Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển mức

LỜI NÓI ĐẦU
Chuyên đề nghiên cứu: Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều

khiển mức. Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp . Giúp ta biết
cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài tốn cụ thể hồn
chỉnh
Trong thời gian nghiên cứu và làm chuyên đề dựa vào kiến thức đã được học ở
trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của cơ
Hồng Thị Thương nên đề tài của chúng em đã hồn thành. Trong q trình thực
hiện đề tài, mặc dù chúng em đã rất cố gắng nhưng khơng thể tránh khỏi sai sót. Vì
vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cơ và các bạn để giúp đề tài phát
triển thêm


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................

........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................


MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.........................................1
1.1. Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển quá trình...................................................1

1.2. Tính cấp thiết của điều khiển q trình..............................................................1
1.3. Điều khiển quá trình...........................................................................................2
1.3.1. Khái quát chung..........................................................................................2
1.3.2. Quá trình và các biến quá trình....................................................................3
a. Quá trình........................................................................................................3
b. Biến quá trình...............................................................................................3
1.4. Phân loại quá trình.............................................................................................5
1.5. Nhiệm vụ và chức năng điều khiển quá trình.....................................................6
1.6. Các thành phần của hệ thống..............................................................................7
1.6.1.Thiết bị đo....................................................................................................7
1.6.2. Thiết bị điều khiển.......................................................................................8
1.6.3. Thiết bị chấp hành.......................................................................................9
1.7. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống.....................................................................10
1.7.1. Phân tích chức năng hệ thống....................................................................10
1.7.2. Xây dựng mơ hình q trình......................................................................11
1.7.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển.......................................................................11
1.7.4. Thiết kế thuật toán điều khiển...................................................................12
1.7.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống.....................................................................12
1.7.6. Phát triển phần mềm ứng dụng..................................................................12
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TÌNH TRẠNG THÁI CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC.....14
2.1. Giới thiệu về bình mức chất lỏng.....................................................................14
2.2. Sách lược điều khiển........................................................................................14
2.3. Sách lược điều khiển và lưu đồ P&ID..............................................................15


2.3.1 Lưu đồ P&ID thường.................................................................................15
a. Dụng cụ và thiết bị điều khiển.....................................................................16
b. Kí hiệu các đại lượng đo , nhãn , ký hiệu chức năng...................................16
c, Đường tín hiệu và đường ống dẫn...............................................................17
2.3.2 Lưu đồ P&ID chi tiết..................................................................................18

2.4. Các phương trình cân bằng...............................................................................21
a, Phương trình cân bằng vật chất...................................................................21
b,Phương trình cân bằng năng lượng...............................................................22
CHƯƠNG 3: THIẾT KỆ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q TÌNH BÌNH MỨC.......24
3.1. Mơ hình bình mức............................................................................................24
3.1.1. Mơ hình tổng quát và xác định các biến quá trình.....................................24
3.2. Thiết kế điều khiển truyền thẳng và sách lược điều khiển phản hồi để điều
khiển mức nước trong bình chứa.............................................................................25
3.2.1. Thiết kế điều khiển truyền thẳng và lưu đồ P&ID.....................................25
3.2.2. Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi và lưu đồ P&ID...........................26
3.2.3 Xác định thơng số PID...............................................................................26
3.2.4. Phương trình mơ tả trạng thái của bình mức..............................................27
3.2.3. Tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc............................................27
3.2.5. Mơ hình hố đối tượng..............................................................................28
3.2.6. Tìm mơ hình hàm truyền đạt của hệ..........................................................29
3.3. mơ phỏng Matlab Simulink..............................................................................30
3.3.1 Sử dụng Simulink để xác định các tham số mô hình..................................30
3.3.2. Xác định thơng số PID..............................................................................32
3.3.3 Xây dựng lưu đồ P&ID trên Matlab simulink............................................33
3.3.4. Mô phỏng sách lược phản hồi trên Simulink.............................................34
3.4. Nhận xét chung................................................................................................39


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển q trình
Cơng nghệ thiết bị đo quá trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực
ứng dụng và nghiên cứu. Vào năm 1774, Jame Watt đã lần đầu tiên sử dụng hệ thống
điều khiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng để điều chỉnh tốc độ động cơ hơi
nước. Mười năm sau Oliver Evans đã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động hoá nhà
máy xay bột Philadelphia.

Ban đầu, những thiết bị đo quá trình phát triển rất chậm , bởi vì có rất ít q
trình cơng nghệ để ứng dụng. Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi cơng nghiệp bắt đầu phát
triển thì thiết bị đo q trình phát triển theo. Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo q trình
trực tiếp là có thể thực hiện được cho đến cuối những năm 30. Vào những năm 40, hệ
thống truyền động bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các phòng điều
khiển trung tâm có thể thực hiện được. Thiết bị đo điện tử đã trở lên phổ biến vào
những năm 50 và tính phổ biến của nó đã làm cho cơng nghệ thiết bị đo q trình phát
triển nhanh chóng từ đó. Và chủ yếu trong vịng 10 năm đó, sự xuất hiện cơng nghệ
máy tính số đã giải quyết những vướng mắc của những quá trình phức tạp hơn. Tuy
nhiên yêu cầu đặt ra lúc này là là thiết bị quá trình tương lai sẽ phải kết hợp được hệ
thống số và hệ thống tương tự.
1.2. Tính cấp thiết của điều khiển quá trình
Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp cơng nghiệp đều được trang bị các hệ
thống tự động hoá ở mức cao. Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất lượng
sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất giải phóng người lao
động khỏi những vị trí làm việc độc hại.v.v ..
Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình cơng
nghệ thơng qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hoá
thực hiện chức năng điều chỉnh các thơng số cơng nghệ nói riêng và điều khiển tồn
bộ q trình cơng nghệ hoặc tồn bộ xí nghiệp nói chung. Hệ thống tự động hố đảm
bảo cho q trình cơng nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản
xuất mong muốn của từng cơng đoạn trong q trình cơng nghệ. Chất lượng của sản
phẩm và năng suất lao động của các phần xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ
thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hoá này.
1


Để phát triển sản xuất, ngoài việc nghiên cứu hoàn thiện các q trình cơng
nghệ hoặc ứng dụng cơng nghệ mới thì một hướng nghiên cứu khơng kém phần quan
trọng là nâng cao mức độ tự động hoá các quá trình cơng nghệ. Do sự phát triển mạnh

mẽ của cơng nghệ vi điện tử và công nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các thiết bị đo
lường và điều khiển các q trình cơng nghệ càng được chế tạo tinh vi, làm việc tin
cậy và chính xác.
Ngày nay thiết bị đo lường ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm
vụ kiểm tra tự động, tự động hoá các q trình sản xuất và cơng nghệ cũng như trong
các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác
nhau. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật
lý khác nhau đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học, cơ học, nhiệt học, hoá
học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử ...
Trên cơ sở đánh giá đúng đắn vai trò to lớn của việc áp dụng điều khiển quá
trình vào trong các hệ thống sản xuất, nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp... ta tiến hành
tìm hiểu đi sâu tìm hiểu các thiết bị đo lường và chuyển đổi dùng trong điều khiển quá
trình.
1.3. Điều khiển quá trình
1.3.1. Khái quát chung
Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng các kỹ thuật điều khiển
tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình cơng nghệ, nhằm đảm
bảo chất lượng sản phẩm , hiệu quả sản xuất và an toàn cho người, máy móc.
Q trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hố học hoặc chuyển đổi sinh
học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu
trữ.
Q trình cơng nghệ là những q trình liên quan tới biến đổi vận chuyển hoặc
lưu trữ vật chất , năng lượng , năng trong một dây chuyền cơng nghệ nhà máy sản
xuất.
Q trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng đo được hoặc/và can thiệp
được. Khi nói tới một q trình kỹ thuật ta hiểu là q trình cơng nghệ cùng với các
phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo, thiết bị chấp hành.
Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp vào các
2

biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho trước
đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của q trình đến mơi trường và con người xung
quanh.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến
quá trình. Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra. Biến vào là một đại lượng
hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào q trình, ví dụ như dịng
ngun liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơle sợi đốt... Biến ra
là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của q trình ra bên ngồi, ví
dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải...
1.3.2. Q trình và các biến q trình
a. Quá trình
Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc
sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thơng tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc
lưu trữ và được phân biệt như sau:
+ Q trình cơng nghệ là những q trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển
hoặc lưu trữ vật. chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một
nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình cơng nghệ có thể chỉ đơn giản như q
trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như
một tổ hợp lị phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin.
+ Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc
và được can thiệp. Khi nói tới một q trình kỹ thuật, ta hiểu là q trình cơng nghệ
cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành.
b. Biến quá trình

3


Hình 1.1: Biến quá trình
Biến trạng thái là các biến mang thơng tin về trạng thái bên trong q trình, ví

dụ nhiệt độ lị, áp suất hơi, mức chất lỏng trong nhiều trường hợp biển q trình có thể
coi là biển ra.
-

Nhìn trong sơ đồ ta có thể phân loại ra các biến chính của q trình điều
khiển như sau:

+ Biến cần điều khiển: là một biến ra hoặc một biến trạng thái của
một quá trình điều khiển , điều chỉnh ổn định ở giá trị đặt hoặc bám
theo tín hiệu chủ đạo ( tín hiệu mẫu ) .
+ Biến điều khiển: là một biến có thể can thiệp trực tiếp từ bên
ngồi , qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn . Những biến cịn lại
khơng can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong phạm vi quá
trình quan tâm thì được coi là nhiễu .
+ Biến vào: là điều kiện phản ánh sự tác động từ bên ngồi vào q
trình
+ Biến ra: là đại lượng thơng số thể hiện sự ảnh hưởng của q trình
ra bên ngoài
+ Biến điều khiển: là đại những biến vào của q trình có thể được
can thiệp trực tiếp từ bên ngồi vào q trình, để tác động tới biến ra
theo yêu cầu mong muốn
+ Biến nhiễu: là những biến vào của quá trình tác động lên quá trình
nhưng ta khơng can thiệp được trong phạm vi q trình đang quan
tâm.
Nhiễu bao gồm:
-

Nhiễu quá trình: + Nhiễu đầu vào
+ Nhiễu tải
+ Nhiễu ngoại sinh

4


-

Nhiễu đo , nhiễu tạp: nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị
đo được .

Các quá trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển quá trình . Bộ điều khiển
chính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại những sai
lệch xuất hiện trong quá trình . Hầu hết những bộ điều khiển quá trình trong thực tế là
bộ điều khiển phản hồi . Bộ điều khiển dựa vào giá trị đo được của biến cần biến điều
khiển , so sánh với giá trị định mức ( giá trị đặt ) và sử dụng sai lệch để có tác động
hiệu chỉnh theo mong muốn . Nhiều hệ thống phức tạp hơn đo giá trị năng lượng hoặc
nguyên liệu đầu vào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và nguyên liệu cấp cho quá trình
để điều khiển đầu ra .
Các biến vào của hệ thống là lưu lượng của dòng chất lỏng ( F0). Biến ra của
quá trình là lưu lượng của dịng ra (F). Trong q trình này do lưu lượng chất lỏng vận
chuyển liên tục không dừng lại nên ta có thể coi lưu lượng dịng và ra của các dịng
cơng chất là như nhau.

Hình 1.2: Mơ hình bình chứa chất lỏng và sơ đồ khối
Trong hệ thống này, biến cần điều khiển là lưu lường của dòng ra (F), các biến
(F0, ρ0) được coi là nhiễu quá trình trong phạm vi xem xét của bài này
1.4. Phân loại q trình
Các cơng nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau và được chia ra
như sau:
-

Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một q

trình chỉ có một biến ra được gọi là q trình đơn biến, cịn nếu có nhiều
biến ra thì được gọi là q đa biến. Có thể nói, hầu hết các cơng nghệ đều
là đa biến.

5


-

Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng
thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các q trình thành q trình liên
tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ.
Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại
một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập
hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các
đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biếu biễn bằng
các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến kí tự (cho các sự kiện)
hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai,
q trình phục vụ, q trình chế tạo, q trình lắp ráp là các ví dụ quá trình

-

rời rạc tiêu biểu.
Một quá trình mẻ là một q trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc
trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động
theo một quy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong
một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng
đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tương tự và biến rời rạc.
Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trị qua trọng
trong một q trình mẻ. Các q trình phản ứng hóa học, q trình pha chế,

-

q trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ.
Quá trình liên tục và q trình mẻ là đặc trưng của các ngành cơng nghiệp
chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp
chế tạo và lắp ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm
trước hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả
trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ
q trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động và dừng thiết
bị,...

1.5. Nhiệm vụ và chức năng điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an tồn, hiệu
quả và kinh tế cho q trình cơng nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ
thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức
năng hệ thống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến
xây dựng một giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân
tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở
6


quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển q
trình.
Tồn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại
và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:
1. Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định
tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện
theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện.
2. Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế

hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi
yêu cầu.
3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như
bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.
4. Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc
hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ
nhiên liệu và nguyên liệu.
5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo u cầu trong khi
giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay
đổi của thị trường.
1.6. Các thành phần của hệ thống
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển
q trình cơng nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự
trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức
năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực
quan với sơ đồ khối trên Hình 1.4

Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển q trình
Trong đó:
7


- Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV)
- Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)
- Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV)
- Biến được điều khiển: Controlled Variable (CV)
- Đại lượng đo: Measured Variable, Process Value (PV)
- Tín hiệu đo: Measured Signal, Process Measurement (PM)
1.6.1.Thiết bị đo

Hình 1.4: Một số 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) và chuyển đổi
(transducer):
- Cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng quan tâm
của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu.
- Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho
đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu
bus trường,..). Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển
hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hịa và
chuyển đổi sang một dạng thích hợp ( Trong các hệ thống điều khiển q trình
truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây
cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế ).
Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được
dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.
8


1.6.2. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển
(controller): là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt
lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp
Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều
khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị
điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều
khiển chia sẻ (ví dụ một trạm PLC DCS)./
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển
được lựa chọn: bộ điều khiển thực hiện thuật tốn điều khiển và đưa ra các tín hiệu
điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy

theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều
khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị
điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các
thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch
logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của
nó. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay
thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic.
Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu
tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên
thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều
khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà cịn có thể đảm
nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính tốn và hiển thị cùng một lúc.
Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều
là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được
trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy khi ta nói tới
máy tính điều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS)
và các thành phần tích hợp trên bo mạch. Cịn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc
trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các
module vào/ra và module chức năng khác.
1.6.3. Thiết bị chấp hành
9


Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) 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. Thơng qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp
vào diễn biến của q trình kỹ thuật.

Hình 1.5: Cơ cấu chấp hành

Ví dụ: tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ
mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một
máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng
hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu
chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ
cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc
nhiệt), trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển.
1.7. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển q trình bao gồm nhiều bước như
phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các
nhiệm vụ phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ
thống điều khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6.
1.7.1. Phân tích chức năng hệ thống
Quy trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm
hiểu các u cầu cơng nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa
trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là một nhiệm vụ hiết sức
quan trong, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà
công nghệ . Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên
quan mô tả quy trình cơng nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất.
Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán
10


điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên
các bản vẽ và lưu đồ chức năng hay lưu là P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về
mặt công nghệ cho mỗi bài tốn điều khiển cần được cụ thể hóa thơng qua của các chỉ
tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao
động,... Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như điểm làm việc, các điều kiểu biên,
các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ. Các

biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêu cầu về trình tư vận hành cơng
nghệ.

Hình 1.6: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình
1.7.2. Xây dựng mơ hình q trình
Thiết kế hệ thống trên cơ sở mơ hình là phương pháp khơng thể thiếu của
người kỹ sư. Mơ hình giúp ta hiểu rõ hơn về q trình cơng nghệ, giúp ta trừu tượng
hóa vấn đề và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết. Hơn nữa, mơ hình q trình khơng
chỉ quan trọng đối với cơng việc thiết kế mà cịn phục vụ việc mơ phỏng và đảo tạo
vận hành. Việc xây dựng mơ hình cịn được gọi là mơ hình hóa. Mơ hình hóa có thể
tiến hành ở nhiều mức và với nhiều phương pháp khác nhau.
1.7.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển

11


Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mơ hình tốn học của
q trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển).
Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục
đích làm rõ về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc
hết sức quan trọng, địi hỏi khơng những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển
mà cả nhiều kinh nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn
giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán,
phân cấp). Tiếp theo, ta cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển
tương ứng, các biến nhiều và liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để
xây dựng các sách lược điều khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ,...
Kết quả của công việc thiết kế sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu
đồ P&ID chi tiết. Kết quả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ
biểu đồ logic, trong khi kết quả của thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ
biểu đồ trình tự. Những cơng cụ tốn học và cơng cụ máy tính trong lý thuyết điều

khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá tính thích hợp của các sách lược điều
khiển.
1.7.4. Thiết kế thuật toán điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ
ràng các bước tính tốn và các cơng thức tính tốn cụ thể để có thể cài đặt trên máy
tính điều khiển. Cơng việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ
điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều
khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài tốn phân
tích hệ thống. Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự
động cùng các cơng cụ máy tính có vai trị hết sức quan trong. Song, để có thể đưa
mỗi bài toán thiết kế cụ thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan
hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ
bản của chúng.
Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt
quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết
quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc

12


phương trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu
đồ chức năng trình tự chi tiết.
1.7.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống
Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống
điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp
với các yêu cầu của quy trình cơng nghệ. Cơng việc này địi hỏi người kỹ sư có một
cái nhìn tổng quan về cơng nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn
đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.
1.7.6. Phát triển phần mềm ứng dụng
Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám,

là phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần
mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở
dữ liệu và thiết kế giao diện người - máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, cơng việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn
hình vận hành, giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử
nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mơ phỏng và sau
đó được thử nghiệm ghép nối. Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ
sư điều khiển, kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần
mềm phải nắm vững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp.
Công nghệ phần mềm cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi
thuộc lĩnh vực cơng nghệ hệ thống điều khiển.

13


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TÌNH TRẠNG THÁI CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC
2.1. Giới thiệu về bình mức chất lỏng
Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụng trong hệ thống điều
khiển q trình . Bài tốn đặt ra cho mọi bình chứa là duy trì trữ lượng vật liệu trong
bình tại một giá trị hoặc trong một phạm vi mong muốn , tùy theo chức năng sử dụng
của bình chứa . Đại lượng cần được quan tâm đối với hệ thống bình chứa chất lỏng là
giá trị mức hoặc thể tích . Đối với chất khí hoặc hơi ta quan tâm tới áp suất , đối với
bình chứa chất rắn ta quan tâm tới mức hoặc khối lượng vật liệu . Trong thực tế bình
chứa có những chức năng sau về mặt cơng nghệ:
-

Bình chứa q trình: Tạo khơng gian và thời gian thực hiện các q trình

-

cơng nghệ .
Bình chữa trung gian: Giảm tương tác giữa các quá trình liên tiếp nhau ,
giảm thiểu sự biến thiên của các đại lượng đầu vào , giúp quá trình vận hành

-

trơn tru và dễ điều khiển hơn .
Bình chứa cấp chất lỏng: Đảm bảo cột áp để duy trì hoạt động bình thường
cho các máy bơm cấp .
Đối với bình chứa chất lỏng có chức năng trung gian để giản tương tác và giảm

nhiễu , mục đích điều khiển là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định như vậy mức nước
trong bình chỉ cần khống chế trong một phạm vi an tồn . Đối với bình chứa q trình
giá trị mức phải được giữ chính xác ở một giá trị đặt .
2.2. Sách lược điều khiển
Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử dụng thông tin về các biến
quá trình để đưa ra tác động điều khiển .
Tùy theo quan hệ giữa biến chủ đạo , biến đo được mà ta phân thành các loại
hya được sử dụng như sau:
- Sách lược điều khiển phản hồi
- Sách lược điều khiển truyền thẳng ( vòng hở / bù nhiễu)
- Sách lược điều khiển tỉ lệ
- Sách lược điều khiển kết hợp truyền thẳng và phản hồi.
Sách lược điều khiển truyền thẳng ( Feedforward control )
14


- Dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu , bộ điều khiển dựa trên thơng tin
này tính tốn giá trị của biến điều khiển . Sách lược này còn được gọi là sách lược
điều khiển bù nhiễu và vòng điều khiển là mạch hở ( opened loop control ).

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền thẳng:

Hình 2.1: Feedforward control
Đặc điểm:
- u(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của
nhiễu, biến cần điều khiển không được đo;
- Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của
nhiễu (nhiễu đo được);
- Không triệt tiêu được nhiễu không biết trước/ khơng
đo được)
- Đáp ứng kém chính xác, khơng cho chất lượng cao
2.3. Sách lược điều khiển và lưu đồ P&ID
2.3.1 Lưu đồ P&ID thường
Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram) là tài liệu đồ hoạ mơ tả q
trình cơng nghệ kèm theo các chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển q trình: lưu
đồ cơng nghệ + các biểu tượng thiết bị điều khiển
Mỗi thiết bị được biểu diễn thông qua một biểu tượng cùng với ký hiệu nhãn.

Hình 2.2: Thiết bị được biểu diễn trong lưu đồ P&ID
Quy ước trên lưu đồ bao gồm:
-

Dụng cụ và thiết bị điều khiển.
Ký hiệu đại lượng đo, nhãn, ký hiệu chức năng.
15


- Đường ống dẫn và đường tín hiệu.
a. Dụng cụ và thiết bị điều khiển
Bảng 2.1: Bảng dụng cụ và thiết bị điều khiển cơ bản

b. Kí hiệu các đại lượng đo , nhãn , ký hiệu chức năng
Bảng 2.2: Bảng kí hiệu các đại lượng cơ bản

Bảng 2.3: Bảng kí hiệu quy ước các chức năng điều khiển
16


c, Đường tín hiệu và đường ống dẫn

* Nguyên tắc chung để tạo lưu đồ P&ID:
17


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

2.3.2 Lưu đồ P&ID chi tiết
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 cơng cụ tính tốn:
- Dạng năng lượng của tín hiệu: điện áp: E , dịng điện I , khí nén: P , thủy lực:
G.
- Dạng tín hiệu: Liên tục A , rời rạc: D
- Thuật tốn được thự hiện bởi cơng cụ tính tốn như cộng , tích phân ,vi phân,
đạo hàm, căn…
Ví dụ:
18


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

A/D bộ chuyển đổi tương tự
Sơ đồ P&ID tháp chưng cất có dạng như sau:

Hình 2.3 sơ đồ P&ID trưng cất
* Một số tiêu chuẩn ANSI/ISA S5.1 của Mỹ:
Bảng 2.4:Các biểu tượng đo và thiết bị điều khiển:

Bảng 2.5: Các biểu tượng bộ phận thừa hành

19


Bảng 2.6: Các van điều chỉnh và van an toàn

Bảng 2.7 Các chức năng tính tốn

* Các ký hiệu đường cấp năng lượng (ISA)

20