Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống điều khiển nhiệt độ

Hình 1.4: Thiết bị điều khiển nhiệt độ. Yêu cầu: 1. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát 2. Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ sản phẩm ra. 3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink 4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình khuấy trộn nhiên liệu, xác định giá trị của bộ điều khiển. Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được. a) Mô hình điều khiển b. Kết quả Mô phỏng trên matlab 5. Điều khiển và giám sát hệ thống trên PLC và WinCC

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 điều khiển nhiệt độ Sinh viên thực : Hà Xuân Qúi : Senmady Lớp : TĐH-K18A Giáo viên hướng dẫn : Th.S HOÀNG THỊ THƯƠNG Thái Nguyên, năm 2023 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 điều khiển nhiệt độ” 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 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1 Giới thiệu chung hệ thống Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ người thiết kế thường dùng điều khiển nhiệt độ Bộ điều khiển nhiệt độ thiết bị dùng để đo, điều khiển kiểm soát nhiệt độ khoảng khơng gian thời gian định Ngồi nhiệt độ, loại thiết bị điều khiển cịn có khả đo kiểm soát đồng thời độ ẩm khơng gian kín Với tính này, điều chỉnh nhiệt độ trở thành thành phần thiếu hệ thống gia nhiệt, máy ép nhựa, lò sấy, hệ thống khí nén, … Ngồi tên gọi phổ biến điều khiển nhiệt độ, kỹ sư khí cịn gọi chúng nhiều tên khác như: cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo nhiệt độ, đồng hồ điều khiển nhiệt độ, đồng hồ hiệu chỉnh nhiệt độ, điều khiển nhiệt độ PID, điều khiển nhiệt kỹ thuật số, … Thông thường, sau đo nhiệt độ cảm biến nhiệt độ can nhiệt có cách để giám sát điều khiển:  Truyền trung tâm PLC/DCS để giám sát điều khiển  Đưa vào điều khiển nhiệt độ để điều khiển Trong hệ thống nhỏ đơn lẻ khơng sử dụng PLC cảm biến nhiệt độ ưu tiên hàng đầu tính đa dụng hiệu vượt trội mà chúng mang lại Đa dạng kích thước, cách thức cài đặt, sử dụng dễ dàng, điều khiển với độ xác cao giá thành phải chằng lý mà đồng hồ hiệu chỉnh nhiệt độ sử dụng phổ biến 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động điều khiển nhiệt độ 1.2.1 Cấu tạo điều khiển nhiệt độ thành phần cấu tạo nên điều khiển nhiệt độ là:  Cảm biến: Với khả cảm nhận biến đổi vật lý, hóa học, sinh học mơi trường, cảm biến đồng hồ điều khiển nhiệt có chức đo lường giá trị thực nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng,… kiểm soát chúng Những liệu cảm biến biến đổi thành tín hiệu để gửi điều khiển  Bộ điều khiển: Là nơi mà tiếp nhận xử lý tín hiệu truyền từ cảm biến Sau tiếp nhận tín hiệu, điều khiển tiếp tục xuất tín hiệu qua xử lý đến thiết bị điều khiển  Thiết bị điều khiển: Tiếp nhận tín hiệu đạo từ điều khiển thực xác lập trình trước Bộ điều khiển nhiệt có kích thước nhỏ gọn lại đóng vai trị đầu não q trình điều khiển Cảm biến xem mắt thiết bị điều khiển coi chân tay người vận hành thành phần phối hợp nhịp nhàng với để giúp điều khiển nhiệt hoạt động cách xác 1.2.2 Nguyên lý hoạt động điều khiển nhiệt độ Về nguyên lý, điều khiển nhiệt độ trước tiên đo nhiệt độ mơi trường (biến q trình), sau so sánh với giá trị nhiệt độ mong muốn (giá trị cài đặt) Sự khác biệt giá trị gọi lỗi (độ lệch) Dựa vào lỗi này, điều khiển định mức độ sưởi ẩm hay làm mát cần thiết để đưa nhiệt độ giá trị mong muốn Hồn tất q trình này, điều khiển gửi tín hiệu đầu (giá trị thao tác) tác động đến thay đổi cần thiết Tín hiệu đầu thường kết nối với lò sưởi, van điều khiển, quạt số "phần tử điều khiển cuối cùng" thực bơm loại bỏ nhiệt khỏi trình Bộ điều khiển nhiệt độ có chế độ điều khiển:  Điều khiển PID  Kiểm soát điều khiển ON/OFF  Kiểm soát nhiệt độ theo tỷ lệ Điều khiển nhiệt độ lò nướng Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt 1.3 Những lại điều khiển 1.3.1 Bộ điều khiển nhiệt độ theo chương trình Loại điều khiển nhiệt độ làm việc theo chương trình cài đặt trước, trì mức nhiệt khoảng thời gian đặt hẹn chuyển sang mức nhiệt khác Người sử dụng lập trình đến 16 phân đoạn nhiệt khác với chương trình nhiệt độ môi trường từ 0°C tùy vào mục đích sử dụng 1.3.2 Bộ điều khiển nhiệt độ kết nối với máy tính thơng qua truyền thơng RS485 Đối với điều khiển nhiệt độ tích hợp cổng truyền thơng RS485 thơng qua phần mềm kết nối với máy tính, thơng số giá trị, alarm, phần trăm ngõ đồng hồ hiển thị đồng thời cài đặt Người dùng quản lý giám sát giá trị dạng file excel, biểu đồ dạng cột, dạng đồ thị Và quan trọng nhất, hồn tồn thay đổi thông số cảm biến nhiệt độ phần mềm 1.3.3 Bộ điều khiển nhiệt độ dạng DIN Rail Loại điều khiển nhiệt lắp trực tiếp Rail chia thành loại: loại tích hợp nút nhấn điều khiển loại yêu cầu hình rời bên ngồi với dây dài 1m Bộ điều chỉnh nhiệt độ dạng DIN Rail tích hợp với Transmitter dùng làm chuyển đổi tín hiệu vô hiệu Ngõ vào đa dạng loại nhiệt độ, tín hiệu, chuyển sang tín hiệu analog lên đến ngõ relay output Tín hiệu ngõ vào ngõ hiệu chỉnh dễ dàng thơng qua phím bấm cảm biến nhiệt độ 1.4 Ưu điểm điều khiển nhiệt độ  Hỗ trợ vận hành thiết bị cách an toàn  Giúp giảm tiêu thụ lượng  Hỗ trợ trì tiện nghi nhiệt (lò sưởi, lò nướng, ) độ ẩm  Giám sát tốt cho hệ thống  Giảm chi phí nhân lực  Giúp xác định rõ vấn đề bảo trì (nhiệt độ giảm bất thường ) 1.5 Các ứng dụng điều khiển nhiệt độ Bộ hiển thị điều khiển nhiệt độ sử dụng nhiều lĩnh vực, ngành nghề, từ nhà máy công nghiệp hoạt động sản xuất dân dụng  Ứng dụng thường thấy lò ấp trừng gia cầm từ dạng mini đến công suất lớn giúp kiểm sốt điều chỉnh nhiệt độ lị áp khơng cao không thấp  Theo dõi điều khiển nhiệt độ lò nung, lò gốm sứ với nhiệt độ lên đến hàng nghìn °C Lĩnh vực địi hỏi độ xác nhiệt độ vơ cao Một xảy sai lệch nhiệt độ mẻ hàng đem nung hỏng  Ngồi đồng hồ điều khiển nhiệt sử dụng cho máy lạnh dân dụng, quạt tản nhiệt nhà máy sản xuất, lò sấy, lò nướng, nồi hơi, Chúng tơi có viết riêng ứng dụng điều khiển nhiệt độ lò sấy CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Điều khiển q trình Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng lý thuyết ứng dụng, hướng lý thuyết phát triển theo hướng tìm điều khiển thơng minh (mờ, nơron, thích nghi…), cịn hướng ứng dụng tìm giải pháp vận hành, điều khiển q trình cơng nghệ cụ thể thực tiễn Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào ngành công nghiệp chế biến (cơng nghệ hóa học, sinh học thực phẩm), kết nối chặt chẽ tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình cơng nghệ trình sản xuất Để học mơn học sinh viên cần có kiến thức mơn học: Hóa học,Vật lý, Đo lường cảm biến LT ĐKTĐ thực tế quan sát dây chuyền công nghệ sản xuất nhà máy, xí nghiệp thực tập ngồi doanh nghiệp - Khái niệm 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 - Mục đích chức ĐKQT Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống 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 móc, vận hành thuận tiện Đảm bảo suất chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất trì thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm Đảm bảo hệ thống vận hành 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 nước sử dụng nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nguyên nhiên liệu Nâng cao hiệu kinh tế: Đảm bảo suất chất lượng theo yêu cầu giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thị trường - Tầm quan trọng điều khiển trình + ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn tính tin cậy q trình + ĐKQT định chất lượng sản phẩm trình sản xuất + ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành trình 1.2 Qúa trình biến Quá trình biến trình Quá trình định nghĩa trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thông tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ 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 q trình cơng nghệ đơn giản trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, phức tạp tổ hợp lò phản ứng-thấp chưng luyện tổ hợp lị hơi-turbin Q trình kỹ thuật trình với đại lượng kỹ thuật đưoc đo can thiệp Khi nói tới 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 trình kỹ thuật trình công nghệ vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho nội dung trình bày sau Từ sau, khơng nhấn mạnh khái niện 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 Một biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở ro-le sợi đốt Một biến nguyên nhân biến xuất kết (quan hệ nhân quả) Cạnh biến vào ra, nhiều ta quan tâm đến trạng thái biến Các thông tin trạng thái biến đổi trạng thái bên q trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất mức chất lỏng, dẫn xuất từ đại lượng đặc trưng khác, ví dụ (speed) nhiệt độ biến thiên, áp suất mức Trong nhiều trường hợp, trạng thái biến coi biến Ví dụ, mức nước bình coi trạng thái, vừa coi biến thể Một cách tổng quát, nhiệm vụ điều khiển hệ thống sử dụng biến thể trình hợp lý để biến thể thỏa mãn tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu hư hỏng ảnh trình Thuật ngữ người xung quanh môi trường Hơn nữa, diễn đàn tham số, hoạt động trạng thái thành phần hệ thống cần phải có: theo dõi giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, nghệ thuật q khơng phải biến thành thứ sử dụng biến thể cần phải điều khiển Biến cần điều khiển (biến điều khiển, CV) biến trạng thái biến trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn đặt giá trị (điểm đặt, SP) theo chủ đạo, mẫu tín hiệu biến (biến lệnh / tín hiệu tham chiếu) Các biến cần quan trọng hệ thống liên quan điều khiển, đến vận hành ổn định, an toàn hệ thống chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, lượng, lưu lượng, áp suất mức độ biến thể cần điều khiển tiêu biểu điều khiển hệ thống trình Hình 1.1: Quá trình phân loại biến trình - Một biến vào - Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới vận hành an toàn, ổn định chất lượng sản phẩm, cần trì giá trị đặt, bám theo tín hiệu chủ đạo - Biến 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 được: + Nhiễu trình (disturbance, process disturbance):  Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên thông số đầu vào (lưu lượng, nhiệt độ thành phần nguyên liệu, nhiên liệu)  Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất nước, )  Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, 10 3.3 Thiết kế sách lược - Khái niệm sách lược điều khiển: Thể nguyên tắc mặt cấu trúc việc sử dụng thông tin biến trình để đưa tác động điều khển - Phân loại: + Truyền thẳng (vòng hở, bù nhiễu) + Phản hồi + Tỉ lệ + Tầng  Kết việc thiết kế sách lược có: + Sơ đồ P&ID + Sơ đồ khối điều khiển  Có nhiều phương pháp thiết kế sách lược, phương pháp có ưu nhược điểm khác với toán em chọn phương pháp điều khiển tỉ lệ phương pháp tối ưu chó phép điều khiển tỉ lệ biến giá trị đặt nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TỐN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 16 3.1 u cầu tốn Hình 1.4: Thiết bị điều khiển nhiệt độ u cầu: Phân tích tốn điều khiển, xác định biến mơ hình mơ hình tổng quát Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ sản phẩm Tìm phương trình hàm truyền đạt hệ Mơ hệ hở Simulink Thiết kế Bộ điều khiển cho trình khuấy trộn nhiên liệu, xác định giá trị điều khiển Mô kết điều khiển với điều khiển vừa tính a) Mơ hình điều khiển b Kết Mơ matlab Điều khiển giám sát hệ thống PLC WinCC 3.2 Phân tích tốn điều khiển, xác định biến mơ hình mơ hình tổng quát 17 Theo yêu cầu toán phải điều khiển nhiệt độ để đạt yêu cầu tỉ lệ ta mong muốn Các biến hệ thống điều khiển nhiệt độ + Biến vào: T1, F1, T2, F, F2 + Biến ra: T + Biến điều khiển: F1 + Biến cần điều khiển: T + Nhiễu: T1, T2, F , F2 Mơ hình q trình hệ thống điều khiển nhiệt độ F, F2, T1, T2 F1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ T Hình 3.1: Mơ hình tổng quan hệ thống điều khiển nhiệt độ 3.3 Xây dựng mơ hình điều khiển phản hồi 18 - Xây dựng sơ đồ hệ điều khiển phản hồi F F2 T1 T2 Tsp F1 van BĐK nhiệt độ Qúa trình Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển phản hồi - Xây dựng sơ đồ công nghệ P&ID hệ thống điều khiển nhiệt độ Tsp TC TT T Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc P&ID 3.4 Tìm hàm truyền đạt xây dựng hệ thống hở Simulink 3.4.1 Phương trình cân nhiệt dT dt = P2 P1 F T + V F T 2− FT pV V p Tuyến tính hóa phương trình điểm làm việc (F1,T1,F2,T2,F,T) F = F1+F2, ta có: p T − pT p T 2−PT P1 F p1 F d ∆T F + ∆T= ∆ F1 + ∆ F 2+ V ∆ T 1+ V ∆T V V dt V p p p p 19 T 3.4.3 Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt Biến đổi laplace cho hai vế, ta nhận mơ hình hàm truyền đạt: Trong đó: Hàm truyền đạt cho van điều khiển : Gv ( s)= Hàm truyền đạt thiết bị đo : : Gm ( s)= kv T v s+1 km T m s+1 Sơ đồ khối hàm truyền đạt nhiệt độ 3.4.4 Xây dựng hệ thống Simulink 20