(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án môn điều khiển quá trình đề tài điều khiển quá trình khuấy trộn thức ăn cho lợn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MƠN ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN THỨC ĂN CHO LỢN Giảng viên hướng dẫn: Trương Ngọc Bảo Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 18 STT Họ tên MSSV Lớp Ghi Lê Ngọc Hưng 1851050034 TD18 Trưởng nhóm Nguyễn Xuân Trường 1851050087 TD18 Bùi Thị Thu Hoài 1851050030 TD18 Hồ Quốc Vinh 1851050090 TD18 Tp.HCM, ngày 31 tháng 12 năm 2021 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo Lời nói đầu Đây báo cáo nhóm sau thời gian nghiên cứu Với thời gian học tập môn Điều khiển trình trình tìm hiểu thêm tài liệu bên ngồi Nhóm trân trọng cảm ơn kiến thức mà thầy Trương Ngọc Bảo truyền đạt, nguồn kiến thức to lớn để nhóm hồn thành Đề tài lần Bên cạnh với tình hình dịch bệnh nên liên lạc qua lại thành viên cịn có hạn chế việc gặp trực tiếp, dẫn đến việc thực đề tài gặp sơ xuất nhỏ q trình hồn thiện Nhóm mong thầy xem xét bỏ qua Bên cạnh nhóm mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy để nhóm hồn thiện đề tài tốt Nhóm xin chân thành cảm ơn! Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Nhóm xin chân thành cảm ơn đóng góp Thầy, nhóm tiếp thu để tiếp tục hoàn thiện đề tài nâng cao trình độ thân Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo MỤC LỤC PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG Lý chọn đề tài Mục tiêu Phương án nghiên cứu thực đồ án CHƯƠNG II LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Điều khiển trình ? Biến trình Cấu trúc HTĐKQT 10 3.1 Sơ đồ vòng điều khiển 10 3.2 Những nguyên tắc điều khiển 11 Giới thiệu mô hình tổng quát .12 4.1 Mục đích sử dụng mơ hình 12 4.2 Tổng quan quy trình mơ hình hóa .12 PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 13 CHƯƠNG III SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH 13 Sơ đồ công nghệ 13 Yêu cầu hệ thống 13 CHƯƠNG IV: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 14 Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo Phân tích mục đích điều khiển .14 Nhận biết biến trình 14 Xây dựng phương trình mơ hình động học hệ thống .15 Phân tích bậc tự hệ thống 16 CHƯƠNG V PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 18 Phương pháp điều khiển .18 1.1 Phương pháp điều khiển truyền thẳng (feedforward control) 18 Giới thiệu phần mềm phần cứng mô 19 2.1 Tổng quan PLC SIEMENS S7-1500 19 Nguyên lý hoạt động hệ thống .20 CHƯƠNG VI: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .21 Kết luận: 21 Hướng phát triển: 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG Lý chọn đề tài Trong sống ngày nay,cơng nghiệp hóa chất thực phẩm nói chung cơng nghệ sản xuất thức ăn chăn ni nói riêng chiếm vị trí quan trọng.ở nhiều nước giới,đặc biệt nước phát triển nước ta nhu cầu tối thiêu người thực phẩm chưa thỏa mãn hoàn toàn Nhiều tổ chức quốc tế tìm cách giải nahnh chóng vấn đề lương thực thực phẩm toàn cầu Trên đường thực mục tiêu có khâu quan trọng ngành chăn nuôi,thành công ngành phần lớn phụ thuộc vào mức dinh dưỡng gia súc,gia cầm vào việc tạo nguồn cung cấp thức ăn vững Dặc biệt ngành chăn nuôi heo nước ta.nhu cầu ăn uống hai nhu cầu thiết yếu sở, trang trại ni heo.việc sản xuất pha trộn thực người sở, trang trại ni heo tốn nhiều thời gian cơng sức.Vì thống khuấy trộn thức ăn cho heo vơ cần thiết Do với kiến thức học môn Điều khiển trình, với hỗ trợ thầy Trương Ngọc Bảo tìm tịi thêm thành viên, nhóm đề xuất Đề tài: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH TRỘN THỨC ĂN CHO LỢN Mục tiêu  Nhóm đề xuất mục tiêu cụ thể đề tài lần sau:  Các thành viên năm rõ lý thuyết môn học  Áp dụng kiến thức tìm hiểu, học tập đề xây dựng thành cơng đề tài  Có đánh giá để xem khả phát triển đề tài  Xây dựng phương trình cân hệ thống  Xây dựng mô hệ thống phần mềm TIAPORTAL Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo Phương án nghiên cứu thực đồ án Nhóm tiến hành phân tích hệ thống đưa nội dung: mục đích điều khiển, nhận biết biến q trình, phân tích bậc tự hệ thống,… Nhóm tiến hành mơ hố hệ thống lên phần mềm TIAPORTAL để đánh giá khả phát triển hệ thống CHƯƠNG II LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Điều khiển q trình ? Điều khiển trình hiểu ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người , máy móc mơi trường Q trình trình tự diễn biến vật lý, hoá học chuyển đổi sinh học, vật chất, lượng thơng tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ Quá trình cơng nghệ q trình liên quan tới biến đổi vận chuyển lưu trữ vật chất, lượng, nằng dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất Quá trình kỹ thuật trình với đại lượng đo hoặc/và can thiệp Khi nói tới q trình kỹ thuật ta hiểu q trình cơng nghệ với phương tiện kỹ thuật phương tiện kỹ thuật thiết bị đo, thiết bị chấp hành Một cách tổng quát nhiệm vụ hệ thống điều khiển trình can thiệp vào biến điều khiển cách hợp lý để biến thoả mãn tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu q trình đến mơi trường người xung quanh Sơ đồ phân loại biến trình Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo Hình 1: Quá trình phân loại biến trình Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Các biến trình bao gồm biến vào biến Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên vào q trình, ví dụ dịng ngun liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơle sợi đốt… Biến đại lượng điều kiện thể tác động trình bên ngồi, ví dụ nồng độ sản phẩm lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải… Biến trạng thái biến mang thông tin trạng thái bên q trình, ví dụ nhiệt độ lị, áp suất hơi, mức chất lỏng… nhiều trường hợp biến trình coi biến Biến q trình  Biến cần điều khiển (Controlled variable): Biến ra, đại lượng trọng tới vận hành an toàn, ổn định chất lượng sản phẩm, cần trì giá trị đặt bám thoe tín hiệu chủ đạo  Biền điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển  Nhiễu: biến vào không can thiệp Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo Cấu trúc HTĐKQT Hình 2: Cấu trúc HTĐKQT 3.1 Sơ đồ vịng điều khiển Hình 4: Sơ đồ vịng điều khiển q trình Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo 3.2 Những nguyên tắc điều khiển a) Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) thành lập dựa sai lệch lượng thực tế so với yêu cầu (đặt đầu vào)  x(t) = f[y(t) - u(t)] = f[e(t)] Hình 5: Cấu trúc điều khiển sai lệch b) Nguyên tắc điều khiển theo nhiễu loạn (bù nhiễu) Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣ ợc thành lập dựa đo tín hiệu nhiễu tạo hàm điều khiển để khử nhiễu đầu x(t) = f[f(t)] Những hệ thống đƣợc xây dựng theo nguyên tắc hệ thống hở (khơng có phản hồi ) Sơ đồ cấu trúc sau: Hình 6: Cấu trúc điêu khiển theo nhiễu loạn Giới thiệu mơ hình tổng qt  Mơ hình hình thức mơ tả khoa học đọng khía cạnh thiết yếu hệ thống thực, có sẵn cần phải xây dựng Trang 10 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo  Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ góc nhìn phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng  Phân loại mô hình:  Mơ hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật tốn  Mơ hình tốn học: ODE, Hàm truyền, mơ hình trạng thái  Mơ hình máy tính: Chương trình phần mềm  Mơ hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật 4.1 Mục đích sử dụng mơ hình Hiểu rõ q trình Thiết kế cấu trúc/sách lược điều khiển lựa chọn kiểu điều khiển Tính toán chỉnh định tham số điều khiển Xác định điểm làm việc tối ưu cho hệ thống Mô phỏng, đào tạo người vận hành 4.2 Tổng quan quy trình mơ hình hóa Hình 5: Quy trình mơ hình hóa Trang 11 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CHƯƠNG III SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH Sơ đồ cơng nghệ Hình 2: Minh hoạ hệ thống Yêu cầu hệ thống Hệ thống trộn thức ăn cho lợn có tính trộn số lượng lớn loại nguyên liệu dạng khô, ẩm ( loại cám chăn nuôi, nguyên liệu phối trộn cám men vi sinh , phụ phẩm nông nghiệp băm nhỏ)  Van : Điều khiển mức lưu lượng ( nguyên liệu phối trộn cám men vi sinh, phụ phẩm nông nghiệp)  Van 2: Điều khiển mức lưu lượng ( loại cám chăn nuôi) Trang 12 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo CHƯƠNG IV: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG Phân tích mục đích điều khiển  Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Ổn định mức bình khuấy trộn Duy trì nồng độ dung chất X giá trị đặt mong muốn (Nguyên lý cân vật chất)  Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng W nồng độ C sản phẩm giữ ổn định với chất lượng yêu cầu  Đảm bảo vận hành an toàn: An toàn vận hành sửa chữa tránh xảy tình nguy hiểm ảnh hưởng đến an toàn người vận hành, sửa chữa  Bảo vệ môi trường: Giảm thiểu khí thải, nước thải, tiết kiệm nguyên liệu, nhiên liệu trình vận hành  Nâng cao hiệu kinh tế, tăng lợi nhuận: Giảm chi phí nhân cơng, nguyên liệu, thích ứng nhanh với nhu cầu với người sử dụng, cho khả tuỳ biến cao nên thích nghi nhanh với nhu cầu thay đổi Dễ dàng mở rộng quy mơ hệ thống Quản lí hệ thống đơn giản dễ dàng vận hành sửa chữa, bảo trì Nhận biết biến trình Các biến trình hệ thống nhận diện phân loại theo sơ đồ đây: Trang 13 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo Hình Sơ đồ nhận diện biến q trình Trong cụ thể:  Nhiễu bao gồm biến X 1, X2 biến mà khơng thể điều khiển tác động  Biến điều khiển bao gồm biến W1 , W2 , Wlà biến mà ta tác động để thay đổi trình vận hành  Biến cần điều khiển bao gồm biến X, h hiểu đơn giản mục tiêu hệ thống điều khiển Xây dựng phương trình mơ hình động học hệ thống  Để đơn giản toán ta đưa số giả thiết sau đây:  Khối lượng riêng chất lỏng cấp vào bồn khối lượng riêng chất lỏng bình số trình ρ = ρ1=ρ2= ρ3  Quá trình pha chế khuấy trộn lý tưởng  Hệ thống có chế tự tràn, nên coi thể tích V khơng thay đổi  Lưu lượng không phụ thuộc đáng kể vào chiều cao h bồn khuấy  Xây dựng mơ hình động học hệ thống  Phương trình cân vật chất Trang 14 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo  Phương trình cân thành phần  Ta xét phương trình cân vật chất: dM tichluy dt  dM vào dM i   vào  dt dt  i dV w1  w  w 0 dt  w w1  w  Phương trình cân thành phần: dVx w1x1  w x  wx dt V dx w1 x1  w x2  wx dt dx x  (w1 x1  w x2 )  (w  w ) dt V V Với V = A.h dh  (w1  w  w) dt A Phân tích bậc tự hệ thống  Khái niệm bậc tự mơ hình Số lượng bậc tự hệ thống tính theo cơng thức: Trong đó: số lượng bậc tư : số biến q trình mơ tả hệ thống Trang 15 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo : số lượng mối quan hệ độc lập biến hay hiểu dơn giản số phương trình độc lập  Mơ hình đảm bảo tính qn: u cầu Số bậc tự = Số biến vào (Biến điều khiển Nhiễu)  Phân tích bậc tự mơ hình : số biến q trình mơ tả hệ thống Bao gồm: x1, x2, x, w1, w2, w, h : số lượng mối quan hệ độc lập biến hay hiểu dơn giản số phương trình độc lập Đó là: dx x (w1 x1  w x2 )  (w  w )  dt A.h A.h dh  (w  w  w) dt A Vậy số lượng bậc tự hệ thống Tương ứng với biến vào : x1, x2, w1, w2, w Vậy ta thấy số bậc tự số biến vào hệ thống, điều cho biết mơ hình ta xây dựng xác, đảm bảo tính quán đề cập Trang 16 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo CHƯƠNG V PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG Phương pháp điều khiển 1.1 Phương pháp điều khiển truyền thẳng (feedforward control) Điều khiển truyển thẳng phương pháp điều chỉnh ( lưu lượng, nồng độ, ) biến đầu vào để trì biến đầu theo giá trị đặt mong muốn 1.1.1.Cấu trúc điều khiển truyền thẳng Ngun lý:  Giả thiết: Mơ hình xác, nhiễu đo  Đo nhiều trình d, tính tốn u cho y ≈ r:  Khơng thực đo y Tóm lược điều khiển truyền thẳng Ưu điểm: - Điều khiển đơn giản - Tác động nhanh ( bù nhiễu kịp thời trước ảnh hưởng tới đầu ra) Nhược điểm: - Phải đặt thiết bị đo nhiễu Trang 17 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo - Khơng loại trừ ảnh hưởng nhiễu không đo - Nhạy cảm với sai lệch mơ hình ( mơ hình q trình mơ nhìn nhiễu) Ứng dụng phương pháp điều khiển: Áp dụng vào hệ thống điều khiển đơn giản, chủ yếu cho trình ổn định, yêu cầu chất lượng vừa phải Ví dụ số q trình trộn ( liên tục theo mẻ), từ thống số chất lượng mong muốn người ta tính tốn trực tiếp khối lượng/lưu lượng thành phần cấp liệu Giới thiệu phần mềm phần cứng mô 2.1 Tổng quan PLC SIEMENS S7-1500 Nhóm sử dụng PLC S7-1500 PLC để thực mô cho hệ thống lần PLC S7-1500 Là dòng sản phẩm nâng cấp S7- 300, S7- 400 vừa mắt thời gian gần với ưu điểm vượt trội Bộ Lập Trình PLC Siemens CPU S7-1500 có khả quản lí lên đến 32 module mở rộng Có tính websever cho phép chẩn đốn lỗi online Tích hợp truyền thơng Profibus, Profinet Hình PLC S7-1500 thực tế  Một hệ thống module mở rộng sử dụng phổ biến mức bảo vệ IP20  Giải pháp hệ thống cho nhiều ứng dụng tự động hóa Trang 18 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo  Có loại module mở rộng như: module vào/ra số Các module vào/ra tương tự  Có module cơng nghệ như: Module điều khiển vị trí, module điều khiển cân, module điều khiển nhiệt độ…  Có module truyền thơng: Truyền thơng Profinet, truyền thông Profibus, truyền thông Modbus… Nguyên lý hoạt động hệ thống CHƯƠNG VI: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ: Trang 19 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo  Kết nhóm hồn thành mơ thành cơng mơ hình  Tất thành viên nhóm nắm vững kiến thức mơn điều khiển q trình  Về phần mơ hình nhóm xác định biến hệ thống xây dựng sách lược điều khiển chọn phương pháp điều khiển  Đã đạt hầu hết mục tiêu đề  Trong q trình tìm hiểu nghiên cứu, nhóm cịn nhiều thiếu xót việc hồn thiện đề tài nhóm nghiên cứu lại để hồn thiện  Kết luận: Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, đến đề tài hoàn thành dự kiến Kết hồn thành đề tài mơ trình khuấy trộn cho dung dịch, chất lỏng nói chung Vì thời gian có hạn nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu xót kính mong góp ý thầy bạn sinh viên quan tâm Hướng phát triển:  Có thể mở rộng mơ hình hướng cơng nghiệp: tăng số lượng mơ hình để nâng cao suất sản phẩm  Bên cạnh việc tăng suất phí  Ngồi mơ hình áp dụng cho nhiều sản phẩm dạng lỏng,dung dịch khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cơ sở điều khiển q trình -Hồng Minh Sơn Trang 20 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo [2] https://lib.hpu.edu.vn/bitstream/handle/123456789/16799/7_DoVanVinh_DCL501 pdf?sequence=1&isAllowed=y [3] http:// wwww.ad.Siemen.de Trang 21 ... thống khuấy trộn thức ăn cho heo vô cần thiết Do với kiến thức học mơn Điều khiển q trình, với hỗ trợ thầy Trương Ngọc Bảo tìm tịi thêm thành viên, nhóm đề xuất Đề tài: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRỘN THỨC... HTĐKQT 3.1 Sơ đồ vịng điều khiển Hình 4: Sơ đồ vịng điều khiển trình Trang BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo 3.2 Những nguyên tắc điều khiển a) Nguyên tắc điều khiển theo sai... thống, điều cho biết mơ hình ta xây dựng xác, đảm bảo tính quán đề cập Trang 16 BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHGVHD: Trương Ngọc Bảo CHƯƠNG V PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG Phương pháp điều khiển