Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Trung cấp) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 6
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. Ngoài ra người học sẽ lĩnh hội được các thuật ngữ chuyên ngành về điều khiển quá trình, các ký hiệu, biểu tượng và đường liên kết thiết bị trên bản vẽ thiết bị đo lường tự động hoá (P&ID) và bản vẽ dòng công nghệ (PFD) đồng thời vận hành được hệ thống điều khiển lưu lượng ở chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều khiển tự động.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Trung cấp) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHỀ: VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số:209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022 (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 như ngành vận hành thiết bị chế biến dầu khí, ngành sửa chữa thiết bị tự động hóa. Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình được biên soạn để làm tài liệu cho đối tượng là học sinh, sinh viên trình độ trung cấp, cao đẳng nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí. Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn 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 nên không tránh khỏi một số sai sót về sự phù hợp và phát triển công nghệ. Chúng 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 2022 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS. Phạm Thị Thu Hường 2. ThS. Phan Đúng 3. ThS. Nguyễn Xuân Thịnh
MỤC LỤC 1.1 QUÁ TRÌNH LÀ GÌ ........................................................................................... 9 1.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................................................ 10 1.3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ........................... 11 2.1 SƠ ĐỒ CỦA MỘT VÒNG ĐIỀU KHIỂN ....................................................... 5 2.2 Ba nhiệm vụ của một vòng điều khiển .............................................................. 6 2.2.1 Nhiệm vụ của thiết bị đo: ....................................................................................6 2.2.2 Nhiệm vụ thiết bị điều khiển: ..............................................................................7 2.2.3 Nhiệm vụ của thiết bị chấp hành: ........................................................................7 2.3 CÁC THUẬT NGỮ ............................................................................................ 8 2.4 CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN ............................................................................... 10 2.4.1 Điều khiển bằng tay (Manual Control)..............................................................10 2.4.2 Điều khiển tự động (Automatic control) ....................................................... 10 2.4.3 Điều khiển tầng (Cascade control) ....................................................................11 2.4.4 Điều khiển vòng hở .......................................................................................... 13 2.4.5 Điều khiển vòng kín ......................................................................................... 14 2.5 BẢN VẼ P&ID .................................................................................................. 15 2.5.1 Các biểu tượng thiết bị đo .................................................................................15 2.5.2 Đường liên kết ...................................................................................................16 2.5.3 Số thẻ thiết bị và nhận dạng chữ cái viết tắt ......................................................17 3.1 ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG Ở CHẾ ĐỘ BẰNG TAY (MANUAL CONTROL) ......................................................................................................... 6 3.2 Điều khiển lưu lượng ở chế độ tự động (AUT) ................................................ 8 3.3 Điều khiển lưu lượng ở chế độ tầng (Cascade) ................................................ 9 3.3.1 Dò tìm PID bằng phương pháp dao động vòng kín-tận cùng: .............................9 3.3.2 Quy trình dò tìm PID ..........................................................................................10 3.3.3 Chuẩn bị..............................................................................................................10 3.4 Quy trình thực tập ............................................................................................ 15 Trang 2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Quá trình và các biến quá trình .......................................................................9 Hình 2-1: Sơ đồ khối của một vòng điều khiển...............................................................5 Hình 2-2: Ví dụ hệ thống điều khiển nhiệt độ .................................................................6 Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị đo ..........................................................................7 Hình 2-4: Sơ đồ khối thiết bị điều khiển .........................................................................7 Hình 2-5: Sơ đồ khối thiết bị chấp hành ..........................................................................8 Hình 2-6: Ký hiệu các thuật ngữ sử dụng trong một vòng điều khiển quá trình .............8 Hình 2-7: Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thủ công .........................................10 Hình 2-8: Điều khiển nhiệt độ tự động ..........................................................................11 Hình 2-9: Điều khiển tầng cho thiết bị gia nhiệt hơi nước ............................................12 Hình 2-10: Sơ hệ thống điều khiển vòng hở .................................................................13 Hình 2-11: Ví dụ về điều khiển nhiệt độ bằng vòng hở ................................................14 Hình 2-12: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín ............................................................15 Hình 2-13: Ví dụ điều khiển nhiệt độ bằng vòng kín ....................................................15 Hình 2-14: Biểu tượng thiết bị đo .................................................................................16 Hình 2-15: Kí hiệu các đường liên kết ..........................................................................17 Hình 2-16: Ký hiệu khu vực trong thẻ thiết bị ..............................................................18 Hình 2-17: Ký hiệu chữ cái đầu tiên trong thẻ thiết bị ..................................................18 Hình 3-1: Sơ đồ P&ID của hệ thống điều khiển lưu lượng. ............................................6 Hình 3-2: Xác định PID sử dụng đường phản ứng với luật Ziegler & Nichols. .............8 Hình 3-3: Bảng tính thông số P, I, D ...............................................................................8 Hình 3-4: Ví dụ về điều khiển tỉ số cho quá trình dòng ..................................................9 Hình 3-5: Đáp ứng PV từ phương pháp tận cùng Zigler Nichol ...................................10 Hình 3-6: Dao động của điều khiển vòng kín ...............................................................10 Hình 3-7: Sơ đồ P&ID và độ mở van ............................................................................11 Hình 3-8: Bản vẽ điều khiển của điều khiển theo tỷ số .................................................12 Hình 3-9: Tổng quan của phòng thực hành. ..................................................................13 Hình 3-10: LAB2; điều khiển dòng theo tỷ số ..............................................................13 Hình 3-11: Mẫu của độ mở van .....................................................................................14 Hình 3-12: Cửa sổ Tuning của FIC021 .........................................................................16 Trang 3
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng chữ cái la-tinh thường dùng cho các kí hiệu của thiết bị đo lường .....19 Bảng 3.1: Tính PID bằng phương pháp tận cùng Zigler Nichol ...................................10 Trang 4
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 1. Tên mô đun: Cơ sở điều khiển quá trình 2. Mã mô đun: AUTM512111 Thời gian thực hiện mô đun: 45 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành: 30 giờ). Số tín chỉ: 02 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: 3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun/môn học cơ sở của chương trình đào tạo. Môn đun này được dạy sau các môn học chung. 3.2 Tính chất: Mô đun Cơ sở điều khiển quá trình (CSĐKQT) 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 ký hiệu, biểu tượng và đường liên kết thiết bị trên bản vẽ thiết bị đo lường tự động hoá (P&ID) và bản vẽ dòng công nghệ (PFD) đồng thời vận hành được hệ thống điều khiển lưu lượng ở chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều khiển tự động. 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 vận hành thiết bị chế biến dầu khí, vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí và khoan khai thác dầu khí. 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) tầm quan trọng của điều khiển quá trình; (2) Cơ sở 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; (3) Điều khiển lưu lượng vòng phản hồi đơn và tỉ lệ. Qua đó, giáo trình cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản về điều khiển quá trình và qui trình vận hành hệ thống điều khiển ở chế độ Manual, Automatic và Cascade. 4. Mục tiêu mô đun: Sau khi học xong mô-đun này, người học có khả năng: 4.1 Về kiến thức: A1 Trình bày được định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, vòng điều khiển; A2 Mô tả được tầm quan trọng của điều khiển quá trình về mặt biến thiên, hiệu quả và an toàn. A3 Mô tả được 3 nhiệm vụ chính để tạo thành một vòng điều khiển quá trình: đo lường, so sánh và điều chỉnh; A4 Nhận biết và thuyết minh được các thông số công nghệ của thiết bị công nghệ và trên bản vẽ P&ID; Trang 5
4.2 Về kỹ năng: B1 Vận hành và điều khiển được vòng điều khiển lưu lượng ở chế độ điều khiển bằng tay và chế độ tự động 4.3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: C1 Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; C2 Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn trong phòng điều khiển và khi vận hành hệ thống điều khiển; C3 Thực hiện vệ sinh công nghiệp sau khi thực hiện công việc. 5. Nội dung mô đun: 5.1 Chương trình khung: Thời gian đào tạo (giờ) Trong đó Số Thực Thi/ Mã Tên môn học, mô STT tín Tổng hành/ Kiểm MH/MĐ/HP đun Lý chỉ số thí nghiệm/ tra thuyết bài tập/ thảo luận LT TH Các môn học chung/ I 14 285 117 153 10 5 đại cương 1 COMP52001 Giáo dục chính trị 2 30 15 13 2 0 2 COMP51003 Pháp luật 1 15 9 5 1 0 3 COMP52005 Giáo dục thể chất 1 30 4 24 0 2 Giáo dục quốc phòng 4 COMP51007 2 45 21 21 1 2 và An ninh 5 COMP52009 Tin học 2 45 15 29 0 1 6 FORL54002 Tiếng Anh 4 90 30 56 4 0 An toàn vệ sinh lao 7 SAEN52001 2 30 23 5 2 0 động Các môn học, mô đun II. chuyên môn ngành, 47 1190 349 759 25 57 nghề Các môn học, mô đun II.1. 7 135 65 63 4 3 kỹ thuật cơ sở 8 MECM52003 Vẽ kỹ thuật - 1 2 45 15 28 0 2 9 ELEI53011 Điện kỹ thuật 2 3 45 36 6 3 0 Cơ sở điều khiển quá 10 AUTM52111 2 45 14 29 1 1 trình Các môn học, mô đun II.2. chuyên môn ngành, 40 1055 284 696 21 54 nghề 11 PETR53005 Sản phẩm dầu mỏ 3 45 42 0 3 Vận hành máy thuỷ 12 PETR56107 khí I 6 150 28 106 2 14 Vận hành hệ thống PETR56109 6 150 28 106 3 13 13 đường ống và bể chứa Trang 6
Vận hành lò gia nhiệt, 14 PETR53111 thiết bị nhiệt 3 75 21 50 2 2 Vận hành phân xưởng PETR56115 6 145 42 94 3 6 15 chưng cất dầu thô Vận hành phân xưởng 16 PETR56116 chế biến dầu I 6 145 42 94 3 6 Vận hành các phân PETR56118 6 150 36 108 2 4 17 xưởng chế biến khí 18 PETR54219 Thực tập sản xuất 4 195 45 138 3 9 Tổng cộng 61 1475 466 912 35 62 5.2: Chương trình chi tiết mô-đun: Thời gian (giờ) Thực Số hành, thí Kiểm tra Nội dung tổng quát Tổng Lý TT nghiệm, số thuyết thảo luận, LT TH bài tập Bài 1: Tầm quan trọng của 1 03 03 0 điều khiển quá trình Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều 2 12 11 0 1 khiển quá trình 2.1 Sơ đồ của một vòng điều khiển 3 nhiệm vụ của một vòng điều 2.2 khiển 2.3 Các thuật ngữ 2.4 Các loại điều khiển 2.5 Bản vẽ P&ID Vận hành hệ thống điều khiển 3 30 0 29 1 lưu lượng Điều khiển lưu lượng ở chế độ 3.1 điều khiển bằng tay (MANUAL) Điều khiển lưu lượng ở chế độ 3.2 tự động (AUTOMATIC) Điều khiển lưu lượng ở chế độ 3.3 tầng (CASCADE) Cộng 45 14 29 1 1 Trang 7
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 3 - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: o Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; o Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn trong phòng điều khiển và khi vận hành hệ thống điều khiển; o Thực hiện vệ sinh công nghiệp sau khi thực hiện công việc 7.2 Phương pháp đánh giá: 7.2.1. Kiểm tra thường 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: 02. - 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 Trang 8
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: Stt Bài kiểm Hình thức kiểm Nội Chuẩn đầu ra Thời gian tra tra dung đánh giá 1. Bài số 1 Lý thuyết: trắc bài 1, A1, A2, A3, 45÷60 phút nghiệm/tự luận bài 2 A4, C1. 2. Bài số 2 Thực hành bài 3 B1, C1, C2, C3 60 phút 7.2.3 Thi kết thúc mô đun: viết và thực hành. - Hình thức thi: trắc nghiệm và thực hành. - Thời gian thi: + Trắc nghiệm: 45÷60 phút. + Thực hành: 60 phút. - Chuẩn đầu ra đánh giá: A1, A2, A3, A4, B1, C1, C2, C3. 8. Hướng dẫn thực hiện mô-đun 8.1. Phạm vi áp dụng chương trình - Chương trình mô đun này được áp dụng cho các nghề vận hành thiết bị chế biến dầu khí, vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, khoan khai thác dầu khí 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. Trang 9
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, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2016. - Tài liệu nước ngoài: [1]. Instrumentation Level 1, third edition, NCCER, 2015. [2]. Fundamentals of Pcocess Control, PAControl.com, 2006. [3]. Yokogawa Vietnam Ltd company, 2021, Tài liệu lưu hành nội bộ “Laboratory Centum VP Manual”, Yokogawa Vietnam Ltd. Company. Trang 10
1. BÀI 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA 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, và tầm quan trọng của ứng dụng điều khiển quá trình trong các nhà máy công nghiệp. MỤC TIÊU BÀI 1: Sau khi học xong bài 1, người học có khả năng: + Trình bày được định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, vòng điều khiển; + Mô tả được tầm quan trọng của điều khiển quá trình về mặt biến thiên, hiệu quả và an toàn. 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 + 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. Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|8
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 QUÁ TRÌNH LÀ GÌ Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Trạng thái hoạt động và biểu diễn của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh hoạ như Hình 1.1. Trong đó, một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động bên ngoài vào quá trình, một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài. Khi các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả thì mối quan hệ giữa hai biến này sẽ thể hiện mối quan hệ nhân - quả. Bên cạnh các biến vào ra, đối với điều khiển quá trình thì người ta rất quan tâm đến các biến trạng thái. QUÁ TRÌNH Hình 1-1: Quá trình và các biến quá trình Một quá trình có thể được phân loại theo nhiều quan điểm (tiêu chí) khác nhau. Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá trình đa biến. Một quá trình một vào – một ra còn được gọi tắt là SISO (single – input single – output), quá trình nhiểu vào nhiều ra được gọi là MIMO (multi – input multi – output). Có thể nói hầu hết các công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tính của đại lượng đặc trưng ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|9
Trong quá trình liên tục các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục. Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Một quá trình gián đoạn có bản chất giống như quá trình liên tục tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm nhất định. Trong một quá trình rời rạc các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp có đặc trưng của cả quá trình liên tục và rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác (công thức) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn tương ứng với một mẻ. Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp. 1.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Điều khiển quá trình là lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hoá chất. Trong nội dung của giáo trình này, điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình, điều khiển quá trình nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau: Phân loại dựa vào số lượng biến vào và biến ra chúng ta có các quá trình: đơn biến (SISO - một biến vào và một biến ra) và quá trình đa biến (MIMO - nhiều biến vào nhiều biến ra) Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thàng quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt giữa bài toán điều chỉnh và bài toán bám trong điều khiển quá trình. Nhiệm vụ của điều chỉnh là thiết lập hoạc duy trì đầu ra tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều khiển bám là đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi. Trong điều khiển quá trình thì điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu, bởi các giá trị đặt thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình thường. Các bài toán điều khiển bám được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực điều khiển máy móc hay tốc độ. Lĩnh vực ứng dụng điều khiển quá trình là các ngành công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng. Để có thể thiết kế cũng như vận hành tốt các hệ thống điều khiển quá trình, trước hết người kỹ sư điều khiển cần hiểu rõ các vấn đề đặc thù trong lĩnh vực này. + Qui mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy mô vừa và lớn. Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|10
+ Độ tin cậy và tính sẵn sàng: Là một yêu cầu cần thiết trong các nhà máy, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn đến sự thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế. + Chức năng điều khiển: Đây là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình, quyết định đến chất lượng điều khiển của cả hệ thống. + Khả năng vận hành và điều khiển của quá trình: Khả năng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ và các điều kiện ràng buộc liên quan. Các quá trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư nhưng lại gây khó khăn cho thiết kế điều khiển. 1.3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau: + Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. + Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu. + Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. + Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiểm môi trườngthông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu. + Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công và nguyên liệu, nhiên liệu đầu vào. + Những mục đích điều khiển được phân tích ở trên sẽ quyết định đến việc thiết kế một hệ thống điều khiển quá trình.  TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 1: + Quá trình là gì + Điều khiển quá trình + Tầm quan trọng của điều khiển quá trình  CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 1: Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|11
Câu 1: Hãy cho biết nhiệm vụ của điều khiển quá trình? A. Giảm sự biến thiên (giảm sai lệch giữa sản phẩm thực so với tiêu chuẩn) B. Nâng cao hiệu suất C. Đảm bảo an toàn cho người, thiết bị và môi trường D. Cả 3 đáp án còn lại đều đúng Câu 2: Quá trình có tên gọi tiếng Anh tương ứng là gì? A. Progress B. Process C. Possess D. Preset Câu 3: Điều khiển quá trình dịch sang tiếng Anh là gì? A. Process Control B. Progress Control C. Personal Control D. Presetable Control Câu 4: Một vòng điều khiển thông thường bao gồm các thiết bị nào? A. Transmitter, Controller và Display B. Đồng hồ đo, máy tính và động cơ C. Transmitter, Controller và FCE D. Sensor, PLC và Control Valve Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|12
2. BÀI 2: CƠ BẢN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIỚI THIỆU BÀI 2: Bài 2 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 bản vẽ P&ID. Bên cạnh đó, nhận biết được ký hiệu và thuyết minh được ký hiệu của thiết bị, đường kết nối và vị trí của chúng là một kỹ năng cực kỳ quan trọng của một người vận hành (OPERATOR) hệ thống điều khiển hay vận hành thiết bị và những nội dung kiến thức và kỹ năng đọc bản vẽ P&ID và PFD được diễn giải ở phần cuối của bài 2. MỤC TIÊU BÀI 2: Sau khi học xong bài 2, người học có khả năng: + Mô tả được 3 nhiệm vụ chính để tạo thành một vòng điều khiển quá trình: đo lường, so sánh và điều chỉnh; + Diễn giải được các định nghĩa về thuật ngữ chuyên ngành điều khiển quá trình: biến quá trình, biến thao tác, giá trị đặt, biến được đo, sai số, offset, nhiễu tải, thuật toán… + Liệt kê được ít nhất 05 biến quá trình thông dụng trong lĩnh vực đo lường điều khiển; + Phân biệt được các loại điều khiển: điều khiển bằng tay và điều khiển tự động, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở; PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 2” + 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: phòng DCS. + Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác + 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. + Các điều kiện khác: không có KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 2 Nội dung: Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|4
+ 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: 01 bài. NỘI DUNG BÀI 2 2.1 SƠ ĐỒ CỦA MỘT VÒNG ĐIỀU KHIỂN Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành. Để thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống điều khiển người ta dùng một loại sơ đồ gọi là sơ đồ khối (Hình 2.1). Sơ đồ khối là cách thể hiện nguyên lý tác động của các phần tử trong hệ thống. Ưu điểm của loại sơ đồ này là thể hiện được rõ ràng những quá trình xảy ra trong thực tế. Ngoài ra, sơ đồ còn giúp ta xây dựng dễ dàng các mối quan hệ tác động tương hỗ giữa các phần tử và toàn bộ hệ thống. Hình 2-1: Sơ đồ khối của một vòng điều khiển Trong đó, các thuật ngữ: + Giá trị đặt: Setpoint (SP) hoặc Set value (SV) + Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO) + Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV) Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|5
+ Biến được điều khiển: Controlled Variable (CV), Process Variable (PV) + Đại lượng đo: Measured Variable 2.2 Ba nhiệm vụ của một vòng điều khiển Để thấy một cách sơ lược nhiệm vụ của một vòng điều khiển ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ dưới đây. Hình 2-2: Ví dụ hệ thống điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến là cặp nhiệt điện TC, tín hiệu điện áp ra được bộ chuyển đổi (Transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4÷20 mA và đưa tới bộ điều khiển DCS. Tín hiệu này sẽ được chuyển thành tín hiệu số bởi khâu A/D trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số. Giá trị nhiệt độ TSP được người vận hành đặt từ trạm vận hành. Bộ điều khiển DCS sẽ thực hiện so sánh giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cài đặt. giá trị được khâu biến đổi D/A chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng điện để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành). Cuối cùng tín hiệu điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành tín hiệu khí nén 0.2÷1 bar để thay đổi độ mở van cấp dòng nóng. Lưu lượng dòng nóng F1 được thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T tới giá trị TSP. Từ 2.2.1 Nhiệm vụ của thiết bị đo: Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo chuẩn. Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền đi xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|6