Hệ thống điều khiển quá trình (phần 2)

Chương 4VẬN HÀNH HỆ THÓNG ĐIỂU KHIÉN QUÁ TRÌNH Trong phần này trước tiên giới thiệu vận hành thiết bị mô phỏng mô hình của hãng FESTO với phần mềm sừ dụng InTouch, Trên cơ sở nắm vững ng

Chương 4

VẬN HÀNH HỆ THÓNG ĐIỂU KHIÉN QUÁ TRÌNH

Trong phần này trước tiên giới thiệu vận hành thiết bị mô phỏng (mô hình) của hãng FESTO với phần mềm sừ dụng InTouch, Trên cơ sở nắm vững nguyên lý vận hành có thể phát triển ứng dụng vào qui trình công nghệ

cụ thể sử dụng phần mềm khác; thông thường phần mềm hay dùng trong công nghiệp hiện nay là WinCC

4.1 BẢNG ĐIÈU KHIẺN

Trong thiết bị HTĐKQT của FESTO, ở trạm By-pass có một bảng dùng cho việc điều khiển trạm by-pass bằng tay khi ta không sử dụng phân mềm InTouch

Khi ta điều khiển trạm By-pass bằng tay thì phải chuyển chế độ hoạt động của bộ điều chỉnh sang chế độ Manual (đèn xanh bị tắt đi), Đây là chức năng cùa các nút trên bảng điều khiển

+ Nút Start - Khởi động bơiĩi

+ Nút thứ hai - Dùng để chọn van ngõ vào

Nó dùng để bật tắt ngô vào của các trạm mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ

+ Nút thứ ba - Dùng để chọn van ngõ vào

Nó dùng để bật tắt ngõ ra của các trạm mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ

+ N útQ uit - Reset các trạm+ Nút

Emergency Stop - Dừng khẩn cấp

75

+PROVIS- GB Process Visualisation and Training (2 disks)

4.2.4 Cài đặt phần mềm Soíting ( Proíibus )

+Trước khi cài đặt, chúng ta phải lắp card Proĩibus +Gắn Hardlock vào máy ( cổng máy in )

+Tiến hành cài đặt

4.2.5 Cài đặt phần mềm InTouch

4.2.6 Cài đặt những ứng dụng của PCS trong InTouch

4.3.2 Các địa chỉ, công tắc Dip Switches, kết nối Prof1bus

Khi sử dụng hệ thống PCS hoàn chỉnh, ta phải tuân theo đúng thứ tự kết nối và điều chỉnh các địa chỉ của từng trạm theo hình vẽ sau

Address 8

Address 5

Level Conírol

Address 3 Fiow Control

Address 4 Siem ens PLC

Address 6 Pressure Control

Address 2 Temperature Control

+Điều chỉnh các công tắc Dip Svvitches trong bộ điều khiển Burket để sử dụng cho Proĩibus

+Dành cho hai trạm lưu Iưọmg và áp suất - Flow and Pressure ( Off, Off, On, On, Off, Off, On, O n )

+Dành cho hai trạm mức và nhiệt độ - Level and Temperature ( On, On, On, On, Off, Off, On, On )

+Sau đó vào trong Menu Serial để đặt chế độ làm việc của bộ điều chỉnh là Remote và đặt các địa chỉ (address) theo đúng như hinh vẽ

4.4 SỬ DỤNG HỆ THÓNG ĐIÈU KHIỂN QUÁ TRÌNH

4.4.1 Khởi động hệ thống

+ M ở tất cả các trạm+Khởi động máy tính (Hardlock phải được gắn vào máy tính)+Khởi động Profibus trước bằng cách “Start”, “Programs”,

“FM S-DDE Server” Trên màn hình máy tính phải xuất hiện khung cừa sổ như hình vẽ Trạng thái hoạt động “Board Status” là

“Running” và không được báo “Error” Neu báo E ưor íhì phải khỏd động máy lại

“Program s”, “Festo Didactic” và “ InTouch”

+Khi m àn hình InTouch xuất hiện, hãy đánh dấu vào thư mục sau (c:\progra~l\pes_s7pc)

79

InTọucK Version 5.6bSelect an Appiication DiiệctcKỵ:

c A p r o g r a ^ ^ l V d i d a c t i c V i n t o u c h g b K n e M a p p

c : \ p r o g r a ' " 1 \ d i d a c t i c \ p c s g b

c : \ D i o a f a ~ 1 \ D c s s 7 d c

CancelApplication Descriptíon

Confígure lnĩouchi(et(íng* íor lhì« Computer

(Netvvorked Application DevelopmenL ResoluUon)

+Hãy click vào biểu tượng “ W indow Viewier” và màn hình Process Control System sẽ hiện ra

reSTO Didđctỉc Training tằse onlyỉRechhei^tt 3||DenkendoT

4.4.2 Điều khiển quá trình

+Click vào thanh Process Controi và ta sẽ thấy trạm By-pass với các valve và các cảm biến

rE.VTO D ỉd actic r r ũ n i n e eni>'|K «chl»eref(r 3 ||l> e n k « n d o r

Process Control System

-storagè

I ■eot^r 11 I conl< r 1 i c.cvTitr r t

s i ! Ẻ T i t ì n í ’

íỊỉtration

p ro cess conứ-oi overvi ew

+PLC phải đang ở chế độ hoạt động

FESTO D l d ^ t í í - T r * in in 6 o n ỉy |R « c h b e re « tr 3!iD*nKeii<Ìo

+Tất cả các valve và bơm có thể điều khiển từ màn hình này băng cách click vào các biểu tượng tương ứng

+ Màu xanh biểu thị cho việc thiết bị đang hoạt động ( mở ), màu đỏ biêu thị cho việc các thiết bị đang ở chế độ tắt ( đóng )

+Cỉick vào “Measure Lab” để thấy màn hình điều khiển cho tất

„,,i 1

v~-tũXì ftow iritt

+Từ màn hình, ta có thể thay đổi thông số điều khiển cho các

+Tuy nhiên, màn hình không thể hiển thị cùng lúc các quá trình

xử lý của tât cả các trạm mà chỉ hiển thị quá trình xử lý của trạm mà ta chọn

+Bạn có thể điều những chinh thông số khác của bộ điều chỉnh Nhưng đây là những thông số quan trọng:

Level Flow Pressure Temperature

4.4.3 Thay đổi thông số

+Chọn quá trình xừ lý mà bạn muốn thay đổi thông số bằng cách click vào những nút phù họp

FESTO D ìd^ctíc - T r a iỉú n g u^e oiU vlR «chhersstr 3I|D «nkenđo

• cDníĩguratlon

flow rạte controĩler

+Sau khi chọn quá trinh xừ lý, ta hãy click vào nút

“Configuration” để thay đổi các thông số; Kp, Tv và Tn+Sau khi thay đổi thông số, ta hãy click vào nút “ Process” Tại đây, ta có thể thay đổi giá trị đặt chỉnh “Set point”

+Ta phải để ở chế độ manual trước khi thay đổi set points.+Click vào nút “Set points” Ta sẽ thấy xuất hiện 1 hộp thoại, hãy nhập giá trị set points mới và click “OK”

F E ST O D id acd c - T rain in g u se © n l> ỊR p ch h ersíư ỉìlỉ^ n k en d o T £

^ / % w f r í r s l

síorage

v-oo

i ũ coníguration ị ratQ coiìírolí'í'?!

+Khi click vào nút “Historical Trend”, 1 hộp hội thoại sẽ xuất hiện Hộp thoại này sẽ cho chúng ta biết những thông tin của quá trình xử lý trước đó.

H ỉst0rỉ€aỉ Trend Setxq p

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hànli và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phâm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn vận hành

Một hệ thống thực nghiệm hệ thống điều khiển quá trình bao gồm các thành phần cơ bản là bộ điều khiển, thiết bị đo, thiết bị chấp hành Điên hình là thiết bị mô phỏng quá trình chưng cất đề cập dưới đây

87

Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất:

4 Bình chứa sản phẩm;

5 Thiết bị ngưng tụ;

6 Thiết bị chia dòng;

7 Ống sinh hàn;

Thiết bị thực nghiệm chưng cất do hãng EDIBON cung cấp Đây là thiết bị chưng cất gián đoạn được chế tạo với mục tiêu chính là làm thực nghiệm về quá trình chưng cất.

Năm 2008 thiết bị thực nghiệm điều khiển quá trình chựng cất tưong

tự được xây dựng hệ thống điều khiển trên nền W inCC, thiết kế, chê tạo hoàn chỉnh và sử dụng làm thực nghiệm khá hiệu quả ở Trường ĐH Bách khoa TP.HỒ Chí Minh Đề tài đã được chuỵển giao với sự hỗ trợ hoàn toàn kinh phí của Sờ Khoa học Công nghệ TP.HỒ Chí Minh, triển khai bởi Trung tâm N eptech của Sở

Sơ đồ thiết bị như hình tiếp sau các ký hiệu trong sơ đồ được đề cập

và giải thích trong phần mô tả

89

Hỗn hợp Etanol - nước được đưa vào nồi đun (T3) cho đến khi đạt giá trị mức trên và được gia nhiệt bằng điện trở trong nồi đun đến nhiệt độ sôi Dòng liệu được bơm nhập liệu (P l) đưa qua điện trở (R l) đun nóng tới giá trị cài đặt đi vào tháp ở đĩa nhập liệu Tại đĩa nhập liệu xảy ra quá trình chưng do sự tiếp xúc pha giữa pha hơi từ nồi đun đi lên và pha lỏng từ đĩa nhập liệu xuống, hơi từ nồi đun sẽ lôi kéo các cấu tử dễ bay hoi trong dòng nhập liệu đi lên làm cho nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng lên trên càng tăng và dòng lỏng từ trên xuống càng giảm thành phần các cấu tử dễ bay hơi Lượng hơi tiếp tục đi qua phần cất của tháp tói đỉnh tháp và qua thiết bị ngưng tụ (T5) Sau khi qua hệ thống ngưng tụ, một phần chất lỏng đi tới bình chứa sản phẩm đỉnh, phần khác được bơm hoàn lun (P2) về đĩa trên cùng của tháp Tại đây tiếp tục xảy ra quá trình cất do sự tiếp xúc pha giữa pha hơi từ phần chưng đi lên và pha lỏng từ dòng hoàn lưu về, pha hod tiếp tục lôi cuôn các cấu tử dễ bay hod làm tăng nồng độ sản phẩm đỉnh Một phần sản phẩm đáy được ra khỏi tháp.

Các thông số của chế độ làm việc được xác định theo bảng sau:

3 Nhiệt độ hơi ở đỉnh tháp 83

4 Lưu lượng nhập liệu 165 ml/phút

5 Lưu lưọrng dòng hoàn

Tháp chưng cất được lắp đặt có thể sử dụng để chưng cất hệ 02 cấu

tử khác đáp ứng yêu cầu công nghệ và chất lượng sản phẩm

Do sản phẩm đề tài là thiết bị thực nghiệm với tác động nhiễu đơn giản, kiểm soát được Do đó bước đầu đào tạo sinh viên bằng hệ thông một vòng điều chỉnh 06 đại lưọTig công nghệ riêng biệt

- Bộ điều chỉnh chính có nhiệm vụ ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh là

bộ điều chỉnh nhiệt độ (5) phần trên của tháp

- Bộ điều chỉnh lưu lượng (1) ổn định lưu lượng nhập liệu

- Bộ điều chỉnh nhiệt độ (2) ổn định nhiệt độ nhập liệu

- Bộ điều chỉnh áp suất (3) ổn định áp suất trong tháp đảm bào duy trì cân bằng vật chất theo pha hơi

- Bộ điều chỉnh mức (4,6) ổn định mức đảm bảo duy trì cân bằng vật chất theo pha lỏng trong bình tách lỏng và đáy tháp

Sơ đồ tự động hóa như sau:

91

Tại thời điểm t ’ thay đổi đầu vào MV (MV là tín hiệu thử) theo bước nhảy, thí dụ từ MVo đến M V1

Lúc này giá trị ngõ ra thay đổi từ PVo đến P V1

93

Hàm truyền của đối tượng có thể được xấp xỉ bằng mô hình toán

fV(SJ = K.

(T5 + 1 / trong đó: n: bậc của hệ thống;

Các thông số của hàm truyền được tính toán như sau:

àpvịỵo) AMVịỵo)

APV, AMV được tính toán theo tỉ lệ %

Thời gian trễ c và T:

T = ‘-ệ~, r = t ^ + t ^ - k ^ T K

Trong trưòng họp khó xác định điển uốn thì dựa vào lý thuyết điều khiển với APVc = 0,63 APV Điểm Q là giao điểm của đường thẳng song song với trục hoành có giá trị PVc = APVc + PVo với đồ thị đáp ứng Từ điểm Q này vẽ đường thẳng vuông góc với trục hoành cắt P V1 tại điểm A Tiếp tuyến tại điểm uốn sẽ đi qua điểm A

4.5.3 Xác định các thông số của bộ hiệu chỉnh PID

Thông số hiệu chỉnh PID có thể được xác định từ dạng hàm truyền

H ( 5 ) bằng phương pháp thực nghiệm Stogestad theo bảng sau:

Kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn E cắt các trục để xác định T và T:

1

T,

K i l + T )

K Ợ + r )mm[T,k^ ợ, + ĩ)]

Trong đó G(s) là hàm truyền của kênh điều chỉnh.

K-p, Tị, Td là thông số bộ hiệu chỉnh PID được tính với:

- Khi hàm truyền có trễ thì: Tc=i v à k | - l ,44 hoặc 4

- Khi hàm truyền không trễ thì T c = 1 , t = 0 v à k i= l,4 4 hoặc 4

Theo yêu cầu chất lượng điều khiển có thể chọn kj :

- ki= l,4 4 - đáp ứng quá độ nhanh

Cấu trúc hệ thống và sơ đồ thiết lập hệ thống điều khiển như sau:

M ÁY TÍNH

TU ĐIỀU KHIẾN HÊ THỐNG CHƯNG CÁT

12 Đầu dò nhiệt.

Cảm b iồ i \m lượng dòng nhập liệu

Cảm b iải lưu lượng dòna hoàn luu.

Cảm biên áp suàt, Cảm biẻn mức nồi dun

MođỉileAI MoàileAO ĩhẽnhớ64K SimaticQgí.

S C R _ _ _ _ _ SCR

_ _ _ _ L - Biến tằn hơữì hoàn lưu

Điện ứ ò nôi đun Điện trà dòng nhập liệu Điện trò thùng diứa Van xả sản phẩm ầ n h

Cảm biến và van được chọn theo kích thước ống, lưu lượng, áp suất và nhiệt độ làm việc của dòng lưu chất Môi trường lưu chất là rượu không ăn mòn, độc hại hoặc gây cháy nồ cho nên có thể chọn thiết bị dạng điện với tín hiệu vào ra chuẩn

- Van tuyến tính, van selenoid Burkert 6023, 2833

- Cảm biến nhiệt độ Omron Thermocouple loại K

- Cảm biến lưu lượng Kobol DPM

- Cảm biến mức Kobol NMC

97

Danh mục thiêt bị tự động hoá:

3 VTT2 Van tuyến tính điều khiển lưu

lượng dòng xả sản phẩm đáy

4 VTT3 Van tuyến tính điều khiển lưu

lưọTig dòng hoàn lưu

5 V I 14 Van tuyến tính điều khiển lưu

lượng dòng nước giải nhiệt

Burkert 6233, DC24V,

4 - 2 0 m A ,G lBơm

1 P1 Bơm nhập liệu 100W, 220V, 3pha

2 P2 Bơm hoàn lưu 100W, 220V, 3phaĐiện tr ở

2 R2 Điện trở dòng nhập liệu 500W

3 R3 Điện trở thùng chứa lkW

Cảm biến nhiệt độ

1 TI1-T6 Nhiệt độ mâm 1 -6 OMRON E52-CA1D

M6SUS316 Thermocoule loại K, ren 20tnm, dài lOOmm

2 TI7 Nhiệt độ đỉnh tháp

3 TI 8 Nhiệt độ nồi đun

4 TC9 Nhiệt độ dòng nhập liệu

5 TIIO Nhiệt độ sản phẩm

6 T Ill Nhiệt độ dòng nước giải nhiệt vào

7 TI12 Nhiệt độ dòng nước giải nhiệt ra

Cảm biến mức

1 LCl Cảm biến mức nồi đun KOBOL NMC-

H.1.2.G6.0.3, chiều dài: 0.6m

2 LC2 Cảm biến mức bình chứa sản

phẩm đỉnh

KOBOL NMC- H.1.2.G6.0.3, chiều dài: 0.3m

Cảm biến lưu lưọTig

1 FE1 Cảm biến lưu lượng dòng

nhập liệu

KOBOL DPM- 1.5.07.G1.L443Lưu lượng: 0.015- 0.71/phút

1 FE2 Cảm biến lưu lượng dòng

hoàn lưu

99

Cảm biến áp suất

1 P1 Cảm biến áp trên đỉnh tháp SIEMENS,

0-1.6bar, output; 4- 20mA

Nội dung cơ bản các bài thực nghiệm

Thiết bị có thể được sử dụng để tiến hành các thực nghiệm sau;

Bài 1: Khái niệm điều chỉnh thông số công nghệ

5 Thiết bị gia nhiệt.

6 Bộ điều khiển nhiệt độ

Sơ đồ công nghệ:

T v G

r 0 0 oooo

u

Tv - Nhiệt độ của lưu chất vào thiết bị;

T - Nhiệt độ ra của thiết bị;

G - Lưu lượng dòng lưu chất;

u - Điện áp cung cấp cho điện trở gia nhiệt

101

N hiễu được tạo bàng cách tăng giá trị lưu lượng hoặc nhiệt độ nguyên liệu trong bồn chứa ở một lượng nhất định A G hoặc A Tv

Sơ đồ khối:

Z(Tv, G)

N ôi d u n s thưc nợhiêm:

+ Trạng thái ban đầu: thiết bị đang hoạt động ở chế độ ổn định với

y = y°, không có nhiễu z= 0

a) Thiết bị hoạt động không cổ hệ thống điều chỉnh:

Đưa tác động nhiễu z vào hệ thống

Khảo sát biên đổi nhiệt độ đầu ra T theo thời gian cho đến khi đạt giá trị xác lập

- Xác định giá trị (y) xác lập mới

b) Điều chỉnh nhiệt độ bằng tay.

Đưa tác động nhiễu z vào thiết bị

Theo dõi biến đổi nhiệt độ T trên màn hình

- Điều chỉnh bằng tay điện áp u cho đến khi T trở về giá trị cài đặt ban đầu T°

Vẽ lại biểu đồ đáp ứng quá độ của nhiệt độ T

- X ác định các chỉ tiêu chất lượng điều khiển ỵd , tR.

c) Tự động điều chỉnh nhiệt độ:

- Kết nối thiết bị với bộ điều khiển nhiệt độ trên PLC.

Đưa tác động nhiễu z vào thiết bị

- Quan sát đáp ứng quá độ của nhiệt độ T

- So sánh, đánh giá hình dạng đáp ứng quá độ và các chỉ tiêu chất

lượng yd , ÍR ở 2 chế độ điều chỉnh bàng tay và tự động

Bài 2: Cấu trúc hệ thống tự động hoá quá trình

Muc đích:

- Giới thiệu cấu trúc, các phần tử của HTĐKQT trong công nghiệp.

- Đọc hiểu các kênh điều khiển, biểu diễn thiết bị tự động hóa trên sơ

Các tiêu chuẩn này cơ bản giống nhau về ký hiệu quy ước của dụng cụ đo và thiết bị tir động hóa, tuy có khác nhau về hình thức thể hiện Việt Nam chưa

có tiêu chuẩn riêng Tuy nliiên, nếu biết được một tiêu chuẩn thì có thể dễ dàng đọc sơ đồ công nghệ vẽ theo các tiêu chuẩn khác

Nôi duns thí n sh iêm :

a) Khảo sát các thiết bị, dụng cụ trẽn hệ thống thí nghiệm.

- Xác định chủng loại và vỊ trí cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, van tuyến tính

- Vẽ lại sơ đồ công nghệ có thiết bị tự động hóa

Vẽ sơ đồ khối các kênh điều chỉnh

b) Khảo sát P LC và màn hình giao diện:

- Xác định kết nối và ngõ vào/ra của PLC.

- Đọc sơ đồ công nghệ trên màn hình giao diện

- Xác định các đại lượng điều chỉnh và cấu trúc kênh điều chỉnh

- Khảo sát nội dung các màn hình điều khiển, giá trị thông số côngnghệ

c) Điều khiến quá trĩnh qua giao diện điều khiển:

- Tắt, m ở các thiết bị động lực, van.

- Vận hành thiết bị riêng lẻ: thiết bị gia nhiệt nhập liệu

- Điều chỉnh thông số công nghệ bàng tay: mức lỏng, nhiệt độ nhậpliệu