Bài giảng Cơ Sở Điều Khiển Quá Trình CNHH

Pha – ĐHBK • ĐKQT và mục đích của ĐKQT 1.1 Điều khiển qúa trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để điều chỉnh, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ hoạt động theo yêu c

Trang 1

Bài giảng

Trang 2

Process Control @ B N Pha – ĐHBK

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Thời lượng: 30 tiết lý thuyết

Giáo trình – tài liệu tham khảo:

[1] D.E Seborg, T.F Edgar, D.A Mellichamp,

Process Dynamics and Control, 2 nd Ed., John

Wiley, 2004

[2] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều

khiển quá trình, NXB Bách Khoa, Hà Nội, 2006

Phần mềm:

Trang 3

[Đánh giá môn học]

Bài tập 20%

Bài tập lớn

20%

Thi tự luận

60%

Trang 4

Áp dụng kiến thức về lưu đồ P&ID

để biểu diễn sơ đồ kết nối của quá trình công nghiệp có điều khiển

Phân loại và lựa chọn cấu trúc điều khiển và chiến thuật điều khiển

Trang 5

① Điều

khiển quá

trình

② Điều khiển máy (chuyển động, Robot)

Tự động

hóa

Trang 6

• ĐKQT và mục đích của ĐKQT

1.1

Điều khiển qúa trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển

tự động để điều chỉnh, vận hành và giám sát các quá

trình công nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn.

Đối tượng điều khiển:

Trang 7

Đo mức

Bộ ĐK

Ví dụ bình chứa chất lỏng

Yêu cầu điều chỉnh mức nước h=H 0

Trang 8

Nội dung môn học

Trang 9

Chương 1:

Tổng quan về điều khiển quá trình

1.1 Điều khiển quá trình và Mục đích

1.2 Khái niệm và định nghĩa

W1

1.3 Quá trình và các biến quá trình

W2 W3

1.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống

1.5 Lưu đồ P&ID

1.6 Các sách lược điều khiển cơ bản W4

Trang 10

1.2 Các khái niệm và định nghĩa

Điều khiển: điều khiển tự động, điều khiển thủ công

Hệ thống điều khiển tự động

Điều chỉnh tự động

Vòng điều khiển: vòng kín vòng hở

Giá trị cài đặt

Sai lệch điều khiển

Quy luật điều khiển

1.1 Điều khiển quá trình và Mục đích điều khiển

Mục đích của điều khiển quá trình

• Nội dung bài hôm nay

W1

Trang 11

• Mục đích ĐKQT

1.1

Nhiệm vụ của ĐKQT là đảm bảo đáp ứng các yêu cầu

mong muốn đối với các quá trình chế biến.

4) Điều kiện vận hành quá trình

5) Hiệu quả kinh tế

Trang 12

 Triệt tiêu ảnh hưởng nhiễu

 Đảm bảo sự ổn định

 Tối ưu kết kết quả thực hiện:

• An toàn: cho con người, môi trường, thiết bị

• Tối đa lợi nhuận: giảm sự biến động, đáp ứng

năng suất và chất lượng, giảm thiểu chất thải, giảm thiểu tác động môi trường, giảm thiểu sử dụng năng lượng

1.1

VAI TRÒ CỦA HT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Trang 13

 Điều khiển để đảm bảo an toàn

1.1

Các lớp bảo vệ an toàn: bắt đầu với việc kiểm soát quy

trình an toàn thiết kế, mở rộng tới các lớp phòng ngừa bằng tay và tự động, và tiếp tục với các lớp để giảm nhẹ

hậu quả nếu sự kiện xảy ra.

Hệ thống thiết bị bảo vệ Con người can thiệp Điều khiển quá trình Thiết kế quá trình Cảnh báo

LSHH

LAH

Trang 14

 Điều khiển để tăng lợi nhuận

Hiệu quả kinh tế phụ thuộc vào: điểm cài đặt và chất

lượng điều khiển:

• Xu hướng phải điều khiển quá trình gần với các mức giới hạn trên hoặc dưới, trong vùng làm việc kinh tế.

• Khi quá trình được kiểm soát tốt, có thể thiết lập giá trị cài đặt trong vùng có lợi nhuận cao hơn

=> Cần đưa quá trình về trạng thái ổn định

Thời gian Điểm cài đặt cũ

USL

Biến động lớn (Trước điều khiển)

Biến động nhỏ (Sau điều khiển)

1.1

Trang 15

[CÁC KHÁI NIỆM & ĐỊNH NGHĨA]

 Điều khiển là tác động có định hướng lên đối tượng điều khiển nhằm đảm bảo cho nó hoạt động theo yêu

cầu mong muốn.

u

Quá trình điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người

Con người thực hiện tác

động lên đối tượng điều khiển

• Khái niệm và định nghĩa

1.2

Trang 16

Điều khiển bằng tay

Mục đích điều khiển: Ổn định mức chất lỏng, khi có nhiễu tải LV 1) Đo: mắt thu thập thông tin

2) So sánh: não xử lý thông tin

3) Điều chỉnh: tay chỉnh van vào

VÍ DỤ VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Bộ điều khiển trực tiếp

1) Phao = cảm biến mức

2) Vị trí phao

3) Cánh tay đòn điều chỉnh van

1.2

Trang 17

Điều khiển bằng tay

VÍ DỤ VỀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

1.2

Trang 18

 Các chức năng hệ thống điều khiển tự động :

Khởi động, điều chỉnh, dừng, bảo vệ, giám sát…

 Điều chỉnh là duy trì đại lượng đầu ra của đối tượng

biến đổi) bằng cách đưa vào đối tượng các tác động điều khiển.

Giá trị chủ đạo cố định Giá trị chủ đạo biến đổi

=> điều chỉnh chỉ là một chức năng của điều khiển

SP PV

1.2

Trang 19

Ví dụ: Điều khiển - Điều chỉnh:

- Đo và hiển thị mức LIT

- Cảnh báo mức cao LAH

- Bảo vệ: chuyển sang chế độ dừng nhập liệu khi mức

vượt quá mức quá cao (mức an toàn) /Hi-Hi Level Switch

SP

Trang 20

 Vòng điều khiển (control loop): là một chu trình

thực hiện việc điều khiển.

Vòng điều khiển kín và hở

Vòng điều khiển hở : là là một hệ

thống trong đó sự kiểm soát không

tuỳ thuộc vào đầu ra Lệnh điều

khiển được đưa vào, bộ điều khiển

sẽ kiểm soát tiến trình xử lý sao cho

đối tượng được điều khiển đạt được

tiêu chuẩn định trước.

Mạch vòng kín : giá trị mong muốn và giá trị tức thời được đưa và bộ điều khiển để so sánh, dựa vào sự chênh lệch này bộ điều khiển đưa ra quyết định tác động vào đối tượng điều khiển.

1.2

Trang 21

Ví dụ điều khiển vòng hở (opened loop control):

Một máy nướng bánh có gắn timer để ấn định thời gian tắt và mở máy Đến thời điểm đã chọn trước, timer điều khiển tắt bộ nung.

Hệ thống điều khiển vòng hở có độ tin cậy không cao Muốn đưa đáp ứng c đến trị giá tham khảo r, người dùng phải qui chuẩn lại bằng cách chọn timer lại.

1.2

Trang 22

Ví dụ điều khiển vòng kín (closed loop control):

1.2

Trang 23

 3 tác vụ của một vòng điều khiển :

- Đo lường

- Ra quyết định

- Thực hiện điều khiển

Ví dụ : bình chứa.

truyền tín hiệu đến bộ điều

khiển, bộ điều khiển so

sánh với giá tr ị đặt và đưa

ra quyết định điều khiển

Trang 24

Ví dụ: giá trị đặt mức nước trong bể chứa là Ho =1m.

Gía trị đặt cũng có thể là tối đa hoặc giá trị tối thiểu.

Ví dụ, mức trong bể không thể vượt quá 1,2m và không thấp hơn 0,8m.

Là giá trị đầu ra của quá trình mà ta mong muốn đạt

được, còn gọi là giá trị chủ đạo.

Setpoint

PV

1.2

Trang 25

 Sai lệch (Error, e): là sự khác biệt giữa giá trị đặt và

giá trị tức thời đo được của các biến quá trình, giá trị sai lệch có thể là số dương hoặc số âm.

Trang 26

 Quy luật điều khiển: là hàm số biểu diễn mối quan hệ

giữa giá trị đầu ra với giá trị đầu vào của bộ điều khiển

Trang 27

1.3 Khái niệm về quá trình và các biến quá trình

Quá trình công nghệ

Biến đầu vào

Biến đầu ra

Biến điều khiển

Biến cần điều khiển

Biến được điều khiển

Biến nhiễu

• Nội dung bài hôm nay

W2

1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển

 Đối tượng điều khiển

 Thiết bị điều khiển:

 Thiết bị đo

 Bộ điều khiển

 Bộ phận chấp hành

Trang 28

[QUÁ TRÌNH VÀ CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH]

Trình tự các diễn biến vật lý, hóa

Quá trình chưng cất (tính chế)

Nhà máy sản xuất (Biến đổi,tính chế)

Quá trình hóa học: là một trình tự các diễn biến vật lý,

hóa học, sinh học… trong đó vật chất năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.

• Quá trình & Biến quá trình

1.3

Trang 29

Biến quá trình là đại lượng, thông số đặc trưng cho quá trình có ảnh hưởng đến quá trình hay hệ quả của quá

[CÁC BIẾN CỦA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ]

1.3

Trang 30

Biến vào và biến ra:

Biến vào (input variable): là đại lượng, thông số phản ánh tác động từ bên ngoài đến quá trình, là nguyên nhân làm quá trình biến động

Biến ra (output variable): là đại lượng, thông số thể hiện ảnh hưởng của quá trình ra bên ngoài.

Trang 31

Phân loại các biến quá trình:

Quá trình chỉ có 1 đầu vào và 1 đầu ra là quá trình đơn

biến (SISO)

Thực tế các quá trình thường là đa biến MIMO: nhiều

biến vào, nhiều biến ra

Biến nhiễu

(LV or DV)

Biến điều khiển (MV)

Biến không cần ĐK

Biến cần điều khiển

Biến đo được (được điều khiển)

Trang 32

- Biến cần điều khiển (Controlled Variable, CV) là

biến ra hoặc biến trạng thái của quá trình được điều khiển sao cho gần với giá trị mong muốn hoặc bám theo một giá trị chủ đạo/tín hiệu mẫu.

- Biến được điều khiển (Controlled Variable, CV) là

một biến ra dùng gián tiếp để thay cho biến cần điều khiển trong một số trường hợp nếu phép đo trực tiếp biến cần điều khiển là quá chậm, quá thiếu chính xác hay quá tốn kém khi đó nó có thể được đo và điều khiển gián tiếp thông qua đại lượng khác.

chưng cất, biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp thay vì nồng độ sản phẩm đỉnh.

Các biến ra được chia thành:

1.3

Trang 33

Các biến vào được chia ra thành:

- Biến điều khiển (Manipulated Variable, MV) là những

biến vào của quá trình dùng để can thiệp trực tiếp từ bên ngoài vào quá trình, qua đó tác động tới biến ra theo yêu cầu mong muốn.

- Biến nhiễu (disturbance/Load variable, LV) là những

biến vào của quá trình, tác động lên quá trình nhưng ta không can thiệp được trong phạm vi quá trình đang quan tâm.

Nhiễu bao gồm nhiễu cơ bản và nhiễu không cơ bản.

Ví dụ: như thành phần nhiên liệu, nhiệt độ dòng lạnh, áp

suất hơi bão hòa, thời tiết…

1.3

Trang 34

Ví dụ: Xác định các biến quá trình

Mục đích điều khiển : ổn định h = Ho

Phân tích bài toán ta có các biến sau:

1.3

Trang 35

[CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH]

Các thành phần cơ bản của HTĐKQT:

- Đối tượng điều khiển là quá trình công nghệ (Process)

- Bộ điều khiển (the controller)

- Dụng cụ đo/truyền tín hiệu (a sensor/ transmitter)

- Bộ phận thừa hành (a final control element)

Thiết bị điều khiển

Biến nhiễu LV

Giá trị đặt

SP

Dụng cụ đo

Tín hiệu điều khiển

CO

Biến điều khiển

CV

BP thừa hành

• Cấu trúc HTĐKQT

1.4

Trang 36

Thí dụ: Điều chỉnh mức chất lỏng trong bình chứa:

Mức chất lỏng được đo

bằng mức kế (LT) với tín

hiệu đầu ra đưa đến bộ

điều khiển (LC) Giá trị

SP được người điều hành

đưa vào Nếu mức chất

lỏng lệch khỏi giá trị SP

thì BĐK sẽ tác động lên

lưu lượng đầu vào thông

qua BPTH là van điều

Đối tượng: bình chứa DCĐ: mức kế LT

BĐK: LC BPTH: Van

Trang 37

 Đối tượng điều khiển

Đối tượng điều khiển (ĐTĐK): trong công nghệ hoá học đối tượng điều khiển có thể là một phân xưởng, nhà máy hoá chất hoặc hệ thống thiết bị công nghệ.

1.4

Trang 38

Thiết bị điều khiển quá trình

Thiết bị điều khiển

Tín hiệu đo (PM)

LV

Thiết bị đo Đại lượng đo

TB chấp hành

MV

Tín hiệu chuẩn

 Tín hiệu chuẩn khí nén : khí nén áp suất từ 3-15 psi

 Tín hiệu analog: dòng điện 0-20mA, 4-20mA hay điện áp 0-10V, 1-10V,

 Tín hiệu số : biểu diễn các giá trị đo tại các thời điểm rời rạc Ví dụ tín hiệu bus trường, protocol, profobus…

Chuyển đổi giữa các tín hiệu : dùng bộ converter như A/D, I/P

Trang 39

[Thiết bị đo lường]

Measurement device: Thiết bị đo

Sensor: Cảm biến

Transmitter: Bộ chugển đổi đo chuẩn

Transducer: Thiết bị chuyển đổi một tín hiệu cơ khí thành điện

Convertor: Thiết bị chuyển đổi một tín hiệu chuẩn dạng này thành tín hiệu chuẩn dạng khác

 Chức năng cung cấp thông tin cho thiết bị điều khiển, giám sát

 Hai thành phần chính là cảm biến và bộ chuyển đổi đo chuẩn

Trang 40

Bằng cách ứng dụng các nguyên tắc vật lý khác nhau, đại lượng vật lý được thu nhận và biến đổi

ĐL ĐIỆN

XỬ LÝ

Cảm biến/Chuyển đổi sơ cấp (Sensor/primary elements):

Một số chuyển đổi sơ cấp gồm: màng nhạy áp suất, chuyển đổi lực căng, chuyển đổi điện dung, nhiệt điện trở, cặp nhiệt, ống venture

Thiết bị đo lường

Transmitter có nhiệm vụ chuyển một tín hiệu từ sensor thành một tín hiệu chuẩn

Trang 41

Một số thết bị đo trong công nghiệp

Nhiệt độ Cặp nhiệt (Thermocouple, TC); nhiệt điện trở

kim loại (RTD) hoặc nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor); hỏa kế bức xạ Pyrometer)

Có thể lắp trong ống hay ngoài ống dẫn

Áp suất Cảm biến đàn hồi, áp kế biến trở, áp kế điện

trở Tenzo, Áp kế piezo

Lắp tiếp xúc trực tiếp với lưu chất

Lưu lượng Lưu lượng kế chênh áp, turbin, điện từ, siêu

âm…

Mức Cảm biến siêu âm, phao, chênh áp…

Nồng độ Ghi sắc ký (gas-ligquid chromatography,

GLC), phép đo phổ và hấp thụ bức xạ

Trang 42

Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Nguyên lý hoạt động: Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở hai đầu Một đầu được coi là điểm lạnh ( điểm tham chiếu) Và một đầu được coi là điểm nóng - điểm đo.

Khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau – một điện áp

gọi là thế điện động

được hình thành trong mạch đo hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng Seebeck điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối.

Một số thết bị đo trong công nghiệp

Trang 43

Cấu tạo của cặp nhiệt điện

Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số.

Độ nhạy không cao.

Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt độ nhớt máy nén Tầm đo: -100 o C đến 1400 o C

Một số cảm biến công nghiệp

Trang 44

Trang 45

Quán tính nhiệt khá cao.

Phải sử dụng nguồn điện một chiều.

Nhiệt kế điện trở thường dùng để đo nhiệt độ các loại nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hoá hoặc nồi hơi, không khí trong phòng…

Trang 47

Thiết bị chấp hành

Phần tử điều khiển (control element): Can thiệp trực tiếp tới đại lượng điều

khiển, ví dụ van tỉ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải.

Cơ cấu chấp hành (actuator, actuating element): cơ cấu truyền động, truyền

năng lượng cho phần tử điều khiển, ví dụ động cơ (điện), cuộn hút, cơ cấu khí nén, thủy lực

Thiết bị chấp hành (actuator system, final control lement):

có chức năng can thiệp vào đại lượng điều khiển làm thay đổi đại lượng

điều khiển theo tín hiệu điều khiển, ví dụ van điều khiển, máy bơm, quạt

gió, hệ thống băng tải Hai thành phần chính của thiết bị chấp hành là Cơ

cấu chấp hành và Phần tử điều khiển

Trang 48

1.4

Trang 49

Van điều khiển (control valve): trong các hệ thống ĐKQT hầu hết biến điều

khiển là lưu lượng vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất qua các đường ống dẫn tỷ lệ với biến điều khiển

Van điều khiển bao gồm

thân van nối với cơ cấu

Trang 50

Kiểu tác động của van:

a) Van đóng an toàn (fail-closed, FC hoặc air-to-open, AO): trong trường

hợp khi không có tín hiệu điều khiển thì van ở trạng thái đóng hoàn toàn

b) Van mở an toàn (fail-open, FO hoặc air-to-close, AC): trong trường hợp khi không có tín hiệu điều khiển thì van ở trạng thái mở hoàn toàn

Lựa chọn kiểu tác động của van phụ thuộc vào yêu cầu an toàn hệ thống.

Thiết bị chấp hành

Định dạng
Số trang	212
Dung lượng	8,62 MB