Báo cáo hệ thống điều khiển quá trình

Báo cáo hệ thống điều khiển quá trình

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong những năm học vừa qua, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và bộ môn công nghệ chế biến dầu & khí

Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo Nguyễn Đình Lâm

đã hướng dẫn đề tài, tận tình và nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ

án tốt nghiệp này

Và em cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên giúp

em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua

Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè những lời chúc tốt đẹp nhất

Đà nẵng, ngày 9 tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Đỗ Ngọc Anh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 7

1.1 Điều khiển quá trình là gì? 7

1.1.1 Quá trình 7

1.1.2 Các biến quá trình 7

1.2 Mục đích điều khiển 9

1.2.1.Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: 9

1.2.2.Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm 9

1.2.3.Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn 9

1.2.4.Bảo vệ môi trường 9

1.2.5.Nâng cao hiệu quả kinh tế: 10

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

1.3.1 Thiết bị đo quá trình 12

1.3.2 Thiết bị điều khiển 12

1.3.3 Thiết bị chấp hành 13

1.4 Hệ thống ký hiệu ISA 13

1.4.1 Biểu tượng thiết bị 13

1.4.2 Biểu tượng các đường tín hiệu và đường nối 14

1.4.3 Nhãn thiết bị và ký chức năng 15

1.5 Lưu đồ P&ID 21

CHƯƠNG II MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG 23

2.1 Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp – Feedback Control 23

2.1.1 Khái niệm, nguyên tắc, cấu trúc 23

2.1.2 Ví dụ 24

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm 25

2.2 Kỹ thuật điều khiển tầng – Cascde Control 25

2.2.1 Khái niệm, nguyên lý, cấu trúc 25

2.2.2 Ví dụ 26

2.2.3 Ưu điểm, nhược điểm 27

2.3 Kỹ thuật điều khiển sớm – Feed Forward Control 27

2.3.1 Khái niệm, nguyên tắc, cấu trúc 27

2.3.2 Ví dụ 28

2.3.3 Ưu điểm, nhược điểm, ứng dụng 28

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀO XÂY DỰNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN SẢN XUẤT MTBE 29

3.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE 29

3.1.1 Nguyên liệu 29

3.1.2 Sản phẩm 29

3.1.2 Sơ đồ công nghệ 30

3.2 Kết quả mô phỏng sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE 33

3.2.1 Các thông số thiết kế các thiết bị trong sơ đồ công nghệ 33

3.2.2 Các thông số của dòng công nghệ: 34

3.3 Xây dựng sơ đồ điều khiển 34

3.3.1 Bình chứa (V – 901) 34

3.3.2 Dòng nguyên liệu 35

3.3.3 Bơm (P – 901 A/B) 36

3.3.4 Thiết bị gia nhiệt E-901 37

3.3.5 Tháp phản ứng (R-901) 38

3.3.6 Tháp chưng tách sản phẩm MTBE (T – 901) 39

3.3.7 Tháp hấp thụ MeOH (T – 902) 41

3.3.8 Tháp chưng tách hồi lưu MeOH (T – 903) 43

3.4 Sơ đồ điều khiển sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE 44

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MTBE Methyl Tertiary Butyl Ether

RON Research Octane Number

P&ID Proportional Integral Differential

PRC Pressure Recorder Controller

LIC Level Indicator Controller

PIC Pressure Indicator Controller

TI Temperature Indicator

FI Flow Indicator

CV Control Vavle

FT Flow Transmit

FITC Flow Indicator Transmit Controller

TRC Temperature Recorder Controller

FRC Flow Recorder Controller

LPS Low Pressure Systems

HPS Hight Pressure Systems

MPS Midwest Pressure Systems

CW Cold Water

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Quá trình và phân loại biến quá trình 7

Hình 1-2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 9

Hình 1-3: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 10

Hình 1-4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 11

Hình 1-5: Cấu trúc của thiết bị đo quá trình 12

Hình 1-6: Cấu trúc thiết bị điều khiển 12

Hình 1-7: Cấu trúc thiết bị chấp hành 13

Hình 1.8: Lưu đồ P&ID cho một vòng điều khiển áp suất 16

Hình 1-9: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt 22

Hình 2-1: Cấu trúc sơ đồ điều khiển hồi tiếp 23

Hình 2-2: sơ đồ khối tiến trình điều khiển hồi tiếp 24

Hình 2-3: Điều khiển hồi tiếp thiết bị gia nhiệt hơi nước 24

Hình 2-4: Cấu trúc điều khiển tầng 26

Hình 2-5: Điều khiển tầng cho thiết bị gia nhiệt hơi nước 26

Hình 2-6: Cấu trúc tổng quát của điều khiển sớm 28

Hình 2-7: Điều khiển thiết bị gia nhiệt với kỹ thuật điều khiển sớm 28

Hình 3-1: Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE 31

Hình 3-2: Lưu đồ PFD và thông số các dòng 32

Hình 3-3: Sơ đồ điều khiển mức chất lỏng bình chứa V-901 34

Hình 3-4: Sơ đồ điều khiển tỉ lệ lưu lượng MeOH : isobutylen 35

Hình 3-5: Sơ đồ điều khiển áp suất dòng công nghệ 36

Hình 3-6: Sơ đồ điều khiển mức thiết bị gia nhiệt E-901 37

Hình 3-7: Sơ đồ điều khiển tháp R-901 38

Hình 3-8: Sơ đồ điều khiển tháp T-901 39

Hình 3-9: Sơ đồ điều khiển tháp T-902 41

Hình 3-10: Sơ đồ điều khiển điều khiển tháp T-903 43

Hình 3-11: Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Biển diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID 14

Bảng 1-2: Biểu diễn các tín hiệu và đường nối lưu đồ P&ID 14

Bảng 1-3: Các chữ cái ký hiệu nhãn thiết bị 17

Bảng 1-4: Các ký hiệu chức năng tính toán 19

Bảng 3-1: thành phần và tính chất dòng nguyên liệu 29

Bảng 3-2: Thông số các dòng phụ trợ 33

Bảng 3-3: Thông số thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt 33

Bảng 3-4: Thông số thiết kế của thiết bị phản ứng và bình chứa 33

Bảng 3-5: Thông số thiết kế của bơm 33

Bảng 3-6: Thông số thiết kế các tháp 34

Bảng 3-7: Bảng thông tin điều khiển bình V-901 35

Bảng 3-8: Bảng thông tin điều khiển tỉ lệ lưu lượng MeOH : isobutylen 36

Bảng 3-9: Bảng thông tin điều khiển bơm P-901 A/B 37

Bảng 3-10: Bảng thông tin điều khiển mức thiết bị gia nhiệt E-901 37

Bảng 3-11: Bảng thông tin điều khiển tháp R-901 38

Bảng 3-12: Bảng thông tin điều khiển tháp T-901 40

Bảng 3-13: Bảng thông số của bình V-901 42

Bảng 3-14: Bảng thông tin sơ đồ điều khiển tháp T-903 44

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1 Điều khiển quá trình là gì?

Quá trình điều khiển 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 con người, máy móc và môi trường

Để làm rõ định nghĩa này, chúng ta cần thêm một số khái niệm cơ bản và phân tích những vấn đề liên quan tới điều khiển quá trình

1.1.2 Các biến quá trình

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến quá trình Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa trên Hình 1-1

Hình 1-1: Quá trình và phân loại biến quá trình

Một biến vào (input) là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động bên

ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt…

Một biến ra (output) là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động của

quá trình ra bên ngoài, ví dụ lưu lượng hoặc nồng độ sản phẩm ra…

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, tốc độ biến thiên của nhiệt độ, áp suất, mức…

Trong nhiều trường hợp, biến trạng thái cũng có thể được xem là một biến ra Ví

dụ, mức chất lỏng trong bình chưa vừa có thể xem là một biến trạng thái, vừa có thể xem là một biến ra

Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là quá trình can thiệp các biến vào của quá trình một các hợp lý để các biến ra của nó thỏa 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 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, trong một quá trình công nghệ thì không phải viến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

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

thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho dần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu mẫu Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn đinh, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt đọ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là mọt biến vào của quá trình có

thể can thiệp trực tiếp tử 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 khảo sát được gọi là nhiễu Hay nói các khác, nhiễu là

biến không can thiệp được Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn,

vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất làm 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 viến vào tác động lên quá

trình kỹ thuật một các cố hữu nhưng không can thiệp được, vid dụ lưu lượng chất lỏng

ra, thành phần của nhiên liệu,… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép

đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

Hình 1-2 minh họa một bình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc trưng Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ Mặc dù chất lỏng chảy vào và chảy ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và lưu lượng ra đều

được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái

hoặc là một biến ra của quá trình Thông qua điều chỉnh độ mở can cấp, thay đổi lưu

lượng vào F i một cách hợp lý để du trì mức chất lỏng trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra F 0 Có thể dễ dàng thấy, mức chất

lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào F i là biến điều khiển Trong khi đó, lưu

lượng ra F 0 phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp được ở đây, vì vật được coi là nhiễu quá trình

a, Sơ đồ công nghệ b, Sơ đồ khối

Hình 1-2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 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 đp một đại lượng quá chậm, quá trình 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 trực tiếp điều khiển Vì thế, một biến vần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ

là một biến được điều khiển Ví dụ, đối với các tháp chứng cất thì biến cần điều khiển

là thành phần sản phẩm ra Tuy nhiên, phép đo thành phần các chất thường rất chậm và kém chính xác, hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rất chậm trong thay đổi thành phần sản phẩm ra Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dễ đo hơn và phản ánh nhanh hơn ảnh hưởng của nhiễu

1.2 Mục đích điều khiển

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, ta phải làm rõ mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Phân thích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển

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

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

1.2.2 Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu 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

1.2.3 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự

cố cũng như bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy

ra sự cố

1.2.4 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

1.2.5 Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất 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 của thị trường

Hình 1-3: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản

Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển qua trình, ta xét vid dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1-3 Hai dòng

nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là c 1 và c 2 được đưa vào thiết bị khuấy trộn,

tạo thành một sản phẩm có thành phần c theo yêu cầu Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu được kí hiệu F 1 và F 2, có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng Quá trình pha trộn được thực hiện vởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ Dung dịch

sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng F Yêu cầu công

nghệ là đảm bảo chất lượng sản phẩm và được hệ thống được vận hành theo chế độ liên tục

Chất lượng sản phẩm được đánh giá thông qua một số chỉ tiêu chất lượng Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt, đáp ứng với tác động của nhiễu

 An toàn hệ thống

Lỗi thiết bị, đường truyền sẽ ảnh hưởng đến kỹ thuật điều khiển thông thường không đáp ứng được Trong vi dụ: có thể cần đặt cảm biến báo tràn hoặc cạn bình, quá tốt, quá dòng động cơ khuấy, dẫn tới điều khiển rời rạc động cơ và các van an toàn

Khóa liên động nhằm tránh xảy ra các tình huống nguy hiểm (ví dụ động cơ chỉ được khởi động khi mức trong bình đạt một giá trị nào đó) và giảm thiểu tác hại khi sự

cố xảy ra (bằng các biện pháp ngắt từng phần hoặc dừng khẩn cấp)

 Bảo vệ môi trường

Các dây chuyên cong nghệ ngày nay được thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường: giảm nhiên liêu tiêu thụ, giảm sử dụng nước sạch

Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tể về xử lý nước thải và khí thải

 Hiệu quả kinh tế

Các yêu cầu cụ thể: chất lượng ổn định nồng độ A trong sản phẩm Năng suất thích ứng với yêu cầu thị trường, liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra Tiêu hao năng lượng thấp cho động cơ khuấy và cho các van điều khiển Tác động điều khiển êm ả, trơn tru, tốc độ động cơ cũng như mở van ít khi phải thay đổi hoặc thay đổi chậm

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

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể dơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện qua sơ đồi khối trên Hình 1-4

Thuật ngữ

Hình 1-4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

1.3.1 Thiết bị đo quá trình

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

nào đó với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor)

và chuyển đổi đo (transducer) 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 tin 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 chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà đầu ra là một tín

hiệu chuẩn (ví dụ 0 - 10V, 4 -20mA, …) Cấu trúc của một thiết bị đo quá trình được thể hiện ở Hình 1-5

Hình 1-5: Cấu trúc của thiết bị đo quá trình

1.3.2 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 cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp

Hình 1-6: Cấu trúc thiết bị điều khiển Trên cơ sở tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển, kỹ thuật 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 các phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có

thể được xếp loại loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều

khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết

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

Thiết bị đo / Bộ chuyển đổi

Cảm biến Chuyển đổi đo

Đại lượng cần đo

(Nhiệt độ, áp suất,

mức, lưu lượng…)

Tín hiệu chuẩn (0-10V, 4-20mA…)

Thiết bị điều khiển

được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng

và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán

và hiển thị cùng một lúc

1.3.3 Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) 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 công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp

hành hay cơ cấu dẫn dộng (actuator) và phần tử điểu khiển (control element) Cơ cấu

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

Hình 1-7: Cấu trúc thiết bị chấp hành

1.4 Hệ thống ký hiệu ISA

1.4.1 Biểu tượng thiết bị

Bảng A1-1 liệt kê các biểu tượng thiết bị trên lưu đồ P&ID Cần lưu ý một biểu tượng có thể biểu diễn một thiết bị hoặc một chức năng trong một thiết bị chia sẻ (ví dụ một thiết bị điều khiển hoặc một màn hình chia sẻ) Ý nghĩa của khái niệm “chia sẻ” ở đây là nhằm phân biệt với các thiết bị đơn lẻ (discrete instrument), chuyên dụng cho một mục đích duy nhất, ví dụ một bộ điều khiển số gọn , một đèn hiển thị đơn lẻ Tùy theo mục đích mô tả mà lưu đồ có thể chứa chi tiết biểu tượng cho từng thiết bị/chức năng, hoặc bỏ qua một số trong trường một tương đối hiển nhiên

Thiết bị điều chấp hành

Tín hiệu

điều khiển

Tín hiệu điều khiển

Cơ cấu dẫn động

Khối điều khiển

Phần tử chấp hành

Bảng 1-1: Biển diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID

Các biểu tượng trên bảng 1-1 mô tả các thiết bị cũng như chức năng mà người vận hành có thể trực tiếp thao tác, sử dụng (accessible) Trong trường hợp các thiết bị/chức năng được đặt sau bảng, hoặc người vận hành không được phép can thiệp, đường gạch giữa biểu tượng cần được vẽ bằng nét đứt

1.4.2 Biểu tượng các đường tín hiệu và đường nối

Để phân biệt rõ ràng với các đường ống dẫn, tất cả các đường tín hiệu và đường nối khác cần được vẽ nét thanh Các đường nối được thể hiện bằng các biểu tượng 1-2

Bảng 1-2: Biểu diễn các tín hiệu và đường nối lưu đồ P&ID

Phòng điều khiển trung tâm (Remote)

Vị trí mở rộng (Auxilary Location)

Hiện trường (Local)

Điều khiển logic khả

Thiết bị hay biến

hoặc một biến với

nhiều chức năng

Tín hiệu không định nghĩa

Đường nối tới quá trình kỹ thuật, hoặc đường cấp năng lượng

cho thiết bị

Tín hiệu khí nén

Tín hiệu điện

Tín hiệu thủy lực

Tín hiệu điện tử hoặc âm thanh (có dẫn định)*

Tín hiệu điện tử hoặc âm thanh (không dẫn định)*

Đường nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ liệu)

Thông thường, một đường tín hiệu đủ để biểu diễn liên kết giữa các thiết bị trên lưu

đồ P&ID ngay cả khi tồn tại nhiều đường vật lý trong thực tế Các mũi tên có thể sử dụng

bổ sung để làm rõ chiều của luồng thông tin Các chữ viết tắt sau đây được dùng để ký hiệu các đường cấp năng lượng:

 AS (Air supply): cấp không khí

 ES (Electric supply): cấp điện

 GS (Gas supply): cấp gas

 HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực

 NS (Nitrogen supply): cấp nitơ

 SS (Steam supply): cấp hơi nước

 WS (Water supply): cấp nước

Mức tín hiệu có thể ghi kèm theo kỹ hiệu các đường cấp, ví dụ ES 24DC ký hiệu đường cấp nguồn 24V một chiều

1.4.3 Nhãn thiết bị và ký chức năng

Bảng A1-3 liệt kể ý nghĩa các chữ cái phân biệt chức năng Phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu biến đo hoặc một biến đầu vào (giá trị khởi tạo), sau đến các chữ cái ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc chức năng bị động Tiếp nữa là các chữ cái thể hiện chức năng đầu ra theo một thứ tự tùy ý, trừ trường hợp chữ C (control) phải đứng trước V (valve) Các chữ cái phụ nếu có thể sử dụng ngay đằng sau một chứ cái chính để thay đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệnh (D) áp suất (P) Lưu ý rằng, các ký hiện sử dụng tuân theo chức năng chứ không theo nguyên tắc kết cấu hay nguyên tắc làm việc của thiết bị Ví dụ, một thiết bị do lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất được ký hiệu FT chứ không phải PDT Chữ cái đầu tiên ký hiệu biến được đo (đầu ra của quá trình) hoặc biến khởi tạo chứ không phải biến điều khiển (đầu ra điều khiển) Ví dụ, một van điều chỉnh lưu lượng được điều khiển bởi một bộ điều khiển áp suất được ký hiệu là PV chú không phải là FV

Ví dụ minh họa

Hình A1-1 minh họa một ví dụ mạch vòng điều khiển áp suất Lưu đồ chi tiết bên trái là cơ sở cho thiết kế hệ thống và phát triển phần mềm, trong khi lưu đồ đơn giản hóa bên phải xuất hiện trên các lưu đồ công nghệ

Đường nối cơ học

Ống mao dẫn

* Các hiện tượng điện từ gồm cả nhiệt, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng

a) Chi tiết b) Sơ lược

Hình 1.8: Lưu đồ P&ID cho một vòng điều khiển áp suất

Bảng 1-3: Các chữ cái ký hiệu nhãn thiết bị

Biến đo hoặc biến đầu vào Bổ nghĩa cho chữ

đứng trước

Chức năng xử lý (hiển thị,

Bổ nghĩa cho chữ đứng trước

(Differential)

F Lưu lượng (Flow rate) Tỉ lệ (Fraction)

(Momentary)

Trung bình (Middle)

Q Số lượng (Quanlity) Tích phân, tổng

R Bức xạ, phóng xạ

(Switch)

(Transmit)

V Độ rung (Vibration), phân

Thermowell)

Y Sự kiện, trạng thái hoặc sự

Tóm tắc chuẩn ISA

Chuẩn ISA S5.3 cho các chức năng trong một hệ thống điều khiển phân tác Thực ra, S5.3 vẫn nguyên tập hợp các biểu tượng, nhưng mở rộng và chi tiết hóa ý nghĩa của một

số biểu tượng

Thông thường người vận hành có thể can thiệp:

Bảng 1-4: Các ký hiệu chức năng tính toán

1-0 hoặc ON/OFF Điều khiển ON/OFF hoặc chuyển mạch (Switch)

Σ hoặc ADD Cộng hoặc tổng (cộng và trừ), với 2 hoặc nhiều đầu vào

Δ hoặc SUB Hiệu (với hai hoặc nhiều đầu vào)

-

± , +, Độ dịch (1 đầu vào)

%, 1:3 hoặc 2:1 Khuếch đại (đầu vào : đầu ra)

√ ÷ Nhân, chia (2 hoặc nhiều đầu vào)

√ hoặc SQ.RT Căn bậc hai

xn hoặc x1/n Lũy thừa

> hoặc HIGHEST Chọn giá trị lớn nhất

< hoặc LOWEST Chọn giá trị nhỏ nhất

E/P, P/I, A/D, D/A Biến đổi (E, H, I, O, P, R)

D hoặc d/dt Đạo hàm hoặc tốc độ

1 Hiển thị chia sẻ

2 Hiển thị chia sẻ và điều khiển chia sẻ

3 Truy cập chỉ qua đường truyền thống

4 Giao diện vận hành trên đường truyền thông

Thiết lập tại vị trí mở rộng:

Thông thường người vận hành không thể can thiệp:

Các biểu tượng máy tính

Các biểu tượng dưới đây được sử dụng để chỉ các “máy tính” và chức năng máy tính tách biệt với các thành phần cơ bản tích hợp trong hệ DCS Các máy tính này có thể được nối mạng với các thành phần còn lại, hoặc đứng độc lập

Bình thường người vận hành không thể can thiệp:

Biểu tượng cho điều khiển logic hoặc điều khiển trình tự phức tạp không định nghĩa:

Bộ điều khiển logic trong hệ ĐHPT với chức năng điều khiển logic hoặc điều khiển trình tự:

Ý nghĩa như trên, nhưng người vận hành có thể can thiệp

1 Lắp trên panel tại vị trí mở rộng, thông thường có giao diện sử dụng tương tự, không lắp tại trạm vận hành trung tâm

2 Có thể là một bộ điều khiển dự phòng hoặc một trạm thao tác bằng tay

3 Truy nhập có thể chỉ qua đường truyền thông

4 Giao diện vận hành qua đường truyền thông

1 Bộ điều khiển chia sẻ câm (không có giao diện)

2 Hiển thị chia sẻ lắp tại hiện trường

3 Tính toán, điều hòa tín hiệu trong bộ điều khiển chia sẻ

4 Có thể được nối mạng truyền thông

5 Thông thường vận hành không cần giao diện

6 Có thể thay đổi khi cấu hình

1 Giao diện vào/ra

2 Tính toán, điều hòa tín hiệu trong máy tính

3 Có thể được sử dụng như một bộ điều khiển câm hoặc một module phần mềm tính toán

1 Bộ điều khiển logic khả trình; hoặc điều khiển logic số tích hợp trong các thiết bị điều khiển phân tác

2 Bình thường người vận hành không can thiệp được

Tính toán và điều hòa tín hiệu

Ngoài các biểu tượng đã định nghĩ trong S5.1, chuẩn S5.3 còn bổ sung biểu tượng riêng cho tính toán và điều hòa tín hiệu:

1.5 Lưu đồ P&ID

Có hai khái niệm cần biết khi tìm hiểu về lưu đồ P&ID

chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lượng và điều khiển Thông thường, lưu đồ công nghệ do các nhà máy công nghệ xây dựng

 Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and instrumentation diagram, P&ID) miêu tả

chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức ăng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các đường liên hệ giữa các thành phần Đây là tài liệu quan trọng nhất đối với việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển Một số tiêu chuẩn liên quan tới các biểu tượng lưu đồ P&ID là ISA

Hình 1-15 minh hoạ một lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt Dầu nóng là quá trình cần được làm nóng bởi hơi nước đi qua thiết bị gia nhiệt trước khi cấp cho công đoạn tiếp theo của quá trình công nghệ Nhiệt độ của dầu ra khỏi thiết bị gia nhiệt hơi nước cần được duy trì tại một giá trị đặt mong muốn Bên cạnh đó, một số chức năng khác như hiển thi, ghi chép và cảnh báo cũng được đặc tả trên lưu đồ Trong lưu đồ đơn giản phí dưới cùng đặc tả chức năng hệ thống, lưu đồ chi tiết phía trên là cơ sở cho thiết kế hệ thống và phát triển phần mềm Dựa vào lưu đồ đặc tả chi tiết, công việc lựa chọn và lắp đặt thiết bị cũng như phát triển phần mềm điều khiển có thể thực hiện dễ dàng hơn Các chức năng hệ thống và chi tiết thực hiện đặt tả trên Hình 1-15 bao gồm:

 Đo và ghi lại lưu lượng dầu, sử dụng một thiết bị đo lưu lượng (FT-1), một bộ biến đỏi khí nén – khí nén (FY-1) và một máy ghi (FR-1)

 Đo và ghi lại giá trị áp suất dầu đầu vào, sử dụng một thiết bị đo áp suất (PT-2) và một máy ghi (PR-2)

 Đo và ghi lại nhiệt độ dầu ra khỏi thiết bị thông qua điều chỉnh dòng hơi nóng 3), sử dụng giá trị đó từ cảm biến nhiệt điện trở (RTD)

(TRC- Cảnh báo trường hợp nhiệt độ dầu ra quá thấp, sử dụng cảm biến chuyển mạch (TSL-3) và cơ chế báo động (TAL-3)

a, Lưu đồ chi tiết

b, Lưu đồ đơn giản hóa Hình 1-9: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt