Pengontrol suhu adalah instrumen yang digunakan untuk mengontrol peralatan pemanas. Mereka digunakan di lingkungan industri dan domestik untuk mempertahankan suhu yang disetel sepanjang waktu dengan fluktuasi minimal. Pada artikel ini, kita akan berbicara tentang Pengontrol Suhu PID, cara kerjanya dan cara menggunakannya.
Apa itu Pengontrol Suhu PID dan bagaimana cara kerjanya?
Mari kita bicara tentang pengontrol suhu secara umum sebelum membahas pengontrol PID. Pengontrol suhu adalah perangkat yang dapat mengontrol elemen pemanas/kumparan untuk menyediakan suhu yang diperlukan untuk suatu proses. Ini bisa berupa perangkat elektronik atau elektromekanis seperti termostat. Fungsi dasarnya adalah menyalakan elemen pemanas saat suhu di bawah minimum, dan mematikannya saat suhu yang diinginkan tercapai.
Ada tiga jenis utama pengontrol suhu; loop on-off, proporsional dan PID pengontrol tipe. Jenis PID adalah jenis pengontrol suhu paling canggih di antara mereka. Ini adalah pengontrol yang paling akurat dan merespons tercepat.
Akronim 'PID' adalah singkatan dari 'Proportional-Integral-Derivative' control, yang merupakan metode kontrol loop tertutup yang sangat populer dan efektif yang digunakan dalam lingkungan yang berubah dengan cepat. Itu milik 'optimal' kategori teori kontrol yang menggambarkan upaya untuk secara optimal mencapai variabel proses tertentu.
Dalam kasus pengontrol suhu PID, variabel optimalnya adalah suhu proses. Perangkat harus bekerja untuk mencapai suhu yang disetel secepat mungkin dengan cara yang paling akurat tanpa overshoot, lag, atau gangguan. Untuk memantau nilai proses/suhu saat ini, pengontrol suhu PID menggunakan satu atau lebih termokopel/RTD atau bentuk lain dari pengukuran suhu. Menggunakan nilai ini sebagai input terhadap set point, pengontrol kemudian mengatur daya yang disuplai ke aktuator (pemanas) untuk meningkatkan suhu. Jika suhu saat ini lebih tinggi dari setpoint, itu memotong daya ke pemanas. Selisih antara nilai proses dan set point disebut kesalahan. Pengontrol mencoba mempertahankan kesalahan mendekati nol sepanjang waktu.
Namun, ide di balik penerapan PID adalah untuk tidak pernah melebihi titik setel suhu saat mencapai suhu yang disetel secepat mungkin. Untuk ini, pengontrol suhu PID mengambil tiga pendekatan yang berbeda namun terhubung:
-
- Sebanding: ketika nilai proses (pembacaan suhu saat ini) lebih rendah dari setpoint, output meningkat secara proporsional dengan kesalahan. Kesalahan yang lebih besar berarti daya yang lebih tinggi dipasok ke pemanas untuk memanas dengan cepat. Kesalahan yang lebih kecil menyebabkan pengontrol mengurangi daya.
- Luas: Bagian integral dari pengontrol mencoba meningkatkan daya keluaran ke pemanas untuk mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik setel. Jika daya tidak cukup untuk mengurangi kesalahan, pengontrol integral mencoba meningkatkan daya ke pemanas.
- Turunan: Kontrol derivatif dipengaruhi oleh waktu yang telah berlalu. Seiring berjalannya waktu dan kesalahan suhu berkurang, daya keluaran juga berkurang untuk mencegah overshoot.
Ketiga pengontrol ini pada akhirnya mengontrol daya ke pemanas untuk mendapatkan respons seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Itu pengaturan titik yang ditandai pada sumbu x adalah suhu yang diinginkan.
Sirkuit pengontrol suhu PID
Pengontrol suhu PID tersedia dalam banyak konfigurasi. Biasanya, pengontrol hanya membaca suhu proses melalui sensor dan mengontrol perangkat kontrol daya eksternal seperti SSR untuk mengontrol daya yang diterapkan ke pemanas. Gambar di bawah menunjukkan kit yang memiliki pengontrol suhu PID, SSR (Solid state Relay), heatsink, dan sensor suhu.
Untuk menghubungkan sistem ini, diagram berikut dapat diikuti. Kabel termokopel tidak boleh ditukar karena mengganggu kemampuan pengontrol untuk membaca suhu proses. Pembacaan suhu yang tidak valid dapat menyebabkan pengontrol suhu PID tidak berfungsi.
Beberapa pengontrol memiliki fitur deteksi kesalahan seperti deteksi termokopel terbuka untuk keamanan tambahan. Kontroler tersebut dapat berhenti berfungsi dan melepaskan daya ke pemanas jika mereka mendeteksi bahwa termokopel terputus.
Menurut perhitungan internal yang dilakukan oleh pengontrol, ia mengontrol relai keadaan padat (SSR) untuk mengontrol daya rata-rata yang diterapkan ke elemen pemanas. Ini dilakukan dengan menghidupkan dan mematikan perangkat kontrol daya untuk sementara waktu. Ketika disetel dengan benar, sistem dapat mencapai suhu yang diinginkan dan mempertahankan kondisi bahkan di bawah gangguan eksternal.
Apa Berbagai Jenis Perangkat Kontrol Suhu?
Seperti yang telah kita bahas di atas, pengontrol suhu PID adalah pengontrol suhu industri yang paling akurat dan paling cepat merespons. Ada dua jenis lagi perangkat kontrol suhu yang kurang akurat tetapi berguna dalam aplikasi tertentu.
Pengontrol Suhu Hidup/Mati
Ini adalah bentuk pengontrol suhu yang paling sederhana. Pengontrol suhu on-off memiliki dua parameter, yaitu set point dan diferensial. Setpoint adalah suhu yang diinginkan yang harus dimiliki sistem. Diferensial (juga dikenal sebagai histeresis) adalah dua ekstrem yang menentukan batas kapan pengontrol suhu harus dihidupkan dan dimatikan. Minimum yang ditentukan pada suhu mana pemanas harus menyala dan sebaliknya.
Pengontrol suhu hidup/mati sering kali paling mudah dipasang. Mereka membutuhkan tiga koneksi eksternal untuk berfungsi:
- Sumber Daya listrik – Menyuplai daya ke pengontrol suhu.
- Sensor – Sensor suhu seperti RTD atau termokopel untuk mendapatkan suhu saat ini dari sistem.
- Actuator – Ini dapat berupa relai atau SSR yang mengontrol a. pemanas daya tinggi, atau koneksi pemanas langsung jika perangkat memiliki relai bawaan
- Masukan Pengguna – Pengontrol suhu modern memiliki tampilan digital dengan input tombol untuk mengonfigurasi parameter. Beberapa perangkat memiliki potensiometer yang dapat diputar untuk mengatur batas secara manual.
Pengontrol suhu tipe on/off digunakan dalam sistem di mana perubahan suhu sangat lambat dan kontrol yang tepat tidak diperlukan.
Pengontrol Suhu Proporsional
Pengontrol suhu proporsional adalah versi sederhana dari pengontrol suhu PID. Tidak seperti pengontrol tipe on/off yang aktif ketika suhu turun di bawah atau naik di atas ambang batas, pengontrol proporsional menggerakkan output hampir selalu untuk mempertahankan suhu.
Jenis pengontrol ini mengatur suhu dengan memvariasikan daya yang disuplai ke pemanas. Ini melibatkan kontrol solid state seperti SSR untuk menyesuaikan output daya. Kisaran suhu tempat perangkat bekerja disebut 'pita proporsional'. Mirip dengan tipe on/off, ini juga memiliki batas atas dan bawah.
Saat startup, pengontrol suhu proporsional berperilaku mirip dengan tipe on/off. Untuk membawa suhu sistem ke dalam pita proporsional, pengontrol mengoperasikan pemanas pada daya 100%. Setelah suhu melebihi ambang batas minimum dari pita proporsional, daya dikurangi untuk mempertahankan suhu di dalam wilayah yang diperlukan.
Dalam diagram yang ditunjukkan di bawah ini, plot coklat adalah pengontrol proporsional murni. Kita dapat mengamati bagaimana suhu terus berubah dalam wilayah sempit antara 10 hingga 18 Celcius..
Keuntungan dan kerugian dari Pengontrol Suhu PID
Pengontrol suhu PID sangat berguna dalam sistem dinamis. Mereka banyak digunakan dalam aplikasi di mana suhu sering berfluktuasi. Pengontrol suhu PID dapat mempertahankan suhu prasetel terlepas dari kondisi sistem yang berubah.
Seperti pengontrol industri lainnya, ada kelebihan dan kekurangan yang terkait dengan pengontrol suhu PID.
Keuntungan Pengontrol Suhu PID
Berikut adalah beberapa keuntungan menggunakan pengontrol suhu PID:
- Instalasi dan implementasi yang mudah
- Pengontrol suhu PID adalah perangkat terintegrasi yang hanya membutuhkan beberapa komponen eksternal untuk berfungsi
- Peningkatan stabilitas sistem
- Kontroler PID dapat dengan cepat mengkompensasi gangguan eksternal pada sistem. Ini sangat penting dalam aplikasi yang sensitif terhadap suhu.
- Mengurangi kesalahan kondisi mapan
- Kontroler tipe on-off normal sering kali memiliki overshoot yang besar. Ini berarti bahwa suhu sistem hampir selalu bisa lebih tinggi dari nilai yang diinginkan, bahkan jika itu untuk sebagian kecil waktu. Pengontrol PID yang disetel dengan benar dapat menghilangkan masalah ini dengan mencapai suhu yang disetel tanpa melampaui batas.
- Respon lebih cepat
- Pengontrol PID mencapai setpoint lebih cepat daripada pengontrol lain dalam banyak kasus. Ini sangat berguna dalam sistem yang sangat dinamis untuk mencapai dan mempertahankan suhu yang diperlukan.
Kekurangan Pengontrol Suhu PID
Kontroler PID juga memiliki beberapa kelemahan bawaan yang mungkin bermasalah untuk digunakan dalam beberapa situasi. Sebagai contoh,
- Kesulitan dalam penyetelan awal
- Kebanyakan pengontrol PID memerlukan penyetelan manual dari konstanta proporsional, turunan, dan integral dari loop kontrol. Ini bisa menjadi rumit di awal karena mungkin butuh banyak waktu karena parameternya tidak diketahui. Untuk menyetel pengontrol PID, Anda dapat mengikuti langkah-langkah yang ditunjukkan dalam ini video.
- Pengontrol suhu PID
- Kontroler PID, secara umum, linier. Ini berarti bahwa mereka bekerja paling baik dalam sistem linier (dapat diprediksi). Jika sistem tidak linier, kinerjanya dapat bervariasi.
Kontrol PID adalah sistem kontrol umpan balik yang mengandalkan kesalahan antara titik setel dan nilai proses. Ketika gangguan eksternal terjadi yang meningkatkan kesalahan, kontroler PID mengintervensi dan mencoba membawa kesalahan ke nol. Ini bekerja dengan baik untuk gangguan dalam magnitudo yang lebih tinggi. Namun, untuk perubahan kecil dalam suatu sistem, loop PID bisa memakan waktu lebih lama untuk mengkompensasi dan ini bisa kurang diinginkan dalam beberapa kasus.
Bagaimana Anda mengatur PID untuk kontrol suhu?
Ada dua jenis penyetelan PID, penyetelan otomatis dan manual. Penyetelan otomatis mengikuti algoritme untuk secara otomatis menentukan konstanta proporsional, integral, dan turunan untuk pengontrol. Proses manual membutuhkan trial-and-error untuk menyetel pengontrol dengan benar. Kontroler otomatis dapat memudahkan proses ini dengan mempersempit nilai untuk konstanta tertentu.
Untuk mengetahui cara mengonfigurasi konstanta P, I dan D dari pengontrol tertentu, silakan merujuk ke manual penggunanya terlebih dahulu. Juga, membuat modifikasi apa pun, pastikan bahwa penyesuaian tidak akan menyebabkan efek serius pada sistem. Idealnya, Anda akan membutuhkan lingkungan yang terkendali untuk melakukan proses penyetelan.
Penyetelan PID umumnya dimulai dengan menentukan penguatan proporsional sambil membiarkan dua nilai lainnya konstan. Tetapkan konstanta proporsional ke nilai bahwa sistem mulai berosilasi di sekitar setpoint. Anda dapat meningkatkan nilai P saat ini dengan faktor dua, dan jika itu menyebabkan terlalu banyak osilasi, kurangi hingga 50% dari jumlah yang meningkat.
Setelah mencapai osilasi yang cukup stabil, suku integral dapat disetel dengan cara yang sama. Saat menyetel konstanta integral, sesuaikan sehingga sistem mencapai titik setel dalam waktu paling sedikit. Saat menyetel konstanta integral, dapat terjadi overshoot dan osilasi.
Akhirnya, sesuaikan konstanta turunan untuk meminimalkan osilasi di bawah gangguan eksternal.
Jika Anda menggunakan pengontrol PID yang lebih canggih seperti Pengontrol PID Seri Omega Platinum, pabrikan mungkin menawarkan perangkat lunak khusus untuk menyempurnakan sistem dengan cara yang lebih akurat. Mungkin juga ada fitur tambahan seperti output latching, alarm, dan algoritma penyetelan otomatis yang cerdas.
Aplikasi Pengontrol suhu PID
Pengontrol suhu PID umumnya digunakan dalam aplikasi di mana waktu respons yang lebih cepat dan akurasi yang lebih tinggi diperlukan.
Salah satu aplikasi tersebut adalah industri pembuatan ban. Saat menyiapkan bahan mentah dan mencampur kompon, suhu campuran karet harus dijaga pada batas yang sangat halus untuk memastikan bahan diperlakukan dengan benar.
Dalam industri pengolahan makanan dan minuman seperti pasteurisasi susu, suhu harus sangat tepat untuk mencegah bakteri tumbuh dan kehilangan nutrisi penting. Pengontrol suhu PID digunakan untuk menjaga suhu dalam susu selama proses pasteurisasi.
Aplikasi lain dari pengontrol PID adalah sektor kesehatan. Mesin seperti alat uji, lemari es medis, inkubator dan ruang tumbuh harus menjaga suhu di bawah margin yang sangat ketat. Pengontrol suhu PID hampir selalu menemukan aplikasi dalam sistem ini.
Bagaimana Cara Memilih Pengontrol Suhu PID?
Saat membeli pengontrol suhu PID, cari spesifikasi utama berikut:
- Tipe masukan
- Pengontrol suhu membutuhkan sensor yang sesuai untuk mendapatkan nilai proses. Ini dilakukan melalui sensor suhu. Ini bisa berupa termokopel (tipe K, J, T atau lainnya), dan RTD atau bahkan sensor suhu digital dalam beberapa kasus. Pilih salah satu yang khusus untuk digunakan dalam aplikasi tertentu.
- Kisaran suhu
- Penting untuk mengetahui kisaran suhu sistem akan bekerja di bawah. Perhitungkan setiap ekstremitas yang mungkin dialami sistem selama operasi.
- Jenis output
- Jenis keluaran dapat berupa elektromekanis (relai). SSR atau keluaran digital.
- Tindakan kontrol
- Ini bisa berupa kontrol on/off, relatif atau PID sederhana.
- Fitur tambahan
- Periksa apakah perangkat mendukung penyetelan lanjutan dan fitur tambahan apa pun seperti keluaran alarm, profil yang dapat diprogram, dan dukungan untuk integrasi dengan sistem SCADA jika aplikasi memerlukannya.
Kesimpulan
Pengontrol suhu PID digunakan di banyak sistem otomasi untuk mengontrol dan mempertahankan suhu secara akurat. Ada alternatif pengontrol PID yang dapat digunakan dalam aplikasi kontrol suhu di mana akurasi dan kecepatan seperti itu tidak diperlukan.
