Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong công nghệ hóa học, tự động hóa điều khiển các quá trình có tác động trực tiếp một cách nhanh chóng đến chất lượng sản phẩm, năng suất và hiệu quả sản xuất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Bùi Ngọc Pha

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS LÊ THỊ KIM PHỤNG CHỦ TỊCH

2 PGS.TS NGUYỄN TUẤN ANH THƯ KÝ

5 PGS.TS TRỊNH ĐÌNH QUÂN ỦY VIÊN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Hải MSHV: 2171052

Ngày, tháng, năm sinh: 25/03/1998 Nơi sinh: Đak Lak

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số : 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiêt bị chưng

cất quy mô phòng thí nghiệm (Researching and building an automatic control

system for laboratory-scale distillation equipment)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Cải tạo hệ thống thiết bị chưng cất

- Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển bao gồm phần cứng (cảm biến, PLC, van điều khiển) và phần mềm (cấu trúc điều khiển, giao diện điều khiển và giám sát)

- Nghiên cứu và khảo sát để đưa ra các sách lược điều khiển thích hợp cho từng

thông số điều khiển

- Khảo sát chế độ điều khiển tự động đối với hệ thống chưng cất hệ Ethanol-nước

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 18/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Bùi Ngọc Pha

Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

BÙI NGỌC PHA BÙI NGỌC PHA

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đếnThầy Bùi Ngọc Pha

và Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân, hai thầy là những người đã trực tiếp hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài Nhờ những sự chỉ dẫn tận tình của hai thầy mà tác giả mới có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất Bên cạnh đó tác giả xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý, động viên từ các thầy cô phòng thí nghiệm Quá Trình và Thiết bị đã tạo điều khiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Cảm ơn quý Thầy, Cô trong Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung và khoa Kỹ thuật Hóa Học nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian theo học từ những ngày đầu chập chững bước vào ngôi trường này cho đến hiện tại

Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn bên cạnh động viên, khích lệ tinh thần tác giả trong suốt thời gian sinh sống học tập và nghiên cứu Cảm ơn những

người bạn đã luôn đồng hành với tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Lời sau cùng, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian hạn hẹp và kiến thức của tác giả vẫn còn hạn chế nên luận văn này cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp chân thành nhất đến từ quý Thầy, Cô và các bạn để có thể hoàn thiện đề tài này hơn nữa

TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022

Nguyễn Hồng Hải

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong công nghệ hóa học, tự động hóa điều khiển các quá trình có tác động trực tiếp một cách nhanh chóng đến chất lượng sản phẩm, năng suất và hiệu quả sản xuất của nhà máy Cải tiến và đổi mới hệ thống điều khiển tự động các quá trình luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao do chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với đầu tư thay đổi công nghệ hay chế tạo thiết bị mới Hầu hết hệ thống điều khiển tự động các dây chuyền công nghệ hóa học đều được thiết kế chế tạo và chuyển giao bởi các chuyên gia nước ngoài Để tiếp nhận, vận hành và tìm hiểu chuyên sâu về hệ thống tự động trong quá trình sản xuất thì trong nước cần có một đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào tạo chuyên sâu hơn về cả hai lĩnh vực công nghệ hóa học và điều khiển tự động Hiện nay, việc đào tạo chuyên ngành tự động hóa quá trình công nghệ chưa phổ biến Đối với các phòng thí nghiệm quá trình và thiết bị hiện nay, chỉ mới được tiếp cận với các trang thiết bị thí nghiệm, còn rất hạn chế trong hệ thống điều khiển, đặc biệt chưa có hệ

thống điều khiển cho những quá trình cơ bản như chưng cất, phản ứng, cô đặc

Hiện nay các cơ sở đào tạo trong nước còn gặp nhiều khó khăn trong việc giảng dạy về tự động hoá các quá trình, đặc biệt là thiếu các mô hình thí nghiệm cho sinh viên thực hành để làm quen và tiếp cận với thực tế Các mô hình thí nghiệm hiện nay trong nhà trường chỉ mới ở mức độ điều khiển bằng tay, quan sát thông số công nghệ trên các đồng hồ hiển thị; còn thiếu hẳn phần kiểm soát và tự động điều khiển Với điều kiện học tập như hiện nay, sinh viên chưa được tiếp cận với hệ thống điều khiển gặp rất nhiều khó khăn khi làm việc trong phòng điều khiển của các nhà máy Do đó việc trang bị các mô hình thí nghiệm tự động hoá là nhu cầu rất bức thiết hiện nay của các cơ sở nhằm nâng cao chất lượng đào tạo cán bộ kỹ thuật Điều khiển quá trình chưng cất cũng là một trong những điều kiện quan trọng để vận hành hệ thống Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để mô phỏng quá trình cũng như điều khiển quá trình chưng cất ở quy mô phòng thí nghiệm cũng như công nghiệp Tuy nhiên các nghiên cứu điều khiển này cũng chỉ tập trung chủ yếu cho quá trình chưng cất hệ

ethanol-nước Ngoài ra, các nghiên cứu về thiết bị trên vẫn đang được tiếp tục thực hiện nhằm tăng sự hiểu biết sâu về quá trình và từ đó có thể điều khiển được quá trình một cách ổn định và hiệu quả

Các nghiên cứu hiện nay chỉ ở mức mô phỏng các biến điều khiển thông qua các

mô hình toán học[9] Việc khảo sát các thông số của bộ điều khiển, xây dựng mô hình giải pháp hệ thống điều khiển trên một hệ thống thực giúp chúng ta vận hành các

thông số trong quá trình được chính xác và độ tin cậy cao hơn

Với sự định hướng của TS Bùi Ngọc Pha tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển tự động thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm” Bản luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2: Thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa

Chương 3: Chưng cất thực nghiệm hệ Ethanol-nước

Chương 4: Phân tích kết quả và bàn luận

❖ Mục tiêu, phương hướng đề tài:

Xây dựng mô hình giải pháp hệ thống điều khiển cho thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm

❖ Tóm tắt nội dung đề tài:

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển tự động các thông số công nghệ của thiết bị chưng cất: Lưu lượng nhập liệu, nhiệt độ nhập liệu, áp suất trong tháp chưng cất, nồng độ sản phẩm đỉnh (thông qua nhiệt độ), mức lỏng ở bình tách lỏng, mức

lỏng ở đáy tháp

Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát và vận hành hệ thống chưng cất

ABSTRACT

In chemical engineering, automation controls processes that have a direct and immediate impact on plant quality, productivity, and production efficiency Improving and renewing the automatic control system of processes always brings high economic efficiency because the investment cost is much lower than the investment in changing technology or manufacturing new equipment Most of the automatic control systems for chemical technology lines are designed, manufactured and transferred by foreign experts In order to receive, operate and learn more about the automatic system in the production process, it is necessary to have a team of technical staff who are more

intensively trained in both the fields of chemical technology and control automatic control Currently, specialized training in process automation is not popular For the current process and equipment laboratories, only have access to experimental

equipment, there is still very little control in the control system, especially there is no control system for mechanical processes such as distillation, reaction, concentration Currently, domestic training institutions still face many difficulties in teaching about process automation, especially the lack of experimental models for students to practice to familiarize themselves with and approach reality The current experimental models in the school are only at the level of manual control, observing technological parameters on display clocks; lack of control and automatic control With the current learning conditions, students who do not have access to control systems face many difficulties when working in control rooms of factories Therefore, the equipping of automated experimental models is a very urgent need today of the facilities in order to improve the quality of technical staff training Controlling the distillation process is also one of the important conditions for system operation Various methods have been used to simulate the process as well as control the distillation process at the laboratory and industrial scale However, these control studies also focus mainly on ethanol-

water distillation In addition, research on the above device is still being carried out in order to increase the understanding of the process and thereby control the process

stably and efficiently

Current studies are only at the level of simulating control variables through

mathematical models[9] Surveying the parameters of the controller, building a

control system solution model on a real system helps us to operate the parameters in the process with greater accuracy and reliability

With the direction of Dr Author Bui Ngoc Pha selected the topic "Research and build an automatic control system for laboratory-scale distillation equipment"

The thesis consists of four chapters:

Chapter 1: Overview

Chapter 2: Design and manufacture automation systems

Chapter 3: Experimental distillation of the Ethanol-water system

Chapter 4: Results analysis and discussion

❖ Objectives and directions of the topic:

Building a control system solution model for laboratory-scale distillation

equipment

❖ Summary of the topic:

Research and design automatic control system of technological parameters of distillation equipment: Input flow, input temperature, pressure in the distillation tower, peak product concentration (through temperature) , liquid level in the liquid separator, liquid level at the bottom of the tower

Design the control interface, monitor and operate the distillation system

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Hồng Hải

Sinh ngày 25 tháng 03 năm 1998

Học viên lớp cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Hóa Học - Khóa 2021 - Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Hiện đang công tác tại PTN Quá Trình và Thiết Bị - Khoa Kỹ Thuật Hóa Học - Trường Đại học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển tự động

thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm” do thầy giáo TS Bùi Ngọc Pha hướng

dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng, thông tin chi tiết tại mục “Tài liệu tham khảo” của đề tài này Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của giảng viên hướng dẫn Tác giả sẽ hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của đề tài

TP Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2022

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN 1

1.1 Mục tiêu, nội dung của đề tài: 1

1.2 Hệ thống chưng cất ethanol-nước: 1

1.3 Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Ethanol-nước: 2

1.4 Lý thuyết điều khiển quá trình: 4

1.4.1 Quá trình và các biến quá trình: 4

1.4.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 7

1.4.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 11

1.5 Tính toán thiết kế: 15

1.5.1 Tính suất lượng và thành phần các dòng 16

1.5.2 Tính số mâm Lý thuyết và Thực tế: 17

1.5.3 Tính đường kính tháp 18

2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 21

2.1 Khảo sát hệ thống chưng cất 21

2.2 Điều khiển hệ thống chưng cất 22

2.2.1 Cấu trúc hệ thống tự động hóa 22

2.2.2 Đại lượng điều chỉnh: 25

2.3 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển tự động: 31

2.3.1 Lý thuyết tính toán thông số PID 31

2.3.2 Xác định các thông số của bộ điều khiển PID 36

2.3.3 Xác định hàm truyền và thông số hiệu chỉnh của thông số công nghệ quá trình chưng cất 39

3 Chưng cất thực nghiệm hệ ethanol-nước 45

3.1 Dữ liệu ban đầu: 45

3.2 Khảo sát thực tế: 45

4 Kết quả và bàn luận 47

4.1 Khó khăn và giải pháp: 47

4.2 Đánh giá chất lượng điều khiển: 47

4.3 Bàn luận 48

4.4 Kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 52

PHỤ LỤC 54

PL1 Code lập trình hệ thống 54

PL2 Một số thí nghiệm khảo sát thông số công nghệ: 86

1 Thông số nhiệt độ dòng nhập liệu vào tháp: 86

2 Thông số lưu lượng dòng nhập liệu vào tháp: 87

3 Thông số áp suất trong tháp 88

PHỤ LỤC HÌNH

Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống chưng cất 3

Hình 2: Quá trình và phân loại biến quá trình 6

Hình 3: Cách thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 11

Hình 4: Đồ thị đáp ứng của bộ điều khiển On/Off 13

Hình 5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 14

Hình 6: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 18

Hình 7: Sơ đồ hệ thống chưng cất 21

Hình 8: Sơ đồ P&ID hệ thống chưng cất 24

Hình 9: Vòng điều khiển lưu lượng nhập liệu 26

Hình 10: Vòng điều khiển nhiệt độ nhập liệu 27

Hình 11: Vòng điều khiển áp suất trong tháp 28

Hình 12: Vòng điều khiển nồng độ sản phẩm đỉnh 29

Hình 13: Vòng điều khiển mức lỏng trong bình tách lỏng 30

Hình 14: Vòng điều khiển mức lỏng ở đáy tháp 30

Hình 15: Minh hoạ cho đáp ứng quá độ 31

Hình 16: Cấu trúc với khâu phản hồi rơ-le 35

Hình 17: Sơ đồ khối Matlab Simmulink cho hàm truyền lưu lượng nhập liệu 42

Hình 18: Đồ thị mô phỏng thông số PID tối ưu cho lưu lượng nhập liệu 42

Hình 19 : Sơ đồ khối Matlab Simmulink cho hàm truyền nhiệt độ nhập liệu 43

Hình 20: Đồ thị mô phỏng thông số PID tối ưu cho lưu lượng nhập liệu 44

Hình 21: Giao diện chính điều khiển và giám sát thiết bị chưng cất 45

Hình 22: Giao diện điều khiển và giám sát thiết bị chưng cất đang chạy tự động 46

Hình 23: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ nhập liệu 86

Hình 24: Sơ đồ khối công nghệ của thông số nhiệt độ nhập liệu 86

Hình 25: Giao diện khảo sát nhiệt độ nhập liệu vào tháp 87

Hình 26: Sơ đồ điều khiển lưu lượng nhập liệu 87

Hình 27: Sơ đồ khối công nghệ của thông số lưu lượng nhập liệu 88

Hình 28: Giao diện khảo sát lưu lượng nhập liệu vào tháp 88

Hình 29: Sơ đồ điều khiển áp suất trong tháp 89

Hình 30: Sơ đồ khối công nghệ của thông số áp suất trong tháp 89

Hình 31: Giao diện khảo sát áp suất trong tháp 90

1.1 Mục tiêu, nội dung của đề tài:

❖ Mục tiêu, phương hướng đề tài:

Xây dựng mô hình giải pháp hệ thống điều khiển cho thiết bị chưng cất quy mô phòng thí nghiệm

❖ Tóm tắt nội dung đề tài:

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển các thông số công nghệ của thiết bị chưng cất (Lưu lượng nhập liệu, nhiệt độ nhập liệu, áp suất trong tháp chưng cất, nồng

độ sản phẩm đỉnh - thông qua nhiệt độ, mức lỏng ở bình tách lỏng, mức lỏng ở đáy tháp)

Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát và vận hành hệ thống chưng cất

ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong

đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong

đó chỉ có dung môi bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi cao (nhiệt độ sôi thấp), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi cao) Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Etanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít Etanol

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

- Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt

độ sôi của các cấu tử

- Nguyên lý làm việc: chưng cất gián đoạn (chưng đơn giản) và chưng cất liên tục

* Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

➢ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

➢ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

➢ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

➢ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

* Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

(Sơ đồ quy trình công nghệ theo hình)

Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống chưng cất

Khảo sát hỗn hợp Etanol - nước có nồng độ phân mol 0,1 (mol/lit), nhiệt độ

khoảng 30oC tại bình chứa nguyên liệu được bơm vào nồi đun đến khi đạt được giá trị

cài đặt Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt bằng điện trở trong nồi đun đến nhiệt độ sôi

Khi nồi đun đã sôi, bắt đầu gia nhiệt cho dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi và bơm vào

tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần chất lỏng từ đoạn chưng của

tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống tạo nên sự

tiếp xúc trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ ở các mâm chưng cất càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng

tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ phân mol 0,6 mol/lit) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Trong nồi đun, dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm

việc Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiết độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (Nước) Khi thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh không còn hiện tượng có dòng sản phẩm đỉnh hay nhiệt độ sản phẩm đỉnh duy trì ổn định không đổi, quá trình chưng cất đã hoàn tất Tiến hành tắt hệ thống, xả sản phẩm đáy,

xả sản phẩm đỉnh Bắt đầu nhập liệu mới vào nồi và tiến hành quá trình chưng cất tiếp theo

1.4 Lý thuyết điều khiển quá trình:

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để điều chỉnh, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ theo yêu cầu mong muốn Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo đáp ứng các yêu cầu mong muốn đối với quá trình công nghệ như là vấn đề liên quan đến an toàn (con người, môi trường, thiết bị, ), vấn

đề về lợi nhuận (ổn định, đáp ứng năng suất và chất lượng, giảm thiểu chất thải và tác động môi trường, …) Trong nội dung luận văn này, khái niệm 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 người, máy móc và môi trường [1]

1.4.1 Quá trình và các biến quá trình:

Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc

sinh học, trong đó vật chất, năng lượng được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ Quá

trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu,

trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản

ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin Quá trình kỹ thuật là một quá

trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc / và được can thiệp Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành [1]

Trạng thái hoạt động và diễn biến 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

trên hình 2 Một biến vào là một đại lượng hoặc 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 rơle sợi đốt, Một 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 ở mức bình thường hay quá cao, Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết

quả (quan hệ nhân quả) Bên cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các

biến trạng thái Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví

dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại

lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức Trong

nhiều trường hợp, một biến trạng thái có thể coi là một biến ra Ví dụ, mức nước trong bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra

Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của nó thoả 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 Hơn nữa các diễn biến của quá trình cũng như các tham

số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, một quá trình công nghệ thì không thể biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

Hình 2: Quá trình và phân loại biến quá trình [1]

Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến

trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong

muốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hệiu mẫu

(command variable/reference signal) Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới

sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu chất lượng trong

hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo hoặc ghi chép hoặc hiển thị

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình sản

xuất 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

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ nhiễu 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 nhiễu

biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp

được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu,

Biến điều khiển Nhiễu

Biến trạng thái Biến ra

Biến không cần điều khiển

Biến không cần điều khiển

Biến vào

Biến cần điều khiển

v.v Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo được

Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều

khiển trực tiếp Vì thế một biến cần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ

là một biến được điều khiển Trong nhiều bài toán thì việc nhận biết quá trình cũng

như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ

cũng dễ dàng Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển mà ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương sau [1]

1.4.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ

thống điều khiển quá trình người kỹ sư phải tìm hiểu rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán

và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển bao giờ cũng bắt đầu từ việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là một

cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình.[1]

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

1 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 chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thuận tiện trong vận hành

2 Đảm bảo năng xuất và chất lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

3 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 và thiết bị và môi trường xung quanh trong trường hợp xảy ra sự cố

4 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 và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu

5 Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng xuất 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 thị trường

* Vận hành ổn định

Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ hoạ Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ

Vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng, dẫn đến đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị công nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, tránh qua áp, quá nhiệt trong lò hơi, Một hệ thống vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển cố định hoặc ít thay đổi Cũng chính vì vậy các thiết bị chấp hành cũng ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ thiết bị, máy móc sẽ được kéo dài Trong chế độ vận hành ổn định và trơn tru các van điều khiển không phải thay đổi góc mở một cách thường xuyên hoặc không phải thay đổi một cách đột ngột, các động cơ không phải thay đổi tốc độ một cách quá nhanh

Hệ thống có vận hành ổn định thì mới có thể ổn định năng xuất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu Hơn nữa hệ thống vận hành ổn định thì người vận hành cũng ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện và an toàn hơn

Trong thực tế không phải một hệ thống nào cũng phải ở chế độ vận hành bình thường, liên tục mà còn ở các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị hoặc do tác động của nhiễu và vì theo mẻ với các sản phẩm khác nhau, hoặc trong khi vận hành liên tục người ta có thể yêu cầu thay đổi lưu lượng hoặc nồng độ của sản phẩm ra Bản thân nhiều quá trình không có tính tự cân bằng (không ổn định), vì thể chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của biến đầu vào cũng có thể đưa quá trình tới trạng thái mất ổn định Bất kể đặc tính động học của quá trình ra sao,

giá trị đặt thay đổi hoặc tác động của nhiễu thế nào nhiệm vụ điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định , có thể làm việc tại một điểm làm việc mới Đó cũng chính là một nhiệm vụ thuộc phạm vi chức năng điều chỉnh, chức năng quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình

* Năng xuất và chất lượng sản phẩm

Trong lĩnh vực công nghệ hoá học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết được thể hiện trực tiếp qua thành phần hoá học, nồng độ, mật độ và một số tính chất hoá học hoặc vật lý khác Trong khi đó, năng xuất thường được thể hiện qua lưu lượng sản phẩm Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng xuất cũng thuộc về chức năng điều chỉnh

Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao hơn Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi cho trước Trong

ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng sản phẩm đòi hỏi thành phần ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép Như vậy sai lệch điều khiển hay nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng

* Vận hành an toàn

Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi người, các thiết bị máy móc va môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường xung quanh chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với một hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần tuý

Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như mức, nhiệt độ, áp suất nằm trong một phạm vi cho phép Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp tới chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại gần một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một

phạm vi nhất định Ví dụ, dù hệ thống động cơ khuấy trộn có thể đạt tốc độ quay rất cao thì yêu cầu về an toàn của hệ thống cũng không cho phép đặt một tốc độ cao tuỳ ý

Vì thế việc khống chế tốc độ động cơ là điều cần thiết Cũng như vậy, mặc dù mức trong bình không ảnh hưởng một cách quyết định tới chất lượng sản phẩm được pha chế thì yêu cầu an toàn cũng không cho phép giá trị mức quá cao, hoặc quá thấp mà đồng thời hệ thống động cơ khuấy đang hoạt động Cho nên bài toán điều khiển mức ở đây vừa đảm bảo nguyên lý cân bằng vật chất, vừa đảm bảo an toàn hệ thống Trong các ví dụ khác như nồi hơi hoặc thiết bị phản ứng thì việc điều chỉnh khống chế các giá trị mức, nhiệt độ, áp suất là các bài toán hết sức quan trọng

* Bảo vệ môi trường

Một hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ môi trường Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước tải, hạn chế lượng bụi và khói Dễ thấy mức độ ôi nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, như một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh đặt ra duy trì tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở một giá trị thích hợp tuỳ theo nồng độ ôxy trong không khí và chất lượng than

Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao chất lượng

và nâng cao hiệu quả kinh tế, mặt khác góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường Đây cũng là vấn đề thuộc trách nhiệm chung của nh ững nhà thiết kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển Cần lưu ý rằng những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu quả cao, tiêu ít nhiên nguyên vật liệu thông qua chu trình kết hợp , chu trình khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại là những quá trình rất khó điều khiển, điều kiện vận hành bị ràng buộc, đặt

ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình

* Hiệu quả kinh tế

Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng được với yêu cầu thị trường

(trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như tiêu hao

ít nguyên nhiên liệu Rõ ràng bài toánđặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí cho tác

động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm Ví dụ để

cải thiện chất lượng điều khiển ta cần các thuật toán tác động nhanh Tuy nhiên tác

động nhanh đồng nghĩa với tổn hao nhiều năng lượng cho các cơ cấu chấp hành (động

cơ, máy bơm, van điều khiển), đồng thời tác động nhanh cũng thường dẫn tới giảm tuổi

thọ cho các thiết bị Cách giải quyết thông thường là xây dựng và giải quyết bài toán

điều khiển tối ưu, trong đó chất lượng điều khiển và chi phí điều khiển được đặt chung

với các trọng số khác nhau trong hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều khiển tối ưu)

Hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Ví dụ, tuỳ

theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh được độ mở van và

có thể thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh được mức độ chất lỏng trong bình

Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất

lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng.[1]

1.4.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

Cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình bao gồm các thành phần cơ bản:

Đối tượng điều khiển là quá trình công nghệ (Process), trong ngành công nghệ

hóa học đối tượng điều khiển có thể là một phân xưởng, nhà máy hóa chất hoặc hệ

Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO)

Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) Biến được điều khiển Controlled Variable (CV)

Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV)

Tín hiệu đo Measured Signal, Proccess Measurement (PM)

Bộ điều khiển (the controller): là thiết bị làm nhiệm vụ nhận giá trị đầu vào và đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên một thuật toán cài đặt sẵn

Dụng cụ đo/ truyền tín hiệu (sensor/ transmitter): thiết bị tiếp nhận tín hiệu

Bộ phận thừa hành (a final control element) hầu hết là van có chức năng điều khiển như van điện từ, van khí nén,… và một số các thiết bị như là bơm, quạt,…

* Thiết bị đo:

Chức năng của một thiết bị đo và 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 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 xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuyếch đại, điều hoà và chuyển sang một dạng thích hợp Một bộ chuyển đổi

đo chuẩn là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 0-10V, 0-20mA, 4-20mA,

RS-485, tín hệu Bus trường ) Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế Lưu ý rằng các thuật ngữ

‘Transmister’ hoặc ‘Transduser’ đôi khi cũng được dùng để chỉ thiết bị đo, tức là

trong đó đã bao gồm cả Sensor

* 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 công nghiệp Mặc dù các thuật ngữ ‘thiết bị điều khiển’ và ‘bộ điều khiển’ trong thực tế được sử dụng với ý nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ Tuỳ theo ngữ cảnh, một

bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (một trạm PLC- DCS) Trong phạm vi của luận văn này, khi nói về giải pháp hệ thống thì ‘thiết bị điều khiển’ và ‘bộ điều khiển’ được hiểu với nghĩa tương đương, còn khi đề cập tới các vấn đề khác thuộc sách lược điều khiển hay thuật toán điều khiển ta sẽ chỉ sử dụng ‘bộ

điều khiển’ Đối với bộ điều khiển, ta có “bộ điều khiển ON/OFF” và “Bộ điều khiển PID”

Bộ điều khiển On/Off

Có thể dễ dàng nhận thấy đây là chế độ điều khiển đơn giản nhất, được sử dụng

từ khá lâu và hiện nay vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau Đây là bộ điều chỉnh tác động gián đoạn, thuật toán này chỉ đưa ra 1 trong 2 giá trị của tín hiệu điều khiển umax hoặc umin tùy thuộc vào sai lệch điều khiển

Hình 4: Đồ thị đáp ứng của bộ điều khiển On/Off

Ưu điểm của bộ điều khiển này là điều khiển đơn giản, làm việc tin cậy, chi phí thấp cho cả bộ điều khiển và bộ phận chấp hành Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là

độ chính xác không cao, tín hiệu điều khiển thường xuyên thay đổi giữa hai giá trị dẫn tới giảm tuổi thọ thiết bị chấp hành, ngoài ra bộ điều khiển này không thể áp dụng vào một số quá trình như điều khiển lưu lượng

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID – Proportional Integral Derivative là một cơ chế vòng điều

khiển phản hồi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Giải

thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn

được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I,

và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác

động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến

đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một

phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt

Hình 5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID [12]

Công thức bộ điểu khiển PID được thể bằng phương trình toán học vi tích phân

mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu vào e(t)

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃 𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝐷𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡 [13]

Trong đó, KP, KI, KD là các hệ số có thể điều chỉnh được để giúp tối ưu quá trình

điều khiển

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế do nó có khả năng

làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm vọt lố nếu các thông số

của bộ điều khiển được lựa chọn thích hợp Do đó, thách thức lớn nhất trong việc sử

dụng bộ điều khiển PID là chọn được các tham số KP, KI, KD sao cho đáp ứng ba chỉ

tiêu chất lượng của bộ điều khiển: thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố quá trình thấp, triệt tiêu được sai số của quá trình

* Thiết bị chấp hành

Một hệ thống thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp với biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Ví

dụ, tuỳ theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh được độ mở van và có thể thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh được mức độ chất lỏng trong bình Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

𝑥𝐹 = 10 %𝑚𝑜𝑙

Sản phẩm đỉnh:

𝑥𝐷= 𝑀𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙∗𝑥𝐷 𝑀𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙∗𝑥𝐷+𝑀𝑁ướ𝑐∗(1−𝑥𝐷) = 79 %𝑘𝑙

Nồng độ : 𝑥0 = 𝑥𝐷 = 60 %𝑚𝑜𝑙

Sản phẩm đáy:

𝑥𝑤= 𝑀𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙∗𝑥𝑊 𝑀𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙∗𝑥𝑊+𝑀𝑁ướ𝑐∗(1−𝑥𝑊) =5 %𝑘𝑙

𝑅 + 1𝑥 −

𝑥𝐷

𝑅 + 1= 0,43𝑥 + 0,34c) Số mâm lý thuyết:

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :

Hình 6: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ đồ thị thu được:

⇒ Mâm lý thuyết: 𝑁𝑙𝑡 = 5

Nhập liệu tại mâm số 3 (phù hợp)

Xác định hiệu suất trung bình của tháp từ các số liệu sau:

Hiệu suất trung bình tháp: 𝜂𝑡𝑏 = 80%

2 (𝐼𝑋 91) :Lượng hơi trung bình đi trong tháp

gđ : Lượng hơi đi ra ở đìa trên cùng

gđ = 𝐷(𝑅 + 1) = 0,19 (0,75 + 1) = 0,33 (𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ)

𝑀𝑇𝐵𝐷 = 34,8 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙

g = 11,4 (𝑘𝑔/ℎ)

g1 : Lượng hơi đi vào đìa dưới cùng của đoạn cất

𝑟1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đìa thứ nhất đoạn cất

2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA

Hình 7: Sơ đồ hệ thống chưng cất

Ký hiệu các đại lượng công nghệ:

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ nhập liệu: GF, CF, TFV

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sản phẩm đỉnh: GD, CD, TD

- Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ sản phẩm đáy: GW, CW, TW

- Lưu lượng hoàn lưu: GL

- Lưu lượng, nhiệt độ dòng nước lạnh vào, ra: Gn, Tv, Tr

- Nhiệt lượng cấp cho R1, R2, R3: q1, q2, q3

- Nhiệt độ dòng liệu vào tháp: TFS

- Nhiệt độ và áp suất ở đỉnh tháp: Tth, Pth

- Mức lỏng ở đáy tháp và bình tách lỏng: LW, LD

Tháp chưng cất được sử dụng để tách hỗn hợp đồng nhất ra các chất thành phần Nguyên liệu được máy bơm (P1) bơm từ bồn chứa (T1), gia nhi trong thiết bị gia nhiệt (T2) bằng điện trở đến nhiệt độ sôi và đi vào tháp chưng cất ở đĩa nạp liệu Chất lỏng ở đáy tháp bốc hơi nhờ nhiệt lượng của điện trở trong đáy tháp (T3) và đi lên phía trên tháp dưới dạng hơi Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ (T4) và hơi được ngưng tụ nhờ nước lạnh Pha lỏng ngưng tụ chảy vào bình tách lỏng (T5), dung dịch chứa ở đây được máy bơm (P2) bơm vào phần trên của tháp để tưới dưới dạng hồi lưu, một phần thoát ra ngoài ở dạng sản phẩm đỉnh Dòng hồi lưu chảy xuống phía dưới tháp Một phần sản phẩm đáy được đưa ra khỏi tháp

Khảo sát hệ thống chưng cất như là đối tượng điều khiển dùng để tách hỗn hợp hai cấu tử có nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở dòng nhập liệu CF, nồng độ sản phẩm đỉnh

Tuy nhiên, hạn chế của hệ thống ổn định bao gồm từng vòng riêng biệt là tác động nhiễu có thể làm thay đổi đáng kể chế độ làm việc của tháp; độ trễ các quá trình trong tháp tương đối lớn là nguyên nhân làm tăng sai lệch động của các đại lượng công nghệ trước khi các bộ điều chỉnh bắt đầu bù trừ được ảnh hưởng của nhiễu

Thí dụ, khi ổn định nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp mà không tính đến trạng thái thực tiễn trong hệ thì có thể dẫn đến tình trạng bội hao hơi đốt do tác động của độ quá nguội dòng hoàn lưu và các nhiễu khác trong quá trình

Không có tác động bù nhiễu từ phía dòng liệu làm cho sai lệch động trong điều chỉnh nồng độ sản phẩm đỉnh lớn, bởi vì bộ điều chỉnh nồng độ (hoặc nhiệt độ) ở cuối tháp chỉ nhận được tín hiệu sai lệch của đại lượng điều chỉnh với giá trị đặt sau khi thành phần lỏng đã thay đổi trong toàn tháp

Trong công nghiệp, để gia tăng chất lượng điều chỉnh, có thể đưa vào hệ thống điều chỉnh các đại lượng chính một số vòng điều chỉnh bổ sung tạo nên cấu trúc điều chỉnh nhiều vòng như điều chỉnh tầng, điều chỉnh hỗn hợp, … Việc đưa những vòng bổ sung vào hệ thống điều chỉnh để khử nhiễu theo lưu lượng và thành phần nhập liệu có thể gia tăng chất lượng sản phẩm mục tiêu hoặc tăng năng suất và cả làm giảm tiêu thụ năng lượng cho quá trình

Do sản phẩm đề tài là thiết bị thí nghiệm với tác động nhiễu đơn giản, kiểm soát được nên hệ thống điều khiển được thiết lập là hệ thống một vòng điều chỉnh 06 đại lượng công nghệ riêng biệt (SISO)

Hình 8: Sơ đồ P&ID hệ thống chưng cất

- Bộ điều chỉnh lưu lượng (FIC-1) ổn định lưu lượng nhập liệu

- Bộ điều chỉnh nhiệt độ (TIC-9) ổn định nhiệt độ nhập liệu

- Bộ điều chỉnh áp suất (PIC-1) ổn định áp suất trong tháp đảm bảo duy trì cân

bằng vật chất theo pha hơi

- Bộ điều chỉnh chính ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh là bộ điều chỉnh lưu lượng

kết hợp với nhiệt độ (FIC-2) phần trên của tháp

- Bộ điều chỉnh mức (LIC-2; LIC-1) ổn định mức đảm bảo duy trì cân bằng vật

chất theo pha lỏng trong bình tách lỏng và đáy tháp

2.2.2 Đại lượng điều chỉnh:

Mục tiêu điều khiển quá trình chưng cất là thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cho trước với năng suất xác định và lượng nhiệt tiêu thụ ít nhất

Đại lượng điều chỉnh chính của quá trình là nồng độ sản phẩm đỉnh Độ sạch (nồng độ) sản phẩm đỉnh chịu ảnh hưởng của tác động nhiễu như thành phần, lưu lượng, nhiệt độ nguyên liệu; thông số của tác nhân nóng và lạnh; áp suất trong thiết bị và các đại lượng khác

Hệ thống tự động hóa được xây dựng nhằm đảm bảo ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh và duy trì cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng trong cụm thiết bị chưng chất Cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong tháp được phản ánh bằng các đại lượng công nghệ như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, mức lỏng trong các thiết bị của hệ thống chưng cất

Tác động điều khiển cơ bản là lưu lượng dòng hoàn lưu vào tháp, lưu lượng nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ, lưu lượng sản phẩm đỉnh và đáy, năng lượng cung cấp cho các điện trở gia nhiệt

Lưu lượng hoàn lưu tác động tương đối nhanh lên nồng độ sản phẩm đỉnh, đồng thời cũng tác động lên nồng độ sản phẩm đáy nhưng có độ trễ lớn hơn và ở mức độ thấp hơn Nhiệt lượng cung cấp ở đáy tháp cơ bản làm biến đổi nồng độ sản phẩm đáy nhưng

ít làm biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh

Như vậy, nhiệm vụ cơ bản của hệ thống là điều khiển các thông số công nghệ

sau:

a) Vòng điều khiển lưu lượng nhập liệu:

 Mục đích: Trong công nghiệp, dao động dòng nhập liệu vào tháp là nhiễu lớn nhất của quá trình Do đó cần lập hệ thống tự động điều chỉnh lưu lượng Cảm biến lưu lượng và van điều chỉnh được lắp trên ống dẫn phía trước thiết bị gia nhiệt, làm cho dòng nhập liệu đi qua chỉ dưới dạng pha lỏng Vòng điều chỉnh lưu lượng nhập liệu còn tác động đến hoạt động của các vòng điều chỉnh khác tốt hơn

 Biến điều khiển: Công suất bơm (biến đổi tần số)

 Sách lược điều khiển: Điều khiển phản hồi (Feedback control)

 Các thiết bị, linh kiện, vật tư cần dùng: Cảm biến lưu lượng (Flowmeter sensor) biến tần (Inverter), Hệ thống điều khiển (control system)

 Nguyên lý hoạt động: Lấy tín hiệu lưu lượng ở dòng nhập liệu trong thiết bị chưng cất, sau đó đưa tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ so sánh so với giá trị mong muốn và tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển để điều khiển tốc độ vòng quay của bơm, qua đó lưu lượng nhập liệu sẽ thay đổi

Hình 9: Vòng điều khiển lưu lượng nhập liệu

GF : Lưu lượng dòng điện ở cảm biến

XF : Độ mở van tuyến tính của dòng nhập liệu vào tháp

b) Vòng điều khiển nhiệt độ nhập liệu:

 Dòng nhập liệu phải được cấp vào tháp ở nhiệt độ sôi Nhiệt độ nhập liệu được duy trì ở giá trị không đổi nhờ hệ thống tự động điều chỉnh việc cấp nhiệt cho điện trở trong thiết bị gia nhiệt Chất lượng điều chỉnh nhiệt đo được nâng cao khi cảm biến và van được lắp gần thiết bị gia nhiệt

 Biến điều khiển: Công suất điện trở (biến đổi điện áp)

 Sách lược điều khiển: Điều khiển phản hồi (Feedback control)

 Các thiết bị, linh kiện, vật tư cần dùng: Cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor),

Rơ le rắn (SSR), Hệ thống điều khiển (control system)

 Nguyên lý hoạt động: Cảm biến nhiệt độ sẽ đo nhiệt độ dung dịch nhập liệu trước khi vào thiết bị chưng cất sau đó sẽ đưa tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển

sẽ so sánh với giá trị mong muốn và tính toán xuất ra tín hiệu để mở hoặc đóng điện trở cấp nhiệt cho dòng nhập liệu

Hình 10: Vòng điều khiển nhiệt độ nhập liệu

TFS : Nhiệt độ nhập liệu

U3 : Điện áp cung cấp cho điện trở R3

c) Vòng điều khiển áp suất trong tháp

 Sức cản thuỷ lực của tháp gần như không đổi Do đó, áp suất trong tháp chỉ cần

ổn định ở một vị trí, thường là ở phần trên của tháp Nếu hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thì áp suất được điều chỉnh bằng cách thay đổi tác nhân lạnh đi vào thiết bị ngưng tụ

 Trong công nghiệp, hơi không ngưng tụ hoàn toàn hoặc trong hơi có chứa khí trơ thì bộ điều chỉnh áp suất tác động lên cả hai van: van tháo nước lạnh từ thiết bị

ngưng tụ và van thoát khí Vùng làm việc của các van này phải khác nhau, ở van đầu nằm trong giới hạn khoảng 0÷75% tác động điều chỉnh, còn van kia ở 50÷100% Khí không ngưng chỉ được thoát ra từ bồn chứa dòng hồi lưu khi lưu lượng tác nhân lạnh

đi vào thiết bị ngưng tụ rất lớn và tiếp tục làm tăng áp suất trong tháp

 Biến điều khiển: Độ mở van tuyến tính (biến đổi cường độ dòng điện)

 Sách lược điều khiển: Điều khiển phản hồi (Feedback control)

 Các thiết bị, linh kiện, vật tư cần dùng: Cảm biến áp suất (Pressure sensor), Van tuyến tính, Hệ thống điều khiển (control system)

 Nguyên lý hoạt động: Cảm biến áp suất sẽ đo áp suất ở đỉnh tháp thiết bị chưng cất sau đó sẽ đưa tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ so sánh với giá trị mong muốn và tính toán xuất ra tín hiệu để điều chỉnh van nước giải nhiệt hơi ngưng ở đỉnh tháp