BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG

Xét phương trình của dòng chảy ra khỏi bồn là dòng chảy hỗn loạn - Q1, Q2: biểu thị lưu lượng dòng chảy ở trạng thái ổn định - q1t: đại diện cho sự thay đổi nhỏ về lưu lượng chất lỏng đa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

MỤC LỤC

1 Chọn hệ thống 3

2 Mô tả sơ đồ khối của hệ thống 4

3 Tìm hàm truyền của hệ thống 5

4 Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa cơ cấu chấp hành cho hệ thống 6

4.1 Bơm chất lỏng 6

4.2 Động cơ điện 7

4.3 Van điều chỉnh dòng chảy 8

5 Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo cho hệ thống 10

5.1 Những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo 10

5.2 Chọn thiết bị đo cho hệ thống 11

6 Phân tích những điểm quan trọng trong việc xử lý tín hiệu 15

6.1 Bộ điều khiển pid và các phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID .15

6.2 Xử lý nhiễu 18

7 Mô phỏng 19

8 Nhận xét 21

9 Tài liệu tham khảo 22

2 | P a g e

1 Chọn hệ thống

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng là một hệ thống được thiết kế đặc biệt để kiểm soát mức chất lỏng trong bể chứa Mục đích chính của các hệ thống này là kiểm soát tốc độ mà máy bơm cung cấp chất lỏng đến bể và từ đó nó có thể đạt đến mứcmong muốn bên trong bể

Mục đích của hệ thống mức chất lỏng là duy trì một mức chất lỏng cụ thể bên trong bể Hệ thống kiểm soát mức chất lỏng được ứng dụng chính trong các quy trình công nghiệp

Bồn chứa nước có một đầu vào – một đầu ra (SISO) được cho như trong hình Lưulượng chất lỏng Q1 bơm vào bể có thể thay đổi Lưu lượng chất lỏng dẫn ra khỏi bể

Q2, qua van xả đặt gần đáy bể

2 Mô tả sơ đồ khối của hệ thống

Trong đó:

- Input: Là tín hiệu điện (U hoặc I - phụ thuộc vào tín hiệu đầu ra của cảm biến), tại độcao xác lập

- Output: Chiều cao thực tế của bồn nước

- Controller: Bộ điều khiển PID

- Actuator: Máy bơm

- Sensor: Cảm biến đo mức

4 | P a g e

3 Tìm hàm truyền của hệ thống

Ở trạng thái cân bằng động Q1 = Q2, mực nước trong bể không thay đổi

Sự thay đổi Q1 hoặc Q2 sẽ ảnh hưởng đến thể tích chất lỏng V trong bể, tức mức nước trong bể thay đổi theo

Xét phương trình của dòng chảy ra khỏi bồn là dòng chảy hỗn loạn

- Q1, Q2: biểu thị lưu lượng dòng chảy ở trạng thái ổn định

- q1(t): đại diện cho sự thay đổi nhỏ về lưu lượng chất lỏng đang đi vào so với giá trị trạng thái ổn định tại thời điểm t

- q2(t) :đại diện cho sự thay đổi nhỏ về lưu lượng chất lỏng đang đi ra so với trạng thái ổn định tại thời điểm t

- H: là mức nước ở trạng thái ổn định của chất lỏng bên trong bể

- h(t): là sự thay đổi của mức chất lỏng so với giá trị ở trạng thái ổn định tại thời điểm t

Giả sử rằng thiết diện ngang A của bồn là không đổi, ta có phương trình:

Đặt: τ = RA – hằng số thời gian của bồn nước

G = R – hệ số khuếch đại (ở giá trị xác lập) của hệ thống

độ khác nhau và đơn giản cho người công nhân vận hành.

Điều kiện làm việc khác nhau: Trong nhà, ngoài trời, độ ẩm cao, nhiệt độ cao, …Do vậy, tùy theo yêu cầu mà vật liệu chế tạo các bơm và cơ cấu truyền động phải chống chịu được với môi trường làm việc

Phân loại bơm theo cấu tạo:

Bơm cánh gạt: Bơm cánh gạt là một loại khác của bơm thủy lực Được thể hiện trong hình 4.1, nó bao gồm một rôto bù đắp trong một vỏ với các cánh gạt có thể thu vào Các cánh gạt có lò xo đẩy ra và bịt chặt vào vỏ máy Bởi vì có nhiều chất lỏng hơn giữa các cánh gạt trong nửa trên của vỏ ngoài so với dưới cùng, có sự chuyển dịch ròng của chất lỏng từ đầu vào đến cửa xả Trong một số thiết kế, vị trí của trục rôto có thể điều chỉnh được Càng bù đắp trục rôto, càng bơm nhiều chất lỏng Một máy bơm như vậy được gọi là máy bơm dịch chuyển biến thiên

Bơm pittong: sử dụng các piston nhỏ chuyển động qua lại để bơm chất lỏng Như thể hiện trong hình 4.2, máy bơm bao gồm một trục quay hình trụ và một vòng kim loại

6 | P a g e

Hình 4.1

Hình 4.2

được gọi là tấm xoay (không quay) Hình trụ chứa một số piston nhỏ thực hiện việc bơm thực tế Một đầu của mỗi piston cưỡi trên tấm swash Bởi vì tấm swash ở một góc với hình trụ, mỗi piston buộc phải chuyển động vào ra theo mỗi vòng quay của xi lanh Bằng cách thay đổi góc của tấm swash, lượng chất lỏng được bơm trên mỗi vòngquay sẽ thay đổi.

Bơm bánh răng: bao gồm hai bánh răng trong một vỏ bơm Khi các bánh răng quay, chất lỏng bị mắc kẹt trong các khoảng trống nhỏ giữa răng và vỏ (cả trên và dưới) và được chuyển tải từ đầu vào đến đầu ra Lưới giữa các bánh răng ở tâm đủ chặt để không có chất lỏng di chuyển qua một trong hai cách tại thời điểm đó Loại máy bơm này còn được gọi là bơm dịch chuyển tích cực bơm vì một lượng chất lỏng không đổi được bơm cho mỗi vòng quay của bánh răng

Bơm ly tâm (bơm cánh quạt) được sử dụng nhiều nhất vì mang nhiều ưu điểm: Kết cấu nhỏ gọn, làm việc tin cậy, bền, cột áp của bơm cao đạt hàng trăm mét và hiệu suất tương đối cao

4.2 Động cơ điện

Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn cơ học

Truyền động điện cho trạm bơm không yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, nếu được áp dụng thường là biện áp điều chỉnh điện áp cấp vào mạch sato Hiện nay, động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc được sử dụng khá nhiều trong các trạm bơm Việc

sử dụng động cơ không đồng bộ roto ngắn mạch dẫn đến một vấn đề là dòng mở máy đạt (5-7) định mức, nếu thời gian mở máy dài sẽ gây sụt áp cho thiết bị sử dụng chungnguồn và nguy hại bộ dãy động cơ

Tuy nhiên, tại các trạm bơm đặc biệt yêu cầu thay đổi lưu lượng các bơm, thì động cơ kéo bơm được dùng là loại không đồng bộ ba pha roto dây quấn, động cơ 1 chiều, nếu yêu cầu momen lớn thì động cơ động bộ được chọn

Hình 4.3

Môi trường làm việc của máy bơm thường rất khác nghiệt: Trên tàu thủy các việc tản nhiệt của bơm là khó khăn (vì không gian hẹp) nên nhiệt độ động cơ thường cao, nướcmặn gây ăn mòn kết cấu bơm, hóa chất, xăng dầu Trong các môi trường dễ cháy như xăng dầu, nhựa, …động cơ kéo thường không dùng loại một chiều hoặc không đồng

bộ roto dây quấn do khi làm việc gây ra tia lửa tại cổ góp và chổi điện dẫn đến cháy nổ

Ngoài ra còn các yếu tố khi lựa chọn động cơ:

 Công suất sử dụng cần thiết (tốc độ, momen xoắn, …)

 Độ chính xác khi vận hành và khả năng phản hồi tín hiệu tốt

 Cơ cấu điều khiển

 Điện áp và tần số phù hợp với lưới điện sẵn có, đang sử dụng

 Phổ biến, giá thành rẻ

 Khối lượng, kết cấu nhỏ gọn

4.3 Van điều chỉnh dòng chảy

Một loại cơ cấu chấp hành phổ biến được sử dụng trong hệ thống điều khiển quá trình

là van điều khiển dòng chảy, điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng Van điều khiển có một van vận hành tích hợp, cho phép nó được điều khiển từ xa bằng tín hiệu từ bộ điều khiển Thông thường, tín hiệu này là điện hoặc khí nén

Hình 4.4 cho thấy ba loại van điều khiển lưu lượng Hình 4.4 (a) cho thấy van bật-tắt, kích hoạt bằng điện từ Khi điện từ được cung cấp năng lượng, van sẽ được kéo mở,

và chất lỏng chảy Khi điện từ được khử khí hóa, một lò xo sẽ trả lại van đến vị trí đóng Van bật-tắt được sử dụng trong các quy trình hàng loạt (ví dụ, một máy giặt nơi bồn chứa được làm đầy đến mức quy định càng nhanh càng tốt, được kích hoạt trong một thời gian, sau đó trống rỗng) Nhiều quy trình đòi hỏi khả năng thay đổi lưu lượngcủa chất lỏng trong đường ống một cách liên tục Để làm được điều này, thân van phảiđược điều khiển bằng bộ truyền động tuyến tính của một số kiểu

Hình 4.4 (b) mô tả một van hoạt động bằng điện Trong trường hợp này, một điện động cơ dẫn động một trụ van kiểu trục vít, vì vậy nó có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào

8 | P a g e

Van hoạt động bằng khí nén sử dụng áp suất không khí làm tín hiệu điều khiển Được thể hiện ở Hình 4.4 (c), bạn có thể thấy rằng khi áp suất không khí tăng lên, màng ngăn sẽ di chuyển xuống (chống lại một lò xo) và đóng van Loại van này có thể được

sử dụng trong chế độ tắt mở hoặc ứng dụng dòng chảy thay đổi

Hình 4.4

5 Phân tích những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo cho hệ thống

5.1 Những điểm quan trọng khi chọn lựa thiết bị đo

5.1.1 Phương pháp đo mức nước

Phương pháp đo mức nước là một cách thức để có thể đo lường mứcnước hay mức chất lỏng một cách đơn giản nhưng hiệu quả và tối ưu nhất Vớicác phương pháp đo mức khác nhau có thể đo lường chính xác từng loại nướchay chất lỏng trong từng điều kiện môi trường khác nhau Phương pháp đo ảnhhưởng tới khoảng đo và tầm đo làm, điều này quyết định rất nhiều vào mức độphù hợp của thiết bị đo đối với hệ thống

Các phương pháp đo mức nước hiện nay cũng khá đa dạng, có thể kểđến như phương pháp đo mức nước bằng sóng siêu âm, đo mức nước bằngradar, đo mức nước bằng phương pháp thủy tĩnh, hay đo mức bằng phươngpháp điện dung

5.1.2 Độ chính xác

Độ chính xác là chất lượng của việc điều chỉnh hoặc tiếp cận những gì

được coi là đúng Độ chính xác trong các dụng cụ đo liên quan đến mức độ gần

gũi mà các kết quả đo được có với giá trị tham chiếu, còn được gọi là giá trịthực hoặc cường độ thực

Độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng hiệu chuẩn của thiết bị đượcnghiên cứu bằng phương pháp đo lường Độ chính xác của kết quả là chínhxác, nhưng kết quả chính xác không nhất thiết phải chính xác, vì kết quả có thểđược tập trung nhưng khác xa với giá trị thực

Độ chính xác quyết định tới độ tin cậy của hệ thống Việc hệ thống cóthể đạt được đúng yêu cầu hay không phụ thuộc vào mức độ chính xác của thiết

bị đo

5.1.3 Độ nhạy

Độ nhạy là tỷ số giữa biến thiên của tín hiệu ra với biến thiên của tínhiệu vào của phương tiện đo hoặc chính xác hơn là độ nhạy càng lớn thìphương tiện đo càng có khả năng phát hiện được những biến đổi nhỏ của đạilượng đo

Phân loại:

- Độ nhạy tuyệt đối

10 | P a g e

- Độ nhạy tương đối (thường dùng): tỷ số biến thiên đại lượng ra vớibiến thiên tương đối của đại lượng vào

5.1.4 Độ trễ băng thông

Độ trễ là thời gian cảm biến đo mức truyền dữ liệu tới bộ xử lý số liệu

để hệ thống có thể vận hành Thời gian này ảnh hướng tới thời gian làm việccủa toàn bộ hệ thống

Độ trễ băng thông là thuật ngữ dùng để chỉ sự chậm trễ thường phát sinhtrong xử lý dữ liệu của bộ xử lý Ngược lại với băng thông, độ trễ càng nhỏ thìtốc độ mạng càng nhanh và delay càng ít và ngược lại, độ trễ càng lớn thì tốc

độ mạng càng chậm và delay càng nhiều

5.1.5 Truyền dữ liệu

Chọn bộ cảm biến và bộ phận xử lý dữ liệu thống nhất chung một chuẩn

để thuận lợi trong quá trình nhận và truyền dữ liệu

5.2 Chọn thiết bị đo cho hệ thống

5.2.1 Các phương pháp và cảm biến đo mức thông dụng

- Phương pháp đo gián tiếp: đo một biến khác mà có liên quan đếnmực nước – đo áp suất tĩnh ở điểm nào đó trong vùng thể tích.Phương pháp này dựa trên cơ sở áp suất tĩnh tỉ lệ thuận với khốilượng riêng và chiều cao của khối chất lỏng phía trên điểm đo Các loại cảm biến đo mức cũng được phân thành hai loại

- Rời rạc: chỉ cảm nhận mực nước ở một giá trị nhất định nào đó

- Liên tục: cho ra một tín hiệu tương tự tỉ lệ với mực chất lỏng

 Cảm biến đo mức nước dạng phao

Đo mức nước bằng phao inox hoặc phao nhựa là phương pháp giám sátmực nước trong bồn đơn giản nhất; rẻ nhất; và cũng là cảm biến báo mức chấtlỏng có độ chính xác thấp nhất

Phao cảm biến mực nước hoạt động theo nguyên lý khi nước dâng đếnđâu thì phao nhựa hoặc phao inox nổi lên đến đó Cho đến khi nước làm chìmphao cho tín hiệu về báo đèn sáng lên đồng thời ngưng bơm Khi nước trong

bồn rút đi phao lại hạ thấp từ từ theo mức nước rút và tắt đèn khi phao và mứcnước có khoảng cách biểu thị cho việc gần cạn nước trong bồn

Trường hợp dùng phao; chúng ta thường thấy trong các nhà dân hoặcchung cư dùng để báo đầy bào tràn hay báo cạn mực nước

Phương pháp này cũng được áp dụng trong các nhà máy cũ Tuy nhiên;hiện nay việc sử dụng các dòng siêu âm; thủy tĩnh thay thế hoàn toàn dạngphao đang được triển khai rất nhiều đểm đảm bảo độ tin cậy báo về cao và tínhiệu ra giúp giám sát trên vi tính; điện thoại thông qua mạng internet

 Cảm biến đo mức nước thủy tĩnh

Cảm biến thủy tĩnh hay còn gọi phao đo mực nước dạng áp suất hoạtđộng theo nguyên lý áp suất nước ép vào đầu cảm biến thông qua bộ phận xử lýđưa về tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V (cảm biến đo mức 0-10V )

Thiết bị đo mực nước trong bể này bao gồm 1 dây cáp bọc nhựa bảo vệ

và một bộ phận xử lý tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện với lớp bảo vệ IP68chống nước xâm nhập Chủ yếu dùng để đo mức nước trong các bể nước sạch;nước thải Thường phao đo mức nước dạng thả chìm hay kết hợp với một bộhiển thị mức nước hoặc bộ điều khiển mức nước trong nước hợp nước gần đầyhoặc gần cạn để tránh cháy bơm hoặc tràn nước ra khỏi bể

Tuy nhiên; mặc dù có độ sai số dưới mức 0.5% nhưng thiết bị đo đượcbền nhất và tốt nhất trong môi trường nước bình thường Còn đối với môitrường nước thải; hầu hết các bể nước thải tại các khu công nghiệp đều chứacác tạp chất axit hóa chất ăn mòn nên thiết bị sẽ không được bền trong các môitrường nước thải công nghiệp

 Cảm biến báo mức nước dạng que

Thiết bị báo mức nước dạng que hay còn gọi đầu dò mực nước ( Phao tycực đo mức nước) Đây là dòng thiết bị có thiết kế gồm 1 que dò đường kính 6-8mm chiều dài tự do theo như cầu khách hàng; Và một đầu chứa vi mạchchuyển đổi thành các dạng tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V hoặc tín hiệu dạngtruyền thông

Que dò mực nước có 2 dạng chính: Đo mức liên tục xuất tín hiệu analoghoặc modbus rtu và dạng báo tràn báo cạn mức chất lỏng

Đa dạng chức năng và đo được tất cả các môi trường rắn lỏng như:Nước; nước sạch; khu vực nước nóng lò hơi; nước thải; xi măng; hạt nhựa;axit; hóa chất ăn mòn cao…

Độ sai số 1 mm….1% tùy loại với mức giá tương đối rẻ so với các dòngsiêu âm hoặc radar

Nhiệt độ chịu được max 300 oC và áp suất chịu được max 100 bar

12 | P a g e

 Cảm biến đo mức chất lỏng dạng điện dung

Cảm biến điện dung đo liên tục hoạt động theo nguyên lý cảm nhận mứcchất lỏng dâng lên dựa vào que điện cực và chuyển chiều cao mức nước thànhtín hiệu mới analog hoặc modbus để đưa về đọc trên bộ hiển thị hoặc PLC

Cảm biến điện dung đo on/off ( Phao báo cạn báo đầy dạng điện cực)hoạt động theo nguyên lý cảm biến gắn ngang Mực chất lỏng dâng lên vượtqua que điện cực thì cảm biến output tín hiệu PNP truyền về báo tràn và cần tắtbơm mực chất lỏng trong bồn gần cạn rút qua cảm biến gắn phái dưới sẽ kíchbơm để bơm chất lỏng vào

Tuy nhiên, để điều khiển được dạng tín hiệu PNP xuất ra từ cảm biến taphải kết hợp thêm rơle kiếng hay còn gọi rơ le trung gian

 Cảm biến đo mức dùng sóng siêu âm

Thiết bị đo mức chất lỏng với phương pháp đo bằng sóng siêu âm là mộttrong các loại cảm biến đo mức nước có độ chính xác rất cao; hầu hết sử dụng

đo mức nước; nước thải trong công nghiệp hoặc nước cất trong các nhà máysản xuất thuốc Đây được coi là cảm biến đo mức liên tục ra 4-20mA hay cảmbiến đo mức liên tục 0-10V hoặc cảm biến đo mức liên tục truyền thôngmodbus rtu

Hoặc đo mức Dầu Diezen; dầu Do trong các trạm xăng; Đo mức dầuđiều, dầu nành; dầu trong các nhà máy…

Điểm mạnh của dòng này là độ chính xác cao 0.15% Đây là một trongnhững mức đạt chuẩn Châu Âu Bên cạnh đó; do quá trình đo không ít xúc vớichất lỏng nên độ bền cao Tốc độ truyền tín hiệu nhanh Cài đặt thay đổi cácdãy đo một cách tự do mà không làm thay đổi độ sai số của thiết bị

Đo mức chất lỏng siêu âm dạng sóng cũng có 2 dòng đo liên tục và đoon/off tín hiệu output ra giống phao ty cực điện dung

Nguyên lý cảm biến siêu âm là bắn sóng Sóng chạm vào chất lỏng sẽphản hồi tín hiệu truyền về qua bộ phận xử lý đưa ra tín hiệu analog | Modbusrtu hay PNP rồi kết nối với bộ hiển thị mức nước liên tục để người dùng quansát mức nước

 Cảm biến đo mức chất lỏng bằng radar

Cảm biến báo mức radar hay còn gọi thiết bị đo cảm biến radar; đượcxem là một dòng thiết bị đo mức chất lỏng hoặc chất rắn có độ tín cậy cao; thờigian phản hồi tín hiệu nhanh

Đặc biệt; dòng cảm biến mức radar đo được tất cả các loại chất lỏngtrong công nghiệp với nhiệt độ và áp suất cao; trừ các dòng axit hóa chất ănmòn Bên cạnh đó; thiết bị radar còn đo mức chất rắn như xi măng trong cácsilo dạng tro bay hoặc đo mức xăng rất chính xác