Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 1: Mở đầu

Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 1: Mở đầu đã giwios thiệu tổng quan về môn học, các khái niệm cơ bản, mục đích điều khiển, cấu trúc cơ bản một HT ĐKQT, các chức năng điều khiển quá trình, các nhiệm vụ phát triển hệ thống, mô tả chức năng hệ thống.

Điều khiển q trình © 2004, HỒNG MINH SƠN Chương 1: Mở ₫ầu 12/08/2006 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung chương 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Giới thiệu môn học Các khái niệm Mục ₫ích ₫iều khiển Cấu trúc HT ĐKQT Các chức ₫iều khiển trình Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Mô tả chức hệ thống Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 1.0 Giới thiệu mơn học Lý thuyết ĐKTĐ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH TĐH q trình TĐHcơng q nghệ trình TĐHcơng q nghệ trình cơng nghệ Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com Điều khiển máy (ĐK chuyển ₫ộng, Robot, CNC) TĐH q trình TĐHcơng q nghệ trình TĐHcơng xí nghiệp nghệ cơng nghiệp © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Mục ₫ích mơn học ƒ Sinh viên nắm ₫ược khái niệm kiến thức sở phục vụ: — Tìm hiểu, phân tích u cầu ₫iều khiển q trình cơng nghệ — Đặt toán ₫iều khiển cho yêu cầu cụ thể — Thiết kế sách lược ₫iều khiển phù hợp với u cầu với mơ hình q trình — Chọn lựa giải pháp thiết bị ₫o, thiết bị chấp hành thiết bị ₫iều khiển ƒ Tạo sở hoặc/và ₫ộng lực cho môn học: — — — — Điều khiển logic, PLC Thiết bị ₫iều chỉnh tự ₫ộng công nghiệp Điều khiển phân tán Tự ₫ộng hóa q trình cơng nghệ/sản xuất Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Các nội dung ₫ề cập ƒ Tổng quan hệ thống ₫iều khiển trình — Các thành phần — Các chức nhiệm vụ — Mô tả chức năng, lưu ₫ồ P&ID ƒ Xây dựng mơ hình q trình — Mơ hình hóa lý thuyết — Mơ hình hóa thực nghiệm ƒ Thiết kế cấu trúc/sách lược ₫iều khiển — Các cấu trúc ₫iều khiển — Điều khiển tập trung ₫iều khiển phi tập trung/phân tán ƒ Thiết kế ₫iều khiển (thuật toán ₫iều khiển) — Lựa chọn kiểu ₫iều khiển — Tính toán tham số ₫iều khiển Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Các nội dung ₫ề cập (tiếp) ƒ Cơ sở giải pháp hệ thống ₫iều khiển trình — Thiết bị ₫o — Thiết bị ₫iều khiển — Thiết bị chấp hành ƒ Các tốn ₫iều khiển q trình tiêu biểu — Các hệ thống dòng chảy/bình chứa — Các hệ thống truyền nhiệt — Các trình chuyển khối (tháp chưng cất) ƒ Tin cậy an toàn hệ thống Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Phương pháp ₫ánh giá kết ƒ Thí nghiệm kết hợp tập lớn: phần — Khảo sát ₫ối tượng bình mức (₫ối tượng mơ phỏng) xây dựng mơ hình thực nghiệm — Thiết kế sách lược thuật toán ₫iều khiển ƒ Điểm ₫ánh giá — Kết thí nghiệm/bài tập lớn: — Thi cuối kỳ (vấn ₫áp) Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com 20% 80% © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Minh Sơn: Cơ sở hệ thống ₫iều khiển trình NXB Bách khoa Hà Nội, 2006 [2] Belá G Liptak (chủ biên): Instrument Engineer’s Handbook: Process Control 3rd Edition, Chilton Book Co 1996 [3] Michael L Luyben, William L Luyben: Essentials of Process Control McGraw-Hill, 1997 [4] Luyben, W.L.: Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers McGraw-Hill, 1990 [5] Seborg, D.E; T.F Edgar; D.A Mellichamp: Process Dymamics and Control 2nd Edition Wiley, 2004 [6] Curtis D Johnson: Process Control Instrumentation Technology 5th Edition Prentice-Hall, 1997 [7] Thomas Marlin: Process Control: Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance McGraw-Hill 2000 [8] Bài giảng (₫ưa dần, *.pdf Format): Lớp chuẩn bị ₫ịa email, gửi tới: hmson-ac@mail.hut.edu.vn Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 1.1 Các khái niệm ƒ Quá trình, trình kỹ thuật ƒ Biến trình: — Đại lượng (biến) ₫ược ₫iều khiển — Đại lượng (biến) ₫iều khiển — Đại lượng nhiễu, nhiễu tải nhiễu ₫o ƒ Điều khiển q trình: — Mục ₫ích, nhiệm vụ — Một số quan ₫iểm ₫ịnh nghĩa ƒ Hệ thống ₫iều khiển trình: — — — — Thiết bị ₫iều khiển Thiết bị ₫o Thiết bị chấp hành Hệ thống vận hành & giám sát Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Q trình & trình kỹ thuật ƒ Quá trình trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, ₫ó vật chất, lượng thơng tin ₫ược biến ₫ổi, vận chuyển lưu trữ (ANSI/ISA 88.01, DIN 19222) ƒ Quá trình kỹ thuật trình với ₫ại lượng kỹ thuật ₫ược ₫o hoặc/và ₫ược can thiệp ƒ Q trình cơng nghệ q trình kỹ thuật nằm dây chuyền cơng nghệ => quan tâm tới trình vật chất lượng  Trong nội dung môn học, khái niệm q trình ₫ược hiểu q trình cơng nghệ Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 10 Thiết bị ₫iều khiển Tính tốn ₫iều khiển Xử lý ₫ầu Tín hiệu ₫o Xử lý ₫ầu vào Thiết bị ₫iều khiển Tín hiệu ₫iều khiển Giá trị ₫ặt/ Tín hiệu chủ ₫ạo ƒ Control equipment: Thiết bị ₫iều khiển, vd PLC, IPC, Digital Controller, DCS Controller, ƒ Controller: Bộ ₫iều khiển, hiểu — Cả thiết bị ₫iều khiển, — Chỉ riêng khối tính tốn ₫iều khiển, vd PI, PID, FLC, ON/OFF, Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 37 Thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành Tín hiệu ₫iều khiển Cơ cấu dẫn ₫ộng Phần tử chấp hành Tín hiệu ₫iều khiển Khối ₫iều khiển ƒ Actuator: Thiết bị chấp hành, cấu chấp hành (van ₫iều khiển, máy bơm, quạt gió, chắn gió, rơ-le, ) ƒ Actuator, actuating element: cấu dẫn ₫ộng, phần tử dẫn ₫ộng (₫ộng ₫iện, khối chuyển ₫ổi dòng-khí nén, cuộn hút từ, ) ƒ Final control element: Phần tử chấp hành (thân van, tiếp ₫iểm, sợi ₫ốt) Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 38 Hệ thống vận hành & giám sát Giám sát, chẩn ₫oán, ₫ịnh Hình ảnh, số, ₫ồ thị, bảng biểu, Xác nhận, lựa chọn, ₫ặt giá trị Trạng thái Giá trị ₫ại lượng ₫ặc trưng Giá trị ₫ặt Các tham số ₫iều khiển Chế ₫ộ vận hành ƒ Vận hành (Operation) ƒ Giám sát, theo dõi (Monitoring) ƒ Chẩn ₫oán (Diagnosis) ƒ Giao diện người-máy (Human-Machine Interface, HMI) Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 39 1.5 Mô tả chức - lưu ₫ồ P&ID ƒ Lưu ₫ồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram (VD) — Lưu ₫ồ công nghệ + biểu tượng thiết bị chức tự ₫ộng hóa — Một tài liệu thiết kế quan trọng hệ thống ₫o lường, ₫iều khiển giám sát — Cơ sở cho lựa chọn lắp ₫ặt thiết bị, phát triển phần mềm ₫iều khiển giám sát q trình (bài tốn ₫iều khiển trình) ƒ Các biểu tượng lưu ₫ồ ₫ược ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa: — ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification — ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems ƒ Các biểu tượng lưu ₫ồ bao gồm: — Các biểu tượng thiết bị — Các biểu tượng tín hiệu ₫ường nối — Ký hiệu nhãn thiết bị biểu tượng chức Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 40 Ví dụ: Điều khiển mức Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 41 Ví dụ: Điều khiển trao ₫ổi nhiệt Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 42 Biểu tượng thiết bị Phòng ₫iều khiển trung tâm Vị trí mở rộng (Auxilary Location) (Remote) Hiện trường (Local) Phần cứng Thiết bị ₫ơn lẻ Phần cứng chia sẻ - Hiển thị chia sẻ - Điều khiển chia sẻ Phần mềm Chức máy tính Logic chia sẻ Điều khiển logic khả trình Thiết bị cho hai biến biến với hai nhiều chức Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 43 Biểu tượng tín hiệu ₫ường nối Tín hiệu khơng ₫ịnh nghĩa Đường nối tới trình kỹ thuật cấp lượng Tín hiệu khí nén Tín hiệu ₫iện Tín hiệu thủy lực Tín hiệu ₫iện từ âm (có dẫn ₫ịnh) * Tín hiệu ₫iện từ âm (khơng dẫn ₫ịnh)* Đường nối nội hệ thống (liên kết phần mềm liệu) Đường nối học Ống mao dẫn x x x * Các tượng điện từ gồm nhiệt, sóng vơ tuyến, phóng xạ ngun tử ánh sáng Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 44 Ký hiệu ₫ường cấp lượng ƒ AS (Air supply): cấp khơng khí AS ƒ ES (Electric supply): cấp ₫iện ES ƒ GS (Gas supply): cấp gas GS ƒ HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực HS ƒ NS (Nitrogen supply): cấp nitơ NS ƒ SS (Steam supply): cấp nước SS ƒ WS (Water supply): cấp nước WS Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 45 Nhãn thiết bị ký hiệu chức PDIC 103 Chỉ thị (Indication) điều khiển (Control) chênh áp (Differential Pressure), vòng loop 103 TAH 104 Báo động (Alarm) vượt ngưỡng (High) nhiệt độ (Temperature), cảnh giới nhiệt vòng loop 104 Mã số vòng loop, điểm đo P D I C-103 Chữ đầu: Biến đo khởi tạo Chữ phụ: Bổ sung cho chữ đầu Các chữ sau: Các chức thị, bị động đầu T A H-104 Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com Chữ phụ sau: Bổ sung ý nghĩa chức cho chữ đứng trước © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 46 Ý nghĩa chữ Chữ ₫ầu Biến ₫o khởi tạo Bố sung, thay ₫ổi Các chữ ₫ứng sau Chức thị bị ₫ộng A Analysis Alarm B Burner, Combustion Tự chọn C Tự chọn D Tự chọn E Voltage F Flow Rate G Tự chọn H Hand I Current J Power Scan K Time, Time Schedule Time Rate of Change L Level M Tự chọn Chức ₫ầu Bổ sung, thay ₫ổi Tự chọn Tự chọn Control Differential Sensor Ratio (Fraction) Glass, Viewing Device High Indicate Control Station Light N Tự chọn Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com Low Momentary Middle Tự chọn Tự chọn Tự chọn © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 47 Ý nghĩa chữ (tiếp) Chữ ₫ầu O P Q R S T U Biến ₫o khởi tạo Tự chọn Pressure, Vacuum Quantity Bố sung, thay ₫ổi Safety X Không xếp loại Trục X Y Event, State, Presence Position, Dimension Trục Y CuuDuongThanCong.com Bổ sung, thay ₫ổi Switch Transmit W Z Chương 1: Mở đầu Chức ₫ầu Record Đa biến (Universal) Vibration, Mech Analysis Weight, Force V Chức thị bị ₫ộng Orifice, Restriction Point (Test Connection) Integrate, Total Radiation Speed, Frequency Temperature Các chữ ₫ứng sau Đa chức Đa chức Đa chức Valve, Damper, Louver Well Trục Z Không xếp loại Không xếp loại Không xếp loại Relay, Compute, Convert Driver, Actuator, Phần tử ĐK - HMS © 2005 https://fb.com/tailieudientucntt 48 Các ký hiệu chức tính tốn Ký hiệu Chức 1-0 ON/OFF Điều khiển ON/OFF chuyển mạch (Switch) Σ ADD Cộng tổng (cộng trừ), với nhiều ₫ầu vào Δ SUB Hiệu (với hai nhiều ₫ầu vào) ± , +, - Độ dịch (1 ₫ầu vào) AVG Trung bình %, 1:3 2:1 Khuếch ₫ại (₫ầu vào : ₫ầu ra) x √ ,÷ Nhân, chia (2 nhiều ₫ầu vào) SQ RT Căn bậc hai xn x1/n f(x) Lũy thừa Hàm 1:1 Tăng cường > HIGHEST < LOWEST Chọn giá trị lớn Chọn giá trị nhỏ REV Đảo ngược E/P, P/I, A/D, D/A Biến ₫ổi (E, H, I, O, P, R) ∫ Tích phân (theo thời gian) D d/dt I/D Chương 1: Mở đầu Đạo hàm tốc ₫ộ Nghịch ₫ảo ₫ạo hàm CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 49 Ví dụ: ₫iều khiển vòng kín Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 50 1.6 Các bước phát triển hệ thống Các mục ₫ích ₫iều khiển Phân tích chức hệ thống Yêu cầu mô tả công nghệ Xây dựng mơ hình q trình Dữ liệu vận hành thực tế Các ₫ịnh luật vật lý hóa học Lý thuyết mơ hình hóa & mơ Thiết kế sách lược ₫iều khiển Lý thuyết ₫iều khiển tự ₫ộng Kinh nghiệm từ dự án khác Thiết kế thuật tốn ₫iều khiển Cơng nghệ hệ thống ₫iều khiển Lựa chọn giải pháp hệ thống Công nghệ phần mềm công nghiệp Thông tin, hỗ trợ từ nhà cung cấp Phát triển phần mềm ứng dụng Chỉnh ₫ịnh & ₫ưa vào vận hành Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 51 ... GIAO DIỆN QUÁ TRÌNH QUÁ TRÌNH Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 30 Điều khiển sở ƒ Điều chỉnh (regulatory control) — Điều chỉnh tự ₫ộng — Điều chỉnh... ₫iều khiển tự ₫ộng! Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 18 Khái niệm: ₫iều khiển trình Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật ₫iều khiển tự ₫ộng ₫iều khiển, ... Khả ₫iều khiển hạn chế — Khó thay ₫ổi thiết kế công nghệ Chương 1: Mở đầu CuuDuongThanCong.com © 2005 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 20 Điều khiển trình cơng nghệ ƒ Điều khiển q trình liên