運用溫度控制器和微型 PLC 加速小型自動化專案的施行

熱 (heat)在許多工業製程中扮演重要角色，例如包裝密封機、塑膠成型作業、迴焊爐、半導體加工等。每個製程對溫度等級與控制精密度都有特定的要求。

自動化能幫助工業 4.0 作業達到最大的生產力及永續性。小型機器和熱處理也不例外。但並非所有情況都得使用功能齊全的大型解決方案。使用相對較簡單的專用溫度控制器和小型可編程邏輯控制器 (PLC)，就能為許多應用提升效能表現。

針對簡單的自動化專案，機器設計人員有許多工具可供選擇，包括用於單相和三相電源環境的加熱器控制器、搭載一系列複雜控制演算法的加熱器控制器，以及已針對中小型自動化環境進行最佳化的 PLC。有些小型機器相對獨立運作，有些則會連至大型作業並從中獲益。

本文會先探討現有的電源控制器和加熱器控制器選擇，包括軟硬體的考量事項。最後將淺談有關測溫感測器技術的系統整合問題，以及已針對中小型機器進行最佳化的 PLC，並介紹 Omron 的幾款堪稱典範的產品。

從固化熱固性樹脂和黏合劑等材料，到生產食品及飲品，工業製程常需利用溫度控制來維持效率和確保品質。雖然工業加熱器是必要工具，但溫度控制器才是關鍵所在。

控制工業加熱器溫度的方式不只一種。系統作業的優先順序決定了選用的方法。若主要考量營運成本且較不講求溫控的精確度，則可以使用簡易的電壓控制。

透過調節加熱元件的供電電壓，便可控制加熱器的功耗並改變熱輸出。此方法能迅速調整電壓，使溫度隨之變化，但延遲程度隨系統設計而異。降低電壓雖能降低能源成本和溫度值，但對許多製程來說，降溫的反應時間可能過長，也可能很難精準控溫。

基本電壓控制以外的選擇

許多應用不適合採用基本電壓控制。此時，設計人員可使用開關控制、週期控制、最佳週期控制或相位控制 (圖 1)。這些技術的效能特性各有不同：

• 相位控制的可控性回應效果最理想，解決方案的尺寸和成本也令人滿意，雜訊效能亦尚可滿足多數的應用。
• 週期控制的可控性回應效果、解決方案的尺寸和成本皆令人滿意，並提供出色的雜訊效能。「最佳」週期控制會確定每個半週期的切換狀態。
• 固態繼電器 (SSR) 型開關控制提供良好的可控性回應效果，且解決方案尺寸最小、成本合理、雜訊效能出色。

圖 1：工業加熱器控制的電源切換選擇。(圖片來源：Omron)

實作相位控制與最佳週期控制

Omron 讓設計人員能以幾種產品實作開關控制、相位控制或最佳週期控制，包括型號 G3PW-A245EU-S，其額定工作電壓為 100 V_AC 至 240 V_AC；亦提供其他 400 V_AC 至 480 V_AC 的型號。

這些控制器含有加熱器斷線偵測功能，使系統運作得更持久，並使用 RS-485 通訊埠來設定變數和監測負載電流。

G3PW 控制器有助監測總執行時間，且適合搭配恆定電阻和可變電阻負載。

多通道電源控制器

G3ZA 多通道電源控制器系列增加三相最佳週期控制，以支援三相加熱器。搭配零交叉 SSR 時，此系列支援低雜訊功率運作效能。一個控制器能控制多達 8 個 SSR。此外，加熱燈具也有軟啟動功能可運用 (圖 2)。

圖 2：G3ZA 多通道電源控制器支援三相最佳週期控制。(圖片來源：Omron)

已針對三相加熱器增添三相最佳週期控制。G3ZA -4H203-FLK-UTU 型號的額定工作電壓為 100 V_AC 至 240 V_AC，並提供 RS-484 連接能力。亦提供其他 400 V_AC 至 480 V_AC 的型號。

用於系統整合的溫度控制器

EJ1N-TC4A-QQ 等溫度控制器，可連接至 G3ZA 系列多通道控制器等電源控制器。這些溫度控制器具有溫度感測器輸入，以及系統 PLC 連接。輸入單元能處理熱電偶、鉑電阻溫度偵測器 (RTD) 和類比輸入。

功能包括自動微調 (AT)，此功能有助於實作比例-積分-數位 (PID) 控制。可手動使用步階響應方法，運用自我微調功能來確定 PID 常數。一個 DeviceNet 通訊集線器最多能連接 16 個溫度控制器。

熱管理軟體

使用 EST2-2C-MV4 熱支援軟體套件能輔助 EJ1N 溫度控制器。可使用此軟體編輯和批次下載個人電腦中的參數，加快配置與試運轉的速度。

並支援趨勢監測，能監測多達 31 個控制器的資料。可監測的參數包括製程值 (PV)、系統值 (SV)、操控值 (MV)、PID 參數和警報開關狀態。

支援的邏輯運算包括設定來自外部輸入 (事件輸入) 或溫度狀態的輸入、將值傳送至外部控制或輔助輸出，以及利用開關延遲改變運作狀態。

PID 更上一層樓

PID 控制有時對溫度控制應用非常有益。G3ZA 系列快速切換 SSR 型多通道控制器等電源控制器，若結合 PID 演算法型溫度控制器，能提供精細控制能力以維持所需的溫度容差。

基本 PID 控制需要做出取捨，一種選擇是快速達到運作系統值，但過衝量相當高，另一種是將過衝量降到最低，但上升至系統值的速度較為緩慢。此外，在達到系統值與回應感測器所測製程值的干擾之間也須作出取捨。提高對製程值變化的回應能力時，系統值上升表現通常不佳。

為了解決這些效能取捨問題，Omron 開發出增強型 PID 演算法，稱為 2-PID (即雙自由度 PID)。原廠 PID 預設值適用於大多數加熱應用，並能將回應過衝量降到最小。但若使用 2-PID，設計人員能設定對系統值變化的回應速度，控制器也能自動微調 PID 演算法以對製程值的干擾做出最佳回應 (圖 3)。

圖 3：Omron 2-PID 溫度控制 (最下方圖表) 結合良好的干擾響應 (右側) 和良好的步階響應 (左側)。(圖片來源：Omron)

2-PID 控制功能隨附於 Omron E5CC 溫度控制器中，例如 E5CC-QX3A5M-003。這些控制器還能為要求較低的應用實作基本的開關控制。

大型的白色製程值顯示器顯示製程值，小型的綠色系統值顯示器顯示所需的值 (圖 4)。選配的 CX-Thermo 管理軟體能支援快速編程。對於簡易型應用，這些控制器能在 PLC 的介入下實作計時器功能和基本邏輯運算。

圖 4：E5CC 溫度控制器清楚顯示製程值和系統值。(圖片來源：DigiKey)

RS-485 介面支援 Modbus 通訊或 Omron 自行研發的 CompoWay/F。這些控制器接受多種輸入類型，包括：

• 12 種熱電偶
• PT100 或 JPt100 RTD
• 4 至 20 mA 或 0 至 20 mA 電流輸入
• 1 至 5 V、0 至 5 V 或 0 至 10 V 電壓輸入

用於抑制干擾的自適應 PID

NX-TC 自適應溫度控制器將 PID 控制提升到新的層次，並能適應即時運作條件。自適應控制允許根據製程的變動，自行對控制設定進行最佳化。此外，這些控制器還為包裝密封應用和水冷式塑膠擠出機提供內建功能。對於簡易型應用，可以實作基本的開關控制。

在以下等應用中，干擾抑制功能 (DSF) 與 PID 控制合力運作，可抑制因常規和預期性干擾而導致的降溫：

• 沈積設備應用 - 在注入氣體或經由開啟的機門加入或移除材料時，腔室溫度會下降
• 晶圓探針應用 - 晶圓承受電流時溫度會升高
• 成型系統應用 - 注入樹脂時，模具溫度會下降

對於可預見之事件，DSF 會自動抑制事件產生的正負溫度偏移。觸發訊號會在干擾前啟動 DSF，而 DSF 會增添或扣減操控值。此自動微調功能會調整前授式 (FF) MV、FF 作業時間和 FF 等待時間，並能讓溫度更快穩定下來，所需時間最多能縮短 80% (圖 5)。

圖 5：DSF 增強型 PID 控制能讓溫度更快穩定下來，等待時間最多能縮短 80%。(圖片來源：Omron)

NX-TC 單元針對可擴充性進行最佳化，像是專為驅動 SSR 而設計的雙通道 NX-TC2405。在實作多階段加熱／冷卻製程時，設計人員可利用 Omron Sysmac Studio 為多個加熱電路 (或位置) 的控制編程。

除了 DSF PID 之外，這些控制器也支援開關控制，並含有加熱器斷線錯誤偵測功能。這些包括用於網路連線的 EtherNet/IP 和 EtherCAT，並能接受多種熱電偶或 RTD 感測器輸入。

未測量之物無法最佳化

電源切換設計、溫度控制器和熱管理軟體無法在資訊缺乏的狀態下提供最佳效能。溫度感測器能提供運作資料，使控制器和軟體能順利執行任務。設計人員有許多溫度感測器技術可選擇，包括：

• 熱敏電阻提供溫敏電阻作用。其重現性和穩定性通常為 ±0.1°C 左右。E52-THE5A-0/100C 型號的工作溫度範圍介於 -50°C 至 300°C。
• K 型溫度感測器是一種內含鉻和鎳鋁金導體的熱電偶。此元件能配置為浸入式感測器、表面感測器或其他樣式。E52-CA1GTY 2M 型號的工作溫度範圍介於 0°C 至 300°C。
• RTD 感測器非常準確，並能耐抗電氣雜訊，因此適用於嚴苛的工業環境。E52-P6DY 1M 鉑 pt100 RTD 感測器的額定工作溫度為 -50°C 至 250°C。
• ES1-LW100-N 等非接觸式紅外線 (IR) 感測器能在 1,000 mm 的距離下，為直徑 35 mm 的目標區域進行溫度測量。這款感測器指定用於高達 1,000°C 的溫度。

集結成一個系統

設計多達 320 個 I/O 的中小型機器時，設計人員可選用 Omron 的 CPE2 系列 PLC。這些小型 PLC 的通訊功能，支援機器對機器 (M2M) 資料傳輸和整合至工業物聯網 (IIoT) 中。

CPE2 PLC 的工作溫度範圍介於 -20°C 至 +60°C，適用於廣泛工業應用，例如包裝和密封機、填充和封蓋機、金屬或塑膠加工工具、塑膠成型機和小型零件裝配。CP2E-N30DR-D 型號有 18 個輸入和 12 個輸出，並能以 100 至 240 V_AC 或 24 V_DC 電源運作。此型號可搭配 NB7W-TW01B 7" 彩色觸控式螢幕 HMI，形成完整的系統解決方案 (圖 6)。

圖 6：Omron CP2E-N30DR-D 控制器和 NB7W-TW01B 7" 彩色觸控式螢幕 HMI。(圖片來源：Omron)

結論

熱管理是許多工業製程的重要層面，因此必須選擇和整合具有最佳化演算法的電源控制器和加熱器控制器。溫度感測器是熱管理的另一塊重要拼圖。最後，設計人員可使用小型 PLC 來支援 M2M 通訊和整合至 IIoT 中。