Mục lục BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ HÀ NỘI 2009 LỜI C[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ HÀ NỘI - 2009 LỜI CẢM ƠN Người thực luận văn chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS TS Hoàng Minh Sơn, người giúp đỡ nhiệt tình kịp thời chun mơn thực luận văn Bên cạnh đấy, người viết bày tỏ lịng biết ơn đến tất thầy Bộ môn Điện điều khiển Tự động - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người truyền đạt kiến thức sở quý báu cần thiết để người viết hoàn thành luận văn Người viết bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám đốc nhà máy Đạm Phú Mỹ, lãnh đạo cán công nhân viên hai xưởng Phụ trợ Amôniắc cho phép giúp đỡ người viết việc thu thập liệu để thực nhận dạng Người viết chân thành gửi lời cám ơn đến anh Phạm Quang Hiếu, chuyên viên lò thuộc phòng Công nghệ sản xuất, nhà máy Đạm Phú Mỹ, người nhiệt tình cung cấp kiến thức q trình cơng nghệ lị Xin chân thành cám ơn bố, mẹ vợ, người động viên tinh thần giúp đỡ nhiều người viết thực luận văn Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Trong giai đoạn đổi đất nước ta chuyển phát triển mạnh mẽ Sự gia tăng sản xuất làm cho nhà máy xây dựng ngày nhiều Theo dòng thời gian, công nghệ, kỹ thuật tiên tiến giới dần chuyển giao ứng dụng vào nhà máy sản xuất nước ta Q trình sản xuất thủ cơng chủ yếu sức người trở thành giới hóa đến q trình tự động hóa q trình sản xuất Hiện nay, nhà máy nước, dù nhỏ hay lớn, hầu hết dây chuyền sản xuất điều khiển hệ thống PLC (Programable Logic Controller) Các hãng sản xuất PLC thường gặp Omron, Siemens, Allen Bradley… hay hãng khác gặp nước ta GE Fanuc, HIMA, LG, … ln tìm cách mở rộng phát triển thị trường sang Việt Nam; từ việc tăng cường tiếp thị mở rộng mạng lưới phân phối việc hỗ trợ cho tổ chức giáo dục, đào tạo nhằm đưa sản phẩm tiếp cận với lực lượng lao động tiềm Bên cạnh đấy, nhà máy có quy mơ lớn, sử dụng hệ thống DCS (Distributed Control System) để điều khiển trình sản xuất trở nên phổ biến Cụ thể, hệ thống DCS hãng Siemens, Yokogawa, Honeywell, ABB được triển khai khắp nhà máy phân bố nước ta Tuy nhiên, đặc điểm hầu hết hệ DCS truyền thống hỗ trợ phương pháp điều khiển đơn biến, q trình cơng nghệ phân nhỏ thành trình đơn lẻ (hệ SISO: single input single output) trình điều chỉnh chủ yếu điều khiển PID Tức là, giải thuật điều khiển hệ thống DCS chủ yếu phối hợp vòng PID với hay với thuật giải điều khiển khác điều khiển tỉ lệ (ratio control), điều khiển phân vùng (split-range control), điều khiển lựa chọn (selective control)…hoặc phối hợp với điều khiển logic (discrete control) Một q trình cơng nghệ thông thường hệ thống nhiều đại lượng vào/ra đại lượng có tác động tương hỗ lẫn (hệ MIMO: multi-input multi-output) việc phân tách hệ MIMO thành hệ SISO làm PID khơng đủ khả điều khiển q trình cơng nghệ với chất lượng tốt từ làm giảm hiệu suất trình sản xuất Để khắc phục nhược điểm hệ DCS truyền thống, nhà sản xuất hệ thống điều khiển đưa giải pháp bổ sung hệ thống APC (Advanced Process Control) phía hệ thống DCS APC hệ thống phân tích q trình cơng nghệ theo quan điểm đa biến vào/ra (MIMO), từ tìm mối quan hệ biến ngõ vào biến ngõ để chọn sách lược điều khiển thích hợp nhằm điều khiển tối ưu q trình cơng nghệ, nâng cao hiệu suất q trình sản xuất Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống APC cao (từ 50% đến 100% giá hệ thống DCS) thuật giải tối ưu phải thiết kế riêng cho q trình cơng nghệ Mới đây, với đời hệ DCS hỗ trợ thuật toán điều khiển cao cấp, việc thiết kế cài đặt điều khiển đa biến thực trạm DCS, giảm chi phí cho hệ APC tách riêng Như vậy, việc xây dựng mơ hình đa biến vào/ra mơ tả tương tác (thẳng chéo) biến ngõ vào biến ngõ q trình cơng nghệ nhu cầu cần thiết yêu cầu quan trọng cần phải thực ta muốn thực tối ưu q trình cơng nghệ Ngày nay, q trình xây dựng mơ hình động học trình thực chủ yếu dựa liệu thực nghiệm thu thập từ trình, với quan điểm nhận dạng xem trình hộp đen (black-box) Dữ liệu thực nghiệm dùng để nhận dạng thu thập theo kiểu vịng hở vịng kín Đối với kiểu thu thập liệu theo kiểu vòng hở, đối tượng (quá trình) cần phải tách khỏi vịng điều khiển Một thay đổi đầu vào làm thay đổi đầu liệu ghi nhận để làm liệu nhận dạng Tuy nhiên nhiều q trình cơng nghiệp điều gặp trở ngại bởi: i Việc chủ động đưa tín hiệu ngõ vào với biên độ đủ lớn làm cho thơng số q trình vượt qua khỏi phạm vi làm việc cho phép ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, tệ q trình khơng ổn định có độ ổn định xảy trường hợp khơng kiểm sốt q trình dẫn đến ngừng sản xuất xảy tai nạn (nếu hệ thống điều khiển khơng có chế độ bảo vệ tốt) Cịn vận hành trình sản xuất để thu thập liệu chi phí q lớn, điều làm cho q trình nhận dạng khơng có ý nghĩa khía cạnh kinh tế ii Vì thơng thường đối tượng nhận dạng đối tượng có vai trị quan trọng trình sản xuất nên việc thuyết phục lực lượng vận hành thu thập liệu cách tách trình khỏi hệ thống điều khiển đề cập i chấp thuận Như vậy, yêu cầu vận hành cho thấy việc thu thập liệu cần phải thõa mãn khơng gây ảnh hưởng lên q trình sản xuất có ảnh hưởng khơng đáng kể đủ để trì chất lượng sản phẩm đầu chi phí nhận dạng vừa phải Do đó, việc trì hệ thống điều khiển vịng kín thực nhận dạng để q trình cơng nghệ vận hành bình thường điều đáng xem xét Khi đó, tác động can thiệp vừa phải vào hệ thống điều khiển thực để tạo thay đổi biến ngõ vào biến ngõ cho ta liệu dùng để nhận dạng Thế nên, ưu điểm quan trọng việc thực nhận dạng mô tả dễ dàng trì hệ thống làm việc điều kiện phạm vi cho phép tiến hành, sử dụng tín hiệu kích thích chủ động Phương pháp nhận dạng mô tả gọi nhận dạng vịng kín Dựa vào ý tưởng chủ đạo nhận dạng trình theo quan điểm MIMO để từ thiết kế thuật giải điều khiển tối ưu cho q trình cơng nghệ, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu nhận dạng thiết lập mơ hình động học cho trình sản xuất lúc vận hành, mà ứng dụng cụ thể lò sản xuất nước nhiệt nhà máy Đạm Phú Mỹ Tên đề tài: Xây dựng mơ hình động học cho lò nhà máy Đạm Phú Mỹ Cơ sở lý thuyết: Sử dụng lý thuyết nhận dạng u cầu: Xây dựng mơ hình động học lò Nội dung: - Xác định phương án nhận dạng - Thu thập liệu thực tế - Xây dựng mơ hình từ liệu thu thập 1.2 Nội dung phương pháp thực Nội dung luận văn tập trung vào việc phân tích cấu trúc hệ thống điều khiển lị hơi, từ đề xuất phương pháp thu thập liệu lúc lò vận hành (thu thập liệu vịng kín) Do đặc trưng hệ thống điều khiển DCS nên sách lược điều khiển bao gồm nhiều vòng PID phối hợp các điều khiển ratio, điều khiển feedforward, điều khiển lựa chọn điều khiển cacscade làm cho cấu trúc hệ thống điều khiển trở nên phức tạp có nhiều biến q trình tham gia tác động qua lại lẫn Do vậy, việc xác định mức độ can thiệp vào hệ thống điều khiển can thiệp vào điểm hệ thống điều khiển đặt yêu cầu sống việc thu thập liệu nhận dạng vịng kín Từ liệu thu thập được, luận văn đề xuất nhận dạng theo phương pháp bình phương tối thiểu theo mơ hình ARX cơng cụ System Identification Toolbox phần mềm Matlab Trong thực nhận dạng, việc đánh giá số bậc (order) tham số mơ hình ước lượng thời gian trễ biến ngõ vào vấn đề cần phải quan tâm sâu sắc điều phụ thuộc nhiều vào hiểu biết người thực nhận dạng q trình cần nhận dạng Các cơng cụ System Identification Toolbox có tác dụng hỗ trợ công việc Việc thực nhận dạng trực tiếp vịng kín kéo theo vấn đề cần giải tương quan nhiễu đo với biến điều khiển (cũng biến ngõ vào) mối quan hệ tuyến tính biến ngõ với biến điều khiển (cũng biến ngõ vào) Các vấn đề ảnh hưởng đến tính quán phương pháp nhận dạng, luận văn đề cập đến phương pháp bình phương tối thiểu khả ứng dụng nhận dạng vịng kín 1.3 Bố cục viết Luận văn vào mô tả q trình tạo sinh lị cơng nghiệp, phân tích sách lược điều khiển từ đề xuất phương pháp thu thập liệu vịng kín lúc lị vận hành Trên sở liệu thu thập đặc tính q trình cơng nghệ mà đề xuất phương pháp nhận dạng mơ hình phù hợp Luận văn bao gồm chương: Chương 1: chương mở đầu, giới thiệu tình hình việc nhận dạng trình, khả thực thi chúng hệ thống điều khiển trình (hệ DCS hệ PLC) Chương giới thiệu sơ lược phương pháp nhận dạng vịng kín, phương pháp nhận dạng quan tâm phát triển thời điểm ưu điểm so với phương pháp khác Chương 2: mơ tả thành phần lị mơ tả tốn học q trình xảy lị hơi: q trình cháy, q trình trao đổi nhiệt trình sinh Chương 3: sâu vào phân tích sách lược điều khiển thực tế sử dụng hệ thống DCS Yokogawa, mà dựa vào đề xuất phương án thu thập liệu nhận dạng vòng kín Chương 4: mơ tả phương pháp nhận dạng thường gặp, phương pháp nhận dạng ứng dụng phương pháp bình phương tối thiểu đề cập sâu chi tiết Các kiểu mơ hình ARX, ARMAX, BJ xem xét đánh giá chương Chương 5: mơ tả cơng việc nhận dạng lị từ liệu thu thập lò vận hành Các vấn đề chọn lựa biến trình vào/ra, chọn lựa phương pháp nhận dạng đối tượng lò hơi, liệu sử dụng nhận dạng đề cập chương trình Phần kết luận tóm tắt lại yếu thực nhận dạng đánh giá mơ hình chất lượng mơ hình phân tích yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng mô hình Chương 2: SƠ LƯỢC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ HƠI (BOILER) Việc sử dụng nước làm lượng ứng dụng từ lâu đến sử dụng rộng rãi q trình cơng nghiệp (đặc biệt lĩnh vực lượng dầu khí) Khi nước đun nóng, sơi thăng hoa thành nước 100 oC (trong điều kiện áp suất khí quyển) Lúc nước thể có nhiệt độ 100 oC, tình ta gọi nước bão hòa giá trị 100 oC nhiệt độ bão hịa nước áp suất khí Nếu ta trì áp suất nước khơng đổi tiếp tục gia nhiệt cho nước bão hịa nhiệt độ nước tăng lên ta thu nước nhiệt Ta nhận thấy đặc điểm nước nhiệt là: áp suất khơng đổi ta gia nhiệt cho nước tới nhiều nhiệt độ khác (các nhiệt độ cao nhiệt độ bão hòa áp suất đấy) 1.4 Các loại lò (boiler) Lò thiết bị tạo nước bão hòa nước nhiệt Hơi nước nhiệt dùng để làm nguồn lượng cung cấp cho thiết bị quay (rotate device) nhà máy sản xuất công nghiệp turbine truyền động bơm máy nén hay dẫn động turbine để quay máy phát điện Bên cạnh việc tạo động năng, nước nhiệt cịn sử dụng vài ứng dụng khác làm khô sản phẩm hay gia nhiệt chất xúc tác…Ta gọi lò thiết bị thực chất hệ thống lớn bao gồm nhiều thành phần: buồng lửa (furnace hay combustion chamber), bao (drum), trao đổi nhiệt (economiser, evaporator, super heater) , quạt đẩy khói thải (ID Fan), quạt hút khơng khí (FD Fan) … Tùy theo cách gia nhiệt cho nước mà người ta phân loại lò thành: Fire-tube boiler (loại ống lửa), water-tube boiler (loại ống nước)