Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)

Thế mạnh của hệ thống điều khiển sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện các chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng.. Trong các hệ thố

MỤC LỤC

 Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS)

DCS là chữ viết tắt của Distributed Control System – hệ thống điều khiển phân tán và nó được dùng để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc điều khiển phân tán Khác với hệ thống điều khiển xây dựng trên cơ sở PLC DCS là giải pháp tổng thể kể cả phần cứng, phần mềm và truyền thông cho toan hệ thống được phát triển các ứng dụng điều khiển của ngành công nghiệp hóa chất cới các thiết bị điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kế của các hệ thống điểu khiển sản xuất thương phẩn là hướng vào hỗ trợ các ứng dụng điều khiển phân tán nên nó thường đượng thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao kể cả tích hợp với các PLC # nhau điềukhiển máy và công đoạn sản xuất độc lập

Thế mạnh của hệ thống điều khiển sản xuất với cấu trúc DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện các chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng Các

hệ thống điều khiển sản xuất thương phẩm ngày nay thường bao gồm các thiết bị điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp

hỗ trợ khả năng điều khiển phân tán Các hệ thống này có thể quản lý từ vài nghìn điểm đến vài chục nghìn điểm vào/ra Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm thống nhất, hệ thống điều khiển có thể thực hiện được đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS)

Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin của chức năng DCS các hệ thống điều khiển thương phẩm ngày nay hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản

lý Hiện nay các giao thức này đã được chuẩn hóa (Profibus, Foundation FieldBus,

Ethernet…)

 Cấu trúc điều khiển phân tán DCS.

• Theo phân cấp chức năng.

• Theo kiến trúc lắp đặt.

Khối điều khiển cục bộ (LCU), bộ điều khiển: Chức năng điều khiển cơ sở và giám sát (chủ yếu cho các biến tương tự), có thể cả điều khiển cao cấp

Vào/ra từ xa (RIO), vào/ra phân tán

Trạm vận hành: Chức năng giao diện vận hành & giám sát, quản lý dữ liệu

Trạm kỹ thuật: Phát triển phần mềm, cấu hình và chẩn đoán hệ thống

Bus hệ thống (system bus, data highway), bus điều khiển

Tùy chọn: Các loại trạm chủ, các máy tính điều khiển cao cấp, các loại bus trường, bus thiết bị (Foundation Fieldbus, DP, DeviceNet )

 Hệ thống điều khiển phân tán, điều khiển tập trung.

Hệ thống điều khiển tập trung với 1 thiết bị điều khiển duy nhất (thường là các máy tính

lớn) để điều khiển toàn bộ quá trình công nghệ Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, mọi quá trình tính toán thực hiện chiến lược điều khiển đa biến được thực hiện trên 1 hệ xử lý trung tâm

Cấu trúc điều khiển tập trung Phương án điều khiển tập trung này có ưu điểm là hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất, tập trung và do vậy ta có thể thực hiện các thuật toán điều khiển quá trình công nghệ 1 các tập trung và thống nhất

Nhược điểm của phương án điều khiển tập trung là khi đối tượng điều khiển lớn, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng tính toán lớn và các hệ xử lý không đáp ứng được yêu cầu tính toán của hệ thống một nhược điểm nữa là trong phương án điều khiển tâp trung các giá trị đo lường phải tập trung về máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho công tác bảo trì và sửa chữa/

Giải pháp khắc phục các hạn chế của điều khiển tập trung là điều khiển phân tán Khác

với phương án điều khiển tập trung điều khiển phân tán có quá trình tính toán điều khiển

là quá trình tính toán phân tán Có nghĩa là quá trình tính toán điều khiển được thực hiện trên nhiều hệ xử lý và hệ cơ sở dữ liệu qía trình có thể tập trung hoặc phân tán trên các hệ

xử lý này nhưng vẫn đảm bảo tính thống nhất Để đảm bảo tính thống nhất và khả năng chia sẻ được chia sẻ dữ liệu trên các thiết bị điều khiển, phương án điều khiển phân tán phải thực hiện chức năng trao đổi dữ liệu dữ trực tiếp giữa các thiết bị điều khiển với nhau

Với hệ thống cơ sở dữ liệu thống nhất và đc chia sẻ giữa các thiết bị điều khiển với nhau

sẽ cho phép hệ thống điều khiển theo phương án phân tán vẫn thực hiện được các bài toán điều khiển đa biến như trong hệ thống điều khiển tập trung thậm chí còn cho phép thực hiện cac luật điều khiển phức tạp hơn do nó ít bị giới hạn về năng lực xử lý và tính toán như trong điều khiển tập trung

Hạn chế của điều khiển phân tán là phải thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị điều khiển và làm tăng tính phực tạp của hệ thống

Nhìn chung tính ưu việt của 1 hệ điều khiển phân tán được thể hiện rõ ở những điểm sau: Tiết kiệm được dây nối và công nói dây nhờ mạng truyền thông

Hiệu suất cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống đươc nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống cấp dưới

Độ linh hoạt cao, thể hiện tính năng mở trong việc mơ rộng hệ thống, thay thiết bị, nâng cập và tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng

Để thực hiện điều khiển phân tán ta có thẻ có các phương án sau:

• Sử dụng PLC với mạng truyền trong công nghiệp

• Sử dụng các hệ điều khiển thương phẩm với cấu trúc DCS.

• Sử dụng hệ thống điều khiển lại

 Thiết kế sơ đồ cấu trúc điều khiển vòng quá trình điều khiển lò hơi.

Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là 1 hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển # nhau Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió, không khí vào

lò, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp… điều có tác động và ảnh hưởng lẫn nhau,

để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thì cùng lúc phải phối hợp điều khiển nhiều đối tượng, với nhiểu thông số Điều này yêu cầu phải có 1 hệ thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và là giảm được sự xen kênh giữa các hệ điều khiển đại lượng của hệ thống Có thể chia ra thành các hệ điều khiển chính sau:

• Hệ điều khiển phụ tải nhiệt: điều khiển quá trình cấp nhiên liệu, nghiền và phun

than vào trong buồng đốt cháy sinh nhiệt năng

• Hệ thống điều khiển chân không buồng đốt: điều khiển luồng gió cấp không khí

và khói thoát đảm bảo điều kiện cháy tốt trong buồng đốt

• Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi: điều khiển quá trình cấp nước cho bao

hơi đảm bảo sự cân bằng giữa lượng hơi sinh ra, lưu lượng nước cấp và nước đi xuống giàn sinh hơi

• Hệ thống điều khiển hơi: đảm bảo các chất lượng hơi trước khi phun vào tuabin

với các thống như độ khô, nhiệt độ, ấp suất, lưu lượng hơi

Các hệ thóng đó bao gồn nhiều mạch vòng điều khiển # nhau nhưng chúng được xeeso vài 2 loại điều khiển thực hiện 2 nhiệm vụ chính sau:

Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng:

Quá trình chuyển đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện bao gồm quá trình chuyển hóa năng lượng từ hóa năng thành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng, cơ năng và từ cơ năng lại chuyển hóa thành điện năng Tuy nhiên trong điều khiển thì quá trình thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất máy phát,

từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng yêu cầu Tổng nhiệt năng yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển lượng than cấp vào và điều khiển lượng khói gió cần thiết để đảm bảo quá trình cháy cung cấp nhiệt năng Ngoài ra công suất máy phát là lượng đặt để điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin, đồng thời cũng phải điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trong bao hơi Tất cả quá trình đó đều nhằm mục đích đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng trong lò hơi

Các mạch vòng điều khiển để đảm bảo chất lượng.

Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cáo nhất cũng như tuổi thọ của nhà máy và chất lượng đện phát ra đảm bảo được chất lượng quá trình cháy cà chất lượng hơi:

Chất lượng của quá trình cháy: nhiên liệu cấp vào lò đủ mịn, lượng không khí cấp vào đảm bỏa nhiên liệu cháy hết tạo ra nhiệt năng lớn nhất

Chất lượng của hơi: hơi có nhiệt độ và áp suất ổn định và lưu lượng đáp ứng đùng theo yêu cầu của tải Đặc biệt hơi nước không được phép lẫn bụi hay các hạt nước li ti như vậy

sẽ gây nổ và hỏng cánh tuabin

Cấu trúc điều khiển lò hơi

I. Trình bày về hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện DCS? Sơ đồ nguyên lý

mô tả chức năng các thành phần chính?

1. Trình bày về hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện DCS:

Hệ thống điều khiển DCS là hệ thống điều khiển phân tán, phân quyền

• Ưu điểm chính của DCS:

- Tiếp cận được một lượng lớn dữ liệu với tốc độ rất nhanh

- Có thể quan sát theo dõi thông số quá trình trong quá khứ bằng cách truy cập lại các dữ liệu cũ

- Có thể dễ lắp các thiết bị mới

- Có thể thực hiện chiến lược điều khiển cơ bản rất nhanh

- Có tính linh hoạt cho người điều khiển cấp cao nhất

- Hiệu suất, độ tin cậy cao

• Nhược điểm:

- Giá thành hệ thống cao

- Nhiều hệ thống thể hiện tính đóng kín

• Phân loại hệ thống điều khiển DCS:

- Các hệ DCS truyền thống:

• Được thiết kế riêng biệt theo cấu trúc của nhà sản xuất

• DCS cũ thường có tính đóng kín cao, thường không tuân theo các chuẩn gián tiếp công nghiệp

• Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn

• Một số sản phẩm tiêu biểu của trạm cục bộ: Advant OCS ( ABB), Freelance 2000(ABB), symphonle (ABB), Delta V( Foxboro)

- Các hệ DCS trên PLC:

• (PLC: bộ điều khiển có khả năng lập trình)

• PLC đực biệt phù hợp với các ứng dụng điều khiển quá trình gián đoạn

• PLC thực hiện được nhiều chức năng như:

• Thực hiện các phép tính logic

• Có khả năng thực hiện một số bài toán từ cơ bản đến nâng cao

• Hiện nay ngoài điều khiển gián đoạn PLC còn ứng dụng trong điều khiển liên tục

• Một số hệ DCS dựa trên nền PLC: Sattline (ABB), Proces logic ( Rockwell), Modicon TXS, PCS 7 ( siemmens)

- Các hệ DCS dựa trên nền PC:

• Ưu điểm của DCS trên nền máy tính cá nhân:

Tính mở cao hơn

Dễ dàng cho người thiết kế và người điều khiển

Có khả năng lập trình tự do hơn

Có khả năng thực hiện các hàm điều khiển phức tạp hơn

• Một số hệ DCS dựa trên nền máy tính cá nhân: TCS 7, Stardom, Ovation, 4

Control…

• Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành với thời gian thực có thể dao diện với bus trường, bus hệ thống

• Các vấn đề kỹ thuật của DCS:

- Kiến trúc xử lí phân tán: cấu trúc phân tán về mặt vật lí dẫn đến phân tán về mặt

xử lí thông tin

- Tính năng thời gian thực: tính năng của một hệ thống luôn sẵng sàng phản ứng với các sự kiện bên ngoài và đưa ra đáp ứng đúng đắn và kịp thời

- Tính sẵn sàng và độ tin cậy: thông qua khả năng dự phòng

- Hỗ trợ chuẩn hóa (không thể thiếu ở hệ thống mới): tính năng mới, có khả năng tương tác với hãng thứ 3

- Yêu cầu về phần mềm:

• Dễ sử dụng, thuận tiện cho người vận hành và thiết kế

• Có tính dao diện theo các chuẩn chung của Thế giới.

2. Sơ đồ nguyên lý mô tả chức năng các thành phần chính:

II. Điều khiển mức nước bao hơi:

• Bản chất của sự điều khiển mức nước bao hơi là quá trình điều khiển lưu lượng nước cấp vào bao hơi

• Trong thiết bị lò hơi, có ba yếu tố chính ảnh hưởng tới sự thay đổi lưu lượng nước cấp là:

o Lưu lượng hơi bão hòa khô

o Lưu lượng nước cấp vào bao hơi

o Mức nước bao hơi

• Mục tiêu của các hệ thống điều khiển mức nước bao hơi là duy trì mức nước trong bao hơi tại mức xấp xỉ trục tâm hình học của bao hơi

• Để đạt được mục tiêu này ta xây dựng các sơ đồ điều khiển lưu lượng nước cấp có

o Tín hiệu đầu vào là tín hiệu lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp và mức nước bao hơi

o Tín hiệu đầu ra là tín hiệu điều chỉnh độ mở của van nước cấp

Sơ đồ điều khiển một tín hiệu:

• Sơ đồ điều khiển lưu lượng nước cấp một tín hiệu đo lường một tín hiệu đầu vào, có thể là tín hiệu mức nước bao hơi hay tín hiệu lưu lượng hơi quá nhiệt

• Đáp ứng đầu ra của sơ đồ một tín hiệu là độ đóng mở % của van nước cấp chính

Sơ đồ điều khiển một tín hiệu tín hiệu đầu vào là lưu lượng hơi quá nhiệt:

• FT: Flow Transmitter: cảm biến lưu lượng hơi quá nhiệt

• FIC: Flow Indicator Controller: bộ điều khiển lưu lượng nước cấp

• Ví dụ:

o Lưu lượng hơi bão hòa: từ 0 đến 20kg/s

o Lưu lượng van: từ 0 đến 22kg/s

• Trong thực tế, phạm vi lưu lượng của van nước cấp luôn lớn hơn phạm vi lưu lượng của dòng hơi quá nhiệt.

• Giả thiết rằng:

o Tín hiệu yêu cầu thay đổi tuyến tính từ 0 đến 100%

o Lưu lượng dòng nước và lưu lượng dòng hơi thay đổi tuyến tính giữa

0 và 100%

o Van có tính chất tuyến tính

• Tại lưu lượng hơi quá nhiệt là 20kg/s, cảm biến trên đường ống sẽ chuyển tín hiệu lưu lượng dòng hơi thành tín hiệu điện và truyền đến bộ FT ( 20kg/s tương ứng là 20mA)

• Khối FT sẽ truyền tín hiệu điện có cường độ 20mA đến khối FIC,

• Tại FIC, bộ khuếch đại bên trong FIC sẽ khuếch đại tín hiệu 20mA với hệ số khuếch đại là K=20/22 ~0,91 và truyền đến van cấp nước chính,

• Tín hiệu điện sẽ điều chỉnh độ đóng mở của van để đạt được độ mở khoảng 91% tương ứng với lưu lượng nước cấp 20kg/s,

• Lưu lượng nước cấp sẽ tương ứng với lưu lượng hơi quá nhiệt và mức nước bao hơi sẽ được duy trì ổn định

• Trong thực tế vận hành, hệ thống điều khiển một tín hiệu có thể xảy ra các sai lệch:

o Có sai số trong bộ khuếch đại bên trong FIC

o Cảm biến đo lưu lượng có sai lệch nhỏ

Trong ví dụ trên thì hệ số khuếch đại K=0,90909, nếu K được cài đặt là 0,91 thì lưu lượng nước cấp vào bao hơi sẽ nhiều hơn lưu lượng hơi quá nhiệt và làm cho mức nước bao hơi tăng lên.

Sơ đồ điều khiển hai tín hiệu:

• FT, Flow Transmitter, khối truyền tín hiệu lưu lượng dòng

• LT, Level Transmitter, khối truyền tín hiệu mức

• K, Gain, khối khuếch đại tín hiệu

• LC, Level Controller, khối điều khiển lưu lượng

• Σ, Integration Function, khối tích phân

Sơ đồ điều khiển nước cấp ba tín hiệu:

• FT, Flow transmitter, cảm biến lưu lượng

• LT, Level Transmitter, cảm biến mức

• K, khối khuếch đại

• Khối 6, lấy hiệu chênh lệch của lưu lượng hơi quá nhiệt và lưu lượng nước cấp

• Khối Σ, khối khuếch đại

III. Điều khiển tốc độ tuabin:

KA – Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại

e – Điện áp điều khiển

x – Hành trình của cánh van có khối lượng m

Ω - Vận tốc góc của trục turbine

Qt – lưu lượng hơi vào turbine

F1,F2- tín hiệu phản hồi

E1, E2 – tín hiệu sai lệch

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều khiển tốc độ tuabin

+ Phụ tải điện thay đổi

+ Lưu lượng hơi vào tuabin thay đổi

- Tốc độ hay công suất của turbine hơi được điều khiển bởi lưu lượng hơi đi vào turbine thông qua việc điều khiển van điện thuỷ lực

- Hệ thống điều tốc là một vòng lặp kín, bất cứ sự sai lệch tốc độ, sai lệch công suất và sai lệch áp suất đều được điều khiển bởi van điều khiển lưu lượng hơi.

Trong đó:

• WPID((s) – Hàm truyền của bộ điều khiển PID;

• G1(s) – hàm truyền của cụm van -xylanh điều khiển van hơi;

• G2(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát;

• KQ – hệ số quan hệ lưu lượng khí và hành trình đóng mở van hơi.

• W(s) = G1(s).KQ.G2(s)

Hàm truyền, bộ tỷ lệ tích phân, vi phân.

 Hàm truyền đạt:

(P)

( )

Mắc nối tiếp: ( )P 1 ( ) 2 ( ) ( )

F =F P ×F P × ×F P

Mắc song song:F HT = +F1 F2

Vòng kín:

1

2 1

1

1 2

(P)

DK

F U

F

= ×





= ×





+

Phương pháp cơ bản để tìm hàm truyền đạt:

(P) , ( )

( )