Bruke temperaturstyringer og mikro-PLS-er for å få fart på automatiseringsprosjekter i småskala

Varme. Dette er viktig i mange industrielle prosesser som pakkeforseglingsmaskiner, plaststøpingsvirksomheter, ovner for påsmeltingslodding, halvlederbehandling osv. Hver prosess har sine egne spesifikke behov for temperaturnivåer og styringspresisjon.

Automatisering bidrar til å oppnå maksimal produktivitet og bærekraft i Industri 4.0-virksomheter. Små maskiner og varmebehandling er ingen unntak. Det er imidlertid omstendigheter som ikke krever store, omfattende løsninger. Mange utrustninger kan oppleve forbedret ytelse med relativt enkle dedikerte temperaturstyringer og små programmerbare logiske styringer (PLS).

Maskinkonstruktører kan velge mellom en rekke alternativer for enkle automatiseringsprosjekter, deriblant varmeelementstyringer for en- og trefasede strømmiljøer, varmeelementstyringer med en rekke avanserte styringsalgoritmer og PLS-er optimalisert for små til mellomstore automatiseringsmiljøer. Noen små maskiner virker i relativ isolasjon, mens andre kan dra nytte av konnektivitet til den større driftsvirksomheten.

Denne artikkelen presenterer en gjennomgang av alternativer for strømstyringer og varmeapparatstyringer, inkludert maskinvare- og programvarehensyn. Den avslutter med et titt på systemintegrasjonsproblemer knyttet til sensorteknologier for måling av temperatur og PLS-er optimalisert for små til mellomstore maskiner, og presenterer eksempelprodukter fra Omron.

Industrielle prosesser krever ofte temperaturstyring for å opprettholde yteevne og sikre kvalitet, for alt fra herding av materialer som varmeherdende harpikser og lim til produksjon av mat- og drikkevarer. Industrielle varmeapparater er nødvendig, men temperaturstyringer er en nøkkelfaktor.

Det er mer enn én måte å regulere temperaturen til industrielle varmeapparater på. Systemets driftsprioriteter bestemmer den valgte tilnærmingen. Enkel spenningsstyring kan brukes når driftskostnader er hovedhensynet og mindre presis temperaturregulering er akseptabelt.

Ved å regulere spenningen som driver varmeelementet, kan strømforbruket til varmeapparatet styres, og varmeeffekten kan variere. Spenningsendringer kan implementeres raskt, noe som gir korresponderende temperaturendringer, men med en forsinkelse som varierer med systemkonstruksjonen. Redusering av spenningen vil redusere energikostnadene og senke temperaturen. Reaksjonstiden for temperaturreduksjoner kan likevel være for lang for mange prosesser, og det kan være vanskelig å regulere temperaturen nøyaktig.

Utover grunnleggende spenningsstyring

Grunnleggende spenningsstyring er utilstrekkelig for mange konstruksjoner. I slike tilfeller kan konstruktører bruke av/på-styring, syklusstyring, optimal syklusstyring eller fasestyring (figur 1). Hver av disse teknikkene presenterer et annet sett med ytelseskarakteristikker:

• Fasestyring gir den beste styringsresponsen med god løsningsstørrelse og rimelige kostnader, i tillegg til akseptabel støyytelse for de fleste utrustninger.
• Syklusstyring gir god styringsrespons, løsningsstørrelse, rimelige kostnader og utmerket støyytelse. Ved «optimal» syklusstyring fastsettes vekslingsstatusen for hver halvsyklus.
• Av/på-styring ved å bruke halvlederreléer (SSR – solid state relay) gir god styringsrespons med den minste løsningsstørrelsen, rimelige kostnader og utmerket støyytelse.

Figur 1: Strømvekslingsalternativer for industriell varmeapparatstyring. (Bildekilde: Omron)

Implementering av fasestyring og optimal syklusstyring

Omron gir konstruktører flere alternativer for implementering av på/av-styring, fasestyring eller optimal syklusstyring, for eksempel G3PW-A245EU-S-modellen som er klassifisert for driftsspenninger fra 100 V_AC til 240 V_AC. Andre modeller er tilgjengelige for drift fra 400 V_AC til 480 V_AC.

Disse styringene inkluderer utbrenningsdeteksjon for varmeapparatet for å gi økt oppetid for systemet. En RS-485-kommunikasjonsport brukes til å konfigurere variabler og overvåke laststrøm.

G3PW-styringene støtter overvåking av total driftstid og er egnet for bruk med laster som har enten konstant motstand eller variabel motstand.

Strømstyringer med flere kanaler

G3ZA-strømstyringsserien med flere kanaler legger til trefaset optimal syklusstyring for å støtte trefasede varmeapparater. Når denne brukes med halvlederreléer (SSR) med nullgjennomgang, støtter den strømstyring med lavt støynivå. En styring kan styre opptil åtte halvlederreléer. I tillegg er en mykstart-funksjon tilgjengelig for lampevarmere (figur 2).

Figur 2: G3ZA-strømstyringer med flere kanaler støtter trefaset optimal syklusstyring. (Bildekilde: Omron)

Trefaset optimal syklusstyring er lagt til for trefasede varmeapparater. G3ZA-4H203-FLK-UTU-modellen er klassifisert for drift fra 100 V_AC til 240 V_AC og inkluderer RS-484-konnektivitet. Andre modeller er tilgjengelige for drift fra 400 V_ACtil 480 V_AC.

Temperaturstyringer for systemintegrering

Temperaturstyringer som EJ1N-TC4A-QQ kan kobles til strømstyringer som G3ZA-serien med flerkanalsstyringer. De har innganger for temperatursensorer og tilkoblinger for system-PLS-en. Inngangsenheten kan håndtere termoelementer, motstandstemperaturdetektorer (RTD – resistance temperature detector) i platina og analoge innganger.

Funksjonaliteten inkluderer automatisk justering (AT – auto-tuning) som kan bidra til å implementere PID-styring (PID – proportional-integral-digital). Selvjustering kan brukes til å fastsette PID-konstanter ved å bruke trinnresponsmetoden manuelt. Opptil 16 temperaturstyringer kan kobles til ved å bruke én DeviceNet-kommunikasjonshub.

Programvare for termostyring

EJ1N-temperaturstyringer kan dra nytte av å bruke EST2-2C-MV4-programvarepakken for termostøtte. Denne programvaren muliggjør redigering og batchnedlasting av parametere fra en datamaskin, hastighetskonfigurasjon og idriftsetting.

Den støtter også trendovervåking fra opptil 31 styringer. Parametere som kan overvåkes inkluderer prosessverdier (PV), systemverdier (SV), manipulerte verdier (MV), PID-parametere og alarm på/av-status.

Støttede logiske operasjoner omfatter innstilling av innmatinger fra eksterne innganger (hendelsesinnmatinger) eller temperaturstatus, sending av verdier til eksterne styrings- eller hjelpeutganger og endring av driftstilstand med på/av-forsinkelser.

Forbedret PID

PID-styring kan være svært nyttig for temperaturregulering. Strømstyringer som G3ZA-serien med flerkanalsstyringer med raske SSR-er, kombinert med temperaturstyringer som bruker PID-algoritmer, kan gi den finkornede reguleringen som trengs for å opprettholde de nødvendige temperaturtoleransene.

Grunnleggende PID-styring innebærer en avveining mellom å raskt oppnå SV-verdien for drift med en målbar mengde overskridelse eller minimering av overskridelse, men med en langsommere opptrapping til SV. I tillegg er det en avveining mellom å oppnå SV og å respondere på forstyrrelser i den faktiske PV-en som blir målt av en sensor. Bedre respons på PV-endringer er ofte forbundet med svak SV-opptrappingsytelse.

For å få bukt med disse ytelsesavvikene, har Omron utviklet en forbedret PID-algoritme kalt 2-PID, også forklar som PID med to frihetsgrader. Fabrikkens PID-forhåndsinnstillinger er egnet for de fleste oppvarmingsutrustninger, og de støtter responser med minimal overskridelse. Med 2-PID kan imidlertid konstruktører angi reaksjonshastigheten til endringer i SV, og styringen justerer automatisk PID-algoritmen for å gi en optimalisert respons på forstyrrelser i PV (figur 3).

Figur 3: Omron 2-PID-temperaturstyring (nedre graf) kombinerer god forstyrrelsesrespons (høyre side) med god trinnrespons (venstre side). (Bildekilde: Omron)

2-PID-styring er inkludert i Omrons E5CC-temperaturstyringer, for eksempel E5CC-QX3A5M-003. Disse styringene kan også implementere grunnleggende av/på-styring for mindre krevende utrustninger.

Den store hvite PV-skjermen viser PV-verdien, og den mindre grønne SV-skjermen viser ønsket verdi (figur 4). Den valgfrie CX-Thermo-styringsprogramvaren støtter rask programmering. For enkle utrustninger kan disse styringsenhetene implementere timerfunksjoner og grunnleggende logiske operasjoner ved hjelp av en PLS.

Figur 4: E5CC-temperaturstyringer viser PV- og SV-verdier tydelig. (Bildekilde: DigiKey)

RS-485-grensesnittet støtter Modbus-kommunikasjon eller Omrons proprietære CompoWay/F. Disse styringene godtar en rekke innganger, deriblant:

• 12 typer termoelementer
• PT100 eller JPt100 RTD-er
• Strøminnganger på 4 til 20 mA eller 0 til 20 mA
• Spenningsinnganger på 1 til 5 V, 0 til 5 V eller 0 til 10 V

Adaptiv PID for undertrykkelse av forstyrrelser

NX-TC adaptive temperaturstyringer tar PID-styring til neste nivå, og de kan tilpasse seg til driftsforholdene i sanntid. Adaptiv styring muliggjør selvoptimalisering av styringsinnstillinger på grunn av prosessendringer. I tillegg har disse styringsenhetene innebygde funksjoner for emballasjeforseglingsutrustninger og vannkjølte plastekstrudere. For enkle utrustninger kan grunnleggende på/av-styring implementeres.

Funksjonen for undertrykking av forstyrrelser (DSF – disturbance suppression function) fungerer sammen med PID-styringen for å undertrykke temperaturfall forårsaket av rutinemessige og forventede forstyrrelser i utrustninger som:

• Avsetningsutstyr der kammertemperaturen faller når gass injiseres eller materiale tilsettes eller fjernes gjennom en åpen dør
• Wafer-probinger når strøm påføres waferen, noe som resulterer i en økning i temperaturen
• Støpesystemer der støpeformens temperatur synker når harpiks injiseres

DSF undertrykker automatisk positive og negative temperaturutslag forårsaket av forutsigbare hendelser. DSF initieres av utløsersignaler før forstyrrelsen, og legges til eller subtraheres fra MV-verdien. Denne automatiske justeringen justerer fremovermatingen (FF – feed forward) MV, FF-driftstid og FF-ventetid, og kan forkorte tiden det tar å oppnå temperaturstabilisering med opptil 80 prosent (figur 5).

Figur 5: DSF-forbedret PID-styring kan redusere ventetiden for temperaturstabilisering med opptil 80 prosent. (Bildekilde: Omron)

NX-TC-enheter, slik som den 2-kanals NX-TC2405 som er konstruert for å drive SSR-er, er optimalisert for skalerbarhet. Konstruktører kan bruke Omrons Sysmac-studio til å styre programmering av flere varmekretser eller steder når de implementerer varme-/kjøleprosesser med flere trinn.

I tillegg til DSF PID, støtter disse styringene av/på-styring, og de inkluderer en deteksjonsfunksjon for utbrenningsfeil i varmeapparatet. De inkluderer EtherNet/IP og EtherCAT for nettverkskonnektivitet og kan godta en rekke innganger fra termoelementer eller RTD-sensorer.

Du kan ikke optimalisere det du ikke måler

Strømvekslingskonstruksjoner, temperaturstyringer og termostyringsprogramvare kan ikke levere optimal ytelse i et informasjonsvakuum. Temperatursensorer leverer driftsdataene som gjør det mulig for styringer og programvare å gjøre jobben sin. Det er et bredt spekter av temperatursensorteknologier tilgjengelig for konstruktører, deriblant:

• Termistorer fungerer som temperaturfølsomme motstander. De har vanligvis repeterbarhet og stabilitet på omtrent ±0,1 °C. E52-THE5A-0/100C-modellen har et driftstemperaturområde fra –50 °C til 300 °C.
• En Type K-temperatursensor er et termoelement som inneholder chromel- og alumelledere. De kan konfigureres som nedsenkingssensorer, overflatesensorer eller andre typer. E52-CA1GTY 2M-modellen har et driftstemperaturområde fra 0 °C til 300 °C.
• RTD-sensorer er svært nøyaktige, og immuniteten de har mot elektrisk støy gjør dem godt egnet for tøffe industrimiljøer. E52-P6DY 1M platina pt100 RTD-sensoren er klassifisert for drift fra –50 °C til 250 °C.
• Berøringsfrie infrarøde sensorer (IR-sensorer) som ES1-LW100-N kan måle temperaturer med et diametermålområde på 35 mm i en avstand på 1000 mm. Den er spesifisert for temperaturer på opptil 1000 °C.

Slik kan det hele knyttes sammen i et system

Konstruktører av små til mellomstore maskiner med opptil 320 I/O-enheter kan bruke PLS-er i CPE2-serien fra Omron. Kommunikasjonsfunksjonene til disse små PLS-ene støtter dataoverføring fra maskin til maskin (M2M) og integrering i det industrielle tingenes Internett (IIoT – Industrial Internet of Things).

Med et driftstemperaturområde fra –20 °C til +60 °C, er CPE2 PLS-er egnet for ulike industriutrustninger som pakke- og forseglingsmaskiner, fylle- og kapselmaskiner, metall- eller plastbearbeidingsverktøy, plaststøpemaskiner og montering av små deler. CP2E-N30DR-D-modellen har 18 innganger og 12 utganger og kan virke fra 100 til 240 V_AC eller 24 V_DC. Den kan kombineres med NB7W-TW01B, en 7-tommers MMI-fargeberøringsskjerm, for å få en komplett systemløsning (figur 6).

Figur 6: Omron CP2E-N30DR-D-styring og 7-tommers NB7W-TW01B7 MMI-fargeberøringsskjerm. (Bildekilde: Omron)

Konklusjon

Håndtering av varme er et viktig aspekt forbundet med mange industriprosesser. Dette krever valg og integrering av strømstyringer og varmeapparatstyringer med optimaliserte algoritmer. Temperatursensorer er en annen viktig del av varmestyringspuslespillet. Til slutt kan konstruktører bruke små PLS-er til å støtte M2M-kommunikasjon og integrering i IIoT.