ประเภทของ Temperature Controller

ประเภทของ Temperature Controller

แบ่งเป็นประเภทใหญ่ๆได้ 2 ประเภทคือ Analog Controller และ Digital Controller

1. Analog Temperature Controller

เป็น Temperature Controller ประเภทหนึ่งซึ่งทำหน้าที่ในการควบคุมแต่วงจรภายในไม่ได้ใช้ตัวไมโครคอนโทรลเลอร์ในการควบคุมจะใช้เพียงวงจรอิเล็กทรอนิกส์หรืออาจจะไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์เลยมีเพียงโลหะ 2 ชนิดที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โดยตัวควบคุมประเภทนี้ปัจจุบันมีใช้น้อยลงทั้งในอุตสาหกรรมหรืองานที่ต้องการความถูกต้องในการวัดและการควบคุมสูงเนื่องจากถูกแทนด้วยตัวควบคุมแบบดิจิตอลซึ่งมีความแม่นยำมากกว่า

2. Digital Temperature Controller

เป็น Temperature Controller ประเภทหนึ่งที่มีใช้กันมากในปัจจุบันซึ่งทำหน้าที่ในการควบคุมอุณหภูมิซึ่งสามารถควบคุมอุณหภูมิได้ทั้งร้อนและเย็นหรือทั้งร้อนและเย็นพร้อมกันโดยมีความเที่ยงตรงสูงและสามารถใช้งานได้หลากหลายรวมถึงสามารถต่อเข้ากับระบบควบคุมแบบใหม่ได้ เช่น Industry 4.0 เพื่อเก็บข้อมูลหรือการควบคุมจากระยะไกลผ่านทางพอร์ตการสื่อสาร เช่น RS-485 หรือ MODBUS โดยมีองค์ประกอบพื้นฐานของตัวคบคุมได้แก่หน้าจอแสดงผลค่าอุณหภูมิ PV ส่วนของการตั้งค่าอุณหภูมิ SV ช่องรับสัญญาณอินพุตและช่องส่งสัญญาณเอาต์พุต

ตัวแปรที่สำคัญของ Temperature Controller

• PV (Process Variable) คือ ค่าของอุณหภูมิจริงที่วัดได้
• SV (Set Point Variable) คือ ค่าของอุณหภูมิที่ผู้ใช้ต้องการควบคุมให้คงที่

หลักการทำงานของ Temperature Controller

ในการทำงานของ Temperature Controller นั้น จะเริ่มต้นที่การตั้งค่าที่ส่วนของ SV ซึ่งเป็นการระบุว่าเราต้องการควบคุมอุณหภูมิที่กระบวนการผลิตเท่าไร เช่น ตั้งไว้ 500ºC จากนั้นตัวควบคุมอุณหภูมิ ก็จะทำการเปรียบเทียบ หรือ หาผลต่างระหว่างค่า PV กับ SV ซึ่งค่า PV จะได้จากการอ่านค่า Sensor Input ซึ่งถ้าค่า PV น้อยกว่า SV ก็จะสั่งให้ Control Signal Output จ่ายสัญญาณออกไปผ่าน SSR ที่เปรียบเสมือนสวิตช์ เพื่อเร่งให้ตัว Heater ทำงานให้ร้อนขึ้น เมื่ออุณหภูมิที่ค่า PV มากกว่า SV ก็จะทำการลดค่า Control Signal Output ลงเพื่อให้ Heater ทำงานน้อยลง โดยกระบวนการควบคุมนี้เป็น พื้นฐานการควบคุมแบบหนึ่งที่เรียกว่า การควบคุมแบบ ON-OFF Control

ชนิดของ Input

• เทอร์โมคัปเปิล: ชนิด J, K, N, T, R และอื่นๆโดยแต่ละชนิดจะมีช่วงในการวัดอุณหภูมิที่ต่างกันซึ่งชนิดที่เป็นที่นิยมคือชนิด K เพราะมีช่วงการวัดที่กว้างเทอร์โมคัปเปิลเหมาะกับงานที่มีอุณหภูมิที่สูงมากหรือต่ำมาก
• RTD เช่น PT100 โดย RTD มีความเป็นเชิงเส้นสูงกว่ามีความแม่นยำสูงและมีเสถียรภาพการใช้งานดีที่สุด
• แรงดัน DC: 1-5 V, 0-5 V, 0-10 V, 0-10 mV
• กระแส DC: 4-20 mA, 0-20 mA
• อินฟราเรด: เป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิแบบไร้การสัมผัสโดยใช้แสงอินฟราเรดในการวัดอุณหภูมิแทนโดยเซนเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิชนิดนี้เหมาะสำหรับงานที่ไม่สามารถติดตั้งตัวเซนเซอร์กับงานได้เช่นวัตถุที่มีการเคลื่อนที่เช่นลูกกลิ้งเป็นต้นซึ่งเซนเซอร์อินฟราเรดของ OMRON คือรุ่น ES1B และ ES1A

ชนิดของ Output

• รีเลย์: ที่เป็นหน้าสัมผัสแบบ SPDT, SPST ใช้กับแมกเนติกคอนแทคเตอร์เป็นเอาต์พุตที่นิยมใช้มากที่สุดเนื่องจากง่ายต่อการใช้งานทนทานและทนกระแสได้สูง
• แรงดันพัลส์: 12 VDC, 24 VDC ใช้กับ SSR ซึ่ง SSR มีการตัดต่อที่ไวและมีการทำงานที่เสถียรกว่าแมกเนติกคอนแทคเตอร์เอาต์พุตแบบนี้นิยมใช้มากในงานที่ต้องการความถี่ในการตัดต่อสูงง่ายต่อการต่อวงจรเพราะไม่ต้องการแหล่งจ่ายไฟจากภายนอกเหมือนเอาต์พุตแบบรีเลย์
• กระแส: ที่เป็น 4-20 mA, 0-20 mA, 0-10 VDC, 0-5 VDC เป็นเอาต์พุตที่สามารถนำไปต่อกับอุปกรณ์ได้หลากหลายที่รองรับเอาต์พุตแบบนี้ซึ่งจะนำไปใช้กับอะไรก็ขึ้นอยู่กับงานที่ออกแบบถ้าใช้กับงานทางด้านฮีตเตอร์มักจะใช้กับ SCR ที่รองรับอินพุตได้ทั้ง 4-20 mA, 0-20 mA, 0-10 VDC, 0-5 VDC โดย SCR สามารถรองรับกำลังไฟของฮีตเตอร์ได้สูงกว่า SSR

การควบคุมอุณหภูมิ

การควบคุมอุณหภูมิคือการทำให้อุณหภูมิในระบบที่เราต้องการควบคุมมีค่าเท่ากับอุณหภูมิที่เราตั้งไว้

ระบบการควบคุม

1. ระบบเปิด (Open Loop Control) หรือ Sequence Control เป็นการควบคุมที่มีการสั่งงานเป็นขั้นตอนหรือกำหนดเป็นเวลาให้ระบบทำงานเช่นการปิด/เปิดไฟสัญญาณจราจรการตั้งเวลาปิด/เปิดแอร์เป็นต้นซึ่งการควบคุมนี้จะไม่คำนึงถึงผลของการควบคุมเพียงแต่ทำให้การทำงานระบบเป็นไปตามลำดับขั้นเท่านั้น
2. ระบบปิด (Close Loop Control) หรือ Feedback Control เป็นการควบคุมที่คำนึงถึงผลของการควบคุมตลอดเวลาโดยจะมีการวัดผลของการควบคุมแล้วส่งกลับมาเพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่เราต้องการตัวควบคุมจะทำการเปิด/ปิดเอาต์พุตเพื่อทำให้ค่าที่วัดได้เท่ากับค่าที่ตั้งไว้การควบคุมแบบนี้เป็นหลักการของการควบคุมทั่วไปเช่นการควบคุมอุณหภูมิการควบคุมระดับน้ำการควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์เป็นต้น

วิธีที่ใช้ควบคุมอุณหภูมิแบบพื้นฐาน

1. การควบคุมแบบ ON/OFF เป็นการควบคุมแบบ2ตำแหน่งคือตัดและต่อหรือเอาต์พุตจะเปลี่ยนระหว่าง 0% กับ 100% เอาต์พุตจะตัดเมื่ออุณหภูมิถึงค่า set point เท่านั้น ซึ่งในการควบคุมแบบ ON/OFF ทั้งการตัด/ต่อเอาต์พุตจะทำอยู่รอบๆ ค่า setpoint เช่นค่า setpoint เท่ากับ 100°C เอาต์พุตจะตัดที่ 100°C และจะต่อทันทีเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 100°C ในกรณีที่เอาต์พุตเป็นแบบหน้าสัมผัสการตัดต่อด้วยความถี่สูงๆจะทำให้หน้าสัมผัสเสื่อมสภาพเร็วหรือเกิดการอ๊าคติดกันค่า Hysteresis เป็นค่าที่ใช้ตั้งเพื่อกําหนดให้เอาต์พุตที่ตัดที่จุด setpoint แล้วนั้นกลับมาต่อเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า setpoint เท่าใด (ในกรณีควบคุมความร้อน) ตัวอย่าง เช่น ถ้าตั้ง setpoint ไว้ที่ 100°C และตั้งค่า Hysteresis ไว้ที่ 5°C เอาต์พุตจะตัดที่ 100°C และจะกลับมาต่อที่ 95°C เป็นอย่างนี้ไปเรื่อยๆทำให้ลักษณะการควบคุมแบบ ON/OFF นี้จะมีค่าอุณหภูมิแกว่งไปมา (Hunting) รอบๆ ค่า setpoint และจะมี Overshoot ทุกครั้งขณะเริ่มต้นการควบคุม

• Overshoot คืออุณหภูมิที่สูงเกินค่า setpoint ในครั้งแรกขณะเริ่มทำการควบคุมหรือจากการที่ระบบถูกรบกวนจากภายนอกหรือการเปลี่ยนค่า setpoint
• Hunting คืออุณหภูมิที่แกว่งไปมาตามรอบของเอาต์พุตที่จ่ายออกมาจากการควบคุมโดยส่วนมากจะแกว่งรอบๆ ค่า setpoint

2.การควบคุมแบบ PID ช่วยให้การควบคุมมีประสิทธิภาพสูงสุดซึ่งการควบคุมแบบ P ลด Overshoot และ Hunting การควบคุมแบบ I ลด Offset ซึ่ง Offset ค่าความแตกต่างระหว่างค่า setpoint กับค่าที่วัดได้คงที่ค่าหนึ่งเสมอส่วนการควบคุมแบบ D จะตอบสนองต่อสิ่งรบกวนจากภายนอกซึ่งในการควบคุมแบบ PID จำเป็นต้องตั้งค่า P, I และ D ด้วย แต่เนื่องจากตัวควบคุมอุณหภูมิของ OMRON นี้มีฟังก์ชัน Auto-tuning ที่ช่วยในการปรับค่า PID ตามสภาพแวดล้อมภายนอกให้เหมาะสมโดยการทำงานของ PID จะช่วยลด Overshoot เนื่องจากการควบคุมแบบ ON/OFF จะตัดเมื่อค่า PV ถึง SV แต่การควบคุมแบบ PID จะตัดการทำงานก่อนที่จะถึง SV ซึ่งช่วงในการตัดจะขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมภายนอกที่ได้ทำการ Auto-tuning ไว้

ฟังก์ชันของ Temperature Controller

• Auto-tuning เป็นฟังก์ชันในการคำนวณค่าพารามิเตอร์ของ PID แบบอัตโนมัติโดยการเรียนรู้จากอุณหภูมิของสภาวะแวดล้อมภายนอกรวมทั้งผลกระทบต่างๆ ที่มีต่อระบบแล้วนำมาคำนวณหาค่า PID ที่เหมาะสมเพื่อให้อุณหภูมิของระบบเข้าสู่จุด SV อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูงสุด
• Self-tuning ทำหน้าที่ในการคํานวณค่า PID ใหม่เองทุกครั้งเมื่อการควบคุมเกิดมีการเปลี่ยนแปลงในขณะใช้งาน
• Heater Burnout Alarm เป็นฟังก์ชันพิเศษที่ตรวจสอบการทำงานของฮีตเตอร์โดยจะอ่านค่ากระแสที่ไหลผ่านฮีตเตอร์หากฮีตเตอร์ไหม้หรือขาดฟังก์ชันนี้จะกำเนิดสัญญาณเอาต์พุตเตือนออกมา

สินค้าแนะนำ Temperature Controllers จากแบรนด์ OMRON

Temperature Controllers รุ่น E5CC-800 / E5EC-800 / E5AC-800

ขนาด	ชนิดอินพุต	แหล่งจ่ายไฟ	เอาต์พุตเสริม	ชนิดเอาต์พุต	รุ่น
48 x 48 x 60 mm.	เทอร์โมคัปเปิล, Pt, กระแส/แรงดัน	100 ถึง 240 VAC	2	รีเลย์	E5CC-RX2ASM-800
				แรงดัน	E5CC-QX2ASM-800
				กระแส	E5CC-CX2ASM-800
48 x 96 x 60 mm.				รีเลย์	E5EC-RX2ASM-800
				แรงดัน	E5EC-QX2ASM-800
				กระแส	E5EC-CX2ASM-800
96 x 96 x 60 mm.			3	รีเลย์	E5AC-RX3ASM-800
				แรงดัน	E5AC-QX3ASM-800
				กระแส	E5AC-CX3ASM-800