hướng dẫn chung cho thí nghiệm điều khiển quá trình_sv

HƯỚNG DẪN CHUNG CHO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Nội dung chính của việc thí nghiệm điều khiển quá trình là tìm hiểu nguyên lý hoạt động
của hệ thống điều khiển, hiểu được vai trò các thiết bị trong hệ thống như cảm biến, cơ cấu chấp
hành, bộ điều khiển. Trên cơ sở đó biết hiệu chỉnh các thang đo của cảm biến, cơ cấu chấp hành
tương ứng với dải hoạt động của hệ thống. Các bước tiến hành trong quá trình thực nghiệm
tương ứng với quá trình làm việc trong thực tế sản xuất như: khảo sát đặc tính thực nghiệm của
đối tượng điều khiển từ đó lựa chọn các phương pháp điều khiển và hiệu chỉnh các tham số bộ
điều khiển.
Để chuẩn bị thí nghiệm sinh viên cần đọc tài liệu thí nghiệm và chuẩn bị tại nhà trước khi
đến trường thí nghiệm. Sinh viên cần nắm rõ lý thuyết và các bước thực hiện thí nghiệm để việc
thí nghiệm đạt hiệu quả và hoàn thành trong thời gian định trước. Vì thời gian dành cho thí
nghiệm còn hạn chế nên trong thí nghiệm chỉ hướng dẫn cách làm một số bài thí nghiệm điều
khiển quá trình đặc trưng và cần thiết.

Phần I. Lý thuyết
1.1. Cái khái niệm cơ bản về điều khiển quá trình
Hệ thống điều khiển với mạch vòng đơn cơ bản được thể hiện ở hình 1.1


Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển


Trong đó: Thiết bị đo (Measurement Sensor/Transmitter)
Bộ điều khiển (Controller)
Cơ cấu chấp hành (Final Control Element)
Giá trị đặt Set Point (SP), Set Value (SV)
Sai lệch điều khiển Controller Error (CE)
Tín hiệu điều khiển Controller output signal, Control Signal, Controller
Output (CO)
Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV)
Biến được điều khiển Controlled Variable (CV), Process Value (PV)

Tín hiệu đo Measured Variable, Measurement Signal
Bài toán điều khiển cần được thực hiện là biến được điều khiển ổn định với giá trị đặt trước với
các nhiễu quá trình tác động khác nhau lên hệ thống.
1.2 Mô hình bàn thí nghiệm điều khiển áp suất
Mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất 38-714 của hãng Feedback được thiết kế để sinh
viên làm quen và thực hành việc đo lường và điều khiển một quá trình thực tế.
Dưới đây là mô hình bàn thí nghiệm và sơ đồ kết nối các thiết bị hình 1.2

Hình 1.2. Mô hình bàn thí nghiệm điều khiển áp
suất
Các thiết bị trên được kết nối thể hiện ở sơ đồ dưới đây:

Hình 1.3. Sơ đồ kết nối các thiết bị bàn thí nghiệm điều khiển áp suất
Các thiết bị có trong mô hình:
Thiết bị lọc khí đầu vào (Filter).
Hai núm điều chỉnh áp suất R1, R2.
Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ áp suất ( I/ P Converter).
Van điều khiển khí nén ( Pneumatic Control Valve).
Cảm biến áp suất ( Pressure Sensor).
Một bộ chuyển đổi đo chuẩn ( Transmitter).
Một bình khí nén ở cuối quá trình (Tank).
Một lưu lượng kế thuỷ tinh ( Flowmeter).
Sáu van đóng mở bằng tay kí hiệu từ V1÷ V6 (Manual valve).
Sáu áp kế kí hiệu từ G1- G6.
Nguyên lý hoạt hoạt của mô hình thí nghiệm như sau: Khí được cấp từ một máy khí nén
vào quá trình qua một thiết bị lọc khí (Filter). Thiết bị lọc khí có tác dụng làm sạch nguồn khí
trước khi đưa vào quá trình để tránh làm bụi bẩn van và các thiết bị đo, gây sai số lớn cho quá
trình. Khí sau khi được lọc sẽ được cấp cho hai nhánh của quá trình.
Khí vào nhánh số 1 cấp cho thiết bị chấp hành của hệ thống. Áp suất hoạt động được chỉ
thị trên áp kế G1 và được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R1. Khí vào nhánh 1 dùng để điều

chỉnh độ đóng mở van điều khiển, áp suất khí được đưa vào để điều khiển van thông qua một
thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ khí nén (I/P Converter). Độ đóng mở van sẽ quyết định lưu
lượng khí đi vào quá trình qua nhánh 2, đồng thời quyết định áp suất đo được ở cảm biến áp suất
(tại đồng hồ G5)
Khí cấp cho quá trình qua nhánh 2 được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R2 và áp suất
hoạt động được chỉ thị trên áp kế G3. Với một độ mở van đã được điều khiển, lưu lượng khí đi
vào quá trình được hiển thị trên một lưu lượng kế thuỷ tinh (Flowmeter). Dòng khí sau khi đi qua
van điều khiển sẽ được thải trực tiếp ra ngoài khí quyển hoặc qua một bình khí nén (tank) để thay
đổi “sự trễ quá trình”.
1.3. Các thành phần cơ bản trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất
Trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất cơ cấu chấp hành gồm thiết bị biến đổi tín
hiệu dòng/ áp suất (I/P Converter) và cơ cấu truyền động khí nén, còn phần tử điều khiển chính
là Van điều khiển.
Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng/ áp suất (I/P Converter): Đây là cơ cấu chấp hành trong hệ
thống, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện từ bộ điều khiển thành tín hiệu khí nén để vận hành
Van điều khiển. Tín hiệu đầu vào là 4-20mA, tín hiệu đầu ra là 3 – 15psi (0,2-1 bar).
Cảnh báo: Áp suất đầu vào I/P Converter không được vượt quá 30 psi.
Các thiết bị có thể hỏng nếu vượt quá áp suất này.

Hình 1.4. Thiết bị chấp hành trong hệ thống điều khiển áp suất
Van điều khiển khí nén (Pneumatic Control Valve) : Thiết bị chấp hành quan trọng và
phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất
qua các đường ống dẫn. Cấu tạo van bao gồm thân van nối với một cơ chế chấp hành (cùng với
các phụ kiện liên quan) có khả năng thay đổi độ mở van theo tín hiệu điều khiển
Cơ chế chấp hành van (actuator valve): một cơ chế truyền động khí nén để định vị thành
phần đóng mở van.
Trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất van điều khiển là van kiểu điện khí với độ
đóng mở van có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đưa vào Converter. Khi
tín hiệu vào thay đổi từ 4 – 20mA thì thông qua Converter sẽ có một áp suất khí nén tương ứng
để đóng mở van.Cụ thể như sau:

+ 4mA tới đầu vào Converter = 3 psi từ đầu ra Converter (chỉ thị trên áp kế G2) -> Van
điều khiển khí nén mở.
+ 20mA tới đầu vào Converter =15 psi từ đầu ra Conveter (chỉ thị trên áp kế G2) ->
Van điều khiển khí nén đóng.

Hình 1.5. Cấu trúc tiêu biểu của một van khí nén
Kiểu tác động của van: Van điều khiển trong thí nghiệm điều khiển áp suất là van mở an
toàn vì khi không có tín hiệu điều khiển thì van mở hoàn toàn. Chiều tác động của van là chiều
tác động thuận nghĩa là khi tín hiệu điều khiển tăng thì độ mở van giảm.
b) Thiết bị đo
Thiết bị đo có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong điều khiển bởi mọi thông tin quá trình
được bộ điều khiển ghi nhận và sử dụng để đưa ra tác động đều dựa trên các số liệu từ thiết bị đo
đưa về.
Thiết bị đo có chức năng cung cấp tín hiệu ra tỉ lệ với đại lượng đo. Thiết bị đo gồm hai
thành phần cơ bản:
Một cảm biến áp suất thực hiện chức năng tự đo áp suất phản hồi về từ hệ thống và biến
đổi thành một tín hiệu điện với dòng điện chuẩn 4-20mA.
Cảnh báo: Áp suất tối đa mà cảm biến có thể chịu được là 30psi. Cảm
biến có thể hư hỏng nếu áp suất vượt quá 30 psi.

.
Hình 1.6. Các thành phần cơ bản của thiết bị đo
Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà đầu ra là một tín
hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ). Transmitter trong
hệ thống điều khiển áp suất sử dụng chuẩn 4-20mA để đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển.


b) Thiết bị điều khiển

Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment) hay bộ điều khiển (controller) là một thiết bị tự
động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển quá
trình. 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 lại
quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tuỳ 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. Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự.

Hình 1.8. PLC được dùng để điều khiển mô hình
Bộ điều khiển được sử dụng cho các thí nghiệm là khối PID trong PLC CompactLogix
của Rockwell Automation. Tín hiệu vào tương tự từ cảm biến áp suất qua một bộ chuyển đổi đo
chuẩn (Transmitter) sẽ được đưa vào PLC qua ngõ vào tương tự và được biến đổi thành tín hiệu
logic để CPU sử dụng. Dải tín hiệu vào PLC là 4-20mA. Bộ xử lý trung tâm CPU của PLC sẽ
tính toán và thực thi các phép tính điều khiển dựa trên thuật toán PID đã được lập trình sẵn để
đưa ra tín hiệu điều khiển. Sau đó PLC sẽ đưa tín hiệu ra qua ngõ ra tương tự. Tín hiệu từ ngõ ra
tương tự có dải 4-20mA dùng để điều khiển thiết bị chấp hành (cụ thể là điều khiển độ mở van
trong hệ thống điều khiển áp suất).
d) Các thiết bị khác
Ngoài thiết bị chấp hành, thiết bị điều khiển, thiết bị đo, mô hình điều khiển áp suất còn
có một số thiết bị khác gồm:
* Van đóng mở bằng tay (Manual valve)
Van tay là một thiết bị khá đơn giản và dễ vận hành. Một van tay được mở hoàn toàn khi
núm xoay của nó song song với trục van hoặc đóng hoàn toàn khi núm ở vị trí vuông góc. Chiều
tác động như sau: mở van-xoay nguợc chiều kim đồng hồ, khóa van-xoay theo chiều kim đồng
hồ. Độ mở của van được điều chỉnh giữa hai vị trí giới hạn đó để thay đổi lưu lượng qua van.
Mở van

Khóa van

Hình 1.9. Hướng dẫn chiều tác động van tay
Trong thiết bị thí nghiệm điều khiển áp suất có 6 van đóng mở bằng tay được ký hiệu từ
V1 đến V6. Trong đó van V1, V3 để điều chỉnh lượng khí đi vào và đi ra khỏi bình khí nén, van
V2 điều chỉnh lượng khí đưa đến các van xả, các van V4, V5, V6 vừa có tác dụng ổn định áp
suất và lưu lượng khí trong mô hình vừa để khảo sát nhiễu quá trình ảnh hưởng tới hệ thống.
* Một bình khí nén ở cuối quá trình. Bình khí nén có tác dụng làm ổn định áp suất ở đầu
ra quá trình, nhưng nó cũng làm tăng “độ trễ quá trình”
* Một máy nén khí và một thiết bị lọc để cung cấp nguồn khí sạch cho quá trình. Áp suất
phải được cung cấp đầy đủ và đáng tin cậy khi tiến hành thí nghiệm.

Hình 1.10. Máy nén khí được sử dụng để cấp khí cho quá trình
Cảnh báo: Áp suất cung cấp tối đa không được vượt quá 40psi
* Hai núm điều chỉnh R1, R2 để điều chỉnh áp suất vào hai nhánh của quá trình. R1 điều
chỉnh áp suất đưa vào Van điều khiển khí nén để điều khiển độ đóng mở của van. R2 điều chỉnh
áp suất đưa vào bình chứa.

Hình 1.10. Hai núm điều chỉnh áp suất trong mô hình
Cách điều chỉnh như sau: Giữ núm R1 (hoặc R2) kéo ra phía ngoài để điều chỉnh,
quay theo chiều kim đồng hồ để tăng áp suất và ngược chiều kim đồng hồ để giảm áp suất. Sau
khi điều chỉnh xong thì đẩy núm trở lại.
* Hệ thống đường ống dẫn khí.
* Sáu áp kế được kí hiệu từ G1 đến G6 được bố trí ở nhiều vị trí cho ta biết áp suất trong
toàn quá trình và một lưu lượng kế cho ta biết lưu lượng khí đưa vào quá trình.
* Hệ thống các van an toàn dùng để bảo vệ quá áp suất.
Phần II. Thí nghiệm
Số giờ cần thiết làm thí nghiệm: 3 giờ.
Tất cả các thao tác vận hành phải dưới sự giám sát, đồng ý của cán bộ hướng dẫn thí nghiệm
Bài thí nghiệm 1: Kiểm tra hiệu chỉnh thang đo cảm biến và cơ cấu chấp hành
a. Mục đích thí nghiệm:
Lựa chọn thang đo cảm biến và cơ cấu chấp hành theo yêu cầu điều khiển áp suất

b. Hướng dẫn chung:
Trước khi tiến hành thí nghiệm sinh viên cần đọc tài liệu để hiểu rõ sự hoạt động và vị trí của các
thiết bị trên hệ thống và thực hiện theo các bước sau đây:
Hiệu chỉnh bộ nguồn dòng:
Nối thiết bị theo hình dưới:

Xoay chiết áp ở nguồn dòng từ 4-20mA kiểm tra sự bộ hiển thị có giá trị tương ứng 0-100%.
Nếu giá trị không tương ứng cần phải hiệu chỉnh 2 nút xoay span và zero.

Chiết áp

Bộ hiển thị
Span
Zero
Process Interface
Kiểm tra dải hoạt động cơ cấu chấp hành
Nối thiết bị như trên hình vẽ

- Khởi động máy nén khí để cấp khí đầu vào
- Cần hiệu chỉnh van R1 để áp suất G1 bằng 20 psi
- Đặt giá trị nguồn dòng 4mA áp suất G2 sẽ hiển thị 3 psi
- Đặt giá trị nguồn dòng 20mA áp suất G2 sẽ hiển thị 15 psi
Kiểm tra thang đo cảm biến
Nối thiết bị như hình vẽ
ơ


- Mở van V2, V4, V5. Vị trí mở van song song đường ống dẫn khí.
- Khóa van R2 để đồng hồ áp suất G5 hiển thị 0 psi và bộ hiển thị hiển thị 4mA hay
0%.

- Khóa van V2 và mở van V1.
- Xoay van R2 từ từ và kiểm tra sự thay đổi áp suất G5 và bộ hiển thị, từ giá trị 0
lên 10psi tương ứng 100%.
Bài thí nghiệm 2: Khảo sát đặc tính đối tượng
(Trước khi thực hiện bài thí nghiệm này cần chuyển đổi địa chỉ IP của các máy tính theo
địa chỉ tĩnh từ 192.168.1.30 đến 192.168.1.50 dưới sự hướng dẫn của cán bộ thí nghiệm.)
Ở bài thí nghiệm này, ta nhận dạng hàm truyền đạt đối tượng điều khiển từ đồ thị đáp ứng
quá độ của đối tượng ứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước:

Trên cơ sở đó xác định 3 tham số: k, T, L như sau:
- L: là khoảng thời gian kể từ khi đặt giá trị đầu vào tới khi có sự thay đổi ở đáp
ứng đầu ra
- T: là khoảng thời gian kể từ khi có sự thay đổi ở đầu ra đến khi đầu ra đạt 0,632
lần giá trị xác lập.
- K: hệ số tỉ lệ giữa giá trị xác lập ở đầu ra và giá trị đặt ở đầu vào
Mô hình đối tượng điều khiển áp suất sẽ được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có hàm
truyền đạt:

G(s) =
Các bước tiến hành:




0.632
y

KU
y

L T
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
t(s)

do thi dap ung qua do cua qua trinh
Máy nén khí đã nạp đầy và được kết nối với đầu vào mô hình.
Các van V1, V3, V4 mở. Các van còn lại đóng.

Chạy chương trình RSLogix5000. Mở bài thí nghiệm Bài_thi_nghiem_k52.acd.Chương
trình main routine hiện ra:


Trên đây là toàn bộ phần lập trình cho PLC. Nhiệm vụ cần làm là mỗi sinh viên cần phải
tạo một trend (đồ thị) để vẽ đường đặc tính quá độ. Cách thực hiện:
Kich chuột phải vào mục Trend ( góc dưới cửa sổ nhỏ bên trái màn hình ), chọn new
trend

Đặt tên cho trend tạo ra,”ap_suat” chẳng hạn:

Sau đó cần add các tag cần vẽ đồ thị.Với bài thí nghiệm này 2 tag cần add là “ap_suat” và
“do_mo_van”( ở đây có thể hiểu các tag chính là các biến ta cần đo ,khi add tag như vậy chương
trình sẽ vẽ đồ thị dựa trên giá trị của chính các biến đó trong quá trình)


Rồi click finish.






Tiếp theo cần cài đặt thuộc tính cho Trend.
Kich chuột phải vào trend vừa tạo được,chọn properties.

Đặt khoảng thời gian cho trục X axis (trục thời gian) khoảng 200s-vì quá trình quá độ của
đối tượng cũng nằm trong khoảng thời gian này








Tiếp tục chọn giá trị cho trục Yaxis:
Ở đây các giá trị đặt đầu vào ( độ mở van) và giá trị đầu ra (áp suất) đều tính theo phần
trăm nên ta đặt trục Y nhận giá trị từ 0-100 bằng cách chọn custom/min=0 và max=100







Cuối cùng chọn màu cho các tag.Vào Pens
Nên chọn màu đỏ và đen để thuận tiện cho quan sát,còn background ta để màu trắng

Sau khi tạo trend xong,để bắt đầu thí nghiệm,sinh viên theo chỉ dẫn của giáo viên vào
trend vừa tạo ra,bấm “run” để quan sát quá trình quá độ của đối tượng.
Khi đủ thời gian yêu cầu,sinh viên bấm “stop” để quan sát đồ thị nhận được,đồng thời sử
dụng đồ thị đó để tính toán các giá trị K,P,L cũng như các giá trị Kp,Ti,Td của bộ điều khiển như
phần trên đã đề cập:



Rồi điền vào chỗ trống dưới đây:
Bộ P : Kp=
Bộ PI : k
p
=
0,9T
kL
= T
I
=
10
3
L=
Bộ PID : k
p
=
1.2T
kL
= T
I

=2L= T
D
=
2
L
=

Bài thí nghiệm 3: Cài đặt tham số bộ điều chỉnh và thử nghiệm kết quả
Máy nén khí đã nạp đầy và được kết nối với đầu vào mô hình.
Hoàn thành kết nối ba cấp từ mô hình điều khiển áp suất (cấp chấp hành) đến PLC (cấp
điều khiển) đến máy tính (cấp giám sát) như theo hướng dẫn của cán bộ thí nghiệm.
Các van V1, V3, V4 mở. Các van còn lại đóng.
Vẫn gọi chương trình “Bai_thi_nghiem_k52.acd”





Để cài đặt các thông số cho bộ điều chỉnh cần làm như sau:
Bấm chuột vào pidas