Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)

MỤC LỤC  Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) DCS chữ viết tắt Distributed Control System – hệ thống điều khiển phân tán dùng để lớp hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc điều khiển phân tán Khác với hệ thống điều khiển xây dựng sở PLC DCS giải pháp tổng thể kể phần cứng, phần mềm truyền thông cho toan hệ thống phát triển ứng dụng điều khiển ngành công nghiệp hóa chất cới thiết bị điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kế hệ thống điểu khiển sản xuất thương phẩn hướng vào hỗ trợ ứng dụng điều khiển phân tán nên thường đượng thiết kế theo hệ thống mở, khả tích hợp cao kể tích hợp với PLC # điềukhiển máy công đoạn sản xuất độc lập Thế mạnh hệ thống điều khiển sản xuất với cấu trúc DCS khả xử lý tín hiệu tương tự thực chuỗi trình phức tạp, khả tích hợp dễ dàng Các hệ thống điều khiển sản xuất thương phẩm ngày thường bao gồm thiết bị điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông phần mềm điều hành hệ thống tích hợp hỗ trợ khả điều khiển phân tán Các hệ thống quản lý từ vài nghìn điểm đến vài chục nghìn điểm vào/ra Nhờ cấu trúc phần cứng phần mềm thống nhất, hệ thống điều khiển thực đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng hay theo thuật toán điều khiển đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS) Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin chức DCS hệ thống điều khiển thương phẩm ngày hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện giao thức chuẩn hóa (Profibus, Foundation FieldBus, Ethernet…)  Cấu trúc điều khiển phân tán DCS • Theo phân cấp chức • Theo kiến trúc lắp đặt Khối điều khiển cục (LCU), điều khiển: Chức điều khiển sở giám sát (chủ yếu cho biến tương tự), điều khiển cao cấp Vào/ra từ xa (RIO), vào/ra phân tán Trạm vận hành: Chức giao diện vận hành & giám sát, quản lý liệu Trạm kỹ thuật: Phát triển phần mềm, cấu hình chẩn đoán hệ thống Bus hệ thống (system bus, data highway), bus điều khiển Tùy chọn: Các loại trạm chủ, máy tính điều khiển cao cấp, loại bus trường, bus thiết bị (Foundation Fieldbus, DP, DeviceNet )  Hệ thống điều khiển phân tán, điều khiển tập trung Hệ thống điều khiển tập trung với thiết bị điều khiển (thường máy tính lớn) để điều khiển toàn trình công nghệ Trong hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, trình tính toán thực chiến lược điều khiển đa biến thực hệ xử lý trung tâm Cấu trúc điều khiển tập trung Phương án điều khiển tập trung có ưu điểm hệ sở liệu trình thống nhất, tập trung ta thực thuật toán điều khiển trình công nghệ tập trung thống Nhược điểm phương án điều khiển tập trung đối tượng điều khiển lớn, phức tạp dẫn tới khối lượng tính toán lớn hệ xử lý không đáp ứng yêu cầu tính toán hệ thống nhược điểm phương án điều khiển tâp trung giá trị đo lường phải tập trung máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho công tác bảo trì sửa chữa/ Giải pháp khắc phục hạn chế điều khiển tập trung điều khiển phân tán Khác với phương án điều khiển tập trung điều khiển phân tán có trình tính toán điều khiển trình tính toán phân tán Có nghĩa trình tính toán điều khiển thực nhiều hệ xử lý hệ sở liệu qía trình tập trung phân tán hệ xử lý đảm bảo tính thống Để đảm bảo tính thống khả chia sẻ chia sẻ liệu thiết bị điều khiển, phương án điều khiển phân tán phải thực chức trao đổi liệu trực tiếp thiết bị điều khiển với Với hệ thống sở liệu thống đc chia sẻ thiết bị điều khiển với cho phép hệ thống điều khiển theo phương án phân tán thực toán điều khiển đa biến hệ thống điều khiển tập trung chí cho phép thực cac luật điều khiển phức tạp bị giới hạn lực xử lý tính toán điều khiển tập trung Hạn chế điều khiển phân tán phải thực việc trao đổi thông tin thiết bị điều khiển làm tăng tính phực tạp hệ thống Nhìn chung tính ưu việt hệ điều khiển phân tán thể rõ điểm sau: Tiết kiệm dây nối công nói dây nhờ mạng truyền thông Hiệu suất độ tin cậy tổng thể hệ thống đươc nâng cao nhờ phân tán chức xuống cấp Độ linh hoạt cao, thể tính mở việc mơ rộng hệ thống, thay thiết bị, nâng cập tạo chương trình phần mềm ứng dụng Để thực điều khiển phân tán ta có thẻ có phương án sau: • Sử dụng PLC với mạng truyền công nghiệp • Sử dụng hệ điều khiển thương phẩm với cấu trúc DCS • Sử dụng hệ thống điều khiển lại  Thiết kế sơ đồ cấu trúc điều khiển vòng trình điều khiển lò Hệ thống điều khiển lò nhà máy nhiệt điện hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát điều khiển hàng trăm tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển # Trong lò trình điều khiển gió, không khí vào lò, nhiên liệu, trình cháy, hơi, nước cấp… điều có tác động ảnh hưởng lẫn nhau, để đạt hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải lúc phải phối hợp điều khiển nhiều đối tượng, với nhiểu thông số Điều yêu cầu phải có hệ thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát giảm xen kênh hệ điều khiển đại lượng hệ thống Có thể chia thành hệ điều khiển sau: Hệ điều khiển phụ tải nhiệt: điều khiển trình cấp nhiên liệu, nghiền phun than vào buồng đốt cháy sinh nhiệt • Hệ thống điều khiển chân không buồng đốt: điều khiển luồng gió cấp không khí khói thoát đảm bảo điều kiện cháy tốt buồng đốt • Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi: điều khiển trình cấp nước cho bao đảm bảo cân lượng sinh ra, lưu lượng nước cấp nước xuống giàn sinh • Hệ thống điều khiển hơi: đảm bảo chất lượng trước phun vào tuabin với thống độ khô, nhiệt độ, ấp suất, lưu lượng • Các hệ thóng bao gồn nhiều mạch vòng điều khiển # chúng xeeso vài loại điều khiển thực nhiệm vụ sau: Các mạch vòng điều khiển đảm bảo trình chuyển hóa lượng: Quá trình chuyển đổi lượng nhà máy nhiệt điện bao gồm trình chuyển hóa lượng từ hóa thành nhiệt năng, nhiệt lại chuyển hóa thành hóa năng, từ lại chuyển hóa thành điện Tuy nhiên điều khiển trình thường theo hướng ngược lại, từ yêu cầu tải định công suất máy phát, từ công suất máy phát tính toán tổng nhiệt yêu cầu Tổng nhiệt yêu cầu lượng đặt điều khiển lượng than cấp vào điều khiển lượng khói gió cần thiết để đảm bảo trình cháy cung cấp nhiệt Ngoài công suất máy phát lượng đặt để điều khiển lượng cấp vào tuabin, đồng thời phải điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bao Tất trình nhằm mục đích đảm bảo trình chuyển hóa lượng lò Các mạch vòng điều khiển để đảm bảo chất lượng Để hiệu suất lò cao nhất, đem lại hiệu kinh tế cáo tuổi thọ nhà máy chất lượng đện phát đảm bảo chất lượng trình cháy cà chất lượng hơi: Chất lượng trình cháy: nhiên liệu cấp vào lò đủ mịn, lượng không khí cấp vào đảm bỏa nhiên liệu cháy hết tạo nhiệt lớn Chất lượng hơi: có nhiệt độ áp suất ổn định lưu lượng đáp ứng đùng theo yêu cầu tải Đặc biệt nước không phép lẫn bụi hay hạt nước li ti gây nổ hỏng cánh tuabin Cấu trúc điều khiển lò I Trình bày hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện DCS? Sơ đồ nguyên lý mô tả chức thành phần chính? Trình bày hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện DCS: Hệ thống điều khiển DCS hệ thống điều khiển phân tán, phân quyền Ưu điểm DCS: Tiếp cận lượng lớn liệu với tốc độ nhanh Có thể quan sát theo dõi thông số trình khứ cách truy cập lại liệu cũ - Có thể dễ lắp thiết bị - Có thể thực chiến lược điều khiển nhanh - Có tính linh hoạt cho người điều khiển cấp cao - Hiệu suất, độ tin cậy cao • Nhược điểm: - Giá thành hệ thống cao - Nhiều hệ thống thể tính đóng kín • - • - - • Phân loại hệ thống điều khiển DCS: Các hệ DCS truyền thống: • Được thiết kế riêng biệt theo cấu trúc nhà sản xuất • DCS cũ thường có tính đóng kín cao, thường không tuân theo chuẩn gián tiếp công nghiệp • Các hệ có tính mở tốt • Một số sản phẩm tiêu biểu trạm cục bộ: Advant OCS ( ABB), Freelance 2000(ABB), symphonle (ABB), Delta V( Foxboro) Các hệ DCS PLC: • (PLC: điều khiển có khả lập trình) • PLC đực biệt phù hợp với ứng dụng điều khiển trình gián đoạn • PLC thực nhiều chức như: • Thực phép tính logic • Có khả thực số toán từ đến nâng cao • Hiện điều khiển gián đoạn PLC ứng dụng điều khiển liên tục • Một số hệ DCS dựa PLC: Sattline (ABB), Proces logic ( Rockwell), Modicon TXS, PCS ( siemmens) Các hệ DCS dựa PC: Ưu điểm DCS máy tính cá nhân: Tính mở cao Dễ dàng cho người thiết kế người điều khiển Có khả lập trình tự Có khả thực hàm điều khiển phức tạp Một số hệ DCS dựa máy tính cá nhân: TCS 7, Stardom, Ovation, Control… • Một trạm điều khiển cục máy tính cá nhân công nghiệp cài đặt hệ điều hành với thời gian thực dao diện với bus trường, bus hệ thống • Các vấn đề kỹ thuật DCS: - Kiến trúc xử lí phân tán: cấu trúc phân tán mặt vật lí dẫn đến phân tán mặt xử lí thông tin - Tính thời gian thực: tính hệ thống sẵng sàng phản ứng với kiện bên đưa đáp ứng đắn kịp thời - Tính sẵn sàng độ tin cậy: thông qua khả dự phòng - Hỗ trợ chuẩn hóa (không thể thiếu hệ thống mới): tính mới, có khả tương tác với hãng thứ - Yêu cầu phần mềm: • Dễ sử dụng, thuận tiện cho người vận hành thiết kế • • Có tính dao diện theo chuẩn chung Thế giới Sơ đồ nguyên lý mô tả chức thành phần chính: Điều khiển mức nước bao hơi: II • Bản chất điều khiển mức nước bao trình điều khiển lưu lượng nước cấp vào bao • Trong thiết bị lò hơi, có ba yếu tố ảnh hưởng tới thay đổi lưu lượng nước cấp là: o Lưu lượng bão hòa khô o Lưu lượng nước cấp vào bao o Mức nước bao • Mục tiêu hệ thống điều khiển mức nước bao trì mức nước bao mức xấp xỉ trục tâm hình học bao • Để đạt mục tiêu ta xây dựng sơ đồ điều khiển lưu lượng nước cấp có o Tín hiệu đầu vào tín hiệu lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp mức nước bao o Tín hiệu đầu tín hiệu điều chỉnh độ mở van nước cấp Sơ đồ điều khiển tín hiệu: Sơ đồ điều khiển lưu lượng nước cấp tín hiệu đo lường tín hiệu đầu vào, tín hiệu mức nước bao hay tín hiệu lưu lượng nhiệt • Đáp ứng đầu sơ đồ tín hiệu độ đóng mở % van nước cấp • Sơ đồ điều khiển tín hiệu tín hiệu đầu vào lưu lượng nhiệt: • FT: Flow Transmitter: cảm biến lưu lượng nhiệt • FIC: Flow Indicator Controller: điều khiển lưu lượng nước cấp • Ví dụ: o o • Lưu lượng bão hòa: từ đến 20kg/s Lưu lượng van: từ đến 22kg/s Trong thực tế, phạm vi lưu lượng van nước cấp lớn phạm vi lưu lượng dòng nhiệt • Giả thiết rằng: o Tín hiệu yêu cầu thay đổi tuyến tính từ đến 100% o Lưu lượng dòng nước lưu lượng dòng thay đổi tuyến tính 100% o Van có tính chất tuyến tính • Tại lưu lượng nhiệt 20kg/s, cảm biến đường ống chuyển tín hiệu lưu lượng dòng thành tín hiệu điện truyền đến FT ( 20kg/s tương ứng 20mA) • Khối FT truyền tín hiệu điện có cường độ 20mA đến khối FIC, • Tại FIC, khuếch đại bên FIC khuếch đại tín hiệu 20mA với hệ số khuếch đại K=20/22 ~0,91 truyền đến van cấp nước chính, • Tín hiệu điện điều chỉnh độ đóng mở van để đạt độ mở khoảng 91% tương ứng với lưu lượng nước cấp 20kg/s, • Lưu lượng nước cấp tương ứng với lưu lượng nhiệt mức nước bao trì ổn định 10 • Trong thực tế vận hành, hệ thống điều khiển tín hiệu xảy sai lệch: o Có sai số khuếch đại bên FIC o Cảm biến đo lưu lượng có sai lệch nhỏ Trong ví dụ hệ số khuếch đại K=0,90909, K cài đặt 0,91 lưu lượng nước cấp vào bao nhiều lưu lượng nhiệt làm cho mức nước bao tăng lên Sơ đồ điều khiển hai tín hiệu: • FT, Flow Transmitter, khối truyền tín hiệu lưu lượng dòng • LT, Level Transmitter, khối truyền tín hiệu mức • K, Gain, khối khuếch đại tín hiệu • LC, Level Controller, khối điều khiển lưu lượng • Σ, Integration Function, khối tích phân Sơ đồ điều khiển nước cấp ba tín hiệu: • FT, Flow transmitter, cảm biến lưu lượng • LT, Level Transmitter, cảm biến mức • K, khối khuếch đại 11 • • III Khối 6, lấy hiệu chênh lệch lưu lượng nhiệt lưu lượng nước cấp Khối Σ, khối khuếch đại Điều khiển tốc độ tuabin: KA – Hệ số khuếch đại khuếch đại e – Điện áp điều khiển x – Hành trình cánh van có khối lượng m Ω - Vận tốc góc trục turbine 12 Qt – lưu lượng vào turbine F1,F2- tín hiệu phản hồi E1, E2 – tín hiệu sai lệch - Các yếu tố ảnh hưởng đến trình điều khiển tốc độ tuabin + Phụ tải điện thay đổi + Lưu lượng vào tuabin thay đổi - Tốc độ hay công suất turbine điều khiển lưu lượng vào turbine thông qua việc điều khiển van điện thuỷ lực Hệ thống điều tốc vòng lặp kín, sai lệch tốc độ, sai lệch công suất sai lệch áp suất điều khiển van điều khiển lưu lượng Trong đó: • WPID((s) – Hàm truyền điều khiển PID; • G1(s) – hàm truyền cụm van -xylanh điều khiển van hơi; • G2(s) – hàm truyền cụm turbine – máy phát; • KQ – hệ số quan hệ lưu lượng khí hành trình đóng mở van • W(s) = G1(s).KQ.G2(s) 13 Hàm truyền, tỷ lệ tích phân, vi phân  Hàm truyền đạt: Fdk = U U (P) , Fdk ( P ) = I I ( P) ( P) Mắc nối tiếp: FHT = F1 ( P ) × F2 ( P ) × × Fn ( P ) Mắc song song: FHT = F1 + F2 U ( P ) = F1 × E ( P )   E ( P) = I ( P) − U ( P ) × F2 U ( P ) = F1 × E ( P )   E ( P) = E ( P) + F1 × F2 × E ( P ) Vòng kín: FDK = U (P) F1 = I ( P) + F1 F2 Phương pháp để tìm hàm truyền đạt: F= 14 U U (P) , F ( P) = I I ( P) B1: tìm, xđ hệ pt vi phân (pt trạng thái) khâu dn d n −1 dm d m−1 U ( P) + an −1 U ( P) + + a = bm I( P) − bm−1 I( P) + + b0 dt dt dt dt a P n + a P n −1 + + a0 F ( P ) = n m n −1 m−1 bm P + bm −1P + + b0 an F (s) = B2: an s n + an −1s n −1 + + a0 bm s m + bm −1s m −1 + + b0 Bộ tỷ lệ: giả thiết tỷ lệ có hệ số Kp: U = K p I → Fp = P : KP  I : KI  Bộ tỷ lệ tích phân (PI) Giả thiết  YP = X K P YI = ∫ XK I dt ⇔ ∂YI = XK I ∂t  Bộ tỷ lệ tích phân đạo hàm (PID) 15 U = Kp I     YI = ∫ XK I dt  Y = YP + YI + YD  ∂ ( XK D )  YD = ∂t   YP = XK P 16