Đang tải... (xem toàn văn)
Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định đến việc đảm bảo cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong muốn. Việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần thiết. Do vậy, Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp công nghiệp đã đảm nhận và đưa vào giảng dạy môn học Điều khiển quá trình nhằm giúp sinh viên có thể tiếp cận được các khái niệm, lý thuyết và làm quen với những hệ điều khiển quá trình. Vấn đề đặt ra là cần phải có những mô hình thí nghiệm để cho sinh viên có thể thực hành những lý thuyết đã được học vào trong thực tế. Xuất phát từ nhu cầu thực nghiệm đó, chúng em đã thực hiện đề tài: “ Thiết kế và xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình đa biến”.Nội dung chính của đồ án mà em thực hiện gồm:Tổng quan về điều khiển quá trình.Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trìnhXây dựng mô hình thí nghiệm.Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển.Thực nghiệm trên mô hìnhQua những bài thí nghiệm điều khiển quá trình mà chúng em xây dựng, sinh viên có thể tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển, vai trò của các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển…Các bước tiến hành trong quá trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển.
MỤC LỤC Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ 3 Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU 4 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt MV Manual Valve Van tay CV Control Valve Van điều khiển PV Proportioning Valve Van tỉ lệ SV Solenoid Valve Van từ LT Level Transmister Thiết bị đo mức TT Temperature Transmister Thiết bị đo nhiệt FT Flow Transmister Thiết bị đo lưu lượng PI Pump In Bơm đầu vào PO Pump Out Bơm đầu ra IMC Internal Model Control Điều khiển mô hình nội 5 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn phát triển ngày nay, điều khiển quá trình đã và đang giữ một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, công nghệ thực phẩm… quyết định đến việc đảm bảo cho các dây chuyền sản xuất đạt được năng suất và chất lượng mong muốn. Việc học tập và thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần thiết. Do vậy, Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp công nghiệp đã đảm nhận và đưa vào giảng dạy môn học Điều khiển quá trình nhằm giúp sinh viên có thể tiếp cận được các khái niệm, lý thuyết và làm quen với những hệ điều khiển quá trình. Vấn đề đặt ra là cần phải có những mô hình thí nghiệm để cho sinh viên có thể thực hành những lý thuyết đã được học vào trong thực tế. Xuất phát từ nhu cầu thực nghiệm đó, chúng em đã thực hiện đề tài: “ Thiết kế và xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình đa biến”. Nội dung chính của đồ án mà em thực hiện gồm: - Tổng quan về điều khiển quá trình. - Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình - Xây dựng mô hình thí nghiệm. - Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển. - Thực nghiệm trên mô hình Qua những bài thí nghiệm điều khiển quá trình mà chúng em xây dựng, sinh viên có thể tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển, vai trò của các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển…Các bước tiến hành trong quá trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển. Trong 4 tháng thực hiện đồ án, được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo ThS. Vũ Thụy Nguyêncùng các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, các cán bộ nhân viên trung tâm HITECH, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án ngắn và khối lượng công việc lớn, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn. Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện Bùi Thanh Sơn 1 Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình 1.1.1. Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá trình công nghệ là sự diễn biến (biến đổi) lý hóa trong dây chuyền, thiết bị công nghệ của dòng nguyên vật liệu đầu vào để tạo ra dòng sản phẩm đầu ra. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Hình .1.Quá trình công nghệ và phân loại các quá trình công nghệ. • Biến vào : là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơ-le sợi đốt, … • Biến ra : là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ : nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải, … • Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần một giá trị mong muốn hay giá trị 7 Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo /tín hiệu mẫu (command variable/reference signal). Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. • Biến điều khiển (manipulated variable) là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. • Nhiễu là những biến thiên không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu tác động lên quá trình một cách không mong muốn vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là những biến tác động lên quá trình công nghệ một cách cố hữu nhưng ta không thể can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, …Còn nhiễu đo (hay nhiễu tạp) là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được. 1.1.2. Phân loại quá trình Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Nếu 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 biến vào – một biến ra còn được gọi là SISO (single input – single outpur), quá trình nhiều biến vào – nhiều biến ra được gọi là MIMO (multi input – multi putput). Hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến. Dựa vào đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta có thể phân loại các quá trình thành các loại sau : • Quá trình liên tục : Các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự. Ví dụ cho quá trình liên tục là quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng, … 8 Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình • Quá trình gián đoạn (quá trình không liên tục) : có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. • Quá trình rời rạc : Các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Ví dụ như quá trình đóng bao, quá trình lắp ráp,… • Quá trình mẻ : là một quá trình hỗn hợp, có đặc trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quy trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ. Ví dụ quá trình mẻ như các phản ứng hóa học. quá trình pha chế, lên men (bia, rượu), 1.1.3. Khái niệm điều khiển quá trình 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 công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc, môi trường. 1.1.4 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Điều khiển quá trình có các chức năng sau : • Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru. Đây là yêu cầu trước tiên bởi vì thứ nhất, một quá trình ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng về vật chất và năng lượng tức là đảm bảo được yêu cầu về chế độ làm việc; thứ hai là tuổi thọ của cơ cấu chấp hành được nâng cao do tín hiệu điều khiển ít thay đổi; và thứ ba, chỉ khi quá trình đạt ổn định thì yêu cầu về năng suất, chất lượng sản phẩm mới có thể thực hiện được. • Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm : Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm 9 Chương 1. Tổng quan về điều khiển quá trình trong phạm vi yêu cầu Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, các biến quá trình không những phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ mà còn phải được điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một phạm vi cho trước. Theo đó, điễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng. • 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 sự cố.Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định để đảm bảo giới hạn an toàn cho phép như mức, nhiệt độ, áp suất. Tuy nhiên nguy cơ xảy ra lỗi ngay cả ở những hệ thống thiết bị tự động tối tân nhất không phải không có nên vai trò theo dõi, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống thiết bị của con người một cách thường xuyên là rất quan trọng. • Bảo vệ môi trường : Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.Mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng nhưng một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh và chức năng vận hành. • Nâng cao hiệu quả kinh tế : Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường.Mục đích cuối cùng của việc ứng dụng điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về lâu dài. Thông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất. Một trong những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép. Như vậy cùng với việc lựa chọn điểm làm việc tối ưu thì chất lượng điều khiển tốt nhất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. 10 [...]... Chương 3 Xây dựng mô hình thí nghiệm Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 3.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình 3.1.1 Các thiết bị chấp hành a) Van điều khiển CV (Control Valve) Mô hình sử dụng van điều khiển là van điện có chốt xoay hình trụ ECV-250-4X của hãng OMEGA Hình 3.1 Hình dáng van điều khiển ECV – 250B – 4X Hình 3.2 Hình dạng thực tế của van điều khiển 28 Chương 3 Xây dựng mô hình thí nghiệm. .. bàn thí nghiệm điều khiển quá trình là khảo sát, thiết kế bộ điều điều khiển cho một quá trình đa biến sử dụng bộ tách kênh decoupler 2.2 Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển 2.2.1 Xây dựng mô hình bình trộn nhiệt Đối với bài toán của mô hình thí nghiệm, yêu cầu đặt ra là điều khiển để giữ ổn định nhiệt độ và mức nước trong bình trộn Phương pháp được lựa chọn là thông qua điều khiển độ mở các van điều. .. điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, các thiết bị điều khiển có thể chia làm 3 loại: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số và thiết bị điều logic 18 Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình Chương 2 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BÀN THÍ NGHIỆM... THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 2.1 Mục đích thí nghiệm Trong điều khiển quá trình, có rất nhiều lý thuyết trợ giúp người thiết kế cho việc thiết kế các sách lược điều khiển cho hệ đơn biến (một biến vào, một biến ra) trong đó biến ra chỉ chịu ảnh hưởng của một biến vào điều khiển. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống thực tế lại không đơn giản như vậy, mà là các hệ đa biến (nhiều biến vào và nhiều biến ra)... bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp 17 Chương 1 Tổng quan về điều khiển quá trình Hình 1 Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiển Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/ sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều. .. Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình • Vòng điều khiển mức L: điều khiển và giữ ổn định mức nước trong bình trộn Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng dòng nước nóng F2 thông qua điều khiển độ mở của van điều khiển CV2 Theo phương trình( 2.6) và (2.7), ta có thể thấy sự tác động xem kênh giữa 2 vòng điều khiển Khi một đầu vào của quá trình thay đổi...Chương 1 Tổng quan về điều khiển quá trình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 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 chấp hành và thiết bị điều khiển Hình 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 1.2.1 Thiết bị đo Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung... của thiết bị đo nhiệt độ 2.3 Các vòng điều khiển và giải pháp cho hệ thống 2.3.1 Các vòng điều khiển Từ mô hình thí nghiệm ta có thể thấy 2 vòng điều khiển đơn: • Vòng điều khiển nhiệt độ T3: điều khiển và giữ ổn định nhiệt độ của nước trong bình trộn Vòng điều khiển này được thực hiện nhờ việc điều khiển lưu lượng dòng nước nóng F1 thông qua điều khiển độ mở của van điều khiển CV1 24 Chương 2 Thiết kế. .. của thiết bị càng nhanh và sai số động của phép đo càng nhỏ 1.2.2 Thiết bị chấp hành Một hệ thống /thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Thông qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng vì thế van điều khiển. .. mA, 12-36 VDC Nhiệt độ làm việc: từ -40oC đến 60oC Hình 3.7.Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển b) Thiết bị đo nhiệt độ Mô hình sử dụng thiết bị đo nhiệt là loại nhiệt kế điện trở CF-000-RTD-4-60-2 của hãng OMEGA Hình 3.8 Hình ảnh thiết bị đo nhiệt 32 Chương 3 Xây dựng mô hình thí nghiệm Hình 3.9 Lắp đặt thiết bị đo nhiệt trong mô hình Thông số kỹ thuật: • • • • • • • Phạm vi đo: 2oC– . việc xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển quá trình là khảo sát, thiết kế bộ điều điều khiển cho một quá trình đa biến sử dụng bộ tách kênh decoupler. 2.2. Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển 2.2.1 khiển quá trình - Xây dựng mô hình thí nghiệm. - Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển. - Thực nghiệm trên mô hình Qua những bài thí nghiệm điều khiển quá trình mà chúng em xây dựng, sinh viên có. nghiệm điều khiển quá trình đa biến . Nội dung chính của đồ án mà em thực hiện gồm: - Tổng quan về điều khiển quá trình. - Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình - Xây