Báo cáo hệ thống điều khiển quá trình

1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại
Học Bách Khoa Đà Nẵng đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong
những năm học vừa qua, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và bộ môn công nghệ
chế biến dầu & khí.
Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo Nguyễn Đình Lâm
đã hướng dẫn đề tài, tận tình và nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ
án tốt nghiệp này.
Và em cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên giúp
em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua.
Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè những lời chúc tốt đẹp
nhất.
Đà nẵng, ngày 9 tháng 6 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Đỗ Ngọc Anh

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................1
MỤC LỤC .......................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................4
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...............................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................6

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ..............................................7
1.1. Điều khiển quá trình là gì? ...................................................................................7
1.1.1. Quá trình ........................................................................................................7
1.1.2. Các biến quá trình ..........................................................................................7
1.2 Mục đích điều khiển ..............................................................................................9
1.2.1. Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: ..............................................9
1.2.2. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm ..................................................9
1.2.3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn ..............................................................9
1.2.4. Bảo vệ môi trường..........................................................................................9
1.2.5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: ...........................................................................10
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình .................................11
1.3.1. Thiết bị đo quá trình ....................................................................................12
1.3.2. Thiết bị điều khiển ......................................................................................12
1.3.3. Thiết bị chấp hành .......................................................................................13
1.4. Hệ thống ký hiệu ISA .........................................................................................13
1.4.1. Biểu tượng thiết bị. ......................................................................................13
1.4.2. Biểu tượng các đường tín hiệu và đường nối ..............................................14
1.4.3. Nhãn thiết bị và ký chức năng .....................................................................15
1.5. Lưu đồ P&ID ......................................................................................................21
CHƯƠNG II MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG ........................23
2.1 Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp – Feedback Control ................................................23
2.1.1. Khái niệm, nguyên tắc, cấu trúc ..................................................................23
2.1.2. Ví dụ ............................................................................................................24
2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm ..............................................................................25
2.2. Kỹ thuật điều khiển tầng – Cascde Control ........................................................25
2.2.1. Khái niệm, nguyên lý, cấu trúc....................................................................25
2.2.2. Ví dụ ............................................................................................................26

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


3

2.2.3. Ưu điểm, nhược điểm. .................................................................................27
2.3. Kỹ thuật điều khiển sớm – Feed Forward Control .............................................27
2.3.1. Khái niệm, nguyên tắc, cấu trúc. .................................................................27
2.3.2. Ví dụ ............................................................................................................28
2.3.3. Ưu điểm, nhược điểm, ứng dụng .................................................................28
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀO
XÂY DỰNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN SẢN XUẤT MTBE .................................29
3.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE .......................................................................29
3.1.1. Nguyên liệu .................................................................................................29
3.1.2. Sản phẩm .....................................................................................................29
3.1.2. Sơ đồ công nghệ ..........................................................................................30
3.2. Kết quả mô phỏng sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE .........................................33
3.2.1 Các thông số thiết kế các thiết bị trong sơ đồ công nghệ. ............................33
3.2.2 Các thông số của dòng công nghệ: ...............................................................34
3.3 Xây dựng sơ đồ điều khiển ..................................................................................34
3.3.1. Bình chứa (V – 901) ....................................................................................34
3.3.2. Dòng nguyên liệu ........................................................................................35
3.3.3. Bơm (P – 901 A/B) ......................................................................................36
3.3.4. Thiết bị gia nhiệt E-901 ...............................................................................37
3.3.5. Tháp phản ứng (R-901) ...............................................................................38
3.3.6. Tháp chưng tách sản phẩm MTBE (T – 901) ..............................................39
3.3.7. Tháp hấp thụ MeOH (T – 902) ....................................................................41
3.3.8. Tháp chưng tách hồi lưu MeOH (T – 903)..................................................43
3.4 Sơ đồ điều khiển sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE ...........................................44

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MTBE

Methyl Tertiary Butyl Ether

RON

Research Octane Number

P&ID

Proportional Integral Differential

PV

Process Variable

SP

Setpoint

ISA

Instrument Society of Ametica

LC

Level Controller

FC

Flow Controller

TC

Temperature Controller

PRC

Pressure Recorder Controller

LIC

Level Indicator Controller

PIC

Pressure Indicator Controller

TI

Temperature Indicator

FI

Flow Indicator

CV

Control Vavle

FT

Flow Transmit

FITC

Flow Indicator Transmit Controller

TRC

Temperature Recorder Controller

FRC

Flow Recorder Controller

LPS

Low Pressure Systems

HPS

Hight Pressure Systems

MPS

Midwest Pressure Systems

CW

Cold Water

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


5

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Quá trình và phân loại biến quá trình..............................................................7
Hình 1-2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình ......................................................9
Hình 1-3: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản ................................................................10
Hình 1-4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình ....................11
Hình 1-5: Cấu trúc của thiết bị đo quá trình ..................................................................12
Hình 1-6: Cấu trúc thiết bị điều khiển ...........................................................................12
Hình 1-7: Cấu trúc thiết bị chấp hành ...........................................................................13
Hình 1.8: Lưu đồ P&ID cho một vòng điều khiển áp suất ............................................16
Hình 1-9: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt ....................................................22
Hình 2-1: Cấu trúc sơ đồ điều khiển hồi tiếp ................................................................23
Hình 2-2: sơ đồ khối tiến trình điều khiển hồi tiếp .......................................................24
Hình 2-3: Điều khiển hồi tiếp thiết bị gia nhiệt hơi nước .............................................24

Hình 2-4: Cấu trúc điều khiển tầng ...............................................................................26
Hình 2-5: Điều khiển tầng cho thiết bị gia nhiệt hơi nước ............................................26
Hình 2-6: Cấu trúc tổng quát của điều khiển sớm .........................................................28
Hình 2-7: Điều khiển thiết bị gia nhiệt với kỹ thuật điều khiển sớm ............................28
Hình 3-1: Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE .................................................................31
Hình 3-2: Lưu đồ PFD và thông số các dòng ................................................................32
Hình 3-3: Sơ đồ điều khiển mức chất lỏng bình chứa V-901........................................34
Hình 3-4: Sơ đồ điều khiển tỉ lệ lưu lượng MeOH : isobutylen ....................................35
Hình 3-5: Sơ đồ điều khiển áp suất dòng công nghệ .....................................................36
Hình 3-6: Sơ đồ điều khiển mức thiết bị gia nhiệt E-901..............................................37
Hình 3-7: Sơ đồ điều khiển tháp R-901 .........................................................................38
Hình 3-8: Sơ đồ điều khiển tháp T-901 .........................................................................39
Hình 3-9: Sơ đồ điều khiển tháp T-902 .........................................................................41
Hình 3-10: Sơ đồ điều khiển điều khiển tháp T-903 .....................................................43
Hình 3-11: Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE ...............................................................45

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Biển diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID .......................................................14
Bảng 1-2: Biểu diễn các tín hiệu và đường nối lưu đồ P&ID .......................................14
Bảng 1-3: Các chữ cái ký hiệu nhãn thiết bị .................................................................17
Bảng 1-4: Các ký hiệu chức năng tính toán ..................................................................19
Bảng 3-1: thành phần và tính chất dòng nguyên liệu ....................................................29
Bảng 3-2: Thông số các dòng phụ trợ ...........................................................................33

Bảng 3-3: Thông số thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt .................................................33
Bảng 3-4: Thông số thiết kế của thiết bị phản ứng và bình chứa ..................................33
Bảng 3-5: Thông số thiết kế của bơm............................................................................33
Bảng 3-6: Thông số thiết kế các tháp ............................................................................34
Bảng 3-7: Bảng thông tin điều khiển bình V-901 .........................................................35
Bảng 3-8: Bảng thông tin điều khiển tỉ lệ lưu lượng MeOH : isobutylen .....................36
Bảng 3-9: Bảng thông tin điều khiển bơm P-901 A/B ..................................................37
Bảng 3-10: Bảng thông tin điều khiển mức thiết bị gia nhiệt E-901.............................37
Bảng 3-11: Bảng thông tin điều khiển tháp R-901 ........................................................38
Bảng 3-12: Bảng thông tin điều khiển tháp T-901 ........................................................40
Bảng 3-13: Bảng thông số của bình V-901 ...................................................................42
Bảng 3-14: Bảng thông tin sơ đồ điều khiển tháp T-903 ..............................................44

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


7

CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình là gì?
Quá trình điều khiển được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong
điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản
phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.
Để làm rõ định nghĩa này, chúng ta cần thêm một số khái niệm cơ bản và phân
tích những vấn đề liên quan tới điều khiển quá trình.
1.1.1. Quá trình
Quá trình được định nghĩ là một trình tự diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học,

trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi vận chuyển hoặc
lưu trữ vất chất và năng lượng, nàm trong một dây chuyền công nghệ hoặt một nhà máy
sản xuất năng lượng. Mông quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp
nhiệt, trao đỏi nhiệt,… nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng –
tháp chưng luyện.
1.1.2. Các biến quá trình
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các biến
quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa
trên Hình 1-1.

Hình 1-1: Quá trình và phân loại biến quá trình
Một biến vào (input) là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động bên
ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt…
Một biến ra (output) là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động của
quá trình ra bên ngoài, ví dụ lưu lượng hoặc nồng độ sản phẩm ra…

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


8

Biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ
lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, tốc độ biến thiên của nhiệt độ, áp suất, mức…
Trong nhiều trường hợp, biến trạng thái cũng có thể được xem là một biến ra. Ví
dụ, mức chất lỏng trong bình chưa vừa có thể xem là một biến trạng thái, vừa có thể
xem là một biến ra.
Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là quá trình can thiệp các biến vào của quá

trình một các hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời
giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung
quanh. Các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các
thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một
quá trình công nghệ thì không phải viến vào nào cũng có thể can thiệp được và không
phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển (controller variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho dần với một giá trị mong muốn
hay giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu mẫu. Các biến cần điều khiển
liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn đinh, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản
phẩm. Nhiệt đọ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần được điều khiển
tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.
Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là mọt biến vào của quá trình có
thể can thiệp trực tiếp tử bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều
khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang khảo sát được gọi là nhiễu. Hay nói các khác, nhiễu là
biến không can thiệp được. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn,
vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất làm giảm thiểu ảnh hưởng của nó.
Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình
(disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là những viến vào tác động lên quá
trình kỹ thuật một các cố hữu nhưng không can thiệp được, vid dụ lưu lượng chất lỏng
ra, thành phần của nhiên liệu,… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép
đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.
Hình 1-2 minh họa một bình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc trưng.
Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ. Mặc dù
chất lỏng chảy vào và chảy ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và lưu lượng ra đều
được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái
hoặc là một biến ra của quá trình. Thông qua điều chỉnh độ mở can cấp, thay đổi lưu
lượng vào Fi một cách hợp lý để du trì mức chất lỏng trong bình h ổn định tại một giá

trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra F0. Có thể dễ dàng thấy, mức chất
lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào Fi là biến điều khiển. Trong khi đó, lưu
lượng ra F0 phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp
được ở đây, vì vật được coi là nhiễu quá trình.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


9

a, Sơ đồ công nghệ

b, Sơ đồ khối

Hình 1-2: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình
Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số các trường
hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. Tuy nhiên nếu phép đp một đại
lượng quá chậm, quá trình thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát,
tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc trực
tiếp điều khiển. Vì thế, một biến vần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ
là một biến được điều khiển. Ví dụ, đối với các tháp chứng cất thì biến cần điều khiển
là thành phần sản phẩm ra. Tuy nhiên, phép đo thành phần các chất thường rất chậm và
kém chính xác, hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rất chậm trong thay đổi
thành phần sản phẩm ra. Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ
đỉnh tháp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có quan hệ chặt
chẽ với nhiệt độ, giá trị nhiệt độ dễ đo hơn và phản ánh nhanh hơn ảnh hưởng của nhiễu.
1.2 Mục đích điều khiển
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu

quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống
điều khiển quá trình, ta phải làm rõ mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực
hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Phân thích mục đích điều khiển là cơ sở quan
trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển.
Toàn bộ chức năng của một hệ thống điều khiển qua trình có thể phân loại và sắp
xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau:
1.2.1. Đảm bảo vận hành hệ thống 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 móc, vận hành thuận tiện.
1.2.2. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm
theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan đến chất lượng sản phẩm trong
phạm vi yêu cầu.
1.2.3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự
cố cũng như bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy
ra sự cố.
1.2.4. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông 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.
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


10

1.2.5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu
trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu
thay đổi của thị trường.

Hình 1-3: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản

Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển qua
trình, ta xét vid dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1-3. Hai dòng
nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là c1 và c2 được đưa vào thiết bị khuấy trộn,
tạo thành một sản phẩm có thành phần c theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của các
dòng nguyên liệu được kí hiệu F1 và F2, có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng.
Quá trình pha trộn được thực hiện vởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ. Dung dịch
sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng F. Yêu cầu công
nghệ là đảm bảo chất lượng sản phẩm và được hệ thống được vận hành theo chế độ liên
tục.
 Ổn định hệ thống:
Các đại lượng cần ổn định là: mức trong bình trộn, nồng độ cấu tử A trong sản
phẩm.
Các yêu cầu về ổn định liên quan tới: nguyên lý cân bằng vật chất, nguyên lý cân
bằng năng lượng, nguyên lý cân bằng pha, nguyên lý cân bằng phản ứng hóa học, các
nguyên lý động học…
 Chất lượng sản phẩm
Ổn định chưa chắc đã đảm bảo chất lượng. Trong ví dụ: nồng độ của A trong sản
phẩm được giữ ổn định như có thể xa với yêu chất lượng yêu cầu.
Đảm bảo chất lượng sản phẩm: giá trị cần điều khiển càng gần với giá trị đặt càng
tốt. Trong ví dụ: nồng độ A trong sản phẩm không những được duy trì ổn định, mà phải
gần với một giá trị mong muốn.
Chất lượng sản phẩm được đánh giá thông qua một số chỉ tiêu chất lượng. Đáp
ứng với thay đổi giá trị đặt, đáp ứng với tác động của nhiễu.
 An toàn hệ thống

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh

11

Lỗi thiết bị, đường truyền sẽ ảnh hưởng đến kỹ thuật điều khiển thông thường
không đáp ứng được. Trong vi dụ: có thể cần đặt cảm biến báo tràn hoặc cạn bình, quá
tốt, quá dòng động cơ khuấy, dẫn tới điều khiển rời rạc động cơ và các van an toàn.
Khóa liên động nhằm tránh xảy ra các tình huống nguy hiểm (ví dụ động cơ chỉ
được khởi động khi mức trong bình đạt một giá trị nào đó) và giảm thiểu tác hại khi sự
cố xảy ra (bằng các biện pháp ngắt từng phần hoặc dừng khẩn cấp).
 Bảo vệ môi trường
Các dây chuyên cong nghệ ngày nay được thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô
nhiễm môi trường: giảm nhiên liêu tiêu thụ, giảm sử dụng nước sạch.
Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tể về xử lý nước thải và
khí thải.
 Hiệu quả kinh tế
Các yêu cầu cụ thể: chất lượng ổn định nồng độ A trong sản phẩm. Năng suất
thích ứng với yêu cầu thị trường, liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra. Tiêu hao năng
lượng thấp cho động cơ khuấy và cho các van điều khiển. Tác động điều khiển êm ả,
trơn tru, tốc độ động cơ cũng như mở van ít khi phải thay đổi hoặc thay đổi chậm.
1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá
trình công nghiệp có thể dơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba
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 qua sơ đồi khối trên Hình
1-4.

Thuật ngữ
Giá trị đặt

Set Point (SP)

Tín hiệu điều khiển

Controller Output (CO)

Biến điều khiển

Manipulated Variable (MV)

Biến được điều khiển

Controller Variable (CV)

Đại lượng đo

Process Value (PV)

Tín hiệu đo

Process Measurement (PM)

Hình 1-4: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


12

1.3.1. Thiết bị đo quá trình

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 đo (transducer). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận
đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tin hiệu. 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 hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp. Một
bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà đầu ra là một tín
hiệu chuẩn (ví dụ 0 - 10V, 4 -20mA, …). Cấu trúc của một thiết bị đo quá trình được
thể hiện ở Hình 1-5.
Thiết bị đo / Bộ chuyển đổi
Đại lượng cần đo
(Nhiệt độ, áp suất,
mức, lưu lượng…)

Cảm biến

Tín hiệu chuẩn
(0-10V, 4-20mA…)

Chuyển
đổi đo

Hình 1-5: Cấu trúc của thiết bị đo quá trình
1.3.2. 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 cốt lõi của một hệ thống
điều khiển công nghiệp.

Tính toán
điều khiển

Xử lý đầu ra

Tín hiệu đo

Xử lý đầu vào

Thiết bị điều khiển
Tín hiệu
điều khiển

Giá trị đặt
Hình 1-6: Cấu trúc thiết bị điều khiển
Trên cơ sở tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển, kỹ thuật 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 quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng
tín hiệu vào ra và các phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có
thể được xếp loại 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 loại tương tự. Một thiết bị điều khiển số
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


13

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 cần 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 còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán
và hiển thị cùng một lúc.
1.3.3. 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.
Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến
của quá trình kỹ thuật.
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp
hành hay cơ cấu dẫn dộng (actuator) và phần tử điểu khiển (control element). Cơ cấu
chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lựng (cơ hoặc nhiệt),
trong khi phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển.

Thiết bị điều chấp hành
Tín hiệu
điều khiển

Cơ cấu
dẫn động

Phần tử
chấp hành

Tín hiệu
điều khiển

Khối
điều khiển

Hình 1-7: Cấu trúc thiết bị chấp hành
1.4. Hệ thống ký hiệu ISA
1.4.1. Biểu tượng thiết bị.
Bảng A1-1 liệt kê các biểu tượng thiết bị trên lưu đồ P&ID. Cần lưu ý một biểu
tượng có thể biểu diễn một thiết bị hoặc một chức năng trong một thiết bị chia sẻ (ví dụ
một thiết bị điều khiển hoặc một màn hình chia sẻ). Ý nghĩa của khái niệm “chia sẻ” ở
đây là nhằm phân biệt với các thiết bị đơn lẻ (discrete instrument), chuyên dụng cho một
mục đích duy nhất, ví dụ một bộ điều khiển số gọn , một đèn hiển thị đơn lẻ. Tùy theo
mục đích mô tả mà lưu đồ có thể chứa chi tiết biểu tượng cho từng thiết bị/chức năng,
hoặc bỏ qua một số trong trường một tương đối hiển nhiên.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


14

Bảng 1-1: Biển diễn các thiết bị trên lưu đồ P&ID
Phòng điều khiển Vị trí mở rộng Hiện
trung tâm (Remote)
(Auxilary Location) (Local)

trường

Thiết bị phần cứng
đơn lẻ
Phần cứng chia sẻ
 Hiển thị chia sẻ
 Điều khiển chia sẻ

Phần mềm
Chức năng máy tính
Logic chia sẻ
Điều khiển logic khả
trình
Thiết bị hay biến
hoặc một biến với
nhiều chức năng
Các biểu tượng trên bảng 1-1 mô tả các thiết bị cũng như chức năng mà người vận
hành có thể trực tiếp thao tác, sử dụng (accessible). Trong trường hợp các thiết bị/chức
năng được đặt sau bảng, hoặc người vận hành không được phép can thiệp, đường gạch
giữa biểu tượng cần được vẽ bằng nét đứt.
1.4.2. Biểu tượng các đường tín hiệu và đường nối
Để phân biệt rõ ràng với các đường ống dẫn, tất cả các đường tín hiệu và đường nối
khác cần được vẽ nét thanh. Các đường nối được thể hiện bằng các biểu tượng 1-2.
Bảng 1-2: Biểu diễn các tín hiệu và đường nối lưu đồ P&ID
Tín hiệu không định nghĩa
Đường nối tới quá trình kỹ thuật, hoặc đường cấp năng lượng
cho thiết bị
Tín hiệu khí nén
Tín hiệu điện
Tín hiệu thủy lực
Tín hiệu điện tử hoặc âm thanh (có dẫn định)*
Tín hiệu điện tử hoặc âm thanh (không dẫn định)*
Đường nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ liệu)
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh

15

Đường nối cơ học
Ống mao dẫn
* Các hiện tượng điện từ gồm cả nhiệt, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh
sáng
Thông thường, một đường tín hiệu đủ để biểu diễn liên kết giữa các thiết bị trên lưu
đồ P&ID ngay cả khi tồn tại nhiều đường vật lý trong thực tế Các mũi tên có thể sử dụng
bổ sung để làm rõ chiều của luồng thông tin. Các chữ viết tắt sau đây được dùng để ký
hiệu các đường cấp năng lượng:








AS (Air supply): cấp không khí
ES (Electric supply): cấp điện
GS (Gas supply): cấp gas
HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực
NS (Nitrogen supply): cấp nitơ
SS (Steam supply): cấp hơi nước
WS (Water supply): cấp nước

Mức tín hiệu có thể ghi kèm theo kỹ hiệu các đường cấp, ví dụ ES 24DC ký hiệu
đường cấp nguồn 24V một chiều.
1.4.3. Nhãn thiết bị và ký chức năng
Bảng A1-3 liệt kể ý nghĩa các chữ cái phân biệt chức năng. Phần biểu diễn chức

năng bắt đầu bằng một chữ cái ký hiệu biến đo hoặc một biến đầu vào (giá trị khởi tạo),
sau đến các chữ cái ký hiệu chức năng chỉ thị hoặc chức năng bị động. Tiếp nữa là các
chữ cái thể hiện chức năng đầu ra theo một thứ tự tùy ý, trừ trường hợp chữ C (control)
phải đứng trước V (valve). Các chữ cái phụ nếu có thể sử dụng ngay đằng sau một chứ
cái chính để thay đổi ý nghĩa chức năng, ví dụ PD biểu diễn chênh lệnh (D) áp suất (P).
Lưu ý rằng, các ký hiện sử dụng tuân theo chức năng chứ không theo nguyên tắc
kết cấu hay nguyên tắc làm việc của thiết bị. Ví dụ, một thiết bị do lưu lượng theo nguyên
tắc chênh lệch áp suất được ký hiệu FT chứ không phải PDT. Chữ cái đầu tiên ký hiệu
biến được đo (đầu ra của quá trình) hoặc biến khởi tạo chứ không phải biến điều khiển
(đầu ra điều khiển). Ví dụ, một van điều chỉnh lưu lượng được điều khiển bởi một bộ
điều khiển áp suất được ký hiệu là PV chú không phải là FV.
Ví dụ minh họa
Hình A1-1 minh họa một ví dụ mạch vòng điều khiển áp suất. Lưu đồ chi tiết bên
trái là cơ sở cho thiết kế hệ thống và phát triển phần mềm, trong khi lưu đồ đơn giản hóa
bên phải xuất hiện trên các lưu đồ công nghệ.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


16

b) Sơ lược

a) Chi tiết
Hình 1.8: Lưu đồ P&ID cho một vòng điều khiển áp suất

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


17

Bảng 1-3: Các chữ cái ký hiệu nhãn thiết bị
Chữ cái đầu

Các chữ cái đứng sau

Biến đo hoặc biến đầu vào

Bổ nghĩa cho chữ Chức năng xử lý (hiển thị,
Chức năng đầu ra
đứng trước
bị động)

A

Phân tích (Analysis)

Báo động (Alarm)

B

Đốt cháy (Burner)

Tùy sử dụng

C

Tùy sử dụng

Điều chỉnh (Control)

D

Tùy sử dụng

E

Điện áp

F

Lưu lượng (Flow rate)

G

Tùy sử dụng

H

Đưa bằng tay (Hand)

I

Công suất

Quét

K

Thời gian, lịch trình

Tần suất thay đổi

L

Mức (Level)

M

Tùy sử dụng

N

Tùy sử dụng

Tùy sử dụng

O

Tùy sử dụng

Hạn chế (Orifice)

P

Áp suất (Pressure)

Điểm thử (Point)

Q

Số lượng (Quanlity)

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

Tùy sử dụng

Bổ nghĩa cho chữ
đứng trước
Tùy sử dụng

Chênh lệch
(Differential)
Phần tử cảm (sensor)
Tỉ lệ (Fraction)
Kính (Glass), quan sát
Cao (High)
Trạm điều khiển
Ánh sáng (Light)

Thấp (Low)
Trung bình

Nhất thời
(Momentary)

(Middle)

Tích phân, tổng
SVTH: Đỗ Ngọc Anh

Tùy sử dụng

Tùy sử dụng


18

R

Bức xạ, phóng xạ
(Radiation)

S

Tôc độ, tần số (Speed)

T

Nhiệt độ (Temperature)

U

Đa biến

V

Độ rung (Vibration), phân
tích cơ học

W

Trọng lực (Weight)

X

Ghi chép (Record)
Chuyển mạch
(Switch)

An toàn (Safety)

Truyền phát
(Transmit)
Đa chức năng

Đa chức năng

Đa chức năng

Van điều khiển
(Valve), giảm chắn
Lồng, bao (Well, VD
Thermowell)
Trục X

Không xếp loại

Không xếp loại

Y

Sự kiện, trạng thái hoặc sự
có mặt

Trục Y

Rơ le, tính toán,
biến đổi

Z

Vị trí, kích thước

Trục Z

Truyền động, chấp
hành

Không xếp loại

Mạch vòng điều khiển áp suất được điều khiển bởi trạm điều khiển DCS. Giá trị đặt được từ một máy tính thông qua đường
truyền dữ liệu. Mạch vòng điều khiển có số nhãn 211, ký hiệu vòng điều khiển số 11 trên lưu đồ số 2. Thiết bị đo áp suất PT-211
được nối với ống dẫn mao quản qua một van khóa và phạm vi làm việc 0-300 PSIG. Tín hiệu ra là dòng điện 4-20mA, được ký hiệu
đầu vào AI-17 trong hệ DCS. Bộ điều khiển PIC-211 được thực hiện thuật toán PI trên trạm số 2 (C-2). Đầu ra của bộ điều khiển
được ký hiệu AO-21 được đưa vào bộ biến đổi dòng áp suất (PY-211) gắn trên van điều chỉnh PCV-211. Van điều chỉnh là loại

tuyến tính có trạng bị bộ định vị P (Positioner). Cả bộ định vị P và bộ biến đổi PY-211 được cấp nguồn khí nén (AS).

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


19

Bảng 1-4: Các ký hiệu chức năng tính toán
Ký hiệu

Chức năng

1-0 hoặc ON/OFF

Điều khiển ON/OFF hoặc chuyển mạch (Switch)

Σ hoặc ADD

Cộng hoặc tổng (cộng và trừ), với 2 hoặc nhiều đầu vào

Δ hoặc SUB

Hiệu (với hai hoặc nhiều đầu vào)

± , +,

Độ dịch (1 đầu vào)

-

AVG.

Trung bình

%, 1:3 hoặc 2:1

Khuếch đại (đầu vào : đầu ra)

√

÷

Nhân, chia (2 hoặc nhiều đầu vào)

√

hoặc SQ.RT

Căn bậc hai

xn hoặc x1/n

Lũy thừa

f(x)

Hàm

1:1

Tăng cường

>

hoặc HIGHEST

Chọn giá trị lớn nhất

<

hoặc LOWEST

Chọn giá trị nhỏ nhất

REV.

Đảo ngược

E/P, P/I, A/D, D/A

Biến đổi (E, H, I, O, P, R)

∫

Tích phân (theo thời gian)

D hoặc d/dt

Đạo hàm hoặc tốc độ

I/D

Nghịch đảo đạo hàm

Tóm tắc chuẩn ISA
Chuẩn ISA S5.3 cho các chức năng trong một hệ thống điều khiển phân tác. Thực ra,
S5.3 vẫn nguyên tập hợp các biểu tượng, nhưng mở rộng và chi tiết hóa ý nghĩa của một
số biểu tượng.
Thông thường người vận hành có thể can thiệp:
1.
2.
3.
4.

Hiển thị chia sẻ
Hiển thị chia sẻ và điều khiển chia sẻ
Truy cập chỉ qua đường truyền thống
Giao diện vận hành trên đường truyền thông

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


20

Thiết lập tại vị trí mở rộng:
1. Lắp trên panel tại vị trí mở rộng, thông thường có giao diện sử dụng

tương tự, không lắp tại trạm vận hành trung tâm
2. Có thể là một bộ điều khiển dự phòng hoặc một trạm thao tác bằng tay
3. Truy nhập có thể chỉ qua đường truyền thông
4. Giao diện vận hành qua đường truyền thông
Thông thường người vận hành không thể can thiệp:
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Bộ điều khiển chia sẻ câm (không có giao diện)
Hiển thị chia sẻ lắp tại hiện trường
Tính toán, điều hòa tín hiệu trong bộ điều khiển chia sẻ
Có thể được nối mạng truyền thông
Thông thường vận hành không cần giao diện
Có thể thay đổi khi cấu hình

Các biểu tượng máy tính
Các biểu tượng dưới đây được sử dụng để chỉ các “máy tính” và chức năng máy tính
tách biệt với các thành phần cơ bản tích hợp trong hệ DCS. Các máy tính này có thể được
nối mạng với các thành phần còn lại, hoặc đứng độc lập.
Bình thường người vận hành không thể can thiệp:
1. Giao diện vào/ra
2. Tính toán, điều hòa tín hiệu trong máy tính
3. Có thể được sử dụng như một bộ điều khiển câm hoặc một module phần
mềm tính toán
Biểu tượng cho điều khiển logic hoặc điều khiển trình tự phức tạp không định nghĩa:

Bộ điều khiển logic trong hệ ĐHPT với chức năng điều khiển logic hoặc điều khiển
trình tự:
1. Bộ điều khiển logic khả trình; hoặc điều khiển logic số tích hợp trong
các thiết bị điều khiển phân tác
2. Bình thường người vận hành không can thiệp được
Ý nghĩa như trên, nhưng người vận hành có thể can thiệp
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


21

Tính toán và điều hòa tín hiệu
Ngoài các biểu tượng đã định nghĩ trong S5.1, chuẩn S5.3 còn bổ sung biểu tượng
riêng cho tính toán và điều hòa tín hiệu:
1.5. Lưu đồ P&ID
Có hai khái niệm cần biết khi tìm hiểu về lưu đồ P&ID
 Lưu đồ công nghệ (process flow diagram, PFD) miêu tả quá trình công nghệ, không
chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lượng và điều khiển. Thông thường, lưu đồ công
nghệ do các nhà máy công nghệ xây dựng.
 Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (piping and instrumentation diagram, P&ID) miêu tả
chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức ăng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển
quá trình cùng các đường liên hệ giữa các thành phần. Đây là tài liệu quan trọng nhất đối
với việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển. Một số tiêu chuẩn liên quan tới các biểu
tượng lưu đồ P&ID là ISA.
Hình 1-15 minh hoạ một lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt. Dầu nóng là quá
trình cần được làm nóng bởi hơi nước đi qua thiết bị gia nhiệt trước khi cấp cho công đoạn
tiếp theo của quá trình công nghệ. Nhiệt độ của dầu ra khỏi thiết bị gia nhiệt hơi nước cần
được duy trì tại một giá trị đặt mong muốn. Bên cạnh đó, một số chức năng khác như hiển

thi, ghi chép và cảnh báo cũng được đặc tả trên lưu đồ. Trong lưu đồ đơn giản phí dưới
cùng đặc tả chức năng hệ thống, lưu đồ chi tiết phía trên là cơ sở cho thiết kế hệ thống và
phát triển phần mềm. Dựa vào lưu đồ đặc tả chi tiết, công việc lựa chọn và lắp đặt thiết bị
cũng như phát triển phần mềm điều khiển có thể thực hiện dễ dàng hơn. Các chức năng hệ
thống và chi tiết thực hiện đặt tả trên Hình 1-15 bao gồm:
 Đo và ghi lại lưu lượng dầu, sử dụng một thiết bị đo lưu lượng (FT-1), một bộ biến
đỏi khí nén – khí nén (FY-1) và một máy ghi (FR-1).
 Đo và ghi lại giá trị áp suất dầu đầu vào, sử dụng một thiết bị đo áp suất (PT-2) và
một máy ghi (PR-2).
 Đo và ghi lại nhiệt độ dầu ra khỏi thiết bị thông qua điều chỉnh dòng hơi nóng (TRC3), sử dụng giá trị đó từ cảm biến nhiệt điện trở (RTD).
 Cảnh báo trường hợp nhiệt độ dầu ra quá thấp, sử dụng cảm biến chuyển mạch
(TSL-3) và cơ chế báo động (TAL-3).

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


22

a, Lưu đồ chi tiết

b, Lưu đồ đơn giản hóa
Hình 1-9: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh

23

CHƯƠNG II
MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG
2.1 Kỹ thuật điều khiển hồi tiếp – Feedback Control
2.1.1. Khái niệm, nguyên tắc, cấu trúc
Điều khiển hồi tiếp (feedbaack control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến
được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều
khiển. Vì cấu trúc khép kín này, kỹ thuật điều khiển hồi tiếp còn được gọi là điều khiển
vòng kín (closed-loop control).Trong các kỹ thuật điều khiển thì điều khiển hồi tiếp
(feedback control) đóng vai trò quan trọng hàng đầu, nó được sử dụng gần như trong tất cả
các hệ thống điều khiển tự động.





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
Bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điêu khiển tương ứng làm thay đổi độ mở của van.

Hình 2-1: Cấu trúc sơ đồ điều khiển hồi tiếp
Các bước điều cơ bản của một bộ điều khiển:
1. Đo biến đầu ra, PV.
2. So sánh giá trị đo PV, vớ giá trị đặt SP. Tính toán độ sai lệch E(t), xác định bộ điều
khiển là điều khiển thuận hay điều khiển nghịch.
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 quá
trình này U(t).

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh


24

5. Lặp lại quá trình.

Hình 2-2: sơ đồ khối tiến trình điều khiển hồi tiếp
Dựa vào mối tương quan giá trị giữa đầu ra của biến điều khiển và biến được điều khiển ta
có 2 kiểu điều khiển:
 Điều khiển thuận: đầu ra của bộ điều khiển tăng khi biến được điều khiển tăng và
ngược lại.
 Điều khiển nghịch: đầu ra của bộ điều khiển giảm khi biến được điều khiển tăng
và ngược lại.
Để lựa chọn kiểu điều khiển thuận hay nghịch phụ thuộc vào:
 Đặc điểm của quá trình: quan hệ biến điều khiển và biến được điều khiển.
 Kiểu tác của van điều khiển.
o Đóng an toàn (fail close, air-to-open) – điều khiển thuận.
o Mở an toàn (fail open, air-to-close) – điều khiển nghịch.
2.1.2. Ví dụ

Hình 2-3: Điều khiển hồi tiếp thiết bị gia nhiệt hơi nước

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh

25

Hình 2-1 minh họa kỹ thuật điều khiển hồi tiếp cho thiết bị gia nhiệt hơi nước trên
lưu đồ P&ID. Nhiệt độ ra của dòng quá trình được thiết bị đo và chuyển đổi TT
(Teamperature transmitter) đưa tới bộ điều khiển nhiệt độ TC (teamperature controller).
Dựa vào độ sai lệch giữa giá trị đặt (SP) và nhiệt độ đo được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu
điều chỉnh độ mở van cấp hơi nước, qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ ra.
2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm
a, Ưu điểm:
 Thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư rẻ.
b, Nhược điểm
 Bộ điều khiển hồi tiếp đáp ứng chậm với các nhiễu và thay đổi giá trị.
 Không có khả năng dự đoán, theo thời gian gây ô nhiễm cho sản phẩm dài.
 Để đạt chất lượng điều khiển hồi tiếp tốt thì phép đo đại lượng phản hồi phải có độ
chính xác cần thiết. Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo, một
khi các giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không còn được đam bảo.
2.2. Kỹ thuật điều khiển tầng – Cascde Control
2.2.1. Khái niệm, nguyên lý, cấu trúc
Với tác động của nhiễu với các quá trình chậm (nhiệt độ, mức…) hoặc có trễ lớn,
thì các vòng điều chỉnh đơn khó mang lại tốc độ đáp ứng nhanh cũng như độ quá điều
chỉnh nhỏ thì điều khiển tầng (Cascade control) là một cấu trúc mở rộng của đồi khiển hồi
tiếp vòng đơn, được sử dụng nhằm khắc phục vấn đề nêu trên.
Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt
đặc tính động học của hệ thống. Nguyên lý chính của điều khiển tầng là phân cấp điều
khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi nó phát sinh.
Điều khiển nối tiếp là kỹ thuật điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển bên trong một
vòng điều khiển. Một bộ điều khiển được lồng vào trong một bộ điều khiển khác, đầu ra
của bộ điều khiển thứ nhất là giá trị đặt SP (Set point) của bộ điều khiển thứ hai. Điều này
có nghĩa rằng hai bộ điều khiển là không độc lập nhau mà liên kết cùng nhau nhằm mục
đích điều khiển cho biến quá trình PV (Process Variable) đạt đến giá trị mong muốn SP.

Cấu trúc điều khiển tầng có thể bao gồm hau hoặc nhiều vòng điều khiển, trong đó
có ít nhất một vòng điều khiển hồi tiếp. Có hai loại cấu trúc cơ bản: cấu trúc nối tiếp (truyền
thống) và cấu trúc song song (khống chế đầu vào), trong bất cứ loại cấu trúc nào thì bộ
điều khiển thứ cấp cũng phải nhanh hơn nhiều so với bộ điều khiển sơ cấp.
Ở đây có hai giá trị đo phản hồi về hai bộ điều khiển, nhưng chỉ có một biến điều
khiển (u2), hai bộ điều khiển hoàn toàn độc lập với nhau. Đầu ra u1 của bộ điều khiển sơ
cấp đóng vai trò là giá trị đặt cho bộ điều khiển thứ cấp.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm

SVTH: Đỗ Ngọc Anh