Báo cáo Điều khiển quá trình - Thiết kế hệ hống điều khiển quá trình điều khiển mức chất lỏng trong bình chứa

LỜI NÓI ĐẦU Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển mức. Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp . Giúp ta biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài toán cụ thể hoàn chỉnh Trong thời gian nghiên cứu và làm chuyên đề dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của cô Hoàng Thị Thương nên đề tài của chúng em đã hoàn thành. Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để giúp đề tài phát triển thêm Sinh viên thực hiện : NHẬN XÉT CUẨ GIÁO VIÊN   Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình Công nghệ thiết bị đo quá trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực ứng dụng và nghiên cứu. Vào năm 1774, Jame Watt đã lần đầu tiên sử dụng hệ thống điều khiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng để điều chỉnh tốc độ động cơ hơi nước. Mười năm sau Oliver Evans đã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xay bột Philadelphia. Ban đầu, những thiết bị đo quá trình phát triển rất chậm , bởi vì có rất ít quá trình công nghệ để ứng dụng. Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi công nghiệp bắt đầu phát triển thì thiết bị đo quá trình phát triển theo. Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo quá trình trực tiếp là có thể thực hiện được cho đến cuối những năm 30. Vào những năm 40, hệ thống truyền động bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng điều khiển trung tâm có thể thực hiện được. Thiết bị đo điện tử đã trở lên phổ biến vào những năm 50 và tính phổ biến của nó đã làm cho công nghệ thiết bị đo quá trình phát triển nhanh chóng từ đó. Và chủ yếu trong vòng 10 năm đó, sự xuất hiện công nghệ máy tính số đã giải quyết những vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn. Tuy nhiên yêu cầu đặt ra lúc này là là thiết bị quá trình tương lai sẽ phải kết hợp được hệ thống số và hệ thống tương tự. 1.2. 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 suất 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 phần 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. Ngày nay thiết bị đo lường ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lý khác nhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ học, nhiệt học, hoá học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử ... Trên cơ sở đánh giá đúng đắn vai trò to lớn của việc áp dụng điều khiển quá trình vào trong các hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp công nghiệp... ta tiến hành tìm hiểu đi sâu tìm hiểu các thiết bị đo lường và chuyển đổi dùng trong điều khiển quá trình. 1.3. Điều khiển quá trình 1.3.1. Khái quát chung Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm , hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc. Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất , năng lượng , năng 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. 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, trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt... 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... 1.3.2. Quá trình và các biến quá trình a. Quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ và được phân biệt như sau : + Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật. chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin. + Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc và được can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành. b. Biến quá trình Hình 1.1: Biến quá trình 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 biển quá trình có thể coi là biển ra. - Nhìn trong sơ đồ ta có thể phân loại ra các biến chính của quá trình điều khiển như sau: + 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 ( tín hiệu mẫu ) . + 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 . + Biến vào : là điều kiện phản ánh sự tác động từ bên ngoài vào quá trình + Biến ra : là đại lượng thông số thể hiện sự ảnh hưởng của quá trình ra bên ngoài + Biến điều khiển : là đại những biến vào của quá trình có thể được can thiệp trực tiếp từ bên ngoài vào quá trình, để tác động tới biến ra theo yêu cầu mong muốn + Biến nhiễu : là những biến vào của quá trình tác động lên quá trình nhưng ta không can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu bao gồm: - Nhiễu quá trình : + Nhiễu đầu vào + Nhiễu tải + Nhiễu ngoại sinh - Nhiễu đo , nhiễu tạp : nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo được . Các quá trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển quá trình . Bộ điều khiển chính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại những sai lệch xuất hiện trong quá trình . Hầu hết những bộ điều khiển quá trình trong thực tế là bộ điều khiển phản hồi . Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được của biến cần biến điều khiển , so sánh với giá trị định mức ( giá trị đặt ) và sử dụng sai lệch để có tác động hiệu chỉnh theo mong muốn . Nhiều hệ thống phức tạp hơn đo giá trị năng lượng hoặc nguyên liệu đầu vào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và nguyên liệu cấp cho quá trình để điều khiển đầu ra . Các biến vào của hệ thống là lưu lượng của dòng chất lỏng ( F0). Biến ra của quá trình là lưu lượng của dòng ra (F). Trong quá trình này do lưu lượng chất lỏng vận chuyển liên tục không dừng lại nên ta có thể coi lưu lượng dòng và ra của các dòng công chất là như nhau. Hình 1.2: Mô hình bình chứa chất lỏng và sơ đồ khối Trong hệ thống này, biến cần điều khiển là lưu lường của dòng ra (F), các biến (F0, ρ0) được coi là nhiễu quá trình trong phạm vi xem xét của bài này 1.4. Phân loại quá trình Các công nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau và được chia ra như sau: - Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá đa biến. Có thể nói, hầu hết các công nghệ đều là đa biến. - Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. - Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biếu biễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến kí tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu. - Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò qua trọng trong một quá trình mẻ. Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ. - Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động và dừng thiết bị,... 1.5. Nhiệm vụ 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 làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là 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: 1. Bảo đảm hệ thống vận hành 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 của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện. 2. Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu. 3. 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, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. 4. 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. 5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất 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 của thị trường. 1.6. Các thành phần của hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực quan với sơ đồ khối trên Hình 1.4 Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình Trong đó: - Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV) - Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO) - Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated 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) 1.6.1.Thiết bị đo Hình 1.4 : Một số thiết bị đo Chức năng của một thiết bị đo là : cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi (transducer): - Cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. - Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường,..). Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp ( Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế ). Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”. 1.6.2. Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller) : là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạm PLC DCS)./ Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển được lựa chọn : bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc. Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch. Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác. 1.6.3. Thiết bị chấp hành Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Hình 1.5 : Cơ cấu chấp hành Ví dụ : tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển. 1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6. 1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống Quy trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghệ . Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất. Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức năng hay lưu là P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động,... Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như điểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ. Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêu cầu về trình tư vận hành công nghệ. Hình 1.6: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình 1.6.2. Xây dựng mô hình quá trình Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người kỹ sư. Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết. Hơn nữa, mô hình quá trình không chỉ quan trọng đối với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành. Việc xây dựng mô hình còn được gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và với nhiều phương pháp khác nhau. 1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc hết sức quan trọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinh nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo, ta cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều và liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ,... Kết quả của công việc thiết kế sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết. Kết quả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự. Những công cụ toán học và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá tính thích hợp của các sách lược điều khiển. 1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống. Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công cụ máy tính có vai trò hết sức quan trong. Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng. Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chức năng trình tự chi tiết. 1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quy trình công nghệ. Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau. 1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và thiết kế giao diện người - máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành, giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được thử nghiệm ghép nối. Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp. Công nghệ phần mềm cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ hệ thống điều khiển. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TÌNH TRẠNG THÁI CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC 2.1. Giới thiệu về bình mức chất lỏng Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụng trong hệ thống điều khiển quá trình . Bài toán đặt ra cho mọi bình chứa là duy trì trữ lượng vật liệu trong bình tại một giá trị hoặc trong một phạm vi mong muốn , tùy theo chức năng sử dụng của bình chứa . Đại lượng cần được quan tâm đối với hệ thống bình chứa chất lỏng là giá trị mức hoặc thể tích . Đối với chất khí hoặc hơi ta quan tâm tới áp suất , đối với bình chứa chất rắn ta quan tâm tới mức hoặc khối lượng vật liệu . Trong thực tế bình chứa có những chức năng sau về mặt công nghệ : - Bình chứa quá trình : Tạo không gian và thời gian thực hiện các quá trình công nghệ . - Bình chữa trung gian : Giảm tương tác giữa các quá trình liên tiếp nhau , giảm thiểu sự biến thiên của các đại lượng đầu vào , giúp quá trình vận hành trơn tru và dễ điều khiển hơn . - Bình chứa cấp chất lỏng : Đảm bảo cột áp để duy trì hoạt động bình thường cho các máy bơm cấp . Đối với bình chứa chất lỏng có chức năng trung gian để giản tương tác và giảm nhiễu , mục đích điều khiển là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định như vậy mức nước trong bình chỉ cần khống chế trong một phạm vi an toàn . Đối với bình chứa quá trình giá trị mức phải được giữ chính xác ở một giá trị đặt . 2.2. Sách lược điều khiển Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quá trình để đưa ra tác động điều khiển . Tùy theo quan hệ giữa biến chủ đạo , biến đo được mà ta phân thành các loại hya được sử dụng như sau : - Sách lược điều khiển phản hồi - Sách lược điều khiển truyền thẳng ( vòng hở / bù nhiễu) - Sách lược điều khiển tỉ lệ - Sách lược điều khiển kết hợp truyền thẳng và phản hồi. Sách lược điều khiển truyền thẳng ( Feedforward control ) - Dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu , bộ điều khiển dựa trên thông tin này tính toán giá trị của biến điều khiển . Sách lược này còn được gọi là sách lược điều khiển bù nhiễu và vòng điều khiển là mạch hở ( opened loop control ). Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền thẳng : Hình 2.1 : Feedforward control Đặc điểm: - u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu, biến cần điều khiển không được đo; - Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu (nhiễu đo được); - Không triệt tiêu được nhiễu không biết trước/ không đo được) - Đáp ứng kém chính xác, không cho chất lượng cao 2.3. Sách lược điều khiển và lưu đồ P&ID 2.3.1 Lưu đồ P&ID thường Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram) là tài liệu đồ hoạ mô tả quá trình công nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình: lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển Mỗi thiết bị được biểu diễn thông qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn. Hình 2.2: Thiết bị được biểu diễn trong lưu đồ P&ID Quy ước trên lưu đồ bao gồm: - Dụng cụ và thiết bị điều khiển. - Ký hiệu đại lượng đo, nhãn, ký hiệu chức năng. - Đường ống dẫn và đường tín hiệu. a. Dụng cụ và thiết bị điều khiển Bảng 2.1 : Bảng dụng cụ và thiết bị điều khiển cơ bản b. Kí hiệu các đại lượng đo , nhãn , ký hiệu chức năng Bảng 2.2 : Bảng kí hiệu các đại lượng cơ bản Bảng 2.3 : Bảng kí hiệu quy ước các chức năng điều khiển c, Đường tín hiệu và đường ống dẫn * Nguyên tắc chung để tạo lưu đồ P&ID : Ví dụ : Bộ điều khiển và chỉ thị độ chênh áp suất tại vòng loop103: 2.3.2 Lưu đồ P&ID chi tiết Trong hình thức khai triển, người ta sử dụng một số ký hiệu bổ sung phản ánh rõ hơn đặc điểm chức năng của bộ biến đổi tín hiệu hay công cụ tính toán: - Dạng năng lượng của tín hiệu: điện áp: E , dòng điện I , khí nén: P , thủy lực: G. - Dạng tín hiệu: Liên tục A , rời rạc : D - Thuật toán được thự hiện bởi công cụ tính toán như cộng , tích phân ,vi phân, đạo hàm, căn… Ví dụ: E/P bộ chuyển đổi từ điện áp sang khí nén P/I chuyển đổi từ khí sang dòng điện A/D bộ chuyển đổi tương tự Sơ đồ P&ID tháp chưng cất có dạng như sau : Hình 2.3 sơ đồ P&ID trưng cất * Một số tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ : Bảng 2.4 :Các biểu tượng đo và thiết bị điều khiển : Bảng 2.5 : Các biểu tượng bộ phận thừa hành Bảng 2.6 : Các van điều chỉnh và van an toàn Bảng 2.7 Các chức năng tính toán * Các ký hiệu đường cấp năng lượng (ISA) * Các ký hiệu đường cấp năng lượng : • AS (Air supply): đường cấp không khí • ES (Electric supply):đường cấp điện • GS (Gas supply): cấp khí • HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực • NS (Nitrogen supply): cấp nitơ • SS (Stream supply): cấp hơi • WS (water supply): đường cấp nước 2.3.3. Yêu cầu bài toán Thiết kế sách lược điều khiển truyền thẳng và lưu đồ P&ID

LỜI NÓI ĐẦU

Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển

mức Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp Giúp ta biết cách vận

dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài toán cụ thể hoàn chỉnh

Trong thời gian nghiên cứu và làm chuyên đề dựa vào kiến thức đã được học ởtrường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của cô

Hoàng Thị Thương nên đề tài của chúng em đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện

đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy chúng

em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để giúp đề tài phát triển thêm

Sinh viên thực hiện :

NHẬN XÉT CUẨ GIÁO VIÊN

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1 Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình

Công nghệ thiết bị đo quá trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực ứngdụng và nghiên cứu Vào năm 1774, Jame Watt đã lần đầu tiên sử dụng hệ thống điềukhiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng để điều chỉnh tốc độ động cơ hơi nước.Mười năm sau Oliver Evans đã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà máy xaybột Philadelphia

Ban đầu, những thiết bị đo quá trình phát triển rất chậm , bởi vì có rất ít quá trìnhcông nghệ để ứng dụng Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi công nghiệp bắt đầu phát triển thìthiết bị đo quá trình phát triển theo Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo quá trình trực tiếp là cóthể thực hiện được cho đến cuối những năm 30 Vào những năm 40, hệ thống truyềnđộng bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng điều khiển trung tâm

có thể thực hiện được Thiết bị đo điện tử đã trở lên phổ biến vào những năm 50 và tínhphổ biến của nó đã làm cho công nghệ thiết bị đo quá trình phát triển nhanh chóng từ đó

Và chủ yếu trong vòng 10 năm đó, sự xuất hiện công nghệ máy tính số đã giải quyếtnhững vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn Tuy nhiên yêu cầu đặt ra lúc này là

là thiết bị quá trình tương lai sẽ phải kết hợp được hệ thống số và hệ thống tương tự

1.2 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 hệthống tự động hoá ở mức cao Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng sảnphẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao độngkhỏi 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 côngnghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoáthực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộquá trình công nghệ hoặc toàn bộ xí nghiệp nói chung Hệ thống tự động hoá đảm bảocho quá trình công nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuấtmong muốn của từng công đoạn trong quá trình công nghệ Chất lượng của sản phẩm và

năng suất lao động của các phần xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớnvào 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 nghệhoặc ứng dụng công nghệ mới thì một hướng nghiên cứu không kém phần quan trọng lànâng cao mức độ tự động hoá các quá trình công nghệ Do sự phát triển mạnh mẽ củacông nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo lường và điềukhiển các quá trình công nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin cậy và chính xác

Ngày nay thiết bị đo lường ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụkiểm tra tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong cáccông tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau Đểthực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lý khácnhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ học, nhiệt học, hoá học, các đạilượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử

Trên cơ sở đánh giá đúng đắn vai trò to lớn của việc áp dụng điều khiển quá trìnhvào trong các hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp công nghiệp ta tiến hành tìm hiểu

đi sâu tìm hiểu các thiết bị đo lường và chuyển đổi dùng trong điều khiển quá trình

1.3 Điều khiển quá trình

1.3.1 Khái quát chung

Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các kỹ thuật điều khiển tựđộng trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảochất lượng sản phẩm , hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc chuyển đổi sinh học,trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi vận chuyển hoặclưu trữ vật chất , năng lượng , năng 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 thiệpđược Khi nói tới một quá trình kỹ thuật ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với cácphương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành Mộtcách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào các biến điềukhiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước đồng thời giảmthiểu ảnh hưởng xấu của quá trình đến môi trường và con người xung quanh

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biếnquá trình Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra Biến vào là một đại lượnghoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như dòng nguyênliệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt Biến ra là một đạilượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ sảnphẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải

1.3.2 Quá trình và các biến quá trình

a Quá trình

Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinhhọc, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

và được phân biệt như sau :

+ Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển hoặclưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máysản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu,trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phảnứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin

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

b Biến quá trình

Hình 1.1: Biến quá trình

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

- Nhìn trong sơ đồ ta có thể phân loại ra các biến chính của quá trình điều khiển như sau:

+ 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 ( tín hiệu mẫu )

+ 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

+ Biến vào : là điều kiện phản ánh sự tác động từ bên ngoài vào quá

trình

+ Biến ra : là đại lượng thông số thể hiện sự ảnh hưởng của quá trình

ra bên ngoài

+ Biến điều khiển : là đại những biến vào của quá trình có thể được

can thiệp trực tiếp từ bên ngoài vào quá trình, để tác động tới biến ratheo yêu cầu mong muốn

+ Biến nhiễu : là những biến vào của quá trình tác động lên quá trình

nhưng ta không can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan tâm

Nhiễu bao gồm:

- Nhiễu quá trình : + Nhiễu đầu vào

+ Nhiễu tải + Nhiễu ngoại sinh

- Nhiễu đo , nhiễu tạp : nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo

được

Các quá trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển quá trình Bộ điều khiểnchính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại những sailệch xuất hiện trong quá trình Hầu hết những bộ điều khiển quá trình trong thực tế là bộđiều khiển phản hồi Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được của biến cần biến điềukhiển , so sánh với giá trị định mức ( giá trị đặt ) và sử dụng sai lệch để có tác động hiệuchỉnh theo mong muốn Nhiều hệ thống phức tạp hơn đo giá trị năng lượng hoặc nguyênliệu đầu vào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và nguyên liệu cấp cho quá trình để điềukhiển đầu ra

Các biến vào của hệ thống là lưu lượng của dòng chất lỏng ( F0) Biến ra của quátrình là lưu lượng của dòng ra (F) Trong quá trình này do lưu lượng chất lỏng vậnchuyển liên tục không dừng lại nên ta có thể coi lưu lượng dòng và ra của các dòng côngchất là như nhau.

Hình 1.2: Mô hình bình chứa chất lỏng và sơ đồ khốiTrong hệ thống này, biến cần điều khiển là lưu lường của dòng ra (F), các biến(F0, ρ0) được coi là nhiễu quá trình trong phạm vi xem xét của bài này

1.4 Phân loại quá trình

Các công nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau và được chia ranhư sau:

- Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá đa biến Có thể nói, hầu hết các công nghệ đều

là đa biến

- Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ

- Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tạimột số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữuhạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình Cũng vì vậy, các đạilượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biếu biễn bằng cácbiến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến kí tự (cho các sự kiện) hoặcbiến logic (cho các trạng thái logic) Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trìnhphục vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêubiểu

- Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặctrưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động

theo một quy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong mộtkhoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ Các đại lượng đặctrưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tương tự và biến rời rạc Đặcbiệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò qua trọng trong mộtquá trình mẻ Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lênmen (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.

- Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chếbiến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chếtạo và lắp ráp Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trướchết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ Tuy nhiên, ngay cả trong nhữngnhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhậpxuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động và dừng thiết bị,

1.5 Nhiệm vụ và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệuquả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thốngđiều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệthống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựngmột giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thểhóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việcđặc 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 vàsắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

1 Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tạiđiểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theoyêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện

2 Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kếhoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêucầu

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

4 Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độchại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụnhiên liệu và nguyên liệu.

5 Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khigiảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổicủa thị trường

1.6 Các thành phần của hệ thống

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quátrình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự trên 3thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển Chức năng củamỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực quan với sơ

đồ khối trên Hình 1.4

Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Trong đó:

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

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

- Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated 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)

1.6.1.Thiết bị đo

Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng đượcdùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.

1.6.2 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển(controller) : là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõicủa một hệ thống điều khiển công nghiệp

Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiểnđơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều

khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiểnchia sẻ (ví dụ một trạm PLC DCS)./

Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển đượclựa chọn : bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển

để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tínhiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể đượcxếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logiccontroller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khínén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điệntử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó Một thiết bị điều khiển sốđược xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điềukhiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số có thể chấpnhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phầnchuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũngđược thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng

và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán vàhiển thị cùng một lúc

Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều làcác hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang

bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Vì vậy khi ta nói tới máy tínhđiều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thànhphần tích hợp trên bo mạch Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiểnbao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra vàmodule chức năng khác

1.6.3 Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tínhiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bịchấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió.Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biếncủa quá trình kỹ thuật

Hình 1.5 : Cơ cấu chấp hành

Ví dụ : tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ

mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình Một máybơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặcdòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấphành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element) Cơ cấuchấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt),trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển

1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phântích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụphát triển hệ thống Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điềukhiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6

tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất Công việccủa người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổsung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu

đồ chức năng hay lưu là P&ID sơ lược Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗibài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai

số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động, Bên cạnh đó, các điều kiệnvận hành như điểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về

an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểudiễn các yêu cầu về trình tư vận hành công nghệ.

Hình 1.6: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình

1.6.2 Xây dựng mô hình quá trình

Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người

kỹ sư Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề

và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết Hơn nữa, mô hình quá trình không chỉ quan trọngđối với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành Việc xâydựng mô hình còn được gọi là mô hình hóa Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức

và với nhiều phương pháp khác nhau

1.6.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển

Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quátrình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) Thiết kếcấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ

về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống Đây là công việc hết sức quantrọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiềukinh nghiệm thực tế Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tậptrung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp) Tiếp theo,

ta cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều

và liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điềukhiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ, Kết quả của công việc thiết kếsách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết Kết quả củathiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả củathiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự Những công cụ toánhọc và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giátính thích hợp của các sách lược điều khiển

1.6.4 Thiết kế thuật toán điều khiển

Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràngcác bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điềukhiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiểnhay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển Côngviệc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống.Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công

cụ máy tính có vai trò hết sức quan trong Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể

về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với cácthiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng

Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệtquan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự Kết quảcủa thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phươngtrình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chứcnăng trình tự chi tiết

1.6.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điềukhiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với cácyêu cầu của quy trình công nghệ Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổngquan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trongphương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau

1.6.6 Phát triển phần mềm ứng dụng

Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, làphần hồn của hệ thống Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phầnmềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữliệu và thiết kế giao diện người - máy Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển vàgiám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vậnhành, giám sát mới được tiến hành Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từngphần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được thửnghiệm ghép nối Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ sư điều khiển,

kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắmvững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp Công nghệ phầnmềm cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực côngnghệ hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TÌNH TRẠNG THÁI CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC

2.1 Giới thiệu về bình mức chất lỏng

Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụng trong hệ thống điềukhiển quá trình Bài toán đặt ra cho mọi bình chứa là duy trì trữ lượng vật liệu trong bìnhtại một giá trị hoặc trong một phạm vi mong muốn , tùy theo chức năng sử dụng của bìnhchứa Đại lượng cần được quan tâm đối với hệ thống bình chứa chất lỏng là giá trị mứchoặc thể tích Đối với chất khí hoặc hơi ta quan tâm tới áp suất , đối với bình chứa chấtrắn ta quan tâm tới mức hoặc khối lượng vật liệu Trong thực tế bình chứa có nhữngchức năng sau về mặt công nghệ :

- Bình chứa quá trình : Tạo không gian và thời gian thực hiện các quá trình côngnghệ

- Bình chữa trung gian : Giảm tương tác giữa các quá trình liên tiếp nhau , giảmthiểu sự biến thiên của các đại lượng đầu vào , giúp quá trình vận hành trơn tru

và dễ điều khiển hơn

- Bình chứa cấp chất lỏng : Đảm bảo cột áp để duy trì hoạt động bình thường chocác máy bơm cấp

Đối với bình chứa chất lỏng có chức năng trung gian để giản tương tác và giảmnhiễu , mục đích điều khiển là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định như vậy mức nước

trong bình chỉ cần khống chế trong một phạm vi an toàn Đối với bình chứa quá trình giátrị mức phải được giữ chính xác ở một giá trị đặt

2.2 Sách lược điều khiển

Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến quátrình để đưa ra tác động điều khiển

Tùy theo quan hệ giữa biến chủ đạo , biến đo được mà ta phân thành các loại hyađược sử dụng như sau :

- Sách lược điều khiển phản hồi

- Sách lược điều khiển truyền thẳng ( vòng hở / bù nhiễu)

- Sách lược điều khiển tỉ lệ

- Sách lược điều khiển kết hợp truyền thẳng và phản hồi

Sách lược điều khiển truyền thẳng ( Feedforward control )

- Dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu , bộ điều khiển dựa trên thông tin nàytính toán giá trị của biến điều khiển Sách lược này còn được gọi là sách lược điều khiển

bù nhiễu và vòng điều khiển là mạch hở ( opened loop control )

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền thẳng :

Hình 2.1 : Feedforward control

Đặc điểm:

- u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của

nhiễu, biến cần điều khiển không được đo;

- Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của

nhiễu (nhiễu đo được);

- Không triệt tiêu được nhiễu không biết trước/ không

đo được)

- Đáp ứng kém chính xác, không cho chất lượng cao

2.3 Sách lược điều khiển và lưu đồ P&ID

2.3.1 Lưu đồ P&ID thường

Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram) là tài liệu đồ hoạ mô tả quátrình công nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình: lưu đồcông nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển

Mỗi thiết bị được biểu diễn thông qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn

Hình 2.2: Thiết bị được biểu diễn trong lưu đồ P&ID

Quy ước trên lưu đồ bao gồm:

- Dụng cụ và thiết bị điều khiển

- Ký hiệu đại lượng đo, nhãn, ký hiệu chức năng

- Đường ống dẫn và đường tín hiệu

a Dụng cụ và thiết bị điều khiển

Bảng 2.1 : Bảng dụng cụ và thiết bị điều khiển cơ bản

b Kí hiệu các đại lượng đo , nhãn , ký hiệu chức năng

Bảng 2.2 : Bảng kí hiệu các đại lượng cơ bản

Bảng 2.3 : Bảng kí hiệu quy ước các chức năng điều khiển

c, Đường tín hiệu và đường ống dẫn

* Nguyên tắc chung để tạo lưu đồ P&ID :

Ví dụ : Bộ điều khiển và chỉ thị độ chênh áp suất tại vòng loop103: