Nghiên cứu phát triển các module thí nghiệm điều khiển quá trình ứng dụng DCS centum CS 3000 tại trường đào tạo nhân lực dầu khí

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
____________________________

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
____________________________

NGUYỄN VĂN TRÁNG
NGUYỄN VĂN TOẢN
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC MODULE THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ỨNG DỤNG DCS CENTUM CS 3000
TẠI TRƯỜNG
ĐÀOTIẾN
TẠO HỆ
NHÂN
LỰC DẦU
NGHIÊN
CỨU CẢI
THỐNG
ĐIỀUKHÍ
KHIỂN

TỔ HỢP MÁY PHÁT ĐIỆN ГМС 14-41-120М 04 TẠI
CÁC GIÀN KHOAN CỦA LIÊN DOANH DẦU KHÍ
VIETSOVPETRO
CHUYÊN NGÀNH
: ĐIỀU KHIỂN .TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ : 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS .TS. THÁI DUY THỨC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS .TS. HOÀNG MINH SƠN
HÀ NỘI - 2006

HÀ NỘI - 2008


Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành đề tài này, tác giả bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới PGS.TS
Hoàng Minh Sơn – Bộ môn Điều khiển tự động-Trường Đại Học Bách khoa
Hà Nội, đã trực tiếp định hướng và tận tình hướng dẫn tác giả thực hiện đề tài
này; tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Điều
khiển tự động -Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn nhiệt tình trang bị
những kiến thức quý báu cần thiết cho đề tài; tác giả xin chân thành cảm ơn
tới Ban Giám Hiệu và các đồng nghiệp Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi và hết lòng giúp đỡ, tư vấn những kiến thức
chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài.
Mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai
sót do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm, rất mong
nhận được những góp ý, phê bình từ các thầy cô và đồng nghiệp.

Vũng Tàu, tháng 4 năm 2008
Tác giả


Trang 3

MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. 2
MỤC LỤC

................................................................................................. 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................... 5
MỞ ĐẦU

................................................................................................. 8

CHƯƠNG I

KHẢO SÁT VÀ TIẾN HÀNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO
CÁC MODULE THÍ NGHIỆM HIỆN CÓ .......................... 16

1.1 Xây dựng mô hình cho module thí nghiệm điều khiển lưu lượng ........ 17
1.2 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển mức .............. 20
1.4 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển áp suất ........... 30
1.5 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển tỉ lệ ................ 34
CHƯƠNG II

THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MODULE THÍ
NGHIỆM VỚI CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN KHÁC
NHAU ................................................................................... 38

2.1 Các sách lược điều khiển cơ sở ............................................................. 38
2.1.1 Điều khiển truyền thẳng ................................................................ 38
2.1.2 Điều khiển phản hồi ...................................................................... 39
2.1.3 Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng.................................... 41
2.1.4 Điều khiển tầng ............................................................................ 41
2.2 Thiết kế module thí nghiệm điều khiển tầng cho quá trình mức-lưu
lượng............................................................................................................ 42
2.2.1 Mục đích........................................................................................ 42
2.2.2 Xây dựng mô hình......................................................................... 43
2.2.3 Sơ đồ khối và mô hình hàm truyền đạt ......................................... 45
2.2.4 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm. ........................................................... 46


Trang 4

2.3 Thiết kế module điều khiển tầng cho quá trình nhiệt độ-lưu lượng...... 47
2.3.1 Mục đích........................................................................................ 47
2.3.2 Xây dựng mô hình......................................................................... 47
2.3.3 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt ....................................................... 52
2.3.4 Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................... 53
2.4 Thiết kế module thí nghiệm điều khiển đối tượng hai vào-hai ra ......... 54
2.4.1 Mục đích........................................................................................ 54
2.4.2 Xây dựng mô hình......................................................................... 55
2.4.3 Thiết kế sách lược điều khiển ....................................................... 57
2.4.4 Sơ đồ khối và mô hình hàm truyền đạt ......................................... 62
2.4.5 Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................... 65

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MẾM CENTUM CS
3000 VÀO ĐIỀU KHIỂN CÁC MODULE THÍ NGHIỆM. 67
3.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển phân tán................................ 67
3.1.1 Cấu trúc của hệ thống điều khiển phân tán tại phòng thí nghiệm. 68
3.1.2 Chức năng điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán ............. 70
3.1.3 Chức năng thiết kế điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán 72
Các chức năng thiết kế chuẩn: ............................................................... 72
3.2 Thiết kế điều khiển cho các module thí nghiệm trên Centum CS3000. 74
3.2.1 Thiết kế điều khiển trong Control Drawring Builder ................... 76
3.2.2 Soạn thảo các màn hình vận hành và giám sát.............................. 78
CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..................................... 81
4. 1 Tổng quan về các phương pháp thực nghiệm. ..................................... 81
4.2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng. ...................................................... 83


Trang 5

4.3 Áp dụng phương pháp thực nghiệm dựa trên đáp ứng quá độ để xác
định các tham số mô hình và chỉnh định bộ điều khiển PID theo phương
pháp Dahlin ................................................................................................. 83
4.3.1 Nhận dạng đối tượng trên cơ sở đáp ứng quá độ)......................... 83
4.3.2 Tính toán tham số bộ điều khiển PID theo phương pháp Dahlin . 84
4.3.3 Tiến hành thực nghiệm cho module điều khiển mức- lưu lượng.. 85
4.3.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm ...................................................... 93
4.4 Đánh giá chung về hiệu quả của các bài thí nghiệm ............................. 93
KẾT LUẬN

............................................................................................... 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 101
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
Hình 1 Mô hình vật lý của phòng thí nghiệm .................................................. 9
Hình 2 Các bước thực hiện đề tài................................................................... 12
CHƯƠNG 1
Hình 1.1 Lưu đồ P&ID cho điều khiển lưu lượng .......................................... 17
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho điều khiển lưu lượng ....................... 18
Hình 1.3 Lưu đồ P&ID của module thí nghiệm điều khiển mức.................... 21
Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống hở .................................................................... 24
Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ kín ............................................................................. 25
Hình 1.6 Lưu đồ P&ID của Mudule thí nghiệm điều khiển nhiệt độ ............. 26
Hình 1.7 Lưu đồ P&ID cho module thí nghiệm điều khiển áp suất ............... 31
Hình 1.8 Lưu đồ P&ID cho điều khiển tỷ lệ................................................... 35


Trang 6

CHƯƠNG 2
Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng ............................. 38
Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi .................. 39
Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi kết hợp với truyển
thẳng ................................................................................................................ 41
Hình 2.4 Cấu trúc truyền thống của điều khiển tầng ..................................... 42
Hình 2.5 Sơ đồ P&ID cho điều khiển mức-lưu lượng ................................... 43
Hình 2.6 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt cho điều khiển mức-lưu lượng........ 45
Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm điều khiển mức – lưu lượng ............................... 47
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tầng cho qua trình nhiệt độ-lưu lượng .. 50
Hình 2.9 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt cho quá trình ................................... 52
Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm điều khiển hỗn hợp nhiệt độ -lưu lượng ........... 53

Hình 2.11 Bình trộn và các biến quá trình ..................................................... 55
Hình 2.12 Sơ đồ khối các biến quá trình........................................................ 57
Hình 2.13 Cấu trúc kết hợp sách lược phản hồi với bù nhiều ....................... 58
Hình 2.14 Sách lược điều khiển phản hồi cho quá trình mức........................ 58
Hình 2.15 Sách lược điều khiển phản hồi cho quá trình nhiệt độ.................. 59
Hình 2.16 Kết hợp giữa điều khiển tỷ lệ và điều khiển phản hồi .................. 60
Hình 2.17 Cấu trúc và sách lược điều khiển cho đối tượng hai vào – hai ra. 62
Hình 2.18 Mô hình hệ thống điều khiển thiết bị trộn..................................... 63
Hình 2.19 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt cho điều khiển quá trình mức ....... 64
Hình 2.20 Sơ đồ khối và hàm truyền đạt cho quá trình điều khiển nhiệt độ . 65
Hình 2.21 Sơ đồ P&ID cho module thí nghiệm............................................. 66


Trang 7

CHƯƠNG 3
Hình 3.1 Mô hình phân cấp tổ chức hệ điều khiển phân tán ......................... 68
Hình 3.2 Trạm điều khiển hiện trường loại compact FFCS .......................... 69
Hình 3.3 Cấu trúc hệ DCS sử dụng tại phòng thí nghiệm ............................. 69
Hình 3.4 Bản vẽ sách lược điều khiển tầng cho quá trình mức-lưu lượng .... 77
Hình 3.5 Bản vẽ sách lược điều khiển tầng cho quá trình mức-lưu lượng .... 77
Hình 3.6 Bản vẽ sách lược điều khiển cho đối tượng hai vào-hai ra............. 78
Hình 3.7 Màn hình vận hành cho module điều khiển quá trình mức-lưu lượng
......................................................................................................................... 79
Hình 3.8 Màn hình vận hành cho module điều khiển nhiệt độ-lưu lượng...... 79
Hình 3.9 Màn hình vận hành cho module điều khiển đối tượng hai vào-hai ra .
......................................................................................................................... 80
CHƯƠNG 4
Hình 4.2 Đường cong đáp ứng của đối tợng điều khiển ................................. 84
Hình 4.3 Đường cong đáp ứng cho đối tượng điều khiển của FIC061........... 86

Hình 4.5 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển của FIC061(P=196, I=6) .......... 88
Hình 4.6 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển của FIC061(P=250, I=6) .......... 88
Hình 4.7 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển của FIC061(P=300, I=6) .......... 88
Hình 4.8 Đáp ứng cho đối tượng điều khiển của FIC061(P=250, I=5) .......... 89
Hình 4.9 Đáp ứng đường cong cho đối tượng điều khiển của LIC061 .......... 90
Hình 4.9 Đáp ứng quá trình ứng với tham số PB=24, TI=500......................... 90
Hình 4.9 Đáp ứng quá trình ứng với tham số PB=40, TI=500......................... 90


Trang 8

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí là một đơn vị thành viên của Tập đoàn Dầu
khí Quốc gia Việt Nam. Trải qua hơn 30 năm hoạt động, Trường đã đào tạo,
bồi dưỡng cho hơn 55.000 lượt học viên với trên 70 chương trình đào tạo
khác nhau. Kết qủa đó đã góp phần quan trọng vào sự phát triển nguồn nhân
lực của ngành Dầu khí Việt Nam.
Trong những năm gần đây, Ngành Dầu khí Việt Nam đang phát triển rất
mạnh mẽ từ khâu thượng nguồn, đến trung nguồn và hạ nguồn. Hàng loạt các
dự án đã và đang triển khai trong các lĩnh vực thăm dò, tìm kiếm, khai thác,
vận chuyển, chế biến, phân phối v.v…Nhiều nhà máy khâu hạ nguồn được
triển khai thực hiện, như nhà máy lọc dầu Dung Quất, khu liên hiệp lọc hoá
dầu Nghi Sơn, Long Sơn, Cụm khí điện đạm Cà Mau. Các nhà máy được xây
dựng với các dây truyền sản xuất rất hiện đại và mức độ tự động hóa cao đã
tạo ra nhu cầu rất lớn về đào tạo và phát triển nguồn nhân lực đặc biệt là
nguồn nhân lực về tự động hoá.
Xuất phát từ thực tế đó, Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí đã được Tập đoàn
Dầu khí Quốc gia Việt Nam cấp kinh phí đầu tư xây dựng một phòng thí
nghiệm tự động hoá vào năm 2000. Để mô phỏng một hệ thống điều khiển

quá trình hiện đại giống như các hệ thống điều khiển quá trình thực tế trong
các nhà máy hiện nay, phòng thí nghiệm được trang bị một hệ thống điều
khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán (DCS - Distributed Control System)
của hãng YOKOGAWA ( DCS CENTUM CS 3000 - đây là hệ thống điều
khiển phân tán đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá


Trang 9

trình của các nhà máy hiện nay), cùng với mô hình vật lý thể hiện một nhà
máy thu nhỏ ( Advanced Integrated Plant Model) được minh họa trên Hình 1.

Hình 1 Mô hình vật lý của phòng thí nghiệm
Cấu trúc vật lý của mô hình nhà máy thu nhỏ là một mô đun (Main Unit)
được thiết kế và xây dựng cho mục đích đào tạo, nghiên cứu phát triển trong
lĩnh vực đo lường và điều khiển quá trình, để mô phỏng được các quá trình
điều khiển lưu lượng, mức, áp suất và nhiệt độ giống như việc điều khiển các
biến quá trình ở các nhà máy trong ngành công nghiệp chế biến, mô đun này


Trang 10

đựơc trang bị bao gồm một hệ thống ống dẫn nước tuần hoàn từ bình thu hồi
tới bình trộn, khối lượng và năng lượng của nước truyền đi được điều khiển
bởi hai máy bơm nước P1 và P2. Bộ phận tạo ra nhiệt lượng thay đổi để điều
khiển nhiệt độ là hai hệ thống phụ Heating unit và Cooling unit được kết nối
sẵn sàng với mô đun chính. Các thiết bị đo (Sensor, Transmiter) và phần tử
chấp hành (Control valve) đều được tích hợp trên cùng một mô đun chính, tín
hiệu truyền dẫn giữa các thiết bị này là các tín hiệu 4-20 mA hoặc 1-5 V
theo chuẩn ISA. Mỗi khi sử dụng các module thí nghiệm cho các bài toán

điều khiển khác nhau ta chỉ việc thay đổi vị trí của các van tay trên đường ống
là thay đổi được cấu trúc vật lý phù hợp với module thí nghiệm đã thiết kế.
Như vậy mô hình vật lý của nhà máy có cấu trúc tích hợp đa năng, rất tiện lợi
và linh hoạt cho việc phát triển, mở rộng.
Các bài thực hành được thiết kế xoay quanh các lĩnh vực điều khiển quá trình
thực tế tại các nhà máy như: Đo và điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,
mức chất lỏng…Học viên được trang bị các kỹ năng bao gồm hiệu chuẩn các
thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của bộ điều khiển, thử nghiệm từng
vòng điều khiển… học viên sử dụng một cách thành thạo các chức năng vận
hành, giám sát nhà máy thông qua các trạm giao diện HIS (Human Interface
Station) của hệ thống điều khiển phân tán Centum CS 3000.
Với phòng mô hình này Trường đã đào tạo nhiều khoá vận hành, bảo trì, thiết
kế hệ thống DCS cho các dự án lớn kể cả trong và ngoài ngành Dầu khí như:
dự án nhà máy đạm Phú Mỹ, nhựa Phú Mý, nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà
máy Supe phốt phát Lâm Thao, nhà máy điện Hiệp Phúc, Bluescope Steel,….
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, ngành Dầu
khí Việt Nam đã có bước phát triển vượt bậc, hàng loạt các nhà máy chế biến,
lọc hoá dầu đã và đang gấp rút triển khai xây dựng. Bên cạnh sự phát triển


Trang 11

của kỹ thuật và thiết bị, yêu cầu về nhân lực tự động hoá là một trong những
mối quan tâm lo lắng của các nhà đầu tư trong nước cũng như các nhà đầu tư
nước ngoài tại thị trường Việt Nam. Thực tế cho thấy các nhà máy có công
nghệ tự động hoá hiện đại đang phải thuê các chuyên gia nước ngoài thực
hiện việc thiết kế lắp đặt, vận hành giai đoạn đầu và kể cả công tác bảo dưỡng
sau này. Đứng trước tình hình đó, nhiệm vụ của công tác đào tạo đội ngũ kỹ
sư công nghệ cũng như các kỹ sư đo lường điều khiển và tự động hoá hiện
nay không chỉ là trang bị cho họ những vấn đề cơ bản cho việc làm chủ các hệ

thống đã được xây dựng, mà còn cung cấp cho người kỹ sư những kiến thức
nền tảng để có thể tham gia cùng thực hiện các nhiệm vụ phát triển và tích
hợp hệ thống mới. Vì vậy việc nghiên cứu phát triển các module thí nghiệm
điều khiển quá trình tại Trường Đào tạo Nhân lực Dầu khí có ý nghĩa thiết
thực đối với yêu cầu đào tạo hiện nay.
2. Mục tiêu đề tài
- Phát triển được một số module thí nghiệm về các sách lược điều khiển khác
nhau, ứng dụng hệ điều khiển DCS CENTUM CS 3000 tại Trường Đào tạo
Nhân lực Dầu khí.
3. Nhiệm vụ của đề tài
- Trên cơ sở nghiên cứu hệ thống mô hình vật lý và sơ đồ các module thí
nghiệm hiện có, tiến hành xây dựng mô hình toán học cho các module thí
nghiệm
- Thiết kế một số module thí nghiệm với các cấu trúc điều khiển khác nhau và
các sách lược điều khiển phù hợp như: Phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ, tầng,…trên
hệ DCS CENTUM CS3000 và mô hình vật lý
- Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của các module thí nghiệm


Trang 12

4. Phương pháp thực hiện.
Phương pháp thực hiện của đề tài này là thiết kế và phát triển hệ thống thí
nghiệm trên cơ sở mô hình, áp dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và
thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết giúp ta có được cấu trúc mô hình cũng
như cơ sở cho việc thiết kế sách lược và lựa chọn kiểu bộ điều khiển. Bước
nhận dạng tiếp theo sẽ cho ta các tham số của mô hình, từ đó xác định được
các tham số cho bộ điều khiển, tiến hành thực nghiệm trên CENTUM CS
3000 và mô hình vật lý nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng điều khiển trước khi
đi vào vận hành. Các bước thực hiện được cụ thể hoá như trên Hình 2.

1. Khảo sát các module
thí nghiệm hiện có

2. Xây dựng mô hình
cho các module
thí nghiệm

3. Thiết kế cấu trúc điều
khiển cho các module
thí nghiệm

4. Thiết kế thuật toán điều
khiển cho các module
thí nghiệm

5. Thiết kế điều khiển trên
phần phần mềm ứng dụng
CEMTUM CS 3000

6. Thử nghiệm và
đánh giá kết quả

Hình 2 Các bước thực hiện đề tài


Trang 13

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều
khiển trong ngành công nghiệp chế biến. Do vậy, đối tượng điều khiển quá

trình cũng rất rộng rãi. Cơ sở phương pháp luận cho thiết kế hệ thống điều
khiển quá trình đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và áp dụng hiệu quả
vào sản xuất từ hơn nửa thế kỷ qua. Vì vậy, đề tài không đi vào phân tích cơ
sở lý thuyết của điều khiển quá trình mà tập trung ứng dụng của lý thuyết điều
khiển quá trình để phân tích, tổng hợp nhằm xây dựng hệ thống thí nghiệm cụ
thể. Tuy nhiên trong khuôn khổ cho phép, đề tài chỉ giới hạn nội dung nghiên
cứu với các bài toán điều khiển đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế
biến dầu khí của nước ta hiện nay.
6. Nội dung luận văn
Nội dung chính của luận văn được phân bố thành 4 chương có cấu trúc như
sau:
Chương I: Khảo sát và tiến hành xây dựng mô hình cho các Module thí
nghiệm hiện có
Chương này tiến hành xây dựng mô hình toán học cho các Module thí nghiệm
có sẵn bằng phương pháp lý thuyết, viết các phương trình mô hình dựa trên cơ
sở các định luật bảo toàn, định luật nhiệt động học,…Đơn giản hoá mô hình
bằng cách thay thế, rút gọn, tuyến tính hóa và đưa về dạng mô hình hàm
truyền đạt.
Chương II: Thiết kế và phát triển một số module thí nghiệm với các sách
lược điều khiển khác nhau
Trên cơ sở mô hình toán học nhận được ta dựa vào các kết quả phân tích để
tìm ra các tính chất quan trọng của quá trình như mức độ tương tác, tính ổn


Trang 14

định và tính điều khiển được để thiết kế các cấu trúc, sách lược và thuật toán
điều khiển khác nhau nhằm phát triển thêm một số module thí nghiệm mới.
Chương III: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CENTUM CS 3000 vào điều
khiển các module thí nghiệm

Chương này giới thiệu tổng quan về hệ Điều khiển phân tán DCS CENTUM
CS 3000 đang được sử dụng tại phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, do khuôn khổ
giới hạn của luận văn phần này chỉ tập trung vào chức năng thiết kế điều
khiển để thử nghiệm cho các Mudule thí nghiệm.
Chương IV: Thử nghiệm và đánh giá kết qủa bằng phương pháp thực
nghiệm
Chương này trình bày phương pháp thực nghiệm trên hệ DCS CENTUM CS
3000 và mô hình vật lý để nhận dạng tìm ra các tham số mô hình và tính toán
các tham số để chỉnh định cho bộ điều khiển trước khi đưa các module thí
nghiệm vào vận hành.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Thực tế cho thấy hiện nay hầu hết các kỹ sư đang làm việc tại các nhà máy có
công nghệ tự động hóa hiện đại chủ yếu thực hiện công việc của người vận
hành nhà máy. Trong khi đó, việc thiết kế, lắp đặt, vận hành giai đoạn đầu đều
phải thuê các chuyên gia của nước ngoài. Đứng trước tình hình đó, nhiệm vụ
của công tác đào tạo đội ngũ kỹ sư công nghệ cũng như các kỹ sư đo lường
điều khiển và tự động hoá hiện nay không chỉ là trang bị cho họ những vấn đề
cơ bản cho việc làm chủ các hệ thống đã được xây dựng, mà còn cung cấp
cho người kỹ sư những kiến thức nền tảng để có thể tham gia cùng thực hiện
các nhiệm vụ phát triển và tích hợp hệ thống mới.
Các bài thực hành trên các module thí nghiệm có ý nghĩa thiết thực trong
công tác đào tạo và phát triển nguồn nhân lực về tự động hóa cho xã hội nói


Trang 15

chung cũng như cho Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam nói riêng. Đề tài
này giải quyết được phần nào những khó khăn chung hiện nay đối với các cơ
sở đào tạo là thiếu về phương tiện và thiết bị đào tạo thực hành tay nghề, đặc
biệt là lĩnh vực đào tạo trước tuyển dụng cho các dự án của Tập đoàn Dầu khí

Quốc gia Việt nam trong giai đoạn mới hiện nay.


Trang 16

CHƯƠNG I
KHẢO SÁT VÀ TIẾN HÀNH XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO
CÁC MODULE THÍ NGHIỆM HIỆN CÓ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển
hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ
hoặc trong một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể
chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng
cũng có thể phức tạp như một tổ hợp lò phản ứng tháp chưng luyện hoặc một
tổ hợp lò hơi turbin. Trong các quá trình này có các thông số cần điều khiển
hay gọi là các đại lượng điều khiển như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức
vật chất là các đại lượng cần điều khiển thông dụng nhất. Trên cơ sở đó hệ
thống thí nghiệm được thiết kế xoay quanh các lĩnh vực điều khiển quá trình
thực tế tại các nhà máy như: Đo và điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,
mức chất lỏng.
Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của
người kỹ sư. Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu
tượng hoá vấn đề và vì thế đơn giản cách giải quyết ([1]). Nhiệm vụ của
chương này là khảo sát lại các module thí nghiệm hiện có, tìm hiểu lưu đồ
công nghệ (sơ đồ thí nghiệm đã được thiết kế), từ đó xây dựng mô hình toán
học cho các module thí nghiệm bằng phương pháp lý thuyết. Dựa trên các
định luật vật lý và hoá học cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết
bị công nghệ, ta tiến hành xây dựng mô hình để có được các phương trình
toán học mô tả đặc tính động và tĩnh của quá trình. Đó chính là cơ sở cho các
bước thiết kế cấu trúc, sách lược và thuật toán điều chỉnh kế tiếp.

Trang 17

1.1 Xây dựng mô hình cho module thí nghiệm điều khiển lưu lượng
Hệ thống điều khiển lưu lượng là hệ thống được ứng dụng rất rộng rãi trong
thực tế để điều khiển các dòng sản phẩm đi vào, ra khỏi một đối tượng như
các dòng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của một tháp chưng luyện trong nhà
máy lọc dầu, các đường hơi vào lò phản ứng hay turbin nồi hơi, các đường
nguyên liệu vào/ra, các đường vận chuyển trong các nhà máy chế biến,…
Module thí nghiệm điều khiển lưu lượng có lưu đồ P&ID như trên Hình 1.1.

Hình 1.1 Lưu đồ P&ID cho điều khiển lưu lượng
Trong Lưu đồ này lưu lượng (PV) được đo bằng một thiết bị đo lưu lượng
(FT-01), tín hiệu ra của thiết bị đo lưu lượng đã được chuyển đổi sang tín hiệu
dòng chuẩn 4-20mA và được gửi về bộ điều khiển, bộ điều khiển với thuật
toán điều khiển PID sẽ so sánh giá trị đo được với giá trị đặt (SV) và tạo ra tín
hiệu điều khiển (MV) gửi tới phần tử chấp hành (control valve) thông qua bộ
biến đổi điện tử/khí nén (4-20 mA/3-15 psi) để điều chỉnh lưu lượng theo ý
muốn. Với sách lược điều khiển phản hồi đơn giản này ta nhận thấy biến cần
điều khiển và biến điều khiển ở đây đều là độ mở của van. Nguồn nhiễu gây
ra đối với quá trình này có thể kể đến như áp suất thay đổi trên đường ống (do


Trang 18

sử dụng máy bơm), độ trễ và độ dịch của ti van, ma sát chốt van, độ giảm áp
do van gây ra,…Trên thực tế mối quan hệ giữa lưu lượng F(t) với các nguồn
nhiễu trên là phi tuyến, để đơn giản hóa khi xây dựng mô hình ta bỏ qua
những khía cạnh này, chẳng hạn như hàm truyền đạt của thiết bị đo và van

điều khiển đều được xấp xỉ về các khâu quán tính bậc nhất. Vì vậy, các phần
tử trong hệ thống tạo thành sơ đồ điều khiển có cấu trúc như trên Hình 1.2.
Trong đó các biến :
CV: Hệ số van điều khiển
cv= CV-CV0; CV0 là hệ số van ở thời điểm ban đầu
F(t): Lưu lượng (m3/s)
f (t)= F(t)-F0 ; trong đó F0 là giá trị lưu lượng ở thời điểm ban đầu
X(t): Khoảng di chuyển của ti van (m)
x(t) = X(t)-X0
SV(t): Giá trị đặt (m3/s)
sv(t)= [ SV(t) –SV0]/dải đo (%)
MV(t) : Biến điều khiển (%)
mv(t)=MV(t) –MV0
PV(t): Biến được điều khiển
pv(t)= [PV(t) –PV0]/dải đo
DV(t)= PV(t)-SV(t)
sv

+
-

pv(s)

K4
τ 4S +1

f(s)

Σ

K3
τ 3S + 1

PID

cv(s)

K

mv(s

x(s)

K1

τ 1S + 1

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho điều khiển lưu lượng


Trang 19

Trong đó:

[(

K3
τ 3s + 1

K1

) ] : là hàm truyền đạt của các bộ phận trong van điều
τ 1s + 1

)( K 2 )(

khiển đã được xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất.

[

K4
τ 4s + 1

] : là hàm truyền đạt của bộ cảm biến và bộ truyền tín hiệu đã được

xấp xỉ về một khâu quán tính bậc nhất.
PID: là bộ điều khiển
K1 , K 2 , K 3 ,τ 1 ,τ 3 : là các hệ số khuếch đại và hằng số thời gian quán tính của

các bộ phận định vị, dẫn động, bộ chuyển đổi I/P do van tạo ra.
Thành phần K 4 ,τ 4 : là do phần tử cảm biến tạo ra.
Từ sơ đồ trên ta có:
pv(s) =

(

K4
τ 4s + 1

)(

K3
τ 3s + 1

K1
) mv(s)
τ 1s + 1

)( K 2 )(

(1.1)

Hệ thống gồm các khâu quán tính bậc nhất nối tiếp, nên để xác định thông số
của hệ thống ta dùng phương pháp xấp xỉ hệ thống theo mô hình quán tính
bậc nhất có trễ FOPDT, (tài liệu tham khảo [1]) như (1.2)
pv(s) ≈ (

K pe−L S
P

τ Ps + 1

)mv( s)

(1.2)

pv(s) ≈ G p ( s )mv( s )

pv( s )
G p ( s) =
≈

mv( s )

K pe−L S
P

τ Ps + 1

K P : Hệ số khuếch đại của đối tượng điều khiển
LP : Thời gian trễ của đối tượng (sec.)

τ P : Thời gian quán tính của đối tượng (sec.)
Quan hệ (1.3) là khâu quán tính bậc nhất có trễ.

(1.3)


Trang 20

1.2 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển mức

Bình chứa là một đối tượng rất quan trọng và thông dụng trong các hệ thống
điều khiển quá trình. Bài toán điều khiển đặt ra cho mọi bình chứa là duy trì
trữ lượng vật liệu trong bình tại một giá trị hoặc trong một phạm vi mong
muốn, tuỳ theo chức năng sử dụng của bình chứa. Đại lượng cần quan tâm đối
với hệ thống bình chứa chất lỏng (tank) là giá trị mức hoặc thể tích. Đối với
bình chứa chất khí hoặc thể hơi (vessel) ta quan tâm tới áp suất, đối với bình
chứa chất rắn (tank, silo) ta quan tâm tới mức hoặc khối lượng vật liệu. Trong
thực tế bình chứa có những chức năng sau đây về mặt công nghệ:
•

Bình chứa quá trình: Tạo không gian và thời gian thực hiện các quá trình
công nghệ (quá trình phản ứng, quá trình trộn, quá trình bay hơi, …)

•

Bình chứa trung gian: Giảm tương tác giữa các quá trình kế tiếp nhau (ví
dụ biến ra của một quá trình này là biến vào của quá trình kế tiếp), giảm
thiểu sự biến thiên trong các đại lượng đầu vào (ví dụ lưu lượng, nhiệt độ
hoặc thành phần nhiên liệu), giúp quá trình vận hành trơn tru và dễ điều
khiển hơn.

•

Bình chứa cấp chất lỏng: Đảm bảo cột áp để duy trì hoạt động bình thường
cho các máy bơm cấp.

Đối với một bình chứa chất lỏng có chức năng trung gian để giảm tương tác
và giảm nhiễu, mục đích điều khiển sẽ là đảm bảo hệ thống vận hành ổn định,
trơn tru và an toàn. Như vậy giá trị mức trong bình chỉ cần được khống chế
trong một phạm vi an toàn (điều khiển lỏng, loose control, averaging control).
Ngược lại, với vai trò là bình chứa quá trình thì giá trị mức hầu hết phải được
duy trì chính xác tại một giá trị đặt ( điều khiển chặt, tight control).
Module thí nghiệm điều khiển mức cho bình chứa có lưu đồ được thiết kế như
trên hình 1.3


Trang 21

Hình 1.3 Lưu đồ P&ID của module thí nghiệm điều khiển mức
Vai trò ổn định hệ kín của điều khiển phản hồi được minh họa một cách đơn

giản qua thí nghiệm này. Thiết bị đo mức(LT-01) có nhiệm vụ đo mức trong
bình chứa, chuyển thành một tín hiệu chuẩn (4-20mA) và truyền về bộ điều
khiển. Bộ điều khiển mức (LIC-02) so sánh giá trị đo được với giá trị đặt
mong muốn (SV) và tính toán giá trị ra tỉ lệ với giá trị sai lệch này. Tín hiệu
điều khiển được đưa tới van điều khiển để thay đổi độ mở tỉ lệ theo sai lệch.
Qua phân tích mục đích điều khiển và tìm hiểu lưu đồ công nghệ, ta có thể
thấy ngay biến cần điều khiển là giá trị mức H. Đại lượng H liên quan tới sự
vận hành ổn định và an toàn của hệ thống. ta cũng dễ dàng nhận ra lưu lượng
Fd, Fi, Fo, là những biến vào, trong đó Fi là biến điều khiển, lưu lượng ra Fo
phụ thuộc vào yêu cầu quá trình tiếp theo, vì vậy được coi là nhiễu.


Trang 22

Để tiến hành xây dựng mô hình toán học cho module này ta ký hiệu cho các
biến như sau:
Fi

:

Lưu lượng chất lỏng vào bồn được điều khiển(m3/phút)

Fd

:

Lưu lượng chất lỏng vào bồn gây nhiễu loạn (m3/phút)

F0

:

Lưu lượng chất lỏng ra khỏi bồn (m3/phút)

H

:

Chiều cao của dung dịch trong bồn (m)

D

:

Khoảng cách giữa van điều khiển và điểm vào bồn chứa (m)

R

:

Hệ số cản thuỷ lực của chất lỏng qua van xả ra (/m2)

MV(t) :

Biến điều khiển tại thời điểm (t)

MVS (t ) :

Biến điều khiển ở trạng thái xác lập

PV(t) :

Biến được điều khiển tại thời điểm (t)

PVS (t ) :

Biến được điều khiển ở trạng thái xác lập

mv(t)

=

MV(t)- MVS (t )

pv(t)

=

PV(t)- PVS (t )

h(t)

=

H(t)- H S (t )

Ta có phương trình cân bằng của dòng chất lỏng đi ra khỏi bồn như sau:

Fo = H

(1.4)

R

Phương trình cân bằng về khối lượng của chất lỏng đi vào bồn và đi ra khỏi
bồn được viết như sau:
A

dH
= Fi + Fd − Fo
dt

= Fi + Fd −

A

H
R

dH H
+
= Fi + Fd
dt
R


Trang 23

AR

dH
+ H = RFi + RFd
dt

(1.5)

trong đó:
A

:

Tiết diện của bồn .

Fis

:

Lưu lượng vào qua van ở trạng thái xác lập

Fds

:

Lưu lượng đường vào tự do ở trạng thái xác lập.

Hs

:

Chiều cao dung dịch trong bồn ở trạng thái xác lập.

Ở trạng thái xác lập phương trình (1.5) viết lại như sau:
AR

dH
+ Hs
dt

Trong trạng thái xác lập ta có

= RFIs + RFds

(1.6)

dH S
=0
dt

Trừ (1.5) cho (1.6) ta được:
AR

d (H − H s)
dt

+ ( H - H s ) = R( Fi − Fis )+ R ( Fd − Fds )

(1.7)

Gọi giá biến chênh lệch so với trạng thái xác lập:
h = H − Hs

(1.8)

f i = Fi − Fis

(1.9)

f d = Fd − Fds

(1.10)

Thay (1. 8), (1.9) và (1.10) vào phương trình (1.7) ta được:
AR

dh
+ h = Rf i + Rf d
dt

Biến đổi Laplace ta được:
ARSh(s) +h(s) = RFi ( s ) + RFd ( s ) ,với S là biến phức.
h(s)(ARS+1)
h(s)=

= RFi ( s ) + RFd ( s)

R
R
f i (s) +
f d (s)
ARs + 1

ARs + 1


Trang 24

Đặt τ 1 =AR và K H =R ta có:
h(s)=

KH
KH
fi (s) +
f (s)
τ 1s + 1
τ 1s + 1 d

(1.12)

Quan hệ của mv(s) với f i (s ) và h với pv có thể được đơn giản hoá như sau:

f i (s ) ≈

KV − Ls
e mv( s )
τ 2s + 1

L≈

Với L là thời gian trễ:

D

Fi

(1.13)

KV : hệ số của van.
pv(s ) ≈

KT
h( s )
τ 3s + 1

pv(s ) = (

KH
τ 1s + 1

(1.14)

)(

KV
τ 2s + 1

)(

KT
)e − Ls mv( s) + ( K H
τ 3s + 1
τ 1s + 1

) f d ( s)

(1.15)

Mô hình hàm truyền đạt (1.15) của quá trình được biểu diễn dưới dạng sơ đồ
khối trên Hình 1.4.
fd(s)
KH

τ 1s + 1

Gp(s)
mv(s)

(

KH
τ 1s + 1

)(

KV
τ 2s +1

)(

KT
τ 3s +1

)

+

+

Gd(s)
pv(s)

Σ

Hình 1.4 Sơ đồ khối biểu diễn quá trình
Hàm truyền G P (S) như trên bao gồm đặc tính của van điều khiển CV1, cảm
biến, bộ truyền tín hiệu (Transmitter), bình chứa. Để đơn giản hóa ta áp dụng


Trang 25

phương pháp xấp xỉ mô hình hệ thống theo mô hình quán tính bậc nhất có trễ
FOPDT(First-Order Plus Dead -Time) [1] như sau:

KH
GP (s ) = (
τ 1s + 1

)(

KV
τ 2s + 1

)(

K P e − LpS
KT
− Ls
)e mv( s) =
τ 3s + 1
τ Ps +1

(1.16)

Trong đó:

K P : Hệ số khuếch đại của đối tượng điều khiển
LP : Thời gian trễ của đối tượng (sec.)

τ P : Thời gian quán tính của đối tượng (sec.)
Đối với hệ thống kín:

sv +

e
Σ

Gc(s)

mv

Gp(s)

pv

-

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ kín
Từ sơ đồ ta có:

pv ( s )
GC ( s ).GP ( s )
=
sv ( s ) 1 + GC ( s ).GP ( s )

(1.17)

1.3 Xây dựng mô hình cho Module thí nghiệm điều khiển nhiệt độ

Trong công nghiệp nhiệt độ là một trong những biến công nghệ được đo và
điều khiển thường xuyên nhất, Nhiệt độ của nguyên vật vật liệu để đánh giá
các khía cạnh khác nhau của một quá trình xử lý. Ví dụ nhiệt độ có thể được
dùng để:
•

Xác định điểm cuối của các phản ứng hoá học hay tốc độ phản ứng

•

Bảo đảm rằng các chất bôi trơn còn làm việc hiệu quả