• Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Chức năng chính của hệ thống điều khiển dây chuyền cấp phối liệu là chức năng điều khiển. Bài toán điều khiển dây chuyền phối liệu dễ dàng được chia thành hai bài toán điều khiển phụ:
25
Chương I Tổng quan về hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu
a. Bài toán điều khiển phụ 1: Điều khiển băng tải cấp liệu thành phần: Điều khiển tốc độ băng tải cấp nguyên liệu thành phần dưới điều kiện phễu cấp liệu cấp liệu cho băng tải với khối lượng cấp liệu biến động trong một dải tương đối rộng sao cho sai số cấp liệu của băng tải phải nhỏ hay bằng ε.
b. Bài toán điều khiển phụ 2: Điều khiển băng tải cấp liệu tổng bằng cách giữ tốc độ của băng cấp liệu tổng không đổi.
Theo cách đặt vấn đề của điều khiển công nghiệp, ta có thể phát biểu bài toán điều khiển băng tải cấp liệu thành phần thành hai nhiệm vụ:
- Nhiệm vụ 1:
+ Cân băng tải: Đưa ra giá trị đặt cho tốc độ băng tải sao cho khối lượng cấp liệu theo đơn vị thời gian bằng giá trị đặt trước.
+ Điểm đặt: Khối lượng cấp liệu theo đơn vị thời gian
+ Biến điều khiển: Tốc độ băng tải
+ Tín hiệu đo: Trọng lượng nguyên liệu thành phần trên băng và tốc độ động cơ băng tải
- Nhiệm vụ 2:
+ Điều khiển tốc độ băng tải: điều chỉnh tốc độ động cơ băng tải sao cho tốc độ băng tải có giá bằng giá trị của biến điều khiển của nhiệm vụ 1.
Bài toán điều khiển băng tải cấp liệu tổng chính là nhiệm vụ 2 của bài toán điều khiển thứ nhất. Trong thực tế việc điều khiển tốc độ băng tải do các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ VSD (Variable Speed Drive) còn được biết theo một tên khác đơn giản hơn là bộ biến tần (Invertors). Khi kết hợp động cơ và bộ điều chỉnh tốc độ của nó (nhiệm vụ 2 của bài toán điều khiển cân băng tải cấp nguyên liệu thành phần) thành một đối tương điều khiển, ta có thể dễ dàng mô tả nhiệm vụ 1 của bài toán điều khiển cân băng tải cấp nguyên liệu thành phần theo hình I.21.
26
Hình I.21 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cân băng Theo hình ta có thể thấy hệ thống điều khiển gồm:
1. Điểm đặt : Tốc độ cấp liệu của băng tải (kg/phút)
2. Bộ so sánh tốc độ đặt và tốc độ cấp liệu thực của băng tải
3. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân PID
4. Đối tượng điều khiển: Biến tần và động cơ băng tải
5. Bộ đo tốc độ cấp liệu thực của cân Và hệ thống tín hiệu của hệ thống điều khiển gồm:
- Tín hiệu vào:
+ Tín hiệu đặt: Tốc độ cấp liệu
+ Tín hiệu đo:Trọng lượng vật liệu trên băng Tốc
độ băng tải
+ Tín hiệu ra: Tốc độ đặt cho bộ điều khiển tốc độ động cơ Trên sơ đồ khối của hệ thối điều khiển ta có khối chức năng chính là:Bộ đo tốc độ cấp liệu thực của băng tải và Bộ điều khiển PID.
Việc thực hiện các khối chức năng này ra sao sẽ được đề cập chi tiết trong các mục dưới đây
• Bộ đo tốc độ cấp liệu thực của băng tải a.Nguyên lý đo
Cân băng là việc xác định khối lượng Q mà băng tải cấp được trong một khoảng thời gian t1-t2 cho trước.
Nếu trọng lượng vật liệu trên băng là q (kg/m) và băng chạy với vận tốc
V = ds
(m/s) thì tốc độ cấp liệu của băng là
dt
Và như vậy ta có:
t2
Q = ∫ Mdt
t 1
Nếu tốc độ băng tải là không đổi thì
Q = qV(t2 −t1)
Với q là trọng lượng trung bình của vật liệu trên một mét dài của băng. Chú ý: Trong thực tế trọng lượng vật liệu được xác định qua cảm biến trọng lượng được đặt dưới con lăn. Giả sử băng tải có trọng lượng và có khối lượng là b(kg/m) và trọng lượng của con lăn là I thì tổng khối lượng tác động lên bộ cảm biến trọng lực đặt dưới con lăn là:
W=(q+b)ds+I
Vì vậy khi cân chỉnh băng người ta tiến hành thủ tục trừ bì nghĩa là tính toán khử tác động tĩnh của khối lượng tĩnh của con lăn và tác động động của trọng lượng băng và ta có được Q theo công thức sau:
s= L
B = ∫bds =
0
0
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ đo tốc độ cấp liệu thực là
- Độ chính xác của cảm biến đo.
- Cách thức lắp đặt cảm biến vào hệ cân băng: vị trí con lăn có gắn cảm biến trọng lượng, vị trí tương đối của của cảm biến tốc độ so với cảm trọng lượng.
c. Vị trí của con lăn có gắn cảm biến trọng lượng
Vị trí tương đối cảm biến trọng lượng và cảm biến trọng lượng,
28
Chương I Tổng quan về hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu
Lực căng của băng tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật liệu trên băng và làm cho băng bị kéo giãn. Độ kéo giãn của băng,δL (mm), được tính theo
δ
L =L
ET.A
với L (mm) là chiều dài, E (N/mm2) là suất dão của băng, và A (mm2) là diện tích mặt cắt ngang của băng. Khi ta cần đo tốc độ băng tại vị trí đặt cảm biến trọng lượng mà bộ cảm biến đo tốc độ phát xung đặt cách bộ cảm biến trọng lượng là L thì sai số,δF (%), được tính như sau
δ
δ
F =
L+LδL 100
Từ đó ta dễ dàng thấy rằng nếu cảm biến tốc độ dược bố trí cùng một chỗ đối với cảm biến trọng lượng,δL = 0 , thìδF = 0
• Bộ điều khiển PID a. Tổng quan về bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân gọi tắt là bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative Controller) là bộ điều khiển phản hồi được dùng phổ biến và có hiệu quả nhất trong công nghiệp. Về mặt lý tổng quan, sơ đồ điều khiển được trình bày ở hình I.22.
Trên hình bộ điều khiển PID sẽ dùng độ sai lệch e(t) giữa tín hiệu đặt s(t) (setpoint) và đáp ứng của quá trình u(t) (output), để tính toán ra giá trị của tín hiệu điều khiển tác động lên quá trình u(t) (control) với thuật toán tỉ lệ, tích vi phân sao cho sai lệch giữa đáp ứng quá trình (output) và tín hiệu đặt nhỏ hơn độ sai lệch cho phép theo yêu cầu của quá trình công nghệ. Thuật toán PID được cho theo công thức sau :
c( t) = KP e(t) + KI ∫t e(τ)dτ+ KP de(t )
0 dt
29
Hình I.22: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điểm đặt
Thuật toán PID có 3 thông số đó là hệ số tỉ lệ KP , hệ số tích phân KI và hệ số vi phân KD . Một cách trực quan ta có thể thấy hệ số tỉ lệ KP quyết định độ tác động của bộ điều khiển theo giá trị tức thời của e(t), hệ số tích phân KI quyết định độ tác động của bộ điều khiển tích luỹ theo thời gian của e(t), và hệ số vi phân KD quyết định độ tác động của bộ điều khiển theo tốc độ thay đổi theo thời gian của e(t). Tín hiệu điều khiển c(t) sẽ là tổng hợp của ba tác động này. Kết quả là dựa trên sai lệch hiện tại (tỉ lệ), sai lệch quá khứ (tích phân), và sai lệch tương lai (vi phân), bộ điều khiển tác động lên phần tử điều khiển công suất như van, vòi phun, bộ điều tốc động cơ và qua đó tác động lên quá trình sao cho sai lệch giữa đáp ứng mong muốn (setpiont) và đáp ứng thực (output) nằm trong phạm vi cho phép của công nghệ.
Bằng cách đặt những giá trị thích hợp cho 3 hệ số KP , KI , và KD bộ điều khiển PID sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển tương ứng với các yêu cầu công nghệ cụ thể của quá trình. Yêu cầu dầu tiên đối với bộ điều khiển PID là đáp ứng của quá trình
phải ổn định có nghĩa là lim ( ) =
t →∞ u t
ứng mong muốn (setpoint) và đáp ứng thực của quá trình khi quá trình là ổn định.
30
Chương I Tổng quan về hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu
Hình I.23: Tương quan giữa đáp ứng mong muốn và đáp ứng thực
Khi đáp ứng của quá trình là ổn định, việc đánh giá chất lượng điều khiển của bộ điều khiển PID chủ yếu dựa trên các thông số tính là thời gian quá độ, lượng quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh. Trong điều khiển công nghiệp ta chỉ cần đặt các thông số của bộ điều khiển PID sao cho các đáp ứng của quá trình đảm bảo được yêu cầu của quá trình công nghệ chứ không nhất thiết phải đề cập đến tính tối ưu của bộ điều khiển.
Đối với một số ứng dụng công nghiệp có yêu cầu không cao thì chỉ cần một hay hai trong ba tác động tỉ lệ, tích phân và vi phân là đủ để đáp ứng yêu cầu công nghệ đặt ra. Trong những trường hợp như vậy thì hệ số của tác động không cần dùng đến được đặt bằng 0. Và bộ điều khiển sẽ được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ P, bộ điều khiển tích phân I, bộ điều khiển tỉ lệ tích phân PI… một cách tương ứng. Trong số này bộ điều khiển PI được dùng phổ biến nhất vì thành phần vi phân rất nhạy cảm với nhiễu của tín hiệu phản hồi, còn thành phần tích phân có tác dụng khử hoàn toàn sai lệch tĩnh.
31
Các quá trình công nghiệp chủ yếu được mô tả qua các hàm truyền có bậc I hay II với các thông số có thể xác định một cách tương đối chính xác qua thực nghiệm. Vì vậy mà bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp thường được cài đặt thông số qua các phương pháp thực nghiệm như Ziegler–Nichols và Cohen-Coon.
Tính năng điều khiển PID được tích hợp vào hầu hết các bộ điều khiển như bộ điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển mức, điều khiển độ ẩm, điều khiển cân băng…Ngoài ra các bộ điều khiển PID thương phẩm trên thị trường của các hãng như Allen Breadley, Siement, ABB, Emerson, Toshiba, Yokogawa, …có thể được dùng cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình trong công nghiệp và dân dụng.
b. Bộ điều khiển PID và bài toán điều khiển cân băng So sánh hình I.21 với hình I.22 ta có thể nhận thấy :
Quá trình điều khiển là quá trình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ qua biến tần.
Tín hiệu phản hồi là giá trị đo của tốc độ cấp liệu thực ở đầu ra của bộ đo tốc độ cấp liệu thực của băng tải với đầu vào là đầu ra của cảm biến trọng lượng và cảm biến tốc độ.
Yêu cầu về độ chính xác của cân băng là tương đối cao trong một số ứng dụng. Ví dụ như: xi măng lò đứng, luyện thép …
Từ đó ta có thể thấy đối với bài toán điều khiển cân băng tải để đảm bảo độ chính xác yêu cầu trong thực tế cần chú ý tới các yếu tố quan trọng sau:
-Nhiễu tải: Việc cấp liệu cho băng là không đều.
-Nhiễu đo: Sai số của bộ đo tốc độ cấp liệu thực của cân băng. -Nhiễu mô hình: Chất lượng ghép nối cơ khí, truyền động của băng.
Vì vậy việc căn chỉnh cơ khí của cân và thiết bị cấp liệu cùng với việc chỉnh định cảm biến là hết sức quan trọng. Sai số cấp liệu của cân băng phải được xác định trực tiếp bằng kiểm chuẩn tại hiện trường.
32
Chương I Tổng quan về hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu