作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

加熱。在包裝封口機、塑料成型作業、焊料回流爐、半導體加工等許多工業流程中，加熱都很重要。每種工藝對溫度水平和控制精度都有特定的要求。

自動化有助于在工業 4.0 設施中實現最高生產率和可持續性。小型機器和熱加工也不例外。但并不是所有情況都需要大型、全面的解決方案。借助相對簡單的專用溫度控制器和小型可編程邏輯控制器 (PLC)，也可以提高許多應用的性能。

機器設計人員可為簡單的自動化項目選擇一系列選項，包括適用于單相和三相電源環境的加熱器控制器、采用一系列復雜控制算法的加熱器控制器，以及針對中小型自動化環境進行優化的 PLC。一些小型機器在相對孤立的環境中工作，而另一些機器與大型設備連接則更有益。

本文介紹了功率控制器和加熱器控制器的各種選擇，包括硬件和軟件方面的考量。最后簡單介紹了與用于測量溫度的傳感器技術和已針對中小型機器進行優化的 PLC 有關的系統集成問題，以及 [Omron] 的典型產品。

從熱固樹脂和粘合劑等材料的固化到食品飲料產品的生產，工業流程通常都需要進行溫度控制才能維持效率和確保質量。工業加熱器不可或缺，但[溫度控制器] 才是關鍵。

控制工業加熱器溫度的方法不止一種。系統的運行優先級決定了所選擇的方法。當運行成本是首要考慮因素且較低的溫度控制精度可以接受時，便可采用簡單的電壓控制系統。

通過調節加熱元件的供電電壓，可以控制加熱器的功耗，并改變熱量輸出。電壓的變化可以快速實現，并產生相應的溫度變化，但其滯后性隨系統設計的不同而變化。減小電壓可降低能源成本和溫度。不過，對于許多工藝而言，溫度降低的響應時間可能太長，而且很難精確控制溫度。

基礎電壓控制之外

對于許多應用而言，基礎電壓控制是不夠的。在這些情況下，設計人員可使用開/關控制、周期控制、最優周期控制或相位控制（圖 1）。每種技術都具有不同的性能特點：

• 相位控制可提供極佳的可控性響應，并具有優異的解決方案尺寸和成本，而且噪聲性能在大部分應用中都可以接受。
• 周期控制可提供優異的可控性響應，并具有優異的解決方案尺寸和成本，而且噪聲性能也同樣優異。在“最佳”周期控制中，每半個周期都會確定開關狀態。
• 使用固態繼電器 (SSR) 進行開/關控制具有優異的可控性響應、最小的解決方案尺寸、合理的成本以及出色的噪聲性能。

圖 1：用于工業加熱器控制的電源開關選項。（圖片來源：Omron）

實現相位控制和最優周期控制

Omron 為設計人員提供多種選項來實現開/關控制、相位控制或最優周期控制，其中包括型號 [G3PW-A245EU-S] ，其額定工作電壓為 100 VAC 至 240 V AC ；另提供工作電壓為 400 VAC 至 480 VAC 的其他型號。

這些控制器加入了加熱器燒毀檢測功能，可延長系統正常運行時間。一個 RS-485 通信端口用于設置變量和監測負載電流。

G3PW 控制器支持總運行時間監測，適用于恒阻負載和變阻負載。

多通道功率控制器

G3ZA 多通道功率控制器系列增加了三相最優周期控制功能，以支持三相加熱器。與過零型 SSR 結合使用時，可支持低噪聲功率運行。一個控制器最多可控制 8 個 SSR。此外，燈加熱器還具有軟啟動功能（圖 2）。

圖 2：G3ZA 多通道功率控制器支持三相最優周期控制。（圖片來源：Omron）

三相加熱器已增加了三相最優周期控制功能。型號 [G3ZA-4H203-FLK-UTU] 的額定工作電壓為 100 VAC 至 240 V AC ，包括 RS-484 連接。另有工作電壓為 400 VAC 至 480 VAC 的其他型號可供選擇。

用于系統集成的溫度控制器

[EJ1N-TC4A-QQ] 等溫度控制器可連接至 G3ZA 系列多通道控制器等功率控制器。這些控制器具有用于溫度傳感器的輸入端和用于系統 PLC 的連接端。輸入單元可處理熱電偶、鉑電阻溫度檢測器 (RTD) 和模擬輸入。

功能包括自動調諧 (AT)，可幫助實現比例-積分-數字 (PID) 控制。自動調諧可用于通過手動使用階躍響應法確定 PID 常量。一個 DeviceNet 通信集線器最多可連接 16 個溫度控制器。

熱管理軟件

EJ1N 溫度控制器可受益于 [EST2-2C-MV4] 熱支持軟件包。該軟件可從個人電腦編輯和批量下載參數，加快配置和調試速度。

還支持對多達 31 個控制器進行趨勢監測?？杀O測的參數包括過程值 (PV)、系統值 (SV)、操縱值 (MV)、PID 參數和警報開/關狀態。

支持的邏輯運算包括從外部輸入（事件輸入）或溫度狀態設置輸入，向外部控制或輔助輸出裝置發送值，以及通過開/關延遲改變工作狀態。

改進的 PID

PID 控制在溫度控制應用中非常有用。具有快速 SSR 的 G3ZA 系列多通道控制器等功率控制器與采用 PID 算法的溫度控制器結合使用時，可提供維持要求的溫度公差所需的細粒度控制。

基礎 PID 控制需要在快速達到工作 SV 但存在可測量的過沖量，或盡量減少過沖但以較慢的速度上升到 SV 之間進行權衡。此外，在達到 SV 與響應傳感器測得的實際 PV 干擾之間也要進行權衡。對 PV 變化的響應更好往往意味著 SV 上升性能不佳。

為了解決這些性能權衡問題，Omron 開發了一種增強型 PID 算法，稱為 2-PID，或雙自由度 PID。出廠時的 PID 預設值適合大部分加熱應用，并支持過沖最小的響應。然而，借助 2-PID，設計人員還可設置對 SV 變化的響應速度，控制器會自動調整 PID 算法，以提供對 PV 干擾的優化響應（圖 3）。

圖 3：Omron 的 2-PID 溫度控制（下圖）結合了優異的干擾響應（右側）和優異的階躍響應（左側）。（圖片來源：Omron）

Omron 的 E5CC 溫度控制器（如 [E5CC-QX3A5M-003] ）加入了 2-PID 控制。這些控制器還可以為要求不高的應用實現基礎開/關控制。

大號白色 PV 顯示屏顯示的是 PV 值，小號綠色 SV 顯示屏顯示的是期望值（圖 4）。選配 CX-Thermo 管理軟件支持快速編程。對于簡單的應用，這些控制器可在 PLC 的介入下實現定時器功能和基本邏輯運算。

圖 4：E5CC 溫度控制器可清楚顯示 PV 值 和 SV 值。（圖片來源：DigiKey）

RS-485 接口支持 Modbus 通信或 Omron 專有的 CompoWay/F。這些控制器可接受各種輸入，包括：

• 12 種熱電偶
• PT100 或 JPt100 RTD
• 4 至 20 mA 或 0 至 20 mA 電流輸入
• 1 至 5 V、0 至 5 V 或 0 至 10 V 電壓輸入

用于干擾抑制的自適應 PID

[NX-TC 自適應溫度控制器] 將 PID 控制提升到了一個新的水平，并且能夠適應實時工作條件。自適應控制可根據工藝變化對控制設置進行自我優化。此外，這些控制器還包括用于包裝密封應用和水冷塑料擠出機的內置功能。對于簡單的應用，可以實現基礎開/關控制。

干擾抑制功能 (DSF) 與 PID 控制結合后，可抑制常規和預期干擾造成的溫度下降，例如在以下應用中：

• 當通過打開的門注入氣體或添加或移除材料時，腔室溫度會下降的沉積設備
• 電流流過晶圓時會導致溫度升高的晶圓探針
• 注入樹脂時模具溫度會下降的成型系統

DSF 可自動抑制由可預見事件引起的正負溫度波動。DSF 在發生干擾前由觸發信號啟動，然后對 MV 進行增減。這種自動調整可調整前饋 (FF) MV、FF 工作時間和 FF 等待時間，并且最多可將實現溫度穩定的時間縮短 80%（圖 5）。

![DSF 增強型 PID 控制的圖片] 圖 5：DSF 增強型 PID 控制最多可將溫度穩定的等待時間縮短 80%。（圖片來源：Omron）

專為驅動 SSR 設計的 NX-TC 單元（如雙通道 [NX-TC2405] ）針對可擴展性進行了優化。在實現多級加熱/冷卻過程時，設計人員可使用 Omron 的 Sysmac studio 對多個加熱電路或位置進行編程控制。

除 DSF PID 外，這些控制器還支持開/關控制，并且具有加熱器燒毀錯誤檢測功能。不僅包括用于網絡連接的 EtherNet/IP 和 EtherCAT，而且還可接受各種熱電偶或 RTD 傳感器輸入。

不測量就無法優化

電源開關設計、溫度控制器和熱管理軟件無法在信息真空時提供最佳性能。溫度傳感器提供運行數據，使控制器和軟件能夠完成它們的工作。有多種溫度傳感器技術可供設計人員選擇，其中包括：

• 用作溫度敏感型電阻器的熱敏電阻。這些熱敏電阻的可重復性和穩定性通常約為 ±0.1°C。型號 [E52-THE5A-0/100C] 的工作溫度范圍為 -50°C 至 300°C。
• K 型溫度傳感器是一種含有鉻和鋁導體的熱電偶。這些傳感器可以配置為浸入式傳感器、表面傳感器或其他樣式。型號 [E52-CA1GTY 2M] 的工作溫度范圍為 0°C 至 300°C。
• RTD 傳感器精度高，抗電噪聲能力強，因此適用于惡劣的工業環境。[E52-P6DY 1M] 鉑 pt100 RTD 傳感器的額定工作溫度范圍為 -50°C 至 250°C。
• [ES1-LW100-N] 等非接觸式紅外 (IR) 傳感器可在 1,000 mm 的距離內測量直徑為 35 mm 的目標區域的溫度。其指定使用溫度高達 1,000°C。

集成到一個系統中

設計最多具有 320 個 I/O 的中小型機器時，可選用 Omron 的 [CPE2 系列] PLC。這些小型 PLC 的通信功能支持機器對機器 (M2M) 數據傳輸，并且可集成到工業物聯網 (IIoT) 中。

CPE2 PLC 的工作溫度范圍為 -20°C 至 +60°C，適用于各種工業應用，例如包裝封口機、灌裝壓蓋機、金屬或塑料加工工具、塑料成型機以及小零件裝配。型號 [CP2E-N30DR-D] 有 18 個輸入和 12 個輸出，可在 100 至 240 VAC 或 24 VDC 電源下工作?？膳c [NB7W-TW01B] 7" 彩色觸摸屏 HMI 搭配使用，以形成完整的系統解決方案（圖 6）。

圖 6：Omron 的 CP2E-N30DR-D 控制器和 NB7W-TW01B 7" 彩色觸摸屏 HMI。（圖片來源：Omron）

結語

熱管理是許多工業流程的一個重要方面。這就需要選擇并集成具有優化算法的功率控制器和加熱器控制器。溫度傳感器是熱管理難題的另一個重要組成部分。最后，設計人員可選用小型 PLC 來支持 M2M 通信并集成到 IIoT 中。

審核編輯 黃宇