Bài giảng: Kỹ thuật đo lường và tự động hóa

Kỹ thuật đo lường và tự động hóa<br /> <br /> 6/25/2011<br /> <br /> BÀI GIẢNG<br /> <br /> KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG & TỰ ĐỘNG HÓA<br /> Khái quát về điều khiển tự động<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> Khái niệm về điều khiển tự động<br />  Thí dụ: o Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40km/h  Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ • Thu thập thông tin.  Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v40km/h • Xử lý thông tin  Tay giảm ga hoặc tăng ga • Tác động lên hệ thống.  Kết quả của quá trình điều khiển là xe chạy với tốc độ “gần” bằng với 40km/h.<br /> <br /> Khái niệm về điều khiển tự động<br />  Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước.  Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động của con người.<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 1<br /> <br /> Kỹ thuật đo lường và tự động hóa<br /> <br /> 6/25/2011<br /> <br /> Ứng dụng điều khiển tự động<br />  Hiện nay, điều khiển và điều khiển tự động được ứng dụng trong hầu hết các ngành kỹ thuật, trong nghiên cứu khoa học, cũng như trong đời sống: o Hệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy, nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát…. o Quá trình công nghiệp: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, tốc độ,… o Hệ cơ điện tử: robot di động, cánh tay máy, máy công cụ,… o Hệ thống thông tin: hệ thống phát thanh, truyền hình, tổng đài điện thoại o Hệ thống sản xuất và truyền tải năng lượng: nhà máy điện,… o Phương tiện giao thông: xe hơi, tàu hỏa, máy bay, tàu vũ trụ,… o Thiết bị quân sự: điều khiển rada, tên lửa, pháo,… o Thiết bị điện tử dân dụng: máy điều hòa, ti vi, tủ lạnh, máy giặt, máy ảnh, nồi cơm điện,… o Thiết bị y tế,…<br /> <br /> Các nguyên tắc chủ yếu khi tiến hành điều khiển tự động<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> <br /> Các nguyên tắc trong điều khiển tự động<br />  Khi tiến hành điều khiển tự động, chúng ta thường hướng sự điều khiển theo một trong 2 nguyên tắc sau: o Nguyên tắc giữ ổn định, có nghĩa là giữ cho tín hiệu ra luôn là một hằng số o Nguyên tắc điều khiển theo chương trình, có nghĩa là giữ tín hiệu ra y=y(t) theo một chương trình đã được định sẵn.<br /> <br /> Các nguyên tắc trong điều khiển tự động<br />  Nguyên tắc giữ ổn định o Theo nguyên tắc này, chúng ta có 3 phương pháp để thực hiện o Phương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi  Các tính năng chính của tất cả các vòng điều khiển phản hồi là giá trị đo được của biến kiểm soát được so sánh với điểm đặt và sự khác biệt này được sử dụng để xác định hành động điều khiển thực hiện.<br /> <br /> 9<br /> <br /> 10<br /> <br /> 2<br /> <br /> Kỹ thuật đo lường và tự động hóa<br /> <br /> 6/25/2011<br /> <br /> Các nguyên tắc trong điều khiển tự động<br />  Nguyên tắc giữ ổn định o Phương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi<br /> Nhiệt độ mong muốn = To<br /> <br /> Các nguyên tắc trong điều khiển tự động<br />  Nguyên tắc giữ ổn định o Phương pháp bù tác động bên ngoài (Feedforward Control)  Theo phương pháp này, bộ phận đo lường sẽ đo các tín hiệu nhiễu tác động vào quá trình và so sánh với giá trị đặt, sự sai lệch sẽ tạo ra tín hiệu tác động điều khiển<br /> <br /> Bộ hiển thị nhiệt độ Dung dịch ra Hơi nước bão hòa Dung dịch vào<br /> Van<br /> <br /> Thiết bị gia nhiệt<br /> <br /> Dung dịch ra<br /> <br /> Hơi nước bão hòa Dung dịch vào<br /> Van<br /> <br /> Thiết bị gia nhiệt<br /> <br /> Bộ hiển thị nhiệt độ<br /> <br /> 11<br /> <br /> 12<br /> <br /> Các nguyên tắc trong điều khiển tự động<br />  Nguyên tắc giữ ổn định o Phương pháp hỗn hợp<br /> <br /> Các nguyên tắc trong điều khiển tự động<br />  Nguyên tắc điều khiển theo chương trình o Để một tín hiệu ra nào đó thực hiện theo chương trình, cần phải sử dụng máy tính hay các thiết bị có lưu trữ chương trình. Hai thiết bị thông dụng chứa chương trình điều khiển là:  PLC (Programmable Logic Controller)  CNC (Computerized Numerical Control)<br /> <br /> 13<br /> <br /> 14<br /> <br /> 3<br /> <br /> Kỹ thuật đo lường và tự động hóa<br /> <br /> 6/25/2011<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Một nhà máy hóa bao gồm rất nhiều máy và thiết bị hoạt động: các thiết bị phản ứng, các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, các thiết bị chưng cất, hấp thu, cô đặc, các thùng chứa,… được tích hợp với nhau một cách có hệ thống và hợp lý.  Nhiệm vụ chính của các nhà máy là chuyển hóa các nguyên liệu ban đầu thành các sản phẩm mong muốn sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau theo cách ít tốn chi phí nhất.  Trong suốt quá trình hoạt động, các nhà máy hóa phải đáp ứng một số yêu cầu được áp đặt bởi những nhà thiết kế và yêu cầu kỹ thuật chung, các điều kiện về kinh tế và xã hội mà luôn chịu ảnh hưởng của những biến động từ bên ngoài (nhiễu).<br /> Đặc điểm của nó và các vấn đề liên quan<br /> 16<br /> 15<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Cụ thể là các yêu cầu sau: o An toàn:  Sự hoạt động an toàn của các quá trình hóa học chính là yêu cầu chính yếu cho mọi người trong nhà máy và tiếp tục đóng góp vào sự phát triển kinh tế.  Chính vì vậy, áp suất, nhiệt độ, nồng độ….các chất đang hoạt động phải luôn không được vượt quá giới hạn cho phép.  Chẳng hạn như, nếu một thiết bị phản ứng được thiết kế để làm việc ở áp suất tối đa 100psig (7at), chúng ta sẽ có một hệ thống điều khiển để duy trì áp suất hoạt động dưới áp suất này. Một ví dụ khác, chúng ta nên tránh phát triển các hỗn hợp gây nổ trong hoạt động của nhà máy.<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Cụ thể là các yêu cầu sau: o Đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm:  Một nhà máy nên quan tâm đến số lượng và chất lượng của các sản phẩm mong muốn cuối cùng.  Ví dụ, chúng ta yêu cầu sản xuất ra 2 tấn eylen/ngày, với độ tinh khiết 99,5%.  Vì vậy, chúng ta cần một hệ thống điều khiển để chắc rằng mức sản xuất và độ tinh khiết phải được đảm bảo<br /> <br /> 17<br /> <br /> 18<br /> <br /> 4<br /> <br /> Kỹ thuật đo lường và tự động hóa<br /> <br /> 6/25/2011<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Cụ thể là các yêu cầu sau: o Các quy định về môi trường:  Bộ luật ở các quốc gia và địa phương cho phép các giá trị nhiệt độ, nồng độ hóa chất và lưu lượng của các chất thải từ nhà máy phải đảm bảo mức giới hạn.  Chẳng hạn như nồng độ SO2 mà nhà máy thải ra môi trường, tính chất của nước thải ra sông hoặc hồ chứa.<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Cụ thể là các yêu cầu sau: o Giới hạn các quá trình:  Các loại thiết bị khác nhau được sử dụng trong nhà máy hóa có các giới hạn riêng cho các hoạt động của chúng.  Chẳng hạn như các thùng chứa không được tràn ra ngoài hoặc bị tháo khô, các thiết bị chưng cất không nên bị ngập lụt, nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng xúc tác không được vượt giới hạn trên mà xúc tác sẽ bị phá hủy.  Một hệ thống điều khiển là cần thiết để đảm bảo các giới hạn của các quá trình này.<br /> <br /> 19<br /> <br /> 20<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Cụ thể là các yêu cầu sau: o Kinh tế:  Hoạt động của một nhà máy phải phù hợp với điều kiện thị trường, mà cụ thể là sự sẵn có của nguyên liệu và nhu cầu của các sản phẩm cuối cùng.  Vì vậy, nó phải kinh tế nhất trong việc sử dụng nguyên liệu, năng lượng, vốn và lực lượng lao động.  Vì vậy, nó đòi hỏi các điều kiện hoạt động được điều khiển ở mức tối ưu về chi phí hoạt động thấp nhất, lợi nhuận tối đa,…<br /> <br /> Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa<br />  Tất cả các yêu cầu liệt kê ở trên cho thấy sự cần thiết phải giám sát liên tục các hoạt động của nhà máy hóa và sự can thiệp bên ngoài (điều khiển) để đảm bảo việc đáp ứng các mục tiêu hoạt động.  Điều này được thực hiện thông qua việc sắp xếp hợp lý các thiết bị (các thiết bị đo, các van, các bộ điều khiển, máy tính) và sự can thiệp của con người (những nhà thiết kế nhà máy, những người vận hành) mà được kết hợp với nhau tạo thành hệ thống điều khiển.<br /> <br /> 21<br /> <br /> 22<br /> <br /> 5<br /> <br />