Bộ điều khiển mức nước bằng nguyên lý PID controller

Ngày nay, các hệ thống xử lý nước hay những bình chứa đựng chất lỏng trong nhà máy hiện tại ít nhiều vẫn cần sự can thiệt của con người trong quá trình vận hành. Chính vì thế, nên nhiều khi sự sai sót sẽ diễn ra bởi một vài nguyên nhân chủ quan của con người.  Thế nên, làm thế nào mà chúng ta có thể điều khiển được mức nước ở những khu vực bể chứa, bình chứa… mà không cần phải can thiệt trực tiếp vào. Bài viết này, sẽ cho các bạn hiểu biết thêm về các bộ điều khiển mức nước bằng PID controller.

Thuât toán PID controller đã không còn xa lạ đối với nhiều người dân kỹ thuật kể cả dân lập trình nữa. Đây là thuật toán cho phép chúng ta xử lý tín hiệu hầu như ngay tức thời hoặc gần sát với thời gian thực tế. Trên thực tế, bộ điều khiển PID controller được ứng dụng phổ biến ở các loại xe ô tô tự động lái hoặc không tự động…

Cho nên, hầu hết mọi thiết bị công nghiệp lẫn cả nhà máy hiện nay người ta sẽ tin dùng các giải pháp điều khiển tự động bằng PID. Một nguyên do khác nữa, là các bộ điều khiên dựa trên nguyên lý PID đều có giá thành rẻ mà sự tiện lợi nó mang lại thì nhiều.

Các loại cảm biến mực nước

Để có thể điều khiển được mức nước theo như ý mình, thì chúng ta bắt buộc phải dùng các loại cảm biến. Những loại cảm biến này sẽ dùng để đo mức nước. Rồi từ đấy tín hiệu từ cảm biến sẽ truyền về bộ điều khiển.

Như vậy, bộ điều khiển sẽ dễ dàng điều khiển mức nước được thông qua nhiều thiết bị trung gian. Cho nên, bộ điều khiển này được hiểu như bộ não trung tâm để điều khiển.

Quay trở lại về cảm biến, hiện nay các bạn ắt hẳn đã tìm hiểu thì có rất nhiều dạng cảm biến dùng để báo mức nước.

Điển hình như là cảm biến tiệm cận điện dung, cảm biến báo mức dạng phao, cảm biến siêu âm đo mức nước và nhiều loại khác nữa. Dẫu vậy, đối với loại cảm biến đo mức nước thì mình sẽ nói qua 3 dạng cảm biến phổ biến dưới đây.

Cảm biến siêu âm đo mức nước

Khi nào chúng ta sẽ thường dùng loại cảm biến siêu âm đo mức nước?

Đó là khi môi trường bạn đo cần yêu cầu về sự đảm bảo an toàn về vệ sinh và khả năng chống ăn mòn. Bởi vì, xét về nguyên tắc hoạt động của cảm biến siêu âm. Nó chỉ sử dụng dạng sóng siêu âm để đo mức chiều cao hay khoảng cách mức nước.

Ngoài ra, phương thức đo của chúng là dạng đo mức không tiếp xúc. Chính vì vậy, thậm chí các nhà máy sản xuất Cocacola hay Pepsi tại Việt Nam người ta cũng hay dùng loại cảm biến siêu âm này dùng để đo mức.

Thêm một vài ưu điểm đó là khẳ năng đo và cho ra kết quả chính xác tương đối cao. Thêm nữa là nó phù hợp đo cho phạm vi khoảng cách lên đến 20m. Tuy nhiên nó cũng tồn tại một vài nhược điểm.

Đó là yêu cầu bề mặt không có nhiều bọt hoặc những gọn sóng trên mặt nước… Như thế nó sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình đo mức bị sai lệch đi nhiều.

Dẫu vậy, giải pháp đo mức bằng cảm biến siêu âm vẫn là một lựa chọn phù hợp dùng để đo mức chiều cao. Hoặc dùng để đo khoảng cách từ cảm biến đến mực nước.

Tín hiệu của cảm biến siêu âm sẽ làm dạng tín hiệu tuyến tính 4-20mA. Nên sẽ phù hợp hầu hết rất nhiều loại thiết bị điều khiển, kể cả PLC…

Cảm biến đo mức nước thủy tĩnh

Cảm biến đo mức nước thủy tĩnh là loại cảm biến chỉ phù hợp dùng để đo mức nước sạch. Nước sạch ở đây được hiểu là loại nước không được chứa nhiều chất hóa học như Cl, dạng nước giếng có nhiều phèn…

Nguyên do nó yêu cầu như vậy là bởi vì lớp màng đo của cảm biến thủy tĩnh nó khá là mỏng và dễ bị ăn mòn.

Dẫu vậy, cảm biến đo mức nước thủy tĩnh lại đo được tận những nơi có chiều cao hay chiều sâu lên đến 100m. Việc trong nước có tồn tại thêm bùn hay đất cát nó cũng không phải là nhân tố gây ảnh hưởng đến việc đo của cảm biến.

Một điểm khác lớn của loại cảm biến này đó là về nguyên lý đo của cảm biến. Quá trình đo lường của cảm biến sẽ phụ thuộc vô áp lực tác dụng lên màng sứ của cảm biến.

Khi áp lực nước tác dụng vô màng càng lớn thì nó sẽ tỉ lệ thuận với tín hiệu ngõ ra càng cao.

Cảm biến báo đầy báo cạn

Loại cảm biến báo đầy báo cạn mức nước là loại cảm biến dùng để phát hiện tình trạng nước đầy hay đang cạn của mực nước. Loại cảm biến này hay được dùng ở tại các bể chứa nước, thùng chứa nước cỡ lớn…

Chủ yếu chúng được dùng để tự động đóng ngắt bơm nước trực tiếp hoặc nối với các thiết bị báo hiệu.

Bên cạnh đó, chúng còn dùng cho các dạng chất lỏng như: thực phẩm, các chất có tính ăn mòn trung bình…Chủ yếu là những môi trường nước cần báo mức có yêu cầu về độ an toàn vệ sinh cũng như khả năng chống ăn mòn.

Đối với các loại cảm biến siêu âm, thủy tĩnh nói chung và báo đầy báo cạn nói riêng. Cảm biến này sẽ dùng nguyên lý của sự thay đổi hằng số điện môi.

Hiểu nôm na là chỉ cần môi trường đo bị thay đổi cảm biến sẽ hoạt động. Chính vì vậy, đúng như tên gọi chuyên ngành, nó sẽ có tên cảm biến điện dung báo mức.

Bộ điều khiển mức nước PID controller

Bằng cách nhận tín hiệu mức nước từ các loại cảm biến đo mức nước trên. Rồi từ đấy, sử dụng nguyên lý PID controller để điều khiển lại mức nước có trong bể chứa, bình chứa…

PID controller là một chương trình toán học, giúp cho con người chúng ta dùng để điều khiển trực tiếp các thiết bị hầu như ngay tức thời. Chính vì thế, giải pháp để có thể điều khiển mức nước với giá thành rẻ thì nó là lựa chọn phù hợp nhất.

Nguyên lý làm việc bộ điều khiển PID

Quá trình giải thuật của một bộ điều khiển PID sẽ được diễn ra như sơ đồ dưới đây.

Dựa vào phần sơ đồ trên, các bạn nhìn thấy nó sẽ có 5 phần tử:

• Giá trị cài đặt ngõ vào
• Bộ xử lý tín hiệu
• Thiết bị cần điều khiển (Final control element)
• Tiến trình thực hiện
• Cảm biến

Giá trị cài đặt ngõ vào sẽ là điểm cài đặt chế độ mức nước chúng ta cần điều khiển. Thao tác cài đặt này sẽ được thiết lập trực tiếp trong bộ điều khiển.

Tiếp đến, dựa vào tín hiệu từ cảm biến và giá trị cài đặt. Thì lúc này bộ điều khiển sẽ có thực hiện việc tính toán PID.

Nếu như giá trị của cảm biến mà nó cao hơn điểm giá trị mình cài đặt. Lúc này nó sẽ điều khiển các thiết bị (như là Van) đóng hoặc mở.

Sau đó nước trong bể chứa sẽ dâng lên, hạ xuống hoặc giữ nguyên mức đấy. Tín hiệu bấy giờ sẽ được ghi lại nhờ cảm biến. Và giá trị từ cảm biến lại truyền về bộ điều khiển.

Quy trình sẽ được tự động lặp đi lặp lại theo tuần hoàn như vậy. Cho đến khi mức nước trong bình chứa ở mức ổn định hoặc đúng nhu cầu của bản thân mình.

Bộ điều khiển mức nước bằng Relay

Ứng dụng đầu tiên và đơn giản nhất của bộ điều khiển mức nước đó chính là điều khiển thông qua Relay. Mục đích điều khiển mức nước thông qua Relay là nhằm đóng tắt hoặc mở các loại động cơ, van xả tự động.

Ngoài việc dùng để điều khiển đóng mở ra thì loại điều khiển mức nước này còn dùng để thông báo. Việc thông báo này chủ yếu dùng báo hiệu qua đèn, còi…

Vậy khi nào nên dùng bộ điều khiển mức nước bằng Relay?

Việc sử dụng bộ điều khiển trên hay được ứng dụng đối với những khu vực cần thông báo đầy hoặc cạn. Tức là khi nào trong bể chứa gần đầy nước hoặc cạn nó sẽ báo hiệu lên.

Hoặc, khi bể chứa gần đầy thì phải yêu cầu tắt bơm. Và khi bể chứa gần cạn nước phải bật bơm lại.

Bộ điều khiển mức nước bằng tín hiệu tuyến tính

Bộ này sẽ được hiểu rằng, chúng sẽ điều khiển nhiều thiết bị khác bằng tín hiệu tuyến tính. Khác với bộ điều khiển bằng Relay (trạng thái đóng mở). Thì điều khiển tuyến tính cho phép chúng ta điều khiển bơm hay van theo kiểu dạng đóng toàn phần cho đến mở toàn phần.

Các bạn cũng phải lưu ý rằng, tín hiệu tuyến tính ở đây chủ yếu sẽ là 4-20mA. Ắt hẳn, ai cũng biết rằng đây là dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong công nghiệp. Được sử dụng phổ biến và thiết kế hầu hết nhiều thiết bị điện tử.

Vậy quá trình điều khiển mức nước bằng tín hiệu tuyến tính diễn ra như thế nào?

Về bản chất thì nguyên lý hoạt động của nó như phần giải thích bên trên. Tuy nhiên, trên thực tế trạng thái nó diễn ra sẽ như video mô phỏng dưới đây. Như thế việc hiểu ứng dụng của bộ điều khiển mức nước sẽ được tiếp cận nhanh vấn đề hơn.

Cách một bộ điều khiển PID hoạt động như thế nào?

Gồm có 2 bộ giả lập tín hiệu tiêu chuẩn 4-20mA/0-10V và một bộ điều khiển PID. Bộ hiển thị này sẽ hiển thị mức nước từ 0 đến 100m. Mức cài ở điểm 50m. Khi mực nước quá 50m thì tín hiệu ngõ ra sẽ từ 4mA tăng lến 20mA.

Khi mực nước dưới 50m thì tín hiệu ngõ ra sẽ từ 20mA xuống 4mA. Mục đích dùng để điều khiển van tuyến tính đóng mở. Làm cho mực nước luôn ổn định ở phạm vi mức 50m. (Loại van dùng là 4mA là đóng toàn phần, 20mA là mở toàn phần)

Cảm ơn các bạn đã đọc bài viết của tôi. Chúc các bạn một ngày tốt lành!

SALES ENGINEER: Nguyễn Thành Đạt
SĐT: 0342962936