Thermische systemen vormen een integraal onderdeel van talloze processen die allerlei soorten industrieën aansturen, van halfgeleiderverwerking en energieopwekking tot medische en foodservice-apparatuur en meer. Binnen elk van deze industrieën zijn gevoelige processen die verschillende niveaus van temperatuurregulering vereisen. Wanneer een productieproces bijvoorbeeld metaal vormt en vormt, moet apparatuur een temperatuur boven een bepaalde drempel handhaven, maar een exacte temperatuur is misschien niet nodig. Een ander proces waarbij plastic wordt gesmolten, moet echter mogelijk een bepaalde temperatuur bereiken, maar mag deze niet overschrijden,—anders zal het materiaal gaan branden.
In situaties waarin nauwkeurige temperatuurregeling vereist is, bieden gesloten lussystemen de mogelijkheid om omgevingsveranderingen nauwlettend te monitoren en te compenseren.
De temperatuurregeling met gesloten lus bevat sensoren en doorlopende feedback naar het systeem om de temperatuur voortdurend te regelen op basis van de huidige omstandigheden. Met deze feedbacklus kan het systeem de temperatuur nauwkeurig in realtime aanpassen en handhaven als reactie op echte omstandigheden.
Open lus vs. Gesloten lussystemen
De alternatieve benadering van temperatuurregeling met gesloten lus is een open lussysteem . Open loop-besturing bevat geen mechanisme voor feedback van de omgeving en is in plaats daarvan afhankelijk van vaste uitgangen (zoals tijd of spanning).
Een eenvoudig voorbeeld van een open-lussysteem is de broodrooster in uw keuken. De meeste broodroosters hebben een knop die u draait om de gewenste “broodbereidheid” te selecteren, waarbij elk nummer op de wijzerplaat een minuut toasttijd aangeeft. Er zijn geen sensoren die feedback geven om de toaster te laten weten wanneer de toast optimaal bruin is,—en het popt gewoon wanneer de timer op is.
Open loop-systemen zijn effectief wanneer het systeem niet hoeft te reageren op wijzigingen. Doorgaans zijn ze gebaseerd op tijd- of percentage-instellingen die handmatig zijn geconfigureerd. Open loop-systemen zijn dus het meest effectief in omgevingen die zeer consistent zijn, of voor toepassingen waar temperatuurnauwkeurigheid niet cruciaal is. Voordelen van open-loopregeling zijn eenvoud van ontwerp en implementatie, evenals vereenvoudigd onderhoud en probleemoplossing.
Wanneer temperatuurschommelingen echter onmiddellijk moeten worden aangepakt, zodat voorspelbare, consistente temperatuur kan worden gehandhaafd voor industriële processen, heeft closed loop control de voorkeur. Als u terugkeert naar een keukenvoorbeeld, denk dan aan het verwarmingssysteem in uw oven. Zodra u de gewenste temperatuur voor het bakken van een gerecht hebt ingesteld, bewaakt een sensor de temperatuur in de oven. Als het onder de ingestelde temperatuur komt, stuurt het een signaal om de verwarming te activeren om de temperatuur te verhogen. Omgekeerd, als de temperatuur te hoog is, wordt er een signaal verzonden om de verwarming uit te schakelen. Dit gesloten-lussysteem reageert onmiddellijk op temperatuurveranderingen, detecteert de verandering en geeft feedback aan het systeem om de oven op een consistente temperatuur te houden.
De technologische vooruitgang heeft gesloten-lussystemen toegankelijker gemaakt, zowel in deze eenvoudige voorbeelden thuis als in een breed scala aan kritieke industriële toepassingen.
Terwijl in het verleden gesloten-lussystemen op industriële schaal kostenverbodend waren, vervelend om te kalibreren en omslachtig om te installeren en te onderhouden, zijn de huidige controllers en software veel flexibeler en’ vergevingsgezinder. Dit heeft de complexiteit en de kosten van de implementatie van gesloten thermische systemen verlaagd.
Elementen van temperatuurregeling in gesloten kring
Er zijn drie hoofdelementen van elk gesloten thermisch systeem die samenwerken om het systeem te helpen snel de optimale temperatuur te bereiken (d.w.z. het instelpunt) met minimale overschrijding:
-
Uitgang - schakelt de verwarming in
-
Input - geeft feedback aan het systeem door de temperatuur te detecteren
-
Regelaar - varieert de uitgang op basis van de ingangswaarde
De meeste moderne gespecialiseerde controllers berekenen veranderingen in output op basis van een bepaalde toepassing van het proportioneel-integraal-afgeleide (PID) algoritme. PID-controllers werken door een sensor te lezen en de vereiste output te berekenen op basis van proportionele, integrale en afgeleide factoren:
Proportioneel : De verhouding van hoe ver het systeem momenteel van het instelpunt verwijderd is. Dit bepaalt hoeveel controlleruitvoer nodig is om het verschil te compenseren.
Integraal : Verzamelt systeemfout (d.w.z. verschil met het instelpunt) in de loop van de tijd om te bepalen of meer uitvoer nodig is om het instelpunt te bereiken en past die vereiste toe indien nodig.
Derivat : Dempt de besturingsrespons om snelle veranderingen in het proces te compenseren, waardoor het op het instelpunt kan komen met een verminderde aanpak. Deze functionaliteit is belangrijk wanneer het van vitaal belang is om snel op temperatuur te komen en/of te voorkomen dat het instelpunt wordt overschreden.
Niet alle controllers gebruiken alle PID-functies; op basis van de vereisten van de industriële processen gebruiken veel systemen alleen PI-controllers.
Wanneer en waar is temperatuurregeling met gesloten lus gewenst?
Temperatuurregeling met gesloten lus is van vitaal belang voor industriële processen die een nauwkeurige en voorspelbare temperatuur vereisen. Gesloten-lussystemen zijn effectief, zowel wanneer een systeem een specifiek temperatuurbereik moet handhaven tijdens bedrijf als in gevallen waarin veranderingen in de omgeving de temperatuur kunnen laten fluctueren. Omdat een gesloten lussysteem sensoren en een feedbacklus bevat, kan het systeem een geïnformeerde reactie geven en indien nodig aanpassen.
Industriële toepassingen voor gesloten thermische systemen zijn verreikend. Enkele veelvoorkomende voorbeelden zijn:
-
Halfgeleiders (bv. voor de vervaardiging van wafers en chips)
-
Medisch (bijv. in klinische diagnostische apparatuur en medische apparaten thuis)
-
Foodservice (bijv. voor apparatuur in industriële keukens)
-
Automobiel (bijv. in verwarmingsoplossingen die de uitstoot verminderen)
-
Schone energie (bijv. voor energieopslag en elektrificatie van installaties)
-
Materialenverwerking (bijv. drogers voor gips die tot gipsplaat worden gemaakt)
Temperatuurregeling gesloten lus versus vermogensregeling gesloten lus
Historisch gezien bepaalt de regelaar in gesloten temperatuursystemen hoe vaak de verwarming aan moet staan (0-100% van de tijd) op basis van de huidige temperatuurmeting. Grote verschillen in weerstand over een temperatuurbereik betekenen echter dat bijvoorbeeld “50% op” niet altijd overeenkomt met 50% vermogen. Als de lijnspanning in een faciliteit met 10% daalt, zal het vermogen dat op de verwarming wordt toegepast, wanneer de regelaar 50% stroom vraagt, feitelijk 40,5% zijn (stroom verminderd met het kwadraat van de spanning) van het maximum. Uiteindelijk zal de “I”-functie van de PID-regelaar compenseren en de verwarming op de juiste temperatuur brengen, maar het zal langer duren dan onder normale omstandigheden.
Dit is waar het gebruik van gesloten lus vermogensregeling met gesloten lus temperatuurregeling optimale prestaties levert. Nu, wanneer de spanning in een faciliteit met 10% daalt en de regelaar de verwarmer vraagt om 50% in te schakelen, kan een vermogensregelaar het vermogen meten dat aan de verwarmer wordt geleverd. Als het lager is dan verwacht, zal de vermogensregelaar snel reageren om het vermogen te verhogen totdat het gevraagde 50% vermogen op de verwarmer wordt toegepast.
Het vermogen kunnen regelen op basis van de meting van het vermogen dat aan de belasting wordt geleverd, verbetert de temperatuurregelingsprestaties omdat het sneller compenseert voor schommelingen in de netspanning of zelfs gedeeltelijke belastingsstoringen en daardoor aanzienlijk minder afwijkt van het instelpunt dan alleen bij temperatuurregeling met gesloten lus.
Innovaties in closed loop control
Naarmate de technologie zich heeft ontwikkeld en de toegangsbarrières voor het implementeren van gesloten lustemperatuurregeling heeft verlaagd, zijn verdere innovaties mogelijk gemaakt in hoe temperaturen in deze systemen daadwerkelijk worden gemeten en gekalibreerd.
Er zijn geavanceerdere besturingsmethoden naar voren gekomen die meerdere sensoringangen evalueren om de temperatuur van een locatie waar een sensor niet fysiek kan worden geplaatst nauwkeurig te voorspellen. Denk bijvoorbeeld aan een kamer die wordt gebruikt bij de fabricage van halfgeleiders. In de kamer gebruikte corrosieve gassen creëren een omgeving die geen temperatuursensor kan ondersteunen, maar temperatuurregeling in deze zones is van vitaal belang.
Deze systemen bevatten meerdere sensoren die in de buurt van het gebied zijn geplaatst en een modelleringsalgoritme dat de temperatuur berekent die niet fysiek kan worden gemeten. Een controller die voor die omgeving is aangepast, wordt vervolgens geconfigureerd om de temperatuur van het echte proces te voorspellen.
MIMO-algoritmen (multiple input / multiple output) zijn een andere innovatie in gesloten temperatuurregeling in meerdere zones. In traditionele systemen hebben de omstandigheden in nabijgelegen zones vaak invloed op elkaar. Eén zoneverwarming tot temperatuur kan bijvoorbeeld temperatuurschommelingen in een nabijgelegen zone veroorzaken. Elke temperatuurregeling in een gesloten lus is onafhankelijk en kan niet op een zinvolle manier met andere controllers worden gecoördineerd; hierdoor kunnen correcties in het systeem over- en onder reacties zijn, waardoor het proces slecht wordt gecontroleerd. MIMO-implementaties beheren in- en uitgangen in meerdere zones als geheel voor nauwkeurige en efficiënte thermische regeling in het hele systeem.
WatlowR heeft producten die deze optimalisaties omvatten, en meer. Watlow is gespecialiseerd in gesloten-lus regelsystemen en heeft innovaties geïntroduceerd om de temperatuur op geheel nieuwe manieren te meten, waardoor in feite gesloten-lussystemen kunnen worden gecreëerd waar deze voorheen niet mogelijk waren.
De ’ADAPTIEVE THERMISCHE SYSTEMEN® (ATS )-technologieën™van Watlow zijn bijvoorbeeld gebruikt om closed loop control te realiseren in productieomgevingen voor halfgeleiders voor elementen die geen temperatuursensoren kunnen ondersteunen. Voorheen vertrouwden deze toepassingen op vermogensverhoudingen die in een simulatielab werden ontwikkeld om de verwarmingsbehoeften te schatten. Deze verhoudingen zijn niet altijd bestand tegen werkelijke omgevingsomstandigheden.
De Watlow ATS-suite bevat TCR-regeling (temperatuurweerstandscoëfficiënt), die de weerstand van de verwarming meet in plaats van de temperatuur zelf. Terwijl het opwarmt, kan de weerstand worden gecorreleerd aan de temperatuur van het element. Met behulp van deze correlatie kan de weerstand live worden gemeten om de temperatuur in realtime te bepalen.
Hoewel TCR-waarden ook eerst in een laboratorium worden gekalibreerd, kan de temperatuur van een element dat niet eerder meetbaar was, nu nauwkeurig worden bewaakt en gecontroleerd, aangezien weerstand kan worden gemeten tijdens de feitelijke werking.
Ontdek Watlow Thermal Solutions
Watlow heeft 100 jaar ervaring om de’zwaarste en belangrijkste thermische problemen ter wereld op te lossen.
Als leider op het gebied van industriële technologie en thermische producten van wereldklasse ontwerpt en produceert Watlow verwarmingsoplossingen die voornamelijk bestaan uit elektrische resistieve verwarmingen, temperatuursensoren, temperatuur- en vermogensregelaars en ondersteunende software voor – alle componenten van een thermisch systeem. We werken samen met onze klanten om thermische prestaties te optimaliseren, de ontwerptijd te verkorten en de efficiëntie van producten en toepassingen te verbeteren. Neem contact op met het Watlow-team om te beginnen!