NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR

Do mỗi thiết bị có đặc tính riêng nên nhu cầu phải thiết lập một hệ thống điều khiển phù hợp với đặc thù của quá trình công nghệ là hoàn toàn cần thiết.. Nhằm ứng dụng những kiến thức đã

LỜI CẢM ƠN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC

-oOo -CHUYÊN ĐỀ LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CSTR

-SV: Vũ Hoàng Lộc _ MSSV:1712056 GVHD: TS Bùi Ngọc Pha MSSV:1712056 Năm học: 2020 – 2021

[DOCUMENT TITLE]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC

-oOo -CHUYÊN ĐỀ LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

PHẢN ỨNG CSTR

-SV: Vũ Hoàng Lộc _

MSSV:1712056 GVHD: Bùi Ngọc Pha MSSV:1712056 Năm học: 2020 – 2021

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích và mục tiêu của chuyên đề luận văn 2

2.1 Các bộ phận chính của thiết bị 3

2.2 Thực trạng vận hành thiết bị 3

2.3 Nguyên nhân của thực trạng 3

3 CƠ SỞ LÍ THUYẾT, NỀN TẢNG CƠ BẢN 4

3.1 Động học của phản ứng 4

3.2 Lý thuyết điều khiển 5

3.2.1 Những khái niệm cơ bản 5

3.2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống 6

3.2.3 Các sách lược điều khiển cơ bản 6

3.2.4 Bộ điều khiển 7

4 THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH CSTR 9

4.1 Phản ứng xảy ra trong thiết bị 9

4.2 Quy ước kí hiệu 9

4.3 Thiết lập mô hình thiết bị phản ứng 11

4.3.1 Phương trình cân bằng mực chất lỏng 11

4.3.2 Phương trình tốc độ phản ứng 11

4.3.3 Phương trình cân bằng năng lượng 11

4.3.4 Phương trình cân bằng nồng độ 12

Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ của hệ thống thiết bị phản ứng hoạt động gián

đoạn hiện tại ……….…… 1

Hình 2: Xác định biến quá trình và biến trạng thái trong 1 quá trình ………

……5

Hình 3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình ………

6

Hình 4: Cấu trúc của sách lược điều khiển phản hồi ………

6

Hình 5: Cấu trúc của sách lược điều khiển tầng … ………

7

Hình 6: Cơ chế điều khiển ON-OFF ………

7

Hình 7: Cơ chế cải tiến điều khiển ON-OFF có dãy chết ……….………

8

[DOCUMENT TITLE]

1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Điều khiển tự động trong công nghiệp hóa học đã và đang ngày một phát triển Đặc thù của quá trình công nghệ sản xuất hóa chất là khó thay đổi công nghệ, mô hình phức tạp, chịu nhiều tác động của nhiễu Do mỗi thiết bị có đặc tính riêng nên nhu cầu phải thiết lập một hệ thống điều khiển phù hợp với đặc thù của quá trình công nghệ là hoàn toàn cần thiết

Thiết bị phản ứng là một những thiết bị cơ bản được sử dụng trong ngành hóa với các thông số công nghệ phải được kiểm soát liên tục và chặt chẽ Điều này chỉ

có thể được đảm bảo thực hiện tốt nhờ ứng dụng của kỹ thuật điều khiển tự động thay cho điều khiển thủ công truyền thống

Nhằm ứng dụng những kiến thức đã học vào điều khiển một quá trình thực tế mả

cụ thể đối tượng ở đây là thiết bị phản ứng khuấy trộn trong phòng thí nghiệm quá trình thiết bị (105-B2), tôi đã tiến hành khảo sát, thu thập dữ liệu nhằm thay đổi cơ chế hoạt động của thiết bị phản ứng này từ gián đoạn sang liên tục cũng như đưa ra phương án tối ưu hóa quá trình điều khiển cho thiết bị phản ứng

Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ của hệ thống thiết bị

phản ứng hoạt động gián đoạn

[DOCUMENT TITLE]

Việc thay đổi cơ chế hoạt động của thiết bị đem lại nhiều lợi ích có thể kể đến: tạo chất lượng sản phẩm đồng đều với một số lượng lớn do đó tạo ra lợi thế cạnh tranh kinh tế cho sản phẩm Giảm chi phí vận hành mà ở đây là chi phí khởi động

và chi phí để ổn định hệ thống

1.2 Mục đích và mục tiêu của chuyên đề luận văn

Mục đích

- Chuyển đổi thiết bị phản ứng từ vận hành gián đoạn sang vận hành liên tục ( chuyển đổi thành thiết bị phản ứng CSTR )

- Thiết kế bộ điều khiển PLC S7-1200 sử dụng quy luật PID và sách lược điều khiển tầng để tối ưu quá trình điều khiển nhằm :

 Giảm thời gian xác lập của hệ từ lúc vận hành đến khi hệ thông ổn định

 Tăng độ ổn định của các thông số công nghệ trong hệ thống khi vận hành

 Triệt tiêu nhiễu tác động gây mất cân bằng lên hệ thống

 Nâng cao năng suất, sản lượng sản phẩm

- Đơn giản hóa quy trình vận hành thông qua sử dụng màn hình giao diện HMI

Mục tiêu

- Vận dụng lí thuyết nền, nghiên cứu cơ bản về cơ sở điều khiển, thiết bị phản ứng CSTR làm tiền đề cho những ý tưởng cải tiến, thay đổi cấu tạo thiết bị

- Khảo sát những yếu tố, những thông số công nghệ ảnh hưởng lên hệ thống thiết bị phản ứng CSTR để khắc phục, giải quyết những vấn đề tồn đọng của hệ thống thiết

bị phản ứng

- Sử dụng phần mềm lập trình TIA Portal V15 để thiết lập thuật toán điều khiển cho PLC S7-1200 cũng như thiết kế tủ điện

[DOCUMENT TITLE]

2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỰC TẾ

2.1 Các bộ phận chính của thiết bị

Nồi đun dòng gia nhiệt ( gia nhiệt điện trở )

Bơm 3 pha – 380V và bơm DC- 12V

Tháp giải nhiệt: Tháp đệm

Bình phản ứng phản ứng khuấy hoạt động gián đoạn

Hệ thống tủ điện

2.2 Thực trạng vận hành thiết bị

- Không ổn định được nhiệt độ nồi đun dòng gia nhiệt ở giai đoạn đầu quá trình vận hành do thuật toán điều khiển chưa phù

- Mối liên hệ giữa nhiệt độ nồi đun và bình phản ứng được khảo sát dựa trên thực nghiệm chưa dùng cơ sở lý thuyết để kiểm chứng

- Sử dụng phương pháp dò dẫm thực nghiệm để tìm chiều cao lớp đệm của tháp giải nhiệt, chưa tìm ra được chiều cao tối ưu để giải nhiệt tốt nhất

- Tốc độ bơm dòng nóng biến thiên quá nhanh mặc dù nhiệt độ bình phản ứng đạt gần giá trị cài đặt làm hệ thống khó ổn định nhiệt độ

- Hệ thống cách điện chưa tốt gây nguy hiểm cho người vận hành

2.3 Nguyên nhân của thực trạng.

- Thiếu thời gian khảo sát nhiều phương án để tìm ra phương án vận hành tối ưu

- Phương pháp khảo sát mối liên hệ nhiệt độ nồi đun và bình phản ứng chưa được tổng thể, khái quát chi tiết

- Thiếu gian thời tính toán chiều cao lớp đệm phù hợp

- Do thuật toán điều khiển chưa hợp lí => Gây tác động lên quy trình vận hành

- Do thiết kế thiết bị: Vị trí đặt cảm biến chưa thật sự hợp lí, tháp giải nhiệt được thiết kế từ việc tận dụng các vật liệu có sẵn trong lab không dựa nhiều vào cơ sở tính toán lí thuyết thuần túy

- Ảnh hưởng bởi yếu tố bão hòa tích phân trong thuật toán PID

[DOCUMENT TITLE]

3 CƠ SỞ LÍ THUYẾT, NỀN TẢNG CƠ BẢN

3.1 Động học và của phản ứng

Động học phản ứng là một phần của hóa học vật lý nghiên cứu tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng được định nghĩa là lượng tăng số mol sản phẩm/ lượng giảm số mol tác chất trong một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

- Diện tích bề mặt của tác chất rắn: càng lớn thì tốc độ phản ứng càng tăng.

- Nồng độ của tác chất ban đầu: càng cao thì tốc độ phản ứng càng tăng.

- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường tạo điều kiện cho tốc độ phản ứng tăng.

- Áp suất: Trong phản ứng pha khí, áp suất tăng thì tốc độ phản ứng tăng.

- Xúc tác: Làm tăng tốc độ phản ứng thông qua giảm năng lượng hoạt hóa

- Yếu tố khác: Môi trường phản ứng, tốc độ khuấy trộn,…

=> Do hệ thống phản ứng hiện tại là phản ứng không sử dụng xúc tác, pha lỏng đồng thể, bản chất phản ứng là bất thuận nghịch, tỏa nhiệt nên chỉ quan tâm đến các yếu tố nồng độ tác chất ban đầu, nhiệt độ và tốc độ khuấy trộn

Tốc độ phản ứng

Theo thời gian, độ chuyển hóa tăng khiến nồng độ tác chất giảm kéo theo tốc

độ phản ứng giảm nhưng khi nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ phản ứng tăng

Ở độ chuyển hóa thấp, do nồng độ tác chất vẫn còn nhiều nên tăng nhiệt độ dẫn đến tốc độ phản ứng tăng Ở độ chuyển hóa cao, việc tăng nhiệt độ không có lợi cho phản ứng vì tốc độ phản ứng tăng khi tăng nhiệt độ chậm hơn so với tốc

độ phản ứng giảm khi nồng độ tác chất giảm còn rất ít

=> Tốc độ phản ứng bị ràng buộc bởi độ chuyển hóa X nên khi X=100% thì r = 0

ở mọi nhiệt độ

Độ chuyển hóa X

Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng có chiều thuận là tỏa nhiệt

Nếu tăng nhiệt độ môi trường lên, môi trường lại có xu hướng cho lại, không có

xu hướng nhận dẫn đến cấn nhiệt lượng tỏa, phản ứng không thuận lợi về mặt nhiệt động học

 Phản ứng tỏa nhiệt không cho độ chuyển hóa cao khi tăng nhiêt độ

[DOCUMENT TITLE]

3.2 Lý thuyết điều khiển

3.2.1 Những khái niệm cơ bản

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó

vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình

Điều khiển quả trình 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

Biến quá trình gồm biến vào và biến ra, trong đó: biến vào là đại lượng hoặc 1 điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình còn biến ra là một đại

lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài

Biến trạng thái bao gồm: biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu

Biến cần điều khiển ( Controlled Variable ) là một biến ra hoặc một biến trạng

thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với giá trị đặt (setpoint)

Biến điều khiển ( Manipulated Variable ) là một biến vào của quá trình có thể

can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn

Biến nhiễu ( Disturbance ) là những biến còn lại không can thiệp được một

cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm

Hình 2: Xác định biến quá trình và biến trạng thái trong 1 quá trình

[DOCUMENT TITLE]

3.2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống

Thiết bị đo: 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): đo đại lượng quan tâm và chuyển đổi đo (transducer): chuyển đổi tín hiệu ra từ cảm biến sang một dạng thích hợp

Thiết bị chấp hành (final control): chức năng của hệ thống/ thiết bị chấp hành là

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

Thiết bị điều khiển (bộ điều khiển, controller): 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 3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

3.2.3 Các sách lược điều khiển cơ bản

Điều khiển phản hồi

Dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển, so sánh nó với giá trị đặt, dựa vào sai lệch giữa biến được điều khiển và giá trị đặt để xác định tín hiệu tác động vào biến điều khiển Sách lược điều khiển này còn được gọi là điều khiển vòng kín

[DOCUMENT TITLE]

Hình 4: Cấu trúc của sách lược điều khiển phản hồi

Điều khiển tầng

Điều khiển tầng là sách lược điều khiển sử dụng cấu trúc các bộ điều khiển lồng nhau, tín hiệu điều khiển vòng ngoài ( biến thứ nhất ) sẽ dùng để tính toán tín hiệu đặt cho vòng điều khiển trong ( biến thứ hai )

Điều khiển tầng khắc phục nhược điểm của điều khiển phản hồi đơn vòng như: sự ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến cần điều khiển chậm được phát hiện, đặc biệt là các quá trình có các hằng số thời gian lớn, bộ điều khiển phản hồi đơn vòng khó thực hiện được

Hình 5: Cấu trúc của sách lược điều khiển phản hồi

3.2.4 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai lệch bằng cách hiệu chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: tỷ lệ P, tích phân I

và vi phân D Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Trong đó bộ điều khiển PI là phổ biến nhất, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường

[DOCUMENT TITLE]

Thành phần tỷ lệ

Tỷ lệ với sai lệch điều khiển tại thời điểm hiện tại Đáp ứng tỷ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là

độ lợi tỷ lệ Thành phần tỷ lệ được tính theo công thức (1):

P=K e(t)p

(1) C (s)=Kp p

(2) Với Kp là độ lợi tĩnh hay hệ số khuếch đại, e(t) là sai số tại thời điểm đang

xét Sai số chính bằng hiệu giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp trong quá trình quá độ Hàm truyền của thành phần tỷ lệ theo công thức (2)

Thành phần tỷ lệ không thể triệt tiêu sai số xác lập trong mọi trường hợp Nếu Kp tăng, tốc độ đáp ứng của hệ tăng lên, sai số xác lập giảm Tăng tiếp

Kp, nếu chưa có vọt lố thì thời gian xác lập giảm, nếu có vọt lố thì thời gian xác lập tăng Kp quá lớn sẽ làm cho hệ mất ổn định

Thành phần tích phân

Thành phần tích phân tỷ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số và được tính theo công thức (3)

Ki là hệ số tích phân Giá trị tích phân xác định tổng các giá trị sai số trong quá khứ theo thời gian Hàm truyền tính theo công thức (4)

t

i

o

K I=K e(t)dt (3) C (s)= (4)

s



Sự tác động của thành phần tích phân làm cho sai lệch tĩnh xấp xỉ bằng không khi kết hợp với bộ điều khiển tỷ lệ P Trường hợp này người ta gọi là

bộ điều khiển PI (tỷ lệ - tích phân)

Khi nào còn sai số thì còn tín hiệu điều khiển do thành phần tích phân tạo nên, và khi hệ số tích phân càng lớn, sai số xác lập càng nhỏ nhưng độ vọt lố

sẽ tăng Tuy nhiên thành phần tích phân cũng có một nhược điểm là hiện tượng bão hòa tích phân xảy ra khi biến điều khiển đi vào những vùng bão hòa hay cơ cấu chấp hành có hạn chế gây ra sai số xác lập

Thành phần vi phân:

[DOCUMENT TITLE]

Cải thiện chất lượng điều khiển theo cách dự báo trước xu hướng của sai lệch điều khiển và đưa ra tác động chống lại xu hướng đó Tốc độ thay đổi sai số của quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian ( đạo hàm bậc 1 theo thời gian) Thành phần vi phân được tính theo công thức (5) với Kd là hệ số vi phân Hàm truyền của bộ điều khiển vi phân (6)

d d d

de(t) D=K (5) C (s)=K s (6)

Thành phần vi phân làm hệ đáp ứng chậm hơn nhưng ổn định hơn Điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố, Kd càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ Tuy nhiên đôi khi làm hệ mất ổn định do thành phần vi phân khá nhạy với nhiễu Thành phần vi phân không thể sử dụng một mình

mà phải kết hợp với các thành phần tỷ lệ và tích phân

4 THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH CSTR

4.1 Phản ứng xảy ra trong thiết bị

A + B  C + D Tính chất của phản ứng :

Xảy ra trong pha lỏng

Phản ứng thuận nghịch

Phản ứng tỏa nhiệt ( Hr < 0 )

Các giả thiết đặt ra :

Tỉ lệ mol của chất tham gia phản ứng là 1:1

Chiều cao mực chất lỏng trong thiết bị phản ứng được giữ không đổi => Thể tích dung dịch trong bình phản ứng là hằng số

Khuấy trộn lí tưởng: nồng độ các chất là như nhau tại mọi vị trí

Bậc phản ứng trong phản ứng trên là bậc 2

4.2 Quy ước kí hiệu

Thông số về phản ứng

k1: Hằng số tốc độ phản ứng theo chiều thuận

k2: Hằng số tốc độ phản ứng theo chiều nghịch

Hr : Enthapy của quá trình phản ứng chiều thuận