Cấu trỳc tổng quỏt một hệ điều khiển quỏ trỡnh

3. Nội dung luận văn:

2.2.1. Cấu trỳc tổng quỏt một hệ điều khiển quỏ trỡnh

Cấu trỳc cơ bản của một hệ thống điều khiển quỏ trỡnh được minh họa như trờn hỡnh 2.1:

2.2.2.Thiết bị đo

a. Cấu trỳc cơ bản:

Một thiết bị đo quỏ trỡnh cú nhiệm vụ cung cấp thụng tin về diễn biến của quỏ trỡnh kỹ thuật và cho đầu ra là một tớn hiệu chuẩn. Cấu trỳc cơ bản của một thiết bị đo quỏ trỡnh được minh hoạ như trờn hỡnh 2.2.

Thành phần cốt lừi của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến cú chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, ỏp suất, mức, lưu lượng, nồng độ sang một tín hiệu thụng thường là điện hoặc khí nén. Một cảm biến cú thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đú mỗi phần tử cảm biến lại là

Hỡnh 2.1: Sơ đồ khối một vũng của HTĐKQT

một bộ chuyển đổi từ một đại lượng này sang một đại lượng khỏc dễ xử lý hơn. Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do chịu ảnh hưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo. Vỡ thế sau phần tử cảm biến người ta cần cỏc khõu khuếch đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bự sai lệch và tuyến tính hoỏ. Những chức năng đú được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ chuyển đo đổi chuẩn đúng vai trũ là một khõu điều hoà tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để cú thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển. Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn được tích hợp luụn cả phần tử cảm biến, vỡ vậy khỏi niệm 'Trasmitter' cũng được dựng để chỉ cỏc thiết bị đo.

Thuật ngữ:

Measurement device: Thiết bị đo Sensor: Cảm biến

Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo Signal conditioning: Điều hoà tín hiệ Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn

Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng

Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà ta khỏi quỏt là cỏc đặc tính thiết bị đo, bao gồm đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học. Đặc tính vận hành bao gồm cỏc chi tiết về khả

Hỡnh 2.3: Một số hỡnh ảnh thiờ́t bị đo cụnghiệp

Lưu lượng kờ́ Thiờ́t bị đo ỏp suất

năng đo chi tiết vận hành và tỏc động mụi trường. Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào và giỏ trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thỏi xỏc lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiờn đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian. Đặc tính tĩnh liờn quan tới độ chính xỏc khi giỏ trị của đại lượng đo khụng thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Ngược lại, đặc tính động học liờn quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh.

b. Đặc tớnh động

Khi giỏ trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giỏ trị đầu vào và ta chỉ cần quan tõm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo. Tuy nhiờn tín hiệu đầu ra sẽ khụng thể đỏp 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. Đặc tính động học của hầu hết cỏc thiết bị đo cú thể được mụ tả được mụ tả bằng một phương trỡnh vi phõn cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính coi động học của nú cú thể được biểu diễn với một khõu quỏn tính bậc nhất:

m m k y( s ) G ( s ) x( s ) 1 s    Hoặc một khõu ổn định: m m 2 2 k y( s ) G ( s ) x( s )  2s s    

Núi chung, đặc tính động học của một thiết bị đo cú ảnh hưởng ít nhiều tới chất lượng điều khiển. Nếu hằng số thời gian trong hai mụ hỡnh trờn rất nhỏ so với hằng số thời gian của quỏ trỡnh cụng nghệ, hay núi cỏch khỏc là phép đo cú động học nhanh hơn nhiều so với động học của quỏ trỡnh, ta cú thể bỏ qua quỏn tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khõu khuếch đại thuần tuý. Ngược lại, nếu hằng số thời gian này khụng nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian của quỏ trỡnh, ta cú hai phương ỏn giải quyết:

+ Vẫn chỉ sử dụng mụ hỡnh tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gõy ra là nhiễu đo.

Hàm truyền đạt thiờ́t bị đo mức nước lũ hơi là bộ chuyển đổi EJA 210A của hóng YOKOGAWA cú dải đo 0  1000mm, tương ứng cho tớn hiệu đầu ra dạng dũng liờn tục 4  20mA. Thiết bị này cú hàm truyền đạt là một khõu quỏn tớnh bậc nhất. ( ) 1 H K W s Ts   Trong đú:

K: hệ số khuyếch đại của thiết bị đo, được xỏc định như sau:

max max 20 4 0, 016 1000 I mA K H mm            

T: thời gian trễ của thiết bị đo, thường lấy T = 0,005(s)

0,016 ( ) 1 0.005 m G s s   

Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dũng điện-khớ nộn (I/P)

Bộ chuyển đổi I/P được chọn là PK200 của hóng YOKOGAWA cú tớn hiệu đầu vào là dũng điện I: 4  20mA và tớn hiệu đầu ra là ỏp suất khớ nộn P: 0,2 

1KG/cm2.

Như vậy, thiết bị này cú hàm truyền là một khõu khuyếch đại với hệ số khuyếch đại K được xỏc định như sau:

2 max max 1 0,2 / 0,05 20 4 IP P KG cm K I mA              2.2.3. Thiết bị chấp hành

Một hệ thống / thiết bị chấp hành cú chức năng can thiệp tới biến điều khiển. Hỡnh 2.4 minh hoạ cấu trỳc cơ bản của một thiết bị chấp hành.

Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển, ví dụ van tỷ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Phần tử điều khiển được truyền năng lượng truyền động từ cơ cấu chấp hành, ví dụ cỏc hệ thống động cơ, cuộn hỳt và cơ cấu khí nén, thuỷ lực. Trong cỏc hệ thống điều khiển quỏ trỡnh thỡ hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vỡ thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiờu biểu nhất và quan trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. Trong nội dung sau đõy ta tập trung vào cỏc yếu tố cơ bản của một van điều khiển.

Cấu trỳc cơ bản

Một van điều khiển bao gồm thõn van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cựng với cỏc phụ kiện liờn quan. Trờn hỡnh 2.5 là hỡnh ảnh mặt cắt của một van khí nén với cơ chế truyền động màng rung - lũ xo.

Phần thõn van cựng cỏc phụ kiện được gắn với đường ống, đúng vai trũ là phần tử điều khiển. Độ mở van và lưu lượng qua van được xỏc định bởi hỡnh dạng và vị trí chốt van. . Ta cú thể phõn loại van dựa theo thiết kế và kiểu chuyển động của chốt van như sau:

-Van cầu: Chốt trượt cú đầu hỡnh cầu hoặc hỡnh nún, chuyển động lờn xuống.

- Van nỳt: Chốt xoay hỡnh trụ hoặc một phần hỡnh trụ. - Van bi: Chốt xoay hỡnh cầu hoặc một phần hỡnh cầu. - Van bướm: Chốt xoay hỡnh đĩa.

Cơ cấu chấp hành van cú nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển động cho chốt van thụng qua cầu van hoặc trục van. Phần lớn van điều khiển cụng nghiệp được cấp nguồn khí nén. Song một số nguồn năng lượng khỏc như điện, điện từ hoặc thủy lực cũng cú thể sử dụng. Ta cú thể phõn loại van dựa theo cơ chế truyền động như sau:

- Van khí nén: Loại phổ biến nhất, truyền động khí nén sử dụng màng chắn/ lũ so hoặc piston. Tín hiệu đầu vào cú thể là khí nén, dũng điện hoặc tín hiệu số. Nếu tín hiệu điều khiển là dũng điện, ta cần bộ chuyển đổi dũng điện

Hỡnh 2.5 Cấu trỳc tiờu biểu của một van cõ̀u khớ nén

- Khí nén (I/P) tích hợp bờn trong hoặc tỏch riờng bờn ngoài.- Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước, được điều khiển trực tiếp từ tín tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển, thụng thường là dũng điện tương tự 4-20mA hoặc tín hiệu số. Van điện được sử dụng trong những ứng dụng cụng suất nhỏ đũi hỏi độ chính xỏc cao.

- Van thuỷ lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn hoặc piston, bơm dầu được điều khiển bởi tín hiệu ra từ bộ điều khiển. Van thuỷ lực được sử dụng cho cỏc ứng dụng cụng suất lớn.

- Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hỳt kết hợp lũ xo, lực nén yếu và độ chính Chốt van Cổng lưu chất vào Chõn Chỉ thị hành trỡnh Lũ xo Màng chắn Cửa khớ vào Cổng lưu chất ra Cầu van Màng chắn Cửa khớ vào Chốt van Cổng lưu chất vào Chõn Lũ xo Cổng lưu chất ra Cầu van Màng chắn Cửa khớ vào

Phần lớn van điều khiển cụng nghiệp được thiết kế để cú tính an toàn cơ học, cú nghĩa là khi khụng cú tín hiệu điều khiển thỡ van hoặc phải đúng hoàn toàn hoặc phải mở hoàn toàn để ngăn chặn nguy cơ sảy ra tai nạn. Ví dụ, một vạn khí nén cú sử lũ xo thỡ chốt van sẽ được kéo về vị trí ban đầu nếu mất nguồn năng lượng cung cấp. Nhưng khụng phải van nào cũng cú tính an toàn cơ học, ví dụ van điện hoặc van khí nén khụng sử dụng lũ xo đối lực sẽ giữ nguyờn vị trí mở van sau khi mất tín hiệu điều khiển hoặc mất nguồn năng lượng cấp.

Chiều mũi tờn chỉ xuống hướng tới thõn van thể hiện kiểu van là đúng an toàn, cũn khi mũi tờn ngược lại chỉ thị kiểu mở an toàn. Sự lựa chọn kiểu tỏc động của van thuần tuý dựa trờn nguyờn tắc đảm bảo an toàn trong trường hợp mất tín hiệu điều khiển hoặc mất nguồn năng lượng cấp. Hỡnh 2.6 minh họa van đúng an toàn (fail-closed FC, hoặc air-to-open AO) và van mở an toàn (fail- open FO, hoặc air-to-close AC) sử dụng trong điều khiển quỏ trỡnh.

Sự lựa chọn kiểu tỏc động của van điều khiển ảnh hưởng tới lựa chọn hệ số khuếch đại của bộ điều khiển phản hồi sau này.

Van đúng an toàn cú độ mở van lớn hơn khi tín hiệu điều khiển tăng. Lưu ý khỏi niệm ‘chiều tỏc động’ của bản thõn van điều khiển được định nghĩa trong cỏc tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động của chốt van. Chiều tỏc động thuận được định nghĩa là độ mở van tăng lờn khi tín hiệu điều khiển tăng

Nếu van được định cỡ tốt thỡ quan hệ giữa lưu lượng ra và độ mở van cú thể được coi là tuyến tính, ít ra cũng trong phạm vi quan tõm. Trong thực tế hàm truyền của van thường được coi là khõu quỏn tớnh bậc nhất cú trễ, lấy gần đỳng thỡ xem là khõu quỏn tớnh bậc nhất:

Hỡnh 2.6:Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tỏc động của van điều khiển

( ) 1 V V v K G s T s   Trong đú:

K: hệ số khuyếch đại của van

T: thời gian trễ của van, thường lấy T = 10 ms = 0,01s

Khi tớn hiệu vào thay đổi từ 0,2  1KG/cm2 thỡ độ mở của van thay đổi từ 0  80%, khi đú hệ số khuyếch đại được xỏc định như sau:

        2 %độ ở 80 100 1 0,8 / V m K KG cm

Ta cú khi độ mở của van thay đổi từ 5  80% thỡ lưu lượng nước qua van thay đổi từ 0  40 T/h. Từ đú hệ số truyền của sự liờn hệ giữa lưu lượng nước qua van và độ mở của van là:

40 / 0, 5 80 5 %độ ở T T h K m         

Kết hợp cỏc hàm truyền ở trờn ta cú hàm truyền đạt với tớn hiệu vào là ỏp suất khớ nộn và tớn hiệu ra là lưu lượng nước cấp thụng qua cơ cấu van:

      2  % / ( ) . / % V 50 T h G s 1+0.01s KG cm

Việc xỏc định hệ số khuếch đại kv và hằng số thời gian v của van cú thể

tiến hành từ thực nghiệm. Hằng số thời gian v của van phụ thuộc chủ yếu vào

cơ cấu chấp hành. Thụng thường, v cú giỏ trị khoảng một vài giõy, đối với van

cỡ lớn cú thể tới 3 ữ 15 giõy. Hệ số khuếch đại kv cũng cú thể được tính toỏn

như sau: v dF dF dp k du dp du  

Cơ cấu chấp hành cú thể coi là tuyến tớnh trong toàn bộ dải làm việc, nờn đạo hàm dp/du bằng “1” cho van FC và bằng “-1” cho van FO. Vỡ thế với việc chọn van FC ta cú:

v

dF k

dp



Nếu van được định cỡ tốt thỡ ta cú thể coi kv là hằng số trong toàn dải

làm việc.

2.2.4. Hàm truyền của mụ hỡnh

Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để sinh cụng (nhờ sự chuyển húa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng).

Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lũ bởi cỏc ống dẫn (bao hơi đặt phớa trờn lũ, ở vị trớ cao nhất hỡnh 2.7). Buồng đốt được cấu tạo từ cỏc dàn ống sinh hơi, cỏc ống sinh hơi được hàn với nhau bằng cỏc thanh thộp dẹt

dọc theo hai bờn vỏch ống tạo thành cỏc dàn ống kớn. Cỏc dàn ống sinh hơi tường trước và tường sau ở giữa tạo thành vai lũ, phía dưới tạo thành cỏc phễu tro lạnh. Phớa trờn buồng đốt, cỏc dàn ống sinh hơi tường sau tạo thành phần lồi khí động.

Trờn bề mặt ống sinh hơi vựng rộng của buồng đốt từ dưới vai lũ tới trờn phễu lạnh được gắn gạch chịu nhiệt tạo thành vựng đai đốt bảo vệ bề mặt ống. Để ổn định tuần hoàn, cỏc dàn ống sinh hơi được chia thành cỏc vũng tuần hoàn nhỏ. Nước từ bao hơi theo đường ống nước xuống, phõn chia đi vào cỏc ống gúp dưới trước khi vào cỏc dàn ống sinh hơi. Cỏc dàn ống sinh hơi được đốt núng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lũ, nước trong cỏc dàn ống sẽ sụi và sinh hơi.

Hỗn hợp hơi nước bốc lờn từ cỏc dàn ống sinh hơi tường hai bờn lũ tập trung vào cỏc ống gúp trờn hai bờn sườn trần lũ, từ cỏc dàn ống sinh hơi tường trước tập trung vào cỏc ống gúp trờn tường trước và từ cỏc dàn ống sinh hơi tường sau tập trung vào cỏc ống gúp trờn tường tường sau của lũ. Từ cỏc ống gúp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng cỏc đường ống lờn.

Hệ thống cấp nước cú 3 phần chính: hệ thống bơm nước; hệ thống van, ống dẫn, vũi phun và hệ thống hõm nước. Hệ thống thực hiện nhiệm vụ cung cấp nước vào bao hơi đảm bảo quỏ trỡnh tạo lượng hơi nước theo yờu cầu. Hơi nước sau khi phun vào tuabin được ngưng tụ thành nước tại bỡnh ngưng và được đưa trở lại hệ thống cấp nước cho bao hơi. Nước cấp cho bao hơi đó được xử lý hoỏ học để đảm bảo chất lượng nước cấp, sau đú nước được hõm núng tới gần nhiệt độ sụi rồi bơm vào bao hơi. Hệ thống cỏc ống dẫn, vũi phun nối liền cỏc hệ thống cấp nước, hệ thống hõm nước, van và bơm với bao hơi.

Hỡnh 2.8 biểu diễn sơ đồ những thành phần cơ bản của hệ thống cấp nước.