Điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số PID với đầu vào PT100 cho các ứng dụng hiện đại

I. I. Giới thiệu: Điều khiển chính xác và mệnh lệnh của nó

Điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số được tìm hiểu trong bài viết này, với tiêu điểm tập trung vào việc tích hợp các cảm biến PT100. Bài viết này sẽ giải thích các bộ điều khiển làm gì, làm việc như thế nào, các lợi ích và đặc điểm chính, các ứng dụng chung và các cân nhắc khi chọn và sử dụng chúng. Bất cứ ai tham gia vào sản xuất công nghiệp, kiểm soát quy trình hoặc tự động hóa phòng thí nghiệm sẽ cần phải hiểu công nghệ này.

II. Các thành phần cốt lõi của bộ điều khiển PID kỹ thuật số và cảm biến PT100

Độ chính xác cao cảm biến PT100 thường có thể đạt được độ chính xác trong + -0.1degC, hoặc thậm chí ít hơn. Điều này làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

Khả năng tái tạo: Các thiết bị này cung cấp kết quả nhất quán trong điều kiện lặp đi lặp lại.

Cấu hình dây là một yếu tố chính trong việc xác định độ chính xác của cảm biến PT100. 3 dây hoặc 4 dây thường được sử dụng để bù điện trở dây dẫn, có thể dẫn đến lỗi. Cấu hình 4-wire là chính xác nhất vì nó bù đắp điện trở trong các dây kết nối.

Bộ điều khiển số: động cơ thông minh

Một bộ điều khiển PID kỹ thuật số khác với bộ điều khiển nhiệt độ analog đơn giản vì nó sử dụng bộ xử lý trung tâm (MCU). Bộ não số chịu trách nhiệm cho một số chức năng quan trọng.

Điều hòa tín hiệu: Phần mềm này khuếch đại một sự thay đổi nhỏ về điện trở từ các cảm biến PT100 và sử dụng các biến đổi toán học để đọc chính xác. Thường cần phải sử dụng các thuật toán phức tạp để giải phương trình Callendar Van Dusen hoặc tìm bảng.

Chuyển đổi từ Analog sang kỹ thuật số (A/D). Điều này chuyển tín hiệu analog thành một con số có thể được xử lý bởi bộ điều khiển.

Thực hiện thuật toán PID: Controller' s Trái tim. Quản lý giao diện người dùng: Điều này quản lý các thông số và cấu hình, thông dịch bàn phím hoặc đầu vào nút, hiển thị thông tin trên màn hình LED hoặc LCD và cửa hàng lưu trữ dữ liệu.

Đầu ra của mô-đun: mô-đun ra tín hiệu điều khiển được tính vào một hành động. Các mô-đun đầu ra bao gồm rái quang trạng thái rắn để chuyển đổi công suất trên các yếu tố làm nóng. Đầu ra bóng bán dẫn lưỡng cực được sử dụng cho các tín hiệu điều khiển tương tự, chẳng hạn như 0-10V và 4-20mA. Sản phẩm đầu ra này module' s chất lượng và khả năng đáp ứng là rất quan trọng để kiểm soát.

III. Quá trình điều khiển: PID làm việc như thế nào với PT100

Nó là thuật toán điều khiển cho bộ điều khiển PID kỹ thuật số sức mạnh thực sự của nó. Bộ điều khiển liên tục đo nhiệt độ của quá trình, so sánh nó với điểm đặt, sau đó điều chỉnh đầu ra của nó để giảm lỗi. Quá trình này diễn ra tự động và nhiều lần trong một phút.

Chu trình đo: sử dụng mạch đầu vào của nó, bộ điều khiển đo điện trở của PT100. Mạch chuẩn bị tín hiệu để được chuyển đổi thành tín hiệu A/D bằng cách thực hiện điều hòa tín hiệu và khuếch đại cần thiết.

Tính toán nhiệt độ: Quá trình số chuyển đổi tín hiệu PT100 được điều hòa thành nhiệt độ bằng cách sử dụng một mô hình toán học thích hợp.

Tính toán lỗi: Một phép tính nhiệt độ được thực hiện và so sánh với điểm đặt được xác định bởi người sử dụng. Sự khác biệt này được gọi là " error Signal".

Thuật toán PID: Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu sai số để tính toán ba thành phần.

Hành động (P) tỷ lệ: thành phần đáp ứng với sai số hiện tại ngay lập tức. Output_P tỷ lệ thuận với độ lớn của sai số. Độ lợi tỷ lệ càng cao, (Kp), càng mạnh là hành động khắc phục. Tuy nhiên, nếu nó ' s quá cao, điều này có thể gây bất ổn.

Tích phân Hành động (I) : Thành phần phản ứng với lỗi tích lũy. Mục tiêu là loại bỏ lỗi còn lại trạng thái ổn định, thường có thể được tìm thấy chỉ với P-action. Output_I bằng tổng các lỗi trong quá khứ, nhân với một hệ số nhất định. (Output_I là Ki * Errordt nơi Ki thu được tích hợp). Hành động tích phân là rất quan trọng cho độ chính xác trong dài hạn, nhưng có thể dẫn đến một lượng lỗi quá mức nếu it' s không chỉnh đúng.

Đạo hàm hành động: Thành phần dự báo lỗi tương lai bằng cách sử dụng tỷ lệ thay đổi cho lỗi hiện tại. Phanh được áp dụng để giảm sự phóng đại và cải thiện sự ổn định khi nhiệt độ thay đổi đột ngột. Đầu ra phụ thuộc vào sự thay đổi tỷ lệ lỗi (Output_D = Kd * de/DT nơi Kd đại diện cho lợi nhuận phái sinh). Hành động đạo hàm rất nhạy với nhiễu.

Tác động điều khiển đầu ra: Bởi mô-đun đầu ra, một tín hiệu số được tính toán được chuyển thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu chuyển đổi. Mô-đun đầu ra kiểm soát phần tử điều khiển được sử dụng để hoàn thành quá trình (ví dụ, XÔ viết kiểm soát một lò nung ' s nguồn cung cấp hoặc chuyển tiếp gắn vào một dây sưởi). Tín hiệu đầu ra này xác định lượng công suất được gửi đến phần tử lò sưởi. Nhiệt độ có thể được kiểm soát một cách chính xác bằng cách điều chỉnh cường độ.

Các lợi ích và các tính năng của điều khiển PID kỹ thuật số với đầu vào PT100

Bộ điều khiển PID kỹ thuật số với đầu ra PT100 cung cấp một số tính năng phù hợp với yêu cầu ứng dụng.

Độ ổn định và chính xác lạ thường: bằng cách tận dụng độ chính xác và ổn định của cảm biến PT100 và xử lý kỹ thuật số tiên tiến, các bộ điều khiển có thể duy trì nhiệt độ trong độ chịu đựng chặt chẽ, ví dụ: + -0.1degC, hoặc + -0.5degC, vượt xa khả năng của bộ điều khiển tiêu chuẩn. Sự ổn định của bộ điều khiển là rất quan trọng đối với các quá trình nhạy cảm.

Khả năng điều khiển tiên tiến các bộ điều khiển này thường không chỉ là bộ điều khiển nhiệt cơ bản.

Tự điều chỉnh nhiều mô hình có các thuật toán xây dựng sẵn tự động tính toán các thông số PID tối ưu (Kp Ti Td) bằng cách phân tích phản ứng của quá trình. Nó giúp tiết kiệm thời gian và cải thiện tính ổn định.

Lập trình và nhiều điểm đặt: khả năng lập trình cấu hình nhiệt độ, chẳng hạn như dốc, giữ hoặc cao nguyên. Điều này là cần thiết khi xử lý các quy trình phức tạp, như đạp xe nhiệt, lịch làm bánh, v.v.

Báo thức mạnh mẽ: nhiều loại báo thức (giới hạn giới hạn dưới, giới hạn giới hạn trên, khởi hành) và hành động có thể cấu hình để cảnh báo người vận hành về độ lệch quy trình tiềm năng hoặc thực tế (ví dụ: chỉ thị ánh sáng, báo động âm thanh có thể nghe được). Việc sử dụng hệ thống báo động âm thanh đặc biệt hữu ích để thu hút sự chú ý, ngay cả khi nhà điều hành không giám sát màn hình.

Giao thức truyền thông: Một số mô hình có giao diện truyền thông như Modbus RTU/TCP hoặc RS-485. Điều này cho phép tích hợp với các hệ thống điều khiển lớn hơn, (SCADA và PLC), và cho phép giám sát từ xa thông qua phần mềm.

Dễ sử dụng giao diện: các bộ điều khiển hiện đại có màn hình LED hoặc LCD rõ ràng, bàn phím trực quan và giao diện thân thiện với người dùng. Điều này làm cho việc điều chỉnh tham số, cấu hình và giám sát dễ dàng thậm chí đối với người không chuyên. Setup Wizards được bao gồm trong nhiều mô hình để làm cho cấu hình ban đầu dễ dàng hơn.

Độ tin cậy và tính linh hoạt: Cảm biến PT100 phù hợp với nhiệt độ khắc nghiệt và rộng. Cải thiện xử lý dữ liệu: Một số mô hình tiên tiến bao gồm khả năng ghi dữ liệu, ghi dữ liệu nhiệt độ trong thời gian thực. Dữ liệu này có thể được phân tích và tài liệu sau để tuân thủ các yêu cầu quản lý.

Tính năng an toàn: Các tính năng như cảm biến phát hiện ngắn hoặc phát hiện mở, giới hạn bảo vệ nhiệt độ và báo động giới hạn cao, thêm một lớp an toàn cho quá trình kiểm soát.

V. Các ứng dụng yêu cầu điều khiển PT100 chính xác cao

Các bộ điều khiển PID kỹ thuật số với đầu vào PT100 rất cần thiết cho nhiều ứng dụng do độ chính xác cao, độ ổn định và các tính năng tiên tiến của chúng.

Nghiên cứu phòng thí nghiệm: Đua xe nhiệt được yêu cầu cho các máy PCR; Môi trường nhiệt độ ổn định rất cần thiết cho lồng ấp; Các bộ phân tích quang phổ NMR yêu cầu các điều kiện được kiểm soát; Nhiệt kế đo chính xác sự thay đổi nhiệt; Và những khoang bảo vệ môi trường có thể mô phỏng những điều kiện nhất định

Công nghiệp sản xuất: các gian hàng sơn yêu cầu nhiệt độ đông cứng phù hợp; Các quá trình xử lý nhiệt (ủ và làm nguội), dựa vào độ chính xác nhiệt, tất cả phụ thuộc vào hồ sơ nhiệt của các lò phản ứng hóa học.

Thực phẩm, đồ uống và rượu: Khử trùng cần phải được thực hiện ở nhiệt độ cụ thể để đảm bảo an toàn thực phẩm. Quá trình lên men đòi hỏi sự lên men được kiểm soát nhiệt độ để thống nhất trong hương vị và sản lượng. Bộ tiệt trùng cần được giám sát nhiệt độ đáng tin cậy. Những đường đồ hộp yêu cầu đo nhiệt độ chính xác để niêm phong tính toàn vẹn.

Khoa học vật liệu: Để đạt được các tính chất mong muốn của vật liệu, lò luyện được sử dụng để ủ, sinter, hoặc quench yêu cầu kiểm soát nhiệt độ. Các máy kiểm thử vật liệu cũng thường yêu cầu nhiệt độ được kiểm soát.

Sản xuất bán dẫn: Lắng đọng Wafer yêu cầu nhiệt độ rất chính xác và ổn định.

Thử nghiệm bộ phận năng lượng yêu cầu các phép đo nhiệt độ chính xác để xác định hiệu suất; Giám sát máy biến áp liên quan đến việc theo dõi nhiệt độ cuộn dây. Phòng thí nghiệm Hiệu chuẩn sử dụng chúng để đo tham chiếu.

VI.

Cấu hình đầu vào cho PT100: Khả năng tương thích kiểm tra của cảm biến của bạn (có dây hoặc không dây) cũng như cấu hình dây (3 dây hoặc 4 dây). Đảm bảo rằng bộ điều khiển xử lý bất kỳ khoản bồi thường kết nối lạnh nào được yêu cầu chính xác.

Kiểm soát đầu ra: Đảm bảo đầu ra (ví dụ NHƯ SSR, relays, 0-10V hoặc 4-20mA), khớp với phần tử điều khiển của bạn.

Lập kế hoạch và thực hiện là yếu tố thiết yếu cho dự án thành công.

Cài đặt phần cứng: lắp đặt an toàn và chính xác các bộ điều khiển và cảm biến. Cho PT100, và bất kỳ thiết bị đầu ra nào bạn đang sử dụng, hãy theo sơ đồ dây điện đến tee. Xem xét các yếu tố như đo cáp, che chắn và tiếng ồn trong môi trường nhiễu khi chọn các thành phần điện chất lượng cao.

Ngay cả khi cấu hình cẩn thận, các vấn đề vẫn có thể xảy ra. Những sự cố cơ bản thường đủ để giải quyết hầu hết các vấn đề phổ biến:

Xác minh hiệu chuẩn cảm biến PT100, kiểm tra dây cảm biến, kiểm tra ăn mòn hoặc hư hỏng (đảm bảo cấu hình 3-wire hoặc 4 wire chính xác) và xác minh bộ lọc đầu vào của bộ điều khiển.

Dao động hoặc phản ứng chậm: Kiểm tra thông số điều chỉnh PID của bạn. Chúng có thể sai (quá cao P, quá thấp I hoặc D). Cũng đảm bảo quy trình ISN' T quá chậm hoặc có sự chậm trễ. Kiểm chứng rằng bộ điều khiển cuối cùng hoạt động chính xác và có thể đáp ứng nhanh chóng.

Kích hoạt báo động: Kiểm tra tình trạng báo động (ví dụ như nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, lỗi cảm biến phát hiện bởi bộ điều khiển, điện áp thấp). Hãy tham khảo cuốn hướng dẫn của bộ điều khiển về các mã cụ thể.

Truyền thông hoặc lỗi hiển thị: Xác minh kết nối dây, và kiểm tra tốc độ bauD và thiết lập giao thức. Ngoài ra, đảm bảo rằng thiết bị được kết nối (PC, PLC, vv) đang hoạt động chính xác.

IX. Kết luận: Phản hồi chính xác và nghe được có thể là một cộng giá trị

Điều khiển nhiệt độ PID kỹ thuật số với đầu vào PT100 đại diện cho một tiến bộ lớn trong ngành công nghiệp kiểm soát nhiệt độ. Các hệ thống này cung cấp độ chính xác, ổn định và linh hoạt mà không thể với các giải pháp khác đơn giản hơn. Họ kết hợp độ chính xác cao của một PT100 với các điều khiển thông minh của một thuật toán kỹ thuật số PID. Chúng được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm và các cơ sở sản xuất trên toàn thế giới vì các giao diện thân thiện với người dùng và các tính năng tiên tiến như autotuning. Những lợi ích của việc lựa chọn và điều chỉnh các bộ điều khiển PID là đáng kể. Họ có thể cải thiện tính nhất quán và chất lượng của quy trình và tăng hiệu quả hoạt động. Bài này cung cấp một nền tảng tuyệt vời để tận dụng công nghệ mạnh mẽ này.