Bộ điều khiển nhiệt độ là công cụ được sử dụng để điều khiển thiết bị sưởi ấm. Chúng được sử dụng trong môi trường công nghiệp và trong nước để duy trì nhiệt độ cài đặt trong suốt thời gian với sự dao động tối thiểu. Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về Bộ điều khiển nhiệt độ PID, cách chúng hoạt động và cách sử dụng chúng.
Bộ điều khiển nhiệt độ PID là gì và nó hoạt động như thế nào?
Chúng ta hãy nói về bộ điều khiển nhiệt độ nói chung trước khi thảo luận về bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị có thể điều khiển các phần tử / cuộn dây làm nóng để cung cấp nhiệt độ cần thiết cho một quá trình. Đây có thể là các thiết bị điện tử hoặc cơ điện như bộ điều nhiệt. Chức năng cơ bản của chúng là bật bộ phận làm nóng khi nhiệt độ dưới mức tối thiểu và tắt chúng khi đạt đến nhiệt độ mong muốn.
Có ba loại bộ điều khiển nhiệt độ chính; vòng lặp on-off, tỷ lệ và PID loại bộ điều khiển. Loại PID là loại bộ điều khiển nhiệt độ cao cấp nhất trong số đó. Nó là bộ điều khiển phản hồi chính xác nhất và nhanh nhất.
Từ viết tắt 'PID' là viết tắt của điều khiển 'Tỷ lệ-Tích phân-Đạo hàm', là một phương pháp điều khiển vòng kín rất phổ biến và hiệu quả được sử dụng trong các môi trường thay đổi nhanh chóng. Nó thuộc về 'tối ưu'loại lý thuyết kiểm soát mô tả nỗ lực để đạt được một cách tối ưu một biến quá trình nhất định.
Trong trường hợp bộ điều khiển nhiệt độ PID, biến tối ưu là nhiệt độ quá trình. Thiết bị phải cố gắng đạt được nhiệt độ cài đặt nhanh nhất có thể theo cách chính xác nhất mà không bị quá lố, độ trễ hoặc nhiễu. Để theo dõi giá trị quá trình / nhiệt độ hiện tại, bộ điều khiển nhiệt độ PID sử dụng một hoặc nhiều cặp nhiệt điện /RTD hoặc một số hình thức đo nhiệt độ khác. Sử dụng giá trị này làm đầu vào so với điểm đặt, bộ điều khiển sau đó điều chỉnh nguồn điện cung cấp cho bộ truyền động (bộ gia nhiệt) để tăng nhiệt độ. Nếu nhiệt độ hiện tại cao hơn điểm đặt, nó sẽ cắt nguồn điện cho lò sưởi. Sự khác biệt giữa giá trị quá trình và điểm đặt được gọi là lỗi. Bộ điều khiển cố gắng duy trì lỗi gần bằng không mọi lúc.
Tuy nhiên, ý tưởng đằng sau việc triển khai PID là không bao giờ vượt quá điểm nhiệt độ cài đặt trong khi vẫn đạt được nhiệt độ cài đặt càng nhanh càng tốt. Đối với điều này, bộ điều khiển nhiệt độ PID có ba cách tiếp cận khác nhau nhưng được kết nối:
-
- Tỷ lệ thuận: khi giá trị quá trình (đọc nhiệt độ hiện tại) thấp hơn điểm đặt, đầu ra sẽ tăng tỷ lệ với sai số. Sai số lớn hơn có nghĩa là nguồn điện cao hơn được cung cấp cho máy sưởi để làm nóng nhanh. Lỗi nhỏ hơn khiến bộ điều khiển giảm công suất.
- Tích phân: Phần tích hợp của bộ điều khiển cố gắng tăng công suất đầu ra cho bộ gia nhiệt để giảm thời gian đạt được điểm đặt. Nếu nguồn điện không đủ để giảm lỗi, bộ điều khiển tích hợp sẽ cố gắng tăng công suất cho lò sưởi.
- Phát sinh: Việc kiểm soát phái sinh bị ảnh hưởng bởi thời gian đã trôi qua. Khi thời gian trôi qua và sai số nhiệt độ giảm, công suất đầu ra cũng giảm để tránh hiện tượng quá tải.
Ba bộ điều khiển này cuối cùng điều khiển nguồn điện cho bộ gia nhiệt để thu được phản hồi như trong hình bên dưới. Các thiết lập điểm được đánh dấu trên trục x là nhiệt độ mong muốn.
Mạch điều khiển nhiệt độ PID
Bộ điều khiển nhiệt độ PID có sẵn trong nhiều cấu hình. Thông thường, bộ điều khiển chỉ đọc nhiệt độ quá trình thông qua một cảm biến và điều khiển thiết bị điều khiển công suất bên ngoài như SSR để điều khiển công suất cấp cho bộ gia nhiệt. Hình ảnh bên dưới cho thấy một bộ như vậy có bộ điều khiển nhiệt độ PID, SSR (Rơ le trạng thái rắn), bộ tản nhiệt và cảm biến nhiệt độ.
Để đấu dây hệ thống này, có thể theo sơ đồ sau. Không nên hoán đổi các dây của cặp nhiệt điện vì nó cản trở khả năng đọc nhiệt độ quá trình của bộ điều khiển. Việc đọc nhiệt độ không hợp lệ có thể khiến bộ điều khiển nhiệt độ PID hoạt động sai.
Một số bộ điều khiển có các tính năng phát hiện lỗi như phát hiện cặp nhiệt điện mở để tăng thêm độ an toàn. Những bộ điều khiển như vậy có thể ngừng hoạt động và ngắt nguồn điện cho lò sưởi nếu chúng phát hiện ra cặp nhiệt điện bị ngắt kết nối.
Theo các tính toán bên trong được thực hiện bởi bộ điều khiển, nó điều khiển rơle trạng thái rắn (SSR) để kiểm soát công suất trung bình được áp dụng cho phần tử gia nhiệt. Điều này được thực hiện bằng cách bật và tắt thiết bị điều khiển nguồn trong giây lát. Khi được điều chỉnh thích hợp, hệ thống có thể đạt đến nhiệt độ mong muốn và duy trì các điều kiện ngay cả khi bị nhiễu động bên ngoài.
Các loại thiết bị kiểm soát nhiệt độ khác nhau là gì?
Như chúng ta đã thảo luận ở trên, bộ điều khiển nhiệt độ PID là bộ điều khiển nhiệt độ công nghiệp chính xác nhất và phản hồi nhanh nhất. Có hai loại thiết bị kiểm soát nhiệt độ khác kém chính xác hơn nhưng hữu ích trong một số ứng dụng nhất định.
Bộ điều khiển nhiệt độ bật / tắt
Đây là dạng bộ điều khiển nhiệt độ đơn giản nhất. Bộ điều khiển nhiệt độ bật-tắt có hai thông số, điểm đặt và phân biệt. Điểm đặt là nhiệt độ mong muốn mà hệ thống phải có. Sự khác biệt (còn được gọi là lịch sử) là hai cực xác định ranh giới khi bật và tắt bộ điều khiển nhiệt độ. Mức tối thiểu được xác định ở nhiệt độ mà máy sưởi nên bật và ngược lại.
Bộ điều khiển nhiệt độ bật / tắt thường dễ mắc dây nhất. Chúng cần ba kết nối bên ngoài để hoạt động:
- Cung cấp năng lượng - Cấp nguồn cho bộ điều khiển nhiệt độ.
- cảm biến - Một cảm biến nhiệt độ như RTD hoặc một cặp nhiệt điện để lấy nhiệt độ hiện tại từ hệ thống.
- Người xúi giục - Đây có thể là rơ le hoặc SSR điều khiển a. máy sưởi công suất cao hoặc kết nối máy sưởi trực tiếp nếu thiết bị có rơ le tích hợp
- Đầu vào của người dùng - Bộ điều khiển nhiệt độ hiện đại có màn hình kỹ thuật số với đầu vào nút để cấu hình các thông số. Một số thiết bị có chiết áp xoay để đặt giới hạn theo cách thủ công.
Bộ điều khiển nhiệt độ loại bật / tắt được sử dụng trong các hệ thống mà sự thay đổi nhiệt độ rất chậm và không cần điều khiển chính xác.
Bộ điều khiển nhiệt độ tỷ lệ
Bộ điều khiển nhiệt độ tỷ lệ là phiên bản đơn giản hóa của bộ điều khiển nhiệt độ PID. Không giống như bộ điều khiển loại bật / tắt kích hoạt khi nhiệt độ giảm xuống dưới hoặc tăng lên trên ngưỡng, bộ điều khiển tỷ lệ điều khiển đầu ra hầu như luôn luôn để duy trì nhiệt độ.
Các loại bộ điều khiển này điều chỉnh nhiệt độ bằng cách thay đổi công suất cung cấp cho lò sưởi. Điều này liên quan đến điều khiển trạng thái rắn như SSR để điều chỉnh công suất đầu ra. Phạm vi nhiệt độ mà thiết bị hoạt động được gọi là 'dải tỷ lệ'. Tương tự như kiểu bật / tắt, những kiểu này cũng có giới hạn trên và dưới.
Khi khởi động, bộ điều khiển nhiệt độ tỷ lệ hoạt động tương tự như kiểu bật / tắt. Để đưa nhiệt độ hệ thống vào dải tỷ lệ, bộ điều khiển đã vận hành máy sưởi ở 100% công suất. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng tối thiểu của dải tỷ lệ, công suất sẽ được giảm xuống để duy trì nhiệt độ trong vùng yêu cầu.
Trong sơ đồ bên dưới, ô màu nâu là một bộ điều khiển tỷ lệ thuần túy. Chúng ta có thể quan sát nhiệt độ thay đổi liên tục như thế nào trong một vùng hẹp từ 10 đến 18 Celcius ..
Ưu điểm và nhược điểm của Bộ điều khiển nhiệt độ PID
Bộ điều khiển nhiệt độ PID rất hữu ích trong các hệ thống động lực. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nơi nhiệt độ thường xuyên biến động. Bộ điều khiển nhiệt độ PID có thể duy trì nhiệt độ cài đặt trước bất kể điều kiện hệ thống thay đổi.
Như bất kỳ bộ điều khiển công nghiệp nào khác, có những ưu điểm và nhược điểm liên quan đến bộ điều khiển nhiệt độ PID.
Ưu điểm của bộ điều khiển nhiệt độ PID
Dưới đây là một số ưu điểm của việc sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ PID:
- Cài đặt và thực hiện dễ dàng
- Bộ điều khiển nhiệt độ PID là thiết bị tích hợp chỉ cần một số thành phần bên ngoài để hoạt động
- Tăng độ ổn định của hệ thống
- Bộ điều khiển PID có thể nhanh chóng bù đắp các nhiễu bên ngoài cho hệ thống. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng nhạy cảm với nhiệt độ.
- Giảm lỗi ở trạng thái ổn định
- Bộ điều khiển loại bật-tắt bình thường thường có độ vọt lố lớn. Điều này có nghĩa là nhiệt độ của hệ thống hầu như luôn có thể cao hơn giá trị mong muốn, ngay cả khi đó là một phần nhỏ thời gian. Bộ điều khiển PID được điều chỉnh thích hợp có thể loại bỏ vấn đề này bằng cách đạt đến nhiệt độ cài đặt mà không bị cháy quá mức.
- Phản hồi nhanh hơn
- Bộ điều khiển PID đạt đến điểm đặt nhanh hơn bất kỳ bộ điều khiển nào khác trong hầu hết các trường hợp. Điều này rất hữu ích trong các hệ thống năng động cao để đạt và duy trì nhiệt độ cần thiết.
Bộ điều khiển nhiệt độ PID Nhược điểm
Bộ điều khiển PID cũng có một số nhược điểm cố hữu mà nó có thể gặp vấn đề khi sử dụng trong một số trường hợp. Ví dụ,
- Khó khăn khi điều chỉnh ban đầu
- Hầu hết các bộ điều khiển PID yêu cầu điều chỉnh thủ công các hằng số tỷ lệ, đạo hàm và tích phân của vòng điều khiển. Điều này có thể phức tạp khi bắt đầu vì nó có thể mất rất nhiều thời gian vì các tham số không được biết. Để điều chỉnh bộ điều khiển PID, bạn có thể làm theo các bước được hiển thị trong điều này video.
- Bộ điều khiển nhiệt độ PID
- Nói chung, bộ điều khiển PID là tuyến tính. Điều này có nghĩa là chúng hoạt động tốt nhất trong các hệ thống tuyến tính (có thể dự đoán được). Nếu hệ thống là phi tuyến tính, hiệu suất có thể thay đổi.
Điều khiển PID là một hệ thống điều khiển phản hồi dựa trên sai số giữa điểm đặt và giá trị quá trình. Khi một nhiễu bên ngoài xảy ra làm tăng lỗi, bộ điều khiển PID sẽ can thiệp và cố gắng đưa lỗi về không. Điều này hoạt động tốt đối với các nhiễu động ở cường độ cao hơn. Tuy nhiên, đối với những thay đổi nhỏ trong hệ thống, vòng lặp PID có thể mất nhiều thời gian hơn để bù đắp và điều này có thể ít được mong muốn trong một số trường hợp.
Làm thế nào để bạn đặt PID để kiểm soát nhiệt độ?
Có hai loại điều chỉnh PID, điều chỉnh tự động và thủ công. Điều chỉnh tự động tuân theo một thuật toán để tự động xác định các hằng số tỷ lệ, tích phân và đạo hàm cho bộ điều khiển. Quy trình thủ công cần thử-và-sai để điều chỉnh bộ điều khiển một cách chính xác. Bộ điều khiển tự động có thể giảm bớt quá trình này bằng cách thu hẹp các giá trị cho các hằng số cụ thể.
Để tìm hiểu cách cấu hình các hằng số P, I và D của một bộ điều khiển cụ thể, trước tiên hãy tham khảo hướng dẫn sử dụng của nó. Ngoài ra, thực hiện bất kỳ sửa đổi nào, hãy đảm bảo rằng các điều chỉnh sẽ không gây ra bất kỳ ảnh hưởng nghiêm trọng nào đến hệ thống. Lý tưởng nhất là bạn sẽ cần một môi trường được kiểm soát để thực hiện quá trình điều chỉnh.
Điều chỉnh PID thường bắt đầu với việc xác định độ lợi tỷ lệ trong khi để hai giá trị khác không đổi. Đặt hằng số tỉ lệ thành một giá trị để hệ bắt đầu dao động xung quanh điểm đặt. Bạn có thể tăng giá trị P hiện tại lên một hệ số hai, và nếu nó gây ra dao động quá nhiều, hãy giảm nó đi 50% giá trị đã tăng.
Sau khi đạt đến một dao động khá ổn định, số hạng tích phân có thể được điều chỉnh theo cùng một cách. Khi điều chỉnh hằng số tích phân, hãy điều chỉnh nó để hệ thống đạt đến điểm đặt trong khoảng thời gian ít nhất. Khi điều chỉnh hằng số tích phân, có thể có hiện tượng vọt lố và dao động.
Cuối cùng, điều chỉnh hằng số đạo hàm để giảm thiểu dao động dưới nhiễu bên ngoài.
Nếu bạn đang sử dụng bộ điều khiển PID nâng cao hơn, chẳng hạn như Bộ điều khiển PID dòng Omega Platinum, nhà sản xuất có thể cung cấp phần mềm chuyên dụng để điều chỉnh hệ thống theo cách chính xác hơn. Ngoài ra còn có thể có các tính năng bổ sung như chốt đầu ra, báo động và thuật toán điều chỉnh tự động thông minh.
Các ứng dụng của bộ điều khiển nhiệt độ PID
Bộ điều khiển nhiệt độ PID thường được sử dụng trong các ứng dụng cần thời gian phản hồi nhanh hơn và độ chính xác cao hơn.
Một trong những ứng dụng đó là ngành sản xuất lốp xe. Khi chuẩn bị nguyên liệu thô và trộn các hợp chất, nhiệt độ của hỗn hợp cao su phải được duy trì ở một biên độ rất tốt để đảm bảo nguyên liệu được xử lý đúng cách.
Trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống như thanh trùng sữa, nhiệt độ cần phải rất chính xác để ngăn vi khuẩn phát triển và làm mất các chất dinh dưỡng quan trọng. Bộ điều khiển nhiệt độ PID được sử dụng để duy trì nhiệt độ trong sữa trong quá trình thanh trùng.
Một ứng dụng khác của bộ điều khiển PID là lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Các máy móc như thiết bị thử nghiệm, tủ lạnh y tế, tủ ấm và buồng nuôi cấy phải duy trì nhiệt độ dưới biên độ rất chặt chẽ. Bộ điều khiển nhiệt độ PID hầu như luôn tìm thấy các ứng dụng trong các hệ thống này.
Làm thế nào để chọn một bộ điều khiển nhiệt độ PID?
Khi mua bộ điều khiển nhiệt độ PID, hãy tìm các thông số kỹ thuật chính sau:
- Loại đầu vào
- Bộ điều khiển nhiệt độ cần một cảm biến phù hợp để thu được giá trị quá trình. Điều này được thực hiện thông qua một cảm biến nhiệt độ. Nó có thể là một cặp nhiệt điện (K, J, T-type hoặc bất kỳ loại nào khác), một RTD hoặc thậm chí là cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số trong một số trường hợp. Chọn một cái chuyên dùng trong ứng dụng cụ thể.
- Phạm vi nhiệt độ
- Điều quan trọng là phải biết phạm vi nhiệt độ mà hệ thống sẽ hoạt động. Giải thích cho bất kỳ sự cố nào mà hệ thống có thể trải qua trong quá trình hoạt động.
- Loại đầu ra
- Loại đầu ra có thể là cơ điện (rơ le). SSR hoặc một đầu ra kỹ thuật số.
- Kiểm soát hành động
- Điều này có thể đơn giản là bật / tắt, tương đối hoặc điều khiển PID.
- Tính năng bổ sung
- Kiểm tra xem thiết bị có hỗ trợ điều chỉnh nâng cao hay không và bất kỳ tính năng bổ sung nào như đầu ra cảnh báo, cấu hình có thể lập trình và hỗ trợ tích hợp với hệ thống SCADA nếu ứng dụng yêu cầu.
Kết luận
Bộ điều khiển nhiệt độ PID được sử dụng trong nhiều hệ thống tự động hóa để điều khiển và duy trì nhiệt độ một cách chính xác. Có những lựa chọn thay thế cho bộ điều khiển PID có thể được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển nhiệt độ nơi không yêu cầu độ chính xác và tốc độ như vậy.
