Inställningsguide för PID-styrsystem för kyl- och HVAC-kontrollslingor

En ingångsfrys inställd på minus 18 grader Celsius som driver mellan minus 15 och minus 20, kort cykling av kompressorn och frosting av ena änden av förångaren, är vanligtvis inte ont om köldmedium. Det saknas bra kontroll. PID-styrsystemet bestämmer hur långt expansionsventilen öppnar, när vätskeledningsmagneten stänger och hur snabbt rummet återhämtar sig efter att en dörr lämnas öppen. Ingen laddningsjustering fixar en slinga som kämpar på sig själv.

Det korta svaret först. Ett PID-styrsystem är en regulator med sluten slinga som jämför ett uppmätt värde med ett mål och korrigerar skillnaden med hjälp av tre viktade termer: proportionell, integral och derivata. I kyl- och luftkonditioneringsarbete är aritmetiken den enkla delen. Det som avgör om slingan håller sitt mål är sensorn, ställdonet och om avstämningen matchar lastens termiska tröghet.

Hur ett PID-kontrollsystem korrigerar ett fel

Varje slinga körs i samma sekvens. Styrenheten läser processvariabeln, subtraherar den från börvärdet för att få felet, beräknar de tre termerna, adderar dem och skickar resultatet till ett slutligt styrelement. Elementet agerar, processen reagerar, sensorn rapporterar och cykeln upprepas. En timer som kör en kompressor i tio minuter och vilar den i fem gör inget av detta, varför öppen kretsstyrning inte kan hålla ett rum genom en växlande belastning.

De tre villkoren och vad var och en fixar

Proportionell åtgärd

Proportionell åtgärd ger en utdata som är proportionell mot det aktuella felet. Om rummet ligger 2 K över börvärdet och förstärkningen ställs in så att varje kelvin öppnar en modulerande ventil med 8 procent, flyttas ventilen till 16 procent. Denna term gör det mesta av arbetet under en pull down.

Den kan inte avsluta jobbet ensam. När rummet närmar sig börvärdet krymper felet, och utgången krymper med det, tills ventilläget exakt balanserar belastningen. Den balanspunkten sitter borta från börvärdet och kallas offset, eller steady state error. Enbart proportionell kontroll avgör ofta 1 till 2 K från målet, vilket är tolerabelt för komfortkylning och inte för en snabbfrys.

Integral handling

Integral action summerar felet över tiden och fortsätter att trycka på tills summan slutar växa, vilket tar bort offset. Kostnaden är tid och, om den sätts aggressivt, överskrider den. När summan ackumuleras under en period då utgången inte kan reagera, såsom en avfrostningslåsning, driver den utgången hårt i samma ögonblick som låsningen försvinner. Det är integral avveckling, och det är en vanlig orsak till att en butik överskrider med 5 K efter en avfrostning.

Derivat åtgärd

Derivatåtgärd reagerar på förändringshastigheten för felet, vilket dämpar en slinga som tenderar att gå över. Den reagerar också på sensorljud, eftersom en tryckgivare som rycker med 0,2 bar varje provtagningsperiod ser ut som en extremt snabb förändringshastighet. De flesta kylregulatorer tillämpar derivattermen på processvariabeln snarare än på felet och kopplar ihop den med ett filter på en till tre sekunder. Där transportfördröjning dominerar, vilket är de flesta kretsar, lämnas derivatan på noll och en PI-slinga används istället.

Ett konkret exempel. En elektronisk expansionsventil som håller överhettning vid 5 till 8 K förlitar sig på proportionell åtgärd för att spåra belastningen och integrerad åtgärd för att eliminera stående fel. Om överhettning svänger mellan 2 K och 15 K är derivattermen sällan boven. Sensorns svarstid och ventilstegsupplösning är vanligtvis.

Termisk expansionsventil för kylöverhettningsreglering Kompakt ventil i mässing eller rostfritt stål med justerbar 0–8°C statisk överhettning för kommersiella och industriella kylapplikationer. Visa produkt →

Stämningsmetoder och realistiska siffror

Tuning är där teori möter växten. Tre tillvägagångssätt täcker det mesta av arbetet.

1. Manuell inställning. Nollställ integral- och derivattermerna, höj den proportionella förstärkningen tills slingan oscillerar stadigt, halvera den sedan. Lägg till integrerad åtgärd tills offset rensas inom en acceptabel tid. Lägg bara till derivata om överskridandet fortfarande är viktigt.
2. Ziegler och Nichols. Läs den slutliga förstärkningen och perioden från svängningstestet och använd den publicerade tabellen. Resultatet är snabbt och lätt aggressivt, vilket passar långsamma temperaturslingor.
3. Automatisk reläinställning. Styrenheten tvingar fram en liten gränscykel runt börvärdet och härleder modellen från dess amplitud och period. Det är bekvämt, men det ställer in slingan exakt som den hittas, inklusive en dåligt placerad sensor.

Användbara referenspunkter. En rumsslinga uppdateras en gång per sekund. En överhettningsslinga uppdateras var 100:e till 200:e ms. En kylvattenslinga bör hålla inom 0,5 K och en monter inom 1 K. Sampling mycket snabbare än vad processen kan svara förstärker oftast brus.

Där kontrollslingan möter hårdvara

Tre hårdvarubeslut formar resultatet mer än någon inställningskonstant.

• Sensorplacering och hastighet. En sond i returluften ser rummet, medan en sond som är fastspänd på spolen ser spolen. En slinga som är inställd på den ena och opererad på den andra kommer att jaga.
• Ställdonsupplösning. En på och av magnetventil ger slingan två lägen, så styrenheten kan bara variera arbetscykeln. En modulerande ventil ger den 200 positioner eller mer.
• Oberoende skydd. En kyltryckregulator kopplar om kompressorn eller kondensorfläkten till ett fast tryck oavsett vad temperaturslingan begär, vilket förhindrar att en defekt sensor blir en misslyckad kompressor.

Beteende över tid spelar lika stor roll som beteende på driftsättningsdagen. En vätskeledningssolenoid som cyklar var 40:e sekund kommer att ackumulera hundratusentals operationer inom några år, så sätesdesign, spolisoleringsklass och manuell överstyrning blir praktiska urvalskriterier. Anteckningar om hålla en EVR-magnetventil stabil under en lång livslängd är värda att läsa innan en cykelhastighet fastställs.

EVR magnetventil för kylflödeskontroll EVR-magnetventil för vätske-, sug- eller hetgasledningar, med AC/DC-spolalternativ och hållbar tätning för kylsystem. Visa produkt →

Kylning hög-/lågtrycksregulator med automatisk återställning Mekanisk hög-/lågtrycksregulator med pekare och automatisk återställning, kopplad till kompressorer, fläktar och dräneringsventiler för systemskydd. Visa produkt →

När slingan inte beter sig: Symtom och orsaker

• Stort överskridande efter avfrostning: integrerad upplindning, eller avfrostningsavslutning inställd på tid snarare än av spoltemperatur.
• Regelbunden svängning varannan till var femte minut: proportionell förstärkning för hög, eller en ventil överdimensionerad för belastningen.
• Stadig offset som aldrig rensas: endast proportionell styrning, eller ett ställdon som har nått sin rörelsegräns.
• Slumpmässigt jitter utan fysisk orsak: härledd verkan som förstärker sensorljud eller en lös sondficka.
• Kort cykling vid lätt belastning: hysteres inställd under loop-dödbandet, eller ett dödband som är smalare än sensorns noggrannhet.
• En del av väskan kall och resten varm: sensorplacering, inte inställning.

Kaskadstyrning tar bort en del av detta. Den yttre slingan läser av rumstemperatur och skriver ett börvärde, medan den inre slingan läser av förångare eller sugförhållanden och driver ventilen. Den inre slingan reagerar på några sekunder, innan rummet har flyttats, vilket minskar överskott på system med lång transportfördröjning.

Vad du ska kontrollera innan du gör en beställning

1. Vilket kontrollområde och upplösning krävs? En ventil som modulerar över 10 till 100 procent av belastningen är en annan produkt än en som öppnar helt vid 20 procent.
2. Vad är sensornoggrannheten och svarstiden, och är loop-dödbandet bredare än sensorfelet?
3. Vilket antal cykler förväntas under livslängden, och stöder sätes- och spolmaterial det?
4. Passar koppar- och mässingskopplingarna och ventilmaterialen köldmediet och oljan som används?
5. Finns reservdelar, spolspänningar och manuella överstyrningsalternativ tillgängliga i samma serie, så en reparation kräver inte omarbetning av fästet?
6. Kan leverantören arbeta utifrån en ritning eller ett prov om slingan behöver en icke-standardiserad portstorlek eller flödeskarakteristik?

Leverantörer som både bygger styrkomponenterna och förstår slingorna de sitter i täpper till dessa luckor snabbare. En tillverkare med ett internt testlabb och anpassad utvecklingskapacitet kan bekräfta en flödeskoefficient eller en spolklassificering från ritningen snarare än från en katalogfotnot.

Viktiga punkter att komma ihåg

• Ett PID-styrsystem är en sluten slinga: mäta, jämföra, korrigera, upprepa.
• Proportionell åtgärd reagerar på det aktuella felet, integral åtgärd rensar det förflutna, härledd åtgärd förutser de närmaste sekunderna.
• De flesta kylslingor fungerar bäst som PI, med derivata reserverade för välfiltrerade och snabbt svarande mätningar.
• Tuning kan inte kompensera för en långsam sensor, en överdimensionerad ventil eller en sond på fel plats.
• Cykellivslängd och materialkompatibilitet avgör om slingan fortfarande fungerar i år tre.

Det verkliga testet av en slinga är inte stegsvaret på driftsättningsdagen. Det är om fallet fortfarande håller mål på årets varmaste eftermiddag, efter en avfrostning och med en delvis blockerad spole. Designa hårdvaran runt det kravet och inställningsnumren blir den enkla delen.