Lý thuyết hệ thống điều khiển quá trình & phương pháp đọc lưu đồ P&ID

 Lưu đồ ống dẫn và thiết bị piping and istrumetation diagram, P&ID: miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các

chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển

Phụ thuộc vào hoạt động của van mà khi giá trị đo được tăng lên có thể dẫn đến sự tăng hoặc giảm giá trị đầu ra của bộ điều khiển Tất cả các bộ điều khiển đều có thể chuyển đổi giữa hai chế độ đó là chế độ điều khiển thuận và chế độ điều khiển đảo

Chế độ điều khiển thuận được hiểu là khi bộ điều khiển nhận giá trị tín hiệu đưa về từ cảm biến tăng lên thì bộ điều khiển sẽ tác động đến giá trị đầu ra của nó cũng tăng tỷ lệ theo

Chế độ điều khiển đảo được hiểu là khi bộ điều khiển nhận giá trị tín hiệu đưa về từ cảm biến tăng lên thì

bộ điều khiển sẽ tác động đến giá trị đầu ra của nó giảm theo đúng tỷ lệ tăng của tín hiệu đưa đến

Để bộ điều khiển làm việc chính xác, có đáp ứng đúng như yêu cầu đề ra thì việc nghiên cứu, phân tích mạch vòng điều khiển là điều bắt buộc phải làm Bước đầu tiên là phải xác định hoạt động của van Như trong hình 1-9, vì lý do an toàn của hệ thống mà van phải được đóng lại nếu thiết bị cung cấp không khí bị hỏng Vì vậy van này phải là van khí hoặc van đóng hoàn toàn Bước thứ hai là ta xét đến những tác động của sự thay đổi của giá trị đo đưa về Trường hợp nhiệt độ tăng lên thì lượng nhiệt đưa tới bình chuyển nhiệt sẽ giảm xuống vì vậy van phải đóng bớt lại Để đóng van thì giá trị tín hiệu từ bộ điều khiển tự động tác động đến van phải giảm đi Vì vậy bộ điều khiển này quy định chế độ điều khiển đảo hoặc chế độ tăng/giảm

Nếu ta lựa chọn chế độ điều khiển thuận, thì khi tín hiệu đưa về từ cảm biến tăng lên thì lượng nhiệt đưa vào cũng tăng theo dẫn đến nhiệt độ trong bình tăng lên Kết quả là nhiệt độ tăng lên rất nhanh Điều tương tự cũng sẽ xảy ra trong trường hợp giảm nhiệt độ và lúc đó nhiệt độ cũng sẽ giảm đột ngột Sự lựa chọn hoạt động của bộ điều khiển không đúng đều dẫn đến kết quả là bộ điều khiển làm việc không ổn định ngay cả khi nó được đặt ở chế độ điều khiển tự động

Ta cho rằng hoạt động của bộ điều khiển được lựa chọn là thích hợp thì bộ điều khiển sẽ nhận biết như thế nào khi giá trị tín hiệu đầu ra đạt được yêu cầu? Trong hình 1-10 là một ví dụ, để giữ cho mức nước trong bình không đổi thì bộ điều khiển phải tính toán điều khiển lưu lượng đầu vào cân bằng với lưu lượng đầu ra Bất cứ sự sai khác giữa đầu vào và đầu ra nào cũng làm mức nước trong bình thay đổi Hay nói theo cách khác là lưu lượng đầu vào (nguồn cấp) phải cân bằng với lưu lượng đầu ra (yêu cầu) Bộ điều khiển thực hiện việc đó bằng cách duy trì sự cân bằng khi giữ cho tốc độ chảy ở đầu vào và đầu ra ổn định

Mô tả chức năng hệ thống

Mô tả hệ thống là một công việc quan trọng trong thiết kế, xây dựng và phát triển hệ thống điều khiển quá trình Nó là ngôn ngữ chung để mô tả, bàn bạc trước khi tiến hành triển khai một dự án cũng

như giúp người kỹ sư nắm được các chi tiết kỹ thuật đáp ứng các công việc phát triển, xây dựng hệ thống Các hệ thống thống điều khiển quá trình có thể được mô tả bằng các phương pháp sau:

 Lưu đồ công nghệ (process flow diagram): miêu tả quá trình công nghệ, không chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lường và điều khiển

 Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and istrumetation diagram, P&ID): miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các đường liên hệ thành phần Đây là tài liệu quan trộng nhất với việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển

 Sơ đồ khoá liên động (interlock diagram): sử dụng các biểu đồ logic để miêu tả các thuật toán logic phục vụ điều khiển khoá liên động

 Biểu đồ trình tự (sequence diagram / sequential function chart): biểu diễn các chức năng của quy trình công nghệ

Lưu đồ P&ID

Lưu đồ P&ID có ý nghĩa quan trọng trong việc đặc tả chức năng và thiết bị của một hệ thống điều khiển quá trình, là cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống Các biểu tượng lưu đồ P&ID được sử dụng thống nhất trên toàn thế giới theo tiêu chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA và S5.3 của

Mỹ

Mỗi thiết bị biểu diễn trên lưu đồ thông qua một biểu tượng cùng kỹ hiệu nhãn (tag) Một nhãn bao gồm phần chữ biểu diễn chức năng và phần mã số phân biệt vòng kín (loop) Trên hình 1.11 biểu diễn tóm tắt ý nghĩa của phần chữ và số của một vài thiết bị đơn giản

Hình 1.11 Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng

Phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu đại lượng đo được hoặc biến khởi tạo, sau là

ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc chức năng bị động Tiếp đó là các chữ cái biểu diễn chức năng đầu ra theo một thứ tự tuỳ ý, trừ trương hợp chữ C (control) phải đứng trước chữ V (value)

Các chữ cái phụ nếu có thể đứng sau chữ cái chính để thay đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệch áp suất (P: pressure, D: difference), TAH biểu diễn mức cảnh báo nhiệt độ (T: temperature, A: alarm, H: hight) Để tránh nhầm lẫn, một chữ cái phụ cho chữ cái đầu không được sử dụng để biểu thị chức năng chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đầu ra

Hình 1.12 Lưu đồ P&ID cho quá trình điều khiển mức Trên hình 1.12 là lưu đồ P&ID đơn giản cho ví dụ điều khiển mức chất lỏng bình chứa Ký hiệu LT trong đường tròn biểu diễn chức năng đo và truyền giá trị (Level Transmit), LIC chỉ bộ điều khiển và hiển thị (Level Indecator Conrol), LAH (Level Alarm Hight) và LAL (Level Alarm Low) chỉ chức năng cảnh báo ngưỡng cao

và thấp của mức nước Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ giá trị đặt SP (Set Point), tính toán tự động và đưa tín hiệu điều chỉnh van cấp

Các lưu đồ trong thực tế có thể đơn giản hay phức tạp tuỳ theo yêu cầu và mục đích sử dụng Để mô tả chức năng ta cần lưu đồ đơn giản nhất với các biểu tượng thiết bị, không cần đường tín hiệu điều khiển Để mô

tả sách lược điều khiển ta cần lưu đồ chi tiết hơn với các đường ghép nối tín hiệu các thành phần chức năng Nếu mục đích đặt ra là lựa chọn thiết bị, phát triển phần mềm, cài đặt phần mềm ta sẽ cần lưu đồ chi tiết nhất

Để làm rõ hơn ta xét ví dụ bình trao đổi nhiệt hình 1.13 Trong lưu đồ đơn giản hoá ta thấy chỉ đăc tả chức năng hệ thống, còn ở lưu đồ chi tiết là cơ sở cho thiết kế hệ thống và phần mềm Các chức năng hệ thống bao gồm:

 Đo và ghi lại lưu lượng dầu, sử dụng thiết bị đo lưu lượng FT - 1 (Flow Transmite), một bộ biến đổi khí nén FY-1 () và một máy ghi FR-1 (Flow Record)

 Đo và ghi lại áp suất dầu vào, sử dụng một thiết bị đo áp suất FT-2 (Fressure Transmite) và máy ghi FR-2 (Fressure Record)

 Điều khiển và ghi lại dầu ra khỏi thiết bị thông qua điều chỉnh dòng hơi nóng TRC-3 (Temperature Record Control) sử dụng giá trị đo từ cảm biến nhiệt điện trở RTD (Resistor Temperature Difference)

 Cảnh giới trường hợp nhiệt độ dầu ra quá thấp, sử dụng cảm biến chuyển mạch TSL-3 (Temperature Switch Low) và cơ chế báo động TAL-3 (Temperature Alarm Low)

Hình 1.13 lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt

1.6.2 Tóm tắt tiêu chuẩn ANSI/ISA

S5.1

Biểu tượng thiết bị

Bảng A1-1 liệt kê các thiết bị trên lưu đồ P&ID Cần lưu ý là biểu tượng có thể biểu diễn một thiết bị hoặc một chức năng trong thiết bị chia sẻ (ví dụ một thiết bị điều khiển hoặc một màn hình chia sẻ) Tùy theo mục đích mà lưu đồ có thể chứa chi tiết biểu tượng cho từng thiết bị/chức năng hoặc bỏ qua một số trong những trường hợp đối tượng hiển nhiên

Phòng điều khiển Vị trí mở rộng Hiện trườn (local) trung tâm (remote) (Auxillary Location)

Thiết bị phần cứng

đơn lẻ

Thiết bị phần cứng

đơn lẻ

Phần mềm, chức

năng máy tính

Logic chia sẻ

ĐK logic khả trình

Thiết bị hai biến

hoặc một biến với

nhiều chức năng

Bảng A1-1: Biểu diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID Trong trường hợp các thiết bị/chức năng được đặt sau bảng, hoặc người vận hành không được phép can thiệp thì đường gạch giữa các biểu tượng được vẽ bằng nét đứt

Biểu tượng các đường nối tín hiệu

Để phân biệt rõ ràng các đường ống dẫn, tất cả các đường tín hiệu và đường nối khác cần được vẽ nét thanh Các đường nối được thể hiện bằng các biểu tượng trong hình A1-2 Tín hiệu không định nghĩa

Đường nối tới quá trình kỹ thuật, hoặc đường cấp năng

lượng cho thiết bị

Tín hiệu khí nén

Tín hiệu điện

Tín hiệu thuỷ lực

Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định)*

Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn định)*

Đường nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ

liệu)

Đường nối cơ học

Ống mao dẫn

* Các hiện tường điện từ bao gồm cả nhiệt, sóng điện

từ, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng

Thông thường các mũi tên được sử dụng để bổ xung làm rõ chiều của luồng thông tin Các chữ viết tắt dưới đây được dùng để ký hiệu các đường cấp năng lượng:

 AS (Air Supply): cấp không khí

 ES (Electrich Supply): cấp điện 

GS (Gas Supply): cấp khí

 HS (Hydraulic Supply): cấp thuỷ lực

 NS (Nitrogen Supply): cấp Nitơ

 SS (Steam Supply): cấp hơi nước

 WS (Water Supply): cấp nước

Mức tín hiệu có thể ghi kèm theo các ký hiệu đường cấp, ví dụ ES 24VDC nghĩa là đường cấp nguồn 24V một chiều

Nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng

Biến đo hoặc Bổ nghĩa cho chữ Chức năng xử lý Bỗ nghĩa cho chữ

biến đầu vào cái đứng trước (hiển thị, báo động, cái đứng trước

đầu ra)

(Alnalysis)

(Control)

(Difference)

(Electric)

F Lưu Lượng Tỉ lệ (Fraction)

(Flow)

sát

(Current)

K Thời gian Tuần suất thay đổi Trạm điều khiển

(Momentary) (Middle)

(Pressure)

Q Số lượng Tính phân, tổng

(Quantity)

S Tốc độ (Speed) An toàn (Satety) Chuyển mạch

(Switch)

(Weight)

biến đổi

Z Vị trí, kích thước Trục Z Truyền động, chấp

hành

Bảng trên đã liệt kê các chữ cái phân biệt chức năng, phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái

ký hiệu biến đo hoặc một biến đầu vào, sau đó đến các ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc bị động Tiếp đến là các chữ cái ký hiệu chức năng đầu ra theo một thứ tự tuỳ ý

Hình 1.14 minh hoạ một ví dụ mạch vòng điều khiển áp suất Lưu đồ a là cơ sở cho phát triển hệ thống

và phầm mềm, b là lưu đồ đơn giản hoá quá trình công nghệ

Hình 1.14: Lưu đồ P&ID cho vòng điều khiển áp suất Mạch vòng điều khiển áp suất được điều khiển bởi trạm DCS Giá trị đặt được đưa ra từ một máy tính thông qua đường truyền dữ liệu Mạch vòng điều khiển có nhãn số 211, ký hiệu vòng điều khiển 11 trên lưu đồ số 2 Thiết bị đo áp suất được PT-211 được nối với ống dẫn qua một van khoá và phạm vi làm việc 0-300 PSIG Tín hiệu điện ra là dòng 4 - 20mA được đưa tới đầu vào AI-17 của hệ DCS Bộ điều khiển và chỉ báo áp suất PIC-211 trên trạm số 2 (C-2) Đầu ra của bộ điều khiển được ký hiệu AO-21 được đưa tới bộ biến đổi dòng - áp suất (PY-211) gắn tren van điều chỉnh PCV-211 Van điều chỉnh là loại tuyến tính có trang bị bộ định vị P (Positioner) Cả bộ định vị và bộ biến đổi PY-211 được cấp nguồn khí nén AS

Line Symbols

Ký hiệu các loại đường chính được làm nổi bật ở hình trên Hơn thế nữa, loại đường phổ biến nhất là đường thẳng liền (solid line), chúng được sử dụng để thể hiện đường ống Một đường với các nét đứt dài có nghĩa là

Các loại đường phổ biến là tín hiệu điện (bất cứ nơi nào có dây điện đi qua), thiết bị khí nén để điều khiển thiết bị và van (được gắn nhãn như tín hiệu thủy lực) và liên kết phần mềm hay dữ liệu bao gồm thông tin liên lạc như những gì xảy ra bên trong một chương trình máy tính hoặc logic bậc thang PLC Phần mềm này có thể bao gồm bất cứ thứ gì xảy ra bên trong một máy tính, nhưng bạn cần một sự mô tả tính năng để thực sự biết về chúng, như chúng ta đã thảo luận ngay trên Chỉ cần biết rằng khi bạn nhìn thấy một đường phần mềm, nó có nghĩa là các máy tính đang làm việc và liên kết các thiết bị theo một số cách đến các điều khiển hệ thống.

Computing Functions

Những biểu tượng này mô tả các loại chức năng chạy trong một chương trình máy tính Một vấn đề với việc

áp dụng các biểu tượng này là chúng thực sự không cung cấp những hiểu biết vững chắc về vấn đề sao nhà máy được điều khiển trong các trương hợp phức tạp Vì lý do này, hầu hết các P&ID sẽ hạn chế sử dụng các

hiểu tượng chức năng tính toán này Và bạn có thể bỏ qua chúng.

Valve Symbols

Hình dưới thể hiện các ký hiệu chính của các loại van vận hành tay và các bộ điều tiết của các van tự động Lưu ý các ký tự ở cạnh bộ điều tiết chỉ ra trạng thái hư hỏng Đây là một ví dụ điển hình trong việc sử dụng

các ký hiệu tượng trưng để cung cấp các thông tin quan trọng có ý nghĩa đối với người vận hành.

Connection Types

Về các loại kết nối, các biểu tượng được thể hiện trên hình dưới là tiêu chuẩn Một điểm cần lưu ý trong hệ thống đường ống nhựa (PVC, CPVC và ABS), chúng thường được dán bằng keo và sử dụng kết nối được gọi là “socket weld” Đây là mối nối khi dùng một ống cho vào trong một van hay cút… sau đó sẽ hàn phía

bên ngoài Tuy nhiên, socket weld cũng có thể được áp dụng đối với hệ thống ống kim loại

Không có chỉ định cụ thể giữa các kết nối dán keo và kết nối hàn hay ren.

Khi các bạn bắt đầu tìm hiểu về các loại kết nối sẽ được sử dụng trong ống dẫn, điều này không thực sự là cái gì đó được dựa trên sở thích cá nhân hay đơn giản là những thứ các bạn cần phải có trong tay trong giai

đoạn bảo trì Đây là cái gì đó mà dựa trên những thứ giống như là những thứ trên các ống, các điều kiện

(nhiệt độ, áp suất), và các yếu tố khác (giống như các yêu cầu hỗ trợ) Những kết nối được nhắc đến ở trên sẽ được định nghĩa trong bảng vật liệu và tiêu chuẩn đường ống Chúng

ta không cần tìm hiểu sâu về chúng ở đây nhưng bạn có biết là tôi vừa có một ý tưởng, chủ đề này thật tuyệt cho các bài viết trong tương lai Những điều thú vị thì không có điểm dừng phải không các bạn?

What about pipe fittings?

Trong trường hợp bạn thắc mắc (và tôi biết sẽ như vậy), các bản P&ID thường không hiển thị các phụ kiện đường ống (khuỷu, T, rắc co,…) và nó cũng không hiển thị các bích nối mà thực ra có tồn tại ở nhà máy Chúng là những chi tiết mà xuất hiện trong các khu vực/đường ống, bản vẽ isometric và bản vẽ lắp đặt Do

đó, trừ khi trong môt vài lý do nó quan trọng đối với thiết kế quá trình thì các chi tiết này thường không

được thể hiện trong bản vẽ.

Transducer Functions

Phần này đề cập đên sự chuyển đổi tín hiệu Chỉ các kỹ sư điện làm việc với phần này, và bạn không cần thiết phải tập trung nhiều vào nó Trong thực tế, tôi hầu như bỏ qua nó nhưng tôi biết rằng nếu tôi bỏ ở đâu

thì các bạn sẽ hỏi về nó, vì vậy hãy tìm hiểu chút về chúng.

Một bộ chuyển đổi là thiết bị mà nhận một tín hiệu theo một dạng và chuyển đổi nó sang dạng khác khi đó

nó có thể được sử dụng bởi một thiết bị khác VD: một van điều khiển cần khí nén để phát động nhưng lại

nhận tín hiệu điện để điều khiển chúng làm điều đó Bằng cách này hay cách khác, các bạn cần biến tín hiệu

điện thành tín hiệu khí nén khiến chiếc van có thể hoạt động.

Trong ví dụ trên, một bộ chuyển đổi I/P (điện sang khí nén) là cần thiết khi đó chiếc van có thể được định vị trí đến bất kỳ điểm mở nào chỉ bằng tín hiệu điện Đây là thiết bị được sử dụng phổ biến nhất trong các nhà

máy còn những cái khác thì hiếm dùng hơn.

Bây giờ, các bạn đã hiểu I/P có nghĩa là gì khi bạn nhìn vào bản vẽ và đừng lo lắng quá nhiều về phần còn

lại của chúng Sau này, các bạn sẽ tìm hiểu về chúng kỹ hơn.

Primary Flow Elements

Các ký hiệu này chỉ đơn giản là các minh họa giúp người đọc bản vẽ dễ dàng hơn trong việc nhận ra các loại

phần tử dòng chảy được sử dụng Các loại phổ biến được thể hiện trong bảng D001.