Lämpötilaohjainten ja PLC-mikro-ohjainten käyttö nopeuttaa pienen mittakaavan automaatioprojekteja

Lämpö. Lämpö on tärkeää useissa teollisuusprosesseissa, kuten pakkausten sinetöintikoneissa, muovivalussa, sulatusjuotosuuneissa ja puolijohteiden käsittelyssä. Kullakin prosessilla on omat vaatimuksensa lämpötilan ja ohjaustarkkuuden suhteen.

Automaatio mahdollistaa tuottavuuden ja kestävyyden maksimoinnin Teollisuus 4.0 -prosesseissa. Tämä koskee myös pieniä koneita ja lämpökäsittelyä. Kaikissa tilanteissa ei kuitenkaan tarvita suuria ja kaikenkattavia ratkaisuja. Monien sovellusten suorituskykyä voidaan parantaa melko yksinkertaisilla dedikoiduilla lämpötilaohjaimilla ja pienillä ohjelmoitavilla logiikkaohjaimilla (Programmable Logic Controller, PLC).

Yksinkertaisissa automaatioprojekteissa konesuunnittelijoilla on paljon vaihtoehtoja, mukaan lukien yksi- ja kolmivaihesähköä käyttävät lämmitysohjaimet, sofistikoituneita ohjausalgoritmeja käyttävät lämmitysohjaimet sekä pieniin ja keskisuuriin automaatioympäristöihin optimoidut PLC-ohjaimet. Joitain pieniä koneita käytetään suhteellisen erillään, kun taas toiset kannattaa yhdistää suuremman mittakaavan toimintoihin.

Tässä artikkelissa tutustutaan erilaisiin virta- ja lämmitysohjainvaihtoehtoihin ja siinä tarkastellaan sekä laitteisto- että ohjelmistotekijöitä. Sitten artikkelissa käsitellään lämpöanturitekniikkaa sekä pienille ja keskisuurille koneille optimoitujen PLC-ohjaimien järjestelmäintegraatiota. Artikkelissa myös esitellään Omronin esimerkkituotteita.

Teollisuusprosessien tehokkuuden ja laadun ylläpito vaatii usein lämpötilaohjausta. Esimerkkejä tästä ovat kuumakovettuvien hartsien ja liimojen kovettaminen sekä elintarviketuotanto. Teollisuuslämmittimet ovat tarpeellisia, mutta lämpötilaohjaimet ovat avainasemassa.

Teollisuuslämmitinten lämpötilaa voi ohjata monella tapaa. Menetelmä valitaan järjestelmän toimintaprioriteettien mukaan. Yksinkertaista jänniteohjausta voidaan käyttää, kun ei tarvita huipputarkkaa lämpötilaohjausta ja toimintakustannusten pitäminen alhaalla on tärkeää.

Säätämällä lämmityselementin jännitettä voidaan ohjata lämmittimen virrankulutusta ja lämmöntuotantoa. Jännitettä ja vastaavasti lämpötilaa voidaan muuttaa nopeasti, mutta tähän liittyy viive, joka vaihtelee järjestelmän rakenteen mukaan. Jännitteen laskeminen laskee energiakustannuksia ja lämpötilaa. Monissa prosesseissa reaktioaika voi kuitenkin olla liian pitkä lämpötilan laskemiseksi ajoissa, ja lämpötilan tarkka ohjaus voi olla hankalaa.

Jänniteohjausta edistyneempi ratkaisu

Useissa sovelluksissa perustason jänniteohjaus ei ole riittävä. Tällaisissa tapauksissa suunnittelijat voivat käyttää ON/OFF-ohjausta, sykliohjausta, optimoitua sykliohjausta tai vaiheohjausta (kuva 1). Kullakin tekniikalla on omat suorituskykyominaisuutensa:

• Vaiheohjaus tarjoaa parhaan ohjausvasteen, kompaktin ja edullisen ratkaisun sekä useimpien sovellusten kannalta hyväksyttävän kohinatason.
• Sykliohjaus mahdollistaa hyvän ohjausvasteen, kompaktin ratkaisun, alhaiset kustannukset ja erinomaisen kohinatason. Optimoidussa sykliohjauksessa kytkentätila määritetään aina puolen syklin välein.
• ON/OFF-ohjaus puolijohdereleillä (Solid State Relay, SSR) mahdollistaa hyvän ohjausvasteen, kaikkein kompakteimman ratkaisun, kohtuulliset kustannukset ja erinomaisen kohinatason.

Kuva 1: Teollisuuslämmitinten ohjaimien virtakytkentävaihtoehdot. (Kuvan lähde: Omron)

Vaiheohjauksen ja optimoidun sykliohjauksen toteutus

Omron tarjoaa suunnittelijoille useita vaihtoehtoja ON/OFF-ohjauksen, vaiheohjauksen ja optimoidun sykliohjauksen toteutukseen. Yksi esimerkki on G3PW-A245EU-S, jonka jänniteluokitus on 100 V_AC – 240 V_AC. Yrityksellä on myös muita malleja jänniteluokituksella 400 V_AC – 480 V_AC.

Nämä ohjaimet voivat tunnistaa lämmittimen ylikuumenemisvian. Tämä parantaa järjestelmän käytettävyyttä. RS-485-tiedonsiirtoportin avulla voidaan määrittää muuttujia ja valvoa kuormitusvirtaa.

G3PW-ohjaimet tukevat kokonaiskäyttöajan seurantaa, ja ne sopivat käyttöön sekä vastusarvoltaan muuttumattomien että muuttuvien kuormien kanssa.

Usean kanavan virtaohjaimet

Usean kanavan G3ZA-virtaohjainsarjassa on kolmivaiheinen optimoitu sykliohjaus, joka tukee kolmivaihelämmittimiä. Kun sitä käytetään nollanylitys-SSR-releiden kanssa, se mahdollistaa virtatoiminnot matalalla kohinalla. Yhdellä ohjaimella voidaan ohjata jopa kahdeksaa SSR-relettä. Lisäksi lamppulämmitinten kanssa voidaan käyttää pehmeäkäynnistystoimintoa (kuva 2).

Kuva 2: Usean kanavan G3ZA-virtaohjaimet tukevat kolmivaiheista optimoitua sykliohjausta. (Kuvan lähde: Omron)

Kolmivaihelämmittimiä varten niihin on lisätty kolmivaiheinen optimoitu sykliohjaus. G3ZA-4H203-FLK-UTU tarjoaa jänniteluokituksen 100 V_AC – 240 V_AC ja se tukee RS-484-yhteyttä. Muita malleja on saatavana jänniteluokituksella 400 V_AC – 480 V_AC.

Lämpötilaohjaimet järjestelmäintegraatiossa

Sellaiset lämpötilaohjaimet kuten EJ1N-TC4A-QQ voidaan yhdistää esimerkiksi G3ZA-sarjan usean kanavan virtaohjaimiin. Niissä on tulot lämpötila-antureja varten sekä liitännät järjestelmän PLC-ohjainta varten. Tuloyksikkö tukee lämpöpareja, platinasta valmistettuja vastuslämpömittareita (Resistance Temperature Detector, RTD) ja analogisyötteitä.

Toimintoihin kuuluu automaattinen viritys (Auto-Tuning, AT), joka helpottaa PID (Proportional-Integral-Digital) -ohjauksen toteuttamista. Itsevirityksen avulla voidaan määrittää PID-vakiot käyttämällä manuaalisesti askelvastemenetelmää. Yhteen DeviceNet-tiedonsiirtokeskittimeen voidaan kytkeä jopa 16 lämpötilaohjainta.

Lämpöhallintaohjelmisto

EJ1N-lämpötilaohjainten kanssa voidaan käyttää EST2-2C-MV4-lämpöhallintaohjelmistoa. Se mahdollistaa parametrien muokkauksen ja erälatauksen tietokoneella, mikä nopeuttaa konfigurointia ja käyttöönottoa.

Se tukee myös jopa 31 ohjaimen trendiseurantaa. Seurattaviin parametreihin kuuluvat prosessiarvot (Process Value, PV), järjestelmäarvot (System Value, SV), manipuloidut arvot (Manipulated Value, MV), PID-parametrit ja hälytyksen ON/OFF-tila.

Tuettuihin logiikkatoimintoihin kuuluvat tulojen asettaminen ulkoisten tapahtumien (tapahtumatulot) tai lämpötilan perusteella, arvojen lähettäminen ulkoiselle ohjaimelle tai lisälähtöihin sekä toimintatilan asettaminen ON/OFF-viiveillä.

Parannettu PID

PID-ohjaus voi olla erittäin hyödyllinen työkalu lämpötilan ohjaussovelluksissa. Sellaiset virtaohjaimet kuten nopeasti kytkeviä SSR-releitä käyttävät G3ZA-sarjan usean kanavan ohjaimet voivat tarjota yhdessä PID-algoritmeja käyttävien lämpötilaohjainten kanssa hienojakoisen ohjauksen vaadittujen lämpötoleranssien ylläpitämiseksi.

Perustason PID-ohjas on kompromissi. Jos SV-arvo halutaan saavuttaa nopeasti, ylitys on suurempi, tai jos ylitys halutaan minimoida, SV-arvo saavutetaan hitaammin. Lisäksi on tehtävä kompromissi SV-arvon saavuttamisen ja sen välillä, miten anturin mittaamassa PV-arvossa oleviin häiriöihin reagoidaan. Parempi vaste PV-muutoksiin merkitsee usein heikompaa suorituskykyä SV-arvon kasvattamisessa.

Näiden suorituskykykompromissien ratkaisemiseksi Omron on kehittänyt parannetun PID-algoritmin nimeltä 2-PID, joka merkitsee kahden vapausasteen PID-ohjausta. Tehtaalla tehdyt PID-esiasetukset sopivat useimpiin lämmityssovelluksiin ja niiden vaste tarjoaa minimaalisen ylityksen. 2-PID-ohjauksessa suunnittelijat voivat kuitenkin määrittää, kuinka nopeasti SV-muutoksiin reagoidaan, ja ohjain säätää PID-algoritmia automaattisesti niin, että vaste PV-häiriöihin on optimaalinen (kuva 3).

Kuva 3: Omronin 2-PID-lämpötilaohjaus (alempi kuvaaja) tarjoaa hyvän häiriövasteen (oikea puoli) ja hyvän askelvasteen (vasen puoli). (Kuvan lähde: Omron)

Omronin E5CC-lämpötilaohjaimet tarjoavat 2-PID-ohjauksen, esimerkkinä E5CC-QX3A5M-003. Näillä ohjaimilla voidaan myös toteuttaa perustason ON/OFF-ohjaus vähemmän vaativiin sovelluksiin.

Suuri valkoinen PV-näyttö ilmoittaa prosessiarvon ja pienempi vihreä SV-näyttö tavoitearvon (kuva 4). Valinnainen CX-Thermo-hallintaohjelmisto nopeuttaa ohjelmointia. Näillä ohjaimilla voi toteuttaa yksinkertaisten sovellusten ajastintoimintoja ja perustason PLC-logiikkatoimintoja.

Kuva 4: E5CC-lämpötilaohjaimet esittävät PV- ja SV-arvot selkeästi. (Kuvan lähde: DigiKey)

RS-485-rajapinta tukee Modbus-tiedonsiirtoa ja Omronin omaa CompoWay/F-protokollaa. Nämä ohjaimet hyväksyvät erilaisia tuloja, kuten

• 12 lämpöparityyppiä
• PT100- ja JPt100-RTD-anturit
• Virtatulot 4–20 mA ja 0–20 mA
• Jännitetulot 1–5 V, 0–5 V ja 0–10 V.

Adaptiivinen PID häiriöiden vaimennukseen

Mukautuvat NX-TC-lämpötilaohjaimet nostavat PID-ohjauksen uudelle tasolle mukautumalla käyttöolosuhteisiin reaaliajassa. Adaptiivinen säätö mahdollistaa ohjausasetusten itseoptimoinnin prosessimuutosten mukaan. Lisäksi näissä ohjaimissa on sisäänrakennetut toiminnot pakkausten sinetöinnin ja vesijäähdytetyn muovipursotuksen kaltaisiin sovelluksiin. Yksinkertaisissa sovelluksissa voidaan toteuttaa perustason ON/OFF-ohjaus.

Häiriönvaimennustoiminto (Disturbance Suppression Function, DSF) toimii yhdessä PID-ohjauksen kanssa lämpötilan laskun vaimentamiseksi rutiininomaisten ja odotettujen häiriöiden yhteydessä esimerkiksi seuraavissa sovelluksissa:

• Kerrostuslaitteet, joissa kammion lämpötila laskee, kun kaasua tai materiaalia lisätään tai poistetaan avoimen luukun kautta.
• Puolijohdekiekkojen tarkastuslaitteet, kun kiekkoon syötetään virtaa ja lämpötila nousee.
• Muovausjärjestelmät, joissa muotin lämpötila laskee hartsin ruiskutuksen aikana.

DSF vaimentaa ennakoitavien tapahtumien aiheuttamia lämpötilan nousuja ja laskuja automaattisesti. DSF käynnistetään häiriöitä edeltävillä laukaisinsignaaleilla, jolloin se kasvattaa tai laskee MV-arvoa. Tämä automaattinen viritys säätää MV-myötäkytkentää (Feed Forward, FF) sekä myötäkytkennän toiminta- ja odotusaikoja. Sen avulla voidaan nopeuttaa lämpötilan vakautumista jopa 80 % (kuva 5).

Kuva 5: DSF-avustetulla PID-ohjauksella voidaan nopeuttaa lämpötilan vakautumista jopa 80 %. (Kuvan lähde: Omron)

SSR-releiden ohjaukseen suunnitellut NX-TC-yksiköt, kuten 2-kanavainen NX-TC2405, on optimoitu skaalautumista ajatellen. Suunnittelijat voivat käyttää Omronin Sysmac Studio -ohjelmistoa useiden lämmityspiirien tai -sijaintien ohjauksen ohjelmointiin monivaiheisissa lämmitys-/jäähdytysprosesseissa.

DSF-PID-toiminnon ohella nämä ohjaimet tukevat ON/OFF-ohjausta, ja niihin kuuluu lämmittimen ylikuumenemisvian tunnistaminen. Ne tukevat EtherNet/IP- ja EtherCAT-verkkoyhteyksiä ja niihin voidaan kytkeä erilaisia lämpöpari- ja RTD-anturituloja.

Optimointi vaatii mittauksia

Virtakytkentäratkaisut, lämpötilaohjaimet ja lämmönhallintaohjelmistot eivät voi tarjota optimaalisia tuloksia ilman tarvittavia tietoja. Lämpötila-anturit tarjoavat ohjaimille ja ohjelmistoille niiden vaatimat käyttötiedot. Suunnittelijat voivat käyttää useita erilaisia lämpöanturitekniikoita, kuten:

• Lämpöherkkinä vastuksina toimivat termistorit. Niiden toistotarkkuus ja vakaus on tyypillisesti noin ±0,1 °C. E52-THE5A-0/100C-mallin käyttölämpötila-alue on −50 °C … +300 °C.
• K-tyypin lämpöanturi on lämpöpari, joka sisältäää kromel- ja alumel-johtimen. Ne voidaan konfiguroida mm. upotettaviksi tai pinta-asennettaviksi antureiksi. E52-CA1GTY 2M -mallin käyttölämpötila-alue on 0 °C … +300 °C.
• RTD-anturit ovat erittäin tarkkoja, ja niiden immuniteetti sähköiselle kohinalle mahdollistaa niiden käytön haastavissa teollisuusympäristöissä. Platinainen pt100-tyyppinen RTD-anturi E52-P6DY 1M on luokiteltu käyttöön lämpötila-alueella −50 °C … +250 °C.
• Kosketuksettomat infrapuna-anturit (IR), kuten ES1-LW100-N, voivat mitata halkaisijaltaan 35 mm:n kohdealueen lämpötilan 1000 mm:n etäisyydeltä. Se on luokiteltu jopa +1000 °C:n lämpötilan mittaukseen.

Järjestelmän kokoaminen

Pienten ja keskikokoisten (enintään 320 I/O-linjaa) koneiden suunnittelijat voivat käyttää Omronin CPE2-sarjan PLC-ohjaimia. Näiden pienten PLC-ohjaimien tiedonsiirto-ominaisuudet tukevat koneidenvälistä (Machine-to-Machine, M2M) tiedonsiirtoa ja integrointia teolliseen esineiden Internetiin (Industrial Internet of Things, IIoT).

CPE2 PLC-ohjaimien toimintalämpötila-alue on −20 °C … +60 °C ja ne sopivat erilaisiin teollisuussovelluksiin, kuten pakkaus- ja sinetöintikoneet, täyttö- ja korkituskoneet, metallin ja muovin koneistustyökalut, muovivalukoneet ja pienten osien kokoonpano. CP2E-N30DR-D tarjoaa 18 tuloa ja 12 lähtöä ja sitä voidaan käyttää jännitteellä 100–240 V_AC tai 24 V_DC. Siihen voidaan yhdistää 7-tuumainen NB7W-TW01B-värikosketusnäyttö kokonaisen ratkaisun rakentamiseksi (kuva 6).

Kuva 6: Omron CP2E-N30DR-D -ohjain ja 7-tuumainen NB7W-TW01B-värikosketusnäyttö. (Kuvan lähde: Omron)

Yhteenveto

Lämmönhallinta on erittäin tärkeää monissa teollisuusprosesseissa. Tämä edellyttää optimoituja algoritmeja käyttävien virtaohjaimien ja lämmitysohjaimien valintaa ja integrointia. Lämpötila-anturit ovat toinen tärkeä osa lämmönhallinnan palapeliä. Suunnittelijat voivat lisäksi käyttää pieniä PLC-ohjaimia, jotka tukevat M2M-viestintää ja IIoT-verkkoon integrointia.