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温度控制器的选择标准与其性能应用等多方面介绍
作者: 来源: 发布时间:2019-02-01

     我们上海远东仪表厂负责化学过程的工程师们正在学习如何通过加强加热过程控制来提高产品质量和提高产量。在机电恒温器通过简单的开关控制来控制加热的应用中,温度控制器可以提供精细的温度调节,可调节的斜坡用于加热和逐渐冷却。

    温度控制器的价格已经下降,因此工程师只需要适度的投资即可升级控制系统。此外,复杂的比例 - 积分 - 派生(PID)控制器可与按钮显示器和Windows兼容软件一起使用,无需编写系统控制代码。
    可以从智能温度控制器中受益的过程包括发酵,石油精炼,橡胶生产,聚合和合成纤维生产。不同类型和级别的控制智能对于不同的应用程序是有用的。因此,工程师需要知道哪些智能控制功能对他或她的过程最有利,以及哪种类型的编程功能最适合工厂的操作环境。
 
选择标准
    显然,在选择温度控制器时,过程工厂必须考虑许多功能。但是对流程经济学和应用细节的关注有助于说明者避免超出边际价值的智能特征。
    从广义上讲,“智能控制”是指具有超出基本开放/封闭系统功能的数字控制器。可以对智能温度控制器进行编程,以响应不断变化的条件提供各种输出。这通常包括补偿错误,负载变化或热变换的“预测”逻辑。也可以自动调节控制回路PID系数以及内部或外部故障的诊断。
    温度控制器可以允许过程回路中的实时感测,并为换能器提供电激励。在过程应用中特别重要的是具有报警功能的控制器,以及能够将诸如温度,日期,时间,通道号和报警之类的事件数据记录或传送到其他设备或监控软件的控制器。
 
反应堆应用
    考虑在试验工厂中的反应器应用,其中正在测试各种时间和温度配方以获得最佳结果。一些反应器需要加热来开始反应,因此电筒或插入加热器通常用于此目的。一旦反应开始,该过程可能是放热的。
    这些过程的温度控制必须是多方面的。见图1。
过程加热应用示意图
图1.过程加热应用示意图
 
    此处显示的过程类型的温度控制必须是多方面的。
    首先,需要特定的加热回路PID参数以使温度达到精确的反应点,而不会过热并且在最短的可行时间内。在这种情况下,工程师应选择一个控制器,该控制器提供PID系数的自动调整,以优化收敛到设定点温度。见图2。
    一旦反应进行,它必须通过冷却回路节流,通常连接到与加热回路相同的控制器。通常,工程师需要将警报条件编程到控制器中。他或她将需要一个控制继电器或数字输出来打开一个阀门,如果它变得太热就会中和反应(图2)。
智能自整定设定点收敛曲线
图2.智能自整定设定点收敛曲线
 
    智能自整定计算DIN控制器PID系数,以优化启动期间的设定点上升,并根据需要更新这些参数,以响应过程中的设定点或记录变化。
 
分辨率,准确性和可重复性
    控制器的分辨率,精度和可重复性是重要的考虑因素,它们也是由工艺要求驱动的。例如,塑料注射机不需要像化学储罐所要求的那样精确的温度控制。通常,数字控制器的温度精度以诸如(跨度+1最低有效数字[LSD]的0.2%)的术语来指定。更精确的0.1度精度控制器可用于需要严格温度调节的应用。
    可重复性是所有这些应用的关键。换句话说,每次将控制器复位到给定温度时,实际测量将在较窄的公差带内显示与上次相同的温度。见图3。
    其他温度控制器选择问题包括物理尺寸,传感器输入类型,易于安装和电源控制器接口问题。
 
升级到更高的智力
    较旧的温度控制系统通常具有灯泡和毛细管传感元件,其为单个回路提供开关控制。对于耐受宽温度波动的工艺材料,这种控制水平可能就足够了。但是,这些系统可以使用新的DIN温度控制器轻松升级,从而提供更好的分辨率。
    目前有许多基于微处理器的DIN系统可供选择,其中大多数易于安装并允许通用传感器输入,包括热电偶,电阻温度检测器(RTD),电压和电流。
    该系列的一端是控制器,只有温度控制逻辑。这些控制器的优点是其简单的设置。用户只需通过DIP开关选择传感器类型,将传感器连接到输入端,并使用控制器前面板上的按钮配置温度设定点。这些简单的DIN控制器是老化机电系统的良好替代品。
    更复杂的DIN控制器提供通用PID控制算法,可配置超出温度的应用,包括压力,流量和液位控制。除了允许通过前面板进行现场设置外,一些高端控制器还包括一个数据通信端口,用于从主机进行远程配置。
    微处理器的智能特征可以包括PID系数和模糊逻辑的自动调谐,以实现最小的过冲和/或到稳定设定点的最小经过时间。其他情报可能包括用于固化或环境测试的多个间隔斜坡和浸泡程序,“具有多个事件控制输出,以及用于保护过程的定时输出功率限制。
    可以使用诊断智能来解决内部问题并保护过程回路免受外部故障的有害影响,例如控制输出或电源控制设备的断开或短路。可能识别的其他故障包括缺少负载功率,开路或短路传感器以及反向传感器。
    虽然数字控制器提供了许多功能(即使是1/16 DIN封装尺寸),但许多过程应用可能需要更全面的智能功能。例如,为了实现智能可扩展系统,最新的热跟踪控制器使用微处理器和可编程逻辑控制器(PLC)设计,内置软件和虚拟控制面板图形用户界面(GUI)(图3)。
重复性可能比绝对精度更重要。
图3.重复性可能比绝对精度更重要。
 
    热跟踪系统广泛用于许多化学工厂,以保持输送到工艺的流体的温度和粘度。先进的多回路控制器具有低滞后和快速响应。除温度控制外,这些“高端”系统还可监控电缆连续性和加热器电流。
    如果热跟踪系统没有太多控制区,并且工程师愿意建立他或她自己的系统,则多回路DIN控制器可能就足够了。DIN控制器专为热跟踪应用而设计,许多具有输入端子,用于接收来自电流互感器的信号,以验证电缆的正常运行。
 
通信和安装注意事项
    过程加热应用通常与制造过程中的其他步骤有关。在这些情况下,工厂应确保选择能够与中央控制系统进行数字通信的温度控制器。高端DIN控制器将具有串行数据通信端口,为整个过程系统提供网关。可以集中监控状况和报警的状态,并可以远程重新配置控制器。
    DIN控制器不具备记录数据的能力,但它们可以将数据传送到中央软件系统或工业PC。数据记录对于过程应用尤其重要,因为趋势分析可以允许微调加热控制参数并协助预测性维护程序。此外,可能需要收集数据以记录对安全法规或质量保证要求的遵守情况。
    无论其复杂程度如何,数字控制器只是完整热控系统的一个组成部分。完整的集成系统包括安装在适当控制面板中的断路器和电源开关。面板制造商,集成商和供暖系统供应商可以将数字PID控制器,可控硅整流器(SCR)控制器和配电设备组合在一个完整的系统中。
    今天,随着半导体的不断缩小和创新的散热器设计,100安培,单相可控硅功率控制器的封装尺寸小于0.5立方英尺。这些发展有助于缩小整体面板尺寸,使面板能够适应以前不可能的地方。模块化设计使这些系统可以轻松扩展到更高电流和更多环路,几乎适用于任何工艺。
 
编程和集成考虑因素
    通常,流程需要快速的操作员决策和本地调整,以保持生产正常进行。幸运的是,温度控制器可提供带有虚拟按钮的触摸屏显示器和完整的过程信息,如温度设定点,实际温度,回路状态,输入值,负载电流和报警。GUI避免了对庞大键盘的需求,并最大限度地缩短了操作员培训所需的时间。此外,工厂人员不需要学习神秘的开关标签或编写软件代码。
    与基于PC的控制器和传统PLC系统相比,预先包装的温度控制系统成本更低,并且所需的设置时间更短。
    如果标准接口不合适,工厂使用低成本的基于Windows的软件开发包开发定制控制程序相对容易。这些类型的软件包是自动配置监控和数据采集(SCADA)程序,可与控制和监控设备(如温度控制器)进行通信。
    我们上海远东仪表厂的温度控制器典型功能包括在过程图中实时发布温度,虚拟拨号和控制,数据/事件记录,报警和配方系统。见图4。
许多温度控制系统提供可选的PC软件,允许工程师构建定制接口。
图4.许多温度控制系统提供可选的PC软件,允许工程师构建定制接口。
 
    目标应该是构建一个直观的触摸屏GUI,允许系统操作员在最少的培训下使用该系统。控制器附带的软件通常包括为该控制器预先配置的硬件驱动程序,从而简化了系统集成。如果使用第三方软件,程序员或集成商必须从控制器制造商那里获得正确的驱动程序。有时合适的驱动程序不可用,必须编写和测试自定义代码,从而增加项目的成本和时间。
 

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