Bộ hiển thị và điều khiển tín hiệu 4-20mA bằng PID | ATR244

Chúng ta có đồng hồ đo điện, chuyên dùng để vừa hiển thị vừa đo lường các linh kiện điện tử. Chúng ta có đồng hồ áp suất, dùng để ám chỉ áp suất hiện tại là bao nhiêu? Chúng ta có bộ hiển thị và điều khiển PID, chuyên dùng để hiện thị tín hiệu điện và kích hoạt Relay cho những thiết bị động cơ. Vậy như thế nào là một bộ hiển thị và điều khiển PID. Chủ đề bài viết ngày hôm nay sẽ nói về bộ hiển thị và điều khiển tín hiệu 4-20mA và những tính năng độc đáo của nó nhé!

Bộ hiển thị và điều khiển tín hiệu 4-20mA bằng PID

Tín hiệu 4-20mA là dạng tín hiệu tuyến tính, nó được chọn là một trong những dãy tín hiệu tiêu chuẩn trong công nghiệp. Để hiểu rõ thêm về loại tín hiệu này, các bạn truy cập đường link ở đây nhé! 

Tín hiệu 4-20mA là gì? Tại sao trong nhà máy hay sử dụng tín hiêu 4-20mA? 

PID là gì? Nguyên lý hoạt động của PID?

PID controller là gì? Controller nghĩa là bộ điều khiển. Quá trình điều khiển ở đây là quá trình thiết bị sẽ thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thồng “gần” với mục đích thực tế. Là quá trình mà không có sự tác động của con người.

PID là từ viết tắt của các từ tiếng anh sau Proportional – Integral – Derivative. Nghĩa là tỉ lệ – tích phân – đạo hàm. Trong bộ điều khiển tự động PID này sẽ có 4 thể khâu như sau:

• Khâu tỉ lệ P
• Khâu tích phân tỉ lệ PI
• Khâu vi phân tỉ lệ PD
• Khâu vi tích phân tỉ lệ PID

Để hiểu rõ thêm thì các bạn quan sát hình ảnh mô tả dưới đây:

Trong đó:

• r(t): Reference input – tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn
• c(t): Controlled output – tín hiệu ra.
• c_ht(t): Tín hiệu hồi tiếp
• e(t): Error – sai số.
• u(t): tín hiệu điều khiển.

Vậy hiểu đơn giản quá trình điều khiển PID là quá trình điều khiển tín hiệu nhận vào thành tín hiệu tuyến tính có ổn định trong khoảng thời gian.

Dẫn đến ứng dụng của PID được sử dụng khá là rộng rãi như là:

• Hệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy…
• Quá trình công nghiệp: nhiệt đô, lưu lượng, áp suất, tốc độ…
• Hệ thống cơ điện tử: robot di động, canh tay robot…
• Thiết bị quân sự: hệ thống radar, tên lửa…

Bộ hiển thị và điều khiển tín hiệu 4-20mA là gì?

Đây là bộ vừa dùng để hiển thị tín hiệu và vừa dùng để điều khiển Relay hoặc PID. Chuyên dùng để hiển thị các thiết bị đo lường và đồng thời dùng điều khiển các động cơ, đèn báo hiệu…Là sản xuất được thiết kế bởi hãng Pixsys đến từ Italy – Châu Âu.

Như thế nào vừa hiển thị và vừa điều khiển?

Màn hình HMI và các thiết bị PLC đây là những thiết bị phổ biến mà hầu hết nhiều nhà máy đều sử dụng nó. Chủ yếu, màn hình HMI dùng để hiện thị các thông số từ các bộ PLC. Dùng để cung cấp thêm thông tin cho người vận hành. Bên cạnh đó, nó còn dùng để điều hành hệ thống từ con người.

Sự hoạt động ấy nó cũng sẽ tương tự với bộ hiển thị và điều khiển tín hiệu 4-20mA. Nhưng nó sẽ hoạt động đơn giản hơn, chủ yếu là nó sẽ “Automation” hoạt động dựa theo quá trình cài đặt bằng thủ công. 

Thông số kỹ thuật bộ hiển thị và điều khiển

Một bộ hiển thị có điều khiển đều sẽ có một đặc điểm chung như sau:

• Màn hình hiển thị được 4 đến 5 con số.
• Có 1 cổng nhận tín hiệu Analogue Input.
• Có 2 đến 3 cổng Relay dùng để điều khiển động cơ.
• Sẽ có 2 cổng SSR.
• Có từ 1 đến 4 cổng Digital Input.
• Có từ 1 đến 2 cổng Analogue Output. Tín hiệu ngõ ra này chủ yếu là V hoặc mA.
• Một số bộ sẽ kèm theo kết nối ModBus RTU (RS485).

Các dạng tín hiệu ngõ vào

Đối với bộ hiển thị tín hiệu này nó được dùng để kết nối với một số tín hiệu sau đây:

• Thermocouple loại K, S, R, J, T, N, B.
• Thermoresistance: PT100, PT500, PT1000, Ni100, PTC 1k, NTC 10K (β 3435k)
• Input V/mA: 0-1V, 0-5V, 0-10V, 0-20 hoặc 4-20mA, 0-60mV.
• Potentiometer Input: 1…150kΩ
• CT: 50mA

Tuy rằng, nó được thiết kế để có thể đọc đa dạng tín hiệu và phù hợp nhiều. Nhưng mà, đây là bộ hiển thị chỉ có thể nhận được một kiểu loại tín hiệu duy nhất mà thôi.

Các dạng tín hiệu ngõ ra

Tín hiệu ngõ ra chủ yếu của bộ sẽ bao gồm 3 dạng tín hiệu như sau:

• Dạng ngõ ra Relay Outputs. Bộ phận Relay này có thể chịu tải lên đến 500W (2A-250VAC)
• Dạng ngõ ra SSR Output: 12/24V, 25mA.
• Dạng ngõ ra Analogue Outputs. Tín hiệu ngõ ra tuyến tính này chủ yếu ở hai dạng: 0-10V và 4-20mA.

Hướng dẫn nối dây cho bộ hiển thị và điều khiển

Một hành động khá là quan trọng khi sử dụng bất kỳ thiết bị điện nào. Đó là cách nối dây. Thật là bất cẩn khi bạn không hiểu rõ cách nối dây điện trong quá sử dụng một hay nhiều thiết bị nào đấy. Về phần này, bạn sẽ được hướng dẫn cách nối dây khi bạn sử dụng “bộ hiển thị tín hiệu 4-20mA”.

• Cặp chân 1 và 2 – dùng để nối với nguồn điện từ 24…230V AC/DC.
• Chân 3, 4 và chân 7,8 – dùng nối với Relay: 2A.230V 1/8HP.
• Cặp chân 9,10 – dùng nối ngõ ra Analog Output V/mA.
• Chân 11, 12 – dùng nối tín hiệu Digital Output.
• Chân 13, 14 – dùng nối tín hiệu Digital Input.
• Chân 15, 16 – dùng để cung cấp thêm tải phụ (12V hoặc 24V).
• Chân 17, 18 và 19 – dùng để nối các loại cảm biến nhiệt độ PTC và NTC (tham khảo mục thông số kỹ thuật để hiểu rõ hơn nhé)

Kích thước bộ hiển thị PID gắn tủ điện

Việc ưu tiên trong quá trình thiết kế là dùng để lắp đặt vô trong tủ điện. Như thế sẽ rất dễ dàng giám sát các thiết bị.

Kích thước tổng quan của bộ hiển thị tín hiệu 4-20mA là 48x88x48 (mm). Với kích thước nhỏ gọn, nên khá tiết kiệm không gian trong việc lắp đặt trong tủ điện.

Ứng dụng bộ hiển thị và điều khiển tín hiệu 4-20mA 

Đối với phần ứng dụng cho bộ hiển thị tín hiệu 4-20mA, đã cho các bạn biết được cách một bộ hiển thị có điều khiển hoạt động ở thực tế. Tuy nhiên, đối với mục tính năng bộ hiển thị này các bạn sẽ được hiểu nó thông qua những dạng bài toán thực tế nhé!

Dùng để hiển thị và điều khiển bằng nhiệt độ

Bài toán đầu tiên sẽ dùng với chức năng dùng hiển thị nhiệt độ và điều khiển van mở nước. Quá trình này sẽ được mô tả dựa trên nguyên lý hoạt động của PID.

“Môt cảm biến nhiệt độ PT100 dùng để đo nhiệt độ trong bình chứa nước. Cảm biến nhiệt độ này dùng để điều khiển van nước nóng bằng điện. Khi đến một nhiệt độ nhất định thì van này sẽ tự động đóng và không cho dòng nước nóng chảy vô bình chứa nữa”

Quá trình diễn ra tự động như sau: Bộ hiển thị nhiệt độ, ngoài việc cài đặt hiển thị ra chúng ta sẽ cài đặt điểm Set Point cho thiết bị 165˚F = 74 ˚C. Sau khi quá trình cài đặt và nối dây hoàn tất, bộ hiển thị sẽ hiển thị nhiệt đô ví như là: 30 ˚C nhiệt độ môi trường.

Van mở nước nóng chảy vô bình chứa, khi mà nhiệt độ lên đến 165 ˚F. Thì bộ hiển thị sẽ kích hoạt relay ON/OFF (đóng van lại). Vậy quá trình sẽ được lặp đi lặp lại nếu nhiệt độ xuống thấp 165 ˚F và đến ngưỡng Set Point.

Dùng để hiển thị và điều khiển bằng áp suất

Tiến đến là bài toán về sự hiển thị áp suất của một bình chứa cao 10m. Bình này dùng để chứa đựng nước để chuẩn bị trộn dung dịch.

“Một bình chứa cao từ 0 đến 10m chưa có nước trong bình. Cảm biến áp suất từ 0 đến 1 bar (tín hiệu ngõ ra 4-20mA) dùng để đo áp suất trong bình kín. Bơm sẽ tự động bơm cho đến khi chiều cao là 8m sẽ OFF – ngừng bơm”

Quá trình diễn ra như sau: đầu tiên sẽ cài đặt chế độ hiển thị. Sau đó, tiến hành cài đặt điểm Set Point là 8m. Bây giờ, nguyên lý hoạt động cơ bản như sau: Van nước được mở cho nước chảy vô bình chứa nước. Dần dần, nước đâng lên đến 8m, bằng với điểm Set Point. Lúc này, nó sẽ kích Relay OFF cho van tắt. Cứ như vậy quá trình tự động sẽ được diễn ra.

Dùng “độ trễ” trong để điều khiển thiết bị động cơ

Ở hai ví dụ trên, còn một khả năng khác nữa khi cài đặt bằng điều khiển PID. Đó là độ trễ.

• Ở bài toán nhiệt độ. Khi nhiệt độ nước nóng trong bình chứa lên đến 165 ˚F, bơm sẽ tắt cho đến khi nhiệt độ giảm xuống. Độ trễ sẽ được hiểu như sau: khi đến 165 ˚F, bơm tắt. Bạn cài đặt độ trễ của nó là 110 ˚F, nghĩa là khi nhiệt độ trong bình chứa giảm xuống 110 ˚F thì bơm sẽ được ON để bắt đầu bơm nước nào.
• Tương tự quá trình đối với sự hiển thị áp suất. Nếu bạn cài đặt độ trễ của nó là 3m. Thì sau khi nước bơm vào và xả cho đến khi đến ngưỡng 3m. Bơm sẽ được kích ON lên. Quá trình như thế sẽ được lặp đi lặp lại.

Ưu & nhược điểm bộ hiển thị điều khiển tín hiệu 4-20mA

Dưới đây là những ưu và nhược điểm của bộ hiển thị được sử dụng lắp đặt trong tủ điện và một số khu vực khác.

Ưu điểm 

• Nhận được đa dạng tín hiệu ngõ vào. Thế nên khá là tiện lợi trong việc đi mua hàng.
• Dùng nguyên lý điều khiển PID trong quá trình điều khiển động cơ (kích hoạt ON/OFF).
• Ngoài relay ra, còn thêm chế độ SSR.
• Hiển thị tín hiệu nhiệt độ.
• Hiển thị tín hiệu áp suất.
• Hiển thị tín hiệu dòng điện, điện áp.

Nhược điểm

• Quá trình cài đặt thông số khá là phức tạp. Tốn khá nhiều thời gian để đọc hiểu tài liệu cho việc cài đặt.
• Cần có người có khả năng đọc hiểu tiếng anh để hiểu các thông số cài đặt.
• Việc đấu nối dây nên cần có người hiểu biết kỹ thuật. Chứ không rất dễ bị chết bộ chuyển đổi vì đấu nối nhầm chân.

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

SALES ENGINEER: Nguyễn Thành Đạt
SĐT: 0342962936