- Áp suất cần có ựể duy trì dòng chảy ổn ựịnh theo chiều ngang:
2.4.3. Van ựiều khiển:
Van ựiều khiển là một phần thiết yếu của mạch vòng ựiều khiển. Nó là phần quan trọng nhất trong mạch vòng, mạch vòng ựiều khiển như là một chuỗi các thiết bị, toàn bộ chuỗi như là một liên kết.
2.4.3.1. định nghĩa và cấu tạo của van:
* định nghĩa:
Van là một thiết bị cơ khắ ựược dùng trong công nghiệp ựường ống ựể ựiều chỉnh dòng chảy của vật chất.
* Cấu tạo:
Một van ựiều khiển bao gồm: thân van ựược ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan. Hình 2-7 là hình ảnh mặt cắt của một van cầu khắ nén với cơ chế truyền ựộng màng rung lò so.
Phần thân van cùng các phụ kiện ựược gắn với ựường ống, ựóng vai trò là phần tử ựiều khiển. độ mở van và lưu lượng qua van ựược xác ựịnh bởi hình dạng và vị trắ chốt van.
Nhiều loại van ựiều khiển bằng tay có thể lắp thêm cơ cấu dẫn ựộng vào thân van ựể trở thành van ựiều khiển.
Cơ cấu dấn ựộng: là một thiết bị dùng trong van ựiều khiển ựể dẫn ựộng cần van ứng với tắn hiệu phát ra từ thiết bị ựiều khiển.
Thiết bị ựiều khiển: là thiết bị tự ựộng ựiều chỉnh vị trắ của van ựiều khiển. Thiết bị ựiều khiển sử dụng năng lượng không khắ nén, áp suất thuỷ lực hay năng lượng ựiện ựể truyền tắn hiệu tới cơ cấu dẫn ựộng.
Cơ cấu ựịnh vị: là thiết bị trợ giúp cho cơ cấu dẫn ựộng di chuyển cần van vào ựúng vị trắ.
2.4.3.2. Phân loại van ựiều khiển
a. Phân loại theo chức năng:
- Van ựóng cắt (on- off)
Dùng ựể ựóng mở không liên tục, sử dụng ựể bắt ựầu hoặc ngăn chặn dòng chảy của môi chất thông qua quá trình ựóng mở van, cho phép dòng môi chất di chuyển thẳng qua thân van với yếu tố ựóng cửa van hoàn toàn mà sự suy giảm áp lực là ắt hoặc không có. Van On Ờ Off có hai trạng thái là mở hoàn toàn hoặc ựóng hoàn toàn. Van ựược ứng dụng sử dụng ựể ựảm bảo an toàn hệ thống như dùng ựể xả... Một phần lớn các van on Ờ off ựược vận hành bằng tay, mặc dù họ có thể ựiều khiển tự ựộng bằng việc bổ sung một thiết bị truyền ựộng. Các loại van On Ờ Off thường có các loại thủy khắ, ựiện và khắ nén nhưng phổ biến nhất là van khắ nén.
- Van tỷ lệ:
độ mở van cho phép thay ựổi từ 0 ọ 100%, van tỷ lệ thường ựược sử dụng ựiều khiển tải lớn trong hệ thống thủy lực. Quan hệ giữa ựộ mở van và lưu lượng là tuyến tắnh.
Vắ dụ, một van tỷ lệ có thể ựược sử dụng ựể kiểm soát áp suất và dòng chảy của nhựa trong một máy ép phun, van lớn hơn có thể ựược sử dụng ựể kiểm soát lượng nước chảy vào một ựộng cơ thủy lựcẦ
- Van servo:
được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thủy lực, ựiều khiển bởi một tắn hiệu ựiện. Cũng giống như van tỷ lệ, ựộ mở van servo cho phép thay ựổi từ 0ọ100%, nhưng van servo ựược dùng trong các vòng ựiều khiển phản hồi yêu cầu ựộ chắnh xác cao, tần suất ựóng cắt lớn, trong những hệ thống thủy lực công suất lớn với dải tắn hiệu vào van nhỏ. Có hai loại phản hồi có sẵn với các loại van. Thứ nhất ựó là các cảm biến ựịnh vị bên ngoài như bộ mã hóa và phân giải; thứ hai là các cảm biến trực tiếp bên trong van ựể xác ựịnh vị trắ cần hay chốt van.
Vắ dụ: van servo ựược dùng trong các robot thủy lực, ựiều khiển vận tốc nhựa phun vào khuôn trên các máy ép nhựaẦ
b. Phân loại theo tắnh chất chuyển ựộng cơ học
Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cũng cấp năng lượng và tạo ra chuyển ựộng cho chốt van thông qua cần van (ựối với chuyển ựộng trượt) hoặc trục van (chuyển ựộng xoay)
- Van trượt (linear valve)
Cần van (stem) chuyển ựộng thẳng, trượt. đây là thiết kế van phổ biến hiện nay với thiết kế ựơn giản, dễ bảo trì, linh hoạt với nhiều kắch cỡ, áp lực.
- Van xoay (rotary valve)
Trục van (shaft) chuyển ựộng xoay. Loại van này sử dụng yếu tố ựóng cửa xoay quanh Ử trong phạm vi xoay. Van xoay thường bị hạn chế bởi sự giảm áp lực hay dễ có sự cố bởi ảnh hưởng của khe hở. Tuy nhiên hiện tượng này ựang dần ựược khắc phục và tỷ lệ sử dụng van xoay cũng ựang tăng.
Hình 2.8. Van trượt và van xoay
c. Phân loại theo thiết kế chốt van
- Van cầu (globe valve):
Là loại van chuyển ựộng thẳng và là loại van thông dung nhất trong số các loại van nêu trên khi ựiều khiển các quá trình công nghệ. đĩa van có dạng hình cầu, ựiều khiển dòng chảy theo hình chữ S.
Chốt trượt có ựầu hình cầu/hình nón, chuyển ựộng lên xuống. Van cầu rất linh hoạt, phổ biến trong công nghiệp, thiết kế cần van dạng trượt (linear valve). Với phong cách thiết kế van kiểu trượt này cho phép phạm vi ựiều chỉnh rộng hơn.
đặc ựiểm của van cầu: là trở lực ựối với dòng chảy lớn (là cho dòng chảy không phẳng), cần nhiều năng lượng hơn ựể ựóng/mở van (không phù hợp với kắch thước lớn).
Hình 2.11. Van bướm - Van bướm (butterfly valve):
được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng ựóng- mở lưu lượng. Chốt xoay hình ựĩa, nằm ở trung tâm thân van. Van bướm là loại van chuyển ựộng xoay thông dụng nhất. Phần tử ựóng của van có hình dạng giống con bướm. Van ựóng khắt và có thể sử dụng làm van ựiều chỉnh.
đặc ựiểm của van: là trở lực ựối với dòng chảy thấp (dòng chảy phẳng), tối ưu với trường hợp momen vận hành thấp, góc mở vận hành là 900
Van có kết cấu: gọn, nhẹ, ựược chế tạo với các kắch thước từ vài chục milimét ựến vài mét. đối với những ống có ựường kắnh rất lớn, ựể ựiều khiển lượng môi chất thì chỉ có giải pháp sử dụng van bướm là cho hiệu quả kinh tế nhất
Hình 2.10. Các bộ phận & phụ kiện của van cầu
Tỷ lệ dòng chảy ựược ựiều chỉnh bằng việc thay ựổi góc của cửa van
Van bướm có thể ựược vận hành bằng tay quay hay tay vặn. Trong cả hai trường hợp này ựều cần có thang chỉ vị trắ của cửa van trong vận hành.
- Van nút (plug valve):
Phần ựiều chỉnh dòng chảy (cửa van) của loại van này có dạng nút, hình trụ hoặc một phần hình trụ. Cửa van ựược chế tạo bằng kim loại và có khe hở xuyên suốt cửa van cho dòng chảy ựi qua. Vị trắ của van ựược ựiều chỉnh bằng việc vặn tay quay.
- Van bi (ball valve):
Là loại van chuyển ựộng xoay, phần tử ựóng của van có dạng viên bi với ựường thông bên trong. Van thường ựược sử dụng rộng rãi trong chế ựộ ựóng/mở ựối với các quá trình mẻ (không phù hợp là van ựiều chỉnh).
đặc ựiểm của van là trở lực ựối với dòng chảy thấp khi mở hết (dòng chảy phẳng), góc vận hành là 900, ựòi hỏi công nghệ nâng cao ựể chế tạo bi và vật liệu chèn kắn.
Hình 2.13. Van bi
Ngoài các loại van trên, trong ựiều khiển quá trình ựôi khi còn sử dụng một loại van nữa gọi là van màng. Van màng là loại van chuyển ựộng thẳng với màng mềm dẻo là phần tử ựóng của van. Van màng chủ yếu sử dụng ựối với những chất lỏng có tắnh ăn mòn hoặc dạng bùn, vữa. Thân van có thể ựược lót một lớp thuỷ tinh, chất dẻo, cao su hoặc teflon.
d. Phân loại dựa theo năng lượng truyền ựộng
- Van khắ nén: Loại phổ biến nhất, truyền ựộng khắ nén sử dụng màng chắn/lò so hoặc piston. Tắn hiệu ựầu vào có thể là khắ nén, dòng ựiện hoặc tắn hiệu số (bus trường). Nếu tắn hiệu ựiều khiển là dòng ựiện, ta cần bộ chuyển ựổi dòng ựiện - khắ nén (I/P) tắch hợp bên trong hoặc tách riêng bên ngoài.
- Van ựiện: Cơ chế chấp hành sử dụng ựộng cơ servo hoặc ựộng cơ bước, ựược ựiều khiển trực tiếp từ tắn hiệu ra bộ ựiều khiển, thông thường là dòng ựiện tương tự 4ọ20mA hoặc tắn hiệu số. Van ựiện ựược sử dụng trong những ứng dụng công suất nhỏ ựòi hỏi ựộ chắnh xác cao.
- Van thuỷ lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn hoặc piston, bơm dầu ựược ựiều khiển bởi tắn hiệu ra từ bộ ựiều khiển. Van thuỷ lực ựược sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn.
- Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò so, lực nén yếu và ựộ chắnh xác kém, chỉ phù hợp với các bài toán ựơn giản.
2.4.3.3. đặc tắnh của van ựiều khiển a. Kiểu tác ựộng của van
- đóng an toàn (fail closed - FC): màng chắn của van dịch chuyển ựến vị trắ ựóng khi nguồn năng lượng của cơ cấu chấp hành mất.
- Mở an toàn (fail open - FO): màng chắn của van dịch chuyển ựến vị trắ mở khi nguồn năng lượng của cơ cấu chấp hành mất.
- Dự phòng an toàn (fail-safe):ựặc tắnh của van và cơ cấu chấp hành của nó: năng lượng cung cấp cho cơ cấu chấp hành bị mất sẽ dẫn ựến màng chắn của van ựược ựóng hoàn toàn, mở hoàn toàn hoặc giữ lại ở vị trắ trước ựó ựược xác ựịnh cần ựể bảo vệ quá trình. Dự phòng an toàn có thể liên quan ựến việc sử dụng kết nối ựiều khiển phụ ựến cơ cấu chấp hành.
Sự lựa chọn kiểu tác ựộng của van ựiều khiển ảnh hưởng tới việc lựa chọn hệ số khuyếch ựại của bộ ựiều khiển phản hồi. Van ựóng an toàn có ựộ mở van lớn hơn khi tắn hiệu ựiều khiển tăng, trong khi van mở an toàn có ựộ mở an toàn nhỏ hơn khi tắn hiệu ựiều khiển tăng. Chiều tác ựộng thuận ựược ựịnh nghĩa là ựộ mở van giảm khi tắn hiệu ựiều khiển tăng (nghĩa là cần van chuyển ựộng theo chiều thuận từ trên xuống dưới ựối với van trượt). Chiều tác ựộng nghịch ựược ựịnh nghĩa là ựộ mở van tăng lên khi tắn hiệu ựiều khiển tăng (nghĩa là cần van chuyển ựộng theo chiều nghịch từ dưới lên trên ựối với van trượt).
b. đặc tắnh thời gian của van
♣ Hiện tượng dải chết (Deadband) của van
Deadband là nguyên nhân chủ yếu dẫn ựến sự dư thừa của biến quá trình. Các nguyên nhân gây ra hiện tượng Deadband là: ma sát, khe hở, dải chết,..
Deadband là hiện tượng mà ở ựó một khoảng giá trị ựầu ra của bộ ựiều khiển (CO) không ựúng ựể tạo ra sự thay ựổi trong quá trình (PV) khi tắn hiệu ựầu vào ựổi phương. Khi có nhiễu tải, biến quá trình (PV) chệch khỏi giá trị ựặt. Sự lệch lạc này khởi ựầu một diễn biến ựúng qua bộ ựiều khiển và quá trình ngược lại. Tuy nhiên, một sự thay ựổi trong ựầu ra của bộ ựiều khiển có thể tạo ra sự thay ựổi tương ứng không chắnh xác trong biến quá trình. Chỉ khi ựầu ra bộ ựiều khiển thay ựổi một lượng ựủ ựể qua dải chết thì mới có sự thay ựổi tương ứng trong biến quá trình
Hình 2.15. Hiện tượng deadband Hình 2.14 Kiểu tác ựộng của van
Bất kì khi nào ựầu ra của bộ ựiểu khiển thay ựổi phương, tắn hiệu bộ ựiều khiển phải vượt qua dải chết trước bất kì sự thay ựổi tương thắch trong biến quá trình diễn ra. Sự có mặt của dải chết trong quá trình ựể bảo ựảm biến quá trình chệch khỏi giá trị ựặt sẽ tăng ựến khi ựủ lớn ựể vượt qua dải chết. Chỉ sau ựó một quá trình ựúng diễn ra.
Dải chết có nhiều nguyên nhân như ma sát và khe hở trong van ựiều khiển ựi kèm với sự cuộn trục trong van quay và trễ vùng chết là một vài dạng chung nữa. Bởi vì hầu hết các hoạt ựộng ựiều khiển cho ựiều chỉnh chứa sự thay ựổi nhỏ (1% hoặc nhỏ hơn), một van ựiều khiển với dải chết quá rộng thậm chắ không ựáp ứng những sự thay ựổi này. Một van kỹ thuật tốt sẽ ựáp ứng tắn hiệu 1% hoặc nhỏ hơn ựể ựưa sự giảm có hiệu quả trong biến quá trình. Tuy nhiên, thường ắt gặp cho một số van ựưa ra dải chết như 5% hoặc hơn. Trong cuộc khảo sát gần ựây, 30% các van có dải chết lớn hơn 4%. Trên 65% mạch vòng ựược kiểm nghiệm có dải chết lớn hơn 2%. để có chất lượng tốt nhất trong giảm biến quá trình, toàn bộ dải chết trong tổ hợp van phải là 1% hoặc nhỏ hơn. Lý tưởng nó phải thấp như 0.25%.
Hình 2-15 chỉ ra làm thế nào ựể kết hợp ảnh hưởng của Deadband nếu có thể. Một mô hình vòng lặp mở ựưa ra kiểm tra trên 3 van khác nhau dưới ựiều kiện bình thường. Dải tắn hiệu vào van thay ựổi từ 0,5% ựến 10% . Các bước kiểm tra van dưới ựiều kiện dòng chảy như vậy là cần thiết. Cả 3 van ựều có ựáp ứng với sự thay ựổi từ tắn hiệu vào, tuy nhiên khả năng ựáp ứng với sự thay ựổi từ tắn hiệu vào trên từng van khác nhau.
Với van A, ựại lượng cần ựiều khiển ựáp ứng tốt với tắn hiệu vào là 0.5
Van B yêu cầu tắn hiệu ựầu vào thay ựổi lớn nhất là 5% trước khi có ựáp ứng từ ựại lượng cần ựiều khiển, còn với van C, tắn hiệu ựầu vào thay ựổi lớn nhất là 10%.
Dải chết có nhiều nguyên nhân, nhưng bản chất là do ma sát, do khe hở giữa các thành phần cơ khắ.
để giảm ma sát, người ta thường dùng dầu bôi trơn chốt van, các phần tiếp xúc cơ khắ. Tuy nhiên, sau một vài trăm chu kỳ, chất lượng dầu bôi trơn mất. Cùng với áp lực của tải, ma sát có thể tăng ựến 400% hoặc hơn với một số thiết kế van.
Van B, C minh họa cho ảnh hưởng của ma sát cao ựến van, tắn hiệu vào van thay dổi một lượng lớn trước khi ựáp ứng từ ựại lượng cần ựiều khiển ổn ựịnh với sự thay ựổi của tắn hiệu vào.
Hinh 2.16. Ảnh hưởng của deadband ựến hiệu suất van
♣ Thời gian ựáp ứng của van (Valve respostion time)
để kiểm soát tối ưu của nhiều quy trình, ựiều quan trọng là các van ựạt ựược một vị trắ cụ thể một cách nhanh chóng. Phản ứng nhanh với thay ựổi một tắn hiệu nhỏ (1% hoặc ắt hơn) là một trong những yếu tố quan trọng trong việc tối ưu ựiều khiển quá trình. Tốc ựộ ựáp ứng của van nhanh thì chất lượng của quá trình ựược cải thiện ựáng kể.
Thời gian ựáp ứng của van ựược ựo bởi tham số T63.
Thời gian ựáp ứng của van bị ảnh hưởng bởi những khâu thiết kế bộ ựịnh vị, cơ cấu truyền ựộng và các yếu tố phụ khác, do ựó ựể nâng cao tốc ựộ ựáp ứng của van thì phải nâng cao tốc ựộ ựáp ứng ở những khâu trên.
- đặc tắnh thời gian của van T63: là hằng số thời gian τν của van. Là một thước ựo ựáp ứng của thiết bị. T63 ựược ựo từ khi bắt ựầu có tắn hiệu vào van ựến khi van ựạt 63% giá trị xác lập
- Thời gian chết Td của van ( Deadtime): Là một trong những ựặc tắnh của hệ thống vật lý, không phụ thuộc ựặc tắnh tắn hiệu vào. Do ma sát của van, phụ thuộc cơ
cấu chấp hành của van. Là khoảng thời gian không nhận ựược ựáp ứng từ van khi ựã có tắn hiệu vào, nó cũng chắnh là sai số của van, thường từ 0,25 % ựến 5%.
Thời gian chết càng nhỏ càng tốt. Nói chung thời gian chết nên không nhiều hơn một phần ba của tổng thời gian phản ứng của van.
Hình 2.17. Thời gian Td và τν của van
Nghiên cứu trên 3 van A, B, C ở trên, ta quan sát ựược sự khác biệt ựáng kể trong tổng thời gian T63 và thời gian chết Td
Hình 2.18. Tóm tắt thời gian ựáp ứng của van