Bài giảng Tự động hóa quá trình công nghệ - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:191

Thêm vào BST

Báo xấu

100
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Tự động hóa quá trình công nghệ” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động. Nội dung của tập bài giảng gồm hai chương như sau: Cơ sở của tự động hóa quá trình công nghệ; Tự động hóa một số quá trình công nghệ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Tự động hóa quá trình công nghệ - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bé lao ®éng th¬ng binh vµ x· héi Trêng ®¹i häc s ph¹m kü thuËt nam ®Þnh Th.s nguyÔn ®øc hç - Th.s nguyÔn tiÕn hng tËp bµi gi¶ng TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ Nam ®Þnh 2011
LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, việc ứng dụng của công nghệ tự động và tự động hóa vào trong sản xuất là nhu cầu bắt buộc tối thiểu. Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự mang lại hiệu quả to lớn cho nền kinh tế thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Việc giảng dạy môn học Tự động hóa quá trình công nghệ mới được đưa vào các trường, tuy nhiên nội dung còn sơ sài và còn gói trong phạm vi cho chuyên ngành hẹp. Hiện tại trong nước gần như chưa có giáo trình hay bài giảng nào viết về Tự động hóa quá trình công nghệ phục vụ học tập và nghiên cứu cho chuyên ngành Điện, Điện tử. Qua nhiều năm nghiên cứu giảng dạy, tham khảo các tài liệu liên quan đến tự động hóa và tham gia sản xuất sửa chữa các quá trình công nghệ tại các nhà máy chúng tôi biên soạn bài giảng “Tự động hóa quá trình công nghệ” nhằm mục đích phục vụ cho học tập và nghiên cứu của học sinh – sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Bài giảng được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Tự động hóa quá trình công nghệ” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động. Nội dung của tập bài giảng gồm hai chương như sau: Chương 1: Cơ sở của tự động hóa quá trình công nghệ Chương 2: Tự động hóa một số quá trình công nghệ Bài giảng được trình bày rõ dàng ngắn gọn dễ hiểu. Nội dung từng phần thể hiện rõ sự gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất hiện đại ngày nay. Cuối mỗi chương đều có các câu hỏi và bài tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố được nội dung kiến thức và có khả năng áp dụng trực tiếp vào quá trình sản xuất. Để có được tập bài giảng “Tự động hóa quá trình công nghệ” này chúng tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của nhà máy Xi măng Duyên Hà, Xi măng Bút Sơn, Công ty Bia Hương Sen Thái Bình cùng nhiều các nhà máy trong khu vực. Chúng tôi xin cảm ơn sự quan tâm tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, hội đồng khoa học các cấp, các phòng ban chức năng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Bài giảng được biên soạn lần đầu chắc hẳn không tránh khỏi những khiếm khuyết chúng tôi mong nhận được các ý kiến góp ý của các bạn đồng nghiệp và các em sinh viên. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Nam định, tháng 10 năm 2011 Các tác giả 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ ..... 4 1.1. Vai trò chức năng của tự động hóa quá trình công nghệ................................... 4 1.1.1. Vai trò của tự động hoá quá trình công nghệ.......................................... 4 1.1.2. Chức năng của hệ thống TĐH QTCN .................................................... 5 1.2. Một số khái niệm trong hệ thống ĐK TĐH QTCN .......................................... 7 1.3. Cấu trúc hệ tự động hóa quá trình công nghệ ................................................... 9 1.3.1. Cấu trúc hệ thống lớn – hệ con ............................................................. 9 1.3.2. Cấu trúc phân cấp .............................................................................. 23 1.4. Các kiểu ghép máy tính với quá trình công nghệ ............................................ 25 1.4.1. Máy tính ở chế độ cố vấn cho quá trình điều khiển. ............................ 25 1.4.2. Máy tính điều khiển như một đơn vị điều khiển trung tâm (điều ........... 26 1.4.3. Máy tính thực hiện chức năng điều khiển trực tiếp ............................... 28 1.5. Thiết bị kỹ thuật của hệ thống TĐH QTCN .................................................... 30 1.5.1.Các loại thiết bị trong hệ TĐH QTCN .................................................. 30 1.5.2. Các ký hiệu trên sơ đồ chức năng của hệ thống tự động ....................... 33 1.6. Nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống thiết bị điều khiển tự động .......... 43 1.6.1. Nguồn cung cấp khí nén ..................................................................... 43 1.6.2. Nguồn cung cấp điện .......................................................................... 45 1.7. Cơ sở thiết kế hệ thống tự động hóa – QTCN. ................................................ 46 Câu hỏi chương 1. .................................................................................................. 49 Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ ................................ 50 2.1. Tự động hóa quá trình xử lý nước sạch (nước nấu bia) .................................. 50 2.1.1. Đặc điểm công nghệ và thiết bị ........................................................... 50 2.1.2. Hệ thống điều khiển quá trình xử lý nước ............................................ 54 2.2. Tự động hóa quá trình sản xuất bia ................................................................. 70 2.2.1. Đặc điểm công nghệ và thiết bị ........................................................... 72 2.2.2. Tự động hóa một số công đoạn sản xuất bia ........................................ 92 2.3. Tự động hóa quá trình sản xuất xi măng ....................................................... 111 2.3.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất xi măng .............................................. 111 2
2.3.2. Tự động hoá trong sản xuất xi măng ................................................ 123 2.3.3. Một số sự cố thường gặp .................................................................. 136 2.3.4. Hệ thống điều khiển nhà máy. .......................................................... 140 2.4. Tự động hóa hệ thống xử lý nước thải ..........................................................151 2.4.1. Tổng quan về hệ thống xử lý nước thải ............................................. 151 2.4.2. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt................................................... 160 2.4.3. Tự động hóa xử lý nước thải nhà máy bia ......................................... 166 Câu hỏi chương 2 ............................................................................................................. 188 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................190 3
Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ 1.1. Vai trò chức năng của tự động hóa quá trình công nghệ. 1.1.1. Vai trò của tự động hoá quá trình công nghệ. Xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay là ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tin học, cơ khí chính xác để thực hiện tự động hoá. Tự động hoá được áp dụng cho từng máy, tổ hợp máy đến cả dây chuyền công nghệ, cả nhà máy và tiến tới tự động hoá của một ngành sản xuất. Trong quá trình phát triển của tự động hoá (TĐH), lượng thông tin trao đổi giữa người với máy, giữa máy với máy không ngừng tăng lên. Ngày nay để sản xuất một sản phẩm có chất lượng tốt người ta phải khống chế điều chỉnh hàng chục, hàng trăm thông số hay các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác nhau. Để điều khiển một phân xưởng một xí nghiệp hoạt động nhịp nhàng, người điều khiển quản lý hàng ngày hàng giờ, phải thu nhận và xử lý một lượng thông tin rất lớn về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu thị trường vv… Để điều khiển một quá trình sản xuất, để ra được các quyết định chính xác, kịp thời, thông thường người ta phải xử lý qua nhiều cấp với rất nhiều thông tin khác nhau. Nếu việc xử lý các thông tin đó không chính xác không kịp thời sẽ dẫn đến quyết định sai lầm gây tổn hại lớn cho sản xuất. Để thu nhập, gia công, xử lý, truyền tải và lưu trữ thông tin thông thường chúng ta phải sử dụng một bộ máy rất đông người để ghi chép thống kê, báo cáo rất phức tạp nặng nề và chậm chạp. Từ khi máy tính ra đời tình hình nói trên đã thay đổi cơ bản. Máy tính được dùng như một thiết bị vạn năng được đặt trực tiếp trong dây chuyền công nghệ để điều khiển các thông số kỹ thuật. Hơn thế nữa máy tính còn được dùng trong hệ thống giám sát, quản lý quá trình công nghệ, quá trình sản xuất để thu nhập và xử lý một khối lượng lớn thông tin - kỹ thuật nhằm trợ giúp con người điều khiển tối ưu quá trình sản xuất. Như vậy nhờ máy tính người ta đã xây dựng được các hệ thống điều khiển (quản lý) tự động hoá quá trình công nghệ (sản xuất). Nếu như cơ khí hoá giảm nhẹ sức lao động chân tay của con người thì TĐH không ngừng giảm nhẹ sức lao động chân tay mà cả lao động trí óc của con người. Điều này làm cho TĐH trở thành đặc trưng của nền công nghiệp hiện đại. 4
Các hệ thống điều khiển tự động hóa qúa trình công nghệ (ĐK TĐH QTCN) đã đưa lại hiệu quả kinh tế xã hội rõ rệt như: nâng cao chất lượng sản phẩm tăng năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, sử dụng hợp lý nguyên liệu và năng lượng, giảm số người trực tiếp sản xuất vv… Các hệ thống ĐK TĐH QTCN với kích thước ngày càng gọn nhẹ và vận hành thuận tiện, nó đã áp dụng vào hầu hết các lĩnh vực kinh tế quốc dân. 1.1.2. Chức năng của hệ thống TĐH QTCN Tuỳ thuộc vào quá trình công nghệ, các hệ thống TĐH - QTCN ngày nay ngày một hoàn thiện với 4 chức năng chủ yếu sau đây: - Chức năng thông tin - Chức năng trao đổi trực tiếp - Chức năng điều khiển - Chức năng bổ trợ 1) Chức năng thông tin Hệ thống tự động hoá quá trình công nghệ phải đảm bảo được vấn đề thông tin cho toàn hệ. Nội dung thông tin cần phải giải quyết bao gồm: - Chọn, soạn thảo và thu nhận thông tin. Ví dụ: đo lường các thông số của quá trình, các tín hiệu về trạng thái của hệ thống…; - Kiểm tra, ghi lại các thông số của quá trình, trạng thái kỹ thuật của các thiết bị so với ban đầu, yêu cầu tín hiệu hoá các giá trị vượt giới hạn...; - Phân tích được hoạt động của hệ thống, ghi nhận trạng thái khi không an toàn...; - Ghi lại quá trình công nghệ theo các thông số công nghệ yêu cầu. Ví dụ: đồ thị, ảnh…. *) Chức năng trao đổi trực tiếp: Các hệ thống con dùng trao đổi trực tiếp có nhiệm vụ xử lý logic các thông tin về hệ thống, lấy ra thông tin quan trọng nhất về trạng thái hệ thống. Dựa vào đó có thể xử lý hệ thống trong trạng thái sự cố và điều khiển hoạt động bình thường cho hệ. Các nhiệm vụ cơ bản có thể có: - Trao đổi điều kiện của công nghệ, trạng thái của thiết bị công nghệ; - Kiểm tra các thông tin, cho kết quả; 5
- Thông báo trước về tình trạng sự cố, khả năng giảm chất lượng sản phẩm. 2) Chức năng điều khiển Chức năng này nhằm đưa công nghệ đang thực hiện đạt được các mục tiêu hiệu quả nhất. Các hệ con chức năng điều khiển phải đảm bảo: - Điều chỉnh, bảo vệ, điều khiển logic…(theo yêu cầu công nghệ ) các thông số của hệ: - Ổn định các thông số của công nghệ; - Đảm bảo chống nhiễu lên hệ thống; - Dừng hoặc khởi động liên động khi thay đổi ca sản xuất; - Điều khiển các hoạt động bổ trợ, năng lượng…; - Kiểm tra hoạt động của các luật điều khiển; - Chọn chế độ tối ưu cho hoạt động của máy; - Cùng với người vận hành, phải đảm bảo điều khiển hệ trong các chế độ của hệ thống; - Đảm bảo kế hoạch tối ưu cho quá trình sản xuất. 3) Chức năng bổ trợ Ngoài các chức năng nói trên hệ TĐH QTCN còn phải đáp ứng một số yêu cầu khác có liên quan đến môi trường và sức khỏe con người trong và ngoài môi trường làm việc. Ví dụ như: - Bảo vệ sức khoẻ của con người (người vận hành, quanh khu vực..) - Bảo vệ chống cháy; - Bảo vệ an toàn, kỹ luật lao động; - Bảo vệ chống sự cố lên người vận hành, môi trường. - Bảo vệ các vấn đề về môi trường như khí thải, nước thải.... Mức độ của các chức năng trên phụ thuộc vào sự phát triển của kỹ thuật và mức độ đầu tư tự động hoá, yêu cầu chất lượng sản phẩm. 6
1.2. Một số khái niệm trong hệ thống ĐK TĐH QTCN Cấu trúc phân cấp điều khiển Hệ thống điều khiển tùy theo yêu cầu công nghệ có thể được mô tả theo hình tháp và phân ra làm 4 cấp điều khiển như ở hình 1. 1. Cấu trúc như vậy được gọi là cấu trúc phân cấp điều khiển. Management’ system Supervisory control Supervision Central computer Hệ ĐK TĐH QTSX Cấp 3 Process control Computers Hệ ĐKTĐ-GS Cấp 2 Terminals Local control Controllers điều khiển cục Cấp 1 PID, PLC bộ Sensors Individual control Cấp 0 Measurement Cơ cấu chấp hành actuators Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc phân cấp điều khiển Cấp 0 là cấp trường (Field) là cấp tiếp xúc giữa hệ điều khiển và QTCN. Ở đây có các cảm biến (sensor), các thiết bị dùng để thu nhận các tin tức từ QTCN. Ở cấp này còn có các cơ cấu chấp hành (Actuator) như rơle, động cơ, van vv… Dùng để nhận thông tin điều khiển và chấp hành các lệnh điều khiển. Cấp 1 là cấp điều khiển cục bộ (local control) Ở đây thực hiện việc điều khiển từng máy, từng bộ phận của QTCN. Các hệ thống ĐKTĐ nhận thông tin của QTCN ở cấp 0 và thực hiện các thao tác 7
(operation) tự động theo chương trình của con người đã cài đặt sẵn. Một số thông tin về QTCN và kết quả của việc điều khiển sẽ được chuyển lên cấp 2. Ở cấp này thường đặt các bộ điều khiển PC, các Controllers, hiện nay phổ biến dùng các bộ điều khiển logic khả trình (PLC). PLC được xây dựng trên cơ sở thiết bị vi xử lý (microprocessor) và các cổng vào ra (I/O) tương tự (analog) và số (digital) nên rất thuận tiện trong việc trao đổi thông tin với QTCN và máy tính. Nhờ có khả năng lập trình, PLC có tính mềm dẻo, có thể dùng cho các công nghệ khác nhau do đó có thể coi PLC là thiết bị điều khiển vạn năng. Cấp 2 là điều khiển TĐH QTCN. Ở cấp này có các máy tính (MT) hoặc mạng máy tính. MT thu nhận các thông tin về QTCN ( từ cấp 1 đưa lên) xử lý các thông tin đó và trao đổi thông tin với người điều khiển (NĐK). Thông qua MT, NĐK có thể can thiệp vào QTCN, như vậy hệ thống điều khiển ở đây thuộc hệ người - máy. Cấp 3 là cấp điều khiển tự động hoá quá trình sản xuất – ĐK TĐH QTSX. Ở cấp 3 có các trung tâm máy tính (TTMT). Ở đây không những xử lý các thông tin về quá trình sản xuất như tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính, lực lượng lao động, tình hình cung cầu trên thị trường. vv… Trung tâm MT xử lý một khối lượng thông tin lớn đưa ra những giải pháp tối ưu để người điều khiển lựa chọn. Người điều khiển có thể ra các lệnh để can thiệp sâu vào quá trình sản xuất thậm chí có thể thay đổi chỉ tiêu của sản xuất. Cũng như ĐKTĐ (Ở cấp 2) hệ thống ĐK TĐH QTCN là một hệ người – máy nhưng ở cấp cao hơn, phạm vi điều khiển rộng hơn. Định nghĩa phân biệt hệ ĐKTĐ và các hệ ĐK TĐH QTCN hoặc QTSX. - Hệ ĐKTĐ là hệ thực hiện các thao tác sử dụng chương trình định trước (do con người đặt trước) không có sự can thiệp của con người. Con người chỉ đóng vài trò khởi động hệ. Trong thực tế là các bộ điều chỉnh PID, PLC, các mạch rơle – contactor làm việc ở cấp điều khiển 1 trong sơ đồ cấu trúc phân cấp của hệ điều khiển trên hình 1.1. Con người chỉ có thể thay đổi lệnh của hệ ĐKTĐ bằng cách cắt nó ra khỏi QTCN để thay đổi cấu trúc hoặc nạp lại chương trình. - Hệ ĐK TĐH là một hệ tự động hoá quá trình xử lý thông tin trong quá trình công nghệ hoặc quá trình sản xuất. Trong hệ này con người là một phần quan trọng của hệ. Thường xuyên có sự trao đổi thông tin giữa người và máy. Hệ ĐK TĐH thuộc hệ người - máy. Con người làm việc ở những khâu quan trọng nhất hoạch định mục tiêu hoạt động của hệ và ra các quyết định quan trọng đảm bảo đúng mục tiêu đã định. Trong thực tế đó là các hệ ĐK TĐH QTCN và ĐK TĐH QTSX làm việc ở cấp điều khiển 2 và 3 trong sơ đồ cấu trúc phân cấp của hệ điều khiển trên hình 1. 1. 8
Thực chất của vấn đề điều khiển là quá trình thu thập, lựa chọn, xử lý, lựa chọn hàm truyền đạt thông tin điều khiển. Trước đây việc xử lý thông tin do con người đảm nhiệm, ngày nay việc xử lý thông tin do các hệ ĐK TĐH QTCN và QTSX đảm nhiệm. 1.3. Cấu trúc hệ tự động hóa quá trình công nghệ 1.3.1. Cấu trúc hệ thống lớn – hệ con 1) Sơ đồ cấu trúc hệ thống Cấu trúc hệ thống lớn – hệ con thuộc loại hệ thống lớn có cấu trúc phức tạp. Hệ thường được phân cấp thành các hệ con và tổ chức kiểu phân cấp. Các thông tin trước tiên được xử lý ở cấp dưới sau đó được truyền về cấp cao hơn. Ở cấp trên người điều khiển nhận các thông tin đã qua xử lý ở cấp dưới và các thông tin bổ sung để đưa ra các quyết định điều khiển. Hệ ĐK TĐH QTCN có thể được phân thành các hệ con chức năng và các hệ con đảm bảo như hình 1.2. Kế hoạch sản xuất Các Thiết bị vật tư hệ con chức Tài chính năng ............... Đảm bảo thông tin Đảm bảo toán học Đảm bảo kỹ thuật Các hệ con đảm bảo Hình 1.2.Cấu trúc hệ con của hệ TĐH QTCN Hệ con chức năng là một đơn vị giải quyết một nhiệm vụ cụ thể nhất định và nó là một bộ phận của hệ TĐH QTCN. Số lượng và nhiệm vụ của các hệ con chức năng phụ thuộc vào QTCN. Đối với một nhà máy, công ty sản xuất thì các hệ con chức năng có thể phân ra như trên hình 1.2 bao gồm các phòng (ban) kế hoạch sản xuất, thiết bị vật tư, phòng tài chính, phòng kỹ thuật, phòng công nghệ..... Nếu QTCN là một cơ sở đào tạo thì các hệ con chức năng có thể là: phòng đào tạo, phòng công tác học sinh sinh viên, phòng kế toán tài vụ, phòng 9
tổ chức cán bộ..... Các hệ con chức năng có thể gộp vào hay tách ra (tức là nó có thể tồn tại hoặc không) tùy thuộc vào yêu cầu hoạt động của đơn vị sản xuất. Đối với hệ thống TĐH – QTCN thì ta không đi xem xét về các hệ con chức năng mà chỉ tập trung vào các hệ con đảm bảo. Khác với các hệ con chức năng phụ thuộc vào QTCN cụ thể, các hệ con đảm bảo là các hệ con cơ bản mà bất cứ hệ ĐK TDH QTCN nào cũng phải có để đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường. Có ba hệ con đảm bảo đó là: Đảm bảo thông tin, đảm bảo toán học và đảm bảo kỹ thuật. Đảm bảo thông tin và đảm bảo toán học được xem như phần mềm còn đảm bảo kỹ thuật được xem như phần cứng của hệ thống. Trong phạm vi bài giảng này ta xem xét lần lượt từng đảm bảo này. 2) Các hệ con đảm bảo a) Đảm bảo thông tin *) Sơ đồ cấu trúc quá trình xử lý thông tin trong hệ ĐK TĐH QTCN Thực chất của hệ ĐK TĐH QTCN là hệ tự động hóa quá trình xử lý trong hệ điều khiển. Quá trình xử lý tin được trình bày như hình 1.3 Hiệu Dự kiến về kế Quá trình sản xuất lực hoạch sản pháp lí xuất của các dữ liệu ban đầu Hiệu lực pháp lí của Trạng thái quá trình tính toán sản xuất Cơ cấu Kết quả Xử lý dữ liệu Yếu so sánh tính toán bằng máy tính tố tác động Tính toán lại với dữ liệu mới Hình 1.3.Quá trình xử lý tin trong hệ TĐH-QTCN Trong qúa trình đưa ra quyết định sản xuất, các dữ liệu về quá trình sản xuất được máy tính xử lý và đưa ra kết quả tính toán đó là lời giải của các bài toán điều khiển. Khi được con người chấp nhận, các kết quả tính toán đó sẽ được gắn hiệu lực pháp lý. Kết quả tính toán này cùng với dữ liệu ban đầu (đã được con 10
người đưa vào - có hiệu lực pháp lý) để lập ra kế hoạch sản xuất. Quyết định điều khiển sẽ tác động và quá trình sản xuất. Nhìn trên hình H1.6 chúng ta thấy trong hệ ĐK TĐH QTCN thông tin dưới dạng dữ liệu được trao đổi giữa nhiều bộ phận và thường xuyên có sự trao đổi giữa người và máy và ngược lại. Vì vậy hệ con đảm bảo thông tin phải đảm bảo cho quá trình trao đổi thông tin đó được nhất quán thuận tiện. *)Cấu tạo của đảm bảo thông tin Trong hệ ĐK TĐH QTCN con người căn cứ vào thông tin thu nhận được (đã qua máy xử lý) để quyết định các giải pháp điều khiển. Như vậy, độ chính xác của các quá trình phần lớn phụ thuộc vào độ chính xác của thông tin. Có nghĩa là các thông tin có phản ánh đúng các thông số trạng thái của các đối tượng bị điều khiển hay không. Hiểu theo nghĩa rộng đảm bảo thông tin là phản ánh quá trình sản xuất là hệ thống các mô hình thông tin để mô tả một cách hình thức mô hình sản xuất nói trên. Hiểu theo nghĩa hẹp đảm bảo thông tin bao gồm các phần sau đây.  Hệ thống phân loại, đánh dấu, đặt tên các phần tử, các đối tượng bị điều khiển;  Hệ thống các định mức các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật;  Tổ chức lưu trữ, xử lý, hiệu chỉnh thông tin. Như vậy đảm bảo thông tin là bước đầu tiên trong quá trình xử lý thông tin trong hệ ĐK TĐH QTCN. *)Mô hình thông tin. Mô hình thông tin là quá trình mô tả hình thức quá trình tổ chức và xử lý thông tin. Ở mức độ đơn giản nhất mô hình quản lý thông tin là các bảng thống kê, các bản ghi chép chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các định mức vật tư, lao đông… Mô hình thông tin ma trận là một ma trận phản ánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và các quan hệ giữa chúng. Dạng mô hình này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Yêu cầu đối với mô hình thông tin là phải rõ ràng, thuận tiện cho sử dụng, có tính thống nhất và chuẩn hóa để có thể dùng cho các phương tiện tính toán khác nhau. * )Đánh dấu, phân loại, đặt tên các thiết bị được điều khiển. Một trong những nhiệm vụ quan trọng của đảm bảo thông tin là xây dựng một hệ thống nhất cách đánh dấu, phân loại, đặt tên các phần tử, thiết bị máy móc, cùng sản phẩm quan hệ giữa chúng. Hệ thống đánh dấu phân loại này phải thuận tiện cho việc dùng máy tính để xử lý thông tin - tức là các thông tin phải 11
được mã hoá. Việc đánh dấu, phân loại, đặt tên phải phù hợp với các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế như: tiêu chuẩn Việt Nam, IEC, ISO 9000. *) Hệ thống các định mức - các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật. Sản xuất bất kỳ sản phẩm nào cũng phải qua nhiều nguyên công, công đoạn, ứng với mỗi nguyên công tiêu phí một lượng nguyên liệu, nhiên liệu, nhân công nhất định. Vì vậy, những định mức kinh tế - kỹ thuật phải xây dựng đầy đủ chi tiết cho từng bộ phận, từng máy đến cả dây chuyền công nghệ. *) Xây dựng ngân hàng dữ liệu. Ngân hàng dữ liệu của hệ ĐK - TĐH - QTCN là nơi tập trung (trong máy tính) toàn bộ dữ liệu dùng trong hệ. Vì vậy cần phải tổ chức sao cho lưu trữ, sử dụng và cập nhật thông tin được thuận tiện khoa học. Về lưu trữ dữ liệu cần giải quyết các vấn đề sau đây: - Tập trung hoá dữ liệu; - Tối thiểu hoá độ dư của dữ liệu; - Mô tả dữ liệu bằng ngôn ngữ chung không phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình; - Sử dụng mô tả dữ liệu có cấu trúc. Về sử dụng dữ liệu cần giải quyết các vấn đề sau đây: - Có khả năng lấy ra bất kỳ một nhóm dữ liệu nào không phục thuộc vào nơi có dữ liệu đó; - Có khả năng đổi mới, cập nhật các dữ liệu; - Sử dụng các phương pháp tìm kiếm dữ liệu tối ưu; - Có khả năng bảo vệ chính xác, nguyên vẹn và bí mật của dữ liệu. Chú ý rằng”dữ liệu’’ở đây hiểu theo nghĩa rộng nó có thể là các số liệu nhưng có thể là chương trình tính toán, bản thiết kế hoặc quy trình công nghệ …. Một trong những vấn đề quan trọng của việc xây dựng ngân hàng dữ liệu là toàn bộ thông tin vào ra . Hiện nay phương pháp đưa thông tin vào còn chậm so với tốc độ xử lý máy tính và chưa thuận tiện cho việc trao đổi trực tiếp giữa người với máy. Việc đưa thông tin ra màn hình, máy in,…có nhiều tiến bộ nên việc lấy thông tin ra màn hình càng dể dàng hơn. *) Ví dụ về dòng thông tin chính trong sản xuất – phân xưởng – nhà máy. Xây dựng việc mô tả dòng thông tin sẽ đảm bảo giải quyết được nhiệm vụ thiết kế toàn hệ. Trên cơ sở sơ đồ ta xác định được số liệu: - Tập hợp các số liệu cần thiết cho điều khiển QTCN - Có thể lập tần suất truyền các số liệu riêng rẽ. - Lập được luật xử lý thông tin và quyết định 12
- Tối ưu hoá dòng thông tin trong toàn hệ. - Xác định thông tin vào ra. - Xác định được thông tin quan trọng nhất trên quan điểm điều khiển QTCN. Trưởng ca sản xuất Điều phối Phụ trách công nghệ Nhân viên vận hành Kiểm tra Tính giá Điều khiển trạng thái tối ưu Chọn và gia công và sơ bộ thông tin Bộ điều chỉnh Cơ cấu chấp hành Bộ biến đổi Phòng thí Nguyên liệu và Các quá trình nghiệm QTCN bán thành phẩm bổ trợ Hình 1.4. Dòng thông tin trong một QTCN -Trong sơ đồ đường kết nối mang mũi tên chỉ các dong thông tin cần truyền dẫn trong quá trình sản xuất. 13
b) Đảm bảo toán học *) Cấu trúc của đảm bảo toán học. Đảm bảo toán học của hệ TĐH QTCN là xác định phương pháp thực hiện điều khiển QTCN theo các tiêu chuẩn xác định và thực hiện hóa chuwowg trình của chúng. Đame bảo toán học có thể chia ra gồm những thành phần sau: - Các mô hình toán (còn gọi là đảm bảo mô hình) dùng để mô hình hoá các đối tượng bị điều khiển, các quá trình công nghệ để giải bài toán điều khiển. - Các thuật toán – Algoritm (còn gọi là đảm bảo thuật toán) là phương pháp giải bài toán điều khiển. Các thuật toán thường phụ thuộc vào mô hình toán đã chọn. Chọn thuật toán đúng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ tính toán và độ chính xác lời giải. - Các chương trình (còn gọi là đảm bảo chương trình ) dùng để xử lý tính toán các dữ liệu ứng với mô hình thuật toán đã chọn. Như vậy mô hình thuật toán dùng để xây dựng hệ thống, còn chương trình tính toán được dùng để vận hành hệ thống. Ngày nay, có nhiều ngôn ngữ dùng để lập trình, việc chọn ngôn ngữ nào và kỹ thuật lập trình ra sao ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tính và kết quả tính. *) Mô hình toán học. Xây dựng mô hình toán học là một trong những giai đoạn quan trọng nhất của việc xây dựng hệ thống điều khiển. Thông thường công việc này do các chuyên gia am hiểu về quá trình công nghệ và nắm vững toán học đảm nhiệm. Hiện nay người ta sử dụng nhiều mô hình toán học, thường dùng các loại mô hình sau: - Mô hình quy hoạch ( tuyến tính, không tuyến tính) - Mô hình mô phỏng (mô hình trạng thái, mô hình phục vụ đám đông ). - Mô hình trò chơi. - Mô hình quy hoạch thực nghiệm.. Sau đây chúng ta điểm qua một vài mô hình. + Mô hình quy hoạch. Dùng để giải bài toán đánh giá chất lượng, giải bài toán tối ưu. Loại mô hình này được xây dựng trên các dữ liệu biết trước như định mức, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật …Trong thực tế rất nhiều thông số không thể xác định bằng một giá trị cụ thể mà chỉ có thể sự xuất hiện của nó. Trong trường hợp này người ta phải xây dựng mô hình xác suất. 14
+ Mô hình mô phỏng. Ngày nay nhờ có kỹ thuật máy tính phát triển người ta có thể thực hiện một số lượng lớn các phép tính và lưu trữ nhiều dữ liệu, đồng thời người ta có thể thực hiện phương pháp mô phỏng cho các quá trình phức tạp để kiểm nghiệm chứng minh hệ thống. Trong mô phỏng người ta mô phỏng dáng điệu của các yếu tố, bộ phận của hệ thống cũng như mô tả các quan hệ giữa chúng và giữa hệ thống với môi trường xung quanh. Thông thường trong hệ thống có nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác động, vì vậy mà mô hình nghiên cứu sẽ là mô hình nghiên cứu ngẫu nhiên. Phương pháp mô phỏng sẽ phát huy ưu việt của nó khi mô phỏng các hệ thống ngẫu nhiên. Để làm ví dụ hãy ngiên cứu mô hình phục vụ đám đông của hệ ĐK TĐH QTCN. Như ta đã biết, hệ ĐK TĐH QTCN có các terminal các trung tâm tính toán các thiết bị này được coi là các điểm phục vụ (server). Các thông tin đi vào hệ: từ đồng hồ đo, sensor, hoặc từ các terminal lên trung tâm tính toán được gọi là các khách hàng (customer) hoặc là các yêu cầu. Thời điểm khách hàng xuất hiện, độ lớn của khách hàng mang tính ngẫu nhiên. dòng khách hàng là 1 dòng ngẫu nhiên, nếu dòng này là 1 dòng tối giản thì khoảng cách giữa khách hàng sẽ có phân bố mũ: A(t) = 1 - e t Trong đó :  = 1/m cường độ dòng khách hàng, 1/giờ m - số khách hàng trung bình trong 1 giờ Do các khách hàng (thông tin) mang tính ngẫu nhiên nên đòi hỏi thời gian phục vụ khách hàng T (thời gian xử lý thông tin) cũng mang tính ngẫu nhiên. Nếu dòng khách hàng tối giản thì dòng phục vụ cũng là tối giản. Thông thường cường độ dòng khách hàng lớn hơn khả năng phục vụ nên khách hàng phải xếp hàng. Tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà có các luật xếp hàng và phục vụ khác nhau như: - Đến trước phục vụ trước (FIFO - first in first out) - Đến sau phục vu trước (LIFO - last in first out) Như vậy trong trường hợp đơn giản nhất là hệ ĐK TĐH QTCN được mô phỏng bằng hai hệ con: - Dòng khách hàng - Dòng phục vụ Phương pháp mô phỏng như sau: Mô phỏng hoạt động theo dõi thời gian của hai dòng khách hàng và phục vụ nói trên, cho hai dòng đó “xếp chồng” lên nhau 15
ta được mô hình của hệ. Mỗi một thay đổi của khách hàng hoặc của quá trình phục vụ đều làm hệ thay đổi trạng thái. Các bài toán có thể giải bằng mô phỏng là: - Xác định số điểm phục vụ để đảm bảo xử lý hết khách hàng lúc xác định số lượng và dung lượng các terminal. - Xác định số khách hàng có trong hàng đợi và thời gian chờ đợi dữ liệu này sẽ để xác định số terminal và bộ nhớ lưu trữ số liệu. - Xác định số khách hàng phải bỏ đi do thời gian chờ đợi quá một giá trị cho trước, dữ liệu này dùng để xác định tổn thất thông tin trong hệ điều khiển. - Xác định thời gian phục vụ, thời gian chờ đợi xếp hàng trung bình, dữ liệu này dùng để đánh giá độ nhạy của hệ thống điều khiển. + Mô hình trò chơi Khi trong hệ có nhiều lực lượng tham gia có quyền lợi đối nghịch nhau thì người ta dùng mô hình trò chơi. ví dụ giải bài toán tối ưu giữa đầu tư để đổi mới công nghệ hạ giá thành sản phẩm và tăng lợi nhuận. *) Thuật toán (Algolithur, thuật giải) Mô hình toán học tuy rất quan trọng nhưng mới chỉ là cấu trúc hình thức của việc xử lý thông tin chứ chưa phải là quá trình xử lý theo không gian và thời gian. Giải quyết vấn đề này là nhiệm vụ của thuật toán, có nghĩa là trên cơ sở mô hình toán học đã chọn phải xây dựng các thủ tục, các phương pháp giải để cho kết quả chính xác thời gian tính toán ngắn ít tốn bộ nhớ… thuật toán là một ngành chuyên sâu và có tác dụng rất lớn trong việc giải các bài toán điều khiển. Bảo đảm algoritm có ý nghĩa quan trọng, xác định chất lượng của toàn hệ thống - đây là phần quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống khi hiện thực việc bảo đảm algoritm phải trên cơ sở - Lý thuyết điều khiển tự động - Điều khiển logic điều khiển hệ thao tác - Phân tích thao tác và hệ thống các algoritm điều khiển sử dụng trong hệ thống - TDH - QTCN có tính chất cơ bản sau: 1 - Ghép nối chặt chẽ giữa algoritm điều khiển với quá trình được điều khiển 2 - Giữ cho chương trình làm việc (tức luật điều khiển được hiện thực hoá, được ghi trong bộ nhớ) theo thời gian thực. 3 - Tổng số việc giải quyết các thao tác logic trong algoritm thường cao hơn thông số việc giải quyết các thao tác số học. 4 - Các algoritm điều khiển được chia theo cách hiện thực chức năng trong các chế độ hoạt động khác nhau. 16
5 - Algoritm HT - TDH - QTCN yêu cầu sử dụng hệ thống thao tác theo thời gian thực. Algoritm đk HT - TDH - QTCN có thể được chia như sau: 1 - Algoritm để chọn và xử lý tin 2 - Algoritm điều khiển 3 - Algoritm điều khiển khi sự cố 4 - Algoritm để phân tích tình trạng hệ thống 5 - Algoritm để tiếp cận của con người thao tác với quy trình và hệ điều khiển 6 - Algoritm để tín hiệu hoá, điểu khiển và thông báo diễn biến quá trình cn 7 - Algoritm bổ trợ -Algoritm điều khiển quá trình công nghệ: Việc điều khiển được đặc trưng bằng 1 nhóm các hoạt động mà trên cơ sở đó sử lý thông tin về đối tượng và về lân cận của nó để giữ cho hoạt động của đối tượng được điều khiển trong 1 miền tối ưu nào đó. - Trong mỗi hoạt động điều khiển cần thông tin cơ bản: + Đặc tính thông tin của quá trình + Cố gắng nâng cao chất lượng không ngừng của quá trình được đk + Tồn tại phản hồi - Quá trình công nghệ như một đối tượng điều khiển: + Điều khiển QTCN - có thể thực hiện ở mức điều khiển riêng rẽ từng thao tác, từng phần hoặc cả quá trình. + Các phần riêng rẽ ghép với nhau tạo nên cấu trúc của QTCN - Đặc tính cơ bản của đk - QTCN: + Điều khiển quá trình trong thời gian thực +Khả năng có tính chất nguyên lý là có phản hồi - Quá trình cn có thể chia làm 2 nhóm + QTCN trên cơ sở 1 số tổ hợp riêng rẽ mà chúng không ảnh hưởng lẫn nhau trong chế độ động và tĩnh - tức các giá trị đại lượng được điều chỉnh thay đổi theo các giá trị đặt vào trên quan hệ cách ly lẫn nhau + QTCN trên cơ sở 1 số tổ hợp riêng rẽ, nhưng các đại lượng trạng thái, các đại lượng ra ảnh hưởng lẫn nhau trong chế độ động và tĩnh Khi nói về ĐK - QTCN cần quan tâm đến điều khiển trong: + Chế độ động + Xác lập + Chế độ sự cố 17
+ Quá trình kiểm tra, quá trình làm mới hệ thống + Chất lượng quá trình sản xuất - Bài toán chính điều khiển ở chế độ động và bảo đảm ổn định tổ hợp và từng hệ trong chế độ vận hành - nhiễu. - Bài toán chính điều khiển chế độ xác lập bảo đảm tính hiệu quả cao nhất của (Ksx) vận hành của QTCN. - Bài toán chính sự cố: Bảo đảm khả nặng vận hành hệ khi bị nhiễm, sự cố - bảo đảm phục hồi hệ thống sau sự cố. - Bài toán chính khám loại trừ nhiễu nhanh nhất - Bài toán chính chất lượng trên cơ sở thông tin về hệ thống trạng thái hệ thống để bảo đảm điều khiển các phần riêng rẽ sao cho hệ thống giữa và nâng cao được chất lượng yêu cầu như sản phẩm. *) Mục đích điêù khiển QTCN Mục đích-tính hiệu quả Max của ĐK Hàm F-ĐK-QTCN Mục đích cực tiểu năng lượng Điều kiện thực hiện F 1-ĐK chế độ động F1 2-ĐK chế độ XL F2 Hàm1 Tối ưu hoá F3 3-ĐK chế độ sự cố chế độ động F4 4-ĐK chế độ chất lượng ĐK thực hiện F1 1-Đk đóng QTCN 2-Đk mở QTCN 3-Đk tối ưu chế độ động 18
- Bài toán tối ưu dạng đơn giản: Giả sử hệ thống đk biểu diễn ở dạng không gian trạng thái vectơr x - bậc n. Tiêu chuẩn đánh giá hệ là vectơr bậc k: J t  x    J1  x  , J 2  x  ,...., J k  x  Trong không gian R n cần xác định x sao cho có lời giải tối ưu cho vectơr j(x) thoả mãn: Ji  x*   Ji  x  khi i=1, 2,... , k *) Điều khiển quá trình quá độ. Yêu cầu đầu tiên là không thể thiếu được là phải đảm bảo ổn định từng thiết bị và hệ thống. Tiêu chuẩn chất lượng có thể chia làm 3 nhóm cơ bản: - Các yêu cầu trực tiếp về diễn biễn của quá trình quá độ - Các tiêu chuẩn tính phân của chất lượng điều khiển - Các yêu cầu gián tiếp của quá trình quá độ. y(t) ∆max Yyc ∆y t Hình 1.5. Đặc tính quá độ đầu ra của hệ Trực tiếp: Được đánh giá căn cứ theo các tiêu chuẩn điều chỉnh – Mạch kín + Thời gian điều chỉnh + Lượng quá điều chỉnh % + Yêu cầu để đặc tính quá độ đạt mong muốn + Yêu cầu đặc tính quá độ không có dao động Gián tiếp: Yêu cầu mức độ ổn định của mạch cần điều chỉnh, nó được đánh giá thông qua các nội dung sau. - Đảm bảo biên độ, pha của mạch điều chỉnh. - Yêu cầu phần bố cực không của mạch điều chỉnh. - Tích phân: 19