Van điều khiển nhận tính hiệu từ bộ điều khiển (PID controller, PLC …), từ đó điều khiển cơ cấu chấp hành (Actuator) để điều khiển van theo tín hiệu của bộ điều khiển. Bộ định vị van (Positioner) sẽ giúp cho van điều khiển hoạt động chính xác, đáp ứng nhanh khi tín hiệu điều khiển thay đổi

1. Bộ định vị van (Positioner) là gì?

Bộ định vị là một thiết bị điều khiển chuyển động được thiết kế để chủ động so sánh vị trí trục van với tín hiệu điều khiển, điều chỉnh áp suất lên màng ngăn hoặc piston của bộ truyền động (Actuator) cho đến khi trục van đạt được vị trí chính xác.

Bộ định vị về cơ bản hoạt động như một bộ điều khiển PID thứ 2, trong đó:

• Vị trí của van là biến quá trình (PV),
• Tín hiệu lệnh (từ bộ điều khiển) tới bộ định vị là điểm đặt (SP)
• Tín hiệu của bộ định vị tới bộ truyền động van là biến được điều khiển (MV) hoặc đầu ra.

2. Các loại bộ định vị van và Nguyên lý hoạt động

Có ba loại bộ định vị chính, tùy thuộc vào loại tín hiệu điều khiển, khả năng chẩn đoán và giao thức truyền thông.

2.1 Bộ định vị khí nén (Pneumatic Positioners)

Loại đầu tiên của bộ định vị van là bộ định vị khí nén. Các bộ xử lý kế thừa, có thể sử dụng tín hiệu áp suất khí nén làm điểm đặt điều khiển cho các van điều khiển. Áp suất thường được điều chỉnh từ 20,7 đến 103 kPa (3 đến 15 psig) để di chuyển van từ vị trí 0 đến 100%.

Trong thiết kế bộ định vị khí nén thông thường (xem hình bên dưới), vị trí của trục van được so sánh với vị trí của Bellow nhận tín hiệu điều khiển khí nén. 

Khi tín hiệu đầu vào tăng lên:

Bellow sẽ mở rộng và di chuyển Beam. Beam xoay xung quang trục đầu vào, trục này sẽ di chuyển một cái gạt (flapper) đến gần vòi phun (Nozzle) hơn. Thông qua Rơ le khuyến đại khí nén (pneumatic amplifier relay), Áp suất vòi phun tăng lên làm tăng áp suất đầu ra tới bộ truyền động . Áp suất đầu ra tăng lên này đến bộ truyền động làm cho trục van di chuyển.

Chuyển động của trục van được đưa trở lại Beam bằng một cam. Khi cam quay, Beam xoay quanh trục phản hồi (Feeback axis) để di chuyển bộ flapper ra khỏi vòi phun. Áp suất vòi phun giảm và giảm áp suất đầu ra đến bộ truyền động. Chuyển động của trục van tiếp tục lùi flapper ra khỏi vòi phun cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Khi tín hiệu đầu vào giảm:

Bellow co lại (được hỗ trợ bởi một lò xo bên trong) và Beam xoay về trục đầu vào để di chuyển flapper ra khỏi vòi phun. Áp suất vòi phun giảm và rơ le cho phép giải phóng áp suất trong bộ truyền động vào bầu khí quyển, cho phép trục van di chuyển lên trên.

Thông qua cam, chuyển động của trục van được đưa trở lại vào Beam để định vị lại flapper gần vòi phun hơn. Khi đạt được các điều kiện cân bằng, chuyển động của trục dừng lại và flapper được định vị để ngăn chặn sự giảm thêm áp suất của thiết bị truyền động.

2.2 Bộ định vị Analog I/P

Loại bộ định vị van thứ hai là bộ định vị analog I / P. Hầu hết các bộ xử lý hiện đại sử dụng tín hiệu DC 4 – 20 mA để điều chỉnh các van điều khiển. Điều này yêu cầu bộ định vị chuyển đổi tín hiệu dòng điện thành tín hiệu áp suất khí nén (dòng điện sang khí nén hoặc I / P).

• Ký hiệu I: dòng điện (Current)
• Ký hiệu P: Pneumatic (khí nén)
• I/P: hiểu là bộc huyển đổi từ tín hiệu dòng điện sang tín hiệu áp suất khí nén

Trong bộ định vị I / P điển hình (xem Hình trên), bộ chuyển đổi nhận tín hiệu đầu vào DC và cung cấp tín hiệu đầu ra khí nén tỷ lệ thông qua một sự sắp Nozzle / flapper. Tín hiệu đầu ra khí nén cung cấp tín hiệu đầu vào cho bộ định vị khí nén (như ở trên) đề điều khiển vị trí van.

Đọc thêm: Valve Flow Coefficient (Cv) là gì?

2.3 Bộ điều khiển van kỹ thuật số

Bộ điều khiển van kỹ thuật số (Digital Valve Controllers) hay còn gọi là bộ định vị thông minh (Smart Positioner)

Trong khi bộ định vị khí nén và bộ định vị analog I/P cung cấp khả năng điều khiển vị trí van cơ bản, bộ điều khiển van kỹ thuật số bổ sung thêm một khía cạnh khác cho khả năng của bộ định vị. Loại bộ định vị này là một công cụ dựa trên bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý cho phép chẩn đoán và giao tiếp hai chiều để đơn giản hóa việc cài đặt và khắc phục sự cố.

Trong một bộ điều khiển van kỹ thuật số điển hình, tín hiệu điều khiển được đọc bởi bộ vi xử lý, được xử lý bằng thuật toán kỹ thuật số và được chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện truyền tới bộ chuyển đổi I/P. Bộ vi xử lý thực hiện thuật toán điều khiển vị trí van thay vì một chùm cơ khí, cam, và cụm flapper (theo bộ định vị I/P).

Khi tín hiệu điều khiển tăng, tín hiệu điều khiển đến bộ chuyển đổi I/P tăng, làm tăng áp suất đầu ra từ bộ chuyển đổi I/P. Áp suất này được chuyển đến một rơ le khuếch đại khí nén và cung cấp hai áp suất đầu ra cho thiết bị truyền động. Với tín hiệu điều khiển ngày càng tăng, một áp suất đầu ra luôn tăng và áp suất đầu ra kia giảm.

Bộ truyền động tác động kép sử dụng cả hai đầu ra, trong khi bộ truyền động tác động đơn chỉ sử dụng một đầu ra. Áp suất đầu ra thay đổi làm cho trục của bộ truyền động di chuyển. Vị trí van được đưa trở lại bộ vi xử lý.

Trục van tiếp tục di chuyển cho đến khi đạt được vị trí chính xác. Tại thời điểm này, bộ vi xử lý ổn định tín hiệu điều khiển đến bộ chuyển đổi I/P cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Ngoài chức năng điều khiển vị trí của van, một bộ điều khiển van  kỹ thuật số có hai khả năng bổ sung: chẩn đoán và giao tiếp kỹ thuật số hai chiều.

2.3.1. Chẩn đoán

Bộ vi xử lý bên trong bộ điều khiển van kỹ thuật số cho phép bộ định vị chạy, phân tích và lưu trữ các xét nghiệm chẩn đoán. Thông tin chẩn đoán rất hữu ích trong việc xác định sức khỏe của toàn bộ cụm van điều khiển.

Thông qua việc sử dụng cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến hành trình và các chỉ số bên trong, các biểu diễn đồ họa về hiệu suất và sức khỏe của van điều khiển được tạo ra và các hành động được khuyến nghị được trình bày. Thông tin này sau đó được sử dụng để xác định các phần tử của cụm van điều khiển có thể cần bảo trì.

2.3.2. Giao tiếp kỹ thuật số hai chiều

Bộ vi xử lý bên trong bộ điều khiển van kỹ thuật số cũng cho phép bộ định vị giao tiếp với hệ thống điều khiển thông qua tín hiệu kỹ thuật số. Điều này cho phép bộ điều khiển van kỹ thuật số cung cấp phản hồi bổ sung, chẳng hạn như hành trình thực tế của van và cảnh báo chẩn đoán trở lại hệ thống điều khiển.

Giao tiếp HART® (HART® communication)

Một giao thức được sử dụng rộng rãi là giao tiếp HART®. Giao tiếp HART sử dụng tín hiệu kỹ thuật số chồng lên tín hiệu điều khiển DC 4 đến 20 mA truyền thống.

Giao thức truyền thông này cho phép hệ thống máy chủ được sử dụng để định cấu hình, hiệu chỉnh và giám sát sức khỏe của bộ định vị. Giao tiếp HART mang lại những lợi ích giao tiếp kỹ thuật số với sự quen thuộc của hệ thống điều khiển 4 đến 20 mA.

FOUNDATIONTM fieldbus

FOUNDATIONTM fieldbus là một giao thức tiêu chuẩn công nghiệp khác. Giao thức này đều là kỹ thuật số, có nghĩa là tín hiệu điều khiển (điểm đặt) là kỹ thuật số, thay vì dòng điện một chiều từ 4 đến 20 mA. Tương tự như giao tiếp HART, hệ thống máy chủ cũng có thể được sử dụng để cấu hình, hiệu chỉnh và giám sát bộ định vị.

PROFIBUS

PROFIBUS cũng là một giao thức công nghiệp phổ biến cung cấp tất cả các giao tiếp kỹ thuật số. Lớp vật lý cho PROFIBUS và FOUNDATION fieldbus là giống nhau; tuy nhiên, các giao thức truyền thông khác nhau và có những ưu điểm riêng.

Công nghệ không dây cung cấp một phương pháp bổ sung để giao tiếp thông tin giữa hệ thống điều khiển và bộ điều khiển van kỹ thuật số. Đối với các bộ định vị được trang bị khả năng không dây, thông tin kỹ thuật số có thể được truyền độc lập với hệ thống dây dẫn của hệ thống điều khiển.

2.4. I/P Transducer

Trong một số ứng dụng, không yêu cầu mức độ chính xác định vị cao mà bộ định vị cung cấp. Trong các ứng dụng này, bộ chuyển điện khí nén (I/P transducer) có thể được sử dụng.

Bộ chuyển đổi I / P sử dụng mô-đun bộ chuyển đổi để chuyển đổi đầu vào dòng điện 4 đến 20 mA thành đầu ra áp suất tỷ lệ. Một rơ le khuếch đại khí nén bên trong cung cấp công suất cần thiết để cung cấp áp suất đầu ra đến bộ truyền động van điều khiển. Không có phản hồi vị trí van và đáp ứng rất nhanh.

Cảm ơn Bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc Bạn thành công!