سیستم های کنترل دما: مطابقت پروفیل های PID با عملکرد گرمکن کارتریج
یک لوله گرمایش الکتریکی تک سر با توان بالا و قابل اعتماد دقیقاً وات مشخص شده را ارائه می دهد. تناسب درست است. مواد غلاف برای کاربرد مناسب است. با این حال، دمای فرآیند به شدت - تغییر میکند و 20 درجه بیش از حد تغییر میکند، سپس کاهش مییابد، سپس دوباره بیش از حد تغییر میکند. اپراتور دکمه دما را می چرخاند اما نمی تواند سیستم را تثبیت کند.
این مشکل از بخاری نیست. کنترل کننده است. یک بخاری کارتریجی فقط به اندازه سیستمی است که به آن می گوید چقدر نیرو باید ارائه دهد. خود المنت حرارتی هوشمند نیست. دقیقاً همان چیزی را که کنترلر می خواهد انجام می دهد. هنگامی که کنترل کننده تصمیمات ضعیفی می گیرد، بخاری - و همچنین کیفیت محصول آسیب می بیند.
کنترل روشن/خاموش در مقابل کنترل PID
یک ترموستات ساده از کنترل روشن/خاموش استفاده می کند. لوله گرمایش الکتریکی تک سر پرقدرت را با تمام توان روشن می کند تا دما به نقطه تنظیم برسد و سپس آن را به طور کامل خاموش می کند. دما کاهش می یابد. کنترلر دوباره روشن می شود. نتیجه یک الگوی دندانه اره از نوسانات دما است. طبق دادههای کنترل فرآیند، کنترل روشن/خاموش معمولاً تغییرات دما بین 10 تا 30 درجه سانتیگراد یا بیشتر در اطراف نقطه تنظیم ایجاد میکند.
یک کنترلکننده PID ({0}}انتگرال-مشتق متناسب) اساساً متفاوت است. به جای اینکه به سادگی روشن یا خاموش شود، یک کنترلر PID به طور مداوم خروجی برق را تنظیم می کند. بر اساس دمای فعلی، سرعت تغییر و خطای انباشته شده در طول زمان، بخاری کارتریج تک سر به چه مقدار نیرو نیاز دارد.
نتیجه کنترل دمای صاف و پایدار است. یک سیستم PID که به خوبی تنظیم شده و با یک بخاری کارتریجی با اندازه مناسب جفت شده باشد، می تواند دما را در محدوده 1± درجه سانتیگراد از نقطه تنظیم، حتی در شرایط بار متفاوت حفظ کند. برای کاربردهای با دقت بالا مانند تجهیزات اتصال نیمه هادی یا ابزارهای آزمایش پزشکی، این سطح از پایداری اجباری است.
چرا تنظیم PID برای طول عمر بخاری کارتریج اهمیت دارد؟
راه اندازی یک لوله گرمایش الکتریکی تک سر با قدرت بالا با کنترل کننده PID ضعیف در واقع می تواند عمر مفید را کوتاه کند. اگر بهره متناسب بیش از حد تهاجمی باشد، کنترل کننده پالس های قدرت زیادی را ارائه می دهد که باعث چرخش حرارتی سریع غلاف بخاری می شود. هر نوسان دمایی بزرگ اجزای داخلی را منبسط و منقبض می کند و به تدریج عایق MgO را شل می کند و سیم مقاومت را خسته می کند.
تنظیم محافظه کارانه عمر بخاری را افزایش می دهد. طبق دستورالعملهای سازنده، یک سیستم PID که به تدریج قدرت را اعمال میکند و از بیش از حد مجاز جلوگیری میکند، نسبت به سیستمی که به نقطه تنظیم سرعت میدهد، تنش حرارتی مکانیکی کمتری تولید میکند. افزودن 10 تا 20 درصد حاشیه برق در انتخاب بخاری به طور کلی برای کاربردهای حیاتی توصیه می شود. این تضمین می کند که بخاری ظرفیت کافی دارد بدون اینکه کنترل کننده نیازی به هدایت آن در حداکثر خروجی برای دوره های طولانی داشته باشد.
محل قرارگیری حسگر: متغیر ناگفته
سنسور دما - معمولاً یک ترموکوپل یا RTD - باید به درستی برای دستیابی به کنترل دقیق قرار گیرد. هدف این است که حسگر را تا حد امکان نزدیک به نقطه ای قرار دهیم که دمای فرآیند بیشترین اهمیت را دارد، در حالی که آن را از خود منبع گرمایش دور نگه می دارد.
یک اشتباه رایج این است که سنسور را خیلی نزدیک به بخاری کارتریج تک سر قرار می دهیم. سنسور دمای سطح فوری فلز را در نزدیکی بخاری که با هر چرخه برق در نوسان است، به جای دمای واقعی فرآیند در عمق ابزار، می خواند. نتیجه اصلاح بیش از حد و بی ثباتی است. برعکس، قرار دادن سنسور خیلی دور باعث ایجاد تاخیر می شود. کنترلر تنها پس از تأخیر به تغییرات دما واکنش نشان می دهد و باعث افزایش بیش از حد و افت می شود.
در بسیاری از کاربردهای دقیق، تعبیه یک ترموکوپل با قطر کوچک-مستقیماً در ابزار نزدیک محل بخاری بهترین عملکرد را ارائه میکند. سنسور به سرعت به تغییرات در ناحیه گرمایش پاسخ می دهد بدون اینکه تغییرات سطح موضعی بر آن تاثیر بگذارد.
ویژگی های کنترل پیشرفته برای برنامه های کاربردی
برای یک لوله گرمایش الکتریکی تک سر با قدرت بالا در یک سیستم -چند ناحیه ای - مانند یک بشکه اکسترودر با بخاری های جداگانه در طول آن - کنترل منطقه ای ضروری است. هر منطقه به حلقه PID خود نیاز دارد. مناطق باید تنظیم شوند تا از جنگ با یکدیگر جلوگیری کنند. به عنوان مثال، اگر منطقه دو بیش از حد افزایش یابد، منطقه سه ممکن است در پاسخ، برق را قطع کند و باعث ناپایداری در کل سیستم شود.
برخی از تولیدکنندگان کنترلکنندههای PID{0}}تنظیم خودکار را ارائه میکنند. این دستگاهها یک دنباله{2}}خود تشخیصی را اجرا میکنند که پاسخ حرارتی سیستم را اندازهگیری میکند و به طور خودکار پارامترهای PID بهینه را محاسبه میکند. تنظیم خودکار- مفید است اما کامل نیست. تغییرات قابل توجه در بار، مانند اندازه قالب یا ترکیب مواد مختلف، نیاز به تنظیم مجدد دارد.
برای کاربردهای بسیار سخت با الزامات چرخه حرارتی سریع - مانند قالبگیری تزریقی که در آن بخاری باید در عرض چند ثانیه پس از هر شلیک بازیابی شود - یک کنترلکننده PID با-سنسور پاسخ سریع و یک رله حالت جامد- برای سوئیچسازی برق، بهترین عملکرد را ارائه میدهد. یک SSR، بر خلاف کنتاکتورهای مکانیکی، می تواند هزاران بار بدون سایش روشن و خاموش شود. ترکیبی از پاسخ سریع سنسور، کنترل PID با وضوح بالا، و سوئیچینگ برق SSR به گرمکن کارتریج تک سر اجازه می دهد تا با پتانسیل کامل خود بدون آسیب دیدن توسط خود سیستم کنترل کار کند.
انواع فرآیندهای مختلف استراتژی های کنترل متفاوتی را می طلبند. یک کوره آزمایشگاهی که دمای آن را برای چند روز نگه می دارد، نیاز به کنترل بیش از حد پایین- پایدار و کم دارد. یک خط بسته بندی که صدها بار در ساعت دوچرخه سواری می کند نیاز به واکنش سریع با حداقل افت دما دارد. کنترل کننده باید هم با بخاری و هم با فرآیند مطابقت داشته باشد تا نتایج قابل اعتمادی ارائه دهد.
