Bộ điều khiển và cảm biến

Bộ điều khiển và cảm biến là những phần quan trọng của hệ thống điều khiển; nếu không có thông tin từ cảm biến, bộ điều khiển không thể đưa ra quyết định và chỉ thị van di chuyển. Hướng dẫn này thảo luận ngắn gọn các loại bộ điều khiển và cảm biến khác nhau có sẵn và cách chúng hoạt động. Giải thích ngắn gọn về tín hiệu điều khiển kỹ thuật số và tương tự cũng được cung cấp.

Bộ điều khiển Điều quan trọng là tuyên bố ngay từ đầu rằng không phải tất cả ứng dụng điều khiển đều cần bộ điều khiển tinh vi.

Van và bộ truyền động bật/tắt, ví dụ, có thể được vận hành trực tiếp từ bộ điều nhiệt. Một ví dụ khác là vận hành các điều khiển an toàn giới hạn trên, có hành động ‘bật’ để đóng van hoặc tắt nguồn cung nhiên liệu.

Tuy nhiên, khi yêu cầu điều khiển trở nên tinh vi hơn, bộ điều khiển được cần để phù hợp với những yêu cầu này.

Bộ điều khiển nhận tín hiệu, quyết định hành động cần thiết và sau đó gửi tín hiệu cho bộ truyền động để di chuyển.

Trong thời đại chip vi mạch, mạch tích hợp và máy tính, các chức năng được thực hiện bởi bộ điều khiển có thể rất phức tạp.

Tuy nhiên, vì phép loại suy giữa não người và bộ điều khiển/máy tính đã được thực hiện trong các Mô-đun trước, phương châm nổi tiếng của IBM có thể được diễn giải lại:

Máy tính - Nhanh, chính xác và ngu ngốc

Con người - Chậm, lười biếng và tài giỏi

Tóm lại, bộ điều khiển sẽ không giải quyết tất cả vấn đề. Nó phải được chọn đúng và khởi chạy, những chủ đề sẽ được đề cập sau.

Mặc dù hầu hết bộ điều khiển hiện nay dựa trên vi xử lý điện tử kỹ thuật số, một loạt bộ điều khiển khí nén có sẵn trên thị trường. Chúng có thể được sử dụng ở khu vực nguy hiểm mà nguy cơ nổ loại trừ sử dụng điện/tử. Có thể làm thiết bị điện ‘an toàn vốn có’ hoặc chống nổ hoặc chống cháy, tuy nhiên, thường có chi phí đáng kể.

Như đã đề cập trước đó, các chức năng được thực hiện bởi bộ điều khiển có thể rất phức tạp và nằm ngoài phạm vi của ấn phẩm này để liệt kê chi tiết, hoặc giải thích cách chúng hoạt động.

Các biến thể chính cần xem xét như sau:

Bộ điều khiển vòng đơn

Vận hành một van/bộ truyền động từ một cảm biến duy nhất.

Bộ điều khiển đa vòng

Có thể vận hành nhiều van/bộ truyền động từ nhiều cảm biến.

Đầu vào/ra đơn

Chỉ chấp nhận một tín hiệu từ cảm biến và chỉ gửi một tín hiệu cho bộ truyền động.

Đa đầu vào/ra (đa kênh)

Có thể chấp nhận nhiều tín hiệu và gửi ra nhiều tín hiệu.

Thời gian thực

Có thể bao gồm đồng hồ thời gian để chuyển đổi tại thời điểm xác định trước, cài đặt trước.

Thời gian trôi qua

Có thể chuyển đổi tại thời gian xác định trước, cài đặt trước trước hoặc sau khi các thiết bị khác đã được bật hoặc tắt.

Dốc và giữ

Sử dụng nhiệt độ làm ví dụ, khả năng tăng nhiệt độ của chất lỏng được kiểm soát trong khoảng thời gian xác định và sau đó giữ ở giá trị cài đặt trước. Các bộ điều khiển như vậy thường kết hợp một loạt dốc và giữ.

Hình 6.7.1, cho thấy bộ điều khiển vòng đơn điện tử điển hình. Có hành động P + I + D (thảo luận trong Mô-đun 5.2 và 5.4), phù hợp cho nguồn 110 hoặc 230 volt.

Hình 6.7.2 cho thấy bộ điều khiển vòng đơn khí nén với hành động P.

Các mô hình khác nhau có thể được chọn để điều khiển nhiệt độ hoặc áp suất.

Bộ điều khiển vòng đơn, có khả năng thực hiện chức năng dốc và giữ, có thể có mẫu chuỗi điển hình như thể hiện trong hình 6.7.3. Cho thấy một loạt dốc (thay đổi nhiệt độ) và giữ (duy trì nhiệt độ) chức năng, được thực hiện trong khoảng thời gian

Một thuật ngữ thường gặp trong tài liệu điều khiển là ‘Bộ điều khiển logic khả trình (PLC)’. Trong quy trình theo mẻ, bộ điều khiển phải kích hoạt chuỗi hành động, ví dụ, bật hoặc tắt van hoặc bơm. Trong một số trường hợp toàn bộ chuỗi dựa trên thời gian, nhưng thường các bước khác nhau có thể được kích hoạt bởi điều kiện cụ thể đạt được và duy trì trong thời gian nhất định; ví dụ nhiệt độ nhất định đạt được hoặc bình chứa đầy. Các chuỗi này có thể được kiểm soát bởi PLC, thiết bị dựa trên vi tính sử dụng giao diện tiêu chuẩn cho cảm biến và bộ truyền động để kiểm soát quy trình. Một loại bộ điều khiển phức tạp khác là bộ điều khiển phòng thiết bị, có thể được sử dụng để kiểm soát lò hơi, bơm, van điều khiển sưởi, van HWS, cũng như cung cấp nhiều tính năng khác. Cảm biến Trong Phần này chủ đề đo nhiệt độ sẽ được đề cập rộng hơn. Có nhiều loại cảm biến và bộ biến đổi có sẵn để đo áp suất, mức, độ ẩm và các tính chất vật lý khác. Cảm biến là phần của hệ thống điều khiển, trải nghiệm sự thay đổi trong biến số được kiểm soát. Cảm biến có thể là loại mà thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện áp hoặc có thể thay đổi điện trở.

Tín hiệu từ cảm biến có thể rất nhỏ, tạo nhu cầu xử lý tín hiệu cục bộ và khuếch đại để đọc hiệu quả. Thay đổi nhỏ trong điện trở được báo hiệu bởi cảm biến phản ứng với thay đổi nhiệt độ, có thể, ví dụ, được chuyển đổi sang điện áp hoặc dòng điện để truyền tiếp đến bộ điều khiển.

Bản thân hệ thống truyền dẫn là nguồn lỗi tiềm ẩn.

Đường dây gây ra điện trở điện (đo bằng ohm), cũng như bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện (tiếng ồn). Trong hệ thống khí nén tương đương, cũng có thể có rò rỉ nhỏ trong hệ thống đường ống.

Thuật ngữ ‘bộ điều nhiệt’ thường được sử dụng để mô tả cảm biến nhiệt độ với chuyển đổi bật/tắt.

‘Bộ biến đổi’ là thuật ngữ phổ biến khác, và đề cập đến thiết bị chuyển đổi một đặc tính vật lý thành đặc tính khác; ví dụ, nhiệt độ thành điện áp (milivolt).

Ví dụ về bộ biến đổi là thiết bị chuyển đổi thay đổi nhiệt độ sang thay đổi điện trở.

Với thiết bị khí nén, từ ‘bộ phát’ thường được gặp. Nó chỉ là mô tả khác của bộ biến đổi hoặc cảm biến, nhưng thường với một số xử lý tín hiệu bổ sung.

Tuy nhiên, thiết bị đo thực tế thường được gọi là cảm biến, và các loại phổ biến hơn sẽ được phác thảo trong Phần sau.

Cảm biến hệ thống chứa đầy Với bộ điều khiển khí nén, cảm biến hệ thống chứa đầy được sử dụng. Hình 6.7.4 minh họa nguyên lý của hệ thống như vậy.

Một thuật ngữ thường gặp trong tài liệu điều khiển là ‘Bộ điều khiển logic khả trình (PLC)’. Trong quy trình theo mẻ, bộ điều khiển phải kích hoạt chuỗi hành động, ví dụ, bật hoặc tắt van hoặc bơm. Trong một số trường hợp toàn bộ chuỗi dựa trên thời gian, nhưng thường các bước khác nhau có thể được kích hoạt bởi điều kiện cụ thể đạt được và duy trì trong thời gian nhất định; ví dụ nhiệt độ nhất định đạt được hoặc bình chứa đầy. Các chuỗi này có thể được kiểm soát bởi PLC, thiết bị dựa trên vi tính sử dụng giao diện tiêu chuẩn cho cảm biến và bộ truyền động để kiểm soát quy trình.

Một loại bộ điều khiển phức tạp khác là bộ điều khiển phòng thiết bị, có thể được sử dụng để kiểm soát lò hơi, bơm, van điều khiển sưởi, van HWS, cũng như cung cấp nhiều tính năng khác.

Khi nhiệt độ thay đổi, chất lỏng giãn nở hoặc co lại, khiến ống Bourdon có xu hướng thẳng ra. Đôi khi bầu co giãn được sử dụng thay ống Bourdon.

Trước đây, chất lỏng thường là thủy ngân. Khi nóng, nó giãn nở, khiến ống Bourdon duỗi ra; làm mát khiến co lại và buộc ống Bourdon cuộn chặt hơn. Chuyển động cuộn này được sử dụng để vận hành đòn bẩy trong bộ điều khiển khí nén cho phép nó thực hiện nhiệm vụ. Phiên bản cảm nhận áp suất sẽ đơn giản sử dụng ống áp suất kết nối với ống Bourdon. Lưu ý: vì lý do sức khỏe và an toàn, thủy ngân hiện được sử dụng ít hơn. Thay vào đó, khí trơ như nitơ thường được sử dụng.

Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD)

RTD (hình 6.7.5) sử dụng thực tế rằng điện trở của một số kim loại thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Chúng hoạt động như bộ biến đổi điện, chuyển đổi thay đổi nhiệt độ sang thay đổi điện trở. Bạch kim, đồng và niken là ba kim loại đáp ứng yêu cầu RTD và hình 6.7.6 cho thấy mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ điện trở được chỉ định theo điện trở ở 0°C và sự thay đổi điện trở từ 0°C đến 100°C. RTD được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng điển hình trong các Mô-đun này là RTD bạch kim. Chúng được chế tạo với điện trở 100 ohm ở 0°C và thường được gọi là cảm biến Pt100. Chúng có thể được sử dụng trong dải nhiệt độ -200°C đến +800°C với độ chính xác cao (±0,5%) giữa 0°C và 100°C. Như thể hiện trong hình 6.7.6, tăng điện trở theo nhiệt độ gần như tuyến tính. Pt100 có thay đổi điện tương đối nhỏ, yêu cầu đo lường cẩn thận. Điện trở trong cáp kết nối cần được bù trừ đúng cách.

Nhiệt điện trở Nhiệt điện sử dụng vật liệu bán dẫn, có thay đổi điện trở lớn với nhiệt độ tăng, nhưng không tuyến tính. Điện trở giảm phản ứng với nhiệt độ tăng (nhiệt điện hệ số âm), như thể hiện trong hình 6.7.7. Nhiệt điện hệ số dương có thể được sản xuất trong đó điện trở tăng với nhiệt độ tăng (hình 6.7.8) nhưng đường cong phản hồi làm cho chúng thường không phù hợp cho cảm biến nhiệt độ. Nhiệt điện ít phức tạp và rẻ hơn RTD nhưng không có cùng độ chính xác cao và khả năng lặp lại. Điện trở cao của chúng có nghĩa là điện trở cáp kết nối ít quan trọng hơn. Cặp nhiệt điện Nếu hai kim loại khác nhau được nối tại hai điểm và nhiệt được áp dụng vào một mối nối (như thể hiện trong hình 6.7.9), dòng điện sẽ chảy quanh mạch. Cặp nhiệt điện tạo ra điện áp tương ứng với sự khác biệt nhiệt độ giữa mối nối đo (nóng) và mối nối tham chiếu (lạnh). Nhiệt độ mối nối tham chiếu lạnh phải được biết chính xác nếu cặp nhiệt điện tự nó cung cấp cảm biến chính xác. Truyền thống, mối nối lạnh được ngâm trong đá tan (0°C), nhưng nhiệt độ mối nối lạnh hiện được đo bằng nhiệt điện hoặc RTD và, từ đó, nhiệt độ hiển thị, thường tại mối nối đo, được hiệu chỉnh. Điều này được gọi là bù mối nối lạnh.

Bất kỳ cặp kim loại khác nhau nào đều có thể được sử dụng để làm cặp nhiệt điện. Nhưng qua nhiều năm, một số loại tiêu chuẩn đã phát triển có mối quan hệ điện áp và nhiệt độ được ghi chép. Các loại tiêu chuẩn được tham chiếu bằng chữ cái, tức là, Loại J, K, T và những loại khác. Cặp nhiệt điện đa dụng được sử dụng rộng rãi nhất là Loại K. Các kim loại khác nhau sử dụng trong loại này là Chrome (90% niken, 10% crom) và Alumel (94% niken, 3% mangan, 2% nhôm và 1% silic) và có thể được sử dụng trong dải 0°C đến 1 260°C. Hình 6.7.10 minh họa độ nhạy của cặp nhiệt điện Loại K, và có thể thấy điện áp đầu ra tuyến tính qua toàn bộ dải. Dây đuôi mở rộng được sử dụng để kết nối mối nối đo với mối nối tham chiếu trong vỏ thiết bị. Những dây đuôi mở rộng này có thể cùng vật liệu với dây trong bản thân cặp nhiệt điện, hoặc có thể là cáp bù bằng đồng và hợp kim đồng-niken. Cả hai dây đuôi mở rộng phải cùng vật liệu. Cặp nhiệt điện có sẵn trong nhiều kích thước và hình dạng. Chúng rẻ và chắc chắn và chính xác hợp lý, với dải nhiệt độ rộng. Tuy nhiên, nhiệt độ mối nối tham chiếu phải được giữ ở giá trị không đổi nếu không độ lệch phải được bù trừ. Điện áp mối nối thấp có nghĩa là cáp che chắn đặc biệt và lắp đặt cẩn thận phải được sử dụng để ngăn nhiễu điện hoặc ‘tiếng ồn’ làm sai lệch tín hiệu.

Ví dụ 6.7.1 Hình dung hai người, người A và người B, mỗi người trên đỉnh đồi đối diện và mỗi người có cờ và cột cờ. Mục tiêu là người A giao tiếp với người B bằng cách nâng cờ lên độ cao nhất định. Người A nâng cờ lên giữa cột cờ. Người B thấy điều này và cũng nâng cờ lên giữa. Khi người A di chuyển cờ lên hoặc xuống thì người B cũng làm theo. Điều này tương tự hệ thống tương tự.

Ví dụ 6.7.2 Bây giờ giả sử người A không có cột mà có hai bảng, một có số ‘0’ và kia có số ‘1’, và lại muốn người B nâng cờ lên giữa, tức là độ cao 50% cột cờ. Số nhị phân cho 50 là 110010, vì vậy anh hiển thị bảng, hai bảng mỗi lần, theo thứ tự tương ứng. Người B đọc những bảng này, dịch chúng có nghĩa là 50 và nâng cờ chính xác giữa. Điều này tương tự hệ thống kỹ thuật số.

Có thể thấy hệ thống kỹ thuật số chính xác hơn vì thông tin要么 là ‘1’ hoặc ‘0’ và vị trí có thể được xác định chính xác. Ví dụ tương tự không chính xác vì người B không thể xác định liệu cờ của người A có ở chính xác 50% không. Nó có thể ở 49% hoặc 51%. Vì lý do này, cùng với tích hợp cao hơn của mạch vi xử lý, tín hiệu kỹ thuật số ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn.

Địa chỉ kỹ thuật số Địa chỉ kỹ thuật số cho phép bộ điều khiển gửi thông tin qua một bộ dây mà trên đó nhiều bộ thu được kết nối và vẫn có thể giao tiếp với chỉ một trong những bộ thu đó nếu cần. Điều này được thực hiện bằng cách gán địa chỉ cho mỗi bộ thu, mà bộ điều khiển phải phát trước.

Để giải thích điều này, xem xét ví dụ kỹ thuật số ở trên nhưng bây giờ giả sử có người khác, người C trên đỉnh đồi thứ ba. Người B và người C đều có thể thấy người A, vì vậy người A phải chỉ ra trước anh giao tiếp với ai.

Điều này được thực hiện với bảng đầu tiên. Nếu bảng đầu tiên là ‘0’ thì tất cả dữ liệu sau intended cho người B điều chỉnh cờ tương ứng. Ngược lại, nếu bảng đầu tiên là ‘1’ thì tất cả dữ liệu sau intended cho người C. Do đó người B có địa chỉ kỹ thuật số ‘0’ và người C có địa chỉ kỹ thuật số ‘1’; mỗi người biết rằng số đầu tiên được họ thấy đề cập đến địa chỉ không phải thông điệp. HART®, PROFIBUS® và Foundation™ Fieldbus.

PROFIBUS® là gì? PROFIBUS® là tiêu chuẩn fieldbus mở cho nhiều ứng dụng trong sản xuất và tự động hóa quy trình độc lập với nhà sản xuất. Sự độc lập và minh bạch của nhà sản xuất được đảm bảo bởi tiêu chuẩn quốc tế EN 50170, EN 50254 và IEC 61158.

Nó cho phép giao tiếp giữa các thiết bị của nhà sản xuất khác nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt. PROFIBUS® có thể được sử dụng cho cả ứng dụng thời gian thực tốc độ cao và nhiệm vụ giao tiếp phức tạp. PROFIBUS® cung cấp giao thức truyền thông chức năng phân cấp DP và FMS. Tùy thuộc vào ứng dụng, công nghệ truyền RS-485, IEC 1158-2 hoặc cáp quang có thể được sử dụng.

Nó xác định đặc tính kỹ thuật của hệ thống Fieldbus® nối tiếp mà với đó các bộ điều khiển kỹ thuật số khả trình phân tán có thể được kết nối mạng, từ cấp trường đến cấp ô. PROFIBUS® là hệ thống đa chủ và do đó cho phép vận hành liên kết của nhiều hệ thống tự động hóa, kỹ thuật hóa hoặc trực quan hóa với thiết bị ngoại vi phân tán trên một bus.

Tại cấp cảm biến/bộ truyền động, tín hiệu của cảm biến nhị phân và bộ truyền động được truyền qua bus cảm biến/bộ truyền động. Dữ liệu được truyền hoàn toàn theo chu kỳ.

Tại cấp trường, thiết bị ngoại vi phân tán, như mô-đun I/O, bộ biến đổi đo, đơn vị ổ đĩa, van và thiết bị đầu cuối vận hành viên giao tiếp với hệ thống tự động hóa qua hệ thống truyền thông thời gian thực hiệu quả. Giống như dữ liệu, cảnh báo, tham số và dữ liệu chẩn đoán cũng có thể được truyền theo chu kỳ nếu cần.

Tại cấp ô, bộ điều khiển khả trình như PLC và IPC có thể giao tiếp với nhau. Dòng thông tin yêu cầu gói dữ liệu lớn và nhiều chức năng truyền thông mạnh mẽ, như tích hợp mượt mà vào hệ thống truyền thông toàn công ty, như Intranet và Internet qua TCP/IP và Ethernet.

Foundation™ Fieldbus là gì? Foundation™ Fieldbus là hệ thống truyền thông kỹ thuật số nối tiếp hai chiều, phục vụ như Mạng cục bộ (LAN) cho thiết bị kiểm soát và điều khiển nhà máy/môi trường. Môi trường Fieldbus® là nhóm cơ sở của mạng kỹ thuật số trong hệ thống phân cấp mạng nhà máy. Foundation™ Fieldbus được sử dụng trong cả ứng dụng tự động hóa quy trình và sản xuất và có khả năng tích hợp phân phối ứng dụng điều khiển qua mạng.

Không giống giao thức mạng độc quyền, Foundation™ Fieldbus không thuộc sở hữu của công ty cá nhân nào, cũng không được điều chỉnh bởi quốc gia hoặc cơ quan tiêu chuẩn đơn lẻ. Foundation™ Fieldbus, tổ chức phi lợi nhuận bao gồm hơn 100 nhà cung cấp và người dùng cuối hàng đầu thế giới về kiểm soát và điều khiển, kiểm soát công nghệ.

Trong khi Foundation™ Fieldbus giữ nhiều tính năng mong muốn của hệ thống tương tự 4-20 mA, như giao diện vật lý tiêu chuẩn cho dây, thiết bị cấp nguồn bus trên dây đơn, và tùy chọn an toàn vốn có, nó cũng cung cấp nhiều lợi ích khác.

Tương tác thiết bị Foundation™ Fieldbus cung cấp tương tác; thiết bị Fieldbus® có thể được thay thế bởi thiết bị tương tự với chức năng bổ sung từ nhà cung cấp khác trên mạng Fieldbus® trong khi duy trì hoạt động đã chỉ định. Điều này cho phép người dùng ‘kết hợp và lựa chọn’ thiết bị trường và hệ thống chủ từ các nhà cung cấp khác nhau. Thiết bị Fieldbus® cá nhân cũng có thể truyền và nhận thông tin đa biến, và giao tiếp trực tiếp với nhau qua Fieldbus® chung, cho phép thiết bị mới được thêm vào Fieldbus® mà không gián đoạn dịch vụ.

Dữ liệu quy trình nâng cao Với Foundation™ Fieldbus, nhiều biến từ mỗi thiết bị có thể được đưa vào hệ thống điều khiển nhà máy để phân tích xu hướng, tối ưu hóa quy trình và tạo báo cáo. Truy cập dữ liệu chính xác, độ phân giải cao cho phép quy trình được tinh chỉnh cho năng suất tốt hơn, ít thời gian chết hơn và hiệu suất nhà máy cao hơn.

Tổng quan quy trình Thiết bị Fieldbus® hiện đại, với khả năng truyền thông dựa trên vi xử lý mạnh mẽ, cho phép lỗi quy trình được nhận ra nhanh hơn và chắc chắn hơn. Kết quả là, vận hành viên nhà máy được thông báo về điều kiện bất thường hoặc nhu cầu bảo trì dự phòng, cho phép nhân viên xem xét quyết định chủ động. Hiệu suất vận hành thấp hơn được sửa nhanh hơn, cho phép sản xuất tăng trong khi chi phí nguyên liệu thô và vấn đề quy định giảm.

Cải thiện an toàn trong nhà máy Công nghệ Fieldbus giúp nhà máy sản xuất theo kịp yêu cầu an toàn nghiêm ngặt. Nó có thể cung cấp cho vận hành viên cảnh báo sớm hơn về điều kiện nguy hiểm tiềm ẩn, do đó cho phép hành động khắc phục được thực hiện để giảm thời gian ngừng không mong muốn. Khả năng chẩn đoán nhà máy nâng cao cũng cung cấp truy cập ít thường xuyên hơn vào khu vực nguy hiểm, do đó giảm thiểu rủi ro cho nhân viên.

Bảo trì dự đoán dễ dàng hơn Khả năng chẩn đoán thiết bị nâng cao làm cho việc giám sát và theo dõi điều kiện bất thường như mòn van và bám bẩn bộ phát trở nên khả thi. Nhân viên nhà máy có thể thực hiện bảo trì dự đoán mà không chờ đợi ngừng hoạt động theo lịch trình, do đó giảm hoặc thậm chí tránh thời gian chết.

Giảm chi phí đi dây và bảo trì Sử dụng đi dây hiện có và kết nối đa điểm cung cấp tiết kiệm đáng kể trong chi phí lắp đặt mạng. Điều này bao gồm giảm rào chắn an toàn vốn có và chi phí cáp, đặc biệt ở khu vực đi dây đã có sẵn.

Tiết kiệm chi phí bổ sung có thể đạt được thông qua thời gian xây dựng và khởi động giảm, cũng như lập trình đơn giản hóa chức năng điều khiển và logic sử dụng khối điều khiển phần mềm tích hợp trong thiết bị Fieldbus®.

Để xem các mẫu bộ điều khiển và bộ định vị cụ thể của Spirax Sarco, hãy xem bộ điều khiển SX80, bộ định vị SP400, bộ định vị thông minh SP500, bộ định vị điện-khí nén EP5 và bộ định vị điện-khí nén EP500.