Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền centum VP

Từ những năm đầu của thế kỷ trước cho tới nay,điều khiển tự động [1], [2] đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành côngnghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯƠNG QUANG TƯƠI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH CẤP TRÊN NỀN CENTUM VP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trương Quang Tươi

Sinh ngày 12 tháng 10 năm 1979

Học viên lớp cao học khóa K14 - Tự động hóa, trường Đại học Kỹ thuật CôngNghiệp - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướngdẫn của người hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quảnghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trên bất cứ các công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014

Tác giả luận vănTrương Quang Tươi

Học viênTrương Quang Tươi

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 1

2 Các kết quả đạt được 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Cấu trúc của luận văn 2

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về điều khiển quá trình 4

1.1.1 Quá trình và các biến quá trình 4

1.1.2 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình 5

1.2 Tổng quan về điều khiển phân tán 6

1.2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống DCS 7

1.2.2 Mô hình phân cấp 8

1.2.3 Cấu trúc điều khiển 10

1.3 Hệ thống điều khiển quá trình YOKOGAWA tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp 15

1.3.1 Cấu hình phần cứng 15

1.3.2 Chức năng nhiệm vụ của hệ thống thiết bị thí nghiệm 21

1.3.3 Những vấn đề nghiên cứu còn bỏ ngỏ 21

1.4 Kết luận chương 1 22

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH CẤP 23

2.1 Giới thiệu chung 23

2.2 Xây dựng phương trình mô hình 24

2.2.1 Cơ sở lý thuyết 24

2.2.2 Áp dụng cho bài toán điều khiển mức 25

2.2.3 Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt 26

2.3 Sách lược điều khiển 28

2.4 Thiết kế bộ điều khiển 30

2.4.1 Xác định hàm truyền của biến tần và động cơ 30

2.4.2 Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu đối xứng [2] 32

2.4.3 Thiết kế vòng điều khiển lưu lượng 34

2.5 Kết luận chương 2 36

CENTUM VP VÀ THỰC NGHIỆM 37

3.1 Quá trình phát triển và các tính năng của CENTUM VP 37

3.1.1 Quá trình phát triển của CENTUM VP 37

3.1.2 Các tính năng chủ yếu của CENTUM VP 37

3.2 Phương pháp cài đặt HIS và CENTUM VP 42

3.2.1 Các bước cài đặt HIS 42

3.2.2 Các bước cài đặt CENTUM VP 46

3.3 Thiết kế hệ điều khiển mức nước bình cấp 53

3.3.1 Khởi tạo một dự án mới 53

3.3.2 Thiết kế giao diện điều khiển 55

3.3.3 Lập trình điều khiển bằng Function Block 58

3.4 Thực nghiệm 61

3.4.1 Các bước cơ bản vận hành hệ thống thí nghiệm của YOKOGAWA 61

3.4.2 Giới thiệu và chạy thử các vòng điều khiển PID 64

3.4.3 Phân tích khối điều khiển PID theo quan điểm của YOKOGAWA [8] 69

3.4.4 Kết quả thực nghiệm 73

3.5 Kết luận chương 3 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

1 Kết luận 75

2 Kiến nghị 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

PV Biến quá trình (Process variable)

MV Biến điều khiển (Manipulated output value)

SV Giá trị đặt (Setpoint value)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Quá trình và phân loại biến quá trình 4

Hình 1-2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát 7

Hình 1-3 Phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát 9

Hình 1-4 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung 11

Hình 1-5 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 12

Hình 1-6 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung 13

Hình 1-7 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 14

Hình 1-8 HIS0164 & HIS0163 15

Hình 1-9 FCS 16

Hình 1-10 Transmitters lưu lượng ADMAG AXF025G 18

Hình 1-11 Transmittes chênh áp EJA118W 18

Hình 1-12 Động cơ bơm nước FORERUN 19

Hình 1-13 Biến tần SINAMICS G110 19

Hình 1-14 Rơ le trung gian IDEC - RU48- C- D24 20

Hình 1-15 Đối tượng bình nước cấp 20

Hình 2-1 Bình chứa chất lỏng 25

Hình 2-2 Sơ đồ khối cho mô hình bình cấp 28

Hình 2-3 Lưu đồ P&ID điều khiển mức nước bình cấp 29

Hình 2-4 Cấu trúc điều khiển phản hồi 29

Hình 2-5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 30

Hình 2-6 Thông số kỹ thuật của bơm P01 31

Hình 2-7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Simulink 33

Hình 2-8 Hiệu chỉnh tham số PID 33

Hình 2-9 So sánh đáp ứng bước của PID thiết kế với PID sau khi đã hiệu chỉnh 34

Hình 2-10 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID trên Simulink 34

Hình 2-11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng 35

Hình 2-12 Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Simulink 35

Hình 2-13 So sánh đáp ứng bước của PID thiết kế với PID sau khi đã hiệu chỉnh 36

Hình 3-1 Lịch sử phát triển của CENTUM 37

Hình 3-2 Sơ đồ cấu trúc tổng thể của CENTUM VP 38

Hình 3-3 Quá trình cài đặt HIS 42

Hình 3-4 Vị trí đặt địa chỉ Domain, Stattion và Action Mode trên card Vnet/IP 43

Hình 3-5 Nút gạt DIP cài đặt số domain 43

Hình 3-6 Nút gạt DIP cài đặt địa chỉ số station 44

Hình 3-7 Nút gạt chế độ hoạt động 45

Hình 3-8 Vị trí khe cắm card Vnet/IP trên main của máy tính 46

Hình 3-10 Hộp thoại thông tin người sử dụng 48

Hình 3-11 Kiểu hiển thị PC 49

Hình 3-12 Console loại Solid Style 50

Hình 3-13 Hộp thoại Confirm cho Touch Panel 51

Hình 3-14 Màn hình kiểu Open Style Console 51

Hình 3-15 Xác nhận cài đặt 52

Hình 3-16 Cài đặt hoàn tất 52

Hình 3-17 Màn hình bắt đầu khởi tạo một dự án mới 53

Hình 3-18 Tạo dự án mới trong System View 53

Hình 3-19 Đặt tên và chọn vị trí lưu cho dự án mới 54

Hình 3-20 Quá trình tạo dự án mới hoàn tất 54

Hình 3-21 Khai báo các module INPUT/OUTPUT cho hệ thống 55

Hình 3-22 Màn hình tạo giao diện điều khiển trong System View 55

Hình 3-23 Đặt tên cho giao diện đồ họa trong System View 56

Hình 3-24 Giao diện đồ họa trong phần mềm Graphic Builder 56

Hình 3-25 Thư viện thiết bị trong mục Stencil 57

Hình 3-26 Giao diện đồ họa hoàn chỉnh của hệ thống điều khiển mức nước bình cấp 57

Hình 3-27 Các khối chức năng của Function Block 58

Hình 3-28 Chọn một khối chức năng DR0001 để thiết kế điều khiển 58

Hình 3-29 Hộp thoại lựa chọn một khối chức năng (ví dụ PIO) 59

Hình 3-30 Khai báo địa chỉ I/O cho khối chức năng 59

Hình 3-31 Hộp thoại khai báo Control PID 60

Hình 3-32 Khai báo tên cho khối Function 60

Hình 3-33 Kết nối giữa các khối Function 61

Hình 3-34 Sơ đồ nối dây hoàn chỉnh các khối Function của hệ thống điều khiển mức, lưu lượng 61

Hình 3-35 Lựa chọn dự án Default chuẩn bị Download 62

Hình 3-36 Download chương trình vào FCS101 62

Hình 3-37 Màn hình giao tiếp người – máy khi chạy short cut BKHBos 63

Hình 3-38 Toàn cảnh màn hình điều khiển mức, lưu lượng 63

Hình 3-39 Cửa sổ lựa chọn quyền điều khiển OFFUSER/ONUSER 64

Hình 3-40 Bảng điều khiển tham số PID của lưu lượng 65

Hình 3-41 Đáp ứng lưu lượng với PB= 75%, TI= 10s, TD=0s, với các giá trị đặt là SV = 5 l/m và 15 l/m 66

Hình 3-42 Đáp ứng lưu lượng với PB= 75%, TI= 3s, TD=0 , với các giá trị đặt là SV = 5 l/m và 15 l/m 66

Hình 3-43 Bảng điều khiển tham số PID của điều khiển mức 67

Hình 3-44 Đáp ứng mức với PB= 30%, TI= 25s, TD=0s; với giá trị đặt lần lượt là SV = 30% và 50% 68

và 50% .68

Hình 3-46 Sơ đồ khối chức năng của khối điều khiển PID 69

Hình 3-47 Sơ đồ khối tính toán của điều khiển PID 70

Hình 3-48 Đáp ứng lưu lượng với các giá trị đặt là 5 l/m và 15 l/m 73

Hình 3-49 Đáp ứng mức với các giá trị đặt là SV = 30% và 50% 73

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các số domain và các vị trí bít điều chỉnh DIP 44

Bảng 3.2 Các số station và các vị trí bit điều chỉnh DIP 45

Bảng 3.3 Mức độ khi điều chỉnh DIP 45

Bảng 3.4 Nhóm người dùng được thực hiện một cài đặt mới 46

Bảng 3.5 Phần mềm được cài đặt và kiểu máy trạm 49

Bảng 3.6 Các phương pháp kết nối và điểm đến kết nối của của các đầu vào/ra của khối điều khiển PID 69

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhàmáy công nghiệp hiện đại [4], [9] Từ những năm đầu của thế kỷ trước cho tới nay,điều khiển tự động [1], [2] đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành côngnghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, thực phẩm, nhà máy điện,…Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một sốđặc thù chung, được xếp vào các hệ thống điều khiển quá trình [4] Một hệ thống điềukhiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vậnhành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ nhưchất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho người, máy móc vàmôi trường Các đặc điểm chính là [5], [9]:

• Điều khiển quá trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward

• Điều khiển phân tán qua mạng FieldBus-ProfiBus, ProfiNet,

• Dự phòng nóng (Redundancy) và khả năng Hot plug

• Nạp chương trình khi hệ thống đang "chạy"

• Và nhiều đặc điểm khác

Phần mềm CENTUM VP do YOKOGAWA phát triển dùng trong nhiều hoạtđộng của nhà máy điện, nhà máy xi măng, nhà máy năng lượng tái tạo và hạt nhân CENTUM VP sử dụng đã được chứng minh là có khả năng mở rộng, ổn định, hiệusuất và độ tin cậy cao [7]

Phần mềm CENTUM VP của YOKOGAWA hứa hẹn mang đến nhiều khả năngkhai thác về phương diện thiết kế giao diện người – máy (HIS), chương trình điềukhiển và lập báo cáo Với mục đích tìm tòi nghiên cứu nhằm tạo ra một tài liệu thuậntiện cho người sử dụng, làm chủ công nghệ thiết kế cho các quá trình công nghiệpkhác, tôi đã lựa chọn phần mềm CENTUM VP để nghiên cứu và áp dụng phần mềmnày để thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp, tiến hành cài đặt, đấu nối thiết

bị trên thiết bị thực tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp

- Biết cách vận dụng lý thuyết để thiết kế một hệ thống điều khiển quá trình trongcông nghiệp.

- Là tài liệu chuyên khảo cho cán bộ kỹ thuật, giáo viên và sinh viên chuyên ngànhĐiều khiển, Tự động hóa

- Làm thực nghiệm theo mô hình toán đã thiết kế được Các kết quả thực nghiệmcho thấy các vòng điều khiển mức và lưu lượng hoạt động ổn định và cho chất lượngtốt

- Tài liệu chuyên khảo về phần mềm CENTUM VP bằng tiếng Việt, làm tiền đềquan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo

3 Phương pháp nghiên cứu

– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiêncứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành

– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình hiện có tạitrung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp, các nhà máy Nhiệtđiện…Hỏi ý kiến các chuyên gia Công ty TNHH YOKOGAWA Việt Nam

4 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển quá trình, điều khiểnphân tán trong công nghiệp, giới thiệt hệ thống thiết bị thí nghiệm của YOKOGAWAtại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp.

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều khiển mức nước bình cấp sửdụng biến tần Mô phỏng trong Matlab-Simulink vòng điều khiển mức nước và lưulượng nước với bộ tham số PID thiết kế được

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền CENTUM

VP, bao gồm các bước cài đặt phần cứng cho HIS, cài đặt phần mềm, thiết kế đồ họagiao diện điều khiển, chương trình điều khiển Cuối cùng là phần thực nghiệm

1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trongđiều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượngsản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

1.1.1 Quá trình và các biến 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 được biến đổi, vận chuyển hoặc lưutrữ

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

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/vàđược can thiệp

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một qua trình thể hiện qua các biến quátrình Khái niện quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa ởhình 1-1

Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bênngoài vào quá trình, ví dụ như lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp

QUÁ TRÌNH

KỸ THUẬT

Biến vào

Nhiễu Biến điều khiển

Vật chất

năng lượng

thông tin

Vật chấtnăng lượngthông tin

Biến trạng thái Biến ra

Biến không cần điều khiển Biến cần điềukhiển Biến không cầnđiều khiểnHình 1-1 Quá trình và phân loại biến quá trình

nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiệnthể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm

ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao…Nhìn từ quan điểm lý thuyết hệthống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi đó các biến ra thể hiện kết quả.Bên cạnh các biến vào ra thì ta cũng cần phải quan tâm tới biến trạng thái Các biếntrạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suấthơi hoặc mức chất lỏng hoặc cũng có thể dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác.Trong nhiều trường hợp biến trạng thái có thể được xem như biến ra Ví dụ, mức nướctrong một bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biếnra

Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp cácbiến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu chotrước, đồng thời giảm thiều ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người vàmôi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số,trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sátchặt chẽ Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến nào cũng cóthể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình đượcđiều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bámtheo một biến chủ đạo/ tín hiệu mẫu

Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bênngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong điều khiển quá trình thì lưulượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếptrong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trìnhmột cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểuảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễuquá trình và nhiễu đo Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹthuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được Còn nhiễu đo hay còn gọi là nhiễutạp là nhiễu tác đông lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

1.1.2 Mục đích và chức năng của 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

thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chứcnăng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và điđến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiếnhành 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 điềukhiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại vàsắp xếp nhằm phục vụ những mục đích cơ bản sau:

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

- Đảm bảo 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 tới chất lượng sản phẩm trongphạm vi yêu cầu

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

ra sự cố

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

- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trongkhi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêucầu thay đổi của thị trường

1.2 Tổng quan về điều khiển phân tán

Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS) là một khái niệmxuất xứ từ các ngành công nghiệp chế biến, để chỉ các hệ thống điều khiển quá trìnhtích hợp trọn vẹn của một nhà máy sản xuất Ngày nay, khái niệm DCS được hiểu vớinghĩa rộng hơn để chỉ tất cả các hệ thống điều khiển tích hợp toàn diện có cấu trúcđiều khiển phân tán Vì thế, ứng dụng các hệ điều khiển phân tán không những phổ

biến trong công nghiệp chế biến, mà còn lan rộng sang các lĩnh vực khác Các hệ DCSngày nay chiếm khoảng 12% thị phần trong cả thị trường tự động hóa.

1.2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống DCS

Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình đượcminh họa trên hình 1-2 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diệngiữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi đó, hệ thống điều khiểngiám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy Các thiết bị có thể đượcghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông

Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tínhiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn tín hiệu điện thông dụng khác nhau(0 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ) Trước khi có thể xử lý trong máy tính số,các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máytính Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởngxấu lẫn nhau giữa các thiết bị Đó chính là các chức năng của các module vào/ra (I/O)

Hệ thống điều khiển giám sát

Thiết bị điều khiển tự động

Các biến và chấp hànhQuá trình kỹ thuật

NI network interface (giao

diện mạng)

NI NI

Hình 1-2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát

Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năngchính sau đây:

- Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyểnđổi tín hiệu

- Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyêndụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điềuchỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân cùng với cácphần mềm điều khiển tương ứng

- Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy,các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

- Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bustrường, bus hệ thống

- Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.2.2 Mô hình phân cấp

Để có một cái nhìn tổng quát về một hệ thống điều khiển và giám sát côngnghiệp, các mô hình phân cấp hình chóp thường được dùng Thực ra, có nhiều cáchphân cấp và gọi tên khác nhau, tùy thuộc lĩnh vực ứng dụng và qui mô hệ thống Môhình tổng quát được minh họa trên hình 1-3 định nghĩa các cấp theo chức năng, khôngphụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể

Tuy nhiên, ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng Trong cácngành công nghiệp chế biến (Process Industry), phần dưới của cấp điều khiển (baogồm điều khiển máy móc, thiết bị đơn lẻ) và cấp chấp hành thường được gọi chung làcấp trường, phần còn lại của cấp điều khiển và cấp điều khiển giám sát được gọi chung

là cấp điều khiển quá trình

Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòihỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trênđược thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứngnhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớnhơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệthống điều khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty vàđiều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chứcnăng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp

1.2.2.1 Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổitín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay cơcấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đolường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh cũng có thểđảm nhận việc xử lý thông tin, trước khi đưa lên cấp điều khiển

1.2.2.2 Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý cácthông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấuchấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếpđảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm

để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt,núm xoay v.v Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủcông những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính

Tính toán giá thành, lãi suất thống kê

số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý

đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên

Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản

xuất, bảo dưỡng máy móc, tính toán

tối ưu hóa sản xuất

Giám sát, vận hành, điều

khiển cao cấp, lập báo cáo

Điều khiển, điều chỉnh,

bảo vệ, an toàn ghi chép

tường trình

Đo lường, truyền động,

Điều khiển Điều khiển giám sát

Điều hành sản xuất

QL công ty

Cấp điều khiển quá trình

Cấp trường

Hình 1-3.Phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát

1.2.2.3 Cấp điều khiển giám sát

Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹthuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệthống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợngười sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử

lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thựchiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự vàđiều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với cáccấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòihỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máytính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal, )

Như vậy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống vàlựa chọn thiết bị Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chúttùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể Trong những trườnghợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh,điều hòa độ ẩm, ), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết Ngượclại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, nhà máy nhiệtđiện, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiệntheo dõi

1.2.3 Cấu trúc điều khiển

Biến thể của cấu trúc cơ bản trên hình 1-4 tìm thấy trong các giải pháp thực tếkhác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vị trí các máytính quá trình và phụ kiện được lựa chọn Căn cứ vào đó, ta có thể phân biệt giữa cấutrúc điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân tán, cấu trúc vào/ra tập trung vàcấu trúc vào/ra phân tán

1.2.3.1 Điều khiển tập trung

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system)được minh họa trên hình 1-4 Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộquá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển sốtrực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình.Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thông thường được đặttại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu

chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển trung tâm qua cáccổng vào/ra của nó Cách bố trí vào/ra tại máy tính điều khiển như vậy cũng được gọi

là vào/ra tập trung (central I/O)

Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975 Ngày nay, cấutrúc tập trung thường thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa qui mô vừa và nhỏ,phạm vi địa lý hẹp, một máy tính điều khiển, số lượng vào/ra không lớn Điểm đángchú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong mộtthiết bị điều khiển duy nhất Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:

- Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

- Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

- Độ tin cậy kém

1.2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược điểm

cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế,lắp đặt Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữacác thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai sốlớn Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường như đã nêu trongphần trước Hình 1-5 minh họa một cấu hình mạng đơn giản Ở đây các module vào/rađược đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, vì vậy được

MTĐKI/O

Phân đoạn 1 Phân đoạn 1 … Phân đoạn 1

I/O: Input A: Actor S: Sensor

Phòng điều khiển trung tâm

Hiện trường

Hình 1-4 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung

gọi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O) Một cáchghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, có khả năngnối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra Bên cạnh khả năng xử lýgiao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗnhư lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạngthái,v.v Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điềukhiển đơn giản.

Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau:

- Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây

- Giảm kích thước hộp điều khiển

- Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và

- khả năng ghép nối đơn giản

- Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản

- Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng)

- Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống

1.2.3.3 Điều khiển phân tán

Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữu của

hệ thống Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, cóthể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau Để khắc phục sự phụ thuộc vào mộtmáy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta cóthể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như hình 1-6

Phòng điều khiển trung tâm

Hình 1-5 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điềukhiển/phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹthuật Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổnghợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Trong phần lớn cáctrường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiềumáy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp này dẫn đến các hệthống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán(HĐKPT).

Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt caohơn so với cấu trúc tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thốngđược nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới Việc phân tán chứcnăng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trungtâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trìnhcao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hànhsản xuất

HIỆN TRƯỜNG

Hình 1-6 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

1.2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán

Lưu ý rằng hình 1-7 chỉ minh họa cách ghép nối điểm - điểm giữa một máy tínhđiều khiển với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung Tuy nhiên,

ta cũng có thể sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vào/ra phân tán như trên hình1-7 Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc tại cácphòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và khả năng kéo dài của bustrường

Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và cácthiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ thống điều khiển

và giám sát hiện đại Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu

tố kinh tế cũng đóng vai trò quan trọng Việc phân tán chức năng xử lý thông tin, chứcnăng điều khiển theo bề rộng cũng như theo chiều sâu là tiền đề cho kiến trúc “trí tuệphân tán” (distributed intelligence) trong tương lai

1.3 Hệ thống điều khiển quá trình YOKOGAWA tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

1.3.1 Cấu hình phần cứng

1.3.2.1 Máy tính điều khiển và giám sát (HIS0164, HIS0163)

Hình 1-8 HIS0164 & HIS0163Trạm vận hành và trạm kỹ thuật (Máy tính điều khiển và giám sát) là 2 máy tínhđược chạy trên hệ điều hành Microsoft Windows 7 Professional SP1, RAM 4 GB, 64bit Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau Để tiện cho việcvận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với mộtphân đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên hai trạm hoàntoàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chứcnăng của các trạm kia

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

• Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từngmạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quákhứ)

• Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)

• Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướngdẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

• Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)

• Xử lý các sự kiện, sự cố

• Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

• Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

- Bộ điều khiển trung tâm Duplexed Field Control Unit

- Giao diện với bus hệ thống

- Giao diện với bus trường

- Các module vào/ra số cũng như tương tự, gồm có

+ Mô đun vào/ra tương tự (4-20 mA, 8 kênh vào/ra) AAI841-H00/A4S00

+ Mô đun vào tương tự (4-20 mA, 16 kênh) AAI141-S00/A4S00

+ Mô đun ra tương tự (4-20 mA, 16 kênh) AAI543-S00/A4S00

+ Mô đun vào số (32 kênh, 24VDC, cách ly) ADV151-P10/B5S00

+ Mô đun ra số (32 kênh, 24VDC, cách ly) ADV551-P10/D5S00

- Mô đun truyền thông Foundation Fieldbus

Trong cấu trúc vào/ra tập trung, các module vào/ra được nối với CPU thông quabus nội bộ đằng sau giá đỡ (backplane-bus) Các module này cùng hãng sản suất vớiCPU

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ (tủ điều khiển) đảm nhiệm bao gồm:

 Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín (nhiệt độ,

áp suất, lưu lượng, mức.) Hầu hết các mạch vòng đơn được điều khiển trên cơ sởluật PID, giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiểntầng Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mô hình(model-based control), điều khiển thích nghi,

 Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)

 Điều khiển logic

 Thực hiện các công thức (recipe control)

 Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệ thống

 Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc với trạm vậnhành

 Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báo động.Trạm điều khiển cục bộ có tính năng kiểm tra và sửa lỗi (error checking andcorrecting, ECC), cũng như cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng

Một số tính năng của trạm điều khiển cục bộ (tủ điều khiển):

 Tính năng thời thực

 Độ tin cậy và tính sẵn sàng

 Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt các thuật toán cao cấp

 Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)

1.3.1.3 Thiết bị đo

Transmitters lưu lượng

Kiểu: ADMAGAXFserials AXF005 AXF050 AXF300

- Lớp lót: PTFE, PFA, EPDM, Ceramic

- Điện cực: SS316, Ti, Ta, HasteloyC

- Kết nối: Flange, wafer các chuẩn ANSI,

DIN, JIS

- Nguồn cấp: 24VDC/220VAC

- Ngõ ra: 4-20 mA w Hart , xung, relay

- Nhà sản xuất: YOKOGAWA – Trung

Quốc

Transmitters chênh áp

DPharp EJX được ra đời 2004 cung cấp giải pháp công nghệ tiên tiến nhất về

sự ổn định Nhóm sản phẩm DPharp EJX được cung cấp chứng nhận tiêu chuẩn an

toàn IEC61508, tùy chọn ngõ ra, đáp ứng nhanh, hiệu suất làm việc cao chịu được quá

áp Các sản phẩm ứng dụng cảm biến DPharp EJX được dùng để đo chênh lệch ápsuất, đo lưu lượng dòng chảy, đo mức chất lỏng và các ứng dụng đo áp suất khác.Màng cách ly được kết nối với cảm biến thông qua ống truyền áp lực chứa đầychất lỏng EJA118W sử dụng để đo áp suất khác biệt chất lỏng, khí đốt, lưu lượng hơi

Hình 1-10 Transmitters lưu lượngADMAG AXF025G

Hình 1-11 Transmittes chênh áp EJA118W

nước, mức chất lỏng, mật độ và áp suất Cảm biến chênh áp YOKOGAWA có chứcnăng chuẩn đoán phát hiện các bất thường như sự tắc nghẽn.

Các rơ le trung gian 24VDC được lắp đặt trong tủ động lực

Hình 1-12 Động cơ bơm nước FORERUN

Hình 1-13 Biến tần SINAMICS G110

Hình 1-14 Rơ le trung gian IDEC - RU48- C- D24

1.3.1.5 Mô hình đối tượng bình nước cấp

Hình 1-15 Đối tượng bình nước cấpBình nước cấp chế tạo bằng thép không gỉ Đường kính: 0,25m Khoảng cách 2đầu đo mức: 1m

1.3.1.6 Bus hệ thống

Bus hệ thống có chức năng nối mạng trạm điều khiển cục bộ với trạm vận hành

và trạm kỹ thuật Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là Ethernet, FMS và ControlNet

Profibus-Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn,

vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao Tính năng thời gian thực cũng là mộtyêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm ngặt nhưvới bus trường Thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi 0,1s trởlên Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu không cóđột biến lớn Vì vậy đối với mạng Ethernet, tính bất định của phương pháp truy nhậpbus CSMA/CD thường không phải là vấn đề gây lo nghĩ

1.3.2 Chức năng nhiệm vụ của hệ thống thiết bị thí nghiệm

- Giúp cho học viên, sinh viên làm quen với cấu trúc và thiết bị phần cứng cũngnhư phần mềm của một hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại

- Nắm được các nguyên tắc và phương pháp cơ bản cho hướng giải quyết nhữngbài toán được đặt ra trong thực tế như thiết kế cấu trúc hệ thống, tích hợp hệ thống,đưa vào vận hành và chuẩn đoán hệ thống

- Giúp cho học viên, sinh viên hiểu được bài toán điều khiển mức, lưu lượng,nhiệt độ, áp suất ơ một hệ thống sản xuất trong thực tế

- Tiếp cận những thiết bị thực tế trong hệ thống điều khiển phân tán thường sửdụng trong công nghiệp như: Thiết bị cảm biến (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức…),thiết bị điều khiển (biến tần, van điều khiển góc mở, bơm…) Các trạm điều khiển,trạm vận hành, trạm thiết kế kỹ thuật, truyền thông của hệ thống điều khiển phân tán

- Làm quen, sử dụng phần mềm giám sát và điều khiển của hãng YOKOGAWA

để điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của hệ thống, khởi tạo, thiết kế và điềukhiển mức bình nước cấp

- Kiểm định các kiến thức lý thuyết về điều khiển logic và điều khiển quá trình

sử dụng bộ điều khiển PID và các bộ điều khiển cấp cao khác

1.3.3 Những vấn đề nghiên cứu còn bỏ ngỏ

- Đây là hệ thống thiết bị mới lắp đặt vào tháng 5 năm 2012 và chuyển giao vàotháng 7 năm 2012, chưa được khai thác sử dụng hiệu quả

- Hệ thống phần mềm lớn của CENTUM VP luôn được cập nhật phát triển, vớicác gói phần mềm đi kèm như: thao tác và giám sát cơ bản; giao tiếp ExaOPC; thiết kếchương trình điều khiển; thiết đồ họa Graphic Builder; hiển thị trạng thái logic điềukhiển; cấu hình truyền thông Foundation Fieldbus; … sẽ mang đến các thiết kế tối ưu,khả năng mở rộng hệ thống, ổn định, hiệu suất và độ tin cậy cao.

- Trong các tài liệu về điều khiển lưu lượng nước [4], [5], [9] chỉ đề cập đến việcđiều khiển thông độ mở van chứ chưa đề cập đến điều khiển biến tần Việc nghiên cứuxây dựng mô hình toán của hệ điều khiển mức, lưu lượng thông qua hệ biến tần – động

cơ xuất phát từ nhu cầu thực tiễn là điều cần thiết

Xuất phát từ những luận điểm nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứuthiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền CENTUM VP” để làm vấn đềnghiên cứu cho mình

2 Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH CẤP 2.1 Giới thiệu chung

Bước đầu khi xây dựng bài toán điều khiển cho một hệ thống hay một đối tượng

là phải mô hình hóa hệ thống hay đối tượng đó Trước khi đi mô hình hóa là đặt bàitoán mô hình hóa Các công việc chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ công nghệ, xácđịnh rõ mục đích sử dụng của mô hình, tóm tắt các tham số công nghệ cũng như cácgiả thiết quan trọng Trên cơ sở đó, ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độchính xác của mô hình, phương pháp và công cụ phân tích, đánh giá chất lượng của

mô hình (thường sử dụng các phần mềm mô phỏng trên máy tính)

Mô hình hóa cũng là một nhiệm vụ phát triển của hệ thống, trong đó những thôngtin về hệ thống được trừu tượng hóa, được hình thức hóa phục vụ cho một hoặc nhiềumục đích sử dụng Việc làm rõ mục đích sử dụng vì vậy có vai trò hết sức quan trọng.Mục đích sử dụng quyết định tới yêu cầu về mức độ chi tiết và chính xác của mô hình

Ví dụ, để phục vụ thiết kế sách lược điều khiển, ta không cần mô hình quá phức tạp vàchính xác, nhưng để tính toán tham số của bộ điều khiển thì mức độ chính xác của môhình sẽ ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển Mô hình hóa phục vụ tối ưu hóa và môphỏng đào tạo vận hành đòi hỏi mức độ chi tiết và chính xác nhất Mức độ chi tiết của

mô hình thể hiện thông qua cấu trúc và tham số của mô hình Với bài toán điều khiểnmức nước bình cấp, nếu ta bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ bayhơi nước, nhiễu hệ thống… thì mô hình sẽ khá đơn giản Tuy nhiên, nếu mục đích của

mô hình hóa đặt ra là điều khiển thời gian thực, tối ưu… thì mô hình sẽ phức tạp hơnnhiều

Mục đích sử dụng mô hình cũng là một yếu tố quyết định tới trạng thái mô tảtoán học của mô hình Thông thường, để mô phỏng thì hệ phương trình vi phân phituyến (thường hoặc đạo hàm riêng) là đủ Song để thiết kế sách lược và thuật toán điềukhiển, các dạng mô tả mô hình trạng thái (tuyến tính hoặc phi tuyến) hoặc mô hìnhhàm truyền đạt phù hợp hơn

Để có thể đơn giản hóa mô hình, các giả thiết về điểm làm việc, các điều kiệnbiên về quy trình vận hành, các tham số quá trình và biến quá trình cũng cần được làm

rõ Trong thực tế, nhiều tham số quá trình không những không đồng nhất mà còn phụthuộc (phi tuyến) và các biến quá trình Vì thế, ngay từ bước đầu cần làm rõ các biến

nào có thể coi là hằng số, quan hệ nào có thể coi là tuyến tính trong một dải làm việcnhất định.

2.2 Xây dựng phương trình mô hình

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Sau khi xác định được các biến và tham số của quá trình, bước tiếp theo là tìmcách xây dựng mối quan hệ giữa chúng, biểu diễn qua các phương trình mô hình Cácphương trình của một mô hình toán học được phân chia ra làm hai loại là phương trìnhcân bằng và phương trình cấu thành Các phương trình cân bằng thường có dạngphương trình vi phân hoặc phương trình đại số, được xây dựng trên các định luật bảotoàn vật chất, bảo toàn năng lượng và các định luật khác Các phương trình cân bằngthường có tính chất nền tảng không phụ thuộc vào đặc tính riêng biệt của từng quátrình cụ thể, vì vậy có thể áp dụng tương đối dễ dàng cho mọi bài toán Trong khi đó,phương trình cấu thành rất đa dạng, liên quan rất nhiều tới quá trình cụ thể và đôi khirất phức tạp Các phương trình cấu thành thường được đưa ra dưới dạng phương trìnhđại số Tùy theo mục đích sử dụng của mô hình, ở đây việc đưa ra những giả thiếtnhằm đơn giản hóa mô hình một cách hợp lý cũng là một vấn đề quan trọng

Phương trình cân bằng vật chất dựa trên định luật bảo toàn vật chất, áp dụng chomột hệ động học được thể hiện qua phương trình:

vào ra

trong đó M tích lũy là lượng tích lũy bên trong của hệ thống, ω i

vào là lưu lượng của

Trong hỗn hợp nhiều cấu tử hóa học, định luật bảo toàn vật chất áp dụng chotừng cấu tử Biến thiên các đại lượng vào ra có thể gây ra bởi dòng chảy tương ứng,hoặc hiện tượng khuếch tán Đối với đa số các quá trình liên tục, hiện tượng khuếchtán có thể bỏ qua.

2.2.2 Áp dụng cho bài toán điều khiển mức

Xét bình chứa chất lỏng minh họa trong hình 2-1 Chất lỏng có thể tích V (m3) và

khối lượng riêng ρ (kg/m3) Giả thiết bình chứa được trang bị một hệ thống khuấy lýtưởng, như vậy có thể coi chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong bình Dòng vào có

lưu lượng thể tích F o (m3/s) và khối lượng riêng ρ o , dòng ra có lưu lượng F và có khối lượng riêng ρ giống như trong bình Nếu giả thiết khối lượng riêng của dòng vào thay đổi không đáng kể thì ρ o = ρ và được coi là tham số của quá trình Dựa vào quy luật nhân quả ta có thể nhận ra V là biến ra trong khi F và F olà các biến vào Phân tích dựa

trên mục đích điều khiển, ta xác định được biến cần điều khiển là V Nếu mức trong bình phụ thuộc chủ yếu vào F o thì F là nhiễu và ngược lại, nếu mức trong bình phụ thuộc chủ yếu vào F thì F olà nhiễu

Trước khi xây dựng mô hình, ta giả thiết như sau:

+ Các lưu lượng vào ra không phụ thuộc vào vị trí quan sát

+ Khối lượng riêng chất lỏng cấp vào trong bình và khối lượng riêng chất lỏngtrong bình là như nhau và là hằng số của quá trình ρ0= ρ = const

Hình 2-1 Bình chứa chất lỏng

Phương trình cân bằng vật chất tổng quát được viết như sau:

được ở đây là vòng điều khiển với biến F 0 và F Nhưng do hệ thống chỉ cần điều khiển

1 biến ra là V nên ta chỉ cần xây dựng 1 vòng điều khiển là đủ Với hệ thống này ta chọn F 0 là biến điều khiển và F được coi là nhiễu.

2.2.3 Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt

Mô hình hàm truyền đạt là một công cụ mô tả toán học không thể thiếu được chophân tích và thiết kế hệ thống điều khiển Để có được mô hình hàm truyền đạt cần lưuý: Mô hình hàm truyền đạt chỉ áp dụng cho hệ tuyến tính và giá trị khởi đầu của tất cảcác biến liên quan (kể cả các đạo hàm xuất hiện trong phương trình mô hình) phảibằng 0 Nếu mô hình ban đầu (thường là dưới dạng hệ phương trình vi phân đại số) làphi tuyến, ta có thể thực hiện một số phương pháp tuyến tính hóa như tuyến tính hóatại điểm làm việc Để đảm bảo điều kiện thứ hai, ta sử dụng các biến chênh lệch so vớiđiểm làm việc thay cho các biến quá trình thực Tại điểm làm việc của hệ thống, cácbiến quá trình không thay đổi về giá trị, vì thế giá trị các biến chênh lệch cũng như đạohàm của chúng bằng 0 Sau khi đã biến đổi mô hình để thỏa mãn hai điều kiện trên, ta

áp dụng phép biến đổi Laplace cho cả hai vế của các phương trình mô hình và rút gọn

trong đó h h là mức chất lỏng và A là tiết diện cắt ngang của bình chứa (coi như

đều từ trên xuống) Phương trình (0.5) đã tuyến tính nên ta chỉ cần thay thế các biến

chênh lệch vào thay vị trí các biến thực tương tứng Cụ thể hơn, ta viết phương trình ởtrạng thái xác lập:

ta sử dụng các ký hiệu thông dụng cho các biến mới

s



với   A 3 14 0 25 /4 0 04906,  , 2  , m2

Khi tốc độ bơm P01 đạt 100% thì lưu lượng nước đưa vào bình đạt 30 l/min, từ

đó ta có thể tính được hệ số chuyển đổi bằng 3/10 Mô hình bình nước cấp có thể biểudiễn dưới dạng sơ đồ khối như hình 2-2

Do đặc tính của biến tần - động cơ nên hàm truyền của hệ có dạng khâu quán tínhbậc nhất nối tiếp với khâu tích phân

2.3 Sách lược điều khiển

Sau khi xây dựng và phân tích mô hình toán học của quá trình để làm rõ bài toánđiều khiển, bước tiếp theo là thiết kế điều khiển Công việc thiết kế điều khiển đượctiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển.Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách lược điều khiển thể hiện mối quan hệ về mặtcấu trúc giữa các biến chủ đạo, biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển

và các phần tử cấu hình hệ thống Kết quả của công việc thiết kế cấu trúc điều khiển làbản vẽ mô tả chi tiết cấu trúc (một phần) hệ thống sử dụng lưu đồ P&ID hoặc sơ đồkhối Trên cơ sở cấu trúc điều khiển đã thiết kế, ta mới có thể lựa chọn cấu trúc bộđiều khiển và xác định tham số bộ điều khiển

Dựa vào đặc điểm của đối tượng ta thấy không thể sử dụng cấu trúc điều khiểntruyền thẳng, điều khiển tỉ lệ hay điều khiển lựa chọn vì:

- Điều khiển truyền thẳng không có tác dụng ổn định hệ thống Điều khiển truyềnthẳng đáp ứng rất nhanh với nhiễu, do vậy có thể dẫn đến điều khiển sai lượng đặt vềmức nước trong bình

- Điều khiển tỉ lệ thường được áp dụng cho hệ thống để duy trì quan hệ giữa haibiến nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3 (Điều khiển bình mức chỉ có 1 biến điềukhiển nên không áp dụng được)

- Điều khiển lựa chọn, điều khiển phân vùng yêu cầu ít nhất là hai biến điềukhiển mà bình mức chỉ có một biến điều khiển nên không xác định được tín hiệu điềukhiển lấn át do đó cũng không áp dụng

6 11, s

Trong trường hợp này, ta sử dụng sách lược điều khiển phản hồi do sách lượcđiều khiển này có tác dụng ổn định hệ thống, thậm chí còn có tác dụng ổn định hệthống không ổn định.

Trong cấu trúc điều khiển này, đại lượng ra (h) được đưa về so sánh với giá trị

đặt Bộ điều khiển nhận tín hiệu sai lệch để điều khiển lưu lượng nước vào

Lưu đồ P&ID cho cấu trúc điều khiển phản hồi vòng đơn

Một số nhược điểm của điều khiển phản hồi:

- Để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt thì phản hồi phải chính xác Bảnthân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo, vì vậy ảnh hưởng tới chất lượngđiều khiển

- Bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng, có nghĩa là chỉ khinhiễu được thể hiện rõ trong biến được điều khiển (biến ra) thì nó mới tác động trở lại,nên có tính động học chậm Tuy nhiên, bài toán điều khiển mức là bài toán có đặc tínhđộng học chậm, nên việc áp dụng điều khiển phản hồi là hợp lý

Hình 2-4 Cấu trúc điều khiển phản hồi

Ta thiết kế bộ điều khiển theo cấu trúc phản hồi như đã trình bày ở trên Trướctiên đi xác định hàm truyền mô hình đối tượng.

Như đã trình bày, ta đã xác định được hàm truyền của bình cấp Để điều khiểnmức nước trong bình ta sử dụng hệ biến tần - động cơ Điện áp bộ điều khiển sẽ điềukhiển biến tần, biến tần điều khiển tốc độ động qua đó thay đổi lưu lượng nước để đápứng mức nước đặt Ta có sơ đồ khối như hình vẽ:

2.4.1 Xác định hàm truyền của biến tần và động cơ

Biến sử dụng là loại SINAMICS G110 của hãng Siemens với dải điều chỉnh tần

số đầu ra từ 0 ÷ 650 Hz [10] Biến tần là một khâu trễ nhưng với bài toán cụ thể này dođối tượng là khâu có đặc tính động học chậm nên ta coi là khâu quán tính bậc 1 Do đó

ta có hàm truyền của là:

1

B BT

B

K W

T – hằng số thời gian điện từ của biến tần

Để điều chỉnh tần số của biến tần ta sử dụng đầu vào Analog frequency của biếntần Khi cấp một điện áp tương tự biến thiên từ 0 ÷ 10 V ở đầu vào thì tương ứng đầu

ra ta có tần số thay đổi từ f min ÷ f max

Biến tần SINAMICS G110 được cài đặt mặc định khi xuất xưởng (các thông số

động cơ P0304, P0305, P0307, P0310) cho các ứng dụng điều khiển U/f chuẩn trên

các động cơ không đồng bộ 4 cực, với tần số nhỏ nhất (địa chỉ P1080) 0 Hz và tần sốlớn nhất (địa chỉ P1082) là 50 Hz

Như vậy biến tần có tín hiệu vào là u(t) và tín hiệu ra là f(t) Do đó ta có hệ số

khuếch đại của biến tần là: