Giáo trình Điều khiển các quá trình công nghệ: Phần 1

Chia sẻ: Túcc Vânn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:220

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn giáo trình "Điều khiển các quá trình công nghệ" trình bày các nội dung: Khái niệm về điều khiển tự động quá trình công nghệ, mô hình của một số quá trình cơ bản, một số sách lược điều khiển cơ bản. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điều khiển các quá trình công nghệ: Phần 1

NGUYÊN VĂN CHI Giáo trình ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH CỒNG NGHỆ Mchols Chart Time (seconds) Open-Loop Phase (deg) \~T~7 NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
NGUYỄN VĂN CHÍ GIÁO TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ ( D ù n g ch o c h u y ê n n g à n h K ỹ th u ậ t đ iê u k h iể n ) N H À XU Ấ T BẢN KH O A H Ọ C VÀ K Ỹ TH U Ậ T
LỜI NÓI ĐẦU Đicu khiến quá trình công nghệ là lĩnh vực úng dụng lý thuyẽt và kỹ thuật điều khiến cho các bài toán của quá trinh công nghệ, điên hình đó là các công nghệ chế biến, trong đó liên quan đến các vấn đề biến đối tính chất hóa lý của nguyên nhiên liệu đê’ tạo ra sản phấm. Điều khiến quá trình công nghệ là bài toán kiếm soát sự biến đổi khối lượng, năng lượng và thành phần cùa nguyên nhiên liệu đế tạo thành sán phấm. Ngày nay điều khiển các quá trình công nghệ sản xuãt đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chãt lượng và giám thiếu sừ dụng nhân công lao động, bãt cứ một nhà máy sản xuất công nghiệp nào cũng sẽ không thê hoạt động được nếu thiếu hệ thõng điOu khiến bin trong nó. Đê giúp cho sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiến và Tự động hóa nắm được các kiến thức quan trọng cúa một bài toán điều khiến quá trình, giáo trình này đề cập đến các vãn đề quan trọng như: Các phân từ cơ bán, sơ đ'ô chức năng, lưu đồ công nghệ cùa hộ thõng diều khiến quá trình công nghệ; Các mô hình của một số quá trình cơ bản được xây dựng trên các định luật báo toàn khối lượng, năng lượng và thành phần; Cách xây dựng mô hình tuyến tính tại điêVn làm việc của m ột quá trình phục vụ cho bài toán thiết kế hệ thõng điều khiến. Từ đó đi đến áp dụng các sách lược điều khiến cần thiết cho hệ thống như: điều khiến phản hoi, điều khiến truyền thẳng, điều khiến tỷ lệ, điều khiến tâng, điều khiên lãn át và lựa chọn cũng như và cách thiết kế các bộ điều khiên phục vụ cho các sách lược đicu khiên đó. Đê dễ dàng tiếp cận hcm, giáo trình giới thiệu điều khiển quá trình cho một số bài toán điên hình như: điều khiến quá trình nồi hơi, điều khiến quá trình sản xuất giấy, điều khiến quá trình gia công d'âu mỏ và điều khiến quá trình sán xuất xi măng. Đối với mỗi một quá trình, giáo trình lựa chọn một số bài toán điều khiến tiêu biếu đê’ áp dụng, từ xây dựng mô hình phi tuyến dựa trên các định luật báo toàn, tuyến tính hóa mô hình tại điềm làm việc cân bằng và sau dó là lựa chọn sách lược điêu khiên và thiẽt kế các bộ điều khiũn. Các bài toán thiết k ế trên được minh họa bằng rất nhiêu ví dụ, các ví dụ được thực hiện mô phỏng bằng Matlab/Simulink bằng các đoạn code, sinh viên có thế tự thực hiộn lại được khi làm các bài tập cuối mỗi chương và khi tự học, các công cụ thiết kế có sẵn trong Matlab cũng được giói thiệu giúp sinh viên thuận tiện hom trong quá trinh thiết kế và mô phông. Với các nội dung như trên giáo trình bố cục gồm 07 chương đó là: Chương 1 trinh bày khái niệm về điều khiến tự động quá trình công nghệ, về mô tả chức năng hộ thõng bằng lưu đ'ô công nghệ, lun đồ P&ID và sơ đồ chức năng của hệ thống. Chương 2 có nội dung về xây dựng mô hình của quá trình từ thiết lập mô hinh dựa trên các định luật vật lý, các định luật bảo toàn. Cách tuyến tính hóa mô hình tại điếm làm việc đê nhận được mô hình tuyến tính của quá trình nhằm phục vụ cho bài toán thiết kế sách lược điều khiến và bộ điều khiè’n(iíi?y là vãn đê sinh viên khá lúng túng khi thực hiện). Cuối chương là một số mô hình cơ bản bao gồm mô hình cùa quá trình bon chứa, mô hình truyền nhiệt, mô hình khuấy trộn v.v. Các mô
hình này đều được xây dựng từ mô hình vi phân đến mô hình tuyến tính thông qua các ví dụ và các kết quả thực hiện bằng cách viết code trên Matlab và Simulink. Chương 3 nói về một số sách lược điều khiển cơ bản như điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng, điều khiến tỷ lệ, điều khiến tầng, điều khiến phần vùng, điều khiển lấn át và lựa chọn. Mỗi sách lược điều khiển đều có ví dụ minh họa. Chương 4 trình bày về điều khiến quá trình nồi hơi, từ xây dựng mô hình đến các bài toán điêu khiốn tiêu biếu như điều khiến áp suất lò, điều khiến áp suất và mức trong bao hơi, điều khiển lun lượng nhiên liệu và không khí. Nội dung chương 5 là về điều khiến quá trình sản xuất giấy trong đó bài toán tiêu biêu là điều khiến độ ấm của giấy thông qua các bài toán điều khiển áp suất hơi trong lô sấy và điều khiển lượng khí thổi vào buồng sấy. Chương 6 có nội dung tập trung về các bài toán xây dựng mô hình và điều khiển cho tháp chưng cất bao gồm: điều khiển áp suất trong tháp, điều khiến mức trong tháp và điều khiến cho dòng nạp nguyên liệu vào tháp. Sách lược điều khiển hệ MIMO được áp dụng thông qua bài toán điều khiến tách kênh cho mô hình tháp chưng cất. Chương 7 trình bày về một số bài toán điều khiến điên hình trong quá trình sản xuất xi măng đó là bài toán điều khiển tý lệ phối liệu và tổng liệu, điều khiến quá trình nghiền nguyên liệu và điêu khiến lò nung Clinke. Trong quá trình biên soạn giáo trình tác giả nhận được nhiều sự đóng góp và giúp đờ từ phía Bộ môn Đo lường Điều khiến, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và gia đình, tác giả xin gửi tới họ lời cảm ơn chân thành. Giáo trình vẫn sẽ có những hạn chế nhất định về mặt nội dung cũng như hình thức trong lân xuất bản này, tác giả mong muốn nhận được sự góp ý của các bạn đồng nghiệp và sinh viên để tiếp tục bổ sung và hoàn thiện. Mọi góp ý xin được gửi tới: TS. Nguyễn Văn Chí Bộ môn Đo lường Điều khiển, Khoa Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyền Email: ngchi@tnut.edu.vn Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016
M Ụ C LỤC 1 K hái n iệm về đ iều k h iể n tự động quá trìn h công nghệ 1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiến tự động quá trình công nghệ 1 1.2 Một số ví dụ về quá trình công nghệ 5 1.3 Sự cần thiết của điều khiến tự động quá trình trong công nghiệp 6 1.3.1 Chức năng của hệ thống điều khiển tự động quá trình công nghệ 7 1.3.2 Cấu true hệ thống điều khiến tự động và quản lý quá trình công nghệ 8 1.3.3 Khái niệm hệ thống điều khiến quản lý sán xuất 9 1.4 Các phân tử cơ bản trong hệ thống quá trình 9 1.5 Mô tả chức năng hệ thống 15 1.5.1 Lưu đồ công nghệ 16 1.5.2 Ký hiệu của các phần tử trong hệ thống 17 1.5.3 Lưu đồ P&ID 22 1.5.4 Sơ đồ chức năng 24 1.5.5 Các bản vẽ thi công 26 1.6 Nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống thiết bị điều khiển 27 1.6.1 Nguồn cung cấp điện 27 1.6.2 'Nguồn Cling cấp khí rtẻn 28 1.7 Câu hỏi và bài tập 30 2 M ô h ìn h của m ột số quá trình cơ bản 2.1 Bậc tự do của hệ thống 35 2.2 Mô hình toán học của quá trình 39 2.2.1 Các cách tiếp cận mô hình 39 2.2.2 Các biến trạng thái và các phương trình trạng thái 40 2.2.3 Các quan hệ trung gian của các mô hình toán học 45 2 2 4 Thòi gian trễ 45 2.3 Mô hình hàm truyền của quá trình 46 2.4 Quá trình kiểu trỏ 53 2.5 Quá trình kiểu dung 54 2.6 Quá trình tổ hợp của quá trình kiểu trở và dung 55 2.6.1 Quá trình thòi gian hằng 56 2.6.2 Quá trình nhiều hằng số thời gian hằng 57 2.6.3 Quá trình bậc nhất 58 2.6.4 Quá trình bậc hai 61 2.7 Quá trình có thời gian chết hoặc trễ vận chuyển 62 2.8 Tuyến tính hóa mô hình phi tuyến 63 2.8.1 Phương pháp 63 2.8.2 Sử dụng hàm linmod 65 2.9 Mô hình cùa một số quá trình cơ bản 69 2.9.1 Mô hình quá trình khuấy trộn chất lòng đẳng nhiệt 69 2.9.2 Mô hình của quá trình khuấy trộn không đẳng nhiệt 73 2.9.3 Mô hình của quá trình gia nhiệt có khuấy trộn 76 2.9.4 Mô hình của bồn phản ứng khuấy trộn liên tục 83 V
2.9.5 Mô hình của hệ thống mức chất lỏng 86 2.9.6 Mô hình bộ trao đổi nhiệt chất lỏng 88 2.9.7 Mô hình bộ trao đổi nhiệt bằng hoi 92 2.9.8 Mô hình bộ trao đổi nhiệt có trễ 97 2.9.9 Mô hình của quá trình phản ứng hai pha 101 2.9.10 Mô hình của hệ thống khí nén 103 2.9.11 Mô hình của hệ thống thủy lực 105 2.10 Câu hỏi ôn tập và bài tập 106 3 M ộ t số sách ỉược đ iều k h iể n cơ b ản 3.1 Sách lược điều khiển phản hồi 111 3.1.1 Điều khiển ON-OFF 113 3.1.2 Điều khiên ba thành phần - điều khiến PID 119 3.1.2.1 Các cấu trúc các bộ điều khiển PI 122 3.1.2.2 Các cấu trúc các bộ điều khiển PID 125 3.1.2.3 Chuyến đổi giữa các cấu trúc của bộ điều khiểnPID 132 3.1.2.4 Hiện tượng bão hòa tích phân và cách khắc phục -Anti windup 134 3.1.2.5 Thực thi bộ điều khiến PID analog 137 3.1.2.6 Thực thi bộ điều khiển PID số 141 3.1.2.7 Bộ điều khiển PID khí nén 142 3.1.2.8 Chinh định tham số bộ điều khiển PID 146 3.1.2.9 Điều khiển PID cho các quá trình có trễ lớn 175 3.1.2.10 Thiết kế bộ điều khiến mờ dựa trên tham số của bộ điều khiến PID 181 3.1.3 Các ưu điếm và nhược điếm của điều khiển phản hồi 182 3.2 Sách lược điều khiển truyền thẳng 183 3.2.1 Khái niệm về điều khiển truyền thẳng 183 3.2.2 Vai trò của điều khiển truyền thẳng 186 3 .2 .3 K c t hẹrp cticu k h iể n t r u y ề n t h ắ n g v à đ ỉc u k h iể n p h ả n h ồ i 18 8 3.3 Sách lược điều khiến tỷ lệ 192 3.3.1 Điều khiển tỷ lệ dựa trên sai lệch so với tỷ lệ đặt 192 3.3.2 Điều khiến tỷ lệ dựa trên sai lệch của dòng kiểm soát 193 3.3.3 So sánh giữa hai cấu hình điều khiến tỷ lệ 193 3.3.4 Những khó khăn của điều khiển tỷ lệ 194 3.3.5 Điều khiển tỷ lệ kết hợp điều khiển phản hồi 197 3.4 Điều khiển tầng 198 3.4.1 Khái niệm về điều khiển tầng 198 3.4.2 Ưu nhược điếm của điều khiển tầng 200 3.5 Sách lược điều khiển lần át và điều khiển lựa chọn 203 3.5.1 Điều khiển lấn át 203 3.5.2 Điều khiển lựa chọn 205 3.6 Điều khiến phân vùng 205 3.7 Câu hỏi ôn tập và bài tập 208 4 Đ iều k h iển quá trìn h n ồ i hơi 4.1 Khái niệm về nồi hơi 211 4.2 Các thành phần cơ bản của nồi hơi 215 vi
4.3 Mô hình quá trình nồi hơi 217 4.3.1 Các phương trình cơ bản cùa quá trình nồi hơi 219 4.3.1.1 Các phương trình cân bằng 220 4.3.1.2 Phân bố của hơi trong bao hơivà các ống lên 222 4.3.2 Mô hình quá trình nồi hcri 223 4.3.2.1 Lựa chọn các biến trạng thái 223 4.3.2.2 Động học của nước và áp suất trong nồi hơi 223 4.3.2.3 Động học của các ống lên 223 4.3.2.4 Động học của bao hơi 223 4.3.2.5 Mô hình dùng đế điều khiến 224 4.4 Các hệ thống điều khiến cho nồi hơi 234 4.4.1 Hệ thống điều khiến áp suất lò 234 4.4.2 Hệ thống điều khiến áp suấttrong bao hơi 238 4.4.3 Điều khiển mức nước trong bao hơi 239 4.4.4 Điều khiển lượng nhiên liệu và không khí 244 4.4.5 Điều khiển hơi đầu ra 250 4.5 Câu hỏi ôn tập và bài tập 251 5 Đ iều k h iển quá trìn h sản xu ất giấy 5.1 Tổng quan về quá trình sản xuất giấy 253 5.2 Cấu hình cùa các lô sấy trong công đoạn sấy khô 257 5.3 Hệ thống hơi và nước ngưng 257 5.4 Mạch vòng điều khiên độ ẩm 259 5.5 Mô hình áp suất hơi trong lô sấy 263 5.5.1 Mô hình vật lý của một lô sấy 263 5.5.2 Nhận dạng mô hình áp suất hơi 269 5.6 Điều khiến áp suất hơi trong hệ thống sấy 271 5 .6 .1 T h ỉ ế t k ể b ộ đ tè u k lilể n r i D t h o m ự d t v ù n g đíGu d iỉid i ấị> s u ấ i ltu l c h o m ộ i n h ổ m o ấy 271 5.6.2 Ôn định điều chinh áp suất trong điều khiển ổn định độ ẩm của giấy kết hợp điều khiến Feedback và Feedforward 278 5.6.3 Điều khiên áp suất hơi trong lô sấy sử dụng sách lược phản hồi trạng thái 281 5.7 Điều khiến độ ẩm trong quá trình sấy 283 5.7.1 Mô hình của quá trình sấy 284 5.7.2 Mô hình của quá trình thổi khí 286 5.7.3 Phương pháp điều khiến độ ẩm thông qua điều khiến áp suất trong lô sấy dùng mô hình nội 287 5.7.4 Phương pháp điều khiến độ âm dùng sách lược điều khiến dải giữa - Mid-Ranging 290 5.7.4.1 Sách lược điều khiển dải giữa - Mid-Ranging 290 5.7.42 Điều khiến ổn định độ ấm của giấy sử dụng phương pháp Mid-Ranging 292 5.8 Câu hỏi ôn tập và bài tập 296 6 Đ iều k h iển quá trìn h gia cô n g d ầu mó 6.1 Tống quan về quá trinh gia công dâu mỏ 299 6.1.1 Chưng cất đơn giản 302 6.1.2 Chưng cất phức tạp 303 vii
6.2 Mô hình quá trình chưng cất 305 6.2.1 Mô hình bậc 3 đơn giản 308 6.2.2 Mô hình nhiều bậc lý tưởng 314 6.3 Các cấu hình điều khiển tháp chưng cất 317 6.3.1 Điều khiển thành phần sản phẩm đinh và sản phẩm đáy 317 6.3.2 Điều khiển áp suất trong tháp chưng cất 319 6.3.2.1 Điều khiển lưu lượng nước làm mát 319 Ó.3.2.2 Điều khiển nhiệt độ làm lạnh 320 Ó.3.2.3 Giảm nhiệt độ ngưng tụ 321 Ó.3.2.4 Sử dụng hai bộ điều khiến áp suất 321 Ó.3.2.5 Sừ dụng bộ điều khiển mid ranging 322 6.3.3 Điều khiến mức trong tháp 323 6.3.4 Điều khiến Feedforward cho dòng nạp nguyên liệu vào tháp 328 6.4 Thiết kế bộ điều khiến cho tháp chung cất 329 6.4.1 Mô hình hóa các mối tương tác trong hệ MIMO 329 6.4.2 Xác định cặp đôi biến điều khiển và biến được điều khiển 336 6.4.2.1 Phương pháp dùng ma trận hệ số khuếch đại tương đối 336 Ó.4.2.2 Phương pháp phân tích giá trị suy biến 339 6.4.3 Chinh định điều khiến PID cho tháp chưng cất 341 6.4.4 Điều khiển tách kênh cho tháp chưng cất 345 6.5 Câu hỏi ôn tập và bài tập 349 7 Đ iều k h iển quá trìn h sản xu ất xi m ăng 7.1 Tổng quan chung về quá trình sản xuất xi măng 351 7.2 Hệ thống điều khiển tự động trong sản xuất xi măng J54 7.2.1 Hệ thống tủ điều khiển 355 7.2.2 Các thiết bị đo và điều khiến 356 7 .2 .3 M á y t ín h đ iề u k h iể n 357 7.2.4 Các bài toán điều khiển quan trọng trong nhà máy xi măng 357 7.3 Điều khiến tỷ lệ phối liệu và tổng liệu 358 7.3.1 Điều khiển định lượng bằng cân băng 358 7.3.2 Điều khiển định lượng bằng cân rotor 362 7.3.3 Điều khiển phối hợp nhiều thành phần 366 7.4 Điều khiển quá trình nghiền nguyên liệu 368 7.4.1 Mô hình quá trình nghiền 370 7.4.2 Nhận dạng các tham số của mô hình nghiền 373 7.4.3 Thiết kế bộ điều khiển PID bền vững cho quá trình nghiền 373 7.5 Điều khiến lò nung dinke 378 7.5.1 Lò nung clinke 378 7.5.2 Các hệ thống điều khiến của lò nung clinke 379 7.5.3 Mô hình quá trình truyền nhiệt trong lò nung clinke 381 7.5.4 Điều khiến nhiệt độ lò nung clinke 385 7.6 Câu hỏi ôn tập và bài tập 586 T à i liệ u tham kh ảo 587 viii
1 Khái niệm vê điêu khiển tự động quá trình công nghệ Điều khiên tự động quá trinh công nghệ đề cập đến việc ứng dụng kỹ thuật điều khiên cho các quá trình sản xuất, được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến (hóa clĩãt, đâu mồ, Ihực phẩm, biến đổi năng lượng. ..) và công nghiệp dịch vụ. Đây là các lĩnh vực ứng dụng nhiều nhất, đóng vai trò quan trọng nhất trong nền công nghiệp hiện đại. Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động cho các quá trình sản xuất mang lại chất lượng sản phẩm tốt hơn, giảm thiểu nhân công và xa hơn nữa mang lại hiệu quả về kinh tế. Nội dung chương này trình bày các khái niệm cơ bàn ve điều khiển tự động các quá trình công nghệ, cấu trúc và lưu đồ chức năng, lưu đồ ống dẫn và thiết bị (P&ID) đê’ mô tả quá trình công nghệ. Chương này cũng trình bày một số các yêu cầu về nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thóng điều khiến bao gồm hệ thống cấp điện, nguồn cung cấp khí nén. Phần cuối chương là các câu hòi ôn tập và bài tập. 1.1 K hái niệm về hệ thống điêu k h iển tự động quá trình công nghệ Quá trình sản xuất (manufacturing process), thông thường được gọi tắt là quá trình, là một chuỗi các công đoạn xử lý các nguyên vật liệu theo một quy trinh xác định. Mục tiêu cúa quá trình là biến đổi nguyên liệu thô (đâu vào quá trình) thành các sản phấm mong muốn (đâu ra quá trình) sử dụng các nguồn năng lượng theo một phương thức hiệu quả nhất. Quá trình sẽ biến đổi tính chất hóa học hoặc trạng thái vật lý của các đại lượng quá trình, các điều kiện bên trong và điêu kiện ngoài sẽ ánh hường đến quá trình biến đổi này. Những điều kiện đó là nhiệt độ, áp suất, mức chất lòng, kích thước, khối lượng... 1
Khái niệm về điều khiến tự động quá trình công nghệ Một quá trình phải thòa mãn các yêu cầu kỹ thuật, kinh tế, các điều kiện về m ôi trường và các yêu cầu an toàn cho con người và máy móc cũng như các ràng buộc về điều kiện vận hành cũng như các điều kiện kinh tế. Quá trình có thể được điều khiển bằng cách đo lường một số biến đại diện cho trạng thái mong muốn của sản phẩm và một biến nào đó trong số các biến quá trình được điều chinh m ột cách tự động. Trong điều khiển quá trình, m ục tiêu cơ bàn là điều chinh giá trị của một số chi tiêu chất lượng. Điều chinh có nghĩa là duy trì sao cho các chi tiêu chất lượng đó sát với giá trị mong muốn {giá trị đặt hoặc giá trị tham chiếu, reference value hoặc setpoint) sao cho nó không chịu ảnh hưởng của các tác động khác đến quá trình. Trong suốt cuộc cách mạng công nghiệp, các công việc khó khăn và phức tạp dần được thay thế bằng máy móc. Điều khiến quá trình mở một cánh cửa đến cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai, trong đó các hàm tính toán của trí tuệ con người và những theo dõi liên tục quá trình cũng dẫn được thay thế bằng máy móc. Điều khiển quá trình trong hoàn cảnh thực tế có thê thực hiện các bài toán tối ưu, và qua đó có thê’ bắt đầu m ột cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba, trong đó sức mạnh của tri tuệ trong điều khiển quyết định năng suất và chất lượng cúa sản phẩm. Ớ đây mục tiêu truyền thống là cực đại hóa chất lượng của sản phấm dần dần được thay thế bởi mục tiêu cực đại hóa chất lượng và tính liên tục của các sản phẩm được tạo ra, trong khi cực tiêu hóa sự tiêu tốn năng lượng và nguyên liệu thô và cực đại hóa việc tái chế và dùng lại được. Điều khiến quá trình tự động: điều khiến quá trình tự động là sự duy trì m ột giá trị mong muốn cùa một chi tiêu chất lượng hay một điều kiện bằng cách đo lường giá trị đã có, so sánh nó với giá trị mong muốn và thực thi các điều chinh sao cho giảm thiêu sự sai khác giữa hai giá tri trên, hay nói cách khác là điều khiển tự động áp dụng cho các quá trình công nghệ đê’ đicu chinh một số biến tới giá trị mong muốn [9]. Do vậy điều khiển cần duy trì vòng kín và vận hành phản ứng lại không cần sự can thiệp của con người. Đ ế thực hiện được điều khiến tự động quá trình, ta cần nhận biết một số biến trong quá trình như sau [1]: • Giá trị đặt (set point variable): là một hay nhiều biến được thiết lập bởi người vận hành, bộ điều khiển chính hoặc máy tính mà các biến này được coi như là giá trị mong muốn cho các biến được điều khiên. Đôi khi giá trị đặt cũng còn được gọi là giá trị tham chiếu hay giá trị mẫu (reference value). • Biến được điều khiển (controlled variable): là một biến mà phái được duy trì chính xác tại giá trị đặt. Nói chung, biến này được chọn sao cho biểu diễn được trạng thái cúa hệ thống được tạo thành cặp với biến điều khiển. Ví dụ như các biến được điều khiến như là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, áp suất chân không, độ đậm đ ặc... • Biến điều khiến (manipulated variable): là biến mà có thê’ được thay đổi đê’ duy trì biến được điều khiển bám được giá trị đặt. Hay nói cách khác, các biến được chọn đ ế điều khiến trạng thái của hệ thống phải có quan hệ vói biến điều khiển, v í dụ như biến
điều khiến trong thực tế là lưu lượng chất làm lạnh, lun lượng nhiên liệu, lưu lượng nước xá... • Biến tải (load variables): là các biến mà sinh ra các nhiễu loạn tác động lên quá trình, chúng được gọi chung là các nhiễu tải. Nhiễu tải có thể thay đối một cách liên tục hoặc là một hàm rời rạc theo thời gian. Ví dụ như tốc độ nạp nguyên liệu, thành phần nguyên liệu nạp, áp suất hoi quá nhiệt, nhiệt độ chất làm lạnh. Các biến tải là không điều khiến được, khi chúng thay đối chúng tác động lên hệ thống điều khiển và các ảnh hường của chúng có thê’ được loại bó bằng hệ thống điều khiến. Điều đó có nghĩa là sự thay đổi trong nhiễu tái sẽ không được phản ứng lại nếu chúng chưa tác động đến biến được điều khiến. Khác với tự động hóa xí nghiệp công nghiệp [factory automation) như điều khiển quá trình gia công, lắp ráp (manufactoring control), điều khiển chuyên động (motion control) và điều khiển công lưu (w orkflow control)[2], điều khiển tự động quá trình thực hiện điều chinh các biến vật lý chú yếu sau đây: • Áp suẩt; • Lưu lượng; • Mức; • Nhiệt độ; • Tý trọng; • Độ pH • Khối lượng; Ngoài ra trong điều khiến tự động quá trình, những rtai lượng sau đây đóng môt vai trò quan trọng trong điều khiển duy trì các chỉ tiêu chất lượng mong muốn: • Sai lệch: (error, sai sô) là sự sai khác giữa biến được điều khiển và giá trị đặt tương ứng với nó, sai lệch này có thê’ mang giá trị âm hoặc dương. V í dụ như trong mạch vòng điều khiển, sai lệch giữa biến nhiệt độ 110 ° c và giá trị đặt 100 ° c là +10 ° c . M ục tiêu của bất kỳ sách lược điều khiển (control strategy) nào cũng nhằm cực tiếu hóa sai lệch này. Sai lệch này gồm ba thành phần chú yếu đó là biên độ (magnitude), khoảng thời gian tồn tại của sai lệch (duration) và tốc độ thay đổi (rate o f change). Ba thành phần này được minh họa như trên Hình 1-1. • Độ lệch (offset)', là sự thay đôi cho phép của biến được điều khiên xung quanh giá trị đặt. Ví dụ như trong mạch vòng điều khiến nhiệt độ, nếu hệ thống điều khiến giữ được nhiệt độ cùa chất lòng tại 100.5 ° c , với giá trị đặt là 100 ° c thì khi đó độ lệch là 0.5 °c. 3
Khái niệm về điều khiến tv động quá trình công nghệ • Nhiễu tải (load disturbance)-, nhiễu tải là một sự thay đổi không m ong muốn của một số các yếu tố bên ngoài tác động vào biến được điều khiên. V í dụ như trong mạch vòng điều khiển nhiệt độ, việc thêm vào bồn chứa m ột chất lỏng lạnh chính là một dạng nhiễu tải mà nó có thê’ ánh hưởng đến nhiệt độ cần điều khiển của chất lòng trong bồn chứa. Hình 1-1 Ba thành phan chủ yêu cùa sai lệch • Thuật toán điều khiển (control algorithm): thuật toán điều khiển chính là m ột hàm toán học mô tả quan hệ giữa sai lệch và biến điều khiến. Giả thiết trong mạch vòng điều khiển nhiệt độ, u là độ mờ của van nhiên liệu (tính bằng %), e là sai lệ c h ,/ là một hàm toán học, khi đó thuật toán điều khiến được viết là «* = /(±e) (11) Biến điều Hình 1-2 Minh họa thuật toán điêu khiển Thuật toán điều khiển được sứ dụng đê’ tính toán các yêu cầu cùa nhiều vòng lặp điều khiến phức tạp hơn rất nhiều ví dụ trên đây. Trong nhiều vòng điều khiển phức tạp, các câu hòi như "độ mở hay đóng van là bao nhiêu tương ứng với giá trị đặt đã cho ?" và “vị trí van được giữ ở vị trí cũ bao nhiêu lâu k ể từ khi giá trị đặt thay đối vị trí" cần phải được trá lời và xác định một cách cụ thể. • Điều khiến bằng tay và điều khiến tự động (manual and autom actic control): Các thao tác vận hành mà do con người thực hiện đ ế tạo ra sự điều chinh được gọi là hệ thống điều khiến bằng tay. Ngược lại nếu các thao tác điều khiến m à không có con nguời 4
tham gia vào, ví dụ như là các cơ cấu chấp hành cùa van tự động hoạt động theo sự điều khiển của bộ điều khiến mức, thì được gọi là hệ thống điều khiển tự động. Các m ạch vòng điều khiến hở và kín (closed and open control loops): mạch vòng điều khiến kín là m ạch vòng trong đó có sự so sánh giữa biến được điều khiển đo được và giá trị đặt, xác định sai lệch và đưa ra quyết định điều khiến. Mạch vòng điều khiển kín luôn phái sử dụng giá trị phán hồi (tạo ra mạch vòng kín). Còn mạch vòng điều khiến hờ không có sự so sánh giữa biến được điều khiến và giá trị đặt. 1.2 M ột số v í dụ về qu á trin h công nghệ Một số ví dụ về quá trình công nghệ được mô tả trên Hình 1-3, trong đó: a) là quá trinh trao đổi nhiệt làm iạnh cho dòng quá trình, dòng quá trình được đưa qua hệ thõng trao đổi nhiệt với môi chất làm lạnh, sản phẩm dâu ra cúa quá trình là dòng quá trình đã làm lạnh tới nhiệt độ mong muốn; b) là quá trình duy trì phản ứng cùa chất phản úng để tạo ra sản phẩm, m uốn sản phẩm được như m ong m uổn ta cần duy trì nhiệt độ trong bồn phản ứng bằng cách sử dụng môi chất lạnh bao quanh bồn, điều chinh lưu lượng môi chất lạnh ta sẽ điều chinh được nhiệt độ; c) là quá trình bẻ gãy liên kết của dầu thô đê' tạo thành sản phấm cháy được và sản phẩm craking; d) là quá trình chung cất đ ế tạo thành sản phẩm đinh (sản phẩm có nhiệt độ sôi thấp hơn) và sản phẩm đáy (sản phẩm có nhiệt độ sôi cao hcm). Chái phản ứng Sản phẩm cháy được Sản phẩm Mỏi chất làm lạnh đi vào g Sản phảm đỉnh Dòng quá umhdivao . S à n p h im cracking Chát chưng 0-4] cát Dầu thỏ Môi chất làm lạnh Môi chát lát lầm I Nhiên liệu và Sản phảm lạnh đi ra T không khí đáy c) Quá trinh d) Quá trình a) Quá trình trao b) Quá trinh phản cracking chưng cát đổi nhiệt ửng hóa học Hình 1-3 Một sô'ví dụ vê quá trình công nghệ: a) Quá trình trao đổi nhiệt, b) quá trình phản ứng hóa học, c) quá trình cracking, d) quá trình chưng căì [10]. Quá trình nấu bột giây tử gỗ được mô tả trên Hình 1-4 e, m ảnh gỗ vụn (wood chips) được đưa vào bồn phản ứng với hơi nóng từ nhiệt độ và NaOH nhằm phân ra thành cách sợi đ ể tạo thành bột giấy, f) là quá trình khắc plasma sử dụng các điện cực và khí ăn mòn (etching gases), g) là quá trình lọc máu cho bệnh nhân thông qua sử dụng môi chất thẩm tảch(dialysis medium). 5
Khái niệm về điều khiến tự động quá trinh công nghệ Mảnh gỗ vụn Ấ Điện cực ĩ .Plasma n i Máu chưa lọc Môi chát thảm Hoi nóng +NaOH («r Bệnh nhân tách Máu đă lọc Vòng đôm I e) Quá trinh nấu bột giấy từ gỗ f) Quá trình khắc plasma g) Quá trình lọc máu cho bệnh nhân Hình 1-4 Một số ví dụ về quá trình công nghệ (tiêp) -------Tín hiệu điện Độ điều khiẻn thành phần r®-‘ (composition controller) Xi Ị ------- ẩ ồ - x2 = 1 W, 1 Ợ Cảm biến đo/phân tích thành phần Bòn khuáy trộn D-1- 0 Hình 1-5 Một SỐví dụ về quá trình công nghệ (tiẽp) Hình 1-5 là một ví dụ mô tả về quá trình công nghệ sử dụng lưu đồ P&ID (khái niệm về lưu đô P&ID sẽ được trình bày ở phần 1.5), quá trình này sẽ hòa trộn hai chất XI có nồng độ an và XI có nồng độ m đế tạo thành sàn phấm X có nồng độ w. Sứ dụng cảm biến phân tích thành phân sẽ cho biết các thành phần cùa X, cảm biến này đưa tín hiệu tới bộ điều khiển thành phần đế điều chinh lưu lượng chất 1 2 vào bồn sao cho sàn phẩm X có được thành phần như m ong muốn. 1.3 S ự cần th iết của đ iều k h iển tự động quá trình trong cô n g n g h iệp Ngày nay điều khiến quá trình tự động đã được sừ dụng hầu hết trong các công đoạn của các quá trình vận hành trong nhà máy công nghiệp. Chúng nói chung thường được sừ đụng trong các lĩnh vực sau đây: • Các công nghiệp quá trình như công nghiệp dầu mò, hóa chất, sản xuất thép, điện năng và thực phẩm, trong các công đoạn lắp ráp, vận hành, điều chỉnh lưu lvợng, gia nhiệt và các biến khác tương tự • Các ngành sản xuất hàng hóa như các chi tiết cùa xe ô tô, tủ lạnh, các dây chuyền sán xuất điện tử như tivi, radio trong các công đoạn như vận hành, gia nhiệt, và các vận hành tương tự. • Hệ thống vận chuyên như đường sắt, đường không, hàng h ả i... 6
• Trong các m áy công cụ, máy nén khí, máy bơm, các đơn vị cung cấp điện năng cho điều khiến vị trí, tốc độ và công suất. Các thiết bị điều khiến tự động được sử dụng vì các kết quả mà nó mang lại về mặt hiệu quá kinh tế cùa hệ thống dưới tác động điều khiến hoặc các yêu cầu của con người. Một số các điếm cần thiết và hữu ích của điều khiến tự động quá trình công nghệ như sau: • Tăng năng suất sản phầm (tăng chãt lượng sản phẩm hoặc sô'lượng sán phẩm) qua đó giúp cho tăng hiệu quá lao động cúa con người và máy móc; • Nâng cao chất lượng sản phẩm bằng việc thỏa mãn các chí tiêu cúa sán phẩm trong các điều kiện ràng buộc về mặt vận hành; • Nâng cao độ chính xác trong kích thước của sản phẩm; • Nâng cao hiệu quả kinh tế bằng cách tiết kiệm trong quá trình xừ lý nguyên liệu thô, tiết kiệm năng lượng, thống nhất cách thức lao động cùa con người; • Giảm thiếu sự ảnh hường của các nhiễu loạn bên ngoài tác động lên quá trình; • Đảm bảo tính ổn định của quá trình; • Tối ưu hóa việc thự c thi của quá trình; • Đảm báo các yêu cầu về môi trường; Tất cả các nhân tố nói trên đều dẫn tói việc nâng cao chất lượng sản phẩm và duy trì mức độ ô’n định về chất lượng sản phẩm, mức độ an toàn và đàm bảo các điều kiện về môi trường. 1.3.1 Chức năng của hệ thống điều khiến tự động quá trình công nghệ Hệ thống điều khiến tự động quá trình công nghệ có các chức năng chính sau đây: • Kiếm tra các thông Bố cùa quá trình công nghệ: việc kiếm tra này có thê’ thục hiện trực tiếp tại các thiết bị công nghệ hoặc các bảng điều khiên bằng các thiết bị tự chi thị, tự ghi kiểu tương tự hoặc số, làm việc liên tục hoặc theo chu kỳ. Các thông số cúa quá trình công nghệ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, mức, tốc độ quay, vị trí, khối lượng, lưu lư ợ n g... • Gia công các số liệu: báo hiệu sai lệch các thông số của quá trinh so với các giá trị đặt trước, thực hiện m ột số chức năng tính toán một số chỉ tiêu, lưu trữ các số liệu cùa quá trình... • Điều chinh tự động các tham số của quá trình: ổn định các tham số công nghệ, điều khiến theo chương trình, điều khiển tầng. • Điều khiến xa và thông báo các trạng thái cúa máy m óc và thiết bị công nghệ. • Bảo đảm sự hoạt động đồng bộ, an toàn cho hệ thõng các thiết bị. • Thực hiện điều khiên tối ưu các tham số hoặc các chi tiêu kinh tế và kỹ thuật cùa quá trinh công nghệ. 7
Khái niệm về điều khiến tự động quá trình công nghệ 1.3.2 Cấu trúc hệ thố ng d iều khiển tự động và qu ản lý quá trình công nghệ Ngày nay với sự phát triển về thiết bị kỹ thuật đã cho phép xây dựng các hệ thống tự động quản lý và điều khiến quá trình sản xuất. Các quá trinh công nghệ trong m ột phân xưòng hoặc trong toàn bộ xí nghiệp có thê’ tiến hành nối tiếp hoặc song song ho ặc có quan hệ chéo nhau, thực hiện liên tục với nh ữ ng tốc độ khác nhau, cho nên cần có các khâu tô’ chức, đồng bộ hoá, điều phối thích hợp đ ế đảm bảo thực hiện k ế hoạch đúng tiến độ. • Khâu tổ chức là tác động toàn diện theo k ế hoạch quá trình công nghệ bao gồm việc phân bô' các thiết bị công nghệ, nhân lực, vật lực đảm bào cho k ế hoạch sản xuất được tiến hành có hiệu quả với tốc độ cao nhất. • Đồng bộ hóa là tác động đảm báo sự phối hợp về thời gian khi tiến hành các quá trinh công nghệ nối tiếp nhau theo yêu cầu, nhiệm vụ k ế hoạch. • Đ iều phối là tác động đảm bảo sự làm việc song song của m ột số quá trình công nghệ sao cho hiệu quả sản xuất là cao nhất. Đê thực hiện các khâu chức năng đó, cần có m ột cấu trúc hệ thống sản xuất hợp lý. Hệ thống sản xuất là tổ hợp các quá trinh công nghệ, được tô’ chức có đ ịnh hướng đảm báo thực hiện nhiệm vụ sán xuất ra nhữ ng sản phẩm với chất lượng định trước. Sơ đồ cấu trúc hệ thõng sán xuất: Hình 1-6 Sơ đồ câu trúc hệ thong sản xuãì • Mức 1: đối tượng điều khiển được hiếu là đối tượng cơ bản, nghĩa là m ột quá trình đon giàn nhất được đặc trưng bới m ột đại lượng cần điều khiến. M ứ c này tương ứng với một vòng điều khiến m ột tham số công nghệ. V í dụ nh ư điều khiên nhiệt độ, mức, tốc độ m ột đ ộng c ơ ... • Mức 2: đối tượng là m ột thiết bị công nghệ có m ột số đại lượng cần điều khiển, v í dụ như m ột tháp chưng cất dầu mó, m ột hệ thống băng tải cấp liệu cho nồi hơi, m ột lò luyện thép công ng h iệp ... 8
• M ức 3: đõi tượng là m ột công đoạn công nghệ, có nhiều cụm thiết bị khác nhau. Ví dụ như m ột phân xưởng cán, phân xưởng kéo sợi, m ột công đoạn nghiền cùa nhà máy xi măng... 1.3.3 Khái niệm hệ thống diều khiến quản lý sản xuất Hệ thống điều khiến quán lý sán xuất là hệ thống thực hiện hai nhiệm vụ đồng thời đó là: Nhiệm vụ quản lý kinh tế: đảm bảo thực hiện các chi tiêu kinh tế theo k ế hoạch đã định. Khi lập chương trình quản lý và điều khiển sàn xuất phải xuất phát từ các căn cứ k ế hoạch sản xuất ( kiểu, dạng, mẫu mã, sô' lượng ), nguồn nhân lực, vật liệu, nhiên liệu, các chi tiêu bắt buộc (ichuấn tiêu hao nguyên vật liệu, năng lượng, định mức lao động v.v), sẽ lập tiến độ thực hiện và từ đó đặt nhiệm vụ điều khiến các quá trình công nghệ. Nhiệm vụ điều khiển tự động quá trình công nghệ: hệ thống thực hiện điều khiển tự động quá trình sàn xuất công nghệ dựa trên cơ sớ thực hiện nhiệm vụ kinh tế và toàn bộ k ế hoạch sản xuất. Hệ thống điều khiển quá trinh công nghệ cũng được tô’ chức theo các cấp tương ứng. Việc điều khiến có thê’ tiến hành theo các chế độ. • C ố vấn: trong đó người điều khiên nhận chi dẫn cúa hệ thống để ra những quyết định điều khiên quá trinh công nghệ. • Trực tiếp: trong đó hệ thống xừ lý các dữ kiện tự ra quyết định điều khiển tác động lại quá trình công nghệ. • Kết hợp: đồng thời ra chi dẫn điều khiến và hiệu chinh các bộ điều chinh đê đạt những chí tiêu kỹ thuật nhất định. 1A Các p h in tứ car b á n tron g hệ thống cticu k h iến quá trình Các phần tử cơ bản trong hệ thõng quá trình bao gồm 1. Cảm biến, chuyển đối, truỳên tín hiệu, tín hiệu, chỉ thị, bộ ghi, b ộ điêu khiển, phan tử hiệu chinh, cơ cãu chãp hành. • Chuyên đổi sơ cấp/cảm biến (primary elements/sensor): các cám biên làm nhiệm vụ đo lường các thay đổi trong quá trinh, ghi lại các biến đo. Các chuyên đối sơ cấp là các phần tử có đặc tính chịu ảnh hướng bởi một đại lượng vật lý nào đó, đặc tính này có thế đo được và thiết lập được mối quan hệ giữa đặc tính đó với đại lượng vật lý ánh hường tới nó. Một số chuyên đối sơ cấp bao gồm: màng nhạy áp suất, chuyên đối lực căng, chuyêh đối điện dung, nhiệt điện trớ, cặp nhiệt điện, các tẩm orifice, các ống pitot1, ống venturi2, các phần tử đo lưu lượng... 1 ống pilot là một thiẽt bi đo áp suăt dùng dế tính vận tổc cúa dòng chất lưu được phát minh bới kỹ s u người Pháp Henri Pìtot, Nỏ được ứng dụng rộng rãi dế xác định vận tốc không khi trên máy bay, vận tốc nước trên tàu thùy, và vận tốc dòng chất lòng, dòng khi trên các thiết bị còng nghiệp. 9
Khái niệm về điều khiển tự động quá trình công nghệ • Transducers and Converters: Transducer là một thiết bị mà chuyến đổi m ột tín hiệu cơ khí thành m ột tín hiệu điện. Ví dụ như bên trong m ột cám biến đo áp suất điện dung có một transducer chuyên đổi sự thay đổi áp suất thành sự thay đổi mang tính tý lệ với điện dung, từ đây qua một mạch điện điện dung này sẽ tạo thành m ột tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi áp suất. Converter là m ột thiết bị m à chuyển đổi một tín hiệu thành một tín hiệu khác kiểu, ví dụ như một converter có thế chuyên đối dòng điện sang điện áp hoặc m ột tín hiệu analog thành tín hiệu số. Trong điều khiển quá trình, m ột converter thường chuyên một tín hiệu điện 4 - 2 0 m A thành tín hiệu áp suất (thường được dùng bởi các cơ cãu chãp hành của van) 3 - 1 5 psi được gọi là bộ chuyên đổi dòng sang áp suất. • Transmitters: là thiết bị mà chuyên một giá trị đọc được từ cảm biến hoặc tranducer thành một tín hiệu chuẩn và truyền tín hiệu đó tới m ột thiết bị hiến thị/theo dõi hoặc bộ điều khiên. M ột số loại transmitter là: transmitter áp suất, transm itter lưu lượng, transmitter nhiệt độ, transmitter mức, transmitter phân tích(02, CO, pH). • Tín hiệu: trong hệ thống quá trình, có ba loại tín hiệu chú yếu đê’ truyền tín hiệu đo cúa quá trình từ các thiết bị đo đến hệ thống điều khiến đó là tín hiệu khí nén, tín hiệu analog và tín hiệu số. Tín hiệu khi nén là các tín hiệu được tạo ra bởi sự thay đổi áp suất không khí trong m ột đường ống dẫn tín hiệu m ột cách tý lệ với sự thay đổi cùa các biến đo trong quá trình. Giới hạn tín hiệu khí nén chuẩn trong công nghiệp thường dùng là từ 3 - 15 psi. Tín hiệu analog thường dùng đó là tín hiệu dòng từ 4 - 20 mA, ngoài ra còn có thê’ dùng các tín hiệu áp từ 0 - 5 V, 0 - 1 0 V... Tín hiệu số là tín hiệu gan đây được đưa vào aử dụng trong công nghiệp dựa trên việc biêu đlẽn các giá trị đo tại các thời điểm rời rạc bằng các m ức rời rạc. Phương thức sử dụng này thường được gọi là giao thức, các giao thức hiện nay thường dùng đó là HART® (highway addressable remote transducer) protocol, FOUNDATION™ Fieldbus, Profibus, DeviceNet, and the Modbus® protocol. • Chi thị (indicators): chí thị là thiết bị hiên thị thông tin về quá trinh mà con người có thê’ đọc được, chi thị có thế đơn giản là một thiết bị đo áp suất bằng kim hoặc phức tạp hơn là m ột thiết bị hiện số, có cài chương trình. M ột số chi thị có thê’ cùng m ột lúc hiện thị nhiều đại lượng hoặc cũng có các nút bấm đê’ thay đổi các thiết lập cho việc hiến thị như hiến thị các giá trị đinh, giá trị trung bình, các đặc tính thõng kê... • Bộ ghi dữ liệu (Recorder): là thiết bị ghi lại các giá trị đo nhận được từ thiết bị đo theo tiến trình thời gian, dựa trên kết quả ghi lại các kỹ sư có thể phân tích d ỏ liệu, đánh 2 ố n g venturi dùng đẽ chẽ tạo lưu lượng kế gồm một ổng cỏ cổ thit ỏ giữa, Độ chênh áp suãt giữa dầu vào cùa ống và ở vị trí cố thát tý lệ với lưu lượng môi chất chuyến dộng ngang qua õng. 10