کنترل دما در صنعت

چرا به کنترل کننده های دما نیاز داریم؟

کنترل‌کننده‌های دما در هر شرایطی که نیاز به ثابت نگه داشتن دمای معین دارد، مورد نیاز است. این می تواند در شرایطی باشد که یک جسم نیاز به گرم کردن، خنک شدن یا هر دو و باقی ماندن در دمای مورد نظر (نقطه تنظیم)، بدون توجه به تغییر محیط اطراف آن باشد. دو نوع اساسی کنترل دما وجود دارد. کنترل حلقه باز و حلقه بسته حلقه باز ابتدایی ترین شکل است و گرمایش/سرمایش مداوم را بدون توجه به دمای خروجی واقعی اعمال می کند. 

دیاگرام بلوک کنترل حلقه باز

ساده ترین نوع کنترل که امروزه استفاده از آن در اکثر موقعیت های  کنترل دما تقریبا منسوخ شده است .

در این روش بدون توجه به دمای فعلی قطعه درصد مشخصی از توان به المان تحت حرارت گرمایش یا سرمایش داده می شود .

کنترل حلقه بسته:

کنترل حلقه بسته بسیار پیچیده تر از حلقه باز است. در یک کاربرد حلقه بسته، دمای خروجی به طور مداوم اندازه گیری و تنظیم می شود تا خروجی ثابت در دمای مورد نظر حفظ شود. کنترل حلقه بسته همیشه از سیگنال خروجی آگاه است و آن را به الکوریتم کنترل دما باز می گرداند و کنترلر بر حسب میزان اختلاف دما و نوع الگوریتم مورد استفاده ضریبی از توان به المان حرارتی(سرمایش یا گرمایش) منتقل می کند.


Closed loop control block diagram

مقدمه ای بر کنترل کننده های دما

کنترل کننده دما وسیله ای است که برای نگه داشتن دمای دلخواه در یک مقدار مشخص استفاده می شود.

ساده ترین مثال از یک کنترل کننده دما، یک ترموستات معمولی است که در خانه ها یافت می شود. به عنوان مثال، یک آبگرمکن آب گرم از یک ترموستات برای کنترل دمای آب و حفظ آن در دمای فرمان معین استفاده می کند. در کوره ها نیز از کنترل کننده های دما استفاده می شود. هنگامی که درجه حرارت برای یک اجاق تنظیم می شود، یک کنترل کننده دمای واقعی داخل فر را کنترل می کند. اگر از دمای تنظیم شده پایین بیاید، سیگنالی برای فعال کردن المنت ارسال

 می کند تا دما را به نقطه تنظیم بازگرداند. از ترموستات ها در یخچال نیز استفاده می شود. بنابراین اگر دما خیلی زیاد شود، یک کنترل کننده اقدامی را برای پایین آوردن دما آغاز می کند.

کاربردهای رایج در صنعت

کنترل کننده های دما در طیف گسترده ای از صنایع برای مدیریت فرآیندها یا عملیات تولید استفاده می شوند. برخی از کاربردهای رایج کنترل کننده های دما در صنعت عبارتند از: ماشین های اکستروژن پلاستیک و قالب گیری تزریقی، ماشین های شکل دهی حرارتی، ماشین های بسته بندی، پروسس مواد غذایی، ذخیره سازی مواد غذایی و بانک های خون. در زیر مروری کوتاه بر برخی از کاربردهای رایج کنترل دما در صنعت آورده شده است:

  • عملیات حرارتی/فر

کنترل‌کننده‌های دما در کوره‌ها و در کاربردهای عملیات حرارتی در کوره‌ها، کوره‌های سرامیکی، دیگ‌ها و مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شوند.

  • بسته بندی

در دنیای بسته بندی، ماشین آلات مجهز به میله های لبه چسبان، تزریق چسب، ذوب کننده، تونل های بسته بندی کوچک یا برچسب زن باید در دماهای تعیین شده و طول زمان فرآیند کار کنند. کنترل کننده های دما دقیقاً این عملیات را تنظیم می کنند تا از خروجی محصول با کیفیت بالا اطمینان حاصل کنند.

  • پلاستیک ها

کنترل دما در صنعت پلاستیک در چیلرها، قیف ها و خشک کن ها و تجهیزات قالب گیری و اکسترودر رایج است. در تجهیزات اکسترودینگ، از کنترل کننده های دما برای نظارت و کنترل دقیق دما در نقاط مختلف سیلندر  در تولید پلاستیک استفاده می شود.


  • صنایع  بهداشتی

از کنترل کننده های دما در صنعت مراقبت های بهداشتی برای افزایش دقت کنترل دما استفاده می شود. تجهیزات معمولی که از کنترل کننده های دما استفاده می کنند شامل تجهیزات آزمایشگاهی و آزمایشی، اتوکلاوها، انکوباتورها، تجهیزات تبرید، و اتاق های رشد کریستالیزاسیون و اتاق های آزمایش است که در آن نمونه ها باید نگهداری شوند یا آزمایش ها باید در پارامترهای دمایی خاص انجام شوند.

  • غذا و نوشیدنی

کاربردهای متداول فرآوری مواد غذایی شامل کنترل کننده های دما شامل دم کردن، مخلوط کردن، استریل کردن، و کوره های پخت و پز و پخت است. کنترل‌کننده‌ها دما و/یا زمان فرآیند را تنظیم می‌کنند تا عملکرد بهینه را تضمین کنند.


قطعات کنترل کننده دما

همه کنترلرها چندین بخش مشترک دارند. برای شروع، کنترلرها دارای ورودی هستند. ورودی ها برای اندازه گیری یک متغیر در فرآیند تحت کنترل استفاده می شوند. در مورد کنترل کننده دما، متغیر اندازه گیری شده دما است.

ورودی ها

کنترل کننده های دما می توانند چندین نوع ورودی داشته باشند. نوع سنسور ورودی و سیگنال مورد نیاز ممکن است بسته به نوع فرآیند کنترل شده متفاوت باشد. سنسورهای ورودی معمولی شامل ترموکوپل ها و سنسورهای مقاومتی (RTD) و ورودی های خطی مانند mV و mA هستند. انواع ترموکوپل استاندارد شده معمولی شامل انواع J، K، T، R، S، B و L از جمله انواع دیگر است.


همچنین می توان کنترلرها را طوری تنظیم کرد که RTD را به عنوان ورودی سنجش دما بپذیرند. یک RTD معمولی یک سنسور پلاتین 100Ω خواهد بود.

همچنین، می‌توان کنترل‌کننده‌ها را طوری تنظیم کرد که سیگنال‌های ولتاژ یا جریان را در محدوده میلی‌ولت، ولت یا میلی‌آمپر از انواع دیگر حسگرها مانند سنسورهای فشار، سطح یا جریان بپذیرند. در این حالت می توان از کنترلر ها در کاربری های دیگر مانند کنترل فشار آب در سیستم های بوستر پمپ استفاده کرد.

 سیگنال های ولتاژ ورودی معمولی شامل 0 تا 5 ولت دی سی، 1 تا 5 ولت دی سی، 0 تا 10 ولت و 2 تا 10 ولت است. همچنین ممکن است کنترل‌کننده‌ها به گونه‌ای تنظیم شوند که سیگنال‌های میلی‌ولتی را از حسگرهایی که شامل ۰ تا ۵۰ میلی‌ولت و ۱۰ تا ۵۰ میلی‌ولت است، تنظیم کنند. کنترلرها همچنین می توانند سیگنال های میلی آمپر مانند 0 تا 20 میلی آمپر یا 4 تا 20 میلی آمپر را بپذیرند.

خروجی ها

علاوه بر ورودی ها، هر کنترل کننده یک خروجی نیز دارد. هر خروجی را می توان برای انجام چندین کار از جمله کنترل یک فرآیند (مانند روشن کردن منبع گرمایش یا سرمایش)، رله هشدار، یا برای ارسال مجدد مقدار فرآیند به یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یا دیتا لاگر استفاده کرد.

خروجی‌های معمولی که با کنترل‌کننده‌های دما ارائه می‌شوند شامل خروجی‌های رله، درایورهای رله حالت جامد (SSR)، خروجی‌های تریاک و آنالوگ خطی هستند. خروجی رله معمولاً یک رله تک پلاتین با سیم پیچ ولتاژ DC است. این به کنتاکت ها اجازه می دهد یک منبع ولتاژ خارجی را برای تغذیه سیم پیچ یک کنتاکتور گرمایشی بسیار بزرگتر کنترل کنند. این بدان معنی است که می توان با استفاده از رله یا کنتاکتور یک منبع سرمایشی و یا گرمایشی با توان بالا راه اندازی کرد . اشکال موجود در این روش تاخیر مکانیکی و در نتیجه آن محدودیت سرعت روشن و خاموش المان حرارتی یا سرمایشی می باشد که در نتیجه آن دقت این روش به مراتب پایین می آید.

نوع دیگر خروجی درایور SSR است. خروجی های درایور SSR خروجی های منطقی هستند که یک رله حالت جامد را روشن یا خاموش می کنند. اکثر رله های حالت جامد برای روشن شدن به 3 تا 32 ولت دی سی نیاز دارند. یک سیگنال روشن کردن درایور SSR معمولی 10 ولتی می تواند سه رله حالت جامد را هدایت کند. در این روش به علت افزایش سرعت خاموش و روش کنترلر نظارت بیشتر و دقیق تری بر فرآیند کنترل دما خواهد داشت . 

یک تریاک عملکرد رله را بدون هیچ قطعه متحرکی فراهم می کند. در واقع در این روش کنترل توان خروجی به صورت تدریجی و بر اساس میزان خروجی تولید شده توسط کنترلر تعیین می گردد .  خروجی های تریاک ممکن است مقدار کمی جریان نشتی، معمولاً کمتر از 50 میلی آمپر را ایجاد کنند. این جریان خروجی بر مدارهای کنتاکتور گرمایش تأثیر نمی گذارد، اما اگر از خروجی برای اتصال به مدار حالت جامد دیگری مانند ورودی PLC استفاده شود، ممکن است مشکل ساز شود. اگر این یک نگرانی است، یک ایزولاسیون رله ای انتخاب بهتری خواهد بود. هنگامی که خروجی قطع شده و کنتاکت ها باز هستند، جریان صفر مطلق را فراهم می کند.

خروجی های آنالوگ در برخی از کنترلرها ارائه می شود که سیگنال 0-10 ولت یا سیگنال 4-20 میلی آمپر را ارسال می کنند. این سیگنال ها به گونه ای کالیبره می شوند که سیگنال به صورت درصدی از خروجی تغییر می کند. به عنوان مثال، اگر یک کنترل کننده سیگنال 0٪ ارسال کند، خروجی آنالوگ 0 ولت یا 4 میلی آمپر خواهد بود. هنگامی که کنترلر یک سیگنال 50% ارسال می کند، خروجی 5 ولت یا 12 میلی آمپر خواهد بود. هنگامی که کنترلر یک سیگنال 100٪ ارسال می کند، خروجی 10 ولت یا 20 میلی آمپر خواهد بود.

مقایسه هشدار کنترلر

کنترل کننده های دما چندین پارامتر دیگر نیز دارند که یکی از آنها یک نقطه تنظیم است. اساساً یک نقطه تنظیم یک مقدار هدف است که توسط یک اپراتور تنظیم می شود که هدف کنترل کننده ثابت نگه داشتن آن است. به عنوان مثال، دمای تعیین شده 30 درجه سانتیگراد به این معنی است که یک کنترل کننده قصد دارد دما را در این مقدار نگه دارد.

پارامتر دیگر یک مقدار هشدار است. این برای نشان دادن زمانی که یک فرآیند به یک شرایط خاص رسیده است استفاده می شود. انواع مختلفی از آلارم ها وجود دارد. به عنوان مثال، یک رله آلارم حد بالا ممکن است نشان دهد که دما از مقدار تنظیم شده گرمتر شده است. به همین ترتیب، هشدار کم نشان می دهد که دما به زیر مقدار تنظیم شده کاهش یافته است.

به عنوان مثال، در یک سیستم کنترل دما، یک هشدار ثابت بالا از آسیب رساندن منبع گرما به تجهیزات با خاموش کردن منبع در صورت تجاوز دما از مقدار تعیین شده جلوگیری می کند. از سوی دیگر، اگر دمای پایین ممکن است به وسیله یخ زدن به تجهیزات آسیب برساند و یا ممکن در برخی کاربردها مانند اکستروژن از آسیب رسیدن به قطعه چرخان جلوگیری کند .

Controller alarm comparison

چگونه کار می کنند

همه کنترلرها، از ابتدایی تا پیچیده ترین، تقریباً به یک شکل کار می کنند. کنترلرها برخی از متغیرها یا پارامترها را در یک مقدار تنظیم شده کنترل یا نگه می دارند. دو متغیر مورد نیاز کنترلر وجود دارد. سیگنال ورودی واقعی و مقدار نقطه تنظیم مورد نظر. سیگنال ورودی به عنوان مقدار فرآیند نیز شناخته می شود. بسته به کنترل کننده، ورودی کنترلر در هر ثانیه چندین بار نمونه برداری می شود.

سپس این مقدار ورودی یا فرآیند با مقدار تعیین شده مقایسه می شود. اگر مقدار واقعی با نقطه تنظیم مطابقت نداشته باشد، کنترل کننده یک تغییر سیگنال خروجی را بر اساس تفاوت بین نقطه تنظیم و مقدار فرآیند و اینکه آیا مقدار فرآیند به نقطه تنظیم نزدیک می شود یا منحرف می شود، ایجاد می کند. این سیگنال خروجی سپس نوعی پاسخ را برای تصحیح مقدار واقعی آغاز می کند تا با نقطه تنظیم مطابقت داشته باشد. معمولاً الگوریتم کنترل مقدار توان خروجی را به روز می کند که سپس به خروجی اعمال می شود.

اقدام کنترلی انجام شده به نوع کنترلر بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر کنترل کننده یک کنترل ON/OFF باشد، کنترلر تصمیم می گیرد که آیا خروجی باید روشن، خاموش شود یا در حالت فعلی باقی بماند.

کنترل ON/OFF یکی از ساده ترین انواع کنترل برای پیاده سازی است. با راه اندازی یک باند هیسترزیس کار می کند. به عنوان مثال، یک کنترل کننده دما ممکن است برای کنترل دمای داخل یک اتاق تنظیم شود. اگر نقطه تنظیم 68 درجه باشد و دمای واقعی به 67 درجه کاهش یابد، یک سیگنال خطا تفاوت -1 درجه را نشان می دهد. سپس کنترل کننده سیگنالی برای افزایش گرمای اعمال شده ارسال می کند تا دما را به نقطه تنظیم 68 درجه برساند. هنگامی که دما به 68 درجه می رسد، بخاری خاموش می شود. برای دمای بین 68 تا 67 درجه، کنترل کننده هیچ اقدامی انجام نمی دهد و بخاری خاموش می ماند. با این حال، هنگامی که دما به 67 درجه می رسد، بخاری دوباره شروع به کار می کند.

برخلاف کنترل ON/OFF، کنترل PID مقدار دقیق خروجی مورد نیاز برای حفظ دمای مورد نظر را تعیین می کند. توان خروجی می تواند بین 0 تا 100 درصد باشد. هنگامی که از نوع خروجی آنالوگ استفاده می شود، درایو خروجی متناسب با مقدار توان خروجی است. با این حال، اگر خروجی یک نوع خروجی باینری مانند رله، درایور SSR یا تریاک باشد، خروجی باید متناسب با زمان باشد تا یک نمایش آنالوگ به دست آید.



یک سیستم متناسب با زمان از یک زمان چرخه برای تناسب مقدار خروجی استفاده می کند. اگر زمان چرخه روی 8 ثانیه تنظیم شود، سیستمی که 50% برق را فراخوانی می کند، خروجی را برای 4 ثانیه روشن و برای 4 ثانیه خاموش می کند. تا زمانی که مقدار توان تغییر نکند، مقادیر زمانی تغییر نخواهند کرد. با گذشت زمان، توان به 50٪ مقدار دستور داده شده، نیمه روشن و نیمه خاموش می شود. اگر توان خروجی باید 25 درصد باشد، برای همان زمان چرخه 8 ثانیه ای، خروجی به مدت 2 ثانیه روشن و برای 6 ثانیه خاموش می شود.

Output time proportioning example

اگر همه چیز برابر باشد، زمان چرخه کوتاه‌تر مطلوب است زیرا کنترل‌کننده می‌تواند سریع‌تر واکنش نشان دهد و وضعیت خروجی را برای تغییرات داده شده در فرآیند تغییر دهد. با توجه به مکانیک رله، زمان سیکل کوتاه تر می تواند عمر رله را کوتاه کند و توصیه نمی شود که کمتر از 8 ثانیه باشد. برای دستگاه های سوئیچینگ حالت جامد مانند درایور SSR یا triac، زمان سوئیچینگ سریعتر بهتر است. زمان سوئیچینگ طولانی تر، صرف نظر از نوع خروجی، امکان نوسان بیشتر در مقدار فرآیند را فراهم می کند. قاعده کلی این است که، تنها در صورتی که فرآیند اجازه دهد، زمانی که از خروجی رله استفاده می شود، زمان سیکل طولانی تری مورد نظر است.

انواع کنترلرها

کنترل‌کننده‌های دما در سبک‌های مختلف با طیف وسیعی از ویژگی‌ها و قابلیت‌ها عرضه می‌شوند. همچنین راه های زیادی برای دسته بندی کنترلرها بر اساس قابلیت های عملکردی آنها وجود دارد. به طور کلی، کنترل کننده های دما یا یک حلقه یا چند حلقه هستند. کنترل کننده های تک حلقه دارای یک ورودی و یک یا چند خروجی برای کنترل یک سیستم حرارتی هستند. از سوی دیگر، کنترلرهای چند حلقه ای دارای ورودی و خروجی های متعدد هستند و قادر به کنترل چندین حلقه در یک فرآیند هستند. حلقه های کنترل بیشتر امکان کنترل بیشتر عملکردهای سیستم فرآیند را فراهم می کند.

کنترل‌کننده‌های تک حلقه قابل اعتماد از دستگاه‌های پایه‌ای که نیاز به تغییرات دستی تنظیم نقطه‌ای دارند تا پروفایل‌کننده‌های پیچیده که می‌توانند به طور خودکار تا هشت تغییر نقطه تنظیم را در یک دوره زمانی معین انجام دهند، متغیر است.


آنالوگ

ساده ترین و ابتدایی ترین نوع کنترلر، کنترل کننده آنالوگ است. کنترل‌کننده‌های آنالوگ، کنترل‌کننده‌های ساده و کم‌هزینه‌ای هستند که به‌اندازه کافی همه‌کاره برای کنترل فرآیند ناهموار و قابل اعتماد در محیط‌های صنعتی خشن از جمله محیط‌هایی با نویز الکتریکی قابل توجه هستند. نمایشگر کنترلر معمولاً یک صفحه کلید است.

کنترل‌کننده‌های آنالوگ پایه بیشتر در سیستم‌های حرارتی غیر بحرانی یا غیرپیچیده استفاده می‌شوند تا کنترل دمای روشن و خاموش را برای کاربردهای مستقیم یا معکوس فراهم کنند. کنترل‌کننده‌های پایه ورودی‌های ترموکوپل یا RTD را می‌پذیرند و حالت کنترل درصد قدرت اختیاری را برای سیستم‌های بدون سنسور دما ارائه می‌دهند. اشکال اساسی آنها فقدان نمایشگر خوانا و فقدان پیچیدگی برای کارهای کنترلی چالش برانگیز است. بعلاوه، عدم وجود هیچ گونه توانایی ارتباطی، استفاده از آنها را به کاربردهای ساده ای مانند روشن/خاموش کردن عناصر گرمایشی یا دستگاه های خنک کننده محدود می کند.

کنترل کننده های درجه حرارت همه منظوره

کنترل کننده های درجه حرارت همه منظوره برای کنترل بیشتر فرآیندهای معمولی در صنعت استفاده می شود. به طور معمول، آنها در طیف وسیعی از اندازه های DIN هستند، دارای خروجی های متعدد و عملکردهای خروجی قابل برنامه ریزی هستند. این کنترلرها همچنین می توانند کنترل PID را برای موقعیت های کنترل عمومی عالی انجام دهند. آنها به طور سنتی در پانل جلویی با نمایشگر برای دسترسی آسان اپراتور قرار می گیرند.

اکثر کنترل کننده های دمای دیجیتال مدرن می توانند به طور خودکار پارامترهای PID را برای عملکرد بهینه سیستم حرارتی با استفاده از الگوریتم های تنظیم خودکار داخلی خود محاسبه کنند. این کنترلرها دارای یک تابع پیش تنظیم برای محاسبه اولیه پارامترهای PID برای یک فرآیند و یک تابع تنظیم پیوسته برای پالایش مداوم پارامترهای PID هستند. این امکان راه اندازی سریع، صرفه جویی در زمان و کاهش اتلاف را فراهم می کند.

مشخصات

کنترل‌کننده‌های پروفایل، که به آن‌ها کنترل‌کننده‌های سطح شیب‌دار نیز گفته می‌شود، به اپراتورها اجازه می‌دهند تا تعدادی از نقاط تنظیم و زمان نشستن در هر نقطه تنظیم را برنامه‌ریزی کنند. برنامه نویسی تغییر نقطه تنظیم را رمپ و زمان ماندن در هر نقطه تنظیم را خیساندن یا ماندن می نامند. یک سطح شیب دار یا یک خیساندن به عنوان یک بخش در نظر گرفته می شود. یک پروفیلر این امکان را ارائه می دهد که تعدادی بخش را وارد کنید تا پروفیل های دمایی پیچیده را امکان پذیر کند. پروفیل ها را می توان به عنوان دستور العمل توسط اپراتور نام برد. اکثر پروفیل‌ها اجازه ذخیره چندین دستور  از پیش تعیین شده را برای استفاده بعدی می‌دهند.

کنترل‌کننده‌های پروفایل می‌توانند پروفیل‌های رمپ و خیس‌کردن مانند تغییرات دما در طول زمان، همراه با نگه‌داشتن و خیساندن/مدت چرخه را اجرا کنند، در حالی که بدون نظارت اپراتور.

کاربردهای معمولی برای کنترلرهای پروفیل شامل عملیات حرارتی، بازپخت، محفظه های محیطی و کوره های فرآیند پیچیده است.







CNTD Temperature Controller 2020.pdf