Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.23 MB, 65 trang )
TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ
GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HĨA
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020
của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)
Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2020
(Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được phép dùng
ngun bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
Trang 2
LỜI GIỚI THIỆU
Tài liệu này thuộc giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo được lưu hành
trong trường Cao đẳng Dầu khí; các nguồn thơng tin được sử dụng để tham khảo biên
soạn/hiệu chỉnh giáo trình có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các
mục đích đào tạo.
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, q trình hiện đại hóa góp phần đưa các
q trình sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp… ngày càng hiện đại với mức độ tự động
hóa ngày càng cao. Các giải pháp điều khiển hiện đại góp phần nâng cao mức độ tự động
hóa của các dây chuyển sản xuất để tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá
thành sản xuất, tăng sức cạnh tranh trên thị trường, nhưng đồng thời cũng đặt ra những
yêu cầu cao hơn cho các hệ thống điều khiển tự động và cho những người kỹ sư thiết kế
điều khiển quá trình. Vì vậy, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng rất quan
trọng trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp và việc trang bị các kiến thức về điều khiển
quá trình là vấn đề cốt lõi đối với học sinh, sinh viên các trường thuộc khối kỹ thuật
chuyên ngành điều khiển tự động hóa.
Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình được biên soạn để giảng dạy cho đối tượng là
học sinh sinh viên trình độ trung cấp, cao đẳng chuyên về lĩnh vực điều khiển tự động
hóa.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp Trường Cao Đẳng Dầu khí, đặc biệt
là giáo viên TBM Tự động hóa. Giáo trình biên soạn dựa trên tài liệu từ nhiều nguồn
giáo trình và tham khảo từ thực tế các nhà máy trong ngành Dầu khí và trong quá trình
biên soạn sẽ khơng tránh khỏi một số sai sót. Vì thế, tơi rất mong nhận được sự góp ý,
xây dựng của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn.
Chân thành cảm ơn.
Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2020
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: ThS. Phạm Thị Thu Hường
2. ThS. Phan Đúng
3. ThS. Nguyễn Xuân Thịnh
Trang 3
MỤC LỤC
1.1. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ............................................................................ 15
1.1.1. Đặc trưng của quá trình ......................................................................................16
1.1.2. Hệ thống điều khiển quá trình ............................................................................17
1.1.3. Các thành phần của một kênh thiết bị ................................................................19
1.2. CÁC VỊNG ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 27
1.2.1. Vịng điều khiển hở (Open loop) ........................................................................28
1.2.2. Vịng điều khiển kín (Feedback Control – Closed Loop)...................................29
1.2.3. Điều khiển tầng (Cascade Control) ....................................................................31
1.2.4. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control) ..........................................................................34
1.3. CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN.......................................................................... 34
1.3.1. Điều khiển hai vị trí (On – Off Control).............................................................34
1.3.2. Điều khiển điều chỉnh (Modulating Control) .....................................................36
1.3.3. Ứng dụng của các kiểu vòng điều khiển ............................................................41
2.1.
CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA
BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................. 47
2.2. ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN .................................................................................. 48
2.2.1. Điều khiển On – Off (On – Off Control) ............................................................48
2.2.2. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control) ..........................................................................50
2.2.3. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân ..................................................................53
2.2.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller) ......................54
2.2.5. Hoạt động cụ thể của một bộ điều khiển ............................................................55
2.2.6. Bộ điều khiển Masoneilan ..................................................................................56
2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ ........................................................................... 57
2.3.1. Điều khiển On – Off ...........................................................................................58
2.3.2. Bộ điều khiển tỉ lệ ...............................................................................................59
2.3.3. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân ...............................................................................60
2.3.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller) ......................60
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Q trình trao đổi nhiệt .................................................................................16
Hình 1-2: Hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt độ ...........................................18
Hình 1-3: Cấu trúc của bộ chuyển đổi áp suất ..............................................................22
Hình 1-4: Đặc tính mở van ............................................................................................24
Hình 1-5: Cấu tạo van điện từ .......................................................................................25
Hình 1-6: Van điều khiển có bộ truyền động dạng màng .............................................25
Hình 1-7: Van điều khiển có bộ truyền động dạng piston.............................................26
Hình 1-8: Van điều khiển sử dụng bộ truyền động bằng động cơ ................................27
Hình 1-9: Điều khiển nhiệt độ bằng vịng hở ................................................................29
Hình 1-10: Điều khiển nhiệt độ bằng vịng kín .............................................................30
Hình 1-11: Hệ thống điều khiển tầng ............................................................................32
Hình 1-12: Mơ hình tổng qt của vịng điều khiển tầng ..............................................33
Hình 1-13: Vịng điều khiển tỉ lệ ...................................................................................34
Hình 1-14: Điều khiển mức bằng bộ điều khiển On - Off.............................................35
Hình 1-15: Đáp ứng của bộ điều khiển On - Off..........................................................36
Hình 1-16: Hệ thống điều khiển hai vị trí với vùng trung lập .......................................36
Hình 1-17: Hệ thống điều khiển tỉ lệ .............................................................................37
Hình 1-18: Vị trí tương ứng của van và phao khi Gain =1 ...........................................38
Hình 1-19: Thuật tốn tích phân đầu ra với đầu vào cố định ........................................40
Hình 1-20: Phản hổi của cấu trúc vi phân khi có tín hiệu vào ......................................41
Hình 1-21: Vịng điều khiển nhiệt độ khí nén ...............................................................42
Hình 1-22: Vịng điều khiển nhiệt độ điện tử ................................................................43
Hình 2-1: Thành phần của bộ điều khiển khí nén .........................................................48
Hình 2-2: Tín hiệu vào phần tử cuối khi dùng bộ điều khiển On-Off ...........................49
Hình 2-3: Bộ điều khiển khí nén On-Off ở trạng thái mất tín hiệu ...............................50
Hình 2-4: chuyển động của Nozzle ra khỏ tấm chắn ....................................................51
Hình 2-5: chuyển động của bộ điều khiển khí nén khi sụt giảm áp suất .......................51
Hình 2-6: Bộ điều khiển khí nén khi có áp suất đầu ra tăng .........................................52
Hình 2-7: Biểu đồ của dải tỉ lệ bằng 5% .......................................................................52
Hình 2-8: Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân .........................................................................54
Hình 2-9: Bộ điều khiển PID .........................................................................................54
Hình 2-10: Cấu hình điều khiển truyền thẳng và phản hổi ...........................................55
Hình 2-11: Bộ điều khiển Masoneilan...........................................................................57
Hình 2-12: Bộ điều khiển On-Off .................................................................................59
Hình 2-13: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ ....................................................................60
Hình 2-14: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ tích phân ....................................................60
Hình 2-15: Thành phần của bộ điều khiển PID .............................................................61
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Một số bộ chuyển đổi. .................................. Error! Bookmark not defined.
GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN
1. Tên mơ đun: Cơ sở điều khiển q trình
2. Mã mơ đun: TĐH19MĐ10
Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành: 30 giờ)
Số tín chỉ: 03
3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học/mơ-đun:
3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun chuyên ngành của chương trình đào tạo. Mơn
đun này được dạy sau các mơn học thiết bị đo lường và tài liệu và bản vẽ thiết bị đo
lường.
3.2 Tính chất: Mơ đun này trang bị những kiến thức về cơ bản về chức năng, nhiệm vụ
của một vòng điều khiển cũng như chức năng của từng thành phần trong một vịng điều
khiển. Ngồi ra người học sẽ lĩnh hội được các thuật ngữ chuyên ngành về điều khiển
quá trình, các chế độ điều khiển của bộ điều khiển.
3.3 Ý nghĩa và vai trò của mơn học/mơ-đun: là mơn học khoa học mang tính thực tế
và ứng dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chun ngành đo lường tự động
hóa (Instrumentation). Mơ-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại trường Cao Đẳng
Dầu Khí từ năm 2019 đến nay. Nội dung chủ yếu của mô-đun này nhằm cung cấp các
kiến thức và kỹ năng cơ bản thuộc lĩnh vực công nghiệp quá trình: (1) lý thuyết điều
khiển q trình: vịng điều khiển, các thành phần cơ bản trong một vòng điều khiển và
các thuật ngữ thông dụng; (2) Các bộ điều khiển PID khí nén, tương tự, on-off và tỉ lệ.
Qua đó, giáo trình cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản về vòng điều khiển, và các
chế độ hoạt động của bộ điều khiển.
4. Mục tiêu của môn học/mô-đun:
Về kiến thức:
+ A1. Mơ tả được điều khiển q trình và xác định được các thành phần cơ bản của
một kênh điều khiển;
+ A2. Mô tả được và xác định được các kiểu vòng điều khiển cơ bản như vòng điều
khiển hở/kín, vịng điều khiển tỉ lệ, vịng điều khiển tầng;
+ A3. Nhận dạng được và mô tả được các chế độ điều khiển on-off và chế độ điều
khiển liên tục;
+ A4. Mơ tả được ứng dụng các kiểu vịng điều khiển và diễn giải được sách lược
điều khiển cơ bản của các kiểu điều khiển này;
+ A5. Xác định và mô tả được nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển kiểu khí
nén và kiểu điện tử.
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ B1. Vẽ và gán nhãn được cho các sơ đồ điều khiển khối của các vòng điều khiển
cơ bản ;
+ B4. Từ bản vẽ P&ID xác định được các thành phần chính của vịng điều khiển
truyền thẳng, vịng điều khiển phản hồi, vòng điều khiển tầng và vòng điều
khiển tỉ lệ.
+ B3. Giải thích được mục đích và chức năng các thành phần chính của bộ điều
khiển khí nén trên một lược đồ cho sẵn;
+ B4. Giải thích được chức năng từng khối của bộ điều khiển điện tử trên lược đồ
cho sẵn.
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ C1. Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc;
5. Nội dung của môn học/mô đun:
5.1 Chương trình khung:
Mã MH/MĐ/HP
Tên mơn học, mơ
đun
Số
tín
chỉ
Thời gian học tập (giờ)
Trong đó
Thực
Kiểm
hành/
tra
Tổng
thực tập/
Lý
số
thí
thuyế
nghiệm/
t
L T
bài tập/
T H
thảo luận
I
Các mơn học
chung/đại cương
21
435
157
255
15
MHCB19MH02
Giáo dục chính trị
4
75
41
29
5
MHCB19MH04
Pháp luật
2
30
18
10
2
MHCB19MH06
Giáo dục thể chất
2
60
5
51
MHCB19MH08
Giáo dục quốc phịng
và an ninh
4
75
36
35
MHCB19MH10
Tin học
3
75
15
58
Tiếng Anh
6
120
42
72
6
76
1755
613
1069
43
30
16
300
152
132
12
4
2
30
26
2
2
2
45
14
29
1
TA19MH02
II
II.1
ATMT19MH01
TĐH19MĐ01
Các môn học, mô
đun chuyên môn
ngành, nghề
Môn học, mơ đun cơ
sở
An tồn vệ sinh lao
động
An tồn Tự động hóa
8
4
2
2
2
1
Mã MH/MĐ/HP
KTĐ19MĐ05
TĐH19MĐ02
KTĐ19MĐ13
KTĐ19MĐ08
II.2
TĐH19MĐ04
TĐH19MH05
TĐH19MH06
TĐH19MĐ07
TĐH19MĐ08
TĐH19MĐ09
TĐH19MĐ10
TĐH19MĐ12
TĐH19MĐ13
TĐH19MĐ15
TĐH19MĐ17
TĐH19MĐ18
TĐH19MĐ19
TĐH19MH20
TĐH19MH21
TĐH19MH22
Tên môn học, mô
đun
Điện kỹ thuật 1
Điện tử cơ bản
Khí cụ điện
Đo lường điện
Mơn học, mơ đun
chun mơn ngành,
nghề
Kỹ thuật số
Thiết bị đo lường
Bản vẽ thiết bị đo
lường
Hiệu chuẩn thiết bị đo
lường
Lắp đặt hệ thống
TĐH 1
Lắp đặt hệ thống
TĐH 2
Cơ sở điều khiển
quá trình
Đấu nối dây
Hệ thống điều khiển
thủy lực - khí nén
PLC
Hệ thống điều khiển
phân tán (DCS)
Điều khiển q trình
nâng cao
Kiểm tra, chạy thử và
xử lý lỗi vịng điều
khiển
Thiết bị phân tích và
theo dõi
Khóa luận tốt nghiệp
Thực tập sản xuất
Tổng số
5.2 Chương trình chi tiết mơ-đun:
3
3
3
3
Thời gian học tập (giờ)
Trong đó
Thực
Kiểm
hành/
tra
Tổng
thực tập/
Lý
số
thí
thuyế
nghiệm/
t
L T
bài tập/
T H
thảo luận
60
28
29
2
1
60
28
29
2
1
45
28
14
3
60
28
29
2
1
60
1455
461
937
31
26
3
5
60
90
28
56
29
29
2
4
1
1
3
45
42
0
3
5
120
28
87
2
3
4
90
28
58
2
2
5
120
28
87
2
3
3
60
28
29
2
1
2
45
14
29
1
1
4
90
28
58
2
2
5
120
28
87
2
3
3
60
28
29
2
1
4
90
28
58
2
2
2
45
14
29
1
1
4
60
42
14
4
3
5
97
135
225
2190
27
14
770
105
209
1324
Số
tín
chỉ
58
3
2
38
Thời gian (giờ)
Số TT
1
Nội dung tổng quát
Bài 1: Lý thuyết điều khiển
q trình
1.1
Điều khiển q trình
1.2
Các vịng điều khiển
1.3
Các chế độ điều khiển
1.4
Ứng dụng các kiểu vòng điều
khiển
2
Tổng số
Bài 2: Các bộ điều khiển
2.1
Các bộ điều khiển và các chế
độ hoạt động cơ bản của BĐK
2.2
Bộ điều khiển khí nén
2.3
Bộ điều khiển điện tử
Cộng
Lý
thuyết
Thực
hành, thí
nghiệm,
thảo
luận, bài
tập
Kiểm tra
LT
40
18
21
1
20
10
8
1
1
60
28
29
2
1
6. Điều kiện thực hiện mơ-đun:
6.1. Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng:
-
Phịng học lý thuyết: đáp ứng phòng học chuẩn.
-
Phòng thực hành: phòng DCS.
6.2. Trang thiết bị máy móc:
-
Máy tính, máy chiếu, bảng, phấn, bút viết bảng/phấn trắng và màu, giẻ lau
-
Các thiết bị, máy móc:
6.3. Học liệu, dụng cụ, ngun vật liệu:
-
Giáo trình, giáo án
-
Bản vẽ P&ID tham khảo của Vietsovpetro.
-
Qui trình thực hành (nếu có)
-
Phiếu đánh giá thực hành
6.4. Các điều kiện khác:
TH
7. Nội dung và phương pháp đánh giá
7.1 Nội dung:
-
Kiến thức: bài 1 và bài 2.
-
Kỹ năng: bài 1 và bài 2.
-
Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công
việc.
7.2 Phương pháp đánh giá:
7.2.1. Kiểm tra thưởng xuyên:
-
Số lượng bài: 01
-
Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện tại thời
điểm bất kỳ trong quá trình học thông qua việc kiểm tra vấn đáp trong giờ học,
kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra một số nội
dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập.
7.2.2.
Kiểm tra định kỳ:
-
Số lượng bài: 03, trong đó 02 bài lý thuyết và 01 bài thực hành.
-
Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy môn học/mô đun thực hiện theo theo
số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình mơn học ở mục III có thể bằng
hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập lớn, tiểu luận, làm bài
thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra lý thuyết kèm đáp án và đề
kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực hành theo đúng biểu mẫu qui định,
trong đó:
Stt
Bài kiểm tra
Hình thức
kiểm tra
Nội
dung
Chuẩn đầu ra
đáp ứng
Thời gian
Bài số 1
Lý
thuyết:
trắc
nghiệm/tự
bài 1
luận/trả
lời
ngắn/điền
khuyết.
A1, A2, C1
2.
Bài số 2
Lý
thuyết:
trắc
nghiệm/tự
bài 2
luận/trả
lời
ngắn/điền
khuyết.
A3, A4, A5, C1 45÷60 phút
3.
Bài÷số 3
Thực hành
1.
bài 1 và
B1, B2, C1
bài 2
45÷60 phút
60 phút
7.2.3.
Thi kết thúc mơ-đun:
-
Hình thức thi: trắc nghiệm và thực hành.
-
Thời gian thi:
+
+
Trắc nghiệm: 45÷60 phút.
Thực hành: 60 phút.
8. Hướng dẫn thực hiện mơ-đun
8.1. Phạm vi áp dụng chương trình
Chương trình mơ đun này được áp dụng cho nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa,
trình độ trung cấp và cao đẳng.
8.2. Hướng dẫn một số điểm chính về phương pháp giảng dạy, học tập môn học:
Đối với giảng viên/giáo viên:
-
+ Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù hợp
với từng chương/bài học với thời lượng theo giờ dạy hoặc theo buổi dạy.
+ Tổ chức giảng dạy: tập trung đối với giờ lý thuyết và chia ca đối với giờ thực
hành theo qui định.
Đối với người học:
+ Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được
cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện,
tài liệu...)
+ Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số
tiết lý thuyết phải học lại mơn học mới được tham dự kì thi lần sau.
+ Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc
theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 6-8 người học sẽ được cung
cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu
trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân cơng để
phát triển và hồn thiện tốt nhất tồn bộ chủ đề thảo luận của nhóm.
+ Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ.
+ Tham dự thi kết thúc môn học.
+ Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học.
8.3. Những trọng tâm chương trình cần chú ý: Các bài có nội dung quan trọng như
nhau.
9. Tài liệu cần tham khảo:
- Tài liệu tiếng Việt:
[1]. TS Hoàng Minh Sơn, 2016, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Hà Nội: Nhà xuất
bản Bách khoa Hà Nội.
- Tài liệu nước ngoài:
[1]. NCCER, 2016, Module Process Control Theory-Instrumentation Level 3, third
edition, published by PEARSON.
[2]. PAControl, 2006, Fundamentals of Pcocess Control, PAControl.com.
1. BÀI 1: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
GIỚI THIỆU BÀI 1:
Bài 1 giới thiệu cơ bản về lý thuyết điều khiển quá trình, bao gồm các khái niệm về quá
trình, điều khiển quá trình, phân loại quá trình, các loại vòng điều khiển, các sách lược
điều khiển cơ bản và ứng dụng của chúng trong thực tế.
MỤC TIÊU:
-
Về kiến thức
+ Mơ tả được điều khiển q trình và xác định được các thành phần cơ bản của
một kênh điều khiển
+ Mô tả được và xác định được các kiểu vịng điều khiển cơ bản như vịng điều
khiển hở/kín, vịng điều khiển tỉ lệ, vòng điều khiển tầng;
+ Nhận dạng được và mô tả được các chế độ điều khiển on-off và chế độ điều
khiển liên tục;
+ Mô tả được ứng dụng các vòng điều khiển và diễn giải được sách lược điều
khiển cơ bản của các kiểu điều khiển này;
-
Về kỹ năng:
+ Vẽ và gán nhãn được cho các sơ đồ điều khiển khối của các vòng điều khiển cơ
bản ;
+ Từ bản vẽ P&ID xác định được các thành phần chính của vịng điều khiển
truyền thẳng, vịng điều khiển phản hồi, vòng điều khiển tầng và vòng điều
khiển tỉ lệ.
-
Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc;
PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1
Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp,
dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập bài1 (cá
nhân hoặc nhóm).
Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hồn thành đầy
đủ câu hỏi thảo luận/bài tập theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời
gian quy định.
ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1
Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: trạm điện, xưởng thiết bị tĩnh – thiết bị động.
Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 14
Học liệu, dụng cụ, ngun vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham khảo,
giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan, các loại trang thiết bị bảo hộ cá nhân: giày
cách điện, gang tay cách điện, sào cách điện, thang, nón bảo hộ
Các điều kiện khác: khơng có
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1
Nội dung:
Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.
+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.
Phương pháp:
Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng hoặc kiểm tra viết
dưới 30 phút.)
Kiểm tra định kỳ lý thuyết/thực hành: khơng có.
NỘI DUNG BÀI 1
1.1.
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
Điều khiển q trình là việc nghiên cứu các thao tác để tạo ra một sản phẩm mong
muốn. Cụ thể hơn nó là việc áp dụng một hệ thống điều khiển để xử lý nhằm cung cấp
hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy nhất có thể. Muc tiêu của điều khiển quá trình là đo
lường, so sánh, tính tốn và điều chỉnh. Hệ thống điều khiển quá trình sẽ thực hiện đầy
đủ nhiệm vụ này. Để q trình sản xuất có kết quả tốt nhất, hệ thống điều khiển quá trình
phải phù hợp với quá trình cụ thể. Để đạt được điều này những người tự động hóa phải
hiểu rõ về quá trình, địi hỏi phải có kiến thức, hiểu biết về các thuật ngữ/khái niệm cụ
thể.
Bản thân việc nắm bắt rõ bản chất của một quá trình là sự trở ngại lớn nhất trong
việc áp dụng và triển khai hệ thống điều khiển. Những q trình nói chung rất phức tạp
bởi vì chúng thường được tạo ra bởi một chuỗi của nhiều thành phần nhỏ hơn, nhiều q
trình có mối liên hệ với nhau. Chính sự phức tạp này làm nó khó phán đốn cái cách mà
một hệ thống q trình sẽ phản ứng hay tác động khi có sự địi hỏi về thay đổi. Nhiệm
vụ của những người tự động hóa là xác định được những đặc trưng cơ bản của q trình
và đơn giản hóa sự phức tạp sao cho hiệu quả, thực hiện đáng tin cậy được duy trì.
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 15
1.1.1. Đặc trưng của quá trình
Nghiên cứu cần nhất đối với một hệ thống điều khiển q trình chính là bản thân
q trình cần điều khiển. Một q trình có thể đơn giản như quá trình trao đổi nhiệt như
Hình 1.1 dưới đây:
Hình 1-1: Quá trình trao đổi nhiệt
Một quá trình thơng thường được thực hiện bởi việc sử dụng các thiết bị và phần
cứng. Trên Hình 1.1 vỏ và ống thiết bị trao đổi nhiệt và đường ống công nghệ thuộc hệ
thống có sự trao đổi năng lượng xảy ra. Trong ví dụ trên dịng nước nóng đi vào phần
vỏ của thiết bị gia nhiệt sẽ truyền nhiệt năng của nó cho dịng dầu lạnh bên trong và làm
nhiệt độ của dòng dầu lạnh tăng lên, nhiệt độ của thiết bị gia nhiệt sẽ bị giảm xuống.
Quá trình làm nóng dầu thể hiện trên Hình 1.1 có thể coi như quá trình trao đổi
năng lượng cụ thể ở đây là nhiệt năng. Nhiều quá trình chỉ là chuyển đổi vật chất, một
số quá trình vừa chuyển đồi vật chất vừa chuyển đổi năng lượng. Trên Hình 1.1 năng
lượng vào của q trình chính là đầu vào, năng lượng này sau khi được trao đổi và ra
khỏi quá trình thì nó là đầu ra của q trình. Năng lượng đầu ra bằng năng lượng đầu
vào trừ đi tổng của năng lượng bị mất và năng lượng tích trữ ở trong quá trình.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt năng lượng đầu vào phụ thuộc lưu lượng nước trong
vỏ và nhiệt độ của dịng nước nóng đó. Năng lượng đầu ra phụ thuộc lưu lượng của dầu
và nhiệt độ của dòng dầu nóng đi ra. Năng lượng mất đi là phần năng lượng bị mất qua
vỏ của thiết bị trao đổi nhiệt ra mơi trường bên ngồi. Phần năng lượng tích trữ là tổng
năng lượng được giữ cho vỏ của thiết bị trao đổi nhiệt đạt được nhiệt độ hoạt động cần
thiết.
Eout = Ein – (Elost + Estore)
Nếu Elost tăng vì do nhiệt độ môi trường thay đổi và Estore và Ein khơng đổi, khi
đó Eout phải giảm, kết quả là nhiệt độ của dòng dầu ra giảm. Một khi đạt đến sự cần bằng
và điều kiện về nhiệt lượng không thay đổi các thơng số q trình sẽ ổn định.
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 16
Nếu khơng có sự thay đổi nhiệt độ dịng dầu ra cuối cùng cũng sẽ đạt đến giá trị
ổn định. Nhiệt lượng đầu ra bằng nhiệt lượng đầu vào trừ đi tổng nhiệt lượng mất đi và
nhiệt lượng được lưu giữ. Khi điều kiện này tồn tại quá trình sẽ đạt trạng thái ổn định
hay cân bằng. Bất kỳ sự thay đổi nào của nhiệt lượng vào, nhiệt lượng mất đi hay nhiệt
lượng lưu trữ đều làm mất đi sự cân bằng của q trình và do đó gây ra sự thay đổi thơng
số của q trình. Giả sử nhiệt độ của dịng nước nóng đi vào vỏ của bộ trao đổi nhiệt
tăng lên sẽ làm nhiệt lượng đưa vào thiết bị gia nhiệt cũng tăng theo, từ đó nhiệt lượng
truyền tới dòng dầu cũng tăng nhiệt độ lên. Sự trao đổi nhiệt này là nhiệt lượng đầu ra.
Tại thời điểm đó, nhiệt lượng cũng bị mất vì tỏa nhiệt ra xung quanh do đó sự chênh
lệch nhiệt độ tăng lên. Ngoài ra các thành phần bên trong của bộ trao đổi nhiệt cũng hấp
thụ nhiệt lượng và lưu trữ nhiệt lượng trên nó. Những tác động đến nhiệt lượng đầu vào,
nhiệt lượng ra, nhiệt lượng mất và nhiệt lượng lưu trữ trên bộ gia nhiệt vẫn tiếp tục đến
khi trạng thái cân bằng được xác lập. Khi đó sự gia tăng nhiệt lượng đầu vào được cân
bằng bởi sự gia tăng nhiệt lượng đầu ra, nhiệt lượng mất đi và nhiệt lượng trên thiết bị.
Kết quả là nhiệt độ của dòng dầu ra đã tăng lên cùng với nhiệt lượng mất ra bên ngoài
và sự tăng nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt.
Cho dù chúng ta điều khiển bằng tay hay tự động hầu hết các quy trình chỉ hoạt
động hiệu quả và an toàn khi các giá trị tham số của quy trình được giữ trong giới hạn
quy định. Như mơ tả ở ví dụ trên, các thơng số q trình có thể bị thay đổi nếu cân bằng
năng lượng bị xáo trộn. Một chức năng cơ bản của điều khiển quá trình là điều khiển sự
cân bằng của hệ thống để duy trì các thơng số q trình trong giới hạn định trước.
1.1.2. Hệ thống điều khiển q trình
Một hệ thống điều khiển q trình có thể được định nghĩa là kỹ thuật đo lường,
giá trị của một q trình cụ thể với mục đích hạn chế sự thay đổi thông số này với giá
trị mong muốn. Việc thực hiện này thường được thực hiện bởi người vận hành và hệ
thống phần cứng.
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 17
Hình 1-2: Hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt độ
Hình 1.2 là ví dụ về một hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt đơn giản.
Tham số quá trình được lựa chọn để điều khiển ở đây gọi là biến được điều khiển
(Controlled variable – CV). Biến được điều khiển thường được biết đến là biến quá
trình, kí hiệu là PV (PV – Process Variable). Biến được điều khiển là nhiệt độ của dòng
dầu ra. Phép đo của biến được điều khiển được thực hiện bởi thiết bị đo.
Một bộ chuyển đổi nhiệt độ sẽ chuyển giá trị nhiệt độ đo được sang tín hiệu phù
hợp để truyền đi. Loại tín hiệu được sử dụng ở đây là dịng điện 4÷20 mA DC, 1÷5
VDC, 0÷10VDC và tín hiệu khí nén 3÷15 psi. Tín hiệu được truyền từ thiết bị đo được
gọi là biến được đo (Measured variable). Biến được đo là một tín hiệu tương ứng với
biến được điều khiển. Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu truyền dẫn nhận được từ thiết bị
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 18
đo kết hợp với giá trị đặt để điều chỉnh giá trị của biến được điều khiển sao cho đạt yêu
cầu đề ra. Sự sai lệch giữa giá trị đặt, kí hiệu là SV (SV: Setpoint Value) với biến được
đo được gọi là tín hiệu sai lệch. Bộ điều khiển hoạt động dựa trên tín hiệu sai lệch để
tạo ra tín hiệu đầu ra. Bộ điều khiển có thể xử lý lỗi trong nhiều chế độ khác nhau. Các
chế độ của bộ điều khiển sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.
Tín hiệu ra của bộ điều khiển được truyền đến một thiết bị (gọi là thiết bị điều
khiển cuối) để chuyển đổi tín hiệu này thành tác động can thiệp trực tiếp đến quá trình.
Hình 1.2 thể hiện vị trí của bộ điều khiển và thiết bị điều khiển cuối trong hệ thống.
Phần tử điều khiển cuối quyết định tham số của q trình từ đó bộ điều khiển điều chỉnh
biến được điều khiển. Tham số của quá trình được điều chỉnh bởi phần tử điều khiển
cuối được gọi là biến thao tác (Manipulated variable – MV). Biến thao tác trong ví dụ
hình 1.2 là lưu lượng dịng nước nóng đi vào bên trong vỏ của bộ trao đổi nhiệt.
Khi một hệ thống điều khiển được áp dụng cho một quá trình hai tham số của quá
trình được chọn để giao tiếp với hệ thống điều khiển. Các tham số này là biến được điều
khiển và biến điều khiển. Biến được điều khiển được sử dụng trong hệ thống điều khiển
cung cấp nhiệt lượng hay nguyên liệu cho quá trình nhằm điều chỉnh độ lệch của biến
được điều khiển so với giá trị mong muốn.
Một q trình có thể bị ảnh hưởng bởi rất nhiều biến số khác. Mặc dù những biến
số này không được cảm nhận trực tiếp bởi hệ thống điều khiển nhưng chúng có thể là
nguyên nhân gây làm thay đổi trạng thái cần bằng năng lượng của quá trình. Trạng thái
mất cân bằng này được hệ thống điều khiển coi như là sự thay đổi trong biến được điều
khiển. Nói chung các thơng số này được chia làm hai nhóm: cung và cầu. Sự thay đổi
của tham số cung được biết đến như sự xáo trộn về nguồn cung, sự thay đổi trong tham
số cầu là sự xáo trộn về nhu cầu. Sự xáo trộn về nguồn cung làm thay đổi năng lượng
hay nguyên liệu đầu vào của q trình. Trong ví dụ về trao đổi nhiệt trên hình 1.2 những
thay đổi nhiệt độ hay tốc độ dịng nước nóng đi vào là sự xáo trộn nguồn cung. Sự thay
đổi về nhu cầu là thay đổi về năng lượng hay nguyên liệu ra của q trình. Ví dụ của sự
thay đổi u cầu cho ví dụ trên là thay đổi nhiệt độ hau tốc độ dòng dầu lạnh qua đường
ống trong thiết bị gia nhiệt.
Mục tiêu chính của điều khiển q trình là duy trì được biến cần điều khiển
(Controlled variable hay PV) tại giá trị mong muốn (SV) mà ít làm nhiễu loạn nguồn
cung cấp hoặc xáo trộn yêu cầu.
1.1.3. Các thành phần của một kênh thiết bị
Tất cả các thành phần cần thiết để phát hiện, biến đổi trạng thái, truyền, kiểm sốt
và điều chỉnh q trình tạo nên một kênh thiết bị hay một vòng điều khiển. Làm sao để
các thành phần kết nối được với nhau để tạo thành vòng điều khiển. Trong một kênh
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 19
thiết bị tiêu biểu các thành phần có thể bao gồm một hoặc nhiều đầu dò hay cảm biến,
bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại tín hiệu, bộ transmitter, bộ điều khiển, bộ chỉ thị, bộ ghi
hay van điều khiển.
a. Cảm biến
Để đo thơng số của một q trình, một cảm biến sẽ nhận năng lượng của quá trình
và cho ra tín hiệu ra. Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiêu ra tỉ lệ theo một
nghĩa nào đó với đại lượng đo hay biến q trình. Chất lượng đo ln bị xáo trộn trong
q trình đo, một thiết bị đo tốt phải được thiết kế sao cho sự xáo trộn này là nhỏ nhất.
Nhân viên thiết bị đo lựa chọn loại cảm biến cho hệ thống đo lường trên cơ sở thơng số
được đo, độ chính xác mong muốn, phạm vi đo lường và loại tín hiệu đầu ra cụ thể cần
thiết. Ví dụ như để đo nhiệt độ có loại RTD hay TC thermistor; đo áp suất có loại
Manometer, lị xo màng, màng điện trở, màng điện dung, chênh áp điện dung, ống
Bourdon; …
Có nhiều loại quy trình đo khác nhau được thực hiện trong công nghiệp dưới các điều
kiện môi trường xác định. Những phép đo này được chia thành hai loại chung: đo trực
tiếp (các đồng hồ) và những phép đo gián tiếp (các bộ chuyển đổi).
Ví dụ nếu có một bể chứa nước, để đo mức nước trong bể chúng ta có thể dùng que
thăm, các đồng hồ mức gắn trên bể để đo trực tiếp. Ngồi ra chúng ta cũng có thể sử
dụng các bộ cảm biến mức như cảm biến mức kiểu điện dung, chênh áp … để đo mức
khi đó ta sẽ thu được tín hiệu ra là một giá trị dòng điện hay điện áp.
b. Transducer
Trong một kênh thiết bị đo, tín hiệu đầu ra từ một thiết bị thường khơng tương thích với
u cầu tín hiệu vào của một thiết bị khác được ghép trong cùng một kênh. Để cung cấp
giao diện giữa hai thiết bị, một thiết bị được gọi là bộ chuyển đổi được đặt giữa hai thiết
bị khơng tương thích. Bộ chuyển đổi sẽ nhận một dạng năng lượng và chuyển nó thành
dạng năng lượng khác. Bất kỳ bộ chuyển đổi nào trong số này đều có thể được lắp nối
tiếp nhau. Sự đa dạng của các cách kết hợp có thể đáp ứng trên thực tế bất kỳ laoij
chuyển đổi tín hiệu nào có thể được yêu cầu trong hệ thống điều khiển quá trình.
Bảng 1-1 liệt kê một số đầu bộ chuyển đổi đo lường phổ biến, các chữ viết tắt thường
được sử dụng để mô tả từng loại chức năng của chúng
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 20
Bảng 1.1: Một số bộ chuyển đổi.
c. Bộ khuếch đại tín hiệu (Amplifiers/Signal Conditioners)
Thơng thường tín hiệu đo đều phải truyền đi một khoảng cách xa, trong trường
hợp là tín hiệu điện tử có thể tín hiệu bị nhiễu tần số. Trong trường hợp khác tín hiệu
gốc cũng có thể bị yếu hay có thể bị thay đổi. Điều kiện tín hiệu thế này thường được
đảm bảo bằng việc sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu hoặc bộ điều hịa tín hiệu. Những bộ
này có chức năng là khởi tạo tín hiệu mức cao hơn tương ứng cho độ dài truyền dẫn
hoặc điều chỉnh tín hiệu theo cách ngăn tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu.
Trong trường hợp tín hiệu dạng khí nén, thiết bị được gọi là bộ tăng khí có thể
được sử dụng để khuếch đại tín hiệu khí nén nhằm bù cho sự rò rỉ và sụt áp. Tín hiệu
điện hoặc tín hiệu số, thiết bị thường được kết hợp để lọc tiếng ồn và khời động tín hiệu
một cách tương xứng. Trong hầu hết trường hợp, bộ khuếch đại và điều hịa tín hiệu
được tích hợp trong Transducer hay Transmitter như một khối thống nhất mà không yêu
cầu lắp đặt.
d. Transmitter
Chức năng của Transmitter trong kênh thiết bị là nhận giá trị đo từ phần tử cảm
biến và gửi tín hiệu đó theo cách mà nó thể hiện, ghi nhớ hay điều khiển. Trong nhiều
thiết kế một Transmitter có thể bao gồm cả Transducer và bộ khuếch đại, nếu các thành
phần đó được yêu cầu trong những ứng dụng đặc biệt. Hình 1.3 thể hiện các khối của
một transmitter áp suất được sử dụng đo lưu lượng dòng chảy, mức chất lỏng, và ứng
dụng đo áp suất chênh lệch.
Chú ý rằng thành phần biến đổi tín hiệu là thành phần khơng thể thiếu của một
Transmiter. Tín hiệu lưu lượng thể hiện trong Hình 1.3 có thể được tổng hợp lại theo
các bước như sau:
Bước 1: Áp suất tác động lên phần tử cảm nhận
Bước 2: Sự thay đổi áp suất được đo bởi sự thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến
Bước 3: Tín hiệu của cảm biến được điều chỉnh cho các thông số khác nhau.
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 21
Bước 4: Tín hiệu của cảm biến được chuyển đổi thành một đầu ra tương tự thích
hợp.
Hình 1-3: Transmitter áp suất
e. Bộ điều khiển (Controller)
Bộ điều khiển là thiết bị hoạt động theo chế độ điều khiển tay hoặc tự động để
điều chỉnh biến được điều khiển. Có ba loại điều khiển cơ bản: điều khiển cơ, khí nén
và điện. Tất cả đều chung mục đích là so sánh biến q trình với giá trị đặt và đưa ra
một tín hiệu điều khiển để làm thay đổi quá trình sao cho đạt giá trị đặt.
Một bộ điều khiển được tạo thành từ một mạch truyền phản hồi, bộ so sánh với
giá trị đặt đầu vào, các khối chức năng của bộ điều khiển và hệ thống đầu ra. Mạch phản
hồi đảm bảo rằng tín hiệu cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu mà bộ điều khiển có
thể sử dụng được. ví dụ nếu tín hiệu vào là 4 đến 20 mA DC, mạch phản hồi trong bộ
điều khiển có thể chuyển tín hiệu đó thành điện áp theo u cầu của bộ điều khiển. Mạch
chuyển đổi đầu ra sẽ chuyển tín hiệu từ mạch phản hồi thành dạng tín hiệu mà phần tử
điều khiển cuối yêu cầu.
f. Phần tử điều khiển cuối (FCE - Final Control Elements)
Phần tử điều khiển cuối thơng dụng nhất chính là van điều khiển. Van điều khiển
đơn giản chỉ là một cổng có thể thay đổi độ mở được sử dụng để điều tiết dịng chảy của
chất lỏng q trình theo u cầu của quá trình. Trong van điều khiển một cơ cấu truyền
động được kết nối tới thân nút van di chuyển van giữa vị trí mở và đóng để điều chỉnh
dịng chảy q trình. Thân van được đặt trong dịng chảy q trình và được sử dụng để
điều khiển lưu lượng của dịng q trình. Có hai nhóm van điều khiển cơ bản: van cổng
và van cầu.
Van cổng chỉ được sử dụng để bắt đầu hoặc dừng dịng chất lưu, khơng phải để
điều tiết hoặc tiết lưu. Thuật ngữ “cổng” bắt nguồn từ sự xuất hiện của đĩa trong dịng
chảy, mà nó tương tự như cái cổng. Hình 4-6 trình bày một van cổng. Đĩa được loại bỏ
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 22
hồn tồn khỏi dịng chảy khi cổng van được mở hoàn toàn. Việc di chuyển đĩa ra khỏi
đường đi làm giảm sự cản trở dịng chảy khi van mở, vì vậy có ít sự giảm áp suất qua
van cổng đang mở.
Khi một van cổng đóng hồn tồn, tiếp xúc của đĩa với vịng đệm kín tồn tại 360o
quanh cổng và nó được làm kín tốt. Khi các bề mặt này được phối hợp đúng cách, khơng
có rị rỉ xảy ra ở đĩa khi van cổng đóng.
Van cổng khơng được sử dụng để điều tiết dịng chảy bởi vì quan hệ giữa sự
chuyển động của ty van và lưu lượng là khơng tuyến tính. Nói cách khác, sự chuyển
động lên của ty van và đĩa chỉ một lượng nhỏ cũng tạo ra sự thay đổi lưu lượng đáng kế,
vì vậy rất khó để điều tiết chính xác. Ngồi ra, vận hành van ở vị trí mở một phần có thể
gây ra sự hao mòn đáng kế với đĩa và ổ đỡ, thậm chí có thể dẫn đến rị rỉ.
Van cầu được sử dụng để dừng, khởi động, và điều tiết lưu lượng. Chúng là phần
tử quan trọng trong hầu hết các hệ thống và thường được sử dụng làm tiêu chuẩn để
đánh giá các loại van khác.
Đĩa van cầu có thể mở hồn tồn đường dẫn dịng chảy hoặc nó có thể đóng hồn
tồn đường dẫn dịng chảy. Dịng chảy chủ yếu vng góc với ty van, mặc dù nó di
chuyển một đoạn ngắn song song với ty van khi nó đi qua ổ đỡ van. Lưu ý rằng ổ đỡ của
van cầu ln là vật cản dịng chảy.
Ngun lý cơ bản của hoạt động van cầu là sự dịch chuyển vng góc của đĩa
van ra khỏi ổ đỡ. Điều này làm cho khoảng khơng hình khun giữa đĩa và ổ đỡ dần dần
trở nên nhỏ hơn khi van bị đóng. Đặc tính này cho van cầu khả năng tiết lưu tốt, điều đó
cho phép sử dụng nó để điều tiết lưu lượng. Vì vậy, van cầu được sử dụng khơng chỉ với
chức năng khởi động-dừng, mà còn với chức năng điều tiết lưu lượng.
Ngoài kiến thức về van cửa và van cầu, kỹ thuật viên thiết bị đo đạc cần phải nắm
rõ đường đặc tính lưu lượng là mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy qua van và phần tram
hành trình của van. Một đường cong thường được vẽ trên phần trăm trục hành trình so
với phần trăm trục dòng chảy cung cấp một phương tiện để so sánh và thảo luận về đặc
tính dịng chảy của van. Ba đường cong đặc tính phổ biến nhất của van là tuyến tính, mở
nhanh và mở theo tỉ lệ phần trăm (Hình 1-4).
Đường cong dịng chảy tuyến tính cho thấy tốc độ dịng chảy tỉ lệ thuận với vị trí
của van. Với loại đặc tính dịng chảy này, sự thay đổi vị trí nút van tạo ra sự thay đổi
tương tự về tốc độ dòng chảy tại bất kỳ điểm nào trong hành trình của van.
Van mở nhanh tạo ra sự thay đổi tuyến tính lớn trong tốc độ dịng chảy ở các lần
di chuyển nhỏ của van. Một van như vậy có thể đạt khoảng 90% của tổng lưu lượng khi
van mở 60% hành trình. Khả năng mở nhanh này giải thích cho tên gọi của các loại
đường đặc tính dòng chảy. Bất kỳ sự gia tăng bổ sung nào trong hành trình của van sẽ
làm giảm mạnh thay đổi tốc độ dòng chảy cho đến khi van tiếp cận vị trí mở rộng và sự
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 23
thay đổi tốc độ dòng chảy về cơ bản bằng 0.
Đặc tính lưu lượng bằng phần trăm thể hiện tốc độ dịng chảy tăng theo cấp số
nhân với hành trình của van, tên gọi này có nguồn gốc từ thực tế là phần trăm gia tăng
trong van tạo ra cùng một phần trăm tăng tốc độ dòng chảy. Đường cong hàm mũ có
nghĩa là bất kỳ sự thay đổi nào trong tốc độ dịng chảy ln tỉ lệ thuận với tốc độ dịng
chảy ngay trước khi thay đổi vị trí nút van. Theo cách khác đối với van có cơng suất
nhỏ sự thay đổi tốc độ dòng chảy của van thu được khi mở van ở một giá trị % nhất định
là nhỏ, ngược lại nếu van cho phép một dịng chảy lớn qua van thì sự thay đổi tốc độ
dòng chảy thu được khi mở van cùng một lượng % như trên sẽ có giá trị lớn.
Hình 1-4: Các đường cong đặc tính của van điều khiển
Tất cả các đặc tính dịng chảy này là đặc điểm vốn có của thiết kế van, và chúng
được quan sát khi áp suất giảm trên van khơng đổi. Trong q trình áp suất nơi mà áp
suất giảm có thể thay đổi, việc cài đặt đặc tính của van có thể được thực hiện khác. Dựa
theo những đặc tính vốn có này cho phép người thiết kế hệ thống lựa chọn các van để
tạo sự ổn định cho quá trình phù hợp với điều kiện hoạt động của quá trình. Một van tiết
lưu có thể có những đặc tính này.
-
Cơ cấu truyền động bằng tay (Manual Actuators):
Cơ cấu truyền động bằng tay trong van điều khiển bản chất chính là cái vơ lăng.
Trong hầu hết các trường hợp cơ cấu truyền động bằng tay làm mất hiệu lực của cơ cấu
truyền động tự động. Trừ khi người điều khiển bộ phận yêu cầu, phải cẩn thận không
được vô ý tác động vào cơ cấu truyền động bằng tay. Sự vô ý tác động vào cơ cấu này
có thể làm hạn chế sự chuyển động bình thường của thân van.
-
Cơ cấu truyền động điện từ (Solenoid Actuators):
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 24
Nếu bộ điều khiển của hệ thống là bộ điều khiển hai vị trí thì van điều khiển sử
dụng cơ cấu điện từ được sử dụng (trường hợp công suất nhỏ). Một van từ bao gồm thân
van, lõi từ gắn với thân van và cuộn dây từ. Khi dòng điện chạy qua cuộn từ, một từ
trường được sinh ra tạo ra lực hút lõi từ chuyển động hướng lên. Khi lực hút từ trường
đủ lớn để thắng được lực của lị xo khi đó van sẽ mở. Khi dịng điện suy giảm, lực lị xo
đóng van lại.
Hình 1-5: Cấu tạo van điện từ
-
Bộ truyền động van điều khiển khí nén (Pneumatic Control Valve Actuator):
Thân của van điều khiển có thể được di chuyển bởi truyền động của máy nén khí.
Có hai loại truyền động khí nén: Bộ truyền động dạng màng và dạng pít tơng. Bộ truyền
động dạng màng là loại được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển. Bộ truyền
động dạng màng có cấu tạo đơn giản như hình 1-6.
Hình 1-6: Van điều khiển có bộ truyền động dạng màng
Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình
Trang 25
