Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm các thành phần cơ bản là bộ điều khiển, thiết bị đo, thiết bị chấp hành.
Hình 4.8. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển phản hồi.
Với một số cơ cấp chấp hành khác thì không có tín hiệu phản hồi trở về. Điển hình đơn giản nhất là hệ thống van điện từ, chỉ có trạng thái đóng và mở.
Hình 4.9. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển thẳng
a. Thiết bị đo
Trong một quá trình công nghiệp có rất nhiều yếu tố khác nhau ảnh h−ởng tới chất l−ợng sản phẩn, điều kiện vận hành, độ ổn định của máy móc thiết bị Do đó cần phải xác định đ−ợc rõ đặc điểm, đặc tính của từng thiết bị, yếu tố ảnh h−ởng…
để đ−a ra giải pháp để giải quyết vấn đề. Nh− vậy với mỗi yếu tố ta cần phải −ớc l−ợng đ−ợc nó hay nói cách khác là ta phải sử dụng các thiết bị đo. Việc sử dụng nhiều thiết bị đo cho các đối t−ợng, đại l−ợng là cần thiết. Tuy nhiên không đ−ợc lạm dụng vì nh− thế sẽ làm cho hệ thống cồng kềnh phức tạp, tốn kém mà không giải quyết đ−ợc vấn đề. Do đó cần phải lựa chọn hợp lý các thiết bị đo này.
- Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất có vai trò quan trọng trong các hệ thống chất lòng và chất khí. Cảm biến đo áp suất công nghiệp có thể đ−ợc phân loại nh− sau:
9 Các cảm biến đàn hồi hai phần tử: Phần tử cảm biến sơ cấp biến đổi áp suất thành dịch chuyển dựa trên tính chất vật lý đàn hồi nh− màng rung, màng chắn. Phần tử thứ cấp là một cảm biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch thành tín hiệu điện nh− chiết áp, cảm biến sức căng, cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện, biến áp vi sai.
9 Các cảm biến piezo: Sử dụng các phần tử cảm biến sơ cấp là tinh thể thạch anh có hiệu ứng áp trở hoặc áp điện. Khi tác dụng một lực lên tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp trở gây nên sự thay đổi điện trở hoặc hiệu ứng áp điện sẽ gây nên điện tích trái dấu trên hai bề mặt tinh thể thạch anh.
9 Cảm biến chân không: Th−ờng đ−ợc thực hiện các phép đo gián tiếp dựa trên nguyên lý truyền nhiệt hoặc ion hóa chất khí
Nói chung, các cảm biến áp suất th−ờng có đặc tính động học nhanh, nên trong đa số tr−ờng hợp ta có thể bỏ qua quán tính của chúng và coi thiết bị đo nh− một khâu khuếch đại thuần túy. Tuy nhiên, cũng do đặc tính nhanh nhạy nên phép đo áp suất th−ờng chịu ảnh h−ởng của nhiều nhiễu.
Hình 4.10. Thiết bị đo áp suất thực tế trong nhà máy
Bảng 4: Thông số của thiết bị đo áp suất
Measuring Principle Electromagnetic
Main features Standard applictaions for flow rate measurement in chemical or process applications
Measuring range 0 … 96600m3
/h
Measured error ±0.5%
Outputs 4…20mmA
Cọmmunication HART, PROFIBUS PA
- Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ đ−ợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình, không những để đo các đại l−ợng quá trình nhiệt, mà còn giúp cho nhiều loại cảm biến khác có thể tính toán bù ảnh h−ởng của nhiệt độ. Hầu hết các loại cảm biến nhiệt độ đều cho tín hiệu đầu ra tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ. Đa số các ph−ơng pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp dựa trên hiện t−ợng truyền nhiệt: do tiếp xúc (dẫn
nhiệt) hoặc không tiếp xúc (bức xạ nhiệt). Nhiệt đ−ợc truyền từ đối t−ợng sang đầu đo gây ra các hiệu ứng cơ học hoặc điện học, dựa vào đó cảm biến có thể chuyển đổi và cho ra tín hiệu điện. Nhiệt độ đo đ−ợc thực chất đã diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa đối t−ợng, đầu đo và môi tr−ờng xung quanh nên độ chính xác phụ thuộc nhiều yếu tố và môi tr−ờng xung quanh. Cảm biến thông dụng có thể chia thành 4 loại sau:
9 Nhiệt kế dãn nở: Nhiệt độ làm thay đổi chiều dài, thể tích hoặc áp suất.
9 Nhiệt kế điện trở: Điển trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng trong nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn.
9 Cặp nhiệt: Điện thế thay đổi theo nhiệt độ tại điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau.
9 Hảo kế: B−ớc sóng nhiệt bức xạ thay đổi theo nhiệt độ.
Hầu hết các phép đo nhiệt có quán tính lớn ít chịu ảnh h−ởng của nhiễu tần số cao.
- Cảm biến mức
Mức chất lỏng trong các bình chứa luôn luôn là một đại l−ợng cần điều khiển. Trong nhiều tr−ờng hợp, ng−ời ta đòi hỏi vòng điều khiển mức phản ứng rất nhanh để duy trì giá trị mức cố định nhằm giảm t−ơng tác tới những vòng điều khiển khác chậm hơn. Tuy nhiên, phép đo mức th−ờng không đòi hỏi độ chính xác cao nh− áp suất, l−u l−ợng và nồng độ. Các ph−ơng pháp đo mức chất lỏng thông dụng có thể đ−ợc phân loại:
+ Ph−ơng pháp tiếp xúc bề mặt: Sử dụng phao, que dò và các phẩn tử cảm biến chuyển.
+ Ph−ơng pháp điện học: Dựa vào hiện t−ợng thay đổi điện dung hoặc điện cảm + Ph−ơng pháp chênh áp: Dựa trên phép đo chênh lệch áp suất giữa hai vị trí có độ cao khác nhau trong bình.
+ Ph−ơng pháp siêu âm: Sử dụng một cảm biến siêu âm đặt trên nắp bình chứa và xác định khoảng cách giữa bề mặt chất lỏng và nắp.
+ Ph−ơng pháp đo khối l−ợng: Sử dụng cảm biến trọng l−ợng và tính toán ra độ cao chất lỏng.
- Cảm biến l−u l−ợng.
Cảm biến l−u l−ợng có thể phân loại theo l−u chất hoặc theo nguyên lý đo. Thực tế, các cảm biến l−u l−ợng hầu nh− bao giờ cũng đ−ợc gắn kèm bộ chuyển đổi đo trong một thiết bị gọi là l−u l−ợng kế. Một vài loại tiêu biển là:
9 L−u l−ợng kế chênh áp: Đo gián tiếp thông qua phép đo chênh áp dựa trên quan hệ giữa l−u l−ợng dòng chảy và độ chênh áp suất qua một kết cấu thu hẹp đ−ờng ống.
9 L−u l−ợng kế turbin: Đo gián tiếp thông qua tốc độ quay dựa trên quan hệ giữa l−u l−ợng dòng chảy và tốc độ quay turbin.
9 L−u l−ợng kế điện tử: Đo một đại l−ợng điện dựa trên thay đổi điện dung hoặc điện cảm khi l−u l−ợng dòng chảy thay đổi.
9 L−u l−ợng kế siêu âm: Đo không tiếp xúc sử dụng một sóng siêu âm và xác định vận tốc dòng chảy dựa trên hiệu ứng Doppler, từ đó tính toán ra l−u l−ợng.
Trong các loại cảm biến trên thì loại chênh áp là truyền thống và phổ biến nhất. Các cảm biến l−u l−ợng có quán tính nhỏ do đó ta cần chú ý tới ảnh h−ởng của sai số ngẫu nhiên trong các phép đo.
Hình 4.11. Thiết bị đo l−u l−ợng.
Bảng 5: Thông số kỹ thuật của thiết bị đo l−u l−ợng:
Measuring Principle Electromagnetic
Main features Standard applictaions for flow rate measurement in chemical or process applications
Measuring range 0 … 96600m3
/h
Measured error ±0.5%
Outputs 4…20mmA
Cọmmunication HART, PROFIBUS PA
b. Thiết bị chấp hành và van điều khiển
Mộ hệ thống/ thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển đ−ợc gọi là phần tử điều khiển. Phần tử điều khiển đ−ợc truyền năng l−ợng hay truyền động từ cơ cấu chấp hành. Dựa theo thiết kế và chuyển động của chốt van ta có thể phân loại chúng thành các loại nh−: van cầu, van nút, van bi hoặc van b−ớm.
Hình 4.12. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành.
Cơ cấu cháp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng l−ợng và tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cần van (chuyển động tr−ợt) hoặc trục van (chuyển động xoay). Ta có thể phân loại van theo cơ chế truyền động nh− sau:
9 Van khí nén: Tín hiệu vào là khí nén sử dụng màng chắn/ lò xo hay piston.
9 Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động cơ servo hoặc động cơ b−ớc đ−ợc điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu ra bộ điều khiển, thông th−ờng là dòng điện t−ơng tự 4-20mA hoặc tín hiệu số.
9 Van thủy lực: Sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn hoặc piston.
9 Van từ: Cho chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo nên lực nén yếu và độ chính xác kém.
Trong hệ thống nhà nấu của nhà máy sử dụng hai loại van điều khiển chính là van điện (van PID) và van từ.
Hình 4.13. Van điều khiển PID
Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành
Đầu ra của bộ
Bảng 6: Thông số kỹ thuật của van điều khiển PID
Control Principle
Main features Linear.
Hysteresis (Độ trễ) < 0.5% Operating direction Reversible
Input 4…20mmA
Hình 4.14. Van điện điều khiển on/off
c. Bộ điều khiển phản hồi
Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của một hệ thống dkk. Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đ−a ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Trong một hệ thống điều khiển quá trình các bộ điều khiển phản hồi có thể thực hiện d−ới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn, hoặc một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị chia sẻ nh− DCS, PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp. Bên cạnh những chức năng điều khiển cơ sở, các thiết bị này
còn có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau nh− tính toán, ghi chép, cảnh giới và điều khiển cao cấp.