hệ thống đo điều khiển công nghiệp

slide hệ thống đo điều khiển công nghiệp đại học Bách khoa hà nội cực kì chất lượng Giáo trình “Màng thông tin công nghiệp” Hoàng Minh Sơn, nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật
Giáo trình “Hệ thống thông tin công nghiệp’ Phạm Thượng Hàn (chủ biên) Nhà xuất bản giáo dục
Giáo trình “Cảm biến công nghiệp” Tài Tài liệu liệu tham tham khảo khảo
Giáo trình “Cảm biến công nghiệp”
Bài giảng “ Đo và điều

Đ O VÀ Đ I Ề U KHI Ể N CÔNG NGHI Ệ P

Lưu Lưu đồ đồ P&ID P&ID

P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

nhau Đọc xong chúng, bạn sẽ nắm được 'dòng chảy', cách

thức điều khiển và đo đếm của 1 khu vực mà 1 bản vẽ P&IDtruyền tải cho bạn

Môt nhà máy có rất nhiều bản vẽ P&ID nếu quy mô nó lớn.Trong 1 nhà máy tất cả các kỹ sư cơ khí, thiết bị, hóa/côngnghệ/quá trình, instrumentation đều phải dùng cái P&ID để làm

việc

Quy trinh thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt

đầu với bước tìm hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra các

liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ

công nghệ là quan trong nhất

Nhiệm vụ của người kĩ sư thiết kế điều khiển là bổ xung thiết bị

đo, chấp hành, các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và

thể hiện chúng qua bản vẽ lưu đồ P&ID

Lưu đồ P&ID là cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống

Các biểu tượng trong lưu đồ P&ID được sử dụng tương đối đối

thống nhất trên toàn thế giới, hầu hết đều dựa trên chuẩnANSI/ISA

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI

Ký hiệu của thiết bị đo và điều khiển theo tiêu chuẩn ANSI

Ký hiệu bổ sung về chức năng thiết bị đo

Đại lượng đo Bổ sung, thay đổi Chức năng

D Tỷ trọng, trọng lượng riêng Vi sai (4)

E Điện áp (V), sức điện động Phần tử sơ cấp,

cảm biến cảm biến

F Tốc độ dòng chảy (t/h, m - 2 /h,

v.v…)

Tỷ lệ (Fraction (4))

J Điện năng (KWh) Scan (7)

change

Trạm điều khiển

Ký hiệu bổ sung về chức năng thiết bị đo

O Tự chọn Orifice- Ổ lỗ chẵn

P Áp suất (kgf/cm 2 , bar, mm, H2O) Điểm nên kiểm tra

Q Quantity- Lưu lượng (m 2 ), (t) Tích phân hoặc tổng

(4)

S Tốc độ (m/s, vòng/phút), tần số Bảo vệ (8) Công tắc (bảo vệ)

T Nhiệt độ ( 0 C) Transmit-Bộ biến đổi

U Universal- Đa biến (6) Đức chức năng

(12)

Đức chức năng (12) Đức chức

năng (12)

W Trọng lượng (t), lực Tốt Van, cửa chọn hướng (13)

X Thiết bị khác: (Folaphon, v.v…) Trục X Không sắp xếp Không sắp xếp Không sắp

xếp

Y Event, State, Presence Trục Y Rơle (13, 14)

Kí hiệu hiệu thiết thiết bị bị trong trong lưu lưu trình trình công công nghệ nghệ

Một số ví dụ về thiết bị đo trong sơ đồ công nghệ

Một số ví dụ về thiết bị đo trong sơ đồ công nghệ

Ký hiệu bổ sung chức năng điều khiển

Chữ viết tắt Ý nghĩa Chữ viết tắt Ý nghĩa

A Tín hiệu tương tự M Motor actuator

ADAPT Mode điều khiển thích ứng MAX Mode điều khiển MAX

AS Nguồn không khí cung cấp MIN Mode điều khiển MIN

AVG Trung bình NS Nguồn cung cấp Nitơ

C Kết nối ma trận board O Tín hiệu từ hoặc âm thanh

D - Mode điều khiển mạch rẽ

-Tín hiệu số

OPT Mode điều khiển tự tối ưu

ES Nguồn cung cấp điện RTD Đầu đọc nhiệt điện trở

FC Đóng mạch lúc sự cố S Cuộn dây thừa hành

FI Đóng mạch ngay sau khi sự cố S.P Điểm đặt trước

FL Liên động lúc sự cố SQ.RT Lấy căn

FO Hở mạch lúc sự cố SS Nguồn cung cấp hơi

H Tín hiệu thuỷ lực WS Nguồn cung cấp nước

HS Nguồn thuỷ lực X -Nhân, -Thừa hành

Một số ký hiệu thường được sử dụng

Công tắc bảo vệ ( Protection)

ZS Limit switch – Công tắc giới hạn

ZQ Torque – Công tắc momen

OS Shock relay – Rơle va đập

FS Flow switch – Công tắc lưu tốc

Dụng cụ đo (Instrument)

TE Temperature element

PT Pressure transmitter

ZT Position transmitter

Đường tín hiệu và đường nối trên lưu đồ P&ID

Một số ký hiệu thường được sử dụng

Lưu trình (flowsheet) là sơ đồ mô tả quá trình hoạt động củacác thiết bị trong quá trình hoạt động sản xuất, trong đó cácthiết bị được sắp đặt theo thứ tự của dòng công nghệ.

Biểu tượng của thiết bị công nghệ được mô tả bằng các hình

đơn giản hóa của thiết bị thật mà mỗi nhà thiết kế đặt ra và lưu

Các bi ể u t ượ ng này đượ c s ử d ụ ng th ố ng nh ấ t trong m ộ t quá trình thi ế t

k ế , tính toán, l ắ p đặ t và v ậ n hành lâu dài c ủ a nhà máy Thông th ườ ng các hãng l ớ n v ề t ự độ ng hóa đề u xây d ự ng th ư vi ệ n bi ể u t ượ ng để dùng

th ố ng nh ấ t cho các d ự án và thi ế t k ế

Trong thi ế t k ế HTTT Đ L Đ K (I & C system) có các l ư u trình sau:

Lưu trình mô tả quá trình (process flow sheet)

Lưu trình công nghệ

Lưu trình mô tả quá trình (process flow sheet) Lưu trình thiết kế và thiết bị (design and item flow sheet) Lưu trình thiết bị đo và điều khiển (instrumentation flow sheet) Lưu trình thiết bị bảo vệ (switch and protection flowsheet)

L ư u trình quá trình r ấ t quan tr ọ ng đố i v ớ i vi ệ c thi ế t k ế , tìm hi ể u v ề ho ạ t

độ ng c ủ a h ệ th ố ng công ngh ệ Đố i v ớ i nhà máy l ớ n l ư u trình này đượ c chia làm nhi ề u phân đ o ạ n Vì v ậ y có l ư u trình toàn c ả nh và l ư u trình

Lưu trình toàn cảnh nhà của một máy xi măng

Số Tên công đoạn

1 Máy đập đá vôi, đá sét,

2 Đánh đống, cào, trộn đồng đều sơ bộ

3 Trộn nguyên liệu

4 Máy nghiền

5 Máy phân ly tĩnh điện

6 Xilo chứa nguyên liệu

L Lưu ưu trình quá trình đập đá vôi, đá sét trình quá trình đập đá vôi, đá sét

Số Tên công đoạn

C ă n c ứ vào các s ố li ệ u ấ y ng ườ i ta ch ọ n thi ế t b ị công ngh ệ , l ậ p danh sách

và tài li ệ u các thi ế t b ị công ngh ệ trong dây chuy ề n

Lưu trình thiết kế và chọn thiết bị

Trên c ơ s ở các thi ế t b ị đ ã ch ọ n, nghiên c ứ u ho ạ t độ ng c ủ a chúng trong dây chuy ề n:

Lưu trình thiết bị đo và bảo vệ

NỘI DUNG NỘI DUNG CHƯƠNG CHƯƠNG 2 2

Thiết bị đo trong hệ thống tự động

Các thiết bị đo lường trong công nghiệp

2

Các thiết bị đo các đại lượng điện trong công nghiệp

Các thiết bị đo các đại lượng không điện trong CN

Yx có th ể là m ộ t ch ỉ th ị αx (c ơ đ i ệ n) g ọ i là thi ế t b ị đ o t ươ ng t ự , có th ể là con

s ố Nx g ọ i là thi ế t b ị đ o s ố Ngoài ra còn có các đạ i l ượ ng A, B là các y ế u t ố

ả nh h ưở ng hay là nhi ễ u tác d ụ ng lên thi ế t b ị đ o và làm ả nh h ưở ng đế n k ế t

Mô

Mô hình hình thiết thiết bị bị đo đo

ả nh h ưở ng hay là nhi ễ u tác d ụ ng lên thi ế t b ị đ o và làm ả nh h ưở ng đế n k ế t

qu ả đ o l ườ ng.

Ph ươ ng trình đặ c tính c ơ b ả n c ủ a thi ế t b ị đ o có th ể vi ế t:

Yx= F (X,A,B )

X là một đại lường hằng thì thiết bị đo là thiết bị đo tĩnh.

X là một đại lượng biến thiên theo thời gian X(t) thì thiết bị đo là thiết bị đo động.

X là một đại lượng ngẫu nhiên thì thiết bị đo là thiết bị đo đại lượng ngẫu nhiên.

Độ nh ạ y c ủ a thi ế t b ị đ o (S)

Kx thể hiện sự biến đổi của Y theo sự biến đổi của X, hay còn

Đặc Đặc tính tính của của thiết thiết bị bị đo đo

X X

dY

K =

dX

dYX: bi ế n thiên c ủ a Y theo X dX: bi ế n thiên c ủ a đạ i l ượ ng vào hay đạ i l ượ ng đ o

Ng ưỡ ng nh ạ y

Ngưỡng nhạy của thiết bị đo là giá trị đo thấp nhất mà dụng cụ

có thể phân biệt được : εx, εy

Đối với dụng cụ đo tương tự, X được xác định bằng kim chỉ thị

thì εx là phần lẻ khoảng chia có thể đọc được (thông thường

Đặc Đặc tính tính của của thiết thiết bị bị đo đo

thì εx là phần lẻ khoảng chia có thể đọc được (thông thường

có thể chọn là 1/5 thang chia độ)

Đối với dụng cụ số εx=Xn/Nn là ngưỡng của ADC hay là giá trị

một LSB của bộ mã hoá (Lowest Significating Bit) tức giá trị

một lượng tử đo

X X

Như vậy một LSB của ADC 700-D là : =0.1525 mV

Để so sánh khả năng phân ly giữa thiết bị đo tương tự và số ta

có thể phân tích như sau: Để có cùng khả năng phân ly 16 bit

như của ADC700 dụng cụ tương tự phải có chiều dài thangchia độ là bao nhiêu? giả sử khoảng cách chia độ là 1mm

10 65536

V

Độ chính xác c ủ a thi ế t b ị đ o

Đặc Đặc tính tính của của thiết thiết bị bị đo đo

bộ biến đổi tương tự - số (Tbđ).

Trong các thiết bị số, thời gian lấy mẫu (Tlm) phải lớn hơn thờigian biến đổi

Thiết bị đo dòng điện (dùng cơ cấu chỉ thị điện từ và điện động

hoặc số)

Đo dòng điện DC và AC tần số tới hàng MHz

dòng điện trong dải từ vài mV đến hàng MV Dụng cu đo chỉ thị tương tự hoặc số

Thiết bị đo công suất, đo công suất phản kháng

Chủ yếu đo ở tần số công nghiệp Công suất đến hàng ngàn MW hay MVA Cos (phi) = 0-1

Thiết Thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng điện điện

Thiết bị đo tần số

Đo tần số đến hàng trăm GHz Chủ yếu đo tần số công nghiệp

Độ phân giải đến 0.01Hz

Thiết Thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng điện điện

Thiết bị đo các thông số mạch điện RLC

Đo từng thông số hay đo thông số phức hợp Phục vụ cho xác định thông số mạch điện Phục vụ cho đo các đại lượng không điện

Thiết Thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng điện điện

Qua các thời kỳ phát triển, thiết bị đo các đại lượng không điện

hiện đại được xây dựng trên cơ sở vi xử lý (micro processorbased) và bắt đầu chuyển sang giai đoạn xây dựng trên cơ sở

vi hệ thống (micro system based)

Các Các thiết thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng không không điện điện

Đo nhiệt độ

Đo tiếp xúc

Đo bằng nhiệt điện trở (Pt100 Pt1000, N, W, )

Đo bằng cặp nhiệt ngẫu (K, E, J, )

Các Các thiết thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng không không điện điện

Nhi ệ t ng ẫ u (can nhi ệ t)

Các Các kiểu kiểu nhiệt nhiệt kế kế nhiệt nhiệt ngẫu ngẫu

R - PtRh 13-Pt Dây d ươ ng là lo ạ i h ợ p kim 87%Pt, 13%Rh Dây âm là Pt

nguyên ch ấ t C ặ p này r ấ t chính xác, b ề n v ớ i nhi ệ t và ổ n

2

nguyên ch ấ t C ặ p này r ấ t chính xác, b ề n v ớ i nhi ệ t và ổ n

đị nh Không nên dùng ở nh ữ ng môi tr ườ ng có h ơ i kim lo ạ i.

S - PtRh 10-Pt Dây d ươ ng là h ợ p kim 90%Pt, 10%Rh Dây âm là Pt

nguyên ch ấ t Các đặ c tính khác nh ư lo ạ i R.

K CA Cromel-Alumel Dây d ươ ng là h ợ p kim g ồ m ch ủ y ế u là Ni và Cr Dây âm là

h ợ p kim ch ủ y ế u là Ni Dùng r ộ ng rãi cho Công nghi ệ p,

b ề n v ớ i môi tr ườ ng oxy hóa Không đượ c dùng trong môi

tr ườ ng có CO, SO hay khí S có H

Các Các kiểu kiểu nhiệt nhiệt kế kế nhiệt nhiệt ngẫu ngẫu

KH KHHT V ậ t li ệ u c ấ u thành Đặ c đ i ể m l ư u tâm

E CRC Cromel-Constantan Dây d ươ ng nh ư lo ạ i K, dây âm nh ư lo ạ i J Có s ứ c

đ i ệ n độ ng nhi ệ t đ i ệ n cao và th ườ ng dùng ở môi

tr ườ ng acid

J IC S ắ t-Constantan Dây d ươ ng là đồ ng Dây âm là h ợ p kim ch ủ y ế u là

h ợ p Ni và Cu Nhi ệ t ng ẫ u này b ề n ở trong môi tr ườ ng

ă n mòn Fe và dùng ở nhi ệ t độ trung bình.

2

T CC Đồ ng-Constantan Dây d ươ ng là Cu Dây âm c ũ ng là Cu và Ni Độ chính

xác cao khi làm vi ệ c ở d ướ i 300 C (-200 C - 1000 C) dùng v ả v ớ i môi tr ườ ng khí và oxy hóa.

W/W

-26E

Rhenium 26

Tungsten-Tungsten-Dây d ươ ng b ằ ng Tungsten và dây âm 74% tungsten

và 26% rhenium Phù h ợ p đ o nhi ệ t độ cao, tính b ề n

gi ả m v ớ i các khí tr ơ trong không khí, không ch ố ng

đượ c oxy hóa, không s ử d ụ ng đượ c trong không khí.

Giới Giới hạn hạn nhiệt nhiệt độ độ đo đo với với các các ống ống bảo bảo vệ vệ khác khác nhau nhau

Gi ớ i h ạ n

đ o chu ẩ n

Gi ớ i h ạ n đ o trên

Ố ng b ả o v ệ

b ằ ng kim

lo ạ i ( mm)

Ố ng b ả o v ệ

không b ằ ng kim lo ạ i ( mm)

Giới Giới hạn hạn nhiệt nhiệt độ độ đo đo với với các các ống ống bảo bảo vệ vệ khác khác nhau nhau

Gi ớ i h ạ n

đ o chu ẩ n

Gi ớ i h ạ n đ o trên

Ố ng b ả o v ệ

b ằ ng kim lo ạ i ( mm)

Ố ng b ả o v ệ

không b ằ ng kim lo ạ i ( mm)

Constantan)

-Transmitter nhiệt ngẫu làm các nhiệm vụ sau:

T

đo

K

.t K

E

Ta phải chỉnh KT thế nào để cho 0 C ứng với 4 mA và nhiệt độ

định mức ứng với 20 mA Muốn thế ta phải khuếch đại và phải

bố trí để có thể định hệ số khuếch đại ứng với các KT mong

muốn

Transmitter Transmitter nhiệt nhiệt ngẫu ngẫu

S ơ đồ nguyên lý c ủ a transmitter nhi ệ t ng ẫ u 7MC1932 c ủ a Siemens

Nhi ệ t ng ẫ u k ế th ươ ng ph ẩ m

Các nhiệt kế 800004 và 800007 loại K/J

Transmitter Transmitter nhiệt nhiệt ngẫu ngẫu

Nhiệt kế nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiệp, thường

được chế tạo bằng Pt, dây đồng, dây Ni và có ký hiệu là:

Pt-100, Cu-Pt-100, Ni-100

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ cho bởi:

Nhiệt Nhiệt kế kế nhiệt nhiệt điện điện trở trở

R

1- Nhi ệ t đ i ệ n tr ở 2- Modul vào

Transmitter Transmitter nhiệt nhiệt điện điện trở trở

S ơ đồ nguyên lý c ủ a transmitter nhi ệ t đ i ệ n tr ở ; (b) Transmitter nhi ệ t

Để tránh ảnh hưởng của điện trở đường dây ta phải bố trí để

có thể lắp sơ đồ 2 dây, 3 dây, 4 dây

Điện áp nhiệt điện trở đưa qua A/D biến thành số Vi xử lý tínhtoán ra nhiệt độ, sau đó qua D/A thành dòng điện ra 4-20 mA

ứng với khoảng đo của nhiệt độ vào Vi xử lý còn làm nhiệm vụ

tuyến tính hóa nhiệt kế

Sơ đồ của bộ biến đổi thông minh đo nhiệt độ SITRANS – T

của Siemens

Đo

Đo nhiệt nhiệt độ độ

Đo lực, áp xuất, biến dạng, moment

Cảm biến điện trở lực căng Cảm biến áp điện, áp từ

Đo lực, gia tốc, di chuyển

Thiết Thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng không không điện điện

Đo lực, gia tốc, di chuyển

Cám biến điện cảm, điện dung Encorder, resolver

Máy phát tốc AC hay DC

Thiết bị đo lưu lượng

Cảm biến cảm ứng điện từ

Sử dụng rotor Cảm biến siêu âm

Đo chênh lệch áp

Thiết Thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng không không điện điện

Đo chênh lệch áp

Đo mức

Bằng phao nổi Siêu âm

Quá áp suất thủy tĩnh

Thiết Thiết bị bị đo đo các các đại đại lượng lượng không không điện điện

R ơ le c ũ ng là m ộ t ứ ng d ụ ng c ủ a cu ộ n dây trong s ả n xu ấ t thi ế t b ị đ i ệ n t ử , nguyên lý ho ạ t độ ng c ủ a R ơ le là bi ế n đổ i dòng đ i ệ n thành t ừ tr ườ ng thông qua qu ộ n dây, t ừ tr ườ ng l ạ i t ạ o thành l ự c c ơ h ọ c thông qua l ự c hút để th ự c

C ơ c ấ u ti ế p thu (cu ộ n dây)

Có nhi ệ m v ụ ti ế p nh ậ n nh ữ ng tín hi ệ u đầ u vào và bi ế n đổ i nó thành đạ i l ượ ng

c ầ n thi ế t cung c ấ p tín hi ệ u phù h ợ p cho kh ố i trung gian.

C ơ c ấ u trung gian (nam châm đ i ệ n) Làm nhi ệ m v ụ ti ế p nh ậ n nh ữ ng tín hi ệ u đư a đế n t ừ kh ố i ti ế p

thu và bi ế n đổ i nó thành đạ i l ượ ng c ầ n thi ế t cho r ơ le tác độ ng.

C ơ c ấ u ch ấ p hành (h ệ th ố ng ti ế p đ i ể m)

Phân lo ạ i theo nguyên lí làm vi ệ c g ồ m

Công tắc tơ là một loại thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự

động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A

độ ng và đ i ề u khi ể n đả o chi ề u độ ng c ơ đ i ệ n.

Mu ố n kh ở i độ ng t ừ b ả o v ệ đượ c ng ắ n m ạ ch ph ả i m ắ c thêm c ầ u ch ả y.

Áp tô mát là thi ế t b ị đ i ệ n dùng để t ự độ ng c ắ t m ạ ch đ i ệ n b ả o v ệ quá t ả i,

ng ắ n m ạ ch, s ụ t áp, h ồ quang đượ c d ậ p trong không khí.

Máy c ắ t h ạ th ế là thi ế t b ị dùng để đ óng c ắ t m ạ ch đ i ệ n (h ạ th ế ) ở m ọ i ch ế độ v ậ n hành (ch ế độ không t ả i, ch ế độ đị nh m ứ c, ch ế độ s ự c ố ).

Đ i ể m khác nhau c ơ b ả n gi ữ a máy c ắ t không khí và aptomat:

Máy c ắ t h ạ th ế đượ c ch ế t ạ o để dùng cho nh ữ ng m ạ ch có công su ấ t l ớ n, có th ể

ch ỉ nh đị nh đượ c các thông s ố trong ph ạ m vi b ả o v ệ r ộ ng (Thông th ườ ng aptomat ch ỉ ch ế t ạ o đế n I đ m <= 1600A)

Máy Máy cắt cắt hạ hạ áp áp

Tất cả các chi tiết của aptomat đều được đặt trong

Tất cả các chi tiết của aptomat đều được đặt trong

vỏ nhựa, kín và nhỏ gọn Còn máy cắt hạ thế không

có vỏ.

Máy cắt hạ thế thường dùng trong các trạm hạ áp,

các trạm phân phối.

Các thành phần chính của máy cắt hạ thế về cơ bản

giống aptomat: hệ thống tiếp điểm, hệ thống dập hồ

quang, cơ cấu truyền động đóng cắt aptomat, phần tử

Cầu chì là mộ t thi ế t b ị b ả o v ệ m ạ ch đ i ệ n s ử d ụ ng nh ằ m

phòng tránh các hi ệ n t ưở ng quá t ả i trên đườ ng dây gây

cháy, n ổ

Thành ph ầ n không th ể thi ế u trong m ộ t c ầ u chì là m ộ t

dây chì m ắ c n ố i ti ế p v ớ i hai d ầ u dây d ẫ n trong m ạ ch

đ i ệ n V ị trí l ắ p đặ t c ầ u chì là ở sau ngu ồ n đ i ệ n t ổ ng và

Cầu Cầu chì chì, ,

đ i ệ n V ị trí l ắ p đặ t c ầ u chì là ở sau ngu ồ n đ i ệ n t ổ ng và

tr ướ c các b ộ ph ậ n c ủ a m ạ ch đ i ệ n , m ạ ng đ i ệ n c ầ n đượ c

b ả o v ệ nh ư các thi ế t b ị đ i ệ n,

Các thành phần còn lại bao gồm: hộp giữ cầu chì,

các chấu mắc, nắp cầu chì, v.v được thay đổi tùy

thuộc vào loại cầu chì cũng như mục đích thẩm mỹ