Hệ thống bình mức được ứng dụng rất nhiều trong thực tế cũng như trong công việc nghiên cứu của ngành điều khiển tự động. Trong công nghiệp bình mức chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong: Hệ thống Bình chứa xăng dầu, hóa chất Trong hệ thống trao đổi chất lỏng Trong các hệ thống tháp chưng cất, các thiết bị phản ứng Hệ thống phản ứng Trong thiết bị y tế như: bình chứa cồn y tế, dây chuyền chế tạo dược phẩm Vì thế, đề tài nghiên cứu về hệ thống bình mức cũng là một đề tài quan trọngvà có khả năng ứng dụng cao có lợi rất nhiều cho sinh viên.
LỜI NÓI ĐẦU Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế hệ thống điều khiển trình điều khiển mức lưu lượng bình đơn Chuyên đề xây dựng dạng tập tổng hợp Giúp ta biết cách vận dụng cách tổng hợp kiến thức học vào toán cụ thể hoàn chỉnh Trong thời gian nghiên cứu làm chuyên đề dựa vào kiến thức học trường, qua số sách, tài liệu có liên quan với giúp đỡ tận tình giáo Hồng Thị Thương nên đề tài chúng em hoàn thành Trong trình thực đề tài, chúng em cố gắng tránh khỏi sai xót Vì chúng em mong đóng góp thầy bạn để giúp đề tài phát triển thêm Sinh viên thực : NGUYỄN VĂN NHẬT TRỊNH ĐỨC MẠNH NHẬN XÉT CUẨ GIÁO VIÊN Mục lục Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Sự phát triển kĩ thuật điều khiển trình .1 1.2 Tính cấp thiết điều khiển trình 1.3 Điều khiển trình 1.3.1 Khái quát chung 1.3.2 Quá trình biến trình 1.4 Phân loại trình 1.5 Nhiệm vụ chức điều khiển trình 1.6 Các thành phần hệ thống 1.6.1.Thiết bị đo 1.6.2 Thiết bị điều khiển 1.6.3 Thiết bị chấp hành .9 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 10 1.6.1 Phân tích chức hệ thống 10 1.6.2 Xây dựng mơ hình q trình .11 1.6.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển 11 1.6.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 12 1.6.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống 12 1.6.6 Phát triển phần mềm ứng dụng .12 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TÌNH TRẠNG THÁI CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC 13 2.1 Giới thiệu bình mức chất lỏng 13 2.2 Sách lược điều khiển 14 2.3 Sách lược điều khiển lưu đồ P&ID 15 2.3.1 Lưu đồ P&ID thường 15 2.3.2 Lưu đồ P&ID chi tiết 18 2.3.3 Yêu cầu toán 23 2.4 Các phương trình cân 24 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC LƯU LƯỢNG TRONG BÌNH ĐƠN 26 3.1 Đặt toán 26 3.2 Thiết kế hệ thống .27 3.2.1 Phân tích tốn điều khiển, xác định biến mơ hình mơ hình tổng qt 27 3.2.2 Thiết kế sách lược điều khiển tầng để điều khiển mức nước bình chứa : 27 3.2.3 Tìm mơ hình hàm truyền đạt hệ 29 3.3 Mô hệ thống mattlab 30 3.3.1 Phương pháp đường cong đáp ứng 30 3.3.2 Xác định thông số PID .32 3.3.3 Xây dựng lưu đồ P&ID .34 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Sự phát triển kĩ thuật điều khiển q trình Cơng nghệ thiết bị đo q trình tiếp tục phát triển hai lĩnh vực ứng dụng nghiên cứu Vào năm 1774, Jame Watt lần sử dụng hệ thống điều khiển có phản hồi áp dụng vào văng để điều chỉnh tốc độ động nước Mười năm sau Oliver Evans vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xay bột Philadelphia Ban đầu, thiết bị đo trình phát triển chậm , có q trình cơng nghệ để ứng dụng Vì vào cuối kỉ 20 cơng nghiệp bắt đầu phát triển thiết bị đo trình phát triển theo Tuy nhiên, có thiết bị đo q trình trực tiếp thực cuối năm 30 Vào năm 40, hệ thống truyền động khí nén làm cho hệ thống phức tạp phịng điều khiển trung tâm thực Thiết bị đo điện tử trở lên phổ biến vào năm 50 tính phổ biến làm cho cơng nghệ thiết bị đo q trình phát triển nhanh chóng từ Và chủ yếu vịng 10 năm đó, xuất cơng nghệ máy tính số giải vướng mắc trình phức tạp Tuy nhiên yêu cầu đặt lúc là thiết bị trình tương lai phải kết hợp hệ thống số hệ thống tương tự 1.2 Tính cấp thiết điều khiển trình Ngày tất nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp trang bị hệ thống tự động hoá mức cao Các hệ thống nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao động khỏi vị trí làm việc độc hại.v.v Các hệ thống tự động hoá giúp theo dõi, giám sát quy trình cơng nghệ thơng qua số hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thực chức điều chỉnh thơng số cơng nghệ nói riêng điều khiển tồn q trình cơng nghệ tồn xí nghiệp nói chung Hệ thống tự động hố đảm bảo cho q trình cơng nghệ xảy điều kiện cần thiết bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn cơng đoạn q trình cơng nghệ Chất lượng sản phẩm suất lao động phần xưởng, nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc lớn vào chất lượng làm việc hệ thống tự động hoá Để phát triển sản xuất, ngồi việc nghiên cứu hồn thiện q trình cơng nghệ ứng dụng cơng nghệ hướng nghiên cứu không phần quan trọng nâng cao mức độ tự động hố q trình công nghệ Do phát triển mạnh mẽ công nghệ vi điện tử công nghệ chế tạo khí xác, thiết bị đo lường điều khiển q trình cơng nghệ chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy xác Ngày thiết bị đo lường ngày sử dụng rộng rãi nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hố q trình sản xuất cơng nghệ công tác nghiên cứu khoa học tất lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác Để thực nhiệm vụ cần thiết phải tiến hành đo đại lượng vật lý khác đại lượng điện, đại lượng hình học, học, nhiệt học, hoá học, đại lượng từ, đại lượng hạt nhân nguyên tử Trên sở đánh giá đắn vai trò to lớn việc áp dụng điều khiển trình vào hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp ta tiến hành tìm hiểu sâu tìm hiểu thiết bị đo lường chuyển đổi dùng điều khiển trình 1.3 Điều khiển trình 1.3.1 Khái quát chung Khái niệm điều khiển trình hiểu ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm , hiệu sản xuất an tồn cho người, máy móc Q trình trình tự diễn biến vật lý, hố học chuyển đổi sinh học, vật chất, lượng thông tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ Q trình cơng nghệ trình liên quan tới biến đổi vận chuyển lưu trữ vật chất , lượng , dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất Quá trình kỹ thuật trình với đại lượng đo hoặc/và can thiệp Khi nói tới trình kỹ thuật ta hiểu trình công nghệ với phương tiện kỹ thuật phương tiện kỹ thuật thiết bị đo, thiết bị chấp hành Một cách tổng quát nhiệm vụ hệ thống điều khiển trình can thiệp vào biến điều khiển cách hợp lý để biến thoả mãn tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu trình đến môi trường người xung quanh Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình Các biến trình bao gồm biến vào biến Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình, ví dụ dòng nguyên liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơle sợi đốt Biến đại lượng điều kiện thể tác động q trình bên ngồi, ví dụ nồng độ sản phẩm lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải 1.3.2 Q trình biến trình a Quá 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 phân biệt sau : + 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-tháp chưng luyện tổ hợp lị hơi-turbin + Q trình kỹ thuật trình với đại lượng kỹ thuật 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 b Biến trình Hình 1.1: Biến trình Biến trạng thái biến mang thông tin trạng thái bên q trình, ví dụ nhiệt độ lị, áp suất hơi, mức chất lỏng nhiều trường hợp biển trình coi biển - Nhìn sơ đồ ta phân loại biến trình điều khiển sau: + Biến cần điều khiển : biến biến trạng thái trình điều khiển , điều chỉnh ổn định giá trị đặt bám theo tín hiệu chủ đạo ( tín hiệu mẫu ) + Biến điều khiển : biến can thiệp trực tiếp từ bên ngồi , qua tác động tới biến theo ý muốn Những biến cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp gián tiếp phạm vi trình quan tâm coi nhiễu + Biến vào : điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình + Biến : đại lượng thông số thể ảnh hưởng trình bên ngồi + Biến điều khiển : đại biến vào q trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi vào q trình, để tác động tới biến theo yêu cầu mong muốn + Biến nhiễu : biến vào q trình tác động lên q trình ta khơng can thiệp phạm vi trình quan tâm Nhiễu bao gồm: - Nhiễu trình : + Nhiễu đầu vào + Nhiễu tải + Nhiễu ngoại sinh Nhiễu đo , nhiễu tạp : nhiễu tác động lên phép đo gây sai số giá trị đo Các trình điều khiển điều khiển q trình Bộ điều khiển xác phải giữ cân yếu tố lượng nguyên liệu chống lại sai lệch xuất trình Hầu hết điều khiển trình thực tế điều khiển phản hồi Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo biến cần biến điều khiển , so sánh với giá trị định mức ( giá trị đặt ) sử dụng sai lệch để có tác động hiệu chỉnh theo mong muốn Nhiều hệ thống phức tạp đo giá trị lượng nguyên liệu đầu vào hai yếu tố lượng nguyên liệu cấp cho trình để điều khiển đầu Các biến vào hệ thống lưu lượng dịng chất lỏng ( F0) Biến q trình lưu lượng dịng (F) Trong q trình lưu lượng chất lỏng vận chuyển liên tục khơng dừng lại nên ta coi lưu lượng dịng dịng cơng chất Hình 1.2: Mơ hình bình chứa chất lỏng sơ đồ khối Trong hệ thống này, biến cần điều khiển lưu lường dòng (F), biến (F0, ρ0) coi nhiễu trình phạm vi xem xét 1.4 Phân loại trình Các cơng nghệ phân loại theo nhiều quan điểm khác chia sau: - - Cách phân loại thứ dựa số lượng biến vào biến Một trình có biến gọi q trình đơn biến, cịn có nhiều biến gọi đa biến 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 trình thành trình liên tục, trình gián đoạn, trình rời rạc trình mẻ 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) Q trình đóng bao, đóng chai, q trình phục vụ, trình chế tạo, trình lắp ráp ví dụ q trình rời rạc tiêu biểu