Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình mức (Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển mức lưu lượng trong bình đơn ) . Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp . Giúp ta biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài toán cụ thể hoàn chỉnh Trong thời gian nghiên cứu và làm chuyên đề dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của cô giáo Hoàng Thị Thương nên đề tài của chúng em đã hoàn thành. Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai xót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để giúp đề tài phát triển thêm Sinh viên thực hiện : Trần Hoàng Nam
LỜI NÓI ĐẦU Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế điều khiển cho đối tượng bình mức (Thiết kế hệ thống điều khiển trình điều khiển mức lưu lượng bình đơn ) Chuyên đề xây dựng dạng tập tổng hợp Giúp ta biết cách vận dụng cách tổng hợp kiến thức học vào toán cụ thể hoàn chỉnh Trong thời gian nghiên cứu làm chuyên đề dựa vào kiến thức học trường, qua số sách, tài liệu có liên quan với giúp đỡ tận tình giáo Hồng Thị Thương nên đề tài chúng em hoàn thành Trong trình thực đề tài, chúng em cố gắng tránh khỏi sai xót Vì chúng em mong đóng góp thầy bạn để giúp đề tài phát triển thêm Sinh viên thực : Trần Hoàng Nam Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH 1.1 Điều khiển q trình Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an tồn cho người, máy móc người 1.2 Quá trình biến trình a Quá trình Quá trình định nghĩa trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thơng tin dưoc biến đổi, vận chuyển lưu trữ phân biệt sau : + Q trình cơng nghệ trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất lượng Một q trình cơng nghệ đơn giản trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, phức tạp tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện tổ hợp lò hơi-turbin + Quá trình kỹ thuật trình với đại lượng kỹ thuật đo can thiệp Khi nói tới q trình kỹ thuật, ta hiểu q trình cơng nghệ với phương tiện kỹ thuật thiết bị thiết bị chấp hành b Biến trình Trạng thái hoạt động diễn biến trình thể qua biến trình thể sơ đồ sau : Hình 1.1 Phân loại biến trình - Nhìn sơ đồ ta phân loại biến q trình điều khiển sau: + Biến cần điều khiển : biến biến trạng thái trình điều khiển , điều chỉnh ổn định giá trị đặt bám theo tín hiệu chủ đạo ( tín hiệu mẫu ) + Biến điều khiển : biến can thiệp trực tiếp từ bên ngồi , qua tác động tới biến theo ý muốn Những biến cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp gián tiếp phạm vi trình quan tâm coi nhiễu + Biến vào : điều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình + Biến : đại lượng thông số thể ảnh hưởng q trình bên ngồi + Biến điều khiển : đại biến vào trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi vào trình, để tác động tới biến theo yêu cầu mong muốn + Biến nhiễu : biến vào trình tác động lên trình ta không can thiệp phạm vi trình quan tâm Nhiễu bao gồm: - Nhiễu trình : + Nhiễu đầu vào + Nhiễu tải + Nhiễu ngoại sinh - Nhiễu đo , nhiễu tạp : nhiễu tác động lên phép đo gây sai số giá trị đo Ví dụ xác định biến trình bình chứa chất lỏng : Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng biến trình 1.3 Phân loại q trình Các cơng nghệ phân loại theo nhiều quan điểm khác chia sau: - - Cách phân loại thứ dựa số lượng biến vào biến Một q trình có biến gọi q trình đơn biến, cịn có nhiều biến gọi q đa biến Có thể nói, hầu hết cơng nghệ đa biến Dựa đặc tính đại lượng đặc trưng (biến đầu biến trạng thái tiêu biểu), ta phân loại q trình thành q trình liên tục, trình gián đoạn, trình rời rạc trình mẻ Trong trình rời rạc, đại lượng đặc trưng thay đổi giá trị số thời điểm định lấy giá trị rời rạc tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc trình Cũng vậy, đại lượng đặc trưng trình rời rạc thường biếu biễn biến số nguyên, trường hợp đặc biệt biến kí tự (cho kiện) biến logic (cho trạng thái logic) Q trình đóng bao, đóng chai, q trình phục vụ, q trình chế tạo, q trình lắp ráp ví dụ q trình rời rạc tiêu biểu Một trình mẻ q trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng trình liên tục trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo quy trình thao tác (cơng thức, recipe) cho trước tồn khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với mẻ Các đại lượng đặc trưng trình mẻ bao gồm biến tương tự biến rời rạc Đặc biệt, yếu tố thời gian yếu tố kiện đóng vai trị qua trọng trình mẻ Các trình phản ứng hóa học, q trình pha chế, q trình lên men (bia, rượu) ví dụ tiêu biểu cho trình mẻ Quá trình liên tục trình mẻ đặc trưng ngành cơng nghiệp chế biến, trình rời rạc đặc trưng ngành công nghiệp chế tạo lắp ráp Do vậy, lĩnh vực điều khiển trình ta quan tâm trước hết tới trình liên tục trình mẻ Tuy nhiên, nhà máy chế biến tồn số q trình rời rạc, ví dụ q trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động dừng thiết bị, 1.4 Mục đích chức điều khiển trình Nhiệm vụ điều khiển trình đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu kinh tế cho q trình cơng nghệ Trước tìm hiểu xây dựng hệ thống điều khiển trình, người kỹ sư phải làm rõ mục đích điều khiển chức hệ thống cần thực để đạt mục đích Việc đặt toán đến xây dựng giải pháp điều khiển bắt đầu với việc tiến hành phân tích cụ thể hóa mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển sở quan trọng cho việc đặc tả chức cần thực hệ thống điều khiển trình Tồn chức hệ thống điều khiển q trình phân loại xếp nhằm phục vụ năm mục đích sau đây: Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định điểm làm việc chuyển chế độ cách trơn tru, đảm bảo điều kiện theo yêu cầu chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện Bảo đảm suất chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất trì thông số liên quan chất lượng sản phẩm phạm vi yêu cầu Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu nguy xảy cố bảo vệ cho người, máy móc, thiết bị môi trường trường hợp xảy cố Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm mơi trường thơng qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu nguyên liệu Nâng cao hiệu kinh tế: Đảm bảo suất chất lượng theo yêu cầu giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi thị trường Để phân tích mục đích điều khiển làm rõ chức điều khiển q trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa Hình 1.3 Hai dịng ngun liệu có thành phần chất A đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu Lưu lượng khối lượng dịng ngun liệu kí hiệu , điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng Quá trình pha chế hỗ trợ hệ thống khuấy trộn gắn động Dung dịch sản phẩm đưa tới trình với lưu lượng khối lượng w Thiết bị khuấy trộn hoạt động theo chế độ liên tục theo mẻ, ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 1.5 Các thành phần hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng mức độ tự động hóa, hệ thống điều khiển q trình cơng nghiệp đơn giản đến tương đối phức tạp, chúng dự thành phần thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Chức thành phần hệ thống quan hệ chúng thể trực quan với sơ đồ khối Hình 1.4 Hình 1.4 Các thành phần hệ thống điều khiển trình Trong đó: - Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV) - Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO) - Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV) - Biến điều khiển: Controlled Variable (CV) - Đại lượng đo: Measured Variable, Process Value (PV) - Tín hiệu đo: Measured Signal, Process Measurement (PM) 1.5.1.Thiết bị đo Hình 1.5 : Một số thiết bị đo Chức thiết bị đo : cung cấp tín hiệu tỉ lệ theo nghĩa với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cảm biến (sensor) chuyển đổi (transducer): - Cảm biến thực chức tự động cảm nhận địa lượng quan tâm trình kỹ thuật biến đổi thành tín hiệu - Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển đổi mà cho đầu tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Để truyền xa sử dụng thiết bị điều khiển dụng cụ báo, tín hiệu từ cảm biến cần khuếch đại, điều hịa chuyển đổi sang dạng thích hợp ( Trong hệ thống điều khiển trình truyền thống tín hiệu 4-20mA thơng dụng nhất, song xu hướng gần cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày chiếm ưu ) Lưu ý thuật ngữ “transmitter” “transducer” dùng để thiết bị đo, tức bao gồm “sensor” 1.5.2 Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay điều khiển (controller) : thiết bị tự động thực chức điều khiển, thành phần cốt lõi hệ thống điều khiển công nghiệp Tùy theo ngữ cảnh, điều khiển hiểu thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ điều khiển nhiệt độ), khối phần mềm cài đặt thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trạm PLC/DCS) thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ trạm PLC DCS)./ Trên sở tín hiệu đo cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển lựa chọn : điều khiển thực thuật tốn điều khiển đưa tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại trình kỹ thuật thông qua thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào phương pháp thể luật điều khiển, thiết bị điều khiển xếp loại thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén điện tử xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ - điện điện tử) thiết bị điều khiển logic theo nghĩa Một thiết bị điều khiển số xây dựng tảng máy tính số, thay chức thiết bị điều khiển tương tự thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số chấp nhận đầu vào/ra tín hiệu số tín hiệu tương tự tích hợp thành phần chuyển đổi tương tự - số cầu thiết, nhiên thuật toán điều khiển thực máy tính số Một thiết bị điều khiển số cho chất lượng độ tin cậy cao hơn, mà cịn đảm nhiệm nhiều chức điều khiển, tính tốn hiển thị lúc Có thể nói rằng, tất giải pháp điều khiển đại (PLC, DCS, PAS) hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất máy tính số trang bị thiết bị ngoại vi để thực chức điều khiển Vì ta nói tới máy tính điều khiển tức bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) thành phần tích hợp bo mạch Cịn khái niệm thiết bị điều khiển trạm điều khiển bao hàm máy tính điều khiển thành phần mở rộng, kể module vào/ra module chức khác 1.5.3 Thiết bị chấp hành Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu từ điều khiển thực tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu công nghiệp van điều khiển, động cơ, máy bơm quạt gió Thơng qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển can thiệp vào diễn biến trình kỹ thuật Hình 1.6 : Cơ cấu chấp hành Ví dụ : tùy theo tín hiệu điều khiển mà van điều khiển điều chỉnh độ mở van thay đổi lưu lượng cấp, qua điều chỉnh mức chất lỏng bình Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ sử dụng để thay đổi áp suất dịng chất lỏng dịng khí qua điều chỉnh lưu lượng Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cấu chấp hành hay cấu dẫn động (actuator) phần tử điều khiển (control element) Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành lượng (cơ nhiệt), phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng hệ thống điều khiển trình bao gồm nhiều bước phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định đưa vào vận hành, ta gọi chung nhiệm vụ phát triển hệ thống Các nhiệm vụ người kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển trình minh họa Hình 1.6 1.6.1 Phân tích chức hệ thống Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển bắt đầu với bước tìm hiểu u cầu cơng nghệ để đưa đặc tả chức cụ thể hệ thống dựa sở phân tích mục đích điều khiển Đây nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần có hợp tác chặt chẽ người làm điều khiển với nhà công nghệ Người kỹ sư thiết kế điều khiển cung cấp vẽ tài liệu liên quan mơ tả quy trình cơng nghệ, vẽ lưu đồ công nghệ quan trọng Công việc người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết nghiên cứu toán điều khiển, bổ sung chức điều khiển trình cụ thể thể chúng vẽ lưu đồ chức hay lưu P&ID sơ lược Tiếp theo, yêu cầu mặt công nghệ cho tốn điều khiển cần cụ thể hóa thơng qua tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian độ, mức độ dao động, Bên cạnh đó, điều kiện vận hành điểm làm việc, điều kiểu biên, chế độ vận hành yêu cầu an toàn hệ thống cần làm rõ Các biểu đồ trình tự sử dụng để biểu diễn yêu cầu trình tư vận hành cơng nghệ Hình 1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển q trình 1.6.2 Xây dựng mơ hình trình Thiết kế hệ thống sở mơ hình phương pháp khơng thể thiếu người kỹ sư Mơ hình giúp ta hiểu rõ q trình cơng nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề đơn giản hóa cách giải Hơn nữa, mơ hình q trình khơng quan trọng cơng việc thiết kế mà cịn phục vụ việc mô đảo tạo vận hành Việc xây dựng mơ hình cịn gọi mơ hình hóa Mơ hình hóa tiến hành nhiều mức với nhiều phương pháp khác 1.6.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển Sau làm rõ chức điều khiển hiểu rõ mơ hình tốn học trình, bước xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa cụ thể vào thuật tốn điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ mặt cấu trúc liên kết phần tử hệ thống Đây công việc quan trọng, địi hỏi khơng kiến thức vững lý thuyết điều khiển mà nhiều kinh nghiệm thực tế Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp) Tiếp theo, ta cần lựa chọn biến điều khiển, biển điều khiển tương ứng, biến nhiều liên kết chúng với dựa phần tử cấu hình để xây dựng sách lược điều khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ, Kết công việc thiết kế • HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực • NS (Nitrogen supply): cấp nitơ • SS (Stream supply): cấp • WS (water supply): đường cấp nước 2.3 Các phương trình cân a, Phương trình cân vật chất Định luật bào toàn vật chất áp dụng cho hệ động học áp dụng cho hệ động học thể qua phương trình cân tồn phần =- =∑-∑ lượng tích lũy bên hệ thống lưu lượng dòng vào lưu lượng dịng khỏi hệ thống Phương trình cân tồn phần biểu diễn theo đơn vị khối lượng số mol Tại điểm làm việc (trạng thái cân bằng), lượng tích lũy bên hệ thống khơng thay đổi, ta có tổng lưu lượng vào lưu lượng ∑-∑ = Ví dụ bình chứa chất lỏng với giả thiết lý tưởng Các lưu lượng vào không phụ thuộc vào vị trí quan sát Khối lượng riêng chất lỏng vị trí bình Lưu lượng không phụ thuộc đáng kể vào chiểu cao chất lỏng bình Phương trình cân vật chất tổng quát cụ thể hóa sau: = – ρF Trong thực tế ta giả thiết thêm khối lượng riêng dịng vào khơng thay đổi đáng kể, có nghĩa = ρ =const phương trình (1) trở thành = – F b,Phương trình cân lượng Định luật bảo toàn lượng áp dụng cho hệ động học, hay gọi định luật thứ nhiệt động học diễn đạt sau: - Năng lượng toàn phần hệ động học bao gồm nội động = + + Trong trình nhiệt, động cơng sinh coi không đáng kể so với nội nhiệt lượng, bỏ qua Khi phương trình viết đơn giản thành: =- +q nội hệ thống lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s) lưu lượng khối lượng dòng hệ thống (kg/s) entanpy dòng vào (J/kg) entanpy dòng (J/kg) bổ sung cho hệ thống Q tổng lưu lượng nhiệt thông qua dẫn nhiệt, xạ nhiệt thông qua dẫn nhiệt, xạ nhiệt phản ứng hóa học (công suất cấp nhiệt) (J/s) Entanpy đơn vị khối lượng định nghĩa : h = u + P U nội đơn vị khối lượng (J/kg) P áp suất thành ống (N) thể tích riêng (nghịch đảo khối lượng riêng /s) Giả thiết entanpy không đổi điểm quy chiếu , h - = (T - ) Trường hợp áp suất không thay đổi lớn, ta có mối quan hệ đơn giản sau h=T CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC LƯU LƯỢNG TRONG BÌNH ĐƠN 3.1 Đặt tốn Hệ thống bình mức ứng dụng nhiều thực tế công việc nghiên cứu ngành điều khiển tự động Trong cơng nghiệp bình mức chất lỏng ứng dụng rộng rãi trong: - Hệ thống Bình chứa xăng dầu, hóa chất - Trong hệ thống trao đổi chất lỏng - Trong hệ thống tháp chưng cất, thiết bị phản ứng - Hệ thống phản ứng - Trong thiết bị y tế như: bình chứa cồn y tế, dây chuyền chế tạo dược phẩm Vì thế, đề tài nghiên cứu hệ thống bình mức đề tài quan trọngvà có khả ứng dụng cao có lợi nhiều cho sinh viên Hình 3.1 : Bình mức Ta có : V : thể tích bình đơn vị ρ : Khối lượng riêng , đơn vị : kg/m3 Diện tích đáy bình: A = 30m2 F = 6m2/s ... THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC LƯU LƯỢNG TRONG BÌNH ĐƠN 3.1 Đặt tốn Hệ thống bình mức ứng dụng nhiều thực tế công việc nghiên cứu ngành điều khiển tự động Trong cơng nghiệp bình mức. ..Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Điều khiển trình Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành giám sát q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng... dụ trạm PLC DCS)./ Trên sở tín hiệu đo cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển lựa chọn : điều khiển thực thuật toán điều khiển đưa tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại q trình kỹ thuật thơng