Điều khiển quá trình:
Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tựđộng hóa công nghiệp. Ngày nay bất cứ một nhà máy nào cũng không thể vận hành nếu thiếu hệ thống điều khiển tựđộng. Quá trình toàn cầu hóa hiện nay tạo ra nhiều thị trường tiêu dùng mới, đồng thời gia tăng sự cạnh tranh mạnh mẽ giữa nhiều tập đoàn sản xuất. Các doanh nghiệp buộc phải nâng cao
Hình 3.21: Các biến của hệ thống điều khiển quá trình.
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước trong khi có tác động của nhiễu và thông tin không chính xác về đối tượng, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Hình 3.22:Phân loại biến quá trình.
Biến vào: đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình. Ví dụ: lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/ngắt của rơle…
Biến ra: đại lượng hoặc điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài. Ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao…
Biến cần điều khiển (controlled variable, CV): liên quan trực tiếp và quan trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Những biến cần điều khiển thông dụng nhất liên quan tới chất lượng sản phẩm bao gồm: nhiệt độ, áp suất và nồng độ, thành phần hợp chất. Đại lượng tiêu biểu nhất
cho năng suất thông thường là lưu lượng. Các đại lượng liên quan tới vận hành an toàn và ổn định của hệ thống bao gồm: mức, áp suất và nhiệt độ. Biến cần điều khiển là một biến ra cần được duy trì tại một giá trị đặt hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo. Một đại lượng cần điều khiển có thể không đo được hoặc không dễ dàng điều khiển một cách trực tiếp.
Biến điều khiển (manipulated variable, MV): là một biến vào có thể can thiệp được theo ý muốn để tác động đến biến cần điều khiển. Biến điều khiển có thể là
bất cứ biến quá trình nào mà có thể tác động dễ dàng và làm thay đổi trạng thái quá
trình một cách nhanh chóng. Trong điều khiển quá trình thì hầu hết các đại lượng điều khiển là lưu lượng chất lỏng hoặc khí. Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành được sử dụng phổ biến nhất là van điều khiển, quạt gió, máy bơm. Nhìn lưu đồ công nghệ, ở đâu có van điều khiển hoặc các loại van tiết lưu khác thì lưu lượng qua đó có thể coi là một biến điều khiển tiềm năng.
Nhiễu: là các biến quá trình độc lập còn lại không can thiệp được, không kiểm
soát được vì một lý do nào đó (do yêu cầu của quá trình công nghệ đứng trước hoặc đứng sau)
Trong một quy trình công nghệ, một biến điều khiển của quá trình này có khi là biến cần điều khiển của một quá trình khác hoặc một biến điều khiển, biến cần điều khiển của quá trình này có khi lại đóng vai trò là nhiễu cho một quá trình đứng trước hoặc đứng sau.
Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình:
Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru:
Vận hành ổn định: đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc ít phải thay đổi chếđộ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽđược kéo dài.
Vận hành ổn định: làm ổn định năng suất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Vận hành ổn định: giúp người vận hành ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn.
Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn:
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ con người, các thiết bị máy móc và môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố.
Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ, áp suất nằm trong một giới hạn an toàn cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữổn định tại gần một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định. Bài toán điều khiển ở đây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống. Ví dụ như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh, khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng.
Bảo vệ môi trường:
Một hệ thống vận hành an toàn, không để xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành.
Nâng cao hiệu quả kinh tế:
Đểđạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng suất phải thích ứng được với yêu cầu thị
trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như tiêu hao ít nguyên liệu và nhiên liệu. Bài toán đặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí cho các tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm.
Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm thiểu chi phí cho các tác động điều khiển. Một trong những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thểđưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép.
Các thành phần cơbản của hệ thống điều khiển:
Các dụng cụ đo lường cần thiết cho các nhà máy công nghiệp hiện đại hoạt động an toàn và chính xác. Chúng được sử dụng để điều khiển quá trình nhằm đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm cũng nhưđể ngừng hoạt động của nhà máy trước khi các sự cố xảy ra.
Để duy trì hoạt động an toàn đòi hỏi các dụng cụđo phải:
Giữ cho các biến quá trình nằm trong giới hạn vận hành an toàn. Phát hiện các nguy cơ xảy ra nguy hiểm khi chúng xuất hiện
Cung cấp các cảnh báo hoặc dừng hệ thống khi cần nhằm bảo vệ môi trường và cộng đồng nơi chúng ta làm việc.
Đểđạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, các dụng cụđo lường phải: Duy trì chất lượng.
Đảm bảo độ tin cậy và tính lặp lại của quá trình.
Hình 3.23: Các thành phần cơbản của một hệ thống điều khiển.
Thiết bị đo:
Thiết bị đo có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kĩ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn. Thành phần chính của thiết bị đo bao gồm:
Cảm biến (sensor): là thành phần cốt lõi, có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ…) sang một tín hiệu dạng khác (thường là tín hiệu điện hoặc khí nén).
Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter): tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được đi xa, chứa sai số do ảnh hưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo. Vì thế, sau phần tử cảm biến người ta cần các khâu khuếch đại, chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và
Transducer: trong thực tế nhiều bộ transmitter được tích hợp luôn cả phần tử cảm biến, bộ tích hợp này được gọi là tranducer.
Hình 3.24: Cấu trúc cơbản của một thiết bị đo.
Chất lượng và khả năng ứng dụng của bộ thiết bị đo phụ thuộc vào các yếu tố: Đặc tính vận hành: phạm vi đo, dải đo, độ phân giải, độ tin cậy, độ lệch, điều kiện làm việc, giới hạn làm việc….
thiết bị đo. Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tương đối nhanh của đại lượng đo. Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại lượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo. Bao gồm: thời gian đáp ứng, độ vọt lố, thời gian quá độ…
Thiết bị điều khiển:
Hình 3.25:Cấu trúc cơbản của một thiết bị điều khiển quá trình.
Thiết bị điều khiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Các thiết bị điều khiển còn có thể thực hiện nhiều chức năng khác như tính toán, ghi chép, cảnh giới và điều khiển cao cấp… Bao gồm:
Thiết bị điều khiển (control equipment): PLC, IPC, Digital Controller, DCS
Controller...
Bộ điều khiển (Controller): có thể hiểu là cả thiết bịđiều khiển, hoặc chỉ riêng khối tính toán điều khiển như PI, PID, ON/OFF...