Cuốn sách Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình là giáo trình môn học “Điều khiển quá trình” cho sinh viên đại học ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Nội dung chính của cuốn sách cũng có thể sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành liên quan (Nhiệt, Hóa, Sinh học thực phẩm, Môi trường…). Cuốn sách được trình bày theo phong cách diễn giải kết hợp nhiều ví dụ minh họa cụ thể, phù hợp cho mục đích tự nghiên cứu của nhiều nhóm độc giả.
Trang 6-M ụ c lục
1.1 Điều khiển quá trìn h là g ì ? 2
1.1.1 Q u á trình và các biến quá t r ì n h 2
1.1.2 P h ân loại quá tr ìn h 5
1.1.3 Bài toán điều chỉnh và bài toán b á m 6
1.1.4 Các vấn đề đặc th ù của điều khiển qu á t r ì n h 7
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển qu á t r ì n h 10
1.2.1 Vận h ành ổn đ ịn h 11
1.2.2 Năng su ấ t và chất lượng sản p h ẩ m 12
1.2.3 Vận hành an t o à n 13
1.2.4 Bảo vệ môi trư ờ n g 14
1.2.5 Hiệu quả kinh t ế 15
1.3 Phân cấp chức năng điều khiến quá t r ì n h 16
1.3.1 Giao diện quá t r ì n h 17
1.3.2 Điều khiển cơ s ở 17
1.3.3 Điều khiển vận hành và giám s á t 19
1.3.4 Điều khiển cao c ấ p 20
1.4 Các th ản h ph ần cơ bản của hệ th ố n g 20
1.4.1 T h iết bị đ o 22
1.4.2 T h iế t bị điều k h iể n 23
1.4.3 T h iế t bị chấp h à n h ‘24
1.5 Các nhiệm vụ p h á t triền hệ t h ố n g 24
1.5.1 Phân tích chức năng hộ th ố n g 24
1.5.2 Xây dựng mô hình quá t r ì n h 26
1.5.3 T h iế t kế cấu trú c điều khiển 26
1.5.4 T h iế t kế th u ậ t toán điều k h iển 27
1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ t h ố n g 27
1.5.6 P h á t triển phần mềm ứng d ụ n g 27
1.5.7 Chỉnh định và (lưa vào vận h à n h 28
1.6 Mô tả chức năng hệ t h ố n g 28
1.6.1 Các tài liệu mô t ả đồ h ọ a 28
1.6.2 Lưu đồ P & ID 29
1.7 Ghi chú v à tài liệu tham k h ả o 32
Trang 71.7.1 Bàn thêm về khái niệm điều khiển q u á t r ì n h 335
1.7.2 Về tài liệu th am k h ả o 3Í5 1.8 C âu hỏi v à bài t ậ p 3ỈỈ) Chương 2 M ô HÌNH QUÁ TRÌNH 411 2.1 Giới thiệu c h u n g 412
2.1.1 Mô hình và mục đích mô hình h ó a 412
2.1.2 Nguyên tắc chung của mô hình hóa q u á t r ì n h 4*4 2.1.3 Các phương pháp xây dựng mô hình toán h ọ c 4Ỉ5 2.2 Tổng quan về quy trình mô hình h ó a 477
2.2.1 Đ ặt bài toán mô hình h ó a 477
2.2.2 P h ẳn chia hệ th ố n g 5(0 2.2.3 Xây dựng các mô hình th àn h p h ầ n 5il 2.2.4 Kết hợp các mô hình thành p h ầ n 5Í2 2.2.5 P h ân tích và kiểm chứng mô h ìn h 5Í2 2.3 P hân loại mô hình toán h ọ c 5Ỉ3 2.3.1 Mô hình tuyến tính và mô hình phi t u y ế n 5i3
2.3.2 Mô hình đơn biến và mô hình đa b iế n 5)4 2.3.3 Mô hình th am số hằng và mô hình th am số biến t h i ê n 5)5 2.3.4 Mô hình th am số tập trung và mô hình th am số r ả i 5)5 2.3.5 Mỏ hình liên tục và mô hình gián đ o ạ n 546
2.4 Các dạng mô hình liên t ụ c 5)7 2.4.1 Phương trình vi p h â n 5)7 2.4.2 Mô hình trạn g t h á i 5)8 2.4.3 Mô hình đáp ứng quá đ ộ 6)3 2.4.4 Mô hình hàm truyền đ ạ t 0^6 2.4.5 Mô hình đáp ứng tần s ố 6:)9 2.5 Các mô hình gián đ o ạ n 770
2.5.1 Phương trình sai p h â n 770
2.5.2 Mô hình trạn g t h á i 771
2.5.3 Mô hình dáp ứng quá đ ộ 774
2.5.4 Các mô hình đ a thức và hàm truyền đ ạ t x u n g 776
2.5.5 Mô hình hàm truyền đ ạ t gián đ o ạ n 881
2.6 Ghi chú và tài liệu th am k h ả o ^84
2.7 Câu hỏi và bài t ậ p ^85
Ch ư ơ n g 3 M ô HÌNH HÓA LÝ THƯYET 837 3.1 T ổng quan các bước tiến h à n h £87
3.2 N hận biết các biến q u á t r ì n h £88
3.2.1 Ví dụ bình chứa chất lỏ n g í 91
Trang 83.2.2 Ví dụ th iết bị khuấy trộn liên t ụ c 92
3.2.3 Ví dụ th iết bị gia n h iệ t 93
3-2.4 Ví dụ th á p chưng luyện hai cấu t ử 94
3.3 Xây dựng các phương trìn h mô h ìn h 95
3.3.1 Phương trình cân bằng vật c h ấ t 96
3.3.2 Phương trình cân bằng năng lượng 101
3.3.3 Phương trình truyền n h iệ t 105
3.3.4 Phương trình động học phản ứng hóa h ọ c 108
3.3.5 Phương trình cân bằng p h a 109
3.4 P h â n tích bậc tự do của mô h ìn h 111
3.4.1 Bậc tự do của hệ t h ố n g 111
3.4.2 Ví dụ th iết bị khuấy trộn liên t ụ c 112
3.4.3 Ví dụ thiết bị gia n h iệ t 113
3.4.4 Ví dụ nồi hơi bâo h ò a 114
3.5 T u y ến tín h hóa và mô hình hàm truyền đ ạ t 115
3.5.1 Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đ ạ t 115
3.5.2 T uyến tính hóa xung quanh điểm làm v i ệ c 117
3.5.3 Độ phi tuyến của mô h ì n h 124
3.5.4 T u y ến tính hóa với phép đổi biến v à o -ra 126
3.6 Mô phỏng q u á t r ì n h 12S 3.6.1 P h â n loại các phương pháp mô p h ỏ n g 129
3.6/2 Giải hệ phương trình vi phân (phi t u y ế n ) 132
3.6.3 Giải hệ phương trình vi phân tu y ến t í n h 134
3.6.4 Mô phỏng qu á trình sử dụng M A T L A B 134
3.7 Một số ví dụ q u á trình tiêu b iể u 142
3.7.1 Chuỗi ba th iết bị phản ứng liên tục đẳn g n h iệ t 142
3.7.2 T h iết bị phản ứng th u nhiệt sợi đ ố t 146
3.7.3 T h iế t bị phản ứng liên tục tỏa n h i ệ t 149
3.7.4 T h áp chưng luyện hai cấu t ử J 53 3.8 Ghi chú và tài liệu th am k h ả o 163
3.9 Câu hỏi và bài t ậ p 165
Ch ư ơn g 4 N hận d ạ n g qưá t r ìn h 171 4.1 Khái niệm và những nguyên tắc cơ b ả n 171
4.1.1 Các bước tiến h à n h 171
4.1.2 P h ân loại phương pháp nhận d ạ n g 172
4.1.3 Đánh giá và kiểm chứng mô h ì n h 174
4.2 Các phương pháp dựa trên đáp ứng q u á đ ộ 175
4.2.1 Mô hình quán tính bậc n h ấ t có t r ễ 177
4.2.2 Mô hình quán tính bậc hai có t r ễ 184
Trang 97.1 Bài to án c h u ẩ n 329
7.1.1 Cấu hình c h u ẩ n 329
7.1.2 Sơ đồ khối và mô hình hàm truyền đ ạ t 332
7.1.3 C h u ẩn hóa mô h ì n h 337
7.1.4 P h á t biểu bài toán chuẩn và các quan hệ cơ b ả n 341
7.2 T ín h ổn định của hệ điều khiển phản hồi 344
7.2.1 Khải niệm tính ổn đ ị n h 345
7.2.2 T ín h ổn định nội của hệ điều khiển ph ản h ồ i 350
7.2.3 Tiêu chuẩn N y q u is t 356
7.2.4 Tiôu chuẩn B o đ e 362
7.2.5 Độ dự trữ ổn đ ị n h 363
7.2.6 T ín h ổn định đ ư ợ c 366
7.3 C h ất lượng điều khiển phản h ồ i 4 367
7.3.1 Đ ảnh giá chắt lượng trên miền thời g i a n 367
7.3.2 Đ ánh giá chất lượng trên miền tầ n s ố 371
7.3.3 P h â n tích ch ất lượng điều khiển t ầ n g 380
7.4 Ghi chú và tài liệu th am k h ả o 384
7.5 Câu hỏi và bài t ậ p 385
Ch ư ơ n g 8 Ch ín h đ ịnh bộ điều k h iể n P I D 389 8.1 Cơ sở c h u n g 390
8.1.1 Các dạng mô hình q u á trình thông d ụ n g , 390
8.1.2 X ấp xi mô hình bậc cao - luật chia đ ô i 392
8.1.3 Các cấu hình điều khiển và kiểu bộ điều k h i ể n 39«‘i 8.1.4 Đặc tính vòng điều khiển sử dụng bộ P I D 394
8.1.5 Lựa chọn luật điều k h iể n 399
8.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính đáp ứ n g 402
8.2.1 Phương pháp dựa trên đáp ứng bậc t h a n g 402
8.2.2 Phương pháp dựa trẽn đặc tín h dao động tới h ạ n 403
8.2.3 Phương pháp tự chỉnh phản hồi rơ -le 405
8.2.4 Phương pháp của T yreus và L u y b e n 406
8.3 Các phương pháp dựa trên mô hình m ẫ u 410
8.3.1 Phương pháp H a a lm a n 410
8.3.2 Phương pháp tổng hợp trực tiế p 411
8.3.3 Phương pháp tổng hợp trực tiếp ưu tiên kháng n h i ễ u 413
8.3.4 Phương pháp I M C 416
8.3.5 Phương pháp IMC cho qu á trìn h không ổn đ ị n h 421
8.3.6 Phương ph áp xấp xỉ đặc tín h t ằ n 426
8.4 Các phương pháp nắn đặc tính t ầ n 430
C h ư ơ n g 7 P h â n t í c h h ê đ i Ề ư k h i ể n p h ả n H ồ i 3 2 9
Trang 108.4.1 Phương p h á p tối ưu đối x ứ n g 430
8.4.2 Phương p háp ‘k a p p a-tau 1 432
8.4.3 Phương pháp dựa trên cỉự t rữ b iê n - p h a 433
8.5 Điều khiển PID kết hợp bù t r ễ 437
8.5.1 Bộ dự báo S m i t h 437
8.5.2 Bộ diều khiến PI (lự b á o 439
8.6 Ghi chú và tài liệu tham k h ả o 441
8.7 C âu hỏi và bài t ậ p 445
Chư ơn g 9 T h iẾt k ế cẤu t r ú c đ iỀư khiể n ch o quá t r ì n h đa b iế n 447 9.1 Giới thiệu c h u n g 447
9.1.1 Cấu trúc điều khiển là g ì ? 447
9.1.2 Cơ sờ th iết kế cấu trúc diều k h iể n 452
9/2 Lựa chọn biến quả t r ìn h 453
9.2.1 Một số chỉ dần lựa c h ọ n 454
9.2.2 P h â n tích giá trị suy b iế n 457
9.3 Điều khiển đ a b iế n /tậ p t r u n g 460
9.4 Điều khiến đơn biến/phi tậ p t r u n g 462
9.4.1 Cặp đôi các biến v à o -ra 464
9.4.2 T ính ổn định của hộ (liều khiển phi tậ p t r u n g 466
9.5 Ghi chú v à tài liệu t.luim k h ả o 467
Phụ lục A 469 A l T óm t ắ t chuẩn A N SI/ISA 5.1 469
A.2 T ó m t ắ t chuẩn A N SI/ISA 5 2 474
A.3 T ó m t ắ t chuẩn ANSI/ISA 5 3 477
Phụ lục B 477 B.l C h u ẩn vector và chuẩn m a t r ậ n 477
B.2 C huẩn tín hiệu và chuẩn hộ t h ố n g 480
B.3 P h ép phân tích giá trị suy biến ( S V D ) 483
B.4 M a trậ n khuếch đại tương đối (R G A ) 486
Trang 112 C hương 1 Mở DẦUMục đích của chương rriở đầu này là cung cắp cho người đọc cái nhìn sơ lược
về bản chất vả mục đích của điều khiển quá trình, tổng quan về các chức năng
và th àn h phần cơ bản của m ột hệ thống điều khiển qu á trìn h v à các nhiệm vụ
đ ặ t ra cho người kỹ sư
1.1 Đ iề u k h i ể n q u á t r ì n h là gì?
Trong nội dung cuốn sách này, khái niệm điều khiển qu á trìn h được hiểu là ứng
dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiẽn vận hành và giám sát các quả trinh công nghệ, nhằm đám bảo chắt lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, m áy móc và m ôi trường.
Đế làm rỏ định nghĩa này, những mục tiếp theo sẽ lần lượt, cung cấp m ột số khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề đặc thù của điều khiển q u á trình
1.1.1 Q u á t r ì n h v à các b iến q u á t r ì n h
Quá trìn h được định nghĩa là m ột trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc
sinh học, trong đó v ật chất, năng lượng hoặc thông tin được hiến đổi, vận chuyển
hoặc lưu trữ (IEC60050-351 [1], AN SI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4]) Quá trình
công nghệ là những quá trình liên quan tới biến dổi, vận chuyến hoặc lưu t r ữ vật
chất và năng lượng, nằm trong m ột dây chuyền công nghệ hoặc m ột nh à máy sản xuất năng lượng Một qu á trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như qu á trìn h cấp liệu, trao đối nhiệt, ph a chế hổn hợp, nhưng cũng có thể phức t ạ p hơn n h ư một
tổ hợp lò p h ả n ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin Quá trình
kỹ thuật là m ột qu á trình với các đại lượng kỹ th u ậ t được đo h o ặc/v à được: can
thiệp Khi nói tới m ột q u ả trình kỹ thuật, ta hiểu là qu ả trìn h công nghệ cùng với các phương tiện kỹ th u ậ t như thiết bị đo và thiết bị chấp hành Sự ph ân biệt giữa hai khái niệm ‘qu á trình kỹ t h u ậ t ’ và ‘qu ả trìn h công nghệ’ ủ đây không phải là vấn đề từ ngừ, m ả chỉ nhằm mục đích th u ận tiện cho các nội d u n g trình bày sau này T ừ nay về sau, nếu không Iihấn m ạnh thì klìái niệm ‘quả t r ì n h ’ có thể được hiểu là ‘qu á trình còng nghệ’ hoặc ‘q u á trìn h kỹ t h u ậ t ’ tùy th eo ngữ cảnh sử dụng
T rạn g th ái hoạt động v à diễn biến của một quá trìn h th ế hiện q ua các biến
quá trinh Khái niệm qu á trìn h cùng với sự phân loại các biến qu á trìn h được
minh họa trên Hình 1-2 Một biến vào là m ột dại lượng hoặc m ột diều kiện phản
ánh tác động từ bên ngoài vào qu á trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt
độ hơi nước cấp nhiệt, trạ n g thái đ ó ng/m ở của rơ-le sợi đốt, Một biến ra là một đại lượng hoặc một diều kiện thể hiện tác động cua q u á trìn h ra bên Iigoài,
ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay qu á cao, Nhìn từ quan điểm của lý th u y ết hệ thống, các biến vảo th ế hiện
Trang 12Hình 1-2: QuÁ THÌNH VÀ PHÂN LOẠI BIEN quá trình
nguyên nhản trong khi các biến ra th ể hiện két quả (quan hệ nhân-quả) Bên
cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâ m tới các biến trạng thái Các
biến trạn g thái mang thông tin về trạng thái bên trong qu á trình, ví dụ nhiệt độ
lò, áp su ấ t hơi hoặc mức chắt lỏng, hoặc cũng có th ể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, á]) su ấ t hoặc mức
T rong nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể được coi là m ột biến
ra Ví dụ, mức nước trong một bỉnh chứa vừa có thế coi là m ột biến trạng thái, vừa có th ể coi là m ột biến ra
M ột cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển q uá trinh là can thiệp các biến vào của qu á trình một cách hợp lý đổ các biến ra của nó th ỏ a màn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiổu ảnh hưởng xấu của quá trinh kỷ th u ật đối với COI1 người và mồi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trìn h cũng như các th a m số, trạng thái hoạt (lộng củ a các th àn h phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chõ T u y nhiên, trong một q uá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển
B iế n cần điều khiển (controlled variable, CVJ là m ột biến ra hoặc một biến
trạn g th ái của qu á trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị
mong m uốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo m ộ t biến chủ đ ạ o /tín
hiệu m ẫ u (com m and variable/reference signal) Các biến cần điều khiến liên quan
hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm N hiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu n h ấ t trong các hệ thống điều khiển qu á trình Các biến ra hoặc biến trạ n g thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị
Vật chất Nàng lượng Thông tin
Biến trạng thái
]■ I _
Biến không cần diều khiển
Biến ra
_ J L _
Dỉếti cần diều khiên
Biến không cần điều khiên
Trang 134 C hương 1 Mờ ĐẦU
B iế n điều khiển ( manipulated variable, M V ) là m ột biến vào của qu á trìn h có
thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn
T rong điều khiển qu á trìn h thì lưu lượng là biến điều khiến tiêu biểu nhắt
Những biến vào còn lại không can thiệp được m ột cách trực tiếp hay gián tiếp
trong p hạm vi qu á trình đang quan tâ m được coi là nhiễu Nhiễu tác dộng tới
qu á trình một cách không mong muốn, vì th ế cần có biện p h á p n h ằm loại bỏ hoặc ít n h ấ t là giảm thiểu ảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiều có
đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trìn h ( disturbance) và nhiễu đo (noise)
Nhiễu quả trìn h là những biến vào tác động lên quá trình kỹ th u ậ t một cách cố hữu nhưng không can thiộp được, ví dụ trọng lượng hảng cần nâng, lưu lượng
chất lỏng ra, th à n h phần nhiên liệu, v.v Còn nhiều đo hay nhiễu tạp là nhiễu
tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được
Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu v à o / r a công nghệ và đầu
v ả o /ra nhìn từ lý th u y ết hệ thống Nhìn từ phía công nghệ thì các dầu vào và đầu r a của m ột qu á trình có th ể là năng lượng hoặc v ậ t chất, nhưng từ quan điểm hệ thống t a chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qu a các biến quá trình Hình 1-3 m inh họa một bình chứa chất lỏng đdn giản cùng với các biến đặc trưng Đây là m ột qu á trĩnh công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyến và lưu trữ Mặc dù chất lỏng chảy vào v à ra khỏi bình, nhưng c ả lưu lượng vào và lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức ch ất lỏng /i vừa có thể coi là m ột biến trạn g thái hoặc là một biến ra của qu á trình Bài toán điều khiến
đ ặ t r a là thông q u a 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 m ột giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra F0 Có thế dễ dàng thấy, mức ch ất lỏng li là biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển T rong khi đó, lưu lượng ra F0 phụ th u ộ c vào nhu cầu sử dụng của q u á trìn h tiếp theo, không thể can thiệp được ở đây, vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tá i
Biến vàừ - Nhiễu F0 Biến ra
Biến cần điều khiên /.
H ìn h 1-3: BÌNH CHỨA CHAT LÒNG VÀ CÁC BIEN QUẤ t r ì n h
Trang 141.1 Đl èu KHIẾN QUÁ TRÌNH LÀ GÌ? 5Các biến qu á trình có thể đo được hoặc không đo được T rong đ a số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được T u y nhiên nếu phép đo m ột đại lượng qu á chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có
th ể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua m ột đại lượng
khác th ay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp Vì thế, m ột biến cần điều khiển trong
m ột số trường hợp chưa chắc sê là một biến được điều khiển Ví dụ, đối với các
th á p chưng luyện thì biến cần điều khiển là th àn h phần sản phẩm ra T u y nhiên, phép đo th à n h phần hóa chất thường rắt chậm v à kém chính xác, hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rắt chậm trong thay đổi th à n h phần sản phẩm
ra Thực tế, người t a có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh th áp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do th àn h phần sản phẩm có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dề đo hơn và phản ánh n hanh hơn ảnh hưởng của nhiễu
T rong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến qu á trìn h cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cùng dễ dàng Đây là m ột trong những nhiệm vụ quan trọng tro n g q u á trình thiết kế hệ thống điều khiển m à t a sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau
là đ a biến
Dựa trên đặc tính của những đại lượng dặc trưng (biến đầu ra hoặc biến
trạ n g thái tiêu biểu), t a cũng có th ể phân loại các quá trình th à n h quá trìn h liên
tụ c , quá trin h gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trìn h mẻ T rong m ột quá trìn h liên tụ c , các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc
biến đổi m ột cách liên tục (hoặc gần như liên tục) Một khi đ â đ ạ t được trạng
th ái xác lập, b ản chất của q uá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành Các đại lượng đặc trưng của m ột quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có th ể lắy m ột giá trị b ấ t kỳ trong phạm vi giới hạn Q uá trìn h trao đổi nhiệt, q u á trìn h bay hơi, qu á trinh vận chuyển ch ắt lỏng v à chất khí là các ví dụ
quá trìn h liên tục tiêu biểu Một quá trìn h gián đoạn (hay còn gọi là quá trinh
không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào
ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn n h ấ t định
Trang 156 C hương 1 M ở uẦu
T rong m ột quá trìn h rời rạc, các đại lượng đặc trư n g chỉ th ay đổi giá trị tại
một số thời điểm n h ấ t định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong m ột tậ p hữu hạn cho trước, tạo nên trạ n g thái rời rạc của quá trình C ũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của m ột qu á trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến
số nguyên, trường hợp đặc biệfr là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạ n g thái logic) Q uá trình đóng bao, đóng chai, q u á trìn h p hục
vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ qu á trìn h rời rạc tiêu biểu
Một quá trìn h m ẻ là m ột q uá trình hỗn hợp {hệ la ị hybrid system ), có đặc
trưng của cả q uá trìn h liên tụ c và quá trình rời rạc Q uá trìn h mẻ ho ạt động
theo m ột qưy trình th ao tác ( công thức, recipe) cho trước và tồn tại tro n g m ột khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ Các đại lượng đặc trư n g
của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng tro n g m ột quá trình mẻ Các qu á trinh p h ả n ứng hóa học, quá trình ph a chế, quá trìn h lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ
Q uá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khi q u á trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo v à lắp ráp Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển q uá trìn h t a quan tâ m trước hết tới các qu á trình liên tụ c v à qu á trình mẻ T u y nhiên, ngay cả tro n g những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trinh rời rạc, ví dụ quá trìn h nhập-
xu ắt hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi đ ộ n g /d ừ n g thiết bị, v.v
1.1.3 B ài to á n đ iề u c h ỉn h v à b à i to á n b á m
Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, t a có thể phân biệt giữa bài toán
điều chỉnh (regulation problem) và bài toán bám (trackỉng problem) hay cơ chế servo (servo m echanism ) Nhiệm vụ điều chỉnh là th iết lập hoặc duy trì đầu ra
tại m ột giá trị đ ặ t cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều khiển bám là đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tụ c th ay đổi (biết trước hoặc không biết trước) Hình 1-4 minh họa sự phân biệt hai bài toán này Trong điều khiển quá trình thì bài toán điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu, bởi các giá trị đ ặ t thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hàn h bình thường Các ví dụ tiêu biểu cho bài toán điều chỉnh bao gồm điều chính nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức và nồng độ Trong khi đó, bài toán điều khiển bám được quan tâ m nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển máy móc, điều khiển chuvển động Tuy nhiên, điều khiển bám cũng có những vai trò n h ấ t định trong các hệ thống điều khiển q u á trình, ví dụ trong bài toán khởi đ ộ n g /d ừ n g hệ thống, th ay đổi chế độ vận hàn h hoặc điều khiển qu á trình theo mẻ Mặc dù có những điểm khác nhau cần chú ý trong thiết kế, hầu hết những công cụ của lý th u y ết điều khiển
tự động đều áp dụng được cho cả hai loại bài toán này
Trang 161.1 ĐlỀư KHIẾN q u á t r ì n h l à g ì ? 7
Hình 1-4: BÀI TOÁN ĐlỀU CHÍNH (a) VÀ BÀI TOẤN BÁM (b)
( P V : biến dược điều khiển, SP: giá trị đặt, tín hiệu chủ đạo)
T rong bài toán điều chỉnh tự động t a cũng cần phân biệt giữa yêu cầu điều
khiển loại bỏ n h iễu ( disturbance rejection) với yêu cầu điều khiển bám giá trị
đặt (setpoint tracking) Điều khiển loại nhiễu cần duy trì biến được điều khiển tại
m ột giá trị đ ặ t cố định, tức là phải triệt tiêu hoặc giảm hẳn ảnh hưởng của nhiễu Điều khiển b á m giá trị đ ặ t đưa quá trìn h tới một điểm làm việc mới, tro n g đó biến được điều khiển cần bám nhanh và chính xác theo giá trị đ ặ t đ ã
th a y dổi Q u a minh họ a trên Hình l-4b t a có thể th ấy rõ các đáp ứng hệ thống khác nhau giữa trường hợp th ay đổi giá trị đ ặ t với tác động nhiễu Đối với các
q u á trình v ận hành liên tục, giá trị đ ặ t ít th ay đổi hoặc th ay đổi trơn tru nên yêu cầu loại bỏ nhiễu thực ra có vai trò quan trọng hơn
1.1.4 C á c v ấ n đ ề đ ặ c t h ù c ủ a đ iề u k h iể n q u á t r ì n h
Lĩnh vực ứng dụng điều khiển q uá trình là các ngành công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng Để có thể thiết kế cũng như vận hành tố t các hệ thống điều khiển quá trình, trước hết người kỹ sư điều khiển cần hiểu rõ các vắn đề đặc thù trong lĩnh vực này
Q u i m ô ứ n g d ụ n g
Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển q uá trình có quy
mô vừ a và lớn, khác với điều khiển máy, điều khiển chuyển động hoặc điều khiển các dây chuyền gia công, lắp ráp Qui mô ở đây có thể được hiểu theo hai nghĩa, quy m ô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện và quy mô về m ặt tổ chức sản x u ất Mỗi n h à máy hóa chất, nh à máy lọc dầu, nhà máy xi măng hoặc nhà máy điện đều bao gồm nhiều khu vực và phân đoạn liên quan tới nhau Ví
dụ, một n h à máy n h iệt điện bao gồm các khu vực lò hơi, khu vực turbin-m áy
Trang 178 C hương 1 M ờ ĐẦuphát, hệ thống cắp th an , hệ thống xử lý nước cấp và nước thải, tr ạ m phân phối
và biến thế, Trong mỗi khu vực hoặc p hân đoạn bao gồm nhiều tổ hợp thiết bị
và qu á trình công nghệ (gọi là tổ hợp công nghệ) Mỗi tổ hợp công nghệ ở đây lại bao gồm các quá trìn h nhiều vào-nhiều ra không dễ dàn g điều khiển Đương nhiên hệ thống điều khiển cũng phải được thiết kế tương ứng vối cấu trú c của nhà máy, song việc ph ân chia khu vực m ột cách hợp lý, và điều khiển phối hợp các q u á trìn h tương tác không phải là vấn đề đơn giản, số lượng điểm v à o /ra có thể từ vài tră m cho tới vài nghìn, th ậ m chí lên tới vài chục nghìn, đ ặ t ra các yêu cầu rấ t cao cho chức năng quản lý dữ liệu và vận hành-giám sát K hoảng cách giữa các khu vực sản x u ất, giữa các công đoạn trong dây chuyền có th ể từ vài trăm cho tới vài nghìn m ét, vì thế việc th iết kế cấu trú c hệ thống phân tá n liên quan tới nhiều yếu tố kỹ th u ậ t như khả năng phối hợp điều khiển, khả năng giám sát vận hành, độ tin cậy và chi phí đầu tư
Đ ộ t i n c ậ y v à t í n h s ẵ n s à n g
Bên cạnh quy mô sản x u ấ t lớn, các n h à máy trong ngành hóa chất hoặc năng lượng đều có yêu cầu r ấ t cao về độ tin cậy và tín h sẵn sàng của hệ thống điều khiển, bởi sự ngưng tr ệ sản xu ất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn tới thiệt hại nghiêm trọng về m ặ t kinh tế Khác với các dây chuyền chế tạo và lắp ráp, các quá trình công nghệ chủ yếu được vận hành liên tục (hoặc theo mẻ), b ất cứ một
sự ngưng trệ nào không những làm giảm năng suất, m à còn có th ể làm hỏng các tran g thiết bị công nghệ, đó là chưa nói tới các trường hợp sự cố có thể gây ra hậu q u ả nghiêm trọng tới con người và môi trường xung quanh Do đó việc đảm bảo độ tin cậy và tín h sẵn sàng cao là m ột trong những chức n ăng quan trọng của hệ thống điều khiển q u á trình Yêu cầu về độ tin cậy cao làm tăn g chi phí đầu tư cho giải p háp diều khiển, mặc dù vậy chi phí này chỉ chiếm m ộ t p hần nhỏ
so với cả hệ thống th iết bị cơ-điện và th iế t bị công nghệ
th u ậ t to án điều chỉnh liên quan tới các số thực (dấu phảy động), vì th ế hệ vi xử
lý của bộ điều khiển cũng phải có khả năng thực hiện các t h u ậ t to án m ột cách hiệu quả Bên cạnh đó, các chức năng khác như điều khiển khóa liên động, diều khiển trình tự, th u th ậ p d ữ liệu cũng cần được chú ý Việc thực th i đồng thời nhiều vòng điều chỉnh cùng các chức năng điều khiển khác đ ặ t ra các yêu cầu về
kh ả năng đáp ứng tín h thời gian thực của hệ thống Tuy nhiên, p h ầ n lớn các đại
Trang 181.1 ĐlỀU KHIỀN QUÁ TRÌNH LÀ c;ì? 9lượng đặc trư n g của qu á trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nếu so với
c á c đại lượng của bài toán điều khiển chuyển động trong các ứng dụng gia công
cơ khí, vì thế yêu cầu về tính năng thời gian thực ít ngặt nghèo hơn Các phương
p hảp điều khiển được áp dụng ở đây có thể không phải x u ấ t ph át từ các lý
th u y ết tiên tiến n h ắt, nhưng là các phương pháp rất tin cậy và đ ả được kiểm chứng nhiều trong th ự c tế
K h ả n ă n g v ậ n h à n h v à đ iề u k h iế n c ủ a q u á tr ìn h
K hả nàng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghẹ và các điều kiện ràng buộc liên quan Giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như những q uan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều khiển Đặc biệt, các qu á trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về m ặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển Ví dụ, các bình chứa nhỏ tiết kiệm được chi phí và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hoặc cháy nổ nhưng lại đ ặ t ra m ột bài toán khó cho việc duy trì hệ thống vận hành ổn định bởi sự tương tác m ạn h giữa các quá trinh kế tiếp nhau T hự c tế là người kỹ sư
th iết kế điều khiển r ấ t khó có thể can thiệp vào việc thay đổi thiết kế công nghệ.Ngay cả khi q uá trìn h công nghệ là m ột đối tượng dể điều khiển về m ặt toán học, tức là t a hoàn toàn có thể đưa ra các luật điều khiển để đ ạ t các chỉ tiêu chất lượng m ột cách lý tưởng, song các luật điều khiển đó không thể thực hiện được do các điều kiện ràng buộc Mỗi thiết bị chắp hành chỉ có hiệu lực trong
m ột phạm vi làm việc bởi sự ràng buộc về m ặt vật lý Đặc tín h động học của mỗi van điều khiển, mỗi động cơ hoặc máy bơm cũng chỉ có giới hạn, chúng không thể tác động nhanh tùy ý theo yêu cầu của th u ậ t toán điều khiển Bên cạnh đó, do yêu cầu về chế độ vận hành, một số biến trạ n g thái cũng như biến
ra cũng phải th ỏ a m ãn m ột số điều kiện ràng buộc về giá trị và tốc độ biến thiên Điều này gảy ra khỏ khản lim cho người kỹ sư điều khiển, bởi hầu hết các phương ph áp điều khiển hiện nay không đưa các điều kiện ràng buộc trực tiếp vào trong bài toán th iế t kế
M ô h ìn h k h ô n g c h í n h x á c
Các phương p háp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học của đối tượng Tuy nhiên, việc xây dựng ưiô hình toán học của các qu á trình công nghệ thường gặp r ấ t nhiều khó khăn do chúng đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp Đặc biệt, việc tiến hành thực nghiệm không phải dễ dàng do liên quan tới vận hành hệ thống lớn và chi phí rấ t tốn kém Do vậy, các mô hình toán học nếu có được thì thưòng chỉ là gần đúng vì đ ả bỏ q ua rất nhiều yếu tố động học và các yếu tố khác
Trang 1910 C hương 1 Mờ ĐẰư
1.2 M ụ c đ íc h v à c h ứ c n ă n g đ iề u k h i ể n q u á t r ì n h
Nhiệm vụ của điều khiển q u á trìn h là đ ảm bảo điều kiện vận h ành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho q u á trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một
hệ thống điều khiển q u á trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển
và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đ ạ t được các mục đích đó Việc đ ặ t bài toán và đi đến xây dựng m ột giải pháp điều khiển q u á trìn h bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ th ể hóa các mục đích điều khiển P h ân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc t ả các chức năng cằn thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình
T oàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển q u á trìn h có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
1 Đ ảm bảo v ậ n h à n h hệ t h ố n g ổn định, trơ n tru : Giữ cho hệ th ố n g ho ạt động
ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ m ột cách trơ n tru , đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành th u ậ n tiện
2 Đ ả m bảo n ă n g s u ấ t v à c h ấ t lượng sản phẳm : Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản x u ấ t v à duy trì các thông số liên q u a n chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cằu
3 Đ ả m bảo v ậ n h à n h hệ t h ố n g an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, th iết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố
4 Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông q u a giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu th ụ nhiên liệu và nguyên liệu
5 N ân g cao hiệu q u ả k in h tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng th eo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyẽn liệu v à nhicn liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu th ay đổi của thị trường
Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển quá trình, t a xét ví dụ điều khiển th iết bị khuấy trộn m inh họa trên H ình 1-5 Hai
dòng nguyên liệu có th à n h p hần chất A lần lượt là X\ và X 2 được đưa vào thiết bị
khuấy trộn, tạo ra một sản phẩm có th àn h phần X theo yêu cầu Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu được ký hiệu là W\ và U)2, có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng Q u á trìn h p ha chế được hỗ trợ bởi m ột hệ th ố n g khuấy trộn gắn động cơ Dung dịch sản phẩm được đư a tới q u á trìn h tiếp theo với lưu
lượng khối lượng w T h iế t bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục
hoặc theo mẻ, ở đây t a quan tâ m trước hết tới chế độ vận h ành liên tục
Trang 201.2 M ụ c ĐÍCH VÀ CHỨC NĂNG DlỀư KHIẺN q u á TRÌNH 11
Hình 1-5: v í DỤ T H I Ế T BỊ KHUẤY t r ộ n đon giản
1.2.1 V ậ n h à n h ổ n đ ịn h
Đe đảm bảo một n h à máy vận hành ổn định và t.rơn tru, yêu cầu trước tiên là từng tổ hdp công nghộ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru Trong lý th u y ết điều khiển tự động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của một hệ thống
và cách xác định tín h ổn định bằng các công cụ toán học và đồ họa ơ đây tính
ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo các yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ
Có thể nói, m ột q u á trình ổn định khi mà nó được duy trì ở trạn g thái xác lập hay nói cách khác là ở trạn g thái cân bằng vật chất và năng lượng, có Iighĩa
là trạn g thái mà lượng v ật chất hoặc năng lượng tích lũy củ a nó không th ay đổi
T rong ví dụ p ha chế dung dịch, việc đảm bảo hệ thống vận hành ổn định thể hiện ở việc duy trì mức trong thiết bị khuấy trộn cũng n h ư th à n h phần sản phẳm ở các giá trị cố định hoặc ít nh ất là nằm trong m ột khoảng giới hạn cho phép C ả hai yêu cầu này đều xu ất phát từ nguyên lý cân b ằng v ật chất của hệ thống ở trạ n g thái xác lập Có nghĩa là, khi hộ thống vận hành ổn định thì lượng sản phẩm lấy ra đúng bằng tổng các th àn h phần đầu vào, lượng mỗi cấu tử có
m ặt tro n g m ột sản phẩm đúng bằng tổng lượng cấu tử đó trong nguyên liệu
T rong m ột số trường hợp khác, các yêu cầu về tính ổn định có thể xu ất p h á t từ các nguyên lý cân bằng năng lượng, cân bằng pha, cân bằng phản ứng hóa học hoặc cân bằng động lực học
T ại sao việc vận h ành ổn định m ột qu á trình lại có vai trò quan trọng như vậy? T h ứ nhất, v ận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cản bằng v ật chất hoặc năng lượng, dần đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết
bị công nghệ như tr á n h tràn hoặc tránh cạn bình chứa, tr á n h qu á áp, q u á nhiệt trong lò hơi, T h ứ hai, m ột hệ thống vận hành ổn định, trơn tr u cũng đồng
Trang 2112 C hương 1 Mở ĐẦưnghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít th a y đổi Cũng chính
vì vậy, các thiết bị chấp hàn h ít phải làm việc hờn hoặc ít phải th a y đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ m áy móc, thiết bị sẽ được kéo dài T ro n g chế độ vận hành
Ổn định và trơn tru, các van điều khiển không phải th ay đổi độ mở một cách thường xuyên hoặc không phải th ay đổi một cách đột ngột, các động cơ không phải th ay đổi tốc độ m ột cách q u á nhanh T h ứ ba, hệ thống có vận hành ổn định mới có thể ổn định năng su ắt và chất lượng sản ph ẩm theo yêu cầu Hơn nữa, hệ thống vận hành ổn định thì người vận hành cũng ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên th u ậ n tiện và an to àn hơn
T rong thực tế không phải m ột hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình thường, liên tục m à còn các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng
có thể th ay đổi do yêu cầu th ay đổi giá trị đ ặ t hoặc do tác động của nhiều v à vì thế có các q u á trình q u á độ Ví dụ, nhiều th iết bị khuấy trộ n có th ể vận hành theo mẻ với các sản p hẩm khác nhau, hoặc trong khi vận h ành liên tục người ta
có thể yêu cầu th ay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra Bản th ân nhiều q u á trìn h không có tín h tự cân bằng (không ổn định), vì thế chỉ một thay đổi nhỏ biến đầu vào cũng có thể đưa qu á trình tới trạn g thái m ấ t ổn định Bất
kể đặc tính động học của q uá trình ra sao, giá trị đ ặ t th ay đổi hoặc tác động của nhiễu th ế nào, nhiệm vụ củ a điều khiển là nhanh chóng đư a hệ th ố n g về trạng thái vận hành ổn định, có th ể tại m ột điểm làm việc mới Đó cũng chính là một
nhiệm vụ thuộc p hạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhắt
trong một hệ thống điều khiển quá trình
1.2.2 N ă n g s u ấ t v à c h ấ t lượng s ả n p h ẩ m
Trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẳm, chất lượng sản p h ẩm hầu hết được th ể hiện trực tiếp q u a th à n h phần hóa học, nồng độ, m ật độ và m ột số tính chất hóa học hoặc v ật lý khác Trong khi đó, năng su ất thường được thể hiện qua lưu lượng sản phẩm Nhiệm vụ đảm bảo chắt lượng sản p h ẩ m và Iiăng suất cũng thuộc về chức năng điều chỉnh
T ính ổn định liên q uan nhiều nhưng chưa quyết định tới ch ất lượng sản phẩm Yêu cầu đ ặ t ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn Đe đ ả m bảo chất lượng sản phẩm , không phải là duy trì các biến qu á trình liên quan ổn định tại một giá trị b ấ t kỳ, m à phải điều chỉnh sao cho chúng n h an h chóng tiến tới và nằm trong m ột phạm vi cho trước T rong ví dụ th iết bị khuấy trộn, ch ất lượng sản ph ẩm đòi hỏi th à n h p hần ra không những ổn định m à còn phải đảm bảo đúng theo m ột giá trị đ ặ t trước, hoặc ít r a là với m ột sai lệch nằm trong phạm
vi cho phép N hư vậy sai lệch điều khiển, hay nói đúng hơn, diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là m ột trong những chỉ tiêu đ á n h giá ch ất lượnị quan trọng
Trang 22T ro n g nhiều quá trình công nghệ, phép đo thành phần hóa học rấ t phức tạp
d ẫn đến việc ph ản tích chắt lượng sản phẩm không phải bao giờ cũng có thể
th ự c hiện được nhanh, th ậ m chí nhiều khi không thể thực hiện trực tuyến Do
đó, việc điều khiển đảm bảo chất lượng chất lượng không th ể d ự a vào chức năng điều chỉnh tự động m à phải được tiến hành ở một mức cao hơn Chức năng điều
khiển cao cấp đó được gọi là điều khiển chất lượng ( qualỉty control) và phần hệ thống thực hiện chức năng đó được gọi là hệ thống điều khiển ch ất lượng (quality
control system , QCS) T rên cơ sở theo dõi chất lượng sản p hẳm (trực tuyến hoặc
q u a phân tích trong phòng thí nghiệm), điều khiển chất lượng đưa ra các quyết định điều khiển vận hành (chọn chế độ điều khiển, thay đổi th am số bộ điều khiển, tính toán các giá trị đặt) để đảm bảo chất lượng sản phẩm theo yêu cầu
M ột ph ạm trù các phương pháp điều khiển chắt lượng dự a trên lý th u y ết thống
kê được biết tới với cái tên điều khiển thống kẽ (statistical process control, SPỮ)
Điều khiển th ố n g kê sử dụng các phương pháp đánh giá thống kê để xác định mối liên quan giữa các biến quá trình với các thông số sản ph ẩm (chủ yếu liên quan tới ch ất lượng), tìm ra các yếu tố ảnh hưởng tốt và xấu tới qu á trình điều khiển, từ đó đư a ra các biện pháp can thiộp thích hợp
1.2.3 V â n h à n h an to à n
Bất cứ một giải p háp điều khiển quả trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành hệ th ố n g m ột cách an toàn và để bảo vệ con người, các thiết bị máy móc và môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường, chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với một số hệ thống có th ể vượt x a chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ,
áp su ấ t nằm tro n g một giới hạn an toàn cho phép Do đặc th ù của mỗi quá trình công nghệ, m ột số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng sản phẩm , nhưng cùng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong m ột phạm vi nhất định Ví dụ, dù cho hệ thống động cơ khuấy trộ n có thể đ ạ t tốc độ quay rắt cao thì yêu cầu an to àn của hệ thống cũng không cho phép đ ặt m ột tốc độ cao tùy ý Vì thế, việc khống chế tốc
Trang 2314 C hương 1 Mở ĐẦư
độ động cơ là điều cần thiết Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không a n h hưởng m ột cách quyết định tới chắt lượng sản phẩm được p h a chế thì yêu cầu an toàn cũng không cho phép giá trị mức qu á cao, hoặc q u á th ấ p rrià đồng thời hệ thống động cơ khuắy đang hoạt động Cho nên bài toán điều khiển mức ở đ â y vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng v ật chất, vừa đ ảm bảo an to àn hệ thống
T rong các ví dụ khác như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng th ì việc điều chỉnh, khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp su ất là các bài toán hết sức q u a n trọng.Chức năng điều chỉnh chỉ là m ột trong hàng loạt biện pháp cằn thiết bảo đảm vận hành an to àn cho hệ thống, c ầ n lưu ý rằng, m ột hệ th ố n g th iế t bị tự động tối tâ n n h ấ t cũng vẫn có thể bị lỗi, ngay cả khi có cơ chế dự phòng thích hợp Vì thế, con người cần phải liên tục theo dõi diễn biến của qu á tr ìn h và giám
sát trạn g th ái hoạt động của hệ thống th iế t bị Chức năng ghi chép (recordiĩig) ,
hiển thị (indication) và báo động (alarrn) giúp người vận hành theo dõi được các
tình huống b ấ t thường của hệ thống điều khiển và của q uá trình kỹ th u ậ t, q u a
đó có rihững th ao tác can thiệp thích hợp
T u y nhiên, m ột người vận hành có trìn h độ cao v à giầu kinh nghiệm đến m ấy cũng không trán h khỏi mắc sai lầm M ặt khác, tro n g rất nhiều trường hợp người vận hàn h không th ể p h á t hiện đầy đủ hoặc p h á t hiện kịp thời nguy cơ sự cố cũng như không thể có phương tiện can thiệp nhanh Vì vậy, m ột hệ th ố n g cùng phải có khả năng ngăn cản các th ao tác vận hành sai cũng như k h ả năng tự
động p h á t hiện các tìn h huống nguy hiểm và tự động thực hiện các chức năng
bảo vệ (protection) như ngắt cách ly hoặc dừng k hẩn cấp m à không cần có sự
can thiệp của con người Việc tự động thực hiện các biện pháp đó d ự a vào sách
lược điều khiển khóa liên động (interlock control) cùng với các tr a n g th iế t bị an
toàn, th iết bị bảo vệ (công tắc an toàn, n ú t dừng khẩn cấp, rơ-le an toàn, )
Trang 241.2 M ụ c ĐÍCH VÀ CHỨC NĂNG Đỉ Ều KHIẺN QUÁ TRÌNH 15
Việc giảm tiêu th ụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng m ột m ặ t nâng cao hiệu
q uả kinh tế, m ặ t khác cũng góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường Đây củng là m ột vấn đề thuộc trách nhiệm chung của những n h à thiết
kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược v à th u ậ t to án điều khiển, c ầ n lưu ý rằng, những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu suất cao, tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu thông qu a những chu trìn h kết hợp, chu trìn h khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại thường là những q uá trìn h r ắ t khó điều khiển, điều kiện vận hành rất bị ràng buộc, đ ặ t ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình
1.2.5 H iệ u q u ả k in h tế
Đe đ ạ t được hiệu q u ả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trìn h không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, m à năng suất phải thích ứng được với yêu cầu thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng n h ư tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu Rõ ràng, bài toán đ ặ t ra là t a phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẳm Ví dụ, để cải thiện chất lượng điều khiển nhiều khi t a cần các th u ậ t toán tác động nhanh Tuy nhiên, tác động nhanh thường đồng nghĩa với việc tổn hao nhiều năng lượng cho các cơ cắu chấp hành (động cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động n h an h cũng thường dẫn đến giảm tuổi th ọ cho các thiết bị Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chắt lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm thiểu chi phí cho các tác động điều khiển M ột cách giải quyết khác là xây dựng và giải quyết bài toán điều khiển tối ưu, tro n g đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt
chung với các trọ n g số khác nhau trong một hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều
khiển tố i ưu).
K hông phải bao giờ cốc mục đích điều khiển cụng có th ể dễ dàng hòa đồng Việc nâng cao hiệu q u ả kinh tế chưa chắc hòa đồng với mục đích bảo vệ môi trường bởi chi phí bổ sung cho các hệ thống lọc bụi, xử lý khí thải và nước thải Việc nâng cao c h ấ t lượng sản phẩm chưa chắc đă đồng nghĩa với nâng cao hiệu quả kinh tế bởi yêu cầu chi phí vận hành lớn Nhưng nếu để nồng độ các chất độc hại trong khí th ả i hoặc nước thải vượt quá một tiêu ch u ẩn cho phép thì có khả n ăng nh à m áy sẽ bị đóng cửa, hoặc nếu chất lượng sản ph ẩm xuống th ấp dưới m ột ngưởng tiêu chuẩn nào đó thì khách hàng sẽ không chấp nhận và lợi nhuận sẽ bị sụ t giảm nặng nề T h ậ t ra, mục đích cuối cùng của việc ứng dụng điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu q u ả kinh tế về lâu dài T h ô n g thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc thì chi phí vận h à n h càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất Một trong những vai trò q uan trọ n g của điều khiển là làm sao duy trì được ch ất lượng sản
Trang 25Hình 1-6: Hiệu QUẢ KI NH T Ế PHỤ T H U Ộ C ĐI ỂM LÀM VI ỆC VÀ C H A T
LƯỢNG ĐIÊU KHIỂN
phẩm t h ậ t ổn định v à đ ạ t vừa đủ yêu cầu để người vận hàn h có th ể đư a các giá trị đ ặ t đến gần sát với ngưỡng cho phép Như vậy, cùng với việc lựa chọn điểm làm việc tối ưu thì ch ắt lượng điều khiển tố t nh ắt (không đồng nghĩa với c h ấ t lượng sản p hẩm tố t n h ất) sẽ m ang lại hiệu q uả kinh tế cao n h ấ t (Hình 1-6)
Rõ ràng, việc nâng cao hiệu qu ả kinh tế là m ột bài to án tối ưu Điều khiển hệ thống nồi hơi-turbin trong các nh à máy nhiệt điện đế đảm bảo cung cấp điện năng theo đúng yêu cầu trong khi giảm thiểu chi phí nhiên liêu là m ột ví dụ tiêu
biểu Bài to án tối ưu có thể đ ặ t ra ở hai mức khác n hau là tố i ưu hóa thời gian
thực (real-time optim ization) và tối Uu hóa quá trìn h (process optim ization) Tối
ưu hóa thời gian thực mang tính chất cục bộ cho một tổ hợp th iế t bị công nghệ, được tiến h ành trực tuyến trên cơ sở các số liệu thời gian thực T ro n g khi đó, tối
ưu hóa q uá trìn h được tiến hành cho cả quy trình công nghệ (hoặc ít ra là m ột phân đoạn tro n g quy trình công nghệ), dựa trên cơ sở các số liệu thống kê q u á khứ C ả hai hình thức tối ưu hóa này đều là các chức năng điều khiển cao cấp, dựa trên phương p h á p giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ vận h ành và các giá trị đ ặ t thích hợp cho các vòng điều khiển cấp dưối để giảm thiểu chi phí sản
x u ấ t cũng như thời gian chu kỳ sản phẩm
đ ặ t cố định Đặc thù của các dây chuyền công nghệ này là các q uá trình biến đổi
về chất hoặc biến đổi năng lượng, chính vì vậy điều chỉnh tự động có vai trò hàng đầu Tuy nhiên, trong nhiều dây chuyền sản x u ấ t hiện đại, các q u á trìn h công nghệ diễn ra liên tục hoặc theo mẻ, các giá trị đ ặ t có th ể ít thay đổi hoặc thay đổi liên tục Bên cạnh đó, các yêu cầu về giảm tiêu th ụ năng lượng, khả
Trang 261.3 P h â n c a p c h ứ c NẴNG D ỉh v KHIỂN QUÁ TRÌNH 17năr.g vận hành hệ thống th u ận tiện và an toàn cho con người, máy móc và môi
tr ư ìn g cũng được đ ặ t ra cao hơn Mặc dù điều chỉnh là chức năng tiêu biểu nhất, song để đ ạ t được các mục đích điều khiển đà đ ặ t ra như p hân tích trên đây t a cũr.g cần quan tâm tới các bài toán khác như điều khiển khóa liên động, điều khiến trin h tự, vận hành và giám sát, điều khiển chất lượng, tối ưu hóa quá trình
Các chức năng điều khiển quá trình có thể được p hân cấp theo nhiều cách khtc nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hóa hoặc theo tính c h ấ t nhiệm vụ Hình 1-7 mô t ả một cách phân cấp các chức năng điều khiển qua trìn h d ự a theo chuẩn IEC 60050-351 [1] với các t h u ậ t ngữ nguyên bản đưa
ra ‘,rong bảng chú thích bên dưới Trong thực tế, các chức năng cũng có thể được
xế} vào m ột trong bốn nhóm chính dựa theo tính chắt nhiệm vụ là: giao diện
qui tr ìn h , điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp và vận hành-giảm s á t Phần
dưới đảy sẽ làin rõ bốn nhóưi chức năng này
hệ thống điều khiến quá trình
1.3.2 Đ iề u k h iể n cơ sở
Theo chuẩn AN SI/ISA 88.01-1995 ([2]), diều khiển cơ sở được định nghĩa là
“điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạ n g thái cụ thể của thiết
bị hoặc qu á tr ìn h ” Chức năng điều khiển cơ sở cỏ thể do các bộ điều khiển thực hiện m ột cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp
đ ả n nhiệm (điều khiên bằng tay) Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong mọt hệ th ố n g điều khiển q u á trình bao gồm điều chỉnh (regulatory control)y diều
khiển rời rạc (discrete control) và điều khiển trìn h tự ( sequential control).
Cũng theo định nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, chức năng điều chỉnh được địr.h nghĩa là “nhằm duy trì các biến đầu ra của m ộ t quá trình gần như có thể
vớ', các giá trị đặt tương ứng trong diều kiện có tác độnq nhiễu và giá trị đặt thay đôi” T ắ t nhiên, điều chỉnh tự động là chức năng quan trọng nh ắt m à m ột hệ
thòng điều khiển qu á trình cần cung cấp Điều chỉnh là bài toán đặc trưng trong các lĩnh vực thuộc công nghiệp chế biến, song cũng là m ột bài toán điều khiển phố biến tro n g các lĩnh vực khác Cũng vì thế, điều chỉnh là m ột nội dung trọng tâ^i của lý th u y ế t điều khiển tự động
Trang 27C hương 1 Mở
D
Vận hành, giám sát
Đ iều khiển cao cắp
Đ iều khiển cơ sở
Giao diện quá trình
c
Chú thích
B hệ thống điều khiển quá trình process control system
D nhiễu từ bên ngoài disturbance from the environment
E giám sát, đánh giá, tối ưu hóa monitoring, evaluating, optimizing
F can thiệp của con người human intervention
H đánh giá, giám sát, điều khiển evaluating, monitoring, open loop
vòng hở, điều khiển vòng kín, control, closed loop control,
tối ưu hóa, bảo vệ optimizing, safeguarding
I chỉ thị, báo hiệu, ghi chép indicating, signalizing, recording
K can thiệp, đóng cắt manipulating, switching
Hình 1-7: Phân cẤ p chức năng điỀ u khiển qưá trình
Trang 281.3 P h a n c a p c h ứ c n ă n g Đ i ề u KHIỂN q u á t r ì n h 19
Bcn c ạn h điều chỉnh thì điều khiển rời rạc cũng là m ột chức năng điều khiển
cơ sở không thể thiếu được trong mỗi hệ thống điều khiển q u á trình C ũng theo
định nghĩa trong A N SI/ISA 88.01-1995, điều khiển rời rạc là “duy tri các trạng
thái thiết bị quá trìn h tại m ột giá trị đích lựa chọn tử m ột tập các trạng thái ổn định biết trư ớ c” Điều khiển rời rạc được sử dụng chủ yếu trong hai bài toán: điều khiển thiết bị v à điều khiển liên động Điều khiển th iết bị đơn lẻ ( device control) đơn th u ần là điều khiến khởi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các
thiết bị q u á trình đơn lẻ ví dụ băng tải, động cơ, máy đóng cắt Điều khiển liên
động (interlock control) đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho máy móc và con
người Ví dụ, người t a có thể trang bị m ột số cảm biến để p h á t hiện các trưòng hợp sự cố như qu á áp, quá nhiệt, khí độc v à sử dụng các m ạch logic để đưa ra các báo động cũng n h ư thực hiện các biện pháp nhằm đ ư a hệ thống về trạng thái an toàn T rong đại đa số trưồng hợp, các trạn g th ái th ể hiện tín h logic như
đóng/m ở, chạy /d ừ n g , vì thế khái niệm điều khiển logic cũng hay được sử dụng
T u y nhiên, ngay cả bài toán điều chỉnh cũng có thể sử dụng các t h u ậ t toán logic (ví dụ điều khiển hai trạng thái, điều khiển mờ), vì vậy t a không nên coi điều khiển logic là m ột bài toán điều khiển, m à là m ột dạng th u ậ t to án điều khiển
Đ iều khiển trin h tự được định nghĩa là “m ột lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với m ục đích đưa quá trình kỹ thuật qua m ộ t trinh tự các trạng thái riêng b iệ t” Điều khiển trình tự có vai trò đặc biệt qu an trọng trong thực
hiện khởi động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc cả hệ thống cũng như trong các bài to án điều khiển theo mẻ Điều khiển máy giặt, điều khiển q u á trình pha chễ hóa chắt, điều khiển thiết bị phản ứng theo mẻ là các ứng dụng tiêu biểu khác của điều khiển trìn h tự
1.3.3 Đ iều k h iể n v ậ n h à n h v à g iám s á t
Một hệ thống điều khiển hiộn đại không chỉ clừng lại ở mức điều khiển tự động,
m à còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát Ví dụ, người vận hành cần phải có khả n ăng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lượng
q u á trình cần điều khiển và thay đổi giá trị đ ặ t cho chúng, th ay đổi chế độ vận hành, chỉnh định lại th a m số cho các bộ điều khiển Đó chính là các nhiệm vụ thuộc về điều khiển vận hành và giám sát Khác với điều khiển tự động, điều khiển vận hành và giám sát có sự th am gia, can thiệp trực tiếp của con người để thực hiện việc vận h à n h hệ thống được hiệu qu ả hơn Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu là giao diện người-máy, lưu trữ dữ liệu, hệ thống quản lý sự kiện và báo động và lập báo cáo tự động
T rong các hệ th ố n g điều khiển giám sát thì giao diện người-m áy (H um an-
M achine Interface, HMI) là chức năng quan trọng nhất Giao diện người-máy
cung cấp các m àn hình hiển thị hình ảnh chuẩn về hệ thống v à th iết bị, các hình
Trang 292 0 C h ư ơ n g 1 M ở l o Ầu
ảnh đồ họa tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thời gian thực và đồ thị q u á khứ, các
th am số điều khiển, tìn h trạn g các động cơ, các bảng tóm t ắ t báo động G iao diện người-máy hỗ trợ th ao tác vận hành thông qu a các phương tiện c h u ẩ n n h ư phím điều khiển, chuột, m àn hình tiếp xúc Giá trị của các biến q u á tr ìn h củng
như các biến trạ n g thái m áy móc được liên tục thu thập, lưu trứ và quản lý tro n g
m ột hệ thống cơ sở dữ liệu T rong một số ứng dụng, các dữ liệu vận h à n h cũng
được liên tục lưu tr ữ để tiện theo dõi về sau Hệ thống cơ sở d ữ liệu q u á tr ìn h là
th à n h ph ần tru n g tâ m của ph ần mềm điều khiển giám sát
Các sự kiện hoặc báo động có thể được tạo ra dưới cấp điều khiển hoặc bởi
chính phần mềm điều khiển giám sát, sau đó được p hần mềm điều khiển giám sát quản lý v à thông báo tới người vận hành qu a nhiều hình thức k h ác n h a u (hộp thoại thông báo b ấ t thường, bảng tóm tắ t, còi báo động, ) Hệ th ố n g p h ầ n mềm đảm bảo các thông báo có mức ưu tiên cao được xử lý trước, cũng n h ư m ột thông báo sự kiện hoặc báo động phải được gửi tới trạ m vận hành, người vận hành có chức năng quy định
Diễn biến của q u á trình kỹ th u ậ t cũng như tìn h trạ n g h o ạ t đ ộ n g của hệ thống điều khiển không những được giám sát và lưu trữ dưới dạng d ữ liệu, m à còn cần được tổng hợp v à lưu trữ dưới dạng báo cáo Các báo cáo có th ể được tạo ra v à in m ột cách tự động theo giờ, theo ngày, theo tu ầ n hoặc th á n g trê n cơ
sở các biểu m ẫu lập sẵn
1.3.4 Đ ỉề u k h iể n cao cấp
Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là m ột chức năng điều khiển t ự động
nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu
v à o /ra q u á trình Chức năng điều khiển cao cắp có th ể tự động tạo g iá trị đ ặt hoặc can thiệp vào các th am số điều khiển cơ sở T h ô n g thường, chức n ă n g điều khiển cao cấp được đ ặ t ở phía trên hoặc cùng cấp với vận h ành và giám sát Một
hệ thống điều khiển q uá trình có thể cung cắp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hó a thời gian thực
1.4 C á c t h à n h p h ầ n cơ b ả n c ủ a h ệ t h ố n g
T ùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ th ố n g điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa
trên b a th à n h phần cơ bản là th iết bị đo, th iết bị chấp h à n h và th iế t bị điều
khiển Chức năng của mỗi th à n h phần hệ thống và quan hệ củ a chúng được thể
hiện một cách trực quan với sơ đồ khối trên Hình 1-8
Trang 301.4 C Ấ C t h à n h p h ầ n c ơ b ả n c ủ a h ệ T Hố NG 21
T h u ậ t ngữ:
Giá trị đặt
Tín hiệu diều khiển
Biến điều khiển
Biến dược, điều khiên
Đại lượng đo
Tín hiệu đo
Set Point (SP), Set Value (SV) Control Signal, Controller Output (CO) Control Variable, Manipulated Variable (MV) Controlled Variable (CV)
Measured Variable, Process Value (PV) Measured Signal, Process Measurement (PM)
Hình 1-8: CẤC THÀNH PHẦN cơ BẢN CỦA MỘT HẸ THốNG Đlèu KHIEN quá t r ì n h
Để th ấ y một cách sơ lược chức năng của từng th à n h p h ầ n trong hệ thống và quan hệ giữa chúng, trước hết t a xét m ột ví dụ điều khiển nhiệt độ minh họa
trên Hình 1-9 N hiệt độ chất lỏng ra khỏi bình ( T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được m ột bộ chuyển đổi đo chuẩn ( transm itter) chuyển sang tín hiệu ch u ẩn dòng 4-20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS (D istributed
Control S ystem ) DOS là giải pháp điều khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán
được sử d ụ n g r ấ t rộng rải trong các hệ thống điều khiển q u á trình T ín hiệu đo tương t ự 4-20mA 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 đ ặ t từ trạm vận hành, hoặc do m ột chương trình điều khiển cao cấp trên trạm vận hành tính toán và đư a xuống Q u a so sánh giữa giá trị đo với giá trị đ ặ t mong muốn, chương trình điều khiển tín h toán giá trị biến điều khiển theo m ột th u ậ t toán đ ã được cài đặt Ví dụ với t h u ậ t toán tỉ
lệ, giá trị biến điều khiển sẽ tỉ lệ th u ận với sai lệch Giá trị này được khâu biến đổi số-tương tự (khâu D /A ) chuyển th àn h tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng4-20mA để đư a xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành) Cuối cùng, tín hiệu điều khiển được chuyển đổi q ua khâu I / P th àn h dạng tín hiệu khí nén 0 2-lbar
để thay đổi độ mở van cấp dòng nóng Lưu lương dòng nóng F\ được th ay đổi và thông q u a đó điều chỉnh nhiệt độ ra T tới giá trị đ ặ t Tsp.
Ví dụ m inh họ a trên đây dựa trên cấu trú c ghép nối tru y ền thống với các tín hiệu tương tự v à vào-ra tậ p trung T rong thực tế người t a có thể sử dụng các cấu trúc ghép nối khác như v à o r a phân tán và sử d ụ n g công nghệ bus trường Khi đó q uan hệ liên kết giữa các th àn h phần trong hệ thống có th ể khác một chút về m ặ t hình thức, nhưng bản chất trao đổi thông tin không có gì khác biệt
Trang 312 2 C hương 1 M ở ĐẦư
Hình 1-9: CÁC T H À N H P HẦN T R O N G HỆ T H ố N G Đ l è ư KHI EN n h i ệ t đ ộ
1.4.1 T h i ế t bị đo
Chức năng của m ột thiết bị đo là cung cấp m ột tín hiệu ra tỉ lệ theo m ột nghĩa
nào đó với đại lượng do M ột thiết bị đo gồm hai th à n h p hần cơ bản là cảm biến
(sensor) và chuyển đổi đo ( transducer) Một cảm biến thực hiện chức nấng tự
động cảm nhận đại lượng quan tâ m của quá trìn h kỹ th u ậ t và biến đổi th àn h một tín hiệu Để có thể truyền xa và sử dụng được tro n g 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 m ột dạng thích hớp Một bộ chuyển đổi đo chuẩn ( transm itter)
là m ột bộ chuyển đổi đo m à cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0- 20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Trong các hệ th ố n g điều khiển quá trìn h tru y ền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông d ụ n g n h ấ t, song xu hướng gần đây cho th ấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế Lưu ý rằng các th u ậ t ngữ ‘tr a n s m itte r ’ hoặc ‘tran sd u cer' đôi khi cũng được dùng
để chỉ cả th iế t bị đo, tức là trong đó đ ã bao gồm cả ‘sensor’
Trang 321 4 C Á C t h à n h p h a n c ơ b à n c ủ a h ẹ t h ố n g 2 3
1.4.2 T h i ế t bị đ iề u k h iển
T h iế t bị diều kh iển ( control equỉpm ent, controller) hay bộ điều khiển ( controller)
là m ột th iết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là th à n h phần cốt lõi của
m ột hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù các th u ậ t ngữ ‘thiết bị điều khiển’
và ‘bộ điều kh iển ’ trong thực tế được sử dụng vởi nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ T ùy theo ngữ cảnh, m ột bộ điều khiển có thể được hiểu là m ột th iế t bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối p h ầ n mềm cài đ ặ t trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong
m ột tr ạ m P L C /D C S ) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một trạm
P L C /D C S ) T rong phạm vi cuốn sách này, khi nói về giải p háp hệ thống thì
‘th iế t bị điều k h iển ’ và ‘bộ điều khiển’ được hiểu với nghĩa tương đương, còn khi
đề cập tới các vấn đề thuộc sách lược điều khiển hay th u ậ t to án điều khiền t a sẽ chỉ sử dụng ‘bộ điều khiển’
T rên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều k h iể n /s á c h 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 th u ậ t thông qu a các th iế t bị
chấp hành T ù y th eo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều
khiển, m ột th iế t bị điều khiển có thể được xếp loại là th iế t bị điều khiển tương
tự (analog controller), th iết bị điều khiển logic ( logic controller) hoặc th iết bị điều khiển số ( digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện
t ử được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ-điện hoặc điện tử) là
m ột th iết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó M ột th iết bị điều khiển sốđược xây dựng frên nền tản g máy tính số, có thể th ay thế chức năng của một
th iết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số có th ể c h ấp nhận các đầu v à o /r a là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự
và tích hợp các th à n h phần chuyển đổi tương tự-số như cần thiết, tuy nhiên
t h u ậ t toán điều khiển bao giờ cùng được thực lìiộn bằng máy tín h số Một thiết
bị điều khiển số không những cho chất lượng v à độ tin cậy cao hơn, m à còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán v à hiển thị cùng m ột lúc
Có th ể nói rằng, t ấ t 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 ch ất là m ột máy tính số được tr a n g bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Vì
vậy khi t a nói tới m áy tính điều khiển tức là chỉ bao h àm khối xử lý tru n g tâm
(C PU ), khối nguồn (PS) và các th àn h 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 th à n h phần mở rộng, kể cả các module v à o /r a v à module chức năng khác
Trang 332 4 Ch ư ơ n g 1 M ở DẦu
1.4.3 T h i ế t bị c h ấ p h à n h
Một hệ th ố n g /th iế t bị chắp hành ( actuator system , fin a l control elem ent) nhận
tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chắp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và q u ạ t gió T hô n g q ua các thiết bị chấp hành m à hệ th ố n g điều khiển
có thể can thiệp vào diễn biến của qu á trình kỹ th u ật Ví dụ, tùy theo tín hiệu điều khiển m à một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van và th ay đổi lưu lượng cấp, q u a đó điều chỉnh mức chất lỏng trong binh M ột máv bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp su ất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và q ua đó điều chỉnh lưu lượng
Một thiết bị chắp hành công nghiệp bao gồm hai th à n h phần cơ bản là cơ
cấu chấp hành hay cơ cấu dẩn động ( actuator) và phần tử điều kh iển ( control element) Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển th à n h năng
lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển Ví dụ trên Hình 1-9, cơ cấu chấp hành bao gồm khâu chuyển đổi I / P cộng với cơ cấu truyền động khí nén, còn phần tử điều khiển chính là t h â n van
T rong m ột số tài liệu cơ sở lý thuyết, đôi khi t h u ậ t ngữ ‘a c tu a to r ’ cũng được sử dụng để chỉ cả th iết bị chấp hành T u y nhiên, tù y thuộc vào ngữ cảnh sử dụng
mà t a không sợ có sự nhầm lẫn
1.5 C á c n h i ệ m v ụ p h á t t r i ể n h ệ t h ố n g
Việc xây dựng m ột hệ thống điều khiển qu á trìn h bao gồm nhiều bước n h ư phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, t a gọi chung là các nhiệm vụ p h á t triển hệ thống Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư tro n g ph át triến hệ thống điều khiển q u á trình được minh họa trên Hình 1-10 (dự a trên [11])-
1.5.1 P h â n tíc h ch ứ c n ă n g hệ th ố n g
Qui trình thiết kế m ột hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tỉm hiểu các yêu cầu công nghệ để đư a ra dặc t ả các chức năng cụ thể củ a hệ thống
dựa trên cơ sở phân tích các m ục đích diều khiển cơ bản Đây là m ột nhiệm vụ
hết sức quan trọng, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiền với các n h à công nghệ Người kỹ sư th iết kế điều khiển được cung cắp các b ả n vẽ
và tài liệu liên quan mô t ả quy trình công nghệ, tro n g 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 th ể và th ể hiện chúng trên các bản vẽ lưu đồ chức năng hay lưu đỏ
P& ID sơ lược Tiếp theo, các yêu cầu về m ặ t công nghệ cho mỗi bài to á n điều
Trang 341 5 C Á C n h i ẹ m v ụ p h á t t h i ể n h ệ T Hố NG 25
khiển cần được cụ thể hóa thông qua các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều
khiển cho phép, thời gian q uá độ, mức độ dao động Bên cạnh đó, các điều kiện vận h à n h như điểm làm việc, các điều kiện biên, các chế độ vận hành và các yêu
cầu về an to àn hệ thống cũng cần được làm rõ Các biểu đồ trìn h tự cũng được
sử dụng để biểu diễn các yêu cầu về trình tự vận hành công nghệ
&
2 Xây dựng mồ hình quá trình
3 Thiết kế cấu trúc điều khiển
&
4 Thiết kế thuật toán điều khiển
5 Lựa chọn giải pháp hệ thống
Yêu cầu và mô
tả công nghệ
liệu vận ihuc tế
Kỉnh nghiệm từ các dư án khác
tin, hỗ trợ cung cấy
7 Chỉnh định & đưa vào vận hành
_ _ y
&
HÊ THỐNG ĐIỀU KHlỂNHình 1-10: CÁC NHIỆM vụ P H Á T T R I Ể N HỆ T H ố N G Dlèu KHtỂ.N QUẢ T RÌ NH
Trang 3526 C h ư ơ n g 1 M ở Đ Ầ u
1.5.2 X â y d ự n g m ô h ìn h q u á tr ìn h
T hiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể th iếu của người
kỹ sư Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình cõng nghệ, giúp t a t.rừu tượng hóa vấn đề và vì th ế đơn giản hóa cách giải quyết Hơn nữa, mô hình q u á trình không chỉ quan trọng dối với công việc thiết kế m à còn phục vụ việc mô phỏng
và đào tạo vận hành Việc xây đựng mô hình còn được gọi là m ô hình hóa Mô
hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và vói nhiều phương pháp khác nhau
T rong khuôn khổ của cuốn sách t a chỉ quan tâm tới phương p h á p xây dựng
m ô hình toán học của các q u á trình tiêu biểu Dựa trên các định luật v ậ t lý và
hóa học cơ bản hoặc dự a trên các số liệu vận hành thực nghiệm, t a tiến hành xây dựng mô hình quá trình đề có được các phương trình toán học mô tả đặc tính động và tĩnh của quá trình Với mô hình toán học nhận được, t a cần sử dụng các công cụ phân tích và mô phỏng để tim ra các tính ch ất q u a n trọng của quá trình như mức độ tương tác nội, tính ổn định và tính điều khiển được Đó là
cơ sỡ cho các bước th iết kế cấu trúc, sách lược và th u ậ t toán điều chỉnh kế tiếp
Mô hình hóa qu á trìn h là m ột trong những nội dung quan trọng c ủ a cuốn sách
và được giới thiệu trong các chương 2, 3 và 4
1.5.3 T h i ế t kế c ấ u t r ú c điều khiển
Sau khi đ ẵ làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình to án học của q uá
trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách luợc điều khiển)
T hiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào th u ậ t toán điều khiển, m à nhằm mục đích làm rõ về m ặt cấu trú c 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
th u y ết điều khiển m à cả nhiều kinh nghiệm thực tế v ề m ặt cấu tr ú c điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tậ p tru n g hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán , p h â n cấp), n ế p theo, t a cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng với
nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển cụ
thể, ví dụ sách lược p h ả n hồi, bù nhiễu, tỉ lệ, Kết qu ả của công việc th iế t kố
sách lược điều khiển được th ể hiện 1*0 nhất trên các lưu đồ P& ID chi t i ế t Kết
qu ả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết qu ả của th iết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trìn h
tự Những công cụ toán học và công cụ m áy tín h trong lý th u y ết điều khiển tự
động giúp t a phân tích và đán h giá tính thích hợp của các sách lược điều khiển Chương 5 của cuốn sách trìn h bày các sách lược điều khiển cơ sở, áp d ụ n g trước hết cho các qu á trìn h đơn biến, v ấ n đề thiết kế cấu trúc điều khiển cho các quá trình đ a biến sẽ được đề cập trong một cuốn sách khác tro n g tương lai
Trang 361 5 C Á C n h i ệ m v ụ p h á t t r i ể n h ệ TH ố N G 2 7
1.5.4 T h i ế t kế t h u ậ t to á n đ iề u khiển
T h iế t kế t h u ậ t toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tín h to án và các công thức tín h toán cụ th ể để có thể cài đ ặ t trên
m áy tín h điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước: lựa
chọn kiể u bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các
th a m số của bộ điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không
th ể tách rời bài toán p hân tích hệ thống Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý th u y ế t điều khiển tự động cùng các công cụ máy tín h có vai trò hết sức q u a n trọng Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ th ể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các th iết bị
đo và th iế t bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng N hững nội dung này sẽ được trìn h bày trong các chương 6-8
Bên cạnh t h u ậ t to án điều khiển cho chức năng điều chỉnh, t a cũng phải đặc biệt q u a n tâ m tới các t h u ậ t toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển
trìn h tự K ế t q u ả của th iế t kế th u ậ t toán điều khiển liên động là các biểu đồ
chức n ă n g logic hoặc phương trin h logic, trong khi kết q u ả của thiết kế điều
khiển trìn h t ự là các bản vẽ biểu đồ chức năng trin h tự chi t i ế t Vì khuôn khổ
hạn chế, những vắn đề này sẽ không được đề cập chi tiết hơn trong nội dung của cuốn sách
1.5.5 L ự a c h ọ n giải p h á p hệ th ố n g
Lựa chọn giải p h á p hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải ph áp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và th iết 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 m ột 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 Hơn nữa, tro n g khi nền tản g lý th u y ết của điều khiển qu á trình không th a y đổi đáng kể so với cách đây 30 năm, thì công nghệ hệ thống điều khiển lại th a y đổi rất n h an h trong những năm gần đây Đây là m ột nội dung khá rộng lớn, nên không được đề cập trong khuôn khổ của cuốn sách
1.5.6 P h á t t r i ể n p h ầ n m ề m ứ n g d ụ n g
Trong hệ th ố n g điều khiển qu á trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám,
là p hần hồn củ a hệ thống Trên cơ sở th iết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm có th ể b ắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, th iết kế hệ
th ố n g cơ sở d ữ liệu và th iết kế giao diện ngưdi-máy Sau khi lựa chọn giải pháp
hệ th ố n g điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn th ả o các màn hình vận hành-giám sát mới được tiến hành Các chương
Trang 372 8 C h ư ơ n g 1 M ở Đ Ầ u
trìn h ứng d ụ n g được t h ử nghiệm từng phần trên cấu hình p h ầ n cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được th ử nghiệm ghép nối K hông quan trọng
là x u ấ t p h á t t ừ kỹ sư công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư
p hần mềm, ở đây n h ó m chuyên viên ph ần mềm phải n ắm vững những kiến thức
nền tản g c ủ a công nghệ phần m ềm công nghiệp Công nghệ p h ầ n mềm cho các
hệ th ố n g điều k h iể n - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ
hệ th ố n g điều khiển Bạn đọc quan tâ m sâu hơn về m ảng vấn đề này có th ể
th a m khảo [37]
1.5.7 C h ỉ n h đ ị n h v à đ ư a v ào v ậ n h à n h
Bước cuối cùng tro n g công việc p h á t triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các th a m số của bộ điều khiển, t h ử nghiệm từng vòng điều khiển, th ử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy t h ử từ n g p h â n đoạn và đư a vào vận hành to àn bộ nhà máy Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp , đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm
d ự án và sự hợp tác h ết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường,
kỷ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường
Mục đích c ủ a cuốn sách không chỉ là giúp cho các kỹ sư công nghệ cũng như các kỹ sư đo lường, điều khiển và tự động hóa nắm được những vấn đề cơ bản cho việc làm ch ủ các hệ thống đ ã được xây dựng, m à còn cung cấp cho người kỹ
sư nhữ ng kiến th ứ c nền tản g để có thể th am gia cùng thực hiện các nhiệm vụ
p h á t triể n v à tích hợp hệ thống mới P h ầ n còn lại của cuốn sách được cấu trúc
p h ù hợp với nhữ ng bước thực hiện cơ bản trong các nhiệm vụ p h á t triển đ ã phân tích trê n đây
Các tà i liệu m ô t ả đồ họa sau đây được xem như qu an trọ n g n h ấ t tro n g mỗi tập
th iế t kế hệ th ố n g điều khiển q u á trình:
Trang 381.6 MÔ TẢ CHỨC NĂNG HỆ T l l ố N G 29
• Lưu đồ công nghệ (process fỉow diagram) miêu t ả qu á tr ìn h công nghệ, không
chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lường và điều khiển T h ô n g thường, lưu đồ công nghệ do các nhà công nghệ xây dựng
• Lưu đồ ống dẫn và th iết bị (piping and in stru m en ta tio n diagram , P&ID)
miêu t ả chi tiế t q u á trình công nghệ kèm theo các chức n ăn g tiêu biểu của
m ột hệ thống điều khiển qu á trinh cùng các đường liên hệ giữa các th à n h phần Đây là tài liệu quan trọng nhất đối với việc thiết kế to à n bộ hệ th ố n g điều khiển M ột số chuẩn quan trọng liên quan tới các biểu tượng lưu đồ P& ID là A N SI/ISA S5.1 [5] và ANSI/ISA S5.3 [7] cũng n h ư DIN 19227-3 [8]
• Sơ đồ khóa liên động (interlock diagram), ví dụ sử dụng biểu đồ logic (binary
logic diagram) để miêu t ả các th u ậ t toán điều khiển logic phục vụ điều khiển
khóa liên động Có nhiều chuẩn mô tả biểu đồ logic, ví d ụ ở Bắc Mỹ người t a thường theo c h u ẩ n A N SI/ISA S5.2 [6]
• B iểu đồ trìn h tụ ( sequence diagram hay sequentỉal Ịu n c tio n chart) biểu diễn
các bước thực hiện chức năng của quỵ trình công nghệ T à i liệu hình th à n h phục vụ bài to án điều khiển trình tự cũng như hướng d ẫ n quy trìn h vận hành C huẩn IE C 61131-3 [9] có thể được coi là một tài liệu th a m khảo r ấ t
tố t cho việc xây dựng các biểu đồ trình tự
T ro n g phạm vi cuốn sách này, lưu đồ P&ID được sử d ụ n g r ắ t nhiều cho việc
mô t ả các chức n ăng và sách lược điều khiển, vì vậy sẽ được giới thiệu sơ lược trong p h ầ n tiếp theo Các dạng mô t ả khác liên q uan tới bài to án điều khiển rời rạc hoặc bài toán điều khiển trình tự, vì khuôn khổ hạn hẹp nên không được giới thiệu tro n g cuốn sách này
1.6.2 L ư u đồ P & I D
Lưu đồ P&ID có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc đặc t ả các chức n ăng và thiết bị của m ột hệ thống điều khiển quá trình, là cơ sở cho việc p h â n tích và thiết kế hệ thống Các biểu tượng lưu đồ P&ID được sử d ụ n g tương đối thống
n h ất trên toàn th ế giới, hầu hết đều dựa trên hoặc giống nhiều n h ư chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc A N SI/ISA S5.1 và S5.3 của Mỹ G iữa chuẩn DIN và chuẩn
A N SI/ISA cũng không có nhiều khác biệt, ngoài ưiột số chữ cái viết t ắ t và chuẩn DIN cho phép sử d ụ n g biểu tượng hình oval bên cạnh hình tròn
C huẩn S5.1 quy định thống n h ấ t các biểu tượng cho th iế t bị, các ký hiệu cho chức năng đo lường, điều khiển và giám sát cũng các đường nối được sử dụng trong lưu đồ P&ID C huẩn S5.3 mở rộng S5.1 cho các chức n ăn g tro n g m ột hệ điều khiển phân tá n Thực ra, S5.3 vẫn giữ nguyên tậ p hợp các biểu tượng, nhưng mở rộng v à chi tiết hóa ý nghĩa của m ột số biểu tượng Nội d u n g cơ bản của hai chuẩn này được giới thiệu tóm tắt trong các phụ lục, p h ầ n dưới đây chỉ đưa ra m ột số ví dụ minh họa
Trang 39Hình 1-11: D i ễ n g i ả i ý n g h ĩ a n h ã n t h i ế t bị và ký h i ệ u c h ứ c n ắ n g
Mỗi th iế t bị hoặc chức năng của hệ thống điều khiển được biểu diễn trên lưu
đồ th ô n g q u a m ột biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn (tag) M ột n hãn có thể bao gồm p h ần ch ữ biểu diễn chức năng v à phần m ã số phân biệt vòng kín (loop)
T rên H ình 1-11 là diễn giải tóm t ắ t ý nghĩa các phần chữ v à p h ầ n số của nhãn
th iế t bị q u a m ộ t vài ví dụ đơn giản P h ầ n biểu diễn chức năng b ắ t đầu bằn g m ột chữ cái ký hiệu đại lượng đo được hoặc một biến khởi tạo, sau đến các chữ cái ký hiệu chức n ă n g chỉ th ị hoặc chức năng bị động Tiếp nữa là các chữ cái th ể hiện chức năng đ ầ u r a th eo một th ứ tự tùy ý, trừ trường hợp chữ c ( Control) phải đứng trước V (Valve) Các chữ cái phụ nếu có th ể sử d ụ n g ngay đ ằng sau m ột
chữ cái chính để t h a y đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệch (D
D ifference) á p s u ấ t (P, Pressure), TA H biểu diễn mức cảnh báo (A, A larm ) cao
(H, H igh) củ a nhiệt độ (T, Temperature) Để trá n h n hằm lẫn, m ột ch ữ cái phụ
cho ch ữ đ ầ u không được sử dụng để biểu diễn chức năng chỉ thị, chức năn g bị động hoặc chức n ă n g đầu ra Ví dụ, chữ cái D không được sử dụng để biểu diễn
b ấ t cứ m ộ t chức n ă n g chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đ ầ u ra nào
T rên H ình 1-12 là lưu đồ P&ID đơn giản cho ví dụ điều khiển mức c h ấ t lỏng tro n g bình chứa K ý hiệu LT trong đường tròn biểu diễn chức năng đo v à truyền
giá trị mức (L evel T ra n sm it), ký hiệu LIC chỉ bộ điều khiển v à hiển th ị mức Hai
ký hiệu LAH ( Level A la rm High) và LAL (Level A la rm Low) nằm tro n g hai
đường trò n d ín h n h a u chỉ chức năng cảnh báo vượt ngưỡng trên v à ngưỡng dưới được th ự c hiện trê n cùng một thiết bị Bộ điều khiển mức nh ận được giá trị đo,
so sá n h với giá trị đ ặ t (SP), tự động tính toán v à đưa tín hiệu điều chỉnh van cấp T ín hiệu đo mức cũng được đưa tới thiết bị cảnh báo Đường có nét gạch chéo chỉ d ạ n g tín hiệu chưa được đặc tả, có th ể là điện, khí nén, th ủ y lực,
Trang 401.6 MÔ TÀ CHỨC NĂNG HẸ T Hố NG 3 1
Hình 1-12: Lưu Đồ P&ID CHO ĐlỀu KHIỂN MỨC BÌ NH CHỨA
Các lưu đồ P&ID trong thực tế có thể phức tạ p hoặc đơn giản tù y theo yêu cầu v à mục đích đ ặ t ra T hông thường, để mô t ả yêu cầu chức n ăng t a cần d ạng lưu đồ đơn giản n h ấ t với các biểu tượng thiết bị, không cằn các đường tín hiệu
Đe mô tả các sách lược điều khiển ta cần dạng lưu đồ chi tiế t hơn với các đường tín hiệu ghép nối giữa các th àn h phần chức năng Nếu m ục đích đ ặ t ra là lựa chọn th iế t bị, p h á t triển phần mềm, cài đ ặ t và đư a vào v ận h à n h thì t a sẽ cần bản lưu đồ chi tiế t nhất
Hình 1-13 m inh họa một ví dụ quá trình trao đổi nhiệt D ầu là dòng q u á trìn h cằn được làm nóng bởi hơi nước đi qua thiết bị gia n h iệt trước khi cấp cho công đoạn tiếp theo của quá trình công nghệ Nhiệt độ của d ầ u r a khỏi th iế t bị gia nhiệt hơi nước cần được duy trì tại m ột giá trị đ ặ t m ong muốn Bên cạnh đó, một số chức năng khác như hiển thị, ghi chép và cảnh báo cũng được đặc t ả trên lưu đồ T rong khi lưu đồ đơn giản hóa phía dưới dùng cho đặc t ả chức n ăng hệ thống, lưu đồ chi tiết phía trên là cơ sở cho thiết kế hệ th ố n g v à p h á t triể n p h ầ n niềm Dựa vào lưu đồ đặc t ả chi tiết» công việc lựa chọn v à lắp đ ặ t th iế t bị cũng như p h á t triển p hần mềm điều khiển có thể thực hiện dễ d àng hơn Các chức năng hệ thống v à chi tiế t thực hiện đặc t ả trên Hình 1-13 bao gồm:
• Đo và ghi lại lưu lượng dầu, sử dụng một thiết bị đo lưu lượng (F T -1), m ột
bộ biến đổi khí nén-khí nén (FY-1) và m ột máy ghi (FR-1)
• Đo và ghi lại giá trị áp su ất dầu đầu vào, sử dụng m ộ t th iế t bị đo áp su ấ t (PT-2) và m ột máy ghi (PR-2)
• Điều khiển v à ghi lại nhiệt độ dầu ra khỏi thiết bị th ô n g q u a điều chỉnh dòng hơi nóng (T R C -3), sử dụng giá trị đo từ cảm biến nhiệt điện trở (R T D )
• C ảnh giới trường hợp nhiệt độ dầu ra q uá thấp, sử d ụ n g cảm biến chuyển mạch (TSL-3) và cơ chế báo động (TAL-3)
