Giới thiệu
Trong phần này của khóa học, bạn sẽ khám phá sự khác nhau
giữa các, thủ , , tự động ,.
Chúng ta sẽ xác định được nhiều bộ phận khác nhau trong hệ thống kiểm soát nhiệt độ và tìm hiểu cách kiểm soát nhiệt độ chính xác yêu cầu phản hồi tỷ lệ,tích phân và dẫn xuất đối với thay đổi về nhiệt độ.
Cuối cùng, chúng ta sẽ xem qua cấu hình của hệ thống kiểm soát nhiệt độ.
Đầu vào, Xử lý, Đầu ra
Nguyên tắc cơ bản về kiểm soát quy trình, bao gồm kiểm soát nhiệt độ, bắt đầu với ba khối:
- Tín hiệu Đầu vào
- Xử lý
- Tín hiệu Đầu ra
Khi xem xét ba khối này, có hai loại kiểm soát cơ bản:
- KIỂM SOÁT THỦ CÔNG
- KIỂM SOÁT TỰ ĐỘNG
Chúng ta cùng tìm hiểu những điểm tương đồng và những điểm khác biệt quan trọng của từng loại…
Kiểm soát Thủ công
Xem qua hệ thống kiểm soát cơ bản này để bật bóng đèn.
Công tắc cơ học được vận hành bằng tay sẽ cung cấp TÍN HIỆU ĐẦU VÀO. Công tắc này sẽ làm cho nguồn điện, theo dây dẫn hệ thống tạo nên TÍN HIỆU ĐẦU RA để bật đèn.
Cách kiểm soát này được gọi là kiểm soát thủ công vì hệ thống sẽ không thực hiện bất cứ điều gì cho đến khi trạng thái đầu vào được lệnh thay đổi thủ công.
Hệ thống này cũng là vòng mở vì hệ thống không thể biết được liệu bóng đèn có thực sự bật lên hay không.
Hãy bật đèn!
Kiểm soát Tự động
Xem qua hệ thống kiểm soát chiếu sáng hiện đại hơn này.
Ở đây, ánh sáng sẽ rơi vào cảm biến quang điện. Cảm biến sẽ tạo ra một điện áp thay đổi tương ứng với độ sáng của đèn. Đây chính là tín hiệu đầu vào của hệ thống kiểm soát.
Độ sáng mà cảm biến phát hiện ra (tín hiệu đầu vào) được so sánh với độ sáng mong muốn hoặc “ điểm đặt ” của Chương trình Kiểm soát.
Nếu đèn không đủ sáng (dưới điểm đặt), thiết bị kiểm 
soát sẽ tăng công suất đầu ra để đèn sáng hơn.
Nếu đèn quá sáng (trên điểm đặt), công suất sẽ giảm để đèn tối hơn. Vòng này tiếp tục cho đến khi lượng ánh sáng khớp với giá trị điểm đặt.
Đây không chỉ được coi là kiểm soát tự động mà còn là kiểm soát vòng kín vì cảm biến quang điện phát hiện được thay đổi độ sáng ngay khi thiết bị kiểm soát điều chỉnh công suất.
Phản hồi của đầu ra thiết bị kiểm soát quay ngược lại đầu vào của thiết bị kiểm soát, thường gọi là vòng hồi tiếp , là khái niệm quan trọng trong lý thuyết kiểm soát quy trình.
Kiểm soát Nhiệt độ 
Nào, chúng ta cùng xem ví dụ về Kiểm soát Nhiệt độ same principles apply.
Ở sơ đồ bên phải, cảm biến nhiệt độ đo được nhiệt độ thực tế của nước trong bình ĐẦU VÀO này được so sánh với nhiệt độ mong muốn của nước hoặc ĐIỂM ĐẶT ( “Điểm đặt” là nhiệt độ mong muốn của quá trình. Điểm đặt thường được cung cấp cho thiết bị kiểm soát bằng tay thông qua bàn phím hoặc phần mềm cấu hình.) ĐẦU RA của bình nóng lạnh dùng điện BẬT nếu nhiệt độ đo được dưới điểm đặt hoặcTẮT nếu nhiệt độ đo được trên điểm đặt.
Dựa trên những gì chúng ta đã tìm hiểu từ đầu đến giờ, theo bạn đây là kiểm soát tự động hay kiểm soát thủ công? Theo bạn đây là kiểm soát vòng mở hay vòng đóng?
Ví dụ này được coi là kiểm soát tự động. Khi nhiệt độ đo được (giá trị xử lý) không bằng nhiệt độ điểm đặt, thiết bị kiểm soát sẽ điều chỉnh bộ cấp nhiệt tự động mà không cần sự tác động của con người.
Đây cũng được coi là kiểm soát vòng kín vì có Hồi tiếp. nói cách khác là thiết bị kiểm soát đo kết quả của tác động trước đó và thông tin này được dùng để điều chỉnh tác động tiếp theo. Hồi tiếp là tính năng chung của các thiết bị kiểm soát vòng kín.
Theo lý tưởng, nếu nhiệt độ tại điểm đặt, bạn sẽ muốn giữ nguyên nhiệt độ đó và precisely tại the desired setpoint value. However simple this requirement sounds, this condition is không dễ gì đạt được điều kiện đó.
Quán tính Nhiệt
Không thể đun nóng và làm lạnh chất lỏng ngay tức thì. Độ cản đối với sự thay đổi tức thì này trong nhiệt độ được gọi là Quán tính Nhiệt và khiến quá trình kiểm soát nhiệt độ trở thành một vấn đề rất “thú vị”!
Chúng ta sử dụng nhiệt nhưng cần có thời gian để nhiệt độ tăng lên. Chúng ta loại bỏ nhiệt nhưng cần có thời gian để chất lỏng nguội đi.
Trong một số quy trình công nghiệp, sự chậm trễ này có thể mất đến hàng phút hoặc tùy thuộc vào từng quy trình, có thể mất đến hàng tiếng hoặc thậm chí là nhiều ngày!
Loại bỏ nhiệt khỏi chiếc cốc và lưu ý thời gian hệ thống cần để làm mát. Đây là Quán tính Nhiệt.
Kiểm soát BẬT/TẮT đơn giản
Chúng ta có thể kiểm soát nhiệt độ bằng tín hiệu BẬT/TẮT đơn giản của bộ cấp nhiệt.
Trong ví dụ này, nếu nhiệt độ ở trên điểm đặt, chúng ta TẮT nhiệt nhưng như vậy thì đã quá muộn! Nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng lên trước khi bắt đầu chậm lại và giảm xuống. Quá trình này là do quán tính nhiệt.
Khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đặt, hiện tượng ngược lại sẽ xảy ra. Nhiệt độ sẽ tiếp tục giảm mặc dù nhiệt được sử dụng trước khi nhiệt độ bắt đầu tăng lại từ từ.
Có thể bạn đã gặp hiện tượng “Quá lạnh hoặc quá nóng” xảy ra với hệ thống điều hòa không khí trong nhà hoặc trong ô tô!
Kiểm soát theo Tỷ lệ
Để cải thiện quá trình kiểm soát nhiệt độ, chúng ta cần phản hồi kiểm soát theo TỶ LỆ.
(Trong kiểm soát nhiệt độ, thuật ngữ “Tỷ lệ” dùng để chỉ phản hồi cụ thể của thiết bị kiểm soát đối với chênh lệch giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ mong muốn. Phản hồi của thiết bị kiểm soát có tính tỷ lệ khi tỷ số của đầu ra và đầu vào không đổi.)
Thay vì chỉ bật hoặc tắt nhiệt khi nhiệt độ tăng/giảm so với điểm đặt, chúng ta cần điều chỉnh nhiệt liên tục giữa lượng nhiệt tối thiểu và tối đa hiện có tùy theo khoảng cách giữa nhiệt độ và điểm đặt trong một thời gian định sẵn bất kỳ.
Thiết bị kiểm soát nhiệt độ hiện đại như E5CB của Omron có thể cung cấp tính năng kiểm soát theo TỶ LỆ và loại bỏ hiện tượng dao động của nhiệt độ ở trên và dưới giá trị điểm đặt trong một khoảng thời gian ngắn.
Nghe có vẻ như sự cố của chúng ta đã được giải quyết nhưng thực tế lại không đơn giản như thế.
Độ lệch Tỷ lệ
Hãy xem kỹ biểu đồ. Cuối cùng thì nhiệt độ cũng ổn định. Tuy nhiên, nhiệt độ không ổn định tại điểm đặt mong muốn!
Khi nhiệt độ của hệ thống ổn định hoặc “tương đương, ” it means that energy entering and leaving the system is equal. At that time, temperature will be steady.
Tuy nhiên, nhiệt độ cân bằng này không chỉ xảy ra tại điểm đặt mong muốn mà còn tại nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn. Điều này là do hoạt động cân bằng năng lượng phụ thuộc vào tỷ lệ mất nhiệt hoặc đạt được nhiệt, phản hồi của thiết bị điều khiển và quy trình động lực.
Kiểm soát Tích phân
Để sửa độ lệch này, thiết bị kiểm soát được lập trình để đo khoảng thời gian mà nhiệt độ cách xa điểm đặt và để TÍCH PHÂN định kỳ dữ liệu này vào tín hiệu đầu ra của thiết bị kiểm soát qua thời gian.
Đây được gọi là tác động “TÍCH PHÂN“ và phép tính bổ sung này sẽ sửa đổi đầu ra của thiết bị kiểm soát để đưa nhiệt độ trở lại điểm đặt theo thời gian. Thiết bị kiểm soát sẽ giữ nhiệt tại điểm đặt mong muốn bất kể thay đổi điểm đặt của người vận hành hoặc có sự rối loạn quá trình. Rối loạn quá trình là những thay đổi về nhiệt độ của quá trình do ảnh hưởng bên ngoài gây nên.
Đôi khi tác động Tích phân của thiết bị kiểm soát được gọi là tác động “ĐẶT LẠI” vì quá trình được “đặt lại” về điểm đặt.
Sử dụng cả kiểm soát TỶ LỆ và kiểm soát TÍCH PHÂN , chúng ta có thể ổn định nhiệt độ của quá trình (hoặc mức hoặc lưu lượng, hoặc áp suất, v.v..) chính xác tại giá trị mong muốn.
Kiểm soát Dẫn xuất
Cuối cùng, để khắc phục được quán tính nhiệt cao, chúng ta có thể đạt được kiểm soát tốt hơn, nhanh hơn nếu chúng ta cũng giám sát được tỷ lệ thay đổi hoặc “DẪN XUẤT“ của nhiệt độ.
Nếu quy trình động lực thực tế là mất nhiều thời gian để cấp nhiệt cho quá trình, chúng ta có thể cấp thêm công suất cho bộ cấp nhiệt ngay tức thời để tăng tốc quá trình cấp nhiệt.
Nếu nhiệt độ giảm rất nhanh do rối loạn quá trình, chúng ta cũng có thể phản hồi ngay bằng cách bổ sung nhiệt lượng lớn, sử dụng tác động
“DẪN XUẤT” này để duy trì nhiệt độ mong muốn tốt hơn.
Vì vậy, để kiểm soát nhiệt độ chính xác, nhanh chóng và ổn định bằng nhiều ứng dụng, chúng ta cần tác động Pỷ lệ (Proportional), Iích phân (Integral) và Dẫn xuất (Derivative).
Khi một thiết bị kiểm soát có thể xử lý các tác động kiểm soát TỶ LỆ, TÍCH PHÂN và DẪN XUẤT, nó được gọi là Thiết bị kiểm soát PID!
Sau đây là cách mô tả Thiết bị kiểm soát PID của một kỹ sư. Bạn có thể tìm thấy đường dẫn hồi tiếp không?
Điều chỉnh Thiết bị kiểm soát
Lượng tác động TỶ LỆ, TÍCH PHÂNvà DẪN XUẤT xác định phản hồi của thiết bị kiểm soát đối với sự thay đổi nhiệt độ.
Những tham số này có thể ĐIỀU CHỈNH được sao cho phù hợp với quy trình động lực để đạt được cân bằng tốt nhất giữa tốc độ phản hồi, độ ổn định của quy trìnhvà xung quá nhiệt của quy trình.
Từ xưa đến nay, những người hoạt động trong ngành kiểm soát quy trình đều gọi điều chỉnh phù hợp là “ma thuật”. Tuy nhiên, ngoài khả năng điều chỉnh theo cách thủ công, thiết bị kiểm soát của Omron còn có thể thực hiện điều chỉnh tự động.
Cấu hình
Trên thực tế, để thiết lập và cấu hình được một hệ thống kiểm soát nhiệt độ, bạn cần có phần cứng sau:
-
Thiết bị Làm nóng hoặc Làm mát
-
Nguồn Điện (tùy theo kiểu thiết bị kiểm soát)