Trong chương hai, luận án đã chỉ ra các yếu tố tác động tới đối tượng cần điều khiển mức nước bao hơi, mô hình toán học được các đối tượng trong hệ thống. Trong chương tiếp theo, ta sẽ sử dụng chúng để xây dựng hàm truyền các đối tượng và tổng hợp các bộ điều khiển thông qua phương pháp tối ưu modul. Sau đó, đánh giá kết quả tính toán bằng lý thuyết thống qua việc mô phỏng hệ
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI 3.1. Tính toán mô phỏng bộ điều khiển
3.1.1. Hàm truyền của các đối tượng thực tế
Trong hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi có các đối tượng cần nhận dạng qua thực tế đó là van điều chỉnh nước cấp, đối tượng mức nước bao hơi và các cảm biến.
Hàm truyền của van
Trong nghiên cứu này, chúng tôi coi như van được định cỡ tốt và quan hệ giữa
lưu lượng ra và độ mở van là tuyến tính thì hàm truyền của van được coi là một khâu quán tính bậc nhất có trễ, dựa trên tài liệu [29] ta coi gần đúng hàm truyền của van là khâu quán tính bậc nhất dạng:
Từ thực tế, chọn hệ số khuếch đại Kv = 1.69 và thời gian trễ Kv =3.15 ta được
hàm truyền của van cấp nước là:
Chọn hàm truyền của cảm biến
Khi các cảm biến hoạt động thì các giá trị đại lượng đo thay đổi nhanh theo thời gian. Quan hệ phụ thuộc giữa tín hiệu đầu ra với đại lượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học. Đặc tính động học của hầu hết các cảm biến được mô tả bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của cảm biến là tuyến tính, thì động học của cảm biến có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất.Trong bài này chúng ta chọn các cảm biến lưu lượng
Và cảm biến mức nước trong bao hơi có dạng:
Hàm truyền đạt của mức nước bao hơi
Từ các đường đặc tính cả đối tượng mức nước bao hơi, ta thấy đối tượng là khâu tích phân quán tính có trễ và không tự cân bằng, có dạng
(5a)
Trong đó: là hệ số khuếch đại của hệ
: thời gian trễ khi có xung tác động : hằng số thời gian
Với thời gian trễ khi có xung tác động là rất ngắn so với hằng số thời nên ta coi gần đúng đối tượng mức nước bao hơi là khâu tích phân quán tính bậc nhất.
Trong nghiên cứu này, hàm truyền bao hơi có dạng:
(5b)
3.1.2. Tính toán bộ điều khiểna. Bộ điều khiển 1 tín hiệu: a. Bộ điều khiển 1 tín hiệu:
Hình 3.1. Bộ điều khiển 1 xung tín hiệu Hàm truyền hệ hở: 1.69*0.08*0.025 s(15s 1)(3.15 1)(0.5s 1) h G s = + + + (7)
Xấp xỉ hàm truyền về dạng tích phân quán tính bậc nhất:
1.69*0.08*0.025 (15 1) .( 1) h k G s s s Ts = = + +
Chọn hàm truyền bộ PI theo phương pháp tối ưu đối xứng:
1 1 p i R k Ts = + (8) Trong đó: 1 9,87; 2 4 60 p i k kT T T = = = =
c. Bộ điều khiển 3 xung tín hiệu
Mô tả về bộ điều khiển 3 tín hiệu (3 vòng điều khiển) được thể hiện trên
Hình 3.2, trong đó hàm truyền được phân tích, tính toán ở phần trên. Học viên sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều khiển cho các vòng điều khiển để xác định tham số của bộ điều khiển PID.
Hình 3.2. Bộ điều khiển 3 xung tín hiệu
Thiết kế vòng điều khiển trong:
Hàm truyền hệ hở: 1 2 1.69*0.23 (0.5 1)(3.15 1) ( 1)( 1) h k G s s T s T s = = + + + + . (9a) Chọn bộ PI: 1 2 1 1 1 2.57 2 . 3.15 p i p i R k Ts k k T T T = + = = = = (9b)
Thiết kế vòng điều khiển ngoài:
0.08*0.025 (15 1)(0.5 1) h G s s s = + + (9c) Bỏ qua thành phần 0 5 1s + khá nhỏ ta được: 0.08*0.025 (15 1) ( 1) h k G s s s Ts = = + + (9d)
4 60 1 9.87 2 . i p i T T k k T = = = ≈ 3.2. Thiết kế phần cứng
Từ nghiên cứu tính toàn về bộ điều khiển ở phần trên, học viên tiến hành thiết kế phần cứng cho phần điều khiển mức nước bao hơi, với các thông số thực tế của bài toán được tham khảo từ tài liệu của Công ty CP Nhiệt điện Nhơn Trạch.
3.2.1. Sơ đồ P&ID của phần điều khiển mức nước bao hơi
• Bơm nước cấp 18LAA10BB001
Hình 3.3. Bơm nước cấp 18LAA10BB001 • Bơm nước cấp HP 18LAC50/60/70AP001
Hình 3.4. Bơm nước cấp HP 18LAC50/60/70AP001 • Bơm nước cấp IP/LP 18LAC20/30AP001:
Hình 3.5. Bơm nước cấp IP/LP 18LAC20/30AP001
3.2.2. Thống kê các điểm vào/ra của phần điều khiển mức nước bao hơi hơi
Từ các phân tích về bài toán dựa trên các sơ đồ P&ID ở trên, chúng tôi đưa ra bảng thống kê các điểm vào ra trong bảng sau nhằm phục vụ cho thiết kế hệ điều khiển mức nước bao hơi.
Vào tương tự (AI) Card chanel/type Ra tương tự (AO)
Vào số (DI) Ra số (DO)
HP FDW CV AO810 DI830 DO810
IP FDW CV AO810 DI830 DO810
INTMT LP DRUM BDV
AI845 DI830 DO810
INTMT IP
DRUM BDV
AI845 DI830 DO810
INTMT HP DRUM BDV
AI845 DI830 DO810
HP FDW SOV DI830 DO810 IP/LP FDW SOV DI830 DO810 HP FDW FILL V DI830 DO810 IP/LP FDW FILL V DI830 DO810 F HP FDW AI845 F LP FDW AI845 F IP FDW AI845 L HP DRUM AI880 L IP DRUM AI880 L LP DRUM AI880 F HP STM AI845 F IP STM AI845 F LP STM AI845
Bảng 1. Các điểm vào/ra của phần điều khiển mức nước bao hơi
3.2.3. Lựa chọn thiết bị trường cho phần điều khiển mức nước bao hơi hơi
• Van:
Manufacture: Fisher Salesman
Size and Type: 6 Inch HPT Body
Positioner Type:
DVC6020,AC Mode, HART Input Signal: 4 20 mA dc - Input Signal:
Access: Airset
Gauges: Yes, , Supply, Output
Action: Double Action:
Certification: FM: XP, NI, & IS
Body Style: Globe
Design Temp: 322 deg C Design Press: 162 bar G End Connect: Class 1500 In: BWE 160
Out: BWE 160 Material: WCC Steel Ports: Single Port Flow Directn: Down
Trim Number: 205A Trim Number: 205A
Cage Matl: 17-4PH SST H1075
Retainer Matl: None Bushing Matl: None
Seat Ring Matl: 440C SST Seat Ring Matl: 440C SST Seat Ring Matl: 440C SST VALVE PLUG
Material: 440C SST Material: 440C SST
Guiding: Cage Guiding: Cage Balance: Balanced Balance: Balanced
Shutoff Class: Class IV Port Size: 3-7/16 Inch
Characteristic: Cavitrol III 2 stage (Linear)
Stem Material: Nitronic 50 Stem Material: Nitronic 50 Stem Size: 3/4 Inch
Line In: 8.000 in, 160 Line Out: 8.000 in, 160 Insulation:
Service Cond:
Process Fluid: Feedwate Actuator: Piston
Type/Size: 585C Act/60 Type/Size:
Travel: 4 Inch Travel: 4 Inch Bench Set: - Bench Set: - Push Down To: Close
Supply: Air
Fails Valve: Close Fails Valve:
Handwheel: Side Mounted IP FDW CV
Manufacture: Fisher
Salesman
Size and Type: 2 Inch ET Body Positioner Type: DVC6010,AC Mode, Input Signal: 4 20 mA dc - Input Signal: Access: Airset
Gauges: Yes, , Supply, Outpu Action: Single/Direct Action: Certification: FM: XP, NI, & IS Certification:
Body Style: Globe
Design Temp: 244 deg C Design Press: 55 bar G End Connect: Class 600 In: BWE 80
Out: BWE 80
Material: WCC Steel Ports: Single Port Flow Directn: Down
Trim Number: 28 Trim Number:
Cage Matl: 316SST ENC
Retainer Matl: None Bushing Matl:
Seat Ring Matl: COCR-A Metal Seat Ring Matl:
VALVE PLUG
Material: 316/CoCr-A Material: 316/CoCr-A
Guiding: Cage Guiding: Balance: Balanced Balance: Shutoff Class: Class IV Port Size: 2 5/16 Inch Characteristic: Equal %
Stem Material: 316 SST Stem Material:
Stem Size: 1/2 Inch Line In: 3.000 in, 80 Line Out: 3.000 in, 80 Insulation:
Service Cond:
Process Fluid: Feedwater Actuator: Spring & Diaphragm
Type/Size: 667/45 Type/Size: Travel: 1 1/8 Inch Travel: 1 1/8 In ch
Bench Set: 9 29 psig Bench - Set:
Push Down To: Close Supply: Air
To Actuator: 6-30/0-33 psig Fails Valve: Close Fails Valve:
Handwheel: Top Mtd LP FDW CV
Manufacture: Fisher
Salesman
Size and Type: 2 Inch ET Body
Positioner Type:
DVC6010,AC Mode, HART Input Signal: 4 20 mA dc - Input Signal:
Access: Airset
Gauges: Yes, , Supply, Output
Action: Single/Direct Action: Certification: FM: XP, NI, & IS
Body Style: Globe
Design Temp: 244 deg C Design Press: 55 bar G
End Connect: ANSI Class 600
In: BWE SCHD 80 Out: BWE SCHD 80 Material: WCC Steel Ports: Single Port Flow Directn: Down
Trim Number: 76 Trim Number:
Cage Matl: 17-4 PH Retainer Matl: None Bushing Matl:
Seat Ring Matl: 17-4 PH H900 Metal Seat Ring Matl: VALVE PLUG
Material: 420 SST Material: Guiding: Cage Guiding: Balance: Balanced Balance: Shutoff Class: ANSI Class IV Port Size: 1 7/8 Inch
Characteristic: Cavitrol III Stage 2/Linear
Stem Material: 316 SST Stem Material:
Stem Size: 1/2 Inch Line In: 3.000 in, 80 Line Out: 3.000 in, 80 Insulation:
Service Cond:
Process Fluid: Feedwater Actuator: Spring & Diaphragm
Type/Size: 667/45 Type/Size: Travel: 2 Inch Travel: 2 Inch Bench Set: 9 29 psig Bench - Set:
Push Down To: Close Supply: Air
To Actuator: 6-30/0-33 psig
Fails Valve: Close Fails Valve:
Handwheel: Top Mtd
• Cảm biến đo lưu lượng
Cảm biến đo mức và cảm biến đo lưu lượng cùng sử dụng loại smart transmitter 3051CD của rosemount cái này em có nói trong phần đề tài cảm biến mức.
Về nguyên lý giống nhau, thông số giống nhau chỉ khác là sai áp qui ra mức
nướchoặc qui ra lưu lượng thôi.
3.2.4. Cấu hình bộ điều khiển AC 800M của ABB
a. Giới thiệu chung về AC 800M
AC 800M là một cấu trúc phần cứng mà ở đó các đơn vị phần cứng riêng lẻ được nối với nhau phụ thuộc vào cấu trức của các unit và hệ điều hành được chọn để có thể lập trình thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Sau khi cấu tr c phần ú
cứng được các định thì nó trở thành một AC 800M Controller. Những phần tử tạo nên một AC 800M controller:
- Các processer unit (PM851 / PM856 / PM860 / PM 861 / PM864 / PM865)
- Bộ xử lí chính xác cao ( High Intergrity processor unit) (PM865 / SM801) - Các giao tiếp truyền thông cho các phương thức khác nhau (CI851/CI852/
CI853/CI854/CI854A/CI855/CI856/CI857/CI858/CI80)
- Đơn vị xử lí kết nối CEX-Bus (BC810)
- Các đơn vị cung cấp các mức năng lượng khác nhau:
(SD821/SD822/SD823/SS822/SS823)
Khi có thêm phần mềm điều khiển (Control Software) thì AC 800M Controller sẽ hoạt động hoặc như một bộ điều khiển theo chu trình hoạt động một mình hoặc như một Controller thực hiện những nhiệm vụ điều khiển tại một mạng điều hành bao gồm nhiều Controller nối với nhau, các trạm vận hành và các
Server. Các hệ thống vào ra có thẻ được nối với AC 800M Controller, trực tiếp với (S800I/O) hoặc qua PROFIBUS DP hoặc bus trường FOUNDATION
Fieldbus. AC 800M Controller là tổ hợp của nhiều phần tử được gắn lên các
thanh ray nằm ngang (DIN-rail).
Hình 3.6.AC 800M controller và một S800 I/O
b. Bộ xử lý PM8xx/TP830
Về mặt vật lí bộ xử lí PM8xx/TP830 bao gồm hai thành phần cơ bản sau:
- Các processer unit (PM851 / PM856 / PM860 / PM 861 / PM864 /
PM865) cùng bộ xử lí và các board cấp nguồn - Tấm cơ sở TP830 (Baseplate TP830)
Hình 3.7. Cấu tạo bên ngoài của một đơn vị bộ xử lí (PM 861)
Trong bộ xử lí trên, bảng mạch CPU bao gồm bộ vi xử lí và bộ nhớ RAM, các controller gắn liền với các giao tếp truyền thông, đnè LED chỉ thị, nút ấn
Init …
Chức năng chính của board cấp nguồn là phát không liên tục, các nguồn có điện áp +5V và +3,3V để cấp nguồn cho CPU và các phần tử I/O. Bảng mạch
còn bao gồm cách li quang RS-232 truyền nhận cho Server port. Board giới
hạn được bố trí trong tấm cơ sở TP830, là nơi xảy ra phần lớn các kết nối bên ngoài. Board thì được nối đất đến thanh ray DIN xuyên qua bỏ bọc kim loại.
c. Bộ xử lí PM861/PM864/PM865/ TP830
Trong trường hợp này, bộ điều khiển bao gồm hai bộ xử lí, mỗi cái bao gồm cả bộ nhớ và phần mềm ứng dụng.Một phần tử đóng vai trò bộ xử lí chính (Primary Processor), cái còn lại dự phòng và sẵn sàng hoạt động khi bộ xử lí chính bị lỗi. Các bộ xử lí PM861/PM864/PM865 có một RCU Link Connector để nối RCU. Trong một hệ thống có dự phòng, hai bộ xử lí được nối cùng RCU Link Cable.
Cả hai bộ xử lí còn được nối đến cùng CEX Bus và cả hai cùng điều khiển. Các -
phần tử S800 I/O thì được nối đến hai CPU qua ModuleBus quang và hai bộ TB840 trên mỗi bộ S800 I/O. ModuleBus gắn sẵn trên YP830 không được dùng cho nối S800 I/O trong một hệ thống dự phòng.
d. Kết nối với các I/O
Có nhiều phương pháp kết nối hệ thống I/O đến bộ điều khiển AC 800M - Các đơn vị S800 I/O qua ModuleBus
- Các đơn vị S800 I/O qua CI854/CI854A và CI840, Profibus DP-V0 và
DP-V1. Sự hỗ trợ cho cấu trúc dự phòng trên tất cả các mức
- Các đơn vị S800 I/O qua CI854/CI854A và CI830, Profibus DP-V0
- S800 I/O qua CI851 và CI830, Profibus DP V0-
- Các đơn vị S900 I/O có thể kết nối tới Profibus DP-V1
- Các ABB Drive có thể được kết nối tới ModuleBus qua CI851 và CI830 hoặc qua CI851 và CI830.Một vài thiết bị có thể được kết nối trực tiếp tới
Profibus.
Hình 3.9. Sự kết nối Optical Modules Bus trong cấu trúc CPU dự phòng ModuleBus trong AC 800M gồm một đơn vị điện và một quang
- Electrial ModuleBus bao gồm một bó (Cluster) cùng một lượng cực đại của 12 đơn vị S800 I/O được kết nối
- Optical ModulesBus gồm 7 bó ( cluster) cùng một lượng cực đại là 84 đơn vị S800 I/O được kết nối.
Chú ý: Electrial ModuleBus có thẻ chỉ được sử dụng cho sự két nối S800 I/O khi AC 800M đang chạy trong cấu hình CPU đơn.
Hình 3.10. Kết nối bộ điều khiển AC 800M với S800 I/O qua Profibus Một đoạn Profibus DP có khả năng cung cấp lên tới 32 nút, có thể kết nối tực
tiếp tới một đơn vị giao tiếp Profibus DP V0 kiểu CI851/TP851 hoặc một đơn -
vị Profibus DP V1 kiểu CI854/ CI854A. Profibus PA có thể được kết nối với - Profibus DP/DP – V1 qua thiết bị liên kết LD 800P. Nó có thể kết nối các hệ
thống sau tới Profibus DP-V0 và Profibus DP-V1:
- S800 I/O hoặc S800L I/O qua FCI - S900 I/O qua FCI CI920
- S200 I/O hoặc S200L I/O qua FieldBus Adapter 200 APB12. Giới hạn -
đặt cho Profibus DP-V1.
- Các hệ thống I/O khác có thể cũng được kết nối với Profibus DP- V0 và
Profibus DP-V1.
- Profibus DP có tốc độ truyền là 12 Mbit/s
- Profibus PA có tốc độ truyền là 31,25 kbit/s, dùng trong các ứng dụng đòi hỏi độ an toàn cao
- Fieldbus Barrier FB 900- Series bảo vệ fieldbus khỏi lỗi các thiết bị trường
- Profibus PA liên kết mạng với Profibus DP qua Profibus power Hub có thể cung cấp các thông tin chuẩn đoán và trạng thái của mgnj cũng như các thiết bị trong mạng PA
• Foundation Fieldbus High Speed Ethernet
Foundation Fieldbus là một nghi thức giao tiếp bus trường dựa trên nền tảng tiêu chuẩn quốc tế và được thiết kế cho các ứng dụng trong công nghiệp sản xuất, sự tự động hóa quá tình và sự tự động hóa các tòa nhà . Những nguyên tắc chỉ đạo cho tiêu chuẩn Filedbus là dựa trên Foundation Fieldbus. FF định nghĩa hai mặt truyền thông HI và HSE. HI cho phép một tốc độ truyền tin là 31,25 kbit/s. Nó tốt nhất để sử dụng cho truyền thông trực tiếp giữa các thiết bị trường trong một mối liên kết. Trước hết HSE như một xương sống cho mối liên kết giữa các đoạn HI. Tiêu biểu cho tốc độ truyền 10 Mbit/s hoặc 100 Mbit/s. Foundation Fieldbus