Cải thiện chất lượng điều khiển nhiệt độ mô hình nhà máy nhiệt điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP GIÁP THỊ THU DUNG CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Chun ngành:Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số:60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN, 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Giáp Thị Thu Dung Sinh ngày: 24 tháng 02 năm 1990 Học viên lớp cao học khố 16- Kỹ thuật điều khiển tự động hóa –Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Nhà máy Z115-Thành phố Thái Ngun Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Giáp Thị Thu Dung Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm động viên, giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong q trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, cô giáo khoa Điện, môn Điều khiển tự động hóa trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy PGS.TS Trần Xuân Minh, người ân cần hướng dẫn, bảo suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Xuân Minh, thầy, cô giáo khoa Điện, môn Điều khiển tự động - Trường Đại học giúp đỡ, tạo điều kiện suốt trình học tập trường Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Giáp Thị Thu Dung Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt vi Danh mục hình vẽ đồ thị vii MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.2 Mơ hình nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Mục đích thí nghiệm mơ hình nhà máy nhiệt điện 1.2.3 Lò hệ điều khiển lò 1.2.3.1 Cấu tạo lò 1.2.3.2 Phân loại lò 10 1.2.3.3 Nguyên lý hoạt động lò 12 1.2.3.4 Quá trình biên đồi lượng lò 13 1.2.3.5 Hệ thống điều khiển lò 14 1.2.4 Bao hệ điều khiển bao 20 1.2.4.1 Bao 20 1.2.4.2 Hệ thống điều khiển bao 21 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 1.2.5 Thiết bị gia nhiệt 22 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 Đặt vấn đề 25 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển mơ hình nhà máy nhiệt điện 27 2.2.1 Phân tích tốn điều khiển ổn định nhiệt độ nước cấp mơ hình 27 2.2.2 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp 27 2.2.3 Xây dựng hàm truyền điều khiển sơ đồ cấu trúc28 2.2.3.1 Cảm biến đo nhiệt độ 28 2.2.3.2 Van điều khiển 29 2.2.3.3 Thiết bị gia nhiệt nước cấp 30 2.4 2.5 2.2.3.4 Hàm truyền hệ thống 30 Thiết kế điều khiển PID 31 2.4.1 Phương pháp thiết kế 31 2.4.2 Kết mô 34 Kết luận 36 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Cấu trúc điều khiển mờ 37 3.1.1 Mờ hóa 37 3.1.2 Giải mờ(deuzzyfier) 38 3.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành 40 3.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành có nhiều điều kiện 41 3.1.3.2 Thuật toán xây dựng luật hợp thành nhiều mệnh đề hợp thành 41 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 3.1.4 Bộ điều khiển mờ 43 3.1.4.1 Bộ điều khiển mờ động 43 3.1.4.2 Điều khiển mờ thích nghi 44 3.1.4.3 Điều khiển mờ lai 45 3.2 Thiết kế điều khiển mờ lai 49 3.2.1 Đặt vấn đề 49 3.2.2 Mô điều khiển thiết kế 50 3.3 Kết mô 51 3.4 Kết luận chương 3…………………………………………………… 54 Chƣơng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm 55 4.1.1 Cấu hình thí nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 57 4.1.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 55 4.2 Các thao tác thực 61 4.3 Ứng dụng điều khiển PI mơ hình thực tế trung tâm thí nghiệm điện – điện tử 63 4.4 Kết luận chương Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 65 66 vi Các ký hiệu: STT Ký hiệu CO MV cv PM Wh K khx SP Diễn giải nội dung đầy đủ Tín hiệu điều khiển Biến điều khiển Biến điều khiển Tín hiệu đo Hàm truyền đạt Hệ số khuếch đại đầu Các hệ số khuếch đại đầu vào Giá trị đặt Các chữ viết tắt STT Ký hiệu QTCN 10 FC 11 AO 12 FO 13 AC 14 PID 15 Measurementdevice 16 Sensor 17 Sensor element 18 Signal conditioning 19 Transmitter 20 Transducer Diễn giải nội dung đầy đủ Mức nước cấp bình lị fail-closed - van đóng an tồn air-to-open - van đóng an toàn fail-open - van mở an toàn air-to-close - van mở an tồn Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân Thiết bị đo Cảm biến Phần tử cảm biến, đầu đo Điều hồ tín hiệu Bộ chuyển đổi đo chuẩn Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1 Quá trình chuyển đổi lượng Hình 1.2 Mơ hình nhà máy nhiệt điện trung tâm thí nghiệm Hình 1.3 Ngun lý cấu tạo lị Hình 1.4 Cầu trúc điều khiển lị 17 Hình 1.5 Bao 21 Hình 1.6 Cấu tạo điển hình thiết bị nhiệt 23 Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp 28 Hình 2.2 Cảm biến đo nhiệt độ 29 Hình 2.3 Van điều khiển 29 Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển 31 Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển 32 Hình 2.6 Sơ đồ biến 32 Hình 2.7 Sơ đồ mơ với PID tìm 34 Hình 2.8 Kết mơ với PID tìm 35 Hình 2.9 Kết mơ với PID tìm với giá trị đặt ban đầu 280C 36 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển mờ 37 Hình 3.2 Phương pháp giải mờ cực đại 39 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ 43 Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 44 Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(2) 45 Hình 3.7 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 45 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii Hình 3.8 Phương pháp điều khiển thích nghi dán tiếp 45 Hình 3.9a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 46 Hình 3.9b Hệ mờ với lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x 46 Hình 3.10 Cấu trúc hệ mờ lai CASCADE 47 Hình 3.11 Chọn điều khiển thích nghi khóa mờ 48 Hình 3.12 Sự phân bố giá trị mờ biến vào 49 Hình 3.13 Sự phân bố giá trị mờ biến 50 Hình 3.14 Các luật điều khiển mờ 51 Hình 3.15 Sơ đồ mơ hệ thống với điều khiển mờ lai 51 Hình 3.16 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống với điều khiển mờ lai 52 Hình 3.17 Sơ đồ mơ hệ thống với điều khiển PID điều khiển mờ lai 53 Hình 3.18 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống với điều khiển PID điều khiển mờ lai 54 Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển nhiệt độ 55 Hình 4.2 Bình bao 55 Hình 4.3 Giao diện thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao 56 Hình 4.4 Tham số điều khiển 63 Hình 4.5 Kết thực nghiệm 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong năm gần giới nói chung Việt Nam nói riêng, nhu cầu điện tăng cao sản xuất đời sống xã hội Đồng thời giới nay,việc khai thác nguồn lượng cách hiệu nhu cầu đòi hỏi nhà khoa học quan tâm Một nguồn điện chủ yếu Việt Nam nhiệt điện Điện đóng vai trị vơ quan trọng đời sống kinh tế - trị - tồn giới Nhu cầu sử dụng điện quốc gia ngày tăng Cùng với tồn nhà máy Thủy điện, Điện hạt nhân, Pin mặt trời, Sức gió, Địa nhiệt nhà máy nhiệt điện đóng vài trị đáng kể Ở nước ta nhà máy nhiệt điện cung cấp nhiều năm gần dao động phạm vi 20% Các tổng sơ đồ phát triển điện dự đốn cịn phát triển tương lai Đối với nhà máy nhiệt điện nhiên liệu sử dụng than khí thiên nhiên, loại nhiên liệu lỏng sử dụng nhiên liệu hạn chế Vì việc nghiên cứu phương pháp điều khiển đại nhằm nâng cao chất lượng trình nhà máy nhiệt điện quan trọng Việc ứng dụng thuật toán điều khiển đại nâng cao chất lượng số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta Vấn đề quan trọng hệ thống điều khiển trình điều khiển Với điều khiển cho hệ thống điều khiển trình có chất lượng thấp thích nghi, khơng bền vững,tín hiệu điều khiển không bị chặn.Việc đưa phương pháp điều khiển đại áp dụng cho hệ thống điều khiển trình,cụ thể điều khiển mức nước cấp đảm bảo khả hoạt động tốt chế độ làm việc địi hỏi nhà khoa học khơng ngừng phát triển nghiên Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 53 So sánh chất lƣợng điều khiển điều khiển mờ lai so với điều khiển PID Sơ đồ mơ Hình 3.17: Sơ đồ mô hệ thống với điều khiển PID điều khiển mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 54 Kết mô Dap ung nhiet cua mo hinh nha may nhiet dien 100 90 80 Tpid Tmolai Tdat 70 T(oC) 60 50 40 30 20 10 0 50 100 150 t(s) Hình 3.18: Đáp ứng nhiệt độ hệ thống với điều khiển PID điều khiển mờ lai Nhận xét Từ kết mô hình 3.18 cho thấy chất lượng điều khiển nhiệt độ hệ thống với điều khiển mờ lai cải thiện đáng kể độ điều chỉnh thời gian độ so với điều khiển PID 3.4 Kết luận chƣơng Chương giải số vấn đề sau: - Đã tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ - Thiết kế điều khiển mờ lai để điều khiển nhiệt độ cho hệ thống - So sánh chất lượng điều khiển điều khiển mờ lai với điều khiển PID qua mơ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 55 Chƣơng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm 4.1.1 Cấu hình thí nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm: Hình 4.1: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Hình 4.2: Bình bao http://www.lrc.tnu.edu.vn 56 Hình 4.3: Giao diện thí nghiệm điều khiển nhiệt độ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 57 4.1.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm: Hệ thống gồm thiết bị sau: STT Tên máy móc, thiết bị Hãng Xuất xứ Số lƣợng HP Trung Quốc Máy tính hãng HP Kiểu CPU: Intel Pentium IV 3.0 GHZ/Bus 800MHz/Ram GB/ HDD 80 GB/ CD-RW 48X/ Lan 10/100M /Nguồn cấp 220VAC/50HZ Monitor: LCD 19” Bộ điều khiển cho DCS, model PM851 bao gồm phụ kiện kèm sau: - PM851, CPU, units - TP830, Baseplate, width=115mm, units - TK850, CEX-bus espansion cable ABB (PM856) Thụy Điển - TB807, Modulebus terminator, units - Battery for memory backup (4943013-6), units Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 58 SB821 Battery Unit External DIN-rail mounted battery unit for long backup times including battery and connection cable TK821V020 ABB Thụy Điển ABB Thụy Điển Thụy Điển Thụy Điển COSEL Nhật 1 pcs TB807 Modulebus Terminator ABB The basic systern software loaded in CI801 dose not support the following I/O modules DI830, DI831, DI885, DI880 and DO880 (CI830) Thụy Điển Width=85mm Amount of Lithium=5,6g (0,18oz) use one SB821 for CPU TK212 Tool cable RJ45 to Dsub-9 (female), length m CI854AK01 Profibus-DP/V1 interface Package including: - CI854A, Communication Interface - TP854, Baseplate, width = 60mm Powwer Supply Device input 115/230V a.c swtich selectable, output 24V d.c, 5A CI801 ProfiBus FCI S800 communication interfaceincluding: pcs Power Supply Connector Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 59 AI810 Analog input 1x8 ch 0(4) 20mA, 10V, 12Bit, single ended 0,1%, Rated isol 50V ABB Thụy Điển ABB Thụy Điển ABB Thụy Điển ABB Thụy Điển 12 TU830V1 Extended Module Termination Unit, MTU, 50V 2x16 signal terminals, rated isol 50V ABB Thụy Điển 10 13 TU837V1 Extended Module Termination Unit, MTU, 250V 8x1 fused isol signals, 8x1 L terminals, 2x6 N terminals, rated isol 250V ABB Thụy Điển Use Module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830, TU835, TU838 AO810 Analog output 1x8 ch, 0(4) 200mA, 14bit, RLmax 500/950 Ohms, Rated isol 50V Use Module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830 DI810 Digital input 24V d.c 2x8ch 10 11 Rated insolation 50V use module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830 DO820 Digital Output, Relay Normal open 8x1 ch, 24-230 V a.c 3A, cos phi>0.4, d.c 42W, Rated isol 250V Use Module Termination Unit TU811, TU831, TU836, TU837 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 60 14 Inverter, single phase for phum, ghép nối với điều khiển sử dụng giao thức Profibus 15 Các phụ kiện cần thiết phục vụ cho lắp đặt bao gồm cầu đấu, cáp điện, ghá lắp 16 Thiết bị đo mức loại chênh áp dải đo - 1000mmH2O Môi chất: Nước 220 DEGC 17 Thiết bị đo mức loại siêu âm Telemecanique Endress & Hauser Đức Endress & Hauser Đức 18 Thiết bị đo áp suất Endress & Hauser Đức 19 Thiết bị đo nhiệt độ Endress & Hauser Đức 20 Thiết bị đo lưu lượng kiểu từ tính Endress & Hauser Đức Việt Nam 01 gia nhiệt nước cấp sử dụng 01 gia nhiệt sinh dung điện 21 02 bơm ly tâm 01 Bình nước cấp 01 Bao áp lực max 10Bar 22 Van điều khiển tuyến tính phục vụ cho việc điều khiển áp lực nhiệt độ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Trung Quốc http://www.lrc.tnu.edu.vn 61 4.2 Các thao tác thực Trên hình giám sát: Bật bảng điều khiển PIDLoop, điều khiển góc mở van CV02: Click chuột trái vào biểu tượng van CV02: Click chuột trái Bảng điều khiển sau: Chế độ thường Chế độ mở rộng Bộ tham số Pv, Sp, Out Chọn chế độ tay mở van chọn sang chế độ tự động Chọn chế độ mở rộng Chọn chế độ bàng tay Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Chọn chế độ tự động http://www.lrc.tnu.edu.vn 62 Ý nghĩa tap khác: Tap đưa giới hạn đầu bước tăng /giảm PID Tap đưa tham số PID sau ấn chế độ tự động Bộ tham số PID tham khảo: Tap đặt tham số PID Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Tap chọn chế độ tìm tham số PID tự động http://www.lrc.tnu.edu.vn 63 4.3 Ứng dụng điều khiển PID mơ hình thực tế trung tâm thí nghiệm Tham số điều khiển: Kp = 24/165; TI  24; TD  0; Hình 4.4: Tham số điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 64 Sau trình thực nghiệm thu kết đường đặc tính thể thay đổi nhiệt độ hệ thống trình hoạt động mơ hình nhà máy nhiệt điện giá trị ổn định nhiệt độ sau khoảng thời gian định (hình 4.5) Hình 4.5: Kết thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 65 4.4 Kết luận chƣơng Chương giải vấn đề sau: - Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm mơ hình nhà máy nhiệt điện - Thực cài đặt tham số điều khiển vào hệ thống thực - Đánh giá chất lượng điều khiển thông qua kết thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển trình cho đối tượng cụ thể nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt điện.Nhiệm vụ cụ thể “Nâng cao chất lƣợng điều khiển ổn định nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt điện điều khiển mờ lai.” Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan mô hình nhà máy nhiệt điện trung tâm thí nghiệm Chương 2:Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng điều khiển nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ mô hình nhà máy nhiệt điện điều khiển mờ lai Chương 4: Kết thực nghiệm Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển ổn định nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt điện điều khiển mờ lai, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Với kết cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển phương diện mô thực nghiệm Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... nhà máy nhiệt điện trung tâm thí nghiệm Chương 2: Thiết kế điều khiển PID cho đối tượng điều khiển nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt. .. tài: ? ?Cải thiện chất lƣợng điều khiển nhiệt độ mơ hình nhà máy nhiệt điện? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mơ tả tốn học cho hệ thống điều khiển nhiệt độ nước cấp bình chứa -Thiết kế điều khiển. .. Sơ đồ mô hệ thống với điều khiển PID điều khiển mờ lai 53 Hình 3.18 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống với điều khiển PID điều khiển mờ lai 54 Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển nhiệt độ 55 Hình 4.2