使用溫度控制器和微型 PLC 加快小型自動(dòng)化項(xiàng)目的速度

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

加熱。在包裝封口機(jī)、塑料成型作業(yè)、焊料回流爐、半導(dǎo)體加工等許多工業(yè)流程中，加熱都很重要。每種工藝對(duì)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(shè)施中實(shí)現(xiàn)最高生產(chǎn)率和可持續(xù)性。小型機(jī)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(duì)簡(jiǎn)單的專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(yīng)用的性能。

機(jī)器設(shè)計(jì)人員可為簡(jiǎn)單的自動(dòng)化項(xiàng)目選擇一系列選項(xiàng)，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(fù)雜控制算法的加熱器控制器，以及針對(duì)中小型自動(dòng)化環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的 PLC。一些小型機(jī)器在相對(duì)孤立的環(huán)境中工作，而另一些機(jī)器與大型設(shè)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(cè)量溫度的傳感器技術(shù)和已針對(duì)中小型機(jī)器進(jìn)行優(yōu)化的 PLC 有關(guān)的系統(tǒng)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(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)決定了所選擇的方法。當(dāng)運(yùn)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(tǒng)。

通過(guò)調(diào)節(jié)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(xiàn)，并產(chǎn)生相應(yīng)的溫度變化，但其滯后性隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同而變化。減小電壓可降低能源成本和溫度。不過(guò)，對(duì)于許多工藝而言，溫度降低的響應(yīng)時(shí)間可能太長(zhǎng)，而且很難精確控制溫度。

基礎(chǔ)電壓控制之外

對(duì)于許多應(yīng)用而言，基礎(chǔ)電壓控制是不夠的。在這些情況下，設(shè)計(jì)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(yīng)，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(yīng)用中都可以接受。
• 周期控制可提供優(yōu)異的可控性響應(yīng)，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(yīng)、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(xiàng)。（圖片來(lái)源：Omron）

實(shí)現(xiàn)相位控制和最優(yōu)周期控制

Omron 為設(shè)計(jì)人員提供多種選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)控制、相位控制或最優(yōu)周期控制，其中包括型號(hào) [G3PW-A245EU-S] ，其額定工作電壓為 100 VAC 至 240 V AC ；另提供工作電壓為 400 VAC 至 480 VAC 的其他型號(hào)。

這些控制器加入了加熱器燒毀檢測(cè)功能，可延長(zhǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。一個(gè) RS-485 通信端口用于設(shè)置變量和監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。

G3PW 控制器支持總運(yùn)行時(shí)間監(jiān)測(cè)，適用于恒阻負(fù)載和變阻負(fù)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(jié)合使用時(shí)，可支持低噪聲功率運(yùn)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(hào) [G3ZA-4H203-FLK-UTU] 的額定工作電壓為 100 VAC 至 240 V AC ，包括 RS-484 連接。另有工作電壓為 400 VAC 至 480 VAC 的其他型號(hào)可供選擇。

用于系統(tǒng)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(tǒng) PLC 的連接端。輸入單元可處理熱電偶、鉑電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 和模擬輸入。

功能包括自動(dòng)調(diào)諧 (AT)，可幫助實(shí)現(xiàn)比例-積分-數(shù)字 (PID) 控制。自動(dòng)調(diào)諧可用于通過(guò)手動(dòng)使用階躍響應(yīng)法確定 PID 常量。一個(gè) DeviceNet 通信集線器最多可連接 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(shù)，加快配置和調(diào)試速度。

還支持對(duì)多達(dá) 31 個(gè)控制器進(jìn)行趨勢(shì)監(jiān)測(cè)。可監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括過(guò)程值 (PV)、系統(tǒng)值 (SV)、操縱值 (MV)、PID 參數(shù)和警報(bào)開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。

支持的邏輯運(yùn)算包括從外部輸入（事件輸入）或溫度狀態(tài)設(shè)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(yīng)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(jié)合使用時(shí)，可提供維持要求的溫度公差所需的細(xì)粒度控制。

基礎(chǔ) PID 控制需要在快速達(dá)到工作 SV 但存在可測(cè)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(quán)衡。此外，在達(dá)到 SV 與響應(yīng)傳感器測(cè)得的實(shí)際 PV 干擾之間也要進(jìn)行權(quán)衡。對(duì) PV 變化的響應(yīng)更好往往意味著 SV 上升性能不佳。

為了解決這些性能權(quán)衡問(wèn)題，Omron 開(kāi)發(fā)了一種增強(qiáng)型 PID 算法，稱為 2-PID，或雙自由度 PID。出廠時(shí)的 PID 預(yù)設(shè)值適合大部分加熱應(yīng)用，并支持過(guò)沖最小的響應(yīng)。然而，借助 2-PID，設(shè)計(jì)人員還可設(shè)置對(duì) SV 變化的響應(yīng)速度，控制器會(huì)自動(dòng)調(diào)整 PID 算法，以提供對(duì) PV 干擾的優(yōu)化響應(yīng)（圖 3）。

圖 3：Omron 的 2-PID 溫度控制（下圖）結(jié)合了優(yōu)異的干擾響應(yīng)（右側(cè)）和優(yōu)異的階躍響應(yīng)（左側(cè)）。（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(yīng)用實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)開(kāi)/關(guān)控制。

大號(hào)白色 PV 顯示屏顯示的是 PV 值，小號(hào)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(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，這些控制器可在 PLC 的介入下實(shí)現(xiàn)定時(shí)器功能和基本邏輯運(yùn)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(yīng) PID

[NX-TC 自適應(yīng)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(yīng)實(shí)時(shí)工作條件。自適應(yīng)控制可根據(jù)工藝變化對(duì)控制設(shè)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(yīng)用和水冷塑料擠出機(jī)的內(nèi)置功能。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)開(kāi)/關(guān)控制。

干擾抑制功能 (DSF) 與 PID 控制結(jié)合后，可抑制常規(guī)和預(yù)期干擾造成的溫度下降，例如在以下應(yīng)用中：

• 當(dāng)通過(guò)打開(kāi)的門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(shè)備
• 電流流過(guò)晶圓時(shí)會(huì)導(dǎo)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(tǒng)

DSF 可自動(dòng)抑制由可預(yù)見(jiàn)事件引起的正負(fù)溫度波動(dòng)。DSF 在發(fā)生干擾前由觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)，然后對(duì) MV 進(jìn)行增減。這種自動(dòng)調(diào)整可調(diào)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(xiàn)溫度穩(wěn)定的時(shí)間縮短 80%（圖 5）。

![DSF 增強(qiáng)型 PID 控制的圖片] 圖 5：DSF 增強(qiáng)型 PID 控制最多可將溫度穩(wěn)定的等待時(shí)間縮短 80%。（圖片來(lái)源：Omron）

專為驅(qū)動(dòng) SSR 設(shè)計(jì)的 NX-TC 單元（如雙通道 [NX-TC2405] ）針對(duì)可擴(kuò)展性進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)現(xiàn)多級(jí)加熱/冷卻過(guò)程時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用 Omron 的 Sysmac studio 對(duì)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(cuò)誤檢測(cè)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(cè)量就無(wú)法優(yōu)化

電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)、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(yùn)行數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)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(fù)性和穩(wěn)定性通常約為 ±0.1°C。型號(hào) [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(dǎo)體的熱電偶。這些傳感器可以配置為浸入式傳感器、表面?zhèn)鞲衅骰蚱渌麡邮?。型?hào) [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(qiáng)，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(nèi)測(cè)量直徑為 35 mm 的目標(biāo)區(qū)域的溫度。其指定使用溫度高達(dá) 1,000°C。

集成到一個(gè)系統(tǒng)中

設(shè)計(jì)最多具有 320 個(gè) I/O 的中小型機(jī)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(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 數(shù)據(jù)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(yīng)用，例如包裝封口機(jī)、灌裝壓蓋機(jī)、金屬或塑料加工工具、塑料成型機(jī)以及小零件裝配。型號(hào) [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(tǒng)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(jié)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(shè)計(jì)人員可選用小型 PLC 來(lái)支持 M2M 通信并集成到 IIoT 中。

審核編輯 黃宇