Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hoá - Trình độ: Trung cấp) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình trang bị những kiến thức về cơ bản về chức năng, nhiệm vụ của một vòng điều khiển cũng như chức năng của từng thành phần trong một vòng điều khiển. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hoá - Trình độ: Trung cấp) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số: 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2020 (Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Trang 2
LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu này thuộc giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo được lưu hành trong trường Cao đẳng Dầu khí; các nguồn thông tin được sử dụng để tham khảo biên soạn/hiệu chỉnh giáo trình có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích đào tạo. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, quá trình hiện đại hóa góp phần đưa các quá trình sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp… ngày càng hiện đại với mức độ tự động hóa ngày càng cao. Các giải pháp điều khiển hiện đại góp phần nâng cao mức độ tự động hóa của các dây chuyển sản xuất để tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản xuất, tăng sức cạnh tranh trên thị trường, nhưng đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn cho các hệ thống điều khiển tự động và cho những người kỹ sư thiết kế điều khiển quá trình. Vì vậy, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp và việc trang bị các kiến thức về điều khiển quá trình là vấn đề cốt lõi đối với học sinh, sinh viên các trường thuộc khối kỹ thuật chuyên ngành điều khiển tự động hóa. Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình được biên soạn để giảng dạy cho đối tượng là học sinh sinh viên trình độ trung cấp, cao đẳng chuyên về lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp Trường Cao Đẳng Dầu khí, đặc biệt là giáo viên TBM Tự động hóa. Giáo trình biên soạn dựa trên tài liệu từ nhiều nguồn giáo trình và tham khảo từ thực tế các nhà máy trong ngành Dầu khí và trong quá trình biên soạn sẽ không tránh khỏi một số sai sót. Vì thế, tôi rất mong nhận được sự góp ý, xây dựng của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Chân thành cảm ơn. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2020 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS. Phạm Thị Thu Hường 2. ThS. Phan Đúng 3. ThS. Nguyễn Xuân Thịnh Trang 3
MỤC LỤC 1.1. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................................................ 15 1.1.1. Đặc trưng của quá trình ......................................................................................16 1.1.2. Hệ thống điều khiển quá trình ............................................................................17 1.1.3. Các thành phần của một kênh thiết bị ................................................................19 1.2. CÁC VÒNG ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 27 1.2.1. Vòng điều khiển hở (Open loop) ........................................................................28 1.2.2. Vòng điều khiển kín (Feedback Control – Closed Loop)...................................29 1.2.3. Điều khiển tầng (Cascade Control) ....................................................................31 1.2.4. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control) ..........................................................................34 1.3. CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN.......................................................................... 34 1.3.1. Điều khiển hai vị trí (On – Off Control).............................................................34 1.3.2. Điều khiển điều chỉnh (Modulating Control) .....................................................36 1.3.3. Ứng dụng của các kiểu vòng điều khiển ............................................................41 2.1. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................. 47 2.2. ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN .................................................................................. 48 2.2.1. Điều khiển On – Off (On – Off Control) ............................................................48 2.2.2. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control) ..........................................................................50 2.2.3. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân ..................................................................53 2.2.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller) ......................54 2.2.5. Hoạt động cụ thể của một bộ điều khiển ............................................................55 2.2.6. Bộ điều khiển Masoneilan ..................................................................................56 2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ ........................................................................... 57 2.3.1. Điều khiển On – Off ...........................................................................................58 2.3.2. Bộ điều khiển tỉ lệ ...............................................................................................59 2.3.3. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân ...............................................................................60 2.3.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller) ......................60
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Quá trình trao đổi nhiệt .................................................................................16 Hình 1-2: Hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt độ ...........................................18 Hình 1-3: Cấu trúc của bộ chuyển đổi áp suất ..............................................................22 Hình 1-4: Đặc tính mở van ............................................................................................24 Hình 1-5: Cấu tạo van điện từ .......................................................................................25 Hình 1-6: Van điều khiển có bộ truyền động dạng màng .............................................25 Hình 1-7: Van điều khiển có bộ truyền động dạng piston.............................................26 Hình 1-8: Van điều khiển sử dụng bộ truyền động bằng động cơ ................................27 Hình 1-9: Điều khiển nhiệt độ bằng vòng hở ................................................................29 Hình 1-10: Điều khiển nhiệt độ bằng vòng kín .............................................................30 Hình 1-11: Hệ thống điều khiển tầng ............................................................................32 Hình 1-12: Mô hình tổng quát của vòng điều khiển tầng ..............................................33 Hình 1-13: Vòng điều khiển tỉ lệ ...................................................................................34 Hình 1-14: Điều khiển mức bằng bộ điều khiển On - Off.............................................35 Hình 1-15: Đáp ứng của bộ điều khiển On - Off..........................................................36 Hình 1-16: Hệ thống điều khiển hai vị trí với vùng trung lập .......................................36 Hình 1-17: Hệ thống điều khiển tỉ lệ .............................................................................37 Hình 1-18: Vị trí tương ứng của van và phao khi Gain =1 ...........................................38 Hình 1-19: Thuật toán tích phân đầu ra với đầu vào cố định ........................................40 Hình 1-20: Phản hổi của cấu trúc vi phân khi có tín hiệu vào ......................................41 Hình 1-21: Vòng điều khiển nhiệt độ khí nén ...............................................................42 Hình 1-22: Vòng điều khiển nhiệt độ điện tử ................................................................43 Hình 2-1: Thành phần của bộ điều khiển khí nén .........................................................48 Hình 2-2: Tín hiệu vào phần tử cuối khi dùng bộ điều khiển On-Off ...........................49 Hình 2-3: Bộ điều khiển khí nén On-Off ở trạng thái mất tín hiệu ...............................50 Hình 2-4: chuyển động của Nozzle ra khỏ tấm chắn ....................................................51 Hình 2-5: chuyển động của bộ điều khiển khí nén khi sụt giảm áp suất .......................51 Hình 2-6: Bộ điều khiển khí nén khi có áp suất đầu ra tăng .........................................52 Hình 2-7: Biểu đồ của dải tỉ lệ bằng 5% .......................................................................52 Hình 2-8: Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân .........................................................................54 Hình 2-9: Bộ điều khiển PID .........................................................................................54
Hình 2-10: Cấu hình điều khiển truyền thẳng và phản hổi ...........................................55 Hình 2-11: Bộ điều khiển Masoneilan...........................................................................57 Hình 2-12: Bộ điều khiển On-Off .................................................................................59 Hình 2-13: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ ....................................................................60 Hình 2-14: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ tích phân ....................................................60 Hình 2-15: Thành phần của bộ điều khiển PID .............................................................61
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Một số bộ chuyển đổi. .................................. Error! Bookmark not defined.
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 1. Tên mô đun: Cơ sở điều khiển quá trình 2. Mã mô đun: TĐH19MĐ10 Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành: 30 giờ) Số tín chỉ: 03 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô-đun: 3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun chuyên ngành của chương trình đào tạo. Môn đun này được dạy sau các môn học thiết bị đo lường và tài liệu và bản vẽ thiết bị đo lường. 3.2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức về cơ bản về chức năng, nhiệm vụ của một vòng điều khiển cũng như chức năng của từng thành phần trong một vòng điều khiển. Ngoài ra người học sẽ lĩnh hội được các thuật ngữ chuyên ngành về điều khiển quá trình, các chế độ điều khiển của bộ điều khiển. 3.3 Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô-đun: là môn học khoa học mang tính thực tế và ứng dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chuyên ngành đo lường tự động hóa (Instrumentation). Mô-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại trường Cao Đẳng Dầu Khí từ năm 2019 đến nay. Nội dung chủ yếu của mô-đun này nhằm cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản thuộc lĩnh vực công nghiệp quá trình: (1) lý thuyết điều khiển quá trình: vòng điều khiển, các thành phần cơ bản trong một vòng điều khiển và các thuật ngữ thông dụng; (2) Các bộ điều khiển PID khí nén, tương tự, on-off và tỉ lệ. Qua đó, giáo trình cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản về vòng điều khiển, và các chế độ hoạt động của bộ điều khiển. 4. Mục tiêu của môn học/mô-đun: Về kiến thức: + A1. Mô tả được điều khiển quá trình và xác định được các thành phần cơ bản của một kênh điều khiển; + A2. Mô tả được và xác định được các kiểu vòng điều khiển cơ bản như vòng điều khiển hở/kín, vòng điều khiển tỉ lệ, vòng điều khiển tầng; + A3. Nhận dạng được và mô tả được các chế độ điều khiển on-off và chế độ điều khiển liên tục; + A4. Mô tả được ứng dụng các kiểu vòng điều khiển và diễn giải được sách lược điều khiển cơ bản của các kiểu điều khiển này; + A5. Xác định và mô tả được nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển kiểu khí nén và kiểu điện tử. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ B1. Vẽ và gán nhãn được cho các sơ đồ điều khiển khối của các vòng điều khiển cơ bản ; + B4. Từ bản vẽ P&ID xác định được các thành phần chính của vòng điều khiển truyền thẳng, vòng điều khiển phản hồi, vòng điều khiển tầng và vòng điều khiển tỉ lệ. + B3. Giải thích được mục đích và chức năng các thành phần chính của bộ điều khiển khí nén trên một lược đồ cho sẵn; + B4. Giải thích được chức năng từng khối của bộ điều khiển điện tử trên lược đồ cho sẵn. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + C1. Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; 5. Nội dung của môn học/mô đun: 5.1 Chương trình khung: Thời gian học tập (giờ) Trong đó Thực Kiểm tra Số Mã Tên môn học, mô hành/ tín Tổng MH/MĐ/HP đun thực tập/ chỉ số Lý thí thuyết LT TH nghiệm/ bài tập/ thảo luận Các môn học I 12 255 94 148 8 5 chung/đại cương MHCB19MH01 Giáo dục chính trị 2 30 15 13 2 MHCB19MH03 Pháp luật 1 15 9 5 1 MHCB19MH05 Giáo dục thể chất 1 30 4 24 2 MHCB19MH07 Giáo dục quốc phòng 2 45 21 21 1 2 và An ninh MHCB19MH09 Tin học 2 45 15 29 1 TA19MH01 Tiếng Anh 4 90 30 56 4 Các môn học, mô II đun chuyên môn 45 1020 346 632 27 15 ngành, nghề Môn học, mô đun II.1 18 315 164 133 15 3 cơ sở
Thời gian học tập (giờ) Trong đó Thực Kiểm tra Số Mã Tên môn học, mô hành/ tín Tổng MH/MĐ/HP đun thực tập/ chỉ số Lý thí thuyết LT TH nghiệm/ bài tập/ thảo luận ATMT19MH01 An toàn vệ sinh lao 2 30 23 5 2 động TĐH19MH23 Toán kĩ thuật 2 30 14 14 2 TĐH19MH24 Hình học lắp đặt 3 45 15 27 3 Bản vẽ thiết bị đo TĐH19MH06 3 45 42 0 3 lường KTĐ19MĐ05 Điện kỹ thuật 1 3 60 28 29 2 1 TĐH19MH01 An toàn TĐH 2 45 14 29 1 1 TĐH19MĐ04 Kĩ thuật số 3 60 28 29 2 1 Môn học, mô đun II.2 chuyên môn ngành, 27 705 182 499 12 12 nghề TĐH19MH05 Thiết bị đo lường 5 90 56 29 4 1 Lắp đặt hệ thống TĐH19MĐ08 4 90 28 58 2 2 TĐH 1 Cơ sở điều khiển TĐH19MĐ10 3 60 28 29 2 1 quá trình Hiệu chuẩn thiết bị TĐH19MĐ07 5 120 28 87 2 3 đo lường Lắp đặt hệ thống TĐH19MĐ09 5 120 28 87 2 3 TĐH 2 TĐH19MH22 Thực tập sản xuất 5 225 14 209 2 Tổng cộng 57 1275 440 780 35 20 5.2 Chương trình chi tiết mô-đun:
Thời gian (giờ) Thực hành, thí Kiểm tra Số TT Nội dung tổng quát Lý nghiệm, Tổng số thuyết thảo luận, bài LT TH tập Bài 1: Lý thuyết điều khiển 1 40 18 21 1 quá trình 1.1 Điều khiển quá trình 1.2 Các vòng điều khiển 1.3 Các chế độ điều khiển Ứng dụng các kiểu vòng điều 1.4 khiển 2 Bài 2: Các bộ điều khiển 20 10 8 1 1 Các bộ điều khiển và các chế 2.1 độ hoạt động cơ bản của BĐK 2.2 Bộ điều khiển khí nén 2.3 Bộ điều khiển điện tử Cộng 60 28 29 2 1 6. Điều kiện thực hiện mô-đun: 6.1. Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: - Phòng học lý thuyết: đáp ứng phòng học chuẩn. - Phòng thực hành: phòng DCS. 6.2. Trang thiết bị máy móc: - Máy tính, máy chiếu, bảng, phấn, bút viết bảng/phấn trắng và màu, giẻ lau - Các thiết bị, máy móc: 6.3. Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: - Giáo trình, giáo án - Bản vẽ P&ID tham khảo của Vietsovpetro. - Qui trình thực hành (nếu có) - Phiếu đánh giá thực hành 6.4. Các điều kiện khác:
7. Nội dung và phương pháp đánh giá 7.1 Nội dung: - Kiến thức: bài 1 và bài 2. - Kỹ năng: bài 1 và bài 2. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc. 7.2 Phương pháp đánh giá: 7.2.1. Kiểm tra thưởng xuyên: - Số lượng bài: 01 - Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện tại thời điểm bất kỳ trong quá trình học thông qua việc kiểm tra vấn đáp trong giờ học, kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra một số nội dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập. 7.2.2. Kiểm tra định kỳ: - Số lượng bài: 03, trong đó 02 bài lý thuyết và 01 bài thực hành. - Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện theo theo số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình môn học ở mục III có thể bằng hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập lớn, tiểu luận, làm bài thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra lý thuyết kèm đáp án và đề kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực hành theo đúng biểu mẫu qui định, trong đó: Hình thức Nội Chuẩn đầu ra Stt Bài kiểm tra Thời gian kiểm tra dung đáp ứng Lý thuyết: trắc nghiệm/tự 1. Bài số 1 bài 1 A1, A2, C1 45÷60 phút luận/trả lời ngắn/điền khuyết. Lý thuyết: trắc nghiệm/tự 2. Bài số 2 bài 2 A3, A4, A5, C1 45÷60 phút luận/trả lời ngắn/điền khuyết. bài 1 và 3. Bài÷số 3 Thực hành B1, B2, C1 60 phút bài 2
7.2.3. Thi kết thúc mô-đun: - Hình thức thi: trắc nghiệm và thực hành. - Thời gian thi: + Trắc nghiệm: 45÷60 phút. + Thực hành: 60 phút. 8. Hướng dẫn thực hiện mô-đun 8.1. Phạm vi áp dụng chương trình - Chương trình mô đun này được áp dụng cho nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa, trình độ trung cấp và cao đẳng. 8.2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy, học tập môn học: - Đối với giảng viên/giáo viên: + Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù hợp với từng chương/bài học với thời lượng theo giờ dạy hoặc theo buổi dạy. + Tổ chức giảng dạy: tập trung đối với giờ lý thuyết và chia ca đối với giờ thực hành theo qui định. - Đối với người học: + Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu...) + Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số tiết lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau. + Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 6-8 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm. + Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ. + Tham dự thi kết thúc môn học. + Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học. 8.3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý: Các bài có nội dung quan trọng như nhau. 9. Tài liệu cần tham khảo: - Tài liệu tiếng Việt: [1]. TS Hoàng Minh Sơn, 2016, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Hà Nội: Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội. - Tài liệu nước ngoài: [1]. NCCER, 2016, Module Process Control Theory-Instrumentation Level 3, third edition, published by PEARSON. [2]. PAControl, 2006, Fundamentals of Pcocess Control, PAControl.com.
1. BÀI 1: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIỚI THIỆU BÀI 1: Bài 1 giới thiệu cơ bản về lý thuyết điều khiển quá trình, bao gồm các khái niệm về quá trình, điều khiển quá trình, phân loại quá trình, các loại vòng điều khiển, các sách lược điều khiển cơ bản và ứng dụng của chúng trong thực tế. MỤC TIÊU: - Về kiến thức + Mô tả được điều khiển quá trình và xác định được các thành phần cơ bản của một kênh điều khiển + Mô tả được và xác định được các kiểu vòng điều khiển cơ bản như vòng điều khiển hở/kín, vòng điều khiển tỉ lệ, vòng điều khiển tầng; + Nhận dạng được và mô tả được các chế độ điều khiển on-off và chế độ điều khiển liên tục; + Mô tả được ứng dụng các vòng điều khiển và diễn giải được sách lược điều khiển cơ bản của các kiểu điều khiển này; - Về kỹ năng: + Vẽ và gán nhãn được cho các sơ đồ điều khiển khối của các vòng điều khiển cơ bản ; + Từ bản vẽ P&ID xác định được các thành phần chính của vòng điều khiển truyền thẳng, vòng điều khiển phản hồi, vòng điều khiển tầng và vòng điều khiển tỉ lệ. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1 Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập bài1 (cá nhân hoặc nhóm). Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận/bài tập theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1 Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: trạm điện, xưởng thiết bị tĩnh – thiết bị động. Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 14
Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan, các loại trang thiết bị bảo hộ cá nhân: giày cách điện, gang tay cách điện, sào cách điện, thang, nón bảo hộ Các điều kiện khác: không có KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1 Nội dung: Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng. Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. Phương pháp: Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng hoặc kiểm tra viết dưới 30 phút.) Kiểm tra định kỳ lý thuyết/thực hành: không có. NỘI DUNG BÀI 1 1.1. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Điều khiển quá trình là việc nghiên cứu các thao tác để tạo ra một sản phẩm mong muốn. Cụ thể hơn nó là việc áp dụng một hệ thống điều khiển để xử lý nhằm cung cấp hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy nhất có thể. Muc tiêu của điều khiển quá trình là đo lường, so sánh, tính toán và điều chỉnh. Hệ thống điều khiển quá trình sẽ thực hiện đầy đủ nhiệm vụ này. Để quá trình sản xuất có kết quả tốt nhất, hệ thống điều khiển quá trình phải phù hợp với quá trình cụ thể. Để đạt được điều này những người tự động hóa phải hiểu rõ về quá trình, đòi hỏi phải có kiến thức, hiểu biết về các thuật ngữ/khái niệm cụ thể. Bản thân việc nắm bắt rõ bản chất của một quá trình là sự trở ngại lớn nhất trong việc áp dụng và triển khai hệ thống điều khiển. Những quá trình nói chung rất phức tạp bởi vì chúng thường được tạo ra bởi một chuỗi của nhiều thành phần nhỏ hơn, nhiều quá trình có mối liên hệ với nhau. Chính sự phức tạp này làm nó khó phán đoán cái cách mà một hệ thống quá trình sẽ phản ứng hay tác động khi có sự đòi hỏi về thay đổi. Nhiệm vụ của những người tự động hóa là xác định được những đặc trưng cơ bản của quá trình và đơn giản hóa sự phức tạp sao cho hiệu quả, thực hiện đáng tin cậy được duy trì. Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 15
1.1.1. Đặc trưng của quá trình Nghiên cứu cần nhất đối với một hệ thống điều khiển quá trình chính là bản thân quá trình cần điều khiển. Một quá trình có thể đơn giản như quá trình trao đổi nhiệt như Hình 1.1 dưới đây: Hình 1-1: Quá trình trao đổi nhiệt Một quá trình thông thường được thực hiện bởi việc sử dụng các thiết bị và phần cứng. Trên Hình 1.1 vỏ và ống thiết bị trao đổi nhiệt và đường ống công nghệ thuộc hệ thống có sự trao đổi năng lượng xảy ra. Trong ví dụ trên dòng nước nóng đi vào phần vỏ của thiết bị gia nhiệt sẽ truyền nhiệt năng của nó cho dòng dầu lạnh bên trong và làm nhiệt độ của dòng dầu lạnh tăng lên, nhiệt độ của thiết bị gia nhiệt sẽ bị giảm xuống. Quá trình làm nóng dầu thể hiện trên Hình 1.1 có thể coi như quá trình trao đổi năng lượng cụ thể ở đây là nhiệt năng. Nhiều quá trình chỉ là chuyển đổi vật chất, một số quá trình vừa chuyển đồi vật chất vừa chuyển đổi năng lượng. Trên Hình 1.1 năng lượng vào của quá trình chính là đầu vào, năng lượng này sau khi được trao đổi và ra khỏi quá trình thì nó là đầu ra của quá trình. Năng lượng đầu ra bằng năng lượng đầu vào trừ đi tổng của năng lượng bị mất và năng lượng tích trữ ở trong quá trình. Trong thiết bị trao đổi nhiệt năng lượng đầu vào phụ thuộc lưu lượng nước trong vỏ và nhiệt độ của dòng nước nóng đó. Năng lượng đầu ra phụ thuộc lưu lượng của dầu và nhiệt độ của dòng dầu nóng đi ra. Năng lượng mất đi là phần năng lượng bị mất qua vỏ của thiết bị trao đổi nhiệt ra môi trường bên ngoài. Phần năng lượng tích trữ là tổng năng lượng được giữ cho vỏ của thiết bị trao đổi nhiệt đạt được nhiệt độ hoạt động cần thiết. Eout = Ein – (Elost + Estore) Nếu Elost tăng vì do nhiệt độ môi trường thay đổi và Estore và Ein không đổi, khi đó Eout phải giảm, kết quả là nhiệt độ của dòng dầu ra giảm. Một khi đạt đến sự cần bằng và điều kiện về nhiệt lượng không thay đổi các thông số quá trình sẽ ổn định. Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 16
Nếu không có sự thay đổi nhiệt độ dòng dầu ra cuối cùng cũng sẽ đạt đến giá trị ổn định. Nhiệt lượng đầu ra bằng nhiệt lượng đầu vào trừ đi tổng nhiệt lượng mất đi và nhiệt lượng được lưu giữ. Khi điều kiện này tồn tại quá trình sẽ đạt trạng thái ổn định hay cân bằng. Bất kỳ sự thay đổi nào của nhiệt lượng vào, nhiệt lượng mất đi hay nhiệt lượng lưu trữ đều làm mất đi sự cân bằng của quá trình và do đó gây ra sự thay đổi thông số của quá trình. Giả sử nhiệt độ của dòng nước nóng đi vào vỏ của bộ trao đổi nhiệt tăng lên sẽ làm nhiệt lượng đưa vào thiết bị gia nhiệt cũng tăng theo, từ đó nhiệt lượng truyền tới dòng dầu cũng tăng nhiệt độ lên. Sự trao đổi nhiệt này là nhiệt lượng đầu ra. Tại thời điểm đó, nhiệt lượng cũng bị mất vì tỏa nhiệt ra xung quanh do đó sự chênh lệch nhiệt độ tăng lên. Ngoài ra các thành phần bên trong của bộ trao đổi nhiệt cũng hấp thụ nhiệt lượng và lưu trữ nhiệt lượng trên nó. Những tác động đến nhiệt lượng đầu vào, nhiệt lượng ra, nhiệt lượng mất và nhiệt lượng lưu trữ trên bộ gia nhiệt vẫn tiếp tục đến khi trạng thái cân bằng được xác lập. Khi đó sự gia tăng nhiệt lượng đầu vào được cân bằng bởi sự gia tăng nhiệt lượng đầu ra, nhiệt lượng mất đi và nhiệt lượng trên thiết bị. Kết quả là nhiệt độ của dòng dầu ra đã tăng lên cùng với nhiệt lượng mất ra bên ngoài và sự tăng nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt. Cho dù chúng ta điều khiển bằng tay hay tự động hầu hết các quy trình chỉ hoạt động hiệu quả và an toàn khi các giá trị tham số của quy trình được giữ trong giới hạn quy định. Như mô tả ở ví dụ trên, các thông số quá trình có thể bị thay đổi nếu cân bằng năng lượng bị xáo trộn. Một chức năng cơ bản của điều khiển quá trình là điều khiển sự cân bằng của hệ thống để duy trì các thông số quá trình trong giới hạn định trước. 1.1.2. Hệ thống điều khiển quá trình Một hệ thống điều khiển quá trình có thể được định nghĩa là kỹ thuật đo lường, giá trị của một quá trình cụ thể với mục đích hạn chế sự thay đổi thông số này với giá trị mong muốn. Việc thực hiện này thường được thực hiện bởi người vận hành và hệ thống phần cứng. Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 17
Hình 1-2: Hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt độ Hình 1.2 là ví dụ về một hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt đơn giản. Tham số quá trình được lựa chọn để điều khiển ở đây gọi là biến được điều khiển (Controlled variable – CV). Biến được điều khiển thường được biết đến là biến quá trình, kí hiệu là PV (PV – Process Variable). Biến được điều khiển là nhiệt độ của dòng dầu ra. Phép đo của biến được điều khiển được thực hiện bởi thiết bị đo. Một bộ chuyển đổi nhiệt độ sẽ chuyển giá trị nhiệt độ đo được sang tín hiệu phù hợp để truyền đi. Loại tín hiệu được sử dụng ở đây là dòng điện 4÷20 mA DC, 1÷5 VDC, 0÷10VDC và tín hiệu khí nén 3÷15 psi. Tín hiệu được truyền từ thiết bị đo được gọi là biến được đo (Measured variable). Biến được đo là một tín hiệu tương ứng với biến được điều khiển. Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu truyền dẫn nhận được từ thiết bị Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 18
đo kết hợp với giá trị đặt để điều chỉnh giá trị của biến được điều khiển sao cho đạt yêu cầu đề ra. Sự sai lệch giữa giá trị đặt, kí hiệu là SV (SV: Setpoint Value) với biến được đo được gọi là tín hiệu sai lệch. Bộ điều khiển hoạt động dựa trên tín hiệu sai lệch để tạo ra tín hiệu đầu ra. Bộ điều khiển có thể xử lý lỗi trong nhiều chế độ khác nhau. Các chế độ của bộ điều khiển sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau. Tín hiệu ra của bộ điều khiển được truyền đến một thiết bị (gọi là thiết bị điều khiển cuối) để chuyển đổi tín hiệu này thành tác động can thiệp trực tiếp đến quá trình. Hình 1.2 thể hiện vị trí của bộ điều khiển và thiết bị điều khiển cuối trong hệ thống. Phần tử điều khiển cuối quyết định tham số của quá trình từ đó bộ điều khiển điều chỉnh biến được điều khiển. Tham số của quá trình được điều chỉnh bởi phần tử điều khiển cuối được gọi là biến thao tác (Manipulated variable – MV). Biến thao tác trong ví dụ hình 1.2 là lưu lượng dòng nước nóng đi vào bên trong vỏ của bộ trao đổi nhiệt. Khi một hệ thống điều khiển được áp dụng cho một quá trình hai tham số của quá trình được chọn để giao tiếp với hệ thống điều khiển. Các tham số này là biến được điều khiển và biến điều khiển. Biến được điều khiển được sử dụng trong hệ thống điều khiển cung cấp nhiệt lượng hay nguyên liệu cho quá trình nhằm điều chỉnh độ lệch của biến được điều khiển so với giá trị mong muốn. Một quá trình có thể bị ảnh hưởng bởi rất nhiều biến số khác. Mặc dù những biến số này không được cảm nhận trực tiếp bởi hệ thống điều khiển nhưng chúng có thể là nguyên nhân gây làm thay đổi trạng thái cần bằng năng lượng của quá trình. Trạng thái mất cân bằng này được hệ thống điều khiển coi như là sự thay đổi trong biến được điều khiển. Nói chung các thông số này được chia làm hai nhóm: cung và cầu. Sự thay đổi của tham số cung được biết đến như sự xáo trộn về nguồn cung, sự thay đổi trong tham số cầu là sự xáo trộn về nhu cầu. Sự xáo trộn về nguồn cung làm thay đổi năng lượng hay nguyên liệu đầu vào của quá trình. Trong ví dụ về trao đổi nhiệt trên hình 1.2 những thay đổi nhiệt độ hay tốc độ dòng nước nóng đi vào là sự xáo trộn nguồn cung. Sự thay đổi về nhu cầu là thay đổi về năng lượng hay nguyên liệu ra của quá trình. Ví dụ của sự thay đổi yêu cầu cho ví dụ trên là thay đổi nhiệt độ hau tốc độ dòng dầu lạnh qua đường ống trong thiết bị gia nhiệt. Mục tiêu chính của điều khiển quá trình là duy trì được biến cần điều khiển (Controlled variable hay PV) tại giá trị mong muốn (SV) mà ít làm nhiễu loạn nguồn cung cấp hoặc xáo trộn yêu cầu. 1.1.3. Các thành phần của một kênh thiết bị Tất cả các thành phần cần thiết để phát hiện, biến đổi trạng thái, truyền, kiểm soát và điều chỉnh quá trình tạo nên một kênh thiết bị hay một vòng điều khiển. Làm sao để các thành phần kết nối được với nhau để tạo thành vòng điều khiển. Trong một kênh Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 19
thiết bị tiêu biểu các thành phần có thể bao gồm một hoặc nhiều đầu dò hay cảm biến, bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại tín hiệu, bộ transmitter, bộ điều khiển, bộ chỉ thị, bộ ghi hay van điều khiển. a. Cảm biến Để đo thông số của một quá trình, một cảm biến sẽ nhận năng lượng của quá trình và cho ra tín hiệu ra. Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiêu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo hay biến quá trình. Chất lượng đo luôn bị xáo trộn trong quá trình đo, một thiết bị đo tốt phải được thiết kế sao cho sự xáo trộn này là nhỏ nhất. Nhân viên thiết bị đo lựa chọn loại cảm biến cho hệ thống đo lường trên cơ sở thông số được đo, độ chính xác mong muốn, phạm vi đo lường và loại tín hiệu đầu ra cụ thể cần thiết. Ví dụ như để đo nhiệt độ có loại RTD hay TC thermistor; đo áp suất có loại Manometer, lò xo màng, màng điện trở, màng điện dung, chênh áp điện dung, ống Bourdon; … Có nhiều loại quy trình đo khác nhau được thực hiện trong công nghiệp dưới các điều kiện môi trường xác định. Những phép đo này được chia thành hai loại chung: đo trực tiếp (các đồng hồ) và những phép đo gián tiếp (các bộ chuyển đổi). Ví dụ nếu có một bể chứa nước, để đo mức nước trong bể chúng ta có thể dùng que thăm, các đồng hồ mức gắn trên bể để đo trực tiếp. Ngoài ra chúng ta cũng có thể sử dụng các bộ cảm biến mức như cảm biến mức kiểu điện dung, chênh áp … để đo mức khi đó ta sẽ thu được tín hiệu ra là một giá trị dòng điện hay điện áp. b. Transducer Trong một kênh thiết bị đo, tín hiệu đầu ra từ một thiết bị thường không tương thích với yêu cầu tín hiệu vào của một thiết bị khác được ghép trong cùng một kênh. Để cung cấp giao diện giữa hai thiết bị, một thiết bị được gọi là bộ chuyển đổi được đặt giữa hai thiết bị không tương thích. Bộ chuyển đổi sẽ nhận một dạng năng lượng và chuyển nó thành dạng năng lượng khác. Bất kỳ bộ chuyển đổi nào trong số này đều có thể được lắp nối tiếp nhau. Sự đa dạng của các cách kết hợp có thể đáp ứng trên thực tế bất kỳ laoij chuyển đổi tín hiệu nào có thể được yêu cầu trong hệ thống điều khiển quá trình. Bảng 1-1 liệt kê một số đầu bộ chuyển đổi đo lường phổ biến, các chữ viết tắt thường được sử dụng để mô tả từng loại chức năng của chúng Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình Trang 20