Tên Đề Tài : Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển mức lưu lượng trong bình đơn

LỜI NÓI ĐẦU
Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển
mức lưu lượng trong bình đơn .
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 giáo Hoàng 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 không
thể tránh khỏi sai xót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cơ
và các bạn để giúp đề tài phát triển thêm
Sinh viên thực hiện :
NGUYỄN VĂN NHẬT
TRỊNH ĐỨC MẠNH


NHẬN XÉT CUẨ GIÁO VIÊN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Mục lục

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH....................................................................1
1.1. Sự phát triển của kĩ thuật điều khiển q trình.........................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của điều khiển quá 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
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....................................................................................................................................8
1.6.2. Thiết bị điều khiển..................................................................................................................8
1.6.3. Thiết bị chấp hành.................................................................................................................9
1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống.............................................................................................10
1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống...........................................................................................10
1.6.2. Xây dựng mơ hình quá trình...............................................................................................11
1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển................................................................................................11
1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển............................................................................................12
1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống..............................................................................................12
1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng.........................................................................................12
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TÌNH TRẠNG THÁI CHO ĐỐI TƯỢNG BÌNH MỨC..............................13
2.1. Giới thiệu về bình mức chất lỏng..............................................................................................13
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
2.3.2 Lưu đồ P&ID chi tiết..................................................................................................................18
2.3.3. Yêu cầu bài toán..................................................................................................................23
2.4. Các phương trình cân bằng......................................................................................................24
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC LƯU
LƯỢNG TRONG BÌNH ĐƠN................................................................................................................26
3.1. Đặt bài tốn..................................................................................................................................26
3.2. Thiết kế hệ thống.........................................................................................................................27

3.2.1 Phân tích bài tốn điều khiển, xác định các biến của mơ hình và mơ hình tổng qt. 27
3.2.2 Thiết kế sách lược điều khiển tầng để điều khiển mức nước trong bình chứa :..........27
3.2.3 Tìm mơ hình hàm truyền đạt của hệ .................................................................................29
3.3 Mô phỏng hệ thống trên mattlab................................................................................................30
3.3.1 Phương pháp đường cong đáp ứng..................................................................................30


3.3.2 Xác định thông số PID.........................................................................................................32
3.3.3 Xây dựng lưu đồ P&ID.........................................................................................................34


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 q trình
Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp công 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.
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
1


phần quan trọng là nâng cao mức độ tự động hố các q trình cơng nghệ. Do
sự phát triển mạnh mẽ của công 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 hố 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 q 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 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 quá trình đến
mơi trường và con người xung quanh.

2


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 ngồi vào q trình,

ví dụ như dòng nguyên 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
quá trình ra bên ngồi, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra,
nồng độ khí thải...
1.3.2. Quá trình và các biến quá 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 thông tin dưoc biến đổi, vận
chuyển hoặc lưu trữ và được phân biệt như sau :
+ Quá 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 q trình cơng nghệ có thể
chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng
có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ
hợp lị hơi-turbin.
+ Q trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo
hoặc và được can thiệp. Khi nói tới một quá 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 lò, 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
còn lại không 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 thông số thể hiện sự ảnh hưởng của q
trình ra bên ngồi
+ 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 q
trình nhưng ta khơng can thiệp được trong phạm vi quá trình
đang quan tâm.
Nhiễu bao gồm:
-

Nhiễu quá trình : + Nhiễu đầu vào
+ Nhiễu tải
+ Nhiễu ngoại sinh
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 q 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 .
4


Các biến vào của hệ thống là lưu lượng của dịng chất lỏng ( F0). Biến ra
của q 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.
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 q trình rời rạc tiêu biểu.

5


-

Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có
đặc trưng của cả q trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ
hoạt động theo một quy trình thao tác (cơng 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 quá trình mẻ. Các quá trình phản
ứng hóa học, q trình pha chế, q trình lên men (bia, rượu) là những
ví dụ tiêu biểu cho q trình mẻ.

-

Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công
nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành

cơng 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
q 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 toàn,
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 tốn 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 quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần
thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình.
Tồn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển q 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.

6


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 thơng 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 mơi trường trong trường

hợp xảy ra sự cố.
4. Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thơng 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 yêu 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:
- 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)
7


- 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 quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thơng 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”.
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
8


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 toán điều khiển và đưa ra các tín
hiệu điều khiển để can thiệp trở lại q trình kỹ thuật thơng 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. Còn 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
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 quá trình kỹ thuật.

9

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 dịng 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.
1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá 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.
1.6.1. 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 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 cơng 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

10


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

Hình 1.6: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển q trình
1.6.2. 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 mô
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.
1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển
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
11


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.
1.6.4. 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. Công 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 khơng
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 tốn 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 tồn 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 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.
1.6.5. 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 công 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.
1.6.6. 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
12


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.
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 toàn . Đối với bình
chứa quá trình giá trị mức phải được giữ chính xác ở một giá trị đặt .

13


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 )
- 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/ không
đo được)
- Đáp ứng kém chính xác, khơng cho chất lượng cao
14


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.
- 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
15