Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống bình trộn chất lỏng là hệ thống điển hình ứng dụng điều khiển quá trình, qua hệ thống thiết bị khuấy tràn , bài toán điều khiển đặt ra là lưu lượng vào dòng thứ hai phụ thuộc vào quá trình dòng đứng trước, trong khi lưu lượng ra là đại lượng có thể can thiệp được.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống khuấy tràn nguyên liệu Sinh viên thực : Lớp : Giáo viên hướng dẫn : Đào Văn Hoàng Tạ Minh Hiếu CNTĐHK18A Th.S HOÀNG THỊ THƯƠNG Thái Nguyên, năm 2022 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Trong kỳ em thực đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống khuấy tràn nguyên liệu” Ngày nay, biết rõ công nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp nào, giúp trộn chất sơn hay bê tơng với tỉ lệ xác, lao động chất lượng cao Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình giáo Th.S Hồng Thị Thương thầy cô giáo khoa để em thực tốt đề tài Tuy nhiên kiến thức, kinh nghiệm chưa hồn chỉnh nên cịn có số thiếu sót q trình thực đề tài, mong bảo, đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn đọc quan tâm đề tài Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Điều khiển trình Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật 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 người 1.2 Quá trình biến trình Quá trình định nghĩa trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển lưu trữ (IEC60050-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 (4) Q trình cơng nghệ q trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất lượng Một trình cơng nghệ đơn giản q trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, phức tạp tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện tổ hợp lị hơi-turbin Q trình kỹ thuật q trình với đại lượng kỹ thuật đo can thiệp Khi nói tới q trình kỹ thuật, ta hiểu q trình cơng nghệ với phương tiện kỹ thuật thiết bị thiết bị chấp hành Sự phân biệt hai khái niệm “q trình kỹ thuật” “q trình cơng nghệ” dây vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho nội dung trình bày sau Từ sau, khơng nhấn mạnh khái niệm “q trình” hiểu “q trình cơng nghệ” ”q trình kỹ thuật” tùy theo ngữ cảnh sử dụng Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Khái niệm trình với phân loại biến trình minh họa Hình 1.1 Một biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình, ví dụ lưu lượng dịng nguyên liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trang thái đóng/mở rơ-le soi đốt, Một biến đại lượng điều kiện thể tác động q trình bên ngồi, ví dụ nồng độ lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải mức bình thường hay cao Hình 1.1 Quá trình phân loại biến trình Nhìn từ quan điểm lý thuyết hệ thống biến vào thể nguyên nhân biến xuất kết (quan hệ nhân – quả) Cạnh biến vào ra, nhiều ta quan tâm đến biến trạng thái Các biến trạng thái mang thơng tin trạng thái bên q trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất mức chất lỏng, dẫn xuất từ đại lượng đặc trưng khác, ví dụ (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất mức Trong nhiều trường hợp, trạng thái biến coi biến Ví dụ, mức nước bình chứa vừa coi trạng thái, vừa coi biến Một cách tổng quát, nhiệm vụ hệ thống điều khiển trình ca thiệp biến vào trình cách hợp lý để biến thỏa mãn tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu trình kỹ thuật người môi trường xung quanh Hơn nữa, diễn biến trình tham số, trạng thái hoạt động thành phần hệ thống cần theo dõi giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, q trình cơng nghệ khơng phải biến vào can thiệp khơng phải biến cần phải điều khiển Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) biến biến trạng thái trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point, SP) bám theo biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến cần điều khiển liên quan quan hệ trọng đến vận hành ổn định, an toàn hệ thống chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất nồng độ biến cần điều khiển tiêu biểu hệ thống điều khiển trình Các biến biến trạng thái cịn lại q trình đo, ghi chép hiển thị Biến điều khiển (manipulated variable, MV) biến vào q trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua tác động tới biến theo ý muốn Trong điều khiển trình lưu lượng biến điều khiển tiêu biểu Những biến vào cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp hay gián tiếp phạm vi trình quan tâm coi nhiễu Nhiễu tác động tới q trình cách khơng mong muốn, cần có biện pháp nhằm loại bỏ giảm thiểu ảnh hưởng Có thể phân biệt hai loại nhiều có đặc trưng khác hẳn nhiễu trình (disturbance) nhiễu đo (noise) Nhiễu trình biến vào tác động lên trình kỹ thuật cách cố hữu khơng can thiệp dược, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số giá trị đo Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch rịi đầu vào/ra cơng nghệ đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống Nhìn từ phía cơng nghệ đầu vào đầu q trình lượng vật chất, từ quan điểm hệ thống ta quan tâm tới thông tin thể qua biến trình Hình 1.2 minh họa bình chứa chất lỏng đơn giản với biến đặc trưng Đây q trình cơng nghệ, chất lỏng vận chuyển lưu trữ Mặc dù chất lỏng chảy vào khỏi bình, lưu lượng vào lưu lượng coi biến vào, mức chất lỏng h vừa coi biến trạng thái biến q trình Bài tốn điều khiển đặt thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào F i, cách hợp lý để trì mức bình h ổn định giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng F Có thể dễ dàng thấy, mức chất lỏng h biến cần điều khiển lưu lượng vào F i biến điều khiển Trong đó, lưu lượng F phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng q trình tiếp theo, khơng thể can thiệp coi nhiễu trình hay nhiễu tải Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng biến trình Các biến q trình đo khơng đo Trong đa số trường hợp, biến cần điều khiển đại lượng đo Tuy nhiên phép đo đại lượng chậm, thiếu xác tốn kém, quan sát, tính tốn điều khiển gián tiếp thơng qua đại lượng khác thay đo điều khiển trực tiếp Vì thế, biến cần điều khiển số trường hợp chưa biến điều khiển Ví dụ, tháp chưng luyện biến cần điều khiển thành phần sản phẩm Tuy nhiên, phép đo thành phần hóa chất thường chậm xác, ảnh hưởng nhiễu phản ánh chậm thay đổi thành phần sản phẩm Thực tế, người ta chọn biến điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp nhiệt độ đáy tháp, với lý thành phần sản phẩm có hệ thống chặt chẽ với nhiệt độ, nhiệt độ dễ đo phản hồi ánh sáng nhanh ảnh hưởng nhiễu Trong nhiều toán, việc nhận biết biến trình chọn biến điều khiển điều khiển biến dễ dàng Đây quan trọng nhiệm vụ trình điều khiển hệ thống thiết kế mà bàn kỹ chương trình sau 1.3 Phân loại q trình Các cơng nghệ phân loại theo nhiều quan điểm khác Cách phân loại thứ dựa số lượng biến vào biến Một q trình có biến gọi q trình đơn biến, cịn có nhiều biến gọi q đa biến Một q trình vào – cịn gọi tắt SISO (single-input single-output), trình nhiều vào – nhiều gọi MIMO (multi-input multi-output) Có thể nói, hầu hết cơng nghệ đa biến Dựa đặc tính đại lượng đặc trưng (biến đầu biến trạng thái tiêu biểu), ta phân loại q trình thành trình liên tục, trình gián đoạn, trình rời rạc trình mẻ Trong trình liên tục, nguyên liệu lượng đầu vào vận chuyển biến đổi cách liên tục (hoặc gần liên tục) Một đạt trạng thái xác lập, chất q trình khơng phụ thuộc vào thời gian vận hành Các đại lượng đặc trưng trình liên tục biến tương tự, tức chúng lấy giá trị phạm vi giới hạn Quá trình trao đổi nhiệt, trình bay hơi, trình vận chuyển chất lỏng chất khí ví dụ trình liên tục tiêu biểu Một trình gián đoạn (hay cịn gọi q trình khơng liên tục) có chất giống q trình liên tục, nhiên biến vào quan sát thời điểm gián đoạn định Trong trình rời rạc, đại lượng đặc trưng thay đổi giá trị số thời điểm định lấy giá trị rời rạc tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc trình Cũng vậy, đại lượng đặc trưng trình rời rạc thường biếu biễn biến số nguyên, trường hợp đặc biệt biến kí tự (cho kiện) biến logic (cho trạng thái logic) Quá trình đóng bao, đóng chai, q trình phục vụ, q trình chế tạo, q trình lắp ráp ví dụ trình rời rạc tiêu biểu Một trình mẻ trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng q trình liên tục trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo quy trình thao tác (cơng thức, recipe) cho trước tồn khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với mẻ Các đại lượng đặc trưng trình mẻ bao gồm biến tương tự biến rời rạc Đặc biệt, yếu tố thời gian yếu tố kiện đóng vai trị qua trọng q trình mẻ Các q trình phản ứng hóa học, q trình pha chế, q trình lên men (bia, rượu) ví dụ tiêu biểu cho trình mẻ Quá trình liên tục trình mẻ đặc trưng ngành cơng nghiệp chế biến, q trình rời rạc đặc trưng ngành công nghiệp chế tạo lắp ráp Do vậy, lĩnh vực điều khiển trình ta quan tâm trước hết tới trình liên tục trình mẻ Tuy nhiên, nhà máy chế biến tồn số q trình rời rạc, ví dụ q trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động dừng thiết bị, 1.4 Mục đích chức điều khiển trình Nhiệm vụ điều khiển trình đảm bảo điều kiện vận hành an tồn, hiệu kinh tế cho q trình cơng nghệ Trước tìm hiểu xây dựng hệ thống điều khiển trình, người kỹ sư phải làm rõ mục đích điều khiển chức hệ thống cần thực để đạt mục đích Việc đặt toán đến xây dựng giải pháp điều khiển bắt đầu với việc tiến hành phân tích cụ thể hóa mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển sở quan trọng cho việc đặc tả chức cần thực hệ thống điều khiển q trình Tồn chức hệ thống điều khiển q trình phân loại xếp nhằm phục vụ năm mục đích sau đây: Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định điểm làm việc chuyển chế độ cách trơn tru, đảm bảo điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện Bảo đảm suất chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất trì thơng số liên quan chất lượng sản phẩm phạm vi yêu cầu Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu nguy xảy cố bảo vệ cho người, máy móc, thiết bị mơi trường trường hợp xảy cố Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu nguyên liệu Nâng cao hiệu kinh tế: Đảm bảo suất chất lượng theo u cầu giảm chi phí nhân cơng, nguyên liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường Để phân tích mục đích điều khiển làm rõ chức điều khiển q trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa Hình 1.3 Hai dịng ngun liệu có thành phần chất A x x đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu Lưu lượng khối lượng dịng ngun liệu kí hiệu w w 2, điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng Quá trình pha chế hỗ trợ hệ thống khuấy trộn gắn động Dung dịch sản phẩm đưa tới trình với lưu lượng khối lượng w Thiết bị khuấy trộn hoạt động theo chế độ liên tục theo mẻ, ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 1.5 Các thành phần hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng mức độ tự động hóa, hệ thống điều khiển q trình cơng nghiệp đơn giản đến tương đối phức tạp, chúng dự thành phần thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Chức thành phần hệ thống quan hệ chúng thể trực quan với sơ đồ khối Hình 1.4 Hình 1.4 Các thành phần hệ thống điều khiển q trình Trong đó: - Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV) - Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO) - Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV) - Biến điều khiển: Controlled Variable (CV) - Đại lượng đo: Measured Variable, Process Value (PV) - Tín hiệu đo: Measured Signal, Process Measurement (PM) Để thấy sơ lược chức thành phần hệ thống quan hệ chúng ta, trước hết ta xét ví dụ điều khiển nhiệt độ minh họa Hình 1.5 Nhiệt độ chất lỏng khỏi bình (T) đo cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dịng 4-20mA đưa tới điều khiển DCS (Distributed Control System) DCS giải pháp điều khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển q trình Tín hiệu tương tự 4-20mA trước hết phải chuyển sang dạng số (khâu biến đổi A/D) trước xử lý tiếp máy tính số Giá trị nhiệt độ mong muốn (T s p) người vận hành đặt từ trạm vận hành, chương trình điều khiển cao cấp trạm vận hành tính tốn đưa xuống Qua so sánh giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính tốn giá trị biến điều khiển theo thuật toán cài đặt Ví dụ với thuật tốn tỉ lệ, giá trị biến điều khiển tỉ lệ thuận với sai lệch Giá trị khâu biến đổi 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 chuyển đổi qua khâu I/P thành dạng tín hiệu khí nén 0.2-1bar để thay đổi độ mở van cấp dịng nóng Lưu lượng dịng nóng F thay đổi thơng qua điều chỉnh nhiệt độ T tới giá tri đặt T sp Ví dụ minh họa dựa cấu trúc ghép nối truyền thơng với tín hiệu tương tự vào - tập trung Trong thực tế người ta sử dụng cấu trúc ghép nối khác vào - phân tán sử dụng công nghệ bus trường Khi quan hệ liên kết thành phần hệ thống khác chút mặt hình thức, chất trao đổi thơng tin khơng có khác biệt Hình 1.5 Các thành phần hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.5.1.Thiết bị đo Chức thiết bị đo cung cấp tín hiệu tỉ lệ theo nghĩa với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cảm biến (sensor) chuyển đổi (transducer) Một cảm biến thực chức tự động cảm nhận địa lượng quan tâm q trình kỹ thuật biến đổi thành tín hiệu Để truyền xa sử dụng thiết bị điều khiển dụng cụ báo, tín hiệu từ cảm biến cần khuếch đại, điều hịa chuyển đổi sang dạng thích hợp Một chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển đổi mà cho đầu tín hiệu chuẩn (ví dụ 110V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Trong hệ thống điều khiển trình truyền thống tín hiệu 4-20mA thơng dụng nhất, song xu hướng gần cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày chiếm ưu Lưu ý thuật ngữ “transmitter” “transducer” dùng để thiết bị đo, tức bao gồm “sensor” 1.5.2 Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay điều khiển (controller) thiết bị tự động thực chức điều khiển, thành phần cốt lõi hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù thuật ngữ “thiết bị điều khiển” “bộ điều khiển” thực tế sử dụng với nghĩa tương đồng, ta cần làm rõ khác biệt nhỏ Tùy theo ngữ cảnh, điều khiển hiểu thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ điều khiển nhiệt độ), khối phần mềm cài đặt thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trạm PLC/DCS) thiết bị điều khiển chia (ví dụ trạm PLC/DCS) Trên sở tín hiệu đo cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển lựa chọn, điều khiển thực thuật toán điều khiển đưa tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại trình kỹ thuật thơng qua thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào phương pháp thể luật điều khiển, thiết bị điều khiển xếp loại thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén điện tử xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ - điện điện tử) thiết bị điều khiển logic theo nghĩa Một thiết bị điều khiển số xây dựng tảng máy tính số, thay chức thiết bị điều khiển tương tự thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số chấp nhận đầu vào/ra tín hiệu số tín hiệu tương tự tích hợp thành phần chuyển đổi tương tự - số cầu thiết, nhiên thuật toán điều khiển thực máy tính số Một thiết bị điều khiển số cho chất lượng độ tin cậy cao hơn, mà cịn đảm nhiệm nhiều chức điều khiển, tính tốn hiển thị lúc Có thể nói rằng, tất giải pháp điều khiển đại (PLC, DCS, PAS) hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất máy tính số trang bị thiết bị ngoại vi để thực chức điều khiển Vì ta nói tới máy tính điều khiển tức bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) thành phần tích hợp bo mạch Cịn khái niệm thiết bị điều khiển trạm điều khiển bao hàm máy tính điều khiển thành phần mở rộng, kể module vào/ra module chức khác 1.5.3 Thiết bị chấp hành Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu từ điều khiển thực tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu công nghiệp van điều khiển, động cơ, máy bơm quạt gió Thơng qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển can thiệp vào diễn biến trình kỹ thuật Ví dụ, tùy theo tín hiệu điều khiển mà van điều khiển điều chỉnh độ mở van thay đổi lưu lượng cấp, qua điều chỉnh mức chất lỏng bình Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng dịng khí qua điều chỉnh lưu lượng Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cấu chấp hành hay cấu dẫn động (actuator) phần tử điều khiển (control element) Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành lượng (cơ nhiệt), phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển Ví dụ Hình 1.5, cấu chấp hành bao gồm chuyển đổi L/P cộng với cấu truyền động khí nén, cịn phần tử điều khiển thân van 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng hệ thống điều khiển q trình bao gồm nhiều bước phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định đưa vào vận hành, ta gọi chung nhiệm vụ phát triển hệ thống Các nhiệm vụ người kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển trình minh họa Hình 1.6 1.6.1 Phân tích chức hệ thống Qui trình thiết kế hệ thống điều khiển bắt đầu với bước tìm hiểu yêu cầu công nghệ để đưa đặc tả chức cụ thể hệ thống dựa sở phân tích mục đích điều khiển Đây nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần có hợp tác chặt chẽ người làm điều khiển với nhà công nghiệ Người kỹ sư thiết kế điều khiển cung cấp vẽ tài liệu liên quan mơ tả quy trình cơng nghệ, vẽ lưu đồ cơng nghệ quan trọng Công việc người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết nghiên cứu toán điều khiển, bổ sung chức điều khiển trình cụ thể thể chúng vẽ lưu đồ chức hay lưu P&ID sơ lược Tiếp theo, yêu cầu mặt cơng nghệ cho tốn điều khiển cần cụ thể hóa thơng qua tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian độ, mức độ dao động, Bên cạnh đó, điều kiện vận hành điểm làm việc, điều kiểu biên, chế độ vận hành yêu cầu an toàn hệ thống cần làm rõ Các biểu đồ trình tự sử dụng để biểu diễn yêu cầu trình tư vận hành cơng nghệ