KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
TRONG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Nguyễn Đình Lâm
Trường Đại học Bách khoa
Đại học Đà Nẵng




4


MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

1. Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định: đảm bảo các điều kiện vận hành
bình thường, thuận tiện, kéo dài tuổi thọ của máy móc, thiết bị.
2. Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy
móc, thiết bị và môi trường.
3. Bảo vệ môi trường: giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải,
nước thải, giảm bụi, sử dụng tiết kiệm và hợp lý nguyên liệu và nhiên
liệu.
4. Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công,
nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của
thị trường.
5. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản
xuất theo ý muốn, bảo đảm các thông số chất lượng sản phẩm trước
các biến nhiễu thường xuyên trong quá trình sản xuất.


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình và các biến quá trình
Quá trình:
- Quá trình: là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc sinh học, trong
đó vật chất, năng lượng, thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
- Quá trình công nghệ: là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển
hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong dây chuyền công nghệ hoặc nhà
máy sản xuất năng lượng.
- Quá trình kĩ thuật: là quá trình với các đại lượng kĩ thuật được đo hoặc/và

được can thiệp.
QTKT=QTCN+các phương tiện kĩ thuật (thiết bị đo, thiết bị chấp hành)


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Các loại bản vẽ sử dụng để mô tả các quá trình công nghệ:

 Sơ đồ khối - Block Flow Diagram (BFD)
 Sơ đồ dòng công nghệ - Process Flow Diagram (PFD)
 Sơ đồ công nghệ kết hợp dụng cụ đo và điều khiển Process & Instrument Diagram (P&ID)


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô tả các quá trình công nghệ
Sơ đồ khối - Block Flow Diagram (BFD)

13731.5 kg/h

11121.5 kg/h

2911.5 kg/h

Bài tập 1: Mô tả sơ đồ công nghệ đã cho và tính toán lưu lượng của các dòng
công nghệ còn thiếu trong sơ đồ


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô tả các quá trình công nghệ
Sơ đồ dòng công nghệ - Process Flow Diagram (PFD)


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô tả các quá trình công nghệ
So sánh các cụm công nghệ ở sơ đồ khối và sơ đồ dòng
 Cụm phản ứng:
 Cụm tách khí:
 Cụm chưng cất:


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô tả các quá trình công nghệ
Sơ đồ dòng công nghệ - Process Flow Diagram (PFD)


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô tả các quá trình công nghệ
Sơ đồ công nghê và dụng cụ - Process & Instrument Diagram (P&ID)

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Mô tả các quá trình công nghệ
Sơ đồ công nghê và dụng cụ - Process & Instrument Diagram (P&ID)


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình và các biến quá trình
Các biến quá trình:
- Biến vào: là một đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá
trình. VD: lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt,…
- Biến ra: là một đại lượng hoặc điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài.
VD: nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra.

- Biến trạng thái: là biến mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình. VD: nhiệt độ
lò hơi, áp suất hơi…
- Biến cần điều khiển: là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều
khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (setpoint, SP)

hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu.


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình và các biến quá trình
Các biến quá trình:
- Nhiễu: là những biến còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián
tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm.
+ Nhiễu quá trình: là những biến vào tác động lên quá trình kĩ thuật một
cách cố hữu không can thiệp được.

+ Nhiễu đo: là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình và các biến quá trình


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình và các biến quá trình
Bình chứa chất lỏng

- Lưu lượng chất lỏng vào: Fi
- Lưu lượng chất lỏng ra: Fo
- Yêu cầu điều khiển: mức chất lỏng trong bình được giữ ở mức h


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống điều khiển quá trình
Quá trình và các biến quá trình
Thiết bị gia nhiệt:
Lưu lượng dòng chất lỏng cần gia nhiệt: wc
Nhiệt độ dòng chất lỏng cần gia nhiệt: TC1

Lưu lượng hơi gia nhiệt: wH
Nhiệt độ hơi gia nhiệt: TH1
Nhiệt độ dòng chất lỏng qua bộ gia nhiệt: TC2
Nhiệt độ hơi gia nhiệt qua bộ gia nhiệt: TH2

Yêu cầu: Nhiệt độ dòng chất lỏng sau khi qua bộ gia nhiệt đạt giá trị mong muốn TC2.


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển
 Điều khiển đóng hoặc mở (discrete control)
 Start up, shutdown, an toàn nhà máy
 Phương pháp điều khiển logic, với cổng OR, AND, NAND...
 Relais & Bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable
Logic Control)

 Điều khiển quá trình (process control)
 Điều khiển liên tục, các thông số nhiệt độ (T), áp suất (P), mức chất
lỏng (L), lưu lượng (F), độ pH, nồng độ (A)...
 Đầu vào: Tín hiệu tương tự chuẩn như 4-20 mA, hoặc 3-15 psig (0,2
– 1 bar)
 Đầu ra: van điều khiển hoặc kết nối với Thiết bị điều khiển khác.


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) - Thành phần cơ bản

r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn.
C(t) (Controlled Output): tín hiệu ra.
Cht(t) : tín hiệu hồi tiếp.
e(t) : Sai số.

u(t) : tín hiệu điều khiển.


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) - Phân tích hệ thống

điều khiển
 Tính ổn định của hệ thống:
 Kích thích hệ bằng tín hiệu u(t) bị chặn ở đầu vào, thì hệ sẽ có đáp

ứng c(t) ở đầu ra cũng bị chặn
 c(t)  Const (c0) khi tín hiệu vào u(t) = Const (u0).
 Độ sai lệch tĩnh (sai lệch giữa giá trị đặt SP và giá trị PV):
 Sau một thời gian quá độ tqđ
 e(t) = u(t) - c(t) = SP - PV


: Sai lệch tĩnh của hệ thống  Offset

 Thời gian quá độ tqđ và độ điều chỉnh:


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) - Phân tích hệ thống

điều khiển
 Thời gian quá độ tqd và độ điều chỉnh:
 Giới hạn quán tính cần có của hệ thống

 tqd: thời gian chuyển từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác
 tqd càng nhỏ, chất lượng động học của hệ càng tốt
 Độ quá điều chỉnh: miền dao động của đầu ra c(t) xung quanh giá trị
giới hạn c0 mà hệ cần phải đạt đến
 Độ quá điều chỉnh được hiểu là giá trị tuyệt đối của ‖umax(t) - y0‖ = І,
giá trị này càng nhỏ, chất lượng động học của hệ càng cao
 Tính bền vững của hệ thống


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Điều khiển quá trình (process control) – Chất lượng điều khiển – thuật ngữ

Các thuật ngữ thường dùng:

Các thuật ngữ thường dùng:

Set Point (SP)

Settling time

Process Variable (PV)

Overshoot (a/b)

Rise time

Decay ratio (c/a)

Peak time - Time to first peak

Period of oscillation


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
 Một số kỹ thuật điều khiển thông dụng
 Feedback control (Điều khiển hồi tiếp)

 Phương pháp điều khiển truyền thống
 Đo biến quá trình cần điều khiển PV (Process Variable)
 So sánh với giá trị đặt SP (Setpoint)

 Căn cứ vào độ sai lệch: e = SP – PV
 Bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển tương ứng làm thay đổi
độ mở của van
 Ưu nhược điểm: