THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT

Hình 3.1: Mô hình hoạt động của hệ thống Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình tổng quát. Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ sản phẩm ra. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink Thiết kế bộ điều khiển cho quá trình bình mức, 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 Lập trình điều khiển và giám sát với PLC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA - - BÁO CÁO MƠN HỌC ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT Sinh viên thực Lớp Giảng viên hướng dẫn : Trần Đình Quang Nguyễn Dương Tùng Linh : TĐH K18A : Ths Hoàng Thị Thương Thái Nguyên, ngày 28 tháng 03 năm 2023 MỤC LỤC Chương I: Tổng quan phương pháp điều khiển trình .1 1.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển trình .1 1.2 Biến trình phân loại biến 1.3 Các phương pháp điều khiển trình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển trình 1.5 Các bước để thiết kế hệ thống điều khiển trình Chương II: Giới thiệu chung hệ thống gia nhiệt 2.1 Tổng quan hệ thống gia nhiệt 2.2 Một số thiết bị gia nhiệt phổ biến 2.3 Giới thiệu hệ thống gia nhiệt khơng khí 10 2.3.1 Giới thiệu hệ thống gia nhiệt dịng khí nóng 10 2.3.2 So sánh hệ thống gia nhiệt khơng khí so với hệ thống khác .11 Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển trình cho hệ thống gia nhiệt .13 3.1 Nội dung yêu cầu đề tài 13 3.2 Xác định yêu cầu, xác định biến vào hệ thống .13 3.3 Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ sản phẩm 14 3.4 Tìm phương trình hàm truyền đạt hệ Mơ hệ hở Simulink 16 3.4.1 Xây dựng phương trình mơ hình .16 3.4.2 Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt .16 3.4.3 Mô hệ thống với hệ hở 17 3.5 Thiết kế điều khiển cho trình gia nhiệt, xác định giá trị điều khiển 22 3.5.1 Thiết kế điều khiển cho trình gia nhiệt 22 3.5.2 Xác định hệ số điều khiển PID mô 22 3.6: Điều khiển giám sát hệ thống thống PLC WinCC 26 3.6.1: Xác định phần tử vào hệ thống lập bảng PLC tag .26 3.6.2: Sơ đồ khối hệ thống lưu đồ thuật toán điều khiển .26 3.6.3: Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC 27 3.6.4: Lập trình điều khiển mơ hệ thống với PLC 1215C-1DP .28 3.6.5: Thực mô hệ thống với PLC 1215C-1DP .30 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .32 Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Quá trình phân loại biến trình Hình 1.2: Ví dụ ổn định bình chứa nước Hình 1.3: Bộ gia nhiệt biến trình Hình 1.4: Các thành phần hệ thống ĐKQT Hình 2.1: Mơ hình hệ thống gia nhiệt hoạt động .7 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống sưởi dầu .8 Hình 2.3: Mơ hình hệ thống sưởi điện Hình 2.4: Mơ hình hệ thống sưởi nước Hình 2.5: Mơ hình hệ thống sưởi khí Hình 2.6: Mơ hình hệ thống sưởi lượng mặt trời .10 Hình 2.7: Mơ hình hệ thống gia nhiệt khí 10 Hình 2.8: Cách thức hoạt động gia nhiệt khí 11 Hình 3.1: Mơ hình hoạt động hệ thống 13 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống .14 Hình 3.3: Lưu đồ P&ID hệ thống 15 Hình 3.4: Cấu trúc hệ thống gia nhiệt 15 Hình 3.5: Tuyến tính hóa mơ hình thiết bị gia nhiệt qua phép đổi biến .17 Hình 3.6: Kết mơ kiểm tra ổn định hệ thống gia nhiệt 21 Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển cho trình gia nhiệt 22 Hình 3.8: Khảo sát ổn định hệ thống trước sau có PID 25 Hình 3.9: Đáp ứng hệ thống với PID .25 Hình 3.10: Ngõ đầu vào khai báo PLC Tag 26 Hình 3.11: Ngõ đầu vào khai báo PLC Tag 26 Hình 3.12: Sơ đồ khối hệ thống 27 Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 27 Hình 3.14: Thiết kế giao diện giám sát điều khiển WinCC 28 Hình 3.15: Đoạn chương trình cho phép hệ thống hoạt động 29 Hình 3.16: Đoạn chương trình xử lý liệu phản hồi sau điều khiển van30 Hình 3.17: Đoạn chương trình mơ hệ thống gia nhiệt hoạt động .30 Hình 3.18: Khối PID hoạt động xử lý liệu 31 Hình 3.19: Chạy mơ hệ thống với gía trị cài đặt trước .31 Hình 3.20: Bảng giá trị PID chạy mô tự động 31 Chương I: Tổng quan phương pháp điều khiển trình 1.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển trình Phương pháp điều khiển trình (Process Control) phương pháp sử dụng để kiểm sốt q trình sản xuất cơng nghiệp Phương pháp giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, tăng suất giảm chi phí sản xuất Các trình sản xuất thường có nhiều biến số nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ pH, độ ẩm, v.v Các biến số ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm hiệu sản xuất Phương pháp điều khiển trình giúp giảm thiểu ảnh hưởng biến số cách đưa biện pháp điều khiển hợp lý Các hệ thống điều khiển q trình thường sử dụng thơng số đo phản hồi để điều chỉnh biến số sản xuất cho đạt mục tiêu mong muốn Các thông số đo sử dụng bao gồm cảm biến để đo thông số quan trọng trình sản xuất, điều khiển để điều chỉnh thông số Phương pháp điều khiển q trình áp dụng nhiều ngành cơng nghiệp hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, điện tử, v.v Nó coi cơng cụ quan trọng giúp doanh nghiệp cải thiện hiệu sản xuất cạnh tranh thị trường 1.2 Biến trình phân loại biến Biến trình (process variable) đại lượng đo lường mô tả trạng thái trình sản xuất, hệ thống kỹ thuật Biến q trình làm thay đổi qua thời gian sử dụng để giám sát điều khiển trình hệ thống Hình 1.1: Quá trình phân loại biến trình Phân loại biến trình chia thành nhóm dựa tính chất chúng, bao gồm:  Biến đầu vào (input variables): Là biến ảnh hưởng trực tiếp đến trình hệ thống, thường kiểm soát thay đổi để thay đổi trạng thái đầu Ví dụ: nồng độ hóa chất đưa vào, mức độ chiếu sáng  Biến điều khiển (control variables): cá biến đầu vào Là biến điều chỉnh thay đổi để điều khiển ổn định q trình hệ thống Ví dụ: dịng điện đưa vào, mức nước tự động điều chỉnh  Biến nhiễu (noise variable): biến đầu vào Là tác động bên ngồi q trình điều khiển mà làm thay đổi giá trị biến trình mà khơng kiểm sốt mong đợi Biến nhiễu gây sai lệch giá trị thực tế biến trình giá trị mục tiêu biến đặt Ví dụ nhiệt độ, độ ẩm, … Nhiễu gồm có: - Nhiễu q trình: + 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, - Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise).: Nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trình đo  Biến đầu (output variables): Là biến mô tả kết hiệu suất trình hệ thống Ví dụ: sản lượng, chất lượng sản phẩm  Biến cần điều khiển: biến đầu trình Liên quan hệ trọng tới vận hành an toàn, ổn dịnh chát lượng sảm phẩm Cần trì ổn định giá trị đặt bám theo tín hiệu chủ đạo  Biến khơng cần điều khiển: biến q trình, có số biến khơng cần điều khiển chúng khơng ảnh hưởng trực tiếp đến q trình sản xuất khơng thể điều khiển Các biến gọi biến bị chi phối biến nhiễu Hình 1.2: Ví dụ ổn định bình chứa nước 1.3 Các phương pháp điều khiển q trình  Có nhiều phương pháp điều khiển trình khác sử dụng ngành công nghiệp Sau số phương pháp điều khiển trình phổ biến:  Điều khiển đơn giản (PID): Đây phương pháp điều khiển trình phổ biến ngành cơng nghiệp Nó sử dụng điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh thông số sản xuất theo thông số đo Bộ điều khiển tính tốn lỗi giá trị mong muốn giá trị thông số đo, điều chỉnh thông số sản xuất cho giảm thiểu lỗi  Điều khiển mô hình dự đốn (MPC): Phương pháp sử dụng mơ hình tốn học q trình sản xuất để dự đoán biến số tương lai điều chỉnh thông số sản xuất để đạt mục tiêu Nó cho phép điều khiển nhiều biến lúc tối ưu hóa thơng số sản xuất  Điều khiển tối ưu (OC): Phương pháp sử dụng thuật tốn tối ưu để điều chỉnh thơng số sản xuất cho đạt mục tiêu tối ưu Nó u cầu mơ hình tốn học xác q trình sản xuất tính tốn thơng số sản xuất tối ưu dựa ràng buộc sản xuất mục tiêu  Điều khiển thông minh (IC): Phương pháp sử dụng thuật toán học máy trí tuệ nhân tạo để học tối ưu hóa thơng số sản xuất Nó cho phép tự động học hỏi điều chỉnh thông số sản xuất để đạt hiệu sản xuất tốt  Điều khiển phân tán (DCS): Phương pháp sử dụng nhiều điều khiển phân tán để điều khiển phần khác trình sản xuất Nó cho phép điều khiển phần khác trình sản xuất cách độc lập tối ưu hóa hiệu suất sản xuất Tùy thuộc vào trình sản xuất yêu cầu cụ thể, phương pháp điều khiển q trình sử dụng cách riêng  Ưu nhược điểm phương pháp điều khiển trình so với phương pháp điều khiển khác: - Ưu điểm phương pháp điều khiển trình bao gồm: + Tối ưu hóa hiệu suất sản xuất: Phương pháp giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất đạt mục tiêu sản xuất cách xác so với phương pháp điều khiển khác + Cải thiện chất lượng sản phẩm: Phương pháp điều khiển trình giúp cải thiện chất lượng sản phẩm cách đảm bảo thông số sản xuất đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm + Giảm thời gian dừng máy: Phương pháp giúp giảm thời gian dừng máy cách đưa giải pháp đắn cho cố sản xuất điều chỉnh thơng số sản xuất nhanh chóng - Tuy nhiên, có số nhược điểm phương pháp điều khiển trình, bao gồm: + Phụ thuộc vào mơ hình tốn học: Phương pháp u cầu sử dụng mơ hình tốn học q trình sản xuất để dự đốn điều khiển thơng số sản xuất, phụ thuộc vào độ xác mơ hình + Tốn phức tạp: Phương pháp tốn phức tạp việc thiết kế triển khai hệ thống điều khiển, đặc biệt trình sản xuất phức tạp + Khó khăn việc điều chỉnh: Các thơng số sản xuất điều khiển phương pháp khó để điều chỉnh cài đặt, đặc biệt trình sản xuất phức tạp Tóm lại, phương pháp điều khiển q trình có nhiều ưu điểm tối ưu hóa hiệu suất cải thiện chất lượng sản phẩm, có nhược điểm độ phức tạp khó khăn việc điều chỉnh 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển trình Một hệ thống điều khiển trình bao gồm thành phần chính: - Thiết bị đo - Thiết bị chấp hành - Thiết bị điều khiển Hình 1.3: Bộ gia nhiệt biến trình Hình 1.4: Các thành phần hệ thống ĐKQT 1.5 Các bước để thiết kế hệ thống điều khiển trình Để thiết kế hệ thống điều khiển q trình, tn theo bước sau: - Xác định mục tiêu điều khiển: Xác định biến quan trọng cần điều khiển đặt mục tiêu cho biến - Xác định phương pháp điều khiển: Lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp để đáp ứng mục tiêu điều khiển đặt Các phương pháp điều khiển bao gồm phương pháp PID, PD, điều khiển mô hình dự đốn, điều khiển tối ưu - Thiết kế, mơ hình hóa thành phần hệ thống: Thiết kế mơ hình hóa thành phần hệ thống điều khiển thiết bị điều khiển, cảm biến, thiết bị đo, điều khiển logic