Ứng dụng điều khiển mức

Một loạt các hệ thống và phương pháp điều khiển mức được sử dụng trong công nghiệp. Hệ thống có thể dựa trên việc sử dụng phao, đầu dò hoặc công nghệ tinh vi hơn. Hướng dẫn này nghiên cứu việc sử dụng đầu dò để cung cấp điều khiển bật/tắt điều chỉnh được và không điều chỉnh được, và điều khiển điều biến của chất lỏng. Các ứng dụng điều khiển dòng chảy đơn giản cũng được xem xét.

Việc điều khiển mức chất lỏng, ví dụ trong bể quy trình, là một chức năng quan trọng. Một ví dụ là bể nước nóng nơi nước được lấy ra, có thể để rửa, và mức cần được khôi phục sẵn sàng cho chu kỳ rửa tiếp theo. Điều khiển mức nước và báo động cho lò hơi được loại trừ cụ thể khỏi Module này, và người đọc được giới thiệu đến Khối 3 (Nhà lò hơi), giải quyết chủ đề này một cách sâu sắc. Nhiều loại hệ thống điều khiển mức khác nhau được sử dụng trong công nghiệp, bao gồm nhiều quy trình khác nhau. Một số quy trình sẽ liên quan đến các chất trung gian ngoài chất lỏng, như bột khô và nguyên liệu hóa học. Phạm vi chất trung gian rộng đến mức không có thiết bị đơn lẻ nào phù hợp cho tất cả các ứng dụng. Nhiều hệ thống có sẵn để phục vụ phạm vi ứng dụng rộng này. Danh sách sau không đầy đủ nhưng, trong hầu hết các trường hợp, tín hiệu điều khiển cuối cùng sẽ được sử dụng để vận hành máy bơm hoặc van phù hợp với ứng dụng.Loại vận hành bằng phao - phao nổi lên và hạ xuống theo sự thay đổi mức chất lỏng và vận hành công tắc tại các điểm được xác định trước trong phạm vi.Loại đầu dò rắn - chúng đo độ dẫn điện hoặc điện dung và được thảo luận chi tiết hơn trong các trang sau.Loại điện dung cáp thép - một sợi cáp thép linh hoạt được treo trong chất lỏng, và sự thay đổi điện dung được đo tương ứng với sự thay đổi mức nước.Loại siêu âm - một xung âm thanh tần số cao được hướng xuống từ bộ chuyển đổi đến bề mặt chất trung gian đang được đo và, bằng cách biết nhiệt độ và tốc độ âm thanh trong không khí, thời gian để xung dội lại cảm biến được sử dụng để xác định mức.Loại radar vi sóng - tương tự về nguyên lý với loại siêu âm nhưng sử dụng năng lượng điện từ tần số cao thay vì năng lượng âm thanh.Loại thủy tĩnh - bộ truyền áp suất được sử dụng để đo hiệu áp suất giữa áp suất thủy tĩnh bị giới hạn của cột chất lỏng phía trên cảm biến và áp suất khí quyển bên ngoài. Thay đổi áp suất được chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra 4-20 mA tương ứng với hiệu cột.Loại hiệu áp suất - tương tự như loại thủy tĩnh nhưng được sử dụng khi ứng dụng đang đo chịu áp suất động ngoài áp suất tĩnh. Chúng có khả năng đo thay đổi nhỏ về áp suất liên quan đến dải tín hiệu đầu ra. Các ứng dụng điển hình có thể là đo mức nước trong trống hơi lò hơi, hoặc mức ngưng tụ trong túi ngưng tụ của bộ hơi hóa lại.Loại từ - phao hoặc hình nón có thể di chuyển lên xuống dọc theo đầu dò thép không gỉ đặt trong chất lỏng bể đang được đo. Phao có thể tương tác từ tính với các công tắc bên ngoài bể gửi thông tin trở lại bộ điều khiển.Loại xoắn - trục phao di động tạo ra sự thay đổi xoắn, được đo bởi bộ chuyển đổi xoắn.Điều quan trọng là hệ thống điều khiển mức phải đúng cho ứng dụng, và phải tìm kiếm lời khuyên chuyên môn từ nhà sản xuất trước khi chọn.Nó không nằm trong phạm vi của Module này để thảo luận về ưu và nhược điểm và các ứng dụng tiềm năng của tất cả các loại điều khiển trên, vì các loại hệ thống điều khiển mức thường được sử dụng trong vòng hơi và ngưng tụ và các ứng dụng liên quan là loại phao và đầu dò rắn. Hoạt động của loại phao khá tự giải thích, nhưng đầu dò độ dẫn và điện dung có thể cần một số giải thích. Do đó, phần này sẽ chủ yếu tập trung vào điều khiển mức loại đầu dò độ dẫn và điện dung.

Phương pháp đạt được điều khiển mức

Có ba phương pháp chính để đạt được điều khiển mức:

• Điều khiển mức bật/tắt không điều chỉnh được.
• Điều khiển mức bật/tắt điều chỉnh được.
• Điều khiển mức điều biến. Điều khiển mức bật/tắt không điều chỉnh được (Hình 8.3.1) Phần tử điều khiển cuối cùng có thể là máy bơm được bật/tắt hoặc van được mở/đóng. Hai loại chính của hệ thống điều khiển mức bật/tắt thường gặp; loại vận hành bằng phao và loại sử dụng đầu dò độ dẫn. Loại điều khiển mức phao dựa vào chuyển động trực tiếp của van điều khiển, hoặc dựa vào công tắc điện được vận hành bởi phao di chuyển trên bề mặt chất lỏng. Đầu dò độ dẫn (xem Hình 8.3.1) có thể có nhiều đầu mút; các điểm điều khiển được đặt tại các vị trí mà các đầu mút riêng biệt đã được cắt ở các độ dài khác nhau. Điều khiển mức bật/tắt điều chỉnh được (Hình 8.3.2) Một lần nữa, phần tử điều khiển cuối cùng có thể là máy bơm được bật/tắt hoặc van được mở/đóng. Một phương pháp được sử dụng để điều chỉnh các điểm điều khiển là đầu dò điện dung (xem Hình 8.3.2). Đầu dò sẽ giám sát mức, với các điểm điều khiển được điều chỉnh bởi bộ điều khiển. Đầu dò điện dung không được cắt theo chiều dài để đạt mức yêu cầu và tất nhiên, toàn bộ chiều dài đầu dò phải đủ cho toàn bộ phạm vi điều khiển. Điều khiển mức điều biến (Hình 8.3.2) Phần tử điều khiển cuối cùng có thể là van được điều chỉnh đến một điểm giữa hoàn toàn mở và hoàn toàn đóng, theo hàm của mức đang được giám sát. Điều khiển mức điều biến không thể đạt được bằng đầu dò độ dẫn. Đầu dò điện dung lý tưởng cho mục đích này (xem Hình 8.3.2). Trong các hệ thống loại này, máy bơm có thể chạy liên tục, và van sẽ cho phép lượng chất lỏng phù hợp đi qua. Hoặc, phần tử điều khiển cuối cùng có thể là bộ truyền động tốc độ biến đổi trên máy bơm. Tốc độ truyền động có thể được điều chỉnh trong phạm vi đã chọn. Báo động - thường được yêu cầu để cảnh báo về:
• Báo động cao khi có nguy cơ bể tràn và chất lỏng nóng bị tràn ra, với nguy hiểm kèm theo cho nhân viên.
• Báo động thấp khi có nguy cơ mức nước bể trở nên quá thấp, với khả năng hư hại máy bơm hút từ bể, hoặc hết chất lỏng cho quy trình. Lắp đặt phao và đầu dò trong điều kiện dòng chảy hỗn loạn Trong một số bể và bình, điều kiện dòng chảy hỗn loạn có thể tồn tại, có thể dẫn đến tín hiệu không ổn định và không đại diện. Nếu điều kiện như vậy có thể (hoặc đã) tồn tại, nên lắp phao hoặc đầu dò trong ống bảo vệ. Chúng có tác dụng giảm chấn đối với mức nước đang được cảm nhận. Phần còn lại của Module này tập trung vào đầu dò hơn là phao cho ứng dụng điều khiển mức.

Điều khiển mức bật/tắt không điều chỉnh được

Mô tả

Điều khiển mức bật/tắt không điều chỉnh được sử dụng đầu dò độ dẫn kết nối với bộ điều khiển điện tử. Đầu dò thường có ba hoặc bốn đầu mút, mỗi đầu mút được cắt theo chiều dài trong quá trình lắp đặt để đạt mức chuyển mạch hoặc báo động yêu cầu (xem Hình 8.3.3).

• Khi đầu mút của đầu dò được ngập trong chất lỏng, nó sử dụng độ dẫn điện tương đối cao của nước để hoàn thành mạch điện qua kim loại bể và bộ điều khiển.
• Khi mức nước giảm xuống dưới đầu mút, điện trở mạch tăng đáng kể, báo cho bộ điều khiển rằng đầu mút không được ngập trong chất lỏng.
• Trong trường hợp hệ thống bơm vào đơn giản với điều khiển mức bật/tắt:
• Van được mở khi mức nước bể giảm xuống dưới đầu mút.
• Van được đóng khi mức nước dâng lên tiếp xúc với đầu mút khác.
• Các đầu mút khác có thể được sử dụng để kích hoạt báo động thấp hoặc cao. Ưu điểm: Phương pháp điều khiển mức đơn giản nhưng chính xác và tương đối rẻ. Ứng dụng: Hệ thống có thể được sử dụng cho chất lỏng có độ dẫn điện 1 muS/cm hoặc hơn, và phù hợp cho bể ngưng tụ, bể nước cấp và bể hoặc bình quy trình. Khi độ dẫn điện giảm xuống dưới mức này, nên sử dụng điều khiển mức dựa trên điện dung. Lưu ý: Nếu bể được chế tạo từ vật liệu không dẫn điện, mạch điện có thể đạt được qua một đầu dò khác.

Điều khiển mức bật/tắt điều chỉnh được

Mô tả Hệ thống điều khiển mức bật/tắt điều chỉnh được bao gồm bộ điều khiển và đầu dò điện dung (xem Hình 8.3.4), và cung cấp:

• Điều khiển van mở/đóng cộng với một điểm báo động.
• Hoặc hai báo động - cao và thấp. Mức mà van hoạt động có thể được điều chỉnh thông qua các chức năng bộ điều khiển. Ưu điểm: Điều khiển mức bật/tắt điều chỉnh được cho phép cài đặt mức được thay đổi mà không cần dừng quy trình. Nhược điểm: Đắt hơn điều khiển bật/tắt không điều chỉnh được. Ứng dụng: Có thể được sử dụng cho hầu hết các chất lỏng, bao gồm cả những chất lỏng có độ dẫn điện thấp. Lưu ý: Có thể được sử dụng trong các tình huống mà bề mặt chất lỏng bị hỗn loạn, và điện tử tích hợp có thể được điều chỉnh để ngăn chặn chu kỳ bật/tắt nhanh của máy bơm (hoặc van).

Điều khiển mức điều biến

Mô tả Hệ thống điều khiển mức điều biến bao gồm đầu dò điện dung và bộ điều khiển phù hợp, cung cấp tín hiệu đầu ra điều biến, thường là 4-20 mA. Tham chiếu Hình 8.3.5. Tín hiệu đầu ra này có thể được sử dụng để tác động đến nhiều thiết bị bao gồm:

• Điều khiển điều biến van điều khiển.
• Vận hành bộ truyền động máy bơm tốc độ biến đổi. Ưu điểm:

1. Vì đầu dò và bộ điều khiển chỉ cung cấp tín hiệu mà các thiết bị khác phản hồi, thay vì cung cấp năng lượng để vận hành thiết bị, không có giới hạn về kích thước ứng dụng.
2. Điều khiển ổn định mức trong bể. Nhược điểm:
3. Đắt hơn hệ thống đầu dò độ dẫn.
4. Phức tạp hơn hệ thống đầu dò độ dẫn.
5. Hệ thống cấp phải được nạp liên tục.
6. Ít phù hợp cho hoạt động dự phòng.
7. Có thể tiêu thụ điện nhiều hơn. Lưu ý: Để bảo vệ máy bơm cấp khỏi quá nhiệt khi bơm chống lại van điều biến đóng, một đường tuần hoàn hoặc hồi lưu được cung cấp để đảm bảo lưu lượng tối thiểu qua máy bơm (không được thể hiện trong Hình 8.3.5).

Ứng dụng điều khiển dòng chảy hơi

Việc điều khiển dòng chảy hơi ít phổ biến hơn so với điều khiển áp suất và nhiệt độ, nhưng nó được sử dụng trong các ứng dụng mà việc điều khiển áp suất hoặc nhiệt độ không khả thi hoặc không phù hợp để đạt được mục tiêu quy trình. Các phần sau cung cấp thêm thông tin về đo lường và điều khiển dòng chảy hơi.

Hệ thống điều khiển dòng chảy

Các ứng dụng điển hình:

1. Hệ thống feed-forward trên nhà máy lò hơi, nơi tốc độ dòng chảy hơi từ lò hơi sẽ ảnh hưởng đến các điểm điều khiển khác, ví dụ: tốc độ bổ sung nước cấp, và tốc độ đốt đầu đốt.
2. Quy trình tái hydrat hóa, nơi một lượng hơi (nước) được đo được tiêm vào sản phẩm, đã được sấy khô để vận chuyển hoặc lưu trữ. Ví dụ về điều này có thể được tìm thấy trong các ngành thuốc lá, cà phê và thức ăn chăn nuôi.
3. Quy trình theo mẻ, nơi từ kinh nghiệm biết rằng một lượng hơi được đo sẽ tạo ra kết quả mong muốn trên sản phẩm. Việc lựa chọn và ứng dụng các thành phần được sử dụng để điều khiển lưu lượng cần được cân nhắc kỹ lưỡng. Đồng hồ lưu lượng (bộ truyền đổi đường ống) Đồng hồ lưu lượng là bộ truyền đổi đường ống, chuyển đổi lưu lượng thành tín hiệu có thể đo được. Bộ truyền đổi đường ống được sử dụng phổ biến nhất có thể liên quan lưu lượng đến hiệu áp suất. Tín hiệu áp suất này được nhận bởi một bộ truyền đổi khác (thường là bộ truyền hiệu áp suất DP tiêu chuẩn) chuyển đổi hiệu áp suất thành tín hiệu điện. Một số bộ truyền đổi đường ống có khả năng chuyển đổi lưu lượng trực tiếp thành tín hiệu điện mà không cần bộ truyền DP. Hình 8.3.6 cho thấy đồng hồ lưu lượng diện tích biến đổi và bộ truyền DP tiêu chuẩn liên hệ hiệu áp suất đo qua đồng hồ lưu lượng thành tín hiệu điện 4 - 20 mA. Bộ truyền DP tiêu chuẩn được hiệu chuẩn để hoạt động ở một áp suất thượng nguồn nhất định; nếu áp suất này thay đổi, tín hiệu đầu ra sẽ không đại diện chính xác cho lưu lượng. Một cách để khắc phục vấn đề này là cung cấp tín hiệu áp suất (hoặc nhiệt độ) nếu chất trung gian là hơi bão hòa, hoặc tín hiệu áp suất và nhiệt độ nếu chất lỏng là hơi quá nhiệt, như giải thích trong phần tiếp theo. Một cách khác là sử dụng bộ truyền DP lưu lượng khối, tự động bù trừ cho thay đổi áp suất.

Nhu cầu có thể cần máy tính

Nếu hơi là chất lỏng trong đường ống, thì các cảm biến nhiệt độ và/hoặc áp suất khác có thể cần thiết để cung cấp tín hiệu bù trừ cho sự thay đổi áp suất cấp, như thể hiện trong Hình 8.3.7.

Nhiều đầu vào sẽ có nghĩa là một máy tính dòng chảy (hoặc PLC) bổ sung chứa một bộ bảng hơi điện tử phải xử lý tín hiệu từ mỗi cảm biến dòng chảy, áp suất và nhiệt độ này để cho phép đo lường chính xác hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt. Nếu máy tính dòng chảy không sẵn có để bù trừ cho thay đổi áp suất thượng nguồn, có thể cung cấp áp suất không đổi; có thể bằng cách sử dụng van điều khiển thượng nguồn, để cung cấp điều khiển áp suất ổn định và chính xác (không được thể hiện trong Hình 8.3.7). Mục đích của van điều khiển áp suất này là cung cấp áp suất ổn định (thay vì giảm), nhưng nó sẽ tự nhiên tạo ra giảm áp suất cho đường ống cấp. Bộ tách đặt trước bất kỳ trạm đo lưu lượng hơi nào để bảo vệ đồng hồ lưu lượng khỏi hơi ướt cũng sẽ bảo vệ van điều khiển áp suất khỏi hiện tượng xói mòn do giảm áp. Sử dụng bộ truyền DP lưu lượng khối Bằng cách sử dụng bộ truyền DP lưu lượng khối thay vì bộ truyền DP tiêu chuẩn, nhu cầu máy tính để cung cấp đo lường chính xác là không cần thiết, như thể hiện trong Hình 8.3.8. Điều này là do bộ truyền lưu lượng khối mang theo bộ bảng hơi riêng và có thể bù trừ cho bất kỳ thay đổi nào trong áp suất cấp hơi bão hòa. Tuy nhiên, máy tính vẫn có thể được sử dụng, nếu cần các thông tin đo lưu lượng quan trọng khác, như thời gian tải tối đa hoặc tối thiểu, hoặc cần tích hợp lưu lượng trong một khoảng thời gian nhất định. Bộ điều khiển vẫn được yêu cầu nếu lưu lượng được điều khiển, bất kể hệ thống nào được sử dụng.

Bộ điều khiển Ngay cả khi tín hiệu đầu ra từ bộ truyền DP hoặc máy tính là loại mà bộ truyền động van điều khiển có thể chấp nhận, bộ điều khiển vẫn được yêu cầu (giống như bất kỳ loại hệ thống điều khiển nào khác) vì những lý do sau:

1. Tín hiệu đầu ra từ một số đồng hồ lưu lượng/máy tính có khoảng thời gian lặp lại dài (khoảng 3 giây), đủ thông tin cho máy ghi biểu đồ hoạt động thành công, nhưng có thể không cung cấp đủ phản hồi cho van điều khiển. Điều này có nghĩa là nếu bộ điều khiển hoặc PLC mà tín hiệu truyền được cung cấp hoạt động ở tốc độ cao hơn, thì quy trình có thể trở nên không ổn định.
2. Chức năng PID không có sẵn nếu không có bộ điều khiển.
3. Chọn điểm đặt sẽ không thể thực hiện được nếu không có bộ điều khiển.
4. Tín hiệu cần được hiệu chuẩn cho hành trình van - tác dụng của việc sử dụng van quá lớn hoặc quá nhỏ mà không hiệu chuẩn, có thể dễ dàng gây ra vấn đề.

Tóm tắt

Thường tốt hơn khi lắp thiết bị đo lưu lượng thượng nguồn của van điều khiển dòng chảy. Áp suất cao hơn sẽ giảm thiểu kích thước và cho phép hiệu quả chi phí hơn. Cũng có khả năng đồng hồ lưu lượng sẽ chịu áp suất hơi (và mật độ) không đổi hơn và ít bị ảnh hưởng bởi dòng chảy hỗn loạn từ van điều khiển dòng chảy hạ nguồn. Trong một số trường hợp, ứng dụng có thể yêu cầu điều khiển ở lưu lượng không đổi. Điều này có nghĩa là các tính năng, như tỷ lệ turndown cao, không quan trọng, và đồng hồ lưu lượng lỗ thủng phù hợp. Tuy nhiên, nếu lưu lượng được thay đổi với lượng lớn, thì turndown trở thành vấn đề phải được xem xét. Chủ đề Đo lưu lượng được thảo luận sâu hơn trong Khối 4.