สิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับ Temperature Controller

สิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับ Temperature Controller

ประเภทของ Temperature Controller

แบ่งเป็นประเภทใหญ่ๆได้ 2 ประเภท คือ Analog Controller และ Digital Controller

1. Analog Temperature Controller

          เป็น Temperature Controller ประเภทหนึ่งซึ่งทำหน้าที่ในการควบคุม แต่วงจรภายในไม่ได้ใช้ตัวไมโครคอนโทรลเลอร์ในการควบคุม จะใช้เพียงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ หรืออาจจะไม่มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์เลยมีเพียงโลหะ 2 ชนิด ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ โดยตัวควบคุมประเภทนี้ปัจจุบันมีใช้น้อยลง ทั้งในอุตสาหกรรมหรืองานที่ต้องการความถูกต้องในการวัดและการควบคุมสูง เนื่องจากถูกแทนด้วยตัวควบคุมแบบดิจิตอล ซึ่งมีความแม่นยำมากกว่า
รูป Analog Temperature Controller
 

2. Digital Temperature Controller

          เป็น Temperature Controller ประเภทหนึ่งที่มีใช้กันมากในปัจจุบัน ซึ่งทำหน้าที่ในการควบคุมอุณหภูมิ ซึ่งสามารถควบคุมอุณหภูมิได้ทั้ง ร้อน และ เย็น หรือ ทั้งร้อนและเย็นพร้อมกัน โดยมีความเที่ยงตรงสูง และ สามารถใช้งานได้หลากหลาย รวมถึงสามารถต่อเข้ากับระบบควบคุมแบบใหม่ได้ เช่น Industry 4.0 เพื่อเก็บข้อมูล หรือ การควบคุมจากระยะไกลผ่านทางพอร์ตการสื่อสาร เช่น RS-485 หรือ MODBUS โดยมีองค์ประกอบพื้นฐานของตัวคบคุมได้แก่ หน้าจอแสดงผลค่าอุณหภูมิ PV ส่วนของการตั้งค่าอุณหภูมิ SV ช่องรับสัญญาณอินพุต และช่องส่งสัญญาณเอาต์พุต
รูป Digital Temperature Controller
 

ตัวแปรที่สำคัญของ Temperature Controller

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

หลักการทำงานของ Temperature Controller

รูปแสดงหลักการทำงานของ 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 และอื่นๆ โดยแต่ละชนิดจะมีช่วงในการวัดอุณหภูมิที่ต่างกัน ซึ่งชนิดที่เป็นที่นิยมคือชนิด K เพราะมีช่วงการวัดที่กว้าง เทอร์โมคัปเปิลเหมาะกับงานที่มีอุณหภูมิที่สูงมากหรือต่ำมาก
  • RTD เช่น PT100 โดย RTD มีความเป็นเชิงเส้นสูงกว่า มีความแม่นยำสูง และมีเสถียรภาพการใช้งานดีที่สุด
  • แรงดัน DC : 1-5 V, 0-5 V, 0-10 V, 0-10 mV
  • กระแส DC : 4-20 mA, 0-20 mA
  • อินฟราเรด : เป็นเซนเซอร์วัดอุณหภูมิแบบไร้การสัมผัส โดยใช้แสงอินฟราเรดในการวัดอุณหภูมิแทน โดยเซนเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิชนิดนี้เหมาะสำหรับงานที่ไม่สามารถติดตั้งตัวเซนเซอร์กับงานได้ เช่น วัตถุที่มีการเคลื่อนที่เช่น ลูกกลิ้ง เป็นต้น ซึ่งเซนเซอร์อินฟราเรดของ OMRON คือรุ่น ES1B และ ES1A


ชนิดของ Output

  • รีเลย์ : ที่เป็นหน้าสัมผัสแบบ SPDT, SPST ใช้กับแมกเนติกคอนแทคเตอร์ เป็นเอาต์พุตที่นิยมใช้มากที่สุดเนื่องจากง่ายต่อการใช้งาน ทนทาน และทนกระแสได้สูง
  • แรงดันพัลส์ : 12 VDC, 24 VDC ใช้กับ SSR ซึ่ง SSR มีการตัดต่อที่ไวและมีการทำงานที่เสถียรกว่าแมกเนติกคอนแทคเตอร์ เอาต์พุตแบบนี้นิยมใช้มากในงานที่ต้องการความถี่ในการตัดต่อสูง ง่ายต่อการต่อวงจร เพราะไม่ต้องการแหล่งจ่ายไฟจากภายนอกเหมือนเอาต์พุตแบบรีเลย์
  • กระแส : ที่เป็น 4-20 mA, 0-20 mA, 0-10 VDC, 0-5 VDC เป็นเอาต์พุตที่สามารถนำไปต่อกับอุปกรณ์ได้หลากหลายที่รองรับเอาต์พุตแบบนี้ ซึ่งจะนำไปใช้กับอะไรก็ขึ้นอยู่กับงานที่ออกแบบ ถ้าใช้กับงานทางด้านฮีตเตอร์มักจะใช้กับ SCR ที่รองรับอินพุตได้ทั้ง 4-20 mA, 0-20 mA, 0-10 VDC, 0-5 VDC โดย SCR สามารถรองรับกำลังไฟของฮีตเตอร์ได้สูงกว่า SSR

การควบคุมอุณหภูมิ

การควบคุมอุณหภูมิ คือ การทำให้อุณหภูมิในระบบที่เราต้องการควบคุมมีค่าเท่ากับอุณหภูมิที่เราตั้งไว้

ระบบการควบคุม

1. ระบบเปิด (Open Loop Control) หรือ Sequence Control
          เป็นการควบคุมที่มีการสั่งงานเป็นขั้นตอน หรือกำหนดเป็นเวลาให้ระบบทำงาน เช่น การปิด/เปิดไฟสัญญาณจราจร การตั้งเวลาปิด/เปิดแอร์ เป็นต้น ซึ่งการควบคุมนี้จะไม่คำนึงถึงผลของการควบคุม เพียงแต่ทำให้การทำงานระบบเป็นไปตามลำดับขั้นเท่านั้น
รูประบบการควบคุมแบบเปิด


2. ระบบปิด (Close Loop Control) หรือ Feedback Control
          เป็นการควบคุมที่คำนึงถึงผลของการควบคุมตลอดเวลา โดยจะมีการวัดผลของการควบคุมแล้วส่งกลับมาเพื่อเปรียบเทียบกับค่าที่เราต้องการ ตัวควบคุมจะทำการเปิด/ปิด เอาต์พุตเพื่อทำให้ค่าที่วัดได้เท่ากับค่าที่ตั้งไว้ การควบคุมแบบนี้เป็นหลักการของการควบคุมทั่วไป เช่น การควบคุมอุณหภูมิ การควบคุมระดับน้ำ การควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ เป็นต้น

รูประบบการควบคุมแบบเปิด

วิธีที่ใช้ควบคุมอุณหภูมิแบบพื้นฐาน

1. การควบคุมแบบ ON/OFF

          เป็นการควบคุมแบบ 2 ตำแหน่ง คือ ตัดและต่อ หรือ เอาต์พุตจะเปลี่ยนระหว่าง 0% กับ 100% เอาต์พุตจะตัดเมื่ออุณหภูมิถึงค่า set point เท่านั้น
          ซึ่งในการควบคุมแบบ ON/OFF ทั้งการตัด/ต่อเอาต์พุต จะทำอยู่รอบๆ ค่า setpoint เช่น ค่า setpoint เท่ากับ 100°C เอาต์พุตจะตัดที่ 100°C และจะต่อทันทีเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 100°C ในกรณีที่เอาต์พุตเป็นแบบหน้าสัมผัส การตัดต่อด้วยความถี่สูงๆ จะทำให้หน้าสัมผัสเสื่อมสภาพเร็ว หรือเกิดการอ๊าคติดกัน ค่า Hysteresis เป็นค่าที่ใช้ตั้งเพื่อกําหนดให้เอาต์พุตที่ตัดที่จุด setpoint แล้วนั้น กลับมาต่อเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า setpoint เท่าใด (ในกรณีควบคุมความร้อน) ตัวอย่างเช่น ถ้าตั้ง setpoint ไว้ที่ 100°C และตั้งค่า Hysteresis ไว้ที่ 5°C เอาต์พุตจะตัดที่ 100°C และจะกลับมาต่อที่ 95°C เป็นอย่างนี้ไปเรื่อยๆ ทำให้ลักษณะการควบคุมแบบ ON/OFF นี้จะมีค่าอุณหภูมิแกว่งไปมา (Hunting) รอบๆค่า setpoint และจะมี Overshoot ทุกครั้งขณะเริ่มต้นการควบคุม

รูปกราฟการควบคุมแบบ ON/OFF

  • Overshoot คือ อุณหภูมิที่สูงเกินค่า setpoint ในครั้งแรกขณะเริ่มทำการควบคุม หรือจากการที่ระบบถูกรบกวนจากภายนอก หรือ การเปลี่ยนค่า setpoint
  • Hunting คือ อุณหภูมิที่แกว่งไปมาตามรอบของเอาต์พุตที่จ่ายออกมาจากการควบคุม โดยส่วนมากจะแกว่งรอบๆ ค่า setpoint

2. การควบคุมแบบ PID

          การควบคุมแบบ PID ช่วยให้การควบคุมมีประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งการควบคุมแบบ P ลด Overshoot และ Hunting การควบคุมแบบ I ลด Offset ซึ่ง Offset ค่าความแตกต่างระหว่างค่า setpoint กับค่าที่วัดได้คงที่ค่าหนึ่งเสมอ ส่วนการควบคุมแบบ D จะตอบสนองต่อสิ่งรบกวนจากภายนอก ซึ่งในการควบคุมแบบ PID จำเป็นต้องตั้งค่า P, I และ D ด้วย
          แต่เนื่องจากตัวควบคุมอุณหภูมิของ OMRON นี้มีฟังก์ชัน Auto-tuning ที่ช่วยในการปรับค่า PID ตามสภาพแวดล้อมภายนอกให้เหมาะสม โดยการทำงานของ PID จะช่วยลด Overshoot เนื่องจากการควบคุมแบบ on/off จะตัดเมื่อค่า PV ถึง SV แต่การควบคุมแบบ PID จะตัดการทำงานก่อนที่จะถึง SV ซึ่งช่วงในการตัดจะขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมภายนอกที่ได้ทำการ Auto-tuning ไว้

รูปกราฟการควบคุมแบบ PID

ฟังก์ชันของ Temperature Controller

  • Auto-tuning เป็นฟังก์ชันในการคำนวณค่าพารามิเตอร์ของ PID แบบอัตโนมัติโดยการเรียนรู้จากอุณหภูมิของสภาวะแวดล้อมภายนอก รวมทั้งผลกระทบต่างๆ ที่มีต่อระบบแล้วนำมาคำนวณหาค่า PID ที่เหมาะสม เพื่อให้อุณหภูมิของระบบเข้าสู่จุด SV อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูงสุด
  • Self-tuning ทำหน้าที่ในการคํานวณค่า PID ใหม่เองทุกครั้งเมื่อการควบคุมเกิดมีการเปลี่ยนแปลงในขณะใช้งาน
  • Heater Burnout Alarm เป็นฟังก์ชันพิเศษ ที่ตรวจสอบการทำงานของฮีตเตอร์ โดยจะอ่านค่ากระแสที่ไหลผ่านฮีตเตอร์ หากฮีตเตอร์ไหม้หรือขาด ฟังก์ชันนี้จะกำเนิดสัญญาณเอาต์พุตเตือนออกมา