همانطور که از اسم این دستگاه مشخص است، کنترلر دما، تجهیزی است که از آن جهت کنترل دمای پروسه صنعتی استفاده می شود، بدون اینکه نیاز به حضور اپراتور باشد. در این سیستم، کنترلر دما، دمای خروجی یک سنسور دما نظیر ترموکوپل و یا RTD را دریافت نموده، و دمای واقعی سنس شده توسط سنسور را با دمای مورد نیاز که توسط اپراتور در دستگاه ست شده است، مقایسه می کند و خروجی مناسب را به تجهیزات کنترلی نظیر فن و یا المنت که به آن متصل شده است ارسال می نماید.
کنترلر ON/OFF ساده ترین نوع کنترلر دما می باشد. خروجی این دستگاه یا ON و یا OFF است و حالت میانه ایی ندارد. این نوع کنترلر تنها در صورتی خروجی می دهد 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. زمانیکه که دما از ست پوینت عبور می کند تا وضعیت خروجی را تغییر دهد دمای پروسه بصورت سیکل وار ادامه پیدا می کند که از دمای زیر ست پوینت بالا برود و یا برعکس. در مواردی که این سیکل سریع اتفاق می افتد، 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 سوئیچ های سریع و ادامه دار می شود. از کنترلر ON/OFF زمانی استفاده می شود که نیاز به کنترل خیلی دقیق نداشته باشیم، مثلا در سیستم هایی که مقدار و حجم سیستم بسیا زیاد است و دما بسیار کند تغییر می کند 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 می کند که باید بصورت دستی RESET شود و برای SHOUT DOWN پروسه زمانی استفاده می شود که به یک دمای خاص رسیده باشیم.به طور کلی در این کنترلر ها مواردی مانند اورشوت و حرکت نوسانی بسیار رخ می دهد و حذف این موارد غیر ممکن می باشد. کنترلر ON/OFF منسوخ شده می باشد و تنها در مواردی که دقت، اهمیت چندانی ندارد مورد استفاده قرار می گیرند.
کنترلرهای تناسبی جهت حذف سیکل های ON/OFF کنترل، طراحی شده اند. زمانیکه دما به ست پوینت می رسد، یک کنترلر تناسبی میانگین پاور اعمال شده به هیتر را کاهش می دهد. 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 می ماند. این عملکرد تناسبی، با خاموش و روشن کردن خروجی در فاصله های زمانی کوتاه، قابل انجام است. در این نوع عملکرد، نسبت زمان ON و OFF جهت کنترل دما تغییر می کند. این عملکرد، در بازه اطراف ست پوینت اتفاق می افتد. در خارج این بازه، کنترلر شبیه یک کنترلر ON/OFF ساده عمل می کند. هر چند درون بازه یاد شده، خروجی به نسبت اختلاف اندازه گیری شده از ست پوینت، ON و OFF می شود.
کنترلر PID جهت اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مانند فشار، دما، سطح، فلو و. غیره مورد استفاده قرار می گیرند. PID مخفف Propotional Integral Derivative می باشد و اساس کار این کنترلر بر اساس سه مد کنترلی تناسبی، انتگرالی و مشتقی است.
بر اساس وضعیت فعلی سیستم تحت کنترل عمل می کند و مقدار اندازه گیری شده نسبت به مقدار تنظیم شده مقایسه می شود و سیگنال کنترلی متناسب با دامنه خطای لحظه ای ارسال می گردد.
بر اساس وضعیت گذشته سیستم تحت کنترل می باشد و سیگنال کنترلی بر اساس دامنه خطا در زمان های گذشته ایجاد می گردد.
عملکرد این تابع بر اساس وضعیت آینده سیستم کنترلی می باشد و سیگنال کنترلی به میزان تغییرات خطا بستگی دارد. کنترلر PID بر اساس سه وضعیت گذشته، حال و آینده سیستم، سیگنال کنترلی را تولید می کند و در بسیاری از فرایندهای صنعتی کاربرد دارد.
ساختار کنترهای دما تاثیر مستقیمی بر روی تنظیم کنترلر ها دارد، انواع ساختار کنترلر دما PID به شرح زیر می باشد:
کنترلر دما PID با ساختار موازی
کنترلر دما PID با ساختار غیر تعاملی (استاندارد، ایده آل، ISA)
کنترلر دما PID با ساختار تعاملی (حقیقی، سری، کلاسیک)
این ساختار در سیستم های کنترل توزیع شده و کنترل کننده PLC کاربرد دارند. تنظیم این ساختار مشکل می باشد.
از الگوریتم‌های تنظیم کُهِن-کُن (Cohen-Coon) و لاندا (Lambda) برای این نوع پیکربندی استفاده می شود.
کنترلر دما PID با ساختار تعاملی (حقیقی، سری، کلاسیک)
ساختار کنترل کننده‌های پنوماتیکی و الکترونیکی اولیه به صورت تعاملی بود. در حال حاضر انواعی از کنترل کننده با ساختار تعاملی موجود می باشند.این مدل کنترل دقیق ترین و پایدارترین نوع کنترل است و برای سیستم هایی که حجم کمی دارند و نسبت به تغییرات انرژی اعمال شده به سستم، سریع واکنش نشان می دهند بسیار مناسب هستند. این نوع کنترلر برای سیستم هایی پیشنهاد می شود که بار مرتب تغییر می کند و از کنترلر انتظار می رود که بصورت اتوماتیک این تغییرات در ست پوینت، تغییرات در مقدار انرژی و یا حجم را تنظیم کند.
ساختار ساده
تنظیم راحت
حذف خطای حالت ماندگار
پیاده سازی راحت
قیمت پایین
ماژول تجاری
خروجی کنترلر دما
کنترلر دما وظیفه برقرای ارتباط و تغییر وضعیت جهت رسیدن دمای تجهیزات به دما ی مورد نظر را دارند و مقدار خروجی به صورت خروجی ولتاژ 0 تا 5 ولت DC یا جریان 4 تا 20 میلی آمپر می باشد. خروجی های کنترلر دما به شرح زیر می باشد
خروجی رله ای (Relay output)
خروجی رله حالت جامد (SSR)
خروجی رله ای از نوع جریان می باشد و به وسیله جریان خروجی کنترلر تنظیم می شود.
در خروجی رله ای، کنترلر دارای یک کنتاکت داخلی می باشد که به صورت سری به تجهیزات خروجی متصل می باشد و باعث روشن یا خاموش شدن می شود.
در صورت نیاز به توان بیشتر، یک کنتاکت مغناطیسی خارج از کنترلر قرار می دهیم.
در خروجی SSR، خروجی از نوع ولتاژی می باشد و ولتاژ 12 ولت تولید می کند، رله حالت جامد توسط این ولتاژ دستورات را دریافت می کند و با توجه به مقدار خروجی کنترلر دما، تجهیزات را کنترل می کند.
رله حالت جامد دارای قسمت متحرک نمی باشند و برای فرآیندهایی که چرخه زمانی کوتاهی دارند کاربرد دارد.
برای کنترل اثر اغتشاشات، کنترل فازی، به کنترلر PID اضافه می شود. در این حالت اختلاف دمای بین ست پوینت و مقدار واقعی دما محاسبه می شود و دما به طور دقیق تنظیم می گردد.
کنترلر تنها بخشی از یک سیستم کنترل می باشد و جهت انتخاب آن باید کل سیستم مورد بررسی قرار بگیرد. آیتم های زیر، مواردی است که باید در انتخاب یک کنترلر مورد توجه قرار بگیرد.
نوع سنسور ورودی (ترموکوپل یا RTD)، و رنج دمایی
نوع خروجی مورد نیاز (رله الکترومکانیکی، SSR، خروجی آنالوگ)
الگوریتم کنترلی مورد نیاز (ON/OFF، تناسبی، PID)
تعداد و نوع خروجی ها (گرما، سرما، آلارم، LIMIT)
