کنترلر دما و کاربردهای آن

کنترلر دما، وسیله ای است که برای کنترل دمای پروسه صنعتی استفاده می شود، بدون اینکه نیاز به حضور اپراتور باشد. در این سیستم، این کنترلر، دمای خروجی یک سنسور دما نظیر ترموکوپل و یا RTD را دریافت نموده، و دمای واقعی احساس شده توسط سنسور را با دمای مورد نیاز که توسط اپراتور در دستگاه ست شده است، مقایسه می‌کند و خروجی مناسب را به تجهیزات کنترلی نظیر فن و یا المنت که به آن متصل شده است ارسال می‌نماید.

کنترلر‌ دما در سبک‌های مختلف با طیف گسترده ای از ویژگی‌ها و قابلیت‌ها ارائه می‌شوند. همچنین روش‌های زیادی برای دسته بندی کنترل کننده‌ها با توجه به قابلیت‌های عملکردی آن‌ها وجود دارد. به طور کلی ، کنترلر دما یا تک حلقه ای است یا چند حلقه ای. کنترل کننده‌های تک حلقه ای یک ورودی و یک یا چند خروجی برای کنترل سیستم حرارتی دارند. از طرف دیگر ، کنترلرهای چند حلقه ای ورودی و خروجی متعددی دارند و قادر به کنترل چندین حلقه در یک فرآیند هستند. حلقه‌های کنترل بیشتر، امکان کنترل بیشتر عملکردهای سیستم فرآیند را فراهم می‌کنند.

در هر شرایطی که نیاز به ثابت نگه داشتن درجه حرارت باشد ، به کنترلر دما نیاز است. این می‌تواند در شرایطی باشد که بدون نیاز به تغییر محیط پیرامون ، لازم است یک وسیله گرم ، سرد یا هر دو شود و در دمای هدف (نقطه تنظیم) بماند.دو نوع اساسی برای کنترل دما وجود دارد. حلقه باز و کنترل حلقه بسته. حلقه باز ابتدایی ترین شکل است و از گرمایشی / سرمایشی مداوم استفاده می‌کند ، بدون توجه به دمای واقعی خروجی.

این سیستم مشابه سیستم گرمایش داخلی در اتومبیل است. در یک روز سرد ممکن است لازم باشد که گرما را کاملاً روشن کنید تا ماشین تا ۷۵ درجه گرم شود. با این حال، در هوای گرم تر ، تنظیمات داخلی باعث گرم شدن فضای داخلی ماشین نسبت به دمای ۷۵ درجه می شود.

کنترلر دما برخی از متغیرها یا پارامترها را با یک مقدار تنظیم شده کنترل می‌کنند. دو متغیر مورد نیاز کنترل کننده وجود دارد. سیگنال ورودی واقعی و مقدار تنظیم شده مورد نظر. سیگنال ورودی به عنوان مقدار فرآیند نیز شناخته می شود. سپس این مقدار ورودی یا فرایند با مقدار تنظیم شده مقایسه می شود.

اگر مقدار واقعی با نقطه تنظیم مطابقت نداشته باشد ، کنترل کننده تغییر سیگنال خروجی را براساس تفاوت بین نقطه تنظیم و مقدار فرآیند و اینکه آیا مقدار فرآیند به نقطه تنظیم نزدیک می شود یا از نقطه تنظیم فاصله دارد ، ایجاد می‌کند. سپس این سیگنال خروجی نوعی پاسخ را برای تصحیح مقدار واقعی آغاز می‌کند تا با نقطه تنظیم مطابقت داشته باشد.

انواع کنترلر دما و نحوه عملکرد آن‌ها

کنترلر دما دارای انواع مختلفی است که به صورت خلاصه به توضیح هر کدام از آن‌ها می‌پردازیم:

کنترلر دما ON/OFF

کنترلر ON/OFF ساده ترین نوع کنترلر دما می‌باشد. خروجی این دستگاه یا ON و یا OFF است و حالت میانه ندارد. این نوع کنترلر تنها در صورتی خروجی می‌دهد که دمای ورودی از عدد ست پوینت دستگاه عبور کند. جهت کنترل گرما، خروجی زمانی ON می شود که دما زیر عدد ست پوینت باشد و زمانی OFF می شود که دما بالای عدد ست پوینت باشد. زمانی که دما از ست پوینت عبور می‌کند تا وضعیت خروجی را تغییر دهد دمای پروسه به ‌صورت سیکل وار ادامه پیدا می‌کند که از دمای زیر ست پوینت بالا برود و یا برعکس.

در مواردی که این سیکل سریع اتفاق می‌افتد، جهت جلوگیری از خرابی کنتاکتورها و ولوها، یک ON/OFF دیفرانسیلی و یا هیسترزیس، به عملکردهای کنترلر اضافه می شود. این دیفرانسیل زمانی نیاز است که قبل از ON یا OFF شدن خروجی، دما با یک مقدار مشخص، از ست پوینت تجاوز کند. ON/OFF دیفرانسیلی، مانع ضربه زدن خروجی و یا سوئیچ‌های سریع و ادامه دار می شود.

از کنترلر ON/OFF زمانی استفاده می شود که نیاز به کنترل خیلی دقیق نداشته باشیم، مثلا در سیستم‌هایی که مقدار و حجم سیستم بسیار زیاد است و دما بسیار کند تغییر می‌کند و یا برای آلارم دما از آن استفاده می شود. یک نوع خاص از کنترلر ON/OFF که برای آلارم استفاده می شود، یک کنترلر حدی یا LIMIT CONTROLLER است. این کنترلر از یک رله LATCHING استفاده می‌کند که باید به ‌صورت دستی RESET شود و برای SHOUT DOWN پروسه زمانی استفاده می شود که به یک دمای خاص رسیده باشیم.

کنترلر دما تناسبی Proportional Control

کنترلرهای تناسبی جهت حذف سیکل‌های ON/OFF کنترل، طراحی شده اند. زمانی که دما به ست پوینت می‌رسد، یک کنترلر تناسبی میانگین پاور اعمال شده به هیتر را کاهش می‌دهد. تاثیر آن کاهش سرعت هیتر است که موجب می شود دما از عدد ست پوینت تجاوز نکند، در نتیجه دما به عدد ست پوینت رسیده و در همان نقطه ثابت باقی می‌ماند. این عملکرد تناسبی، با خاموش و روشن کردن خروجی در فاصله‌های زمانی کوتاه، قابل انجام است.

در این نوع عملکرد، نسبت زمان ON و OFF جهت کنترل دما تغییر می‌کند. این عملکرد، در بازه اطراف ست پوینت اتفاق می‌افتد. در خارج این بازه، کنترلر شبیه یک کنترلر ON/OFF ساده عمل می‌کند. هر چند درون بازه یاد شده، خروجی به نسبت اختلاف اندازه گیری شده از ست پوینت، ON و OFF می شود.

کنترل دما PID

اساس کار این کنترلر انتگرال و مشتق است. این مدل کنترلر، کنترلر تناسبی را ترکیب می‌کند با دو تنظیم اضافی دیگر که کمک می‌کند واحد به‌ صورت اتوماتیک تغییرات سیستم را جبران کند. این مدل کنترل دقیق ترین و پایدارترین نوع کنترل است و برای سیستم‌هایی که حجم کمی دارند و نسبت به تغییرات انرژی اعمال شده به سستم، سریع واکنش نشان می‌دهند بسیار مناسب هستند. این نوع کنترلر برای سیستم‌هایی پیشنهاد می شود که بار مرتب تغییر می‌کند و از کنترلر انتظار می‌رود که به‌ صورت اتوماتیک این تغییرات در ست پوینت، تغییرات در مقدار انرژی و یا حجم را تنظیم کند.

نحوه انتخاب یک کنترلر جهت پروسه

کنترلر تنها بخشی از یک سیستم کنترل می‌باشد و جهت انتخاب آن باید کل سیستم مورد بررسی قرار بگیرد. آیتم‌های زیر، مواردی است که باید در انتخاب یک کنترلر مورد توجه قرار بگیرد.