Thiết kế, xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển mứ nướ và lưu lượng ứng dụng á thuật toán điều khiển quá trình nâng ao

Với ý tưởng tạo ra một mô hình thí nghiệm với nhiều bài toán điều khiển quá trình và điều khiển quá trình nâng cao khác nhau trên mô hình thức tế để kiểm chứng lý thuyết, đề tài thực hiệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI H C BÁC Ọ H KH OA HÀ ỘI N

VŨ VĂN QUANG

THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIÊM ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG ỨNG DỤNG CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO

Chuy ngành: ên Điều khiển và Tự độ ng hoá

Hà Nội – N m 2ă 014

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131996901000000

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan ội n dung luận ă v n này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học củaTS Nguyễn Huy Phương Các s ố liệu, tính toán, mô phỏng trong luậnvăn hoàn toàn trung th c và là công trình nghiên c u c riêng tôi ự ứ ủa

Học viên

Vũ Văn Quang

ii

MỤC LỤC

L I Ờ CAM ĐOAN i

M C L C ii Ụ Ụ DANH M C CÁC KÝ HI U, T VI T T T v Ụ Ệ Ừ Ế Ắ DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ ĐỒ TH vi Ị M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V Ề ĐIỀU KHI N QUÁ TRÌNH 1 Ể 1.2 Khái quát v u khi n quá trình 1 ề điề ể 1.2.1 Tính c p thiấ ết của điều khi n quá trình 1 ể 1.2.2 Khái niệm điều khi n quá trình [1] 2 ể 1.2.3 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 5

1.2.4 Các thành phần cơ bản của hệ ống điề th u khi n quá trình 6 ể 1.2.5 Đặc điểm c a đủ ối tượng điều khi n quá trình 7 ể 1.2.5.1 Đối tượng điều khiển đa biến 7

1.2.5.2 Đối tượng có tham s bi n thiên 9 ố ế 1.2.5.3 Đối tượng phi tuy n 9 ế 1.2.5.4 Th i gian ch t l n 11 ờ ế ớ 1.4 M ch vòng ph n h i 12 ạ ả ồ 1.5 Chọn chế độ hoạt độ ng cho b u khi n 16 ộ điề ể 1.6 Xây dựng các phương trình mô hình 17

1.6.1 Phương trình cân bằng v t ch t 17 ậ ấ 1.6.2 Phương trình cân bằng năng lượng 18

1.7 M t s h thộ ố ệ ống điều khi n m c trong các dây truyể ứ ền sản xu t 20 ấ K t luế ận chương 1 25

CHƯƠNG 2: 26

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ XÂY DỰNG H ỆTHỐNG 26

2.1 Mô hình v t lý h ậ ệthống điều khiển quá trình 26

2.1.2 Sơ đồ kh i H thố ệ ống điều khi n m c 27 ể ứ 2.1.1 Sơ đồ ấ c u trúc mô hình vật lý điều khi n m c ch t l ng 27 ể ứ ấ ỏ 2.1.3 Yêu c u công ngh cầ ệ ủa hệ ố th ng 29

iii

2.2 Các thi t b trong Bàn thí nghiế ị ệm điều khiển quá trình 29 2.2.1 Van tay 29 2.2.2 Lưu lượng k 29 ế2.2.3 Van tuy n tính 30 ế2.2.4 Valve xoay chiều: 32 2.2.5.Bơm xoay chiều 32 2.2.6 C m bi n m c 33 ả ế ứ2.2.7.Cảm biến đo lưu lượng 34 2.2.8 B u khi n 37 ộ điề ể2.2 Ghép n i phố ần cứng 38 2.2.1 Thiết kế ủ điề t u khi n 38 ể2.2.2 Thiết kế ạch độ m ng l c 41 ự2.2.3 Thiết kế ạch điề m u khi n 44 ể2.2.4 T u khi n và h th ng sau khi thi t k xong 49 ủ điề ể ệ ố ế ế

K t luế ận chương 2 49 CHƯƠNG 3: THIẾT K B Ế Ộ ĐIỀU KHI N CHO QUÁ TRÌNH 50 Ể

MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG 50 3.1 Cơ sở lý thuyết để thi t k b u khi n 51 ế ế ộ điề ể3.1.1.Hàm truyền đạt, hàm trọng lượng, hàm quá độ 51 3.1.2.Xây dựng mô hình toán h c của các khâu độọ ng học cơ bản b ng th c nghi m.52 ằ ự ệ3.2 Thi t k b u khi n 59ế ế ộ điề ể3.2.1 Ch n tham s cho b u khi n PID 59 ọ ố ộ điề ể3.3 Xây d ng mô hình toán h c mô t h ự ọ ả ệthống 66 3.3.1 Mô hình bình chứa lỏng 66 3.3.2 Xây d ng mô hình van 68 ự 3.3.3 M i quan h giố ệ ữa lưu lượng Qvà mức L 69 3.4 Thi t k b u khiế ế ộ điề ển cho đối tượng m – ức lưu lượng : 69 3.4.5 Gi i thiớ ệu về module m m trong Step7 71 ề

3.5 Lưu đồ điều khi n.ể 78 82 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHI N VÀ GIÁM SÁT H TH NG 84 Ể Ệ Ố

iv

4.1 L p trìnhPLC 84 ậ

4.1.1 Kỹ thuật lập trình cấu trúc 84

4.1.2 Phần mềm Simatic Step7 85

4.1.2.1 SIMATIC Manager 85

4.1.2.2 D ự án và thư viện 85

4.1.2.3 Soạn thảo một dự án 86

4.1.2.4 Chương trình điều khi n 91 ể 4.2 Thi t k HMI 91 ế ế 4.2.1 Phần mềm Simatic Wincc Flexible 91

4.2.2 Thiết kế giao diện 93

4.2.2.1 Giao di n chính 93 ệ 4.2.2.2 Giao diện cài đặt tham s 94 ố 4.2.2.2 Giao di n trend 94 ệ KẾT LUẬN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Phụ ụ l c 98

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮTPCS: Process control system,

DCS: Distributed control system

MIMO: Multiple inputs multiple output

FOPDT : First order plus dead time

PLC: Program logic controller

LIC: Level Indecator Conrol

LAH: Level Alarm Hight

LAL: Level Alarm Low

SP: Set Point

F: Flow

HMI: Human-machine interface

API: Application Program Interface

PID: Proportional- Integal- Derivative Controller

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển quá trình 2

Hình 1.2 Quá trình và các loại biến quá trình 3

Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 4

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 6

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển nhiệt độ 7

Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất 8

Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục 10

Hình 1.8 Quá trình vận chuyển bằng băng tải 12

Hình 1.9.: Bài toán điều chỉnh (a) và bài toán bám (b) 13

Hình 1.10 Mạch vòng điều khiển phản hồi đơn giản 14

Hình 1.11 Van kết nối trực tiếp với bộ điều khiển 15

Hình 1.12 Sơ đồ lò hơi BZK-220-100-10C 22

Hình 1.13 Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi 23

Hình 1.14 Sơ đồ tháp trưng luyện với cấu trúc điều khiển mức 23

Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển mức cho các bể, két chứa 24

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả các thiết bị của bàn thí nghiệm 26

Hinh 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bàn thí nghiệm điều khiển mức 27

Hình 2 3 Mô hình điều khiển mức chất lỏng bình 28

Hình 2 4 Van tay 29

Hình 2 5 Lưu lượng kế 30

Hình 2.6 Van tuyến tính 30

Hình 2.7 Đặc tính của Valve tỉ lệ 31

Hình 2.8 Valve điện xoay chiều 32

Hình 2.9 Bơm xoay chiều 33

Hình 2.10 Cảm biến áp suất PSA-01 34

Hình 2.12 Cấu tạo của cảm biến đo lưu lượng 34

Hình 2.13 CPU 314C -2DP 37

Hình 2.14 Khai báo phần cứng của CPU 37

Hình 2.15 Panel mặt trong cánh tủ 38

Hình 2.16 Panel mặt ngoài cánh tủ 39

Hình 2.17 Panel mặt trong tủ điều khiển 40

Hình 2.18 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho hệ thống 41

Hình 2.19 Mạch động lực của Valve, động cơ 42

Hình 2.20 Sơ đồ mạch cấp nguồn PLC 43

Hình 2.23 Sơ đồ mạch điều khiển tự động và bằng tay 46

Hình 2.24 Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến 47

Hình 2 25 Sơ đồ mạch đèn báo 48

Hình 3.1 Đặc tính quá độ của khâu quán tính bậc nhất 53

Hình 3.2 Đặc tính quá độ của khâu tích p hân – quán tính bậc nhất 54

Hình 3.3 Đặc tính quá độ của khâu tích phân quán tính bậc n.- 55

Hình 3.4 Đặc tính quá độ của khâu quán tính bậc hai 56

Hình 3 5.a Đặc tính quá độ của khâu Lead/ Lag 57

Hình 3.5.b Đặc tính quá độ của khâu Lead/ Lag 58

Hình 3.6 Đặc tính quá độ của khâu dao động bậc hai 59

Hình 3.7 Điều khiển đối tượng với bộ điều khiển PID 60

Hình 3.8 a Đặc tính quá độ theo phương pháp Ziegler Nichols thứ nhất.- 62

Hình 3.8.b Đặc tính quá độ theo phương pháp Ziegler Nichols thứ nhất.- 62

Hình 3.9 Sơ đồ khối của phương pháp 63

Hình 3.10.Đặc tính quá độ theo phương pháp Chien- Hrones- Reswich 64

Hình 3.11: Điều khiển Cascade 65

Hình 3.12 Mô hình bình chứa B1 67

Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển phản hổi PID kinh điển 70

Hình 3.14 Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng 79

Hình 4.1 : Thực hiện lệnh gọi khối FC10 84

Hình 4.2 Giao diện chính 93

Hình 4.4 Giao diện trend 95

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay hầu như trong ngành kinh tế kỹ thuật nào cũng đều đã áp dụng kỹ thuật

tự động hóa nhằm làm tăng sản lượng, chất lượng sản phẩm với mục tiêu hướng tới việc nâng cao chất lượng đời sống con người Việc áp dụng kỹ thuật tự động hóa đã làm thay đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ Nhất là trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp Ngày nay trên thế giới đã có không ít những nhà máy không có con người, văn phòng không có giấy, mà chỉ có máy móc thông minh thiết bị thông minh v.v Nói như vậy để thấy rằng, tự động hóa là một nhu cầu cao trong xã hội hiện đại Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại v.v

Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung

Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng là nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ Điều khiển quá trình hiện nay đã

và đang phát triển một cách mạnh mẽ trong các nhà máy công nghiệp như hóa chất, xi măng, luyện kim Tuy nhiên, việc nghiên cứu về điều khiển quá trình ở Việt Nam thì chỉ ở giai đoạn khởi đầu

Với ý tưởng tạo ra một mô hình thí nghiệm với nhiều bài toán điều khiển quá trình và điều khiển quá trình nâng cao khác nhau trên mô hình thức tế để kiểm chứng lý thuyết, đề tài thực hiện mong muốn điều khiển được giá trị mức chính xác và ổn định cho các đối tượng tham số hằng hay tham số biến thiên cả trong phòng thí nghiệm cũng như trong môi trường công nghiệp

Nội dung luận văn ồ g m 4 chương:

Chương 1 : Tổng quan về điều khiển quá trình, thiết lập cái nhìn sơ lược về bản chất và mục đích của điều khiển quá trình cũng các chức năng và thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Với một số quá trình trong thực tế và các khó khăn trong việc thiết kế các bộ điều khiển

2

Chương 2: Tính toán, thiết kế xây dựng hệ thống thiết kế một hệ thống điều , khiển quá trình với đối tượng bình mức, tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế phần cứng cho hệ thống

Chương 3 :Tthiết kế bộ điều khiển cho quá trình mức nước và lưu lượng, trình bày về mô hình toán học mô tả hệ thống bằng lý thuyết và thực nghiệm Thuật toán điều khiển PID và ghép tầng PID

Chương 4 : Điều khiển và giám sát hệ thống, lập trình PLC điều khiểngiám sátHMI, các kết quả đạt được, độ ổn định của mô hình

gian qua của TS Nguyễn Huy Phương Do khả năng cũng như các nguồn tài liệu tham khảo còn hạn chế nên kết qu ả luận văn y nà vẫn còn nhiều thiếu sót Tôi mong nhận được nhiều ý ki n ế đóng góp h u ích ữ từ các thầy, cùng cô các đồng nghiệp để có thể ấ rõ những đ th y iều cần nghiên c u bổ sung, giúp cho ứ việc xây d ng tài ự đề đạt đếnkết quả hoàn thiện hơn

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Điều khiển quá trình hiện nay đã và đang phát triển một cách mạnh mẽ trong các nhà máy công nghiệp như hóa chất, xi măng, luyện kim Tuy nhiên, việc nghiên cứu về điều khiển quá trình ở Việt Nam thì chỉ ở giai đoạn khởi đầu Với mục đíchnâng cao chất lượng điều khiển và đảm bảo hoạt động an toàn cho hệ thống thì việc tìm hiểu về các quá trình công nghệ và các phương pháp điều khiển hiện đại cho các vấn đề phức tạp của điều khiển quá trình là rất quan trọng Phần đầu tiên của luận văn

là các khái quát về một hệ thống điều khiển quá trình và các khó khăn thường gặp khi điều khiển các hệ thống này

1.1 Khái quát về điều khiển quá trình

1.1 1 Tính cấp thiết của điều khiển quá trình

Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đều được trang bị các hệ thống tự động hoá ở mức cao Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại v.v

Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ quá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung Hệ thống tự động hoá đảm bảo cho quá trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn của từng công đoạn trong quá trình công nghệ Chất lượng của sản phẩm

và năng suất lao động của các phân xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này

Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các quá trình công nghệ hoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng

là nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ Do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường

và điều khiển các quá trình công nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác [ 2]

2

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển quá trình

Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại Từ những năm nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay điều khiển

tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hoá chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó

có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process control system, PCS) Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường Hình 1.1 minh hoạ sơ lược cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Trong cấu trúc này, các quá trình đều được điều khiển nhờ các bộ điều khiển riêng dựa trên các tín hiệu đầu vào và đầu ra tới hệ thống quá trình Trong đó, máy tính đóng vai trò như một thiết bị tham gia trực tiếp hay gián tiếp vào quá trình điều khiển, thể hiện các trạng thái quá trình hay giao tiếp với người vận hành

1.1.2 K hái niệm điều khiển quá trình

Trong nội dung luận văn này, khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất.

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệp được Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành

Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con người xung quanh Mô hình tổng quát của một quá trình như hình 1.6

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến quá trình Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt… Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải…

Hình 1.2 Quá trình và các loại biến quá trình

4

Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi, mức chất lỏng… trong nhiều trường hợp biến quá trình có thể coi là biến ra

Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của một quá trình điều khiển, điều chỉnh ổn định ở giá trị đặt hoặc bám theo tín hiệu chủ đạo

Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn

Những biến còn lại không can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong phạm vi quá trình quan tâm thì được coi là nhiễu

Hình 1.3 minh hoạ một hình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc trưng Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình nhưng cả lưu lượng vào và ra đều được coi

là các biến vào, trong khi mức chất lỏng vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc hmột biến ra của quá trình Bài toán điều khiển đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào Fi một cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra Fo Có thể dễ thấy mức chất lỏng là biến cần điều khiển và lưu lượng vào h Fi là biến điều khiển Trong khi đó lưu lượng ra Fo phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải

Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình

Trong điều khiển quá trình các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp Vì thế một biến cần điều khiển trong

5

một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển Trong nhiều bài toán thì việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễ dàng Đây cũng là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển

1.1 3 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình người kỹ sư phải tìm hiểu rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán

và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển bao giờ cũng bắt đầu từ việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là một

cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại

và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thuận tiện trong vận hành

Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc và thiết bị và môi trường xung quanh trong trường hợp xảy ra sự cố

Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu

Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng xuất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường

6

1.1 4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Thuật ngữ:

Giá trị đặt Set Point (SP), Set Value (SV)

Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO)

Biến điều khiển Control Variable, Manipulate Variable (MV)

Biến được điều khiển Controlled Variable (CV)

Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV)

Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM)

Để thấy một cách sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và quan hệ giữa chúng, trước hết ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ minh hoạ trên hình 1.5 Mục đích của hệ thống là pha trộn hai dòng vào F1 và F2 có nhiệt độ T1, T2 để thu được sản phẩm có nhiệt độ T cấp cho quá trình đứng sau Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi

đo chuẩn chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4 20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS DCS là giải pháp điều khiển số tích hợp cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình

-7

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống điều khiển nhiệt độ

Tín hiệu đo tương tự 4 20 mA trước hết phải được chuyển đổi sang dạng số (khâu biến đổi A/D) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số Giá trị nhiệt độ mong muốn (TSP) được người vận hành đặt từ trạm vân hành hoặc do một chương trình điều khiển cao cấp trên trạm vân hành tính toán và đưa xuống Qua so sánh giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cài đặt Ví dụ với thuật toán tỷ lệ, giá trị biến điều khiển

-tỷ lệ thuận với sai lệch Giá trị này được khâu biến đổi số tương tự (khâu- D/A) chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng 4 20 mA để đưa tới van điều khiển -(thiết bị chấp hành) Cuối xùng tín hiệu điều khiển được chuyển qua khâu chuyển đổi điện/khí nén I/P thành dạng tín tiệu khí nén 0.2 1Bar để thay đổi độ mở van cấp dòn- g nóng Lưu lượng dòng nóng F1được thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra Tvới giá trị đặt TSP

1.2 Đặc điểm của đối tượng điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là một trong các lĩnh vực phức tạp và phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực từ sản xuất, may mặc đến hóa chất, thực phẩm Việc điều khiển một quá trình thường gặp rất nhiều khó khăn do các đặc điểm của hệ gây ra

1.2 1 Đối tượng điều khiển đa biến

Một quá trình trong thực tế thông thường sẽ là một hệ đa biến với nhiều biến vào và biến ra có tác động qua lại lẫn nhau Một hệ đa biến điển hình với tác động qua lại là hệ thống bồn chưng cất như hình 1.6

8

Bồn chưng cất có 2 đầu thoát ra cho 2 loại sản phẩm Trong ví dụ này, tháp trưng cất có nhiệm vụ tách hỗn hợp benzene và toluence Lối thoát ở đỉnh tháp là sản phẩm toluence và lối thoát ra ở đáy tháp là sản phẩm benzen Để đạt được sự phân tách benzen - toluene như mong muốn, bộ điều khiển ở đỉnh tháp phải điều khiển lưu lượng ngược để điều chỉnh thành phần ở chất thoát ra ở đỉnh Bộ điều chỉnh ở đáy điều chỉnh lưu lượng hơi nước đến nồi chưng để điều chỉnh thành phần chất thoát ra ở đáy Bất cứ sự thay đổi nào ở nguồn cấp cho bồn được coi như 1 nhiễu quá trình Với 2 biến phải điều khiển và

2 biến đo được từ quá trình như trên ta có hệ MIMO có 2 đầu vào 2 đầu ra [1]

Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất

Để minh hoạ sự tương tác trong quá trình MIMO, giả sử thành phần toluence của chất thoát ra từ đỉnh tháp thấp hơn điểm đặt Bộ điều khiển sẽ phản ứng bằng cách tăng lưu lượng của dòng lạnh (chảy ngược) vào trong tháp Điều này sẽ làm tăng độ tinh khiết của toluence thoát ra từ đỉnh Tuy nhiên, chất lỏng lạnh được thêm vào sẽ ảnh hưởng xuôi xuống đáy tháp, bắt đầu làm lạnh từ trên đỉnh xuống đáy và kết quả là

độ tinh khiết của benzen thoát ra từ chất ở đáy tháp giảm đi Khi thành phần benzen thoát ra từ đáy tháp thấp hơn điểm đặt, bộ điều khiển sẽ tăng dòng hơi vào buồng

9

chưng cất lại để làm nóng đáy tháp Nhưng hơi nóng sẽ tác động lên trên và dẫn đến đỉnh tháp cũng được làm nóng Khi đó độ tinh khiết của toluence ở đỉnh giảm, bộ điều khiển đỉnh lại thêm vào tác động điều khiển Quá trình cứ liên tục diễn ra như vậy do

sự tác động lẫn nhau giữa các biến vào của một hệ đa biến Từ đây ta thấy rõ có một sự tương tác trong quá trình điều khiển các biến

1.2 2 Đối tượng có tham số biến thiên

Khó khăn thứ 2 trong điều khiển các quá trình công nghiệp là hệ có tham số biến thiên Một đối tượng không có sự thay đổi tham số theo thời gian hoặc sự thay đổi của tham số theo thời gian không đáng kể được gọi là mô hình tham số hằng Ngược lại đối tượng cần quan tâm có tham số phụ thuộc thời gian được gọi là mô hình tham

số biến thiên

Các quá trình điều khiển mức với tham số biến thiên thường là các quá trình pha trộn, phản ứng, trưng cất Với mong muốn để có thể thực hiện tốt với yêu cầu chất lượng sản phẩm thì thông thường người ta mong muốn thể tích V của đối tượng là không đổi Trong thực tế, thể tích công chất trong bình chứa được điều khiển bằng một vòng điều khiển độc lập nhằm duy trì luôn là hằng số Tuy nhiên, do sự thay đổi của diện tích đáy, hay do sự không chính xác của vòng điều khiển thể tích V mà làm tham

số này biến thiên Điều này dẫn đến sự biến đổi tham số trong mô hình toán của đối tượng điều khiển [ 2]

Với các quá trình nhiệt, pha trộn thì do tính dẫn nhiệt hay không đồng nhất của quá trình dẫn đến sự biến thiên tham số theo vị trí đặt của thiết bị đo Khi vị trí của cảm biến đặt càng gần với nguồn nhiệt hay nguồn vào công chất pha trộn thì càng thể hiện rõ sự ảnh hưởng này

1.2 3 Đối tượng phi tuyến

Đối tượng phi tuyến là các đối tượng không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng Khi đối tượng là phi tuyến thì việc điều khiển không thể thực hiện trực tiếp bằng lý thuyết điều khiển cổ điển mà phải thông qua tuyến tính hóa hay các phép biến đổi gần đúng

để tuyến tính đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tính xung quanh điểm làm việc cân bằng Chính điều này gây nên sai số và giảm chất lượng điều khiển cho hệ thống

Trong lĩnh vực điều khiển quá trình đối tượng cần điều khiển là phi tuyến do 2 yếu tố chính sau:

10

Thiết bị điều khiển là phi tuyến: Với thiết bị chấp hành thông thường cho các hệ thống điều khiển quá trình là van, bơm, động cơ, thiết bị gia nhiệt để điều khiển các biến như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất Chính các thiết bị chấp hành này cũng là các thiết bị phi tuyến dẫn đến sự phi tuyến của đối tượng điều khiển

Mô hình toán của đối tượng là phi tuyến: điều này được minh họa như thiết bị khuấy trộn liên tục trên hình 1.7 Sản phẩm được pha chế từ hai dòng nguyên liệu có nồng độ chất A khác nhau Yêu cầu công nghệ là duy trì thành phần sản phẩm ra theo theo khối lượng của chất A như mong muốn, trong điều kiện thành phần của hai dòng vào có thể thay đổi nhẹ

Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục

ω1 và ω2 – lưu lượng khối lượng của hai dòng nguyên liệu (kg/s hoặc kg/phút);

x1, x2 – Thành phần hai dòng nguyên liệu (phần khối lượng của A);

ω – lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm ra (kg/s);

x – thành phần của sản phẩm ra (phần khối lượng của A);

h – mức chất lỏng trong bình tính bằng (m)

Trong ví dụ này, mô hình toán của hệ được hình thành bởi phương trình cân bằng vật chất toàn phần và phương trình cân bằng vật chất riêng phần:

ωωω

xxxdt

Vx

d

ωω

ω

Khai triển đạo hàm vế trái của (1.2) theo x và : V

11

xxx

dt

dVxdt

xdt

=

− +

=

x Ah

x x

Ah dt

dx

A dt

dh

) (

1 ) (

1

) (

1

2 1 2

2 1 1

2 1

ωωρω

ωρ

ωωω

Trong phương trình (1.5) ta thấy nồng độ sản phẩm ra x là một biến phụ thuộc

vào x, ω1, ω2, h, ρvà là một hàm phi tuyến Biến x phi tuyến theo cả 2 biến vào ω1, ω2,

và biến ra Thiết bị khuấy trộn là khá đơn giản, điển chỉnh cho hệ thống điều khiển hquá trình nhưng các phương trình mô hình đã thể hiện phần nào sự phức tạp đặt ra cho bài toán điều khiển

1.2 4 Thời gian chết lớn

Thời gian chết sinh ra là do đặc điểm của quá trình thực, nó làm cho tác động điều khiển của bộ điều khiển đến quá trình bị chậm lại Thời gian chết là khoảng thời gian từ khi có tác động của bộ điều khiển đến khi có đáp ứng của hệ thống theo tín hiệu điều khiển này Các quá trình như trên thường gặp trong điều khiển nhiệt độ, lưu lượng, áp suất , phản ứng hoá học… Nó được đặc trưng bởi hàm truyền có dạng bậc

một hay bậc cao hơn với thời gian chết như hàm FP=

1

.+

−

sT

eK

Một trong những ví dụ dễ thấy trong thực tế của thời gian chết là băng tải Thời gian chết là thời gian mà vật liệu được vận chuyển trên băng tải, nó phụ thuộc vào chiều dài và tốc độ của băng Thời gian chết gây ra nhiều khó khăn trong việc điều khiển quá trình, nó làm mất tính ổn định của hệ thống, suy giảm đặc tính, gây khó khăn trong việc tính toán và lựa chọn phương pháp điều khiển cũng như các bộ điều khiển Trong thực tế, các hệ thống đều có thời gian chết, do đó các bộ điều khiển tốt phải có khả năng giải quyết thời gian chết của quá trình mà nó điều khiển

12

Hình 1.8 Quá trình vận chuyển bằng băng tải

Đối với các hệ thống có thời gian chết, khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi kín trong những trường hợp này thì tín hiệu phản hồi giá trị của quá trình không quan sát ngay được do tác động của thời gian chết Do đó tác động của bộ điều khiển quá trình

bị trễ là điều không thể tránh khỏi Thời gian chết làm bất kỳ tín hiệu nào cũng bị trễ lại trong khoảng thời gian đó Cần chú ý là đối với các tín hiệu hình sin, thời gian chếtlàm thay đổi góc pha giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra Vì thế thời gian chết được coi là một trong các yếu tố khó khăn nhất của điều khiển quá trình

1.3 Mạch vòng phản hồi

Mục đích của hệ thống điều khiển là duy trì sự cân bằng giữa nguồn cung cấp đầu vào và yêu cầu đặt ra trong suốt thời gian làm việc Để đạt được điều này người ta phải sử dụng bộ điều khiển vòng kín Điều khiển là phương pháp điều khiển dựa trên sai lệch giữa tín hiệu đo được từ quá trình với tín hiệu đặt để đưa ra tác động điều khiển phù hợp và chính xác Bộ điều khiển vòng kín được sử dụng cho hầu hết tất cả các quá trình công nghiệp [2 ]

13

Hình 1.9.: Bài toán điều chỉnh (a) và bài toán bám (b)

Ta có hai bài toán điều khiển khác nhau là điều khiển bám và bài toán điều chỉnh

- Điều khiển bám (tracking problem): có nhiệm vụ điều khiển biến ra của quá trình bám theo giá trị đầu vào tín hiệu đặt Bài toán điều khiển bám được dùng nhiều trong điều khiển máy móc, điều khiển chuyển động, trong điều khiển quá trình điều khiển bám được dùng như trong bài toán khởi động/dừng hệ thống, thay đổi chế độ vận hành hoặc điều khiển theo mẻ

- Bài toán điều chỉnh (regulation problem): có nhiệm vụ duy trì đầu ra của quá trình

ổn định tại giá trị làm viêc mong muốn khi có tác động của nhiễu Trong điều khiển quá trình bài toán điều chỉnh đóng vai trò chủ yếu bởi các giá trị đặt thường ít thay đổi trong chế độ vận hành bình thường Các ví dụ cho bài toán điều chỉnh như điều chỉnh nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, nồng độ

Hình 1.9 minh sự khác nhau giữa hai bài toán này

Quan điểm cơ bản của mạch vòng điều khiển phản hồi được hiểu một cách dễ dàng nhất khi ta hình dung rằng người vận hành sẽ phải làm điều này nếu việc điều khiển tự động không tồn tại

Ta xét ví dụ bình chuyển nhiệt sử dụng nguồn nhiệt để làm nóng nước lạnh Trong quá trình vận hành bằng tay thì lượng nhiệt (lượng hơi nước) đi vào bình phụ góc mở van Để điều khiển nhiệt độ bằng tay, người vận hành quan sát nhiệt độ hiển thị và so sánh nó với nhiệt độ yêu cầu, rồi sau đó sẽ mở hoặc đóng van để nhận thêm hoặc hạn chế nguồn nhiệt Khi nhiệt độ đã đạt đến giá trị mong muốn, người vận hành

sẽ giữ cố định đầu ra của van để giữ nhiệt độ không đổi

14

Bằng điều khiển tự động bộ điều khiển nhiệt độ cũng thực hiện chức năng như vậy Tín hiệu đo được đưa tới bộ điều khiển từ cảm biến nhiệt và so sánh với tín hiệu đặt sau đó đưa vào bộ điều khiển Dựa trên kết quả so sánh hai tín hiệu bộ điều khiển

sẽ tự động xác định được tín hiệu đo trên hoặc bên dưới điểm đặt và thay đổi lượng

mở của van sao cho phù hợp tới khi kết quả đo đạt tới giá trị cuối cùng

Mạch vòng điều khiển phản hồi đơn giản được biểu hiện trong hình 1.9 Qua hình vẽ minh họa bốn phần tử chính của mạch vòng điều khiển phản hồi Đó là thiết bị

đo, bộ điều khiển tự động, thiết bị điều chỉnh và quá trình thực hiện

Hình 1.10 Mạch vòng điều khiển phản hồi đơn giản.

Một vấn đề được coi là cơ bản đối với điều khiển phản hồi đó là mạch vòng điều khiển tự động phải được khép kín Điều này có nghĩa là thông tin phải được truyền liên tục trong mạch vòng Bộ điều khiển phải có thể thay đổi được lượng mở của van để van có thể tác động đến phép đo và tín hiệu đo phải được đưa đến bộ điều khiển

Nếu đường dẫn này bị đứt ở bất kì điểm nào thì mạch vòng được gọi là hệ hở

Ví dụ khi bộ điều khiển đặt ở chế độ điều khiển bằng tay thì phần tử tự động trong bộ điều khiển không thể thay đổi được lượng mở của van Vì vậy đáp ứng của bộ điều khiển từ những thay đổi mà thiết bị đo đo được không tác động đến van, lúc này điều khiển tự động không tồn tại Điều này đồng nghĩa với việc sự có mặt của bộ điều khiển

sẽ không có tác dụng gì khi mạch vòng bị hở

Trong quá trình thực hiện chức năng điều khiển, bộ điều khiển tự động sử dụng

sự khác nhau giữa giá trị điểm đặt và giá trị đo được để đưa ra tín hiệu điều khiển van

sử dụng trong các mạch vòng đáp ứng nhanh như là tốc độ lưu lượng và áp suất chất lỏng.

Hình 1.11 Van kết nối trực tiếp với bộ điều khiển

16

Đối với điều khiển quá trình chính xác thì bất cứ khi nào xuất hiện sai khác giữa giá trị đo và giá trị điểm đặt đều được bộ điều khiển gửi tác động ngay đến van để đầu ra của quá trình đạt giá trị như yêu cầu

Hình 1-11 minh họa van được kết nối trực tiếp để điều khiển mức trong bình ở

vị trí giữa Khi nước trong bình tăng lên, phao sẽ tác động làm giảm lưu lượng chất lỏng chảy vào Vì vậy khi mà mực chất lỏng cao hơn thì lưu lượng chất lỏng vào bình

1.4 Chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển

Phụ thuộc vào hoạt động của van mà khi giá trị đo được tăng lên có thể dẫn đến

sự tăng hoặc giảm giá trị đầu ra của bộ điều khiển Tất cả các bộ điều khiển đều có thể chuyển đổi giữa hai chế độ đó là chế độ điều khiển thuận và chế độ điều khiển đảo Chế độ điều khiển thuận được hiểu là khi bộ điều khiển nhận giá trị tín hiệu đưa

về từ cảm biến tăng lên thì bộ điều khiển sẽ tác động đến giá trị đầu ra của nó cũng tăng tỷ lệ theo

Chế độ điều khiển đảo được hiểu là khi bộ điều khiển nhận giá trị tín hiệu đưa

về từ cảm biến tăng lên thì bộ điều khiển sẽ tác động đến giá trị đầu ra của nó giảm theo đúng tỷ lệ tăng của tín hiệu đưa đến

Để bộ điều khiển làm việc chính xác, có đáp ứng đúng như yêu cầu đề ra thì việc nghiên cứu, phân tích mạch vòng điều khiển là điều bắt buộc phải làm Bước đầu tiên là phải xác định hoạt động của van Như trong hình 1-11, vì lý do an toàn của hệ thống mà van phải được đóng lại nếu thiết bị cung cấp không khí bị hỏng Vì vậy van này phải là van khí hoặc van đóng hoàn toàn Bước thứ hai là ta xét đến những tác động của sự thay đổi của giá trị đo đưa về Trường hợp nhiệt độ tăng lên thì lượng nhiệt đưa tới bình chuyển nhiệt sẽ giảm xuống vì vậy van phải đóng bớt lại Để đóng van thì giá trị tín hiệu từ bộ điều khiển tự động tác động đến van phải giảm đi Vì vậy

bộ điều khiển này quy định chế độ điều khiển đảo hoặc chế độ tăng/giảm

17

Nếu ta lựa chọn chế độ điều khiển thuận, thì khi tín hiệu đưa về từ cảm biến tăng lên thì lượng nhiệt đưa vào cũng tăng theo dẫn đến nhiệt độ trong bình tăng lên Kết quả là nhiệt độ tăng lên rất nhanh Điều tương tự cũng sẽ xảy ra trong trường hợp giảm nhiệt độ và lúc đó nhiệt độ cũng sẽ giảm đột ngột Sự lựa chọn hoạt động của bộ điều khiển không đúng đều dẫn đến kết quả là bộ điều khiển làm việc không ổn định ngay cả khi nó được đặt ở chế độ điều khiển tự động

Ta cho rằng hoạt động của bộ điều khiển được lựa chọn là thích hợp thì bộ điều khiển sẽ nhận biết như thế nào khi giá trị tín hiệu đầu ra đạt được yêu cầu? Trong hình 1-11 là một ví dụ, để giữ cho mức nước trong bình không đổi thì bộ điều khiển phải tính toán điều khiển lưu lượng đầu vào cân bằng với lưu lượng đầu ra Bất cứ sự sai khác giữa đầu vào và đầu ra nào cũng làm mức nước trong bình thay đổi Hay nói theo cách khác là lưu lượng đầu vào (nguồn cấp) phải cân bằng với lưu lượng đầu ra (yêu cầu) Bộ điều khiển thực hiện việc đó bằng cách duy trì sự cân bằng khi giữ cho tốc độ chảy ở đầu vào và đầu ra ổn định

Sau khi xác định được các biến và các tham số quá trình, bước tiếp theo là tìm cách xây dựng mối quan hệ giữa chúng biểu diễn qua các phương trình mô hình Các phương trình của một mô hình toán học được phân ra làm hai loại phương trình cân bằng và phương trình cấu thành Các phương trình cân bằng thường có dạng phương trình vi phân hoặc phương trình đại số, xây dựng trên cơ sở các định luật bảo toàn vật chất, bảo toàn năng lương và các định luật khác Các phương trình cân bằng có tính chất nền tảng, không phụ thuộc vào đặc tính riêng của từng quá trình cụ thể, vì vậy có thể áp dụng cho mọi loại bài toán Trong khi đó các phương trình cấu thành rất đa dạng, liên quan rất nhiều đến các quá trình cụ thể và đôi lúc rất phức tạp Các phương trình cấu thành thường được đưa ra dưới dạng phương trình đại số Tuỳ theo mục đích

sử dụng mô hình việc đưa ra những giả thiết nhằm đơn giản hoá mô hình một cách hợp

lý cũng là một vấn đề quan trọng

1.5 1 Phương trình cân bằng vật chất

Định luật cân bằng vật chất áp dụng cho một hệ động học thể hiện qua phương trình cân bằng toàn phần [2]:

vao tichluy

dt

dMdt

dMdt

vì vậy ta có tổng lưu lượng khối lượng vào đúng bằng tổng lưu lượng khối lượng ra

dt

dM dt

dM dt

dM dt

dM dt

matdi

j ra

j ra

j vao

j

tichluy

− +

1.5 2 Phương trình cân bằng năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho hệ nhiệt động học, hay còn gọi là định luật thứ nhất của nhiệt động học được diễn đạt như sau [ ]:

{Biến thiên năng lượng tích luỹ} = Tổng dòng năng lượng đưa vào - Tổng dòng { } {năng lượng dẫn ra} { + Tổng công suất nhiệt hấp thụ} { - Công tiêu hao ra bên ngoài }

19

Năng lượng toàn phần của một hệ thống động học UΣ bao gồm nội năng U1, thế năng

UP và động năng UK

K P

I U UU

Trong nhiều quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như công sinh ra có thể coi là không đáng kể so với nội năng và nhiệt năng, vì thế có thể bỏ qua Khi đó phương trình (1.9) có thể viết thành

q h h

dt

j

j Ra

j Ra

i Vao m

i

i Vao

UI – nội năng của hệ thông (J);

ωVào – lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s);

ωRa – lưu lượng khối lượng dòng ra hệ thống (kg/s);

hvào – enthalpy của dòng vào (j/kg);

i

i Vao

20

giản hoá, nếu như độ chính xác của mô hình không đòi hỏi quá cao Với định nghĩa nhiệt dung riêng tại một áp suất không đổi:

const P P

T

h C

cho các chất lỏng, cũng như

v P

Trong trường hợp cần độ chính xác cao, enthalpy của một chất lỏng đồng nhất sẽ được biểu diễn lại theo nhiệt độ sau:

) (

2 ) (

)

0

2 0

0 0 0

0

T T T

T C h dT T C h

h

T T

nc

i

i i i m x

m h x h

1

trong đó:

xi– phần khối lượng của cấu tử thứ i trong hỗn hợp;

mi – khối lượng của phân tử cấu tử i;

hi– enthalpy riêng của cấu tử thứ i (J/kg)

1.6 Một số hệ thống điều khiển mức trong các dây truyền sản xuất

Các hệ thống điều khiển quá trình sử dụng trong các nhà máy công nghiệp và

mà bộ điều khiển thay đổi lưu lượng các dòng công chất bơm vào và ra khỏi hệ thống

để tác động đến mức công chất trong bình chứa Vấn đề điều chỉnh nâng cao chất lượng hệ thống tuỳ thuộc vào yêu cầu của từng hệ cụ thể như duy trì ổn định mức chất lỏng bình chứa, loại trừ tác động của nhiễu, đạt năng suất bơm, năng xuất tạo ra phản ứng trong điều kiện áp suất, nhiệt độ, không gian thực hiện được ràng buộc trong giới hạn nhất định Điều khiển mức chất lỏng điển hình như trong hệ thống nồi hơi, hệ thống bồn trưng cất, hệ thống phối trộn nhiên liệu, hệ thống bao hơi làm mát, hệ thống xăng dầu, dây truyền sản xuất rượu, bia… [ 2]

Một đối tượng điển hình của điều khiển mức là hệ thống nồi hơi công nghiệp Nồi hơi được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực tàu thủy, thực phẩm, may mặc, điện lực nhằm cung cấp hơi nước nóng phục vụ sản xuất, quay động cơ, gia nhiệt… Về điều khiển mức nồi hơi, ta có thể xem xét điển hình như lò hơi BZK-220-100-10C của nhà máy nhiệt điện có cấu trúc như hình 1.1 Lò hơi trong hệ thống của nhà máy nhiệt 2điện thực hiện các chức năng chính là:

Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt… thành điện năng

Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất để đưa chúng từ thể lỏng có nhiệt độ thông thường lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt

22

Hình 1.12 Sơ đồ lò hơi BZK-220-100-10C

Buồng đốt sẽ cung cấp nhiệt làm nước bốc hơi trong balong Trong quá trình vận hành, mức nước trong balong cho phép giao động từ 50mm đến +50mm so với -mức nước trung bình

Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu quan trọng của

hệ thống điều chỉnh lò hơi Nhiệm vụ của hệ thống này là đảm bảo tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra Khi tương quan này bị phá vỡ thì mức nước trong bao hơi sẽ không cố định Mức nước thay đổi sẽ dẫn tới sự cố ở tuabin hay lò hơi Nếu mức nước bao hơi lớn quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất bốc hơi của bao hơi, giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt ảnh hưởng tới sự vận hành của tuabin Nếu mức nước bao hơi quá thấp so với giá trị cho phép làm tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt, có thể gây nổ hệ thống ống sinh hơi

Việc điều khiển mức nước bao hơi có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau tuỳ theo loại lò Thông thường sử dụng ba sơ đồ là sơ đồ một tín hiệu, hai tín hiệu và

ba tín hiệu Các tín hiệu sử dụng cho bộ điều khiển tương ứng là tín hiệu mức nước trong bao hơi, tín hiệu lượng hơi thoát ra và tín hiệu lưu lượng dòng cấp vào Bộ điều khiển căn cứ vào các tín hiệu này để đưa ra tín hiệu điều khiển van cấp lỏng cho bao hơi

23

Hình 1.13 Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi

Việc điều khiển mức cũng là một vấn đề rất được quan tâm với các đối tượng là bồn chưng cất dùng cho các công nghệ hóa chất, lọc dầu Với hệ thống điều khiển mức điển hình là tháp chưng cất có cấu trúc điều khiển mức được mô tả như hình 1.3 Hệ thống tháp chưng cất điển hình gồm một dòng vào cấp liệu và hai dòng sản phẩm ra Quy tắc tách các chất từ hỗn hợp lỏng qua chưng cất phụ thuộc vào sự khác biệt về điểm sôi của từng cấu tử thành phần để tạo ra các sản phẩm tinh khiết Đối với các hệ thống tháp trưng luyện, dòng sản phẩm đáy được sử dụng cho việc điều khiển mức chất lỏng bên trong tháp Cấu trúc điều khiển thường sử dụng gồm hai vòng điều khiển

là vòng điều khiển mức và vòng điều khiển thành phần của sản phẩm nhằm đạt được

cả yếu tố ổn định về độ tinh khiết cũng như mức chất lỏng trong tháp

Hình 1.14 Sơ đồ tháp trưng luyện với cấu trúc điều khiển mức

Các yếu tố ảnh hưởng đến mức chất lỏng trong tháp trưng cất không chỉ là các tín hiệu nhiễu tác động đến hệ thống như dòng nạp liệu, nhiệt độ, áp suất mà còn có cả

24

dòng sản phẩm của đầu ra tại đỉnh tháp

Một nhóm đối tượng khác cũng có yêu cầu về điều khiển mức là bể và két chứa Nhóm đối tượng này phổ biến trong các dây truyền như lọc dầu, hóa chất, xăng, pha trộn, bia rượu Cấu trúc hệ này là sử dụng một bộ điều khiển với các tín hiệu vào như mức chất lỏng trong bể, két và tín hiệu từ cảm biến lưu lượng để đưa tín hiệu tới các van điều khiển

Các bể và két trong nhiều trường hợp có dạng hình cầu, hình ovan, hình thoi dẫn đến diện tích đáy bình theo chiều cao của mức chất lỏng trong nó Chính vì vậy, việc điều khiển mức trong các đối tượng này thương gặp khó khăn nếu phải điều khiển bám theo tín hiệu đặt chủ đạo do tham số của đối tượng thay đổi theo quá trình làm làm việc

Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển mức cho các bể, két chứa

Tuy nằm trong các dây truyền, các hệ thống khác nhau nhưng cấu trúc điều khiển mức trong các hệ thống quá trình mang ba đặc điểm:

Thứ nhất, đối tượng điều khiển chính là van, két, bể Bộ điều khiển thông qua việc thay đổi góc mở van tác động lên các dòng công chất chảy vào/ra khỏi bể, két để điều khiển mức chất lỏng như mong muốn

25

Thứ hai, thiết bị chấp hành là van điều khiển, thường có độ quán tính lớn, độ rơ

cơ khí lớn gây nhiều khó khăn cho quá trình điều khiển mức

Thứ ba, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển như nhiễu quá trình, sự thay đổi tham số mô hình hay sự ảnh hưởng lẫn nhau của nhiều biến cần điều khiển trong một quá trình

Trong nội dung luận văn này quan tâm đến việc thiết kế một mô hình thí nghiệm với nhiều bài toán điều khiển quá trình khác nhau với các bộ điều khiển khác nhau cho đối tượng quá trình mức với tham số mô hình biến thiên hoặc không đổitheo chiều cao mức chất lỏng trong bể/két chứa Sau đó đi sâu thiết kế bộ điều khiển PID và ghép tầng để điều khiển ổn định mức nước

Kết luận chương 1

Chương 1 là thiết lập cái nhìn sơ lược về bản chất và mục đích của điều khiển quá trình cũng các chức năng và thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình Với các quá trình trong thực tế các khó khăn trong việc thiết kế các bộ điều khiển do đặc điểm như là một hệ thống đa biến, tham số biến thiên, thời gian chết lớn gây nên Chương 1 cũng đưa ra các nền tảng cơ bản nhất để mô hình hóa lý thuyết quá trình dựa trên các định luật bảo toàn Đây là cơ sở cho các chương tiếp theo xây dựng mô hình đối tượng và thiết kế các bộ điều khiển cho mô hình quá trình bình chứa được đưa ra trong luận văn

26

CHƯƠNG 2:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Bình tràn là một đối tượng được sử dụng nhiều trong các quá trình công nghiệp khác nhau với các chức năng làm bình chứa, tạo không gian thực hiện phản ứng, là thiết bị trung gian để giảm ảnh hưởng giữa các quá trình nối tiếp nhau trong điều khiển quá trình Trong đó điều khiển quá trình mức chất lỏng sử dụng nhiều trong các quá trình công nghệ hoá học, trong các hệ thống nồi hơi, trong các kho chứa xăng dầu… Với mong muốn điều khiển được giá trị mức chính xác và ổn định Việc điều khiển mức cho các đối tượng tham số hằng đã đạt được kết quả tốt, tuy nhiên việc điều khiển mức với các đối tượng bình chứa có tham số biến thiên thì còn có nhiều hạn chế Với mong muốn tạo ra mô hình thí nghiệm với các bài thí nghiệm khác nha trên cùng một u

mô hình mà không phải thay đổi phần cứng Trong chương này luận văn sẽ hướng đến thiết kế một hệ thống điều khiển quá trình với đối tượng bình mức và các thiết bị trên

hệ thống

2.1 Mô hình vật lý hệ thống điều khiển quá trình

Hình 2.1 là sơ đồ mô tả bàn thí nghiệm điều khiển quá trình, Đây là bàn thí nghiệm các bài toán điều khiển mức, điều khiển lưu lượng nước theo điều khiển On/Of hoặc điều khiển PID một vòng phản hồi, hai vòng phản hồi…

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả các thiết bị của bàn thí nghiệm

27

- Bàn thí nghiệm dùng để điều khiển lưu lượng và mức

- Các phần tử đo: Cảm biến đo lưu lượng, cảm biến đo mức kiểu áp suất

- Các phần tử chấp hành: Các loại van (van tay, van điện từ, van tỷ lệ), bơm

nước kiểu bể cá

- Các phần tử điều khiển: Bộ ghép nối (PI), bộ điều khiển PLCS7 300

2.1.1 Sơ đồ khối Hệ thống điều khiển mức

Hinh 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của bàn thí nghiệm điều khiển mức

Thuyết minh sơ đồ

Để điều khiển mức người ta điều khiển thông qua một Van tỷ lệ theo một chu trình như sau :

Tại bộ điều khiển PLC S7300 ta có thể đặt một lượng đặt mức theo yêu cầu Lượng đặt này được so sánh tín hiệu phản hồi điện áp Tín hiệu này được lấy từ cảm biến áp suất (là bộ truyền cảm biến mức) Đầu ra của bộ hiển thị được đưa tới đầu vào của bộ điều khiển Bộ điều khiển cho tín hiệu ra chính là sai lệch giữa lượng đặt và phản hồi để điều khiển van tỷ lệ Tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển mà Van tỷ lệ có thể

mở to hay nhỏ Thực chất ở đây chính là điều khiển điện áp cấp vào van tỷ lệ

2.1.2 Sơ đồ cấu trúc mô hình vật lý điều khiển mức chất lỏng

Mô hình vật lý của quá trình điều khiển mức chất lỏng được mô tả như hình 3.1

Mô hình hoạt động với 2 bình chứa lỏng B1 và B2 Trong đó, bình B1 là nơi thực hiện điều khiển mức chất lỏng theo yêu cầu hoạt động của hệ thống, bình B2 là bình chứa

28

có nhiệm vụ cung cấp công chất lỏng trong toàn bộ quá trình điều khiển Bình B1 có diện tích đáy không thay đổi theo chiều cao cột áp chất lỏng mô hình khi hoạt động

Bình B1 có 2 dòng lưu lượng là dòng và Fo 1 và dòng ra F2 Trong đó, dòng F2

không được điều khiển và xem là nhiễu tác động tới mô hình Dòng công chất F1 bơm vào bình B1 qua bơm B van tuyến tính V3. Thông qua việc thay đổi góc mở van V3 ta

có thể điều khiển lưu lượng bơm vào bình và từ đó điều khiển mực chất lỏng trong bình như mong muốn

Bên cạnh đó, các van tay V1, V2, V5 , ,V6 , V8 cho phép điều khiển hệ trong chế

độ bằng tay hoặc chế độ vận hành an toàn

Ký hiệu

Van tay

Van tỷ lệ

Van điện từ

Hình 2 3 Mô hình điều khiển mức chất lỏng bình

Với thiết kế đề ra, mô hình thực được tác giả xây dựng trên thực tế như hình 2.3 Mô hình được thiết kế với giá trị diện tích đáy bình B1 không đổi theo chiều cao cột chất lỏng trong bình trong khoảng 200cm2 – 60cm2 theo chiều cao cột áp Với mô hình này, bài toán điều khiển cho đối tượng bình chứa lỏng theo 2 vòng phản hồi mức nước và lưu lượng đã được tác giả thực hiện và cho các kết quả rất khả quan

29

2.1.3 Yêu cầu công nghệ của hệ thống

Hệ thống hoạt động với 2 chế độ :

- Điều khiển tự động, sử dụng PLC S7-300

- Điều khiển bằng tay, sử dụng các nút ấn trên bảng điều khiển

-dữ liệu và đưa tín hiệu ra đầu ra để điều khiển các động cơ và van xả

VDC cấp nguồn cho mạch cảm biến mức Nguồn 220 VAC cấp nguồn cho 3 động cơ bơm và van xả

Khối chấp hành:bao gồm các Rơle điện từ và van điện từ

Cảm biến mức: làm nhiêm vụ phát hiện mức nước trong bể chứa, báo tín hiệu về cho PLC xử lý

2.2 Các thiết bị trong Bàn thí nghiệm điều khiển quá trình

2.2.1 Van tay

Trên bàn thí nghiệm có bốn van tay : V1, V2, V5 , ,V6 , V8 Van tay V2 v Và 5 được dùng để khống chế lưu lượng, có nghĩa là lưu lượng được hạn chế bởi vị trí của van

Hình 2 Van tay Hình 2 4 Van tay Van tay sẽ mở khi núm điều chỉnh ở vị trí song song với đường ống có van gắn trên

nó, và van sẽ đóng hoàn toàn khi núm điều chỉnh ở vị trí vuông góc với đường ống

2.2.2 Lưu lượng kế

30

Lưu lượng kế là một thiết bị được dùng để hiển thị giá trị tức thời của lưu lượng (lít/phút ) Với cấu tạo gồm :

- Một ống thuỷ tinh trong suốt

- Một phao được đặt trong ống thuỷ tinh

Hình 2 5 Lưu lượng kế

Khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ đẩy phao lên ứng với lưu lượng của chất lỏng và

sẽ ổn định tại vị trí đó nếu như trọng lượng của phao bằng với sức đẩy lên của nước

Độ chính xác của lưu lượng kế thay đổi từ : ± ÷ ±3 0.2 %

2.2.3 Van tuyến tính

Hình 2.6 Van tuyến tính

Van tuyến tính trong mô hình là một thiết bị rất quan trọng, thực hiện nhiệm vụ điều khiển dòng lưu lượng F1 của mô hình bình chứa Trong mô hình này, thiết bị van tuyến tính được sử dụng là loại Ф21 của hãng Nenutec Các tham số hoạt động của van như sau:

Mô men xoắn: 5Nm;

Kích thước van: 15x50mm;

Nguồn cấp: 24 VAC/VDC;