Báo cáo thí nghiệm cơ sở điều khiển quá trình

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT BỊ
؄؄؄؄؄؄؄؄؄

BÁO CÁO
THÍ NGHIỆM CS ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
MSMH 3342

BÀI ONLINE 2
THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHƯNG CẤT

Sinh viên:
MSSV:
Lớp:
Ngày thí nghiệm:
GVHD:

TP.HCM, 25/10/2021

Nguyễn Quốc Thái
1915115
HC19CHC
12/10/2021
TS. Bùi Ngọc Pha


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
MỤC LỤC

Contents

MỤC LỤC....................................................................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................... 3
PHẦN 1.

TỔNG QUAN THÍ NGHIỆM...............................................................4

1.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM...............................................................................4

2.

PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM......................................................................4

3.

HỆ THỐNG CHƯNG CẤT...............................................................................4

PHẦN 2.
1.

THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN......................................5

ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG/TẮT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT....................5

1.1. Quy trình vận hành............................................................................................. 5
1.2. Sơ đồ lắp mạch.....................................................................................................7
1.3. Thiết kế chương trình..........................................................................................7
1.4. Video kết quả........................................................................................................9
2. ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH Ở TRẠNG THÁI LÀM

VIỆC............................................................................................................................ 9
2.1. Yêu cầu.................................................................................................................9
2.2. Sơ đồ lắp mạch...................................................................................................10
2.3. Thiết kế chương trình........................................................................................10
2.4. Video kết quả......................................................................................................12

----------------------------------

Trang 2


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Hệ thống chưng cất....................................................................................4
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Hình 2. Sơ đồ khối quy trình khởi động hệ thống chưng cất...................................6
Hình 3. Sơ đồ khối quy trình dừng hệ thống chưng cất..........................................7
Hình 4. Sơ đồ lắp mạch điều khiển khởi động/tắt hệ thống chưng cất....................7
Hình 5. Hình ảnh trích từ video điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất...9
Hình 6. Sơ đồ khối điều khiển ổn định mức chất lỏng trong bình...........................9
Hình 7. Sơ đồ khối điều khiển ổn định nhiệt độ nhập liệu......................................10
Hình 8. Sơ đồ lắp mạch điều chỉnh ổn định các biến quá trình ở trạng thái làm việc
của quá trình chưng cất...........................................................................................10
Hình 9. Hình ảnh trích từ video kết quả điều chỉnh ổn định các biến quá trình của
quá trình chưng cất..................................................................................................12

--------

Trang 3


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2

PHẦN 1.
1.

TỔNG QUAN THÍ NGHIỆM

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống q trình cơng nghệ.
2.

PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Viết chương trình tự động để thực hiện:
- Điều khiển khởi động và dừng hệ thống chưng cất.
- Điều chỉnh ổn định các đại lượng nhiệt độ và mức chất lỏng tháp chưng cất.
3.

HỆ THỐNG CHƯNG CẤT

Hình 1. Hệ thống chưng cất
Trang 4

Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
Chú thích:
1) Mâm xuyên lỗ
2) Bộ phận ngưng hơi
3) Nước nguội
4) Van giảm áp
5) Bình chứa sản phẩm đỉnh
6) Bình chứa ngun liệu
7) Bơm hồn lưu
8) Bơm lên bồn cao vị
9) Bơm sản phẩm đáy
10) Điện trở nồi đun 220V
11) Nồi đun
12) Lưu lượng kế dòng nhập liệu
13) Lưu lượng kế dịng hồn lưu
14) Điện trở đun nóng dịng nhập liệu
15) Điện trở đun nóng dịng hồn lưu
16) Cửa nhập liệu
17) Bồn cao vị.

PHẦN 2. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
1.

ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG/TẮT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT.

1.1. Quy trình vận hành
(1) Khởi động
Nhập liệu vào nồi đun: (khoảng 1/3 nồi)


Khóa các van: van xả sản phẩm đáy (dưới đáy nồi đun) và van hút gồm van điện
từ và van cơ của bơm sản phẩm đáy (phía sau hệ thống - ngang tầm với đáy nồi
đun).



Bật công tắc bơm nhập liệu P1 và mở van điện từ nồi đun V1



Theo dõi mực chất lỏng ở ống thủy bên hông trái nồi đun, khi thấy mực chất lỏng
đến vạch đỏ là được. (giả sử trong 2s thì bơm đủ 1/3 nồi)



Tắt van nồi đun V1

Trang 5


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
Gia nhiệt cho nồi đun:


Kiểm tra một lần nữa mực chất lỏng ở ống chỉ mực nồi đun để đảm bảo
hỗn hợp ngập điện trở nồi đun, nếu không khi gia nhiệt, nồi đun sẽ bị “cháy”
điện trở.



Bật công tắc điện trở nồi đun (R1) .



Mở van nước gồm cơng tắc van điện từ phía trước (V4) cấp nước cho thiết bị
ngưng tụ sản phẩm đỉnh làm việc.

Chờ nồi đun sôi. (giả sử 2s)
Nhập liệu vào mâm
Khi thấy có pha hơi bốc lên (giả sử 2s) nhiều và ngưng tụ chảy thành giọt lỏng trên các
mâm trong tháp, mở van cơ và công tắc van điện từ (V2).
Bật cơng tắc điện trở gia nhiệt cho dịng nhập liệu (R2)
Khởi động dịng hồn lưu
Khi thấy có dịng sản phẩm đỉnh ngưng tụ - chảy trong bình chứa sản phẩm đỉnh,
mở van điện từ dịng hồn lưu và khố van chảy tràn (giả sử 2s);
Bật cơng tắc bơm hồn lưu (P3), van (V3), điện trở gia nhiệt cho dịng hồn lưu (R3)
(2) Dừng hệ thống chưng cất:
1. Tắt bơm P1
2. Tắt lần lượt điện trở R1, R2, R3
3. Đóng van V2
4. Tắt bơm P3
5. Đóng van V4
6. Bật bơm P2
Sơ đồ khối các quy trình điều khiển khởi động/ tắt hệ thống chưng cất:

Hình 2. Sơ đồ khối quy trình khởi động hệ thống chưng cất

Trang 6

Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2

Trang 7


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
Hình 3. Sơ đồ khối quy trình dừng hệ thống chưng cất

1.2. Sơ đồ lắp mạch

Hình 4. Sơ đồ lắp mạch điều khiển khởi động/tắt hệ thống chưng cất

1.3. Thiết kế chương trình
// Điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất
void setup()
{
//Lần lượt bơm 1, 2 và 3
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
//Lần lượt van 1, 2 và 4
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
//Lần lượt điện trở 1, 2 và 3
pinMode(10, OUTPUT);
pinMode(9, OUTPUT);

Trang 8

Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
pinMode(8, OUTPUT);
//Công tắc
pinMode(13, INPUT);
}
void loop()
{
if (digitalRead(13) == HIGH)
{
// Nhập liệu vào nồi đun
digitalWrite(6, HIGH);
digitalWrite(4, HIGH);
delay(2000);
// Gia nhiệt cho nồi đun
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(10, HIGH);
digitalWrite(7, HIGH);
delay(2000);
// Nhập liệu vào mâm
digitalWrite(5, HIGH);
digitalWrite(9, HIGH);
delay(2000);
// Khởi động dịng hồn lưu
digitalWrite(3, HIGH);
digitalWrite(8, HIGH);
}
else if (digitalRead(13) == LOW)
{
// Tắt bơm P1

digitalWrite(6, LOW);
// Tắt lần lượt điện trở R1, R2, R3
digitalWrite(10, LOW);digitalWrite(9, LOW);digitalWrite(8, LOW);
// Đóng van V2
digitalWrite(5, LOW);
// Tắt bơm P3
digitalWrite(3, LOW);
// Đóng van V4
digitalWrite(7, LOW);
// Bật bơm P2
digitalWrite(2, HIGH);
}
}

Trang 9


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2

1.4. Video kết quả

Hình 5. Hình ảnh trích từ video điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất

2. ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH Ở TRẠNG THÁI LÀM
VIỆC.

2.1. Yêu cầu
Sơ đồ khối điều khiển:

Hình 6. Sơ đồ khối điều khiển ổn định mức chất lỏng trong bình

Trang 10


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2

Hình 7. Sơ đồ khối điều khiển ổn định nhiệt độ nhập liệu

2.2. Sơ đồ lắp mạch

Hình 8. Sơ đồ lắp mạch điều chỉnh ổn định các biến quá trình ở trạng thái làm việc của
quá trình chưng cất

2.3. Thiết kế chương trình
// Điều khiển mực chất lỏng bằng bơm
// Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04
// Khai báo chân cảm biến
int trig = 12; // chân TRIG

Trang 11


Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
int echo = 11; // chân ECHO
// Khai báo các biến trong quá trình đo
float distance_cm, level;
float H = 60; // Chiều cao từ cảm biến đến vạch 0 cm trên bình chứa
unsigned int time_s;
// Khai báo chân điều khiển bơm
int pump = 3; // Sử dụng một trong các chân PWM : 3, 5, 6, 9, 10, 11

// Khai báo bộ điều khiển
float Kp = 10.0, Ki = 0.5, Kd = 15.0;
float P, I, D, PID;
float input, output, error, pre_error;
float Setpoint = 20;
float delta_t = 1; // Thời gian sấp xỉ của một vòng lặp
void setup() {
// Khai báo loại tín hiệu và giao tiếp
Serial.begin(9600); // Cổng giao tiếp giữa máy tính và Arduino
pinMode(trig, OUTPUT); // Chân Trig là chân phát tín hiệu ra
pinMode(echo, INPUT); // Chân Echo là chân nhận tín hiệu vào
pinMode(pump, OUTPUT);
}
void loop() {
//Đo khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước
// Đặt lại mốc thời gian đo
// Lưu ý biến time là biến hệ thống cần đặt tên khác
time_s = 0;
//Phát và tắt tín hiệu
digitalWrite(trig,0); // Tắt tín hiệu, đảm bảo khơng bị nhiễu từ lần đo trước
delayMicroseconds(10); // Duy trì trạng thái tắt trong 10 micro giây
digitalWrite(trig,1); // Phát tín hiệu sóng siêu âm
delayMicroseconds(10); // Duy trì trạng thái tín hiệu trong 10 micro giây
digitalWrite(trig,0); // Tắt tín hiệu
// Thu tín hiệu
// Thời gian chu kỳ là thời gian từ lúc sóng được phát ra,
// Đến khi sóng phản xạ trở lại cảm biến
time_s = pulseIn(echo, HIGH);
// Tính khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước
Trang 12

Báo cáo thí nghiệm Cơ sở Điều khiển q trình - Bài 2
// Thời gian đo được là 2 lần thời gian sóng di chuyển
// Biến đổi vận tốc âm thanh ở 30 độ C: 349 m/s thành 0.0349 cm/micro giây
distance_cm = time_s*0.0349/2.0; // Lưu ý phép chia số thực
// Chuyển đổi và hiển thị mức chất lỏng
level = H - distance_cm;
Serial.println(level);
// Điều khiển duy trì mực chất lỏng
float input = level;
// Đặt biến vào của bộ điều khiển
float error = Setpoint - input; // Tính sai số theo đáp ứng xuôi
float P = Kp*error;
// Thành phần P = Kp*e(t)
float I = Ki*error*delta_t;
// Phép tính gần đúng của tích phân Ki*e(t)*dt
float D = Kd*(error - pre_error)/delta_t; // Phép tính gần đúng của vi phân
Kd*de(t)/dt
float PID = P + I + D;
PID = constrain(PID,50,255);
// giới hạn tín hiệu trong khả năng hoạt động của
bơm
float output = constrain(PID,50,255);
analogWrite(3, output);
float pre_error = error;
delay(1000);

// Tạo chu kỳ đo 1000 mili giây

2.4. Video kết quả

Hình 9. Hình ảnh trích từ video kết quả điều chỉnh ổn định các biến quá trình của quá
trình chưng cất

Trang 13