Industrielle Heizprozesse werden von Leistungs- und Temperaturreglern und Sensoren gesteuert. Diese Komponenten arbeiten in einer harmonischen Umgebung, um den thermischen Zyklus eines Prozesses oder Produkts abzuschließen. In den meisten Fällen wird dieser Zyklus durch einen Regler mit einem Regelkreis gesteuert. In speziellen Fällen reagiert die Prozessumgebung jedoch viel langsamer als das Heiz- oder Kühlgerät, was zu einer schlechten Anwendungsleistung führen kann. Wenn das System in einem schnellen oder häufigen Zyklusmodus betrieben werden darf, kann die Lebensdauer des Heizelements verkürzt, Schäden oder Systemausfälle verursacht werden.
Eine Lösung in Bezug auf das Erwärmen wäre die Verringerung der Wattdichte, die typischerweise in Watt pro Quadratzoll (W/in ²) der’Heizelementoberfläche gemessen wird. Dies würde die Reaktionszeiten des Heizelements und des Gesamtsystems näher zusammenbringen. Wenn Heizprodukte jedoch bereits in einer Anwendung installiert sind, kann dies aufgrund der Nachrüstung zu zusätzlichen Kosten und Ausfallzeiten führen. Eine bessere Lösung wäre die Verwendung einer Regelungsmethode, die als Kaskadenregelung bekannt ist.
Die Kaskadenregelung umfasst die Verwendung von zwei diskreten Regelkreisen. Der erste Regelkreis liefert den Sollwert für den zweiten Proportional Integral derivativen (PID) Regelkreis. Dieses System ist so konzipiert, dass es eine verbesserte Reaktion auf nichtlineare Verstärkungen und Störungen in den Heizsystemen bietet.
Funktionsweise der Kaskadenregelung
Bevor wir uns mit der Konfiguration eines Kaskadensystems befassen, betrachten wir einen einzelnen Regelkreis in einer Anwendung mit einer langen Verzögerungszeit. In der theoretischen Anwendung (Abbildung 1) wird das Heizelement in ein Ölbad eingetaucht, während sich der Sensor im zu verarbeitenden Material oder Produkt befindet.
Aufgrund der langen Verzögerungszeit zwischen dem Eintritt von Wärmeenergie in das System und dem Sensor, der die Temperaturänderung misst, hat das Öl, das das Heizelement umgibt, das Potenzial, sich bis zum Brennen oder “Verkokung” um die Heizelemente zu verschleppen. Dies führt zu einem vorzeitigen Ausfall dieser Elemente aufgrund extrem hoher Drahttemperatur.
Eine Lösung besteht darin, in einem Übertemperaturgrenzwertsystem zu entwerfen, das einen zweiten Sensor verwendet, der an den Heizelementen befestigt ist, und ein Schütz vor der Leistungsschaltvorrichtung öffnet. Dies führt jedoch dazu, dass Bediener ein solches Gerät ständig zurücksetzen, sobald der Grenzwert erreicht ist.
Die beste Lösung für diese Anwendung ist ein Kaskadensteuerungssystem (Abbildung 2). Dies überwacht die Temperatur des Öls sowie das Produkt, um das Heizelement so zu steuern, dass es die gewünschte Projekttemperatur erreicht.
Bei einem Kaskadensteuerungssystem gibt es zwei Regelkreise; der äußere oder primäre Regelkreis verwendet den Produktsensor. Dies ist der Regelkreis, mit dem der Kunde am meisten beschäftigt ist, da er sich auf sein Produkt bezieht. Der innere oder sekundäre Regelkreis verwendet den am Heizelement angebrachten Sensor und führt den zweiten PID-Regelkreis aus, um das Heizelement unter einem festgelegten Wert zu halten. Der primäre PID berechnet einen Heiz- (oder Kühl-) Arbeitszyklus, der in den sekundären Regelkreis eingespeist und als Sollwert für die Heizelemente verwendet wird.
Wenn beispielsweise das Produkt’des Kunden bei einer Temperatur von 500°F sein muss, sich aber derzeit bei 100°F befindet, fordert der primäre Regelkreis je nach PID-Werten einen 100%-igen Arbeitszyklus an. Dieser Arbeitszyklus wird vom sekundären Regelkreis zusammen mit dem richtigen Skalierungsfaktor als Sollwert verwendet.
Wenn die Heizelemente das Ölbad auf 100 °°F halten, wenn der Tastgrad des primären Regelkreises Null Prozent beträgt und 800°°F, wenn der Tastgrad 100 % beträgt, dann läuft der sekundäre Regelkreis das Heizelement auf 800°°F und hält, bis der Sensor des primären Regelkreises 500°°F erreicht und der Tastgrad verringert wird.
Der’ F4T-Prozessregler von Watlow ist mit fünf PID-Werten ausgestattet, was ihn zu einem ausgezeichneten PID-Regler macht. Wenn es die Anwendung erfordert, gibt es jedoch auch einen Kaskadenregelkreis, der eine einfache und schnelle Konfiguration dieser Regelmethode ermöglicht.
Anforderungen an Kaskadenregler
Kaskadensteuerungen können Schleifenprobleme lösen. Die folgenden Bedingungen müssen jedoch erfüllt sein:
Der sekundäre Regelkreis muss Einfluss auf den primären Regelkreis haben
Damit das Kaskadensteuerungssystem funktioniert, muss der innere Regelkreis den äußeren Regelkreis wiederholt beeinflussen. Dies liegt daran, dass der primäre Regelkreis keinen Mechanismus hat, um sich selbst zu beeinflussen.
Der sekundäre Regelkreis muss schneller arbeiten als der primäre Regelkreis
Der sekundäre Prozess muss drei- bis viermal schneller auf den inneren Regelkreis reagieren, als der primäre Prozess auf den äußeren Regelkreis reagiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der äußere Regelkreis genügend Zeit hat, um die Störungen des inneren’ Regelkreises auszugleichen. Außerdem stellt sie sicher, dass die Störungen des inneren Regelkreises die primären Prozesse nicht beeinflussen.
Sekundärschleife muss weniger schwere Störungen aufweisen
Bei Heizprodukten muss der innere Regelkreis weniger schwere Störungen aufweisen. Andernfalls wird der sekundäre Regler kontinuierlich in die Korrektur von Störungen im sekundären Prozess eingebunden. Schwere Störungen können die Korrekturbemühungen des’ sekundären Regelkreises für den primären Prozess behindern.
Vorteile der Kaskadenregelung
Die Kaskadenregelung wird bei fortschrittlichen thermischen Produkten verwendet. Der Zweck der Kaskadenregelung besteht darin, die Prozessleistung durch die Reduzierung von Störungen durch den Einsatz von Thermoelement-Regelungen zu verbessern. Die folgenden Vorteile werden durch Kaskadenregelung erreicht:
Reduzierte Gesamtvariabilität
Ein schnellerer innerer Regelkreis kann schneller auf Störungen reagieren als der äußere Regelkreis. Daher reduziert es die Schwere von Störungen und begrenzt die Variabilität, die den Erwärmungsprozess beeinflussen würde.
Effektive Reaktion auf Störungen
In Schleifen, in denen die Kaskadenarchitektur gut eingesetzt ist, gibt es eine effektive Reaktion auf Störungen. Die innere Schleife ist sowohl schneller als die äußere Schleife und näher an der Quelle der Störung. Dies ermöglicht eine schnellere Korrektur von Störungen im Prozess.
Konservativere Optimierung des äußeren Regelkreises
Konstrukteure können den äußeren Regelkreis für eine gleichmäßigere Regelung optimieren. Die innere Schleife nimmt grobe Anpassungen vor und lässt die äußere Schleife als einzige Option für die Feinabstimmung zurück. Der Prozessregler’ F4T von Watlow ist einer der besten PID-Regler , die Sie zur Begrenzung der Prozessvariabilität optimieren können. Es verfügt über eine Leistungsregelung mit hoher Stromstärke und verbesserte Regelungsoptionen, die die Zuverlässigkeit der Kaskadenregelung verbessern.
Ein effektiveres Heizsystem
Kaskadenregler optimieren die Heizprozesse durch den Einsatz von Leistungs- und Temperaturreglern. Sie machen Heizprodukte effektiver mit reduzierten Verzögerungen und weniger Störungen. Für OEMs, die schwere Heizprozesse durchführen, ist die Kaskadenregelung die beste Option. Wenden Sie sich noch heute an das Watlow-Team, um ein nahtloses Kaskadensteuerungssystem zu erhalten.