nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển quá trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, với một loạt các ứng dụng quan trọng tron

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ HỮU THÀNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Thái Nguyên - 2013

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ HỮU THÀNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯƠNG HỆ ĐIỀU

KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Trang 3

Thái Nguyên - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự thực hiện tổng hợp và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc Khánh Trong luận văn có sử dụng một

số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Hữu Thành

Trang 4

MỤC LỤC

MỤC LỤC ……… I DANH MỤC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII LỜI NÓI ĐẦU VIII

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1

1.1 Tổng quan về điều khiển quá trình 1

1.1.1 Khái niệm quá trình và các biến quá trình 1

1.1.2 Mục đích của điều khiển quá trình 2

1.2 Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến 4

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 9

1.3.1 Thiết bị đo 9

1.3.2 Thiết bị chấp hành 10

1.3.3 Thiết bị điều khiển 12

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN14 2.1 Giới thiệu về bàn thí nghiệm 14

2.1.1 Các thiết bị chấp hành 14

2.1.2 Các thiết bị đo 16

2.1.3 Các thiết bị khác 18

2.1.4 Bộ điều khiển 21

2.2 Giới thiệu phần mềm và thiết kế giao diện 29

2.3 Cấu trúc điều khiển mô hình thí nghiệm 38

2.3.1 Cấu trúc tổng quan của mô hình thí nghiệm 38

2.3.2 Mô hình đối tượng điều khiển 39

2.4 Các vòng điều khiển 44

CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 45

3.1 Nhận dạng hệ thống 45

3.1.1 Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T3 (G11) 45

3.1.2 Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T3 (G12) 46

3.1.3 Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức L (G21) 47

Trang 5

3.1.4 Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G22) 48

3.2 Nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống 50

3.2.1 Khi hệ thống chưa có bộ tách kênh De - Coupler 50

3.2.2 Khi hệ thống có bộ tách kênh De - Coupler 52

3.3 Phân tích ảnh hưởng các tham số đến chất lượng hệ điều khiển 53

3.3.1 Xét ảnh hưởng của hệ số khuyếch đại xen kênh đến sự tương tác 53

3.3.2 Chỉnh định lại bộ điều khiển khi hệ số khuyếch đại tương tác nhỏ 0    1 54

3.3.3 Xét ảnh hưởng các tham số của mạch vòng tương tác tới tác động xen kênh 55 3.3.4 Điều khiển phân ly hệ đa biến 56

3.3.5 Điều kiện điều khiển phân ly feedforward hệ đa biến 57

3.3.6 Ảnh hưởng của K p đối với vòng điều khiển 58

3.3.7 Ảnh hưởng của hằng số thời gian τ p tới vòng điều khiển 60

3.3.8 Ảnh hưởng của thời gian chết θp tới vòng điều khiển 61

3.3.9 Ảnh hưởng của KP khi loại bỏ tác động xen kênh 62

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐA BIẾN 62

4.1 Tính toán bộ tách kênh 62

4.2 Thiết lập bộ điều khiển 63

4.2.1 Phương pháp điều khiển sử dụng tối ưu module 63

4.2.2 Phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp tổng hợp trực tiếp DS (Direct Synthesis) 66

4.2.3 Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội IMC (InternalModel Control) 69 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 73

5.1 Hướng dẫn vận hành 73

5.2 Vận hành hệ thống 74

5.2.1 Quá trình khởi động 75

5.2.2 Thay đổi giá trị đặt của mức L 76

5.2.3 Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 81

Trang 6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa quá trình và biến quá trình 1

Hình 1.2 Nguyên lý điều khiển pha trộn 5

Hình 1.3 Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 6

Hình 1.4 Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO) 7

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 9

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo 10

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành 11

Hình 1.8 cấu tạo van điều khiển 11

Hình 1.9 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển 12

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế của van điều khiển 14

Hình 2.2 Hình dáng của van từ trong thực tế 15

Hình 2.3 Hình ảnh của 5 rơ-le MY4N sử dụng trong bàn thí nghiệm 16

Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến mức trong thực tế 16

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế của cảm biến đo nhiệt sử dụng trong mô hình 17

Hình 2.6 Hình ảnh của bộ Quick Disconnect trong thực tế 17

Hình 2.7 Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA 18

Hình 2.8 Hình ảnh thực tế của bình nóng lạnh 19

Hình 2.9 Hình ảnh bơm trong thực tế 19

Hình 2.10 Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế 20

Hình 2.11 Hình ảnh của máy biến áp trong thực tế 20

Hình 2.12 Hình ảnh thực tế của bình chứa trong mô hình thí nghiệm 21

Hình 2.13 Hình ảnh bình trộn trong thực tế 21

Hình 2.14 Hình ảnh về AC800 22

Hình 2.15 Hình ảnh về các dạng kết nối I/O tới bộ điều khiển 23

Hình 2.16 Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển và I/O 25

Hình 2.17 Hình ảnh của AI810 26

Hình 2.18 Hình ảnh của AO810 27

Hình 2.19 Hình ảnh của DO810 28

Hình 2.20 Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt 29

Trang 7

Hình 2.21 Hình ảnh giao diện của Control Builder 29

Hình 2.22 Tạo thư viện và kết nối với các thư viện yêu cầu 30

Hình 2.23 Tạo các dạng dữ liệu trong Control Builder M 31

Hình 2.24 Tạo các khối Control Modules trong Control Builder M 32

Hình 2.25 Cấu hình và kết nối đầu vào ra trong Control Builder M 33

Hình 2.26 Hình ảnh giao diện của My ePlant 34

Hình 2.27 Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor 34

Hình 2.28 Cài đặt thông số cho Trend Display trên Trend Template 35

Hình 2.29 Đồ thị xu hướng Trend Display 36

Hình 2.30 Màn hình giao diện của hệ thống 37

Hình 2.31 Cấu trúc chung hệ điều khiển hai biến 38

Hình 2.32 Cấu trúc tổng quan mô hình 39

Hình 2.33 Xác định biến quá trình của đối tượng bình trộn 40

Hình 3.1 Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 45

Hình 3.2 Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 46

Hình 3.3 Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L 47

Hình 3.4 Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L 49

Hình 3.5 Mô phỏng quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 50

Hình 3.6 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 51

Hình 3.7 Mô phỏng quá trình đa biến khi có bộ tách kênh De - Coupler 52

Hình 3.8 Đáp ứng nhiệt độ T3 của quá trình đa biến khi chưa có bộ tách kênh 53

Hình 3.9 Cán thép dây xây dựng 56

Hình 3.10 Điều khiển phân ly 56

Hình 3.11 Nguyên lý điều khiển feedforward có đo biến điều khiển 56

Hình 4.1 Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 64

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 64

Hình 4.3 Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 65

Hình 4.4 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo chuẩn tối ưu 65

Hình 4.5 Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 67

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 67

Trang 8

Hình 4.7 Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 68

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp DS 68

Hình 4.9 Mô phỏng hệ thống khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 70

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 70

Hình 4.11 Mô phỏng hệ thống khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71

Hình 4.12 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ De-coupler theo phương pháp IMC 71

Hình 5.1 Khởi động OPC Server Configuration 73

Hình 5.2 Thiết lập giá trị đặt cho biến quá trình 73

Hình 5.3 Bảng điều khiển bằng tay 74

Hình 5.4 Bảng điều khiển PID 74

Hình 5.5 Quá trình khởi động khi chưa có bộ De-coupler 75

Hình 5.6 Quá trình khởi động khi có bộ De-Coupler 76

Hình 5.7 Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi chưa có De-coupler 76

Hình 5.8 Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi có De-coupler 77

Hình 5.9 Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi chưa có De-coupler 77

Hình 5.10 Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi có De-coupler 77

Hình 5.11 Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi chưa có De-coupler 78

Hình 5.12 Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi có De-coupler 78

Trang 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển 24

Bảng 2.2 Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển 25

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của AI810 26

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của AO810 27

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của AO810 28

Bảng 3.1 Tìm hiểu hệ số khuếch đại xen kênh – yếu tố thể hiện tác động qua lại của các vòng điều khiển 59

Bảng 5.1 Bảng ký hiệu màu 74

Bảng P3 Bảng đấu nối các kênh cho khối đầu ra tương tự DO810 84

Bảng P4 Bảng đấu nối của AI810 trong tủ 86

Bảng P5 Bảng đấu nối của các van từ trong tủ 87

Bảng P6 Bảng đấu nối của DO810 88

Bảng P8 Bảng đấu nối của các bơm trong mô hình 89

Trang 10

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TT Temperature Transmitter Thiết bị đo nhiệt

DS Driect Synthesis Tổng hợp trực tiếp IMC Internal Model Control Điều khiển mô hình nội

Trang 11

LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển quá trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, với một loạt các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp chế biến, hóa chất, năng lượng … Thêm vào đó, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và các yêu cầu mới của quá trình sản xuất, điều khiển quá trình đang ngày càng được quan tâm và phát triển

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cấp cơ sở của điều khiển quá trình là gồm các mạch vòng đơn biến Tuy nhiên trong công nghiệp sản xuất có rất nhiều các biến cần điều khiển, các mạch vòng đơn biến lại

có sự tác động liên quan đến nhau, có sự sen kênh giữa các mạch vòng, gây khó khăn cho quá trình điều khiển, ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng sản phẩm Khi thiết kế thiết bị công nghệ điều khiển người ta cố gắng hạn chế sự sen kênh, nhưng có

1 số các mạch vòng không thể hạn chế được người ta chấp nhận điều khiển đa biến

Vì vậy vấn đề nghiên cứu dể nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến là hết sức cấp thiết Xuất phát từ những yêu cầu thực tế trên và bản thân tác giả mong muốn thiết kế được mô hình thí nghiệm phục vụ việc dạy và học ở Trường Cao Đẳng Nghề Phú Thọ, nơi mà học viên đang công tác Vì vậy học viên mạnh dạn chọn

đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến” Với

mong muốn tìm hiểu nghiên cứu để nâng cao chất lượng điều khiển trong điều khiển quá trình đa biến

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

b Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả thu được ta khảo sát thiết kế và cài đặt hệ điều khiển đa biến trong công nghiệp

3 Mục đích nghiên cứu:

- Phân tích được các tính chất cơ bản của hệ điều khiển đa biến

- Ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tách kênh feedforward để nâng cao chất lượng hệ điều khiển đa biến

- Thiết kế và cài đặt được hệ điều khiển đa biến trong thí nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu:

Trang 12

Nghiên cứu lý thuyết

- Tham khảo các sách giáo khoa, giáo trình tài liệu… về hệ điều khiển quá trình đa biến

- Tìm hiều nghiên cứu về mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình, các thiết bị điều khiển …

Chương 1 Lý thuyết chung điều khiển quá trình đa biến

Chương 2 Giới thiệu mô hình thí nghiệm điều khiển đa biến

Chương 3 Nhận dạng và điều khiển hệ thống

Chương 4 Thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển hệ đa biến

Chương 5 Kết quả thực nghiệm

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN Thái Nguyên, đặc biệt là thầy giáo PGS TS Bùi Quốc Khánh cùng các cán bộ nhân viên trong trung tâm ứng dụng công nghệ cao - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên luận văn của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp ý kiến của các thầy

cô và các bạn học viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 14 tháng 12 năm 2013

Học viên

Lê Hữu Thành

Trang 13

Chương 1 LÝ THUYẾT CHUNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ

TRÌNH ĐA BIẾN 1.1 Tổng quan về điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm

bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường

1.1.1 Khái niệm quá trình và các biến quá trình

 Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biển 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

Hình 1.1 Minh họa quá trình và biến quá trình

Quá trình và phân loại các biến quá trình

 Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá

trình:

Biến vào là một đại lượng hoặc một 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 rơ-le …

Trang 14

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

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

thái của quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng,

áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình

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

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

- Nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

1.1.2 Mục đích của 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 quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm 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 quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở

Trang 15

quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống 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 năm mục đích cơ bản sau đây:

- 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

Việc vận hành ổn định một quá trình có vai trò quan trọng là do nhiều nguyên nhân Thứ nhất, 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 đông nghệ như tránh tràn hoặc tránh cạn bình chứa, quá nhiệt, quá áp… Thứ hai, một hệ thông vận hành ổn định, trơn tru cũng đồng nghĩa với việc tín hiệu điều khiển được giữ

cố định hoặc ít thay đổi Cũng chính vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hơn hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc hơn, tuổi thọ máy móc, thiết bị sẽ được kéo dài Thứ ba, hệ thống có vận hành ổn định mới có thể ổn định năng suất 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 thông trở nên thuận tiện và an toàn hơn

Trong thực tế không phải một hệ lúc nào cũng ở chế độ vận hành bình thường, liên tục mà còn có các giai đoạn khởi động hoặc dừng, điểm làm việc cũng có thể thay đổi do yêu cầu thay đổi giá trị đặt hoặc do tác động của nhiễu và vì thế có các quá trình quá độ Bên cạnh đó nhiều quá trình không có tính tự cân bằng, chỉ một thay đổi nhỏ 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 hay tác động nhiễu thế nào, nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ về trạng thái vận hành ổn định 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

- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo

kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

Trang 16

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, các biến quá trình không những phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ

mà còn phải được điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một phạm vi cho trước 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 hệ thống an toàn: Nhằm 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 sự cố Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghệ nào cũng phải đảm bảo được mục đích này Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn máy móc, con người và môi trường, chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần túy

nhiên và môi trường Đây

khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm Cách giải quyết thông thường là đảm bảo chất lượng ở mức độ chấp nhận được, trong khi giảm chi phí cho các tác động điều khiển Một cách giải quyết khác 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 một hàm mục tiêu cần cực tiểu (điều khiển tối ưu)

Thông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất Một trong những vai trò quan trọng của điều khiển là làm sao duy trì được chất lượng sản phẩm thật ổn định và đạt vừa đủ yêu cầu để người vận hành có thể đưa các giá trị đặt đến gần sát với ngưỡng cho phép Như vậy cùng với việc lựa chọn điểm làm việc tối ưu thì chất lượng điều khiển tốt nhất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

1.2 Khái niệm chung về hệ điều khiển quá trình đa biến

Trong sản xuất công nghiệp các quá trình công nghệ thường bao gồm rất nhiều biến quá trình Khi thiết kế hệ điều khiển ta xác định được các biến cần điều khiển, biến điều khiển, biến nhiễu …Từ đó thiết lập các mạch vòng điều khiển và coi các mạch

Trang 17

vòng đó độc lập với nhau, gọi đó là hệ có nhiều mạch vòng đơn biến (một vào một ra SISO) Tuy nhiên có một số mach vòng có cấu trúc qua lại với nhau Lúc đó điều khiển SISO không mang lại hiệu quả Chúng ta phải xét chúng là hệ đa biến (nhiều vào nhiều ra MIMO) Lý thuyết hệ đa biến đã được đề cập với lý thuyết điều khiển tự động Trong phần này ta nghiên cứu phân tích phục vụ thiết kế chỉnh định lại hệ đa biến trong thực tế

Thí dụ 1: Hệ đa biến trong điều khiển pha trộn Trên hình 1.1 trình bày nguyên lý

điều khiển pha trộn

AT AC

FC FT

F2

y1

y2

Hình 1.2 Nguyên lý điều khiển pha trộn

Ta có hai biến cần điều khiển y1 là nồng độ X biến điều khiển f1 m1, biến điều khiển y2 là lưu lượng tổng f biến điều khiển m2  f2

Cấu trúc hệ điều khiển hai biến tổng quát trình bày trên hình 1.2

Trang 18

2

C G

G và GC2là hàm truyền bộ điều khiển 1,2; G G11, 22 là hàm truyền quá trình kênh 1 và

2,G12 hàm truyền tác động xen kênh từ 1 tác động sang 2,G21ngược lại từ 2 tác động sang 1

y

k g m

21 12

11 22 12 21

11 22

1 1

 Quá trình đa biến 2x2 với 2 biến vào CO1, CO2 và 2 biến ra PV1, PV2 Trong đó:

- CO1 tác động trực tiếp tới PV1 thông qua hàm truyền G11

Trang 19

- CO2 tác động trực tiếp tới PV2 thông qua hàm truyền G22

- CO1 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV2 thông qua hàm truyền G21

- CO2 tác động xen kênh ( cross – loop) tới PV1 thông qua hàm truyền G12

Hình 1.4 Cấu trúc của hệ đa biến (MIMO)

Hệ số khuếch đại xen kênh (Relative Gain) Đại lượng đo thể hiện tác động qua lại của các vòng quá trình

Để nghiên cứu về quá trình điều khiển đa biến , người ta đưa ra một khái niệm là

hệ số khuếch đại xen kênh λ (Relative Gain), khái niệm này được sử dụng nhiều bởi:

- Nó thể hiện được tác động giữa các vòng quá trình

- Dễ tính

- Không có thứ nguyên nên không bị rang buộc bởi đơn vị của các giá trị các biến

Công thức tính: λ =

Trong đó Kij là hệ số khuếch đại của các hàm truyền tương ứng

Có hai cách ghép đôi cặp biến vào ra:

1 CO1 điều chỉnh thiết bị F1 để điều khiển PV1

CO2 điều chỉnh thiết bị F2 để điều khiển PV2

2 CO1 điều chỉnh thiết bị F1 để điều khiển PV2

CO2 điều chỉnh thiết bị F2 để điều khiển PV1

Lưu ý: Các vòng điều khiển nên được ghép với nhau bất cứ khi nào có thể để giúp cho

hệ số khuếch dại đạt giá trị dương, và khi đó các vòng điều khiển có thể coi như là 1 vòng

G11

G22

G21 G12

PV1

PV2 CO2

CO1

Trang 20

Khái quát cho hệ đa biến



1 1

1

f f f

m f

1 1

m x f x

Trang 21

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

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất,

an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình

1.3.1 Thiết bị đo

Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào

đó Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (tranducer)

(PM)

(CV) (MV)

(CO) (SP)

Trang 22

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo

Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là cảm biến

Một cảm biến (Sensor) 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 khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp

Một bộ chuyển đổi đo (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA,…) Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất

1.3.2 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 tới 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

Một thiết bị chấp hành bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay

cơ cấu dẫn động (Actuator) và phần tử điều khiển(Control element):

Trang 23

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của một cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ năng hoặc nhiệt năng), trong khi phần tử chấp hành tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển

Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng

vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất

Van điều khiển là thiết bị chấp hành cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan

Hình 1.8 cấu tạo van điều khiển

Mô hình động học của van điều khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc nhất:

(1.1)

Trang 24

1.3.3 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Tùy trường hợp mà một bộ điều khiển có thể là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (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 (ví dụ trạm PLC/DCS)

Hình 1.9 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển

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 trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển

có thể được xếp loại thành: thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển số và thiết

bị điều khiển logic

Trang 25

Trang 26

Chương 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU

KHIỂN ĐA BIẾN 2.1 Giới thiệu về bàn thí nghiệm

2.1.1 Các thiết bị chấp hành

a) Van điều khiển CV (Control Valve)

Mô hình bàn thí nghiệm sử dụng 3 van điều khiển, là van điện có chốt xoay hình trụ (ECV-250B-4X của hãng OMEGA)

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế của van điều khiển

Thông số kỹ thuật của van điều khiển:

- Kích thước van: ¼ inches (6,35mm)

- Kích thước ống: ½ NPT

- Áp suất lớn nhất : 120 psi

- Lưu lượng qua van lớn nhất (ở áp suất 50 psi): 4gal/min

- Nhiệt độ làm việc cho phép : -22°C đến 120°C

- Tín hiệu điều khiển : 4-20mA hoặc 1-5VDC

- Nguồn cấp : 12-24VDC

- Công suất tiêu thụ lớn nhất : 23W

- Cơ cấu chấp hành: Động cơ bước 200 bước/ vòng, tốc độ 45 vòng/phút

b) Van từ (Solenoid Valve)

Trang 27

Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 van từ SV6003 của hãng OMEGA

Hình 2.2 Hình dáng của van từ trong thực tế

Thông số kỹ thuật của van từ:

- Nguồn cấp cho cuộn hút: 110-120 VAC/50Hz

- Công suất cuộn hút: 8W

- Để điều khiển hoạt động đóng mở của van từ và các bơm ta sử dụng 5

rơ-le điều khiển MY4N của hãng OMRON

Trang 28

Hình 2.3 Hình ảnh của 5 rơ-le MY4N sử dụng trong bàn thí nghiệm

Thông số kỹ thuật của rơ-le MY4N:

- Có 4 cặp tiếp điểm thường đóng (NC), 4 cặp tiếp điểm thường mở (NO)

- Dòng đóng cắt: 5A

- Nguồn cấp: 24VDC hoặc 110/220VAC

2.1.2 Các thiết bị đo

a) Thiết bị đo mức (LT- Level Transmitter)

Mô hình thí nghiệm sử dụng cảm biến đo mức LVU-90 dựa theo phương pháp siêu âm của hãng OMEGA

Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến mức trong thực tế

Thông số kỹ thuật:

- Pham vi đo: 3,6 inches – 72 inches (9cm đến 174 cm)

- Dải đo : 68,4 inches (165cm)

- Độ phân giải: 0,125 inches (3mm)

- Độ chính xác: ± 0,25% dải đo

- Tín hiệu ra: 4-20mA hoặc 12-36VDC

- Nhiệt độ làm việc: -40°C đến 60°C

b) Thiết bị đo nhiệt (TT- Temperature Transmitter)

Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 nhiệt kế điện trở CF-000-RTD-4-60-2của hãng OMEGA

Trang 29

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế của cảm biến đo nhiệt sử dụng trong mô hình

- Tín hiệu ra: 4-20mA hoặc 12-36VDC

- Kích thước que đo: 4 inches (10cm), chiều dài cáp 60 inches (1,5m)

- Que đo dạng thẳng, có kèm bộ Quick Disconnect

Hình 2.6 Hình ảnh của bộ Quick Disconnect trong thực tế c) Thiết bị đo lưu lượng

Mô hình thí nghiệm sử dụng lưu lượng kiểu phao FLR6302D của hãng OMEGA

Trang 30

Hình 2.7 Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA

Thông số kỹ thuật:

- Phạm vi đo: 0,2 – 2 gallon/phút

- Dải đo: 1,8 gallon/phút

- Độ phân giải: 0,02 gallon/phút

Trang 31

Hình 2.8 Hình ảnh thực tế của bình nóng lạnh b) Bơm (Pump)

Mô hình thí nghiệm sử dụng bơm của 2 hãng SELTON và KUTA với các thông số kỹ thuật như sau:

- Có rơ-le bảo vệ quá tải

OUT PUMP IN PUMP

Hình 2.9 Hình ảnh bơm trong thực tế c) Nguồn cấp

Để cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, cần sử dụng 3 loại nguồn cấp:

- Nguồn xoay chiều 220VAC, 50Hz cấp nguồn trực tiếp cho bơm , bình nóng lanh

- Nguồn một chiều SD823 với đầu ra 24VDC, 10A chuẩn, lấy nguồn cấp

Trang 32

220VAC/50Hz, cấp cho bộ điều khiển, các thiết bị đo và van điều khiển

- Nguồn xoay chiều 110VAC cấp cho van từ Nguồn này được lấy từ máy biến áp sau khi chuyển điện áp từ 220VAC xuống 110VAC

Hình 2.10 Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế

Hình 2.11 Hình ảnh của máy biến áp trong thực tế d) Thùng chứa (COOLER)

Thùng chứa nước lạnh có thể tích 500 lít Nước được làm mát tự nhiên nhờ

sự tản nhiệt bằng đối lưu qua không khí Do đó, việc làm mát nước là rất chậm, và đây chính là nhược điểm lớn nhất của mô hình thí nghiệm trong đồ án này Sau một

Trang 33

thời gian, nước trong thùng sẽ nóng dần khiến cho dải điều khiển bị thu hẹp

Hình 2.12 Hình ảnh thực tế của bình chứa trong mô hình thí nghiệm

Trong mô hình thí nghiệm sử dụng bộ điều khiển AC800M của hãng ABB

a) Giới thiệu về bộ điều khiển AC800M

Bộ điều khiển AC800M bao gồm những phần chính sau:

 Khối xử lý trung tâm (Processor Units) bao gồm cả đế

Trang 34

(PM856/PM860/ PM861/PM864) Trong đồ án này sử dụng đế PM856

 Khối giao diện truyền thông cho các giao thức khác nhau (CI851,

CI852…)

Tuy nhiên trong đồ án này không sử dụng đến các khối truyền thông này

 Khối nguồn cấp các mức điện áp khác nhau (SD821 SD823…) Trong đồ

án sử dụng nguồn SD823 cấp nguồn 24V chuẩn cho bộ điều khiển

Một số đặc điểm khác của bộ điều khiển AC800M:

 Có pin và CPU dự phòng (khi pin chính hoặc CPU chính gặp sự cố)

 Khối I/O có thể kết nối tối đa với 12 modules trên 1 nhóm (cluster) thông qua ModuleBus điện của bộ điều khiển AC800M Tuy nhiên có đến 7 nhóm nữa có thể thêm vào thông qua ModuleBus quang của bộ điều khiển nâng tổng số module có

Trang 35

thể kết nối vào AC800M khi chỉ sử dụng ModuleBus là 96 Ngoài ra thông qua PROFIBUS DP có thể nâng số lượng vào ra kết nối tới bộ điều khiển

Hình 2.15 Hình ảnh về các dạng kết nối I/O tới bộ điều khiển

Trang 36

Ta chỉ sử dụng kết nối ModuleBus điện

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển

Thông số kỹ thuật chung

Dòng tiêu thụ 180mA (tối đa 300mA)

Đầu nối nguồn vào 4 đầu nối có vít, bao gồm L+, L-, SA, SB

Yêu cầu nguồn cấp 24VDC (dao động 19-30VDC) nối vào chân L+ và Kích thước W(Rộng) 119 x H (Cao) 186 x D (Dày) 135mm

b) Thống kê các tín hiệu vào ra từ quá trình

Từ đặc tính các thiết bị đã nêu ra từ mục 3.1.1 đến 3.1.3 ta đưa ra bảng thống kê các thiết bị cần kết nối với bộ điều khiển như sau:

Trang 37

Bảng 2.2 Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển

Tên thiết bị Tín hiệu Đầu vào/ra Số lượngCảm biến mức (LT) 4-20mA Analog input 1Cảm biến nhiệt độ (TT) 4-20mA Analog input 3Cảm biến lưu lượng (FT) 4-20mA Analog input 3Van điều khiển (CV) 4-20mA Analog output 3

Bơm (PO và PI) On/Off Digital output 2

Theo bảng thống kê, ta thấy đầu vào ra I/O của bộ điều khiển cần 7 đầu vào

AI (Analog input), 3 đầu ra AO (Analog output), 5 đầu ra DO (Digital output)

Trong đồ án này sử dụng 3 module vào ra S800 bao gồm: 1 khối ra số DO810 với 16 kênh, 1 khối ra tương tự AO810 với 8 kênh và 1 khối vào tương tự AI810 có 8 kênh

Hình 2.16 Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển và I/O

Trang 38

c) Giới thiệu các khối module vào ra cần dùng

 Analog Input Module AI810/TU830

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của AI810

Dải tín hiệu vào 0-20mA; 4-20mA; 0-10V hoặc 2-20VDC

Dòng điện tiêu thụ ở 24V 40mA

Công suất tiêu thụ 1,5W

Trở kháng đầu vào 230Ω đến 275Ω

Thời gian trích mẫu 5ms

Kích thước W(Rộng) 45mm x D(dày) 97mm x H(cao) 119mm

Hình 2.17 Hình ảnh của AI810

Trang 39

 Khối đầu ra tương tự AO810

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của AO810

Dải tín hiệu ra 0-20mA; 4-20mA

Công suất tiêu thụ 3W

Trở kháng đầu ra ≤500Ω hoặc 250-850Ω

Thời gian trích mẫu ≤2ms

Hình 2.18 Hình ảnh của AO810

Trang 40

 Khối đầu ra số DO810

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của AO810

Công suất tiêu thụ 2,1W

Trở kháng đầu ra < 0.4Ω

Hình 2.19 Hình ảnh của DO810

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	5,17 MB