Lựa Chọn và Lựa Chọn Điều Khiển

Bài hướng dẫn này sẽ tập trung vào các lựa chọn điều khiển tự động hiện có (như tự tác động, khí nén hoặc điện) và các quyết định phải được thực hiện trước khi lựa chọn. Hướng dẫn được đưa ra dựa trên ba cân nhắc quan trọng nhất về an toàn, ổn định và chính xác.

Module này sẽ tập trung vào các lựa chọn điều khiển tự động hiện có và các quyết định phải được thực hiện trước khi lựa chọn. Hướng dẫn được đưa ra ở đây thay vì một bộ quy tắc, vì các quyết định thực tế sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau; một số trong đó, như chi phí, sở thích cá nhân và xu hướng hiện tại, không thể bao gồm ở đây.

Ứng dụng

Điều quan trọng là phải xem xét ba tham số cơ bản được thảo luận ở đầu Module 5.1: An toàn, Ổn định và Chính xác. Để chọn đúng van điều khiển, cần có chi tiết về ứng dụng và bản thân quy trình. Ví dụ:

• Có tính năng an toàn nào liên quan không? Ví dụ, van nên mở khi lỗi hay đóng khi lỗi trong trường hợp mất điện? Có cần điều khiển riêng cho giới hạn trên và dưới không?
• Tính chất nào cần được kiểm soát? Ví dụ, nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng?
• Môi chất và tính chất vật lý của nó là gì? Lưu lượng là bao nhiêu?
• Áp suất chênh lệch qua van điều khiển trên toàn phạm vi tải là gì?
• Vật liệu van và kết nối đầu cuối là gì?
• Loại quy trình nào đang được kiểm soát? Ví dụ, bộ trao đổi nhiệt được sử dụng cho mục đích sưởi ấm hay quy trình?
• Đối với điều khiển nhiệt độ, nhiệt độ đặt cố định hay thay đổi?
• Tải ổn định hay thay đổi, và nếu thay đổi, thời gian thay đổi là nhanh hay chậm?
• Nhiệt độ cần duy trì quan trọng đến mức nào?
• Cần điều khiển một vòng lặp hay nhiều vòng lặp?
• Các chức năng nào khác (nếu có) được thực hiện bởi điều khiển? Ví dụ, điều khiển nhiệt độ bình thường của hệ thống sưởi, nhưng với bảo vệ chống đóng băng bổ sung trong thời gian ‘tắt’?
• Nhà máy hoặc quy trình có nằm trong khu vực nguy hiểm không?
• Khí quyển hoặc môi trường có tính ăn mòn tự nhiên hay van được lắp bên ngoài hoặc trong khu vực ‘bẩn’?
• Nguồn động lực nào có sẵn, như điện hoặc khí nén, và ở điện áp và áp suất nào?

Nguồn động lực

Đây là nguồn điện để vận hành điều khiển và dẫn động van hoặc thiết bị được kiểm soát khác. Điều này thường sẽ là điện, hoặc khí nén cho hệ thống khí nén, hoặc hỗn hợp cả hai cho hệ thống điện khí nén. Hệ thống điều khiển tự tác động không yêu cầu nguồn điện bên ngoài để vận hành; chúng tạo ra năng lượng riêng từ hệ thống áp suất thủy lực hoặc hơi kín. Ở một mức độ nào đó, chi tiết của ứng dụng có thể xác định lựa chọn nguồn điện điều khiển. Ví dụ, nếu điều khiển ở khu vực nguy hiểm, điều khiển khí nén hoặc tự tác động có thể được ưu tiên hơn so với điều khiển điện/điện tử an toàn vốn có hoặc chống nổ đắt tiền. Các tính năng sau được liệt kê như nhận xét chung về các tùy chọn nguồn điện khác nhau:

Điều khiển tự tác động

Ưu điểm:

• Bền bỉ, đơn giản, chịu được môi trường ‘không thân thiện’.
• Dễ lắp đặt và đưa vào vận hành.
• Cung cấp điều khiển tỷ lệ với khả năng phạm vi rất cao.
• Có thể có điều khiển mở khi lỗi hoặc đóng khi lỗi trong trường hợp vượt quá nhiệt độ không chấp nhận được.
• An toàn trong khu vực nguy hiểm.
• Tương đối miễn bảo trì. Nhược điểm:
• Điều khiển nhiệt độ tự tác động có thể phản ứng tương đối chậm, và chức năng điều khiển Tích phân và Đạo hàm không thể cung cấp được.
• Dữ liệu không thể được truyền lại.

Điều khiển khí nén

Ưu điểm:

• Bền bỉ.
• Chúng hoạt động rất nhanh, khiến chúng phù hợp với các quy trình mà biến số quy trình thay đổi nhanh chóng.
• Bộ truyền động có thể cung cấp lực đóng hoặc mở cao để vận hành van chống lại áp suất chênh lệch cao.
• Việc sử dụng bộ định vị van sẽ đảm bảo điều khiển chính xác, lặp lại được.
• Điều khiển khí nén thuần túy an toàn vốn có và bộ truyền động cung cấp vận hành mượt mà.
• Có thể sắp xếp để cung cấp vận hành mở khi lỗi hoặc đóng khi lỗi mà không cần thêm chi phí hoặc khó khăn. Nhược điểm:
• Hệ thống khí nén cần thiết có thể tốn kém để lắp đặt, nếu chưa có nguồn cung cấp sẵn có.
• Bảo trì thường xuyên hệ thống khí nén có thể được yêu cầu.
• Chế độ điều khiển cơ bản là bật/tắt hoặc tỷ lệ mặc dù tổ hợp P+I và P+I+D có sẵn, nhưng thường tốn kém hơn so với hệ thống điều khiển điện tử tương đương.
• Lắp đặt và đưa vào vận hành đơn giản và thuộc tính cơ khí.

Điều khiển điện

Ưu điểm:

• Định vị cực kỳ chính xác.
• Bộ điều khiển có sẵn để cung cấp tính linh hoạt cao với chế độ điều khiển bật-tắt hoặc tổ hợp P+I+D, và đầu ra đa chức năng. Nhược điểm:
• Van điện hoạt động tương đối chậm, có nghĩa là chúng không phải lúc nào cũng phù hợp với các tham số quy trình thay đổi nhanh như điều khiển áp suất trên tải thay đổi nhanh.
• Lắp đặt và đưa vào vận hành liên quan đến cả nghề điện và cơ khí và chi phí đi dây và lắp đặt nguồn điện riêng biệt phải được tính đến.
• Bộ truyền động điện có xu hướng kém mượt mà hơn so với bộ truyền động khí nén. Bộ truyền động lò xo cần thiết cho chức năng mở khi lỗi hoặc đóng khi lỗi: Điều này có thể giảm đáng kể lực đóng có sẵn và chúng thường tốn kém hơn.
• Điều khiển điện an toàn vốn có hoặc chống nổ cần thiết để sử dụng trong khu vực nguy hiểm; đây là đề xuất đắt tiền và, như vậy, giải pháp khí nén hoặc điện khí nén có thể được yêu cầu, như mô tả bên dưới. Kỹ thuật lắp đặt đặc biệt cần thiết cho các loại khu vực nguy hiểm này.

Điều khiển điện khí nén

Ưu điểm:

• Điều khiển điện khí nén có thể kết hợp các tính năng tốt nhất của điều khiển điện tử và khí nén. Các hệ thống như vậy có thể bao gồm van vận hành bằng khí nén, bộ điều khiển điện/điện tử, cảm biến và hệ thống điều khiển, cộng với bộ định vị hoặc bộ chuyển đổi điện khí nén. Sự kết hợp cung cấp lực và vận hành mượt mà của bộ truyền động/van khí nén với tốc độ và chính xác của hệ thống điều khiển điện tử. Vận hành mở khi lỗi hoặc đóng khi lỗi có thể được cung cấp mà không bị phạt chi phí và, bằng cách sử dụng rào cản phù hợp và/hoặc giới hạn phần điện/điện tử của hệ thống điều khiển vào các khu vực ‘an toàn’ (không nguy hiểm), chúng có thể được sử dụng ở những nơi yêu cầu an toàn vốn có. Nhược điểm:
• Nguồn cung cấp điện và khí nén được yêu cầu, mặc dù điều này thường không phải là vấn đề trong môi trường xử lý công nghiệp. Có ba yếu tố quan trọng cần tính đến khi xem xét ứng dụng và nguồn điện yêu cầu:
• Thay đổi tải.
• Giá trị đặt có quan trọng hay không quan trọng.
• Giá trị đặt có cần thay đổi không. Các sơ đồ trong Hình 5.4.1 và 5.4.2 giúp giải thích.

Nên lắp đặt loại điều khiển nào?

Các ứng dụng khác nhau có thể yêu cầu các loại hệ thống điều khiển khác nhau. Điều khiển tự tác động và khí nén có thể được sử dụng nếu thay đổi tải tương đối chậm và nếu độ lệch có thể chấp nhận được, nếu không nên sử dụng điều khiển điện khí nén hoặc điện. Hình 5.4.3 cho thấy một số ứng dụng khác nhau và gợi ý về phương pháp điều khiển nào có thể chấp nhận được.

Các loại van và bộ truyền động

Loại bộ truyền động được xác định bởi nguồn động lực đã được chọn: tự tác động, điện, khí nén hoặc điện khí nén, cùng với độ chính xác điều khiển và tốc độ bộ truyền động yêu cầu. Về lựa chọn van, với hơi nước là môi chất lưu thông, lựa chọn bị giới hạn ở van hai cổng. Tuy nhiên, nếu môi chất là nước hoặc chất lỏng khác, có lựa chọn van hai cổng hoặc ba cổng. Tác động cơ bản của chúng đến động học hệ thống đường ống đã được thảo luận. Ứng dụng nước thường sẽ xác định liệu van ba cổng được sử dụng để trộn hoặc chuyển hướng dòng chảy chất lỏng. Nếu thay đổi áp suất hệ thống với van hai cổng có thể chấp nhận được, ưu điểm của chúng so với van ba cổng bao gồm chi phí thấp hơn, đơn giản và lắp đặt ít tốn kém hơn. Lựa chọn van hai cổng cũng có thể cho phép thay đổi áp suất hệ thống cố hữu được sử dụng để bật bơm tuần tự, hoặc giảm hoặc tăng tốc độ bơm của bơm tốc độ biến đổi theo yêu cầu tải. Khi chọn van thực tế, tất cả các yếu tố đã xem xét trước đó phải được tính đến bao gồm; vật liệu thân, giới hạn áp suất/nhiệt độ thân, kết nối yêu cầu và sử dụng phương pháp định cỡ chính xác. Cũng cần đảm bảo rằng lựa chọn tổ hợp van/bộ truyền động có thể hoạt động chống lại áp suất chênh lệch trải nghiệm ở tất cả các trạng thái tải. (Áp suất chênh lệch trong hệ thống hơi nước thường được coi là áp suất tuyệt đối hơi nước thượng lưu tối đại. Điều này cho phép khả năng hơi nước ở áp suất dưới khí quyển ở hạ lưu van).

Bộ điều khiển

An toàn luôn có tầm quan trọng lớn. Trong trường hợp mất điện, van nên an toàn ở vị trí mở hay đóng? Điều khiển là thuận tác (tín hiệu đầu ra bộ điều khiển tăng khi biến số đo tăng) hay đảo tác (tín hiệu đầu ra bộ điều khiển giảm khi biến số đo tăng)? Nếu ứng dụng chỉ yêu cầu điều khiển bật/tắt, bộ điều khiển có thể không cần thiết. Bộ truyền động hai vị trí có thể được vận hành từ thiết bị chuyển mạch như rơle hoặc bộ điều nhiệt. Ở nơi ứng dụng yêu cầu tính linh hoạt, khả năng đa chức năng của bộ điều khiển điện tử là cần thiết; có thể với điều khiển nhiệt độ và thời gian, đa vòng lặp, đa đầu vào/đầu ra. Sau khi xác định rằng bộ điều khiển là cần thiết, cần phải xác định hành động điều khiển nào là cần thiết, ví dụ bật/tắt, P, P I, hoặc P I D. Lựa chọn được thực hiện phụ thuộc vào động học quy trình và các loại phản ứng đã xem xét trước đó, cộng với độ chính xác điều khiển yêu cầu. Trước khi đi xa hơn, hữu ích khi định nghĩa ‘điều khiển tốt’ có nghĩa là gì. Không có câu trả lời đơn giản cho câu hỏi này. Xem xét các phản ứng khác nhau đối với thay đổi tải như thể hiện trong Hình 5.4.4.

Điều khiển tự tác động thường phù hợp với các ứng dụng mà có dung tích nhiệt ‘phía thứ cấp’ rất lớn so với dung tích ‘phía sơ cấp’.

Xem xét bộ tích nước nóng như thể hiện trong Hình 5.4.5 nơi thể tích lớn nước tích trữ được đun nóng bằng cuộn hơi.

Khi nước trong bình lạnh, van sẽ mở rộng, cho phép hơi nước đi vào cuộn, cho đến khi nước tích trữ được đun nóng đến nhiệt độ mong muốn. Khi nước nóng được lấy từ bình, nước lạnh đi vào bình để thay thế sẽ giảm nhiệt độ nước trong bình. Điều khiển tự tác động sẽ có băng thông tỷ lệ tương đối lớn và ngay khi nhiệt độ giảm, van sẽ bắt đầu mở. Nước càng lạnh, van hơi càng mở.

Hình 5.4.6 cho thấy bộ trao đổi nhiệt dạng tấm không tích trữ với ít dung tích nhiệt trên cả phía sơ cấp và thứ cấp, và với thời gian phản ứng nhanh. Nếu tải thay đổi nhanh chóng, có thể hệ thống điều khiển tự tác động không thể hoạt động thành công. Giải pháp tốt hơn sẽ là sử dụng hệ thống điều khiển sẽ phản ứng nhanh với thay đổi tải, và cung cấp độ chính xác đồng thời.