Các loại thiết bị tự động hóa là gì?

Nhiều người mới làm quen với thiết bị đo lường cảm thấy choáng ngợp khi lần đầu tiên nhìn thấy vô số thiết bị tại chỗ.

Với các tên gọi như đồng hồ đo áp suất, nhiệt kế, lưu lượng kế, lưu lượng kế, van điều khiển, bộ truyền động, PLC, DCS, báo động và máy phân tích, thật dễ bị nhầm lẫn về cách phân loại chúng.

Trên thực tế, thiết bị đo lường tự động hóa không quá phức tạp. Từ góc độ tại chỗ, nó chủ yếu xoay quanh một mục tiêu duy nhất: đo lường các thông số quy trình, truyền chúng, hiển thị chúng và điều khiển chúng — đồng thời cung cấp cảnh báo và bảo vệ thiết bị khi cần thiết.

Dựa trên chức năng, thiết bị tự động hóa có thể được chia thành sáu loại chính:

Thiết bị đo lường tại hiện trường, thiết bị điều khiển tại hiện trường, bộ truyền động tại hiện trường, thiết bị hiển thị và ghi, thiết bị điều chỉnh/điều khiển và thiết bị đo lường chuyên dụng.

Thiết bị tự động hóa không chỉ đơn thuần là thiết bị để "đọc giá trị".

Trong một vòng lặp điều khiển hoàn chỉnh, thiết bị đo lường thu thập các thông số tại hiện trường, bộ điều khiển thực hiện phân tích và tính toán, bộ truyền động thực hiện hành động và thiết bị hiển thị/ghi trình bày dữ liệu cho người vận hành và lưu trữ nó cho hệ thống.

Lấy ví dụ về vòng lặp điều khiển nhiệt độ: cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ; bộ truyền động nhiệt độ gửi tín hiệu đến PLC hoặc DCS; bộ điều khiển tính toán phản hồi cần thiết và xuất tín hiệu; và cuối cùng, van điều khiển điều chỉnh lưu lượng hơi nước, nước nóng hoặc nước làm mát.

Do đó, các thiết bị không tồn tại một cách cô lập. Khi khắc phục sự cố tại chỗ, người ta không thể chỉ tập trung vào một đồng hồ đo duy nhất; thiết bị phải được phân tích trong bối cảnh của toàn bộ vòng lặp điều khiển.

Thiết bị đo lường tại hiện trường đóng vai trò là nguồn dữ liệu cho hệ thống tự động hóa. Nếu phép đo không chính xác, các chức năng hiển thị, ghi và điều khiển tiếp theo sẽ bị ảnh hưởng.

Các thiết bị đo lường tại hiện trường phổ biến bao gồm các thiết bị đo mức chất lỏng, áp suất, nhiệt độ và lưu lượng, cũng như các thiết bị phân tích khí và chất lỏng.

Thiết bị đo mức được sử dụng để đo mức chất lỏng, mức vật liệu hoặc vị trí giao diện trong bể chứa, tháp, lò phản ứng và phễu. Các loại phổ biến bao gồm đồng hồ đo mức cánh từ, đồng hồ đo mức loại phao, máy đo mức radar, máy đo mức siêu âm, máy đo mức điện dung, máy đo mức chênh lệch áp suất và công tắc mức.

Thiết bị đo áp suất được sử dụng để đo áp suất, chênh lệch áp suất hoặc mức chân không trong đường ống, bình chứa và thiết bị. Các loại phổ biến bao gồm đồng hồ đo áp suất, bộ truyền động áp suất, bộ truyền động chênh lệch áp suất, cảm biến áp suất và công tắc áp suất. Đồng hồ đo áp suất chủ yếu được sử dụng để đọc tại chỗ, bộ truyền động áp suất để truyền tín hiệu từ xa và công tắc áp suất cho cảnh báo và chức năng khóa liên động.

Thiết bị đo nhiệt độ đo nhiệt độ của môi trường hoặc bề mặt thiết bị. Các loại phổ biến bao gồm nhiệt kế lưỡng kim, nhiệt kế thủy tinh, cặp nhiệt điện, bộ dò nhiệt độ điện trở (RTD), bộ truyền động nhiệt độ, công tắc nhiệt độ và nhiệt kế hồng ngoại. Cặp nhiệt điện phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao, trong khi RTD phù hợp hơn cho các phép đo nhiệt độ thấp đến trung bình.

Thiết bị đo lưu lượng đo tốc độ dòng chảy của khí, chất lỏng hoặc hơi nước. Các loại phổ biến bao gồm máy đo lưu lượng điện từ, vortex, tuabin, siêu âm, khối lượng, tấm lỗ và diện tích biến đổi (rotameter). Việc lựa chọn đòi hỏi phải xác minh cẩn thận môi trường, phạm vi lưu lượng, áp suất và nhiệt độ, độ nhớt, độ dẫn điện và các yêu cầu về đoạn ống thẳng.

Thiết bị phân tích khí phát hiện thành phần và nồng độ khí. Các loại phổ biến trên thị trường bao gồm máy phân tích oxy, máy dò khí dễ cháy, máy dò khí độc, máy phân tích khí hồng ngoại, máy phân tích khí dẫn nhiệt, máy phân tích khí laser và máy sắc ký khí.

Thiết bị phân tích chất lỏng đo các thông số như pH, độ dẫn điện, độ đục, nồng độ, mật độ, độ nhớt, oxy hòa tan, COD và nitơ amoniac. Các thiết bị này đòi hỏi bảo trì tương đối cao; làm sạch, hiệu chuẩn và kiểm tra đường ống lấy mẫu là những nhiệm vụ thiết yếu.

Thiết bị điều khiển tại hiện trường chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu tại chỗ, chuyển đổi tín hiệu và điều khiển cục bộ.

Các loại phổ biến bao gồm thiết bị điều khiển khí nén, điện và thủy lực.

Thiết bị điều khiển khí nén sử dụng khí nén làm nguồn năng lượng; chúng có cấu trúc tương đối đơn giản và vẫn có giá trị trong các ứng dụng chống cháy nổ. Thiết bị điều khiển điện sử dụng tín hiệu điện, giúp chúng dễ dàng tích hợp với PLC, DCS và máy tính giám sát. Thiết bị điều khiển thủy lực cung cấp lực đầu ra cao và thường được sử dụng trong các ứng dụng tải nặng hoặc lực đẩy cao.

Các yếu tố chính khi lựa chọn các thiết bị này bao gồm tín hiệu đầu vào/đầu ra, độ chính xác điều khiển, tốc độ phản hồi, điều kiện nguồn cung cấp, xếp hạng chống cháy nổ, môi trường tại hiện trường và giao diện hệ thống.

Bộ truyền động tại hiện trường là các thành phần trong vòng lặp điều khiển thực hiện hành động vật lý.

Sau khi hệ thống điều khiển đưa ra lệnh, bộ truyền động sẽ thực hiện bằng cách điều chỉnh van, bộ giảm chấn, cửa cống hoặc các cấu trúc cơ khí khác để thay đổi các điều kiện quy trình như tốc độ dòng chảy, áp suất, mức chất lỏng hoặc nhiệt độ. Các thiết bị truyền động phổ biến bao gồm van điều khiển khí nén, điện và thủy lực; van đóng ngắt; van bướm; van bi; van cổng; bộ truyền động; bộ định vị van; và bộ định vị van thông minh.

Trong quá trình bảo trì tại hiện trường, người ta phải nhìn xa hơn việc bộ truyền động có thể mở và đóng đơn giản hay không. Cũng cần kiểm tra hoạt động trơn tru, định vị chính xác, tín hiệu phản hồi bình thường, thời gian phản hồi phù hợp và liệu vị trí an toàn có đáp ứng yêu cầu quy trình hay không.

Nhiều biến động điều khiển không bắt nguồn từ cài đặt tham số bộ điều khiển, mà từ các vấn đề như kẹt van, bộ định vị không chính xác, áp suất nguồn khí không ổn định hoặc phản hồi bộ truyền động chậm.

Thiết bị hiển thị và ghi hiển thị các thông số tại hiện trường, trạng thái thiết bị và thông tin cảnh báo, đồng thời lưu trữ dữ liệu quan trọng.

Các ví dụ phổ biến bao gồm màn hình kỹ thuật số, màn hình tương tự, bộ điều khiển hiển thị, máy quét đa điểm, máy ghi giấy, máy ghi không giấy, HMI màn hình cảm ứng, thiết bị đầu cuối trạm vận hành và thiết bị cảnh báo âm thanh/hình ảnh.

Màn hình kỹ thuật số phù hợp để giám sát thông số đơn điểm. Bộ điều khiển hiển thị có thể tích hợp các chức năng cảnh báo và điều khiển cơ bản. Máy ghi không giấy lý tưởng để theo dõi xu hướng các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức. HMI và trạm vận hành được sử dụng cho giao diện trực quan, cấu hình tham số, giám sát cảnh báo và vận hành thiết bị.

Các tiêu chí lựa chọn chính bao gồm tín hiệu đầu vào, phương pháp hiển thị, khoảng thời gian ghi, dung lượng lưu trữ, giao diện truyền thông, đầu ra cảnh báo và bảo vệ mất điện.

Thiết bị điều chỉnh và điều khiển đóng vai trò là "bộ não" của hệ thống tự động hóa, xử lý điều chỉnh tự động, điều khiển logic, điều khiển trình tự và bảo vệ an toàn.

Các thiết bị tại hiện trường phổ biến bao gồm bộ điều khiển PID, bộ điều chỉnh vòng đơn và vòng đa, PLC, DCS, FCS, ESD, SIS và máy tính công nghiệp.

Bộ điều khiển PID thường được sử dụng để điều chỉnh các thông số liên tục như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức. PLC thường được sử dụng cho các hoạt động khởi động/dừng thiết bị, điều khiển trình tự, bảo vệ khóa liên động và xử lý tín hiệu rời rạc (bật/tắt). DCS phù hợp cho việc giám sát tập trung và điều khiển phân tán các đơn vị sản xuất liên tục quy mô lớn. SIS và ESD chủ yếu được sử dụng cho khóa liên động an toàn và tắt khẩn cấp; chúng không nên được coi là hệ thống điều khiển tiêu chuẩn.

Các yếu tố lựa chọn bao gồm quy trình được kiểm soát, số lượng điểm I/O, chiến lược điều khiển, giao thức truyền thông, yêu cầu dự phòng, mức độ toàn vẹn an toàn (SIL), quản lý cảnh báo và khả năng bảo trì dài hạn.

Thiết bị đo lường chuyên dụng chủ yếu được sử dụng để phát hiện các thông số độc đáo, giám sát tình trạng thiết bị và thực hiện hiệu chuẩn tại hiện trường. Các ví dụ phổ biến bao gồm máy đo rung trục, máy đo dịch chuyển trục, máy đo tốc độ, thiết bị cân, máy đo độ dày, bộ hiệu chuẩn tín hiệu, máy dò lửa, máy phân tích độ ẩm trực tuyến, máy đo mật độ trực tuyến và thiết bị giám sát tình trạng thiết bị.

Thiết bị đo rung trục, dịch chuyển trục và tốc độ quay thường được sử dụng trên các thiết bị quay như máy nén, tuabin hơi, quạt và máy bơm. Thiết bị cân được sử dụng trong phễu, băng tải và hệ thống định lượng hoặc đóng gói. Máy đo độ dày được sử dụng để đo độ dày của tấm, ống và thành bình, cũng như độ dày lớp phủ. Máy dò lửa thường được sử dụng để bảo vệ quá trình đốt cháy trong nồi hơi, lò sưởi và lò đốt.

Việc lựa chọn các thiết bị này đòi hỏi phải xem xét các yếu tố như loại thiết bị, thông số được đo, vị trí lắp đặt, tốc độ phản hồi, tín hiệu đầu ra và yêu cầu bảo vệ.

Khi lựa chọn thiết bị tự động hóa, người ta không nên chỉ tập trung vào mã model và giá cả.

Đầu tiên, xác định thông số cần đo; sau đó, xác định phạm vi đo, độ chính xác, vật liệu chế tạo, phương pháp lắp đặt, nguồn cung cấp và tín hiệu đầu ra.

Nếu môi trường ăn mòn, các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng phải được làm bằng vật liệu phù hợp. Đối với môi trường nhiệt độ cao, hãy xem xét tản nhiệt, ngưng tụ, cách nhiệt và ống lót nhiệt. Nếu môi trường dễ bị kết tinh hoặc tắc nghẽn, hoặc chứa tạp chất, hãy xem xét sử dụng màng ngăn, làm sạch bằng khí, làm sạch bằng chất lỏng hoặc tiền xử lý mẫu. Ở những khu vực có rung động đáng kể, hãy xem xét lắp đặt giá đỡ và vị trí lắp đặt.

Sau khi thiết bị được đưa vào sử dụng, hãy thường xuyên kiểm tra điểm không, phạm vi, dây điện, nguồn cung cấp, nối đất, truyền thông, đầu ra cảnh báo và trạng thái khóa liên động.

Khi khắc phục sự cố tại chỗ, hãy tuân theo trình tự này: kiểm tra nguồn cung cấp, sau đó là tín hiệu, sau đó là dây điện, sau đó là cài đặt tham số, và cuối cùng là phần tử cảm biến và điều kiện quy trình.

Việc phân loại thiết bị tự động hóa không khó để ghi nhớ, vì mỗi loại thực hiện một chức năng cụ thể.

Ví dụ, thiết bị đo lường thu thập dữ liệu; thiết bị điều khiển xử lý tín hiệu; bộ truyền động thực hiện hành động vật lý tại hiện trường; thiết bị hiển thị và ghi hiển thị và lưu dữ liệu; thiết bị điều chỉnh và điều khiển quản lý điều khiển và khóa liên động; và thiết bị đo lường chuyên dụng phát hiện các thông số độc đáo.

Khi thực sự ở hiện trường, đừng xem thiết bị như một thiết bị cô lập. Hãy xem xét nó trong bối cảnh của toàn bộ vòng lặp điều khiển, và nhiều vấn đề sẽ trở nên dễ chẩn đoán hơn.