Thiết kế xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển mức nước và lưu lượng ứng dụng các thuật toán điều khiển quá trình nâng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ VĂN QUANG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIÊM ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG ỨNG DỤNG CÁC THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH NÂNG CAO Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hoá LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn thực hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Huy Phương Các số liệu, tính tốn, mơ luận văn hoàn toàn trung thực cơng trình nghiên cứu riêng tơi Học viên Vũ Văn Quang i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.2 Khái quát điều khiển trình 1.2.1 Tính cấp thiết điều khiển trình 1.2.2 Khái niệm điều khiển trình [1] 1.2.3 Mục đích chức điều khiển q trình 1.2.4 Các thành phần hệ thống điều khiển trình 1.2.5 Đặc điểm đối tượng điều khiển trình 1.2.5.1 Đối tượng điều khiển đa biến 1.2.5.2 Đối tượng có tham số biến thiên 1.2.5.3 Đối tượng phi tuyến 1.2.5.4 Thời gian chết lớn 11 1.4 Mạch vòng phản hồi 12 1.5 Chọn chế độ hoạt động cho điều khiển 16 1.6 Xây dựng phương trình mơ hình 17 1.6.1 Phương trình cân vật chất 17 1.6.2 Phương trình cân lượng 18 1.7 Một số hệ thống điều khiển mức dây truyền sản xuất 20 Kết luận chương 25 CHƯƠNG 2: 26 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 26 2.1 Mơ hình vật lý hệ thống điều khiển q trình 26 2.1.2 Sơ đồ khối Hệ thống điều khiển mức 27 2.1.1 Sơ đồ cấu trúc mơ hình vật lý điều khiển mức chất lỏng 27 2.1.3 Yêu cầu công nghệ hệ thống 29 ii 2.2 Các thiết bị Bàn thí nghiệm điều khiển q trình 29 2.2.1 Van tay 29 2.2.2 Lưu lượng kế 29 2.2.3 Van tuyến tính 30 2.2.4 Valve xoay chiều: 32 2.2.5.Bơm xoay chiều 32 2.2.6 Cảm biến mức 33 2.2.7.Cảm biến đo lưu lượng 34 2.2.8 Bộ điều khiển 37 2.2 Ghép nối phần cứng 38 2.2.1 Thiết kế tủ điều khiển 38 2.2.2 Thiết kế mạch động lực 41 2.2.3 Thiết kế mạch điều khiển 44 2.2.4 Tủ điều khiển hệ thống sau thiết kế xong 49 Kết luận chương 49 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH 50 MỨC NƯỚC VÀ LƯU LƯỢNG 50 3.1 Cơ sở lý thuyết để thiết kế điều khiển 51 3.1.1.Hàm truyền đạt, hàm trọng lượng, hàm độ 51 3.1.2.Xây dựng mô hình tốn học khâu động học thực nghiệm.52 3.2 Thiết kế điều khiển 59 3.2.1 Chọn tham số cho điều khiển PID 59 3.3 Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả hệ thống 66 3.3.1 Mô hình bình chứa lỏng 66 3.3.2 Xây dựng mơ hình van 68 3.3.3 Mối quan hệ lưu lượng Q mức L 69 3.4 Thiết kế điều khiển cho đối tượng mức – lưu lượng : 69 3.4.5 Giới thiệu module mềm Step7 71 3.5 Lưu đồ điều khiển 78 82 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG 84 iii 4.1 Lập trìnhPLC 84 4.1.1 Kỹ thuật lập trình cấu trúc 84 4.1.2 Phần mềm Simatic Step7 85 4.1.2.1 SIMATIC Manager 85 4.1.2.2 Dự án thư viện 85 4.1.2.3 Soạn thảo dự án 86 4.1.2.4 Chương trình điều khiển 91 4.2 Thiết kế HMI 91 4.2.1 Phần mềm Simatic Wincc Flexible 91 4.2.2 Thiết kế giao diện 93 4.2.2.1 Giao diện 93 4.2.2.2 Giao diện cài đặt tham số 94 4.2.2.2 Giao diện trend 94 KẾT LUẬN 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 Phụ lục 98 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT PCS: Process control system, DCS: Distributed control system MIMO: Multiple inputs multiple output FOPDT : First order plus dead time PLC: Program logic controller LIC: Level Indecator Conrol LAH: Level Alarm Hight LAL: Level Alarm Low SP: Set Point F: Flow HMI: Human-machine interface API: Application Program Interface PID: Proportional- Integal- Derivative Controller v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống điều khiển trình Hình 1.2 Quá trình loại biến trình Hình 1.3 Bình chứa chất lỏng biến trình .4 Hình 1.4 Các thành phần hệ thống điều khiển trình Hình 1.5 Các thành phần hệ thống điều khiển nhiệt độ .7 Hình 1.6 Hệ thống bồn chưng cất Hình 1.7 Thiết bị khuấy trộn liên tục 10 Hình 1.8 Quá trình vận chuyển băng tải .12 Hình 1.9.: Bài tốn điều chỉnh (a) tốn bám (b) 13 Hình 1.10 Mạch vòng điều khiển phản hồi đơn giản 14 Hình 1.11 Van kết nối trực tiếp với điều khiển .15 Hình 1.12 Sơ đồ lị BZK-220-100-10C 22 Hình 1.13 Sơ đồ điều khiển mức nước bao .23 Hình 1.14 Sơ đồ tháp trưng luyện với cấu trúc điều khiển mức 23 Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển mức cho bể, két chứa 24 Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả thiết bị bàn thí nghiệm 26 Hinh 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển mức 27 Hình Mơ hình điều khiển mức chất lỏng bình 28 Hình Van tay 29 Hình Lưu lượng kế 30 Hình 2.6 Van tuyến tính 30 Hình 2.7 Đặc tính Valve tỉ lệ 31 Hình 2.8 Valve điện xoay chiều 32 Hình 2.9 Bơm xoay chiều 33 Hình 2.10 Cảm biến áp suất PSA-01 34 Hình 2.12 Cấu tạo cảm biến đo lưu lượng 34 Hình 2.13 CPU 314C -2DP 37 Hình 2.14 Khai báo phần cứng CPU 37 Hình 2.15 Panel mặt cánh tủ .38 Hình 2.16 Panel mặt cánh tủ .39 vi Hình 2.17 Panel mặt tủ điều khiển 40 Hình 2.18 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho hệ thống 41 Hình 2.19 Mạch động lực Valve, động 42 Hình 2.20 Sơ đồ mạch cấp nguồn PLC 43 Hình 2.23 Sơ đồ mạch điều khiển tự động tay .46 Hình 2.24 Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến 47 Hình 25 Sơ đồ mạch đèn báo 48 Hình 3.1 Đặc tính q độ khâu quán tính bậc 53 Hình 3.2 Đặc tính q độ khâu tích p hân – quán tính bậc .54 Hình 3.3 Đặc tính q độ khâu tích phân- quán tính bậc n 55 Hình 3.4 Đặc tính q độ khâu qn tính bậc hai 56 Hình 5.a Đặc tính độ khâu Lead/ Lag 57 Hình 3.5.b Đặc tính độ khâu Lead/ Lag .58 Hình 3.6 Đặc tính độ khâu dao động bậc hai .59 Hình 3.7 Điều khiển đối tượng với điều khiển PID 60 Hình 3.8 a Đặc tính q độ theo phương pháp Ziegler- Nichols thứ .62 Hình 3.8.b Đặc tính q độ theo phương pháp Ziegler- Nichols thứ 62 Hình 3.9 Sơ đồ khối phương pháp 63 Hình 3.10.Đặc tính q độ theo phương pháp Chien- Hrones- Reswich 64 Hình 3.11: Điều khiển Cascade 65 Hình 3.12 Mơ hình bình chứa B1 67 Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển phản hổi PID kinh điển 70 Hình 3.14 Ý nghĩa thiết bị ký hiệu chức 79 Hình 4.1 : Thực lệnh gọi khối FC10 84 Hình 4.2 Giao diện 93 Hình 4.4 Giao diện trend .95 vii MỞ ĐẦU Ngày ngành kinh tế kỹ thuật áp dụng kỹ thuật tự động hóa nhằm làm tăng sản lượng, chất lượng sản phẩm với mục tiêu hướng tới việc nâng cao chất lượng đời sống người Việc áp dụng kỹ thuật tự động hóa làm thay đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ Nhất lĩnh vực sản xuất công nghiệp Ngày giới có khơng nhà máy khơng có người, văn phịng khơng có giấy, mà có máy móc thơng minh thiết bị thơng minh v.v Nói để thấy rằng, tự động hóa nhu cầu cao xã hội đại Các hệ thống nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao xuất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng người lao động khỏi vị trí làm việc độc hại v.v Các hệ thống tự động hoá giúp theo dõi, giám sát quy trình cơng nghệ thơng qua số hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thực chức điều chỉnh thơng số cơng nghệ nói riêng điều khiển tồn q trình cơng nghệ tồn xí nghiệp nói chung Để phát triển sản xuất, ngồi việc nghiên cứu hồn thiện q trình cơng nghệ ứng dụng cơng nghệ hướng nghiên cứu không phần quan trọng nâng cao mức độ tự động hố q trình cơng nghệ Điều khiển trình phát triển cách mạnh mẽ nhà máy công nghiệp hóa chất, xi măng, luyện kim Tuy nhiên, việc nghiên cứu điều khiển trình Việt Nam giai đoạn khởi đầu Với ý tưởng tạo mơ hình thí nghiệm với nhiều tốn điều khiển q trình điều khiển q trình nâng cao khác mơ hình thức tế để kiểm chứng lý thuyết, đề tài thực mong muốn điều khiển giá trị mức xác ổn định cho đối tượng tham số hay tham số biến thiên phịng thí nghiệm môi trường công nghiệp Nội dung luận văn gồm chương: Chương : Tổng quan điều khiển trình, thiết lập nhìn sơ lược chất mục đích điều khiển q trình chức thành phần hệ thống điều khiển trình Với số trình thực tế khó khăn việc thiết kế điều khiển Chương 2: Tính toán, thiết kế xây dựng hệ thống, thiết kế hệ thống điều khiển trình với đối tượng bình mức, tính tốn lựa chọn thiết bị thiết kế phần cứng cho hệ thống Chương :Tthiết kế điều khiển cho trình mức nước lưu lượng, trình bày mơ hình tốn học mơ tả hệ thống lý thuyết thực nghiệm Thuật toán điều khiển PID ghép tầng PID Chương : Điều khiển giám sát hệ thống, lập trình PLC điều khiển giám sát HMI, kết đạt được, độ ổn định mơ hình Để hồn thành luận văn tơi nhận hướng dẫn tận tình suốt thời gian qua TS Nguyễn Huy Phương Do khả nguồn tài liệu tham khảo hạn chế nên kết luận văn cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ thầy, đồng nghiệp để thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 Khối FC1 116 117 Khối FC2 118 119 ... chọn thiết bị thiết kế phần cứng cho hệ thống Chương :Tthiết kế điều khiển cho trình mức nước lưu lượng, trình bày mơ hình tốn học mô tả hệ thống lý thuyết thực nghiệm Thuật toán điều khiển PID ghép... điều khiển q trình, Đây bàn thí nghiệm tốn điều khiển mức, điều khiển lưu lượng nước theo điều khiển On/Of điều khiển PID vòng phản hồi, hai vòng phản hồi… Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả thiết bị bàn thí. .. 2.2.3 Thiết kế mạch điều khiển 44 2.2.4 Tủ điều khiển hệ thống sau thiết kế xong 49 Kết luận chương 49 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH 50 MỨC NƯỚC VÀ