שימוש בבקרי טמפרטורה ובקרי Micro PLC כדי להאיץ פרויקטים של אוטומציה בקנה מידה קטן

חום. הוא חשוב בתהליכים תעשייתיים רבים כמו מכונות לסגירת אריזות, פעולות יציקת פלסטיק, תנורי Reflow של סגסוגת-הלחמה, עיבוד מוליכים-למחצה, וכו'. לכל תהליך יש צרכים ספציפיים של רמות טמפרטורה ודיוק בקרה.

אוטומציה מסייעת להשיג פרודוקטיביות וקיימות מרביות בתפעול Industry 4.0. מכונות קטנות ועיבוד חום אינם יוצאים מן הכלל. אך לא כל הנסיבות מחייבות פתרונות גדולים ומקיפים. יישומים רבים יכולים לחוות ביצועים משופרים עם בקרי טמפרטורה ייעודיים פשוטים יחסית ובקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs) קטנים.

מתכנני מכונות יכולים לבחור ממגוון אפשרויות של פרויקטים של אוטומציה פשוטים, כולל בקרי חימום לסביבות מתח חד-פאזי ותלת-פאזי, בקרי חימום עם מגוון אלגוריתמים מתוחכמים של בקרה, ובקרי PLC ממוטבים עבור סביבות אוטומציה בגודל קטן עד בינוני. מכונות קטנות מסוימות עובדות בבידוד יחסי, בעוד אחרות יכולות להפיק תועלת מחיבוריות לאופרציה הגדולה יותר.

מאמר זה מציג‏ סקירת ‏אפשרויות של בקרי הספק (Power Controllers) ובקר מחמם (Heater Controller), כולל שיקולי חומרה ותוכנה. הוא מסיים עם‏ מבט על סוגיות של אינטגרציית מערכת הקשורות לטכנולוגיות חיישנים למדידת טמפרטורה ובקרי PLC‏ ממוטבים במיוחד עבור מכונות בגודל קטן עד בינוני ומציג מוצרי דוגמה מבית Omron.

מחומרי אשפרה כמו שרפים ודבקים תרמיים עד ייצור מוצרי מזון ומשקאות, תהליכים תעשייתיים דורשים לעיתים קרובות בקרת טמפרטורה כדי לשמור על נצילות ולהבטיח איכות. מחממים תעשייתיים נחוצים, אך בקרי טמפרטורה הם העיקר.

יש יותר מדרך אחת לשלוט בטמפרטורה של מחממים תעשייתיים. סדרי העדיפויות התפעוליים של המערכת קובעים את הגישה הנבחרת. ניתן להשתמש בבקרת מתח פשוטה כשעלויות התפעול הן השיקול העיקרי ובקרת טמפרטורה פחות מדויקת היא נסבלת.

על ידי ויסות המתח המזין את אלמנט החימום, ניתן לשלוט על צריכת ההספק של המחמם, ותפוקת החום יכולה להשתנות. ניתן ליישם במהירות שינויי מתח ולהפיק שינויי טמפרטורה בהתאם, אך עם השהיה המשתנה עם תכן המערכת. הקטנת המתח תפחית את עלויות האנרגיה ותנמיך את הטמפרטורה. עדיין, זמן התגובה להנמכת טמפרטורה יכול להיות ארוך מדי עבור תהליכים רבים, ויכול להיות קשה לשלוט במדויק על הטמפרטורה.

מעבר לבקרת מתח בסיסית

עבור יישומים רבים, בקרת מתח בסיסית אינה מספיקה. במקרים אלה, מתכננים יכולים להשתמש בבקרת הפעלה/השבתה (on/off), בקרת מחזור, בקרת מחזור אופטימלי או בקרת פאזה (איור 1‏). כל אחת מטכניקות אלו מציגה סט מאפייני ביצועים ‏שונה:

• בקרת פאזה מספקת את תגובת יכולת השליטה הטובה ביותר עם גודל ועלות פתרון טובים, וכן ביצועי רעש מקובלים עבור מרבית היישומים.
• בקרת מחזור מספקת תגובת יכולת שליטה טובה, גודל ועלות פתרון טובים וביצועי רעש מצוינים. בבקרת מחזור “אופטימלי”, סטטוס המיתוג נקבע לכל חצי מחזור.
• בקרת הפעלה/השבתה תוך שימוש בממסרי מצב מוצג (SSRs) מספקת תגובת יכולת שליטה טובה עם גודל פתרון הקטן ביותר, עלות סבירה וביצועי רעש מצוינים.

איור 1: אפשרויות מיתוג מתח לבקרת תנור חימום תעשייתי. (מקור תמונה: Omron)

יישום בקרת פאזה ובקרת מחזור אופטימלי

Omron מציעה למתכננים מספר אפשרויות ליישום בקרת הפעלה/השבתה, בקרת פאזה או בקרת מחזור אופטימלי, כולל הדגם G3PW-A245EU-S, המדורג למתחי עבודה מ-‎100 V_AC עד ‎240 V_AC; זמינים דגמים אחרים לעבודה מ-‎400 V_AC עד 480‎ V_AC.

בקרים אלה כוללים זיהוי התבלות של מחמם עבור זמן פעולה תקינה מוגבר של המערכת. יציאת תקשורת‏ RS-485‏ משמשת לקבוע משתנים ולניטור זרם עומס.

בקרי ה-G3PW תומכים בניטור זמן ריצה שלם ומתאימים לשימוש עם עומסים של התנגדות קבועה והתנגדות משתנה.

בקרי הספק מרובי-ערוצים

סדרת בקרי ההספק מרובת-הערוצים G3ZA מוסיפה בקרת מחזור תלת-פאזי אופטימלי כדי לתמוך במחממים תלת-פאזיים. כשמשתמשים בה עם ממסרי SSR מעבר-אפס (zero-cross),‏ היא תומכת בעבודה בהספק עם רעש נמוך. בקר אחד יכול לשלוט על עד 8‏ ממסרי SSR. נוסף לכך, קיימת פונקציית‏ אתחול-רך עבור מחממי מנורה (איור 2‏).

איור 2: בקרי הספק מרובי-ערוצים G3ZA תומכים בבקרת מחזור אופטימלי תלת-פאזי. (מקור תמונה: Omron)

בקרת מחזור אופטימלי תלת-פאזי נוספה למחממים תלת-פאזיים. הדגם G3ZA-4H203-FLK-UTU מדורג לעבודה מ-‎100 V_AC עד ‎240 V_AC וכולל חיבוריות RS-484. דגמים אחרים זמינים לעבודה מ-‎400 V_AC עד ‎480 V_AC.

בקרי טמפרטורה עבור אינטגרציית מערכת

בקרי טמפרטורה כמו ה-EJ1N-TC4A-QQ יכולים להתחבר לבקרי הספק כמו סדרת ה-G3ZA של בקרים‏ מרובי-ערוצים. יש להם כניסות לחיישני טמפרטורה כמו גם חיבורים לבקר PLC מערכת. יחידת הכניסה יכולה לטפל בצמדים-תרמיים, גלאי טמפרטורה התנגדות פלטינה (RTDs) וכניסות אנלוגיות.

הפונקציונליות כוללת כוונון-עצמי (AT) היכול לסייע ליישם בקרת proportional-integral-digital‏ (PID‏). כוונון-עצמי יכול לשמש לקביעת קבועי ה-PID‏ על ידי שימוש ידני בשיטת התגובה בצעדים. ניתן לחבר עד 16 בקרי טמפרטורה על ידי שימוש ברכזת תקשורת DeviceNet יחידה.

תוכנת ניהול תרמי

בקרי טמפרטורה EJ1N יכולים להפיק תועלת משימוש בחבילת התוכנה התומכת תרמו EST2-2C-MV4. תוכנה זו מאפשרת עריכה והורדת קבוצת פרמטרים ממחשב‏ אישי, האצת הגדרת תצורה והפעלה.

היא גם תומכת בניטור מגמות מעד 31 בקרים. הפרמטרים שניתן לנטר כוללים ערכי תהליך (PVs), ערכי מערכת (SVs), ערכים שעברו מניפולציה (MVs), פרמטרים של PID ומצב הפעלה/השבתה של אזעקה.

פעולות לוגיות נתמכות כוללות קביעת כניסות מכניסות חיצוניות (כניסות אירועים) או סטטוס טמפרטורה, שליחת ערכים לבקרה חיצונית או יציאות עזר, ושינוי מצב העבודה עם השהיות הפעלה/השבתה.

PID משופר

בקרת PID‏ יכולה להיות שימושית ביותר עבור יישומי בקרת טמפרטורה. בקרי הספק כמו סדרת ה-G3ZA של בקרים מרובי-ערוצים עם ממסרי SSR מתמתגים-במהירות, ביחד עם בקרי טמפרטורה המשתמשים באלגוריתמים PID‏, יכולים לספק את הבקרה העדינה הדרושה לשמירה על הטולרנסים הדרושים של הטמפרטורה.

בקרת PID‏ בסיסית כרוכה בפשרה בין השגת ה-SV‏ פעולה במהירות ‏עם כמות מדידה של Overshoot או מזעור Overshoot אך עם עליה איטית יותר ל-SV. נוסף לכך, ישנה פשרה בין השגת ה-SV לבין תגובה להפרעות ב-PV האקטואלי כפי שנמדד על ידי חיישן. תגובה טובה יותר לשינויי PV קשורה לעתים קרובות לביצועים גרועים של גידול SV.

כדי לטפל בפשרות ביצועים אלה, Omron פיתחה אלגוריתם PID‏ משופר‏ הנקרא 2‎-PID, או PID עם שתי דרגות חופש. הגדרות PID מוגדרות מראש של היצרן מתאימות לרוב יישומי החימום ותומכות בתגובות עם Overshoot מינימלי‏. עם זאת, עם 2‎-PID‏, מתכננים יכולים להגדיר את מהירות התגובה לשינויים ב-SV‏, והבקר מכוונן אוטומטית את אלגוריתם ה-PID כדי לספק תגובה אופטימלית להפרעות ב-PV (איור 3‏).

איור 3‏: בקרת טמפרטורה Omron 2-PID (גרף תחתון) משלבת תגובת הפרעה טובה (צד ימין) עם תגובת מדרגה טובה (צד שמאל). (מקור תמונה: Omron)

בקרת 2‎-PID‏ כלולה בבקר טמפרטורה E5CC של Omron, כמו ה-E5CC-QX3A5M-003. בקרים אלה יכולים גם ליישם בקרת הפעלה/השבתה בסיסית עבור יישומים פחות תובעניים.

תצוגת PV הלבנה הגדולה מראה את ה-PV והתצוגה הירוקה הקטנה יותר מראה את הערך הרצוי (איור 4‏). תוכנת הניהול האופציונלית CX-Thermo‏ תומכת בתכנות מהיר. עבור יישומים פשוטים, בקרים אלה יכולים ליישם פונקציות קוצב-זמן ופעולות לוגיות בסיסיות עם המעורבות של‏ בקר לוגי ניתן-לתכנות (PLC).

איור 4‏: בקרי טמפרטורה E5CC מציגים בבירור ערכי PV ו-SV. (מקור תמונה: DigiKey‏)

ממשק ה-RS-485‏ תומך בתקשורת Modbus או CompoWay/F קניינית של Omron. בקרים אלה מקבלים מגוון כניסות, כולל:

• 12‏ סוגים של‏ צמדים-תרמיים
• גלאי RTD ‏PT100 או JPt100
• כניסות זרם 4 עד 20‎ mA או 0 עד ‎20 mA
• כניסות מתח 1 עד ‎5 V,‏ 0 עד ‎5 V או 0 עד 10‎ V

PID אדפטיבי לדיכוי הפרעות

בקרי הטמפרטורה האדפטיביים NX-TC לוקחים את בקרת ה-PID לרמה הבאה ויכולים להסתגל לתנאי פעולה בזמן אמת. בקרה אדפטיבית מאפשרת אופטימיזציה עצמית של הגדרות הבקרה עקב שינויים בתהליך. נוסף לכך, בקרים אלה כוללים פונקציות מובנות עבור יישומי סגירת אריזות ואקסטרודרים של פלסטיק מקוררי מים. עבור יישומים פשוטים, ניתן ליישם בקרת הפעלה/השבתה בסיסית.

פונקציית דיכוי ההפרעה (DSF‏) עובדת ביחד עם בקרת ה-PID‏ כדי לשכך נפילות טמפרטורה הנגרמות על ידי הפרעות שגרתיות וצפויות ביישומים כמו:

• ציוד שיקוע בו טמפרטורת התא יורדת כשגז מוזרק או חומר‏ מוסף או מוסר דרך דלת‏ פתוחה
• בדיקת רכיבים מוטבעים על פרוסת סיליקון כשזרם מיושם לפרוסה וכתוצאה מכך הטמפרטורה עולה
• מערכות יציקה בהן טמפרטורת התבנית יורדת בעת הזרקת שרף

DSF מדכאה באופן אוטומטי שינויי טמפרטורה חיוביים ושליליים הנגרמים על ידי אירועים שניתן לצפות מראש. DSF מופעלת על ידי אותות ערור לפני ההפרעה ומוסיפה לערך MV או מחסירה ממנו‏. כוונון אוטומטי זה מתאים את ה-MV תגובה מקדימה (feed forward‏ (FF)‏)‏, זמן‏ פעולה FF וזמן המתנה FF,‏ ויכול לקצר את הזמן להשגת ייצוב טמפרטורה בעד 80‏ אחוז (איור 5‏).

איור 5‏: בקרת PID משופרת‏ DSF יכולה לקצר זמן המתנה לייצוב טמפרטורה בעד 80‏ אחוז. (מקור תמונה: Omron)

יחידות NX-TC כמו ה-NX-TC2405‏ 2-ערוצים המתוכננות עבור דחיפת ממסרי SSR ממוטבות במיוחד למדרגיות (Scalability). מתכננים יכולים להשתמש ב-Sysmac studio של Omron עבור בקרת תכנות של מקומות ומעגלי ‏חימום כשמיישמים תהליכי חימום/קירור רב-שלביים.

בנוסף ל-DSF PID‏, בקרים אלה תומכים בבקרת הפעלה/השבתה וכוללים פונקציית‏ גילוי שגיאת התבלות מחמם. הם כוללים EtherNet/IP‏ ו-EtherCAT‏ עבור חיבוריות רשת ויכולים לקבל‏ מגוון כניסות‏ צמד-תרמי או חיישן RTD.

אינך יכול למטב מה שאינך מודד

תכני מיתוג מתח, בקרי טמפרטורה ותוכנת ניהול תרמי לא יכולים לספק ביצועים מיטביים בוואקום מידע. חיישני טמפרטורה מספקים את נתוני התפעול המאפשרים לבקרים ולתוכנה לבצע את המשימות שלהם. יש מגוון רחב של טכנולוגיות חיישן טמפרטורה הזמינות למתכננים, כולל:

• תרמיסטורים מתפקדים כנגדים רגישים לטמפרטורה. בדרך כלל יש להם חזרתיות ויציבות של בערך C‏°‏0.1‏±‏. לדגם E52-THE5A-0/100C יש תחום טמפרטורות עבודה של 50‎°C- עד 300‎°C.
• חיישן טמפרטורה Type K‏ הוא‏ צמד-תרמי הכולל מוליכי Chromel ו-Alumel. הם ניתנים להגדרת-תצורה כחיישני טבילה, חיישני משטח או סגנונות אחרים. לדגם E52-CA1GTY 2M יש תחום טמפרטורות עבודה של 0‎°C עד 300‎°C.
• חיישני RTD הם מדויקים ביותר, והחסינות שלהם לרעש חשמלי עושה אותם מתאימים לתנאי סביבה תעשייתיים קשים. חיישן ה-RTD ‏E52-P6DY 1M platinum pt100 מדורג לעבוד מ-‎50°C- עד ‎250°C.
• חיישני אינפרה-אדום (IR) ללא מגע כמו ה-ES1-LW100-N‏ יכולים למדוד טמפרטורות של שטח מטרה בקוטר 35 מ"מ‏ ממרחק של 1,000 מ"מ. הם מוגדרים לטמפרטורות עד 1,000°C.

לקשור הכול ביחד למערכת

מתכננים של מכונות‏ בגודל קטן עד בינוני עם עד 320 כניסות/יציאות (I/Os) יכולים לפנות אל בקרי PLC‏ סדרת CPE2 מבית Omron. יכולות התקשורת של‏ בקרי PLC‏ קטנים אלה תומכות בהעברת נתונים מכונה-למכונה (M2M) ואינטגרציה לתוך אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏).

עם‏ תחום טמפרטורות עבודה של‏ 20°C- עד ‎60°C+,‏ בקרי CPE2 PLC‏ מתאימים ליישומים תעשייתיים שונים כמו מכונות אריזה וסגירה, מכונות מילוי ופיקוק, כלי עיבוד מתכת או פלסטיק, מכונות יציקת פלסטיק והרכבת חלקים קטנים. לדגם CP2E-N30DR-D יש 18‏ כניסות ו-12‏ יציאות ויכול לעבוד ממתח של‏ 100 עד ‎240 V_AC או ‎24 V_DC. הוא ניתן לזיווג עם ה-HMI מסך מגע צבעוני ”7 NB7W-TW01B‏ עבור פתרון מערכת שלמה (איור 6‏).

איור 6‏: בקר Omron CP2E-N30DR-D ו-HMI מסך מגע צבעוני ”7 NB7W-TW01B (מקור תמונה: Omron)

סיכום

ניהול חום הוא היבט חיוני של תהליכים תעשייתיים רבים. זה דורש בחירה ושילוב של בקרי הספק ובקרי מחמם עם אלגוריתמים ממוטבים . חיישני טמפרטורה הם חלק חשוב נוסף בפאזל ניהול החום. לבסוף, מתכננים יכולים לפנות לבקרים קטנים כדי לתמוך בתקשורת M2M ואינטגרציה לתוך ה-IIoT‏.