kĩ thuật khống chế và điều khiển quá trình

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển
 Điều khiển đóng hoặc mở (discrete control)
 Start up, shutdown, an toàn nhà máy
 Phương pháp điều khiển logic, với cổng OR, AND, NAND
 Relais & Bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable
Logic Control)
 Điều khiển quá trình (process control)
 Điều khiển liên tục, các thông số nhiệt độ (T), áp suất (P), mức chất
lỏng (L), lưu lượng (F), độ pH, nồng độ (A)
 Đầu vào: Tín hiệu tương tự chuNn như 4-20 mA hoặc 3-15 psig (0,2
– 1 bar)
 Đầu ra: van điều khiển hoặc kết nối với TB ĐK khác.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) - Thành phần cơ bản
r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuNn.
C(t) (Controlled Output): tín hiệu ra.
C
ht
(t) : tín hiệu hồi tiếp.
e(t) : Sai số.
u(t) : tín hiệu điều khiển.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) - Phân tích hệ thống
điều khiển
 Tính ổn định của hệ thống:
 Kích thích hệ bằng tín hiệu u(t) bị chặn ở đầu vào, thì hệ sẽ có đáp
ứng c(t) ở đầu ra cũng bị chặn
 c(t)  Const (c0) khi tín hiệu vào u(t) = Const (u
0
).

 Độ sai lệch tĩnh (sai lệch giữa giá trị đặt SP và giá trị PV):
 Sau một thời gian quá độ T
qđ
 e(t) = u(t) - c(t) = SP - PV
 : Sai lệch tĩnh của hệ thống
 Thời gian quá độ và độ điều chỉnh:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) - Phân tích hệ thống
điều khiển
 Thời gian quá độ T
qd
và độ điều chỉnh:
 Giới hạn quán tính cần có của hệ thống
 T
qd
: thời gian chuyển từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác
 T
qd
càng nhỏ, chất lượng động học của hệ càng tốt
 Độ quá điều chỉnh: miền dao động của đầu ra c(t) xung quanh giá trị
giới hạn c
0
mà hệ cần phải đạt đến
 Độ quá điều chỉnh được hiểu là giá trị tuyệt đối của (u
max
(t) - y
0
) = І,
giá trị này càng nhỏ, chất lượng động học của hệ càng cao
 Tính bền vững của hệ thống

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng
 Feedback control
 Phương pháp điều khiển truyền thống
 Đo biến quá trình cần điều khiển PV (Process Variable)
 So sánh với giá trị đặt SP (Setpoint)

Căn
cứ
vào
độ
sai
lệch
:
e
=
SP
–
PV

Căn
cứ
vào
độ
sai
lệch
:
e
=
SP

–
PV
 Bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển tương ứng làm thay đổi
độ mở của van
 Ưu nhược điểm:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng
 Feedback control – Các bước cơ bản của một bộ điều khiển
1. Đo biến đầu ra, PV.
2. So sánh giá trị đo PV, với giá trị đặt SP. Tính toán độ sai lệch E(t), xác dịnh bộ
điều khiển là direct hay reverse.
3. Cung cấp độ sai lệch E(t), xác định % độ mở OP của van.
4.
Giá trị của OP% được chuyển đến thiết bị điều khiển cuối để xác định input cho
4.
Giá trị của OP% được chuyển đến thiết bị điều khiển cuối để xác định input cho
quá trình này U(t).
5. Lặp lại quá trình.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng
 Cascade Control – Điều khiển nối tiếp
Cải thiện được tính phản hồi
Tính dễ điều khiển cho quá trình
Áp dụng đối với những quá trình:
- Thời gian trễ lớn
-
Bộ ĐK đáp ứng chậm
-
Bộ ĐK đáp ứng chậm
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng
 Feed forward control - Điều khiển sớm
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Tổng quan bộ điều khiển PID
 PID là chữ viết tắt của ba thành phần gồm khâu khuếch đại P
(Proportional), khâu tích phân I (Integral) và khâu vi phân D
(Differential)
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Tổng quan bộ điều khiển PID
 Phương trình của bộ điều khiển:
OP(t): Điều khiển Output theo thời gian E(t): Độ sai lệch theo thời gian.
K
p
: hệ số khuếch đại, đặt trưng cho khâu tỉ lệ.
T
i
: hằng số tích phân, đặt trưng cho khâu tích phân.
T
d
: hằng số vi phân, đặt trưng cho khâu vi phân.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Tổng quan bộ điều khiển PID
 Phương trình của bộ điều khiển:
- Thành phần P (proportion): phụ thuộc vào sai lệch (error) giữa SP và PV
Đặc trương bởi hệ số K
p
, Khi tăng K
p
sẽ làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống,
nhưng nếu K

p
quá lớn sẽ làm hệ dao động, mất ổn định và nếu tiếp tục tăng sẽ có
thể dẫn đến mất điều khiển.
-
Thành phần I (integrator): Tính tổng các sai số hệ thống theo thời gian, và đáp
-
Thành phần I (integrator): Tính tổng các sai số hệ thống theo thời gian, và đáp
ứng của thành phần này sẽ tiếp tục tăng cho đến khi sai số bằng 0, giúp cho sai số
ổn định dần đến 0 và được đặc trưng bởi tham số T
i
(integrator time).
- Thành phần D (derivate) : Thành phần vi phân làm cho đầu ra giảm khi biến quá
trình thay đổi quá nhanh. Đáp ứng của thành phần D tỷ lệ với tốc độ thay đổi của
biến quá trình, và được đặc trưng bởi tham số T
d
(derivate time). Khi tăng Td sẽ
làm tăng khả năng chống lại sự thay đổi của error và làm tăng tốc độ đáp ứng của
hệ thống. Trong thực tế hệ số T
d
rất nhỏ vì đáp ứng của thành phần D rất nhạy cảm
với các nhiễu của biến quá trình.
Cần thiết phải chọn các thông số K
p
, T
i
, T
d
phù hợp
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Tổng quan bộ điều khiển PID

Hoạt động của P-only Control
So sánh hoạt động của P-control và PI
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Tổng quan bộ điều khiển PID
So sánh hoạt động của bộ điều khiển PI và PID
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Tổng quan bộ điều khiển PID
 Các giá trị Kp, Ti, Td thường gặp
Kp Ti (phút) Td (phút)
Flow Control 0,4 - 0,65 0,05 - 0,25
Liquid Pressure Control
0,5
-
2
0,1
-
0,25
Liquid Pressure Control
0,5
-
2
0,1
-
0,25
Liquid Level Control 2 - 10 1 - 5
Gas Pressure Control 2 -10 2 và 10
Temperature Control 2 - 10 2 - 10 0 - 5
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Hệ thống điều khiển phân tán - Distributed Control System (DSC)
• Đảm bảo an toàn cao

• Lưu trữ các thông tin trong quá trình
hoạt
động
hoạt
động
• Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về
hoạt động của nhà máy.
• Các module tính toán cho phép tối
ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả
kinh tế.
• Giao diện thân thiện với người vận
hành bằng ngôn ngữ và hình ảnh
Chữ cái đầu tiên: Đại lượng vật lý
cần đo
Chữ cái tiếp theo: Kiểu dụng cụ
hoặc chức năng
P: Áp suất (Pressure)
L: Mức (Level)
F: Lưu lượng (Flow)
T: Nhiệt độ (Temperature)
W: Khối lượng (Weight)
I: Hiển thị (Indicator)
C: Điều khiển (Controller)
R: Lưu trữ (Recorder)
T: Chuyển thông tin (Transmitter)
V: Vanne
Y: Bộ chuyển đổi (Converter) hoặc
các phép tính toán (Calculation
16
các phép tính toán (Calculation

operator)
E: Phần tử đầu tiên (Primary
element)
Q: Tích phân (Integration)
Tín hiệu Ký hiệu
Điện
Áp suất
Số
Ký hiệu Giải thích
Dụng cụ đơn lẻ được lắp đặt tại khu vực
VD: Bộ chuyển tải giá trị đo
Dụng cụ đơn lẻ mà người thao tác có thể tiếp cận được, được lắp đặt tại phòng chính
VD: Bảng thiết bị điều khiển
Dụng cụ đơn lẻ mà người thao tác không thể tiếp cận được, được lắp đặt tại phòng
chính
17
Dụng cụ mà người thao tác có thể tiếp cận được (1) hoặc không thể tiếp cận được (2)
và được thực hiện trong một hệ thống lệnh điều khiển số (Système numérique de
controle commande).
VD: Thiết bị điều khiển
(1)
(2)
Bộ chuyển đổi hoặc thao tác tính toán:







Ký hiệu Giải thích
Vanne tay

Vanne điều khiển trang bị kích hoạt bằng áp suất (pneumatique)

V

Vanne điều khiển trang bị bộ phận định vị độ mở bằng áp suất (pneumatique)

V

18
V

Vanne điều khiển trang bị bộ phận định vị độ mở bằng điện-áp suất (électro-
pneumatique)

V


M
Moteur điện
Vanne điều khiển trang bị servomoteurr điện

M
Ký hiệu Giải thích
Electrovanne


Bơm thể tích

Bơm ly tâm
M
19
Máy khuấy
Thiết bị trao đổi nhiệt
Bể chứa mở với chất lỏng
Bộ chuyển tải áp

FIC
860


FY
860.1



FY
860.2


I


P

Thao tác tính
toán
Tín hiệu số
Liên kết logic

Thiết bị điều khiển
Bộ chuyển đổi tín hiệu cường
độ dòng điện sang tín hiệu áp
suất (I/P)
Tín hiệu áp suất
0.2
-
1 bar
Tín hiệu điện
4 - 20 mA
20
Bộ chuyển tải áp
suất tương đối

FT
860

FE
860
Capteur lưu lượng
(Diaphragme)

FV
860
0.2
-
1 bar
PRC
LRC
FRC

TI
TI
AR
TI
TI
Thiết bị đo và điều hoà đơn giản của tháp chưng cất hai sản phm
21
LRC
FR
FRC
TI
TR
TI
TI
TI
TI
AR
AR
Ngưng tụ đỉnh với hệ thống điều khiển áp suất đỉnh tháp
Biến thiên P trong tháp:
-Tổn thất P đường đỉnh (200-700 mbar)
-Tổn thất P qua mỗi đĩa (3-20 mbar) « design »
Tác động lên hoạt động của thiết bị ngưng tụ:
- Lưu lượng lưu chất làm lạnh, công suất thiết bị làm lạnh bằng không khí.
22
PRC
PRC
PRC
Tác động lên hoạt động của thiết bị ngưng tụ:
- Bề mặt trao đổi nhiệt

23
PRC
PRC
Thay đổi điều kiện làm việc của bình hồi lưu
Nạp khí nhờ bipasse của dòng hơi đỉnh
Xả hơi ra ngoài
24
PRC
PC
Cùng hệ thống vanne
PC trên bình hồi lưu
PRC
PDRC
PC
PDRC
PC trên bình hồi lưu
25
PRC
Trực tiếp tác động len vannes xả hoặc
nạp khí từ bên ngoài