Bài giảng Điều khiển quá trình

Trang 1 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Trang 2 GIỚI THIỆU Trang 3 GIỚI THIỆUTổng quan về hệ thống điều khiển quá trình-Các thành phần cơ bản -Các chức năng và nhiệm vụ -Mô tả chức năng, lưu đồ

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GV: Nguyễn Đức Minh 0989092281 GIỚI THIỆU Hệ thống điều khiển Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU GIỚI THIỆU  Tổng quan hệ thống điều khiển trình - Các thành phần - Các chức nhiệm vụ - Mô tả chức năng, lưu đồ P&ID  Xây dựng mơ hình q trình - Mơ hình hóa lý thuyết - Mơ hình hóa thực nghiệm  Thiết kế cấu trúc/sách lược điều khiển - Các cấu trúc điều khiển - Điều khiển tập trung điều khiển phi tập trung/phân tán Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU GIỚI THIỆU  Thiết kế điều khiển (thuật toán điều khiển) - Lựa chọn kiểu điều khiển - Tính tốn tham số điều khiển  Cơ sở giải pháp hệ thống điều khiển trình - Thiết bị đo - Thiết bị điều khiển - Thiết bị chấp hành  Các tốn điều khiển q trình tiêu biểu - Các hệ thống dịng chảy/bình chứa - Các hệ thống truyền nhiệt - Các trình chuyển khối (tháp chưng cất) Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU NỘI DUNG CHƢƠNG 1.1 Khái niệm 1.2 Mục đích điều khiển 1.3 Các chức điều khiển trình 1.4 Cấu trúc HT ĐKQT 1.5 Mô tả chức hệ thống – Lƣu đồ P&ID 1.6 Nguồn cung cấp lƣợng cho hệ thống Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Quá trình, trình kỹ thuật  Biến trình: - Đại lượng (biến) điều khiển - Đại lượng (biến) điều khiển - Đại lượng nhiễu, nhiễu tải nhiễu đo ƒĐiều khiển q trình: - Mục đích, nhiệm vụ - Một số quan điểm định nghĩa ƒHệ thống điều khiển trình: - Thiết bị điều khiển - Thiết bị đo - Thiết bị chấp hành - Hệ thống vận hành & giám sát  Bài giảng Điều khiển q trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU Q TRÌNH & Q TRÌNH KỸ THUẬT Q trình trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thơng tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ (ANSI/ISA 88.01, DIN 19222) ƒQuá trình kỹ thuật trình với đại lượng kỹ thuật đo hoặc/và ₫ược can thiệp ƒQ trình cơng nghệ q trình kỹ thuật nằm dây chuyền công nghệ => quan tâm tới trình vật chất lượng  Trong nội dung môn học, khái niệm trình ₫ược hiểu q trình cơng nghệ Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU BIẾN QUÁ TRÌNH 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 ƒ  Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển  Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU BIẾN Q TRÌNH  Nhiễu: Biến vào khơng 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, - Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise) Bài giảng Điều khiển q trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU VÍ DỤ 1: BÌNH CHẤT LỎNG Bài giảng Điều khiển q trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU VÍ DỤ VAN CẦU (FISHER CONTROLS) Tích hợp điều khiển số định vị (truyền động khí nén) Bài giảng Điều khiển q trình Tích hợp chuyển đổi I/P (truyền động điện-khí nén) GV: Nguyễn Đức Minh TLU VÍ DỤ VAN BI V-ball Bài giảng Điều khiển q trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU VÍ DỤ VAN BƢỚM Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU CƠ CẤU CHẤP HÀNH  Phân loại theo lượng truyền động (điện, thủy lực, khí nén, điện-khí nén, điện-thủy lực)  Phân loại theo cấu truyền động — Màng rung (Bellows): — Màng chắn (Diaphragm): — Piston — Vane  Phân loại theo kiểu tác động — Tác động đơn (Single-acting): a device in which the power supply acts in only one direction, e.g., a spring diaphragm actuator or a spring return piston actuator — Tác động kép (Double-acting): a device in which power is supplied in either direction Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU TÁC ĐỘNG KHÍ NÉN: CƠ CHẾ LÕ XO/MÀNG CHẮN Cửa khí vào Màng chắn Cửa khí vào Lị xo Cần truyền động Chỉ thị hành trình a) Mở cố (FO, AC) (Fail-Open hay Air-to-Close) Bài giảng Điều khiển q trình b) Đóng cố (FC, AO) (Fail-Closed hay Air-to-Open) GV: Nguyễn Đức Minh TLU TÁC ĐỘNG KHÍ NÉN: CƠ CHẾ PISTON Lò xo Xi lanh Piston Cần truyền động Tác động kép Bài giảng Điều khiển q trình Vị trí an tồn Tác động kép đơn với lị xo giãn an tồn (FC) Tác động kép đơn với lị xo co an toàn (FO) GV: Nguyễn Đức Minh TLU 4.2.2 KIỂU TÁC ĐỘNG CỦA VAN  Đóng an tồn (fail-closed, FC air-to-open, AO)  Mở an toàn (fail-open, FO air-to-close, AC)  Lựa chọn kiểu tác động van phụ thuộc vào yêu cầu an toàn hệ thống Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU 4.2.2 KIỂU TÁC ĐỘNG CỦA VAN Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU 4.2.3 ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN  Mơ hình động học van điều khiển thường đưa khâu quán tính bậc nhất: dF dF dp kv F(s) k = = v Gv (s) = = du dp du u(s)  τv : 3-15 giây Đơn giản h ó a Cho c h ế c h ấ p h n h TT => Bài giảng Điều khiển trình τvs + ⎧⎪ cho van FC ⎪ dF , kv = dp ⎨ ⎪− dF , cho van FO ⎪ dp ⎩ GV: Nguyễn Đức Minh TLU BỘ ĐỊNH VỊ VAN (VALSE POSITION)  Vấn đề: van điều khiển thơng thường có độ xác khơng cao (có thể sai số vị trí tới 5%) do: — Dải chết (Deadband), độ trễ (Hysteresis) — Ma sát thay đổi bụi bẩn, thiếu bôi trơn han gỉ — Áp suất lưu chất thay đổi — Đặc tính phi tuyến chế chấp hành  Bộ định vị: Sử dụng tín hiệu đo vị trí mở van thực tác động tới chế chấp hành để điều chỉnh độ mở van xác theo tín hiệu điều khiển — Thực chất điều khiển vòng trong, cấu trúc điều khiển tầng — Thông thường sử dụng luật tỉ lệ với hệ số khuếch đại tương đối lớn (10-200) — Có thể giảm sai số vị trí xuống tới 0.5% Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU KHI NÀO NÊN SỬ DỤNG BỘ ĐỊNH VỊ  Nên sử dụng khi: — Cần độ xác cao tăng tốc độ tác động — Động học trình chậm đáng kể so với van (hằng số thời gian lớn lần so với van), ví dụ q trình phản ứng, q trình nhiệt, q trình trộn,  Khơng nên sử dụng — Quá trình tương đối nhanh (hằng số thời gian không lớn lần so với van): định vị làm chậm giảm chất lượng điều khiển vịng ngồi — Đã sử dụng điều khiển số chỗ (tích hợp với van), điều khiển số đóng vai trị định vị Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU 4.3 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN Thuật toán điều khiển Xử lý đầu Tín hiệu đo Xử lý đầu vào Thiết bị điều khiển Tín hiệu điều khiển Giá trị đặt/ Tín hiệu chủ đạo Ơ  Control equipment: Thiết bị điều khiển, vd PLC, IPC, Digital Controller, DCS Controller,  Controller: Bộ điều khiển, hiểu — Cả thiết bị điều khiển, — Chỉ riêng khối tính tốn điều khiển, vd PI, PID, FLC, ON/OFF, Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH (Cơng nghiệp chế biến, khai thác) ĐIỀU KHIỂN RỜI RẠC (Công nghiệp chế tạo, lắp ráp) Các thiết bị khí Các điều chỉnh Rơle điện – cơ, (1920) Thiết bị điều chỉnh PID khí nén (1920-1930) Các mạch logic lập trình cứng (PLD, 1960) Thiết bị điều chỉnh PID điện tử (1940-1950) Điều khiển số trực tiếp (DDC, 1965-1975) Bộ điều chỉnh số gọn (CDC, 1980) Ơ Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, 1970) Hệ ĐKPT tích hợp (DCS, 1975) PC công nghiệp (IPC) PC-104, CompactPCI, SBC (PC-based Control) PLC-based DCS PLC mềm (Soft-PLC, 1996) PC-based DCS Hệ điều khiển lai Hệ điều khiển trƣờngthống (FCS, 2000) Chương 4: Đặc tính thành phần hệ Bài giảng Điều khiển q trình © 2006 - HMS 55 GV: Nguyễn Đức Minh TLU CẤU TRÖC CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI Bài giảng Điều khiển trình GV: Nguyễn Đức Minh TLU 4.3.1 ĐIỀU KHIỂN HAI VỊ TRÍ  Cị n gọi đ iều k h i ể n on/off, đ iều k h i ể n “bang-bang”  Tín h i ệ u đ iều k h i ể n có t h ể n h ậ n mộ t tro ng giá trị  Là mộ t đ iều k h i ể n p hi t u yế n t ĩ n h u(t) Trƣờng hợp lý tƣởng umax ⎧⎪umin , e < u(t) = ⎨ ⎪ ⎪umax ,e ≥ umin Bài giảng Điều khiển trình “ON” “OFF” ⎩ e GV: Nguyễn Đức Minh TLU