Gebruik van temperatuurregelaars en micro-PLC’s om kleinschalige automatiseringsprojecten te versnellen

Warmte. Het is belangrijk voor veel industriële processen zoals verpakkingsmachines, plastic gietprocessen, soldeerreflowovens, halfgeleiderverwerking, enz. Elk proces heeft specifieke behoeften voor temperatuurniveaus en regelnauwkeurigheid.

Automatisering helpt bij het bereiken van maximale productiviteit en duurzaamheid in Industry 4.0-activiteiten. Kleine machines en warmteverwerking horen hier ook bij. Maar niet alle omstandigheden vragen om grote, allesomvattende oplossingen. Veel toepassingen kunnen verbeterde prestaties behalen met relatief eenvoudige speciale temperatuurregelaars en kleine programmeerbare logische regelaars (PLC’s).

Machineontwerpers kunnen kiezen uit een reeks opties voor eenvoudige automatiseringsprojecten, waaronder verwarmingsregelaars voor één- en driefasige stroomomgevingen, verwarmingsregelaars met een reeks geavanceerde regelalgoritmen en PLC’s die geoptimaliseerd zijn voor kleine tot middelgrote automatiseringsomgevingen. Sommige kleine machines werken relatief geïsoleerd, terwijl andere baat kunnen hebben bij aansluiting op het grotere geheel.

Dit artikel geeft een overzicht van voedingsregelaars en -opties voor verwarmingsregelaars, inclusief hardware- en softwareoverwegingen. Vervolgens wordt een blik geworpen op systeemintegratiekwesties met betrekking tot sensortechnologieën voor het meten van temperatuur en PLC’s die zijn geoptimaliseerd voor kleine tot middelgrote machines aan de hand van voorbeeldproducten van Omron.

Of het nu gaat om het uitharden van materialen zoals thermohardende harsen en lijmen of het produceren van voedingsmiddelen en dranken, industriële processen vereisen vaak temperatuurregeling om de efficiëntie te behouden en de kwaliteit te garanderen. Industriële verwarmers zijn noodzakelijk, maar temperatuurregelaars zijn de sleutel.

Er is meer dan één manier om de temperatuur van industriële verwarmers te regelen. De operationele prioriteiten van het systeem bepalen de gekozen aanpak. Een eenvoudige spanningsregeling kan worden gebruikt als de bedrijfskosten de belangrijkste overweging zijn en een minder nauwkeurige temperatuurregeling aanvaardbaar is.

Via de voedingsspanning kan het stroomverbruik van het verwarmingselement worden geregeld en kan de warmteafgifte variëren. Veranderingen in de spanning resulteren in overeenkomstige temperatuurveranderingen, maar met een vertraging die varieert afhankelijk van het systeemontwerp. Door het verlagen van de spanning worden de energiekosten verminderd en de temperatuur verlaagd. Toch kan de reactietijd voor temperatuurverlagingen voor veel processen te lang zijn en kan het moeilijk zijn om de temperatuur nauwkeurig te regelen.

Meer dan basisspanningsregeling

Voor veel toepassingen is basisspanningsregeling onvoldoende. In dat geval kunnen ontwerpers aan/uit-regeling, cyclusregeling, optimale cyclusregeling of faseregeling gebruiken (afbeelding 1). Al deze technieken hebben verschillende prestatiekenmerken:

• Faseregeling biedt de beste regelrespons met een goede oplossingsomvang en -kosten, plus acceptabele ruisprestaties voor de meeste toepassingen.
• Cyclusregeling biedt een goede regelrespons, oplossingsomvang en -kosten, en uitstekende ruisprestaties. Bij ‘optimale’ cyclusregeling wordt de schakeltoestand voor elke halve cyclus bepaald.
• Aan/uit-regeling met solid-state relais (SSR’s) biedt een goede regelrespons met de kleinste oplossing, redelijke kosten en uitstekende ruisprestaties.

Afbeelding 1: Voedingschakelopties voor industriële verwarmingsregeling. (Bron afbeelding: Omron)

Implementeren van faseregeling en optimale cyclusregeling

Omron biedt ontwerpers verschillende opties voor het implementeren van aan/uit-regeling, faseregeling of optimale cyclusregeling, zoals het model G3PW-A245EU-S, dat geschikt is voor bedrijfsspanningen van 100 V_AC tot 240 V_AC; andere modellen zijn verkrijgbaar voor een bedrijfsspanning van 400 V_AC tot 480 V_AC.

Deze regelaars zijn voorzien van doorbranddetectie van de verwarming voor een langere uptime van het systeem. Een RS-485-communicatiepoort wordt gebruikt om variabelen in te stellen en de belastingsstroom te controleren.

De G3PW-regelaars ondersteunen totale looptijdbewaking en zijn geschikt voor gebruik met belastingen met constante en variabele weerstand.

Meerkanaalsvoedingsregelaars

De G3ZA-serie voedingsregelaars met meerdere kanalen voegt een optimale driefasige cyclusregeling toe om driefasige verwarmers te ondersteunen. Gebruik van deze regelaars in combinatie met nuldoorgang-SSR’s biedt voedingsregeling met lage ruis. Eén regelaar kan tot 8 SSR’s aansturen. Daarnaast is er een softstartfunctie beschikbaar voor lampverwarmers (afbeelding 2).

Afbeelding 2: G3ZA meerkanaalsvoedingsregelaars ondersteunen driefasige optimale cyclusregeling. (Bron afbeelding: Omron)

Driefasige optimale cyclusregeling is toegevoegd voor driefasige verwarmers. Het model G3ZA-4H203-FLK-UTU is geschikt voor 100 V_AC tot 240 V_AC en is voorzien van RS-484-connectiviteit. Andere modellen zijn verkrijgbaar voor 400 V_AC tot 480 V_AC.

Temperatuurregelaars voor systeemintegratie

Temperatuurregelaars zoals de EJ1N-TC4A-QQ kunnen worden aangesloten op voedingsregelaars zoals de G3ZA-serie meerkanaalsregelaars. Ze hebben ingangen voor temperatuursensoren en aansluitingen voor de systeem-PLC. De ingangsunit kan thermokoppels, platina weerstandstemperatuurdetectors (RTD’s) en analoge ingangen verwerken.

De functionaliteit omvat auto-tuning (AT) wat kan helpen bij het implementeren van proportioneel-integraal-digitale (PID) regeling. Zelf-tuning kan worden gebruikt om de PID-constanten handmatig te bepalen met de stapresponsmethode. Er kunnen maximaal 16 temperatuurregelaars worden aangesloten via één DeviceNet-communicatiehub.

Software voor thermisch beheer

EJ1N-temperatuurregelaars kunnen profiteren van het gebruik van het EST2-2C-MV4 thermische ondersteuningssoftwarepakket. Met deze software kunnen parameters worden bewerkt en in batches vanaf een pc worden gedownload, wat de configuratie en inbedrijfstelling versnelt.

Het ondersteunt ook trendbewaking van maximaal 31 regelaars. Parameters die bewaakt kunnen worden zijn proceswaarden (PV’s), systeemwaarden (SV’s), gemanipuleerde waarden (MV’s), PID-parameters en de aan/uit-status van alarmen.

Ondersteunde logische bewerkingen zijn onder andere het instellen van ingangen afkomstig van externe ingangen (gebeurtenisingangen) of temperatuurstatus, het verzenden van waarden naar externe besturings- of hulpuitgangen en het wijzigen van de bedrijfstoestand met aan/uit-vertragingen.

Verbeterde PID

PID-regeling kan zeer nuttig zijn voor temperatuurregelingstoepassingen. Voedingsregelaars zoals de G3ZA-serie meerkanaalsregelaars met snel schakelende SSR’s kunnen samen met temperatuurregelaars met PID-algoritmes de fijnkorrelige regeling bieden die nodig is om de vereiste temperatuurtoleranties te handhaven.

Basis-PID-regeling is een afweging tussen het snel bereiken van de SV met een meetbare hoeveelheid overschrijding en het minimaliseren van de overschrijding maar met een langzamere aanloop naar de SV. Bovendien is er een wisselwerking tussen het bereiken van de SV en het reageren op verstoringen in de werkelijke PV zoals gemeten door een sensor. Een betere respons op PV-veranderingen wordt vaak geassocieerd met slechte SV-aanloopprestaties.

Om deze prestatieverschillen aan te pakken, heeft Omron een verbeterd PID-algoritme ontwikkeld, 2-PID genoemd, oftewel PID met twee vrijheidsgraden. De PID-voorinstellingen in de fabriek zijn geschikt voor de meeste verwarmingstoepassingen en ondersteunen een respons met minimale overschrijding. Met 2-PID kunnen ontwerpers echter de responssnelheid instellen op veranderingen in de SV waarbij de regelaar het PID-algoritme automatisch afstemt om een optimale reactie op verstoringen in de PV te bieden (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De 2-PID-temperatuurregeling van Omron (onderste grafiek) combineert een goede storingsrespons (rechts) met een goede staprespons (links). (Bron afbeelding: Omron)

De E5CC-temperatuurregelaars van Omron, zoals de E5CC-QX3A5M-003, bevatten een 2-PID-regeling. Deze regelaars kunnen ook een basis aan/uit-regeling implementeren voor minder veeleisende toepassingen.

Het grote witte PV-scherm toont de PV en het kleinere groene SV-scherm toont de gewenste waarde (afbeelding 4). De optionele CX-Thermo-beheersoftware ondersteunt snelle programmering. Voor eenvoudige toepassingen kunnen deze regelaars timerfuncties en logische basisbewerkingen implementeren met tussenkomst van een PLC.

Afbeelding 4: E5CC-temperatuurregelaars geven PV- en SV-waarden duidelijk weer. (Bron afbeelding: DigiKey)

De RS-485-interface ondersteunt Modbus-communicatie of de bedrijfseigen CompoWay/F van Omron. Deze regelaars accepteren verschillende ingangen, waaronder:

• 12 soorten thermokoppels
• PT100 of JPt100 RTD’s
• Stroomingangen van 4 tot 20 mA of 0 tot 20 mA
• Spanningsingangen van 1 tot 5 V, 0 tot 5 V of 0 tot 10 V

Adaptieve PID voor storingsonderdrukking

De NX-TC adaptieve temperatuurregelaars brengen PID-regeling naar een hoger niveau en kunnen zich aanpassen aan real-time bedrijfsomstandigheden. Adaptieve regeling maakt zelfoptimalisatie van regelinstellingen mogelijk als gevolg van procesveranderingen. Bovendien hebben deze regelaars ingebouwde functies voor het sealen van verpakkingen en watergekoelde kunststofextruders. Voor eenvoudige toepassingen kan een basis aan/uit-regeling worden geïmplementeerd.

De storingsonderdrukkingsfunctie (disturbance suppression function, DSF) werkt samen met de PID-regeling om temperatuurdalingen te onderdrukken die worden veroorzaakt door routinematige en verwachte storingen in toepassingen zoals:

• Depositieapparatuur waarbij de kamertemperatuur daalt wanneer gas wordt geïnjecteerd of materiaal wordt toegevoegd of verwijderd via een open deur.
• ‘Wafer probers’ wanneer stroom wordt toegepast op de wafer, wat resulteert in een temperatuurstijging.
• Afgietsystemen waarbij de matrijstemperatuur daalt wanneer de hars wordt geïnjecteerd.

DSF onderdrukt automatisch positieve en negatieve temperatuurschommelingen veroorzaakt door voorspelbare gebeurtenissen. DSF wordt gestart door triggersignalen voorafgaand aan de verstoring en wordt aan de MV toegevoegd of ervan afgetrokken. Deze auto-tuning past de feed forward (FF) MV, FF-werkingstijd en FF-wachttijd aan en kan de tijd voor het bereiken van temperatuurstabilisatie met wel 80 procent verkorten (afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een verbeterde PID-regeling met DSF kan de wachttijd voor temperatuurstabilisatie met wel 80 procent verkorten. (Bron afbeelding: Omron)

NX-TC-units, zoals de 2-kanaals NX-TC2405, zijn ontworpen voor het aansturen van SSR’s en zijn geoptimaliseerd voor schaalbaarheid. Ontwerpers kunnen de Sysmac-studio van Omron gebruiken om het regelen van meerdere verwarmingscircuits of -locaties bij het implementeren van meertrapsverwarmings-/koelingsprocessen te programmeren.

Naast DSF-PID ondersteunen deze regelaars aan/uit-regeling en bevatten ze een functie voor foutdetectie bij het doorbranden van de verwarming. Ze zijn voorzien van EtherNet/IP en EtherCAT voor netwerkconnectiviteit en zijn geschikt voor diverse thermokoppel- of RTD-sensoringangen.

Je kunt niet optimaliseren wat je niet meet

Ontwerpen voor voedingsschakeling, temperatuurregelaars en thermomanagementsoftware kunnen geen optimale prestaties leveren in een vacuüm van informatie. Temperatuursensoren leveren de operationele gegevens waarmee regelaars en software hun werk kunnen doen. Er is een breed scala aan temperatuursensortechnologieën beschikbaar voor ontwerpers, waaronder:

• Thermistors: deze functioneren als temperatuurgevoelige weerstanden. Ze hebben meestal een herhaalbaarheid en stabiliteit van ongeveer ± 0,1 °C. Model E52-THE5A-0/100C heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -50 °C tot 300 °C.
• Temperatuursensor van het type K: dit is een thermokoppel met geleiders van chromel en alumel. Ze kunnen worden geconfigureerd als dompelsensoren, oppervlaktesensoren of andere stijlen. Model E52-CA1GTY 2M heeft een bedrijfstemperatuurbereik van 0 °C tot 300 °C.
• RTD-sensoren: deze zijn zeer nauwkeurig en hun ongevoeligheid voor elektrische ruis maakt ze geschikt voor zware industriële omgevingen. De E52-P6DY 1M platina pt100 RTD-sensor is geschikt voor temperaturen van -50 °C tot 250 °C.
• Contactloze infrarood (IR)-sensoren: sensoren zoals de ES1-LW100-N kunnen de temperatuur meten van een doelgebied met een diameter van 35 mm op een afstand van 1000 mm. Ze zijn geschikt voor temperaturen tot 1000 °C.

Alles samengevat in een systeem

Ontwerpers van kleine tot middelgrote machines met maximaal 320 I/O’s kunnen kiezen voor PLC’s uit de CPE2-serie van Omron. De communicatiemogelijkheden van deze kleine PLC’s ondersteunen gegevensoverdracht van machine naar machine (M2M) en integratie in het Industrial Internet of Things (IIoT).

Dankzij een bedrijfstemperatuurbereik van -20 °C tot +60 °C zijn CPE2-PLC’s geschikt voor diverse industriële toepassingen, zoals verpakkings- en sluitmachines, vul- en sluitmachines, gereedschappen voor metaal- of kunststofbewerking, kunststof spuitgietmachines en assemblage van kleine onderdelen. Model CP2E-N30DR-D heeft 18 ingangen en 12 uitgangen en werkt op een voeding van 100 tot 240 V_AC of 24 V_DC. Deze kan worden gekoppeld aan het NB7W-TW01B HMI-kleurentouchscreen van 18 cm voor een complete systeemoplossing (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Omron CP2E-N30DR-D-regelaar en NB7W-TW01B HMI-kleurentouchscreen van 18 cm. (Bron afbeelding: Omron)

Conclusie

Warmtebeheer is een essentieel aspect van veel industriële processen. Hiervoor moeten voedingsregelaars en verwarmingsregelaars met geoptimaliseerde algoritmen worden geselecteerd en geïntegreerd. Temperatuursensoren zijn een ander belangrijk onderdeel van de warmtebeheeroplossing. Nu kunnen ontwerpers zich wenden tot kleine PLC’s om M2M-communicatie en integratie in het IIoT te ondersteunen.