1. Bộ điều khiển nhiệt độ
Bộ điều khiển độ nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển máy sưởi hoặc các thiết bị khác để duy trì nhiệt độ đặt trước. Chúng cũng có thể được sử dụng để kiểm soát độ ẩm, áp suất và lưu lượng….
Hình ảnh bộ điều khiển nhiệt độ GIC , tích hợp chức năng điều khiển PID
1.1.Bộ điều khiển nhiệt độ PID hoạt động như thế nào ?
Kiểm soát nhiệt độ theo thuật toán PID là một tính năng điều khiển vòng lặp được tìm thấy trên hầu hết các bộ điều khiển quy trình để cải thiện độ chính xác của quy trình.
Bộ điều khiển nhiệt độ PID hoạt động bằng cách sử dụng công thức để tính toán sự khác biệt giữa điểm đặt nhiệt độ mong muốn và nhiệt độ quy trình hiện tại, sau đó dự đoán lượng điện năng cần sử dụng trong các chu kỳ quy trình tiếp theo để đảm bảo nhiệt độ quy trình duy trì gần với điểm đặt nhất có thể bằng cách loại bỏ tác động của quá trình thay đổi môi trường.
Bộ điều khiển nhiệt độ với PID có hiệu quả hơn trong việc đối phó với các rối loạn trong quá trình, điều này có thể tưởng chừng như vô hại như mở cửa lò nướng, nhưng sự thay đổi nhiệt độ sau đó có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Nếu bộ điều khiển nhiệt độ PID được điều chỉnh đúng cách, nó sẽ bù đắp cho sự nhiễu loạn và đưa nhiệt độ của quá trình trở lại điểm đặt, nhưng giảm công suất khi nhiệt độ gần đến điểm đặt để nó không vượt quá và có nguy cơ làm hỏng sản phẩm do quá nhiều nhiệt.
Hình ảnh bộ điều khiển nhiệt độ giá thành rẻ hãng RKC
1.2 Ưu điểm khi sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ tích hợp thuật toán điều khiển PID
Điều khiển PID thuộc loại “tối ưu” của lý thuyết điều khiển chỉ định rằng một biến quá trình nhất định đạt được một cách tối ưu. Đối với bộ điều khiển nhiệt độ PID, biến tối ưu là duy trì nhiệt độ quá trình ở điểm đặt trong khoảng thời gian mong muốn, tránh bất kỳ thay đổi nghiêm trọng nào từ độ trễ, vượt quá giới hạn đặt hoặc nhiễu loạn.
- Ba yếu tố của thuật toán PID là Tỷ lệ, Tích phân và Đạo hàm. Mỗi yếu tố này liên quan đến phương sai của nhiệt độ quá trình so với điểm đặt trong một khoảng thời gian.
- Tỷ lệ - phương sai giữa điểm đặt và nhiệt độ quy trình hiện tại
- Tích phân - phương sai trước đó từ điểm đặt
- Đạo hàm - phương sai dự đoán trong tương lai dựa trên phương sai trước đó và phương sai hiện tại
Các phương sai này theo thời gian sau đó được tính toán bằng công thức PID, do kỹ sư thực hiện thủ công hoặc tự động bởi bộ điều khiển nhiệt độ và kết quả là lượng điện năng cần được cung cấp cho quá trình để duy trì nhiệt độ ở điểm đặt.
1.3 Bộ điều khiển nhiệt độ PID được sử dụng vào khoảng thế kỷ 18
Khi Các thiết bị phản hồi cơ học đã được sử dụng từ cuối thế kỷ 18 dưới hình thức các bộ điều chỉnh. Chúng chỉ được giới hạn ở một hoặc hai phần tử từ Tỷ lệ, Tích phân hoặc Đạo hàm và ban đầu nhằm mục đích duy trì tốc độ hoạt động nhất quán trong động cơ hơi nước đang được sử dụng để điều khiển máy móc của nhà máy.
Bộ điều khiển PID đầy đủ đầu tiên được phát triển vào năm 1911 bởi Elmer Sperry cho Hải quân Hoa Kỳ để tự động hóa việc lái tàu. Sperry đã thiết kế hệ thống của mình để mô phỏng hành vi của những người lái tàu, những người có khả năng bù đắp cho một phương sai liên tục, cũng như dự đoán phương sai sẽ thay đổi như thế nào trong tương lai.
Sau đó vào năm 1922, kỹ sư Nicolas Minorsky đã xuất bản phân tích lý thuyết đầu tiên về điều khiển PID, tương tự dựa trên các quan sát về khả năng thích ứng với các điều kiện thay đổi của người lái. Minorsky đưa khả năng thích ứng với các điều kiện thay đổi của người lái xe dưới dạng một công thức toán học, tạo cơ sở cho việc điều khiển PID hiện đại.
1.4 Các phương pháp điều chỉnh khác nhau cho bộ điều khiển PID
Có hai cách chính để điều chỉnh bộ điều khiển nhiệt độ với các giá trị PID.
Một kỹ sư làm việc theo cách thủ công các biến P, I & D và mức công suất cần thiết trong quá trình để duy trì điểm đặt. ( Cài đặt các thông số PID thủ công)
Bằng cách nhập các giá trị mục tiêu và sử dụng chức năng tự điều chỉnh, bộ điều khiển nhiệt độ sẽ tự động tính toán PID để điều khiển trực tiếp quá trình. ( Chế độ auto tuning PID)
Trong cả hai trường hợp, công thức PID cung cấp một mức công suất để áp dụng trong quá trình duy trì điểm đặt, được đầu vào bởi kỹ sư hoặc được thiết lập bởi chính bộ điều khiển PID.
1.5 Một số ứng dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID
Điều chỉnh vòng lặp PID được sử dụng trong nhiều bộ điều khiển nhiệt độ và cho số lượng vòng lặp khác nhau. Thiết lập cơ bản nhất dành cho một bộ điều khiển nhiệt độ để tính toán PID và quản lý một quá trình duy nhất. Thiết bị vệ sinh y tế thường sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID một vòng để đảm bảo rằng quá trình chạy ở nhiệt độ thích hợp đủ lâu để tiệt trùng dụng cụ đúng cách. Một cảm biến nhiệt độ sẽ đo nhiệt độ bên trong thùng tiệt trùng, bộ điều khiển nhiệt độ PID sau đó sẽ diễn giải và sử dụng để tăng hoặc giảm công suất cho bộ phận làm nóng.
Một bộ điều khiển nhiệt độ phức tạp hơn Thiết lập PID là nhiều vòng, trong đó một bộ điều khiển nhiệt độ duy nhất quản lý một số quá trình đồng thời. Tuy nhiên, mỗi quá trình là rời rạc và do đó hoạt động trên các vòng riêng lẻ, do đó, sự xáo trộn trên một quá trình sẽ không ảnh hưởng đến quá trình khác. Ví dụ, một tiệm bánh có thể có một số lò hoạt động với cùng một điểm đặt, nhưng không ảnh hưởng đến nhau, điều này sẽ được điều hành bởi bộ điều khiển nhiệt độ PID nhiều vòng.
Hình ảnh bộ điều khiển nhiệt độ xuất xứ Châu Âu - Thổ Nhỹ Kỳ
1.6 Bộ điều khiển nhiệt độ PID nhiều tầng (Phân tầng)
Có hai cách chính để điều chỉnh bộ điều khiển nhiệt độ với các giá trị PID.
Một kỹ sư làm việc theo cách thủ công các biến P, I & D và mức công suất cần thiết trong quá trình để duy trì điểm đặt.
Bằng cách nhập các giá trị mục tiêu và sử dụng chức năng tự điều chỉnh, bộ điều khiển nhiệt độ sẽ tự động tính toán PID để điều khiển trực tiếp quá trình.
Trong cả hai trường hợp, công thức PID cung cấp một mức công suất để áp dụng trong quá trình duy trì điểm đặt, được đầu vào bởi kỹ sư hoặc được thiết lập bởi chính bộ điều khiển PID.
Điều khiển phân tầng là nơi hai vòng điều khiển hoạt động trong mối quan hệ với nhau dưới dạng một vòng sơ cấp và thứ cấp. Vòng sơ cấp điều khiển phần tử chính của quá trình được làm nóng, tuy nhiên nó không có phần tử gia nhiệt trực tiếp hoạt động trên đó. Thay vào đó, có một phần tử thứ cấp thường là một chiếc áo khoác xung quanh phần đầu tiên và được điều khiển bởi một phần tử gia nhiệt. Bộ điều khiển PID đo cả vòng sơ cấp và thứ cấp và điều chỉnh mức công suất ảnh hưởng đến nhiệt của phần tử thứ cấp để lần lượt làm nóng phần tử sơ cấp đến điểm đặt.
Việc điều chỉnh PID trong các vòng nối tầng là điều cần thiết vì nếu không có thể có hiện tượng vượt quá mức chờ đợi phần tử chính đạt đến điểm đặt. Bộ điều khiển PID giảm công suất khi nhiệt độ tiếp cận điểm đặt để đáp ứng và sau đó duy trì điểm đặt. Một ví dụ quen thuộc cho điều này là sô cô la nóng chảy, trong đó nếu sô cô la tiếp xúc trực tiếp với nhiệt, nó có thể bị cháy, nhưng nó có thể được nấu chảy trong bát trên nước nóng. Sô cô la là vòng chính, chất mỏng manh cuối cùng cần được đun nóng, và bát nước là vòng thứ cấp, trung gian giữa tác dụng nhiệt và vòng sơ cấp. Các vòng lặp phân tầng hoạt động trên cùng một nguyên tắc, nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều và có khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác.
1.7 Bộ điều khiển nhiệt độ nhiều vùng ( PID nhiều vùng)
Bộ điều khiển nhiệt độ Multiloop PID cũng có giá trị để quản lý các quy trình đa vùng trong đó có một quy trình duy nhất được quản lý, nhưng phần tử gia nhiệt quá lớn nên có thể có sự chênh lệch nhiệt độ giữa khu vực này và khu vực khác. Ví dụ, trong một lò nướng công nghiệp có sáu phần tử gia nhiệt khác nhau, nhiệt độ phải nhất quán trên toàn bộ lò, nhưng các phần tử khác nhau có thể khiến một số khu vực nóng hơn những khu vực khác. Vì quy trình yêu cầu nhiệt độ đồng nhất, giải pháp là sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID đa vòng để vận hành tất cả sáu phần tử gia nhiệt, do đó, có sáu vòng điều khiển chạy đồng thời hiệu quả. Sau đó, bộ điều khiển PID có thể điều chỉnh công suất cho từng bộ phận gia nhiệt riêng lẻ để duy trì điểm đặt trên tất cả các vùng gia nhiệt trong lò.
2. Một số hãng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ chất lượng cao, thông dụng trên thị trường.
2.1 Bộ điều khiển nhiệt độ PID, On/OFF hãng Hanyoung – Korea
Thương hiệu Hanyoung được thương mại hóa từ những năm 1972, sảm phẩm đa dạng, kèm theo là chất lượng sản phẩm tốt, thông dụng, giá thành rẻ, được nhiều nhà chế tạo máy tin tưởng lắp đặt sử dụng Tham khảo thêm những sản phẩm Bộ điều khiển nhiệt độ Hanyoung, và các sản phẩm Hanyoung khác tại web : http://eng.hynux.com/
2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ PID, On/OFF hãng Autonics - Korea
Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics có khả năng đáp ứng tốc độ cao, để nhanh chóng đạt hiệu quả đúng với giá trị mà bạn mong muốn. Các dòng sản phẩm của Autonic có độ chính xác cưc kỳ nhỏ chỉ từ ±0.1% đến ±0.3%.
Sản phẩm được thiết kế với nhiều ngõ vào, chế độ điều khiển đa dạng và thuận lợi. Được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau như ngành thép, gỗ, giấy, linh kiện điện tử….
Hiện nay mạng lưới Autonics đã trả rộng khắp ở 100 quốc gia khác nhau. Với mạng lưới này hãng có khả năng cung cấp toàn diện các giải pháp về thiết bị tự động hóa cho khách hàng ở hầu hết các nơi trên thế giới.
Autonics không ngừng nỗ lực để nâng cao chất lượng, cải tiến giá trị nhằm tăng khả năng hoạt động của sản phẩm mình tạo ra.
2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ PID Omron - Japan
Tập đoàn Omron là một công ty có trụ sở Kyoto, Nhật Bản. Omron được Kazuma Tateisi thành lập vào năm 1933 và được hợp nhất tư cách pháp nhân từ năm 1948. Trụ sở đầu của công ty được đặt tại "Omuro", đây cũng chính là nguồn gốc của cái tên "OMRON".
Omron có nhiều dòng sản phẩm đa dạng, từ dân dụng cho đến hệ thống công nghiệp, y tế dự phòng...
2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ GIC - Thương hiệu Ấn Độ
Thương hiệu GIC thiết bị tự động công nghiệp với xuất xứ Ấn Độ, phù hợp cho các ứng dụng , tủ bảng điện công nghiệp và dân dụng...
