Weboldalunk használatával jóváhagyja a cookie-k használatát a Cookie-kkal kapcsolatos irányelv értelmében.

Hőszabályozás ipari körülmények között

Hőszabályozás ipari körülmények között
Mai témánkkal visszakanyarodunk a méréstechnika vizeire. Az alkatrész- és alapanyaggyártás szempontjából is kritikus fontossággal bíró hőszabályozással ismerkedünk meg jobban. Megnézzük, milyen problémákat kell kezelnie egy hőmérséklet szabályozó műszernek egy kemencében, illetve megismerjük jobban a PID szabályozók működését.

 

A hőszabályozás jelentősége

Nem kell olyan messzire mennünk, hogy megértsük, miért bír a mindennapokban kiemelt fontossággal a hőszabályozás. Gondoljunk csak bármelyik háztartási eszközünkre, melyben állítható a hőfok! Ezekben a berendezésekben legtöbbször analóg vagy digitális szabályozók biztosítják a kívánt hőfokot. 

Ha azt szeretnénk, hogy megfelelő minőségű munkadarabok kerüljenek le a gyártósorról, ugyanígy elengedhetetlen, hogy a gyártási folyamat helyszíne, a kemence is szabályozva legyen. De mégis hogyan valósul ez meg?

A természetben nagyon ritka az, hogy egyensúlyi állapot alakul ki, olyankor is legfeljebb csak időlegesen. Az energia mindig a magasabb felől az alacsonyabb érték felé mozdul, legyen az hőmérséklet, nyomás, sűrűség vagy egyéb tényező. Ha mesterséges teret hozunk létre, ott szabályozás segítségével megvalósíthatunk egy dinamikus egyensúlyi állapotot, ami időben állandó.

Azoknál a gyártási folyamatoknál, ahol már 1%-os hőkülönbség is komoly kárt okoz a munkadarabban, nagyon sok múlik a szabályozók megbízhatóságán.

 

Hőszabályozás egy kemencében

Vegyünk példaként egy henger alakú kemencét, amit az egyszerűség kedvéért három részre osztunk. Ha a kemence közepére és két végére is rakunk egy-egy szenzort, azok minden valószínűség szerint eltérő értékeket fognak mérni és továbbítani a szabályozóeszköz felé. Ennek oka lehet például a hőveszteség, hiszen a végek esetében nagyobb a hőleadásra alkalmas felület.

Mivel dinamikus egyensúlyról beszélünk, soha nem lesz tökéletesen egyenletes a kemence belső hőmérséklete, azonban a szabályozók által leadott jelek a kritikus tartományon belül tartják a hőt.

Azt is fontos tudni, hogy egy kemence esetében hosszú felmelegedésű rendszerről beszélünk. Ez azért érdekes, mert a szabályozó által leadott jelet úgy kell beállítani, hogy ne sérüljön a berendezés egy hibás túllövés miatt.

Ha többcsatornás szabályozási rendszert alakítunk ki, a MASTER-t a munkadarab közvetlen közelében kell elhelyezni, míg a SLAVE-ek egy attól távolabbi pont hőmérsékletét figyelik. Az alapjelet ilyenkor a MASTER állítja elő az idő és a mért hőmérséklet függvényében. Ezt a jelet továbbítja a SLAVE-ek felé, melyek a kapott jel szerint leszabályoznak.

Bonyolultabb rendszereknél ezt úgy oldják meg, hogy a SLAVE-ek egy zónánként megadott értékkel tolják el a kapott alapjelet. Így többé- kevésbé létrehozható egy olyan tér, ahol a hőmérséklet az adott pontban állandó.

 

 

PID hőmérséklet szabályozók

 A szabályozóeszközök működési elvükből adódóan kisebb vagy nagyobb mértékű lengéseket okoznak. Állásos szabályozó esetén az eszközök a szabályozott jellemző (pl. hőmérséklet) értékét összehasonlítják az alapjellel, és ha azt elérik, lekapcsolnak. Ha a túllendülés után visszaáll az alapjelre a mért jellemző, újra bekapcsolják a kimenetet.

A korábban bemutatott kemencés példában említettük, hogy hosszú felmelegedésű a rendszer. Ennek következménye a nagyobb holtidő is, mivel az érzékelő a változásokat csak késve tudja mérni. Ez a lengés hosszú távon viszont súlyosan károsíthatja a berendezést, és a munkadarabok minősége sem lesz megfelelő.

A bonyolult, vagy érzékeny technológiákhoz pl. kerámiák hőkezeléséhez ma már a legtöbb esetben PID hőmérséklet szabályozókat alkalmaznak.

A PID- értékek adják meg a szabályozás minőségét, a PID- algoritmus pedig három érték eredőjéből számítja az alapjelet.

 

P: arányos szabályozás

A P szabályozók az alapjel környezetében arányosan szabályoznak. Fűtés esetén ez azt jelenti, hogy kimenetet az intervallum alsó határán 100%-ra, míg a felső határon 0%-ra állítják. Hűtési folyamat esetén ennek éppen a fordítottja valósul meg. Az alapjel értékét az eszközök 50%-nak veszik, ez azonban tartós túllendülést okozhat olyan rendszereknél, amik ennél kisebb kimeneti jelet igényelnek. Ezt az eltérést nevezik offsetnek.

 

I: integráló hatás

Az offsetből eredő hiba megszüntetéséért az integráló tag felel. Ez a szabályozó készülékben szoftveresen biztosítja, hogy offset értéke megszűnjön a beállított integrálási idő hozzáadásával vagy kivonásával. Minél nagyobb egy rendszer holtideje, annál nagyobb integrálási idő jellemzi, azaz sokkal lassabban jut vissza az alapjelhez.

 

D: deriváló tag

Az integráló tag és a beállított integrálási idő túlzottan megnöveli a beállás idejét, lomhává teszi a szabályozást. Ez a gyakorlatban nem igazán engedhető meg. A beállás finomhangolására szolgál a D érték, mely tulajdonképpen felgyorsítja a szabályozási folyamatot. Egyszerűen megfogalmazva a D tag plusz fűtéssel vagy adott esetben hűtéssel, azaz a bemeneti értékek gyors szabályozásával korrigál egy hirtelen változás (pl. a kemence kinyitása) esetén.

Érdemes tudni, hogy a legtöbb ma alkalmazott PID szabályozóban kikapcsolható az I értéke, így akár PD szabályozóvá is alakítható.

 

Autotune- önhangoló PID szabályozók

Az imént bemutatott P, I és D értékeket megadhatjuk manuálisan, de ha az eszköz képes rá, akár automatizálhatjuk is ezt a feladatot. Ebben az esetben a szoftver ún. robosztus szabályozásra állítja be a paramétereket, így a PID jelek folyamatosan csökkentik a kilengést. Érdemes olyan modellt választani, aminek megbízható az önszabályozó funkciója.

 

Mit válasszunk?

A fentiek alapján elmondható, hogy ipari környezetben, különösen a speciális hőkezelést alkalmazó iparágakban ajánlott a hagyományos állásos szabályozók helyett PID hőmérséklet szabályozókat alkalmazni.

Ezeknél a szabályozóknál fontos tulajdonság a robosztusság. Így elkerülhető a hosszú távú nem harmonikus lengés, ezáltal a berendezés károsodása.

Érdemes olyan eszközt választani, mely egyszerre több PID paramétert is képes tárolni, mert így a szabályozási folyamat is jobban optimalizálható.

 

Szeretnél még több érdekességet olvasni?

Iratkozz fel hírlevelünkre, ne maradj le az újdonságokról!

 

Tartalomhoz tartozó címkék: hőmérséklet szabályozás selec