ترموستات دیجیتال چیست؟

ترموستات دیجیتال یکی از انواع ترموستات های پرکاربرد در صنعت است. به صورت کلی دو متغیر اصلی زیر در ترموستات دیجیتال وجود دارد:

• مقدار دمای واقعی یا Actual input signal یا Process value
• مقدار دمای مطلوب یا Desired setpoint value

عملکرد ترموستات های دیجیتال

در کنترلر ها مقدار واقعی معمولا با عبارت PV و مقدار مطلوب با عبارت SV نمایش داده میشود. عملکرد ترموستات ها ی دیجیتال به این شرح است:

1. ابتدا دمای واقعی محیط با استفاده از یک سنسور دما اندازه گیری می شود. این مقدار تحت عنوان PV بوده و سیگنال ورودی کنترلر است.
2. مقدار PV اندازه گیری شده  یا همان دمای واقعی به صورت مداوم با مقدار دمای مطلوب یا Setpoint مقایسه می شود.
3. در صورت انحراف دمای واقعی از Setpoint یک سیگنال خروجی توسط کنترل کننده ارسال می شود. این سیگنال وظیفه ی فعال کردن دستگاه های تنظیم کننده ی دما مانند دستگاه های گرمایشی یا سرمایشی را دارد. تغییرات سیگنال خروجی در کنترلر به تفاوت میان Setpoint و PV و هم چنین روند افزایش یا کاهش اختلاف بین آن ها بستگی دارد.

در تصویر زیر ترموستات دیجیتال Elitech STC-1000X را مشاهده می کنید. این کنترلر دما به سادگی روی درب تابلو نصب شده و می تواند سیستم کنترل دما را مدیریت کند. ترموستات های دیجیتال از نظر نحوه عملکرد، سنسورها، نوع خروجی و غیره در مدل های بسیار متنوعی ساخته می شوند. در این مقاله با ماهیت و روش کار ترموستات دیجیتال آشنا شده و در بخش های بعدی برندهای پرکاربرد را به صورت دقیق تر بررسی می کنیم.

بخش های یک ترموستات دیجیتال

همه ی کنترل کننده های دما دارای بخش های مشترک ورودی و خروجی هستند. در برخی از ترموستات های دیجیتال علاوه بر بخش های اصلی تعدادی قابلیت های اضافه نیز وجود دارد که در ادامه آن ها را بررسی می کنیم.

ورودی

اولین بخش یک کنترل کننده ورودی آن است. از ورودی ها جهت اندازه گیری یک متغیر از فرآیند استفاده می شود. این متغیر در کنترل کننده های دما همان دما است. در کنترل کننده های دما  معمولا از سنسور های زیر استفاده می شود:

• ترموکوپل یا Thermocouple: ترموکوپل های استاندارد شده شامل انواع J، K، T، R، S، B و L هستند. در تصویر زیر یک سنسور ترموکوپل تایپ K را مشاهده می کنید.

• سنسور های RTD یا Resistance Temperature Detector: سنسور های RTD نوعی حسگر دما بوده که با تغییر دما مقاومت آن ها تغییر می کند. در نام گذاری RTD ها معمولا از مقاومت آن ها در دمای 0 درجه سلسیوس استفاده می شود. به عنوان مثال یکی از پرکاربرد ترین RTD ها سنسور پلاتین 100 اهم است. با در نظر گرفتن نام این RTD مشخص می شود که در دمای 0 درجه سلسیوس مقاومت آن 100 اهم خواهد بود. در تصویر زیر یک نمونه سنسور RTD را مشاهده می کنید.

خروجی

هر کنترل کننده علاوه بر ورودی دارای یک یا چند خروجی است. از خروجی کنترل کننده ها به منظور انجام امور زیر استفاده می شود:

• کنترل یک فرآیند: به عنوان مثال روشن یا خاموش کردن یک تجهیز گرمایشی یا سرمایشی
• صادر کردن سیگنال هشدار یا آلارم
• تعیین مقدار یک فرآیند برای یک کنترل کننده ی منطقی قابل برنامه ریزی یا PLC

به صورت کلی در ترموستات دیجیتال از خروجی های زیر استفاده می شود:

• خروجی های رله یا Relay
• خروجی های حالت جامد یا Solid State relay (SSR) drivers
• خروجی های خطی آنالوگ یا Linear analog outputs

خروجی رله در کنترلر دما تنها دو حالت قطع و وصل دارد. در این خروجی به دلیل قطع و وصل مکرر آن امکان آسیب رسیدن به مدار وجود دارد. جهت پیشگیری از این پدیده می توان از کنترلر با خروجی آنالوگ استفاده کرد. در این صورت به جای خاموش و روشن شدن هیتر، توان آن کم و زیاد می شود. خروجی های آنالوگ عمدتا سیگنال هایی در رنج ولتاژ 0 تا 10 ولت یا جریان 4 تا 20 میلی آمپر دارند. به عنوان مثال اگر کنترلر سیگنال 0% ارسال کند آنگاه خروجی آنالوگ 0 یا 4mA خواهد بود. ارسال سیگنال 50% به معنی خروجی 5 ولت یا 12 میلی آمپر است. در حالت ارسال سیگنال 100% نیز خروجی 10 ولت یا 20 میلی آمپر می باشد. در نظر داشته باشید که از این سیگنال نمی توان در مدار قدرت استفاده کرده و حتما به یک بخش دیگر مانند درایو یا SSR های آنالوگ نیاز داریم. اطلاعات بیشتر در خصوص ورودی و خروجی های آنالوگ را می توانید در مقاله ی مدار فرمان مطالعه کنید.

پارامتر Setpoint

منظور از Setpoint همان مقدار دمای مطلوب یا دمای تنظیم شده در ترموستات است. در ترموستات دیجیتال عمدتا مقدار Setpoint توسط اپراتور تعیین می شود. وظیفه ی کنترل کننده  حفظ دمای محیط روی مقدار Setpoint تنظیمی است. در برخی کنترلر ها این عدد با عبارت SV نمایش داده می شود.

پارامتر Alarm

امکان تنظیم یک مقدار هشدار در برخی از ترموستات های دیجیتال وجود دارد. به بیان دیگر در این کنترلر ها علاوه بر خروجی اصلی خروجی دیگری برای آلارم استفاده می شود. این پارامتر زمانی فعال می شود که فرآیند در برخی از شرایط تعیین شده قرار گیرد.

پارامتر های PID

در ترموستات دیجیتال با کنترلر PID از این پارامترهای قابل تنظیم استفاده می شود. تنظیم ضرایب PID در ترموستات ها به صورت دستی امکان پذیر است. علاوه بر این در برخی کنترلر ها می توان پارامتر های PID را روی حالت Auto Tuning یا تنظیم اتوماتیک قرار داد.

دو قابلیت اضافه در ترموستات دیجیتال

برخی از کنترل کننده های دما دارای قابلیت های اضافه مانند Communication capability یا قابلیت ارتباطی هستند. این ویژگی اجازه ی برقراری ارتباط با PLC یا رایانه را به کنترلر می دهد. به این ترتیب امکان تبادل داده ها میان کنترلر و PLC از طریق شبکه های صنعتی ایجاد می شود. از دیگر قابلیت های اضافه در برخی از ترموستات های دیجیتال، امکان تنظیم از راه دور یا remote setpoint است. این ویژگی اجازه ی تنظیم کنترلر از راه دور را به یک دستگاه مانند PLC و رایانه می دهد.

انواع عملکرد کنترلی در ترموستات دیجیتال

عملکرد کنترلی ترموستات دیجیتال یا الکترونیکی به نوع کنترل کننده آن بستگی دارد. در این قسمت به بررسی 3 نوع روش کنترل دمای پرکابرد به شکل On/Off، تناسبی و PID می پردازیم.

کنترل On/Off

کنترل کننده های On/Off یکی از ساده ترین انواع کنترلر به حساب می آیند. خروجی در کنترل کننده های On/Off تنها دو حالت روشن و خاموش دارد. به منظور درک بهتر عملکرد این کنترلر مثال این بخش را در نظر بگیرید. فرض کنید یک کنترلر On/Off به همراه یک هیتر در اختیار داریم. هدف از کنترل دما در این مثال تنظیم دمای یک کوره روی 200 درجه سانتی گراد است. در صورتی که دما از 200 درجه کم تر شود، خروجی کنترلر روشن خواهد شد. خروجی کنترلر دما در نهایت به هیتر یا مشعل و دیگر سیستم های گرمایشی متصل می شود. در نظر داشته باشید که معمولا خروجی ترموستات به تجهیزات سوئیچ مانند کنتاکتور یا SSR نیاز داشته و نمی تواند مستقیم به بار متصل گردد.

به این ترتیب با کم شدن دما از 200 درجه هیتر روشن شده کوره را گرم می کند. فرآیند افزایش دما و روشن ماندن هیتر تا زمان رسیدن دمای محیط به Setpoint ادامه می یابد. هنگامی که دما بیشتر از 200 درجه شود خروجی کنترلر و در نتیحه هیتر خاموش خواهد شد. این چرخه به همین ترتیب ادامه دارد. همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید کنترل کندده دمای On/Off در محدوده ی Setpoint ناپایدار بوده و نوسان زیادی دارد.

در این تصویر خطوط مشکی نشان دهنده ی دمای تنظیمی یا Setpoint است. این دما در ترموستات دیجیتال روی 200 درجه ی سانتی گراد تنظیم شده و ثابت است. منحنی قرمز نشان دهنده ی دمای محیط بوده که توسط سنسور ورودی ترموستات اندازه گیری می شود. همانطور که مشاهده می کنید در لحظات اولیه ی راه اندازی دمای کوره حدود 80 درجه بوده و با روشن شدن هیتر افزایش پیدا می کند. منحنی آبی رنگ نشان دهنده ی وضعیت خروجی ترموستات به صورت On/Off است. با رسیدن دما به محدوده ی Setpoint رله ی خروجی قطع شده و هیتر خاموش می شود. در نظر داشته باشید که خاموش شدن هیتر مقداری دما افزایش پیدا کرده و بعد از آن شروع به کاهش می کند. با خارج شدن شدن دما از محدوده ی تنظیمی مجدد رله ی خروجی کنترلر روشن خواهد شد. طبق منحنی قرمز رنگ می توانید مشاهده کنید که کنترل دما در این روش دقت پائینی دارد.

از کنترلر ON/OFF معمولا در فرآیند های کند و کنترل دما با دقت پائین استفاده می شود. در برخی موارد چرخه ی روشن و خاموش شدن خروجی ترموستات به سرعت و پشت سر هم اتفاق افتد. در این شرایط جهت پیش گیری از خرابی در کنتاکتور ها و سایر تجهیزات از پارامتر هیسترزیس استفاده می شود. به بیان ساده تر در کنترل کننده های دما به منظور پیشگیری از روشن و خاموش شدن بیش از حد تجهیزات هنگام نزدیک شدن دما به Setpoint از پارامتر پسماند یا هیسترزیس کمک می گیریم. هیسترزیس فاصله ی دمایی بین نقطه قطع و وصل خروجی را مشخص می کند. به عنوان مثال فرض کنید مقدار Set point روی 22 درجه سانتی گراد و پارامتر هیسترزیس روی 1 درجه تنظیم شده باشد. به این ترتیب با رسیدن دما به 21 درجه هیتر روشن خواهد شد. در تصویر زیر نمودار عملکرد یک کنترلر ON/OFF همراه با پارامتر هیسترزیس را مشاهده می کنید.

کنترل تناسبی یا Proportional control

یکی از معایب کنترلر ON/OFF نوسانات آن است. از طرفی کنترلر ON/Off تنها زمانی روشن خواهد شد که دما از بازه ی مطلوب خارج شود. کنترل کننده ی تناسبی برخلاف کنترل کننده ی On/Off پیش از خروج دما از بازه ی مطلوب عمل خواهد کرد. این کنترلر با نزدیک شدن دما به حد بالا یا حد پایین میزان تغذیه ی خروجی را افزایش یا کاهش می دهد. این رفتار باعث افزایش یا کاهش سرعت فن هیتر یا توان خروجی آن می شود. تغییرات خروجی کنترل کننده ی تناسبی  می تواند تا حدودی دما را ثابت نگه دارد.

به بازه ی دمایی که کنترلر تناسبی در آن میزان Power supply را کم و زیاد می کند، بازه ی تناسبی یا Proportional band می گویند. در خارج از این بازه و رسیدن دما به کران بالا یا پایین Proportional band کنترلر تناسبی مانند کنترل کننده ی On/Off عمل می کند. به بیان دیگر با رسیدن دما به کرانه ی پایین باند تناسبی وارد عمل شده و منبع تغذیه یا Power supply را به صورت کامل وصل می کند.. در طرف مقابل و با قرار گرفتن دما در کرانه ی بالا منبع تغذیه به صورت کامل قطع خواهد شد. هنگام قرار گیری دما در بازه ی تناسبی بسته به میزان فاصله ی دما با کرانه بالا و پایین، میزان خروجی کم یا زیاد می شود.

کنترل PID

به صورت کلی استفاده از کنترلر دمای PID موجب بهبود دقت فرآیند می شود. کنترلر PID ترکیبی از کنترلر تناسبی یا Proportional، انتگرالی یا Integral و مشتقی یا Derivative است.  دو وظیفه ی اصلی در ترموستات دیجیتال با کنترل کننده PID عبارت اند از:

• حفظ دمای فرآیند در نقطه ی تنظیم یا Setpoint
• جلوگیری از هرگونه تغییر شدید در اثر تاخیر، Overshoot یا اغتشاش

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید سه عنصر اصلی در الگوریتم PID وجود دارند:

• Proportional یا تناسبی P: واریانس میان دمای Setpoint یا نقطه تنظیم و دمای Process temperature یا دمای فعلی فرآیند
• Integral یا انتگرال I : واریانس قبلی از Setpoint
• Derivative یا مشتق D : واریانس پیش بینی شده ی آینده بر اساس واریانس قبلی و فعلی

دو روش اصلی در تنظیم ترموستات دیجیتال با مقادیر PID عبارت اند از:

1.  فرد متخصص به صورت دستی متغیر های P، I و D و سطح توان یا Power مورد نیاز جهت حفظ دما در نقطه ی Setpoint را تنظیم می کند. در نظر داشته باشید که تنظیم و بهینه سازی ضرایب PID به صورت دستی فرآیندی زمان بری است.
2. از قابلیت تنظیم خودکار یا self-tune function در کنترلر استفاده می شود. در این حالت کنترلر دما به صورت خودکار به محاسبه ی PID جهت کنترل مستقیم فرآیند می پردازد. این قابلیت در برخی از کنترلر ها با عنوان Autotune شناخته می شود. استفاده از این قابلیت نیاز به مانیتور و تنظیم رفتار کنترل کننده را از بین می برد.

در تصویر زیر نمونه ایی از ترموستات PID آتونیکس را مشاهده می کنید.

نحوه عملکرد ترموستات دیجیتال با کنترل کننده ی PID

به صورت کلی نحوه عملکرد ترموستات دیجیتال صنعتی PID به صورت زیر است:

• ابتدا دمای محیط یا PV توسط سنسور اندازه گیری شده و با مقدار دمای مطلوب یا Setpoint مقایسه می شود.
• با توجه به فرمول و ضرایب PID و هم چنین اختلاف میان PV و SV خروجی کنترل می شود. هدف در این کنترلر صفر شدن میزان خطا بین مقدار SV و PV است. به بیان دیگر در کنترلر PID دمای محیط با دقت بالایی نزدیک به دمای Setpoint قرار می گیرد.

ترموستات دیجیتال با کنترلر PID در مقابله با اغتشاشات یا disturbance های فرآیند بسیار موثر تر عمل می کند. به عنوان مثال باز کردن درب اجاق گاز در هنگام کنترل دما یک اغتشاش به شمار می آید. این عمل ممکن است موجب تغییر دما و در نتیجه تاثیر نامطلوب بر کیفیت محصول نهایی شود. در این شرایط با استفاده از کنترلر PID و تنظیم صحیح آن می توان به جبران اختلال و بازگرداندن دما به نقطه ی تنظیمی پرداخت. علاوه بر این کنترلر PID با نزدیک شدن دما به Setpoint میزان Power را کاهش داده تا مانع افزایش بیش از حد دما شود. به این ترتیب از آسیب به محصول در اثر گرما ی زیاد نیز پیش گیری خواهد شد. در حالت استفاده از کنترلر PID و دلیل تعداد بالای قطع و وصل خروجی توصیه می شود از رله SSR به جای کنتاکتور ها استفاده کنید. در این حالت خروجی رله بخش کنترلی SSR متصل شده و از مقدار قدرت SSR استفاده می کنیم.

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.