nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN - NĂM 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGUYỄN THANH HÀ THÁI NGUYÊN, NĂM 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thanh Hiệp Sinh ngày: 06 tháng 4 năm 1979 Học viên lớp Cao học khóa K14 - Tự động hóa 01- Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Nhà máy Z131, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Ngƣời thực hiện Nguyễn Thanh Hiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Sau đại học, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Thanh Hà, Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm thực nghiệm – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo chỉ huy Nhà máy Z131, Lãnh đạo chỉ huy Phòng Cơ điện, Xí nghiệp 3, các đồng chí cán bộ kỹ thuật và công nhân Phòng Cơ điện, Xí nghiệp 3 đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn, thực nghiệm trên dây chuyền số 2. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! NGƢỜI THỰC HIỆN Nguyễn Thanh Hiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục hình vẽ iv MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 2 1.1. Điều khiển quá trình là gì? 2 1.1.1. Quá trình và các biến quá trình 2 1.1.2. Phân loại quá trình 5 1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 6 1.2.1. Vận hành ổn định 8 1.2.2. Năng xuất và chất lượng sản phẩm 9 1.2.3. Vận hành an toàn 10 1.2.4. Bảo vệ môi trường 10 1.2.5. Hiệu quả kinh tế 11 1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình 11 1.3.1. Giao diện quá trình 12 1.3.2. Điều khiển cơ sở 12 1.3.3. Điều khiển vận hành và giám sát 12 1.3.4. Điều khiển cao cấp 12 1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống 13 1.4.1. Thiết bị đo 13 1.4.2. Thiết bị điều khiển 13 1.4.3. Thiết bị chấp hành 14 1.5. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii 1.5.1. Phân tích chức năng hệ thống 14 1.5.2. Xây dựng mô hình quá trình 15 1.5.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển 15 1.5.4. Thiết kế thuật toán điều khiển 16 1.5.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống 16 1.5.6. Phát triển phần mềm ứng dụng 16 1.5.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành 17 1.6. Mô tả chức năng hệ thống 17 1.6.1. Các tài liệu mô tả đồ họa 17 1.6.2. Lưu đồ P&ID 18 CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH LÀM MÁT 19 2.1 Phân tích bài toán công nghệ 19 2.1.1. Giải pháp công nghệ hiện tại 19 2.1.2. Giải pháp khắc phục tồn tại 20 2.1.3. Lưu đồ P&ID của hệ thống làm mát keo 21 2.2. Xây dựng mô hình quá trình làm mát 21 2.2.1. Mô hình hóa lý thuyết 22 2.2.2. Mô hình hóa bằng thực nghiệm dựa trên đáp ứng quá độ 26 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 28 3.1. Các sách lược điều khiển cơ sở 28 3.1.1. Điều khiển phản hồi 28 3.1.2. Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward) 33 3.1.3. Điều khiển tỉ lệ 37 3.1.4. Điều khiển tầng 42 3.1.5. Điều khiển suy diễn 44 3.1.6. Điều khiển lựa chọn 45 3.2. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii 3.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ và mô phỏng 46 3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống 47 3.3.2. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển phản hồi 50 3.3.3. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp Feed-Forward 53 3.4. Xét ổn đinh hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi 54 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131 56 4.1. Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ 56 4.2. Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán ổn định nhiệt độ đầu ra máy làm mát keo nhũ. 58 4.2.1. Phương án thực nghiệm 58 4.2.2. Cài đặt thông số PID cho bộ điều khiển 60 4.2.3. Kết quả thực nghiệm 61 4.3. Kết luận 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA ĐỀ TÀI 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị quyết của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC HÌNH VẼ NỘI DUNG TRANG Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 3 Hình 1.2 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 8 Hình 1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 13 Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất keo nhũ 19 Hình 2.2 Sơ đồ cải tiến công nghệ làm mát keo nhũ 20 Hình 2.3 Lưu đồ P&ID của hệ thống làm mát keo 21 Hình 2.4 Các biến quá trình 22 Hình 2.5 Tuyến tính hóa mô hình thiết bị trao đổi nhiệt qua phương pháp đổi 25 Hình 2.6 Đáp ứng quá độ 26 Hình 2.7 Nhận dạng mô hình từ đáp ứng quá độ theo phương pháp 2 điểm quy chiếu 26 Hình 3.1 Điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước 29 Hình 3.2 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi 30 Hình 3.3 Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng (một bậc tự do) 30 Hình 3.4 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng 33 Hình 3.5 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 34 Hình 3.6 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ 38 Hình 3.7 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu 40 Hình 3.8 Hai cấu trúc điều khiển tầng 43 Hình 3.9 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng 46 Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ dòng keo nhũ 47 Hình 3.11 Cấu trúc hàm truyền đối tượng 48 Hình 3.12 Cấu trúc hệ thống bằng Simulink 50 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển phản hồi 51 Hình 3.14 Cấu trúc cả hệ thống có thành phần nhiễu 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v Hình 3.15 Kết quả mô phỏng khi có bộ điều khiển phản hồi 52 Hình 3.16 Cấu trúc hệ thống với Bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng Feed Forward 54 Hình 3.17 Kết quả mô phỏng với Bộ điều khiển phản hồi kết hợp Feed - Forward 54 Hình 4.1 Máy làm mát keo nhũ 56 Hình 4.2 Bảng điều khiển dây chuyền sản xuất 57 Hình 4.3 Màn hình hiển thị các thông số công nghệ của dây chuyền 58 Hình 4.4 Tủ điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ máy làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ 59 Hình 4.5 Kết nối máy bơm nước với máy làm mát keo nhũ 59 Hình 4.6 Đồ thị dung dịch pha A, B và nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 7 phút 61 Hình 4.7 Đồ thị dung dịch pha A sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 7 phút 61 Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 7 phút 62 Hình 4.9 Đồ thị dung dịch pha A, B và nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút 63 Hình 4.10 Đồ thị dung dịch pha A sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút 63 Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút 64 Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi loại bỏ hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ tự động, chuyển sang điều chỉnh lưu lượng nước làm mát bằng cách điều chỉnh van bằng tay 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Dây chuyền sản xuất keo nhũ trong các nhà máy thực hiện việc gia nhiệt, pha trộn dung dịch A và B tạo thành keo có nhiệt độ ~ 100 0 C. Hỗn hợp keo sau đó được đưa vào hệ thống máy làm mát để giảm nhiệt độ keo xuống ~ 70 0 C. Sai lệch nhiệt độ của keo đầu ra ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm cũng như an toàn của dây chuyền. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển nhiệt độ làm mát keo hiện tại được thực hiện bằng tay (đóng mở van nước bằng tay) khiến cho nhiệt độ keo nhũ đầu ra có sai số lớn. Vì vậy cần thiết phải xây dựng một hệ thống ổn định nhiệt độ tự động đảm bảo sai số nhiệt độ trong phạm vi cho phép để đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn cho người và thiết bị. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ" 2. Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ đầu ra máy làm mát keo trong các dây chuyền sản xuất keo nhũ để đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn trong sản xuất. 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng cấu trúc, thuật toán điều khiển trong điều khiển quá trình - Nghiên cứu bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng - Thực hiện mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu - Thực nghiệm trên dây chuyền sản xuất keo nhũ tại Nhà máy Z131 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ứng dụng để ổn định nhiệt độ các hệ thống làm mát, gia nhiệt nhẳm ổn định chất lượng sản phẩm và đảm bảo an toàn sản xuất trong các dây chuyền sản xuất hóa chất nói chung và các dây chuyền sản xuất keo nhũ nói riêng. [...]... khiển ổn định nhiệt độ dòng keo nhũ tại đầu ra máy làm mát 1 Để ổn định nhiệt độ dòng keo nhũ này tôi sử dụng biến tần điều khiển máy bơm nước làm mát, thay đổi lưu lượng nước làm mát đáp ứng với sự thay đổi của các tham số như: nhiệt độ dòng keo nhũ đầu vào, lưu lượng dòng keo nhũ đầu vào, nhiệt độ nước làm mát, … đảm bảo nhiệt độ dòng keo nhũ đầu ra ổn định ở nhiệt độ đặt Sự thay đổi lưu lượng nước làm. .. an toàn cần cải tạo hệ thống trên theo hướng nhằm ổn định nhiệt độ đầu ra các máy làm mát Do nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát 2 ít ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như nguy cơ mất an toàn nên ta chỉ cần thực hiện ổn định nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát 1 như sau: Máy bơm nƣớc Nhiệt độ nước làm mát Máy bơm nƣớc Bộ điều khiển nhiệt độ Lưu lượng keo đầu vào Biến tần Nhiệt độ keo đầu vào Bể chứa... làm mát được điều khiển bằng một bộ điều khiển nhiệt độ trung tâm Bộ điều khiển nhiệt độ sẽ lấy thông số nhiệt độ dòng keo nhũ đầu vào, lưu lượng dòng keo nhũ đầu vào, nhiệt độ nước làm mát để điều khiển biến tần tác động đến bơm nước thay đổi lưu lượng nước làm mát 2.1.3 Lưu đồ P&ID của hệ thống làm mát keo (TC2,ωC) (TH2,ωH ) Bình trao đổi Thiết bị làm mát nhiệt Dòng keo nhũ (TH1,ωH ) Bơm Đo nhiệt độ. .. Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất keo nhũ Công nghệ sản xuất keo nhũ bao gồm các quá trình gia nhiệt, trộn và làm mát các dung dịch A, B, C với tỉ lệ dung dịch và nhiệt độ cho từ loại sản phẩm Chất hòa tan A, B và C sau khi được nghiền sẽ được hòa tan và gia nhiệt tới nhiệt độ yêu cầu và được chứa trong các bể chứa có thể tích đủ lớn để đảm bảo cho ca sản xuất Dung dịch A và B có nhiệt độ ~ 100 0C... quanh điểm làm việc Giữ ổn định nhiệt độ, lưu lượng đầu vào của dòng quá trình và nhiệt độ, lưu lượng đầu vào nước làm mát, chờ đến khi nhiệt độ đầu ra của dòng quá trình TH2 ổn định ở 67,1 0C Thay đổi lưu lượng dòng nước làm mát từ 0,3 l/s lên 0,9 l/s nhiệt độ dòng nóng giảm dần và tiến tới ổn định ở 65,2 0C Từ số liệu thực nghiệm ta xây dựng được đồ thị đáp ứng quá độ của thiết bị làm mát như sau:... sản phẩm và được giữ ổn định lưu lượng của mỗi dung dịch bằng hệ thống lưu lượng kế kết hợp với bộ điều khiển PI và máy biến tần Chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ các thành phần dung dịch A, B, C trong sản phẩm và nhiệt độ của sản phẩm trong từng khâu của quá trình công nghệ Đặc biệt, nhiệt độ của hỗn hợp A -B ở đầu ra của máy làm mát 1 Hiện tại, việc ổn định nhiệt độ (keo) sử dụng máy bơm... độ Nước làm mát (TC1,ωC) Bơm Hình 2.3 Lưu đồ P&ID của hệ thống làm mát keo 2.2 Xây dựng mô hình quá trình làm mát Để đơn giản hóa, trước hết ta giả thiết rằng hệ thống trao đổi nhiệt hoạt động lý tưởng, có nghĩa là nhiêt độ là đồng nhất Khối lượng riêng và nhiệt dung riêng Cp được coi là không thay đổi đáng kể trong phạm vi làm việc Tiếp theo các thành phần động năng, thế năng và phần nhiệt tổn thất... bằng tay để điều khiển nhiệt độ keo Nhân viên vận hành sẽ căn cứ vào nhiệt độ hiển thị trên bảo để điều chỉnh van nước để giữ ổn định nhiệt độ của keo Phương pháp điều chỉnh nhiệt độ đơn giản này thường gây ra sai số nhiệt độ sản phẩm đầu ra rất lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm và an toàn, tuổi thọ của thiết bị 2.1.2 Giải pháp khắc phục tồn tại Để giữ ổn định chất lượng sản phẩm, giảm thiểu... cách đột ngột, các động cơ không phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh Thứ ba hệ thống có vận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 hành ổn định thì mới có thể ổn định năng xuất và chất lượng sản phẩm 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 thuận tiện và an toàn hơn Trong. .. về chế độ làm việc của các thiết bị công nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, tránh qua áp, quá nhiệt trong lò hơi… Thứ hai, một hệ thống vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển cố định hoặc ít thay đổi Cũng chính vì vậy các thiết bị chấp hành cũng ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ thiết bị, máy móc sẽ được kéo dài Trong chế độ vận hành ổn định và . " ;Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ& quot; 2. Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ đầu. khiển dây chuyền sản xuất 57 Hình 4.3 Màn hình hiển thị các thông số công nghệ của dây chuyền 58 Hình 4.4 Tủ điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ máy làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo. tài nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ứng dụng để ổn định nhiệt độ các hệ thống làm mát, gia nhiệt nhẳm ổn định chất lượng sản phẩm và đảm bảo an toàn sản xuất trong các dây chuyền sản