Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 1: Mở đầu

Điều khiển quá trình
© 2004, HOÀNG MINH SƠN

Chương 1: Mở ₫ầu

12/08/2006

CuuDuongThanCong.com

/>

Nội dung chương 1
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6

Giới thiệu môn học
Các khái niệm cơ bản
Mục ₫ích ₫iều khiển
Cấu trúc cơ bản một HT ĐKQT
Các chức năng ₫iều khiển quá trình
Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Mô tả chức năng hệ thống

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
2


1.0 Giới thiệu môn học
Lý thuyết
ĐKTĐ

ĐIỀU KHIỂN
QUÁ TRÌNH

TĐH quá trình
TĐHcông
quá nghệ
trình
TĐHcông
quá nghệ
trình
công nghệ
Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

Điều khiển máy
(ĐK chuyển ₫ộng,
Robot, CNC)

TĐH quá trình
TĐHcông
quá nghệ

trình
TĐHcông
xí nghiệp
nghệ
công nghiệp
© 2005 - HMS
/>
3


Mục ₫ích của môn học
ƒ Sinh viên nắm ₫ược các khái niệm và kiến thức
cơ sở phục vụ:
— Tìm hiểu, phân tích yêu cầu ₫iều khiển của các quá
trình công nghệ
— Đặt bài toán ₫iều khiển cho từng yêu cầu cụ thể
— Thiết kế sách lược ₫iều khiển phù hợp với yêu cầu và
với mô hình quá trình
— Chọn lựa giải pháp thiết bị ₫o, thiết bị chấp hành và
thiết bị ₫iều khiển

ƒ Tạo cơ sở hoặc/và ₫ộng lực cho các môn học:
—
—
—
—

Điều khiển logic, PLC
Thiết bị ₫iều chỉnh tự ₫ộng công nghiệp
Điều khiển phân tán

Tự ₫ộng hóa quá trình công nghệ/sản xuất

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
4


Các nội dung ₫ề cập chính
ƒ Tổng quan về hệ thống ₫iều khiển quá trình
— Các thành phần cơ bản
— Các chức năng và nhiệm vụ
— Mô tả chức năng, lưu ₫ồ P&ID

ƒ Xây dựng mô hình quá trình
— Mô hình hóa lý thuyết
— Mô hình hóa thực nghiệm

ƒ Thiết kế cấu trúc/sách lược ₫iều khiển
— Các cấu trúc ₫iều khiển cơ bản
— Điều khiển tập trung và ₫iều khiển phi tập trung/phân
tán

ƒ Thiết kế bộ ₫iều khiển (thuật toán ₫iều khiển)
— Lựa chọn kiểu bộ ₫iều khiển
— Tính toán các tham số của bộ ₫iều khiển
Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
5


Các nội dung ₫ề cập chính (tiếp)
ƒ Cơ sở giải pháp hệ thống ₫iều khiển quá trình
— Thiết bị ₫o
— Thiết bị ₫iều khiển
— Thiết bị chấp hành

ƒ Các bài toán ₫iều khiển quá trình tiêu biểu
— Các hệ thống dòng chảy/bình chứa
— Các hệ thống truyền nhiệt
— Các quá trình chuyển khối (tháp chưng cất)

ƒ Tin cậy và an toàn hệ thống

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
6


Phương pháp ₫ánh giá kết quả
ƒ Thí nghiệm kết hợp bài tập lớn: 2 phần
— Khảo sát ₫ối tượng bình mức (₫ối tượng mô phỏng) và

xây dựng mô hình thực nghiệm
— Thiết kế sách lược và thuật toán ₫iều khiển

ƒ Điểm ₫ánh giá
— Kết quả thí nghiệm/bài tập lớn:
— Thi cuối kỳ (vấn ₫áp)

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

20%
80%

© 2005 - HMS
/>
7


Tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Minh Sơn: Cơ sở hệ thống ₫iều khiển quá trình. NXB
Bách khoa Hà Nội, 2006.
[2] Belá G. Liptak (chủ biên): Instrument Engineer’s Handbook:
Process Control. 3rd Edition, Chilton Book Co. 1996.
[3] Michael L. Luyben, William L. Luyben: Essentials of Process
Control. McGraw-Hill, 1997.
[4] Luyben, W.L.: Process Modeling, Simulation and Control for
Chemical Engineers. McGraw-Hill, 1990.
[5] Seborg, D.E; T.F. Edgar; D.A. Mellichamp: Process Dymamics
and Control. 2nd Edition. Wiley, 2004.
[6] Curtis D. Johnson: Process Control Instrumentation

Technology. 5th Edition. Prentice-Hall, 1997.
[7] Thomas Marlin: Process Control: Designing Processes and
Control Systems for Dynamic Performance. McGraw-Hill 2000.
[8] Bài giảng (₫ưa dần, *.pdf Format): Lớp chuẩn bị ₫ịa chỉ
email, gửi tới:
Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
8


1.1 Các khái niệm cơ bản
ƒ Quá trình, quá trình kỹ thuật
ƒ Biến quá trình:
— Đại lượng (biến) ₫ược ₫iều khiển
— Đại lượng (biến) ₫iều khiển
— Đại lượng nhiễu, nhiễu tải và nhiễu ₫o

ƒ Điều khiển quá trình:
— Mục ₫ích, nhiệm vụ
— Một số quan ₫iểm trong ₫ịnh nghĩa

ƒ Hệ thống ₫iều khiển quá trình:
—
—
—
—

Thiết bị ₫iều khiển
Thiết bị ₫o
Thiết bị chấp hành
Hệ thống vận hành & giám sát

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
9


Quá trình & quá trình kỹ thuật
ƒ Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa
học hoặc sinh học, trong ₫ó vật chất, năng lượng
hoặc thông tin ₫ược biến ₫ổi, vận chuyển hoặc
lưu trữ (ANSI/ISA 88.01, DIN 19222).
ƒ Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các ₫ại
lượng kỹ thuật ₫ược ₫o hoặc/và ₫ược can thiệp.
ƒ Quá trình công nghệ là một quá trình kỹ thuật
nằm trong một dây chuyền công nghệ => quan
tâm tới các quá trình vật chất và năng lượng.
 Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình
₫ược hiểu là quá trình công nghệ

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS

/>
10


Nhìn từ quan ₫iểm hệ thống
Biến vào
Biến ₫iều khiển

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Nhiễu

Biến trạng thái
Biến không cần
₫iều khiển

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

QUÁ TRÌNH
KỸ THUẬT

Biến ra

Biến cần ₫iều
khiển

Biến không cần
₫iều khiển

© 2005 - HMS
/>
11


Biến quá trình
ƒ Biến cần ₫iều khiển (controlled variable): Biến ra, ₫ại lượng
hệ trọng tới sự vận hành an toàn, ổn ₫ịnh hoặc chất lượng
sản phẩm, cần ₫ược duy trì tại một giá trị ₫ặt, hoặc bám
theo một tín hiệu chủ ₫ạo
ƒ Biến ₫iều khiển (control variable, manipulated variable):
Biến vào can thiệp ₫ược theo ý muốn ₫ể tác ₫ộng tới ₫ại
lượng cần ₫iều khiển
ƒ Nhiễu: Biến vào không can thiệp ₫ược:
— Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance)
z nhiễu ₫ầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số
₫ầu vào (lưu lượng, nhiệt ₫ộ hoặc thành phần nguyên liệu,
nhiên liệu)
z nhiễu tải (load disturbance): thay ₫ổi tải theo yêu cầu sử
dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất hơi nước, ...)
z nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt ₫ộ, áp
suất bên ngoài, ...
— Nhiễu ₫o, nhiễu tạp (noise, measurement noise)
Chương 1: Mở đầu

CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
12


Ví dụ: bình chất lỏng
Fi

Biến vào

Biến ₫iều
khiển Fi

h
Fo

a) Sơ ₫ồ công nghệ

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

Nhiễu Fo

Quá trình
bình mức

Biến ra

Biến cần ₫iều
khiển h

b) Sơ ₫ồ khối

© 2005 - HMS
/>
13


Ví dụ: bộ gia nhiệt
TH 1 , wH

TC 2

TC1 , wC

TH 2

TC1
Biến
₫iều khiển
wH

Nhiễu
wC TH1

Quá trình
gia nhiệt
TH2

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

Biến ra ₫ược
₫iều khiển
TC2

Biến ra không
₫ược ₫iều khiển
© 2005 - HMS
/>
14


Các dây chuyền công nghệ phức tạp
ƒ Nhà máy xi măng:
— Công nghệ lò nung
— Công nghệ cấp liệu, nghiền, vận chuyển, ₫óng bao

ƒ Nhà máy ₫iện:
— Công nghệ lò hơi
— Công nghệ turbin

ƒ Nhà máy lọc dầu, hóa dầu:
— Công nghệ chưng cất, tinh luyện
— Công nghệ lò phản ứng liên tục, theo mẻ

/ Vấn ₫ề:
— Hàng nghìn ₫iểm ₫o, hàng trăm ₫ại lượng cần ₫iều khiển

— Các quá trình tương tác qua lại
— Đòi hỏi ₫ộ an toàn, tin cậy rất cao
Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
15


Ví dụ: Lò hơi

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
16


Ví dụ: quá trình sản xuất hóa chất
Bình cấp
thành phần A

Bình
ngưng

Bình chứa
hồi lưu
Nước lạnh

Bình cấp
thành phần B

Gia nhiệt

Nước lạnh

Buồng
làm lạnh

Sản phẩm
₫áy

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

H?i n??c
Gia nhiệt
hóa hơi

Bình
phản ứng

Sản phẩm
₫ỉnh

THÁP CHƯNG CẤT

Hồi lưu

T

© 2005 - HMS
/>
17


Nhiệm vụ ₫ặt ra
ƒ Can thiệp một cách hiệu quả các ₫ại lượng ₫ầu
vào của quá trình kỹ thuật ₫ể các ₫ại lượng ₫ầu
ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước trong
khi có tác ₫ộng của nhiễu và thông tin không
chính xác về ₫ối tượng
ƒ Giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ
thuật ₫ối với con người và môi trường xung
quanh
 Vai trò của kỹ thuật ₫iều khiển tự ₫ộng!

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
18


Khái niệm: ₫iều khiển quá trình
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật ₫iều khiển tự ₫ộng
trong ₫iều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ,
nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và ₫ảm bảo các yêu cầu về

bảo vệ con người, máy móc và môi trường.
ƒ Phạm vi ứng dụng: Công nghiệp chế biến, khai
thác & năng lượng
ƒ Bài toán ₫ặc thù và quan trọng nhất: Điều chỉnh
ƒ Đối tượng ₫iều khiển: Quá trình công nghệ

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
19


Đặc thù của các quá trình công nghệ
ƒ Qui mô sản xuất thông thường vừa và lớn
ƒ Yêu cầu rất cao về ₫ộ tin cậy và tính sẵn sàng
ƒ Các quá trình liên quan tới biến ₫ổi năng lượng và
vật chất
— Bài toán ₫iều chỉnh là tiêu biểu
— Các ₫ại lượng cần ₫iều khiển: lưu lượng, áp suất, nhiệt
₫ộ, nồng ₫ộ, thành phần,...
— Diễn biến tương ₫ối chậm
— Mô hình khó xác ₫ịnh
— Khả năng ₫iều khiển hạn chế
— Khó thay ₫ổi thiết kế công nghệ

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
20


Điều khiển quá trình công nghệ
ƒ Điều khiển quá trình liên tục (continuous process
control):
— ₫iều khiển một quá trình công nghệ hoạt ₫ộng liên tục
— ví dụ các quá trình chưng cất, quá trình sản xuất ₫iện,
quá trình sản xuất xi măng

ƒ Điều khiển quá trình mẻ (batch process control):
— ₫iều khiển các quá trình công nghệ hoạt ₫ộng theo mẻ
— ví dụ quá trình trộn bê tông, quá trình phản ứng hóa
chất, quá trình sản xuất bia,...

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
21


1.2 Mục ₫ích ₫iều khiển
1. Đảm bảo hệ thống vận hành ổn ₫ịnh, trơn tru: ₫ảm
bảo các ₫iều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi
thọ máy móc, vận hành thuận tiện
2. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay ₫ổi

tốc ₫ộ sản xuất theo ý muốn, giữ các thông số chất
lượng sản phẩm biến ₫ộng trong giới hạn qui ₫ịnh
3. Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục ₫ích bảo vệ
con người, máy móc, thiết bị và môi trường
4. Bảo vệ môi trường: Giảm nồng ₫ộ các chất ₫ộc hại
trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng
nguyên liệu và nhiên liệu
5. 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 ₫ổi của thị trường
Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
22


Ví dụ: Điều khiển bình trộn
hỗn hợp A và B

c1

c2

F1

F2

cấu tử A

c1 , c2 , c : Nồng ₫ộ A
F1, F2, F: Lưu lượng thể tích
h

c
F

Yêu cầu công nghệ: Đảm bảo chất lượng sản phẩm
Chế ₫ộ vận hành:
Vận hành liên tục
Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
23


Ổn ₫ịnh hệ thống
ƒ Các ₫ại lượng cần ổn ₫ịnh trong ví dụ:
— Mức trong bình trộn
— Nồng ₫ộ của A trong sản phẩm

ƒ Các yêu cầu về ổn ₫ịnh liên quan tới:
—
—
—
—
—

Nguyên lý cân
Nguyên lý cân
Nguyên lý cân
Nguyên lý cân
Các nguyên lý

bằng
bằng
bằng
bằng
₫ộng

vật chất (trong ví dụ)
năng lượng
pha
phản ứng hóa học
lực học

của hệ thống ở trạng thái xác lập!

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
24


Chất lượng sản phẩm

ƒ Ổn ₫ịnh chưa chắc ₫ã ₫ảm bảo chất lượng:
— Trong ví dụ: Nồng ₫ộ của A trong sản phẩm ₫ược giữ ổn
₫ịnh nhưng có thể xa với chất lượng yêu cầu!

ƒ Đảm bảo chất lượng sản phẩm: Giá trị ₫ại lượng
cần ₫iều khiển càng gần với giá trị ₫ặt càng tốt!
— Trong ví dụ: nồng ₫ộ A trong sản phẩm không những
₫ược duy trì ổn ₫ịnh, mà phải gần với một giá trị mong
muốn.

ƒ Chất lượng sản phẩm ₫ược ₫ánh giá thông qua
một số chỉ tiêu chất lượng
— Đáp ứng với thay ₫ổi giá trị ₫ặt (₫áp ứng quá ₫ộ)
— Đáp ứng với tác ₫ộng của nhiễu (₫áp ứng loại nhiễu)

Chương 1: Mở đầu
CuuDuongThanCong.com

© 2005 - HMS
/>
25