Nghiên cứu sử dụng hệ thống điều khiển quá trình để điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà HVAC (Luận văn thạc sĩ)

I H C THÁI NGUYÊN
I H C K THU T CÔNG NGHI P

C

NGHIÊN C U S

D NG H TH
U KHI N NHI

U KHI N QUÁ
, THÔNG GIÓ VÀ

U HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ

LU

THU T

Chuyên ngành: K thu

u khi n và t

ng hóa

THÁI NGUYÊN, 2015

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

I H C THÁI NGUYÊN
I H C K THU T CÔNG NGHI P

C

NGHIÊN C U S

D NG H TH

U KHI N QUÁ

U KHI N NHI

U

HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ
Chuyên ngành: K thu

u khi n và t

ng hóa

Mã s : 60520216

LU

THU T

NG D N KHOA H C

TS. NGUY N QUÂN NHU

THÁI NGUYÊN, 2015

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

i

Tên tôi là:

c

H c viên l p cao h c khóa K15

K thu

i H c K Thu t Công Nghi p Thái Nguyên Hi

u khi n và T

ng hóa-

ng

i H c Thái Nguyên.

ng M H u ngh - Vinacomin
u c a riêng tôi. Các s li u nêu

trong lu

c. Nh ng k t lu n khoa h c c a lu

c ai

công b trong b t k công trình nào.
ng m i thông tin trích d n trong lu

u ch rõ ngu n g c.

i th c hi n

c

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

ii

Trong th i gian th c hi n lu

c s quan tâm r t l n c a nhà

ng, các khoa, phòng ban ch

ng nghi p.

Tác gi xin chân thành c

o, các gi

o

u ki n cho tôi hoàn thành lu
Tác gi xin bày t l i c

n TS Nguy n Quân Nhu

thu t Công nghi

ng d n trong quá trình th c hi n lu

Tác gi
và t

n các th y cô giáo
u ki

M

tác gi hoàn thành thí nghi

tc g

ng nghi

phòng thí nghi

u ki n t t nh t.

và kinh nghi m còn h n ch nên có th lu n

ng thi u sót. Tác gi r t mong nh
giáo và các b

ih cK

lu

c nh ng ý ki
c hoàn thi

các th y cô
ng d ng trong

th c t .
Xin chân thành c
I TH C HI N

c

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

iii

M CL C

L

.............................................................................................................i

L IC
M

................................................................................................................. ii
U .........................................................................................................................1

1. Lý do ch

tài......................................................................................................1

2. M

u................................................................................................2
ng nghiên c u...............................................................................................2
c ti n c

tài ........................................................3

5. N i dung th c hi n...................................................................................................3
NG QUAN V LÝ THUY
1.1 Khái ni m v

U KHI N QUÁ TRÌNH ..............4

u khi n quá trình? .......................................................................4

1.1.1 Quá trình và các bi n quá trình........................................................................4
Hình 1.1 Quá trình và phân lo i bi n quá trình..............................................................5
1.1.2 Phân lo i quá trình ...........................................................................................7
1.2 M
u khi n quá trình .........................................................8
1.2.1. V n hành
nh............................................................................................8
t và ch
ng s n ph m.................................................................9
1.2.3. V n hành an toàn ............................................................................................9
1.2.4. B o v
ng ..........................................................................................9
1.2.5. Hi u qu kinh t ............................................................................................10
1.3 Phân c p ch
u khi n quá trình ............................................................10
1.3.1 Giao di n quá trình ........................................................................................10
u khi
............................................................................................10
u khi n v n hành và giám sát...................................................................11
u khi n cao c p.........................................................................................11
1.4 Các thành ph
n c a h th ng....................................................................11
1.4.1 Thi
1.4.2 Thi
1.4.3 Thi
1.5 Các nhi

tb

......................................................................................................12
tb
u khi n .........................................................................................12
t b ch p hành .........................................................................................13
m v phát tri n h th ng ........................................................................13

1.5.1 Phân tích ch
th ng ........................................................................13
1.5.2 Xây d ng mô hình quá trình ..........................................................................13
1.5.3 Thi t k c
u khi n...........................................................................14
S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

iv

1.5.4 Thi t k thu
u khi n .......................................................................14
1.5.5 L a ch n gi i pháp h th ng..........................................................................15
1.5.6 Phát tri n ph n m m ng d ng ......................................................................15
1.5.7 Ch
n hành ...................................................................15
1.6 Mô t ch
th ng....................................................................................15
1.6.1 Các tài li u mô t
h a ...............................................................................16
I THI U VÀ XÂY D NG MÔ HÌNH TOÁN H C HVAC..........17
2.1 Gi i thi u h th ng HVAC ..................................................................................17
2.1.1: H th

u hòa không khí........................................................................17
2.1.2 H th
u khi n nhi
.........................................................................22
2.2 Xây d ng mô hình toán h th ng HVAC ............................................................26
2.2.1 Mô hình bu ng không gian HVAC ...............................................................28
Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC ..........................................................................30
2.2.2 Mô hình dàn l nh ...........................................................................................30
Hình 2.7 Cu n làm mát .................................................................................................31
2.2.3 Mô hình dàn nóng ..........................................................................................33
2.2.4 Mô hình làm m.............................................................................................34
2.25 Mô hình h p tr n ............................................................................................34
2.2.6 Mô hình ng d n ............................................................................................34
2.2.7 Mô hình qu t..................................................................................................35
T K C U TRÚC, THU
U KHI N VÀ MÔ
PH NG .........................................................................................................................36
u khi

.....................................................................36

u khi n ph n h i.......................................................................................36
3.1.2
u khi n truy n th ng (Feed Forward) ......................................................39
u khi n t l ..................................................................................................42
u khi n t ng (cascade control) .................................................................47
u khi n suy di n .......................................................................................49
u khi n l a ch n......................................................................................49
3.2. L a ch n c
u khi n h th ng [8] .........................................................50

3.3. Xây d ng thu

u khi n cho h th

u khi n nhi

m và mô

ph ng..........................................................................................................................51
3.3.1 Mô hình toán h c cho h th ng .....................................................................51
C NGHI M TRÊN MÔ HÌNH HVAC T I TRUNG TÂM THÍ
NGHI

I H C K THU T CÔNG NGHI P THÁI NGUYÊN......57
S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

v

4.1. Gi i thi u mô hình ..............................................................................................57
4.2. Kh

ng c a h th ng v

u khi n nhi

m trong h

th

u hòa không khí..........................................................................61

4.3. K t lu n ..............................................................................................................63
K T LU

NG PHÁT TRI N C

TÀI .............................................64

TÀI LI U THAM KH O .............................................................................................65

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

vi

DANH M C HÌNH V

Hình 1.1 Quá trình và phân lo i bi n quá trình..............................................................5
Hình 1.2 Các thành ph
Hình 2.1: C

n c a m t h th

mb

u khi n quá trình ....................12

n..............................................................................17

Hình 2.2 C u t o c a c

t................................................................................23

Hình 2.3 C u t o thermistor..........................................................................................24
Hình 2.4 C u t o bán d n .............................................................................................25
Hình 2.5: C u t o h a k ..............................................................................................26
Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC ..........................................................................30
Hình 2.7 Cu n làm mát .................................................................................................31
Hình 3.1 C u trúc t ng quát c
Hình 3.2 C

u khi n ph n h i ..................................................36

u khi n ph n h i thông d ng (m t b c t do)............................37

Hình 3.3 C u trúc b

u khi n truy n th ng ..............................................................39

Hình 3.4 C u trúc t ng quát c

u khi n truy n th ng ............................................40

Hình 3.5 Hai c

u khi n t l ...........................................................................44

Hình 3.6 H th

i nhi t tr

Hình 3.7 Hai c

.....................................................................45

u khi n t ng ..........................................................................48

Hình 3.8: Mô hình bu ng không gian HVAC ................................................................51
Hình 3.9: Mô hình cu n nóng........................................................................................52
Hình 3.10: Mô hình b t o m ......................................................................................52

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

vii

Hình 3.11: Mô hình h p tr n.........................................................................................53
Hình 3.12: Mô hình ng d n .........................................................................................53
Hình 3.13: Mô hình qu t ...............................................................................................53
Hình 3.14: Mô hình toàn b h th ng ...........................................................................54
Hình 3.15: Nhi

u ra h th ng HVAC .................................................................56
i h th ng HVAC ...............................................................56

Hình 4.1: Mô hình h th ng ..........................................................................................58

Hình 4.2: Bàn

u khi n c a h th ng .........................................................................59

Hình 4.3: H th ng HVAC.............................................................................................60
Hình 4.4:

u khi n ..................................................................61

Hình 4.5: Hi n th thông s ...........................................................................................62
c tính c

t trong mô hình HVAC.........................................63

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

1

c phát tri n vi c s d ng h th ng qu n lý tòa nhà BMS
(Building Management System) r t ph bi
Vi t Nam vi c s d ng h
th ng này còn r t h n ch . BMS là h th ng tích h
u khi n và giám sát các
h th ng k thu t trong tòa nhà nh m ph i h p v n hành các h th ng con m t
cách th ng nh t và linh ho t. H th
i tr giúp cho vi c qu n lý các
tòa nhà m t cách hi u qu và kinh t .

H th ng qu n lý tòa nhà BMS (Building Management System)
HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) là m t ph n không th
thi
có tác d

cc

th ng

i

u ch nh, c i thi
i trong tòa nhà. Do nhu c u nâng cao ch

c bi

u hòa không khí,
ng làm vi c c a
ng nói chung,

ng s ng và làm vi c. Vì v y vi c tìm hi u và áp d ng d ch v

HVAC và h th ng BMS là r t c n thiêt.

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

2

Hi n nay t i Trung tâm thí nghi m -

c trang b mô

hình quá trình d ch v trong tòa nhà HVAC ph c v cho công tác thí nghi m và
nâng cao hi u bi t, kh
c s

n d ng vào th c t công

c

"Nghiên c u s d ng h th

ng d n tôi quy
u khi

nh ch

tài:

u khi n nhi

, thông

u hòa không khí trong tòa nhà HVAC"

* M c tiêu chung:
Nghiên c u lý thuy t v k thu
không khí trong các tòa nhà và vi

u khi n nhi

u hòa

u khi n các y u t này b ng h th ng

u khi n quá trình.
Các m c tiêu c th là:
* V lý thuy t:
- Nghiên c u lý thuy t v k thu

u khi n nhi

u

hòa không khí trong các tòa nhà.
- Nghiên c u lý thuy t v
nhi t

u khi n quá trình và vi

u hòa không khí trong các tòa nhà b ng h th

u khi n thông gió,
u khi n quá trình.

* V th c t :
- Nghiên c u vi c áp d ng lý thuy
khi n thông gió, nhi

vi c tìm hi

u khi n quá trình vào vi

u

u hòa không khí trong các tòa nhà, thông qua

mô hình quá trình d ch v

c trang b t i

Trung tâm thí nghi
quá trình
-

cho hai bài toán

và thông

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

3

-

-

Trong nhi

n kinh t

c ta t

c phát tri

c

nhi u thành t u to l n. Kinh t phát tri n nên m c s
d

a, khách s

lên

is

tr ng

c lên nhanh chóng. Khi m c s
n vi

c kh e. M t trong nh ng y u t quan

ng t i s c kh

ng không

khí xung quanh h

u ki n. Chính t m

b o s c kh e này mà chúng ta c n x y d ng h th

u khi n nhi

m

, thông gió và

u hòa không khí
n v m t k thu t nên h th ng này c
nghiên c u k và tìm ki m các b
t
ch

t. Ý

c

u khi

c
thu t

tr ng lu n vân này là góp ph n hoàn thi n thêm v

ng cho h th ng HVAC.

5.
ng quan v lý thuy

u khi n quá trình

i thi u và xây d ng mô hình toán h c h th ng HVAC
t k c u trúc, thu

u khi n và mô ph ng

c nghi m trên mô hình HVAC t i phòng thí nghi
h c K thu t Công nghi p Thái Nguyên

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>
i


4

1.

QUAN

H th ng

LÝ

QUÁ TRÌNH

u khi n và giám sát là thành ph n không th thi u trong m i nhà

máy công nghi p hi n
u khi n t

i. T nh ng

uc an a

u th k

c cho t i nay,

ng chi m vai trò ngày càng quan tr ng trong công nghi p khai thác,

ch bi n và

ng (g i chung là công nghi p ch bi n) n

l c d u, hóa d u, hóa ch t,
khi n và giám sát

c ph m, th c ph m, nhà máy

c s d ng trong nh ng

c x p vào ph m trù các h th ng
M t h th ng

ng trong

u khi n, v n hành và giám sát nh m
ch t

có m t s

u

c thù chung,

toàn b các gi i pháp

ng,

m b o các yêu c u c a quá trình và thi t b

ng s n ph m, s n

i, máy móc và môi

v c

n. Các h th ng

u khi n quá trình (process control system).

u khi n quá trình ch a

công ngh

công nghi p d u khí,

ng, hi u qu s n xu t, an toàn cho con

ng.

1.1

quá trình?
Khái ni m

trong

u khi n quá trình

c hi u là ng d ng k thu t

u khi n t

ng

u khi n, v n hành và giám sát các quá trình công ngh nh m

m b o ch t

ng

s n ph m, hi u qu s n xu t và an toàn cho con

1.1.1 Quá trình và các
Quá trình
h c, trong

c

v t ch t,

i, máy móc và môi

quá trình
nh

là m t trình t các di n bi n v t lý, hóa h c ho c sinh
ng ho c thong tin

c bi n

tr . Quá trình công ngh là nh ng quá trình liên quan
tr v t ch t và

i, v n chuy n ho c

n bi n

ng. M t quá trình công ngh có th ch
i nhi t, pha ch h n h p

ph n ng tháp
quá trình v i các

i, v n chuy n ho c

ng, n m trong m t dây chuy n công ngh ho c m t nhà

máy s n xu t
c p li u, trao

ng.

có th ph c t p

luy n ho c m t t h p lò
i

ng k thu t

gi n

c

quá trình
m t t h p lò

tua bin. Quá trình k thu t là m t

ho c/và

c can thi p. Khi nói t i m t

quá trình k thu t, ta hi u là quá trình công ngh cùng v i các
thi t b

ti n k thu t

và thi t b ch p hành.

Tr ng thái ho t

ng và di n bi n c a m t quá trình th hi n qua các bi n quá trình.

Khái ni m quá trình cùng v i s phân lo i các bi n quá trình
S hóa b i Trung tâm H c li u

c minh h a

hình sau:

/>

5

Hình 1.1 Quá trình và phân

quá trình

M t bi n vào là m t i
ng ho c m t u ki n ph n ánh tác ng t bên ngoài
vào quá trình, ví d
ng dòng nguyên li u, nhi t

c c p nhi t, tr ng thái
c a
M t bi n ra là m t i
ng ho c m t u ki n th hi n tác ng
c a tác ng c a quá trình ra bên ngoài, ví d n ng ho c
ng s n ph m ra, n ng
khí th i m c bình
ng hay quá
Nhìn t quan m lý thuy t h th ng, các
bi n vào th hi n nguyên nhân trong khi các bi n ra th hi n k t qu (quan h nhân qu ).
Bên c nh các bi n vào, ra, nhi u khi ta
quan tâm t i các bi n tr ng thái. Các bi n
tr ng thái mang thông tin v tr ng thái bên trong quá trình, ví d nhi t
lò, áp su t
ho c m c ch t l ng ho c
có th là d n xu t t các i
ng c
khác, ví d
t c bi n thiên nhi t , áp su t ho c m c. Trong nhi u
ng h p, m t bi n tr ng
thái
có th coi là m t bi n ra. Ví d , m c
c c a m t bình ch a v a có th coi là
m t bi n tr ng thái, v a có th coi là m t bi n ra.
M t cách t ng quát, nhi m v c a h th ng
bi n vào c a quá trình m t cách h p lý
c,

ng th i gi m thi u nh

u khi n quá trình là can thi p các

các bi n ra c a nó th a mãn các ch tiêu cho

ng x u c a quá trình k thu t v i con

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>
i và


6

môi

ng xung quanh.

tr ng thái ho t

n a, các di n bi n c a quá trình

ng c a các thành ph n trong h th ng c n

các tham s ,
c theo dõi và giám sát

ch t ch . Tuy nhiên, trong m t quá trình công ngh thì không ph i bi n nào
th can thi p

c và không ph i bi n ra nào

u ch nh sao cho g n v i m t giá tr mong mu n hay giá tr

theo m t bi n ch
v n hành n

o/tín hi u m u. Các bi n c n

là nh ng bi n c n

c

t ho c bám

u khi n liên quan h tr ng t i s

nh, an toàn c a h th ng ho c ch t

ng, áp su t và n ng
th ng

u khi n.

u khi n là m t bi n ra ho c bi n tr ng thái c a m t quá trình

Bi n c n
u khi n,

c n ph i

có

ng s n ph m. Nhi t

, m c,

u khi n tiêu bi u nh t trong các h

u khi n quá trình. Các bi n ra ho c bi n tr ng thái còn l i c a quá trình có th

c

ghi chép ho c hi n th .
u khi n là m t bi n vào c a quá trình có th can thi p tr c ti p t bên

Bi n
ngoài qua
khi n

tác

ng t i bi n ra theo ý mu n. Trong

u khi n quá trình thì

u

ng là tiêu bi u nh t.

Nh ng bi n vào còn l i không can thi p
trong ph m vi quá trình

quan tâm

c m t cách tr c ti p hay gián ti p

c g i là nhi u. Nhi u tác

ng t i quá trình

m t cách không mong mu n, vì th c n có bi n pháp nh m lo i b ho c ít nh t là làm
gi m thi u nh

ng c a nó. Có th phân bi t hai lo i nhi u có

nhau là nhi u quá trình và nhi u

không can thi p

hàng c n nâng,

ng ch t l ng ra, thành ph n nhiên li

nhi u t p là nhi u tác

ng lên phép

h p, bi n c n

u khi n

khác h n

Nhi u quá trình là nh ng bi n vào tác

quá trình k thu t m t cách c h u

Các bi n quá trình có th

c

c, ví d tr ng

ng

Còn nhi u

hay

gây sai s trong giá tr
c ho c không

là m t

i

c.

c. Trong

ng

ng lên

s các

ng

c. Tuy nhiên n u phép

m t

ng quá ch m, quá thi u chính xác ho c quá t n kém, nó có th quan sát
tính toán ho c i u khi n gián ti p thông qua m t
khi n tr c ti p. Vì th m t bi n c n
m t bi n

c

i

ng khác thay vì

u khi n trong nhi u

ng h p

ho c

u

ch c

là

u khi n.

S hóa b i Trung tâm H c li u

c,

/>

7

Trong nhi u bài toán, vi c nh n bi t quá trình
u khi n và các bi n

l a ch n các bi n

u khi n không ph i bao gi

d dàng.

nh ng nhi m v quan tr ng trong quá trình thi t k h th ng
1.1.2 Phân

là m t trong

u khi n.

quá trình

Các quá trình công ngh có th
phân bi t th nh t là d a trên s
ra

c

c g i là quá trình

c phân lo i theo nhi u quan

ng bi n vào và bi n ra. M t quá trình ch có m t bi n

bi n, còn n u có nhi u bi n ra thì

bi n. M t quá trình m t vào m t ra

c tính c a nh ng

tiêu bi u) ta

c g i là quá trình

c g i t t là SISO, quá trình nhi u vào nhi u ra

c g i t t là MIMO. Có th nói h u h t quá trình công ngh
D a trên

m khác nhau. Các

i

ng

c

u là

(bi n

bi n.

u ra ho c bi n tr ng thái

có th phân lo i các quá trình thành quá trình liên t c, quá trình gián

n, quá trình r i r c và quá trình m . Trong m t quá trình liên t c, các nguyên li u
ho c

ng

u vào

c v n chuy n ho c bi n

liên t c). M t khi

t

c tr ng thái xác l p, b n ch t c a quá trình không ph

thu c vào th i gian v n hành. Các
bi n
trao

i

ng

c

c a quá trình liên t c là các

t , t c chúng có th l y m t giá tr b t k trong ph m vi gi i h n. Quá trình
i nhi t, quá trình bay

quá trình v n chuy n ch t l ng và ch t khí là các ví

d quá trình liên t c tiêu bi u. M t quá trình gián
liên t c) có b n ch t gi ng
quan sát t i nh ng th i

m nh t

m gián

n nh t

i

c

nh.
ng

c

ch thay

i giá tr t i m t s

nh và ch có th l y giá tr r i r c trong m t t p h u h n cho

t o nên giá tr r i r c c a quá trình.
trình r i r c

n (hay còn g i là quá trình không

quá trình liên t c, tuy nhiên các bi n vào ra ch

Trong m t quá trình r i r c, các
th i

i m t cách liên t c (ho c g n

ng

vì v y các

i

ng

c

c bi u di n b ng các bi n s nguyên, trong

c,

c a m t quá
ng h p

c bi t

là các ký t (cho các s ki n) ho c bi n logic (cho các tr ng thái logic). Quá trình
bao,

chai, quá trình ph c v , quá trình ph c v , quá trình ch t o, quá trình ch

t o, quá trình l p ráp là các ví d quá trình r i r c tiêu bi u.
M t quá trình m là m t quá trình h n h p, có
và quá trình r i r c. Quá trình m ho t

c a c quá trình liên t c

ng theo m t quy trình thao tác cho

t n t i trong m t kho ng th i gian ng n h u h n

S hóa b i Trung tâm H c li u

c

ng v i m t m . Các

c và
i

/>
ng


8

c

c a m t quá trình m bao g m các bi n

y u t th i gian và y u t s ki n

t và bi n r i r c.

c bi t

m t vai trò quan tr ng trong m t quá trình m .

Các quá trình ph n ng hóa h c, quá trình pha ch , quá trình lên men là nh ng ví d
tiêu bi u cho quá trình m .
Quá trình liên t c và quá trình m là

bi n, trong quá trình r i r c là
Do v y trong

v c

c

c

c a các ngành công nghi p ch

c a các ngành công nghi p ch t o và l p ráp.

u khi n quá trình ta quan tâm

c h t t i quá trình liên t c

và quá trình m . Tuy nhiên, ngay c trong nh ng nhà máy ch bi n

t nt im ts

quá trình r i r c, ví d quá trình nh p xu t hàng, v n chuy n,
kh i

ng/d ng thi t b

1.2

và

u khi n quá trình là

mb o

qu và kinh t cho quá trình công ngh .
u khi n quá trình,

ik

h th ng c n th c hi n nh m
n xây d ng m t gi i pháp

u ki n v n hành an toàn, hi u

c khi tìm hi u ho c xây d ng m t h

c n làm rõ các m c
t

c các m c

s quan tr ng cho vi c

u khi n và ch c
Vi c

u khi n quá trình bao gi

hành phân tích và c th hóa các m c
là

g chai,

quá trình

Nhi m v c a

th ng

bao,

b t

t bài toán và
u v i vi c ti n

u khi n. Phân tích m c

c t các ch c

u khi n

c n th c hi n c a h th ng

u

khi n quá trình.
Toàn b các ch c

c a m t h th ng

s p x p nh m ph c v các m c

u khi n quá trình có th phân lo i và

b n sau

m b o m t nhà máy v n hành

c tiên là t ng

t h p công ngh và t ng quá trình ph i v n hành
chúng ph i nh
nh

g lý thuy
t ch tính

b ng các công c toán h

ph i h p gi a
u khi n t

nh c a h th
ho .

nh tính
nh s

c di n gi i m t cách

th c t , theo yêu c u v n hành c a quy trình công ngh .

S hóa b i Trung tâm H c li u

nh

/>

9

Trong l nh v c công ngh hoá h c và th c ph m, ch t
c th hi n tr c ti p qua thành ph n hoá h c, n ng
h c ho c v t lý khác. Trong khi
ph m. Nhi m v

xu t

m b o ch t

,m t

ng

ng s n ph m h u h t
và m t s tính ch t hoá
ng s n

c th hi n qua

ng s n ph m và

xu t

thu c v ch c

u ch nh.
Tính n nh liên quan nhi u
c u

t ra cho bài toán

quy t nh t i ch t

u ch nh

y cao h

ng s n ph m. Yêu
ng s n ph m,

m b o ch t

không ph i là duy trì các bi n quá trình liên quan n

nh t i m t giá tr b t k , mà ph i

u ch nh sao cho chúng nhanh chóng ti n t i và n m trong ph m vi cho
ví d thi t b khu y tr n, ch t
nh mà còn ph i

mb o

ng s n ph m òi h i thành ph n ra không nh ng n
theo m t giá tr

n m trong m t ph m vi cho phép.
bi n c a sai l ch

c. Trong

c, ho c ít ra là v i m t sai l ch

t

v y sai l ch

u khi n hay nói

di n

u khi n theo th i gian là m t trong nh ng ch tiêu

giá ch t

ng quan tr ng.

B t c m t gi i pháp

u khi n quá trình công nghi p nào

hành m t h th ng m t cách an toàn và
ng xung quanh trong các
an toàn cho máy móc, con
này

ph i

mb ov n

i, các thi t b máy móc va môi

b ov m i

ng h p x y ra s c . Chính vì t m quan tr ng c a v n
i và môi

ng xung quanh chi phí cho

m b o ch c

t xa chi phí cho th c hi n các ch c

i v i m t h th ng có th

u

khi n thu n tuý.

M t h th ng v n hành an toàn không th x y ra s c

ng. Tuy nhiên v n
n ng

khí th i

khói. D th y m c

b o v môi

c h i, gi m

ng c n

ng

ô nhi m môi

nhi m môi

c t i, h n ch

ng b i và

ng c a m t nhà máy m t ph n liên quan t i các
m t ph n không nh thu c trách nhi m c a

u khi n. Vi c gi m thi u ho c ít nh t là duy trì các
ng

thông qua gi m

c chú tr ng

c s d ng và

thi t b quá trình và công ngh áp d ng,
h th ng

góp ph n b o v môi

m c cho phép ph thu c vào ch c

S hóa b i Trung tâm H c li u

i

ng liên quan t i ô

u ch nh

t ra duy trì t

/>

10

l gi a

m t giá tr thích h p tu theo n ng

ng nhiên li u (b t than) và không khí

ôxy trong không khí và ch t

ng than.

Vi c gi m tiêu th nguyên li u và nhiên li u s d ng m t m t nâng cao ch t

ng

và nâng cao hi u qu kinh t , m t khác góp ph n b o v tài nguyên thiên nhiên và môi
ng.

thu c trách nhi m chung c a nh ng nhà thi t k công ngh

là v n

cùng nh ng

i thi t k sách

u khi n . C n

c và thu t toán

ý r ng nh ng dây

chuy n công ngh m i cho phép v n hành v i hi u qu cao, tiêu ít nhiên nguyên v t li u
thông qua chu trình k t h p , chu trình khép kín và tái s d ng
nh ng quá trình r t khó

càng cao

cho các ch c

t
b o ch t

u khi n,

u ki n v n hành b ràng bu c,

l i là

t ra yêu c u ngày

u khi n quá trình.

c hi u qu kinh t , h th ng
ng theo yêu c u, mà

(trong h u h t các

ng,

u khi n quá trình không nh ng ph i

xu t ph i thích ng

ng h p liên quan t i

c v i yêu c u th

ng,

ng

ng s n ph m .

hao mòn thi t b ) v i ch t

1.3 Phân

ng

tiêu hao ít

ng s n ph m ra)

nguyên nhiên li u. Rõ ràng bài toán t ra là ta ph i cân nh c gi a chi phí cho tác
i u khi n

m

quá trình

Các ch c

ng

u khi n quá trình có th

nhau, ví d theo thi t b th c hi n, theo m c
v . Trong th c t , các ch c

c phân c p theo nhi u cách khác
t

có th

d a theo tính ch t nhi m là: Giao di n quá trính,

ng hóa ho c theo tính ch t nhi m
c x p vào m t trong 4 nhóm chính
u khi n

s ,

u khi n cao c p

và v n hanh giám sát.
1.3.1 Giao

quá trình

C p giao di n quá trình bao g m các ch c
hi u c p

ng, chuy n

ng, hi n th , ghi chép giá tr t i ch ,

so sánh v i mô hình phân c p t

t, truy n

ng và b o v . N u

ng hóa thì giao di n quá trình

c m bi n ch p hành ho c m t ph n c a c p

i/ truy n tín

ng v i c p

ng.

1.3.2
Theo tiêu chu n ANSI/ISA 88.01-1995,

u khi n

s

c

nh

là

u khi n chuyên d ng cho thi t l p và duy trì m t tr ng thái c th c a thi t b ho c
S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

11

quá
t

Ch c

u khi n

ng ho c do

i v n hành tr c ti p

tiêu bi u trong m t h th ng
r c và

s có th do các b

u khi n th c hi n m t cách

m nhi m. Các ch c

u khi n quá trình bao g m

u khi n

u ch nh,

kh

hành và giám sát

M t h th ng

u khi n hi n

i không ch d ng l i

m c

u khi n t

mà còn ph i ch a các thành ph n v n hành và giám sát. Ví d ,
ph i có kh

kh i

u khi n và thay

l i tham s cho các b
1.3.4

i v n hành c n

ng h th ng, d ng h th ng, quan sát các

i giá tr

t cho chúng, thay

i ch

ng,

i

ng quá trình

v n hành, ch nh

nh

u khi

cao
Ch c

u khi n cao c p

n m phía trên

u khi n

quá trình. Ch c
vào các thông s
t

u khi n r i

u khi n trình t .

1.3.3

c n

s

c hi u là m t ch c

s . Thông

ng t o giá tr

ng ch c

t ho c can thi p

u khi n cao c p

phía trên ho c cùng c p v i v n hành và giám sát. M t h th ng

trình có th cung c p các ch c
qu n lý m ,

ng

s , không làm vi c tr c ti p v i các tín hi u vào/ra

u khi n cao c p có th t
u khi n

u khi n t

u khi n chuyên gia,

u khi n cao c p
u khi n ch t

c

u khi n quá

u khi n công th c và

ng và t i

hóa th i gian th c.

1.4 Các thành
Tùy theo quy mô ng d ng và m c
trình công nghi p có th
ph n

b n là thi t b

gi n

thi t b

t

ng hóa, các h th ng

n ph c t p

chúng

u d a trên 3 thành

u khi n và thi t b ch p hành. Ch c

thành ph n h th ng và quan h c a chúng

S hóa b i Trung tâm H c li u

c th hi n b ng

u khi n quá

c am i

sau:

/>

12

Hình 1.2 Các thành ph n

b n c a m t h th ng

u khi n quá trình

1.4.1
Ch c
nào

c a m t thi t b

v i

i

ng

là cung c p m t tín hi u ra t l theo m t

M t thi t b

M t c m bi n th c hi n ch c
trình k thu t và bi n
trong thi t b
khu ch

i,

g m 2 thành ph n là c m bi n và chuy n

t

ng c m nh n

i thành m t tín hi u.

i

i

ng quan tâm c a quá

có th truy n

xa và s d ng

c

u khi n ho c d ng c ch báo, tín hi u ra t c m bi n c n

c

u hòa và chuy n

i sang m t d ng thích h p.

u khi n hay b

u khi n là m t thi t b t

1.4.2
Thi t b

u khi n, là thành ph n c t lõi c a m t h th ng
Trên

s các tín hi u

l a ch n, b
khi n

u khi n công nghi p.

và m t c u trúc

u khi n th c hi n thu t toán

ng th c hi n ch c

u khi n/sách
u khi n và

c

u khi n

c

ra các tín hi u

u

can thi p tr l i quá trình k thu t thông qua các thi t b ch p hành. Tùy theo

d ng tín hi u vào ra và
c x p lo i là thi t b

pháp th hi n lu t
u khi n

t , thi t b

u khi n, m t thi t b

u khi n

u khi n logic ho c thi t b

u

khi n s .
Có th nói r ng, t t c các gi i pháp
các h

u khi n s . M t thi t b

trang b các thi t b ngo i vi

u khi n hi n

i (PLC, DCS, PAS)

u là

u khi n s th c ch t là m t máy tính s

c

th c hi n ch c

S hóa b i Trung tâm H c li u

u khi n.
/>

13

1.4.3

hành
M t h th ng/thi t b ch p hành nh n tín hi u ra t b

ng can thi p t i bi n
là van

u khi n,

thi t b

u khi n và th c hi n tác

u khi n. Các thi t b ch p hành tiêu bi u trong công nghi p

ng

máy

và qu t gió. Thông qua các thi t b ch p hành mà

u khi n có th can thi p vào di n bi n c a quá trình k thu t.

M t thi t b ch p hành công nghi p bao g m 2 thành ph n
hành hay

c u d n

chuy n tín hi u

ng va ph n t

u khi n.

u khi n thành

ti p vào bi n

b n là

c u ch p

c u ch p hành có nhi m v

ng, trong khi ph n t tác

ng can thi p tr c

u khi n.

1.5 Các

phát

Vi c xây d ng m t h th ng
k , l p trình, ch nh

nh và

u khi n bao g m nhi u

c

phân tích, thi t

vào v n hành, ta g i chung là các nhi m v phát tri n

h th ng.
1.5.1 Phân tích
Quá trình thi t k m t h th ng
hi u các yêu c u công ngh
trên

u khi n bao gi

ra

s phân tích các m c

c t các ch c

u khi n

ik

thi t k

b n.

u khi n

quan mô t quy trình công ngh , trong
Công vi c c a

ik

thi t k

u khi n, b sung các ch c
các

ch c

hay

ngh cho m i bài toán
ng, ví d sai s
1.5.2 Xây

c tìm

là nhi m v h t s c quan
i làm

u khi n v i các nhà

c cung c p các b n v và tài li u liên

b nv

công ngh là quan trong nh t.

u khi n

c h t là nghiên c u các bài toán

u khi n quá trình c th và th hi n chúng trên
P&ID

u khi n c n

c. Ti p theo, các yêu c u v m t công

c c th hóa thông qua các ch tiêu ch t

u khi n cho phép, th i gian quá

,m c

dao

mô hình quá trình

Thi t k h th ng trên
c a

uv i

c th c a h th ng d a

tr ng, c n có s h p tác h t s c ch t ch gi a nh ng
công ngh .

b t

ik

ng hóa v n

s mô hình quá trình là

Mô hình giúp ta hi u rõ
và vì th

không ch quan tr ng

pháp không th thi u

v quá trình công ngh , giúp ta tr u

gi n hóa cách gi i quy t.

mô hình quá trình

i v i công vi c thi t k mà còn ph c v vi c mô ph ng và

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>

14

t o v n hành. Vi c xây d ng mô hình
ti n hành

nhi u m c và nhi u

D a trên các

c g i là mô hình hóa. Mô hình hóa có th
pháp khác nhau.

nh lu t v t lý và hóa h c

b n ho c d a trên các s li u v n

hành th c nghi m, ta ti n hành xây d ng mô hình quá trình
toán h c mô t

c tính

ng và

m c

1.5.3

c

trình

c a quá trình. V i mô hình toán h c nh n

ta c n s d ng các công c phân tích và mô ph ng
c a quá trình

có

tác n i, tính n

c,

tìm ra các tính ch t quan tr ng

nh và tính

u khi n

c.

trúc
Sau khi

trình,

làm rõ các ch c

u khi n và hi u rõ mô hình toán h c c a quá

c ti p theo là xác d nh c u trúc

k c u trúc

u khi n

u khi n (hay sách

c th và thu t toán

c

u khi n). Thi t

u khi n mà nh m làm rõ v m t

c u trúc liên k t gi a các ph n t trong h th ng.
V m t c u trúc

u khi n, c n cân nh c l a ch n gi a c u trúc t p trung, c u

trúc phi t p trung ho c c u trúc h n h p (phân tán, phân c p). Ti p theo ta c n l a
ch n các bi n

c

u khi n, các bi n

u khi n

ng và các bi n nhi u và các

liên k t chúng v i nhau d a trên các ph n t c u hình

xây d ng các sách

c

u

khi n c th .
1.5.4

toán

Thi t k thu t toán

các

u khi n hay thi t k b

u khi n là vi c xác

c tính toán và các công th c tính toán c th

u khi n. Công vi c thi t k b

u khi n g m 2

c u trúc b

u khi n thích h p và xác

thi t k b

u khi n bao gi

bi t

các

th v d ng chu n quen thu c,

i c a lý thuy t

ik

u khi n. Công vi c

u khi n t
có th

t tính

u khi n cho ch c

quan tâm t i các thu t toán logic cho

u khi n liên

u khi n liên

S hóa b i Trung tâm H c li u

c

ng cùng các công

m i bài toán thi t k c

hi u rõ m i quan h gi a b

thi t b ch p hành

qu c a thi t k thu t toán

u khi n hay

không tách r i bài toán phân tích h th ng.

pháp hi n

Bên c nh thu t toán

t trên máy tính

c: L a ch n b

nh các tham s c a b

c máy tính có vai trò h t s c quan tr ng. Song,

các thi t b

có th cài

nh rõ ràng

u khi n v i

b n c a chúng.
u ch nh, ta
ng và

ng là các bi u

ph i

c bi t

u khi n trình t . K t
ch c

logic ho c

/>

15

trình logic, trong khi k t qu c a thi t k
ch c

u khi n trình t là các b n v bi u

trình t chi ti t.

1.5.5

pháp
L a ch n gi i pháp h th ng bao g m l a ch n ki n trúc gi i pháp h th ng

khi n và giám sát, l a ch n thi t b

và thi t b ch p hành sao cho phù h p v i các

yêu c u c a quá trình công ngh . Công vi c này
t ng quan v công ngh h th ng
trong

pháp

u

h i

u khi n và

giá tính

ik
n m

có m t cái nhìn
c các v n

b n

c a các gi i pháp khác nhau.

1.5.6 Phát
Trong h th ng

u khi n quá trình hi n

ph n h n c a h th ng. Trên

m m có th b t

s thi t k

u v i thi t k các

d li u và thi t k giao di n

i

giám sát

i

u khi n chi ti t, các chuyên viên ph n
trình

u khi n, thi t k h th ng

s

máy. Sau khi l a ch n gi i pháp h th ng

khi n và giám sát, công vi c l p trình
hình v n hành

i thì ph n m m chính là ch t xám, là

u

u khi n th i gian th c và so n th o các màn

c ti n hành. Các

trình ng d ng

nghi m t ng ph n trên c u hình ph n c ng th c v i các

i

c th

ng mô ph ng và sau

c th nghi m ghép n i.
1.5.7

và

vào

hành

c cu i cùng trong công vi c phát tri n h th ng
ng, bao g m hi u chu n các thi t b
khi n, th nghi m t ng vòng
t ng phân

n và

ph c t p,

h i ki n th c

ch nh

nh l i tham s c a các b

c ng là nhi m v h t s c

i toàn di n, kinh nghi m d án và s h p tác h t
công ngh , k

hóa t ng nhóm chuyên gia hi n
1.6 Mô

u

u khi n, th nghi m t ng t h p công ngh , ch y th

vào v n hành toàn b nhà máy.

s c ch t ch gi a các k

c th c hi n t i hi n

ng, k

u khi n và t

ng

ng.

ng

Mô t ch c

h th ng là công vi c không th thi u trong thi t k , xây d ng

và phát tri n m t h th ng
th ng, các k

u khi n quá trình. Qua các tài li u mô t ch c

u khi n và các nhà công ngh có m t ngôn ng chung

c khi ti n hành tri n khai m t d án.
S hóa b i Trung tâm H c li u

h
bàn b c

qua vi c mô t h th ng, b n thân các
/>

16

k

u khi n

xây d ng

ph n c ng, phát tri n ng d ng
1.6.1 Các tài

c các tài li u chi ti t cho vi c thi t k c u hình

u khi n và giao di n

i

máy.

mô

Các tài li u mô t
thi t k h th ng
-

h a sau

c xem

quan tr ng nh t trong m i t p

u khi n quá trình:

công ngh miêu t quá trình công ngh , không ch a thông tin chi ti t v

các thi t b

ng và

u khi n. Thông

ng,

công ngh do các nhà công

ngh xây d ng.
-

ng d n và thi t b (P & ID) miêu t chi ti t quá trình công ngh kèm

theo các ch c

tiêu bi u c a m t h th ng

ng liên h gi a các thành ph n.
toàn b h th ng

là tài li u quan tr ng nh t

khóa liên

u khi n logic ph c v
- Bi u

i v i vi c thi t k

u khi n. M t s chu n quan tr ng liên quan t i các bi u

P&ID là ANSI/ISA S5.1 và ANSI/ISA S5.3
-

u khi n các quá trình cùng các

DIN 19227-3.

ng, ví d s d ng bi u
u khi n khóa liên

trình t bi u di n các

ngh . Tài li u hình thành ph c v bài toán

ng

logic

miêu t các thu t toán

ng.

c th c hi n ch c

c a quy trình công

u khi n trình t

ng d n quy

trình v n hành.

S hóa b i Trung tâm H c li u

/>