Điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số pid

1. Giới thiệu

Tác động tỷ lệ: Thành phần điều chỉnh đầu ra theo sai số độ lớn thực tế. Đầu ra được điều chỉnh dựa trên độ lớn của một lỗi. Một lỗi nhỏ sẽ dẫn đến một sự điều chỉnh nhỏ hơn nhiều. Điều khiển tỷ lệ làm giảm sai số nhanh chóng, nhưng để lại sau một sai số dư (bù).

Hành động tích phân (I) : Hành động tính đến lỗi tích lũy theo thời gian. Đầu ra được thúc đẩy liên tục để loại bỏ sai số còn lại khỏi tác dụng tỷ lệ. Thành phần này ghi nhớ các lỗi quá khứ và thực hiện các điều chỉnh cho đầu ra để đạt được điểm đặt, tuy nhiên chậm.

Tác dụng dẫn xuất (D) : Phần phản ứng trên tỷ lệ thay đổi trong lỗi. Hành động vi phân áp dụng một lực thích hợp cho hệ nếu nhiệt độ thay đổi nhanh chóng. Nó giúp ổn định hệ thống và giảm phóng xạ, (khi nhiệt độ vượt quá điểm đặt) cũng như cải thiện thời gian đáp ứng.

Sự kết hợp của ba tham số điều chỉnh (Kp, Kd, và Ki - đây là các tác vụ) sẽ xác định bộ điều khiển thực hiện tốt như thế nào trong một ứng dụng cụ thể. Các bộ điều khiển PID hiện đại cung cấp một giao diện tinh vi để theo dõi và thiết lập các thông số. Nguyên tắc này phải được hiểu để kết nối và điều chỉnh thành công. Những tài nguyên như kỹ thuật điều khiển PID đã được giới thiệu sẽ giúp bạn hiểu thêm về nguyên lý này.

2. Đặt nền tảng cho mối quan hệ của anh

Lập kế hoạch là chìa khóa cho kết nối thành công. Giai đoạn này không nên vội vã vì nó có thể dẫn đến kết nối và cấu hình không chính xác, hư hỏng thiết bị hoặc mối quan tâm an toàn.

Xác định hệ thống của bạn làm rõ quá trình hoặc hệ thống mà nhiệt độ đòi hỏi sự kiểm soát chính xác. Nhiệt độ bình thường bao nhiêu? Cần có sự chính xác nào? Cần bao nhiêu nhiệt lượng và mất bao lâu để hệ thống phản ứng? Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển và thiết bị truyền động được xác định bởi thông tin này.

Chọn bộ điều khiển bên phải: Bộ điều khiển PID không có tất cả các tính năng giống nhau. Xem xét các yếu tố như:

Thuật toán điều khiển: Bộ điều khiển này có thuật toán PID chuẩn hay thuật toán tiên tiến không? (Ví dụ: Smith Predictor và Filter Options) hoặc cung cấp bảo vệ chống reset chống lại Windups.

Các loại đầu vào: Đảm bảo rằng bộ điều khiển có khả năng chấp nhận các tín hiệu cảm biến mà bạn dự định sử dụng.

Bạn sẽ chọn loại đầu ra nào? Có nhiều tùy chọn, bao gồm các rơle trạng thái rắn cho quạt hoặc máy sưởi, đầu ra tiếp sức kiểm soát solenoids hoặc contactor, điều chế độ rộng xung (PWM), đầu ra được sử dụng để điều khiển trực tiếp tốc độ quạt, và điện áp tương tự/dòng để giao tiếp với các bộ điều khiển khác.

Truyền thông: Có phải ứng dụng yêu cầu giao tiếp để theo dõi, ghi nhật ký, hoặc tích hợp với một hệ thống lớn hơn (ví dụ: Modbus RTU/TCP/Profibus, Ethernet/IP, vv)?

Giao diện và màn hình: Bạn cần mức độ giao diện nào? Còn gì tốt hơn, một màn hình LCD đơn giản hoặc một MÀN hình HMI tiên tiến?

Hiệu chuẩn là một sự cân nhắc: Hiệu chuẩn ban đầu có thể được yêu cầu tùy thuộc vào các yêu cầu của ứng dụng và trạng thái mà tại đó cảm biến/bộ điều khiển được cài đặt ban đầu. Điều này đảm bảo rằng các kết quả đo là chính xác và hệ thống điều khiển hoạt động chính xác.

Nối khoảng cách đo: kết nối cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là " noSE" Của bộ điều khiển - họ đo nhiệt độ. Các cặp nhiệt điện, như Type K, E hoặc J, và các cảm biến nhiệt độ kháng (RTDs, Pt100, Pt1000) là các cảm biến công nghiệp phổ biến.

Xác định các thiết bị đầu vào của cảm biến: xác định các thiết bị đầu vào được chỉ định trên bảng điều khiển PID, thường được đánh dấu ", THERM", TC", và " RTD".

Xác định loại cảm biến: nhớ xác định loại cảm biến mà YOU' re sử dụng. Loại cảm biến này phải được khớp với bộ điều khiển.

Sơ đồ dây là dưới đây: tham khảo hướng dẫn sử dụng bộ điều khiển PID cho sơ đồ dây. Sơ đồ sẽ cho bạn biết làm thế nào để kết nối các cặp RTDs và nhiệt điện (ví dụ: ba hoặc bốn dây cho RTDs và cặp nhiệt điện chuẩn) và cần phải có tính phân cực nào.

Thermocouple Ex: Thường được kết nối với các đầu nối cụ thể, ví dụ BNC, DB9 hoặc các đầu cuối vít. Sơ đồ này cho thấy các dây kết nối với mỗi đầu cuối, và liệu bồi thường đường dây lạnh đã được xây dựng vào bộ điều khiển hoặc nếu một cảm biến bên ngoài là cần thiết.

Ví dụ của RTD: có thể yêu cầu lên đến bốn dây, tùy thuộc vào yếu tố cảm biến được sử dụng và it& như thế nào#39; s phấn khởi. Sơ đồ dây sẽ làm chi tiết các kết nối thích hợp cho các phép đo điện trở chính xác.

Nếu các block có sẵn, hãy sử dụng chúng. Tránh kết nối đinh vít trực tiếp để có độ tin cậy cao hơn.

Kiểm tra chuẩn hóa (tùy chọn, nhưng được khuyến nghị) : Thực hiện kiểm tra cơ bản sau khi kết nối nếu bạn có thể truy cập đến nguồn nhiệt độ đã biết và có một nhiệt kế được hiệu chuẩn. Xác minh nhiệt độ hiển thị bởi bộ điều khiển chống lại hiệu chuẩn. Với khả năng chuẩn của bộ điều khiển, bạn có thể điều chỉnh nhỏ.

Thực hiện lệnh điều khiển: kết nối đến phần tử điều khiển cuối cùng (Actuator).

Đó là " cơ bắp và quot; Của toàn bộ hệ thống. Bộ thu PID điều chỉnh nhiệt độ quá trình dựa trên các tín hiệu nhận được từ PID.

Xác định thiết bị chấp hành nào sẽ điều chỉnh nhiệt độ.

Xác định vị trí đầu ra tìm các đầu ra của điều khiển PID, thường được đánh dấu " &"; AO"; or " DA" (Digital/Relay-Output) (bằng tiếng Anh).

Chọn kiểu đầu ra để phù hợp với một thiết bị chấp hành: Đảm bảo đầu ra của bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu đầu vào cho thiết bị chấp hành.

Đầu ra tương tự (AO/DA). Đầu ra kỹ thuật số/Relay (DA) : được sử dụng để chuyển đổi năng lượng cho các thiết bị như contactor và relays, sau đó kiểm soát tải lớn. Cần chú ý đến các xếp hạng điện áp (ví dụ: 5V logic hoặc 24V relay coil), và cấu hình dây (thường mở (NO) hoặc đóng (NC). Điều quan trọng là thiết lập đầu ra của bộ điều khiển một cách chính xác (ví dụ độ dài xung và chu kỳ làm việc).

Kết nối một bộ chấp hành kết nối bộ chấp hành của bạn theo dữ liệu của nó. Nếu bạn đang sử dụng đầu ra relay để chuyển đổi thiết bị, hãy chắc chắn rằng thiết bị được nối dây đúng giữa các thiết bị NO/COM (hoặc NC/COM tùy thuộc vào ứng dụng) của đầu ra và nguồn điện. Kết nối dây đầu vào của thiết bị chấp hành analog vào controller' S Báo hiệu.

Thiết lập phạm vi/quy mô đầu ra: Mở menu cấu hình của bộ điều khiển của bạn (thường thông qua các nút, màn hình LCD hoặc phần mềm giao diện PC-). Dẫn tới kết quả và điều chỉnh các thông số cho phù hợp với bộ chấp hành. Đặt phạm vi đầu ra (ví dụ từ 0-100% đến 0-10V).

Kết nối năng lượng với bộ điều khiển: hệ thống nạp năng lượng

3. Cần phải cung cấp năng lượng ổn định để PID hoạt động. Sự căng thẳng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng.

Xác định vị trí đầu cuối nguồn điện. Tìm các thiết bị đầu cuối " AC IN" hoặc các thiết bị đầu cuối tương tự nằm ở mặt sau hoặc phía bên của bộ điều khiển.

Tắt công suất chính tại nguồn fuse/breaker.

Kết nối các đầu cuối của bộ điều khiển với nguồn điện (trực tiếp, trung lập và mặt đất). Sơ đồ kết nối nằm trong sổ tay người dùng.

Kết nối nguồn điện, thường là cáp hợp nhất từ nguồn chính AC.

An toàn và công nghệ; Phân cực: Kiểm tra mọi kết nối. Trước khi chạm vào dây điện, hãy đảm bảo rằng điện bị tắt. Kiểm tra pha của điện AC (L1 / L2 / N/G). Bộ điều khiển có thể bị hư hỏng do phân cực không chính xác khi sử dụng năng lượng DC.

Các thuật toán điều chỉnh PID

4. Controller' s thông minh sống sót trong cấu hình. Điều này đòi hỏi phải có sự chú ý.

Truy cập chế độ cấu hình: Nhập chế độ lập trình bằng cách sử dụng keyPad hoặc các nút trên bộ điều khiển của bạn, hoặc bằng cách sử dụng phần mềm giao diện PC-. Điều này có thể được chỉ ra bằng các mẫu LED cụ thể, hoặc bởi một sự thay đổi trong chế độ hiển thị.

Điểm đặt (SP). Sử dụng bàn phím trên bộ điều khiển để đi vào nhiệt độ mục tiêu.

Set Input Type (Sensor Type) : Chọn kiểu đầu vào thích hợp từ cài đặt của bộ điều khiển (ví dụ: TC Type Pt100, RTD Type K). Bộ điều khiển sau đó sẽ giải thích tín hiệu từ cảm biến một cách chính xác. Một số bộ điều khiển cung cấp bồi thường kết nối lạnh khi một cảm biến bên ngoài đã được sử dụng.

Chọn ra phạm vi/loại đầu ra: Chọn phạm vi/loại đầu ra của bộ điều khiển (ví dụ: Điện áp, Relay, PWM). Thiết lập phạm vi đầu ra để phù hợp chính xác với các yêu cầu thiết bị chấp hành của bạn (ví dụ: 0-100%, 0-10V, 4-20mA). Các ứng dụng tín hiệu điều khiển chính xác phụ thuộc vào quy mô.

Thiết lập các thông số PID ban đầu (điều chỉnh). Phần này thường là phức tạp nhất. Thông số ban đầu thường được điều chỉnh (" Tuned"). Autotune hoặc " Auto Tune", một tính năng của nhiều bộ điều khiển, thực hiện một kiểm tra tự động, bao gồm một sự thay đổi trong điểm đặt (thường với một bước nhỏ) để quan sát cách nó phản ứng. Rồi nó tính P, I và D giá trị. Tham khảo các tài nguyên điều chỉnh PID thủ công (như phương pháp Ziegler Nichols) nếu bạn thích hoặc cần nó. điều chỉnh theo độ tăng dần, bắt đầu với các giá trị bảo thủ. Giám sát phản ứng của quá trình (overshoot tối thiểu và ổn định nhanh) trong khi điều chỉnh. Điều quan trọng là phải điều chỉnh hệ thống điều khiển để đạt được một hoạt động ổn định, đáp ứng và dao động tự do. Ghi chú ứng dụng Honeywell cung cấp nhiều chiến lược điều chỉnh thực tế.

Bộ lọc đầu ra và làm giảm độ ẩm: Một số bộ điều khiển có một bộ lọc ra thiết lập làm mịn tín hiệu tiếng ồn đến từ cảm biến, ngăn ngừa các hành động thất thường. Một số bộ điều khiển có chức năng làm giảm nhiệt độ săn bắn hoặc bắn quá mức (dao động nhỏ gần điểm đặt).

Truyền động không Bumpless: Cấu hình truyền động không Bumpless nếu bộ điều khiển có khả năng. Điều này cho phép bạn thay đổi các thông số hoặc điểm đặt mà không cần tăng tín hiệu đột ngột. Nó có thể gây quá tải, hoặc thậm chí làm hỏng hệ thống của bạn.

Save and Exit: Một khi thiết lập đã được cấu hình, hãy chắc chắn rằng chúng được lưu trong bộ nhớ của bộ điều khiển (kiểm tra hướng dẫn của bạn để tìm ra lệnh lưu chính xác). Loại bỏ chế độ cấu hình.

Xác minh và kiểm tra: xác nhận hiệu suất

5. Điều quan trọng là kiểm tra kỹ lưỡng sau khi cấu hình và kết nối vật lý để đảm bảo hiệu suất chính xác và xác minh hoạt động.

Kiểm tra bằng mắt: kiểm tra tất cả các dây dẫn để cách điện, tính chính xác và bảo mật.

Thay thế cầu chì hoặc phá tại nguồn điện.

Màn hình phản hồi ban đầu: Hãy nhìn vào màn hình của bộ điều khiển. Liệu nó có cho thấy nhiệt độ phù hợp? Các thiết bị chấp hành có phản ứng lại không? (ví dụ: thiết bị chuyển mạch lò sưởi kết nối hoặc quạt bắt đầu chạy) Kiểm tra màn hình xem lỗi.

Kiểm tra cảm biến đọc: Sử dụng một máy đo nhiệt độ độc lập, hiệu chuẩn, hoặc ghi dữ liệu di động (như các thiết bị của Pico Technology, hoặc National Instruments), để xác minh rằng nhiệt độ được hiển thị là như nhau. Kiểm tra bộ cảm biến hiệu chuẩn nếu cần thiết.

Điều khiển vòng kín: sửa đổi điểm đặt (SP). Quan sát phản ứng của hệ thống. Hệ thống có thể đạt đến điểm đặt một cách chính xác không? Nó có chính xác không? Có sự dao động quá mức hoặc overshoots xung quanh điểm đặt không? Hãy theo dõi tốc độ tiếp cận và sự ổn định.

Điều chỉnh cuối cùng: nếu cần thiết, quay lại các thông số PID dưới ánh sáng của hiệu suất ban đầu. Để có hiệu suất tối ưu, có thể yêu cầu điều chỉnh nhỏ. Điều này đặc biệt đúng đối với hành động không thể thiếu để giảm các lỗi trạng thái ổn định và hành động phái sinh để tăng sự ổn định.

Dữ liệu ghi nhật ký (Tùy chọn). Nếu bộ điều khiển của bạn có khả năng ghi dữ liệu, bạn có thể cho phép bộ ghi dữ liệu để ghi dữ liệu nhiệt độ và dữ liệu điều khiển đầu ra. Nó có thể rất có giá trị trong việc phân tích hiệu suất của hệ thống của bạn và để giải quyết các sự cố.

Những vấn đề thường gặp và gây rắc rối: làm thế nào để giải quyết chúng

6. Dù hoạch định cẩn thận, các vấn đề vẫn có thể nảy sinh. Dưới đây là một số triệu chứng có thể xảy ra và nguyên nhân tiềm ẩn của chúng.

Nhiệt độ không thay đổi/điều khiển đầu ra không hoạt động:

Xác minh rằng điểm đặt đã được thiết lập đúng cách và nằm trong phạm vi của quy trình.

Kiểm tra cấu hình đầu ra có tương thích với các yêu cầu thiết bị chấp hành không.

Kiểm tra năng lượng điện (bật đèn, chạy động cơ).

Kiểm tra dây điện từ đầu ra của bộ điều khiển đến bộ truyền động.

Nếu màn hình trên bộ điều khiển không hiển thị giá trị mong muốn, hãy kiểm tra đầu ra.

Dao động săn bắn:

Nguyên nhân: Tham số PID quá tích cực (thời gian tích phân quá thấp Ti hoặc quá cao hằng số thời gian dẫn xuất Td).

Giải pháp: giảm Kp hoặc Ti. Hãy tham khảo phần điều chỉnh.

Tìm kiếm bất kỳ vấn đề bên ngoài nào (ví dụ các dự thảo ảnh hưởng đến một hệ thống nhỏ hơn).

Nếu hệ thống dường như không ổn định cơ học, chẳng hạn như bởi các thành phần lỏng lẻo (ví dụ), nó nên được kiểm tra.

Sau đây là các ví dụ về đáp ứng chậm/lỗi trạng thái ổn định lớn (offset)

Gây ra hành động tích phân không đủ (Ki) và/hoặc tăng tỷ lệ bảo thủ quá mức (Kp). Các thiết lập bộ lọc có thể được thiết lập quá mạnh mẽ.

Giải pháp giảm hành động tích phân (giảm Ti), hoặc tăng độ lợi tỷ lệ (tăng Kp). Đảm bảo thời gian tích phân tương ứng với thời gian đáp ứng của hệ thống.

Sai cảm biến đọc/điều khiển hiển thị Drifts:

Nguyên nhân: Dây dẫn kém (kết nối bị hỏng hoặc bị hỏng, giao thoa), sự lệch của cảm biến, kết nối lạnh bù đắp không chính xác, cảm biến hỏng.

Độ phân giải: Kiểm tra cấu hình cảm biến. Xác minh các kết nối và hệ thống dây điện từ cảm biến. Điều khiển hoặc sensor' s cold Junction có thể được xem xét. Chẩn đoán bài toán bằng một nhiệt kế đã chỉnh.

Bộ chấp hành không trả lời đúng.

Nguyên nhân: Dây truyền động không đúng cách, hỏng thiết bị truyền động, tín hiệu đầu ra không tương thích từ bộ điều khiển, rơle khiếm khuyết hoặc XÔ viết.

Giải pháp: tham khảo datasheet của actuator. Kiểm tra xem dây có phù hợp với đặc điểm kĩ thuật của nó không. Kiểm tra xem đầu ra của bộ điều khiển có khớp với yêu cầu đầu vào đối với bộ truyền động không. Nếu có thể, hãy tự mình kiểm tra bộ truyền động.

Hãy tra cứu hướng dẫn của bộ điều khiển PID trước khi bắt đầu gây sự. Các diễn đàn như Control.com và Instrumentation.com cũng là những nguồn tài nguyên tuyệt vời để chia sẻ trải nghiệm.