hướng dẫn chung cho thí nghiệm điều khiển quá trình_sv

HƯỚNG DẪN CHUNG CHO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Nội dung chính của việc thí nghiệm điều khiển quá trình là tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển, hiểu được vai trò các

HƯỚNG DẪN CHUNG CHO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Nội dung chính của việc thí nghiệm điều khiển quá trình là tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển, hiểu được vai trò các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển Trên cơ sở đó biết hiệu chỉnh các thang đo của cảm biến, cơ cấu chấp hành tương ứng với dải hoạt động của hệ thống Các bước tiến hành trong quá trình thực nghiệm tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo sát đặc tính thực nghiệm của đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển

Để chuẩn bị thí nghiệm sinh viên cần đọc tài liệu thí nghiệm và chuẩn bị tại nhà trước khi đến trường thí nghiệm Sinh viên cần nắm rõ lý thuyết và các bước thực hiện thí nghiệm để việc thí nghiệm đạt hiệu quả và hoàn thành trong thời gian định trước Vì thời gian dành cho thí nghiệm còn hạn chế nên trong thí nghiệm chỉ hướng dẫn cách làm một số bài thí nghiệm điều khiển quá trình đặc trưng và cần thiết

Phần I Lý thuyết 1.1 Cái khái niệm cơ bản về điều khiển quá trình

Hệ thống điều khiển với mạch vòng đơn cơ bản được thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển

Trong đó: Thiết bị đo (Measurement Sensor/Transmitter)

Bộ điều khiển (Controller)

Cơ cấu chấp hành (Final Control Element) Giá trị đặt Set Point (SP), Set Value (SV) Sai lệch điều khiển Controller Error (CE)

Tín hiệu điều khiển Controller output signal, Control Signal, Controller

Output (CO) Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) Biến được điều khiển Controlled Variable (CV), Process Value (PV) Tín hiệu đo Measured Variable, Measurement Signal Bài toán điều khiển cần được thực hiện là biến được điều khiển ổn định với giá trị đặt trước với các nhiễu quá trình tác động khác nhau lên hệ thống

1.2 Mô hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất

Mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất 38-714 của hãng Feedback được thiết kế để sinh viên làm quen và thực hành việc đo lường và điều khiển một quá trình thực tế

Dưới đây là mô hình bàn thí nghiệm và sơ đồ kết nối các thiết bị hình 1.2

Hình 1.2 Mô hình bàn thí nghiệm điều khiển áp

suất

Các thiết bị trên được kết nối thể hiện ở sơ đồ dưới đây:

Hình 1.3 Sơ đồ kết nối các thiết bị bàn thí nghiệm điều khiển áp suất Các thiết bị có trong mô hình:

Thiết bị lọc khí đầu vào (Filter)

Hai núm điều chỉnh áp suất R1, R2

Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ áp suất ( I/ P Converter)

Van điều khiển khí nén ( Pneumatic Control Valve)

Cảm biến áp suất ( Pressure Sensor)

Một bộ chuyển đổi đo chuẩn ( Transmitter)

Một bình khí nén ở cuối quá trình (Tank)

Một lưu lượng kế thuỷ tinh ( Flowmeter)

Sáu van đóng mở bằng tay kí hiệu từ V1÷ V6 (Manual valve)

Sáu áp kế kí hiệu từ G1- G6

Nguyên lý hoạt hoạt của mô hình thí nghiệm như sau: Khí được cấp từ một máy khí nén vào quá trình qua một thiết bị lọc khí (Filter) Thiết bị lọc khí có tác dụng làm sạch nguồn khí trước khi đưa vào quá trình để tránh làm bụi bẩn van và các thiết bị đo, gây sai số lớn cho quá trình Khí sau khi được lọc sẽ được cấp cho hai nhánh của quá trình

Khí vào nhánh số 1 cấp cho thiết bị chấp hành của hệ thống Áp suất hoạt động được chỉ thị trên áp kế G1 và được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R1 Khí vào nhánh 1 dùng để điều chỉnh độ đóng mở van điều khiển, áp suất khí được đưa vào để điều khiển van thông qua một

thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ khí nén (I/P Converter) Độ đóng mở van sẽ quyết định lưu

lượng khí đi vào quá trình qua nhánh 2, đồng thời quyết định áp suất đo được ở cảm biến áp suất

(tại đồng hồ G5)

Khí cấp cho quá trình qua nhánh 2 được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R2 và áp suất

hoạt động được chỉ thị trên áp kế G3 Với một độ mở van đã được điều khiển, lưu lượng khí đi

vào quá trình được hiển thị trên một lưu lượng kế thuỷ tinh (Flowmeter) Dòng khí sau khi đi qua

van điều khiển sẽ được thải trực tiếp ra ngoài khí quyển hoặc qua một bình khí nén (tank) để thay

đổi “sự trễ quá trình”

1.3 Các thành phần cơ bản trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất

Trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất cơ cấu chấp hành gồm thiết bị biến đổi tín

hiệu dòng/ áp suất (I/P Converter) và cơ cấu truyền động khí nén, còn phần tử điều khiển chính

là Van điều khiển

Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng/ áp suất (I/P Converter): Đây là cơ cấu chấp hành trong hệ

thống, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện từ bộ điều khiển thành tín hiệu khí nén để vận hành

Van điều khiển Tín hiệu đầu vào là 4-20mA, tín hiệu đầu ra là 3 – 15psi (0,2-1 bar)

Cảnh báo: Áp suất đầu vào I/P Converter không được vượt quá 30 psi

Các thiết bị có thể hỏng nếu vượt quá áp suất này

Hình 1.4 Thiết bị chấp hành trong hệ thống điều khiển áp suất

Van điều khiển khí nén (Pneumatic Control Valve) : Thiết bị chấp hành quan trọng và

phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất

qua các đường ống dẫn Cấu tạo van bao gồm thân van nối với một cơ chế chấp hành (cùng với

các phụ kiện liên quan) có khả năng thay đổi độ mở van theo tín hiệu điều khiển

Cơ chế chấp hành van (actuator valve): một cơ chế truyền động khí nén để định vị thành

phần đóng mở van

Trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất van điều khiển là van kiểu điện khí với độ

đóng mở van có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đưa vào Converter Khi

tín hiệu vào thay đổi từ 4 – 20mA thì thông qua Converter sẽ có một áp suất khí nén tương ứng

để đóng mở van.Cụ thể như sau:

+ 4mA tới đầu vào Converter = 3 psi từ đầu ra Converter (chỉ thị trên áp kế G2) -> Van

điều khiển khí nén mở

+ 20mA tới đầu vào Converter =15 psi từ đầu ra Conveter (chỉ thị trên áp kế G2) ->

Van điều khiển khí nén đóng

Hình 1.5 Cấu trúc tiêu biểu của một van khí nén

Kiểu tác động của van: Van điều khiển trong thí nghiệm điều khiển áp suất là van mở an toàn vì khi không có tín hiệu điều khiển thì van mở hoàn toàn Chiều tác động của van là chiều tác động thuận nghĩa là khi tín hiệu điều khiển tăng thì độ mở van giảm

b) Thiết bị đo

Thiết bị đo có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong điều khiển bởi mọi thông tin quá trình được bộ điều khiển ghi nhận và sử dụng để đưa ra tác động đều dựa trên các số liệu từ thiết bị đo đưa về

Thiết bị đo có chức năng cung cấp tín hiệu ra tỉ lệ với đại lượng đo Thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản:

Một cảm biến áp suất thực hiện chức năng tự đo áp suất phản hồi về từ hệ thống và biến đổi thành một tín hiệu điện với dòng điện chuẩn 4-20mA

Cảnh báo: Áp suất tối đa mà cảm biến có thể chịu được là 30psi Cảm biến có thể hư hỏng nếu áp suất vượt quá 30 psi

Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của thiết bị đo Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Transmitter trong

hệ thống điều khiển áp suất sử dụng chuẩn 4-20mA để đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển

b) Thiết bị điều khiển

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment) hay bộ điều khiển (controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển quá trình Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/ sách lược điều khiển được lựa chọn,

bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp lại quá trình kỹ thuật 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 được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển

số Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự

Hình 1.8 PLC được dùng để điều khiển mô hình

Bộ điều khiển được sử dụng cho các thí nghiệm là khối PID trong PLC CompactLogix của Rockwell Automation Tín hiệu vào tương tự từ cảm biến áp suất qua một bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) sẽ được đưa vào PLC qua ngõ vào tương tự và được biến đổi thành tín hiệu logic để CPU sử dụng Dải tín hiệu vào PLC là 4-20mA Bộ xử lý trung tâm CPU của PLC sẽ

tính toán và thực thi các phép tính điều khiển dựa trên thuật toán PID đã được lập trình sẵn để đưa ra tín hiệu điều khiển Sau đó PLC sẽ đưa tín hiệu ra qua ngõ ra tương tự Tín hiệu từ ngõ ra tương tự có dải 4-20mA dùng để điều khiển thiết bị chấp hành (cụ thể là điều khiển độ mở van trong hệ thống điều khiển áp suất)

d) Các thiết bị khác

Ngoài thiết bị chấp hành, thiết bị điều khiển, thiết bị đo, mô hình điều khiển áp suất còn

có một số thiết bị khác gồm:

* Van đóng mở bằng tay (Manual valve)

Van tay là một thiết bị khá đơn giản và dễ vận hành Một van tay được mở hoàn toàn khi núm xoay của nó song song với trục van hoặc đóng hoàn toàn khi núm ở vị trí vuông góc Chiều tác động như sau: mở van-xoay nguợc chiều kim đồng hồ, khóa van-xoay theo chiều kim đồng

hồ Độ mở của van được điều chỉnh giữa hai vị trí giới hạn đó để thay đổi lưu lượng qua van

Mở van

Khóa van

Hình 1.9 Hướng dẫn chiều tác động van tay Trong thiết bị thí nghiệm điều khiển áp suất có 6 van đóng mở bằng tay được ký hiệu từ V1 đến V6 Trong đó van V1, V3 để điều chỉnh lượng khí đi vào và đi ra khỏi bình khí nén, van V2 điều chỉnh lượng khí đưa đến các van xả, các van V4, V5, V6 vừa có tác dụng ổn định áp suất và lưu lượng khí trong mô hình vừa để khảo sát nhiễu quá trình ảnh hưởng tới hệ thống

* Một bình khí nén ở cuối quá trình Bình khí nén có tác dụng làm ổn định áp suất ở đầu

ra quá trình, nhưng nó cũng làm tăng “độ trễ quá trình”

* Một máy nén khí và một thiết bị lọc để cung cấp nguồn khí sạch cho quá trình Áp suất

phải được cung cấp đầy đủ và đáng tin cậy khi tiến hành thí nghiệm

Hình 1.10 Máy nén khí được sử dụng để cấp khí cho quá trình

Cảnh báo: Áp suất cung cấp tối đa không được vượt quá 40psi

* Hai núm điều chỉnh R1, R2 để điều chỉnh áp suất vào hai nhánh của quá trình R1 điều chỉnh áp suất đưa vào Van điều khiển khí nén để điều khiển độ đóng mở của van R2 điều chỉnh

áp suất đưa vào bình chứa

Hình 1.10 Hai núm điều chỉnh áp suất trong mô hình Cách điều chỉnh như sau: Giữ núm R1 (hoặc R2) kéo ra phía ngoài để điều chỉnh,

quay theo chiều kim đồng hồ để tăng áp suất và ngược chiều kim đồng hồ để giảm áp suất Sau khi điều chỉnh xong thì đẩy núm trở lại

Phần II Thí nghiệm

Số giờ cần thiết làm thí nghiệm: 3 giờ

Tất cả các thao tác vận hành phải dưới sự giám sát, đồng ý của cán bộ hướng dẫn thí nghiệm

Bài thí nghiệm 1: Kiểm tra hiệu chỉnh thang đo cảm biến và cơ cấu chấp hành

Nối thiết bị theo hình dưới:

Xoay chiết áp ở nguồn dòng từ 4-20mA kiểm tra sự bộ hiển thị có giá trị tương ứng 0-100% Nếu giá trị không tương ứng cần phải hiệu chỉnh 2 nút xoay span và zero

Chiết áp

Bộ hiển thị

Span

Zero Process Interface

Kiểm tra dải hoạt động cơ cấu chấp hành

Nối thiết bị như trên hình vẽ

- Khởi động máy nén khí để cấp khí đầu vào

- Cần hiệu chỉnh van R1 để áp suất G1 bằng 20 psi

- Đặt giá trị nguồn dòng 4mA áp suất G2 sẽ hiển thị 3 psi

- Đặt giá trị nguồn dòng 20mA áp suất G2 sẽ hiển thị 15 psi

Kiểm tra thang đo cảm biến

Nối thiết bị như hình vẽ

ơ

- Mở van V2, V4, V5 Vị trí mở van song song đường ống dẫn khí

- Khóa van R2 để đồng hồ áp suất G5 hiển thị 0 psi và bộ hiển thị hiển thị 4mA hay 0%

- Khóa van V2 và mở van V1

- Xoay van R2 từ từ và kiểm tra sự thay đổi áp suất G5 và bộ hiển thị, từ giá trị 0 lên 10psi tương ứng 100%

Bài thí nghiệm 2: Khảo sát đặc tính đối tượng

(Trước khi thực hiện bài thí nghiệm này cần chuyển đổi địa chỉ IP của các máy tính theo địa chỉ tĩnh từ 192.168.1.30 đến 192.168.1.50 dưới sự hướng dẫn của cán bộ thí nghiệm.)

Ở bài thí nghiệm này, ta nhận dạng hàm truyền đạt đối tượng điều khiển từ đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng ứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước:

Trên cơ sở đó xác định 3 tham số: k, T, L như sau:

- L: là khoảng thời gian kể từ khi đặt giá trị đầu vào tới khi có sự thay đổi ở đáp

ứng đầu ra

- T: là khoảng thời gian kể từ khi có sự thay đổi ở đầu ra đến khi đầu ra đạt 0,632

lần giá trị xác lập

- K: hệ số tỉ lệ giữa giá trị xác lập ở đầu ra và giá trị đặt ở đầu vào

Mô hình đối tượng điều khiển áp suất sẽ được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có hàm

Máy nén khí đã nạp đầy và được kết nối với đầu vào mô hình

Các van V1, V3, V4 mở Các van còn lại đóng

Chạy chương trình RSLogix5000 Mở bài thí nghiệm Bài_thi_nghiem_k52.acd.Chương

trình main routine hiện ra:

Trên đây là toàn bộ phần lập trình cho PLC Nhiệm vụ cần làm là mỗi sinh viên cần phải

tạo một trend (đồ thị) để vẽ đường đặc tính quá độ Cách thực hiện:

Kich chuột phải vào mục Trend ( góc dưới cửa sổ nhỏ bên trái màn hình ), chọn new trend

Đặt tên cho trend tạo ra,”ap_suat” chẳng hạn:

Sau đó cần add các tag cần vẽ đồ thị.Với bài thí nghiệm này 2 tag cần add là “ap_suat” và

“do_mo_van”( ở đây có thể hiểu các tag chính là các biến ta cần đo ,khi add tag như vậy chương trình sẽ vẽ đồ thị dựa trên giá trị của chính các biến đó trong quá trình)

Rồi click finish

Tiếp theo cần cài đặt thuộc tính cho Trend

Kich chuột phải vào trend vừa tạo được,chọn properties

Đặt khoảng thời gian cho trục X axis (trục thời gian) khoảng 200s-vì quá trình quá độ của đối tượng cũng nằm trong khoảng thời gian này

Tiếp tục chọn giá trị cho trục Yaxis:

Ở đây các giá trị đặt đầu vào ( độ mở van) và giá trị đầu ra (áp suất) đều tính theo phần trăm nên ta đặt trục Y nhận giá trị từ 0-100 bằng cách chọn custom/min=0 và max=100

Cuối cùng chọn màu cho các tag.Vào Pens

Nên chọn màu đỏ và đen để thuận tiện cho quan sát,còn background ta để màu trắng

Sau khi tạo trend xong,để bắt đầu thí nghiệm,sinh viên theo chỉ dẫn của giáo viên vào

trend vừa tạo ra,bấm “run” để quan sát quá trình quá độ của đối tượng

Khi đủ thời gian yêu cầu,sinh viên bấm “stop” để quan sát đồ thị nhận được,đồng thời sử

dụng đồ thị đó để tính toán các giá trị K,P,L cũng như các giá trị Kp,Ti,Td của bộ điều khiển như

Bài thí nghiệm 3: Cài đặt tham số bộ điều chỉnh và thử nghiệm kết quả

Máy nén khí đã nạp đầy và được kết nối với đầu vào mô hình

Hoàn thành kết nối ba cấp từ mô hình điều khiển áp suất (cấp chấp hành) đến PLC (cấp

điều khiển) đến máy tính (cấp giám sát) như theo hướng dẫn của cán bộ thí nghiệm

Các van V1, V3, V4 mở Các van còn lại đóng

Vẫn gọi chương trình “Bai_thi_nghiem_k52.acd”

Để cài đặt các thông số cho bộ điều chỉnh cần làm như sau:

Bấm chuột vào pidas

Trong Tuning nhập các thông số kp, TI(kI), TD(kD) đã tính toán trong phần nhận dạng quá trình cho bộ điều khiển

Trong Configuration:

PID Equaton: Chọn Dependent Hàm truyền bộ điều khiển có dạng phụ thuộc

I

T s +T D s] Nhập các giá trị k p , T I , T D vào các ô kp, kI, kD trong Tuning

Chọn Independent Hàm truyền bộ điều khiển có dạng độc lập

R(s)= k p + k I

p I

k

T (1/s), kD=60 k p T D(s) Nhập giá trị kp, kI, kD trong

Tuning