Temperatuurregelaars zijn instrumenten die worden gebruikt om verwarmingsapparatuur te regelen. Ze worden gebruikt in industriële en huishoudelijke omgevingen om gedurende de tijd een ingestelde temperatuur te handhaven met minimale schommelingen. In dit artikel zullen we het hebben over de PID-temperatuurregelaars, hoe ze werken en hoe ze te gebruiken.
Wat is een PID-temperatuurregelaar en hoe werkt deze?
Laten we het hebben over temperatuurregelaars in het algemeen voordat we PID-regelaars bespreken. Temperatuurregelaars zijn apparaten die verwarmingselementen/spiralen kunnen regelen om de noodzakelijke temperatuur voor een proces te verschaffen. Dit kunnen elektronische of elektromechanische apparaten zijn, zoals thermostaten. Hun basisfunctionaliteit is om het verwarmingselement in te schakelen wanneer de temperatuur onder een minimum komt, en uit te schakelen wanneer de gewenste temperatuur is bereikt.
Er zijn drie hoofdtypen temperatuurregelaars; aan-uit, proportioneel en PID-lus soort regelaars. Het PID-type is het meest geavanceerde type temperatuurregelaar van hen. Het is de meest nauwkeurige en snelst reagerende controller.
Het acroniem 'PID' staat voor 'Proportional-Integral-Derivative'-regeling, een zeer populaire en effectieve closed-loop-regelmethode die wordt gebruikt in snel veranderende omgevingen. Het behoort tot de 'optimale' categorie van regeltheorie die de poging beschrijft om een bepaalde procesvariabele optimaal te bereiken.
In het geval van PID-temperatuurregelaars is de optimale variabele de procestemperatuur. Het apparaat moet werken aan het zo snel mogelijk bereiken van de ingestelde temperatuur op de meest nauwkeurige manier zonder overshoot, lag of storing. Om de proceswaarde/huidige temperatuur te bewaken, gebruiken de PID-temperatuurregelaars een of meer thermokoppel/RTD of een andere vorm van temperatuurmeting. Gebruikmakend van deze waarde als invoer tegen het instelpunt, past de regelaar vervolgens het vermogen aan dat aan de aandrijving (verwarmer) wordt geleverd om de temperatuur te verhogen. Als de huidige temperatuur hoger is dan het setpoint, wordt de stroom naar de verwarming uitgeschakeld. Het verschil tussen de proceswaarde en het setpoint wordt genoemd fout. De controller probeert de fout de hele tijd dicht bij nul te houden.
Het idee achter de implementatie van PID is echter om nooit het temperatuurinstelpunt te overschrijden en tegelijkertijd de ingestelde temperatuur zo snel mogelijk te bereiken. Hiervoor hanteren de PID-temperatuurregelaars drie verschillende, maar toch verbonden benaderingen:
-
- Proportioneel: wanneer de proceswaarde (huidige temperatuurmeting) lager is dan het setpoint, wordt het vermogen proportioneel met de fout verhoogd. Een grotere fout betekent dat er meer vermogen aan de verwarming wordt geleverd om snel op te warmen. Een kleinere fout zorgt ervoor dat de controller het vermogen vermindert.
- Integraal: Een geïntegreerd deel van de controller probeert het uitgangsvermogen naar de verwarming te verhogen om de tijd die nodig is om het instelpunt te bereiken te verkorten. Als het vermogen niet voldoende is om de fout te verminderen, probeert de integrale controller het vermogen naar de verwarming te verhogen.
- Derivaat: De afgeleide controle wordt beïnvloed door de verstreken tijd. Naarmate de tijd verstrijkt en de temperatuurfout afneemt, wordt ook het uitgangsvermogen verlaagd om doorschieten te voorkomen.
Deze drie controllers regelen uiteindelijk het vermogen naar de verwarming om een reactie te verkrijgen zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. De het instellen van punt gemarkeerd op de x-as is de gewenste temperatuur.
PID temperatuurregelaar circuit
PID-temperatuurregelaars zijn verkrijgbaar in vele configuraties. Gewoonlijk leest de controller alleen de procestemperatuur via een sensor en regelt hij een extern vermogensregelapparaat zoals een SSR om het vermogen dat op de verwarmer wordt toegepast te regelen. De afbeelding hieronder toont zo'n kit met de PID-temperatuurregelaar, een SSR (Solid state Relay), de heatsink en de temperatuursensor.
Om dit systeem te bedraden, kan het volgende schema worden gevolgd. De thermokoppeldraden mogen niet worden verwisseld, omdat dit het vermogen van de controller om de procestemperatuur te lezen verstoort. Door een ongeldige temperatuurmeting kan de PID-temperatuurregelaar defect raken.
Sommige controllers hebben foutdetectiefuncties zoals open thermokoppeldetectie voor extra veiligheid. Dergelijke controllers kunnen stoppen met functioneren en de stroom naar de verwarmer uitschakelen als ze detecteren dat het thermokoppel is losgekoppeld.
Volgens de interne berekeningen die door de controller zijn gedaan, bestuurt deze het solid-state relais (SSR) om het toegepaste gemiddelde vermogen naar het verwarmingselement te regelen. Dit wordt gedaan door het stroomregelapparaat tijdelijk in en uit te schakelen. Als het systeem goed is afgesteld, kan het de gewenste temperatuur bereiken en de omstandigheden behouden, zelfs bij externe verstoringen.
Wat zijn de verschillende soorten apparaten voor temperatuurregeling?
Zoals we hierboven hebben besproken, zijn PID-temperatuurregelaars de meest nauwkeurige en snelst reagerende industriële temperatuurregelaars. Er zijn nog twee soorten apparaten voor temperatuurregeling die minder nauwkeurig zijn, maar nuttig zijn in bepaalde toepassingen.
Aan/uit temperatuurregelaars
Dit is de meest eenvoudige vorm van temperatuurregelaars. De aan-uit temperatuurregelaar heeft twee parameters, de setpunt en differentiaal. Het setpoint is de gewenste temperatuur die het systeem moet hebben. Het differentieel (ook bekend als histerese) zijn de twee uitersten die de grenzen bepalen wanneer de temperatuurregelaar moet worden in- en uitgeschakeld. Het minimum gedefinieerd bij welke temperatuur de verwarming moet inschakelen en vice versa.
Aan/uit-temperatuurregelaars zijn vaak het gemakkelijkst te bedraden. Ze hebben drie externe verbindingen nodig om te functioneren:
- Stroomvoorziening – Levert stroom aan de temperatuurregelaar.
- Sensor – Een temperatuursensor zoals een RTD of een thermokoppel voor het verkrijgen van de huidige temperatuur van het systeem.
- Aandrijving – Dit kan een relais zijn of een SSR die a aanstuurt. hoogvermogenverwarmer, of een directe verwarmeraansluiting als het apparaat een ingebouwd relais heeft
- Gebruikers invoer – Moderne temperatuurregelaars hebben digitale displays met knopingangen om de parameters te configureren. Sommige apparaten hebben draaibare potentiometers om de limieten handmatig in te stellen.
Aan/uit-type temperatuurregelaars worden gebruikt in systemen waar de temperatuurveranderingen erg langzaam zijn en nauwkeurige regeling niet nodig is.
Proportionele temperatuurregelaars
Proportionele temperatuurregelaars zijn een vereenvoudigde versie van PID-temperatuurregelaars. In tegenstelling tot de aan/uit-regelaars die worden geactiveerd wanneer de temperatuur onder of boven de drempels daalt, sturen proportionele regelaars de uitgang bijna altijd aan om de temperatuur te handhaven.
Dit soort regelaars regelen de temperatuur door het aan de verwarming geleverde vermogen te variëren. Dit omvat solid-state controle zoals SSR om het uitgangsvermogen aan te passen. Het temperatuurbereik waarin het apparaat werkt, wordt 'proportionele band' genoemd. Net als het aan/uit-type hebben deze ook boven- en ondergrenzen.
Bij het opstarten gedragen proportionele temperatuurregelaars zich vergelijkbaar met het aan/uit-type. Om de systeemtemperatuur in de proportionele band te brengen, liet de controller de verwarming op 100% vermogen werken. Zodra de temperatuur de minimumdrempel van de proportionele band overschrijdt, wordt het vermogen verlaagd om de temperatuur binnen het vereiste gebied te houden.
In het onderstaande diagram is de bruine grafiek een pure proportionele regelaar. We kunnen zien hoe de temperatuur constant varieert binnen een smal gebied tussen 10 en 18 Celsius.
Voor- en nadelen van PID-temperatuurregelaar:
PID-temperatuurregelaars zijn erg handig in dynamische systemen. Ze worden veel gebruikt in toepassingen waar de temperatuur vaak fluctueert. PID-temperatuurregelaars kunnen de vooraf ingestelde temperaturen handhaven, ongeacht de veranderende systeemomstandigheden.
Net als bij elke andere industriële regelaar zijn er voor- en nadelen verbonden aan PID-temperatuurregelaars.
Voordelen van de PID-temperatuurregelaar:
Hier zijn enkele voordelen van het gebruik van een PID-temperatuurregelaar:
- Eenvoudige installatie en implementatie
- PID-temperatuurregelaars zijn geïntegreerde apparaten die slechts enkele externe componenten nodig hebben om te functioneren
- Verhoogde stabiliteit van het systeem
- PID-regelaars kunnen externe storingen in het systeem snel compenseren. Dit is erg belangrijk bij temperatuurgevoelige toepassingen.
- Vermindert steady-state fout
- Normale aan-uit type controllers hebben vaak een grote overshoot. Dit betekent dat de systeemtemperatuur bijna altijd hoger kan zijn dan de gewenste waarde, ook al is het maar voor een fractie van tijd. Een goed afgestelde PID-regelaar kan dit probleem verhelpen door de ingestelde temperatuur te bereiken zonder door te schieten.
- Snellere reactie
- PID-regelaars bereiken in de meeste gevallen het setpoint sneller dan elke andere regelaar. Dit is erg handig in zeer dynamische systemen om de vereiste temperatuur te bereiken en te behouden.
Nadelen van de PID-temperatuurregelaar:
PID-regelaars hebben ook enkele inherente nadelen die in sommige situaties problematisch kunnen zijn. Bijvoorbeeld,
- Moeilijkheden bij de eerste afstemming
- De meeste PID-regelaars vereisen handmatige afstemming van de proportionele, afgeleide en integrale constanten van de regelkring. Dit kan in het begin omslachtig zijn, omdat het veel tijd kan kosten omdat de parameters niet bekend zijn. Om een PID-regelaar af te stemmen, kunt u de stappen volgen die worden weergegeven in dit video.
- PID temperatuurregelaars
- PID-regelaars zijn over het algemeen lineair. Dit betekent dat ze het beste werken in lineaire (voorspelbare) systemen. Als het systeem niet-lineair is, kunnen de prestaties variëren.
PID-regeling is een feedbackregelsysteem dat vertrouwt op de fout tussen het instelpunt en de proceswaarde. Wanneer zich een externe storing voordoet die de fout vergroot, grijpt de PID-regelaar in en probeert de fout op nul te brengen. Dit werkt goed voor verstoringen in hogere magnitudes. Voor kleine veranderingen in een systeem kan het echter langer duren voordat de PID-lus is gecompenseerd en dit kan in sommige gevallen minder wenselijk zijn.
Hoe stel je PID in voor temperatuurregeling?
Er zijn twee soorten PID-afstemming, automatische en handmatige afstemming. Automatische afstemming volgt een algoritme om automatisch de proportionele, integrale en afgeleide constanten voor de controller te bepalen. Het handmatige proces vereist trial-and-error om de controller goed af te stemmen. Automatische regelaars kunnen dit proces vergemakkelijken door de waarden voor de specifieke constanten te beperken.
Raadpleeg eerst de gebruikershandleiding om erachter te komen hoe u de P-, I- en D-constanten van een bepaalde controller kunt configureren. Zorg er bij het aanbrengen van eventuele wijzigingen ook voor dat de aanpassingen geen ernstige gevolgen voor het systeem hebben. Idealiter hebt u een gecontroleerde omgeving nodig om het afstemmingsproces uit te voeren.
PID-afstemming begint over het algemeen met het bepalen van de proportionele versterking, terwijl de andere twee waarden constant blijven. Stel de proportionele constante in op een waarde waarbij het systeem begint te oscilleren rond het setpoint. U kunt de huidige P-waarde met een factor twee verhogen en als deze te veel oscillatie veroorzaakt, verlaagt u deze met 50% van de verhoogde waarde.
Na het bereiken van een redelijk stabiele oscillatie, kan de integrale term op dezelfde manier worden afgestemd. Pas bij het afstemmen van de integrale constante deze zo aan dat het systeem het instelpunt in de kortst mogelijke tijd bereikt. Bij het afstemmen van de integrale constante kunnen er overshoots en oscillaties zijn.
Pas ten slotte de afgeleide constante aan om de oscillaties onder externe storingen te minimaliseren.
Als u een meer geavanceerde PID-controller gebruikt, zoals de Omega Platinum-serie PID-controllers, kan de fabrikant gespecialiseerde software aanbieden om het systeem nauwkeuriger af te stemmen. Er kunnen ook extra functies zijn, zoals vergrendelende uitgangen, alarmen en intelligente automatische afstemmingsalgoritmen.
Toepassingen van PID-temperatuurregelaars:
PID-temperatuurregelaars worden over het algemeen gebruikt in toepassingen waar een snellere responstijd en een hogere nauwkeurigheid nodig zijn.
Een van die toepassingen is de bandenindustrie. Bij het bereiden van de grondstof en het mengen van de verbindingen moet de temperatuur van het rubbermengsel op een zeer fijne marge worden gehouden om ervoor te zorgen dat het materiaal goed wordt behandeld.
In voedsel- en drankverwerkende industrieën, zoals melkpasteurisatie, moeten de temperaturen zeer nauwkeurig zijn om te voorkomen dat bacteriën groeien en belangrijke voedingsstoffen verloren gaan. PID-temperatuurregelaars worden gebruikt om de melk op temperatuur te houden tijdens het pasteurisatieproces.
Een andere toepassing van PID-regelaars is de zorgsector. Machines zoals testapparatuur, medische koelkasten, incubators en kweekkamers moeten de temperatuur onder zeer krappe marges handhaven. PID-temperatuurregelaars vinden bijna altijd toepassingen in deze systemen.
Hoe een PID-temperatuurregelaar kiezen?
Let bij het kopen van een PID-temperatuurregelaar op de volgende belangrijke specificaties:
- Invoertype
- De temperatuurregelaar heeft een geschikte sensor nodig om de proceswaarde te verkrijgen. Dit gebeurt door middel van een temperatuursensor. Het kan een thermokoppel zijn (K, J, T-type of een ander), en RTD of zelfs een digitale temperatuursensor in sommige gevallen. Selecteer er een die gespecialiseerd is om in de specifieke toepassing te worden gebruikt.
- Temperatuurbereik
- Het is belangrijk om te weten onder welk temperatuurbereik het systeem zal werken. Houd rekening met eventuele extremiteiten die het systeem tijdens het gebruik kan ondergaan.
- Uitgangstype
- Uitgangstype kan elektromechanisch zijn (relais). SSR of een digitale uitgang.
- Controle actie
- Dit kan een eenvoudige aan/uit-, relatieve of PID-regeling zijn.
- Extra functies
- Controleer of het apparaat geavanceerde afstemming en eventuele extra functies ondersteunt, zoals alarmuitgangen, programmeerbare profielen en ondersteuning voor integratie met SCADA-systemen als de toepassing dit vereist.
Conclusie
PID-temperatuurregelaars worden in veel automatiseringssystemen gebruikt om de temperatuur nauwkeurig te regelen en te handhaven. Er zijn alternatieven voor PID-regelaars die kunnen worden gebruikt in toepassingen voor temperatuurregeling waar een dergelijke nauwkeurigheid en snelheid niet vereist zijn.
