Nghiên cứu phát triển các module thí nghiệm điều khiển quá trình ứng dụng DCS centum CS 3000 tại trường đào tạo nhân lực dầu khí

Trang BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN TRÁNG NGUYỄN VĂN TOẢN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC MODULE THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ỨNG DỤNG DCS CENTUM CS 3000 TẠI TRƯỜNG ĐÀOTIẾN TẠO HỆ NHÂN LỰC DẦU NGHIÊN CỨU CẢI THỐNG ĐIỀUKHÍ KHIỂN TỔ HỢP MÁY PHÁT ĐIỆN ГМС 14-41-120М 04 TẠI CÁC GIÀN KHOAN CỦA LIÊN DOANH DẦU KHÍ VIETSOVPETRO CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS THÁI DUY THỨC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HOÀNG MINH SƠN HÀ NỘI - 2006 HÀ NỘI - 2008 Trang LỜI CẢM ƠN Hoàn thành đề tài này, tác giả bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới PGS.TS Hoàng Minh Sơn – Bộ môn Điều khiển tự động-Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội, trực tiếp định hướng tận tình hướng dẫn tác giả thực đề tài này; tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Bộ môn Điều khiển tự động -Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình trang bị kiến thức quý báu cần thiết cho đề tài; tác giả xin chân thành cảm ơn tới Ban Giám Hiệu đồng nghiệp Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí tạo điều kiện thuận lợi hết lòng giúp đỡ, tư vấn kiến thức chuyên môn trình thực đề tài Mặc dù tác giả cố gắng tránh khỏi sai sót hạn chế thời gian kiến thức kinh nghiệm, mong nhận góp ý, phê bình từ thầy cô đồng nghiệp Vũng Tàu, tháng năm 2008 Tác giả Trang MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG I KHẢO SÁT VÀ TIẾN HÀNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO CÁC MODULE THÍ NGHIỆM HIỆN CÓ 16 1.1 Xây dựng mô hình cho module thí nghiệm điều khiển lưu lượng 17 1.2 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển mức 20 1.4 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển áp suất 30 1.5 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển tỉ lệ 34 CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MODULE THÍ NGHIỆM VỚI CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU 38 2.1 Các sách lược điều khiển sở 38 2.1.1 Điều khiển truyền thẳng 38 2.1.2 Điều khiển phản hồi 39 2.1.3 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng 41 2.1.4 Điều khiển tầng 41 2.2 Thiết kế module thí nghiệm điều khiển tầng cho trình mức-lưu lượng 42 2.2.1 Mục đích 42 2.2.2 Xây dựng mô hình 43 2.2.3 Sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt 45 2.2.4 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 46 Trang 2.3 Thiết kế module điều khiển tầng cho trình nhiệt độ-lưu lượng 47 2.3.1 Mục đích 47 2.3.2 Xây dựng mô hình 47 2.3.3 Sơ đồ khối hàm truyền đạt 52 2.3.4 Sơ đồ thí nghiệm 53 2.4 Thiết kế module thí nghiệm điều khiển đối tượng hai vào-hai 54 2.4.1 Mục đích 54 2.4.2 Xây dựng mô hình 55 2.4.3 Thiết kế sách lược điều khiển 57 2.4.4 Sơ đồ khối mô hình hàm truyền đạt 62 2.4.5 Sơ đồ thí nghiệm 65 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MẾM CENTUM CS 3000 VÀO ĐIỀU KHIỂN CÁC MODULE THÍ NGHIỆM 67 3.1 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển phân tán 67 3.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán phòng thí nghiệm 68 3.1.2 Chức điều khiển hệ thống điều khiển phân tán 70 3.1.3 Chức thiết kế điều khiển hệ thống điều khiển phân tán 72 Các chức thiết kế chuẩn: 72 3.2 Thiết kế điều khiển cho module thí nghiệm Centum CS3000 74 3.2.1 Thiết kế điều khiển Control Drawring Builder 76 3.2.2 Soạn thảo hình vận hành giám sát 78 CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 81 Tổng quan phương pháp thực nghiệm 81 4.2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng 83 Trang 4.3 Áp dụng phương pháp thực nghiệm dựa đáp ứng độ để xác định tham số mô hình chỉnh định điều khiển PID theo phương pháp Dahlin 83 4.3.1 Nhận dạng đối tượng sở đáp ứng độ) 83 4.3.2 Tính toán tham số điều khiển PID theo phương pháp Dahlin 84 4.3.3 Tiến hành thực nghiệm cho module điều khiển mức- lưu lượng 85 4.3.4 Đánh giá kết thực nghiệm 93 4.4 Đánh giá chung hiệu thí nghiệm 93 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Hình Mô hình vật lý phòng thí nghiệm Hình Các bước thực đề tài 12 CHƯƠNG Hình 1.1 Lưu đồ P&ID cho điều khiển lưu lượng 17 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho điều khiển lưu lượng 18 Hình 1.3 Lưu đồ P&ID module thí nghiệm điều khiển mức 21 Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống hở 24 Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ kín 25 Hình 1.6 Lưu đồ P&ID Mudule thí nghiệm điều khiển nhiệt độ 26 Hình 1.7 Lưu đồ P&ID cho module thí nghiệm điều khiển áp suất 31 Hình 1.8 Lưu đồ P&ID cho điều khiển tỷ lệ 35 Trang CHƯƠNG Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát điều khiển truyền thẳng 38 Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát điều khiển phản hồi 39 Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát điều khiển phản hồi kết hợp với truyển thẳng 41 Hình 2.4 Cấu trúc truyền thống điều khiển tầng 42 Hình 2.5 Sơ đồ P&ID cho điều khiển mức-lưu lượng 43 Hình 2.6 Sơ đồ khối hàm truyền đạt cho điều khiển mức-lưu lượng 45 Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm điều khiển mức – lưu lượng 47 Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tầng cho qua trình nhiệt độ-lưu lượng 50 Hình 2.9 Sơ đồ khối hàm truyền đạt cho trình 52 Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm điều khiển hỗn hợp nhiệt độ -lưu lượng 53 Hình 2.11 Bình trộn biến trình 55 Hình 2.12 Sơ đồ khối biến trình 57 Hình 2.13 Cấu trúc kết hợp sách lược phản hồi với bù nhiều 58 Hình 2.14 Sách lược điều khiển phản hồi cho trình mức 58 Hình 2.15 Sách lược điều khiển phản hồi cho trình nhiệt độ 59 Hình 2.16 Kết hợp điều khiển tỷ lệ điều khiển phản hồi 60 Hình 2.17 Cấu trúc sách lược điều khiển cho đối tượng hai vào – hai 62 Hình 2.18 Mô hình hệ thống điều khiển thiết bị trộn 63 Hình 2.19 Sơ đồ khối hàm truyền đạt cho điều khiển trình mức 64 Hình 2.20 Sơ đồ khối hàm truyền đạt cho trình điều khiển nhiệt độ 65 Hình 2.21 Sơ đồ P&ID cho module thí nghiệm 66 Trang CHƯƠNG Hình 3.1 Mô hình phân cấp tổ chức hệ điều khiển phân tán 68 Hình 3.2 Trạm điều khiển trường loại compact FFCS 69 Hình 3.3 Cấu trúc hệ DCS sử dụng phòng thí nghiệm 69 Hình 3.4 Bản vẽ sách lược điều khiển tầng cho trình mức-lưu lượng 77 Hình 3.5 Bản vẽ sách lược điều khiển tầng cho trình mức-lưu lượng 77 Hình 3.6 Bản vẽ sách lược điều khiển cho đối tượng hai vào-hai 78 Hình 3.7 Màn hình vận hành cho module điều khiển trình mức-lưu lượng 79 Hình 3.8 Màn hình vận hành cho module điều khiển nhiệt độ-lưu lượng 79 Hình 3.9 Màn hình vận hành cho module điều khiển đối tượng hai vào-hai 80 CHƯƠNG Hình 4.2 Đường cong đáp ứng đối tợng điều khiển 84 Hình 4.3 Đường cong đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061 86 Hình 4.5 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061(P=196, I=6) 88 Hình 4.6 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061(P=250, I=6) 88 Hình 4.7 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061(P=300, I=6) 88 Hình 4.8 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061(P=250, I=5) 89 Hình 4.9 Đáp ứng đường cong cho đối tượng điều khiển LIC061 90 Hình 4.9 Đáp ứng trình ứng với tham số PB=24, TI=500 90 Hình 4.9 Đáp ứng trình ứng với tham số PB=40, TI=500 90 Trang MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí đơn vị thành viên Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam Trải qua 30 năm hoạt động, Trường đào tạo, bồi dưỡng cho 55.000 lượt học viên với 70 chương trình đào tạo khác Kết qủa góp phần quan trọng vào phát triển nguồn nhân lực ngành Dầu khí Việt Nam Trong năm gần đây, Ngành Dầu khí Việt Nam phát triển mạnh mẽ từ khâu thượng nguồn, đến trung nguồn hạ nguồn Hàng loạt dự án triển khai lĩnh vực thăm dò, tìm kiếm, khai thác, vận chuyển, chế biến, phân phối v.v…Nhiều nhà máy khâu hạ nguồn triển khai thực hiện, nhà máy lọc dầu Dung Quất, khu liên hiệp lọc hoá dầu Nghi Sơn, Long Sơn, Cụm khí điện đạm Cà Mau Các nhà máy xây dựng với dây truyền sản xuất đại mức độ tự động hóa cao tạo nhu cầu lớn đào tạo phát triển nguồn nhân lực đặc biệt nguồn nhân lực tự động hoá Xuất phát từ thực tế đó, Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam cấp kinh phí đầu tư xây dựng phòng thí nghiệm tự động hoá vào năm 2000 Để mô hệ thống điều khiển trình đại giống hệ thống điều khiển trình thực tế nhà máy nay, phòng thí nghiệm trang bị hệ thống điều khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán (DCS - Distributed Control System) hãng YOKOGAWA ( DCS CENTUM CS 3000 - hệ thống điều khiển phân tán sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển Trang trình nhà máy nay), với mô hình vật lý thể nhà máy thu nhỏ ( Advanced Integrated Plant Model) minh họa Hình Hình Mô hình vật lý phòng thí nghiệm Cấu trúc vật lý mô hình nhà máy thu nhỏ mô đun (Main Unit) thiết kế xây dựng cho mục đích đào tạo, nghiên cứu phát triển lĩnh vực đo lường điều khiển trình, để mô trình điều khiển lưu lượng, mức, áp suất nhiệt độ giống việc điều khiển biến trình nhà máy ngành công nghiệp chế biến, mô đun Trang 10 đựơc trang bị bao gồm hệ thống ống dẫn nước tuần hoàn từ bình thu hồi tới bình trộn, khối lượng lượng nước truyền điều khiển hai máy bơm nước P1 P2 Bộ phận tạo nhiệt lượng thay đổi để điều khiển nhiệt độ hai hệ thống phụ Heating unit Cooling unit kết nối sẵn sàng với mô đun Các thiết bị đo (Sensor, Transmiter) phần tử chấp hành (Control valve) tích hợp mô đun chính, tín hiệu truyền dẫn thiết bị tín hiệu 4-20 mA 1-5 V theo chuẩn ISA Mỗi sử dụng module thí nghiệm cho toán điều khiển khác ta việc thay đổi vị trí van tay đường ống thay đổi cấu trúc vật lý phù hợp với module thí nghiệm thiết kế Như mô hình vật lý nhà máy có cấu trúc tích hợp đa năng, tiện lợi linh hoạt cho việc phát triển, mở rộng Các thực hành thiết kế xoay quanh lĩnh vực điều khiển trình thực tế nhà máy như: Đo điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức chất lỏng…Học viên trang bị kỹ bao gồm hiệu chuẩn thiết bị đo, chỉnh định lại tham số điều khiển, thử nghiệm vòng điều khiển… học viên sử dụng cách thành thạo chức vận hành, giám sát nhà máy thông qua trạm giao diện HIS (Human Interface Station) hệ thống điều khiển phân tán Centum CS 3000 Với phòng mô hình Trường đào tạo nhiều khoá vận hành, bảo trì, thiết kế hệ thống DCS cho dự án lớn kể ngành Dầu khí như: dự án nhà máy đạm Phú Mỹ, nhựa Phú Mý, nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy Supe phốt phát Lâm Thao, nhà máy điện Hiệp Phúc, Bluescope Steel,… Trong năm gần đây, với phát triển đất nước, ngành Dầu khí Việt Nam có bước phát triển vượt bậc, hàng loạt nhà máy chế biến, lọc hoá dầu gấp rút triển khai xây dựng Bên cạnh phát triển Trang 87 ∆MV = 76 − 71 = (%) Kp2 = ∆PV 2(%) = 5.9/5=1.18(%) ∆MV 2(%) - Từ ta tính tham số điều khiển chế độ PI theo phương pháp Dahlin với tham số PB2 TI2 tính sau: ⎡ L p2 PB2 = 100 K p ⎢ ⎢⎣ τ p ⎤ + α ⎥ = 100*1.18*(4/6+0.01) = 196(%) ( chọn α =0.01) ⎥⎦ TI2 = τp2= 6(s) Bước 3: Chỉnh định tham số PID tốt cho điều khiển FIC061 Căn vào tiêu chất lượng đặt thời gian đáp ứng, thời gian độ, độ điều chỉnh, sai lệch tĩnh, mà ta chỉnh định (tăng giảm) tham số P, I để có chất lượng mong muốn Sau nhập tham số vừa tính bước cho điều khiển FIC-061 thực thao tác trình bày Bước Phụ lục ta thu đáp ứng độ đối tượng Hình 4.4 Ta dễ dàng nhận đường số thể bước nhảy giá trị đặt cho điều khiển FIC-061(SV2), đường số thể đáp ứng độ đối tượng điều khiển vòng kín (PV2), đường số thể thay đổi biến điều khiển (MV2) Trong đó, đường cong đáp ứng đối tượng điều khiển (đường số 4) có thời gian đáp ứng nhanh (khoảng 7s), thời gian độ khoảng 40s Tuy nhiên đáp ứng chưa có dạng đường đặc tính quán tính Nếu muốn đáp ứng có dạng đường đặc tính quán tính ta giảm hệ số khuếch đại (tăng PB, giá trị PB tính với giá trị α đề cập trên) phải chấp nhận thời gian đáp ứng tăng lên Sự thay đổi minh họa hình từ Hình 4.5 đến Hình 4.7 Để giảm bớt thời gian độ ta kết hợp giảm TI đáp ứng tốt Hình 4.8 Trang 88 Hình 4.4 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061( với P= 196; I=6) Hình 4.5 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061( P=250; I=6) Trang 89 Hình 4.6 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061 (P=300; I=6) Hình 4.7 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển FIC061( P=300; I=5) Trang 90 Bước 4: Tìm đường cong đáp ứng xác định tham số đối tượng điều khiển cho LIC061 FIC061 chế độ vòng kín LIC061 chế độ vòng hở - Thực thao tác Bước Phụ lục ta đường cong đáp ứng cho đối tượng điều khiển LIC061 (đường số 1) Hình 4.8 Hình 4.8 Đường cong đáp ứng cho đối tượng điều khiển LIC061 - Bằng phương pháp kẻ tiếp tuyến ta xác định tham số đối tượng điều khiển sau: Lp1 = 20 (s) τp1 = 500(s) ∆PV = 55.4 − 50 = 5.4 ∆MV = 71.1 − 69.1 = Trang 91 Kp1 = ∆PV 1(%) = 5.4/2= 2.7 ∆MV 1(%) - Từ ta tính tham số điều khiển chế độ PI theo phương pháp Dahlin với tham số PB1 TI1 tính saunhư sau: ⎤ ⎡ L p1 + α ⎥ = 100*2.7*(20/500+0.05) = 24( chọn α =0.05) PB1 = 100 K p1 ⎢ ⎥⎦ ⎢⎣ τ p1 TI1 = τp1= 500 Bước 5: Tính tham số PID cho LIC061 Thực nhập tham số vừa tính bước cho điều khiển LIC061 thực thao tác trình bày Bước Phụ lục ta thu đáp ứng trình Hình 4.9 Đường cong đáp ứng Hình 4.9 với tham số điều chỉnh PB=24, TI=500 ta nhận đáp ứng có đặc tính quán tính, thời gian độ khảng 90(s) nhiên tồn sai lệch tĩnh khoảng 0,3% Để thu đường cong đáp ứng có chất lượng mong muốn ta tiến hành thay đổi giá trị PB (ứng với hệ số tùy chọn β ), thay đổi minh họa Hình 4.10 với tham số PB=40, TI=500 đáp ứng không sai lệch tĩnh Trang 92 Hình 4.9 Đáp ứng trình ứng với tham số PB=24, TI=500 Hình 4.10 đáp ứng trình ứng với tham số PB=40, TI=500 Trang 93 4.3.4 Đánh giá kết thực nghiệm Sách lược điều khiển tầng thiết kế cho module thí nghiệm điều khiển trình mức-lưu lượng kiểm chứng phương pháp nhận dạng dựa đáp ứng độ trình thu từ thực nghiệm với giá trị đặt thay đổi dạng bậc thang để xác định tham số mô hình tính toán chỉnh định tham số điều khiển PID theo phương pháp Dahlin cho kết tốt Phương pháp nhận dạng trực tiếp dựa đồ thị đáp ứng độ ứng dụng nhiều thực tế tính trực quan đơn giản, đáp ứng yêu cầu phần không nhỏ toán điều khiển trình Module thí nghiệm hoàn toàn đưa vào sử dụng để phục vụ cho việc đào tạo nghiên cứu 4.4 Đánh giá chung hiệu thí nghiệm Để đáp ứng yêu cầu ngày cao chất lượng nguồn nhân lực tự động hóa giai đoạn nay, công tác đào tạo lý thuyết công tác đào tạo tay nghề thực tế yếu tố quan trọng người làm công tác kỹ thuật sở sản xuất Trong đó, phương tiện giảng dạy lĩnh vực điều khiển trình sở đào tạo chủ yếu sử dụng phần mềm mô phỏng, module thí nghiệm rời rạc có tính hạn chế phục vụ cho công tác đào tạo nghiên cứu phạm vi hẹp lĩnh vực điều khiển trình Qua việc nghiên cứu khảo sát Phòng mô hình thí nghiệm Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí cho thấy thí nghiệm có mô toán điều khiển với đối tượng phổ biến lĩnh vực điều khiển trình nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức chất lỏng Tuy nhiên, thí nghiệm thể sách lược điều khiển mức độ đơn giản sách lược điều khiển phản hồi, tỉ lệ Từ đó, tác giả khai thác Trang 94 phần tính ưu việt mô hình thí nghiệm đại với chức đa dụng (như giới thiệu phần mở đầu luận văn) việc phát triển thêm số module thí nghiệm với sách lược điều khiển khác sách lược điều khiển tầng, bù nhiễu, kết hợp sách lược điều khiển phản hồi với sách lược điều khiển tỉ lệ bù nhiễu (module thí nghiệm điều khiển đối tượng hai vào - hai ra) Đây sách lược điều khiển quan trọng sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển trình thực tế nhà máy chế biến dầu khí hay nhà máy sản xuất lượng Thông qua module thí nghiệm người học có thể: + Hiểu bước xây dựng mô vai trò cùa mô hình nhiệm vụ phát triển hệ thống người kỹ sư (thiết kế hệ thống sở mô hình phương pháp thiếu người kỹ sư) + Hiểu tính chất quan trọng sách lược điều khiển tầng, sách lược điều khiển ứng dụng rộng rãi hệ thống điều khiển trình thực tế + Hiểu tác dụng phối hợp sách lược điều khiển khác trình đa biến (hầu hết trình công nghệ đa biến) + Biết cách chỉnh định tham số PID cho hai điều khiển sơ cấp thứ cấp điều khiển tầng Đây việc làm thực tế người làm việc lĩnh vực điều khiển trình nhà máy Có thể nói module thí nghiệm thiết kế phát triển đóng góp phần hiệu cho công tác đào tạo nghiên cứu khoa học Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí Trang 95 KẾT LUẬN Luận văn với đề tài “Nghiên cứu phát triển module thí nghiệm điều khiển trình ứng dụng DCS CENTUM CS 3000 Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí” giải nội dung sau: Xây dựng mô hình toán học cho module thí nghiệm có Phòng thí nghiệm Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí phương pháp lý thuyết, sở thiết kế phát triển thêm module thí nghiệm với đối tượng sách lược điều khiển khác nhau, cụ thể: - Thiết kế module thí nghiệm điều khiển tầng cho trình mức lưu lượng - Thiết kế module thí nghiệm điều khiển tầng cho trình nhiệt độ-lưu lượng - Thiết kế module thí nghiệm điều khiển cho đối tượng hai vào –hai Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CENTUM CS3000 vào điều khiển module thí nghiệm, cụ thể: Thực thiết kế điều khiển giao diện điều khiển cho module thí nghiệm phần mềm hệ CENTUM CS 3000 Thực nghiệm phương pháp nhận dạng trực tiếp dựa đồ thị đáp ứng độ để kiểm chứng module thí nghiệm trước đưa vào sử dụng Hướng phát triển đề tài Qua khảo sát nghiên cứu hệ thống điều khiển mô hình vật lý Phòng thí nghiệm tác giả nhận thấy cần tiếp tục phát triển thêm module thí nghiệm với sách lược điều khiển khác điều khiển lựa chọn, điều khiển lấn át module thí nghiệm điều khiển logic để khai thác tối đa tính ưu việt phòng mô hình thí nghiệm Trang 96 PHỤ LỤC CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THEO PHƯƠNG PHÁP DAHLIN ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN TẦNG Sau bước tiến hành thực nghiệm dựa đáp ứng độ để tìm tham số đối tượng điều khiển tính toán chỉnh định tham số cho điều khiển PID theo phương pháp Dahlin Các bước tiến hành trình bày khái quát chung cho module thí nghiệm với sách lược điều khiển tầng sơ đồ khối Hình PL1 SV Bộ điều khiển Sơ cấp MV1 - Bộ điều khiển thứ cấp MV2 PV1 Quá trình PV2 Hình PL1 Sơ đồ khối điều khiển tầng Để tiện cho việc trình bày ta ký hiệu điều khiển sơ cấp CTRL1 có giá trị đặt SP1, biến điều khiển MV1, biến điều khiển PV1 Chế độ làm việc CTRL1 chọn MAN/OUT/CAS(Manual/Auto/Cascade Bộ điều khiển thứ cấp ký hiệu CTRL2 có giá trị đặt SP2, biến điều khiển MV2, biến điều khiển PV2 Chế độ làm việc CTRL2 chọn MAN/OUT(Manual/Auto) Bước 1: Tìm đường cong đáp ứng cho đối tượng điều khiển CTRL2 - Cho hai điều khiển CTRL1, CTRL2 làm việc chế độ MAN - Đặt SP1=50% phạm vi làm việc - Điều chỉnh MV2 cho PV1=SV1 theo dõi PV2 Trang 97 - Ghi lại giá trị PV1, PV2, MV2 - Thay đổi bước cho MV2 khoảng từ 2-5%, theo dõi cho PV2 ổn định trạng thái ta nhận đáp ứng đối tượng mà điều khiển CTRL2 điều khiển có dạng Hình PL2 (a) PV1 (c) ∆ PV (b) (d) PVo Lp τp ∆MV MVo t Hình PL Đường cong đáp ứng đối tượng điều khiển Đây đáp ứng độ đối tượng có đặc tính quán tính xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc có trễ biểu thức sau đây: K pe−L S P G p (s ) = τ Ps +1 Trang 98 Bước 2: Tính toán tham số đối tượng điều khiển tham số PID cho điều khiển CTRL2 theo phương pháp Dahlin với luật điều khiển PI - Từ đường cong đáp ứng Hình PL2 ta xác định Lp2, τp2 thông qua đường (a), (b), (c), (d), (Trong đường thẳng C tiếp tuyến với đường cong đáp ứng điểm uốn) - Lp2: thời gian trễ xấp xỉ - τp2: số thời gian - Kp2: hệ số khuếch đại tĩnh đối tượng - Trong đó: Kp2 = ∆PV 2(%) ∆MV 2(%) - Từ ta tính tham số điều khiển chế độ PI theo phương pháp Dahlin với tham số PB2 TI2 tính sau: ⎡ L p2 PB2 = 100 K p ⎢ ⎢⎣ τ p ⎤ +α⎥ ⎥⎦ TI2 = τp2 - Trong α hệ số chọn tùy theo tiêu chuẩn chất lượng đáp ứng nhanh, sai lệch hay độ vượt v.v…thông thường giá trị chọn giá trị sau: 2; 1; 0.5; 0.1; 0.05; 0.02; 0.01 - Chọn đáp ứng trình tốt ứng với tham số PID tính với giá trị tùy chon α theo bước Bước 3: Chỉnh định tham số PID tốt cho điều khiển CTRL2 - Vẫn để điều khiển CTRL1 CTRL2 chế độ MAN, điều chỉnh MV2 để PV1=SP1(*) - Chỉnh SP2 giá trị PV2 Trang 99 - Tính tham số P, I, D CTRL2: PB2 (P) ứng với với α=1, TI2 (I) = τp2 (D)TD=0 (luật PI) - Chuyển điều khiển CTRL2 chế độ AUTO Thay đổi bước SP2 khoảng 3-5%, theo dõi đồ thị - Lặp lại bước để quan sát đáp ứng trình Nếu đáp ứng chưa tốt thay với giá trị P khác tính để có kết tốt - Ghi lại kết P, I, D tốt cho CLRL2 Bước 4: Tìm đường cong đáp ứng đối tượng điều khiển cho CTRL1 CTRL2 chế độ vòng kín CTRL1 chế độ vòng hở - Đặt hai CTRL1 CTRL2 chế độ MAN đặt SP1= 50% phạm vi làm việc - Chỉnh MV2 PV1=SV1 - Chuyển CTRL1 AUT đợi trở trạng thái xác lập (với tham số tốt chọn bước 3) - Thay đổi bước SP2 khoảng 2%( ∆SP = 2% ) phạm vi cho đồ thị dễ nhìn đảm bảo hệ thống hoạt động thông số cho phép - Chờ PV1 ổn định Điều chỉnh tỷ lệ đồ thị hình trend cho phù hợp in Đây đáp ứng đối tượng mà điều khiển CTRL1 điều khiển Tính toán tham số đối tượng điều khiển Kp1; Lp1; τp1 tương tự Bước (Vì sách lược điều khiển tầng (CASCADE) nên ta có ∆MV = ∆SP ) ⎡ L p1 ⎤ + β⎥ ⎣ TP1 ⎦ PB (%) = 100 K p1 ⎢ TI1 (I) = τp1 Trang100 Bước 5: Tính tham số PID cho CTRL1 - Chuyển CTRL1 CTRL2 chế độ MAN - Chỉnh MV2 để PV1 ổn định SV1 Tính PB1(P) với β =2 TI1 (I) = τp1, nhập vào cho CTRL1 - Chuyển chế độ điều khiển cho CTRL1 AUT CTRL2 CAS - Thay đổi bước SP1 khoảng 5% chờ PV1 ổn định trạng thái Điều chỉnh tỷ lệ đồ thị hình trend cho phù hợp quan sát đáp ứng trình - Lặp lại bước để chỉnh định tham số PID tính theo β với giá trị khác là: ; 0,1;0,05; 0,02; 0,01 để tìm kết chỉnh định tốt Trang101 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xuất Bách khoa Hà nội, 2006 [2] Nguyễn Doãn Phước; Phan Xuân Minh, Nhận dạng hệ thống điều khiển, NXB khoa học kỹ thuật Hà nội, 2002 [3] Carl&A.Smith Ảrmando B.Corripio, Princciples and Practice of Automatic Process control, Second Edition, John Wiley & Sons,1991 [4] Donald R.Coughanowr, Proccess Systems Analysis and Control, Second Edition, McGraw-Hill, 1997 [5] Brian Roffel and Ben Betlem, Process Dynamics and Control, Modeling for control prediction, John Wiley & Sons, 2006 [6] Thomas E Marlin, Process Control Disigning Process and Control Systems for Dynamic Perrformance, 1995 [7] Shinskey, F.G: Process Control Systems, Design and Tunning, 3nd Edition Wiley, 2004 [8] Mea surement & Auto-Intrumentation Training Workshop, Tài liệu nội Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí hãng Yokogawa cung cấp [9] DCS Engeneering Book, Tài liệu nội Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí hãng Yokogawa cung cấp ... vụ phát triển tích hợp hệ thống Vì việc nghiên cứu phát triển module thí nghiệm điều khiển trình Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí có ý nghĩa thiết thực yêu cầu đào tạo Mục tiêu đề tài - Phát triển. .. tài - Phát triển số module thí nghiệm sách lược điều khiển khác nhau, ứng dụng hệ điều khiển DCS CENTUM CS 3000 Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí Nhiệm vụ đề tài - Trên sở nghiên cứu hệ thống mô hình... điều khiển để thiết kế cấu trúc, sách lược thuật toán điều khiển khác nhằm phát triển thêm số module thí nghiệm Chương III: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CENTUM CS 3000 vào điều khiển module thí