Bộ Điều Khiển Nhiệt Là Gì? Cách Hoạt Động Và Phân Loại

Bộ điều khiển nhiệt là gì?

Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị dùng để điều khiển và duy trì nhiệt độ ở mức mong muốn.

Bộ điều khiển nhiệt độ nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến nhiệt độ và điều khiển đầu ra được kết nối với phần tử chấp hành như bộ gia nhiệt hoặc quạt làm mát để tăng hoặc giảm nhiệt độ theo yêu cầu.

Bộ điều khiển nhiệt độ hoạt động như thế nào?

Để kiểm soát chính xác nhiệt độ của quá trình mà không cần sự can thiệp thường xuyên của người vận hành, hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa vào bộ điều khiển.

Bộ điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến nhiệt độ, chẳng hạn như cặp nhiệt điện hoặc cảm biến nhiệt điện trở.

Bộ điều khiển so sánh nhiệt độ thực tế với nhiệt độ cài đặt mong muốn, sau đó phát tín hiệu đầu ra đến phần tử chấp hành để tăng hoặc giảm nhiệt độ cho đến khi đạt giá trị yêu cầu. Bộ điều khiển chỉ là một phần trong toàn bộ hệ thống điều khiển, vì vậy cần đánh giá tổng thể hệ thống khi lựa chọn bộ điều khiển phù hợp.

Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn bộ điều khiển nhiệt độ:

• Loại cảm biến đầu vào: Cặp nhiệt điện, RTD, và dải nhiệt độ cần đo.
• Loại đầu ra yêu cầu: Rơ-le điện cơ , rơ-le bán dẫn (SSR), hoặc đầu ra tương tự.
• Thuật toán điều khiển: On/Off, Tỷ lệ, hoặc PID.
• Số lượng và loại đầu ra: Đầu ra sưởi, làm mát, cảnh báo, hoặc giới hạn.

Các loại bộ điều khiển nhiệt độ cơ bản

On-Off, Proportional và PID là ba loại cơ bản của bộ điều khiển nhiệt độ.

Tùy thuộc vào đặc tính của hệ thống cần điều khiển, người vận hành có thể lựa chọn loại điều khiển phù hợp để duy trì và kiểm soát nhiệt độ của quá trình một cách hiệu quả nhất.

Bộ điều khiển On/Off

• Bộ điều khiển On-Off (On-Off Controller) là dạng điều khiển nhiệt độ đơn giản nhất.
• Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển chỉ có hai trạng thái: bật (ON) hoặc tắt (OFF), không có trạng thái trung gian.
• Bộ điều khiển On-Off chỉ thay đổi trạng thái đầu ra khi nhiệt độ vượt qua điểm cài đặt (setpoint).
• Trong điều khiển gia nhiệt: đầu ra bật khi nhiệt độ thấp hơn điểm cài đặt, và tắt khi nhiệt độ cao hơn điểm cài đặt.
• Vì đầu ra thay đổi khi nhiệt độ vượt qua điểm cài đặt, nên nhiệt độ của quá trình sẽ dao động liên tục — tăng vượt setpoint rồi lại giảm xuống dưới, tạo thành chu kỳ dao động quanh điểm cài đặt.
• Trong trường hợp dao động xảy ra nhanh, để tránh hư hại các thiết bị đóng cắt như contactor hoặc van điều khiển, người ta thêm vào bộ điều khiển một giá trị gọi là độ trễ On-Off (On-Off Differential) hay còn gọi là hysteresis.
• Giá trị độ trễ này yêu cầu nhiệt độ phải vượt quá điểm cài đặt một mức nhất định trước khi bộ điều khiển chuyển trạng thái ON hoặc OFF trở lại.
• Nhờ đó, bộ điều khiển không bị “rung” hoặc chuyển mạch liên tục khi nhiệt độ dao động nhanh quanh điểm cài đặt.

Bộ điều khiển On-Off thường được sử dụng trong các hệ thống không yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như:

• Các hệ thống không thể bật/tắt năng lượng thường xuyên.
• Các quá trình có khối lượng nhiệt lớn, nơi nhiệt độ thay đổi rất chậm.
• Hoặc các ứng dụng cảnh báo nhiệt độ.

Một biến thể đặc biệt của điều khiển On-Off là bộ điều khiển giới hạn (Limit Controller), được dùng cho chức năng bảo vệ hoặc cảnh báo an toàn.

Bộ điều khiển này sử dụng rơ-le chốt (latching relay), phải được reset thủ công và được dùng để ngắt toàn bộ quá trình khi nhiệt độ đạt đến ngưỡng giới hạn.

Bộ điều khiển tỷ lệ

• Bộ điều khiển tỷ lệ được thiết kế để loại bỏ hiện tượng dao động thường gặp trong bộ điều khiển On-Off.
• Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển tỷ lệ là giảm dần công suất trung bình cấp cho bộ gia nhiệt khi nhiệt độ tiến gần đến điểm cài đặt.
• Điều này giúp làm chậm tốc độ tăng nhiệt, tránh vượt quá điểm cài đặt, đồng thời đưa nhiệt độ tiến gần đến giá trị mong muốn và duy trì ổn định.
• Cơ chế điều khiển tỷ lệ được thực hiện bằng cách bật và tắt đầu ra theo chu kỳ ngắn.
• Bộ điều khiển sẽ thay đổi tỷ lệ giữa thời gian bật  và thời gian tắt để kiểm soát công suất cấp cho tải, từ đó điều chỉnh nhiệt độ chính xác hơn.
• Quá trình điều khiển tỷ lệ này diễn ra trong vùng tỷ lệ xung quanh điểm cài đặt nhiệt độ:
• Ngoài vùng tỷ lệ, bộ điều khiển hoạt động như thiết bị bật-tắt, tức là bật hoàn toàn nếu nhiệt độ thấp hơn vùng tỷ lệ, và tắt hoàn toàn nếu nhiệt độ cao hơn vùng này.
• Tuy nhiên, bên trong vùng tỷ lệ, tín hiệu đầu ra sẽ được bật và tắt theo tỷ lệ tương ứng với độ chênh lệch giữa nhiệt độ đo được và điểm cài đặt.
• Tại điểm cài đặt, tức trung tâm của vùng tỷ lệ, tỷ lệ thời gian bật:tắt là 1:1 – nghĩa là thời gian bật bằng thời gian tắt.
• Khi nhiệt độ thấp hơn điểm cài đặt, thời gian bật sẽ dài hơn, giúp tăng nhiệt.
• Ngược lại, khi nhiệt độ cao hơn điểm cài đặt, thời gian bật sẽ ngắn hơn hoặc tắt lâu hơn, giúp giảm nhiệt độ về mức ổn định.
• Nếu nhiệt độ thấp hơn điểm cài đặt , đầu ra sẽ bật trong thời gian dài hơn để tăng nhiệt độ. Ngược lại, nếu nhiệt độ cao hơn điểm cài đặt, đầu ra sẽ tắt trong thời gian lâu hơn để giảm nhiệt độ về mức mong muốn.

Bộ điều khiển PID

• Loại bộ điều khiển thứ ba là bộ điều khiển PID, kết hợp điều khiển tỷ lệ với hai thành phần bổ sung là tích phân và vi phân.
• Bộ điều khiển này kết hợp ba thuật toán điều khiển giúp hệ thống tự động bù sai lệch khi có biến động trong quá trình hoặc tải.
• Hai tham số tích phân và vi phân được biểu diễn theo đơn vị thời gian, đôi khi còn được gọi theo nghịch đảo của chúng, lần lượt là RESET và RATE.
• Các hệ số P (Proportional), I (Integral) và D (Derivative) cần được hiệu chỉnh (tuning) riêng biệt cho từng hệ thống, thường bằng phương pháp thử và sai (trial and error) hoặc sử dụng thuật toán tinh chỉnh tự động.
• Bộ điều khiển PID cung cấp độ chính xác và ổn định cao nhất trong ba loại bộ điều khiển (On-Off, Proportional, PID).
• Nó đặc biệt phù hợp với các hệ thống có khối lượng nhỏ (low thermal mass), phản ứng nhanh với sự thay đổi của năng lượng cấp vào quá trình.
• Bộ điều khiển PID được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống có tải thay đổi thường xuyên, nơi bộ điều khiển cần tự động bù trừ sai lệch do biến động điểm cài đặt (setpoint), mức năng lượng cung cấp, hoặc khối lượng vật chất cần điều khiển.