KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình Quá trình: - Quá trình: là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng, thông

TRONG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Nguyễn Đình Lâm Trường Đại học Bách khoa

Đại học Đà Nẵng

1 Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định: đảm bảo các điều kiện vận hành

bình thường, thuận tiện, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thiết bị

2 Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy

móc, thiết bị và môi trường

3 Bảo vệ môi trường: giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải,

nước thải, giảm bụi, sử dụng tiết kiệm và hợp lý nguyên liệu và nhiên liệu

4 Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công,

nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường

5 Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản

xuất theo ý muốn, bảo đảm các thông số chất lượng sản phẩm trước các biến nhiễu thường xuyên trong quá trình sản xuất

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình

Quá trình:

- Quá trình: là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc sinh học, trong

đó vật chất, năng lượng, thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

- Quá trình công nghệ: là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển

hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong dây chuyền công nghệ hoặc nhà máy sản xuất năng lượng

- Quá trình kĩ thuật: là quá trình với các đại lượng kĩ thuật được đo hoặc/và

được can thiệp

QTKT=QTCN+các phương tiện kĩ thuật (thiết bị đo, thiết bị chấp hành)

Các loại bản vẽ sử dụng để mô tả các quá trình công nghệ:

 Sơ đồ khối - Block Flow Diagram (BFD)

 Sơ đồ dòng công nghệ - Process Flow Diagram (PFD)

 Sơ đồ công nghệ kết hợp dụng cụ đo và điều khiển -

Process & Instrument Diagram (P&ID)

Mô tả các quá trình công nghệ

Sơ đồ khối - Block Flow Diagram (BFD)

Bài tập 1: Mô tả sơ đồ công nghệ đã cho và tính toán lưu lượng của các dòng công nghệ còn thiếu trong sơ đồ

2911.5 kg/h

11121.5 kg/h 13731.5 kg/h

Mô tả các quá trình công nghệ

Sơ đồ dòng công nghệ - Process Flow Diagram (PFD)

Mô tả các quá trình công nghệ

So sánh các cụm công nghệ ở sơ đồ khối và sơ đồ dòng

 Cụm phản ứng:

 Cụm tách khí:

 Cụm chưng cất:

Mô tả các quá trình công nghệ

Sơ đồ dòng công nghệ - Process Flow Diagram (PFD)

Sơ đồ công nghê và dụng cụ - Process & Instrument Diagram (P&ID)

Mô tả các quá trình công nghệ

Sơ đồ công nghê và dụng cụ - Process & Instrument Diagram (P&ID)

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình

Các biến quá trình:

- Biến vào: là một đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá

trình VD: lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt,…

- Biến ra: là một đại lượng hoặc điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài

VD: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra

- Biến trạng thái: là biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình VD: nhiệt độ

lò hơi, áp suất hơi…

- Biến cần điều khiển: là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều

khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình

Các biến quá trình:

- Nhiễu: là những biến còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián

tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm

+ Nhiễu quá trình: là những biến vào tác động lên quá trình kĩ thuật một

cách cố hữu không can thiệp được

+ Nhiễu đo: là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình

Bình chứa chất lỏng

- Lưu lượng chất lỏng vào: Fi

- Lưu lượng chất lỏng ra: Fo

- Yêu cầu điều khiển: mức chất lỏng trong bình được giữ ở mức h

Hệ thống điều khiển quá trình Quá trình và các biến quá trình

Thiết bị gia nhiệt:

Lưu lượng dòng chất lỏng cần gia nhiệt: wc

Nhiệt độ dòng chất lỏng cần gia nhiệt: TC1

Lưu lượng hơi gia nhiệt: wH

Nhiệt độ hơi gia nhiệt: TH1

Nhiệt độ dòng chất lỏng qua bộ gia nhiệt: TC2

Nhiệt độ hơi gia nhiệt qua bộ gia nhiệt: TH2

Yêu cầu: Nhiệt độ dòng chất lỏng sau khi qua bộ gia nhiệt đạt giá trị mong muốn T C2

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

Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển

 Điều khiển đóng hoặc mở (discrete control)

 Start up, shutdown, an toàn nhà máy

 Phương pháp điều khiển logic, với cổng OR, AND, NAND

 Relais & Bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Control)

 Điều khiển quá trình (process control)

 Điều khiển liên tục, các thông số nhiệt độ (T), áp suất (P), mức chất lỏng (L), lưu lượng (F), độ pH, nồng độ (A)

 Đầu vào: Tín hiệu tương tự chuẩn như 4-20 mA, hoặc 3-15 psig (0,2

– 1 bar)

 Đầu ra: van điều khiển hoặc kết nối với Thiết bị điều khiển khác

 Điều khiển quá trình (process control) - Thành phần cơ bản

r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn

C(t) (Controlled Output): tín hiệu ra

C ht (t) : tín hiệu hồi tiếp

e(t) : Sai số

u(t) : tín hiệu điều khiển

 Điều khiển quá trình (process control) - Phân tích hệ thống điều khiển

 Tính ổn định của hệ thống:

 Kích thích hệ bằng tín hiệu u(t) bị chặn ở đầu vào, thì hệ sẽ có đáp ứng c(t) ở đầu ra cũng bị chặn

 c(t)  Const (c0) khi tín hiệu vào u(t) = Const (u0)

 Độ sai lệch tĩnh (sai lệch giữa giá trị đặt SP và giá trị PV):

 Sau một thời gian quá độ tqđ

 e(t) = u(t) - c(t) = SP - PV

 Thời gian quá độ t qđ và độ điều chỉnh:

 Điều khiển quá trình (process control) - Phân tích hệ thống điều khiển

 Thời gian quá độ t qd và độ điều chỉnh:

 Giới hạn quán tính cần có của hệ thống

 tqd: thời gian chuyển từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác

 Điều khiển quá trình (process control) – Chất lượng điều khiển – thuật ngữ

 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng

 Feedback control (Điều khiển hồi tiếp)

 Phương pháp điều khiển truyền thống

 Đo biến quá trình cần điều khiển PV (Process Variable)

 So sánh với giá trị đặt SP (Setpoint)

 Căn cứ vào độ sai lệch: e = SP – PV

 Bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển tương ứng làm thay đổi

độ mở của van

 Ưu nhược điểm:

 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng

 Feedback control – Các bước cơ bản của một bộ điều khiển

1 Đo biến đầu ra, PV

2 So sánh giá trị đo PV, với giá trị đặt SP Tính toán độ sai lệch E(t), xác định bộ

điều khiển là direct hay reverse

3 Cung cấp độ sai lệch E(t), xác định % độ mở OP của van

4 Giá trị của OP% được chuyển đến thiết bị điều khiển cuối để xác định input cho quá trình này U(t)

5 Lặp lại quá trình

 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng

 Feedback control – Closed Loop Control Vs Open Loop Control

 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng

 Cascade Control – Điều khiển nối tiếp

Cải thiện được tính phản hồi Tính dễ điều khiển cho quá trình

Áp dụng đối với những quá trình:

- Thời gian trễ lớn

- Bộ điều khiển đáp ứng chậm

"Master" and "Slave" loop

 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng

 Feed forward control - Điều khiển sớm

 Tổng quan bộ điều khiển PID

 PID là chữ viết tắt của ba thành phần gồm khâu khuếch đại P

(Proportional), khâu tích phân I (Integral) và khâu vi phân D (Differential)

 Tổng quan bộ điều khiển PID

 Phương trình của bộ điều khiển:

OP(t): Điều khiển Output theo thời gian e(t): Độ sai lệch theo thời gian

K p : hệ số khuếch đại, đặt trưng cho khâu tỉ lệ

T i : hằng số tích phân, đặt trưng cho khâu tích phân (K i = K c /T i )

Td: hằng số vi phân, đặt trưng cho khâu vi phân (K d = K c T d )

dt

t de T K d

e T

K t

e K t

 Tổng quan bộ điều khiển PID

 Phương trình của bộ điều khiển:

- Thành phần P (proportion): phụ thuộc vào sai lệch (error) giữa SP và PV

Đặc trương bởi hệ số Kp, Khi tăng Kp sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, nhưng nếu Kp quá lớn sẽ làm hệ dao động, mất ổn định và nếu tiếp tục tăng sẽ có thể dẫn đến mất điều khiển

- Thành phần I (integrator): Tính tổng các sai số hệ thống theo thời gian, và đáp

ứng của thành phần này sẽ tiếp tục tăng cho đến khi sai số bằng 0, giúp cho sai số

ổn định dần đến 0 và được đặc trưng bởi tham số Ti (integrator time)

- Thành phần D (derivate) : Thành phần vi phân làm cho đầu ra giảm khi biến

quá trình thay đổi quá nhanh Đáp ứng của thành phần D tỷ lệ với tốc độ thay đổi của biến quá trình, và được đặc trưng bởi tham số Td (derivate time) Khi tăng Td

sẽ làm tăng khả năng chống lại sự thay đổi của sai số và làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống Trong thực tế hệ số Td rất nhỏ vì đáp ứng của thành phần D rất nhạy cảm với các nhiễu của biến quá trình

Cần thiết phải chọn các thông số Kp, Ti, Td phù hợp

 Tổng quan bộ điều khiển PID

So sánh hoạt động của P-control và PI

T

K t

e K t

Hoạt động của P-only Control

 t K e (t)

 Tổng quan bộ điều khiển PID

So sánh hoạt động của bộ điều khiển PI và PID

dt

t de T K d

e T

K t

e K t

 Tổng quan bộ điều khiển PID

Ảnh hưởng của khâu tỷ lệ K p

Ảnh hưởng của khâu vi phân K D

 Tổng quan bộ điều khiển PID

Xác định các giá trị Kp, Ti, Td

Quy tắc Ziegler-Nichols Ziegler-Nichols tuning rule

 Tổng quan bộ điều khiển PID

 Các giá trị Kp, Ti, Td thường gặp

Liquid Pressure Control 0,5 - 2 0,1 - 0,25

 Hệ thống điều khiển phân tán - Distributed Control System (DSC)

• Đảm bảo an toàn cao

• Lưu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động

• Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy

• Các module tính toán cho phép tối

ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế

• Giao diện thân thiện với người vận hành bằng ngôn ngữ và hình ảnh

39

P: Áp suất (Pressure) L: Mức (Level)

F: Lưu lượng (Flow) T: Nhiệt độ (Temperature) W: Khối lượng (Weight)

I: Hiển thị (Indicator) C: Điều khiển (Controller) R: Lưu trữ (Recorder) T: Chuyển thông tin (Transmitter) V: Vanne

Y: Bộ chuyển đổi (Converter) hoặc các phép tính toán (Calculation operator)

E: Phần tử đầu tiên (Primary element)

Dụng cụ mà người thao tác có thể tiếp cận được (1) hoặc không thể tiếp cận được (2)

và được thực hiện trong một hệ thống lệnh điều khiển số (Système numérique de controle commande)

VD: Thiết bị điều khiển

(1) (2)

Bộ chuyển đổi hoặc thao tác tính toán:

 

42

FY 860.2

Bộ chuyển đổi tín hiệu cường

độ dòng điện sang tín hiệu áp

Tín hiệu điện

4 - 20 mA

P&ID

45

Instrumentation on P&IDs

ISA standard

ISA-S5-1

ISA: International Society of Automation

-Tổn thất P qua mỗi đĩa (3-20 mbar) « design »

Tác động lên hoạt động của thiết bị ngưng tụ:

- Lưu lượng lưu chất làm lạnh, công suất thiết bị làm lạnh bằng không khí

49 PRC

PRC

53

Thermosiphon đứng

Once through

54

Thiết bị đun sôi lại sử dụng lò đốt

56

57 LRC

58 LRC

PRC

LRC

FRC TRC

FRC

59 LRC

PRC

LRC

FRC TRC

60 LRC

61 LRC

PRC

LRC

FRC TRC

FRC

ARC

ARC

62 LRC

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80