b) Xác định các thơng số của bộ hiệu chỉnh PID
4.2. Giới thiệu chi tiết một số bài thí nghiệm Bài 1: Khái niệm điều chỉnh thơng số cơng ngh ệ
Mục đích:
- Minh họa
- Ý nghĩa của điều chỉnh thơng số cơng nghệ.
- Sự khác nhau giữa điều chỉnh bằng tay và tựđộng điều chỉnh.
Cơ sở lý thuyết:
Các quá trình cơng nghệ hĩa học thơng thường là một hệ động được xác định bằng giá trị tức thời của các thơng số cơng nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, nồng độ, …Khi quá trình diễn ra bình thường, các thơng số này cĩ giá trị xác
định được gọi là giá trị cài đặt (yo)
Z
y = yo
X
W
Sự thay đổi của tác động bên ngồi như lưu lượng nhập liệu, thơng số tác nhân nhiệt, … hoặc các hiện tượng bên trong thiết bị như chế độ thủy động học, điều kiện truyền nhiệt,…được gọi là nhiễu (z) cĩ thể làm cho các thơng số cơng nghệ
(y) lệch khỏi giá trị cài đặt (yo) theo thời gian:
Điều này gây rối loạn diễn biến các quá trình, làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm, gia tăng hao mịn thiết bị.
Cần điều khiển để các quá trình diễn ra bình thường.
Điều khiển cĩ thểđược thực hiện bằng tay hoặc tựđộng.
Trong điều khiển bằng tay, tác động lên đối tượng thơng qua bộ phận thừa hành do con người thực hiện. X W Z y Con người y, yo
Trong điều khiển tựđộng, tác động lên đối tượng được thực hiện nhờ thiết bịđiều khiển (R) tạo nên hệ thống tựđộng điều khiển.
WW W yo y X Z R
Thơng số cơng nghệ điều chỉnh được sẽ trở về giá trị cài đặt sau khi chịu tác
động của nhiễu. Tuy nhiên, đáp ứng quá độ của thơng số cơng nghệ trong 02 chế độ điều chỉnh bằng tay và tự động cĩ hình dạng và tham số sai lệch động (yD) và thời gian điều chỉnh (tR) khác nhau. Giá trị các tham số này phản ánh chất lượng điều chỉnh và cĩ ảnh hưởng đến năng suất chất lượng sản phẩm cũng như tiêu hao nguyên vật liệu, năng lượng cho quá trình sản xuất.
tR t y y d - yD = max y y 0 : sai lệch động lớn nhất. - tR: thời gian điều chỉnh
Thơng thường yD và tRở chếđộđiều chỉnh tựđộng nhỏ hơn nhiều so với chếđộđiều chỉnh bằng tay.
Thiết bị thí nghiệm:
Thơng số cơng nghệđược điều chỉnh là nhiệt độ dịng liệu vào tháp. Sơđồ hệ thống thiết bị: 3 2 U TC T U 3 4 5 6 1. Bồn chứa liệu
2. Điện trở dùng tạo nhiễu theo nhiệt độ vào thiết bị
3. Máy bơm
4. Van điều chỉnh lưu lượng: được sử dụng để tạo nhiễu theo lưu lượng nhập liệu. 5. Thiết bị gia nhiệt.
6. Bộđiều khiển nhiệt độ. Sơđồ cơng nghệ:
U
T, G
T , Gv
Tv – Nhiệt độ của lưu chất vào thiết bị
T – Nhiệt độ ra của thiết bị
G – Lưu lượng dịng lưu chất
U – Điện áp cung cấp cho điện trở gia nhiệt
Nhiễu được tạo bằng cách tăng giá trị lưu lượng hoặc nhiệt độ nguyên liệu trong bồn chứa ở một lượng nhất định G hoặc Tv
Sơđồ khối: W X(u) Z(Tv, G) R y(T) W yo(To) Nội dung thí nghiệm:
+ Trạng thái ban đầu: thiết bịđang hoạt động ở chếđộổn định với y = yo, khơng cĩ nhiễu z= 0
a) Thiết bị hoạt động khơng cĩ hệ thống điều chỉnh:
- Đưa tác động nhiễu z vào hệ thống.
- Khảo sát biến đổi nhiệt độđầu ra T theo thời gian cho đến khi đạt giá trị xác lập.
- Xác định giá trị (y) xác lập mới.
b) Điều chỉnh nhiệt độ bằng tay: - Đưa tác động nhiễu z vào thiết bị.
- Theo dõi biến đổi nhiệt độ T trên màn hình.
- Điều chỉnh bằng tay điện áp U cho đến khi T trở về giá trị cài đặt ban đầu To - Vẽ lại biểu đồđáp ứng quá độ của nhiệt độ T
- Xác định các chỉ tiêu chất lượng điều khiển yD, tR. c) Tựđộng điều chỉnh nhiệt độ:
- Kết nối thiết bị với bộđiều khiển nhiệt độ trên PLC. - Đưa tác động nhiễu z vào thiết bị.
- Quan sát đáp ứng quá độ của nhiệt độ T - Xác định các chỉ tiêu yD, tR
Phúc trình thí nghiệm:
- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ do tác động nhiễu lên hoạt động thiết bị (chếđộ cơng nghệ) trong điều kiện khơng cĩ hệ thống điều chỉnh.
- So sánh, đánh giá hình dạng đáp ứng quá độ và các chỉ tiêu chất lượng yD , tRở
02 chếđộđiều chỉnh bằng tay và tựđộng.
Bài 2: Cấu trúc hệ thống tựđộng hố quá trình Mục đích:
- Giới thiệu cấu trúc, các phần tử của hệ thống tựđộng hĩa quá trình trong cơng nghiệp.
- Đọc hiểu các kênh điều khiển, biểu diễn thiết bị tựđộng hĩa trên sơđồ cơng nghệ.
- Đọc hiểu các màn hình điều khiển quá trình trên máy tính.
Cơ sở lý thuyết:
Hệ thống tựđộng điều chỉnh các thơng số cơng nghệđơn giản nhất bao gồm đối tượng điều khiển là thiết bị cơng nghệ, dụng cụ đo, bộ điều khiển, bộ phận thừa hành được kết nối theo sơđồ sau:
Đối tượng Bộ phận thừa hành Bộđiều khiển Dụng cụđo yo y
Nhiều bộđiều khiển các thơng số cơng nghệ khác nhau được tập hợp trong thiết bị
PLC kết nối được với máy tính.
Quá trình và thiết bị cơng nghệđược mơ phỏng và điều khiển trên màn hình máy tính bằng các chương trình soạn thảo trên phần mềm WinCC.
Cảm biến Cơ cấu
chấp hành
PLC
Máy tính PhWin CC ần mềm
Thiết bị cơng nghệ
Ký hiệu và phương thức thể hiện dụng cụ đo và thiết bị tựđộng hĩa trên sơ đồ
cơng nghệ được xác định theo các tiêu chuẩn của Mỹ, Nga, Đức. Các tiêu chuẩn này cơ bản giống nhau về ký hiệu quy ước của dụng cụđo và thiết bị tựđộng hĩa, tuy cĩ khác nhau về hình thức thể hiện. Việt Nam chưa cĩ tiêu chuẩn riêng. Tuy nhiên, nếu
biết được một tiêu chuẩn thì cĩ thể dễ dàng đọc sơ đồ cơng nghệ vẽ theo các tiêu chuẩn khác.
Nội dung thí nghiệm:
a) Khảo sát các thiết bị, dụng cụ trên hệ thống thí nghiệm.
- Xác định chủng loại và vị trí cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, van tuyến tính.
- Vẽ lại sơđồ cơng nghệ cĩ thiết bị tựđộng hĩa. - Vẽ sơđồ khối các kênh điều chỉnh.
b) Khảo sát PLC và màn hình giao diện:
- Xác định kết nối và ngỏ vào/ra của PLC. - Đọc sơđồ cơng nghệ trên màn hình giao diện.
- Xác định các đại lượng điều chỉnh và cấu trúc kênh điều chỉnh.
- Khảo sát nội dung các màn hình điều khiển, giá trị thơng số cơng nghệ. c) Điều khiển quá trình qua giao diện điều khiển:
- Tắt, mở các thiết bịđộng lực, van.
- Vận hành thiết bị riêng lẻ: thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
- Điều chỉnh thơng số cơng nghệ bằng tay: mức lỏng, nhiệt độ nhập liệu.
Phúc trình:
- Vẽ lại sơđồ cơng nghệ và sơđồ khối của hệ thống điều chỉnh 04 thơng số cơng nghệ là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức lỏng.
- Viết giải thuật vận hành các thiết bị và điều chỉnh bằng tay thơng số cơng nghệ
trong quá trình chưng cất.
Bài 3: Tựđộng hố quá trình chưng cất
Mục đích:
- Khảo sát quy trình thực hiện, diễn biến các thơng số cơng nghệ trong chế độ
khởi động và dừng quá trình chưng cất.
- Minh họa ảnh hưởng của nhiễu lên các thơng số cơng nghệ và chất lượng sản phẩm.
- Khảo sát chất lượng điều khiển của hệ thống dưới tác động của các đại lượng nhiễu khác nhau.
Cơ sở lý thuyết:
Khởi động là quá trình chuyển hoạt động của hệ thống thiết bị sang chế độ vận hành ổn định đảm bảo mục tiêu sản xuất. Quá trình này là tập hợp các bước thực hiện
để đưa từng thơng số cơng nghệ đến giá trị cài đặt ở chế độ vận hành ổn định. Thời gian thực hiện và tiêu hao nguyên vật liệu phản ánh chất lượng của thuật giải điều khiển quá trình khởi động và dừng hệ thống thiết bị chưng cất.
Nhiễu được hình thành từ sự biến đổi của nhiều đại lượng khác nhau. Trong chưng cất, các tham số của dịng nguyên vật liệu như lưu lượng, nhiệt độ, nồng độ cĩ ảnh hưởng lớn đến các thơng số cơng nghệ của quá trình.
Ảnh hưởng của nhiễu lên các thơng số cơng nghệ cũng khác nhau. Dưới tác động của nhiễu bậc thang, đáp ứng quá độ của thơng số cơng nghệ cĩ 03 dạng:
- Thơng số cơng nghệ tựổn định: bắt đầu lệch khi cĩ nhiễu và sau đĩ quay về giá trị cài đặt ban đầu.
- Thơng số cơng nghệ chuyển sang giá trịổn định mới. - Thơng số cơng nghệ càng lúc càng lệch khỏi giá trị cài đặt.
y t t y t y t Chất lượng điều khiển của hệ thống tự động hĩa được đánh giá theo các chỉ tiêu sau:
+ Sai lệch tĩnh: ys = y∞ -yo + Sai lệch động: yD = ymax - yo
+ Thời gian điều chỉnh: tR là khoảng thời gian để thơng số cơng nghệđạt giá trị xác lập mới với độ chính xác ±
y t t tR yD yo yS ±e
Hình dạng và chất lượng đáp ứng quá độ cũng phụ thuộc vào chủng loại nhiễu. Sai số tĩnh, sai số động và thời gian điều chỉnh càng nhỏ thì chất lượng điều khiển càng cao.
Nội dung thực hiện:
a) Khởi động và dừng quá trình chưng cất: - Viết thuật giải khởi động, dừng quá trình.
- Sử dụng màn hình điều khiển để khởi động và dừng quá trình bằng tay.
- Quan sát, ghi nhận lại biến đổi các thơng số cơng nghệ như nhiệt độ nhập liệu, áp suất trong tháp, nhiệt độ hơi ởđỉnh tháp, mức lỏng trong bình ngưng tụ. - Xác định thời gian ổn định từng thơng số cơng nghệ và tổng thời gian khởi
động, dừng quá trình chưng cất.
b) Khảo sát ảnh hưởng của nhiễu lên thơng số cơng nghệ (khơng cĩ bộ điều khiển):
- Vận hành hệ thống ở chếđộổn định (khơng cĩ nhiễu)
- Lần lượt đưa vào hệ thống 04 đại lượng nhiễu của các tham số nguyên liệu: lưu lượng, nhiệt độ, nồng độ và hỗn hợp cả 03 đại lượng.
- Quan sát diễn biến các thơng số cơng nghệ, xác định giá trị xác lập mới dưới tác
động của từng đại lượng nhiễu.
- Xác định chất lượng sản phẩm sản phẩm đỉnh trong 04 trường hợp nhiễu.
c) Khảo sát chất lượng điều khiển của hệ thống:
- Lần lượt đưa và 04 đại lượng nhiễu.
- Khảo sát đáp ứng quá độ của các thơng số cơng nghệở từng chếđộ nhiễu (04). - Xác định các chỉ tiêu chất lượng điều khiển: yD, tR.
Phúc trình:
- Đánh giá thuật giải khởi động quá trình theo thời gian ổn định các thơng số
cơng nghệ và nồng độ sản phẩm đỉnh.
- Lập bảng sai lệch giữa giá trị xác lập mới và giá trịổn định của từng cơng nghệ
dưới tác động của từng đại lượng nhiễu: y y y0
Nhiễu Thơng số
- Phân tích, đánh giá tác động nhiễu lên các thơng số cơng nghệ. - Lập bảng yD, tR cho từng thơng số cơng nghệ theo chếđộ nhiễu.
- So sánh, đánh giá chỉ tiêu chất lượng điều khiển quá trình dưới tác động nhiễu khác nhau.
Bài 4: Tựđộng điều chỉnh các thơng số cơng nghệ cơ bản Mục đích:
- Giới thiệu các hệ thống điều chỉnh , các đại lượng cơ bản trong quá trình hố cơng nghệ là: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức lỏng.
- Khảo sát cấu trúc bộ điều khiển (PID) và đáp ứng quá độ của hệ thống điều chỉnh thơng số cơng nghệ.
Nội dung thí nghiệm:
Nội dung thí nghiệm cho hệ thống điều chỉnh tất cả 04 thơng số cơng nghệ gơm cĩ: - Tạo nhiễu bậc thang (Z)
- Quan sát biến đổi thơng số cơng nghệ (y) và xác định giá trị xác lập mới (y∞) - Kết nối thiết bị với bộđiều khiển (R) lần lượt cĩ cấu trúc P, PI, PD, PID.
- Khảo sát đáp ứng quá độ y(t) và xác định các chỉ tiêu chất lượng điều khiển yD, tR, I = y t dt( ) với các cấu trúc P, PI, PD, PID.
- So sánh chất lượng điều khiển của P, PI, PD, PID và chọn lựa cấu trúc phù hợp với từng thơng số cơng nghệ.
Các thơng số KP, KI, KD được tính tốn trước theo phương pháp thực nghiệm.
Thơng số cơng nghệ và thiết bị thí nghiệm:
a) Điều chỉnh nhiệt độ:
Thơng sốđiều chỉnh: nhiệt độđầu ra của thiết bị gia nhiệt dịng điện. Sơđồ thiết bị: U TC T T , Gv T: Nhiệt độđầu ra của thiết bị. Tv: Nhiệt độđầu vào thiết bị
G: Lưu lượng dịng liệu. U: Điện áp cấp cho điện trở.
Nhiễu được tạo bằng cách thay đổi Tv hoặc G ở một giá trị Tv, G đủ cho T lệch khỏi giá trị cài đặt. Sơđồ khối kênh điều chỉnh: W X(u) R Z(Tv, G) W y0 y(T)
Các thơng số KP, KI, KD của các bộđiều khiển P, PI, PD, PID được tính theo phương pháp thực nghiệm. b) Điều chỉnh áp suất: Thơng sốđiều chỉnh: áp suất hơi đỉnh tháp. Sơđồ thiết bị: PC 1 U 2 P1 F1 1: Đáy tháp chưng cất 2: Thiết bị ngưng tụ P: áp suất đỉnh tháp F: lưu lượng nước lạnh. U: Điện áp cho điện trởđáy tháp.
Nhiễu được tạo bằng cách thay đổi U ở một giá trị U đủ cho P lệch khỏi giá trị
cài đặt. W R Z(U) X(G) yo y(P) W Sơđồ khối: Trang 67
c) Điều chỉnh lưu lượng:
Thơng sốđiều chỉnh: lưu lượng nhập liệu vào tháp. Sơđồ thiết bị: FE FC W 1 2 3 F 1- Máy bơm 2- Van tuyến tính 3- Cảm biến lưu lượng F – Lưu lượng nhập liệu
G – lưu lượng đến van tuyến tính W – Cơng suất máy bơm
Nhiễu được tạo bằng cách thay đổi W đủ cho F lệch khỏi giá trị cài đặt. Sơđồ khối: W W yo y(F) X(G) Z(W) R
d) Điều chỉnh mức lỏng:
Thơng sốđiều chỉnh: mức lỏng trong đáy tháp Sơđồ thiết bị: LC U 1 2 L 1- Đáy tháp chưng cất 2- Máy bơm L – Mức lỏng trong đáy tháp G – Lưu lượng chất lỏng vào tháp F – Lưu lượng chất lỏng ra khỏi tháp
Nhiễu được tạo bằng cách thay đổi G đủ cho L lệch khỏi giá trị cài đặt Sơđồ khối: W R Z(G) X(F) y(L) W y0 Trang 69
Bài 5: Lập trình PLC Mục đích
- Giúp cho học vên biết cách lập trình PLC của hãng siemen từ cơ bản đến nâng cao.
- Biết cách kết nối PLC với ngoại vi, đặc biệt cách kết nối PLC với các cảm biến cho ra tín hiệu analog là dịng hoặc áp.
- Biết cách lập trình xử lý các tín hiệu analog từ các bộ đo các thơng số cơng nghệ trả về ví dụ thơng số nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, áp suất, thành phần…
- Biết viết chương trình sử dụng module PID mềm để chỉnh các thơng số cơng nghệ với mục đích nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển.
Thiết bị thí nghiệm
- Máy tính cĩ cấu hình mạnh - Phần mềm Step 7 license
- Bộđiều khiển bao gồm (CPU, module AI, module A0) - Cảm biến đo nhiệt độ thermocoupler, PT100 - Cảm biến đo áp suất - Cảm biến đo lưu lượng - Cảm biến đo mức - Biến tần Nội dung thí nghiệm
- Đọc, hiểu cách đấu dây giữa PLC với ngoại vi, cách kết nối PLC với máy tính thơng qua card giao tiếp 5611 theo sơđồ sau đây.
Thông số cơng nghệ
(nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức)
Cảm biến Cơ cấu
chấp hành
Card 5611
Module Analog Out
Bảng điều khiển Module DI/DO Áp Module Analog In Module CPU Dòng 2 dây và 3 dây Phần mềm Step 7 Máy tính