Lý thuyết hệ thống điều khiển quá trình & phương pháp đọc lưu đồ P&ID

chọn chế độ hoạt động cho bộ điều khiển
Phụ thuộc vào hoạt động của van mà khi giá trị đo được tăng lên có thể dẫn đến sự tăng hoặc giảm giá trị
đầu ra của bộ điều khiển. Tất cả các bộ điều khiển đều có thể chuyển đổi giữa hai chế độ đó là chế độ điều khiển
thuận và chế độ điều khiển đảo.
Chế độ điều khiển thuận được hiểu là khi bộ điều khiển nhận giá trị tín hiệu đưa về từ cảm biến
tăng lên thì bộ điều khiển sẽ tác động đến giá trị đầu ra của nó cũng tăng tỷ lệ theo.
Chế độ điều khiển đảo được hiểu là khi bộ điều khiển nhận giá trị tín hiệu đưa về từ cảm biến tăng lên thì
bộ điều khiển sẽ tác động đến giá trị đầu ra của nó giảm theo đúng tỷ lệ tăng của tín hiệu đưa đến.
Để bộ điều khiển làm việc chính xác, có đáp ứng đúng như yêu cầu đề ra thì việc nghiên cứu,
phân
tích mạch vòng điều khiển là điều bắt buộc phải làm. Bước đầu tiên là phải xác định hoạt động của van. Như
trong hình 1-9, vì lý do an toàn của hệ thống mà van phải được đóng lại nếu thiết bị cung cấp không khí bị
hỏng. Vì vậy van này phải là van khí hoặc van đóng hoàn toàn. Bước thứ hai là ta xét đến những tác động của sự
thay đổi của giá trị đo đưa về. Trường hợp nhiệt độ tăng lên thì lượng nhiệt đưa tới bình chuyển nhiệt sẽ giảm
xuống vì vậy van phải đóng bớt lại. Để đóng van thì giá trị tín hiệu từ bộ điều khiển tự động tác động đến van
phải giảm đi. Vì vậy bộ điều khiển này quy định chế độ điều khiển đảo hoặc chế độ tăng/giảm.
Nếu ta lựa chọn chế độ điều khiển thuận, thì khi tín hiệu đưa về từ cảm biến tăng lên thì lượng nhiệt
đưa vào cũng tăng theo dẫn đến nhiệt độ trong bình tăng lên. Kết quả là nhiệt độ tăng lên rất nhanh. Điều tương tự
cũng sẽ xảy ra trong trường hợp giảm nhiệt độ và lúc đó nhiệt độ cũng sẽ giảm đột ngột.
Sự lựa chọn hoạt động
của bộ điều khiển không đúng đều dẫn đến kết quả là bộ điều khiển làm việc không ổn định ngay cả khi nó
được đặt ở chế độ điều khiển tự động.
Ta cho rằng hoạt động của bộ điều khiển được lựa chọn là thích hợp thì bộ điều khiển sẽ nhận biết
như thế nào khi giá trị tín hiệu đầu ra đạt được yêu cầu? Trong hình 1-10 là một ví dụ, để giữ cho mức
nước trong bình không đổi thì bộ điều khiển phải tính toán điều khiển lưu lượng đầu vào cân bằng với lưu
lượng đầu ra. Bất cứ sự sai khác giữa đầu vào và đầu ra nào cũng làm mức nước trong bình thay đổi. Hay
nói theo cách khác là lưu lượng đầu vào (nguồn cấp) phải cân bằng với lưu lượng đầu ra (yêu cầu). Bộ
điều khiển thực hiện việc đó bằng cách duy trì sự cân bằng khi giữ cho tốc độ chảy ở đầu vào và đầu ra ổn
định.
Mô tả chức năng hệ thống.
Mô tả hệ thống là một công việc quan trọng trong thiết kế, xây dựng và phát triển hệ thống điều

khiển quá trình. Nó là ngôn ngữ chung để mô tả, bàn bạc trước khi tiến hành triển khai một dự án cũng
như giúp người kỹ sư nắm được các chi tiết kỹ thuật đáp ứng các công việc phát triển, xây dựng hệ thống. Các hệ
thống thống điều khiển quá trình có thể được mô tả bằng các phương pháp sau:
 Lưu đồ công nghệ (process flow diagram): miêu tả quá trình công nghệ, không chứa thông tin chi tiết
về các thiết bị đo lường và điều khiển.
 Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and istrumetation diagram, P&ID): miêu tả chi tiết quá trình công
nghệ kèm theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các đường liên hệ thành
phần. Đây là tài liệu quan trộng nhất với việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển.
 Sơ đồ khoá liên động (interlock diagram): sử dụng các biểu đồ logic để miêu tả các thuật toán logic
phục vụ điều khiển khoá liên động.
 Biểu đồ trình tự (sequence diagram / sequential function chart): biểu diễn các chức năng của quy trình
công nghệ.
Lưu đồ P&ID.
Lưu đồ P&ID có ý nghĩa quan trọng trong việc đặc tả chức năng và thiết bị của một hệ thống điều
khiển quá trình, là cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống. Các biểu tượng lưu đồ P&ID được sử
dụng thống nhất trên toàn thế giới theo tiêu chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA và S5.3 của
Mỹ.
Mỗi thiết bị biểu diễn trên lưu đồ thông qua một biểu tượng cùng kỹ hiệu nhãn (tag). Một nhãn bao gồm
phần chữ biểu diễn chức năng và phần mã số phân biệt vòng kín (loop). Trên hình 1.11 biểu diễn tóm tắt ý
nghĩa của phần chữ và số của một vài thiết bị đơn giản.
Hình 1.11. Ý nghĩa thiết bị và ký hiệu chức năng.
Phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu đại lượng đo được hoặc biến khởi tạo, sau là
ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc chức năng bị động. Tiếp đó là các chữ cái biểu diễn chức năng đầu ra theo một
thứ tự tuỳ ý, trừ trương hợp chữ C (control) phải đứng trước chữ V (value).
Các chữ cái phụ nếu có thể đứng sau chữ cái chính để thay đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu
diễn
chênh lệch áp suất (P: pressure, D: difference), TAH biểu diễn mức cảnh báo nhiệt độ (T:
temperature,
A: alarm, H: hight). Để tránh nhầm lẫn, một chữ cái phụ cho chữ cái đầu không được sử dụng để biểu thị chức
năng chỉ thị, chức năng bị động hoặc chức năng đầu ra.

Hình 1.12. Lưu đồ P&ID cho quá trình điều khiển mức
Trên hình 1.12 là lưu đồ P&ID đơn giản cho ví dụ điều khiển mức chất lỏng bình chứa. Ký hiệu LT trong
đường tròn biểu diễn chức năng đo và truyền giá trị (Level Transmit), LIC chỉ bộ điều khiển và hiển thị (Level
Indecator Conrol), LAH (Level Alarm Hight) và LAL (Level Alarm Low) chỉ chức năng cảnh báo ngưỡng cao
và thấp của mức nước. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ giá trị đặt SP (Set Point), tính toán tự động và đưa tín hiệu
điều chỉnh van cấp.
Các lưu đồ trong thực tế có thể đơn giản hay phức tạp tuỳ theo yêu cầu và mục đích sử dụng. Để mô tả
chức năng ta cần lưu đồ đơn giản nhất với các biểu tượng thiết bị, không cần đường tín hiệu điều khiển. Để mô
tả sách lược điều khiển ta cần lưu đồ chi tiết hơn với các đường ghép nối tín hiệu các thành phần chức năng. Nếu
mục đích đặt ra là lựa chọn thiết bị, phát triển phần mềm, cài đặt phần mềm ta sẽ cần lưu đồ chi tiết nhất.
Để làm rõ hơn ta xét ví dụ bình trao đổi nhiệt hình 1.13. Trong lưu đồ đơn giản hoá ta thấy chỉ đăc tả chức
năng hệ thống, còn ở lưu đồ chi tiết là cơ sở cho thiết kế hệ thống và phần mềm. Các chức năng hệ thống bao
gồm:
 Đo và ghi lại lưu lượng dầu, sử dụng thiết bị đo lưu lượng FT - 1 (Flow Transmite), một bộ
biến đổi khí nén FY-1 () và một máy ghi FR-1 (Flow Record).
 Đo và ghi lại áp suất dầu vào, sử dụng một thiết bị đo áp suất FT-2 (Fressure Transmite) và
máy ghi FR-2 (Fressure Record).
 Điều khiển và ghi lại dầu ra khỏi thiết bị thông qua điều chỉnh dòng hơi nóng TRC-3
(Temperature Record Control) sử dụng giá trị đo từ cảm biến nhiệt điện trở RTD (Resistor
Temperature Difference).
 Cảnh giới trường hợp nhiệt độ dầu ra quá thấp, sử dụng cảm biến chuyển mạch TSL-3
(Temperature Switch Low) và cơ chế báo động TAL-3 (Temperature Alarm Low).
Hình 1.13. lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt
1.6.2. Tóm tắt tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1
Biểu tượng thiết bị
Bảng A1-1 liệt kê các thiết bị trên lưu đồ P&ID. Cần lưu ý là biểu tượng có thể biểu diễn một thiết bị hoặc
một chức năng trong thiết bị chia sẻ (ví dụ một thiết bị điều khiển hoặc một màn hình chia sẻ). Tùy theo mục
đích mà lưu đồ có thể chứa chi tiết biểu tượng cho từng thiết bị/chức năng hoặc bỏ qua một số trong những trường
hợp đối tượng hiển nhiên.
Phòng điều khiển Vị trí mở rộng Hiện trườn (local)

trung tâm (remote) (Auxillary Location)
Thiết bị phần cứng
đơn lẻ
Thiết bị phần cứng
đơn lẻ
Phần mềm, chức
năng máy tính
Logic chia sẻ
ĐK logic khả trình
Thiết bị hai biến
hoặc một biến với
nhiều chức năng
Bảng A1-1: Biểu diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID
Trong trường hợp các thiết bị/chức năng được đặt sau bảng, hoặc người vận hành không được phép can
thiệp thì đường gạch giữa các biểu tượng được vẽ bằng nét đứt.
Biểu tượng các đường nối tín hiệu
Để phân biệt rõ ràng các đường ống dẫn, tất cả các đường tín hiệu và đường nối khác cần được vẽ nét
thanh. Các đường nối được thể hiện bằng các biểu tượng trong hình A1-2
Tín hiệu không định nghĩa
Đường nối tới quá trình kỹ thuật, hoặc đường cấp năng
lượng cho thiết bị.
Tín hiệu khí nén
Tín hiệu điện
Tín hiệu thuỷ lực
Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định)
*
Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn định)
*
Đường nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ
liệu)

Đường nối cơ học
Ống mao dẫn
*
Các hiện tường điện từ bao gồm cả nhiệt, sóng điện
từ, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng.
Thông thường các mũi tên được sử dụng để bổ xung làm rõ chiều của luồng thông tin. Các chữ viết tắt dưới
đây được dùng để ký hiệu các đường cấp năng lượng:
 AS (Air Supply): cấp không khí
 ES (Electrich Supply): cấp điện 
GS (Gas Supply): cấp khí
 HS (Hydraulic Supply): cấp thuỷ lực
 NS (Nitrogen Supply): cấp Nitơ
 SS (Steam Supply): cấp hơi nước
 WS (Water Supply): cấp nước
Mức tín hiệu có thể ghi kèm theo các ký hiệu đường cấp, ví dụ ES 24VDC nghĩa là đường cấp nguồn
24V một chiều.
Nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng
Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau
Biến đo hoặc Bổ nghĩa cho chữ Chức năng xử lý Bỗ nghĩa cho chữ
biến đầu vào cái đứng trước (hiển thị, báo động, cái đứng trước
đầu ra)
A Phân tích Báo động (Alarm)
(Alnalysis)
B Đốt cháy (Burn) Tuỳ sử dung Tuỳ sử dụng
C Tuỳ sử dụng Điều chỉnh
(Control)
D Tuỳ sử dụng Chênh lêch
(Difference)
E Điện áp Cảm biến (Sensor)
(Electric)

F Lưu Lượng Tỉ lệ (Fraction)
(Flow)
G tuỳ sử dụng Kính (Glass), quan
sát
H Bằng tay (Hand) Cao (Hight)
I Dòng điên Chỉ thị (Indicate)
(Current)
J Công suất Quét
K Thời gian Tuần suất thay đổi Trạm điều khiển
L Mức (Level) Ánh sáng (Light) Thấp (Low)
(Momentary) (Middle)
N Tuỳ sử dụng Tuỳ sử dụng Tuỳ sử dụng
O Tùy sử dụng Hạn chế (Orifice)
P Áp suất Điểm thử (Point)
(Pressure)
Q Số lượng Tính phân, tổng
(Quantity)
R Bức xạ, Phóng xạ Ghi chép (Record)
S Tốc độ (Speed) An toàn (Satety) Chuyển mạch
(Switch)
T Nhiệt độ Truyền phát
(Temperature) (Transmite)
U Đa biến Đa chức năng Đa chức năng
V Độ rung Van điều khiển
(Vibration) (Valve)
Phân tích cơ học Giảm chấn
W Trọng lượng Bao
(Weight)
X Trục X
Y Trạng thái Trục Y Rơle, tính toán,

biến đổi
Z Vị trí, kích thước Trục Z Truyền động, chấp
hành
Bảng trên đã liệt kê các chữ cái phân biệt chức năng, phần biểu diễn chức năng bắt đầu bằng một chữ cái
ký hiệu biến đo hoặc một biến đầu vào, sau đó đến các ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc bị động. Tiếp đến là các
chữ cái ký hiệu chức năng đầu ra theo một thứ tự tuỳ ý.
Hình 1.14 minh hoạ một ví dụ mạch vòng điều khiển áp suất. Lưu đồ a là cơ sở cho phát triển hệ thống
và phầm mềm, b là lưu đồ đơn giản hoá quá trình công nghệ.
Hình 1.14: Lưu đồ P&ID cho vòng điều khiển áp suất
Mạch vòng điều khiển áp suất được điều khiển bởi trạm DCS. Giá trị đặt được đưa ra từ một máy
tính thông qua đường truyền dữ liệu. Mạch vòng điều khiển có nhãn số 211, ký hiệu vòng điều khiển 11
trên lưu đồ số 2. Thiết bị đo áp suất được PT-211 được nối với ống dẫn qua một van khoá và phạm vi làm
việc 0-300 PSIG. Tín hiệu điện ra là dòng 4 - 20mA được đưa tới đầu vào AI-17 của hệ DCS. Bộ điều
khiển và chỉ báo áp suất PIC-211 trên trạm số 2 (C-2). Đầu ra của bộ điều khiển được ký hiệu AO-21
được đưa tới bộ biến đổi dòng - áp suất (PY-211) gắn tren van điều chỉnh PCV-211. Van điều chỉnh là
loại tuyến tính có trang bị bộ định vị P (Positioner). Cả bộ định vị và bộ biến đổi PY-211 được cấp nguồn
khí nén AS.
Line Symbols
Ký hiệu các loại đường chính được làm nổi bật ở hình trên. Hơn thế nữa, loại đường phổ biến nhất là đường
thẳng liền (solid line), chúng được sử dụng để thể hiện đường ống. Một đường với các nét đứt dài có nghĩa là
ống đó hiện hành hoặc bên ngoài.
Các loại đường phổ biến là tín hiệu điện (bất cứ nơi nào có dây điện đi qua), thiết bị khí nén để điều khiển
thiết bị và van (được gắn nhãn như tín hiệu thủy lực) và liên kết phần mềm hay dữ liệu bao gồm thông tin
liên lạc như những gì xảy ra bên trong một chương trình máy tính hoặc logic bậc thang PLC.
Phần mềm này có thể bao gồm bất cứ thứ gì xảy ra bên trong một máy tính, nhưng bạn cần một sự mô tả tính
năng để thực sự biết về chúng, như chúng ta đã thảo luận ngay trên. Chỉ cần biết rằng khi bạn nhìn thấy một
đường phần mềm, nó có nghĩa là các máy tính đang làm việc và liên kết các thiết bị theo một số cách đến các
điều khiển hệ thống.
Computing Functions
Những biểu tượng này mô tả các loại chức năng chạy trong một chương trình máy tính. Một vấn đề với việc

áp dụng các biểu tượng này là chúng thực sự không cung cấp những hiểu biết vững chắc về vấn đề sao nhà
máy được điều khiển trong các trương hợp phức tạp. Vì lý do này, hầu hết các P&ID sẽ hạn chế sử dụng các
hiểu tượng chức năng tính toán này. Và bạn có thể bỏ qua chúng.
Valve Symbols
Hình dưới thể hiện các ký hiệu chính của các loại van vận hành tay và các bộ điều tiết của các van tự động.
Lưu ý các ký tự ở cạnh bộ điều tiết chỉ ra trạng thái hư hỏng. Đây là một ví dụ điển hình trong việc sử dụng
các ký hiệu tượng trưng để cung cấp các thông tin quan trọng có ý nghĩa đối với người vận hành.
Connection Types
Về các loại kết nối, các biểu tượng được thể hiện trên hình dưới là tiêu chuẩn. Một điểm cần lưu ý trong hệ
thống đường ống nhựa (PVC, CPVC và ABS), chúng thường được dán bằng keo và sử dụng kết nối được
gọi là “socket weld”. Đây là mối nối khi dùng một ống cho vào trong một van hay cút… sau đó sẽ hàn phía
bên ngoài. Tuy nhiên, socket weld cũng có thể được áp dụng đối với hệ thống ống kim loại .
Không có chỉ định cụ thể giữa các kết nối dán keo và kết nối hàn hay ren.
Khi các bạn bắt đầu tìm hiểu về các loại kết nối sẽ được sử dụng trong ống dẫn, điều này không thực sự là
cái gì đó được dựa trên sở thích cá nhân hay đơn giản là những thứ các bạn cần phải có trong tay trong giai
đoạn bảo trì. Đây là cái gì đó mà dựa trên những thứ giống như là những thứ trên các ống, các điều kiện
(nhiệt độ, áp suất), và các yếu tố khác (giống như các yêu cầu hỗ trợ)
Những kết nối được nhắc đến ở trên sẽ được định nghĩa trong bảng vật liệu và tiêu chuẩn đường ống. Chúng
ta không cần tìm hiểu sâu về chúng ở đây nhưng bạn có biết là tôi vừa có một ý tưởng, chủ đề này thật tuyệt
cho các bài viết trong tương lai. Những điều thú vị thì không có điểm dừng phải không các bạn?
What about pipe fittings?
Trong trường hợp bạn thắc mắc (và tôi biết sẽ như vậy), các bản P&ID thường không hiển thị các phụ kiện
đường ống (khuỷu, T, rắc co,…) và nó cũng không hiển thị các bích nối mà thực ra có tồn tại ở nhà máy.
Chúng là những chi tiết mà xuất hiện trong các khu vực/đường ống, bản vẽ isometric và bản vẽ lắp đặt. Do
đó, trừ khi trong môt vài lý do nó quan trọng đối với thiết kế quá trình thì các chi tiết này thường không
được thể hiện trong bản vẽ.
Transducer Functions
Phần này đề cập đên sự chuyển đổi tín hiệu. Chỉ các kỹ sư điện làm việc với phần này, và bạn không cần
thiết phải tập trung nhiều vào nó. Trong thực tế, tôi hầu như bỏ qua nó nhưng tôi biết rằng nếu tôi bỏ ở đâu
thì các bạn sẽ hỏi về nó, vì vậy hãy tìm hiểu chút về chúng.

Một bộ chuyển đổi là thiết bị mà nhận một tín hiệu theo một dạng và chuyển đổi nó sang dạng khác khi đó
nó có thể được sử dụng bởi một thiết bị khác. VD: một van điều khiển cần khí nén để phát động nhưng lại
nhận tín hiệu điện để điều khiển chúng làm điều đó. Bằng cách này hay cách khác, các bạn cần biến tín hiệu
điện thành tín hiệu khí nén khiến chiếc van có thể hoạt động.
Trong ví dụ trên, một bộ chuyển đổi I/P (điện sang khí nén) là cần thiết khi đó chiếc van có thể được định vị
trí đến bất kỳ điểm mở nào chỉ bằng tín hiệu điện. Đây là thiết bị được sử dụng phổ biến nhất trong các nhà
máy còn những cái khác thì hiếm dùng hơn.
Bây giờ, các bạn đã hiểu I/P có nghĩa là gì khi bạn nhìn vào bản vẽ và đừng lo lắng quá nhiều về phần còn
lại của chúng. Sau này, các bạn sẽ tìm hiểu về chúng kỹ hơn.
Primary Flow Elements
Các ký hiệu này chỉ đơn giản là các minh họa giúp người đọc bản vẽ dễ dàng hơn trong việc nhận ra các loại
phần tử dòng chảy được sử dụng. Các loại phổ biến được thể hiện trong bảng D001.