Phần 1 cuốn giáo trình cung cấp cho người học các kiến thức: Điều khiển phân tán, khái quát chung về hệ thống điều khiển lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, hệ thống điều khiển hơi, hệ thống điều khiển mức nước báo hơi. Mời các bạn cùng tham khảo.
BÙI QUỐC KHÁNH - NGUYỀN DUY BÌNH PHẠM QUANG ĐĂNG - PHẠM HồNG SƠN ■ ■ CHO NHÀ MÁY NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT https://tieulun.hopto.org BÙI Q l ỏ c KHẢNH - NGUYỄN DUY BÌNH PHẠM QUANG ĐĂNG - PHẠM HÒNG SƠN HỆ ĐIỀU KHIẺN DCS CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT ĐỈỆN NĂNG (Sách giáo trình dùng cho sinh viên trường đại học kỹ thuật) (Tái ban lần thứ - có sưa chữa ) NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỢC VÀ KỶ THUẬT HÀ NỘI 2013 https://tieulun.hopto.org ■ X ■ r ■ HI A Lời nói đâu Sàn xuất diện trình phức tạp liên quan tới nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác M ỗi nhà máy điện có nhiều tơ máy, nhà máy điện găn kêt với lưới điện thành hệ thống điện quốc gia Vì hệ thống điều khiển nhà máy điện hệ thống lớn, sở liệu phải thống nhất, đảm bào tính ổn định bền vững, độ tin cậy cao Trong năm gần đây, hệ thống tự động hóa nhà máy điện thừa hường thành tựu khoa học công nghệ điện tử, tin học kỹ thuật điều khiên, có phát triên vưọt bậc Hệ tự động hóa nhà máy điện đại ứng dụng gần phần lớn sử dụng hệ điều khiên phân tán (DCS - Distributed Control System) Hệ xây dựng mơi trường số, có sờ dừ liệu tồn cục (Global) cho giám sát vận hành điều khiển Những chức điều khiên phân bô cho điêu khiên với khả điều khiển lớn có đầu vào/ra phân tán đê kết nôi với thiết bị chấp hành đo lường thông minh (Smart Sensor) Tất hệ tích hợp kết nối với bời mạng truyền thông chuẩn công nghiệp V iệt Nam năm gần có hàng loạt nhà máy điện xây dựng đưa vào vận hành với mức độ tự động hóa cao trang bị hệ điều khiên DCS đại hãng nôi tiếng giới như: Yokogawa, A B B , Siemens, Honeywell, Emerson Chính lưọ*ng kỹ sư tự động hóa làm việc nhà máy điện dự báo ngày tăng Đẻ đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất, Bộ mơn Tự động hóa - Trường Đ H B K Hà nội cho giảng dạy mơn học Hệ điều khiên DCS tự động hóa nhà máy nhiệt điện cho sinh viên Bộ môn giao cho PGS Bùi Quốc Khánh chủ biên phối họp với cán phịng Hệ thống Tự động hóa phịng Cơng nghệ Năng lượng - Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay Viện K ỹ thuật Điều khiển Tự động hóa - Trưcrng Đ H B K Hà nội) biên soạn giáo trình ';Hệ điều khiên DCS cho nhà máy sản xuất điện năng'\ Nội dung giáo trình đà Hội đồng xét duyệt giáo trình Trng Đại học Bách khoa Hà nội thơng qua N ội dung giáo trình chia làm phần: ■ Phần I: Tổng quan Điều khiển phân tán (DCS) ■ Phan II: Phân tích cấu trúc mạch vịng điều khiển điển hình nhà máy nhiệt điện đốt than ■ Phan III: Hệ DCS cho nhà máy điện đốt than PGS Bùi Quốc Khánh, TS Phạm Quang Đăng, ThS Phạm Hồng Son tham gia biên soạn phần I PGS Bùi Quốc Khánh biên soạn phần II, PGS Bùi Quốc Khánh, Ks Nguyễn Duy Binh, Ths Phạm Hồng Son’, tham gia biên soạn phần III Giáo trình biên soạn phục vụ cho sinh viên ngành Tự động hóa đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư ngành có liên quan Tập thê tác già xin cảm on thầy giáo Bộ mơn Tự động hóa, cán nghiên cứu Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay Viện K ỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Trường Đ H B K Hà nội), cán kỹ thuật ngành điện lực quan tâm góp ý cho nội dung giáo trinh Tiếp thu ý kiến đóng góp cùa bạn đọc đồng nghiệp, lần tái số nội dung sửa chữa chinh sửa Tuy nhiên nội dung sách đề cập tới vấn đề lớn, https://tieulun.hopto.org phức tạp lại mang tính thực tiễn cao việc biên soạn không tránh khỏi thiếu sót Tập thê tác già mong bạn đồng nghiệp độc giả tiếp tục góp ý kiến đẻ cho cn sách ngày hồn thiện Thư góp ý xin gửi Viện kỹ thuật điều khiên tự động hóa, nhà Cơng nghệ cao, Trường Đại học Bách khoa Hà N ội Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 70 Trân hưng Đạo - Hà N ội Chứng xin chân thành cảm ơn Các tác giả https://tieulun.hopto.org PHÀN I: TÒNG QUAN HỆ ĐIÈU KHIẾN DCS CHƯƠNG ĐIỀU KHIÊN PHÂN TÁN 1.1 Tổng quan tự động hóa q trình sản xuất hệ đỉều khiến 1.1.1 Tự động hóa trình sản xuất tự động hóa q trình cơng nghệ Hệ thống điêu khiên, điều hành quản lý sản xuất cách tự nhiên phân chia thành nhiều câp Phù hợp với thực tẽ này, hệ thơn« tự độn« hóa q trình sản xt phân chia thành nhiêu câp điên hình hệ thốn« tự độn« hóa q trình sản xuất thường bao gơm cấp trẽn Hình 1-1 Đặc điêm cấp sau: Câp thứ nhất: cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường Nó thực kết thiết bị điêu khiên vói cảm biến co* cấu chấp hành https://tieulun.hopto.org cấp thứ hai: cấp điều khiên thực chức điêu khiên q trình cơng nghệ thực việc kết nối thiết bị điều khiên, thiết bị điều khiên logic kha trình PLC thiẻt bị điều khiển máv điều khiên số CNC máy tính PC cơng nghiệp Cấp thứ ba: cấp vận hành, giám sát chi huy thực chức vận hành giam sát Tại cấp thứ ba thực chức giao diện người - máy lưu trữ sô liệu liên quan tới sản xuất, lệnh, thiết lập cấu hình thay đơi chế độ làm việc cho q trình cơng nghệ, máy sản xuất Chức điều khiên câp điêu khiên câp cao người vận hành dam nhiệm máy tính thực chức điều khiên cấp cao Thiết bị cấp thứ ba máy trạm làm việc, máy tính PC Các câp câp trực tiêp thực q trình cơng nghệ Cấp thứ tư: cấp điều hành sản xuất thực phối hợp q trình cơng nghệ với với hệ thống phụ trợ sán xuất kho tàng, hệ thống cung ứng vật tư, nguyên liệu, nhiên liệu nhiều nhiệm vụ quản lý khác quản lý kỹ thuật, quản lv san xuất, quan lý nguỗn lực, Cấp thứ năm: cấp quản lý công ty thực kết nối phối hợp hoạt động quản lý khác nhà máy, chi nhánh vãn phịng cơng ty nhiêu thành phố quốc gia khác Trong SO' đỏ phân cắp cúa hệ thống tự động hóa q trình sản xuất cấp 1, cấp trực tiẽp thực q trình cịng nghệ hệ thống điều khiên tự động áp dụng cho câp gọi hệ thống tự động hóa q trình cơng nghệ cịn cấp thứ thứ thực chức điều hành, quản lý hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp gọi hệ thống tự động hóa điều hành quản lý sán xuất Trong khn khỏ cua sách nàv hệ thống đề cập chù yếu hệ thống tự động hóa q trình cơng nghệ, có nghĩa cấp SO' đô phân cấp hệ thống tự động hóa q trình sản xuất cấu chấp hành Hình 1-2 Thông tln hệ thống điều khiển đơn giản https://tieulun.hopto.org 1.1.2 Sự đòi phát triên hệ thống điều khiên Mục tiêu hệ thống tự động hóa q trình san xuất la để đảm bào hoạt động an toàn kinh tế Trong hâu hét nhà máy công nghiệp nav có sơ loại thiết bị điều khiên định, cấp độ đon giản nhất, nhà máy chi bao gồm động co- điện truyền động cho quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ phịng Ớ dạng phức tạp có thẻ lò phản ứng hạt nhân tạo điện cung cấp cho kinh tế Bẽn cạnh quy mô độ phức tạp, tất cà hệ thống điều khiên chia thành ba phần theo chức năng: thiết bị đo thiết bị điêu khiên CO' cấu chấp hành Thiết bị điều khiên giám sát thơng số trạng thái q trình nhà máy thông qua thiết bị đo Thiết bị đo có chức chun đơi thơng tin vật lý thành tín hiệu điện đưa vào đầu vào cùa thiết bị điều khiên Dựa trẽn trạng thái từ đau vào, thiết bị điều khiển sử dụng thuật tốn chương trình hóa đẽ tính tốn cho tín hiệu điều khiên cấu chấp hành Tùy thuộc yéu câu công nghệ, mức đâu tư trình độ ứng dụng mà hệ thống điêu khiên dua vào thực tế có nhiêu mức độ khác Tuy nhiên hệ thong điêu khiên đêu có mục đích chung: • An toàn cho người thiẻt bị hoạt động san xuất; • Vặn hành tin cậy, kinh tẻ: • Nâng cao chất lượng, suất; • Tăng sản lượng Những hệ thống điều khiên dã địi Cách mạng cơng nghiệp vào cuối kỷ X IX Chức điều khiên thực thơng qua thiết bị khí tinh xảo câu cam chương trình, thực tụ động hóa cho vài cơng đoạn quan trọng, phức tạp có tính lặp lặp lại dây chun Các thiết bị thưỊTìg thiết kế cho ứng dụng cụ thẻ riêng biệt Đâu the kỳ 20 đèn điện tử khuêeh đại điện tử băt đâu xâm nhập vào công nghiệp làm cho dâv chuyền sản xuât tự động đỡ công kênh hon Thiêt bị tự động điên hình thời gian thiết bị điều khiên dùng dẻn diện tư thiét bị điều khiên tô hợp điện kế tự động ghi rơle thời gian diện tứ Vào cuối năm 1960 đâu năm 1970 điện tử công suất, vi mạch điện tử đặc biệt vi xử lý 4-bit 8-bit dòi đâ làm thay đòi rắt nhiều thiết bị điều khiên Các thiết bị điêu khiên tương tự thiết bị điều khiến số thiết bị điều khiển số lập trình 4-bit Nhị' tiến kỹ thuật hệ điều khiên có cải thiện rõ rệt, gọn nhẹ tính giám sát vận hành tập trung bất đâu xuât Điên hình công nghệ giai đoạn ỏ' Việt Nam dây chuyền tự động X i măng Hoàng Thạch I giấv Bãi Bằng, nhiệt điện Phả Lại Vào cuối thập kỷ 80 ký 20 tính vi xử lý vi điều khiển nâng cao nên đà xuất thiết bị điều khiên mạnh PLC (thiết bị điều khiên logic kha trình) chađiều khiên logic, thiêt bị điều khiên sỏ trình có mạch vịng tín hiệu liên tục Vào thập kỷ 90 thể kv 20 hệ điều khiển DCS đòi, PLC thiết bị điều khiên sô kêt nôi với với trung tâm giám sát vặn hành qua đường truyền thông Các hệ thống điêu khiên sản xuảt hoàn thiện phát triẽn hoàn chinh ngày https://tieulun.hopto.org Đen nhũng năm cuối cùa kỷ 20 năm đầu kỷ 21 chửng kiến xu hướng quan điểm hệ điều khiển Giờ ranh giới hệ điều khiển ngày bị lu mờ ngày xuất them nhiêu hệ thống điều khiển mói nhằm đáp ứng cầu công nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (H ybrid Control System), hệ điều khiển máy tính (Computer Based), Những năm chứng kiến đòi hàng loạt tiêu chuân điều khiên tiêu chuẩn ngôn ngừ lặp trình, tiêu chn truyền thơng, tiêu chn giao diện mang hệ điều khiên lại gân hon phá bo the độc quven nhà cung cắp trước đó, tạo thuận lợi lớn cho khách hàng Xu hệ thống điều khiên giảm thiêu chi phí phân cứng, tăng cường áp dụng thuật toán, cấu trúc điều khiên đại, tiến tiên điều khiên mờ, điều khiên noron, điều khiển theo mơ hình dự báo, vào cơng nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng chất lượng tiết kiệm lượng 1.1.3 Các hệ thống điều khiển Sự phát triển kỹ thuật vi điện tử tin học làm xuất thiết bị hệ thống điều khiển sử dụng kỹ thuật số Ngày thiết bị hệ thống điều khiển phô biến sử dụng kỹ thuật ,số với chủng loại quy mô vô phong phú gần khơng có gianh giói lớp thiết bị, hệ thống điều khiển Tuy nhiên cho dù nhà máy quy mơ lón hay nhị ta thấy tồn ba ứng dụng điều khiển co sau: • Điều khiển logic Thực liên động, logic trình tự cho q trinh cơng nghệ Nền tảng khoa học cho ứng dụng phép tốn logic • Điều khiển - điều chinh ủ n g dụng thực mạch vòng điều khiên - điều chinh nhằm trì đại lượng xác định q trình cơng nghệ theo lượng đặt cho trước để đảm bao điều kiện yêu cầu q trình cơng nghệ Nền tảng khoa học cho việc xây dựng phát triển ứng dụng lý thuvết điều khiển tự động • Giám sát, vận hành thu thập số liệu (S C A D A ) Úng dụng hỗ trợ người vận hành giám sát vận hành toàn trinh công nghệ, ủ n g dụng thực chức điều khiên cấp cao người thực với hỗ trợ phần mềm chuyên dụng điều khiển mẻ, tối ưu trình, Tùy theo tính chất q trình cơng nghệ nhà máy ứng dụng điều khiến logic chiếm ưu the hon ứng dụng điều khiên - điều chỉnh ngược lại cỏ thể phân chia chúng thành cac nhóm sau: • Hệ thống tự động hóa nhà máy (Factory Automation): Hệ thống tự động hóa nhà máy kết nối thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) với trạm vận hành giám sát Úng dụng chủ yếu cùa hệ thông cho ứng dụng sản xuất rời rạc đỏ ứng dụng điêu khiên logic chủ yếu hệ thống sàn xuất, lắp ráp khí mà điên hình nhà máy sàn xuất lap ráp ỏ-tơ;• • Hệ thống tự động hóa q trình (Process Automation): Hệ thống tự động hóa q trình kết nối thiết bị điều khiên số trình với với trạm vận hành giám sát Điẻm nơi bật hệ thống cho phép thiết bị điều khiển trực tiếp trao đồi liệu với đẽ cho phép thiết lập cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) nhằm nâng cao chất lưọng hiệu điều khiển, ủ n g dụng yếu hệ thống cho q trình sản xuất liên tục vòng https://tieulun.hopto.org điều khiên điều chinh liên tục chu yếu trình sản xuảt điện nhà máy nhiệt điện, trình san xuất nhà hóa chât lọc dâu, ; • Hệ thống điều khiển lai hệ thống điều khiển trung gian giừa hai hệ thong kê thiết bị điều khiển có thẻ tùy biến cho hoạt động theo chẻ độ cua PLC theo chế dộ thiết bị điều khiển số trình, ú n g dụng chu yếu hệ thống trinh cỏng nghệ cỡ vừa tưong quan ứng dụng điều khiển logic điều khiên-điều chỉnh tương đưong a) Thiết bị điều khiển điển logic khả trình (PLC) Các thiết bị điều khiên logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) phát triên lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay bảng mạch rơ le Các thiết bị PLC có ưu diêm tốc độ xử lý tín hiệu logic nhanh (cõ' micro tới m ili giây) nhiên khả xử lý tín hiệu analog lại Trên Hình 1-3 cấu trúc tổng quan phần cứng thiết bị PLC: u T p u T Central Processing Unit X \l s Sỵ' ,-^s — ÍM /— y~< S À LJ Hình 1-3 Tồng quan phần cứng PLC Các PLC thiết kế cho ứng dụng điều khiên logic độc lập ứng dụng điều khiên nội máy sản xuất hay công đoạn san xuảt độc lập tưong cơng đoạn khác N ói chung PLC thiên ừng dụng đon le Ưu điểm cua PLC xử lv phép tính logic với tơc độ rât cao thời gian vịng qt nhị (cõ' JUS ms/vòỉigquét) Ban đầu PLC chi dược sử dụng cho dieu khiên logic chi quàn lý đâu vào/ra sơ Qua q trình phát triẻn, ngày số loại PLC bô xung thêm nhiều chức khả quàn lý đầu vào/ra analog, khả hỗ trợ hệ thống truyền thông công nghiệp Các giao thức truyền thông công nghiệp mà PLC hỗ trợ là: PROF1BUS AS-i DeviceNet Việc hỗ trợ thêm chuẩn giao diện truyền thông hệ sau cua PLC mờ khả ứng dụng PLC hệ thống lớn cách nối mạng với tạo thành mạng PLC kết nối với hệ thống lớn (hệ DCS), có thẻ két nối vói mảy tính có phần mềm giao diện người - máy (H M I) tạo thành hệ PLC /H M I đẻ điêu khiên, giám sát thu thập số liệu - Tuy có khả quản lý dầu vào/ra analog số lượng quản lý CỊĨ1 hạn che, khơng hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (multi-task) nên thuật toán xử lý biến analog không phù hợp với yêu cầu điều khiển-điều chinh PLC cộng với máy tính cá nhân (PC), máy tính cơng nghiệp (IPC) thực phương án điều khiên phân tán sè mât rât nhiêu công sức lặp trình khơng thê thav thê hệ DCS thương phẩm có hạn chế sau:• • Co sị' dừ liệu nhị chua mang tính tồn cục dẫn tới dòi hòi kỹ sư thiết kế phái tiêu tôn nhiều thời gian vả công sức đẻ phát triẻn hệ sị' dũ' liệu q trình https://tieulun.hopto.org muôn sử dune PLC cho ứng dụng lớn, phức tạp Đặc biệt nêu muôn thiẻt lập cấu trúc điêu khiên phân tán phái nhiều cơng sức cho lập trình truyền thịng chia sẻ liệu PLC • Độ tin cậv sản xuất kha dự phịng PLC thực số khâu hạn chế cua PLC khơng có thay đơi chương trình trực truyền - thay đơi chương trình PLC làm việc Nẻu muôn thav đôi chương trình PLC, ta phải dừng PLC dan đẻn làm gián đoạn sản xuất M ỏt số nhà cung cấp sản phâm PLC: Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens Yokogawa, Omron A B B A B b) Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) DCS chừ viết tắt cua Distributed Control System - hệ thống điều khiên phân tán - dược dùng đẻ chi lớp hệ thông điêu khiên sử dụng cấu trúc điều khiên phân tán Khác với hệ thống điêu khiên xảy dựng CO' sờ PLC DCS giải pháp tơng thê kẻ cà pìiần cứng, phần mêm truyền thơng cho tồn hệ thống phát triên từ ứng dụng điều khiên ngành công nghiệp hóa chât với thiêt bị điêu khiên ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kẽ hệ thống điêu khiên sản xuất thương phâm hướng vào hỗ trợ ứng dụng điêu khiên phân tán nên thường thiết kế theo hệ thống mờ khả tích hợp cao kẻ ca tích hợp với PLC khác điều khiên máy công đoạn sản xuất độc lập Đặc biệt đẻ hỗ trợ cho cấu trúc điều khiên phân tán nên hệ thống điều khiên có chức nàng trao đổi dừ liệu trực tiếp thiết bị điều khiên Mục tiêu tạo thuận lợi cao cho người kỹ sư thiết kế tích hợp hệ thống điêu khiên Thê mạnh hệ thống điều khiên sản xuất với cấu trúc DCS khả xử lý tín hiệu tưong tự thực chi q trình phức tạp khả tích hợp dề dàng Các hệ thống điều khiên san xuất thương phàm ngày thường bao gồm thiết bị điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông phân mềm điều hành hệ thống tích hợp hồ trợ điều khiên phân tán Các hệ thống có the quản lý từ vài nghìn điểm đến hàng chực nghìn diêm vào/ra Nhị' câu trúc phân cứng phân mẻm có tính thống nhất, hệ điều khiển thực đồng thòi nhiều vòng điều chỉnh, điều khiên nhiều tầng, hay theo thuật thuật toán điều khiên đại: nhận dạng hệ thơng, điêu khiên thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mơ hình dự báo (MPC) Fuzzy, Neural, điều khiên chất lượng (ỌCS) Đê phục vụ cho việc trao đôi thông tin chức DCS hệ thống điều khiển thương phâm ngày hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện giao thức nàv đă chuân hoá (Profibus, Foundation FieldBus Ethernet) Các hệ điêu khiên thương phâm với câu trúc DCS ngày có độ tin cậv cao nhờ có kha dự phòng kép tất thành phần hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông), khả thay đôi chương trình (sửa chừa download), thay đơi cấu trúc hệ thêm bót thành phần mà khơng làm gián đoạn, khơng cần khơi động lại q trình (thay đổi online) Co' sờ dừ liệu trình hệ điêu khiên với câu trúc DCS thiết kế sẵn CO' sờ dừ liệu lớn có tính tồn cục thống Các nhà sản xuất hệ điều khiên hỗ trợ tính DCS cam kết thời gian hồ trợ với sản phâm từ 15 tới 20 năm đẻ đảm bảo thời gian hoạt động khai thác hệ thống lớn Tắt đặc diêm cho thấy hệ điều khiển sản xuất với tính DCS hồn tồn đáp ứng yêu câu giải pháp tự động hoá tích hợp tơng thẻ Các chun gia cho tới 10 https://tieulun.hopto.org 4.2.1 Hệ thơng đo lưị ng hiên thị mức nu ó c hao ho ỉ Mức nước bao đo dùng máy ổn« kính imam đirợc nơi với bao hoi biêu dien trẽn H ình 4-6 Do ng ười vận hành không thê xác định mức nước bao băng cách đọc trực tiẻp khoảng cách sân hình ảnh kính máy đo phản chiêu thơng qua hệ thơng kính tiêm vọng đẻ người vận hành cỏ thê dẻ dàng nhìn thây Trong sô hệ thông việc sử dụng gương đê phản chiếu hình ảnh mức nước có thê nói phức tạp mặt khí khó thực hiện, người ta thường sử dụng hiên thị mức tử xa dùng sợi quang học hiên thị hình Hình 4-6 Cơ Cấu đo hiển thị mức nước dùng ống kính ngắm Trong máy đo ống ngấm kính đo lường dira sở quang học hiên thị cho biết sai số nhiệt độ khơng xác thiết bị đo lường mức chuản hoá phân ngưng tụ từ trình làm lạnh nước ống lưu thơng qua máy đo, Q trình làm lạnh nước ngưng tụ làm cho nước máy đo tinh lạnh hon buồng Tỷ trọng nước lạnh máy đo lớn hon nên độ cao cột nước phai hạ thấp xuống đẽ cân băng với mức nước buồng Theo cơng nghệ nồi điên hình sô máy đo năm khoảng 25mm (1 inch) đến 70mm (3 inchs) mức nước thực bao Độ chênh lệch tuỳ thuộc vào áp suât nồi nhiệt độ môi trường hệ thông ống cách li bao máv đo Đơi vói nồi dùng điện có áp suât cao trải rộng sai khác có thê tói 120mm (5 inchs) đến 18cm (7inchs) Trong số loại thiết bị đo mức dại có xu hướng bù sai lệch vê chi số nói Ngàv người ta sử dụng máy phát đo lường cân mức thiét bị áp suât vi sai đâu cua tín hiệu tăng cho tói áp suất vi sai giam xuông Giới hạn cua áp suât 108 https://tieulun.hopto.org vi sai thường sâp xỉ 760 mm (30 inchs) với sai sô vài chục mm V i thiêt bị đo áp suât vi sai , nên ta không quan tâm tới áp suất bao mà chi cần biết độ chênh lệch áp suất cột nước V ì mật độ cua bão hồ nước ị' nhiệt độ bào hồ thay đơi áp suất tang trống thay đỏi nén liệu chuân hoá mức xác với áp suất bao hoi Tín hiệu từ máy phát đo lường; có thê bù xác cho tât ca loại áp suất cách cung cấp giá trị áp suất tang trống sử dụng đẻ nhận xê dịch tín hiệu đo lường cân tang trống CO’ Đẽ xác định chn hố dụng cụ đo lng, cần thiết xảy dựng liệu xác định áp suất cua vòi bao ý tói mức nước áp suất hoạt động bao nhiệt độ mỏi trường xung quanh hệ thông ông bên V ó i dừ liệu này, việc chuân hố xác có thê tính tốn cách sử dụng đặc tính nhiệt động chuân cùa hoi n ước 4.2.2 Yêu cầu đối vói điều khiễn nưóc cấp Hệ thơng điều khiên nước câp dựa trẽn số vêu cầu CO' bản, đánh giá hoạt động hệ thống liên quan tói nhCmg yêu câu Hệ thống điều khiên nước cấp phải bao gồm tác động bên hay đặc tính mức riêng rẽ làm suv giảm hoạt động điêu khiên Vân đề khó khăn lớn kiêm sốt co lại, sơi bồng nước biến thiên áp suât cùa nguồn nước cấp Các yêu cầu hệ thống điều khiên mức nước bao : ( 1) Điêu khiên mức nước ngang với diêm đặt (2) Giảm thiêu tương tác hệ thống điều khiển cháy (3) Thay đỏi mức nước bám nhanh theo thay đôi tải (4) Cân lượng hoi lượng nước cấp vào bao (5) Bù thay đỏi áp suất nước cấp không đào lộn tuần hoàn nước dịch diêm đặt Tâm quan trọng cua yêu câu giảm thiêu tương tác vói q trình cháy thê b r: lượng nước cấp khơng khơng xác Lưu lượng nước cấp không nguyên nhản làm rối loạn áp suất hoi dẫn tói thay đơi q trình cháy lưu lượng khơng đổi Sự thay đôi nhiệt lượng không theo yêu câu tải dân tới tượng sôi co lai nước bao hoi dẫn tới cố nghiêm trọng Chi điêu khiên nước cấp đạt chi tiêu CO' mối quan hệ lưu lượng hơi, lưu lượng nước mói trì ơn định, đảm bảo q trình hoạt động lị Đồ thị mơ tả mối quan hệ minh hoạ Hình 4-7 Khi lưu lượng tăng hay giảm xuống lưu lượng nước câp phải tăng giam tương ứng đẽ giữ mức nước bao hoi không đổi Tuy nhiên tăng giảm lưu lượng nước trễ so với thay đổi lưu lượng đẻ hạn chế sai lệch tượng sôi bồng hay co lại nước kheo cách này, dịng nước cấp khơng thay đơi tức thi mà thay đôi cách từ từ giảm dân đẽn mức nước đặt trước Nếu mức nước lưu lượng thay đồi đột ngột lượng lớn điều khiên phải tác động thay đổi lưu lượng nước cấp Điều làm cho mức nước dịch xa hon diêm đặt điều khiển, sau từ từ trơ điểm đặt 109 https://tieulun.hopto.org N Sôi bồng NWL 100 75 Ị— M ứ c nước K Co lại Lưu lượng 50 \ Lưu lượ ng nước w ,» - — 25 » — *t Hình 4-7 Quan hệ lưu lượng - lưu lượng nước cấp - mức nước bao 4.2.3 a Các hệ thống đỉều khiển nuóc cấp Hệ thông điêu khiên mội tin hiệu Hệ thống điều khiên tín hiệu điều khiên mức nước bao hoi sử dụng tín hiệu lường mức nước bao Phương pháp điều khiển thường chi sử dụng với nồi nhô, lưu lượng nước thay đôi lớn tải thay đơi lượng nhị tốc độ thay đôi chậm Hầu hết thành phần cua điều khiên điều khiên “ đóng - cat" (o n -o ff control) Theo minh hoạ ơ' H ìn h 4-8, mức nước bao giữ dao động khoảng 20mm (3/4 inchs) Lưu lượng nước biến thiên từ đến 100% tuỳ theo hoạt động bơm nước cấp Mặc dù phương pháp điều khiên kiêu có hạn chế mức nước chi phù hợp với bao Imi dung tích lớn, ảnh hưởng cua sơi bồng co lại nhị, lưu lượng hoi biến đơi chậm Kiêu điều khiên o n -o ff không đáp ứng đầy du yêu cầu điều khiển hay u cầu thiết kế mơ hình liên quan tới lưu lượng mức nước Quá trình câp nước trơn loại trừ tương tác với điều khiên cháy nâng cao hiệu suất lò Khi bom cấp điện làm việc liên tục để đảm bảo lưu lượng nước cấp Mặc dù lợi ích tiềm ân cỏ thể nhị thơng tin q trình hoạt động hồn chinh hệ thơng cụ thê giúp xem xét cách thức điều khiển nhằm nâng cao tính kinh tế Neu phận điều khiên tối ưu kinh tế sử dụng điều khiên nước cấp phải loại điều biến lưu lượng liên tục đẻ đàm bào dòng nước cấp liên tục qua điều khiên tối ưu kinh tế nơi đốt Dịng nước liên tục cần thiết đê tránh sir nguy hiêm cho phận điều khiên tối ưu kinh tế Hai loại điều chinh nước cấp CO' cấu khí hoạt động dựa sở vếu tố mức nước Các điêu khiên tỷ lệ cỏ giá trị đặt mức cố định tương ứng với vị trí van điều khiên nước cấp https://tieulun.hopto.org Hình 4-8 Đặc tinh điều khiển nước cap sử dụng điều khiển kiểu on - off Loại thứ gọi loại nhiệt tĩnh, có ơnu nghiêng đầu nối với ngăn hơi, đầu l ối với ngăn nước nồi hoi Hoi ngưng tụ phần ống tạo lưu thông thiết lập mức nước tương ứng mức nước bên ống K hi lưu lượng tăng lên, mức nước giảm xuống, ống tăng lên, truyẻn nhiệt giãn nở dài Van điều khiển mức kêt nôi CO’ khí với đầu ống, thay đỏi lượng trơn làm cho van đóng mỏ’ van câp lượng nước cần thiết Bộ điều khiển nước cấp CO’ khí thử hai loại nhiệt thuỳ lực m inh hoạ Hình 4-9 Cũng giống loại nhiệt tĩnh , điêu chỉnh thuý lực có có ống nghiêng nối ngăn ngăn nước nồi Bao quanh ống tan nhiệt chứa nước hay chất lòng bay khác Be mặt tản nhiệt dược nối với van diều khiển hoạt động bên thông qua ống đồng Khi mức nước giảm, lượng tăng làm nhiệt toả tăng, nhiệt tàn nhiệt toả nhiều , áp suất bao tản nhiệt tăng lcn van điều khiển nước cấp mở Vấn đề nâng cao hiệu suất hệ thống điều khiển tín hiệu thực cách sử dụng hệ thống điều khiển hồi tiếp tiêu chuẩn trình bày Hình 4-10 Ta giảm tưong tác tới hệ điều khiển khác cách giảm hệ số khuếch đại điều khiển Nêu điêu khiên chi dùng luật điều khiển tỷ lệ mức nưó’c dâng cao tỉ lệ thuận với tải, lưọng nước vào khơng xác V i vậy, điều khiển dùng thêm khâu tích phân giảm bó’t hệ số ti lệ K 1 https://tieulun.hopto.org Lớp bọc cách nhiệt Tạo tín hiệu Nước xuống Hình 4-9 Bộ điều chỉnh nước cấp nhiệt thủy lực 112 https://tieulun.hopto.org Hình 4-10 Cấu trúc mạch vịng điều khiển tín hiệu Hình 4-11 Đăc tính điều khiển bơ điều khiển mơt tín hiêu https://tieulun.hopto.org Kết điều khiển minh hoạ Hình 4-11 Đẻ đạt chât lượng điêu khiên tốt phải phối hợp thơng số điều khiển CO' khí làm việc ô' hiệu suất thấp chút so vói hiệu suất mong muốn Sự sụt giảm tăng lên xảy tượng sôi co lại đo tác động điều khiển nhiên liệu lượng lưu lượng nước vào cân Thiết bị điều khiển van điều khiển hay thiết bị điều khiển tốc độ bơm có đặc tính tín hiệu - lưu lượng tuyến tính chất lưọng điều khiển tốt nhất, đường đặc tính biểu diễn Hình 4-12 Đối với đặc tính tín hiệu - vận tốc bơm phải khơng tuyến tính đê đặc tính tín hiệu điều khiển -lưu lượng tuyến tính tốt Trong giai đoạn đầu tốc độ bơm tăng nhanh để tạo áp suất đủ lớn để đưa nước vào nồi tín hiệu điều khiển b) Đặc tính bơm Hình 4-12 Các đường đặc tính tuyến tính điều khiển van bơm nước cấp b Hệ thống điều khiên hai tín hiệu Hệ thống điều khiên hai tín hiệu hệ thống sử dụng tín hiệu đo mức nước lưu lượng đẻ điều khiên mức nước bao biểu diễn Hình 4-13 Có thê nhận thấy hệ thống điêu khiển mạch vịng kín có feeddforward theo lưu lưọmg Bộ điều khiển sử dụng điều khiên ti lệ, tín hiệu phản hồi mức nước bao đặc tính van điều khiên đặc tính lưu lượng nước tuyến tính Hệ thống điều chinh lưu lượng nước vào cho mức nước ngang với diêm đặt Đẽ thực điều ứng với lưu lượng nước van điều khiên có áp suất chênh lệch tương ứng, giữ cho quan hệ tín hiệu điêu khiển mờ van ln đảm bảo lưu lượng Kết đạt điều khiển thể Hình 4-14 Hệ thống điều khiển hai tín hiệu đáp ứng hầu hết yêu cầu điều khiển mức nước bao Khi lưu lượng hoi tăng lẻn, tín hiệu gửi điều khiển yêu cầu tăng lưu lượng nước cấp Tuy nhiên có phối họp hai tín hiệu nên lệnh điều khiển tăng nước cấp thực mức nước bao hoi thấp điểm đặt Tương tự trưịìig hợp lưu luợng hoi giảm Như vậy, có thay đơi lưu lượng hoi gây tượng sôi bồng hay co lại thi tác động điều khiên chi thực sau có thay đồi mức nước tương ứng với thay đơi lưu lượng V ì vậy, hạn chế ảnh hưởng hai tượng trên, lưu lượng nuớc điều khiên thay đổi trơn tới mức nước ngang với diêm đặt 114 https://tieulun.hopto.org Đo m ứ c n c L ưu lư ợ n g h i Đ iể m đ ặ t V (c) (a) 1ĩ / «"> \ Lự u lư ợ n g n c cấ p Hình 4-13 So’ đồ điều khiển hai tin hiệu Giả sử lưu lượng - 100% ứng với - 200 000 Ibs/hr Van uieu khiển mờ lớn với lưu lượng 250 000 lbs/hr lưu lượng dịng nước thay đỏi tun tính tương ứng - 100% Như vậy, khuêch đại tín hiệu (a) lúc cỏ giá trị 0,8 Nếu lưu lượng 200 000 lbs/hr tương ứng với 0 % tín hiệu bù trước (feedforward), tín hiệu nhân với , trước đưa điều khiên van Van mớ giá trị tương ứng 80% lưu lượng lớn tức lượng nước qua tương ứng là: 0.8 X 250 000 = 200 000 cân với lưu lượng Giả sử dải thay đổi mức nước khoảng - 760 m ill (0 - 30 inch) mức nước đặt 380mm (15 inch) điểm đặt mức nước ứng với 50% tín hiệu đo mức Hiện tượng sơi bồng làm mức nước dâng 64mm (2,5 inch) lưu lượng tăng thêm 20 000 lbs/hr (10% giá trị lớn nhất) Khi tín hiệu bù trước (feedforward) tới điều khiển sau qua khuếch đại (a) % Mức nước thay đôi 64mm (2,5 inch) (8.33% dải đo), để điều chinh phù hợp hệ số khuếch đại cùa khâu (b) phải 0,96 (8/8,33) 115 https://tieulun.hopto.org Sôi bồng Mức nước K NWL _ l / 100 75 _ Co lại Lưu lượng 50 \ Lưu lượng nước -Jb «■ — 25 - Hình 4-14 Đặc tính điều khiển điều khiển hai tín hiệu Tín hiệu đầu khâu (b) có thê âm dương, tín hiệu phải phù hợp với với tín hiệu đưa vào khâu điều khiên (c) Neu hệ thống chi sử dụng giá trị dương tín hiệu đầu (b) ứng với mức nước ỏ' điểm đặt 50% dải đo Tín hiệu từ (a)cũng phai chỉnh định tương ứng, ví dụ với mức nước bình thường, hệ làm việc ổn định đầu (b) 50% cộng với tín hiệu bù trước (feedforward) từ (a) sang (c) tương ứng phải -50% để tín hiệu đầu (c) điều khiên van không Van giữ mờ ổn định Hệ thống điều khiên hai tín hiệu hoạt động đáp ứng yêu cầu trình điều khiên mức nước bao với số điều kiện định Khi áp suất cùa dòng nước aua van điều khiên thay đơi , đặc tính điều khiên lưu lượng bị thay đỏi Sự biến đổi thê hiẹn H ìn h 4-15 Có thê thấy áp suất nước cấp có ảnh hường lớn tới môi quan hệ lưu lượng lưu lượng nước cấp Mức nước bao hoi bị bắt buộc tăng lên hay giảm xuống song song với điểm đặt nhằm cân lưu lượng nước Trong thực tế, để điều khiển mức nước bao điều kiện rõ hay áp suất nước cấp thay đổi người ta thường sử dụng điều khiên ba tín hiệu Ta sể xem xét điều khiển phần c Hệ thống điều khiên ba tín hiệu Hệ thống điều khiển ba tín hiệu sử dụng tín hiệu đo: lưu lưọng hơi, mức nước bao lưu lượng nước cấp chiến lược điều khiên Nhàm giữ ổn định mối tương quan tín hiệu điều khiên với lưu lượng nước cấp, hệ thống có thêm mạch vịng sử dụng tín hiệu lưu lượng nước cấp Trên H ìn h 4-16 sơ đồ điều khiển ba tín hiệu sử dụng phổ biến Đó hệ thống điều khiển nối tầng mạch vòng kín bù trước (feedforward) theo lưu lượng nước cấp 116 https://tieulun.hopto.org Hình 4-15 Đặc tính điều khiển điều khiển hai tín hiệu xét tới ảnh hưởng áp suất nước cấp Ọuá trình điều khiển tương tự hệ thống điều khiên hai tín hiệu đà trình bày trẽn Hình 4-13 khác tín hiệu lưu lượng nước đưa vào điêu khiên Nếu áp suất nước khơng thay đỏi thi tín hiệu khơng có tác động tới hệ thống Khi có thay đơi áp suất lưu lượng nước tín hiệu lưu lượng nước đưa qua điều khiên Pl với tín hiệu lưu lượng nước đê bù lại thay đôi thay đôi áp suất nước gây Lấy số liệu ví dụ trình bày phân hệ thơng dieu khiên hai tín hiệu, dải đo lưu lượng - 200 000 lbs/hr lưu lượn nước cấp 0- 250 000 Ibs/hr, hệ số khuếch khâu (a) 0.8 V ói mức nước bao thay đỏi tương tự trên, mức nước tảng lẽn tượng sôi bồng 8.33% tương ứng với thay đôi 10% lượng Hệ số khuếch đại ti lệ khâu điều khiên (b) 0.96 Đẻ diều chỉnh hợp K khâu dieu chinh (c) có hệ sô khuếch đại 0.5 diêm bắt đau điều chinh Trẽn Hình 4-18 sơ đồ điều khiên ba tín hiệu khác hay sử dụng, thông số chinh định khâu hệ thống điều khiển tượng tự thông số hệ thống điều khiên trẽn Hình 3-17 Trong số ứng dụng, tín hiệu đo lường mức nước bao hoi thường bị ảnh hương bời nhiễu trình dao động gọn sóng mặt nước Vì thẻ tín hiệu đo lường lưu lượng dùng đẻ điều khiên bao gồm tín hiệu nhiễu Các thành phần nhiễu anh hưởng nhiều hav phụ thuộc vào đặc tính cua tín hiệu dược sư dụng Neu ảnh hường nhiễu lớn đẻ hạn chẻ ảnh hường SO' đồ trẽn Hỉnh 4-18 thường sư dụng Hàm điều chinh f(t) có tác dụng điều chế tín hiệu đưa vào điều khiên theo thời gian nhằm hạn chế thành phân nhiễu 117 https://tieulun.hopto.org Đo mửc nước Lưu lượng nước cấp © V" w + Hỉnh 4-16 Sơ đồ điều khiển mửc nước bao ba tín hiệu 118 https://tieulun.hopto.org Hình 4-17 Đặc tính điều khiển điều khiển ba tín hiệu Ket điều chỉnh biểu diễn Hình 4-17 Ta thấy áp suất nước thay đồi nhung yêu cầu điều khiến mức nước bao đáp úng, mối quan hệ lưu lượng hơi, lun lưọng nước cấp mức nước bao đảm bảo Như nước cấp điều chinh thay đơi tron theo ycu cầu K hi có thay đổi áp suất nước, lưu lượng nước cấp bị ảnh hưởng lập tức, độ điều chỉnh lớn nhung thời gian ngắn, không ảnh hưởng tới trinh 4.2.4 Hệ điều khiến mức nước bao hoi đại Theo kết điều chỉnh trcn Hình 4-18 ta thây áp suất nước cấp thay đổi dẫn tới thay đôi áp suất van điêu chinh lưu lượng nước ảnh hường xấu tới q trình điều khiên Ngồi cịn có thề làm thay đổi dung lượng lớn van điều khiển Trôn thực tế điều khiển, thay đồi áp suất nước gây vưọt phạm vi cho phép gây sai lệch phưong hướng điều khiển Đề hạn chế tưọng , tối ưu hố q trình điều khiển sử dụng điều khiển thích nghi có hệ số khuếch đại thay đổi thích hợp có thay áp suất nước Sơ đồ điều khiển trình bày Hình 4-20 có bổ xung thêm thành phần thứ tư để điều khiển áp suất nước cấp 119 https://tieulun.hopto.org Đo mức nước Lưu lượng Lưu lưọmg nước cáp Lưu lượng nước cáp Hình 4-18 Sơ đồ điều khiển ba tín hiệu cố hiệu chỉnh Hình 4-19 Sơ đồ điều khiển sử dụng tín hiệu đo lưu lượng nước xuống https://tieulun.hopto.org Đ o m ức nước L u lư ợ n g h i L u lư ợ n g nư c cấp áp s u ấ t nư c cấp L u lư ợ n g n c c ấ p Hình 4-20 Sơ đồ điều khiển ba tín hiệu có điều khiển thích nghi áp suất nước cấp Trong số trường hợp, lưu lượng nước từ bao theo ống xuông thay đôi lượng đù lớn làm thav đôi mối quan hệ lưu lượng nước Khắc phục tượng ta bô sung thêm thành phần tín hiệu điều khiển lưu lượng nước xng phơi hợp với tín hiệu lưu lượng để điều khiển sơ đồ H ình 4-20 M ột số trường họp khác, tải lò thay đổi lớn đột ngột dẫn tới áp suât thay đôi đột ngột theo làm cân bàng lưu lượng lưu lượng nước Vì vặv có thê bơ xung thêm tín hiệu áp suất bao hoi đế điều khiển sơ đồ H ình 4-21 Tín hiệu sai phân áp suất đưa cộng với tín hiệu lưu lượng đẻ đưa vào điều khiên ba tín hiệu dược đẽ cập phân trẽn, cho phép hệ thống điều khiên xác thích ứng kịp thời với trường hợp tải thay đỏi đột ngột https://tieulun.hopto.org Lưu lương f p s ^ốt bao Hình 4-21 Sơ đồ điều khiển có sử dụng tín hiệu áp suất bao Như tro n " chiến lược điều khiển bao hoi đại, người ta tìm cách khắc phục tối đa yếu tố ảnh hưởng tới mối quan hệ lưu lượng hoi lưu lượng nước cấp Đê đạt kết điều khiên tốt nhất, hệ thống điều khiên đại dựa hệ thống điêu khiên ba tín hiệu có bơ xung thêm yếu tố vào điều khiển Tuy điều làm độ xác hệ thống tăng lẽn lại làm cho điều khiên phức tạp giá thành cao Tuỳ yêu cầu lò điều kiện làm việc mà chọn lựa xem nên chọn điều khiên với tín hiệu sử dụng đáp ứng yêu cầu điều khiên đem lại hiệu kinh tế cao nhắt 122 https://tieulun.hopto.org ... QUAN HỆ ĐIÈU KHIẾN DCS CHƯƠNG ĐIỀU KHIÊN PHÂN TÁN 1. 1 Tổng quan tự động hóa q trình sản xuất hệ đỉều khiến 1. 1 .1 Tự động hóa q trình sản xuất tự động hóa q trình cơng nghệ Hệ thống điêu khiên, điều. .. soạn giáo trình ' ;Hệ điều khiên DCS cho nhà máy sản xuất điện năng' Nội dung giáo trình đà Hội đồng xét duyệt giáo trình Trng Đại học Bách khoa Hà nội thơng qua N ội dung giáo trình chia làm phần: ... ranh giới hệ điều khiển ngày bị lu mờ ngày xuất them nhiêu hệ thống điều khiển mói nhằm đáp ứng cầu công nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (H ybrid Control System), hệ điều khiển máy tính (Computer