Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyển sản xuất keo nhũ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN - NĂM 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ THÁI NGUYÊN, NĂM 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thanh Hiệp Sinh ngày: 06 tháng năm 1979 Học viên lớp Cao học khóa K14 - Tự động hóa 01- Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Nhà máy Z131, Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phòng Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chưa cơng bố cơng trình Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Ngƣời thực Nguyễn Thanh Hiệp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy giáo đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thanh Hà, Đại học Thái Nguyên tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo Trung tâm thực nghiệm – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo huy Nhà máy Z131, Lãnh đạo huy Phòng Cơ điện, Xí nghiệp 3, đồng chí cán kỹ thuật cơng nhân Phòng Cơ điện, Xí nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ trình làm luận văn, thực nghiệm dây chuyền số Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm hạn chế nên luận văn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! NGƢỜI THỰC HIỆN Nguyễn Thanh Hiệp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i MỤC LỤC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i NỘI DUNG TRANG Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục hình vẽ iv MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH 1.1 Điều khiển q trình gì? 1.1.1 Quá trình biến trình 1.1.2 Phân loại trình 1.2 Mục đích chức điều khiển q trình 1.2.1 Vận hành ổn định 1.2.2 Năng xuất chất lượng sản phẩm 1.2.3 Vận hành an toàn 10 1.2.4 Bảo vệ môi trường 10 1.2.5 Hiệu kinh tế 11 1.3 Phân cấp chức điều khiển trình 11 1.3.1 Giao diện trình 12 1.3.2 Điều khiển sở 12 1.3.3 Điều khiển vận hành giám sát 12 1.3.4 Điều khiển cao cấp 12 1.4 Các thành phần hệ thống 13 1.4.1 Thiết bị đo 13 1.4.2 Thiết bị điều khiển 13 1.4.3 Thiết bị chấp hành 14 1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 14 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii 1.5.1 Phân tích chức hệ thống 14 1.5.2 Xây dựng mơ hình q trình 15 1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển 15 1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 16 1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống 16 1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng 16 1.5.7 Chỉnh định đưa vào vận hành 17 1.6 Mô tả chức hệ thống 17 1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa 17 1.6.2 Lưu đồ P&ID 18 CHƢƠNG PHÂN TÍCH CƠNG NGHỆ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH Q TRÌNH LÀM MÁT 19 2.1 Phân tích tốn cơng nghệ 19 2.1.1 Giải pháp công nghệ 19 2.1.2 Giải pháp khắc phục tồn 20 2.1.3 Lưu đồ P&ID hệ thống làm mát keo 21 2.2 Xây dựng mơ hình q trình làm mát 21 2.2.1 Mơ hình hóa lý thuyết 22 2.2.2 Mơ hình hóa thực nghiệm dựa đáp ứng độ 26 CHƢƠNG THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 28 3.1 Các sách lược điều khiển sở 28 3.1.1 Điều khiển phản hồi 28 3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward) 33 3.1.3 Điều khiển tỉ lệ 37 3.1.4 Điều khiển tầng 42 3.1.5 Điều khiển suy diễn 44 3.1.6 Điều khiển lựa chọn 45 3.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống 46 3.3 3.3.3 Mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng điều khiển PID kết hợp Feed-Forward X â3 53 3.4 Xét ổn đinh hệ thống sử dụng điều khiển phản hồi 54 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131 56 4.1 Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ 56 4.2 Khảo sát đáp ứng hệ thống với toán ổn định nhiệt độ đầu máy làm mát keo nhũ 58 4.2.1 Phương án thực nghiệm 58 4.2.2 Cài đặt thông số PID cho điều khiển 60 4.2.3 Kết thực nghiệm 61 4.3 Kết luận 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA ĐỀ TÀI 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Báo cáo việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ DANH MỤC HÌNH VẼ NỘI DUNG TRANG Hình 1.1 Q trình phân loại biến trình Hình 1.2 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản Hình 1.3 Các thành phần hệ thống điều khiển q trình 13 Hình 2.1 Sơ đồ cơng nghệ dây chuyền sản xuất keo nhũ 19 Hình 2.2 Sơ đồ cải tiến công nghệ làm mát keo nhũ 20 Hình 2.3 Lưu đồ P&ID hệ thống làm mát keo 21 Hình 2.4 Các biến trình 22 Hình 2.5 Tuyến tính hóa mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt qua phương pháp đổi 25 Hình 2.6 Đáp ứng q độ 26 Hình 2.7 Nhận dạng mơ hình từ đáp ứng độ theo phương pháp điểm quy chiếu 26 Hình 3.1 Điều khiển thiết bị gia nhiệt nước 29 Hình 3.2 Cấu trúc tổng quát điều khiển phản hồi 30 Hình 3.3 Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng (một bậc tự do) 30 Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng 33 Hình 3.5 Cấu trúc tổng quát điều khiển truyền thẳng 34 Hình 3.6 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ 38 Hình 3.7 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu 40 Hình 3.8 Hai cấu trúc điều khiển tầng 43 Hình 3.9 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng 46 Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ dòng keo nhũ 47 Hình 3.11 Cấu trúc hàm truyền đối tượng 48 Hình 3.12 Cấu trúc hệ thống Simulink 50 Hình 3.13 Kết mơ chưa có điều khiển phản hồi 51 Hình 3.14 Cấu trúc hệ thống có thành phần nhiễu 52 Hình 3.15 Kết mơ có điều khiển phản hồi 52 Hình 3.16 Cấu trúc hệ thống với Bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng Feed Forward 54 Hì nh 17 Hì nh Hì nh Hì nh Hình 4.4 Tủ điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ máy làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ 59 Hình 4.5 Kết nối máy bơm nước với máy làm mát keo nhũ 59 Hình 4.6 Đồ thị dung dịch pha A, B nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất phút 61 Hình 4.7 Đồ thị dung dịch pha A sau khởi động dây chuyền sản xuất phút 61 Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất phút 62 Hình 4.9 Đồ thị dung dịch pha A, B nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút 63 Hình 4.10 Đồ thị dung dịch pha A sau khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút 63 Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau loại bỏ hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ tự động, chuyển sang điều chỉnh lưu lượng nước làm mát cách điều chỉnh van tay 64 64 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131 4.1 Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ Dây chuyền sản xuất keo nhũ thực việc gia nhiệt, pha trộn làm mát dung dịch A, B, C với tỉ lệ định cho từ loại sản phẩm Hỗn hợp dung dịch A B pha trộn với tỉ lệ lưu lượng cố định (sử dụng hệ thống máy bơm biến tần kết hợp với điều khiển AI808 để ổn định lưu lượng) tạo dòng keo có nhiệt độ lưu lượng ổn định để đưa vào máy làm mát keo nhũ Máy làm mát keo nhũ thực việc làm mát keo xuống nhiệt độ ~ 70 C theo cách điều chỉnh tay độ mở van để thay đổi lưu lượng nước làm mát Dải nhiệt độ cho phép 68 – 73 C Trước bơm keo vào máy làm mát, thiết bị gia nhiệt tới nhiệt độ ~ 70 C Hình 4.1 Máy làm mát keo nhũ Hệ thống điều khiển có sử dụng điều khiển logic khả lập trình S7-200 để điều khiển việc khởi động, dừng máy, cảnh báo khống chế hoạt động dây chuyền xảy áp suất, nhiệt, dòng điện, mức bể cao thấp… Trong dây chuyền có sử dụng điều khiển AI808 kết hợp với biến tần lưu lượng kế để ổn định lưu lượng dung dịch A, B, C Các thông số nhiệt độ, áp suất đưa điều khiển để hiển thị khống chế, cảnh báo mức cao, thấp Các điều khiển ổn định lưu lượng dung dịch pha A, B, C Các nút ấn khởi động, dừng thiết bị dây chuyền đèn cảnh báo giới hạn thông số công nghệ Các điều khiển, hiển thị nhiệt độ, áp suất, mức dung dịch, dòng điện động cơ… Bảng điều khiển hệ thống camera quan sát Hình 4.2 Bảng điều khiển dây chuyền sản xuất Các thông số công nghệ dây chuyền hiển thị lưu giữ máy tính phần mềm MCGS Hình 4.3 Màn hình hiển thị thơng số cơng nghệ dây chuyền 4.2 Khảo sát đáp ứng hệ thống với toán ổn định nhiệt độ đầu máy làm mát keo nhũ 4.2.1 Phương án thực nghiệm Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ keo nhũ đầu máy làm mát sử dụng điều khiển nhiệt độ TZ4M Autonics với thuật toán điều khiển PID kết hợp với máy bơm nước máy biến tần Máy biến tần Bộ điều khiển nhiệt độ PID TZ4M Hình 4.4 Tủ điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ máy làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ Hình 4.5 Kết nối máy bơm nước với máy làm mát keo nhũ 4.2.2 Cài đặt thông số PID cho điều khiển Hàm truyền đạt hệ biến tần – động – máy bơm nước: W2 (s) k2 T2 s 0.0625 kg 3s mA.s (4.1) Hàm truyền đối tượng điều khiển: W3 (s) 3.2 e 97 s O 180s C.s kg (4.2) Do quán tính hệ thống biến tần – động – máy bơm nước nhỏ so với quán tínhn nhiệt thiết bị làm mát nên ta bỏ coi qn tính hệ thống biến tần – động - máy bơm nước – thiết bị làm mát xấp xỉ quán tính thiết bị làm mát Hàm truyền đạt hệ thống biến tần – động - máy bơm nƣớc – thiết bị làm coi xấp xỉ khâu qn tính bậc có trễ với thời gian quán tính trễ tương đương với thời gian trễ quán tính thiết bị làm mát Hàm truyền đạt hệ thống là: W23(s) = 0,0625.W3(s) (4.3) Áp dụng phương pháp chỉnh định điều khiển theo luật chỉnh định Ziegler – Nichols thứ ta có: θ/ = 97/180 = 0,54 nằm phạm vi 0,1 – 0,6 nên áp dụng luật chỉnh định a = k.θ/ = 0,0625.3,2.97/180 = 0,1 kc = 1,2/a = 12 i = 2.θ = 196 (s) d = 0,5.θ = 48,5 (s) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7) 4.2.3 Kết thực nghiệm Sau cài đặt thông số cho điều khiển, máy biến tần ta tiến hành khởi động dây chuyền sản xuất vào thời điểm 17 37 phút 12 giây với giá trị đặt nhiệt độ keo đầu máy làm mát SV = 70 C thu kết sau: Hình 4.6 Đồ thị dung dịch pha A, B nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất phút Ta nhận thấy, lưu lượng dung dịch pha A B nhanh chóng ổn định với sai lệch không đáng kể, nhiệt độ keo đầu máy làm mát giữ ổn định 70 ± 0,5 sau ~ phút Hình 4.7 Đồ thị dung dịch pha A sau khởi động dây chuyền sản xuất phút Hình 4.8 Đồ thị nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất phút Hình 4.9 Đồ thị dung dịch pha A, B nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút Hình 4.10 Đồ thị dung dịch pha A sau khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút Hình 4.11 Đồ thị nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút Ta nhận thấy, nhiệt độ keo đầu máy làm mát giữ ổn định 70 ± 0,8 sau 22 phút Sai lệch không đáng kể đáp ứng yêu cầu công nghệ (68 – 73) C Hình 4.12 Đồ thị nhiệt độ keo đầu máy làm mát sau loại bỏ hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ tự động, chuyển sang điều chỉnh lưu lượng nước làm mát cách điều chỉnh van tay Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Khi loại bỏ hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ tự động, chuyển sang điều chỉnh lưu lượng nước làm mát cách điều chỉnh van tay, nhiệt độ keo có thời điểm tăng lên 75 C, điều ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm 4.3 Kết luận Sau thời gian thực đề tài “Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ” tác giả đã: - Nghiên cứu tổng quan lý thuyết điều khiển trình để hiểu rõ chất điều khiển trình phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác - Hiểu lựa chọn sách lược điều khiển phù hợp với hệ thống điều khiển nhiệt độ - Hiểu số phương pháp chỉnh định tham số điều khiển PID thông dụng để ứng dụng thiết kế điều khiển cho dây chuyền sản xuất đơn vị Mặc dù có nhiều cố gắng, song hạn chế mặt thời gian, trình độ nhận thức điều kiện thực tế nhiều khó khăn nên luận văn chưa ứng dụng nhiều phương pháp để kiểm nghiệm, so sánh lựa chọn thông số tối ưu cho điều khiển khơng tránh khỏi khiếm khuyết, sai sót Tác giả mong nhận ý kiến bổ sung, phê bình góp ý thày cô bạn đồng nghiệp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển nhiệt độ Nhiệm vụ cụ thể “Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ” Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành Chương sau: Chương 1: Tổng quan lý thuyết điều khiển q trình Chương 2: Phân tích cơng nghệ, xây dựng mơ hình q trình làm mát Chương 3: Thiết kế cấu trúc thuật toán điều khiển Chương 4: Thực nghiệm dây chuyền sản xuất keo nhũ nhà máy Z131 Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng để điều khiển ổn định nhiệt độ làm mát keo Tính tốn, lựa chọn thơng số để cài đặt cho điều khiển đảm bảo giữ ổn định chất lượng sản phẩm Kết mô thực nghiệm chứng minh điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu công nghệ điều khiển ổn định nhiệt độ làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ Kết mô cho thấy thông số thay đổi nhiễu tác động vào hệ thống điều khiển trì chất lượng Kiến nghị Với việc nghiên cứu độc lập đại lượng nhiệt độ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng đảm bảo trình làm việc đối tượng điều khiển Tuy nhiên hệ thống có tác động lẫn áp suất, nhiệt độ lưu lượng Nên điều khiển thực tế cần phải quan tâm tính tốn đến yếu tố Hơn điều khiển nhiệt độ, thời gian đáp ứng hệ thống dài nên ảnh hưởng đến q trình điều khiển Do đó, kiến nghị tác giả nghiên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ cứu tới giảm thời gian độ nhằm giúp hệ thống phản ứng nhanh chất lượng điều khiển tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học & Kỹ thuật – 2009 [2] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nxb Khoa học & Kỹ thuật – 2005 [3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & Kỹ thuật – 2008 [4] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nxb Bách Khoa Hà Nội – 2009 Tiếng Anh [5] Aizerman, M A and Gantmacher, F R , Absolute Stability of Regulator Systems, Holden-Day, San Francisco, CA – 1964 [6] Anderson, B D O and Moore, J B., Linear Optimal Control, PrenticeHall, Englewood Cliffs, NJ – 1971 [7] Manmohan A, Sanjay K S, Praveen K A, “Modelling and Temperature Control of Heat Exchanger Process”, ICETT 2014] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... tài: "Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ" Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ đầu máy làm mát keo dây. .. hệ thống ổn định nhiệt độ máy làm mát keo dây chuyền sản xuất keo nhũ 59 Hình 4.5 Kết nối máy bơm nước với máy làm mát keo nhũ 59 Hình 4.6 Đồ thị dung dịch pha A, B nhiệt độ keo đầu máy làm mát. .. NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131 56 4.1 Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ 56 4.2 Khảo sát đáp ứng hệ thống với toán ổn định nhiệt độ đầu máy làm mát keo nhũ 58 4.2.1