Industriële verwarmingsprocessen worden beheerd door vermogens- en temperatuurregelaars en sensoren. Deze componenten werken in een harmonieuze omgeving om de thermische cyclus van een proces of product te voltooien. In de meeste gevallen wordt deze cyclus geregeld door een enkele lusregelaar. In speciale gevallen reageert de procesomgeving echter veel langzamer dan het verwarmings- of koelapparaat, wat kan leiden tot slechte toepassingsprestaties. Als het systeem in snelle of frequente cyclusmodi kan werken, kan dit leiden tot een verminderde levensduur van de verwarmer, schade of systeemstoring.
Een oplossing met betrekking tot verwarming zou zijn om de wattdichtheid te verlagen, die doorgaans wordt gemeten in watt per vierkante inch (W/in ²) van het oppervlak’van de verwarmer. Dit zou de reactietijden van de verwarming en het totale systeem dichter bij elkaar brengen. Als er echter al verwarmingsproducten in een toepassing zijn geïnstalleerd, kan dit leiden tot extra kosten en uitvaltijd als gevolg van retrofitting. Een betere oplossing zou zijn om een controlemethode te gebruiken die cascadecontrole wordt genoemd.
Cascadecontrole omvat het gebruik van twee discrete regellussen. De eerste regellus biedt het instelpunt voor de tweede proportionele integrale afgeleide (PID) regellus. Dit systeem is ontworpen om een betere respons te bieden op niet-lineaire versterkingen en storingen in de verwarmingssystemen.
Hoe cascadebeheer werkt
Voordat we gaan kijken naar hoe een cascadesysteem is geconfigureerd, bekijken we een enkele regellus in een toepassing met een lange vertragingstijd. In de theoretische toepassing (afbeelding 1) wordt de verwarmer ondergedompeld in een oliebad terwijl de sensor zich in het materiaal of product bevindt dat wordt verwerkt.
Vanwege de lange vertragingstijd tussen het binnenkomen van warmte-energie in het systeem en de sensor die de temperatuurverandering meet, kan de olie rondom de verwarming afbreken tot het punt van verbranding of “coking” rond de verwarmingselementen. Dit zal leiden tot voortijdig falen van deze elementen als gevolg van extreem hoge draadtemperatuur.
Een oplossing is het ontwerpen in een systeem voor oververhittingslimieten dat een tweede sensor gebruikt die aan de verwarmingselementen is bevestigd en een schakelaar stroomopwaarts van de vermogensschakelaar opent. Dit zorgt er echter voor dat operators een dergelijk apparaat voortdurend resetten zodra de grenswaarde is bereikt.
De beste oplossing voor deze toepassing is een cascadebesturingssysteem (afbeelding 2). Dit houdt zowel de temperatuur van de olie als het product in de gaten om de verwarming te regelen om de gewenste projecttemperatuur te bereiken.
Bij een cascadebesturingssysteem zijn er twee regellussen; de buitenste of primaire lus gebruikt de productsensor. Dit is de lus waar de klant zich het meest zorgen over maakt, omdat het naar hun product verwijst. De binnenste of secundaire lus gebruikt de sensor die aan de verwarmer is bevestigd en voert de tweede PID-lus uit om de verwarmer onder een gespecificeerde waarde te houden. De primaire PID berekent een verwarmingscyclus (of koelcyclus) die in de secundaire lus wordt gevoerd en wordt gebruikt als instelpunt voor de verwarmingselementen.
Als het’product van de klant bijvoorbeeld op een temperatuur van 500°F moet zijn, maar momenteel op 100°F staat, zal de primaire lus 100% duty cycle aanvragen, afhankelijk van de PID-waarden. Deze werkcyclus wordt gebruikt door de secundaire lus, samen met de juiste schaalfactor, als het instelpunt.
Als de verwarmers het oliebad op 100-°F houden wanneer de werkcyclus van de primaire lus nul procent is en 800°-F wanneer de werkcyclus 100% is, dan zal de secundaire lus de verwarmer tot 800°-F laten lopen en vasthouden totdat de sensor van de primaire lus 500-°F bereikt en de werkcyclus wordt verlaagd.
De’ F4T-procescontroller van Watlow is uitgerust met vijf sets PID-waarden, waardoor het een uitstekende PID-controller is. Wanneer de toepassing dit echter vereist, is er ook een cascaderegellus waarmee deze regelmethode eenvoudig en snel kan worden geconfigureerd.
Vereisten voor cascaderegelaars
Cascaderegelaars kunnen lusproblemen oplossen. Aan de volgende voorwaarden moet echter worden voldaan:
Secundaire lus moet invloed hebben op de primaire lus
Om het cascadebesturingssysteem te laten werken, moet de binnenste lus de buitenste lus herhaaldelijk beïnvloeden. Dit komt omdat de primaire lus geen mechanisme heeft om zichzelf te beïnvloeden.
Secundaire lus moet sneller werken dan de primaire lus
Het secundaire proces moet drie tot vier keer sneller op de binnenste lus reageren dan het primaire proces op de buitenste lus reageert. Dit zorgt ervoor dat de buitenste lus voldoende tijd heeft om de storingen’van de binnenste lus te compenseren. Het zorgt er ook voor dat de verstoringen van de binnenste lus geen invloed hebben op primaire processen.
Secundaire lus moet minder ernstige storingen hebben
Bij verwarmingsproducten moet de binnenste lus minder ernstige storingen hebben. Anders zal de secundaire controller voortdurend betrokken zijn bij het corrigeren van storingen in het secundaire proces. Ernstige storingen kunnen de corrigerende inspanningen’van de secundaire lus voor het primaire proces belemmeren.
Voordelen van cascadebeheer
Cascadecontrole wordt gebruikt op geavanceerde thermische producten. Het doel van cascaderegeling is het verbeteren van de procesprestaties door verstoring te verminderen door het gebruik van thermokoppelbesturingen. De volgende voordelen worden bereikt door cascadebeheer:
Verminderde algehele variabiliteit
Een snellere binnenlus kan sneller reageren op storingen dan de buitenlus. Daarom vermindert het de ernst van verstoringen en beperkt het de variabiliteit die het verwarmingsproces zou beïnvloeden.
Effectieve reactie op storingen
In loops waar de cascade-architectuur goed wordt ingezet, is er een effectieve reactie op storingen. De binnenste lus is zowel sneller dan de buitenste lus als dichter bij de bron van de storing. Dit maakt een snellere correctie van storingen in het proces mogelijk.
Conservatievere tuning van de buitenste lus
Ontwerpers kunnen de buitenste lus afstellen voor een stabielere besturing. De binnenste lus maakt grove aanpassingen, waardoor de buitenste lus de enige optie is voor fijnafstelling. De F4T-procescontroller van Watlow is een van de ’beste PID-controllers die u nauwkeurig kunt afstellen om de procesvariabiliteit te beperken. Het heeft een hoge stroomsterkteregeling en verbeterde regelopties die de betrouwbaarheid van de cascaderegeling verbeteren.
Een effectiever verwarmingssysteem
Cascaderegelaars optimaliseren de verwarmingsprocessen door het gebruik van vermogens- en temperatuurregelaars. Ze maken verwarmingsproducten effectiever met minder vertragingen en minder storingen. Voor OEM's die zware verwarmingsprocessen uitvoeren, is cascaderegeling de beste optie. Neem vandaag nog contact op met het Watlow-team voor een naadloos cascadebesturingssysteem.