HOÀNG MINH SƠN
CO SO HE THONG
Trang 3-Lời nói đầu
Điều khiến quá trình là một lĩnh vực ứng đụng quan trọng của kỹ thuật điều
khiến trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất (gọi chung là cổng
nghiệp chế biến, process industrw) Nội dụng của lĩnh vực điều khiển quá trình
kết nối chặt chẽ nến tảng của lý thuyết diều khiến tự động với các bài toán của
quá trình công nghệ Pham vị đề cập cụ thể ở đây là các bài toán mồ hình hóa,
phân tích, thiết kế và thực thì hệ thống điều khiển cho các đổi tượng là quá trình
công nghệ
Điều khiển quá trình không phải là một lình vực mới, nhưng luôn chiếm vi tri
quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp Khác với những ngành công, nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy xi măng, một nhà máy diện hày một nhà máy lọc dầu nào cũng không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống
điều khiển tự động Quá trình toàu cần bóa gầu đây tạo ra nhiều thị trường tiêu
dùng mới, dồng thời gia tăng sự cạuh tranh tbạnh mẻ giữa nhiều tập doàn sảu
xn
c doanh nghiệp buộc phải nang cao mức độ tự động hóa dây chuy: tăng năng sui
giảm sử dụng nguyên liệu thô (yêu cầu tải chế), gì
nàng thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường buộc các kỹ sư ph:
thiết kế quá trình công nghệ mới thích hợp hơu, nhưng đồng thời cũng đật ra
những ụ
sử thiết kế điều khiến, Nhìn từ tuột góc độ khác, những tiến bệ về công nghệ thiết bị điều khiển (DC8, PLG/HMI, I?C bus truting, ) ngày cảng tạo diễu kiện thuận lại hơn chủ việc cải đất c M n xuẤt ¢ , chất lượng sẵn phẩm và hạ giá thành sản xuất te Op ur tién thụ nhiên liệu và khả, đưa ra những: eu ao bơn cho hệ thông diễu khiển tự động và cho những người kỹ e sách lược và thuật toán điển khiển tiên tiên diều đáng nói là trong khi công nghệ său xuất hoặc công nghệ thiết bị id dã có tl lạc hậu chỉ sau 10-15 năm, cơ sở phương pháp luận cho thiết kế hệ thống điền khiển quá trình vẫn giữ nguyên giá trị sau hàng nửa thế kỷ - tất tầm cao mớ " được bổ
Cuỗn sách Cơ sở hệ thông Điều khiển quá trình là giáo trình môn học “Dian khiển quá trình” cho sình viên đại học ngành Kỳ thuật Điều khiển và Tự dộng hóa của trường Đại học Dách khoa Hà Nội Nội dung chính cúa cuốn
06 thé sch cling
sử dụng lân: tài liệu học tập cho sinh viên các ngành công nghệ liên quan
(Nhiệt, Hóa, Sinh học-Thực phẩm, Mỗi trường,
sách các Dễ làm việc hiệu quả với cuốn
inh viên cần được trang bị kiến thức cơ sở của lý thuyết điều khiến tự
động Dặc biệt, cuốn sách được trình bảy theo một phong cách diễu giải kết hợp
nhiều ví dụ minh họa cụ th
Trang 4
iv
nhóm bạn đọc Tác giá cũng hy vọng nhiều đồng nghiệp trong các trường dại học
và viện nghiên cứu tìm thấy trong cuốn sách những tư liệu tham khảo bổ ích
Cnén sách được biên soạn dựa trên kinh nghiệm từ nhiều năm giảng dạy niên
học “Điều khiển quá trình” và một số môn liên quan trong trường đại học, cũng
như các khóa đào Lạo nâng cao cho kỹ sư bên ngoài Ngoài chương mở đầu, nội
dung cuốn sách bao gồm hai phần chính là Cơ sở mô hình hóa (chương 3 én
chương 4) và Thiết kế điều khiển (chương 5 đến chương 9) Hầu hết các ví dụ
mình họa được thực hiện với sự hỗ trợ của công cụ MATLAB
“Tác giả bày tỏ lòng cảm dn chân thành tới các đồng nghiệp và các bạn sinh viên - những người đã giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình cho sự ra đời của cuốn sách
PGS TS Phan Xuân Minh đã cho nhiều lời khuyên cho thiết kế nội dung cuốn
sách PGS T8 Nguyễn Doãn Phước là người đã đọc phần lớn các chương và dưa ra nhiêu bình luận, góp ý quý báu T8 Trần Trung Kiên đã đọc và góp ý rất chỉ tiết cho chương 3 Ths Nguyễn Thu Hà đã đọc kỹ lưỡng và sửa lỗi nhiều chương của bản thảo Nhóm sinh viên làm đồ án tốt nghiệp K46 đã đóng góp một số tư liệu và ví du cho nội dung chương 8 Những ý kiến phản hỗi từ phía sinh viên qua nhiều khóa học cũng đã tác dộng quan trọng tới việc lựa chọn và hiệu chỉnh
các nội dung trình bây,
Để có thể hoàn thành cuốn sách, tác giả đã nhận được sự cảm thông sâu sắc
từ những người thân trong gia đình, đặc biệt là từ người vợ và con gái yêu quý
Họ là những người chịu thiệt thôi nhiều nhất, khi mà trong ni tháng không
được chia sẻ những “cuối tuần” và "buổi tối”, Cuốn sách này tác giả muốu đành
tặng rước tiên cho hai người thân yêu của mình, dủ biết là không thể bù đắp
dược sự hv sinh của họ
'Trong quá trình chỉnh sửa, bỗ sung cho lần tái băn này, tác giả đã nhận được nhién góp ý, bình luận quý báu từ đồng nghiệp và bạn đọc, đặc biệt những chỉ
dẫn sai sốt từ cdc ban sinh viên Tác gi chân thành cẩm ơn và xin được tiếp tục
tiếp nhận thông tín phản hãi theo địa chỉ:
PGS.TS Hồng Minh Sơn
Bộ mơn Điều khiến tự động,
Trang 5Mục lục CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU tì 12 t3 1⁄4 1.6 17
Điều khiển quá trình là gì?
1.1.1 Quá trình và các biễn quá trình 1.1.2 — Phân loại quá trình
1.1.3 Bài toàn điều chỉnh va bai toau bam 6
1.1.4 — Các vấn dễ thù của điều khiến quá trình 7
Mục dích và chức năng khiểu quả trình 1ữ 1.2.1 — Vận hành ổn định : 1.2.2 Năng suất và chất lượng sản pÌ 1.2.3 Vận hành an tồn 1.2.4 Bảo vệ mơi trường
1⁄25 — Hiệu quả kinh tế
Phân cấp chức năng diễn khiển quá trình 13.1 Giao diện quá trình 1.3.2 1.3.3 — Điều khiển vận hành và giấm sát 1.3.4 Điễn khiển cao cấp Các thành phẫn cơ bản của hệ th 1.4.1 Thiết bị đo 1.4.2 Thiết bị điềa khiển 14.3 Thiết bịc Các nhiệm vụ phát trí hành hệ thông 1.5.1 Phân tích chức uãng hệ thống
1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình
1.8.3 Thiết kế cấu trúc điều khiế
Trang 6vi 1.7.1 Ban thêm về khái niệm điều khiển quá trình 2 Về tài liệu thai khảo
1.8 Câu bồi và bài tập
CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH QUÁ TRÌNH 4
2.1 Giới thiệu chung "_
211 Mô hìuh và năịc đích mô hình hóa
2.1.2 — Nguyên tác chung của mơ hình hỏa q trìnÌ
2.1.3 Các phương pháp dựng mô hình toán học:
2.2 Tổng quan về quy trình mô hình hóa
221 Đặt bài tốn mơ hình hóa 2.2.2 Phan chia hé théng
2,23 — Xây dựng các mô hình thành phần
2.2.4 — Nết hợp các mô hình thành phan
2.25 Phan tich va k chứng mô hình
2.3 Phân loại mơ hình tốn học ¬
Mơ hình tuyếu tính và mô hìn| phì tuy
Mô hình đơn biến và mô hình đa biến Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biển thiên
Mô hình tham số tập trang và mô hình tham số rải
Mô hình liêu tục và mô hình gián đoạn ti 2.4 Các dạng mô hình liên tục 2.4.1 Phương trình vi phan 2.4.2 Mô hình trạng thá 2.4.3 M6 hinh dap tag quá độ 244 Mô hình bàm truyền đạt
24.5 Mo hinh dap img tần số 2.5 0 Céc ing hind giap dean
2.5.1 Phương trình sai phân
2.5.2 Mô hình trạng thái
2.53 — Mô bình dáp ứng quá độ
3.5.4 Các mô hình đa thức và bầm truyền đạt xung
2.6.5 — Mô bình lâm truyền đạt giần đoạn
2.6 Ghi chú và tài liệu tham khảo 2.7 Cân hỏi và bài tập,
CHƯƠNG 3 MƠ HÌNH HĨA LÝ THUYẾT
3.1 3.2
“Tổng quan các bước tiến hành Nhận biết các biến quá trình
Trang 7vii
3.3.2 Vidy thiét bi khudy trén lién tuc 3.23 Ví dụ thiết bị gìa nhiệ
3.2.4 Vi dụ thán chưng huyện hai cầu tử 3.3 Xây đựng các phương trình mô hủnh : 3.3.1 Phương trình cân bằng vật chất 96
3.3.2 Phương trình cân bằng năng lượng „161
3.3.3 Phương trình truyền nhiệt
3.3.4 Phương trình động học phân ứng hóa học 108 3.3.5 Phương trình cân bằng pha
3⁄4 Phân tích bậc tự do của mô hình
3.41 Bậc tự do của hệ thống
3.4.2 Ví dụ thiết bị khuấy trộn liên tục
3.4.3 Ví dụ thiết bị gia nhiệt 3.4.4 Ví dụ nồi hơi bão hòa
3.5 _ Tuyến tính hóa và mô hình hảm truyền đạt
3.5.1 Biến chênh lệch và mô hình ham truyén dat 3.8.2 Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc 3.5.3 Độ phi tuyến của mô hình
3.5.4 Tuyến tính hóa với phép đổi 3.6 Mô phông quá trình
3.6.1 Phân loại các phương pháp mô phỏng 3.6.2 Giải hệ phương trình vì phân (phi tuyến) 3.6.3 Giải hệ phương trình vi phân tuyến tính 3.6.4 Mô phỏng quá trình sử dụng MATLAB
3.7 Một số vi dụ quá trình tiêu biểu
3.71 Chuỗi ba thiết bị phản ứng liên tục đẳng nhiệt 142
3.7.2 Thiết bị phản ứng thu nhiệt sợi đốt 5
3.7.3 Thiết bị phản ứng liên tục tỏa nhiệt 18
3.7.4 Tháp chưng luyện hai cấu tử 3.8 GIi chú và tài liệu tham khẢo
3.9 Câu hỏi và bai Lap
CHƯƠNG 4 NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH 171
4.1 Khái niệm và những nguyên tắc cơ bản 4.1.1 Các bước tiễn hành
4.1.2 Phân loại phương pháp nhận dạng 4.1.3 Đánh giá và kiểm chứng mô hình 4.2 Các phương pháp dita trên đáp ứng quá độ
4.2.1 Mô hình quán tính bậc nhất có trễ
4.2.2 Mô hình quán tính bậc hai có trễ
Trang 8viii 4.6 47 AB 49 CHƯƠNG 5 CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CƠ SỞ 51 5.3 4.2.3 1.2.1 Các phương pháp dựa trên đáp ứng tan + 143.1 4.3.2 4.11 42 44.3 1.1.1 Nhận dạng trong vòng kín „ LBD LB? St dong Matlab Identification Toothox 4.6.1 4.6.2 1.0.4 16.1 lata chạn phương pháp nhận dạng Ghi chú Can lỗi và bài tập Điều l 511 5142 5.13 1.1.4 Các phương pháp bình phương tối thiể khiển truyền thắn, Mô hình dao động bậc hai
Mô hình chứa thành phân tích ph Nich thích trực tiếp tín hiệu hình sin Xích thích tín hiện dạng xung Phương pháp phân tích phổ tín hiệu
Nguyên lý bình phương tôi thị
Ước lượng tham số mô hình EIR Ước lượng tham số mô hình ARX
Ước lượng tham số mô hình liên tục SOPDT Nhận dạng Lrong vòng phần hồi rd-lc Nhận dạng trong vòng điều khiển P/PI Biển diễn số liệu thực nghiệm Đạng mô hình sử dụng Các thuật toán nhan dang
Khao s&t và kiểm chứng mô hình à tải liệu tham khảo bị gia nhiệt hơi nước n ly tưƯỞng Ví dụ điền khiển t Cầu trúc cơ bân và bộ điều kì
Các tính chất của điều khiển truyền thẳng zat Ứng dụng của điền khiển truyền thang 1245
Điễu kiiển phần hồi “Hư He .346
Ví dụ diễn khiến thiết bị gia nhiệt hoi nước -246 Cầu trúc cơ bẩn 2T BB 5.3.2 3 5.34 Diéu khién tỉ lệ
Vai trỏ của điễu khiểu phản hỗi ao Các vấn đề của điều khiển phản hồi
Điều khiển phu hồi kết hợp truyền thẳng
BS
Ví dụ điền khiển thiết bị khuấy trộn ụ
Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước
Hai cấu hình điền khiển tỉ lệ “
Trang 953.5 Diều khiển tỉ lệ hết hợp điều khiếu phần hồi
5.4 — Diễn khiển Lằng Sun
SAA Vị dụ điều khiến thiết bị gia nhiệt hơi nước
5.4.2 Hai cấu trúc điều khiến tầng
5.4.3 — Điều khiếu vj tei van
5.4.4 Ứng dụng của điền khiển tầng 5.5 Điền khiển suy diễn "¬
5.5.1 Ví dụ điều khiển lớn lượng khí
5.6.2 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt dẫu nóng
5.5.3 Ví dụ điều khiển nỗng độ sắn phẩm chưng luyện
5,6 Điều khiển lựa chọn
5.6.1 Diều khiếu lấn át 5.6.2 Điều khiến giới hạn
5.7 Điều khiển phân vùng
ñ.8 — Ghi chú và tài liệu than! khảo
5.8 — Câu hải và bài tập CHƯƠNG 6 ĐẶC TÍNH CÁC THÀNH PHẨN HỆ THỐNG 283 61 Thiết bị do GAL trac co ban 6.1.2 Dặc tính vận hành „285 đ.13— Dặc tín tinh 6.14 Đặc tỉnh động học
6.1.5 Khái quất một số cản biến công nghiệp 295 6.2 Thiết bị chấp hành và van diễn khiển
6.2.1 ấu trúc cơ bắn của vàn điền kh 6.3.2 Kiểu tác động của vau
3 Dae tinh đồng chày
4 Đặc tính động học
6.2.5 Bộ định vị van 6.3 Các bộ diều khiển phản hôi
Chiều tác động
Bộ điều khiển hai vị trí
khiển PID thyc
6.4 ¡ tham kháo
Trang 10x Cuuone 7 PHAN TÍCH HỆ ĐIỀU KHIỂN PHAN HOI 329 71 T2 T74 T5 CHƯƠNG 8 CHÍNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 81 8.2 83 8.4 Bai toán chuẩn 7.11 Câu hình ch
7.12 Sơ đề khối và mô hình hằm truyền đạt
7.1.3 Chuẩn hóa mô hình
7.1.4 Phát biếu hải toáu ch
Tinh ổn định của hệ điều khiển phản hồi
7.2.1 Khái niệm tính ổn định
7.2.2 Tính ấn định nội của
7.23 Tiêu chuẩn Nyquist
7.2.1 — Tiên chuẩn Bode
7.2.5 — Độ dự trữển định
7.2.6 Tỉnh ổn định được Ghất lượng điều khiển phản hồi
7.3.1 Đánh giá chất lượng trên miễn Lhời gian 7.3.2 Danh giá chất lượng trêu miền tần
Phân tích chat long diều khiển tầng và CÁC quan
Ghi chú và tài liệu tham khảo cv
Cau hai va bai tap
Cu sé chung
8.1.1 Các dạng mô hình quá trình thông dụng:
8.1.2 Xấp xỉ mô hình bậc cao - luật chia đôi
8.1.4 Các cấu hình điều khiển và kiểu bộ điều khiển
8.1.4 Dặc tính vòng điêu khiến sử dụng bộ P1D
8 lựa chọn luật điều khiến
Các phương phap dựa tiên đặc tính đáp ứng,
8.2.1 Phương pháp dựa trên dap ứng bậc thang
8.2.2 Phương pháp dựa trên đặc tính đao động tới hạn 8.2.3 Phương pháp tự chỉnh phản hồi rơ-l
8.24 — Phương pháp của Tyrens và Luyben
Trang 11xi
84.1 Phương pháp tối ưa dỗi xứng
8.4.2 [Phương phap ‘kappa-tear ¬
8.4.3 Phương pháp dựa trên ;hý trữ biêu-pha 33)
Điều khiển PED kết hợp bà Hễ
85.1 Bo dy bao Sinith
8.5.2 Bộ điều khiển PE dự báo
Ghi chú và tài liện tham: khảo Cân hỏi và bài tập CHƯƠNG 9 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỂU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 447 9.1 Giới thiện chủng
9.11 Cấu trúc điều khiến là gì”
9.1.2 Cơ sở thiết kế cần trắc điền khiếu,
9.2 Dựa chọn biến quá trình,
9.2.1 Một số chỉ dẫu ha chọn 9.3.2 Phân tích giá trị suy biếu 9.3 Điều khiển da biến/tập trung 9.4 Điều khiển đơn biếu/phi tập trang
9.4.1 Cặp đôi các biển vào-ra ca
94.2 — Tính ổn định của hệ điển khiểu phì tập trung „460 95 Ghi chú và tài liệm tham khảo 467
Puy ruc A
AI Tôm SAS
A.2 Tom tat chudn ANSI/ISA 6.2 AS Tém tat chndu ANSI/ISA 5.3
Puy Luc B
Ba Chndn vector và chuẩn na trật
B42 Chuẩn tín hiện và chuẩu hệ thốn| " B.3- Phép phân tích giá trị suy bigs (SVD)
Trang 122 ChưaNG LÔ MÔ bầu
Mục đích của chương mở đẫn này là cùng cấp cho người đọc cái nhìn sơ lược về bản chất và mục dích của điều kliển quá trình, tổng quan về các chức năng vả thàuh phẫu cơ bản của một hệ thống điền khiến quá trình và các nhiệm vụ
đặt ra cho người kỹ sư,
1.1 Điều khiển quá trình là gì?
quá trình được hiểu là ting
, tận hành vd gidm sát các quá
“tong nội dung cuốn sĩ
dụng kỹ thuật điều khiến
trị
toàn cho con người, tráy móc uà mới trường,
ch này, khái niệm điều kÌ
tự động trong điều kh
h công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sẵn xuất nà ơn Để làm rõ định nghĩa này, những mục tiếp theo sẽ lần lượt cung cấp một số khái niệm cơ bản và phân tích những vấn để đặc thù của điều khiến quá trinh
1.1.1 Quá trình và các biên quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đỏ vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đối, vận chuyển
hoặc lưu trữ (IEC60050-351 [1], ANST/ISA 88.01 [2], DIN 19222 |4|) Quá trình cổng nghị là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật
chất và năng lượng, nằm trong một cây cÍu nha may san xuất năng hiợn; n công nghệ hoặc mộ
Một quá trình công nghệ cá thể chỉ đơn giản như quá trinh cấp
liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một
ân hoặc một tổ hợp lò hơi-Hurbin, Quá trành
kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được can
thiệp Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng
c pÌương tiện kỹ thuật nữa thiết bị đo và thiết bị chấp hành, Sự phân Diệt
giữa hai khái r tổ hợp lò phần ứng-tháp chưng hụ với c aqua trình kỹ thuật" và “quá trình công nghệ" ở đây không ï nhằm sục đích th dụng trình
nay về sau, udu khong nhẫn mạnh thì khái niệu "quá trình" có
phải là vấn để từ ngữ, mã e ân tiện cho các m
bay sau này, Tì
thể dược hiểu là 'quá trình công nghệ' hoặc "quá trình kỹ thuật" tùy theo ngữ cảnh sử dụng,
Trang thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trinh TChẢi niệm qnd trink cing với sự phân loại các biến quá trình được minh họa trên Hình 1-2 Một biển ảo là một đại lượng hoặc một điều kiện phần ánh tác động từ bên ngoài vào quả trình, ví dụ lí: lượng đồng nguyên liệu, nhiệt ấp nhiệt, trang thai đóng/mở của rơ-le sợi đốt, Một biển ra là
Trang 1311 ĐIỀU KHIỂN QUÁ THỈNH LA Gi? 3 Bién win — Biến điều khiển Nhiễu Vật, chất Năng lượng QUA TRINH TS Năng bụng
Thang tin | Thong tin
Biên trạng thái Bién ra
Biến không cẩn Bién odin điểu — Biến không cần điều khiển khiển điều khiển
HÌỈNH 1-2: QUÁ THÌNH VÀ PHẪN LOẠI BIẾN QUÁ TRỈNH
nguyên nhân trong khí các biến ta thể hiện kết guả (quan hệ nhãn-quả) Bên cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái Các
biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bêu trong quá trình, ví dụ nhiệt độ
lò, áp suất hơi hoặc mức chất lóng hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiêu nhiệu độ, áp suất hoặc mức
Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể được coi là một biến
ra Vỉ đụ, niức nước trong một bình chứa vừa cô thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thơng điều kÌ
các biến vào của quá trình một quá trình là can thiệp ách hợp lý để các biếu ra của nó thôa mãn các
chỉ tiêu cho trước, đồng thời giấm thiêu ânh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật
đãi với con người và môi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các Lhành phần trong hệ
thống cần được theo dõi và gián công mghệ thi không phải bị
biển ra nào cũng cần phải điều khiế
Biến cần diéu khién (controlled variable, CV) 1d mét bi
trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trí đặt (set poid, SỬ) hoặc bám theo một biến chủ đạo/lín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến cần điều khiễu liên quan
hệ trọng tới sự vận hành ổn định, au toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản
phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị
sát chặt chẽ Tuy nhiên, trong một quá trình
Trang 144 HƯƠNG Ï MÔ ĐẦU Biến điều khiển (mandpulated uariable, NV) là một biên vào của quá trình có
thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo y mudn
Trong điều khiến quá trình thì lưu lượng là biến điều khiến tiêu biểu nhất
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiến
trong phạm ví quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới
quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần cô pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là giãm thiểu ảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳu nhau là nÀiễu guớ trình (disturbanee) và nhiễu do (noise) Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lông ra, thành phẩn nhiên liệu, v.v Còu nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu
tác động lên phép đo, gầy ra sai số trong giá trị đo được
Lưu ÿ rằng, cần phân biệt rạch rồi giữa các đầu vào/ta công nghệ và dầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống Nhi từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình Hinh 1-3 minh hoa một bình chứa chất lông đơn giản cùng với các biến đặc trưng Dây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ Mặc dù chất lồng chảy vào và ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lòng h vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc là một biến ra của quá trình Bài toán diễu khiển đặt ra là thông qua điều chính độ mở van cấp, thay đối lưu lượng vào Fy mat cách hợp lý để duy trì mức trong bình ä ổn định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra F, Có thé dé dang thấy, mức chất lỏng h biển cần điều khiển và lưu lượng vào #; là biến điều khiển Trong khi đó, lưu
lượng ra Ƒ¿ phụ thuộc vào nhụ cầu sử dụng của quá trình tiến theo, không thể
can thiệp được ð đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trìnlt hay nhiễu tải
Biễn tảo Nhiéu Fy Bién ra
Bién điều | Biến cần
khiển F; +| BÌNH CHÚA L_ điều khiển he +
a) Sơ đỗ công aghệ 6) Sơ dễ khối
Trang 15
1.1 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÀ
Các biến quá trình có thể đo dược hoặc không đo được Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng do được Tuy nhiên nếu phép do một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có
thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiến gián tiếp thông qua một đại lượng
khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiến Vi thế, một biển cẩn điều khiển trong
một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển Ví dụ, đôi với các
tháp chưng luyện thi biến cần điều khiển là thành phần sản phẩm ra Tuy nhiên,
phép đo thành phần hóa chất thường rất chậm vả kém chính xác, hơu nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rất chậm trong thay đổi thành phần sản phẩm ra Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có quan hệ chặt chế với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dé đo hon và phản ánh nhanh hơn ảnh hưởng của
nhiễu
Trong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điễu khiển không phải bao giờ cũng dễ
dàng Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ
thông điều khiển mà ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau
1.1.2 Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thế được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau
Cách phần loại thứ nhất là đựa trên số lượng biến vào và biến ra Một quá trình
chỉ có một biển ra được gọi lả quá trinh đơn biển, còn nếu có nhiều biến ra thì
được gọi là quá trinh da biển Một quá trình một vào-một ra còn được gọi tắt là
SISO (single-input singla-oulpuÐ, quá trình nhiều vào nhiều ra được gọi là
MIMO (multi-input multi-outpul) CO thé ndi, hdu hét qua trinh céng nghé déu
là đa biến
Dya trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thế phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rec và quá trinh mẽ Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyến hoặc
biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục) Một khi đã đạt được trạng
thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành
Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liền tục là các biến tương tự, tức
chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vì giới hạn Quá trình trao đổi
nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví đụ
quá trình liên tục tiêu biểu Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) cô bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào
Trang 166 CHƯƠNG 1 MỠ DẦU
Trong
quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay dễi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập bữu
hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu điễn bằng các b số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biển logic (cho các trạng thái logic) Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biếu
Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hop (Aé lai, hybrid system), cd dic trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc Quá trình mê hoạt động theo một quy trình thao tác (cổng hức, recipe) cho trước vá tổn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ, Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mê bao gồm cả các biến tương tự và biến cdi rac Đặc biệt,
yêu tố thời gian và yếu tỗ sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá
trình mẽ Các quá trình phản ứng hỏa học, quá trinh pha chế, quá trình lên men (bia, rượu) là những ví đụ tiêu biểu cho quá trình mẻ
Quá trình liên tục và quá trình mê là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khí quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trinh liên tục và quá trinh mẻ Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rởi rạc, vi dụ quá trình nhập- xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/đừng thiết bị, v.v
1.1.3 Bài toán điều chỉnh và bài toán bám
Nhìn tử quan diểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt giữa bài toán điều chink (regulation problem) và bài toán bám (tracking problem) hay cơ chế
servo (servo mechanism) Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết lập hoặc duy trì đầu ra
tại một giá trị đất cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều khiển bánt là dầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi (biết trước hoặc không biết trước) Hình 1-4 minh họa sự phâu biệt hai bài toán nay Trong điều khiển quá trình thì hài toán điều chỉnh chiếm vai trò chủ
éu,
bởi các giá trị đặt thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình
thưởng Các ví dụ tiêu biểu cho bài toán điều chỉnh bao gồm điều chỉnh nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức và nồng độ Trong khi đó, bài toán điều khiển bám được
quan tâm nhiều hơu trong lĩnh vực điều khiển máy móc, điền khiển chuyển dộng
Tuy nhiên, điều khiển bám cũng có những vai trò nhất định trong các hệ thống điều khiển quá trình, ví dụ trong bài toán khởi động/dừng hệ thống, thay dối chế độ vận hành hoặc điều khiển quá trình theo mẽ Mặc dù có những điểm khác nhau cần chú ý trong thiết kế, hầu hết những công cụ của lý thuyết điều khiển
Trang 171.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LÀ GÌ? 7 15 1.5 ' \ 1 05 9 05 -051 —— Pv a PV SP SP 9 0 20 40 60 18 0 1 2 3 4 5 a} b)
HÌNH 1-4: BÀI TOÁN ĐIỂU CHỈNH (6) VÀ BÀI TOÁN BẤM (8) (PV : biến được điều khiển, SP: giá trị đặt, tín hiệu chủ đạo)
“Trong bài toán điều chỉnh tự động ta cũng cần phân biệt giữa yêu cầu điều khiển loại bỏ nhiễu (disturbance rejecHon) với yêu cầu điều khiển bám giá trị
dit (setpoint tracking) Điều khiển loại n cân duy trì biến được điều khiển tại
một giá trị đặt cố định, tức là phải triệt tiêu hoặc giảm hẳn ảnh hưởng của
nhiễu Điều khiến bám giá trị đặt dưa quá trình tới một diễm làm việc mới,
trong đó biến được điều khiển cần bán: nhanh và chính xác theo giá trị đặt đã
thay đổi Qua mình họa trên Hình 1-4h ta có thể thây rõ các đáp ứng hệ thống khác nhau giữa trường hợp thay đổi giá trị dặt với tác động nhiễu Đôi với các
quá trình vận hành liến tục, giá trị đặt ít thay đổi hoặc thay đổi trơn tru nên
yêu cầu loại bỏ nhiễu thực ra có vai trd quan trọng hơn,
114 Các vẫn đề đặc thù của điều khiển quá trình
Lĩnh vực ứng dụng điều khiển quá trình là các ngành công nghiệ|; chế biến, khai
thác và năng lượng Để có thể thiết kế cũng như vận hành tốt các hệ thống điều
khiểu quá trình, trước hết người kỹ sư điều kh: trong lĩnh vực nây, cần hiểu rõ các vấn đề đặc thù Qui mô ứng dụng Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy
mô vừa và lớn, khác với điều khiển máy, diều khiển chuyển động hoặc điều khiển các cây chuyển gia công, lắp ráp Qui mô ở dây có thể được hiểu theo hai nghĩa,
quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện và quy mô về mặt tổ chức sân xuất Mỗi nhà máy hớa chất, nhà máy lọc dầu, nhà máy xi măng hoặc nhà máy điện đều bao gồm nhiều khu vực và phần đoạn liên quan tới nhau Ví
Trang 188 Cuvene 1 MÔ DẦU
phát, hệ thống cấp than, hệ thống xữ lý nước cắp và nước thai, tram phan phéi
và biến thế, Trong mỗi khu vực hoặc phân đoạn bao gồm nhiều tổ hợp thiết bị và quá trình công nghệ (gọi là tổ hợp công nghệ), hợp công nghệ ở đây lại bao gồm các quá trình nhiều vào-nhiều ra không để đâng điều khiển Đương nhiên hệ thống điều khiển cũng phái được thiết kế tương ứng với cấu trúc của nhà máy, song việc phân chia khu vực một cách hợp lý, và điều khiển phối hợp các quá trinh tương tác không phái là vấn dé đơn giản Số lượng điểm vào/ra có thể từ vải trăm cho tới vài nghìn, thậm chí lên tới vài chục nghìn, đặt ra các yêu cầu rầt cao cho chức năng quản lý dữ liệu và vận hành-giám sát Khoảng cách
giữa các khu vực sản xuất, giữa các công đoạn trong đây chuyền có thể từ vài
trăm cho tới vài nghìn mết, vì thế việc thiết kế cấu trúc hệ thống phan tán liên quan tới nhiều yếu tố kỹ thuật như khà năng phối hợp điều khiển, khả năng giám sát vận hành, độ tin cậy và chỉ phí đầu tư
Độ tin cậy và tỉnh sẵn sàng
Bên cạnh quy mô sản xuẩt lớn, các nhà máy trong ngảnh hóa chất hoặc năng lượng đều có yêu cu rất cao về dé tin cay và tính sẵn sảng của hệ thống điều khiển, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại nghiêm trọng về mặt kinh tế Khác với các dây chuyền chế tạo và lắp ráp, các quá trình công nghệ chủ yếu được vận hành liên tục (hoặc theo mê), bất cứ một sự ngưng trệ nào không những lâm giảm năng suất, mà côn có thể làm hỏng các
trang thiết bị công nghệ, đó là chưa nói tới các trường hợp sự cỗ có thể gây ra
hậu quả nghiêm trọng tới con người và môi trường xung quanh Do đó việc dam bảo độ tin cậy và tính sẵn sàng cao là một trong những chức năng quan trọng của hệ thống điều khiển quá trình Yêu cầu về độ tin cậy cao làm tăng chủ phí đầu tư cho giải pháp điều khiển, mặc dù vậy chí phí này chỉ chiếm một phan nhỏ so với cả hệ thống thiết bị ca-điện và thiết bị công nghệ
Chức năng điều khiển
Nhu da dé cap, bài toán điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất
trong một hệ thống điều khiển quá trình Các đại lượng cẩn quan tâm trong ruột quá trình công nghệ trước hết là các biến liên tục và tương tự (lưu lượng, áp
suất, mức, nhiệt độ, thành phần), đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả nắng
chuyển đối và xử lý tín hiệu của các thiết bị do, điều khiển và chấp hành Các
thuật toán điền chỉnh liên quan tới các số thực (dầu phẩy động), vì thế hệ vị xử
lý của bộ điều khiển cũng phải có khá năng thực hiện các thuật toán một cách
hiệu quả Bên cạnh đó, các chức năng khác như điều khiển khóa liên động, điền
khiển trình tự, thu thập dữ liệu cũng cần được chủ ý Việc thực thì đồng thời nhiều vòng điều chỉnh cùng các chức năng điều khiển khác đặt ra các yêu cầu về
khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống Tuy nhiên, phần lớn các đại
Trang 19LA ĐIỀU KHIỂN QUÁ THỈNH LÀ GÌ? 9 lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nếu so với các dại lượng của bài toán điêu khiển chuyến động trong các ứng dụng gia công
cơ khi, vì thế yêu cầu về tỉnh năng thời gian thực it ngặt nghèo hơn Các phương pháp diều khiển được áp dụng ở đấy có thể không phải xuất phát từ các lý thuyết tiên tiến nhất, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểm chứng nhiễu trong thực tế
Khả năng vận hành và điều khiển của quá trình
Khả năng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ và các điều kiện rằng buộc liên quan Giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiệ
hiện đại thường được thiết kế tối ưu về nuặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi
phí đầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển Ví đụ, các bình chứa nhỏ tiết kiệm được chí phí và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hoặc cháy nổ nhưng lại đặt ra một bài toán khó cho việc duy trí hệ thống vận hành ổn định
bởi sự tương tắc mạnh giữa các quá trình kế tiếp nhau Thực tế là người kỹ sử
thiềt kế điều khiển rất khó cô thể cau thiệp vào việc thay đổi thiết kế công nghệ Ngay cả khi quá trình công nghệ là một đối tượng dễ điều khiển về mặt toán
học, tức là ta hoàn toàn có thể đưa ra các luật điều khiển để đạt các chỉ tiêu h lý tưởng, song c điều khiển đó không thể thực hiện
được do các điền kiện ràng buộc Mỗi thiết bị chấp hành chỉ có hiệu lực trong một phạu ví làm việc bởi sự rằng buộc về mặt vật lý Đặc tính động học của mỗi van điểu khiển, mỗi động cơ hoặc máy bơm cũng chỉ cô giới hạn, chúng
không thể tác động nbanh tùy ý theo yêu cầu của thuật toán diều khiển Bi pháp điều khiển Đặc biệt, các quá trình công nghệ cạnh đó, do yêu cầu về chế độ vận hành, một số biến trạng thái cũng như biến
ra cùng phải thỏa mãn một số điều kiện rằng buộc về giá trị và tốc độ hiến thiên Điễu này gây ra khó khăn lớn cho người kỹ sự điều khiển, hỡi hần hết các
phương pháp điều khiển hiện nay không đưa các điều kiện rằng Duộc trực tiếp
vào trong bài toán thiết kế Mô hình không chính xác
Các phương pháp điều kh
đấi tượng Tuy nhiên, vi
nghệ thường gặp rất nhiều khó khăn đo chúng đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sình học rất phức tạp Đặc biệt, việc tiến hành thực nghiệm không phải dễ đảng do liền quan tới vận hành hệ thông
lớn và chỉ phí rất tốn kém Do vậy, các ¡nơ hình tốn học nếu có được thì thường chỉ là gần đúng vì đã bố qua rất nhiều yếu tổ dong học và các yếu tố khác
hiện đại đều đựa trên cơ sở mơ hình tốn học của xảy dựng mơ hình tốn học của các quá trình công
Trang 2010 Chương } M6 pau
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo diều kiện vận hành au toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công ughệ, Trước khi tbu hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải lâm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục dích đó Việc đặt
cũng bắt
đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điểu khiểu Phan tịch mục đích điểu khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cẦn thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
bài toán và đi đền xây dựng một giải nháp diều khiển quá trình bao gì
1, Dam bao vận hành hệ thống ổn định, trơn trụ: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chề độ một cách trơn tru, đâm bao các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hánh, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện
2 Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm báo lưu lượng sản phẩm
theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông si
phẩm trong phạm vỉ yêu cầu liên quan chất lượng sản
3 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các ngày cơ xảy va sự cổ
cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường troag
trường hợp xảy ra sự cố
4 Bảo vệ môi trường: Giảu ô nhiễm môi trường thông qua giảm nông độ khi
thải độc bại, giảm lượng mide sit dung vA nude thai, han chế lượng bụi và khói, giản: tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu
sn Nang cao hiégu qua kinh té: Dam bao ning suat va chất lượng theo yêu cầu
trong khí giãn chỉ phí nhân công, nguyên liện và nhiên liệu, thích ímg nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường Để phân tích các mục đích điều khiể Ác chíc năng điều khiển quá - Hai
đồng nguyên liện có thành phần chất A lần lượt là ay và œ được đưa vào thiết bị
khuẫy trộn, tạo ra một sẵn phẩm có thành phan z theo yêu cầu Lưu lượng khối
lượng của các dòng nguyên liệu được ký hiéu lA w và wn, có thé didu chinh qua
hai van cap tương ứng Quá trình pha chễ được bỗ trợ bởi một hệ thông khuấy trộn gắn động cơ Dung dịch sắn phẩm được dưa tời quá trình tiếp theo với lưu
lượng khối lượng œ Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục
hoặc theo mẻ, ở đãy ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục
trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1-5
Trang 21
12) MỤC ĐÍCH VÀ CHỨC NẴNG DIỀU KHIỂN QUÁ THỈNH 11 tự HÌNH 1-5: — VÍ DỤ THIẾT BỊ KHUẤY TRỘN ĐỚN GIÁN 1.2.1 Vận hành ổn định
Để đấm bão một nhà máy vận hành én định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là
từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự
phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của một hệ thống và cách xác định tính én dinh bằng các cơng cụ tốn học và đồ họa Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo các yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ
Có thể nói, một quá trình ấn định khí mà nó được duy trì ở trạng thái xác lập hay nói cách khác là ở trạng thái cân bằng vặt chất và năng lượng, có nghĩa hoặc uăng lượng tích lũy của nó không thay đối “Trong ví dụ pha chế đụng dịch, việc đảm bảo hệ thống vận hành ổn định thể hiện ở việc duy trì mức trong thiết bị khuấy trện cũng như thành phần sản phẩm ä các giá trị có định hoặc ít nhất là nằm trong một khoảng giới hạn cho phép Cả hai yêu xuất phát từ nguyên lý cân bằng vật chất của lrệ thống ở trạng thái xác lập Có nghĩa là, khi hệ thống vận hành ổn định thì hượng săn phẩu lẫy ra đúng bằng tổng các thành phân đẫu vào, lượng mỗi cấu tử có
mặt trong một sản phẩm đúng bằng tổng lượng cấu tử đó trong nguyên liệu “Trong một số trường hợp khác, các yên cầu về tỉnh ổn định có thể xuất phát từ
các nguyên lý cân bằng năng lượng, cân bằng pha, cân bằng phân ứng hóa học hoặc cân bằng động lực học
Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại cô vai trò quan trọng như vậy? Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng, dẫn đến dâm bảo các yêu cầu về chế độ lâm việc của các thiết bị công nghệ như tránh trâu hoặc tránh cạn bình chứa, tránh quá áp, quá nhiệt
Trang 2212 HƯƠNG LÔ Mỡ BẦU nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ có định hoặc ít thay đổi Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc íL phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ được kéo đài Trung chế độ vận hành ổn định và trơn tru, các van điều khiển không phải thay đổi độ mở một cách thường xuyên hoặc không phải thay đổi một cách đột ngột, các động cơ không
phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh Thứ ba, hệ thống có vận hành ồn định mới có thể ổn định năng suất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu Hơn
nữa, hệ thông vận hành ổn định thi người vận hành cũng ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn
Trong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hảnh bình thường, liên tục mà cồn các giai đoạn khỏi động hoặc dừng, điểm lam vide cing
có thể thay đổi do yêu cầu thay đối giá trị đặt hoặc do tác động của nhiễu và vi
thé có các quá trình quá độ Ví dụ, nhiều thiết bị khuấy trộn có thể vận hành theo mẽ với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khí vận hánh liên tục người ta
có thể yêu cầu thay đổi lưu lượng hoặc nỗng độ của sản phẩm ra Bản thân
nhiều quá trình không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thế chỉ một thay đổi nhỏ biến đầu vào cũng có thể đưa quá trinh tới trạng thái mất ồn định Bất
kể đặc tính động học của quá trình ra sao, giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của
nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định, có thể tại một điểm làm việc mới Đó cũng chỉnh là một,
nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chính, chức năng quan trọng nhất
trong một hệ thống điều khiển quá trình
1.2.2 Năng suất và chất lượng sản phẩm
Trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẩm, chất lượng sắn phẩm hấu hết
được thể hiện trực tiếp qua thành phẫn hóa học, nồng độ, mật độ và một số tính
chất hóa học hoặc vật lý khác Trong khì đó, năng suất thường được thể hiện
qua lưu lượng sản phẩm Nhiệm vụ đâm bảo chất lượng sân phẩm và năng suất
cũng thuộc về chức năng điều chỉnh
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết dịnh tới chất lượng sản phẩm Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn Để đảm báo chất lượng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và
nằm trong một phạm ví cho trước Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng
Trang 231⁄2 MỤC ĐÍCH VÀ CHỨC NẴNG DIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 13
Cần lưu ý rằng, chất lượng điều khiển có vai trò quyết định tới, nhưng không đồng nghĩa với chất lượng sản phẩm Chất lượng điều khiển cao thì mới có thể
cải thiện chất lượng sản phẩm, tuy phiên chất lượng sán phẩm còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác, vi dụ tính toán giá trị đặt Mặt khác, mục đích của diều khiến không phải là mang lại chất lượng sản phẩm cao nhất, mà chỉ cần duy trì
trên miệt ngưỡng yêu cầu nào đó Tuy nhiên, như ta sẽ thấy, chất lượng điều khiển tốt nhất luôn luôn là điều mong muốn
Trong nhiều quá trình công nghệ, phép đo thành phần hóa học rất phức tạp d&n đến việc phân tích chất lượng sản phẩm không phải bao giờ cũng có thể thực hiện được nhanh, thậm chí nhiều khi không thể thực biện trực tuyến Do đó, việc điều khiển đảm bảo chất lượng chất lượng không thể đựa vào chức năng điều chỉnh tự động mà phải được tiến hành ở một mức cao hơn Chức năng điều khiển cao cấp đó được gọi là điểu khiển chất lượng (quality control) va phần hệ thông thực hiện chức năng đó được gọi là hệ thống điều khiển chất lượng (qgualy
control system, QCS) Trén cd sé theo dõi chất lượng sản phẩm (trực tuyến hoặc
qua phân tích trong phòng thí nghiệm), điều khiển chất lượng đưa ra các quyết định điều khiển vận hành (chọn chế độ điều khiển, thay đổi tham số bộ điều khiển, tính toán các giá trị đặt) để đảm bão chất lượng sản phẩm theo yêu cầu
Một phạm trù các phương pháp điều khiển chất lượng đựa trên lý thuyết thống kê được biết tới với cái tên điểu khiến théng ké (statistical process control, SPC)
Điều khiển thống kê sử dụng các phương pháp dánh giá thống kê để xác định mối liền quan giữa các biến quá trình với các thông số sản phẩm (chủ yêu liên quan tới chất lượng), tìm ra các yếu tố ảnh hưởng tốt và xấu tới quà trình điễu
khiển, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp thich hợp
1.2.3 Vận hành an toàn
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nao cũng phải đảm bảo vận hảnh hệ thống một cách an toàn và để bao vệ con người, các thiết bị máy
trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố Chính vì tầm
quan trong của vấn để an toàn cho indy móc, con người và môi trường, chỉ phí
cho đấm bảo chức năng này đối với một số hệ thống có thể vượt xa chỉ phí cho
thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy
Chức năng điều chỉnh đâm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
Áp suất nằm trong một giới hạn an toàn cho phép, Do đặc thù của mỗi quá trinh công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng
sản phẩm, nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá
trị thích hợp hoặc xẽ dịch trong một phạm vi nhất định Ví dụ, dù cho hệ thống
động cơ khuấy trộn có thể đạt tốc độ quay rất cao tbì yêu cầu an toàn của hệ
thống cũng không cho phép đặt một tốc độ cao tùy ý Vì thế, việc khống chế tốc
móc và ni
Trang 24
14 Caving 1 Mo pau độ động cơ là điền cẩn thiết Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không anh hưởng một cách quyết định tới chất lượng sản phẩm được pha chế thì yên cầu an tồn cũng khơng cho phép giá trị mức quá cao, hoặc quá thấp mà đồng thời hệ thống động cơ khuấy đang hoạt động Cho nêu bài toán điều khiển mức ở dây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất vừa đảm bảo an toản hệ thống “Trong các ví dụ khác như nỗi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh, khống chế các giả trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng
Chức năng điều chỉnh chỉ là một trong hàng loạt biện pháp cần thiết bảo ệ thống thiết bị tự động tối tân nhất cũng vẫn có thể bị lỗi, ngay cả khi có cơ chế đự phòng thích hợp Vi thé, con người cẩn phải liên Lục theo đôi diễn biến cũa quá trình và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống thiết bị Chức năng ghỉ chép (recording), ý (indicaHon) và báo động (alarm) giúp người vận hanh theo dõi được các tình huống bất thường của hệ thống điều khiển va của quá trình kỹ thuật, sua đó có những thao tác can thiệp thích lợp
“Tuy nhiên, một người vận hành cớ trình đô cao vả giầu kinh nghiệm déu may
cũng không tránh khỏi mắc sai lầm Miặt khác, trong rất nhiều trường hợp người vận hành không thể phat hiện đi
cũng như không thể có phương tiện can thiệp nhanh Vì vậy, một hệ thống cũng phải có khả năng ngăn cẩn các thao tác vận lành sai cũng như khả năng tự động phát hiện các tình huống nguy hiểm và tự động thực hiện các chức năng
bảo vệ (protecHen) như ngất cách ly hoặc dừng khẩn cấp mả không cần có sự
can thiệp của con người Việc tự động thực hiện các biện pháp đó đựa vào sách lược điêu khiển khóa liên động (inlcrlock condrol) cùng với các trang thiết bị an toàn, thiết bị bảo vệ (cơng tắc an tồn, nút đừng khẩn cấp, rơ-le an toàn đấm vận hành an toàn cho hệ thống Cần lưu ý rằng, một hiển ; đủ hoặc phát hiện kịp thời nguy cơ sự cố
1.2.4 Bão vệ môi trường
Một hệ thống vận hành an tồn khơng dể xảy va sự cố cũng đã góp phần bão vệ
mỗi trường Tuy nhiên, vấn đề bảo vệ môi trưởng cần được chú trọng hơn thông
qua giảm nỗng độ khi thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn
chế lượng bụi và khói Dễ thấy, mức dộ õ nhiễn môi trường của một nhà ináy
một phần liền quau tới các thiết bị quá trinh và công nghệ áp dụng, nhưng một
phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống diều khiển Việc giảm thiểu
hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ờ mức cho
phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành Ví dụ, để
giảm thiểu lượng CO; và bụi than trong khí thải của lò hơi đốt than, bải toán
điều chỉnh đặt ra là duy trì tỉ lệ giữa lượng phiên liệu (bột than) và không khí ở
giá trị thích hợp tùy theo néng độ oxy trong không kbí và chất lượng than
Trang 251⁄2 MỨC BÍCH VÀ CHỨC NĂNG DIB KHIỂN QUÁ THÌNH 15
Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao hiệu quả kinh tế, mặt khác cũng góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiễn và môi trường Đây cũng là một vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những nhà thiết én Can suất kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán diều khi
lưn ý rằng, những dây chuyển công nghệ mới cho phép vận hảnh vi
cao, tiêu hao Ít nguyêu liệu và nhiên liệu thông qua những chu trìth kết hợp,
chu trình khép kín và tái sử đụng năng lượng, nhưng lại thưởng là những quá trình rất khó điều khiển, diều kiện vận hành rất bị rằng buộc, đặt ra yêu cầu ngày cáng cao hơn cho các chức năng điền khiển quá trình
1.2.5 Hiệu quả kinh té
Dé dat được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng suất phải thích ứng được với yêu cầu
thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra)
cũng như tiêu hao Ít nguyên liệu và nhiên liệu Rõ ràng, bải toán đặt ra là ta phải cân nhắc giữa chí phi cho các tác động điều khiến (năng lượng, độ hao mỏn thiết bị) với chất lượng san phẩm Ví dụ, để cải thiện chất lượng điều khiển nhiền khi ta cầu các thuật toán tác động nhanh Tuy nhiên, tác động nhanh thường đồng nghĩa với việc tốn hao nhiều năng lượng cho các cơ cấu chấp hãnh (động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn
đến giảm tuổi thọ cho các thiết bị Cách giải quyết thông thường là đảm báo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giám thiểu chí phí cho các tác
động điều khiến Một cách giải quyết khác là xây dựng và giải quyết bái toán điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiến va chi phí điền khiến được đặt
chung với các trọng số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu (điểu
khiển tối ưu)
Không phải bao giờ các mục đích điều khiến cũng cò thể đễ dàng hòa đồng Việc nâng cao hiệu quả kivh tố chưa chấc hòa đồng với mục địch báo vệ môi trường bởi chỉ phí bổ sung cho các hệ thống lọc bụi, xử lý khí thải và nước thái Việc năng cao chất lượng sản phẩn: chưa chắc đã đồng nghĩa với nâng cao hiệ quả kinh tế hỡi yêu
độc hại trong khí thải hoặc nước thải vượt quá một tiêu chuẩn cho phép thì có
khả năng nhà máy sẽ bị đóng cửa, hoặc nếu chất lượng sản phẩm xuống thấp
đưới một ngưỡng tiêu chuẩn nào đó thì khách hàng sẽ không chấp nhận và lợi nhuận sẽ bị sụt
điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về lân dài Thông thường, hệ thống vận hành cảng gần với các điều kiện rằng buộc thì chỉ phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giảnh được sẽ là cao nhất Một trong
Trang 2616 CHƯƠNG 1 Mỡ DẦU Giới hạn răng buộc trên Điểm làm tiệc \ LA {A không kính tế NV Mi LÊN, AC „_ Điển ôm tiệc kinh tế
Giới hạn rùng buộc dưới
HÌNH 1-6: - HIỆU QUÁ KINH TẾ PHỤ THUỘC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá
trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép Như vậy, cùng với việc lựa chọn điểm làm việc tối ưu thì chất lượng điều khiển tốt nhất (không đồng nghĩa với chất lượng sản phẩm tốt nhất) sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất (Hình 1-6)
Rõ rằng, việc nâng cao hiệu quả kinh tế là một bài toán tối ưu Điều khiển hệ thống nỗi hơi-turbin trong các nhà máy nhiệt điện để đảm bão cung cấp điện năng theo đúng yêu cầu trong khi giảm thiểu chỉ phí nhiên liệu là một ví dụ tiêu
biểu Bài toán tối ưu có thé đặt ra ở hai mức khác nhau là tối ưu hóa thời gian thuc (real-time optimization) và tối ưu hóa quả trình (process optimization) Tôi
vu hóa thời gian thực mang tính chat cục bộ cho một tổ hợp thiết bị công nghệ, được tiến hành trực tuyến trên cơ sở các số liệu thời gian thực Trong khi đó, tối uu hóa quá trình được tiến hành cho cả quy trình công nghệ (hoặc ít ra là một phân đoạn trong quy trình công nghệ), dựa trên cơ sở các số liệu thống kê quá khứ Cả hai hình thức tối ưu hóa này đều là các chức năng điều khiển cao cấp, dựa trên phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ vận hành và các giá trị đặt thích hợp cho các vòng điều khiển cấp dưới để giảm thiếu chỉ phí sán xuất cũng như thời gian chu kỳ sẵn phẩm
1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
Việc phân tích các mục đích điều khiển ở phần trên cũng đã làm rõ được các chức năng quan trọng của một hệ thống điều khiển quá trình Theo quan niệm
cổ điển, chức năng điều khiển quá trình bó hẹp trong bài toán điều chỉnh tự
Trang 271⁄3 PHẬN CẤP CHỨC NẴNG DIỀU KIUỂN QUÁ TRÌNH 17
năng vận hành hệ thống Lhuậu tiện và an toàn cho con người, máy móc va môi trường cũng được đặt ra cao hơn Mặc dù điều chỉnh là chức năng tiêu biểu nhất, song để đạt được các mục dích diều khiển đã đặt ra như phân tích trên đây ta cũng cẩn quan tâm tới các bài toán khác như điều khiển khóa liên động, điều khiển trình tự, vận hành và giám sát, điều khiến chất lượng, tối ưu hóa quá
trình
Các chức năng điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hóa hoặc theo tính chất nhiệm vụ Hình I-7 mô tả một cách phân cấp các chức năng điều khiến quá trình dựa theo chudn IEC 60050-351 [1] với các thuật ngữ nguyên bản dua ra trong bảng chú thích bên đưới Trong thực tế, các chức năng cũng có thể được xếp vào một trong bốn nhóm chính dựa theo fink chất-nhiệm vu la: giao điện
quả trinh, điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp và tận hành-giám sát Phần
đưới đây sẽ lầm rõ bến nhóm chức năng nảy
1.3.1 Giao diện quá trình
Cấp giao diện quá trình bao gdm các chức năng đo lường, chuyển
hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo vệ, Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hóa thì giao diện quá trình tương ứng với cấp cảm biến-chấp hành hoặc một phần của cấp trường Đây thực ra không là những chức năng điều khiển, tuy nhiên không thể thiếu được trong một hệ thống điều khiển quá trình
truyền tín
1.3.2 Điều khiển cơ sở
Theo chuẩn ANSI/ISA 8801-1995 (|2|), điểu khiển cơ sở được định nghĩa là “điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc quả trình” Chức năng điều khiển cơ sở có thé do các bộ điều khiển thực
ột cách tự động (điểu khiến tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp
đảm nhiệm (điểu khiển bằng tay) Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống diều khiển quá trình bao gồm điểu chính (regulatorw control), diéu
khiển rời rạc (discrete control) và điều khién trink tu (sequential control)
Cũng theo định nghia trong ANSI/ISA 88.01-1995, chức năng điểu chỉnh được
định nghĩa là “nhằm duy trì các biến đầu ra của một quá trình gần như có thể
tới các giá trị đặt tương ứng trong điễu kiện có tác động nhiễu tà giá trị đặt thay đổi” Tát nhiên, điểu chữnh tự động lâ chức năng quan trọng nhất mà một hệ thống điều khiển quá trình cần cung cấp Điều chỉnh là bài toán đặc trưng trong các lĩnh vực thuộc công nghiệp chế biến, song cũng là một bài toán điều khiển phổ biến trong các lĩnh vực khác Cũng vì thế, điều chỉnh là một nội dung trọng tâm của lý thuyết điều khiến tự dộng
hiện n
Trang 2818 CHƯƠNG L MỞ BẦU Vận hành, giám sát
Điều khiển cao cấp
Điều khiển cơ sở Giao quá trình Chú thích > mmmooœ người vận hành hệ thông điều khiển quá trình quá trình
nhiễu từ bên ngoài
giám sắt, đánh giá, tối ưu hóa can thiệp của con người
đo lường, đếm
đánh giá, giám sát, điều khiển
vòng hỗ, điều khiển vòng kín,
tối ru hóa, bảo vệ
chỉ thị, báo hiệu, ghi chép
human operator process contral system
process
disturbance from the environment monitoring, evaluating, optimizing
human intervention
measuring, counting
Trang 291/3 PHÂN CẬP CHỨC NẴNG DIE HIẾN QUÁ THỈNH 18 Bên cạnh điều chỉnh thì điểu khí khiển cá sở không thé thi
nh rời rae cũng là một chức năng đi
được trong mỗi hệ thẳng điều khiển quá trình Cũng theo
định nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, diều khiển rời rạc là “duy trì các trạng thái thiết bị quá trình tại một giá trí đích lựa chọn từ một lập các trạng thái én định biết trước” Điều khiển rồi rạc được sử dụng chữ yếu trong hai bài toân: điều khiển thiết bị và điều khiển hiên động Diều khiển thiết bị đơn lễ (device control) dan thuầu là điều khiển khỏi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các
thiết bị quá trình đơn lẽ, vi dy bang tai, dong ca, máy đóng cắt Điều khiến liên động (interlock control) đảm bảo chức năng bản vệ, an toàn cho máy móc và con
người Vi dụ, người ta có thể trang bị một số cắm: biến để phát hiện các trưởng
hợp sự cố như quá áp, quá nhiệt, khí dộc và sử dụng các mach logic dé dua ra các báu động cũng như thực hiện các biện pháp nhằm dưa hệ thống về trạng thái an toàn, Trong đại đa số trường hợp, các trạng thái thể hiện tính logic như
déng/ind, chay/dimg, vì thể khải niệm điểu khiển logic cũng hay được sử đụng
Tuy thiền, ngay cã bài toán điều chỉnh cũng có thể sử dụng các thuật toán logie
(vi dụ điều khiển bai trạng thái, điều khiển mở), vi vậy ta không nêu coi điền
khiển logic là một bài toán điều khiển, mà là một dạng thuật toán điều khiển Điều khiển trình tự được định nghĩa là “một lớp chức năng diéu khiển quá trình công nghiệp uới mục dích dita quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng
thai riêng biệt” Điều khiếu trình tự cô vai trò đặc biệt quan trọng trong thực
hiện khởi động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc cả hệ thống cũng như trong các bài toán điều khiển theo mẽ Điều khiển máy giặt, điều khiển quá trình pha chế hóa chất, điều khiển thiết bị phần ứng theo mẻ là các ứng dụng tiêu biểu
khác của điều khiển trình tự
1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát
bệ thống điều khi ẩn tự động,
mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát Ví dụ, người vận hành cẩn phải có khả năng khỏi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lượng
quá trình cần điều khiển và thay dối giá trị đặt cho chúng, thay di
hành, chỉnh định lại than số cho các bộ điều khiết
thuộc về điều khiển vận hành và giám sát Khác với điều khiển tự động, điểu khiển vận hành và giám sát có sự tham gia, can thiệp trực tiếp của con người để thực hiện việc vận hành hệ thống được hiệu quả hơn Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu là giao diện người-máy, lưu trữ đữ ệ thống quân lý sự kiện và báo động và lập báo cáo tự động
Trong các hệ thống điều khiển giám sắt thì giao điển người-máy (Human- Machine Interface, HMI) la chite nang quan trọng nhất Giao diện ngưởi-máy cung cấp các nàn hình hiển thị hình ảnh chuẩn vé hé théng va thiét bi, cdc hinh
n hiện đại không chỉ dừng lại ä mức điều khi
Trang 30
20 CHƯƠNG 1 MỜ ĐẦU
Ảnh đỗ họa tự do, lưu đỗ công nghệ, đồ thị thời gian thực và đỗ thị quá khứ, các tham số điều khiển, tình trạng các động cơ, các bảng tóm tắt báo động Giao
điện người-máy hỗ trợ thao tác vận hành thông qua các phương tiện chuẩn như
phím điêu khiển, chuột, màn hình tiếp xúc Giá trị của các biến quá trình cũng
như các biến trạng thái máy móc được liên tục (hu thập, lưu trữ và quản lý tròng,
một hệ thống cơ sỡ đữ liệu Trong một số ứng dụng, các dữ liệu vận hành cũng
được liên tục lưu trữ để tiện theo đối về sau Hệ thống cơ sở dữ liệu quá trình là
thành phần trung tâm của phần mềm điều khiến giám sát
Các sự hoặc báo động có thể được tạo ra dưới cắp điều khiển hoặc bởi
chính phần mềm điều khiển giám sát, sau dé được phần mềm điều khiển giám sát quản lý vả thông báo tới người vận hành qua nhiều hình thức khác nhau (hộp thoại thông báo bắt thường, bảng tóm tắt, còi bảo động, ) Hệ thống phần mềm đảm bảo các thông báo có mức ưu tiên cao được xử lý trước, cũng như một thông báo sự kiện hoặc báo động phải được gỗi tới trạm vận hành, người vận hảnh có chức năng quy định
Diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như tình trạng hoạt động của hệ
thống điều khiển không những được giám sát và iưu trữ dưới dang dữ liệu, mà
còn cần được tổng hợp và lưu trữ dưới dạng báo cáo Các báo cáo có thể được tạo ra và in một cách tự động theo giờ, theo ngáy, theo tuần hoặc tháng trên cơ
sở các biểu mẫu lập sẵn
1.8.4 Điều khiến cao cấp
Chức năng điều khiển cao cắp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động
nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu
vào/ra quá trình Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt
hoặc can thiệp vào các tham số điều khiển cơ sở Thông thường, chức năng điều khiến cao cấp được đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và quản lý mẻ, điểu khiển chuyên gia, điều khiển chất
lượng và tối ưu hóa thời gian thực
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống
Tuy theo quy mõ ứng đụng và mức độ tự dộng hóa, các hệ thống điều khiến quá
trình công nghiệp có thế đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa
trên ba thành phần cơ bản là thiết bi đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều
khiển Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể
Trang 31144 CÁC THÀNH PHẪN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG 21
"Tín hiệu Biến điều Biển được
Giá trị đặt | Bộ điều | điều khiển Thiết bị khiển Quá trình | diều khiến
(SP) khiến 160) "| chấp hành | qav) "| công nghệ | (CVì -
“Tín hiệu đo Thiết bị Đại lượng đo
(PM) đo (PV)
Thuat ngữ:
Giá trị đặt Set Point (SP}, Set Value (SV)
Tin higu diéu khién Control Signal, Controller Output (CO) Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) Bién duge diéu khién Controlled Variable (CV)
Đại lượng do Measured Variable, Pracess Value (PV) Tín hiệu do Measured Signal, Process Measurement (PM)
HÌNH 1-8: CAc THANH PHAN CO BAN CUA MOT HE THONG DIEU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Để thấy một cách sơ lược chức năng của từng thành phẫn trong hệ thống và
quấn hệ giữa chúng, trước hết ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ minh họa
trên Hình 1-9 Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (7) được đo bằng câm biến cặp
nhiệt, tin hiệu diện áp ra được một bộ chuyển đổi do chuẩn (iransmifter) chuyển
sang tín hiệu chuẩn dòng 4-20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS (Øistributed Control System) DCS la giải pháp điều khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán
được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình Tín hiệu đo
tương tự 4-20mA trước phâi được chuyển đổi sang dạng số (khâu biến đối
Ä/Đ) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số Giá trị nhiệt độ mong muốn
(Yep) duge người vận hành đặt từ trạm vận hành, hoặc do một chương trình
ều khiển cao cấp trên trạm vận hành tỉnh toán và đưa xuống Qua so sánh
giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cải đặt Ví dụ với thnật toán tỉ
lệ, giá trị biển diều khiển sẽ tỉ lệ thuận với sai tri nay dược khâu biến đối số-tương tự (khâu D/A) chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng
4-20mA để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành) Cuối cùng, tín hiệu
điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành đạng tín hiệu khí nén 0.2-1bar
để thay đổi độ mở van cắp dòng nóng Lưu lượng dòng nóng # được thay đổi và
thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra 7 tới già trị đặt 7š
Ví dụ mính họa trên đây dựa trên cấu trúc ghép nối truyền thống với các tín
hiệu tương tự và vào-ra tập trung Trong thực tế người ta có thể sứ dụng các
Trang 322 CHƯƠNG Ï MÔ ĐẦU Thiết hị chắp hành Fit Te Khí nén ĐT hie ! ¡ cặp nhiệt: i (mv) |
(4-20mA) 1 p;a, | Bộ điều khiển Bộ chuyển i |?
Docs đổi đo ! TC C7 T2 {2-22 1 OT se Thiết bị đo Trạm vận nành HÌNH 1-9: CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN NHIỆY Độ 1.41 Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một ngiũa í đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cẩm biến
(sensor) và chuyển đổi đo (transducer) Một cảm biên thực hiện chức năng tự động cám nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và đổi thành một tín hiệu, Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điền khiển hoặc
dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch dại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp Một bộ chuyển đối đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiện chuẩn (ví đụ 1-10V, 0- 20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Trong các bệ thống điều khiển
quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông đụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dựng công nghệ bus trường ngày cảng chiếm ưu thể Lưu ý rằng các thuật ngữ 'transmitter' hoặc ‘transducer’ d6i khi ciing dude ding
để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gdm ca ‘sensor’,
nào đồ vị
Trang 331⁄4 CÁC THẰNH PHẪN CƠ BẢN CỦA HỆ THÔNG 23
1.4.2 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay b6 diéu khiển (controller) là mật thiết bị ty động thực hiện chức năng điều khiến, là thành phần cốt lõi của mật hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù các thuật ngữ 'thiết bị điều khiển"
và 'bộ diều khiển' trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng, ở đây ta
cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể
được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong
một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạm PLC/DC8) Trong phạm ví cuốn sách này, khi nói ải pháp hệ thống thì
*thiết bị điều khiển' và 'bộ điều khiển) được hiểu với nghĩa tương đương, còn khi
đề cập tới các vấn đề thuộc sách lược điều khiển hay thuật toán điều khiển ta sẽ chỉ sử dụng 'bộ điều khiển!,
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điểu khiển /sách lược điều khiển
được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toón điều khiển và đưa ta các lín
hiệu điều khiển dễ can thiệp trở lại qná trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dang tín vào ra và phương pháp thể hiện luật diều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương ty (unalog controller), thiết bị điều khiến logic (logic conirolier) hoặc thiết bị
điều khiển số (digital controller), Cac thiét bi digu chỉnh cơ, khi nén hoặc điện
tứ được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cd-điện hoặc điện tử) là
một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó Một thiết bị điều k
được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điền khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điểu
khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự
và tích hợp các thành phản chuyển đổi tương tự-số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giữ cũng được Lhực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà côn có
thể đâm nhiệm nhiễu chức năng diều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc dai (PLC, DCS, PAS) thực chất là một máy số Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiến hiệt
đều là các hệ điều khiển số Một thiết bị khié
tính số được trang bị các thiết bị ngoại vị để thực hiện chức năng điều khiển Vi
Trang 3424 CHƯƠNG 1 MO ĐẦU 1.4.3 Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu hiểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ,
máy bơm và quạt gió Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển
có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Vỉ dụ, tùy theo tin hiệu
điều khiển mà một van diều khiển có thể diều chỉnh độ mỡ van và thay đổi lưu
lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lông trong bình Một máy bom có điều
chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất đồng chất lòng hoặc dòng
khí và qua đó diều chỉnh lưu lượng
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phẩn co ban là eø cấu chấp hành hay cơ cấu đn động (actuator) và phần tử điều khiến (control element) Cơ cấu chắp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng
lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến
điều khiển Ví dụ trên Hinh )-9, cơ cầu chấp hành bao gồm khâu chuyển đổi I/P cộng với cơ cấu truyền động khí nén, còn phần tử điều khiển chính là thân van
Trong một số tài liệu cơ sở lý thuyết, đôi khi thnật ngữ 'actuator' cũng được sit
đụng để chỉ cả thiết bị chấp hành Tuy nhiên, tùy thuộc vào ngữ cảnh sử dụng
mà ta không sợ có sự nhằm lần
1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân
tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát
triển hệ thống điều khiển quá trình được minh họa trên Hình 1-10 (dựa trên
fur)
1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống
Qui trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm
hiểu các yêu cầu công nghệ dể đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống đựa trên cơ sở phẩn tích các mục dích diễu khiển cơ bản Đây là một nh ụ
hết sức quan trợng, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển
với các nhà công nghệ Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản về
và tài liệu liên quan mỏ tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu để cổng ghệ là quan trọng nhất Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết
là nghiên cứu các bài toán diều khiển, bố sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên bản vẽ lưu đổ chức năng hay lưu đã
Trang 351,5 CÁC NHIỆM VỤ khiển cần được cụ tỉ khiến cho phép, thị PHÁT TRIẾN HỆ THƠN: hóa thơng qua các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai Ong „ a điều
Bên cạnh đó, các điều kiện
vận hành như điểm làm việc, các diều kiện biên, các chế độ vận hành và các yêu
cần về an toàn hệ thắng cũng cần được làm rõ, Oác biểu để trinh tự cũng được
Trang 3626 CHƯỜNG 1 Mỡ BẦU 1.5.2 Xây dựng mö hình quá trình
“Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của ng rời ky su Mô hình giúp ta biểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trim tượng
hóa vấn đề và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết Hơn nữa, mô hình quá trình
không chỉ quan trọng đối với công việc thiết kế mà còu phục vụ việc mô phững và đảo tạo vận hành Việc xây dựng mò hình còn được gọi là mô hành hóa Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và với nhiều phương pháp khác nhau
Trong khuôn khổ của cuỗn sách ta chỉ quan tam toi phương pháp xây đựng tơ hình tốn học của các quả trình tiêu biểu Dựa trên các định luật vật lý và hóa học cơ bản hoặc dựa trên các số liệu vận hành thực nghiệm, ta tiến hành
xây dựng mô hình quá trinh để có được các phương trình tốn học mơ tả đặc
tính động và tĩnh của quá trình Với mô hình toán học nhận được, ta cần sử dụng các công cụ phan tích và mô phỏng để tìm ra các tính chất quan trong của
quá trình như mức độ tương tác nội, tính én định và tính điền khiển được, Đó là
cơ sở cho các bước thiết kế cấu trúc, sách lược và thuật toán điều chỉnh kế tị Mô hình hóa quá trình là một trong những nội dung quan trọng của cuốn sách và được giới thiệu trong các chương 2, 3 và 4
1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển
Sau khi đã làm rô các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá
trình, bước tiếp theo là xác dịnh cấu trúc điều khiến (hay sách lược diễu khiển) Thiết kế cầu trúc điều khiển chưa đi cụ thé vào thuật toán điều khiến, mà nhằm
ét giữa các phần tử trong hệ thống Đây là công việc hết sức quan trọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chấc về lý
thuyết điều khiển mà cả nhiều kinh nghiệuc thực tế Về niặt cấu trúc điều khiến, cẩn cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cầu trúc phi tập trung boặ
mục đích làm rõ về mặt cấu trúc liên
các
cầu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp) Tiếp theo, ta cần lựa chọn các biến được
điều khiển, các biến điền khiến tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chủng với
nhau đựa trên các phẩn tử cẩu hỉnh để xây dựng các sách lược điều khiển cụ thể, ví đụ sách lược phần bỗi, bù nhiều, tỉ lệ, Kết quả của công việc thiết kế
sách lược điều khiển cược thể rõ nhất trên các ưu đề P8ID chỉ tiết Kêt quả của thiết kế sách lược điền khiển tiên động là các bản về biểu đỗ logfc, trong, kbi kết quả của thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đổ trình
tự Những công cụ tốn học và cơng cụ máy tính trong lý thuyết điều khiến tự g giúp ta phân tỉch và đánh giá tính thích hợp của các sách lược điều khiến Chương 5 của cuốn sách trình bảy các sách lược điều khiển cơ sở, áp dụng trước hết cho các quá trình đơn biển Vấn để thiết kế cấu trúc điều khiển cho các quá
trình đa biến sẽ được đề cập trong một cuỗn sách khác trong tương lai
Trang 37
1.5 CÁC NHIỆM VỆ PHÁT TRIỂN HE THONG ?ĩ
1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển
xế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ
rằng các bước tính tốn và các cơng thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên
máy tnh điều khiển Công việc thiết kế bộ điểu khiển bao gồm hai bước: lựa chọn kiểu bộ điều khiến hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các
tham số của bộ điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không
thể tách rời bài toán phân tích hệ thống Đặc biệt ớ đây, các phương pháp hiện
đại củt lý thuyết điều khiển tự động củng các công cụ máy tỉnh có vai trò hết
sức quan trọng Song, để có thể đưa mỗi bái toán thiết kế cụ thể về đạng chuẩn
quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị
đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng Những nội dung
này sẽ được trình bày trong các chương 6-8
liên cạnh thuật toán điều khiển cho chức năng điểu chỉnh, ta cũng phải đặc
biệt qian tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiến trình zự Kết quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đổ
chức săng logic hoặc phương trình logie, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đổ chức năng trình tự chí tiết, Vì khuôn khổ
han cié, những vấn để này sẽ không được để cập chỉ tiết hơn trong nội dung của
cuếu sách
1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống
Lựa ciọp giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị do và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quy trình công nghệ Công việc này đòi hỗi người kỹ sự có tnộ, cái nhìn tổng quan về cổng nghệ hệ thống điểu khiến và cũng như nắm: được các vấn dé co bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác thau Hơn nữa, trong khi nến tảng lý thuyết của điều khiến quá trình
ổi đáng kể so với cách đây 30 năm, thì công nghệ hệ thống điều
khiển lại thay dối rất nhanh trong những năm gẫn đây Đây là một nội dung khá rộng Ùn, nên không được đề cập trong khuôn khổ của cuốn sách
không thay
1.5 Phát triển phần mềm ứng dựng
“Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là ph:n hồn của hệ thống Trên cơ sở thiết kế điều khiển chỉ tiết, các chuyên viên phần nềm có thể bắt đâu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở đữ
hệ thung điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn hảo các màn hình vận hành-giám sát mới được tiến hành Các chương
Trang 38
28 HƯƠNG 1 MỞ BẦU trình ứng dụng được thử nghiệm từng phẩn trên cấu hình phẫn cứng thực với các đối tượng :nô phỏng và sau đó được thử nghiệm ghép nói Không quan trọng là xuất phát tử kỹ sư công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư phản mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp Công nghệ phần mềm cho các hệ thống điều khiển-tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ hệ thông điều khiển Bạn đọc quan tâm sâu hơn về mảng vấn đề này có thể tham khảo [37]
1.5.7 Chỉnh định và đưa vào vận hảnh
Bước cuối cùng trong công việc phât triển hệ thống được thực hiện tại hiện
trường, bao gốm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của bộ
điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ bợp công nghệ,
chạy thử từng phân đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy Đây công là
nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đổi toàn điện, kính nghiệm
dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường
Mục đích của cuốn sách không chỉ là giúp cho các kỹ sư công nghệ cũng niưữ các kỹ sự đo lường, điều khiển và tự động hóa nắm được những vấn dé co bản cho việc làm chủ các hệ thống đã được xây đựng, mà còn cung cấp cho người kỹ sư những kiễn thức nền tảng để có thể tham gia cùng thực hiện các nhiệm vụ phát triển và tích hợp hệ thống mới Phần còn lại của cuốn sách được cấu trúc phù hợp với những bước thực hiện cơ bản trong các nhiệm vụ phát triển đã phán tích trên đây
1.6 Mô tả chức năng hệ thống
Mô tả chức năng hệ thống là một công việc không thể thiểu được trong thiết kế,
xây dựng và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình Qua các tài liệu mô
tả chức năug hệ thống, các kỹ sư điều khiển vả các nhà công nghệ có một ngôn ngữ chung để bàn bạc, trao đổi trước khi tiến hãnh triển khai một dự ân Cũng qua việc mô tả hệ thống, bản thân các kỹ sư điều khiển cũng đã xây dựng dược các tài liệu kỹ thuật chí tiết cho việc thiết kế cầu hình phần cứng, phát triển ứug
dụng điều khiển và giao diện người-máy
1.6.1 Các tài liệu mô tả đỗ họa
Các tài liệu mô tả đồ họa sau đây được xem như quan trọng nhất trong mỗi tập
Trang 391.6 MÔ TẢ CHỨC NẴNG HỆ THƠNG 29
© Lntu dé céng nghé (process flow diagram) miéu ta qná trình công nghệ, khong
chita théng tin chi tiét vé cdc thiét bi do luting va diéu khiển Thông thường, lưu dỗ công nghệ đo các nhà công nghệ xây dựng
* Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and instrumentation diagram, P&ID) miêu tả chỉ 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 giữa các thảnh
phần Đây là tài liệu quan trọng nhất đối với việc thiết kế toàn bộ hệ thống
điều khiển Một số chuẩn quan trọng liên quan tới các biểu tượng lưu dé
P&ID là ANSI/ISA S5.1 [5] và ANSI/ISA $5.3 [7] cũng như DỊN 19227-3 [8] » 8ø đồ khóa liên déng (interlock diagram), vi dy sit dung biéu dé logic (binary
logic diagram) dé miéu tA cdc thnat toán điều khiển logic phục vụ điều khiển
khóa liên động Có nhiều chuẩn mô tả biểu đồ logic, ví đụ ở Bắc Mỹ người ta
thường theo chuẩn ANSL/ISA 85.2 |6}
Š Biểu đề trình tự (sequence diagram hay sequential function chart) biéu diễn
các bước thực hiện chức năng của qny trình công nghệ Tài liệu hình thành
phục vụ bài toán điều khiển trình tự cũng như hướng đẫn quy trình vận
hành Chuẩn IEC 61131-3 [9] có thể được coi là một tài liệu tham khảo rất tốt cho việc xây dựng các biểu đồ trình tự
“Trong phạm vỉ cuỗn sách này, lưu đỗ P&1D được sử dụng rất nhiều cho việc mô tà các chức năng và sách lược điều khiển, vì vậy sẽ được giới thiệu sơ lược trong phân tiếp theo Các dạng mô tả khác liên quan tới bài toán điền khiển rời rạc hoặc bài toán điều khiển trình tự, vi khuôn khổ hạn hẹp nên không được giới
thiệu trong cuốn sách này
1.6.2 Lưu đồ P&ID
Lưu đề P&]Ð có ý nghia hết sức quan trọng trong việc đặc tâ các chức năng và thiết bị của một hệ thống điều khiển quá trình, là cơ sỡ cho việc phân tích và thiết kế hệ thống Các biểu tượng lưu đề P&ID được sử dụng tương đối thống
nhất trên toàn thế giới, hằu hết đều dựa trên hoặc giống nhiều như chuẩn DĨN
19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA S5.1 và 55.3 của Mỹ Giữa chuẩn DIN và chuẩn ANSI/SA cũng không có nhiền khác biệt, ngoài một số chữ cái viết tắt và chuẩn DIN cho phép sử đụng biểu tượng hình oval bên cạnh hình tròn
Chuẩn S5.1 quy định thống nhất các biểu tượng cho thiết bị, các ký hiệu cho
chức năng đo lường, điều khiển và giám sát cũng càc đường nối được sử dụng
trong lưu đồ P&ID Chuẩn $5.3 mở rộng S5.1 cho các chức năng trong một hệ điều khiển phân tán Thực ra, $5.3 vẫn giữ nguyên tập hợp các biểu tượng, nhưng mở rộng và chỉ tiết hóa ý nghĩa của một số biểu tượng Nội dung cơ bản của hai chuẩn nảy được giới thiệu tóm tắt trong các phụ lục, phấn dưới đây chỉ
đưa ra một số vi dụ minh họa
Trang 40
30 CHƯƠNG 1 Mo pau Ghỉ thị (ndicaHon) và điều khién (Control) chénh áp
(Differential Pressure), mach vong 103
(TAR) Báo động (Alarm) vượt ngưỡng trén (High) nhiét 46 ua) (Temperature), cảnh giới quá nhiệt mạch vong (04
PDIC-103
ae
Chữ cái đầu: Biến đo hoặc khởi tạo ——‡ { Chữ cái phụ: Bỗ sung cho chữ đầu
Các chữ cái sau: Chức năng chỉ thị, chức năng bị động hoặc đầu ra
{TC — Chữ cải phụ sau: Bổ sung ý nghĩa Mã số mạch vòng, TÁH-104 — chức năng cho chữ cái đứng trước nó điểm đo
HÌNH 1-11: DIỄN GIẢI Ÿ NGHĨA NIÃN THIẾT 5Ị VÀ KỸ HIỆU CHỨC NĂNG
thiết bị hoặc chức năng của hệ thống điều khiển được biểu điễn trên lưu
đố thông qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn (£ag) Một nhãn có thể bao gồm phần chữ biểu điễn chức năng và phần mã số phân biệt vòng kín (loop) Trên Hình 1-11 là diễn giải tóm tắt ý nghĩa các phan chữ và phan số của nhãn thiết bị qua một vài ví đụ đơn giản Phần biểu điễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu đại lượng đo được hoặc một biến khởi tạo, sau đến các chữ cái kỹ hiệu chức năng chỉ thị hoặc chức năng bị động Tiếp nữa là các chữ cái thể hiện
chức năng đần ra theo một thứ tự tùy ý, trờ trường hợp chữ C (Coniroj phải
đứng trước V (Valoe) Các chữ cái phụ nếu có thể sử dụng ngay đằng sau một chữ cái chính để thay đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệch (D, Difference) 4p suất (P, Pressure), TAH biểu diễn mức cảnh báo (A, Alarm) cao (H, High) của nhiệt độ (T, Temperature) Để tránh nhằm lần, một chữ cái phụ cho chữ dầu không được sử dụng để biểu diễn chức nang chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng dầu ra Ví dụ, chữ cái D không được sử dụng để biểu diễn bất cứ một chức năng chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đầu ra nào
Trên Hình 1-12 là lưu đỗ P&ID đơn giản cho ví dụ điều khiển mức chất lỏng
trong bình chứa Ký hiệu LT trong đường tròn biểu diễn chức năng đo và truyền