Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Nghề: Khoan khai thác dầu khí - Cao đẳng) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình; Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình; Vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHỀ: KHOAN KHAI THÁC DẦU KHÍ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 211/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022
của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)
Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 202 2
(Lưu hành nội bộ)
Trang 3LỜI GIỚI THIỆU
Tài liệu này thuộc giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo được lưu hành trong trường Cao đẳng Dầu khí; các nguồn thông tin được sử dụng để tham khảo biên soạn/hiệu chỉnh giáo trình có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích đào tạo
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, quá trình hiện đại hóa góp phần đưa các quá trình sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp ngày càng hiện đại với mức độ tự động hóa ngày càng cao Các giải pháp điều khiển hiện đại góp phần nâng cao mức độ tự động hóa của các dây chuyển sản xuất để tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản xuất, tăng sức cạnh tranh trên thị trường, nhưng đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn cho các hệ thống điều khiển tự động và cho những người kỹ sư thiết kế điều khiển quá trình Vì vậy, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp và việc trang bị các kiến thức về điều khiển quá trình là vấn đề cốt lõi đối với học sinh, sinh viên các trường thuộc khối kỹ thuật như ngành vận hành thiết bị chế biến dầu khí, ngành sửa chữa thiết bị tự động hóa
Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình được biên soạn để làm tài liệu cho đối tượng
là học sinh, sinh viên trình độ trung cấp, cao đẳng nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí
Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp Trường Cao Đẳng Dầu khí, đặc biệt là giáo viên TBM Tự động hóa Giáo trình biên soạn dựa trên tài liệu từ nhiều nguồn giáo trình và tham khảo từ thực tế các nhà máy trong ngành Dầu khí nên không tránh khỏi một số sai sót về sự phù hợp và phát triển công nghệ Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý, xây dựng của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn
Chân thành cảm ơn
Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 06 năm 2021
Tham gia biên soạn
1 Chủ biên: ThS Phạm Thị Thu Hường
2 ThS Phan Đúng
3 ThS Nguyễn Xuân Thịnh
Trang 4Trang 2
MỤC LỤC
1.1 QUÁ TRÌNH LÀ GÌ 9
1.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 10
1.3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 11
2.1 SƠ ĐỒ CỦA MỘT VÒNG ĐIỀU KHIỂN 5
2.2 Ba nhiệm vụ của một vòng điều khiển 6
2.2.1 Nhiệm vụ của thiết bị đo: 6
2.2.2 Nhiệm vụ thiết bị điều khiển: 7
2.2.3 Nhiệm vụ của thiết bị chấp hành: 7
2.3 CÁC THUẬT NGỮ 8
2.4 CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN 10
2.4.1 Điều khiển bằng tay (Manual Control) 10
2.4.2 Điều khiển tự động (Automatic control) 10
2.4.3 Điều khiển tầng (Cascade control) 11
2.4.4 Điều khiển vòng hở 13
2.4.5 Điều khiển vòng kín 14
2.5 BẢN VẼ P&ID 15
2.5.1 Các biểu tượng thiết bị đo 15
2.5.2 Đường liên kết 16
2.5.3 Số thẻ thiết bị và nhận dạng chữ cái viết tắt 17
3.1 ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG Ở CHẾ ĐỘ BẰNG TAY (MANUAL CONTROL) 6
3.2 Điều khiển lưu lượng ở chế độ tự động (AUT) 8
3.3 Điều khiển lưu lượng ở chế độ tầng (Cascade) 9
3.3.1 Dò tìm PID bằng phương pháp dao động vòng kín-tận cùng: 9
3.3.2 Quy trình dò tìm PID 10
3.3.3 Chuẩn bị 10
3.4 Quy trình thực tập 15
Trang 5DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Quá trình và các biến quá trình 9
Hình 2-1: Sơ đồ khối của một vòng điều khiển 5
Hình 2-2: Ví dụ hệ thống điều khiển nhiệt độ 6
Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị đo 7
Hình 2-4: Sơ đồ khối thiết bị điều khiển 7
Hình 2-5: Sơ đồ khối thiết bị chấp hành 8
Hình 2-6: Ký hiệu các thuật ngữ sử dụng trong một vòng điều khiển quá trình 8
Hình 2-7: Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thủ công 10
Hình 2-8: Điều khiển nhiệt độ tự động 11
Hình 2-9: Điều khiển tầng cho thiết bị gia nhiệt hơi nước 12
Hình 2-10: Sơ hệ thống điều khiển vòng hở 13
Hình 2-11: Ví dụ về điều khiển nhiệt độ bằng vòng hở 14
Hình 2-12: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 15
Hình 2-13: Ví dụ điều khiển nhiệt độ bằng vòng kín 15
Hình 2-14: Biểu tượng thiết bị đo 16
Hình 2-15: Kí hiệu các đường liên kết 17
Hình 2-16: Ký hiệu khu vực trong thẻ thiết bị 18
Hình 2-17: Ký hiệu chữ cái đầu tiên trong thẻ thiết bị 18
Hình 3-1: Sơ đồ P&ID của hệ thống điều khiển lưu lượng 6
Hình 3-2: Xác định PID sử dụng đường phản ứng với luật Ziegler & Nichols 8
Hình 3-3: Bảng tính thông số P, I, D 8
Hình 3-4: Ví dụ về điều khiển tỉ số cho quá trình dòng 9
Hình 3-5: Đáp ứng PV từ phương pháp tận cùng Zigler Nichol 10
Hình 3-6: Dao động của điều khiển vòng kín 10
Hình 3-7: Sơ đồ P&ID và độ mở van 11
Hình 3-8: Bản vẽ điều khiển của điều khiển theo tỷ số 12
Hình 3-9: Tổng quan của phòng thực hành 13
Hình 3-10: LAB2; điều khiển dòng theo tỷ số 13
Hình 3-11: Mẫu của độ mở van 14
Hình 3-12: Cửa sổ Tuning của FIC021 16
Trang 6Trang 4
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng chữ cái la-tinh thường dùng cho các kí hiệu của thiết bị đo lường 19Bảng 3.1: Tính PID bằng phương pháp tận cùng Zigler Nichol 10
Trang 7GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN
1 Tên mô đun: Cơ sở điều khiển quá trình
2 Mã mô đun: AUTM512111
Thời gian thực hiện mô đun: 45 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành: 30 giờ)
Số tín chỉ: 02
3 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:
3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun/môn học cơ sở của chương trình đào tạo Môn
đun này được dạy sau các môn học chung
3.2 Tính chất: Mô đun Cơ sở điều khiển quá trình (CSĐKQT) trang bị những kiến thức
về cơ bản về chức năng, nhiệm vụ của một vòng điều khiển cũng như chức năng của từng thành phần trong một vòng điều khiển Ngoài ra người học sẽ lĩnh hội được các thuật ngữ chuyên ngành về điều khiển quá trình, các ký hiệu, biểu tượng và đường liên kết thiết bị trên bản vẽ thiết bị đo lường tự động hoá (P&ID) và bản vẽ dòng công nghệ (PFD) đồng thời vận hành được hệ thống điều khiển lưu lượng ở chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều khiển tự động
3.3 Ý nghĩa và vai trò của môn học/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 vận hành thiết bị chế biến dầu khí, vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí và khoan khai thác dầu khí 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 nhằm cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản thuộc lĩnh vực công nghiệp quá trình: (1) tầm quan trọng của điều khiển quá trình; (2)
Cơ sở lý thuyết điều khiển quá trình: vòng điều khiển, các thành phần cơ bản trong một vòng điều khiển và các thuật ngữ thông dụng; (3) Điều khiển lưu lượng vòng phản hồi đơn và tỉ lệ Qua đó, giáo trình cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản về điều khiển quá trình và qui trình vận hành hệ thống điều khiển ở chế độ Manual, Automatic và Cascade
4 Mục tiêu mô đun:
Sau khi học xong mô-đun này, người học có khả năng:
Trang 8C1 Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc;
C2 Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn trong phòng điều khiển và khi vận hành
hệ thống điều khiển;
C3 Thực hiện vệ sinh công nghiệp sau khi thực hiện công việc
5 Nội dung mô đun:
5.1 Chương trình khung:
STT Mã
MH/MĐ/HP Tên môn học, mô đun
Số tín chỉ
Thời gian đào tạo (giờ)
Tổng
số
Trong đó
Lý thuyết
Thực hành/
thí nghiệm/
bài tập/
thảo luận
Thi/ Kiểm tra
II Các môn học, mô đun
chuyên môn ngành, nghề 64 1575 443 1052 31 49 II.1 Môn học, mô đun kỹ thuật cơ
10 AUTM52111 Cơ sở điều khiển quá trình 2 45 14 29 1 1
II.2 Môn học, mô đun chuyên
môn ngành, nghề 51 1320 323 930 22 45
Trang 916 PETD62035 Địa chất môi trường 2 30 28 0 2 0
Thời gian (giờ)
Tổng
số
Lý thuyết
Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập
Kiểm tra
LT TH
2 Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều
2.2 3 nhiệm vụ của một vòng điều
2.3 Các thuật ngữ
2.4 Các loại điều khiển
2.5 Bản vẽ P&ID
Trang 10Trang 8
Số
Thời gian (giờ)
Tổng
số
Lý thuyết
Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập
Điều khiển lưu lượng ở chế độ
điều khiển bằng tay
6 Điều kiện thực hiện mô-đun:
6.1 Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng:
- Phòng học lý thuyết: đáp ứng phòng học chuẩn
- Phòng thực hành: phòng DCS
6.2 Trang thiết bị máy móc:
- Máy tính, máy chiếu, bảng, phấn, bút viết bảng/phấn trắng và màu, giẻ lau
Trang 11o Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc;
o Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn trong phòng điều khiển và khi vận hành hệ thống điều khiển;
o Thực hiện vệ sinh công nghiệp sau khi thực hiện công việc
7.2.2 Kiểm tra định kỳ:
- Số lượng bài: 02
- 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: Stt Bài kiểm
tra
Hình thức kiểm tra
Nội dung
Chuẩn đầu ra đánh giá
Thời gian
1 Bài số 1 Lý thuyết: trắc
nghiệm/tự luận
bài 1, bài 2
A1, A2, A3, A4, C1
- Chuẩn đầu ra đánh giá: A1, A2, A3, A4, B1, C1, C2, C3
8 Hướng dẫn thực hiện mô-đun
8.1 Phạm vi áp dụng chương trình
- Chương trình mô đun này được áp dụng cho các nghề vận hành thiết bị chế biến dầu khí, vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, khoan khai thác dầu khí trình
độ trung cấp và cao đẳng
8.2 Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy, học tập môn học:
- 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
Trang 12Trang 10
+ 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 6-8 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 cần tham khảo:
- Tài liệu tiếng Việt:
[1] TS Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2016
- Tài liệu nước ngoài:
[1] Instrumentation Level 1, third edition, NCCER, 2015
[2] Fundamentals of Pcocess Control, PAControl.com, 2006
[3] Yokogawa Vietnam Ltd company, 2021, Tài liệu lưu hành nội bộ “Laboratory Centum VP Manual”, Yokogawa Vietnam Ltd Company
Trang 131 BÀI 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
GIỚI THIỆU BÀI 1:
Bài 1 giới thiệu cơ bản về lý thuyết điều khiển quá trình, bao gồm các khái niệm về quá trình, điều khiển quá trình, và tầm quan trọng của ứng dụng điều khiển quá trình trong các nhà máy công nghiệp
MỤC TIÊU BÀI 1:
Sau khi học xong bài 1, người học có khả năng:
+ Trình bày được định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, vòng điều khiển;
+ Mô tả được tầm quan trọng của điều khiển quá trình về mặt biến thiên, hiệu quả và
an toàn
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); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập bài1 (cá nhân hoặc nhóm)
+ Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hoàn thành đầy
đủ câu hỏi thảo luận/bài tập theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định
ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1
+ Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: trạm điện, xưởng thiết bị tĩnh – thiết bị động + 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, gang tay cách điện, sào cách điện, thang, nón bảo hộ
+ 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: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng
+ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ 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
Trang 14Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|9
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 QUÁ TRÌNH LÀ GÌ
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ Trạng thái hoạt động và biểu diễn của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh hoạ như Hình 1.1 Trong đó, một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động bên ngoài vào quá trình, một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài Khi các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả thì mối quan hệ giữa hai biến này sẽ thể hiện mối quan hệ nhân - quả Bên cạnh các biến vào
ra, đối với điều khiển quá trình thì người ta rất quan tâm đến các biến trạng thái
Hình 1-1: Quá trình và các biến quá trình Một quá trình có thể được phân loại theo nhiều quan điểm (tiêu chí) khác nhau Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào biến ra Một 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 vào – một ra còn được gọi tắt là SISO (single – input single – output), quá trình nhiểu vào nhiều ra được gọi là MIMO (multi – input multi – output) Có thể nói hầu hết các công nghệ đều là đa biến
Dựa trên đặc tính của đại lượng đặc trưng ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ
QUÁ TRÌNH
Trang 15Trong quá trình liên tục các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành
Một quá trình gián đoạn có bản chất giống như quá trình liên tục tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm nhất định
Trong một quá trình rời rạc các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình
Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp có đặc trưng của cả quá trình liên tục và rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác (công thức) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn tương ứng với một mẻ
Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp
1.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Điều khiển quá trình là lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hoá chất Trong nội dung của giáo trình này, 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, điều khiển quá trình nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau: Phân loại dựa vào số lượng biến vào và biến ra chúng ta có các quá trình: đơn biến (SISO - một biến vào và một biến ra) và quá trình đa biến (MIMO - nhiều biến vào nhiều biến ra)
Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thàng quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ
Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt giữa bài toán điều chỉnh và bài toán bám trong điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều chỉnh là thiết lập hoạc duy trì đầu ra tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều khiển bám là đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi Trong điều khiển quá trình thì điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu, bởi các giá trị đặt thường cố định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình thường Các bài toán điều khiển bám được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực điều khiển máy móc hay tốc độ
Lĩnh vực ứng dụng điều khiển quá trình là các ngành công nghiệp chế biến, khai thác
và năng lượng Để có thể thiết kế cũng như vận hành tốt các hệ thống điều khiển quá trình, trước hết người kỹ sư điều khiển cần hiểu rõ các vấn đề đặc thù trong lĩnh vực này
+ Qui mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy mô vừa và lớn
Trang 16Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình Trang|11
+ Độ tin cậy và tính sẵn sàng: Là một yêu cầu cần thiết trong các nhà máy, bởi sự ngưng trệ sản xuất trong ít giờ hoặc ít ngày có thể dẫn đến sự thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế
+ Chức năng điều khiển: Đây là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một
hệ thống điều khiển quá trình, quyết định đến chất lượng điều khiển của cả hệ thống
+ Khả năng vận hành và điều khiển của quá trình: Khả năng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ và các điều kiện ràng buộc liên quan Các quá trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư nhưng lại gây khó khăn cho thiết kế điều khiển
1.3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau:
+ Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện
+ Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo
kế hoạch sản xuất và duy trì thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu
+ 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 xảy ra sự cố
+ Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiểm môi trườngthông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu
+ Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công và nguyên liệu, nhiên liệu đầu vào
+ Những mục đích điều khiển được phân tích ở trên sẽ quyết định đến việc thiết
kế một hệ thống điều khiển quá trình
❖ TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 1:
+ Quá trình là gì
+ Điều khiển quá trình
+ Tầm quan trọng của điều khiển quá trình
❖ CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 1:
Trang 17Câu 1: Hãy cho biết nhiệm vụ của điều khiển quá trình?
A Giảm sự biến thiên (giảm sai lệch giữa sản phẩm thực so với tiêu chuẩn)
B Nâng cao hiệu suất
C Đảm bảo an toàn cho người, thiết bị và môi trường
Câu 4: Một vòng điều khiển thông thường bao gồm các thiết bị nào?
A Transmitter, Controller và Display
B Đồng hồ đo, máy tính và động cơ
C Transmitter, Controller và FCE
D Sensor, PLC và Control Valve
Trang 18Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|4
2 BÀI 2: CƠ BẢN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
GIỚI THIỆU BÀI 2:
Bài 2 giới thiệu cơ bản về lý thuyết điều khiển quá trình, bao gồm các khái niệm về quá trình, điều khiển quá trình, phân loại quá trình, các loại vòng điều khiển, các sách lược điều khiển cơ bản và bản vẽ P&ID Bên cạnh đó, nhận biết được ký hiệu và thuyết minh được ký hiệu của thiết bị, đường kết nối và vị trí của chúng là một kỹ năng cực kỳ quan trọng của một người vận hành (OPERATOR) hệ thống điều khiển hay vận hành thiết bị
và những nội dung kiến thức và kỹ năng đọc bản vẽ P&ID và PFD được diễn giải ở phần cuối của bài 2
MỤC TIÊU BÀI 2:
Sau khi học xong bài 2, người học có khả năng:
+ Mô tả được 3 nhiệm vụ chính để tạo thành một vòng điều khiển quá trình: đo lường,
so sánh và điều chỉnh;
+ Diễn giải được các định nghĩa về thuật ngữ chuyên ngành điều khiển quá trình: biến quá trình, biến thao tác, giá trị đặt, biến được đo, sai số, offset, nhiễu tải, thuật toán…
+ Liệt kê được ít nhất 05 biến quá trình thông dụng trong lĩnh vực đo lường điều khiển;
+ Phân biệt được các loại điều khiển: điều khiển bằng tay và điều khiển tự động, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở;
PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 2”
+ Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập bài1 (cá nhân hoặc nhóm)
+ Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận/bài tập theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định
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
+ Các điều kiện khác: không có
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 2
Nội dung:
Trang 19+ Kiến thức: Kiểm tra và 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 kĩ năng
+ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ 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
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: 01 bài
NỘI DUNG BÀI 2
2.1 SƠ ĐỒ CỦA MỘT VÒNG ĐIỀU KHIỂN
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, 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 điều khiển và thiết bị chấp hành Để thể hiện
mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống điều khiển người ta dùng một loại sơ
đồ gọi là sơ đồ khối (Hình 2.1) Sơ đồ khối là cách thể hiện nguyên lý tác động của các phần tử trong hệ thống Ưu điểm của loại sơ đồ này là thể hiện được rõ ràng những quá trình xảy ra trong thực tế Ngoài ra, sơ đồ còn giúp ta xây dựng dễ dàng các mối quan
hệ tác động tương hỗ giữa các phần tử và toàn bộ hệ thống
Hình 2-1: Sơ đồ khối của một vòng điều khiển
Trong đó, các thuật ngữ:
+ Giá trị đặt: Setpoint (SP) hoặc Set value (SV)
+ Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)
+ Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV)
Trang 20Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|6
+ Biến được điều khiển: Controlled Variable (CV), Process Variable (PV) + Đại lượng đo: Measured Variable
2.2 Ba nhiệm vụ của một vòng điều khiển
Để thấy một cách sơ lược nhiệm vụ của một vòng điều khiển ta xét một ví dụ điều khiển nhiệt độ dưới đây
Hình 2-2: Ví dụ hệ thống điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến là cặp nhiệt điện TC, tín hiệu điện áp ra được bộ chuyển đổi (Transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4÷20 mA và đưa tới bộ điều khiển DCS Tín hiệu này sẽ được chuyển thành tín hiệu số bởi khâu A/D trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số Giá trị nhiệt độ TSP được người vận hành đặt từ trạm vận hành Bộ điều khiển DCS sẽ thực hiện so sánh giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cài đặt giá trị được khâu biến đổi D/A chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng điện để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành) Cuối cùng tín hiệu điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành tín hiệu khí nén 0.2÷1 bar để thay đổi độ mở van cấp dòng nóng Lưu lượng dòng nóng F1 được thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T tới giá trị TSP Từ
2.2.1 Nhiệm vụ của thiết bị đo:
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào
đó với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo chuẩn Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu Để có thể truyền đi xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được
Trang 21khuếch đại, điều hoà và chuyển đổi sang dạng thích hợp Một bộ chuyển đổi đo chuẩn
là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn
Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị đo
2.2.2 Nhiệm vụ thiết bị điều khiển:
Thiết 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 nhiệt Trên cơ sở các tín hiệu đo và một sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình nhiệt thông qua các thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc thiết bị điều khiển số
Hình 2-4: Sơ đồ khối thiết bị điều khiển
2.2.3 Nhiệm vụ của thiết bị chấp hành:
Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện tác động tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành thường dùng trong điều khiển các quá trình nhiệt và các van điều khiển, động cơ máy nén, máy bơm, quạt gió, động cơ servo Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình nhiệt Một thiết bị chấp hành bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ sở chấp hành hay cơ cấu dẫn động và phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng, trong khi phần tử điều khiển can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển
Trang 22Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|8
Hình 2-5: Sơ đồ khối thiết bị chấp hành Hầu hết các phần tử cuối phổ biến trong vòng điều khiển là một số loại van được gắn trên đường ống quá trình Các ví dụ về các phần tử điều khiển khác là bơm và các thiết bị điều khiển động cơ khác
2.3 CÁC THUẬT NGỮ
Hình 2.6 dưới đây trình bày chi tiết về các thành phần cơ bản về hệ thống điều khiển quá trình và các thuật ngữ được sử dụng trong hệ thống điều khiển quá trình
Hình 2-6: Ký hiệu các thuật ngữ sử dụng trong một vòng điều khiển quá trình
Biến quá trình – PV (Process Variable): Là một trạng thái của chất lỏng quá
trình (ở dạng lỏng hoặc dạng khí) có thể thay đổi được theo một cách thức nào đấy Những biến quá trình phổ biến: áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nhiệt độ (T), nồng độ (D), độ pH, mặt phân cách chất lỏng…
Giá trị đặt - SP/SV (Set Point; Set Value): là giá trị mong muốn do người vận
hành đặt từ trạm vận hành hay do một chương trình điều khiển cao cấp trên trạm vận hành tính toán và đưa xuống Trong điều khiển kết quả càng gần với giá trị đặt càng tốt Nói cách khác, giá trị đặt chính là giá trị mà biến quá trình mong muốn đạt đến và ổn định tại đấy
Ví dụ: Nếu nhiệt độ quá trình cần được giữ ở 100±5℃ thì SV = 100 ℃
SV cũng có thể là giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất
Trang 23Ví dụ: mức chất lỏng trong bồn không được vượt quá 20 ft, như vậy SV = 20 ft
Tín hiệu điều khiển - CO (Control Signal; Control Output): Đây là tín hiệu được
bộ điều khiển tính toán dựa trên giá trị đo và giá trị mong muốn bằng các thuật toán được cài đặt sẵn, sau đó truyền đến thiết bị chấp hành
Nếu xét trong một vòng điều khiển đơn thì CO chính là tín hiệu ngõ ra từ bộ điều khiển
Biến điều khiển/biến thao tác - MV (Control Variable; Manipulated Variable): là
một biến của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài qua đó tác động tới biến được điều khiển theo ý muốn
Vị trí của các biến chính trong một vòng điều khiển đơn như sau:
Biến được điều khiển - CV (Controlled Variable): là một biến trạng thái của quá
trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với giá trị mong muốn
Biến được đo - PV (Measured Variable; Process Value): là giá trị của quá trình
công nghệ, mà thiết bị đo đo được và chuyển đổi thành tín hiệu đo tiêu chuẩn Thông thường, biến quá trình PV và biến được đo là một, nhưng trong một số trường hợp thì hai biến này lại khác nhau Chẳng hạn như trong một vòng điều khiển mức (hình dưới đây), thiết bị đo là transmitter chênh áp thì biến được đo chính là áp suất chênh lệch (ΔP) trong khi đó biến quá trình là mức chất lỏng trong bồn và 2 biến này có quan hệ với nhau như sau:
∆𝑃 = 𝛾 ℎ Trong đó:
ΔP: áp suất chênh lệch
γ: trọng lượng riêng của chất lỏng trong bồn
ℎ: mức chất lỏng trong bồn (chiều cao cột chất lỏng)
Tín hiệu đo - PM (Measured signal; Prosess Measurement): Là tín hiệu do bộ
chuyển đổi đo cung cấp
Nhiễu (Disturbance):
Sai số (Error): Sai số là sự sai lệch giữa giá trị của biến được đo và giá trị đặt Sai
số có thể âm hoặc dương
E = Giá trị biến được đo – SV
Ví dụ: Trong một vòng điều khiển nhiệt độ, tại một thời điểm, nhiệt độ do cảm biến nhiệt đo được là 110°C trong khi giá trị đặt SV = 100°C
Vậy sai số E = 110 – 100 = 10°C
Trang 24Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|10
Offset: là độ lệch ổn định của biến quá trình so với giá trị đặt
Offset = PV – SP
Cũng trong vòng điều khiển nhiệt độ, nếu chất lỏng quá trình luôn luôn được giữ
ổn định ở 100.5°C mặc dù
SV = 100°C thì offset = 100.5 – 100 = 0.5°C
2.4 CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN
2.4.1 Điều khiển bằng tay (Manual Control)
Hình 2-7: Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp thủ công
Hình 2.7 là miêu tả về một ví dụ về điều khiển nhiệt độ trong phòng bằng phương pháp điều khiển thủ công đơn giản Nhiệt độ phòng trong ví dụ này được điều khiển bởi dòng hơi nóng do con người đóng hoặc mở van một lượng phù hợp, để có được nhiệt độ mong muốn thì con người phải theo dõi liên tục nhiệt độ qua một nhiệt kế rồi quyết định điều khiển cần thiết tới van Giả sử nhiệt độ phòng thấp hơn nhiệt độ mong muốn thì van cần phải mở với góc mở lớn hơn và ngược lại nếu nhiệt độ phòng cao hơn nhiệt độ mong muốn thì van cần phải đóng bớt lại
Như vậy bằng việc quan sát nhiệt kế và đóng hay mở van một lượng cần thiết ta có thể duy trì được nhiệt độ trong phòng theo ý muốn Tuy nhiên phương pháp thủ công này rất khó duy trì được nhiệt độ phòng theo ý muốn
2.4.2 Điều khiển tự động (Automatic control)
Quá trình sử dụng máy móc để thay thế con người thực hiện chức năng điều khiển được gọi là điều khiển tự động Để thay thế chức năng điều khiển của con người bằng một hệ thống điều khiển tự động thì hệ thống điều khiển nhiệt độ ở ví dụ hình 2.7 được thay đổi bởi hình 2.8
Trang 25Hình 2-8: Điều khiển nhiệt độ tự động Trong ví dụ ở hình 2.8 chức năng giám sát, theo dõi nhiệt độ (đo lường) của con người được thay thế bằng bộ cảm biến nhiệt độ, chức năng so sánh, xử lý đưa ra quyết định điều khiển được thay thế bởi thiết bị gọi là bộ điều khiển (Controller), chức năng thao tác của con người được thay thế bởi một thiết bị là van điều khiển (Control valve)
Qua hệ thống này nhiệt độ trong phòng được tự động điều khiển mà không cần
sự tham gia trực tiếp của con người, bộ cảm biến nhiệt độ liên tục đo và gửi tín hiệu về
bộ điều khiển, bộ điều khiển nhận tín hiệu rồi so sánh với giá trị do con người thiết lập (Setpoint), nếu phát hiện ra sai lệch nó sẽ gửi tín hiệu tới van điều khiển để van điều khiển sẽ đóng hay mở một lượng phù hợp nhằm hiệu chỉnh lại sai lệch để đạt được nhiệt
độ như đã thiết lập
2.4.3 Điều khiển tầng (Cascade control)
Điều khiển bằng tay hay điều khiển tự động được áp dụng đối với từng vòng điều khiển đơn, nhưng nếu các vòng điều khiển đơn liên kết lại với nhau thì xuất hiện 2 bộ điều khiển và chỉ có một thiết bị chấp hành như ví dụ điều khiển nhiệt độ trong bồn gia nhiệt như hình 2-9
Bình thường, độ mở của van điều khiển lưu lượng hơi nước được quyết định bởi tín hiệu ra từ bộ điều khiển, nhưng cũng còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như đặc tính của cơ chế chấp hành van, đặc tính dòng chảy và ma sát chốt van Hơn nữa lưu lượng hơi nước qua van không chỉ phụ thuộc vào độ mở của van, mà còn phụ thuộc vào áp suất dòng hơi, vì thế một sự thay đổi trong áp suất hơi cấp sẽ dẫn đến thay đổi lưu lượng trong khi độ mở van được giữ cố định Vấn đề phức tạp ở đây là sự thay đổi lưu lượng hơi ảnh hưởng tương đối chậm tới nhiệt độ ra của dòng quá trình Hơn nữa, các loại cảm biến nhiệt độ cũng có quán tính khá lớn, nên ảnh hưởng của nhiễu được phản ảnh rất
Trang 26Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình Trang|12
chậm trong tín hiệu phản hồi Kết quả là khi bộ điều khiển nhiệt độ phản ứng và điều chỉnh độ mở van thì có thể đã quá muộn, thậm chí còn phản tác dụng bởi rất có thể khi
đó lưu lượng hơi đã trở lại giá trị bình thường Không những chất lượng điều khiển không được tốt mà còn tính ổn định hệ thống chưa chắc đã được đảm bảo Vấn đề này được giải quyết bằng cách bổ sung một vòng điều khiển lưu lượng, như minh họa trên hình 2-9
Hình 2-9: Điều khiển tầng cho thiết bị gia nhiệt hơi nước
+ TT: Temperature Transmitter – Transmitter nhiệt độ
+ FT: Flow Transmitter – Transmitter lưu lượng
+ 𝑇𝐶1: là nhiệt độ dầu thô đi vào thiết bị trao đổi nhiệt
+ 𝑇𝐶2: là nhiệt độ dầu thô sau khi được gia nhiệt (ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt)
+ 𝑇𝐻1: là nhiệt độ dòng hơi đi vào bồn trao đổi nhiệt
+ 𝜔𝐶: lưu lượng dòng dầu thô đi vào thiết bị trao đổi nhiệt
+ 𝜔𝐻: lưu lượng dòng hơi