Temperaturregler sind Instrumente zur Steuerung von Heizgeräten. Sie werden in Industrie- und Haushaltsumgebungen verwendet, um eine eingestellte Temperatur über die gesamte Zeit mit minimalen Schwankungen aufrechtzuerhalten. In diesem Artikel werden wir über die PID-Temperaturregler sprechen, wie sie funktionieren und wie man sie verwendet.
Was ist ein PID-Temperaturregler und wie funktioniert er?
Lassen Sie uns über Temperaturregler im Allgemeinen sprechen, bevor wir über PID-Regler sprechen. Temperaturregler sind Geräte, die Heizelemente/Spulen steuern können, um die erforderliche Temperatur für einen Prozess bereitzustellen. Dies können elektronische oder elektromechanische Geräte wie Thermostate sein. Ihre Grundfunktion besteht darin, das Heizelement einzuschalten, wenn die Temperatur unter einem Minimum liegt, und sie auszuschalten, wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist.
Es gibt drei Haupttypen von Temperaturreglern; Ein-Aus, Proportional- und PID-Schleife Typ Controller. Der PID-Typ ist der fortschrittlichste Typ von Temperaturreglern. Es ist der genaueste und am schnellsten reagierende Controller.
Das Akronym „PID“ steht für „Proportional-Integral-Differential“-Regelung, eine sehr beliebte und effektive Regelungsmethode mit geschlossenem Regelkreis, die in sich schnell ändernden Umgebungen verwendet wird. Es gehört zu den 'optimalKategorie der Regelungstheorie, die den Versuch beschreibt, eine bestimmte Prozessgröße optimal zu erreichen.
Bei PID-Temperaturreglern ist die optimale Größe die Prozesstemperatur. Das Gerät sollte darauf hinarbeiten, die eingestellte Temperatur so schnell wie möglich und auf genaueste Weise ohne Überschwingen, Verzögerung oder Störung zu erreichen. Zur Überwachung des Istwerts/der aktuellen Temperatur verwenden die PID-Temperaturregler ein oder mehrere Thermoelemente/RTD oder eine andere Form der Temperaturmessung. Unter Verwendung dieses Werts als Eingabe für den Sollwert passt die Steuerung dann die an das Stellglied (Heizung) gelieferte Leistung an, um die Temperatur zu erhöhen. Wenn die aktuelle Temperatur höher als der Sollwert ist, wird die Stromversorgung der Heizung unterbrochen. Die Differenz zwischen Istwert und Sollwert wird aufgerufen Fehler. Der Controller versucht, den Fehler die ganze Zeit über nahe Null zu halten.
Die Idee hinter der Implementierung von PID ist jedoch, den Temperatursollwert niemals zu überschreiten, während die eingestellte Temperatur so schnell wie möglich erreicht wird. Dazu verfolgen die PID-Temperaturregler drei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Ansätze:
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- Proportional: Wenn der Prozesswert (aktueller Temperaturmesswert) niedriger als der Sollwert ist, wird der Ausgang proportional zum Fehler erhöht. Ein größerer Fehler bedeutet, dass der Heizung eine höhere Leistung zugeführt wird, um schnell aufzuheizen. Kleinere Fehler veranlassen den Controller, die Leistung zu reduzieren.
- Umfassend: Der integrale Teil des Reglers versucht, die Ausgangsleistung zur Heizung zu erhöhen, um die Zeit zu verkürzen, die zum Erreichen des Sollwerts benötigt wird. Wenn die Leistung nicht ausreicht, um den Fehler zu reduzieren, versucht der integrierte Regler, die Leistung für die Heizung zu erhöhen.
- Derivat: Die Differenzialregelung wird durch die verstrichene Zeit beeinflusst. Wenn die Zeit vergeht und der Temperaturfehler abnimmt, wird auch die Ausgangsleistung verringert, um ein Überschwingen zu verhindern.
Diese drei Steuerungen steuern letztendlich die Stromversorgung der Heizung, um eine Reaktion zu erhalten, wie in der Abbildung unten gezeigt. Das Einstellung Der auf der x-Achse markierte Punkt ist die gewünschte Temperatur.
PID-Temperaturreglerschaltung
PID-Temperaturregler sind in vielen Konfigurationen erhältlich. Normalerweise liest der Controller nur die Prozesstemperatur über einen Sensor und steuert ein externes Leistungssteuergerät wie ein SSR, um die an die Heizung angelegte Leistung zu steuern. Das Bild unten zeigt ein solches Kit, das den PID-Temperaturregler, ein SSR (Solid State Relay), den Kühlkörper und den Temperatursensor enthält.
Um dieses System zu verdrahten, kann das folgende Diagramm befolgt werden. Die Thermoelementdrähte sollten nicht vertauscht werden, da dies die Fähigkeit des Reglers beeinträchtigt, die Prozesstemperatur abzulesen. Ein ungültiger Temperaturmesswert kann zu einer Fehlfunktion des PID-Temperaturreglers führen.
Einige Regler verfügen über Fehlererkennungsfunktionen wie die Erkennung offener Thermoelemente für zusätzliche Sicherheit. Solche Steuerungen können den Betrieb einstellen und die Stromversorgung der Heizung unterbrechen, wenn sie erkennen, dass das Thermoelement getrennt ist.
Gemäß den vom Controller durchgeführten internen Berechnungen steuert er das Halbleiterrelais (SSR), um die an das Heizelement angelegte Durchschnittsleistung zu steuern. Dies erfolgt durch kurzzeitiges Ein- und Ausschalten der Leistungssteuervorrichtung. Bei richtiger Abstimmung kann das System die gewünschte Temperatur erreichen und die Bedingungen auch bei externen Störungen aufrechterhalten.
Was sind die verschiedenen Arten von Temperaturregelgeräten?
Wie oben erwähnt, sind PID-Temperaturregler die genauesten und am schnellsten reagierenden industriellen Temperaturregler. Es gibt zwei weitere Arten von Temperaturregelgeräten, die weniger genau, aber in bestimmten Anwendungen nützlich sind.
Ein/Aus-Temperaturregler
Dies ist die einfachste Form von Temperaturreglern. Der Ein-Aus-Temperaturregler hat zwei Parameter, die Soll und für Differential. Der Sollwert ist die gewünschte Temperatur, die das System haben muss. Das Differenzial (auch bekannt als Histerese) sind die beiden Extreme, die die Grenzen definieren, wann der Temperaturregler ein- und ausgeschaltet werden soll. Das definierte Minimum, bei welcher Temperatur die Heizung einschalten soll und umgekehrt.
Ein/Aus-Temperaturregler sind oft am einfachsten zu verdrahten. Sie benötigen drei externe Verbindungen, um zu funktionieren:
- Energieversorgung – Versorgt den Temperaturregler mit Strom.
- Sensor – Ein Temperatursensor wie ein RTD oder ein Thermoelement, um die aktuelle Temperatur aus dem System zu erhalten.
- Actuator – Dies kann ein Relais oder ein SSR sein, das a steuert. Hochleistungsheizung oder direkter Heizungsanschluss, wenn das Gerät über ein eingebautes Relais verfügt
- Benutzereingabe – Moderne Temperaturregler verfügen über Digitalanzeigen mit Tasteneingängen zum Konfigurieren der Parameter. Einige Geräte haben drehbare Potentiometer, um die Grenzwerte manuell einzustellen.
Ein/Aus-Temperaturregler werden in Systemen verwendet, in denen die Temperaturänderungen sehr langsam sind und eine präzise Steuerung nicht erforderlich ist.
Proportionale Temperaturregler
Proportionale Temperaturregler sind eine vereinfachte Version von PID-Temperaturreglern. Im Gegensatz zu den Ein/Aus-Reglern, die aktiviert werden, wenn die Temperatur unter oder über die Schwellenwerte steigt, treiben Proportionalregler den Ausgang fast immer an, um die Temperatur aufrechtzuerhalten.
Diese Arten von Reglern regulieren die Temperatur, indem sie die der Heizung zugeführte Leistung variieren. Dies beinhaltet eine Festkörpersteuerung wie SSR, um die Ausgangsleistung anzupassen. Der Temperaturbereich, in dem das Gerät arbeitet, wird als „Proportionalband“ bezeichnet. Ähnlich wie beim Ein/Aus-Typ haben auch diese Ober- und Untergrenzen.
Beim Start verhalten sich proportionale Temperaturregler ähnlich wie Ein/Aus-Typen. Um die Systemtemperatur in das Proportionalband zu bringen, hat die Steuerung die Heizung mit 100 % Leistung betrieben. Sobald die Temperatur den Mindestschwellenwert des Proportionalbands überschreitet, wird die Leistung reduziert, um die Temperatur innerhalb des erforderlichen Bereichs zu halten.
Im unten gezeigten Diagramm ist der braune Plot ein reiner Proportionalregler. Wir können beobachten, wie sich die Temperatur in einem engen Bereich zwischen 10 und 18 Grad Celsius ständig ändert.
Vor- und Nachteile des PID-Temperaturreglers
PID-Temperaturregler sind in dynamischen Systemen sehr nützlich. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen die Temperatur häufig schwankt. PID-Temperaturregler können die voreingestellten Temperaturen unabhängig von sich ändernden Systembedingungen beibehalten.
Wie bei jedem anderen Industrieregler gibt es auch bei PID-Temperaturreglern Vor- und Nachteile.
Vorteile des PID-Temperaturreglers
Hier sind einige der Vorteile der Verwendung eines PID-Temperaturreglers:
- Einfache Installation und Implementierung
- PID-Temperaturregler sind integrierte Geräte, die nur wenige externe Komponenten benötigen, um zu funktionieren
- Erhöhte Stabilität des Systems
- PID-Regler können externe Störungen des Systems schnell kompensieren. Dies ist bei temperaturempfindlichen Anwendungen sehr wichtig.
- Reduziert stationäre Fehler
- Normale Regler vom Ein-Aus-Typ haben oft ein großes Überschwingen. Das bedeutet, dass die Systemtemperatur fast immer höher als der gewünschte Wert sein kann, auch wenn es nur für einen Bruchteil der Zeit ist. Ein richtig abgestimmter PID-Regler kann dieses Problem beseitigen, indem er die eingestellte Temperatur ohne Überschwingen erreicht.
- Schnellere Reaktion
- PID-Regler erreichen den Sollwert in den meisten Fällen schneller als jeder andere Regler. Dies ist in hochdynamischen Systemen sehr nützlich, um die erforderliche Temperatur zu erreichen und zu halten.
PID-Temperaturregler Nachteile
PID-Regler haben auch einige inhärente Nachteile, deren Verwendung in manchen Situationen problematisch sein kann. Zum Beispiel,
- Schwierigkeiten bei der anfänglichen Abstimmung
- Die meisten PID-Regler erfordern eine manuelle Abstimmung der Proportional-, Differential- und Integralkonstanten des Regelkreises. Dies kann am Anfang umständlich sein, da es viel Zeit in Anspruch nehmen kann, da die Parameter nicht bekannt sind. Um einen PID-Regler abzustimmen, können Sie die in gezeigten Schritte befolgen fehlen uns die Worte. Video.
- PID-Temperaturregler
- PID-Regler sind im Allgemeinen linear. Das bedeutet, dass sie am besten in linearen (vorhersagbaren) Systemen funktionieren. Wenn das System nicht linear ist, kann die Leistung variieren.
Die PID-Regelung ist ein Rückkopplungsregelsystem, das auf dem Fehler zwischen dem Sollwert und dem Prozesswert beruht. Wenn eine externe Störung auftritt, die den Fehler erhöht, greift der PID-Regler ein und versucht, den Fehler auf Null zu bringen. Dies funktioniert gut für Störungen in höheren Magnituden. Bei kleinen Änderungen in einem System kann es jedoch länger dauern, bis der PID-Regelkreis kompensiert, und dies kann in einigen Fällen weniger wünschenswert sein.
Wie stellen Sie die PID für die Temperaturregelung ein?
Es gibt zwei Arten der PID-Abstimmung, automatische und manuelle Abstimmung. Die automatische Abstimmung folgt einem Algorithmus zur automatischen Bestimmung der Proportional-, Integral- und Differentialkonstanten für den Controller. Der manuelle Prozess erfordert Trial-and-Error, um den Controller richtig abzustimmen. Automatische Regler können diesen Vorgang vereinfachen, indem sie die Werte für die jeweiligen Konstanten eingrenzen.
Um herauszufinden, wie die P-, I- und D-Konstanten eines bestimmten Controllers konfiguriert werden, lesen Sie bitte zuerst dessen Benutzerhandbuch. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Änderungen keine schwerwiegenden Auswirkungen auf das System haben, wenn Sie Änderungen vornehmen. Idealerweise benötigen Sie eine kontrollierte Umgebung, um den Abstimmungsprozess durchzuführen.
Die PID-Abstimmung beginnt im Allgemeinen mit der Bestimmung der Proportionalverstärkung, während die anderen beiden Werte konstant bleiben. Stellen Sie die Proportionalkonstante auf einen Wert ein, bei dem das System beginnt, um den Sollwert zu oszillieren. Sie können den aktuellen P-Wert um den Faktor zwei erhöhen, und wenn er zu starke Schwingungen verursacht, reduzieren Sie ihn um 50 % des erhöhten Betrags.
Nach Erreichen einer einigermaßen stabilen Schwingung kann der Integralanteil auf die gleiche Weise abgestimmt werden. Passen Sie die Integralkonstante bei der Abstimmung so an, dass das System den Sollwert in kürzester Zeit erreicht. Beim Abstimmen der Integralkonstante kann es zu Überschwingern und Schwingungen kommen.
Passen Sie schließlich die Ableitungskonstante an, um die Oszillationen unter externen Störungen zu minimieren.
Wenn Sie einen fortschrittlicheren PID-Regler wie den verwenden PID-Regler der Omega Platinum-Serie, kann der Hersteller spezialisierte Software anbieten, um das System genauer abzustimmen. Es kann auch zusätzliche Funktionen wie selbsthaltende Ausgänge, Alarme und intelligente Autotuning-Algorithmen geben.
Anwendungen von PID-Temperaturreglern
PID-Temperaturregler werden im Allgemeinen in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine schnellere Reaktionszeit und höhere Genauigkeit erforderlich sind.
Eine solche Anwendung ist die Reifenherstellungsindustrie. Beim Vorbereiten des Rohmaterials und Mischen der Mischungen muss die Temperatur der Gummimischung in einem sehr feinen Bereich gehalten werden, um sicherzustellen, dass das Material richtig behandelt wird.
In Lebensmittel- und Getränke verarbeitenden Industrien wie der Milchpasteurisierung müssen die Temperaturen sehr genau sein, um das Wachstum von Bakterien und den Verlust wichtiger Nährstoffe zu verhindern. PID-Temperaturregler werden verwendet, um die Temperatur in der Milch während des Pasteurisierungsprozesses aufrechtzuerhalten.
Eine weitere Anwendung von PID-Reglern ist das Gesundheitswesen. Maschinen wie Testgeräte, medizinische Kühlschränke, Inkubatoren und Wachstumskammern müssen die Temperatur unter sehr engen Grenzen halten. PID-Temperaturregler finden in diesen Systemen fast immer Anwendung.
Wie wählt man einen PID-Temperaturregler aus?
Achten Sie beim Kauf eines PID-Temperaturreglers auf die folgenden Schlüsselspezifikationen:
- Eingangstyp
- Der Temperaturregler benötigt einen geeigneten Sensor, um den Prozesswert zu erhalten. Dies geschieht über einen Temperatursensor. Es kann ein Thermoelement (K, J, T-Typ oder irgendein anderer) sein, an RTD oder in einigen Fällen sogar ein digitaler Temperatursensor. Wählen Sie eines aus, das auf die Verwendung in der jeweiligen Anwendung spezialisiert ist.
- Temperaturbereich
- Es ist wichtig zu wissen, in welchem Temperaturbereich das System arbeiten wird. Berücksichtigen Sie alle Extremitäten, denen das System während des Betriebs ausgesetzt sein kann.
- Ausgabetyp
- Der Ausgangstyp kann elektromechanisch (Relais) sein. SSR oder ein digitaler Ausgang.
- Kontrollaktion
- Dies kann eine einfache Ein/Aus-, Relativ- oder PID-Regelung sein.
- Zusätzliche Funktionen
- Überprüfen Sie, ob das Gerät erweitertes Tuning und zusätzliche Funktionen wie Alarmausgänge, programmierbare Profile und Unterstützung für die Integration mit SCADA-Systemen unterstützt, wenn die Anwendung dies erfordert.
Zusammenfassung
PID-Temperaturregler werden in vielen Automatisierungssystemen verwendet, um Temperaturen genau zu steuern und aufrechtzuerhalten. Es gibt Alternativen zu PID-Reglern, die in Temperaturregelungsanwendungen eingesetzt werden können, bei denen eine solche Genauigkeit und Geschwindigkeit nicht erforderlich ist.
