Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển; Các phương pháp hiệu chuẩn; Các sách lược điều khiển nâng cao; Hiệu chuẩn vòng điều khiển trên DCS Centum VP. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (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 loại 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.
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao được dịch và biên soạn dành cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) của Trường Cao Đẳng Dầu Khí và thuộc môn học chuyên ngành. Các sinh viên nghề SCTBTĐH trước khi học môn học này cần hoàn thành môn học Cơ sở điều khiển quá trình và DCS. Nội dung của giáo trình gồm 04 bài: Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Bài 2: Các phương pháp hiệu chuẩn Bài 3: Các sách lược điều khiển nâng cao Bài 4: Hiệu chuẩn vòng điều khiển trên DCS Centum VP Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp tổ bộ môn Tự Động Hóa đã giúp tác giả hoàn thiện giáo trình này. Tuy đã nỗ lực nhiều, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để lần ban hành tiếp theo được hoàn thiện hơn. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2020 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS. Nguyễn Xuân Thịnh 2. ThS. Đỗ Mạnh Tuân 3. ThS. Lê Ân Tình
MỤC LỤC 1. 1. ......................................................................................................................................4 1. BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN ..............15 1.1 Mục đích hiệu chuẩn vòng điều khiển .............................................................16 1.1.1 Lý do phải hiệu chuẩn vòng điều khiển (The Reasons for Loop Tuning) .......16 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của vòng điều khiển .............................16 1.2 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành .....................................................17 1.2.1 Chế độ tỉ lệ (Proportional control mode – P mode) .........................................17 1.2.2 Chế độ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI mode) ..................................................18 1.2.3 Chế độ điều khiển PID .....................................................................................19 1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa liên quan đến hiệu chuẩn vòng điều khiển (Terms and Definitions Associated with Loop Tuning) ............................................................20 1.2.5 Xác định loại quá trình (Process Type Identification) .....................................22 2. BÀI 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN ..................................................27 2.1 Các phương trình cơ bản ..................................................................................28 2.1.1 Phương trình cân bằng năng lượng (Energy Balance) .....................................28 2.1.2 Hằng số thời gian (Time Constant) ..................................................................29 2.1.3 Phương trình đáp ứng hoàn chỉnh (Complete Response Equation) .................30 2.1.4 Hệ số khuếch đại quá trình (Process Gain) ......................................................30 2.1.5 Dải tỉ lệ (Proportional Band) ............................................................................32 2.1.6 Thời gian tích phân (Integral Time) .................................................................33 2.1.7 Thời gian vi phân/đạo hàm (Derivative Time) .................................................34 2.1.8 Biểu thức vòng điều khiển PID (PID Control) .................................................35 2.2 Hiệu chuẩn vòng điều khiển hở .......................................................................37 2.2.1 Tổng quan về qui trình thực hiện (Procesure Overview) .................................37 2.2.2 Phương pháp hằng số thời gian (Time Constant Method) ...............................39 2.2.3 Phương pháp xác định tốc độ đáp ứng (Reaction Rate Method) .....................42 2.3 Hiệu chuẩn vòng điều khiển kín (Closed Loop Tuning) .................................45 2.3.1 Phương pháp chu kì tới hạn (Ultimate Period Method) ...................................46 2.3.2 Phương pháp dao động tắt dần (Dampened Oscillation Method) ....................49 2.4 Hiệu chuẩn vòng điều khiển trực quan ............................................................50 2.4.1 Tăng P, I và D (Incremental Changes) .............................................................50 2.4.2 Sự mất ổn định rõ ràng (Apparent Instability) .................................................50 2.4.3 Đáp ứng chậm (Sluggish Response) ................................................................52 3. BÀI 3: CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO ...................................58 3.1 Điều khiển truyền thẳng (Feedforward control) ..............................................59 3.1.1 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt: ...................................................................59 3.1.2 Cấu trúc cơ bản và bộ điều khiển lý tưởng.......................................................60
3.2 Điều tỉ lệ (Ratio control) ..................................................................................61 3.2.1 Ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn liên tục ....................................................61 3.2.2 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .....................................................62 3.2.3 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ .............................................................................63 3.2.4 Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ ...........................................................64 3.3 Điều khiên tầng (Cascade control) ...................................................................65 3.3.1 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .....................................................65 3.3.2 Ứng dụng của điều khiển tầng ..........................................................................66 3.4 Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng .....................................67 3.5 Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển tỉ lệ ...................................................68 3.6 Điều khiển tầng kết hợp điều khiển truyền thẳng ............................................69 4. BÀI 4: HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN DCS CENTUM VP .......72 4.1 Hiệu chỉnh vòng điều khiển theo định luật Ziegler & Nichols áp dụng cho vòng điều khiển hở (LAB 1) ...............................................................................................73 4.1.1 Xác định các thông số: hệ số khuếch đại (KP), thời gian chết (LP), hằng số thời gian (τP). ........................................................................................................................74 4.1.2 Xác định P, I và D theo định luật Ziegler & Nichols hiệu chuẩn vòng điều khiển hở. 75 4.1.3 Điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng với các thông số P, I, D tìm được ở phần 4.1.2. .....................................................................................................................75 4.1.4 Hiệu chuẩn các thông số của bộ điều khiển để đáp ứng ngõ ra tối ưu nhất. ....76 4.2 Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo định luật Ziegler & Nichols áp dụng cho vòng điều khiển kín (LAB 2) ..............................................................................................76 4.2.1 Xác định chu kỳ tới hạn (TU) và dải tỉ lệ tới hạn (PBU). ..................................76 4.2.2 Xác định P, I và D theo định luật Ziegler & Nichols hiệu chuẩn vòng điều khiển kín. 78 4.2.3 Điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng với các thông số P, I, D tìm được ở phần 4.2.2. .....................................................................................................................79 4.2.4 Hiệu chuẩn các thông số của bộ điều khiển để đáp ứng ngõ ra tối ưu nhất. ....79 4.2.5 Điều khiển tỉ lệ: ................................................................................................79 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................82
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Đồ thị đặc tính của một hệ thống điều khiển ................................................20 Hình 1-2: Đường cong đáp ứng quá trình của một quá trình tự điều chỉnh ..................23 Hình 1-3: Đường cong đáp ứng quá trình của một quá trình tích hợp (không tự điều chỉnh) .............................................................................................................................24 Hình 2-1: Bồn điều áp và đáp ứn của bồn đối với nhiễu ...............................................31 Hình 2-2: Ngõ ra vi phân cộng với tỉ lệ .........................................................................35 Hình 2-3: Ngõ ra của bộ điều khiển PID .......................................................................36 Hình 2-4: Sơ đồ khối của một quá trình được hiệu chuẩn bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở ..........................................................................................................................37 Hình 2-5: Đường cong đáp ứng được xây dụng bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở .......................................................................................................................................38 Hình 2-6: Phương pháp xác định hằng số thời gian cho hiệu chuẩn vòng điều khiển hở .......................................................................................................................................39 Hình 2-7: Kết quả kiểm tra bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở xác định hằng số thời gian. ...............................................................................................................................40 Hình 2-8: Phương pháp xác định tốc độ đáp ứng cho hiệu chuẩn vòng hở ..................43 Hình 2-9: Kết quả kiểm tra một quá trình bằng phương pháp xác định tốc độ đáp ứng vòng điều khiển hở ........................................................................................................44 Hình 2-10: Hệ thống điều khiển ở hệ số khuếch đại tới hạn 𝑲𝑲𝑲𝑲 hay dải tỉ lệ tới hạn 𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷 .......................................................................................................................................46 Hình 2-11: Đáp ứng của biến được đo đối với nhiễu ....................................................47 Hình 2-12: Kết quả kiểm tra quá trình bằng phương pháp hiệu chuẩn chu kì tới hạn ..48 Hình 2-13: Kết quả điều khiển bằng phương pháp dao động tắt dần ............................49 Hình 2-14: Đáp ứng của một quá trình với thông tin về các loại thời gian ...................54 Hình 2-15: Dạng sóng của van điều khiển có ma sát tĩnh .............................................55 Hình 3-1: Sơ đồ khối điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .........................................60 Hình 3-2: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển truyền thẳng. .............................................................................................................................60 Hình 3-3: Cấu túc tổng quát của điều khiển truyền thẳng .............................................60 Hình 3-4: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị khuấy trộn liên tục......................................62 Hình 3-5: Sơ đồ điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển tỉ lệ ..............62 Hình 3-6: Sơ đồ 2 cấu hình của sách lược điều khiển tỉ lệ ............................................64 Hình 3-7: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển tầng ...66 Hình 3-8: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng. .............................................................................67
Hình 3-9: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị khuấy trộn bằng sách lược điều khiển phản hồi kết hợp với sách lược điều khiển tỉ lệ......................................................................68
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Bảng tính thông số PID bằng phương pháp hằng số thời gian .....................40 Bảng 2-2: Bảng tính thông số PID bằng phương pháp tốc độ đáp ứng.........................43 Bảng 2-3: Bảng tính thông số PID bằng phương pháp chu kì tới hạn (Ziegler & Nichols rule for closed loop tuning) ...........................................................................................48 Bảng 4-1: Bảng ghi kết quả theo phương pháp hiệu chuẩn vòng hở. ...........................75 Bảng 4-2: Bảng tính thông số P, I và D theo phương pháp hiệu chuẩn vòng kín. ........78 Bảng 4-3: Bảng kết quả điều khiển tỉ lệ. .......................................................................80
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO 1. Tên mô đun: Điều khiển quá trình nâng cao 2. Mã mô đun: TĐH19MĐ18 Thời gian thực hiện mô đun: 90 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 58 giờ; Kiểm tra: 04 giờ). Số tín chỉ: 04 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của 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 mô đun cơ sở điều khiển quá trình và mô đun hệ thống điều khiển phân tán (DCS). 3.2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức về các chế độ làm việc của các bộ điều khiển, các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành hiệu chuẩn vòng điều khiển, các phương thức điều khiển (sách lược điều khiển) cũng như phương pháp và kỹ năng hiệu chỉnh một vòng điều khiển. 3.3 Ý nghĩa và vai trò của 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 điều khiển tự động hóa quá trình (Process Control and Automation). 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 là trang bị các kiến thức và kỹ năng thuộc lĩnh vực điều khiển quá trình: (1) nhận biết được tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh vòng điều khiển (Control Loop Tuning); (2) Trình bày được các phương trình cơ bản được sử dụng trong các quá trình điều khiển; (3) Xác định được các sách lược điều khiển được sử dụng để từ đó cài đặt, hiệu chỉnh được các thông số của bộ điều khiển; (4) Khắc phục được lỗi dao động của một quá trình bằng lưu đồ và phân tích dữ liệu. Qua đó, giáo trình cung cấp các nội dung kiến thức về các phương pháp hiệu chuẩn vòng điều khiển thông dụng và khắc phục các lỗi cơ bản xảy ra trong một vòng điều khiển phù hợp với thực tế tại các nhà máy công nghiệp quá trình hiện nay như các nhà máy thuộc công nghiệp dược phẩm, công nghiệp hóa chất, công nghiệp thực phẩm và đồ uống, công nghiệp năng lượng… 4. Mục tiêu mô-đun: 4.1 Về kiến thức: Trang 9
A1. Trình bày được tầm quan trọng và chức năng của việc hiệu chuẩn vòng điều khiển; A2. Trình bày được các phương trình cơ bản được sử dụng trong việc hiệu chuẩn vòng điều khiển; A3. Trình bày được phương pháp hiệu chuẩn vòng điều khiển hở, hiệu chuẩn vòng điều khiển kín và hiệu chuẩn trực tiếp; A4. Mô tả được các đặc điểm của sách lược điều khiển nâng cao. 4.2 Về kỹ năng: B1. Thực hiện được hiệu chuẩn vòng điều khiển hở; B2. Thực hiện được hiệu chuẩn vòng kín; B3. Thực hiện được vòng điều khiển trực quan. B4. Nhận dạng được các sách lược điều khiển trên bản vẽ P&ID. 4.3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: C1. Nhận biết được tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh vòng điều khiển trong các nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển tự động hóa; C2. Rèn luyện tính cẩn thận, kiên nhẫn và tuân thủ an toàn khi thực hiện công việc. 5. Chương trình mô-đun: 5.1. Chương trình khung: Thời gian học tập (giờ) Trong đó Thực Số hành/ Kiểm tra Mã thực tập/ Tên môn học, mô đun tín Tổng MH/MĐ/HP Lý thí chỉ số thuyết nghiệm/ bài tập/ LT TH thảo luận Các môn học chung/đại I 21 435 157 255 15 8 cương MHCB19MH02 Giáo dục chính trị 4 75 41 29 5 MHCB19MH04 Pháp luật 2 30 18 10 2 MHCB19MH06 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 4 Giáo dục quốc phòng và An MHCB19MH08 4 75 36 35 2 2 ninh Trang 10
Thời gian học tập (giờ) Trong đó Thực Số hành/ Kiểm tra Mã thực tập/ Tên môn học, mô đun tín Tổng MH/MĐ/HP Lý thí chỉ số thuyết nghiệm/ bài tập/ LT TH thảo luận MHCB19MH10 Tin học 3 75 15 58 2 TA19MH02 Tiếng Anh 6 120 42 72 6 Các môn học, mô đun chuyên II 76 1755 613 1069 43 30 môn ngành, nghề II.1 Môn học, mô đun cơ sở 16 300 152 132 12 4 ATMT19MH01 An toàn vệ sinh lao động 2 30 26 2 2 TĐH19MĐ01 An toàn Tự động hóa 2 45 14 29 1 1 KTĐ19MĐ05 Điện kỹ thuật 1 3 60 28 29 2 1 TĐH19MĐ02 Điện tử cơ bản 3 60 28 29 2 1 KTĐ19MĐ13 Khí cụ điện 3 45 28 14 3 KTĐ19MĐ08 Đo lường điện 3 60 28 29 2 1 Môn học, mô đun chuyên II.2 60 1455 461 937 31 26 môn ngành, nghề TĐH19MĐ04 Kỹ thuật số 3 60 28 29 2 1 TĐH19MH05 Thiết bị đo lường 5 90 56 29 4 1 TĐH19MH06 Bản vẽ thiết bị đo lường 3 45 42 0 3 TĐH19MĐ07 Hiệu chuẩn thiết bị đo lường 5 120 28 87 2 3 TĐH19MĐ08 Lắp đặt hệ thống TĐH 1 4 90 28 58 2 2 TĐH19MĐ09 Lắp đặt hệ thống TĐH 2 5 120 28 87 2 3 TĐH19MĐ10 Cơ sở điều khiển quá trình 3 60 28 29 2 1 TĐH19MĐ12 Đấu nối dây 2 45 14 29 1 1 Hệ thống điều khiển thủy lực - TĐH19MĐ13 4 90 28 58 2 2 khí nén TĐH19MĐ15 PLC 5 120 28 87 2 3 Hệ thống điều khiển phân tán TĐH19MĐ17 3 60 28 29 2 1 (DCS) Điều khiển quá trình TĐH19MĐ18 4 90 28 58 2 2 nâng cao Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi TĐH19MĐ19 2 45 14 29 1 1 vòng điều khiển TĐH19MH20 Thiết bị phân tích và theo dõi 4 60 42 14 4 TĐH19MH21 Khóa luận tốt nghiệp 3 135 27 105 3 TĐH19MH22 Thực tập sản xuất 5 225 14 209 2 Tổng số 97 2190 770 1324 58 38 Trang 11
5.2 Chương trình chi tiết mô-đun: Thời gian (giờ) Thực hành, Stt Nội dung tổng quát Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm tra số thuyết thảo luận, bài tập LT TH Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn 1 03 03 0 vòng điều khiển 2 Bài 2: Các phương pháp hiệu chuẩn 12 11 0 1 Bài 3: Các sách lược điều khiển 3 nâng cao (Advance Control 15 14 0 1 Strategies) Hiệu chuẩn vòng điều khiển trên 4 60 0 58 2 DCS Centum VP Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo 4.1 định luật Ziegler & Nichols áp dụng 30 0 29 1 cho vòng điều khiển hở Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo 4.2 định luật Ziegler & Nichols áp dụng 30 0 29 1 cho vòng điều khiển kín Cộng 90 28 58 2 2 6. Điều kiện thực hiện môn học: 6.1. Phòng học Lý thuyết/Thực hành: + Phòng học lý thuyết: Đáp ứng phòng học chuẩn. + Phòng học thực hành: phòng DCS. 6.2. Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn 6.3. Học liệu, dụng cụ, mô hình, phương tiện: Giáo trình, mô hình học tập… 6.4. Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về công tác xây dựng phương án khắc phục và phòng ngừa rủi ro tại doanh nghiệp. 7. Nội dung và phương pháp đánh giá: 7.1. Nội dung: - Kiến thức: 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 kỹ năng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: Trang 12
+ 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. 7.2. Phương pháp: 7.2.1 Kiểm tra thường xuyên: - Số lượng bài: 02 - 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: 04, trong đó 02 bài lý thuyết và 02 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: Bài Hình thức kiểm Chuẩn đầu ra Stt kiểm Nội dung Thời gian tra đáp ứng tra Lý thuyết: tự 1. Bài 1 luận/trắc bài 1, bài 2 A1, A2, C1 45÷60 phút nghiệm/báo cáo Lý thuyết: tự 2. Bài 2 luận/trắc bài 3 A4, C1 45÷60 phút nghiệm/báo cáo Thực hành: vận A3, B1, B2, 3. Bài 3 Mục 4.1 bài 4 60÷90 phút hành trên DCS C1, C2 Thực hành: vận A3, B1, B2, 4. Bài 4 Mục 4.2 bài 4 60÷90 phút hành trên DCS C1, C2 7.2.3 Thi kết thúc mô đun: lý thuyết và thực hành. - Hình thức thi: trắc nghiệm và vận hành trên DCS. - Thời gian thi: + Trắc nghiệm: 45÷60 phút. Trang 13
+ Thực hành: 60÷90 phút. - Chuần đầu ra đáp ứng: A1÷A4, B1÷B4, C1÷C2 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 cao đẳng và liên thông từ trung cấp lên cao đẳng. 8.2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy, học tập mô đun: - 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 3-4 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 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: + NCCER, 2016, Instrumentation Level 4, third edition, published by PEARSON. + PAControl, 2006, Fundamentals of Pcocess Control, PAControl.com. Trang 14
1. BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN GIỚI THIỆU BÀI 1: Bài 1 giới thiệu cho người học tầm quan trọng của việc kiểm soát được và theo dõi được các quá trình điều khiển trong nhà máy công nghiệp. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm được tạo ra và uy tín, thương hiệu của một nhà máy. Vì vậy công việc bảo dưỡng định kỳ hoặc khắc phục được sự cố xảy ra trong quá trình vận hành nhà máy là hết sức quan trọng. Qua đó người học nhận thức được sự quan trọng của việc tuân thủ các qui định, qui trình vận hành và thái độ đối với công việc của một vận hành viên. MỤC TIÊU CỦA BÀI 1 LÀ: Sau khi học xong bài 1, người học có khả năng: + Trình bày được tầm quan trọng và chức năng của việc hiệu chuẩn vòng điều khiển; + Nhận biết được tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh vòng điều khiển trong các nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển tự động hóa; 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). Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học. 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: giày cách điện, bộ quần áo bảo hộ lao động. 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: không Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Trang 15
+ 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 Mục đích hiệu chuẩn vòng điều khiển Trước khi vòng điều khiển được chạy thử và đưa vào hoạt động thì nó cần phải được tinh chỉnh (tuning). Tinh chỉnh bao gồm việc điều chỉnh bộ điều khiển để tạo ra đáp ứng mong muốn. Thuật ngữ đáp ứng (response) mô tả đặc tính động của toàn bộ hệ thống sau khi có nhiễu tác động mà có thể xảy ra hoặc là kết quả của nhu cầu hoặc là cung cấp sự biến thiên. Đáp ứng là đặc tính kết hợp của quá trình và hệ thống điều khiển. Chất lượng tổng thể của đáp ứng được đánh giá bằng tốc độ mà ở tốc độ ấy biến được điều khiển (controlled variable) quay trở về giá trị đặt (setpoint), bằng lượng vọt lố (overshoot) xảy ra, và bằng độ ổn định (stability) của hệ thống trong điều kiện quá độ (transient condition). 1.1.1 Lý do phải hiệu chuẩn vòng điều khiển (The Reasons for Loop Tuning) Lý tưởng thì một hệ thống điều khiển đáp ứng nhanh với các nhiễu và đưa biến được điều khiển nhanh chóng quay trở về giá trị đặt. Biến quá trình cần phải giữ ổn định như có thể để nó gần với giá trị đặt, chứ không phải dao động cách xa giá trị đặt sau mỗi lần có nhiễu tác động. Các yếu tố tác động đến đặc tính của hệ thống điều khiển có thể rất phức tạp. Hiệu chuẩn bao gồm cả việc điều chỉnh các yếu tố đó để đạt đến đáp ứng tốt nhất có thể. Bởi vì một số yếu tố không thể điều chỉnh được cho nên việc hiệu chỉnh thường là một sự thoả hiệp (compromise) giữa các yếu tố khác nhau. 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của vòng điều khiển Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của một hệ thống điều khiển thường xung đột lẫn nhau. Nếu tốc độ đáp ứng tăng lên (có nghĩa là cần ít thời gian để đạt đến gía trị đặt – SV) thì sẽ làm giảm độ ổn định của hệ thống điều khiển. Cố gắng để đạt đến giá trị mong muốn quá nhanh có thể làm mất ổn định hệ thống hoàn toàn. Một hệ thống ổn định là một hệ thống có dao động mà dao động này hoặc là ổn định (với biên độ là hằng số) Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Trang 16
hoặc là biên độ dao động giảm dần theo thời gian. Dao động của một hệ thống không ổn định có biên độ tăng dần và thường trở nên mất kiểm soát và có tiềm năng bị phá huỷ (mất ổn định hoàn toàn). Những dao động không mong muốn này thường xảy ra ở một tần số đã biết với tên gọi là tần số tới hạn (Critical frequency). Ở tần số này pha góc lệch pha của vòng điều khiển là 360 độ (đồ thị giống như dòng điện xoay chiều dao động hình sin). Góc lệch pha 360 độ này là góc tới hạn vì ở điều kiện này thì năng lượng hay vật chất đi vào quá trình sẽ duy trì dao động này hoặc thậm chí còn làm tăng biên độ dao động. Tuy nhiên nếu chỉ có một yếu tố là góc lệch pha 360° thì không duy trì ổn định được dao động. Vì thế vòng điều khiển phải có hệ số khuếch đại (độ lợi – gain) lớn hơn hoặc bằng 1 để ổn định dao động này. Nếu hệ số khuếch đại của vòng điều khiển bằng 1 thì có đủ năng lượng và vật chất đi vào hệ thống để duy trì dao động ổn định ở một mức độ cố định. Góc lệch pha này đảm bảo rằng năng lượng hoặc vật chất đi vào vòng điều khiển ở thời điểm chính xác để giữ cho dao động ổn định, giống như việc đẩy xích đu cho một đứa trẻ - điều then chốt là thời gian thực hiện các lần đẩy xích đu ở đúng thời điểm trong chu kỳ dao động. Nếu hệ số khuếch đại lớn hơn 1, hệ thống có nhiều năng lượng và vật chất hơn ở mối chu kỳ. Vì thế các dao động ngày càng mạnh lên (biên độ ngày càng tăng lên) và cuối cùng bị mất kiểm soát. Hậu quả là hệ thống hoàn toàn mất ổn định. Trong khi hiệu chuẩn vòng điều khiển, mục đích là điều chỉnh hệ số khuếch đại của vòng điều khiển để mà hệ số này nhỏ hơn 1 ở tần số tới hạn. Nếu thực hiện được việc này thì các dao động của quá trình sẽ nhanh chóng được triệt tiêu và biến được điều khiển sẽ ổn định gần với giá trị đặt (SV). 1.2 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành Ở mô-đun “Cơ sở điều khiển quá trình” đã giới thiệu chi tiết về các chế độ điều khiển của bộ điều khiển PID. Tuy nhiên, ở mô đun này các kiến thức về chế độ làm việc của bộ điều khiển này được nhắc lại để củng cố và phục vụ cho các kiến thức mới. 1.2.1 Chế độ tỉ lệ (Proportional control mode – P mode) Điều khiển tỉ lệ (điều khiển kiểu P) tác động để đặt phần tử điều khiển cuối (FCE) trong vòng điều khiển (thông thường là van điều kiển) vào vị trí tỉ lệ với độ lớn của sai số (Error). Sai số chính là sự chênh lệch giữa giá trị đặt (SV) và biến được đo (tín hiệu do transmitter đo được và truyền về bộ điều kiển - PV). Điều khiển tỉ lệ cung cấp một ngõ ra liên tục (phẳng mịn) để định vị trí của FCE ở các vị trí trung gian cũng như ở vị trí hoặc đóng hoàn toàn hoặc mở hoàn toàn hoặc đóng/ngắt đối với van on/off. Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Trang 17
Với chế độ điều khiển tỉ lệ, phần tử điều khiển cuối (FCE) giả định một vị trí xác định (thường được thể hiện ở giá trị biến thao tác - MV) cho mỗi giá trị của biến được đo (thông thường là biến quá trình – PV). Mối quan hệ giữa MV và PV thường là tuyến tính. Giá trị đặt (Setpoint – SV) thường ở giữa băng tỉ lệ (Proportional band 𝑃𝑃𝐵𝐵 = 100% , 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 đó 𝐾𝐾 𝑙𝑙à ℎệ 𝑠𝑠ố 𝑘𝑘ℎ𝑢𝑢ế𝑐𝑐ℎ đạ𝑖𝑖 (𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺)), kết quả tạo ra offset giữa SP và giá trị 𝐾𝐾 ổn định của biến quá trình. Ưu điểm chính của điều khiển tỉ lệ (P-mode) chính là nó khuếch đại ngõ ra ngay lập tức khi bộ điều khiển phát hiện ra có sai số (error = PV – SV và error ≠ 0); việc này làm cho phần tử điều khiển cuối (van điều khiển) xác lập lại được vị trí ổn định mới trong một thời gian tương đối ngắn. Nhược điểm chính của chế độ điều khiển này chính là tồn tại offset, là độ lệch ổn định giữa biến được đo và giá trị đặt khi vòng điều khiển đã ổn định. Offset sẽ bằng 0 khi phần tử điều khiển cuối được ở vị trí mà biến được điều khiển bằng với giá trị đặt. Cần phải lưu ý là với bộ điều khiển loại P là nó chỉ thực sự cần thiết để thực hiện điều chỉnh nhỏ bằng tay (manual control mode) để đem biến quá trình (PV) về với giá trị đặt (SV) lúc khởi động hệ thống (initial startup). Mặc dù điều khiển tỉ lệ là một phương pháp tốt và làm việc tốt trong nhiều trường hợp nhưng nó lại không tối ưu. Vì lý do này mà bộ điều khiển loại P thường kết hợp với các chế độ điều khiển khác để tác động đến hệ thống. Các chế độ kết hợp khác chỉ tác động ở các thời điểm nhất định để loại làm giảm hoặc bỏ hạn chế của chế độ P. 1.2.2 Chế độ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI mode) Một số vòng điều khiển sử dụng chế độ điều khiển tỉ lệ (chế độ P) kết hợp với chế độ tích phân (chế độ I) tạo thành chế độ điều khiển PI. Chế độ này tốt hơn rất nhiều so với chế độ P đứng một mình. Nó kết hợp đặc tính đáp ứng ngõ ra ngay lập tức của chế độ P với hàm điều khiển tích phân (Integral). Hàm tích phân cung cấp một ngõ ra tỉ lệ với tích phân theo thời gian của ngõ vào. Điều này có nghĩa nó tiếp tục thay đổi khi mà tín hiệu sai số còn tồn tại. Hàm tích phân chỉ tác động khi sai số còn tồn tại giữa biến được điều khiển và giá trị reset. Giá trị reset là giá trị đặt trước ở một chu kì xác định trước (a set time period). Kết quả là hàm tích phân loại bỏ bất kỳ offset tồn tại giữa giá trị đặt và biến được đo, điều mà luôn tồn tại ở chế độ P. Việc thêm chế độ I vào chế độ P đã thực hiện cài đặt lại hệ số khuếch đại của vòng điều kiển một cách tự động. Vì thế mà chế độ PI đôi khi được gọi là chế độ reset. Sự khác biệt chính giữa chế độ P và chế độ PI chính là chế độ P giới hạn vị trí đơn lẻ của phần tử điều khiển cuối đối với mỗi giá trị của biến được điều khiển (có nghĩa là 1 Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Trang 18
MV tương tứng với 1 PV). Còn ở chế độ PI, vị trí của phần tử điều khiển cuối không chỉ phụ thuộc vào vị trí của biến được điều khiển trong băng tỉ lệ mà còn phụ thuộc vào thời gian và độ lớn của offset lệch khỏi SV. Khi biến được điều khiển ổn định thì điểm điều khiển (giá trị PV lúc ổn định) bằng với giá trị đặt (SV), nghĩa là không còn offset. Chế độ điều khiển PI có thể bị ảnh hưởng bất lợi bởi tín hiệu sai số lớn một cách đột ngột. Việc này có thể được gây ra bởi độ lệch yêu cầu quá lớn, sự thay đổi SV lớn hoặc trong quá trình bắt đầu khởi động hệ thống. Tín hiệu sai số ổn định lớn như vậy có thể làm cho ngõ ra của bộ điều khiển bị đẩy đến giới hạn mà kết quả là xảy ra hiện tượng bão hoà tích phân (reset windup) và làm cho vòng điều khiển mất ổn định trong một khoảng thời gian. 1.2.3 Chế độ điều khiển PID Điều khiển P + điều khiển I + điều khiển D là loại điều khiển tinh tế nhất của điều khiển vòng. Điều khiển PID chính là thêm thành phần vi phân - D (Derivative) vào chế độ điều khiển PI (đã nói ở phần 1.2.2). (Chế độ điều khiển vi phân – D mode – còn được gọi là chế độ Rate). Chế độ điều khiển vi phân cung cấp một tín hiệu ngõ ra tỉ lệ với tốc 𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑡𝑡) độ thay đổi của sai số . Điều này có nghĩa là chế độ vi phân chỉ tác động khi sai số 𝑑𝑑𝑑𝑑 tiếp tục thay đổi. Vì vậy, điểm điều khiển (PV) càng thay đổi nhanh thì tác động điều chỉnh của chế độ vi phân càng xảy ra mạnh. Nếu điểm điều khiển càng xa giá trị đặt (SV) thì hàm vi phân sẽ tạo ra tác động điều chỉnh để đem điểm điều khiển về gần với gía trị đặt nhanh hơn so với việc chỉ dùng chế độ điều khiển PI. Vì điểm điều khiển ngày càng tiến dần đến gía trị đặt nên tác động vi phân sẽ giảm dần để tiến dần đến SV mà không tạo ra sự vọt lố (overshoot). Không giống như chế độ điều khiển tỉ lệ (P-mode), chế độ điều khiển vi phân (D-mode) không bao giờ được sử dụng một mình vì nó không phát hiện ra được tình trạng sai số ổn định – không thay đổi nữa. Điều này cũng dễ hiểu vì khi sai số là hằng số thì đạo hàm của một hằng số bằng 0. Chế độ điều khiển PID là chế độ điều khiển chính xác và ổn định nhất khi áp dụng ở các hệ thống có khối lượng tương đối nhỏ nhưng phản ứng nhanh để chuyển hoá thành năng lượng để thêm vào quá trình. Điều khiển PID được khuyến nghị trong các hệ thống mà tải trên quá trình thay đổi thường xuyên và bộ điều khiển được mong đợi sẽ tự động bù do những thay đổi liên tục về giá trị đặt, lượng năng lượng có sẵn hoặc khối lượng được kiểm soát. Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Trang 19
1.2.4 Các thuật ngữ và định nghĩa liên quan đến hiệu chuẩn vòng điều khiển (Terms and Definitions Associated with Loop Tuning) Thông thường, trong ngữ cảnh về một vòng điều khiển thì đặc tính hệ thống điều khiển được thể hiện bằng một đồ thị với trục hoành (trục x) thể hiện thời gian và trục tung (trục y) thể hiện biến được điều khiển, ví dụ PV. Một đồ thị thông thường (như hình 1.1) chỉ ra biến quá trình phản ứng như thế nào sau khi có nhiễu tác động vào quá trình đó. Nhiễu này đôi khi được gọi là thay đổi bước (Step change) bởi vì một mặt nào đó của quá trình đột nhiên tăng vọt lên hoặc giảm xuống đột ngột đến một giá trị khác, giống như là một bậc thang. Sự thay đổi bước này làm cho hệ thống điều khiển phản ứng vì nó cố để đem biến được điều khiển về lại giá trị đặt. Hình 1-1: Đồ thị đặc tính của một hệ thống điều khiển Ngoài việc tự quá trình thay đổi, thay đổi bước cũng có thể được tạo ra bằng cách thay đổi giá trị đặt (SV). Ví dụ, nếu người vận hành đột ngột thay đổi nhiệt độ lò nhiệt thì hệ thống điều khiển xem sự thay đổi này là một thay đổi bước và cố gắng đem biến cần điều khiển đến một đường ổn định mới với giá trị đặt mới. Khi hiệu chuẩn một vòng điều khiển, đột ngột thay đổi giá trị đặt là một cách thông dụng để tạo ra thay đổi bước một cách có chủ ý để xem hệ thống điều khiển phản ứng như thế nào. Tác động này đôi khi được gọi là kiểm tra va chạm (bump test). Thời gian là một yếu tố cực kỳ quan trọng khi làm việc với các hệ thống điều khiển. Trong khi trục X đại diện cho thời gian, nó có thể không được chia tỷ lệ thành một phép Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Trang 20