Thermische Systeme sind integraler Bestandteil unzähliger Prozesse, die Branchen aller Art antreiben, von Halbleiterverarbeitung und Energieerzeugung bis hin zu medizinischen und Foodservice-Geräten und darüber hinaus. Innerhalb jeder dieser Branchen befinden sich sensible Prozesse, die unterschiedliche Niveaus der Temperaturregelung erfordern. Wenn beispielsweise ein Herstellungsprozess Metall formt und formt, muss die Ausrüstung eine Temperatur über einem bestimmten Schwellenwert halten, aber eine genaue Temperatur ist möglicherweise nicht erforderlich. Ein anderer Prozess, der das Schmelzen von Kunststoff beinhaltet, muss jedoch möglicherweise eine bestimmte Temperatur erreichen, diese jedoch nicht überschreiten,—da sonst das Material zu verbrennen beginnt.
In Situationen, in denen eine genaue Temperaturregelung erforderlich ist, bieten geschlossene Systeme die Möglichkeit, Umweltveränderungen genau zu überwachen und zu kompensieren.
Die Temperaturregelung mit geschlossenem Regelkreis umfasst Sensoren und kontinuierliche Rückmeldungen an das System, um die Temperatur kontinuierlich auf Grundlage der aktuellen Bedingungen zu regeln. Dieser Rückkopplungskreislauf ermöglicht es dem System, die Temperatur in Echtzeit genau anzupassen und auf die tatsächlichen Bedingungen einzustellen.
Offener Regelkreis im Vergleich zu Systeme mit geschlossenem Regelkreis
Der alternative Ansatz zur Temperaturregelung mit geschlossenem Regelkreis ist ein offenes Regelkreissystem. Die Open-Loop-Regelung enthält keinen Mechanismus für die Rückführung aus der Umgebung und stützt sich stattdessen auf feste Ausgänge (wie Zeit oder Spannung).
Ein einfaches Beispiel für ein Open-Loop-System ist der Toaster in Ihrer Küche. Die meisten Toaster haben einen Drehknopf, den Sie drehen, um die gewünschte “Fertigkeit” Ihres Toasts auszuwählen, wobei jede Zahl auf dem Zifferblatt eine Minute der Toastzeit darstellt. Es gibt keine Sensoren, die Feedback geben, um den Toaster wissen zu lassen, wenn der Toast optimal gebräunt ist—. Er knallt einfach, wenn der Timer abläuft.
Systeme mit offenem Regelkreis sind wirksam, wenn das System nicht auf Änderungen reagieren muss. Typischerweise basieren sie auf Zeit- oder Prozenteinstellungen, die manuell konfiguriert werden. Daher sind offene Systeme am effektivsten in Umgebungen, die sehr konsistent sind, oder in Anwendungen, in denen die Temperaturgenauigkeit nicht entscheidend ist. Zu den Vorteilen der offenen Regelkreissteuerung gehören die Einfachheit der Konstruktion und Implementierung sowie die vereinfachte Wartung und Fehlerbehebung.
Wenn Temperaturschwankungen jedoch sofort angegangen werden müssen, damit eine vorhersehbare, konsistente Temperatur für industrielle Prozesse beibehalten werden kann, ist eine Regelung im geschlossenen Regelkreis vorzuziehen. Wenn Sie zu einem Küchenbeispiel zurückkehren, denken Sie an das Heizsystem in Ihrem Backofen. Sobald Sie die gewünschte Temperatur für das Backen eines Gerichts eingestellt haben, überwacht ein Sensor die Temperatur im Inneren des Ofens. Wenn er unter die eingestellte Temperatur fällt, sendet er ein Signal zur Aktivierung des Heizelements, um die Temperatur zu erhöhen. Umgekehrt wird bei zu hoher Temperatur ein Signal gesendet, um das Heizelement herunterzudrehen. Dieses geschlossene Kreislaufsystem reagiert sofort auf Temperaturänderungen, erfasst die Änderung und gibt dem System Rückmeldung, um den Ofen auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Fortschritte in der Technologie haben geschlossene Systeme zugänglicher gemacht, sowohl in diesen einfachen Heimbeispielen als auch in einer Vielzahl von kritischen industriellen Anwendungen.
Während in der Vergangenheit Systeme mit geschlossenem Kreislauf in industriellem Maßstab kostspielig waren, mühsam zu kalibrieren und mühsam zu installieren und zu warten, sind die Regler und die Software’von heute viel flexibler und fehlerverzeihender. Dies hat die Komplexität und die Kosten für die Implementierung von geschlossenen thermischen Systemen gesenkt.
Elemente der Temperaturregelung im geschlossenen Regelkreis
Es gibt drei Hauptelemente eines thermischen Systems mit geschlossenem Kreislauf, die zusammenarbeiten, um dem System zu helfen, die optimale Temperatur (d. h. den Sollwert) schnell mit minimalem Überschwingen zu erreichen:
-
Ausgang - schaltet das Heizelement ein
-
Eingang - liefert Rückmeldung an das System, indem die Temperatur erfasst wird
-
Regler - variiert den Ausgang basierend auf dem Eingangsmesswert
Die meisten modernen spezialisierten Regler berechnen Änderungen am Ausgang basierend auf einer Anwendung des Proportional-Integral-Derivative (PID)-Algorithmus. PID-Regler arbeiten, indem sie einen Sensor lesen und den erforderlichen Ausgang basierend auf proportionalen, integralen und abgeleiteten Faktoren berechnen:
Proportional : Das Verhältnis, wie weit das System derzeit vom Sollwert entfernt ist. Dies bestimmt, wie viel Reglerausgang erforderlich ist, um den Unterschied auszugleichen.
Integral : Sammelt Systemfehler (d. h. Differenz vom Sollwert) über die Zeit, um festzustellen, ob mehr Ausgang benötigt wird, um den Sollwert zu erreichen, und wendet diese Anforderung nach Bedarf an.
Derivat : Verdämpft die Steuerungsreaktion, um schnelle Änderungen im Prozess auszugleichen, so dass sie mit einem reduzierten Ansatz am Sollwert ankommt. Diese Funktionalität ist wichtig, wenn es wichtig ist, schnell zur Temperatur zu kommen und/oder zu vermeiden, dass der Sollwert überschießt.
Nicht alle Regler verwenden alle PID-Funktionen; basierend auf den Anforderungen der industriellen Prozesse verwenden viele Systeme nur PI-Regler.
Wann und wo ist eine Temperaturregelung im geschlossenen Regelkreis wünschenswert?
Die Temperaturregelung im geschlossenen Regelkreis ist entscheidend für industrielle Prozesse, die eine präzise und vorhersehbare Temperatur erfordern. Systeme mit geschlossenem Regelkreis sind sowohl dann wirksam, wenn ein System während des Betriebs einen bestimmten Temperaturbereich beibehalten muss, als auch, wenn Änderungen in der Umgebung zu Schwankungen der Temperatur führen können. Da ein geschlossenes Regelkreissystem Sensoren und einen Rückkopplungsregelkreis enthält, kann das System eine informierte Reaktion vornehmen und bei Bedarf anpassen.
Industrielle Anwendungen für thermische Systeme mit geschlossenem Kreislauf sind weitreichend. Einige häufige Beispiele sind:
-
Halbleiter (z. B. für die Herstellung von Wafern und Chips)
-
Medizinisch (z. B. in klinischen Diagnosegeräten und medizinischen Geräten zu Hause)
-
Lebensmittelservice (z. B. für Geräte in Industrieküchen)
-
Automobilindustrie (z. B. in Heizlösungen, die Emissionen reduzieren)
-
Saubere Energie (z. B. zur Energiespeicherung und Elektrifizierung von Anlagen)
-
Materialverarbeitung (z. B. Trockner für Gips, die in Trockenbauteile umgewandelt werden sollen)
Temperaturregelung im geschlossenen Regelkreis vs. Leistungsregelung im geschlossenen Regelkreis
In der Vergangenheit bestimmt der Regler in geschlossenen Regelkreis-Temperatursystemen, wie oft das Heizelement eingeschaltet sein muss (0-100% der Zeit), basierend auf der aktuellen Temperaturmessung. Allerdings bedeuten große Widerstandsunterschiede über einen Temperaturbereich, dass beispielsweise “50 % auf” nicht immer einer Leistung von 50 % entspricht. Wenn die Netzspannung in einer Einrichtung um 10 % sinkt, wenn der Regler 50 % Leistung anfordert, beträgt die an das Heizelement angelegte Leistung tatsächlich 40,5 % (Leistung reduziert durch das Spannungsquadrat) seines Maximums. Schließlich wird die “I-”Funktion des PID-Reglers kompensieren und das Heizelement auf die richtige Temperatur bringen, aber es dauert länger als unter normalen Bedingungen.
Dies ist der Punkt, an dem die Verwendung einer geschlossenen Regelkreis-Leistungsregelung mit einer geschlossenen Regelkreis-Temperaturregelung für optimale Leistung sorgt. Wenn nun die Spannung in einer Einrichtung um 10 % sinkt und der Regler fordert, dass das Heizelement 50 % einschaltet, kann ein Leistungsregler die an das Heizelement gelieferte Leistung messen. Wenn es niedriger als erwartet ist, reagiert der Leistungsregler schnell, um die Leistung zu erhöhen, bis die angeforderte 50 % Leistung an das Heizelement angelegt wird.
Die Fähigkeit, den Ausgang basierend auf der Messung der an die Last gelieferten Leistung zu steuern, verbessert die Temperaturregelungsleistung, da sie Netzspannungsschwankungen oder sogar Teillastausfälle schneller kompensiert und daher mit deutlich weniger Abweichung vom Sollwert als bei der Temperaturregelung allein im geschlossenen Regelkreis auftritt.
Innovationen bei der Regelung des geschlossenen Regelkreises
Da sich die Technologie weiterentwickelt hat und die Zugangsbarrieren für die Implementierung einer Temperaturregelung mit geschlossenem Regelkreis verringert haben, wurden weitere Innovationen in Bezug auf die tatsächliche Messung und Kalibrierung von Temperaturen in diesen Systemen möglich gemacht.
Es sind fortschrittlichere Steuerungsmethoden entstanden, die mehrere Sensoreingänge auswerten, um die Temperatur eines Ortes genau vorherzusagen, an dem ein Sensor nicht physisch platziert werden kann. Denken Sie zum Beispiel an eine Kammer, die in der Halbleiterherstellung verwendet wird. Ätzende Gase, die in der Kammer verwendet werden, schaffen eine Umgebung, die einen Temperatursensor nicht unterstützen kann, aber die Temperaturregelung in diesen Zonen ist unerlässlich.
Diese Systeme enthalten mehrere Sensoren in der Nähe des Bereichs und einen Modellierungsalgorithmus, der die Temperatur berechnet, die nicht physisch gemessen werden kann. Ein für diese Umgebung angepasster Regler wird dann konfiguriert, um die Temperatur des wahren Prozesses vorherzusagen.
MIMO-Algorithmen (mehrere Eingänge/mehrere Ausgänge) sind eine weitere Innovation bei der Regelung der Temperatur im geschlossenen Regelkreis über mehrere Zonen. In herkömmlichen Systemen wirken sich die Bedingungen in nahe gelegenen Zonen oft auf einander aus. Zum Beispiel könnte eine Zonenerwärmung auf Temperatur Temperaturschwankungen in einer nahe gelegenen Zone verursachen. Jede Temperaturregelung im geschlossenen Regelkreis ist unabhängig und kann nicht sinnvoll mit anderen Reglern koordiniert werden. Daher können Korrekturen im System über und unter Reaktionen auftreten, was dazu führt, dass der Prozess schlecht gesteuert wird. MIMO-Implementierungen verwalten Ein- und Ausgänge in mehreren Zonen als Ganzes für eine präzise und effiziente thermische Regelung.
WatlowR hat Produkte, die diese Optimierungen und mehr enthalten. Watlow ist auf Regelungssysteme mit geschlossenem Regelkreis spezialisiert und hat Innovationen eingeführt, um die Temperatur auf völlig neue Weise zu messen, was die Schaffung von Systemen mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht, wo sie bisher nicht möglich waren.
Die ’ADAPTIVE THERMAL SYSTEMS® (ATS )-™Technologien von Watlow wurden zum Beispiel verwendet, um eine Regelung im geschlossenen Regelkreis in Halbleiterfertigungsumgebungen für Elemente zu realisieren, die Temperatursensoren nicht unterstützen können. Zuvor waren diese Anwendungen auf Leistungsverhältnisse angewiesen, die in einem Simulationslabor zur Schätzung des Heizbedarfs entwickelt wurden. Diese Verhältnisse halten nicht immer den realen Umgebungsbedingungen stand.
Die Watlow ATS-Suite enthält eine TCR-Regelung (Temperaturkoeffizient des Widerstands), die den Widerstand des Heizelements anstelle der Temperatur selbst misst. Während es sich erwärmt, kann der Widerstand mit der Temperatur des Elements korreliert werden. Mithilfe dieser Korrelation kann der Widerstand live gemessen werden, um die Temperatur in Echtzeit zu bestimmen.
Obwohl TCR-Werte auch zuerst in einem Labor kalibriert werden, da der Widerstand während des tatsächlichen Betriebs gemessen werden kann, kann die Temperatur eines Elements, das zuvor nicht messbar war, jetzt genau überwacht und gesteuert werden.
Entdecken Sie die thermischen Lösungen von Watlow
Watlow bringt 100 Jahre Erfahrung mit, um die härtesten und wichtigsten’ thermischen Probleme der Welt zu lösen.
Als führender Anbieter von Industrietechnologie und thermischen Produkten entwickelt und fertigt Watlow Heizlösungen, die hauptsächlich aus elektrischen Widerstandsheizelementen, Temperatursensoren, Temperatur- und Leistungsreglern und unterstützender Software für – alle Komponenten eines thermischen Systems bestehen. Wir arbeiten mit unseren Kunden zusammen, um die thermische Leistung zu optimieren, die Designzeit zu verkürzen und die Effizienz von Produkten und Anwendungen zu verbessern. Kontaktieren Sie das Watlow-Team, um loszulegen!