Bài giảng môn Cơ sở điều khiển quá trình - Bùi Ngọc Pha

Bài giảng môn Cơ sở điều khiển quá trình do Bùi Ngọc Pha biên soạn có cấu trúc gồm 4 chương trình bày: Tổng quan về điều khiển quá trình, mô tả hệ thống điều khiển quá trình, lý thuyết hệ thống điều khiển quá trình, điều khiển một số quá trình cơ bản. Mời các bạn cùng tham khảo.

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:

[Đánh giá môn học]

Bài tập 20%

Bài tập lớn

20%

Thi tự luận

60%

Cảm ơn sự hợp tác của lớp học

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

[Vị trí môn học]

Điều khiển – Tự động hóa

Điều khiển học (Cybernetics)

① Điều

khiển quá

trình

② Điều khiển máy (chuyển động, Robot)

Tự động

hóa

Đo mức

Bộ ĐK

Ví dụ bình chứa chất lỏng

Yêu cầu điều chỉnh mức nước h=H 0

h Fi

Fi

Nội dung môn học

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

1.2 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

Khái niệm điều khiển quá trình

Mục đích của điều khiển quá trình

• Nội dung bài hôm nay

W1

Điều khiển qúa trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển

trình công nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn.

Sơ đồ công nghệ nhà máy sản xuất, chế biến

Yêu cầu của các quá trình chế biến là:

 An Toàn (Safety):

• Con người, môi trường, thiết bị

 Lợi nhuận (Profit)

• Ổn định (Stability): 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

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

mong muốn đối với các quá trình chế biến

MỤC ĐÍCH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

 Điều khiển để đảm bảo an toàn

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.

 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

Thời gian

CL

USL CL

 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

[CÁC KHÁI NIỆM & ĐỊNH NGHĨA]

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

Điều khiển bằng tay

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

 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.

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

SP PV

SP PV

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

 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.

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.

 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

ra quyết định điều khiển

được thực hiện bằng tác

động mở/đóng van.

SP

LT LC

 Giá trị đặt (setpoint, SP):

Sensor

Controller

Setpoint Error

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

 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.

 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

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

[QUÁ TRÌNH VÀ CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH]

Trình tự các diễn biến vật lý, hóa

Quá trình chưng cất (Tinh chế)

Nhà máy sản xuất (Biến đổi,Tinh 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.

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

Biến vào và biến ra:

tác động từ bên ngoài đến quá trình, là nguyên nhân làm quá trình biến động

ảnh hưởng của quá trình ra bên ngoài.

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)

(CV)

Biến không

đo được

- 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.

- 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…

Các biến vào được chia ra thành:

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:

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

Thí dụ: Điều chỉnh mực 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 chủ

đạo thì BĐK sẽ tác động

lên BPTH là van để thay

đổi lưu lượng vào bồn.

SP

LT LC

Đối tượng: bình chứa DCĐ: mức kế LT

BĐK: LC BPTH: Van

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.

 Đối tượng điều khiển

 T hiết bị đo lường

Thiết bị chấp hành hầu hết là van có chức năng điều khiển như van điện từ hay van có chức năng điều khiển liên tục, bơm, quạt…

 Thiết bị chấp hành

Là thiết bị làm nhiệm vụ nhận giá trị đầu vào (như giá trị

đo, giá trị cài đặt) và đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên một thuật toán (luật điều khiển) cài đặt sẵn.

Bộ điều khiển thường gồm 3 loại là: bộ điều khiển khí nén, điện tử và bộ điều khiển lập trình được

 Bộ điều khiển

Sự tham gia của các biến quá trình trong sơ đồ cấu

trúc một vòng điều khiển

Controlled variable CV

Feedback signal

Disturbance DV

Measurement sensor

Final Control Element

x

PROCESS, P: QUÁ TRÌNH (đối tượng điều khiển)

Control Objective: Mục đích điều khiển

Measurement sensor: Thiết bị đo

Controller: Bộ điều khiển

Final control element, FCA: Thiết bị chấp hành

Controlled variable, CV: y : biến được điều khiển,

giá trị thực (Process Value, PV)

Feedback signal: y m : tín hiệu hồi tiếp

Setpoint, SP: y sp : giá trị đặt, giá trị chủ đạo (reference input),

Controller error, e: e = y sp - y m : tín hiệu sai lệch, sai số (error)

Controller output signal, CO u = f(e) : tín hiệu điều khiển

Manipulated variable, MV x : biến điều khiển

Disturbance, DV z: biến nhiễu

Chú thích

Sensor Controller

Ví dụ: Hệ thống điều khiển bình chứa chất lỏng, nhiễu tải:

PROCESS, P: Feedback signal:

Control Objective: Setpoint, SP:

Measurement sensor: Controller error, e:

Controller: Controller output signal, CO

Final control element, FCA: Manipulated variable, MV

Controlled variable, CV: Disturbance, DV

Controlled variable CV

measurement

Disturbance

DV

Setpoint, SP

Controller error

Controller output signal CO

x

Ví dụ: Hệ thống điều khiển lò sưởi gia đình

PROCESS, P: Feedback signal:

Control Objective: Setpoint, SP:

Measurement sensor: Controller error, e:

Controller: Controller output signal, CO

Final control element, FCA: Manipulated variable, MV

Thermostat

Home heating Process

Controlled variable CV

Controller error

Controller output signal CO

Temperature sensor

Fuel valve

x

Thiết bị trao đổi nhiệt

1.5 Lưu đồ đồ P&ID

 Các ký hiệu thiết bị

 Các ký hiệu đường dẫn

 Các ký hiệu đại lượng và chức năng

 Trích dẫn tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1

• Nội dung bài hôm nay

W3

LƯU ĐỒ ỐNG DẪN VÀ THIẾT BỊ (P&ID)

Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram) là tài

liệu đồ hoạ mô tả quá trình công nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình: lưu đồ

công nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển.

Mỗi thiết bị được biểu diễn

thông qua một biểu tượng

cùng với ký hiệu nhãn

Quy ước trên lưu đồ bao gồm:

— Dụng cụ và thiết bị điều khiển;

— Ký hiệu đại lượng đo, nhãn, ký hiệu chức năng.

— Đường ống dẫn và đường tín hiệu.

P D I R C

123

PT

Biểu tượng dụng cụ và thiết bị điều khiển (Russia)

Vị trí tại hiện trường: ống dẫn, thiết bị,…

Vị trí tại phòng điều khiển, trong

Van điện từ:

Van tay:

Van đk nói chung:

Ký hiệu quy ước các đại lượng cơ bản

Ký hiệu quy ước các chức năng điều khiển

CHỨC NĂNG CHÍNH/Thiết bị

Ghi lại R Giới hạn đo trên H

Điều chỉnh, điều khiển C Giới hạn đo dưới L

PDC : điều khiển chênh lệch áp suất

FFI: hiển thị tỷ lệ lưu lượng

LAHH: bộ cảnh báo mức rất cao

Các chữ xếp từ trái qua phải:

Đại lượng chính P (áp suất)

Đại lượng phụ D (hiệu)

Ví dụ lưu đồ P&ID

Bộ điều khiển và chỉ thị độ chênh áp suất tại vòng loop103:

Thiết bị đo và báo động quá nhiệt tại vòng loop 104

Ví dụ lưu đồ P&ID

Ghi chép

Điều chỉnh

Chỉ thị

và điều chỉnh

Ghi và điều chỉnh

Ký hiệu Rơle: R T : rơle nhiệt độ, R P : rơle AS, R L : rơle mức

Rơle chênh lệch nhiệt độ, chênh lệch áp suất…

Ví dụ và bài tập

Đường tín hiệu và đường ống dẫn

① Đường lấy tín hiệu đo hay nối tới quá trình:

② Đường tín hiệu chưa được xác định:

③ Đường tín hiệu điện:

④ Đường tín hiệu khí nén:

⑤ Đường tín hiệu thuỷ lực:

Trong hình thức khai triển, người ta sử dụng một số ký hiệu bổ sung phản ánh rõ hơn đặc điểm chức năng của

bộ biến đổi tín hiệu hay công cụ tính toán:

- Dạng năng lượng của tín hiệu: điện áp: E;dòng điện I; khí nén: P, thủy lực: G.

- Dạng tín hiệu: Liên tục A, rời rạc:D

- Thuật toán được thự hiện bởi công cụ tính toán như

cộng, tịch phân, nhân, đạo hàm, căn…

Ví dụ:

E/P bộ chuyển đổi từ điện áp sang khí nén

P/I chuyển đổi từ khí sang dòng điện

A/D bộ chuyển đổi tương tự- số

P&ID chi tiết

Ví dụ P&ID tháp chưng cất

Mục đích ĐK : nồng độ SP đỉnh

Quá trình chưng cất

D

G hF L B Gnc

G h

F t F t D t h D

( nếu mục đích là sản phẩm đáy thì đk thế nao?)

Các biến quá trình và kênh điều khiển:

Tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ

Các biểu tượng thiết bị đo và điều khiển:

Tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ

Các biểu tượng bộ phận thừa hành:

Tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ

Các biểu van điều chỉnh và van an toàn:

Các chức năng tính toán:

Chuẩn ISA Instruments Identification Letters

Các ký hiệu đường cấp năng lượng (ISA)

Các ký hiệu đường cấp năng lượng

• AS (Air supply) : đường cấp không khí

• ES (Electric supply):đường cấp điện

• GS (Gas supply): cấp khí

• HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực

• NS (Nitrogen supply): cấp nitơ

• SS (Stream supply): cấp hơi

• WS (water supply): đường cấp nước

Ví dụ ISA

Example of P&ID

FT101 is a field-mounted flow

transmitter connected via

electrical signals (dotted line) to

flow indicating controller FIC

101 located in a shared

control/display device

Square root extraction of the

input signal is part of FIC 101’s

functionality.

The output of FIC 101 is an electrical signal to TY 101 located in an inaccessible or behind-the-panel-board location.

The output signal from TY 101

is a pneumatic signal (line with

double forward slash marks)

making TY 101 an I/P (current

to pneumatic transducer)

TT 101 and TIC 101 are similar to FT 101 and FIC 101 but are measuring,

indicating, and controlling temperature

TIC 101’s output is connected via an internal software or data link (line with bubbles) to the setpoint (SP) of FIC 101

to form a cascade control strategy

[PHÂN LOẠI HTĐKQT] – phần tự học

1 Phân loại theo mục đích điều khiển:

Điều khiển để điều chỉnh: ví dụ ĐK nhiệt độ, điều khiển lưu lượng…

Điều khiển để: khởi động, báo hiệu,báo động, bảo vệ:

dừng hệ thống

Ví dụ: van an toàn

Rơle nhiệt trong tủ lạnh

2 Phân loại theo mạch điều khiển:

Hệ kín (hệ hồi tiếp): Sử dụng mạch hồi tiếp có tiếp nhận

tín hiệu của biến cần điều khiển (hay được điều khiển) –

tín hiệu phản hồi y ht

Hệ kín có loại một vòng hồi tiếp và nhiều vòng hồi tiếp.

Hệ hở: Không dùng mạch hồi tiếp (vận dụng sách lược

kiểu truyền thẳng) => chỉ phù hợp với các ứng dụng

không đòi hỏi đáp ứng chất lượng cao

3 Phân loại theo phương pháp điều khiển:

Điều khiển liên tục

Điều khiển kiểu gián đoạn:

- ĐK theo 2 vị trí

- ĐK hoạt động theo chu kỳ

- ĐK nhẩy cấp