Kỹ thuật điều khiển quá trình: Phần 1

Chia sẻ: Lê Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

329
lượt xem 72
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 Hệ thống điều khiển quá trình gồm nội dung 3 chương đầu Tài liệu: Các khái niệm và cơ sở lý thuyết, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển quá trình, bộ điều chỉnh số công nghiệp. 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: Kỹ thuật điều khiển quá trình: Phần 1

TS PH A N CHÍ CHÍNH HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NÔI - 2010
MỞ ĐẦU (Thay cho lời nói đầu và bài mở đầu) Cuốn 'H ệ th ô n g điều khiến quà trìn h " này chủ yêu sử dụng cho giảng dạy học phần về kết nối và vân hành hệ thống điều khiển tự động các quá trình thường gặp ở các dây chuyền công nghệ hiên đại. Nội dung học phần đi sâu vào các chú điểm; làm chủ các thông số điều khiển cụ thể trong thiết bị điều khiển nối mạng trong các quá trình công nghệ; các thành phần cơ điện tử của hệ ihống điéu khiẽn công nghiệp; vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển quá trình hãng mò hình mô phỏng hoàn toàn giống như hệ thống công nghiệp bằng chính bộ điều khiển số dùng trong công nghiệp. Nghiên cứu về điều khiển tự động các quá trình thường gặp trong công nghiệp, bao gồm: - Điều khiển mức chất lỏng; - Điều khiển luxi lượng dòng chảy lỏng; - Điều khiển nhiệt độ của quá trinh; - Điều khiển áp suất của quá trình. Đối tượng điều khiển ở (1âv là các quá trình trong các dây chuyền công nghệ có liên quan đến dòng chảy của chất lỏng: các quá trình sản xuất các sản phẩm ngành hoá, hoá dâu; các dạng chêbiên thựcphâm, đôuông và nhiều loại hàng tiêu dùng. Đây là học phần ứngdụng “lýthuyết điều khiển tự đ ộ n g ” vào đối tượng điều khiển là các quá trình. Tài liệu này cũng có ích cho người làm công tác kỹ thuật trong các dây truyền công nghệ có điều khiển tự động các quá trình. Tự động điều khiển đang là xu thế tất yếu cho các dây truyền công nghệ cho nên các kiên
thức liên quan và cập nhật cũng là một đòi hỏi đối với cán bộ kỹ thuật và/hoặc tổ chức sản xuất trong dây truyền công nghệ hiện đại. Học phần đi sâu vào việc làm chủ các phương pháp điều khiển cụ thể trong các thiết bị điều khiển được nối mạng và kiểm soát trung tâm bàng máy tính với các kiểu giao diện thân thiện với người sử dụng trong các quá trình công nghệ hiện đại. Học lý thuyết gắn liền với thực nghiệm, vận hành và bảo trì các thành phần cơ điện tử trên thiết bị mô phỏng các quá trình thực như trong các dây truyền công nghệ của công nghiệp. Trên thế giới, có nhiều hãng có sản phẩm truyền thống về tự động hóa có các thiết bị thực nghiệm hệ thống điều khiển quá trình dành cho đào tạo và nghiên cứu. Thiết bị được sử dụng nhiều và khá điển hình ở Việt Nam hiện nay là của hai hãng Festo và Siemens (CHLB Đức); ngoài ra cũng có sản phẩm của các hãng khác là Edibon (Tây Ban Nha), Lap Vol (Mỹ). Phần cơ sở [ý thuyết chỉ cô đọng với mục đích ứng dụng cho thực nghiệm và trực tiếp phục vụ cho các các quá trình cụ thể đề cập trong thiết bị thực nghiệm. Những khái niệm chung về “lý thuyết điều khiển tự đ ộ n g ” được sử dụng ngay vào các dạng điều khiển và các ví dụ về các thiết bị điều khiển để minh hoạ. Tuy vậy vì môn học gồm các kiến thức giao của nhiều chuyên ngành đặc trưng cho ngành cơ điện tử đang phát triển nên mức độ trừu tượng khá đậm nét. Phần thực nghiệm đề cập ở đây phần cơ bản và từiig bước hướng dẫn triển khai trên thiết bị mô phỏng các quá trình thực cùa hãng Festo (hình 0.1) gọi tắt là mô hình HTĐKQT. Nó được kết cấu thành các trạm, bao gồm: - Trạm điều kliiển mức chất lỏng; - Trạm điều khiển lưu lượng dòng chất lỏng; - Trạm điều khiển áp suất; - Trạm điều khiển nhiệt độ; - Trạm Bypass. Đặc biệt trạm Bypass là phần kết nối dùng để liên kết dòng chảy của các trạm thành mạng và điều khiển trung tâm bằng hệ thống van điều khiển
điện từ và các van tuyến tính bố trí trong các ống dẫn liên thông các trạm riêng lẻ vào hệ thống. Các bài thực nghiệm được thực hiện từ các phân kêt nối cơ khí (gồm cả việc xây dựng các sơ đồ liên kết của từng trạm và hệ thống) đến đặt thông số cấu hình cho từng trạm và cho hệ thông. Việc thực nghiệm vận hành được thực hiện tìmg bước từ điều khiển băng tay các trạm đơn lẻ đến vận hành cả hệ thống trên máy tính trung tâm bàng phần mêm điều khiển. Các phần mở rộng đề cập đến ứng dụng cho các thiết bị công nghệ thực. Phần nội dung liên quan tự động điều khiển thiết bị chưng cất được chủ nhiệm đề tài - Tiến sĩ Lê Phan Hoàng Chiêu đồng ý cho sử dụng kết quả nghiên cứu. Chúng tôi xin chân thành cám on TS.Lê Phan Hoàng Chiêu - Phó Giám đốc Trung Tâm Neptech Sở Khoa học Công nghệ TP. Hô Chí Minh và tập thể nhóm triển khai đề tài trường ĐH Bách Khoa TP. Hô Chí Minh đã cung cấp và cho sử dụng các kết quả nghiên cứu triên khai đê kịp thời cập nhật cho ấn phẩm này. Chúng tôi chân thành cám ơn PGS.TS Vũ Quý Đạc (Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên); Thạc sĩ Trần Trọng Toàn (ĐH công nghiệp TP.HỒ Chí Minh) đã có những đóng góp quý báu, những ý kiên xác đáng cho nội dung cuốn sách; xin cám ơn các anh chị Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật đã hết sức giúp đỡ, cho thẩm định và phản biện nội dung đê cuôn sách sớm được xuất bản. Chúng tôi cũng xin độc giả lượng Ihứ cho các thiếu sót có thế gặp phải và xin được quý vị góp ý để ấn phấm có điều kiện hoàn thiện hơn sau này.
a .1. .■ ' w ''Íí' ■' 'ií R'’'•«'i^*;*H «W «'s4vO• dệ l ĩH ^ m Hình 0. ì. Thiết bị mô phỏng HTĐKQT của FESTO (CHLB Đức)
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1. 'HTĐKQT: Hệ thống điều khiển quá trình (PCS: Process Control System) 2. QTĐK: Quá trình điều khiển 3. ĐTĐK: Đối tượng điều khiển, trong HTĐKQT đó chính là các quá trình 4. TSĐK: Thông số điều khiển 5. CCĐL Cơ cấu đo lưòng 6. ĐKTĐ Điều khiên tự động 7. TBĐK: Thiết bị điều khiển 8. BĐKSCN: Bộ điều khiển số công nghiệp 9. CCĐK; Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller) 10. BĐC: Bộ điều chỉnh 11. HTĐK: Hệ thống điều khiển 12. CCCH; Cơ cấu chấp hành 13. SP: Set point- giá trị đặt ban đầu đưa vào hệ điều khiển 14. PCS: Process Control System- Hệ thống điều khiển quá trình 15. PTSS: Phần tử so sánh 16. PID: Điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - đạo hàm (D) 17. DDC; Direct Digital Control- điều khiển bằng tín hiệu số (trực tiếp) 18. PV: Process Value - giá trị của đại lượng được điều khiển (giá trị thực đo được) 19. PLC: Programmable Logical Controller - Bộ điều khiển (logic) khả lập trinh
Chương I KHÁI NIỆM VÀ C ơ S ỏ LÝ THUYẾT 14, €ẢC KHÁI NIỆM Cơ BẢN TRONG ĐIỀU KHIẺN T ự ĐỘNG 1.1.1. Các khái niệm chung - Quá trình điều khiển là quá trình tác động có mục đích lên đối tượng điều khiển (ĐTĐK), (các chữ viết tắt xin xem phần “Các thuật ngữ viêt tăt” tiêp ngay phần “Mở đầu”). - ĐTĐK là đối tượng được tác động có mục đích, ở đây là các quá trình đã được giới thiệu. - Điều khiển tự động (ĐKTĐ) là quá trình điều khiển được thực hiện không cần sự tác động trực tiếp của con người lên ĐTĐK. Sự tác động lên ĐTĐK trong ĐKTĐ được thực hiện nhờ thiết bị điều khiển (TBĐK). - T hiết bị điều khiển (TBĐK) là một phần cùa hệ thống điều khiển, trong đó tín hiệu vào là tín hiệu chủ đạo (tín hiệu của giá trị yêu câu), còn có thê thêm các đại lượng được điều khiển từ đối tượng điều khiển phản hôi; tín hiệu ra là đại lượng tác động, tác động lên ĐTĐK (ở đây là quá trình). - Hệ thống điều khiễn (HTĐK) là hệ thống thực hiện quá trình tác động của TBĐK lên ĐTĐK (hình 1.1). ......................................................... Hình 1.1. Hệ thống điều khiển
ĐKTĐ được hình thành dần dần và đến ngày nay có nhiều dạng ĐKTĐ mà thông thường nhất có thể phân thành hai loại: - ĐKTĐ theo mạch hở (feedforward control - sơ đồ hình 1.2) ĐKTĐ theo vòng lặp kín (feedback control - hìnhl.3, ở đây đề cập đến nguyên tắc điều khiển theo độ lệch). 1.1.2. ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín ĐKTĐ theo mạch hở, biểu diễn bằng sơ đồ sau: Hình 1.2. ĐKTĐ theo mạch hở Trong sơ đồ hình 1.2 cần giải thích thêm : CCĐK: Cơ cấu điều khiển hay gọi là bộ điều chỉnh (controller); CCCH: Cơ cấu chấp hành; w : Giá trị yêu cầu, chính là mục tiêu điều khiển và là tín hiệu chủ đạo (cũng là giá trị đặt- SP: set point); X: Đại lượng được điều khiển, chính là giá trị thực của đại lượng ra từ ĐTĐK; Z: Đại lưọng nhiễu; Y: Đại lưọng tác động. 10
Điều khiên theo vòng lặp kín, có sơ đô như sau; Hình 1.3. Sơ đồ điều khiển theo vòng lặp kín Trong sơ đồ hình 1.3 có thêm các ký hiệu cần được giải thích: BĐC: bộ điều chỉnh; CCĐL : cơ cấu đo lường; X ’: giá trị chuyển đổi tín hiệu của đại lượng ra qua cơ cấu đo lường; Y r, Y h : giá trị của các đại lượng điều chỉnh (tự động hay bằng tay) tạo ra tín hiệu vào cơ cấu chấp hành ( CCCH ) rồi từ đó tạo ra tác động Y vào ĐTĐK; Zi : nhiễu tác dụng vào CCCH; Z2 : nhiễu tác dụng vào ĐTĐK; 11
- Xd: giá trị hiệu của w và X (độ lệch) là tín hiệu ra từ phần tử so sánh (PTSS) đồng thời cũng là tín hiệu vào bộ điều chỉnh. Các loại BĐC gồm các kiểu điều khiển p, I, D, PI, PD, PID trong đó: + p : Điều khiển tỷ lệ (điều khiển nguyên hàm) + I : Điều khiển tích phân + D : Điều khiên đạo hàm + P I ; Điều khiển “tỷ lệ - tích phân” + PD: Điều khiển “tỷ lệ - đạo hàm ” + PID: Điều khiển “tỷ lệ - tích phân - đạo hàm ” ĐTĐK ở đây là các quá trình w còn gọi là thông số đặt ban đầu, ký hiệu là SP (set point). Y còn được gọi là thông số điều khiển (TSĐK) ký hiệu là c o , TSĐK do TBĐK tạo ra để tác động vào ĐTĐK X là thông số thực của ĐTĐK, có thể đưa phản hồi ngay vào PTSS ở đầu vào, nhưng thông thưòng khi qua cơ cẩu đo lường (CCĐL) được khuếch đại (tín hiệu sau đó được ký hiệu là X ’) rồi mới vào phần từ so sánh. Giá trị kết quả qua cơ cấu so sánh Xd còn có thể ký hiệu là e, độ lệch Xd=w-X’ (1.1) T hiết bị điều khiển (TBĐK) là một phần của hệ thống điều khiển, trong đó tín hiệu vào là đại lượng được điều khiển X từ đối tượng điều khiển (quá trình) và tín hiệu chủ đạo w (tín hiệu của giá trị yêu cầu) từ thiết bị chủ đạo ; tín hiệu ra là đại lượng tác động Y, tác động lên ĐTĐK (quá trình điều k h iển ). 12
1.1.3. Phân loại bộ điều chỉnh Có nhiều cách phân loại BĐC (còn gọi là cơ cấu điều chỉnh), bao gồm: phân loại theo dạng tín hiệu điều khiển, phân loại theo theo năng lượng sử dụng, phân loại theo đặc tính quá độ. a. Theo tín hiệu : -Cơ cấu điều chinh tín hiệu liên tục (tương tự) -Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu gián đoạn, điển hình là cơ cấu điều chỉnh hai điểm và cơ cấu điều chỉnh 3 điểm -Cơ cấu điều chỉnh tín hiệu rời rạc (tín hiệu số, DDC-Direct Digital Control) b. Theo năng lượng sử dụng: -Cơ cấu điều chỉnh bằng khí nén (đại lượiig ra tiêu chuẩn áp suất p từ 0...1 bar) -Cơ cấu điều chỉnh bàng thuỷ lực -Cơ cấu điều chỉnh bằng điện, điện tử (đại lượng điện ra tiêu chuẩn dòng điện I từ 0 ...2 0 mA và điện áp u từ 0...10 V) c. Theo đặc tính quá độ: -Cơ cấu điều chỉnh tỷ lệ (nguyên hàm), được gọi là cơ cấu p -Cơ cấu điều chỉnh tích phân (cơ cấu I) -Tương tự có các loại cơ cấu đạo hàm (D), cơ cấu tỷ lệ-tích phân (PI), cơ cấu tỷ lệ- đạo hàm (PD), cơ cấu PID. 13
1.2. MINH HOẠ, GIẢI THÍCH CÁC ĐẠI LƯỢNG c ơ BẢN VÀ CÁC VÍ DỤ ĐKTĐ 1.2.1. Đại lượng được điều khiển X (PV) Giá trị thực của đại lượng được điều khiển (còn gọi là đại lượng ra). Trong hệ thống điều khiển quá trình, giá trị này được kí hiệu là PV (Process Value). Trong minh họa hình 1.4 là mức chất lỏng trong bể chứa (bể cao là bể được điều khiển mức) tại mỗi thời điểm. Hình 1.4. Giá trị thực ( P V ) trong điều khiển mức Giá trị này được cơ cấu đo ghi lại (qua cảm biến mức) đưa về bộ điều khiển số công nghiệp (trong mô hình ví dụ ) cùng với giá trị yêu cầu ban đầu, cùng qua bộ so sánh vào bộ phận xử lý của bộ điều chỉnh. 14
1.2.2. Đại lượng tác động Y Là đại lượng do cơ cấu điều khiển tạo ra để tác động vào đối tượng điều khiển làm cho thay đổi đại lượng được điều khiển X (sao cho X dần dần xấp xỉ với giá trị yêu cầu W). Hình 1.5. Đại lượng tác động Y trong điểu khiến mức Trong hệ thống điều khiển quá trinh còn kí hiệu đại lượng tác c / :g là CO. ở hinh 1.5, đại lượng tác động Y trong ví dụ trạm điều khiển mức là độ mở của van điều khiển, nếu mức đo được (giá trị PV) iớn hom giá trị yêu cầu thì độ mở của van giảm (thu nhỏ dòng cung cấp), ngược lại thì độ mờ của van tăng. 1.2.3. Giá trị yêu cầu hay mục tiều điều khiển w Giá trị đưa vào ban đầu ( Set Point -- SP ), đó chính là mục tiêu điều khiển w chuyển tín hiệu chủ đạo vào TBĐK, trong điều khiển theo vòng lặp kín , cùng với tín hiệu chủ đạo w (SP) ở đầu vào còn có các tín hiệu hồi tiếp X (PV). 15
Hình 1.6. Giá trị yêu cầu SP ở trạm điều khiển mức Tín hiệu hồi tiếp (X ) được so sánh với tín hiệu chủ đạo ( w ) qua phần tử so sánh để vào bộ phận xử lý tiếp trong TBĐK. ở ví dụ hình 1.6 giá trị yêu cầu SP ở trạm điều khiển mức là mức chất lỏng cần ổn định ở bể chứa (bể cao) được biểu diễn trên hình là vạch đậm ký hiệu SP. 1.2.4. Đại lượng nhiễu (z) Đại lượng nhiễu trong quá trình điều khiển và điều chỉnh là các đại lượng tác động vào quá trình làm thay đổi hành vi của tác động (nhiễu ở cơ cấu chấp hành) hoặc đại lượng ra (nhiễu ở ĐTĐK) của hệ mà HTĐK không làm thay đổi chúng. ở ví dụ hình 1.7 van xả từ đáy của bể cao (bể được điều khiển mức) thay đổi lượng chất lỏng xả về bể nguồn (bể thấp) để mô phỏng nhiễu ở trạm 16
điều khiển mức. Trong dây chuyền công nghệ đó vừa là lượng chất lỏng tiêu thụ thay đổi trong dây truyền công nghệ, vừa bao gồm cả những thât thoát do bay hơi, rò ri... ở ví dụ trên mô hinh thiết bị, thay đổi độ mở của van bằng tay để mô phỏng quá trình nhiễu. 'À.f. Hình 1.7. Van mô phỏng nhiều ở trạm điều khiển mức 1.2.5. Độ chênh lệch (e) giữa giá trị yêu cầu và giá trị đo hồi tiếp Trong hình 1.8 đối tượng điều khiển là nước của bể chứa ( bể cao ). Khi đó độ chênh lệch giữa mức nước yêu cầu ( w ) và mức nước thực tế tại thời điểm đo (mức nước đo được) được ký hiệu là e: e= w-x (1.2) 17
Hình 1.8. Độ chênh lệch e Trong mô hình HTĐKQT của FESTO, đại lượng này kí hiệu là X(j; Đó chính là dữ liệu từ đầu ra của phần tử so sánh đi vào bộ phận xử lý tiếp của TBĐK. 1.2.6 Các ví dụ ĐKTĐ theo mạch hở và ĐKTĐ theo vòng lặp kín Để minh hoạ và so sánh hai dạng điều khiển theo mạch hở và kín ta khảo sát ví dụ hai trường hợp điều khiển thiết bị sưởi sử dụng nước nóng để điêu khiển nhiệt độ ữong phòng tìieo yêu cầu. + Trường họp 1, điều khiển theo mạch hở (hình 1.9) Trong hình 1.9 A: 1. Công tắc nhiệt kế; 4. Thiết bị sưởi; 2. Rơle; 5. Van cấp hod nước nóng. 3. Nam châm điện; 18
Lưu đồ khối hình 1.9 phần B: TI biểu diễn bằng 2 mũi tên chi 2 yếu tố đầu vào của cảm biến nhiệt độ A, đó là nhiệt độ bên ngoài và nhiệt độ yêu cầu (nhiệt độ mong muốn đạt được ở trong phòng) B/ TI T2 T3 T4 T5 T6 --------------- > ----------- A B c D ------------ ^ E Hình 1.9. ĐKTĐ đông cắt thiết bị sưởi sử dụng hơi nước nóng 19
T2 là tín hiệu ra từ A tức là dòng điện tác dụng vào rơle B T3 là lực hút do rơle tạo ra để đóng tiếp điểm thường mở công tắc điện làm cho nam châm điện c có điện tạo ra tác động T4 mở van hơi nước nóng cung cấp cho thiết bị sưởi D. T5 là nhiệt tác dụng toả ra cung cấp cho phòng E T6 là nhiệt độ trong phòng. Đầu tiên điều chỉnh công tắc nhiệt kế theo nhiệt độ yêu cầu,. Khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống, rơle nhận tín hiệu từ công tắc nhiệt kế, tác động vào van đóng nam châm điện để van mở hơi nước nóng vào thiết bị sưởi, nhiệt độ trong phòng tăng lên, dự liệu bù đắp được nhiệt lượng mất mát do thoát nhiệt ra môi trường bên ngoài. Khi nhiệt độ bên ngoài tăng lớn hon nhiệt độ yêu cầu, rơle mất tín hiệu, van hod nước nóng đóng lại. Như vậy nhiệt độ trong phòng không được đo lại để phản hồi về cơ cấu đóng mở van hơi nước nóng; mà nhiệt độ trong, phòng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng như độ mở của cửa sổ, các yếu tố truyền nhiệt ra ngoài như truyền nhiệt qua tường, gió v.v... Đặc điểm quan trọng trong dạng điều khiển này là đại lượng được điều khiển ( nhiệt độ trong p h ò n g ) không được kiểm soát. + Trường họp thứ 2, ĐKTĐ theo vòng lặp kín ( hình 1.10) Quá trình thực hiện theo nguyên tắc phản hồi, tức là đại lưọng được điều khiển (nhiệt độ trong phòng) được đo lường liên tục và dẫn trở lại so sánh với giá trị yêu cầu (mục tiêu điều khiển hay giá trị đặt). Kết quả so sánh này được đưa vào bộ điều chỉnh, từ đó TBĐK tạo ra tác động lên ĐTĐK để đảm bảo cho đại lượng được điều khiển có giá trị mong muốn (xấp xỉ gần nhất với giá trị đặt). Khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống, lượng nhiệt thoát ra ngoài khe cửa sổ, truyền nhiệt qua tường, m ái... nhiệt độ trong phòng giảm xuống. Các yếu tố ảnh hưởng khác như số người trong phòng thay đổi, số lần mở cửa ra v ào ... cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong phòng. Tất cả các yếu tố ảnh hưởng gây nên sự chênh lệch nhiệt độ trong phòng so với nhiệt độ yêu cầu gọi là những đại lượng nhiễu. Các đại lượng nhiễu này cũng không phải là 20
hằng số mà thay đổi. ở đây việc điều chỉnli là nhiệt độ trong phòng được kiểm soát liên tục để tác động loại trừ các ảnh hưởng của các nhiêu. Trong hình 1.10; A. Cảm biến nhiệt độ (1) D. Thiết bị sưởi ấm phòng (4) B. Van điện (2) E. Phòng c. Cơ cấu tác động (3, 5) (dùng van điều khiển lưu lượng) T l. Nhiệt độ yêu cầu T2. dòng điện T3. Lực hút T4. Độ mở của van lưu lượng T5. Lưọng nhiệt T6. Nhiệt độ trong phòng T7. Nhiệt độ bên ngoài T8. Các yếu tố thất thoát nhiệt A/ 21