nyújtani. Azokat az üzemi adatokat, amelyek lehetővé teszik a szabályozók és a szoftverek számára, hogy elvégezzék a feladatukat, a hőmérséklet-érzékelők szolgáltatják A tervezőknek a hőmérséklet-érzékelő technikák széles skálája áll rendelkezésére, többek között az alábbiak:

• A termisztorok hőmérséklet-érzékeny ellenállásként működnek. Ismételhetőségük és stabilitásuk jellemzően ±0,1 °C körüli. Az E52-THE5A-0/100C típus üzemi hőmérséklet-tartománya –50 °C és 300 °C között van.
• A K típusú hőmérséklet-érzékelő egy kromel- és alumelvezetőket tartalmazó hőelem. Kialakítható merülő érzékelőként, felületi érzékelőként és több más érzékelőfajtaként. Az E52-CA1GTY 2M típus üzemi hőmérséklet-tartománya 0 °C és 300 °C között van.
• Az ellenállásos hőmérséklet-érzékelők (RTD érzékelők) nagy pontosságúak, és a villamos zajjal szembeni immunitásuk miatt alkalmasak a zord ipari környezetekben való használatra. Az E52-P6DY 1M platina pt100 ellenállásos hőmérséklet-érzékelő –50 °C és 250 °C közötti működésre alkalmas.
• Az olyan érintkezésmentes infravörös (IR) érzékelők, mint az ES1-LW100-N, képesek egy 35 mm átmérőjű célterület hőmérsékletének 1000 mm távolságból történő mérésére. Ez az érzékelő 1000 °C-ig terjedő hőmérsékletre van tervezve.

Mindez rendszerré összekapcsolva

A kis és közepes méretű, legfeljebb 320 be- és kimenetű gépek tervezőinek érdemes megfontolni az Omron CPE2 sorozatú PLC-inek használatát. Ezeknek a kis méretű PLC-knek a kommunikációs képességei lehetővé teszik a gépek közötti (M2M, machine-to-machine) adatátvitelt és az ipari dolgok internetébe (IIoT, Industrial Internet of Things) való beillesztést.

A –20 °C és +60 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománynak köszönhetően a CPE2 PLC-k alkalmasak különböző ipari felhasználási területekre, például csomagoló- és csomagoláslezáró gépekhez, töltő- és kupakológépekhez, fém- és műanyag-megmunkáló szerszámokhoz, műanyagfröccsöntő gépekhez és kis alkatrészek összeszereléséhez. A CP2E-N30DR-D típusnak 18 bemenete és 12 kimenete van, és 100–240 V váltakozó, valamint 24 V egyenfeszültségről (V_DC) is működtethető. Az NB7W-TW01B jelű 7"-os színes érintőképernyős kezelőfelülettel párosítva teljes körű rendszermegoldást alkot (6. ábra).

6. ábra: Az Omron CP2E-N30DR-D PLC és az NB7W-TW01B 7"-os színes érintőképernyős kezelőfelület (kép: Omron)

Összegzés

A fűtés szabályozása számos ipari folyamat nagyon lényeges eleme. Ehhez optimalizált algoritmusokkal ellátott feszültségszabályozók és fűtésszabályozók kiválasztására és rendszerbe illesztésére van szükség. A hőmérséklet-érzékelők a hőmérséklet-szabályozási kirakósnak egy másik fontos darabját képezik. Végül pedig a tervezők a gépek köztik kommunikáció és az ipari dolgok internetébe való beillesztés elősegítése érdekében használhatnak kis méretű PLC-ket.