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行業(yè)資訊
如何選擇溫度控制器
溫度控制器（Thermostat），根據(jù)工作環(huán)境的溫度變化，在開(kāi)關(guān)內(nèi)部發(fā)生物理形變，從而產(chǎn)生某些特殊效應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)通或者斷開(kāi)動(dòng)作的一系列自動(dòng)控制元件，或者電子原件在不同溫度下，工作狀態(tài)的不同原理來(lái)給電路提供溫度數(shù)據(jù)，以供電路采集溫度數(shù)據(jù)。
輝達(dá)工控KSY系列智能電爐溫度控制器（臺(tái)式）
控制器的基本功能是將實(shí)際溫度與設(shè)定值比較，并產(chǎn)生用于維持設(shè)定值的輸出。
控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的一部分，在選擇合適的控制器時(shí)應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。選擇控制器時(shí)應(yīng)考慮以下各項(xiàng)：
1、輸入傳感器的類型（熱電偶、RTD、卡式和溫度范圍）
2、傳感器的布置
3、所需控制算法（通/斷、比例、PID、 自動(dòng)整定PID）
4、所需輸出硬件的類型（機(jī)電式繼電器、SSR、模擬輸出信號(hào)）
5、附加輸出或系統(tǒng)要求（要求的溫度和/ 或設(shè)定值顯示屏、冷卻輸出、報(bào)警、限值、計(jì)算機(jī)通信等）
輝達(dá)工控KSY系列智能電爐溫度控制器（壁掛式）
l 輸入類型
輸入傳感器的類型取決于所需溫度范圍、所需測(cè)量分辨率和精度、傳感器的安裝方法和位置。
l 傳感器的布置
傳感元件相對(duì)于工作位置和熱源的正確布置對(duì)良好的控制最為重要。如果三者可以近距離布置，將能夠較容易地得到很高的精度，甚至能達(dá)到控制器的極限精度。但是，如果熱源距工作位置較遠(yuǎn)，將傳感元件定位在加熱器和工作位置之間不同的地點(diǎn)，所達(dá)到的精度就會(huì)有很大差異。
選擇傳感元件的位置前，應(yīng)先確定熱量需求是基本穩(wěn)定的還是有所變化。如果熱量需求相對(duì)穩(wěn)定，將傳感元件布置在熱源附近可將工作位置處的溫度變化保持在最小程度。
而當(dāng)熱量需求變化時(shí)，將傳感元件布置在工作位置附近將使其能夠更快速地感知熱量需求的變化。但是，由于加熱器和傳感元件之間熱滯后加大，會(huì)發(fā)生更大的過(guò)調(diào)量和欠調(diào)量，造成在最高溫度和最低溫度之間更大的分散。通過(guò)選擇PID控制器可以減小這種分散。
l 控制算法（模式）
控制器嘗試將系統(tǒng)溫度恢復(fù)到所需水平所采取的方法。兩種最常見(jiàn)的方法是二位（通斷）控制和比例（節(jié)流）控制。
1、 通斷控制
通斷控制具有最簡(jiǎn)單的控制模式。它具有死區(qū)（差值），以輸入量程的百分比表示。設(shè)定值通常位于死區(qū)中心。因此，如果輸入為0 ～ 1000?F，死區(qū)為 1%且設(shè)定值為500?F，當(dāng)溫度為495?F或更低時(shí)，輸出將為全通，直到溫度達(dá)到 505?F，此時(shí)輸出將為全斷。它將保持全斷狀態(tài)，直到溫度降到495?F。
如果過(guò)程的響應(yīng)速率很快，在495?F和 505?F之間的循環(huán)將很快。過(guò)程的響應(yīng)速率越快，過(guò)調(diào)量和欠調(diào)量就會(huì)越大，當(dāng)用作最終控制元件時(shí)，接觸器的循環(huán)也越快。
通斷控制通常用在不需要精確控制的場(chǎng)合，例如無(wú)法使能源頻繁接通和切斷的系統(tǒng)中，因系統(tǒng)質(zhì)量太大而溫度變化極慢的情況，或者用作溫度報(bào)警。
用作報(bào)警的一種特殊類型的通斷控制裝置為限制控制器。這種控制器使用必須手動(dòng)復(fù)位的鎖定繼電器，用于在達(dá)到特定溫度時(shí)關(guān)閉過(guò)程。
2、 比例
比例控制設(shè)計(jì)用于消除伴隨通斷控制的循環(huán)。比例控制器在溫度接近設(shè)定值時(shí)降低供給加熱器的平均功率。這能夠減慢加熱器加熱，以便溫度不會(huì)超過(guò)設(shè)定值，但會(huì)接近設(shè)定值并維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度。這種比例作用可通過(guò)以短時(shí)間間隔接通和切斷輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種“時(shí)間比例控制”通過(guò)“打開(kāi)”時(shí)間和“關(guān)閉”時(shí)間的比率變化來(lái)控制溫度。
兩次連續(xù)“接通”之間的時(shí)間稱為“循環(huán)時(shí)間”或“工作周期”。比例作用發(fā)生在設(shè)定溫度附近的一個(gè)“比例帶”內(nèi)。超出此比例帶，控制器的作用方式與通斷控制器一樣，輸出為全通（比例帶以下）或全斷（比例帶以上）。但是，在比例帶內(nèi)，輸出的接通和切斷與測(cè)量值和設(shè)定值之差成比例。在設(shè)定值（比例帶的中點(diǎn)）處，輸出通斷比為1:1，即接通時(shí)間和切斷時(shí)間相等。如果溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值，接通時(shí)間和切斷時(shí)間與溫差成比例變化。如果溫度低于設(shè)定值，輸出接通時(shí)間較長(zhǎng)。如果溫度高于設(shè)定值，輸出切斷時(shí)間較長(zhǎng)。
比例帶通常以輸入滿量程的百分比或度表示。它也可以稱為增益，是比例帶的倒數(shù)。在許多裝置中，循環(huán)時(shí)間和/或比例帶寬度可以調(diào)節(jié)，從而使控制器可以更好地匹配特定的過(guò)程。
比例控制器有一個(gè)手動(dòng)復(fù)位（微調(diào)）調(diào)節(jié)裝置，可用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)溫度和設(shè)定值之間的偏移量。
除機(jī)電和固態(tài)繼電器輸出外，比例控制器也可以有比例模擬信號(hào)輸出，如4 ～ 20 mA或0 ～ 5 Vdc。在這些輸出中，變化的是實(shí)際輸出電平振幅，而不是通斷時(shí)間的比例。
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圖1：比例控制
3、 比例加積分加微分控制模式(PID)：
這種控制器與比例控制器的工作方式相同，只是微調(diào)功能由積分功能（自動(dòng)復(fù)位）自動(dòng)執(zhí)行，從而對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使溫度在所有工作條件下都與設(shè)定值一致，偏移得以消除。
微分功能（速率作用）補(bǔ)償快速發(fā)生的負(fù)載變化。一個(gè)示例是間斷輸送產(chǎn)品的輸送帶烘道。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入烘道時(shí)，熱量需求急速上升，當(dāng)輸送帶停止時(shí)，就有了多余的熱量。微分作用可在這種情況下減少溫度的欠調(diào)量和過(guò)調(diào)量，從而防止因烘烤過(guò)度或不足而產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。
與通斷或比例控制器相比，PID控制器可提供更精確、更穩(wěn)定的控制。它最適用于質(zhì)量相對(duì)較小，對(duì)過(guò)程所加能源的變化反應(yīng)迅速的系統(tǒng)。在負(fù)載變化頻繁的系統(tǒng)中，建議使用這種控制器。該控制器能夠隨著設(shè)定值的頻繁變化，自動(dòng)補(bǔ)償可供能源量和要控制的質(zhì)量。
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圖2：速率功能補(bǔ)償快速變化
比例、積分和微分項(xiàng)必須進(jìn)行“整定” ，即針對(duì)特定過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一操作通過(guò)試誤法完成。有些控制器稱為自整定控制器，它們會(huì)嘗試自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 參數(shù)。
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圖3：復(fù)位功能消除偏移。
l 控制輸出硬件的類型
溫度控制器的輸出硬件可以是幾種形式中的一種。要使用的控制硬件類型取決于所用的加熱器和可用功率、所選的控制算法，以及控制器外部可用于處理加熱器負(fù)載的硬件。最常用的控制器輸出硬件如下：
1、時(shí)間比例或通斷
- 機(jī)械式繼電器
- 三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)（交流固態(tài)繼電器
- 直流固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)器（脈沖）
2、模擬比例
- 4 ～ 20 mA直流
- 0 ～ 5 Vdc或0 ～ 10 Vdc
時(shí)間比例輸出為負(fù)載供電的時(shí)間是固定循環(huán)時(shí)間的百分?jǐn)?shù)。例如：對(duì)于10秒的循環(huán)時(shí)間，如果控制器輸出設(shè)置為60%，繼電器將通電（閉合、供電）6秒，然后斷電（打開(kāi)、不供電）4秒。
機(jī)電式繼電器通常是最經(jīng)濟(jì)的一種，一般在循環(huán)時(shí)間大于10秒、負(fù)載相對(duì)較小的系統(tǒng)中選用。
選擇交流固態(tài)繼電器或直流電壓脈沖能夠可靠地驅(qū)動(dòng)外部SSR，因?yàn)樗鼈儾话魏我苿?dòng)零件。對(duì)于要求短循環(huán)時(shí)間的過(guò)程，也推薦使用它們。外部固態(tài)繼電器可能需要交流或直流控制信號(hào)。
振幅比例輸出通常是模擬電壓（0 ～ 5 Vdc）或電流（4 ～ 20 mA）。這種輸出的輸出電平也由控制器設(shè)置。如果輸出設(shè)置為60%，輸出電平將是5V的60%，即3V。對(duì)于4 ～ 20 mA輸出（16 mA的量程），60%等于(0.6 x 16) + 4，即 13.6 mA。這種控制器常常與SCR電源控制器或比例閥一起使用。
電阻式加熱器使用的功率通常以瓦為單位表示。繼電器的負(fù)載電流以安為單位表示。決定安全繼電器額定要求的常用公式為：
W = V(A)(1.5) 或A = W/(V)(1.5)
其中：A = 繼電器的額定電流，單位為安
W = 加熱器的******功率，單位為瓦
V = 使用的電壓
1.5 =安全系數(shù)
1.5 =安全系數(shù)
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KY系列智能電爐溫度控制器（安裝型）
可用在控制器外部處理負(fù)載的可用硬件類型如下：
1、機(jī)械式接觸器
2、交流控制固態(tài)繼電器
3、直流控制固態(tài)繼電器
4、零交越SCR電源控制器
5、相角起通SCR電源控制器
機(jī)械接觸器為外部繼電器，可以在需要控制器中的繼電器無(wú)法處理的大電流時(shí)使用，或者用在某些三相系統(tǒng)中。對(duì)于短于 15秒的循環(huán)時(shí)間，不建議使用它們。
與機(jī)械接觸器相比，固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)是它們沒(méi)有移動(dòng)部件，因此可以在循環(huán)時(shí)間短時(shí)使用。循環(huán)時(shí)間越短，死滯后越小，控制越好。“切換”在交流循環(huán)的零電壓交越點(diǎn)發(fā)生，從而不會(huì)產(chǎn)生可感知的電氣噪聲。交流控制固態(tài)繼電器與控制器的機(jī)械式繼電器或三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)輸出一起使用，最高可用于480 Vac下90 A的電流。直流固態(tài)繼電器與直流固定驅(qū)動(dòng)器（脈沖）輸出一起使用。“接通”信號(hào)可以為3 ～ 32 Vdc，有多種型號(hào)，最高可控制480 Vac下90A的電流。
零交越SCR電源控制器用于控制更大負(fù)載的單相或三相電源。它們可以用于480 V 下高達(dá)200 A的電流?？刂破魍ǔＰ枰敵鲆粋€(gè)4 ～ 20 mA直流控制信號(hào)。零交越 SCR電源控制器將模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)循環(huán)時(shí)間約為2秒或更小的時(shí)間比例信號(hào)，并在零交越點(diǎn)進(jìn)行切換，以避免產(chǎn)生電氣噪聲。
相角SCR電源控制器也由4 ～ 20 mA直流控制器輸出操作。通過(guò)控制一個(gè)完整的交流正弦波每半周的接通（起通）點(diǎn)來(lái)控制負(fù)載的供電。這具有使電壓在單個(gè)0.0167 秒周期內(nèi)變化的作用。通過(guò)比較，時(shí)間比例控制器在整個(gè)循環(huán)時(shí)間（通常大于1 秒，常常會(huì)大于15秒）上變化平均功率。相角SCR電源控制器僅推薦用于紅外線燈或電熱絲加熱器等低熱慣性加熱元件。
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