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欧米茄带您深入了解温度控制器

供稿:Omega工业测量(中国) 2016/3/29 14:40:16

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温度控制器简介

小型CN7700是一款基于微处理器的全功能控制器,具有 1⁄16DIN壳体。

如何精确可靠地控制过程温度?

为了在操作人员不进行大量介入的情况下精确地控制过 程温度,温度控制系统依靠控制器接收热电偶或RTD等 温度传感器的信号作为输入。它将实际温度与所需控制 温度或设定值比较,然后提供输出来控制加热元件。

控制器是整个控制系统的一部分,在选择合适的控制器 时应对整个系统进行分析。选择控制器时应考虑以下各 项:

1. 输入传感器的类型(热电偶、RTD)和温度范围
2. 所需输出的类型(机电式继电器、SSR、模拟 输出)
3 所需控制算法(通/断、比例、PID)
4 输出的数量和类型(加热、冷却、报警、限制)


有哪些类型的控制器,其工作原理是什么?

有三种基本类型的控制器:通断、比例和PID。根据要 控制的系统情况,操作人员可以使用一种或另一种来对 过程进行控制。

通/断

通断式控制器是形式最简单的温度控制装置。该装置的 输出非通即断,没有中间状态。通断式控制器只有在温 度越过设定值时才切换输出。对于加热控制,当温度低 于设定值时输出接通,高于设定值时切断。

由于靠温度越过设定值改变输出状态,过程温度将持续 循环,在设定值上下来回波动。当这种循环快速发生 时,为防止损坏接触器和阀门,可给控制器操作加一个 通断差值或“滞后”。此差值要求温度超过设定值一定 的量,然后输出才会再次切断或接通。通断差值可防止 输出“振荡”(即,当温度非常快速地在设定值上下循 环时快速接合、频繁切换)。

通断式控制通常用在不需要精确控制的场合、无法处理 频繁接通和切断能源的系统中、因系统质量太大而温度 变化极慢的场合,或者用作温度报警。

用作报警的一种特殊类型通断控制装置为限制控制器。 这种控制器使用必须手动复位的锁定继电器,用于在达 到特定温度时关闭过程。

比例

比例控制设计用于消除伴随通断控制的循环。比例控制 器在温度接近设定值时降低供给加热器的平均功率。这 有放慢加热器加热的效果,以使其不会超过设定值,而 只是接近设定值并维持在一个稳定的温度。这种比例作 用可通过以短时间间隔接通和切断输出来实现。该“ 时间比例”用于改变“接通”时间和“切断”时间的比 例,从而控制温度。比例作用发生在设定温度附近的 一个“比例带”内。超出此比例带,控制器的作用方式 与通断控制器一样,输出为全通(比例带以下)或全断 (比例带以上)。但是,在比例带内,输出的接通和切 断与测量值和设定值之差成比例。在设定值(比例带的 中点)处,输出通断比为1:1,即接通时间和切断时间 相等。如果温度远离设定值,接通时间和切断时间与温 差成比例变化。如果温度低于设定值,输出接通时间较 长,如果温度过高,输出切断时间较长。


CN3251控制器具有斜坡和保温功能,能够长时间控制温度。

比例带通常以满量程的百分比或度表示。它也可以称为 增益,是比例带的倒数。请注意,在时间比例控制中, 加热器以最大功率工作,但循环接通和切断,因此平均 时间是变化的。在大多数装置中,循环时间和/或比例带 可以调节,从而使控制器可以更好地匹配特定的过程。

除机电和固态继电器输出外,比例控制器也可以提供比 例模拟输出,如4 ~ 20 mA或0 ~ 5 Vdc。在这些输出 中,变化的是实际输出电平,而不是通断时间,与继电 器输出控制器一样。

比例控制的优点之一是操作简单。它只需要操作人员在 首次启动时或在过程条件发生明显变化时进行很小的调 整(手动复位),以使温度达到设置值。


温度循环范围宽的系统也需要比例控制器。根据过程情 况和所需精度不同,可能需要简单的比例控制器或带 PID的控制器。

具有长时间滞后和较大的最大升温速度的过程(如热交 换器)需要较宽的比例带来消除振荡。宽比例带在负载 变化时会产生较大的偏移量。为消除这些偏移量,可使 用自动复位(积分)。微分(速率)作用可以用在有长 时间延迟的过程上,以在过程扰动后加快恢复。

选择控制器时还须考虑其它功能。包括自动整定或自整 定功能,具有这种功能的仪器将自动计算精确控制所需 的正确比例带、速率和复位值;串行通信功能,具有 这种功能的装置可以与主机“对话”,以进行数据存 储、分析和整定;报警功能,该功能可以为锁定(手动 复位)或非锁定(自动复位),设置在过程温度过高或 过低时或在观察到与设定值的偏差时触发;计时器/事件 指示器,可以标记持续时间,或一个事件的结束/开始 时间。此外,继电器或三端双向可控硅开关输出装置可 以与外部开关(如SSR固态继电器或磁接触器)一起使 用,以便开关高达75 A的大负载。

PID

第三种控制器提供比例与积分和微分控制,或称PID。 这种控制器在比例控制中结合了两个附加调整,可帮助 装置自动补偿系统中的变化。这两个调整(积分和微 分)用基于时间的单位表示,也分别用其倒数“复位” 和“速率”来称呼。

比例、积分和微分项必须使用“试误法”针对特定系统 专门调节或“整定”。它在三种控制器类型中提供最精 确、最稳定的控制,最适用于质量相对较小,对过程所 加能源的变化反应迅速的系统。在负载变化频繁系统 中,以及因为设定值、可供能源或要控制的质量频繁 变化而需要控制机自动补偿的系统中,建议使用这种 控制器。

速率和复位有什么作用,它们如何发挥作用?

速率和复位是控制器用来补偿温度偏移和漂移的方法。 使用比例控制器时,维持设定温度的热量输入为50%的 情况非常罕见;温度将从设定值上升或下降,直到得到 一个稳定温度。该稳定温度与设定值之间的差值称为偏 移量。该偏移量可以手动或自动补偿。使用手动复位, 用户将移动比例带,使过程稳定在设定温度上。自动复 位(也称为积分)将求出偏差信号的时间积分,此积分 值与偏差信号加在一起,来移动比例带。从而自动增大 或减小输出功率,以使过程温度返回设定值。

速率或微分功能为控制器提供移动比例带的能力,用以 补偿快速变化的温度。移动量与温度变化速率成正比。

PID或三模式控制器结合了比例、积分(复位)和微分 (速率)作用,通常在控制复杂过程时需要使用。这种控制器也可以有两个比例输出,一个用于加热,另一个 用于冷却。对于可能需要加热来启动但随后在运行过程 中某些时间会产生过剩热量的过程,需要这种控制器。

有哪些不同输出类型的控制器?

控制器的输出可以是几种形式中的一种。最常见的形式 为时间比例和模拟比例。时间比例输出为负载供电的时 间是固定循环时间的百分数。例如:对于10秒的循环 时间,如果控制器输出设置为60%,继电器将通电(闭 合、供电)6秒,然后断电(打开、不供电)4秒。时间 比例输出有三种不同形式:机电式继电器、三端双向可 控硅开关或交流固态继电器或直流电压脉冲(驱动外部 固态继电器)。机电式继电器通常是最经济的一种,一 般在循环时间大于10秒、负载相对较小的系统中选用。

选择交流固态继电器或直流电压脉冲的目的是提高可靠 性,因为它们不包含任何移动零件。建议在要求短循环 时间的过程使用,它们需要一个置于控制器外部的附加 继电器来处理加热元件所需的典型负载。这些外部固态 继电器通常与交流固态继电器输出控制器的交流控制信 号一起使用,或者与直流电压脉冲输出控制器的直流控 制信号一起使用。

模拟比例输出通常是模拟电压(0 ~ 5 Vdc)或电流 (4 ~ 20 mA)。这种输出的输出电平也由控制器设 置;如果输出设置为60%,输出电平将是5 V的60%,即 3 V。对于4 ~ 20 mA输出(16 mA的量程),60%等于 (0.6 x 16) + 4,即13.6 mA。这种控制器常常与比例阀或 电源控制器一起使用。

为特定应用选择控制器时应考虑哪些因素?

选择控制器时,主要考虑因素包括所需控制精度,以及 过程控制难度。为尽量方便整定和降低初始成本,应选 择能产生所需结果的最简单的控制器。

对于具有相称(不过大也不太小)加热器且无快速循环 的简单过程,可使用通断式控制器。对于受制于循环的 系统,或者加热器不匹配(过大或过小)的系统,需要 使用比例控制器。





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