NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU
KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

Hà Nội, 12-2015


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: “Nghiên cứu mô hình thí
nghiệm điều khiển quá trình đa biến” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo TS. Nguyễn Quang Địch, ThS. Nguyễn Đức Dương. Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện

ii


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ v
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ......................................... 2
1.1. Điều khiển quá trình là gì? ........................................................................................ 2
1.1.1. Quá trình và các biến quá trình .............................................................................. 2
1.1.2. Phân loại quá trình .............................................................................................. 3
1.1.3. Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình ............................................... 4
1.2. Các thành phần cơ bản của một hệ điều khiển quá trình .......................................... 4
1.2.1. Thiết bị đo ........................................................................................................... 5
1.2.2. Thiết bị điều khiển .............................................................................................. 6
1.2.3. Thiết bị chấp hành .............................................................................................. 7
Chương 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN VÀ
BỘ KIT ĐIỀU KHIỂN AC 800M .................................................................................... 8
2.1. Mục đích, cấu trúc mô hình bàn thí nghiệm ............................................................. 8
2.2. Các thiết bị sử dụng trong mô hình ......................................................................... 10
2.2.1. Các thiết bị chấp hành....................................................................................... 10
2.2.2. Các thiết bị đo ................................................................................................... 12
2.2.3. Các thiết bị khác ............................................................................................... 15
2.3. Bộ điều khiển AC800M .......................................................................................... 19
2.3.1. Giới thiệu về bộ điều khiển AC800M .............................................................. 19
2.3.2. Thống kê các tín hiệu vào ra từ quá trình ......................................................... 21
2.3.3 Giới thiệu các khối module vào ra cần dùng ..................................................... 22
2.4. Xây dựng chương trình điều khiển và thiết kế giao diện ........................................ 25


2.4.1. Giới thiệu phần mềm ........................................................................................ 25
2.4.2. Xây dựng chương trình điều khiển ................................................................... 26
2.4.3. Xây dựng giao diện vận hành ........................................................................... 29
Chương 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ..................................................... 33
3.1. Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển ................................................................ 33

3.1.1. Xây dựng mô hình bình trộn ............................................................................. 33
3.1.2. Các đối tượng khác ........................................................................................... 37
3.2. Các vòng điều khiển và giải pháp cho hệ thống ..................................................... 38
3.2.1. Các vòng điều khiển ......................................................................................... 38
3.2.2. Giải pháp điều khiển ......................................................................................... 38
Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................ 43
4.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T3 (G11) ..................................... 43
4.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T3 (G12) ...................................... 44
4.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức L (G21) ............................................ 45
4.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G22).............................................. 46
4.5. Tính toán bộ tách kênh ............................................................................................ 47
4.6. Sử dụng mô phỏng nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống............................ 48
4.7. Tính toán và mô phỏng bộ điều khiển cho các vòng điều khiển đơn biến ............. 51
4.7.1. Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội IMC (Internal Model Control) 51
4.7.2. Mô phỏng Matlab với các bộ điều khiển vòng đơn .......................................... 52
4.7.3. Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến khi chưa tách kênh............................. 54
4.7.4. Mô phỏng điều khiển quá trình đa biến khi đã có bộ tách kênh ....................... 55
Chương 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH ....................................... 56
5.1. Vận hành hệ thống .................................................................................................. 56
5.2. Quá trình khởi động ................................................................................................ 57
5.3. Thay đổi giá trị đặt của mức L ................................................................................ 59
5.4. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 ........................................................................ 60


5.5. Thay đổi lưu lượng đầu ra ....................................................................................... 61
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 64
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 65

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình .................................................................. 2
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình ....................................................... 5
Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình........................... 5
Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo ..................................................................... 6
Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển ........................................................ 7
Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành ........................................................ 7
Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của bàn thí nghiệm điều khiển quá trình .............................. 8
Hình 2.2. Van điều khiển ................................................................................................... 10
Hình 2.3. Van từ SV6003 .................................................................................................. 11
Hình 2.4. Hình ảnh rơ le .................................................................................................... 11
Hình 2.5. Hình ảnh cảm biến mức ..................................................................................... 12
Hình 2.6. Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển..................................... 13
Hình 2.7. Hình ảnh của cảm biến đo nhiệt ........................................................................ 13
Hình 2.8. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect ................................................................... 14
Hình 2.9. Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA.............................................. 14
Hình 2.10. Sơ đồ chức năng các chân của thiết bị đo mức ............................................... 15
Hình 2.11. Hình ảnh của bình nóng lạnh ........................................................................... 15
Hình 2.12. Hình ảnh 2 bơm sử dụng trong mô hình .......................................................... 16
Hình 2.13. Hình ảnh của bình chứa trong mô hình thí nghiệm ......................................... 16
Hình 2.14. Hình ảnh bình trộn ........................................................................................... 17
Hình 2.15. Hình ảnh bình trộn ........................................................................................... 17
Hình 2.16. Hình ảnh ống dẫn nước sử dụng trong mô hình .............................................. 18
Hình 2.17. Hình ảnh của nguồn cấp một chiều SD823 trong thực tế ................................ 18
Hình 2.18. Hình ảnh của máy biến áp ............................................................................... 19

i

Danh mục hình vẽ

Hình 2.19. Các thành phần của bộ điều khiển AC800M ................................................... 19
Hình 2.20. Hình ảnh bộ điều khiển và I/O trong mô hình ................................................. 21
Hình 2.21. Hình ảnh AI810 trong catalog và trong mô hình............................................. 22
Hình 2.22. Hình ảnh AO810 trong catalog và trong mô hình ........................................... 23
Hình 2.23. Hình ảnh DO810 trong catalog và trong thực tế ............................................. 23
Hình 2.24. Module DI810 trong catalog và trong thực tế ................................................. 24
Hình 2.25. Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt ............................................... 25
Hình 2.26. Hình ảnh một Project trong phần mềm ........................................................... 26
Hình 2.27. Tạo thư viện và kết nối lập trình ..................................................................... 27
Hình 2.28. Khai báo biến ................................................................................................... 27
Hình 2.29. Kết nối biến với các khối điều khiển ............................................................... 28
Hình 2.30. Kết nối biến với khối vào ra ............................................................................ 28
Hình 2.31. Faceplate của bộ điều khiển mức (LIC) trên giao diện ................................... 30
Hình 2.32. Hình ảnh giao diện của Plant Explorer Workplace ......................................... 30
Hình 2.33. Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor ......................................... 31
Hình 2.34. Đồ thị xu hướng Trend Display ....................................................................... 31
Hình 2.35. Giao diện vận hành chính ................................................................................ 32
Hình 3.1. Đối tượng bình trộn và xác định các biến quá trình .......................................... 33
Hình 3.2. Sơ đồ khối của bình trộn nhiệt........................................................................... 36
Hình 3.3. Mô hình hệ MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra ............................................................. 39
Hình 3.4. Mô hình Decoupler với đối tượng ..................................................................... 39
Hình 3.5. Mô hình tách kênh đơn giản .............................................................................. 41
Hình 4.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 .......................................... 43
Hình 4.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 ........................................... 44
Hình 4.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L ................................................. 45
Hình 4.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L................................................... 46

ii


Danh mục hình vẽ

Hình 4.5. Mô hình bộ tách kênh đơn giản ......................................................................... 47
Hình 4.6. Mô hình hệ thống khi chưa có bộ tách kênh ..................................................... 48
Hình 4.7. Tác động xen kênh của hệ thống khi chưa có bộ tách kênh .............................. 49
Hình 4.8. Mô hình hệ thống khi có bộ bộ tách kênh ......................................................... 50
Hình 4.9. Tác động xen kênh của hệ thống khi có bộ tách kênh ....................................... 50
Hình 4.10. Sơ đồ Simulink mô phỏng vòng đơn điều khiển nhiệt độ T3 ......................... 52
Hình 4.11. Kết quả mô phỏng vòng đơn điều khiển nhiệt độ ........................................... 53
Hình 4.12. Sơ đồ Simulink mô phỏng vòng đơn điều khiển mức ..................................... 53
Hình 4.13. Kết quả mô phỏng vòng đơn điều khiển mức ................................................. 53
Hình 4.14. Mô phỏng quá trình đa biến khi chưa tách kênh ............................................. 54
Hình 4.15. Kết quả mô phỏng khi chưa có bộ tách kênh .................................................. 54
Hình 4.16. Sơ đồ Simulink khi đã có bộ tách kênh ........................................................... 55
Hình 4.17. Kết quả mô phỏng khi đã có bộ tách kênh ...................................................... 55
Hình 5.1. Khởi động OPC Server Configuration .............................................................. 56
Hình 5.2. Các đáp ứng của Quá trình khởi động khi chưa có bộ tách kênh ...................... 58
Hình 5.3. Các đáp ứng của Quá trình khởi động khi đã có bộ tách kênh.......................... 58
Hình 5.4. Các đáp ứng khi thay đổi giá trị lượng đặt mức khi chưa có bộ tách kênh ....... 59
Hình 5.5. Các đáp ứng khi Thay đổi giá trị lượng đặt mức khi có bộ tách kênh .............. 59
Hình 5.6. Các đáp ứng khi Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi chưa có bộ tách kênh 60
Hình 5.7. Các đáp ứng khi Thay đổi giá trị lượng đặt nhiệt độ khi có bộ tách kênh ........ 60
Hình 5.8. Các đáp ứng khi Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi chưa có bộ tách kênh .. 61
Hình 5.9. Các đáp ứng khi Thay đổi giá trị lưu lượng đầu ra khi có bộ tách kênh ........... 61

iii

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển .......................................................... 20
Bảng 2.3. Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển .................................................. 21
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của AI 810 ........................................................................... 22
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của AO810 .......................................................................... 22
Bảng 2.6. Thông số kỹ thuật của modul DO810 ............................................................... 23
Bảng 2.7. Thông số kỹ thuật của modul DI810 ................................................................. 24
Bảng 5.1. Thông số các bộ điều khiển và van…………………………………………...56
Bảng 5.2. Bảng ký hiệu màu ............................................................................................. 57
Bảng P.1. Bảng phân cổng vào ra…………………………………………………....…..68

iv


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tên Tiếng Anh

Tên Tiếng Việt

MV

Manual Valve

Van tay

CV

Control Valve

Van điều khiển

PV

Proportioning Valve

Van tỉ lệ

SV

Solenoid Valve

Van từ

LT

Level Transmister

Thiết bị đo mức

TT

Temperature Transmister

Thiết bị đo nhiệt

FT

Flow Transmister

Thiết bị đo lưu lượng

PI

Pump In

Bơm đầu vào

PO

Pump Out

Bơm đầu ra

IMC

Internal Model Control

Điều khiển mô hình nội

v

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Điều khiển quá trình là một mảng lớn trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa, với
một loạt các ứng dụng quan trọng trong công Nghiệp chế biến, hóa chất, năng
lượng…Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và các yêu cầu mới của quá trình
sản xuất thì điều khiển quá trình ngày càng được quan tâm và phát triển. Việc học tập và
thực nghiệm về điều khiển quá trình trong nhà trường là rất cần thiết. Do vậy, Bộ môn Tự
động hóa Công nghiệp đã đảm nhận và đưa vào giảng dạy môn học Điều khiển quá trình
nhằm giúp sinh viên có thể tiếp cận được các khái niệm, lý thuyết và làm quen với những
hệ điều khiển quá trình. Vấn đề đặt ra là cần phải có những mô hình thí nghiệm để cho
sinh viên có thể thực hành những lý thuyết đã được học vào trong thực tế. Xuất phát từ
nhu cầu thực nghiệm đó, em đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô hình thí nghiệm điều
khiển quá trình đa biến”.
Nội dung chính của đồ án mà em thực hiện gồm:
 Tổng quan về điều khiển quá trình.
 Xây dựng mô hình thí nghiệm.
 Thiết kế cấu trúc điều khiển bàn thí nghiệm điều khiển quá trình
 Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển.
 Chạy Thực nghiệm trên mô hình.
Sau 4 tháng được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch cùng
các cán bộ trong Viện điều khiển và tự động hóa, đồ án của em đã được hoàn thiện. Do
thời gian và năng lực còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn.
Em xin trân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quang Vũ

1


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình là gì?
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,
vận hành và giám sát các 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.

1.1.1. Quá trình và các biến quá trình
Biến vào
Biến điều khiển

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Nhiễu

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Quá trình
Biến trạng thái
Biến không cần

điều khiển

Biến ra

Biến cần điều
khiển

Biến không cần
điều khiển

Hình 1.1. Minh họa quá trình và biến quá trình.
 Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học, trong đó
vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
 Quá trình công nghệ là sự biến đổi lý hóa trong dây chuyền, thiết bị công nghệ
của dòng nguyên vật liệu đầu vào để tạo ra dòng sản phẩm đầu ra. Trạng thái
hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình.
 Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá
trình:
 Biến vào: là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên
ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước
cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơ-le sợi đốt…

2


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

 Biến ra: là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá
trình ra bên ngoài, ví dụ: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí
thải.

 Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình
điều khiển, điều chỉnh sao cho gần một giá trị mong muốn hay giá trị đặt
hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu Các biến điều khiển liên
quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của chất
lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những biến cần điều
khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.
 Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ
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.
 Nhiễu là những biến thiên không can thiệp được một cách trực tiếp hay
gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu tác động lên quá
trình một cách không mong muốn vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại
nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình và nhiễu đo
 Nhiễu quá trình là những biến tác động lên quá trình công nghệ một
cách cố hữu nhưng ta không thể can thiệp được, ví dụ trọng lượng
hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu…
 Nhiễu đo là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo
được.
1.1.2. Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Nếu quá trình chỉ có
một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là
quá trình đa biến. Một quá trình một biến vào – một biến ra còn được gọi là SISO, quá
trình nhiều biến vào – nhiều biến ra được gọi là MIMO. Hầu hết quá trình công nghệ
đều là đa biến.
Dựa vào đặc tính của những đại lượng đặc trưng, ta có thể phân loại các quá
trình thành các loại sau:
 Quá trình liên tục: Các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận
chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã

đạt trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian

3


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

vận hành. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến
tương tự. Ví dụ cho quá trình liên tục là quá trình trao đổi nhiệt, quá trình
bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng…
 Quá trình mẻ: là một quá trình hỗn hợp, có đặc trưng của cả quá trình liên
tục và quá trình rời rạc. Quy trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác
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 cả các biến
tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian đóng một vai trò quan
trọng trong một quá trình mẻ. Ví dụ quá trình mẻ như các phản ứng hóa học.
quá trình pha chế, lên men (bia, rượu)…
1.1.3. Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ
thuật một cách 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.
Điều khiển quá trình có các chức năng sau:
 Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru. Đây là yêu cầu trước tiên bởi
vì thứ nhất, một quá trình ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng về vật
chất và năng lượng tức là đảm bảo được yêu cầu về chế độ làm việc; thứ hai
là tuổi thọ của cơ cấu chấp hành được nâng cao do tín hiệu điều khiển ít thay
đổi; và thứ ba, chỉ khi quá trình đạt ổn định thì yêu cầu về năng suất, chất
lượng sản phẩm mới có thể thực hiện được.
 Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm.

 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn.
 Bảo vệ môi trường.
 Nâng cao hiệu quả kinh tế.

1.2. Các thành phần cơ bản của một hệ điều khiển quá trình

4


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Hệ thống vận hành
và giám sát

Trạng thái

Tham số

Thiết bị điều khiển
Thiết bị
chấp hành

Thiết bị
đo

Quá trình công nghệ

Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình.
Các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn 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 một cách trực quan với sơ đồ khối Hình 1-3.
Giá trị đặt
(SP)

Bộ điều khiển

Tín hiệu
điều khiển

Thiết bị chấp
hành

(CO)

Tín hiệu đo

Thiết bị đo

(PM)

Biến điều
khiển
(MV)

Quá trình công
nghệ

Biến được
điều khiển

(CV)

Đại lượng đo
(PV)

Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình.
1.2.1. Thiết bị đo
Thiết bị đo làm nhiệm vụ cảm nhận đại lượng đo và chuyển hóa thành tín hiệu
phù hợp đưa tới bộ điều khiển hoặc hiển thị. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ
bản là:
 Cảm biến làm nhiệm vụ cảm nhận đại lượng đo.
 Bộ chuyển đổi đo chuyển đổi tín hiệu nhận được từ cảm biến
thành tín hiệu thích hợp phục vụ cho việc truyền dẫn.

5


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Thiết bị đo
Đại lượng cần đo
(Nhiệt độ, áp suất, mức nước ...)

Cảm biến

Chuyển đổi đo

Tín hiệu chuẩn
(4-20mA, 0-10V)

Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo.
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 tín 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 là một bộ chuyển đổi mà cho đầu ra là một tín hiệu
chuẩn (ví dụ 0-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường…). Trong các hệ
thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song
xu hướng gần đây cho thấy việc sử dụng bus trường ngày càng chiếm ưu thế.
Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể biểu diễn bằng một khâu quán tính
bậc nhất :

G m (s) 

km
1  s

Hoặc một khâu bậc hai ổn định :

G m (s) 

km
  2s  s 2
2

Nếu hằng số thời gian τ rất nhỏ so với hằng số thời gian của quá trình công nghệ,
tức là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình. Ngược lại
nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều hằng số thời gian của quá trình thì
phải đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình hoặc vẫn chỉ sử dụng
mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là nhiễu đo.

Với một thiết bị đo, đặc tính đáp ứng quá độ được coi là quan trọng nhất.
1.2.2. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển 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.

6


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Tín hiệu điều khiển

Thuật toán điều
khiển

Xử lý đầu ra

Tín hiệu đo

Xử lý đầu vào

Thiết bị điều khiển

Giá trị đặt
Tín hiệu chủ đạo

Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển.
Thiết bị điều khiển dựa trên cơ sở tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách
lược điều khiển thực một thuật toán điều khiển nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển
phù hợp tới cơ cấu chấp hành. Theo dạng tín hiệu điều khiển ta có thiết bị điều khiển

logic, thiết bị điều khiển tương tự và thiết bị điều khiển số.
1.2.3. Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/ thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện
tác động can thiệp tới biến điều khiển.Một thiết bị chấp hành bao gồm hai thành phần
cơ bản là:
 Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng
lượng (cơ hoặc nhiệt).
 Phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển.

Thiết bị chấp hành
Đầu ra của bộ điều
khiển (CO)

Cơ cấu chấp
hành

Phần tử điều
khiển

Biến điều khiển
(MV)

Hình 1.6. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành.

7


Chương 2 : Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Chương 2

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN
ĐA BIẾN VÀ BỘ KIT ĐIỀU KHIỂN AC 800M
2.1. Mục đích, cấu trúc mô hình bàn thí nghiệm
Mục đích: Trong điều khiển quá trình, có rất nhiều giải pháp cho việc thiết kế các
sách lược điều khiển cho hệ đơn biến trong đó biến ra chỉ chịu ảnh hưởng của một biến
vào điều khiển.Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống thực tế lại không đơn giản như vậy, mà là
các hệ đa biến. Trong các hệ này, một biến ra không chỉ phụ thuộc vào một biến điều
khiển mà phụ thuộc vào nhiều biến khác. Điều này làm điều khiển trở nên hết sức phức
tạp và khó thực hiện. Một trong những giải pháp để hạn chế những ảnh hưởng đó chính là
sử dụng bộ decoupler. Vậy mục đích của việc nghiên cứu bàn thí nghiệm điều khiển quá
trình là khảo sát, thiết kế bộ điều điều khiển cho một quá trình đa biến sử dụng bộ tách
kênh decoupler.
Controller
AC 800M

HEATER

FT2

FT1
TT1

TT2

P-3

LT
MV1

SV1

FT1

CV1

TT1

TT2

CV2 FT2

SV2

MV2

WORKING
TANK

MV4

TT3

MV3

SV3
FT3

FT3

CV3

OUT_PUMP

COOLER
TANK

IN_PUMP

Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của bàn thí nghiệm điều khiển quá trình.

8


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Từ cấu trúc tổng quan của hệ thống ta thấy sơ đồ sử dụng 1 bình nước nóng, 1
thùng chứa nước lạnh, 1 bình trộn, 1 cảm biến đo mức, 4 van tay, 3 van từ, 3 van điều
khiển, 3 cảm biến đo mức và 3 cảm biến nhiệt độ. Trong đó:
- OUT PUMP: Bơm nước từ bình trộn ra.
- IN PUMP: Bơm nước lạnh tới bình trộn và tới bình nước nóng.
- MV1: Van tay đóng mở dòng nước nóng.
- MV2: Van tay đóng mở dòng nước lạnh.
- MV3: Van tay đóng mở dòng nước ấm.
- MV4: Van tay đóng mở dòng nước trước khi vào bình nước nóng.
- SV1: Van từ đóng mở dòng nước nóng.
- SV2: Van từ đóng mở dòng nước lạnh.
- SV3: Van từ đóng mở dòng nước ấm.
- CV1: Van điều khiển điều chỉnh dòng nước nóng.
- CV2: Van điều khiển điều chỉnh dòng nước lạnh.
- CV3: Van điều khiển điều chỉnh dòng nước ấm.

- FT1: Thiết bị đo lưu lượng dòng nước nóng.
- FT2: Thiết bị đo lưu lượng dòng nước lạnh.
- FT3: Thiết bị đo lưu lượng dòng nước ấm.
- TT1: Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước nóng.
- TT2: Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước lạnh.
- TT3: Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước ấm.
Nguyên lý làm việc của mô hình:
Nước lạnh từ COOLER TANK qua bơm IN PUMP đi theo hai nhánh. Nhánh thứ
nhất nước đi qua van tay MV4 qua bộ HEATER (bình nóng lạnh) chuyển thành nước
nóng đưa vào bình trộn WORKING TANK. Nhánh thứ hai là nước lạnh được bơm trực
tiếp đưa vào bình trộn. Nước nóng và nước lạnh được trộn với nhau theo một tỉ lệ thích
hợp để đảm bảo hai yêu cầu ổn định nhiệt độ và ổn định mức nước trong bình. Nước ấm
sau khi trộn sẽ được lấy qua nhánh ba rồi từ bơm OUT PUMP trở về COOLER TANK để
tạo thành một chu trình kín.
Mô hình trên là một hệ đa biến với 2 đầu vào là lưu lượng nước nóng và lưu lượng
nước lạnh và 2 đầu ra là nhiệt độ nước sau khi trộn và mức nước trong bình trộn.

9


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

2.2. Các thiết bị sử dụng trong mô hình
2.2.1. Các thiết bị chấp hành
a) Van điều khiển CV
Mô hình bàn thí nghiệm sử dụng 3 van điều khiển, là van điện có chốt xoay hình
trụ (ECV-250B-4X của hãng OMEGA).

Hình 2.2. Van điều khiển.
Thông số kỹ thuật của van điều khiển:

 Nguồn cấp: 12-24VDC
 Tín hiệu điều khiển: 4-20mA hoặc 1-5VDC.
 Cơ cấu chấp hành:
 Động cơ bước 200 bước/ vòng.
 tốc độ 45 vòng/phút.
 Kích thước ống: ½ NPT.
 Áp suất lớn nhất: 120 psi.
 Lưu lượng qua van lớn nhất (Ở áp suất 50 psi): 0.25l/s
 Nhiệt độ làm việc cho phép: -22°C đến 120°C.
 Công suất tiêu thụ lớn nhất: 23W.
b) Van từ
Van từ làm nhiệm vụ đóng mở nhanh dòng trong đường ống, bảo vệ chống tràn,
chống cạn bình. Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 van từ SV6003 của hãng OMEGA

10


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Hình 2.3. Van từ SV6003.
Thông số kỹ thuật của van từ:
 Kích thước ống: ½ inches (12,7mm).


Cv: 1,7.

 Thời gian nhả: 200ms.
 Thời gian hút: 500ms.
 Tần số hút-nhả: 50 lần/phút.
 Nguồn cấp cho cuộn hút: 110-120 VAC/50Hz.

 Công suất cuộn hút: 8W.
 Nhiệt độ làm việc: -10oC đến 137oC.
 Để điều khiển hoạt động đóng mở của van từ và các bơm ta sử dụng 5 rơ-le
điều khiển MY4N của hãng OMRON.

Hình 2.4. Hình ảnh rơ le.

11


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Thông số kỹ thuật của rơ-le MY4N:
 Có 4 cặp tiếp điểm thường đóng (NC), 4 cặp tiếp điểm thường mở (NO).
 Dòng đóng cắt: 5A.
 Nguồn cấp: 24VDC hoặc 110/220VAC.
2.2.2. Các thiết bị đo
a) Thiết bị đo mức
Mô hình thí nghiệm sử dụng cảm biến đo mức LVU-90 dựa theo phương pháp
siêu âm của hãng OMEGA.

Hình 2.5. Hình ảnh cảm biến mức.
Thông số kỹ thuật:
 Pham vi đo: 3,6 inches – 72 inches (9cm đến 183cm).
 Dải đo: 68,4 inches (174cm).
 Độ phân giải: 0,125 inches (3mm).
 Độ chính xác: ± 0,25% dải đo.
 Tín hiệu ra: 4-20mA hoặc 12-36VDC.
 Nhiệt độ làm việc: -40°C đến 60°C.

12


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Hình 2.6. Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển.
b) Thiết bị đo nhiệt
Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 nhiệt kế điện trở CF-000-RTD-4-60-2của hãng
OMEGA

Hình 2.7. Hình ảnh của cảm biến đo nhiệt.
Thông số kỹ thuật:
 Phạm vi đo: 2°C - 482°C.
 Dải đo: 480°C.
 Độ phân giải: 0,25°C.
 Độ chính xác: ± 0,25% dải đo.
 Tín hiệu ra: 4-20mA hoặc 12-36VDC.
 Kích thước que đo: 4 inches (10cm), chiều dài cáp 60 inches (1,5m).
 Que đo dạng thẳng, có kèm bộ Quick Disconnect.

13


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Hình 2.8. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect.
Đầu dây (+) của cảm biến đấu với đầu ra nguồn 24 VDC từ bộ điều khiển, đầu (-)
của cảm biến đấu với đầu vào 20 mA analog input của bộ điều khiển. Đầu GND là dây
nối đất bảo vệ.
c) Thiết bị đo lưu lượng

Mô hình thí nghiệm sử dụng lưu lượng kiểu phao FLR6302D của hãng OMEGA.

Hình 2.9. Hình ảnh của thiết bị đo lưu lượng của OMEGA.
Thông số kỹ thuật:
 Phạm vi đo: 0,2 – 2 gallon/phút.
 Dải đo: 1,8 gallon/phút.

14


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

 Độ phân giải: 0,02 gallon/phút.
 Độ chính xác: ± 2% dải đo.
 Nguồn cấp: 10-30VDC.
 Tín hiệu ra: 4-20mA hoặc 10-30VDC.
 Nhiệt độ làm việc -29°C đến 116°C.

Hình 2.10. Sơ đồ chức năng các chân của thiết bị đo mức.
Đầu (+) 4-20 mA được nối với chân cấp nguồn 24VDC cho cảm biến của bộ điều
khiển, còn đầu (-) 4-20 mA được nối với đầu vào tương tự của bộ điều khiển.
2.2.3. Các thiết bị khác
a) Bình nóng lạnh
Mô hình sử dụng bình nóng lanh của hãng ARISTON với các thông số kỹ thuật
như sau:
 Dung tích: 30 lít.
 Nguồn cấp: 220VAC, 50Hz.
 Công suất: 2500W.

Hình 2.11. Hình ảnh của bình nóng lạnh.

b) Bơm
Mô hình sử dụng bơm của hãng SELTON và hãng KUTA với thông số :

15