工业加热过程由功率和温度控制器和传感器管理。这些组件在和谐的环境中运行，以完成过程或产品的热循环。在大多数情况下，此循环由单环路控制器控制。然而，在特殊情况下，过程环境的反应比加热或冷却设备慢得多，这可能导致应用性能不佳。如果允许系统以快速或频繁的循环模式运行，则可能导致加热器使用寿命缩短、损坏或系统故障。
关于加热的一个解决方案是降低功率密度，通常以加热器²表面积的每平方英寸瓦特 (W/in’) 为单位进行测量。这将使加热器和整个系统的反应时间更加接近。但是，如果加热产品已经安装在应用中，则可能会因改装而产生额外的成本和停机时间。更好的解决方案是使用一种控制方法，称为级联控制。
级联控制涉及使用两个离散控制环路。第一控制环路为第二比例积分导数 (PID) 控制环路提供设置点。该系统旨在改善对加热系统中的非线性增益和干扰的反应。
级联控制如何工作
在了解级联系统的配置方式之前，让我们看看延迟时间较长的应用中的单一控制环路。在理论应用（图 1)中，加热器浸入油浴中，而传感器在加工的材料或产品中。
由于热能进入系统与测量温度变化的传感器之间的滞后时间较长，加热器周围的油有可能降解为加热器元件周围的燃烧点或“焦化”点。由于电线温度极高，这会导致这些元件过早失效。
一种解决方案是在超温限制系统中进行设计，该系统使用连接到加热器元件上的第二个传感器，并在功率开关设备上游打开接触器。但是，这将使操作员在达到限制值后不断重置此类设备。
此应用的最佳解决方案是级联控制系统（图 2)。这会监视油的温度以及产品，以控制加热器达到所需的项目温度。
对于级联控制系统，有两个控制环路；外部环路或主环路使用产品传感器。这是客户最关注的环路，因为它指的是他们的产品。内部环路 或辅助环路使用连接到加热器的传感器，并运行第二个 PID 环路，使加热器低于指定值。主要 PID 计算加热（或冷却）占空比，该占空比输入辅助环路，并用作加热器元件的设置点。
例如，如果客户’的产品需要处于 500°F 的温度，但当前处于 100°F,则主环路将根据 PID 值要求 100% 占空比。此占空比将由辅助环路与正确的缩放因数一起使用，作为设置点。
如果加热器在主环路的占空比为零百分比，在占空比为 100%°时使油槽保持在 100°°F,则在辅助环路将加热器运行至 800°°F,并按住，直至主环路的传感器达到 500°°F,占空比减小。
Watlow ’s F4T 过程控制器配备五组 PID 值，使其成为出色的 PID 控制器。但是，当应用需要时，也会有一个级联控制环路，允许简单快速地配置此控制方法。
级联控制器的要求
级联控制可以解决环路问题。但是，必须满足下列条件：
辅助环路必须对主环路有影响
为了使级联控制系统正常工作，内部环路必须反复影响外部环路。这是因为主环路没有影响自身的机制。
辅助环路必须比主环路更快地工作
辅助过程必须对内环路的反应速度比主过程对外环路的反应快三到四倍。这可确保外部环路有足够的时间补偿内部环路’的干扰。此外，它确保内部环路干扰不会影响主过程。
辅助环路必须具有不太严重的干扰
在加热产品中，内环路必须具有不太严重的干扰。否则，辅助控制器将在辅助过程中持续参与纠正干扰。严重干扰可能妨碍一级过程的辅助环路’纠正工作。
级联控制的优势
级联控制用于高级热产品。级联控制的目的是通过使用热电偶控制来减少干扰，从而提高过程性能。通过级联控制实现以下优势：
降低总体变异性
更快的内部环路比外部环路对干扰的反应更快。因此，它降低了干扰的严重程度，并限制了影响加热过程的变异性。
有效应对干扰
在级联架构得到良好部署的环路中，存在对干扰的有效响应。内部环路比外部环路快，并且更接近干扰源。这样可以更快地纠正过程中的不适。
更保守的外部环路调谐
设计工程师可以调整外部环路，以实现更稳定的控制。内环路进行粗调，使外部环路成为微调的唯一选项。Watlow ’s F4T 过程控制器是最佳的 PID 控制器之一 ，您可以对其进行微调以限制过程变异性。它具有高安培功率控制和增强的控制选项，可提高级联控制的可靠性。
更有效的加热系统
级联控制器通过使用功率和温度控制器优化加热过程。它们通过减少延迟和减少干扰使加热产品更加有效。对于进行大量加热过程的 OEM 制造商来说，级联控制是最佳选择。立即联系 Watlow 团队，获取无缝级联控制系统。