Trong bài viết này mình sẽ chia sẻ về điều khiển PID là gì, bộ điều khiển nhiệt độ PID và cách sử dụng bộ điều khiển PID trong biến tần cũng như điều khiển PID trong PLC. Ứng dụng bộ điều khiển nhiệt độ nước nóng dùng PID điều khiển SSR bằng PNP / NPN hay 4-20mA.
Điều khiển PID là gì ?
Điều khiển PID là một quá trình điều khiển phức tạp để đạt được một giá trị điều chỉnh mong muốn như : nhiệt độ, áp suất, lưu lượng… Bộ điều khiển PID có thể tìm thấy độc lập như bộ điều khiển nhiệt độ PID. Phức tạp hơn chúng ta tìm thấy trong các cơ sở dữ liệu của PLC hoặc hệ thống scadar.
Bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ thông qua Solid state Relay SSR còn được gọi là relay bán dẩn hoặc điều khiển liên tục thông qua tín hiệu 4-20mA PID.
Như vậy, chúng ta đã hiểu cơ bản điều khiển PID là gì rồi đúng không ?
Thông số tương quan giữa PI – PD – PID Và Bộ điều khiển PID
Khi nhắc tới điều khiển tới PID chúng ta thường nghe tới các thuât ngữ như : tỉ lệ , tích phân, đạo hàm. Mỗi thông số này được sử dụng và điều chỉnh riêng cho từng mục đích điều khiển. chỉ cần thay đổi một thông số cũng tác động lớn tới quá trình điều khiển.
Nghe có vẻ nghiêm trọng và phức tạp ? Thật vậy, để hiểu rõ chúng ta cần hiểu rõ chức năng cũng như tầm quan trọng của từng thông số.
Chúng ta có 4 loại điều khiển :
- Bộ điều khiển tỉ lệ – Proportional Controller
- PI viết tắt của Proportional and Integral ( PI ) Controller được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân
- PD viết tắt của Proportional and Derivative (PD) Controller được gọi là bộ điều khiển đạo hàm
- PID viết tắt của Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm
Hệ thống bộ điều khiển nhiệt độ PID được thiết kế theo nguyên tắc :
- Thiết bị cài đặt ( PLC hoặc bộ điều khiển )
- Cơ cấu chấp hành ( thiết bị gia nhiệt hoặc van điều khiển )
- Thiết bị đo hồi tiếp ( thiết bị đo như cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất )
Một hệ thống điều khiển nhiệt độ PID bằng PLC với các thiết bị : PLC, cảm biến đo nhiệt độ và thiết bị gia nhiệt. Các hệ số PI – PD – PID được mô phỏng bằng các thuật toán điều khiển trong PLC giúp dể hình dung hơn về điều khiển nhiệt độ PID.
Cách thức hoạt động của bộ điều khiển PID
Khi chọn giá trị set point hay còn gọi là giá trị cài đặt ( SV ). Bộ điều khiển sẽ gửi đi các thông tin điều khiển tới các thiết bị cơ cấu chấp hành.
Quá trình điều khiển này sẽ là một loạt các thuật toán, yêu cầu đóng mở liên tục với thời gian nhanh hoặc chậm phụ thuộc vào hệ thống đang hoạt động.
Khi nhìn vào biểu đồ điều khiển nhiệt độ tại 200oC chúng ta thấy rằng mức ON – OFF sẽ liên tục được đóng – mở tại 198oC và 202oC để đảo bảo nhiệt độ luôn giữ tại 200oC theo cài đặt.
Điều Khiển Bằng Tay Và Bộ điều khiển PID
Để đánh giá được tầm quan trọng của việc sử dụng bộ điều khiển PID chúng ta cần so sánh điều khiển bằng tay và điều khiển tự động. Cùng xem cách điều khiển mức nước bằng cả hai cách truyền thống và PID.
Điều khiển mức nước bằng tay
Quá trình điều khiển mức nước bằng tay hay còn gọi là thủ công hay còn gọi là “chạy bằng cơm “có độ chính xác không cao mà còn là một quá trình buồn chán và tẻ nhạt. Để duy trì mức nước cố định trong tank khi vừa xả nước vào vừa mở van bên dưới tank ra, người công nhân phải dựa vào mắt để quan sát và điều chỉnh đóng – mở van sao cho mức nước trong tank luôn ổ một ngưỡng cho phép.
Ở đây người điều khiển van được gọi là cơ cấu chấp hành còn mắt được xem như là thiết bị đo mức nước. Nếu nước xả vào quá nhanh thì đồng nghĩa van phải mở lớn hơn để đảm bảo nước không bị tràn.
Việc này trở nên đơn giản nếu chúng ta sử dụng các hệ thống điều khiển PID để điều khiển mức nước.
Điều khiển mức nước bằng PID
Khi có đầy đủ các thiết bị điều khiển :
- Cảm biến đo mức nước 4-20mA
- Van điều khiển nước xả ra tín hiệu 4-20mA
- Bộ điều khiển nhận 4-20mA ngõ ra PID 4-20mA
Bộ điều khiển có thể chạy hoàn toàn tự động mà không cần can thiệp của con người. PV là giá trị thực tế mức nước đo được lấy từ cảm biến.
SV là giá trị cài đặt cần mong muốn. Khi SV khác với PV thì bộ điều khiển PID tự điều chỉnh và cho ra các thuật toán PID riêng của nó để duy trì mức nước trong tank một cách chính xác nhất.
Điều khiển PID trong biến tần
Biến tần được xem là một thiết bị phù thuỷ trong ngành điều khiển bởi chỉ cần có liên quan tới chuyển động, công suất thì biến tần gần như giải quyết được mọi bài toán khó.
Trong ví dụ này tank chứa dung dịch vừa cần trộn điều dung dịch vừa điều khiển được nhiệt độ tại 70oc.
Để làm được điều này cần có sự kết hợp của các thiết bị :
- Van điều khiển lưu lượng
- Cảm biến nhiệt độ
- Biến tần điều khiển PID cho động cơ
- Bộ điều khiển nhiệt độ PID cho van điều khiển
Việc tăng hay giảm nhiệt độ phụ thuộc rất nhiều vào lưu lượng dung dịch đi qua van điều khiển. Việc trộn dung dịch đều và nhanh hay chậm lại phụ thuộc rất nhiều vào hồi tiếp của biến tần.
Thông qua một cảm biến nhiệt độ chúng ta có thể điều khiển tốc độ của biến tần và lưu lượng nuớ đi qua van điều khiển để đảm bảo nhiệt độ và mức trôn đều dung dịch trong tank.
Bộ điều khiển PID trong PLC
Đối với các hệ thống lớn sử dụng PLC / DCS để điều khiển PID thì không cần dùng tới các bộ điều khiển PID riêng lẻ. Trong PLC có sẵn các hàm PID để điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng với kết quả chính xác như các bộ điều khiển PID độc lập.
Việc khó khan hơn của PLC chính là tự chọn các thông số để chạy thực nghiệm để cho ra một hệ số PID chính xác nhất. Trong khi các bộ điều khiển PID 4-20mA đều có chức năng Auto turning để có thể tự dò các hệ số này với độ chính xác tới 98%.
Chỉ cần chúng ta hiểu các thông số PI – PD – PID thì việc tăng hoặc giảm các giá trị tham số để có kết quả như mong muốn trở nên đơn giản.
Như ví dụ :
Van điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ PLC thông qua thiết bị hồi tiếp là đồng hồ đo lưu lượng. Khi cần lưu lượng đi qua van là 100m3/h thì chúng ta chỉ cần điều khiển trên màn hình HMI kết nối với PLC để truyền tín hiệu xuống van điều khiển.
Lưu lượng tăng hoặc giảm không phụ thuộc vào áp suất trong đường ống hay công suất của bơm nữa mà sẽ được điều khiển theo tín hiệu của đồng hồ đo lưu lượng truyền về.
Như vậy việc điều khiển lưu lượng trở nên chính xác hơn mà không phụ thuộc vào công suất bơm hay áp suất đường ống khi có sự rẽ nhánh của lưu lượng.
Bộ điều khiển nhiệt độ
Bộ điều khiển nhiệt độ được xem là đơn giản nhất là đóng – mở khi cài nhiệt độ ở một điểm nào đó. Cách điều khiển này thông qua các Relay Output của bộ điều khiển nhiệt độ và độ ẩm hay các bộ điều khiển nhiệt độ máy ấp trứng.
Khi cần một sự điều khiển chính xác hơn để đảm bảo nhiệt độ luôn giữ tại một điểm bất kỳ chúng ta cần tới các bộ điều khiển nhiệt độ PID. Các thông số sẽ được hiệu chỉnh thông qua thực nghiệm trước khi hệ thống chạy tự động hoàn toàn.
Chúng ta cùng tìm hiểu hai loại bộ điều khiển nhiệt độ đóng ngắt relay và PID nhé.
Bộ điều khiển nhiệt độ đóng ngắt relay
Đặc điểm của bộ điều khiển nhiệt độ đóng ngắt relay là chúng ta thấy có ký hiệu relay dạng NO / NC ngay trên thiết bị. Tín hiệu ngõ ra Relay sẽ được điều chỉnh chuyển trạng thái ON – OFF theo cài đặt. Tín hiệu ngõ ra relay thường dùng là 220V nên còn được gọi là bộ điều khiển nhiệt độ 220V.
Các bộ điều khiển nhiệt độ đều có thiết kế lắp đặt trong tủ điển với màn hình hướng ra ngoài. Việc kết nối tín hiệu nằm phía sau của bộ điều khiển.
Chúng ta thấy rằng Q1 và Q2 là hai tiếp điểm ngõ ra relay dùng để đóng ngắt nhiệt độ khi quá nhiệt. Nguồn 220V sẽ được kết nối vào chân số 4, tại thời điểm nhiệt độ cài đặt thấp hơn nhiệt độ đo được thì tiếp điểm 3 và 4 nối với nhau.
Ngược lại, khi nhiệt độ đạt tới điểm cài đặt thì tiếp điểm 4 với 5 đóng lại và 3 với 4 hở ra. Nguồn điện 220Vac đưa vào từ chân 4 sẽ thay đổi trạng thái từ chân 3 và 5 thông qua chân 4.
Như vậy, chỉ với một tiếp điểm ngõ ra dạng Relay 220Vac chúng ta có thể điều khiển đóng ngắt hệ thống gia nhiệt một cách đơn giản.
Bộ điều khiển nhiệt độ PID – SSR
Bộ điều khiển nhiệt độ PID – SSR được sử dụng thông qua solid state relay hay còn được gọi là relay bán dẩn. Thông qua các relay bán dẩn này chúng ta có thể gia nhiệt cho điện trở có công suất lớn.
Để thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ nước nóng chúng ta cần các thiết bị sau :
- Điện trở gia nhiệt
- Relay bán dẩn SSR
- Cảm biến nhiệt độ
- Bộ điều khiển nhiệt độ PID SSR ART144
Bộ điều khiển nhiệt độ PID cho SSR xuất tín hiệu dạng Digital Output NPN / PNP dùng cho SSR với dòng điện 12Vdc / 25mA. Thông qua SSR sẽ khuếch đại công suất thông qua nguồn điện 220Vac để gia nhiệt.
Tín hiệu nhiệt độ đưa vào bộ điều khiển nhiệt độ tạo thành vòng hồi tiếp để đảm bảo nhiệt độ được gia nhiệt nhanh nhưng không bị quá nhiệt & duy trì nhiệt độ.
Tương tự, với các bộ điều khiển nhiệt độ máy áp trứng chúng ta chỉ cần thay đổi điện trở gia nhiệt bẳng đèn sợi dây tốc hoặc các điện trở sấy để giữ ấm cho quá trình áp trứng.
Một trong những ứng dụng ít được mọi người quan tâm đó là dùng bộ điều khiển nhiệt độ kho lạnh để bảo quản thực phẩm. Bộ điều khiển sẽ luôn luôn giữ nhiệt độ âm tới 80-90oc cho các khu vực đông.
Bộ điều khiển PID – 4-20mA
Điều khiển PID không chỉ dùng cho nhiệt độ mà còn có thể dùng cho lưu lượng, áp suất và nhiều loại tín hiệu khác. Các bộ điều khiển PID 4-20mA thường nhận được tín hiệu 4-20mA và cho ra 4-20mA PID.
Tín hiệu 4-20mA là tín hiệu hồi tiếp từ các thiết bị đo. Còn tín hiệu 4-20mA xuất ra từ bộ điều khiển PID lại là một tín hiệu hoàn toàn khác so với tín hiệu 4-20mA đầu vào. Dù rằng chúng ta thấy cả hai tín hiệu đều là 4-20mA.
Điều khiển PID nhiệt độ cũng dùng tín hiệu 4-20mA khi chuyển đổi tín hiệu của cảm biến nhiệt độ thành tín hiệu 4-20mA trước khi vào bộ điều khiển. Điều khiển lò nhiệt dùng PID 4-20mA mang độ chính xác cao hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn khá nhiều so với dùng cảm biến nhiệt độ đưa trực tiếp vào bộ điều khiển PID.
Mua bộ điều khiển nhiệt độ ở đâu ?
Trên thị trường có rất nhiều nhà cung cấp về bộ điều khiển nhiệt độ PID như : hanyoung , autonics, omron, honeywell, fox, dixell, delta, carel, eliwell, Danfoss…
Khi bạn chọn một thương hiệu bạn cần phải suy nghĩ tới việc hổ trợ kỹ thuật của việc kết nối, cài đặt, hiệu chỉnh các thông số. Bởi điều khiển PID rất khó chứ không giống như các bộ hiển thị nhiệt độ.
Công ty Hưng Phát chuyên cung cấp các bộ điều khiển nhiệt độ PID của Pixsys mang tới sự yên tâm khi mua bộ điều khiển nhiệt độ PID khi cài đặt. Đội ngũ kỹ thuật sẽ hướng dẩn tận tình từng khách hàng khi cần sự hổ trợ.
