Для чего нужны контроллеры температуры?

Эта статья служит обзором различных функций и типов регуляторов температуры. Более дешевый контроллер может обойтись дорого, если требуется частый ремонт связанных компонентов, если требуемая точность не может быть обеспечена или если авария произошла из-за неадекватных функций безопасности. Каждая задача должна быть тщательно изучена, и в зависимости от требований процесса должен быть использован правильный контроллер. 

Начиная с типов датчиков и заканчивая требованиями к точности и удаленным доступом, существует множество факторов для выбора системы контроля температуры, помимо первоначальной стоимости, для обеспечения безопасной и эффективной работы оборудования и процессов нагрева.

 

Контроллеры температуры

 

Измерение и контроль температуры жизненно важны для обеспечения качества и безопасности производственных операций. Контроллеры температуры используются на технологических установках, в исследовательских лабораториях, центрах разработки продукции и других промышленных объектах. В чистых лабораторных условиях с контролируемой температурой недорогой готовый контроллер может быть подходящим продуктом. Однако эти же контроллеры обычно не выдерживают суровых условий, характерных для процессов тяжелой промышленности и удаленных районов.

Хотя поддержание контроля температуры является обязательным, это один из самых сложных параметров для успешного управления. В дополнение к первоначальной стоимости следует учитывать несколько важных факторов. Определить, какой контроллер использовать, может быть сложно, поскольку на базовом уровне все контроллеры работают одинаково: контроллер много раз в секунду отбирает значение, передаваемое датчиком температуры, и сравнивает эту переменную процесса с заданным значением. Всякий раз, когда переменная процесса отклоняется от заданного значения, контроллер посылает выходной сигнал, чтобы задействовать другие устройства, такие как механизмы нагрева и охлаждения, чтобы вернуть температуру к заданному значению.

Несмотря на то, что при первоначальном осмотре все терморегуляторы и контроллеры довольно похожи, разные типы контроллеров имеют характеристики и функции, дающие важные преимущества в зависимости от типа сферы применения.

 

 

Рейтинги IP и NEMA на контроллере важны для понимания уровня защиты передней панели контроллера.

 

Выбор датчика температуры

Обзор входных датчиков — лучшее место для начала при выборе контроллера для развертывания в местах с запыленностью, экстремальными температурами и шумом. В зависимости от сферы применения входные датчики могут включать термопары, RTD и линейные входы, такие как милливольт (мВ) и миллиампер (мА).

Для суровых условий обычно лучше всего подходят датчики термопары или RTD.

Термопарные датчики экономичны, прочны и обеспечивают точные измерения для диапазона значений температуры. Доступные в нескольких типах и конфигурациях, они хорошо работают во многих различных типах промышленных установок.

Термометры сопротивления обеспечивают большую точность измерения температуры, чем термопары, но они дороже, имеют более узкий температурный диапазон и менее прочны. Например, термометры сопротивления имеют верхний предел температуры приблизительно 1200°F (649°C) по сравнению с 4200°F (2316°C) для термопар.

Какой бы тип датчика температуры ни был выбран, контроллер должен иметь функцию обнаружения поломки датчика. Это оповещает контроллер, когда датчик неисправен или отсутствует, позволяя ему отрегулировать выходной сигнал до заданного значения, которое предотвратит причинение вреда оборудованию и персоналу.

Контроллеры включения/выключения

Контроллер включения/выключения стоит недорого, но он может только определить, нужно ли включить или выключить выход. Например, если уставка котла составляет 245°F (118°C), а значение температуры процесса падает до 244°F (117°C), контроллер отправит сигнал включения. Этот сигнал может включить нагреватель, открыть паровой клапан или предпринять другие действия для повышения температуры котла. Когда температура достигает заданного значения, выход контроллера возвращается в выключенное состояние.

Подобно домашнему термостату, этот тип контроллера хорошо работает в некоторых приложениях, но имеет некоторые ограничения. Диапазон, в котором работает контроллер, устанавливается на желаемое значение. (В приведенном выше случае он был бы установлен на один градус.) Контроллер не изменяет свое состояние выхода, пока переменная процесса не изменится хотя бы на один градус.

После изменения состояния выхода обычно требуется некоторое время для изменения переменной процесса, а это означает, что фактическая температура может отклоняться от заданного значения более чем на один градус. Это может быть приемлемо в некоторых приложениях, но не во всех.

Другая проблема заключается в том, что управление включением/выключением часто крайне неэффективно, поскольку управляющее устройство должно быть либо полностью включено, либо полностью выключено. Если управляемым устройством является клапан, контроллер включения/выключения может потребовать, чтобы клапан часто открывался и закрывался, что может привести к чрезмерному износу.

В дополнение к их ограниченным возможностям управления, эти устройства обычно не имеют дисплея и имеют ограниченные коммуникационные возможности. Поэтому эти базовые двухпозиционные контроллеры следует использовать только для некритичных тепловых систем без строгих требований к точности.

Когда предпочтительнее ПИД-регулирование

Более продвинутые цифровые регуляторы температуры имеют несколько выходов и программируемые функции. Они также обычно размещаются на передней панели с дисплеем для облегчения доступа оператора. Эти усовершенствованные контроллеры обеспечивают точное и стабильное управление за счет автоматического расчета пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД) параметров для определения точного выходного значения, необходимого для поддержания заданной температуры.

Например, если время цикла установлено на 8 секунд, система, требующая 50-процентной мощности, будет включать выход на 4 секунды и выключать на 4 секунды. Когда выходная мощность должна составлять 25 процентов при том же 8-секундном цикле, выход будет включен на 2 секунды и выключен на 6 секунд (рис. 1). Этот тип циклического управления выходом часто используется для управления твердотельным устройством, таким как тиристор.

РИСУНОК 1. ПИД-регулирование повышает эффективность, обеспечивая точное выходное значение, необходимое для поддержания заданного значения.

Если управляемое устройство имеет возможность непрерывно изменять свое состояние, то выходной сигнал ПИД-регулятора можно настроить на непрерывное изменение для управления устройством. Например, выходной сигнал ПИД-регулятора от 4 до 20 мА можно использовать для непрерывного изменения положения регулирующего клапана. Этот тип непрерывного контроля может привести к очень точному контролю температуры.

Эти усовершенствованные цифровые контроллеры температуры обычно предлагают возможность программирования множества различных типов аварийных сигналов. Например, можно установить сигнализацию верхнего предела для предотвращения повреждения оборудования источником тепла путем отключения источника питания, если температура превысит заданное значение. Аварийные сигналы отклонения могут быть установлены на определенное положительное или отрицательное значение от заданного значения, чтобы уведомить оператора, если температура выходит за пределы допустимого диапазона.

Другая полезная функция обеспечивает сигнал тревоги, когда выходной сигнал составляет 100 процентов, но входной датчик не обнаруживает никаких изменений температуры по истечении определенного периода времени, что указывает на неисправность в контуре контроля температуры.

 

Очень гибкие контроллеры

Одноконтурные контроллеры обычно имеют один вход и один выход. Многоконтурные контроллеры имеют несколько входов и выходов и могут использоваться для одновременного управления несколькими контурами, позволяя контролировать больше функций технологической системы. Кроме того, многоконтурные контроллеры компактны и модульны. Они могут работать как в автономном режиме, так и в составе усовершенствованной системы автоматизации, такой как программируемый логический контроллер. При использовании в качестве замены для контроля температуры в любой из этих передовых систем автоматизации многоконтурный контроллер может обеспечить быстрое ПИД-регулирование, и он может разгрузить большую часть вычислений, требующих памяти, от процессоров системы автоматизации.

В качестве замены для нескольких контроллеров DIN, многоконтурные контроллеры обеспечивают единую точку программного доступа ко всем контурам управления. Эти контроллеры также обладают функциями, недоступными для традиционных контроллеров, устанавливаемых на панель. Они имеют более высокую плотность контура и меньшую занимаемую площадь, а проводка сокращается за счет общей точки подключения источника питания и цифровых интерфейсов связи.

По сравнению с более простыми контроллерами, многоконтурные контроллеры температуры обычно имеют расширенные функции безопасности для предотвращения несанкционированного доступа к важным настройкам. Эти функции обеспечивают полный контроль над информацией, считываемой с контроллера или записываемой в него, тем самым ограничивая информацию, которую оператор может прочитать или изменить.

Усовершенствованные контроллеры также обладают улучшенными коммуникационными возможностями, что позволяет им связываться с передовыми системами автоматизации по цифровым каналам связи. Их можно быстро и легко настроить с помощью программного обеспечения для ПК, что позволяет сохранять конфигурации для использования в будущем. При подключении к Интернету или интрасети к этим контроллерам можно получить удаленный доступ, что позволяет осуществлять полный удаленный просмотр, настройку и управление из любого места с доступом в Интернет или интранет.