HỆ THỐNG tự ĐỘNG CHO NHÀ máy sản XUẤT cồn

Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng đi

M ỤC LỤC VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHO NHÀ MÁY SẢN

XUẤT CỒN

I T ỔNG QUAN

1.Các h ệ thống điều khiển chính trong nhà máy

- Hệ thống điều khiển phân tán (DCS:Distributed Control System)

- Hệ thống dừng khẩn cấp nhà máy (ESD: Emergency Shutdown System)

- Hệ thống cảnh báo cháy và rò khí (F&G: Fire and Gas System )

- Hệ thống thông tin liên lạc ( Communication System )

2 Các thi ết bị đo lường điều khiển của nhà máy

- Các thông số kỹ thuật chung

- Bộ điều khiển

- Cảm biến: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất

- Các bộ chuyển đổi tín hiệu

- Cơ cấu chấp hành: van điều khiển,…

- Các yếu tố của một vòng điều khiển

II.C ấu tạo và nguyên lý đo của các thiết bị đo lường điều khiển

1.Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) và sơ đồ thang (Ladder diagram)

2.Các loại cảm biến và bộ chuyển đổi tín hiệu

a.Cảm biến đo mức

b.Cảm biến đo nhiệt độ

c.Cảm biến đo áp suất

d.Cảm biến đo lưu lượng

3.Các thiết bị chấp hành

-Van cầu, van bi, van chặn, van cửa,…

- Van điều khiển

4.Các ký hiệu bản vẽ thông dụng và cách đọc bản vẽ P&ID

THI ẾT BỊ ĐO LƯỜNG và ĐIỀU KHIỂN I.Khái ni ệm cơ bản

1.Đại lượng đo lường

Trong lĩnh vực đo lường, dựa theo tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta phân ra hai loại cơ bản:

• Đại lượng điện

• Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa

học, sinh học, y học…không mang tính đặc trưng của đại lượng điện Tùy thuộc vào tính chất cụ thể của đại lượng đo, chúng ta đặt ra phương pháp và cách

thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bị đo

1.1.Đại lượng điện

Được phân ra hai dạng :

- Đại lượng điện tác động (active)

- Đại lượng điện thụ động (passive)

• Đại lượng điện tác động

Đại lượng điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng mang năng lượng điện Khi đo các đại lượng này , bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho các mạch đo Trong trường hợp năng lượng quá lớn, sẽ được giảm bớt cho phù hợp với mạch đo, ví

dụ phân áp hay phân dòng…

Trong trường hợp quá nhỏ sẽ được khuyếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt động được

• Đại lượng điện thụ động

Đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung, hổ cảm, … các đại lượng này không mang năng lượng cho nên phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện cho các đại lượng này khi đưa vào mạch đo

Trong trường hợp đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu Ví dụ cách thức đo nóng nghĩa

là đo phần tử này trong khi mạch đang hoạt động hoặc cách thức đo nguội khi phần tử này đang ngưng hoạt động Ở mỗi cách thức đo sẽ có phương pháp đo riêng

1.2.Đại lượng không điện

Đây là đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta ( nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc…)

Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng các bộ chuyển đổi hoặc cảm biến hoàn chỉnh, thuận

lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động

2 Ch ức năng và đặc tính của thiết bị đo lường

2.1 Ch ức năng

Hầu hết các thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát Kết quả này được chỉ thị hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được đo

Ví dụ:trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, thiết bị đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo, hiển thị

và đưa tín hiệu đo này về hệ thống điều khiển để đạt được thống số nhiệt độ theo yêu

cầu

2.2 Đặc tính của thiết bị đo lường

Một thiết bị đo lường ( cảm biến) phải có những đặc tính cơ bản sau:

• Tốc độ đáp ứng ( response): thời gian đáp ứng của thiết bị đo đối với sự thay đổi của đại lượng đó

• Độ nhạy ( sensitivity) : tỷ số giữa sự thay đổi của tín hiệu vào và tín hiệu ra của thiết bị đo

Ký hiệu S là độ nhạy của cảm biến thì:

Trong đó ∆x là gia số đại lượng đầu vào, ∆y là gia số đại lượng đầu ra

Trong thực tế sử dụng độ nhạy tương đối :

Với x là đại lượng vào, y là đại lượng ra

Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S0=const hoặc là phi tuyến nếu S0=var Cảm

biến phi tuyến có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lượng vào (x)

• Điểm không (zero):là giá trị bắt đầu của phép đo

• Dải span: giá trị lớn nhất của cảm biến ở phép đo

• Tầm đo ( range): giá trị lớn nhất của cảm biến có thể đo được

• Độ chính xác (sai số) ( accuracy ): là sai số của giá trị đo được với giá trị thực tin cậy được

Sai số tuyệt đối: e ═ y-x

e-sai số tuyệt đối; y-trị số tin cậy được; x-trị số đo được

Sai số tương đối (tính theo %):e═│ │100%

Độ chính xác tương đối: A=1–│ │

Độ chính xác tính theo %: a=100% – e = (A x 100%)

• Độ lặp lại ( repeatability): tính chất của cảm biến không thể lặp lại giá trị chính xác đã được cảm biến đưa ra trước đó

• Độ phân giải (resolution): khoảng chia nhỏ nhất để thiết bị đo đáp ứng được

• Sự ổn định (stability) : Độ sai lệch của kết quả đo sau khi thiết đo được sử dụng trong một thời gian

• Turndown : tỷ lệ giữa dải đo được và dải hoạt động của thiết bị đo lường

Ví d ụ:

URL= 150 psig

cảm biến đo áp suất có tầm đo : 0÷150 psig

LRL = 0 psig Người sử dụng muốn đo từ 0 ÷50 psig

URV=50 psig LRV= 0 psig

= 3:1

3.Nh ững phần tử trong thiết bị đo lường

Tổng quát, thiết bị đo lường cấu tạo bằng ba phần sau:

cccac

3.1 C ảm biến

Phần tử biến đổi các đại lượng đo như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức,

khối lượng… thành các đại lượng điện hay cơ

3.2 B ộ chuyển đổi tín hiệu đo

Chức năng chuyển đổi tín hiệu đo từ cảm biến thành dạng tín hiệu chuẩn

sử dụng cho mục đích hiển thị và điều khiển, thông thường chuyển đổi tín hiệu điện

hoặc cơ thành tín hiệu điện hay khí nén

Input signal Forms Output Signal Forms

Or or

Mechanical 4-20 mA dc current

Tín hiệu đầu ra từ cảm biến được đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu (transmitter) Thông thường, cảm biến và transmitter được thiết kế trong cũng một khối

input signal from sensor

( process variable information)

CẢM BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU BỘ CHUYỂN

Turbine Flowmeters

3.3 B ộ hiển thị (Indicator)

Hiển thị kết quả đo được tại vị trí đo, thông thường kết quả đo được đưa về một hệ

thồng điều khiển chung của nhà máy để hiển thị và điều khiển

Digital pressure gauge

II Nguyên lý c ấu tạo và ứng dụng của các cảm biến đo lường

1.C ảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm

biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện

Những cảm biến nhiệt độ được mô tả trong bài viết này là:

• Cặp nhiệt điện ( thermocouples)

• Nhiệt kế điện trở kim loại (RTD)

1.1.C ặp nhiệt điện (thermocouples)

1.1.1 Nguyên lý c ấu tạo

Một trong những phương pháp thông dụng để đo nhiệt độ được dùng trong khoa học

và kỹ thuật là sử dụng hiệu ứng nhiệt điện Một cặp nhiệt điện gồm hai dây dẩn A và

B được cấu tạo bởi vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung của nó có nhiệt độ T2, và hai đầu còn lại của cặp nhiệt điện có nhiệt độ T1 xuất hiện một sức điện động nhiệt điện E có độ lớn phụ thuộc vào vật liệu của A và B cũng như sự sai biệt về nhiệt độ

giữa T2 và T1.

Nguyên lý c ặp nhiệt điện

T2 là nhiệt độ mối nối chung (còn được gọi là mối nối đo) là nhiệt độ TCđạt được khi đặt mối nối chung trong môi trường cần đo có nhiệt độ không biết TX , nhiệt độ TC

phụ thuộc vào vào TX

Hai đầu còn lại của cặp nhiệt độ có nhiệt độ biết trước và giữ không đổi là T1=Tref

và được nối với mạch đo áp Cặp nhiệt điện đưa ra tín hiệu áp thấp ở tầm milivon Tín

hiệu áp gia tăng theo khi nhệt độ đo gia tăng và cũng phụ thuộc vào chất liệu được sử

dụng ở hai dây của cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi các kim loại hoặc hợp kim khác nhau và có

khoảng đo rộng từ -2700

C÷27000C, đáp ứng của cặp nhiệt điện không tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi lớn, tính không tuyến tính trong mối quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện và nhiệt độ và nhiệt độ được thể hiện qua công thức tính như sau:

E = C (T2 – T1) + K ( - )

với C,K- các hằng số phụ thuộc vào cặp nhiệt điện

T2- nhiệt độ mối nối đo; T1- nhiệt độ mối nối chuẩn

Ví d ụ: cặp nhiệt độ Cu/constantan có C=3,75x10-12 mV/0 C và K= 4,50x10-5 mV/0C,

nếu T2 = 1000 C, T1= 00C , sức điện động nhiệt điện:

E = C (T2 – T1) + K ( - ) = 3,75x10-2 (100-0) +4,50x10-5 (1002-02)

 Mức độ chính xác yêu cầu

Những loại cặp nhiện điện khác nhau được chỉ định một chữ cái và màu của dây

Bảng sau mô tả các ặp nhiệt điện với chữ cái và màu dây tương ứng:

0C ÷9000C

Constantan (-)

(+) màu trắng (-) màu đỏ 0

0C ÷3500C

*Bảng màu này chỉ áp dụng cho Mỹ và Canada, các nước khác và quốc tế sử dụng

bảng màu khác

S ử dụng bảng chuyển đổi: Tương ứng với mỗi mối nối cấu tạo bởi những chất liệu

khác nhau, điện áp đưa ra bởi mối nối chung cho mỗi nhiệt độ đã được thiết lập và ghi

lại trong bảng chuyển đổi Bảng sau là một phần của bảng chuyển đổi cho cặp nhiệt điện loại K mô tả mức điện áp đưa ra cho những nhiệt độ khác nhau Bảng chuyển đổi đưa ra những giá trị điện áp tương ứng với độ chênh lệch nhiệt độ của mối nối chung

và nhiệt độ mối nối tham khảo được duy trì hoặc dùng mạch bù để giữ nhiệt độ này ở

00C Bảng này cũng đã loại trừ những yếu tố ảnh hưởng đến giá trị điện áp đưa ra

Chú ý là bảng chuyển đổi điện áp/nhiệt độ cho cặp nhiệt điện thì thay đổi theo mối quan hệ không tuyến tính Ví dụ, cho cặp nhiệt điện loại K, một giá trị điện áp đọc được là 0.397 milivolts ở nhiệt độ mối nối đo tương ứng ở 100C Nếu mối quan hệ

giửa millivolt/nhiệt độ chính xác tuyến tính thì ở 400

độ mối nối chung thấp hơn 00

C, dây nguội trở thành dây nóng, và một hiệu điện thế

âm sẽ xuất hiện trên mạch đo áp Khi nhiệt độ mối nối chung cân bằng ở 00 C, hiệu điện thế xác định được là 0 milivolts

Kết luận:khi đo nhiệt độ mối nối chung có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mối nối tham

khảo Tref thì xuất hiện hiệu điện thế dương, ngược lại khi đo nhiệt độ mà mối nối chung có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ mối nối tham khảo thì sẽ có một hiệu điện thế âm đưa ra trên mạch đo áp

Trong vài trường hợp, để đạt được độ chính xác cao khi đo nhiệt độ nhiều cặp nhiệt điện được kết nối song song với nhau Hình sau mô tả một ví dụ của cặp nhiệt điện

loại J đo tại 3 điểm khác nhau trong trường hợp đo dòng khí nóng

Giá trị mà vôn kế đo được là 11.889 millivolts- là giá trị trung bình của hiệu điện thế

đưa ra bởi 3 cặp nhiệt điện Giá trị đọc được trong trường hợp này như sau:

MJ1= 2000 C = 10.779 millivolts

MJ2= 2200 C = 11.889 millivolts

MJ3= 2400 C = 13.000 millivolts

Chú ý là cặp nhiệt điện chỉ đo nhiệt độ ở mối nối giữa hai dây kim loại Do đó để

tránh tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẩn được đặt trong vỏ các điện bằng sứ

Cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được che chở thêm bằng một lớp vỏ để chống

lại sự xâm phạm của các khí cũng như những đột biến nhiệt, lớp vỏ thường làm bằng

sứ hoặc thép trong trường hợp bằng thép mối nối có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc

với vỏ, điều này có lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn

M ối nối được cách ly với vỏ Mối nối tiếp xúc với vỏ

1.1.2 Ứng dụng

Vì dải đo của cặp nhiệt điện lớn nên nó được sử dụng rộng rải trong công nghiệp Cặp

nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé nó cho phép đo nhiệt độ rất chính xác,

tốc độ đáp ứng nhanh Ngoài ra, tín hiệu được tạo ra dưới dạng sức điện động mà

không cần tạo ra dòng điện chạy qua cảm biến như vậy tránh được hiện tượng đốt

nóng cảm biến Tuy nhiên nó có điểm bất lợi là trong khi đo, nhiệt độ của mối nối chuẩn phải biết rõ, tất cả sự không chính xác của Tref sẽ dẩn tới sự không chính xác

của nhiệt độ cần đo

Thermocouples lo ại K

1.2 Nhi ệt kế điện trở kim loại (RTD resistance temperature detectors)

1.2.1 Nguyên lý c ấu tạo

RTD là cảm biến đo nhiệt độ thông dụng như cặp nhiệt điện RTD có cấu tạo là 1 thank kim loại có điện trở thay đổi biết trước theo sự thay đổi của nhiệt độ RTD có giá thành đắt hơn và cũng có đ ộ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện Chúng có thể sử

dụng ở hầu hết những nơi mà cặp nhiệt điện được sử dụng

Tùy thuộc vào phạm vi đo nhiệt độ mà người ta chọn vật liệu thích hợp, người ta thường sử dụng điện trở bằng bạch kim, nickel và đôi khi bằng đồng hay tungstene

Bạch kim (Platinum):có thể có cấu tạo rất tinh khiết (99,99%) điều này cho phép ta biết được đặc tính điện của nó rất chính xác và không thay đổi Nó thường sử

dòng điện chạy qua Điện trở càng cao, dòng điện chạy qua nhỏ Điện trở có đơn vị

ký hiệu là ohm (Ω), dòng điện có đơn vị ký hiệu là ampe (A)

Mối quan hệ giữa điện trở của RTD và nhiệt độ được thể iện qua công thức sau:

Ví dụ: một RTD có điện trở bạch kim có giá trị điện trở 100 Ω ở 00C được sử

dụng để đo nhiệt độ của nước sôi ở 100 0C, điện trở sẽ tăng từ 35.5 Ω lên 138.5 Ω ,

nó được tính như sau:

Cũng giống như cặp nhiệt điện, điện trở đo của RTD cũng được đặt trong ống

bằng sành, sứ với vỏ bọc bên ngoài để tránh các ảnh hưởng hóa học và vật lý có thể gây nên sự phá hủy điện trở đo

Điện trở đo với vỏ bảo vệ bên ngoài

Trong các ứng dụng đo lường nhiệt độ của quá trình công nghệ, người ta thường dùng khái niệm thermowell để chỉ cảm biến nhiệt độ RTD hay thermocouple

có vỏ bọc bảo vệ bên ngoài, nó được gọi là thermowell Thermowell đảm bảo chức năng chuyển nhiệt độ cần đo bên ngoài vào đầu đo nhiệt với độ chính xác như mong

muốn Các cảm biến nhiệt độ trong nhà máy có độ chính xác ở khoảng +/- 0.1 % giá

trị đo, và độ ổn định +/- 0.1 % trên 12 tháng

Thermowell

1.2.2 Ứng dụng

Với độ chính xác cao, dải đo rộng cùng với tính tuyến tính RTD được sử dụng

rộng rải để đo nhiệt độ trong công nghiệp

Rtd Pt-100

2 C ảm biến áp suất

Cảm biến đo áp suất là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.Để

đo được áp suất, cảm biến phải bao gồm bộ phận cảm nhận sự thay đổi của lực do áp

suất gây nên tác động vào nó và một phần chuyển những thông tin này thành những tín hiệu đầu ra cơ học, điện, khí nén mục đích hiển thị hay điều khiển

Đo áp suất có 3 dạng sau:

 Áp suất tương đối còn gọi là áp suất khí quyển (gauge pressure), thường có đơn

vị ký hiệu là psig hay psi, giá trị áp suất này không tính đến áp suất khí quyển ở

mực nước biển (14.7 psi)

 Áp suất tuyệt đối (absolute pressure), thường có đơn vị ký hiệu là psia, giá trị

áp suất đo được đã tính đến áp suất của khí quyển

 Áp suất chênh ( differential pressure) là áp suất chênh lệch được đo ở hai điểm khác nhau

Áp su ất tương đối Áp suất tuyệt đối

14.7 psi

( 0 psi)

Các loại cảm biến áp suất thường dùng là:

 Ống Bourdon

 Áp kế dùng biến dạng (strain gages)

 Áp kế điện dung (capacitance pressure sensor)

2.1 Ống bourdon

2.1.1 Nguyên lý c ấu tạo

Cảm biến này sử dụng nguyên lý đo cơ bản là sự thay đổi hình dạng của ống Bourdon khi có tác động của áp suất vào bên trong ống Cảm biến được cấu tạo gồm hai phần:

 Ống Bourdon có chức năng cảm nhận sự thay đổi của áp suất để chuyển đổi sự thay đổi này sang chuyển động cơ

 Một đồng hồ hiển thị áp suất tương ứng với chuyển động cơ học

Nguyên lý ho ạt động: Ống Bourdon là một ống thép cong rỗng oval, khi có áp suất

tác động vào bên trong ống sẽ làm gia tăng độ cong của ống và hình dạng rỗng bên trong ống sẽ thay đổi Sự thay đổi của hình dạng ống sẽ được cơ cấu cơ khí chuyển đổi để hiển thị giá trị đo trên đồng hồ áp suất