CẤT
3.1.Mô tả bài toán điều khiển 3.1.1.Mục đích điều khiển
Trong tháp chưng cất thì ứng với một dải nhiệt độ ta sẽ thu được thành phần sản phẩm mong muốn. Do đó, để thu được thành phần sản phẩm đỉnh như mong muốn ta phải duy trì nhiệt độ tại đỉnh tháp ở một giá trị nhất định. Để thực hiện được điều này, ta trích một phần dòng sản phẩm đỉnh đi qua một thiết bị trao đổi nhiệt để thu hồi một lượng nhiệt cần thiết để đảm bảo nhiệt đầu ra tại đỉnh tháp đạt giá trị mong muốn.
3.1.2.Phân biệt các biến quá trình
Vì mục đích điều khiển là giữ cho nhiệt độ đi ra khỏi đỉnh tháp ở một giá trị mong muốn nên biến cần điều khiển ở đây là nhiệt độ. Nhiệt độ dòng sản phẩm ra khỏi tháp được ký hiệu là T1. Nhiệt độ dòng sản phẩm hồi lưu trước và sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được ký hiệu là T3, T2. Bởi vì việc trao đổi nhiệt ở đây là bằng không khí nên nhiệt độ của dòng khí vào và ra được ký hiệu Tk1, Tk2. Lưu lượng của dòng sản phẩm và dòng khí làm mát lần lượt ký hiệu là w1 và w2. Trong đó lưu lượng dòng sản phẩm được cho đi qua và không đi qua bộ tra đổi nhiệt được ký hiệu là wt1, wt2.
Ta có : wt1 + wt2 = wt
Xét theo quan hệ nhân quả, ta có thể nhận ra trong quá trình trao đổi nhiệt này có các biến ra là T1, T2, T3, Tk2 và wt. Tuy nhiên, theo yêu cầu công nghệ ta có thể thấy ngay biến ra cần điều khiển là T1. Bên cạnh đó, một biến nữa mà ta cần phải điều khiển đó là lưu lượng dòng sản phẩm wt bởi vì khi lưu lượng dòng sản phẩm này thay đổi thì sẽ ảnh hưởng tới nhiệt độ dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp. Nhiệt độ của dòng sản phẩm hồi lưu trước và sau khi qua bộ trao đổi nhiệt T3, T2 được đo và phản hồi về để sử dụng trong thuật toán điều khiển.
Các biến vào được xác định là Tk1, wk, wt1, và wt2. Ta có thể dễ dàng nhận ra biến điều khiển chính là lưu lượng dòng quá trình đi qua và không đi qua bộ trao đổi nhiệt wt1, wt2. Biến điều khiển thứ hai có thể là lưu lượng của dòng khí làm mát, tuy nhiên việc điều khiển lưu lượng khí làm mát wk khó có thể thực hiện được nên ta coi là nhiễu. Trong phạm vi quá trình trao đổi nhiệt ta cũng không thể can thiệp tới nhiệt độ của dòng khí làm mát nên những biến này cũng được coi là nhiễu. Do đó, chỉ có lưu lượng của dòng sản phẩm đi qua và không đi qua thiết bị trao đổi nhiệt wt1, wt2 được chọn là biến điều khiển tiềm năng.
3.1.3.Mô hình đơn giản
Qua việc phân biệt các biến quá trình ở trên, ta có thể đưa ra một mô hình đơn giản thực hiện bài toán điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm ở đỉnh tháp như sau:
3.2.Sách lược điều khiển 3.2.1.Mô tả sơ đồ P&ID
3.2.2.1.Sơ đồ điều khiển đơn giản
Sơ đồ P&ID mô tả hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh được thể hiện như hình 19.
Hình 3.2. Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất
Hình 19 minh họa cấu trúc điều khiển 3 tầng, trong đó điều khiển thành phần là vòng sơ cấp, điều khiển nhiệt độ và điều khiển lưu lượng hồi lưu là các vòng thứ cấp. Bộ điều khiển nhiệt độ TC đóng vai trò là bộ điều khiển suy diễn có khả năng đáp ứng nhanh với nhiễu. Bên cạnh giá trị nhiệt độ phản hồi, bộ điều khiển nhiệt độ còn sử dụng giá trị đo áp suất để tính toán chính xác hơn. Tín hiệu ra từ bộ điều khiển nhiệt độ là giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng hồi lưu FC. Lưu lượng hồi lưu thay đổi sẽ dẫn đến nhiệt độ đỉnh tháp và kéo theo thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi. Bộ điều khiển thành phần AC chỉ
can thiệp để thay đổi giá trị đặt cho bộ điều khiển nhiệt độ khi thực sự cần thiết, vì thế phép phân tích thành phần ở đây dù chậm nhưng vẫn chấp nhận được
3.2.2.2.Sơ đồ điều khiển kết hợp
Sơ đồ P&ID mô tả hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh được thể hiện như hình 20.
Hình 3.3.Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp.
Bộ điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp căn cứ vào giá trị nhiệt độ đo được từ đỉnh tháp để đưa ra giá trị nhiệt độ yêu cầu cho bộ điều khiển TIC từ đó đưa thông tin đến bộ điều khiển UIC. Bộ điều khiển này dựa vào giá trị yêu cầu từ bộ điều khiển TIC, lưu lượng của dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp và sự chênh lệch nhiệt độ giữa dòng sản phẩm đi vào và dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp để cho phép dòng sản phẩm đỉnh đi qua bộ trao đổi
nhiệt nhiều hay ít bằng cách đóng lại hay mở thêm các van điều khiển một cách thích hợp thông qua phương trình cài đặt trong khối tính toán FY.
Bất kỳ một sự gia tăng lưu lượng dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp lên giá trị yêu cầu thì bộ điều khiển FIC sẽ giảm dần giá trị đầu ra để đóng bớt cả 2 van thông qua một giá trị được tính toán và kết quả là lưu lượng được giảm xuống.
Bất kỳ một sự gia tăng nhiệt độ lên trên giá trị yêu cầu ở bộ điều khiển UIC. Bộ điều khiển sẽ giảm giá trị đầu ra để đóng bớt các van qua khối tính toán. Kết quả là sẽ có ít dòng sản phẩm đi qua bộ trao đổi nhiệt E1 do đó nhiệt độ đỉnh tháp sẽ giảm xuống.
Như vậy để điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất ta cần xác định sản phẩm muốn lấy ra là sản phẩm gì từ đó đưa ra các biện pháp để điều khiển nhiệt độ thông qua việc điều khiển lưu lượng dòng nóng hay dòng lạnh để từ đó điều khiển độ đóng mở của các van. Từ sơ đồ P&ID ở trên ta xây dựng được sơ đồ khối như hình 21.
Hình 3.4.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ và lưu lượng hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh
Mục đích điều khiển của vòng điều khiển này là duy trì nhiệt độ của dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp ở một nhiệt độ mong muốn qua đó đảm bảo được chất lượng của thành phần dòng sản phẩm đỉnh.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh sử dụng cấu trúc điều khiển tầng để điều khiển nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh đi ra khỏi tháp chưng cất. Trong đó, vòng điều khiển nhiệt độ quyết định chất lượng dòng sản phẩm đỉnh. Tuy nhiên do quá trình nhiệt biến đổi chậm nên việc điều khiển nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh sẽ không đạt được giá trị mong muốn nếu ta không đưa vào một vòng điều khiển có tác động nhanh hơn. Thật vậy, giá trị nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh T1 được đo và phản hồi về bộ điều khiển TIC, bộ điều khiển này so sánh giữa giá trị phản hồi và giá trị đặt để đưa ra giá trị chô bộ điều khiển nhiệt lượng UIC. Đây là một bộ điều khiển mà có tác động nhanh đối với sự thay đổi của nhiệt độ đảm bảo nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh đi ra khỏi tháp đạt giá trị mong muốn.
Vòng điều khiển nhiệt lượng sử dụng sách lược điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển này dựa vào các tín hiệu như: độ chênh lệch nhiệt độ của dòng sản phẩm hồi lưu trước và sau khi đi qua bộ trao đổi nhiệt cũng như lưu lượng của dòng sản phẩm hồi lưu để tính toán và so sánh với các giá trị đặt được yêu cầu bởi bộ điều khiển sẽ đưa ra hệ số tỉ lệ tới khâu nhân để đóng bớt van FC đồng thời mở thêm van FO và ngược lại.
Vòng điều khiển lưu lượng cũng sử dụng sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển lưu lượng dòng sản phẩm hồi lưu qua đó điều khiển được nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh đi ra khỏi tháp. Thật vậy, lưu lượng của dòng sản phẩm hồi lưu được đo và đưa tới bộ điều khiển lưu lượng. Dựa vào sai lêch giữa giá trị đặt và lưu lượng đo được bộ điều khiển đưa ra tín hiệu để đóng hay mở van
Ta thấy có sự tương tác giữa hai vòng điều khiển lưu lượng và điều khiển nhiệt lượng, bộ điều khiển lưu lượng đưa ra giá trị lưu lượng tổng trong khi bộ điều khiển nhiệt lượng lại đưa ra hệ số tỉ lệ giữa dòng sản phẩm qua và không đi qua thiết bị trao đổi nhieetk với dòng sản phẩm hồi lưu.
Giả sử, nếu vì một lý do nào đó nhiệt độ dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp nhỏ hơn giá trị đặt, bộ điều khiển TIC sẽ đưa ra một giá trị tương ứng với sựu giảm nhiệt độ của dòng sản phẩm này tới bộ điều khiển UIC. Bộ điều khiển UIC sẽ đưa ra hệ số tỉ lệ tới khối tính toán F1 để tăng độ mở của van FC do đó lưu lượng dòng sản phẩm không đi qua bộ trao đổi nhiệt sẽ tăng lên đồng thời bộ điều khiển UIC cũng sẽ đưa hệ số tỉ lệ đó tới khối tính toán để giảm độ mở của van FO. Nhiệt độ chênh lệch càng lớn, hệ số tỉ lệ của bộ điều khiển UIC càng nhỏ. Chừng nào còn sai lệch điều khiển thì lưu lượng dòng sản phẩm đi qua thiết bị trao đổi nhiệt còn được thay đổi.
Qua phân tích cấu trúc điều khiển tầng trên ta thây bộ điều khiển TIC đóng vai trò bộ điều khiển sơ cấp còn bộ điều khiển UIC đóng vai tro bộ điều khiển thứ cấp. Bộ điều khiển thứ cấp nhận tín hiệu từ bộ điều khiển sơ cấp làm giá trị cài đặt cho mình
Tóm lại, trong cấu trúc điều khiển tầng các vòng điều khiển nằm bên trong luôn có tác động nhanh hơn vòng điều khiển bên ngoài nhằm loại bỏ các nhiễu cục bộ, cải thiện tính ổn định và nâng cao tính bền vững của hệ thống.