(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển pid cho tháp chưng cất ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHO THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL

GVHD: PGS. TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
ThS. LÊ LINH
SVTH: HUỲNH DƯƠNG KHANG
MSSV: 12143090
ÐỖ QUANG VINH
MSSV: 12143259

S KL 0 0 4 7 4 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Nghiên

cứu, thiết kế bộ điều khiển

PID cho tháp chƣng cất ethanol
Giảng viên hƣớng dẫn:

PGS. TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
ThS. LÊ LINH

Sinh viên thực hiện:

HUỲNH DƢƠNG KHANG
ĐỖ QUANG VINH
121431
2012 - 2016

Lớp:
Khố:

MSSV: 12143090
MSSV: 12143259

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016

i

do an

ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH


BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Nghiên

cứu, thiết kế bộ điều khiển

PID cho tháp chƣng cất ethanol
Giảng viên hƣớng dẫn:

PGS. TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
ThS. LÊ LINH

Sinh viên thực hiện:

HUỲNH DƢƠNG KHANG
ĐỖ QUANG VINH
121431
2012 - 2016

Lớp:
Khố:

MSSV: 12143090

MSSV: 12143259

Tp. Hồ Chí Minh, tháng tháng 07/2016
ii

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho tháp chƣng cất ethanol
- GVHD:

PGS. TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
ThS. LÊ LINH

- Sinh viên thực hiện: HUỲNH DƢƠNG KHANG
ĐỖ QUANG VINH
- Địa chỉ sinh viên:

MSSV: 12143090
MSSV: 12143259

Lớp 121431

- Số điện thoại liên lạc: 0128 234 2096
- Email:

- Ngày nộp khố luận tốt nghiệp (ĐATN): 20/07/2016

- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng
trình do chính tơi nghiên cứu và thực hiện. Tơi không sao chép từ bất kỳ một bài
viết nào đã được cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi
phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016
Ký tên

iii

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trƣờng, khoa Cơ khí
chế tạo máy, bộ mơn Cơng Nghệ Chế Tạo Máy, các thầy cơ đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở, chuyên môn trong suốt 4 năm học
vừa qua.
Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ và ThS.
Lê Linh đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, định hƣớng, góp ý và cung cấp
những ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu thực hiện đồ án. Sự hƣớng dẫn của thầy là
yếu tố quan trọng để chúng em có thể hồn thành đồ án này. Xin cảm ơn các bạn
lớp Cơ Điện Tử 121461 đã góp ý, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong q trình làm đồ
án.
Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những ngƣời ln
sát cánh, ni dƣỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học
tập để có kết quả tốt nhƣ ngày hôm nay.

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực rất nhiều, song đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự thơng cảm và chỉ dẫn tận tình của q
thầy cơ.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện

iv

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

TĨM TẮT ĐỒ ÁN
ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƢNG CẤT
Nội dung chính trong đồ án này, chủ đề nghiên cứu là hệ thống điều khiển gia
nhiệt cho dịng nhập liệu và hồn lƣu, ứng dụng trong tháp chƣng cất đƣợc nghiên
cứu và thiết kế, bao gồm việc nhận dạng hệ thống, thu thập dữ liệu từ hệ thống
thực, phân tích dữ liệu đó xác định hàm truyền hệ thống, sau đó đƣa hàm truyền
này vào chƣơng trình điều khiển để viết giải thuật điều khiển cho hệ thống thực. Sử
dụng phƣơng pháp Ziegler-Nichols để thiết kế bộ thiết kế bộ điều khiển PID. Mơ
hình sử dụng là mơ hình tháp mâm xun lỗ và sử dụng Simatic Manager để viết
code PID điều khiển nhiệt độ nhập liệu và hoàn lƣu. Ứng dụng phần mềm Matlab
để tìm ra bộ điều khiển và dùng WinCC để giám sát quá trình va đáp ứng của hệ
thống.
Sau thời gian nghiên cứu, kết quả đạt đƣợc là tìm hàm truyền mơ tả hệ thống gia
nhiệt nhập liệu,hồn lƣu và điều khiển đƣợc nhiệt độ của hệ bằng phƣơng pháp
dùng bộ điều khiển PID, từ đó đạt đƣợc mục tiêu kiểm chứng lại các lý thuyết về
điều khiển quá trình bằng mơ hình thực nghiệm.

Sinh viên thực hiện

v

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

ABSTRACT
CONTROLLED THE DISTILLATION TOWER

The main content of the project, the research subject is heating control system
for the supply and circulation stream, application of the distillation tower is
researched and designed, including system identification, collection data from the
real system, data analysis is determined that the system transfer function, then put
this transfer function in the control program to write algorithms for the system
controller. Using Ziegler-Nichols method to design the PID controller. The model
used is the model of the tray tower and used the Simatic Manager software to
programed the PID controller for controlling input and circulation temperature.
Matlab software applications to find the controller and used WinCC software to
process monitoring and response system.
After the research period, the results achieved is finded the system transfer
function to described heating input system, circulation and control the temperature
of the system by means of using the PID controller, thereby achieving verifiable
goals the theory of process control using experimental models.

Authors

vi

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. IV
TĨM TẮT ĐỒ ÁN .........................................................................................................V
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... IX
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... XI
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................... 1
1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .......................................................... 1
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................... 1
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 1
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 1
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 1
1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ ................................................ 1
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 2
2.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT ......................................................................... 2
2.1.1 Phương pháp chưng cất ..................................................................................... 2
2.1.2 Thiết bị chưng cất .............................................................................................. 3
2.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU .......................................................... 3
2.2.1 Etanol: (Còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm). ...................... 3
2.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước (C2H5OH): .................................................................. 4
2.3 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƢNG CẤT RƢỢU ........................................... 6
2.4 MƠ HÌNH HĨA, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG .................................................... 7
2.4.1 Phân loại mơ hình .............................................................................................. 8
2.4.2 Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học ......................................................... 8
2.4.3 Nhận dạng vịng hở và nhận dạng vịng kín ...................................................... 8
2.4.4 Các bước nhận dạng hệ thống ......................................................................... 10

2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ....................................................................................... 11
CHƢƠNG 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID………………………17
3.1 LƢU ĐỒ P&ID ................................................................................................... 17
3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ......................................... 17
3.2.1 Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ ............................ 18
3.2.2 Khâu quán tính bậc cao ................................................................................... 20
3.3 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID .................. 20

vii

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
3.3.1 Phương pháp điều chỉnh bằng tay: .................................................................. 20
3.3.2 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm
(phương pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols) ....................................................................... 20
3.3.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR)............................................. 21
3.3.4 Phương pháp Cohen-Coon .............................................................................. 22
3.4 LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI.................... 22
CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ………………………………………………………23
4.1 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ .................................................................................. 23
4.1.1 Phần mềm Matlab ............................................................................................ 23
4.1.2 Win CC ............................................................................................................. 23
4.1.3 Khối công suất (SCR) ...................................................................................... 24
4.1.4 Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại k ........................................................... 26
4.1.5 Van tuyến tính .................................................................................................. 27
4.1.6 PLC ( S7-300) .................................................................................................. 28
4.1.7 Phần điện ......................................................................................................... 28
4.2 MƠ HÌNH HỒN CHỈNH ................................................................................. 30

CHƢƠNG 5: TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG .......................................... 35
5.1 KHẢO SÁT HÀM TRUYỀN VÕNG HỞ ......................................................... 35
5.1.1Phương pháp khảo sát: ..................................................................................... 35
5.1.2 Các bước chuẩn bị khảo sát............................................................................. 36
5.2 THU THẬP DỮ LIỆU ........................................................................................ 41
5.3 XỬ LÍ DỮ LIỆU................................................................................................. 42
5.3.1 XỬ LÍ DỮ TRONG EXCEL ............................................................................. 43
5.3.2 Phương pháp tìm hàm truyền .......................................................................... 43
5.3.3 Sử dụng Matlab để so sánh các đồ thị ............................................................. 44
5.4 PHƢƠNG PHÁP TÌM THƠNG SỐ PID ........................................................... 48
5.4.1 PID Tool ( Matlab ) ......................................................................................... 48
5.4.2 Phương pháp Direct Synthesis......................................................................... 48
5.5 TÍNH TỐN THƠNG SỐ PID .......................................................................... 49
5.5.1 Sử dụng PID Tool ............................................................................................ 49
KÊT LUÂN ................................................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 55

viii

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ các ứng dụng của Etanol ........................................................................ 4
Hình 2.2: Đồ thị phần trăm mol của Etanol – Nƣớc: ....................................................... 5
Hình 2.3: Mơ hình quy trình cơng nghệ ........................................................................... 6
Hình 2.4: Nhận dạng vịng hở .......................................................................................... 9
Hình 2.5Nhận dạng vịng kín ........................................................................................... 9
Hình 2.6: Vịng lặp nhận dạng hệ thống ........................................................................ 10

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển.............................................................................. 11
Hình 2.8 Cấu trúc bộ điều khiển PID. ............................................................................ 12
Hình 2.9 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) ........................... 13
Hình 2.10 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) ......................... 15
Hình 2.11 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) ......................... 16
Hình 3.1: Lƣu đồ P&ID hệ thống .................................................................................. 17
Hình 3.2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu qn tính bậc nhất .................................... 18
Hình 3.3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu qn tính bậc nhất có trễ .......................... 19
Hình 4.1SCR G3PW-A220EC-C-FLK .......................................................................... 25
Hình 4.2: Cảm biến Thermocouple loại K ..................................................................... 26
Hình 4.3: Van tuyến tính ................................................................................................ 27
Hình 4.4: PLC S7-300 .................................................................................................... 28
Hình 4.5: CPU và các module S7-300 ........................................................................... 28
Hình 4.6:Sơ đồ kết nối cảm biến Pt100 và khối cơng suất ............................................ 29
Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây van điện từ .............................................................................. 29
Hình 4.8: Tủ điện bên ngồi........................................................................................... 30
Hình.4.9: PLC S7-300 .................................................................................................... 30
Hình 4.10:Tủ điện bên trong. ......................................................................................... 31
Hình 4.11Tháp chƣng cất ............................................................................................... 34
Hình 4.12: Bình chứa sản phẩm ..................................................................................... 32
Hình 4.13:Hai thanh gia nhiệt ( nhập liệu và hồn lƣu ) ................................................ 33
Hình 5.1: Lƣu đồ P&ID ................................................................................................. 35
Hình 5.2: Sơ đồ khối mạch điện..................................................................................... 36
Hình 5.3 Cấu hình phần cứng ........................................................................................ 36
Hình 5.4 Cấu hình module AI 8x12Bit .......................................................................... 37

ix

do an

ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
Hình 5.5 Cấu hình module AI 2x12Bit .......................................................................... 38
Hình 5.6 Cấu hình module AO 4x12Bit ........................................................................ 39
Hình 5.7 Khối FC105 .................................................................................................... 40
Hình 5.8 Khối FC106 ..................................................................................................... 40
Hình 5.9 Màn hình giám sát nhiệt độ nhập liệu ............................................................. 41
Hình 5.10: Màn hình giám sát nhiệt độ hồn lƣu........................................................... 41
Hình 5.11 Màn hình giám sát nhiệt độ nồi đun .............................................................. 42
Hình 5.12 Đồ thị vẽ trong Excel .................................................................................... 43
Hình 5.14 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 9mA ...................................................... 46
Hình 5.15 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 12mA .................................................... 47
Hình 5.16 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 8mA ...................................................... 47
Hình 5.17 PID Tool trong Matlab-Simulink ................................................................. 48
Hình 5.18 Đồ thị hàm truyển dữ liệu hoàn lƣu 9mA ..................................................... 49
Hình 5.19 Sơ đồ hệ kín trong Simulink ......................................................................... 50
Hình 5.20 Đồ thị khi có bộ điều khiển PID ................................................................... 51
Hình 5.21 Đồ thị dữ liệu nhập liệu 9mA........................................................................ 52
Hình 5.22 Sơ đồ hệ kín trong Simulink ......................................................................... 52
Hình 5.23 Đồ thị khi có bộ điều khiển PID ................................................................... 53

x

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần lỏng (x)-hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp ethanol – nƣớc ở

760 mmhg: ............................................................................................................................ 4
Bảng 2.2: Tác động của việc tăng các thông số độc lập ................................................ 13
Bảng 3.1: Xác định thông số bộ điều khiển pid bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols .... 21
Bảng 3.2: Lựa chọn bộ điều khiển theo phƣơng pháp CHR. ......................................... 21
Bảng 3.3: Các tham số bộ PID theo phƣơng pháp CHR ................................................ 22
Bảng 3.4: Các thông số điều khiển của phƣơng pháp Tyreus-Luyben .......................... 22

xi

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển quá trình, đặc biệt là quá trình gia nhiệt.
- Nhận dạng, tìm hàm truyền hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển PID rồi thử
nghiệm trên mơ hình thật.
1.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là hai ống gia nhiệt dịng nhập liệu và hồn lƣu. Nhóm
cần phải khảo sát và thu thập dữ liệu để tìm ra mơ hình tốn học tƣợng ứng. Từ đó
sẽ giải quyết bài toán điều khiển bằng các giải thuật điều khiển phù hợp.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu
- Nhận dạng mơ hình hệ thống, giám sát và thu thập dữ liệu bằng WinCC.
- Điều khiển nhiệt độ ống gia nhiệt điện trở sự dụng thuật toán PID.
- Chạy thực nghiệm quá trình điều khiển nhiệt độ ống gia nhiệt.
1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình.
- Tìm hiểu các pháp nhận dạng hệ thống và tiến hành thu thập dữ liệu.

- Thực nghiệm trên mô hình, sử dụng WinCC để giám sát và thu thập dữ liệu.
1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ
- Khảo sát đặc tính ống gia nhiệt điện trở.
- Từ dữ liệu thu đƣợc tìm hàm truyền hệ thống rồi sau đó thiết kế bộ điều khiển
PID .
- Đánh giá đáp ứng của hệ và điều chỉnh các thông số.

1

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT
2.1.1 Phƣơng pháp chƣng cất
Chƣng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử
riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bau hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác
nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại quá trình bay hơi – ngƣng tụ, trong
đó vật chất đi từ pha lỏng sang pha hơi hoặc ngƣợc lại. Khác với cô đặc, chƣng cất
là q trình trong đó cả dung mơi và chất tan đều bay hơi, cịn cơ đặc là q trình
trong đó chỉ có dung mơi bay hơi.
Khi chƣng cất ta thu đƣợc nhiều cấu tử và thƣờng thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
đƣợc bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu đƣợc 2
sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sơi nhỏ),
sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ
Etanol – nƣớc sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nƣớc, ngƣợc lại sản
phẩm đáy chủ yếu gồm nƣớc và một ít etanol.
- Các phƣơng pháp chƣng cất đƣợc phân loại theo:
+ Áp suất làm việc: chƣng cất áp suất thấp, áp suất thƣờng và áp suât

cao. Nguyên tắc cảu phƣơng pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các
cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm
việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
+ Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chƣng đơn giản) và liên tục.
 Chƣng cất đơn giản (gián đoạn): phƣơng pháp này đƣợc sử dụng
trong các trƣờng hợp sau:
 Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác nhau.
 Không địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
 Chƣng cất hỗn hợp hai cấu tử (dung thiết bị hoạt động liên tục):
là quá trình đƣợc thực hiện liên tục, nhiều đoạn.
2

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
+ Phƣơng pháp cất cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi
nƣớc, thƣờng đƣợc áp dụng trƣờng hợp chất tách không tan trong nƣớc.
 Trong đề tài: nhóm chọn phương pháp chưng cât liên tục cấp nhiệt trực
tiếp trong nồi đun.
2.1.2 Thiết bị chƣng cất
- Tháp mâm:
+ Tháp mâm chóp.
+ Tháp mâm xuyên lỗ.
- Tháp chêm (tháp đệm).
 Trong đề tài: nhóm thực hiện trên mơ hình tháp mâm xun lỗ.
2.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU
Nguyên liệu thử nghiệm ban đầu: nƣớc.

Nguyên liệu chƣng cất: Etanol – nƣớc.
2.2.1 Etanol: (Còn gọi là rƣợu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm).
Etanol có cơng thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lƣợng phân tử: 46 đvC. Là
chất lỏng có mùi đặc trƣng, khơng độc, tan nhiều trong nƣớc.
Một số thông số vật lý và nhiệt độ của etanol:
o Nhiệt độ sôi ở 760 (mmHg): 78,3 0C.
o Khối lƣợng riêng: D = 810 (Kg/m3).
Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan
trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt
hàng khác nhau và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành: cơng nghiệp nặng, y
tế và dƣợc, quốc phịng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.

3

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

Hình 2.1: Sơ đồ các ứng dụng của Etanol
2.2.2 Nƣớc (H2O):
Trong điều kiện bình thƣờng: nƣớc là chất lỏng không màu, không mùi, không
vị. Khối lƣợng phân tử: 18g/mol; Khối lƣợng riêng: 1g/mol; Nhiệt độ sôi: 100 0C.
Nƣớc là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều chất và là dung mơi
rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
2.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nƣớc (C2H5OH):
Bảng 2.1: Thành phần lỏng (x)-hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol –
Nước ở 760 mmHg:

4

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

Hình 2.2: Đồ thị phần trăm mol của Ethanol – Nước:

5

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
2.3 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƢNG CẤT RƢỢU

Hình 2.3: Mơ hình quy trình cơng nghệ
6

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
Hỗn hợp etanol – nƣớc có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ
khoảng 280oC tại bồn chứa nguyên liệu (T1) đƣợc bơm (Bơm2) bơm lên bồn nung
đáy tháp (Tháp 1). Sau đó, hỗn hợp đƣợc đun đến nhiệt độ mong muốn thông qua
thiết bị gia nhiệt (R1). Hỗn hợp nhập liệu đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất (Tháp 1)
thông qua bộ gia nhiệt nhập liệu (R2) và van ON/OFF (V1). Trên đ a nhập liệu,
chất lỏng đƣợc trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp
hơi, đi từ dƣới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi

giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chƣng càng xuống dƣới
càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi
cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các
đ a từ dƣới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nƣớc sẽ ngƣng tụ lại, cuối cùng
trên đỉnh tháp ta thu đƣợc hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ
cao). Hơi này đi vào thiết bị làm lạnh (Làm Lạnh) và đƣợc ngƣng tụ tại ống ngƣng
tụ (T2). Một phần chất lỏng sẽ ra bồn chứa sản phẫm đỉnh (T3). Một phần của chất
lỏng ngƣng tụ đựơc hoàn lƣu về tháp ở đ a trên cùng thơng qua bộ gia nhiệt hồn
lƣu (R3) và van ON/OFF (V2). Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp đƣợc bốc hơi,
cịn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng và chảy xuống
đáy. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu đƣợc hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay
hơi ( nƣớc). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol thấp, còn lại là nƣớc với nồng
độ cao. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào bồn chứa sản phẫm đấy (T4). Hệ
thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi làm
nguội đƣợc thải bỏ.

2.4 MƠ HÌNH HĨA, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
Nội dung phần này đƣợc tham khảo và trích dẫn chủ yếu trong tài liệu [1], [2].
Mơ hình là một hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết yếu của
một hệ thống thực, có thể đã có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Mơ hình có thể đƣợc
sử dụng để xây dựng các bộ điều khiển, mô phỏng, dự báo, phát hiện, chẩn đốn
lỗi và tối ƣu hóa hệ thống.

7

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
2.4.1 Phân loại mơ hình

Mơ hình đồ họa: sơ đồ khối, lƣu đồ P&ID, lƣu đồ thuật tốn,... Mơ hình đồ họa
phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và
tƣơng tác giữa các thành phần.
Mơ hình tốn học: phƣơng trình vi phân, phƣơng trình đại số, hàm truyền, mơ
hình trạng thái. Mơ hình tốn học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu về các
đặc tính của từng thành phần cũng nhƣ bản chất các mối liên kết và tƣơng tác.
Mơ hình máy tính: chƣơng trình phần mềm mơ phỏng đặc tính của hệ thống.
Mơ hình suy luận: là một hình thức biểu diễn thơng tin và đặc tính của hệ
thống thực dƣới dạng các luật suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao.
2.4.2 Phƣơng pháp xây dựng mơ hình tốn học
Mơ hình tốn học là các biểu thức tốn học mơ tả hệ thống. Một hệ thống có thể
đƣợc thể hiện bằng nhiều các khác nhau, do vậy có thể có nhiều mơ hình tốn khác
nhau cho một hệ thống. Do đó cũng có nhiều phƣơng pháp để xây dựng mơ hình
tốn học cho hệ thống.
Phƣơng pháp lý thuyết (mơ hình hóa):
Phƣơng pháp này là cách xây dựng mơ hình trên nền tảng các định luật vật lý,
hóa học cơ bản kết hợp với các thơng số kỹ thuật của thiết bị trong mơ hình. Ta sẽ
phân tích q trình và mơ hình hóa theo lý thuyết, mơ hình này sẽ là một hệ các
phƣơng trình vi phân và phƣơng trình đại số.
Phƣơng pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống):
Phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là nhận dạng hệ thống hay phƣơng pháp hộp
đen vì hàm truyền đƣợc ƣớc lƣợng trên cơ sở thông tin ban đầu của q trình, quan
sát và phân tích số liệu của các tín hiệu vào-ra của hệ thống thực.
2.4.3 Nhận dạng vịng hở và nhận dạng vịng kín
Việc thu thập dữ liệu đòi hỏi phải tạo ra đƣợc sự biến thiên tín hiệu vào-ra của
hệ thống, do vậy tín hiệu đầu vào biến thiên đƣợc tác động vào hệ thống đang vận
hành. Độ chính xác và khả thi của dữ liệu thu đƣợc phụ thuộc vào cƣờng độ biến
thiên của tín hiệu, dạng tín hiệu kích thích. Do vậy nếu hệ thống là thí nghiệm
8

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
hoặc chƣa đƣa vào sản xuất thì sẽ dễ dàng chọn các yếu tố trên, dẫn đến chất
lƣợng dữ liệu thu thập đƣợc rất tốt và khả năng nhận dạng gần đúng hệ thống là rất
cao. Ta có phƣơng pháp nhận dạng vịng hở nhƣ sau:

Hình 2.4: Nhận dạng vịng hở
Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã đƣa vào sản xuất, ta không thể tách rời bộ
điều ra khỏi hệ thống; do đó, ta có phƣơng pháp điều khiển vịng kín nhƣ sau:

Hình 2.5: Nhận dạng vịng kín
Để khảo nghiệm mơ hình của hệ thống đã đƣa vào sản xuất thì khơng thể dùng
các tín hiệu có cƣờng độ lớn, vì sẽ ảnh hƣởng đến quá trình sản xuất. Vì vậy, chỉ

9

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
có thể đƣa các tín hiệu có cƣờng độ nhỏ vào hệ thống, và tất nhiên sẽ làm giảm độ
chính xác và khả thi của dữ liệu thu thập đƣợc.
* Trong đồ án này, nhóm đã chế tạo mơ hình thực nghiệm nên sẽ dùng
phương pháp nhận dạng vòng hở.
2.4.4 Các bƣớc nhận dạng hệ thống
Nội dung phần này đƣợc tham khảo và trích dẫn chủ yếu trong tài liệu [3].
Quy trình nhận dạng hệ thống theo tài liệu [2] đƣợc thể hiển trong vịng lặp sau:

Hình 2.6: Vịng lặp nhận dạng hệ thống
Thu thập dữ liệu:
Để nhận dạng đƣợc mơ hình hệ thống, trƣớc tiên ta phải chọn tín hiệu thử có
biên độ và băng thơng thích hợp cho ngõ vào và thu thập tín hiệu đáp ứng ngõ ra
của hệ thống. Tín hiệu thử ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng mô hình thu đƣợc,
nếu tín hiệu thử khơng tốt thì sẽ khơng lấy đƣợc đặc tính của hệ thống, từ đó tạo ra
sai số cho các bƣớc tiếp theo trong quá trình nhận dạng.
* Ở đây dung phầm mềm WinCC để thu thập dữ liệu.
10

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là bộ điều khiển hồi tiếp
vịng kín đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ
điều chỉnh PID sẽ cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào, sau
đó đƣa ra 1 tín hiệu điều khiển để điều chỉnh q trình cho phù hợp.

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Trong đó:
SP : Giá trị đặt.
e(t): Sai số (e = SP – PVht)
u(t): Tín hiệu điều khiển
PV : Giá trị hiện tại của hệ thống
PVht : Giá trị hồi tiếp
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần:
+ Khâu khuyếch đại (P);
+ Khâu tích phân (I),

+ Khâu vi phân (D) đƣợc thể hiện trong hình 2.5 theo tài liệu[10]

11

do an


ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

Hình 2.8 Cấu trúc bộ điều khiển PID.
Tín hiệu ra của bộ điều khiển:

Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:

(2.2)
Hoặc:

(2.3)
Trong đó:

KP là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)
KI là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)
KD là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain)

Các thông số điều khiển KP, KI, KD ảnh hƣởng đến đáp ứng của hệ thống theo
tài liệu [11] đƣợc trình bày trong bảng 2.1.
12

do an

ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
Bảng 2.2 Tác động của việc tăng các thông số độc lập
Thông số
KP
KI
KD

Thời gian đáp
ứng
Giảm
Giảm
Ít thay đổi

Độ vọt lố
Tăng
Tăng
Giảm

Thời gian xác
lập
Ít thay đổi
Tăng
Giảm

Sai số xác lập
Giảm
Triệt tiêu
Theo lý thuyết
thì khơng ảnh

hƣởng

 Khâu tỉ lệ P:
Khâu tỉ lệ P (còn đƣợc gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị
sai số hiện tại. đáp ứng tỉ lệ có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với
một hằng số KP.
Khâu tỉ lệ đƣợc cho bởi:

(2.4)
Trong đó:
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra.
Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e: sai số (e = SP – PVht)
t: thời gian tức thời

Hình 2.9 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KP (KI , KD = hằng số)
13

do an