Nghiên cứu và phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình dùng trong trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Phạm Đức Hùng

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH DÙNG TRONG TRƯỜNG
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Điều khiển tự động

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. HOÀNG MINH SƠN
HÀ NỘI, 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Nghiên cứu và phát triển hệ thống thí
nghiệm điều khiển quá trình dùng trong trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng n”
là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi, với sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS.
Hồng Minh Sơn. Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Để
phục vụ hoàn thành luận văn, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã đƣợc liệt kê trong danh
mục tài liệu tham khảo mà không sử dụng từ bất kỳ một nguồn nào khác.
Tác giả

Phạm Đức Hùng

1


LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS. Hồng Minh Sơn, ngƣời đã tận
tình hƣớng dẫn và đƣa ra những lời khuyên quý báu trong suốt thời gian em làm luận
văn. Nếu khơng có những lời khuyên và sự định hƣớng của thầy, em sẽ khó có thể
hồn thành đề tài này trong khoảng thời gian nhƣ vậy. Em cũng xin đƣợc gửi lời cám
ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động đã dạy bảo, giúp đỡ em
trong suốt hai năm qua để em có đƣợc thành quả nhƣ ngày hôm nay.

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 5
DANH MỤC KÝ HIỆU ......................................................................................... 5
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. 5
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 7
CHƢƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH ......................................................... 10
1.1. Bài tốn điều khiển quá trình .................................................................... 10
1.2. Hệ thống điều khiển quá trình ................................................................... 11
1.3. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống ............................................................. 13
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ........................................ 17
2.1. Bộ thí nghiệm bình mức-lƣu lƣợng........................................................... 19
Bộ điều khiển máy bơm ....................................................................................... 25
2.2 Bộ thí nghiệm nhiệt độ .............................................................................. 33
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ........................................ 45
3.1 Bài thí nghiệm bình mức-lƣu lƣợng ........................................................... 46
3.1.1. Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển ổn định lƣu lƣợng .................... 46

3.1.2. Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển ổn định mức nƣớc ................... 47
3.2. Thiết kế bài thí nghiệm điều khiển đối tƣợng nhiệt độ ............................. 48
3


3.3 Danh mục các bài thí nghiệm......................................................................... 50
CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG ÁN PHÁT TRIỂN PHỊNG THÍ NGHIỆM ..... 51
4.1 Ứng dụng PLC và giám sát WinCC vào bài toán trộn hai chất lỏng theo
tỉ lệ ................................................................................................................ 51
4.2 Khai thác và sử dụng mạng CAN-bus trong hệ thống thí nghiệm......... 53
Phương tiện và phương pháp nghiên cứu ........................................................... 53
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 54
KIẾN NGHỊ VÀ BÀN LUẬN ............................................................................. 55
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 57
Phụ lục 1: Phiếu bài tập các bài thí nghiệm ..................................................... 58
Phụ lục 2: Kết quả thực nghiệm và kết quả mơ phỏng Simulink bài thí nghiệm
bình mức ........................................................................................................... 79
Phụ lục 3: Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển nhiệt ....................................... 96

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC KÝ HIỆU
 : Khối lƣợng riêng chất lỏng trong bình
C : Diện tích đáy bình mức (C= const)

L: Chiều cao cột chất lỏng trong bình
V: Thể tích chất lỏng trong bình thí nghiệm
A: Tiết diện đáy bình mức chất lỏng

a: Tiết diện lỗ thủng ở đáy bình mức chất lỏng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
SISO

Single-input, single-output
(Một tín hiệu vào, một tín hiệu ra)

P&ID

Piping and instrumentation diagram
(Lƣu đồ ống dẫn và thiết bị)

DCS

Distributed control system
(Hệ thống điều khiển phân tán)

PLC

Programme logic controller
(Thiết bị lơ gic khả trình)

PID

Proportional integrate devirative
(Bơ điều khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân)

5

AC/DC

Asynchronous current/direct current
(Bộ biến đổi xoay chiều/ một chiều)

LCD

Liquid crystal display
(Màn hình tinh thể lỏng)

GLCD

Graphic liquid crystal display
(Màn hình tinh thể lỏng đồ họa)

PTC

Positive temperature coefficient
(Nhiệt điện trở dƣơng)

DS-d

Direct synthesis with diturbance jerection preference
( Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp ƣu tiên kháng nhiễu)

DS

Direct synthesis
( Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp)

IMC

Internal model control
(Phƣơng pháp mơ hình nội)

FOPDT

First order plus dead time
(Mơ hình qn tính bậc nhất có trễ)

6


MỞ ĐẦU
Trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên tiền thân là trƣờng Cao đẳng sƣ phạm kỹ
thuật I thuộc xã Dân Tiến, huyện Khoái Châu, tỉnh Hƣng Yên, Bộ Giáo dục và Đào
tạo là đơn vị chủ quản, trƣờng lên đại học từ ngày 06 tháng 01 năm 2003 có những
bƣớc trung chyển từ Cao đẳng lên Đại học, và hiện nay là Đào tạo sau đại học và nâng
cao trình độ ggiảng viên. Vì vậy yêu cầu thí nghiệm ở trình độ đại học và nghiên cứu
sau đại học là nhu cầu hết sức cần thiết cho các chƣơng trình đào tạo của trƣờng nói
chung và khoa Điện – Điện tử nói riêng. Trƣờng đã đƣợc hỗ trợ thiết bị từ Tổng cục
dạy nghề, các chƣơng trình hợp tác Đào tạo nghề Việt – Đức, Dự án giáo dục Việt
Nam - Hà Lan. Trong chƣơng trình hợp tác đó có chƣơng trình thí nghiệm điều khiển
q trình (Process control experiment) do dự án KFW hợp tác với cộng hòa Liên bang
Đức tài trợ, thiết bị đƣợc hãng Lucas - Nulle cung cấp dƣới dạng gói gọn và một vài
chƣơng trình thí nghiệm mẫu đơn giản.
Trƣờng Đại học SPKT Hƣng Yên nằm ở vị trí địa lý thuận lợi, gần với khu công
nghiệp dệt may Phố Nối, khu công nghiệp chế biến nhƣ nhà máy bánh kẹo Kinh Đô,
nhà máy bia và nƣớc giải khát Hà Nội tại Hƣng Yên và nhà máy xử lý nƣớc thải cho

khu đô thị và cụm công nghiệp Phố Nối. Do vậy sinh viên trong trƣờng có thể thực tập
và làm quen với môi trƣờng sản xuất công nghiệp hiện đại ngay khi cịn ngồi trên giảng
đƣờng. Đáp ứng nhu cầu đó, trƣờng đã và đang xây dựng các phịng thí nghiệm chuyên
ngành giúp ngƣời học có điều kiện tiếp xúc gần nhất với thực tế. Nhu cầu nghiên cứu,
triển khai hệ thống thí nghiệm nhằm: Nâng cao trình độ sinh viên lên một mức cao hơn
cho sinh viên có thực hành trên các thiết bị thực tế nhằm giúp sinh viên hiểu sâu hơn về
các hệ thống sản xuất công nghiệp. Bên cạnh đó tác giả là ngƣời có nhiệm vụ trực tiếp
khai thác thiết bị phục vụ giảng dạy. Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài cho luận văn cao

7


học của mình là:“Nghiên cứu và phát triển hệ thống thí nghiệm điều khiển q trình
dùng trong trường Đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên”.
Mục đích nghiên cứu của luận văn để xây dựng đƣợc hệ thống bài thí nghiệm thích hợp
nhất nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên hệ đại học và dùng làm công cụ nghiên cứu
khoa học của các giảng viên và học viên sau đại học trong trƣờng.
Đối tƣợng nghiên cứu trong luận văn là các thiết bị sẵn có bình mức, đối tƣợng nhiệt và
động cơ một chiều…
Phạm vi nghiên cứu là hệ thống thiết bị trong phịng thí nghiệm Điều khiển q trình
(ĐKQT) của khoa Điện – Điện tử, trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên.
Luận văn đƣợc trình bầy có nội dung gồm 4 chƣơng với bố cục nhƣ sau:
 Chƣơng 1: Điều khiển quá trình. Chƣơng này trình bày ngắn gọn những vấn đề
cơ sở chung về điều khiển quá trình nhằm giúp ngƣời đọc nắm bắt đƣợc liên hệ
giữa lý thuyết và hệ thống điều khiển quá trình thực tế.
 Chƣơng 2: Hệ thống thí nghiệm điều khiển quá trình. Chƣơng này giới thiệu về
hệ thống thiết bị thí nghiệm sẵn có trong phịng thí nghiệm, cụ thể về cấu tạo,
hoạt động và ứng dụng của từng thiết bị nhằm giúp ngƣời đọc có cái nhìn tổng
thể về cơng nghệ và thiết bị trong phịng thí nghiệm điều khiển q trình.
Ngồi ra, chƣơng này đã thiết kế phần cứng và phần mềm hỗ trợ, bổ làm phong

phú thêm các phần thí nghiệm ĐKQT. Phần mềm là bộ điều khiển máy bơm,
phần cứng là bộ khuếch đại công suất phần cịn thiếu trong bộ thí nghiệm nhiệt.
 Chƣơng 3: Xây dựng các bài thí nghiệm. Chƣơng này trình bày thiết kế cấu trúc
điều khiển và nội dung các bài thí nghiệm điều khiển q trình cho sinh viên đại
học chính qui.Các bài thí nghiệm có thể khai thác tối đa các thiết bị thí nghiệm
hiện có. Sau đó, khảo sát và thực hành trên hệ thống thí nghiệm trên các thiết bị

8


thực theo phƣơng pháp thực nghiệm nhằm kiểm chứng lại kết quả nghiên cứu lý
thuyết.
 Chƣơng 4: Các phƣơng án mở rộng phịng thí nghiệm. Chƣơng này trình bày
các đề xuất thiết kế, chế tạo mới nhằm tạo ra sự đa dạng trong nội dung thí
nghiệm ĐKQT.
Luận văn đã đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực hành,
thực nghiệm thí nghiệm trên các các thiết bị nhằm tạo ra một hệ thống bài thực hành thí
nghiệm chi tiết, tối ƣu với các thiết bị sẵn có và thiết kế chế tạo các thiết bị mới bổ
sung thiết bị cho phịng thí nghiệm.
Mặc dù đã đạt đƣợc hầu hết mục tiêu đề ra, song luận văn khơng tránh khỏi cịn nhiều
thiếu sót, tác giả mong muốn nhận đƣợc những ý kiến đóng góp, trao đổi của Hội đồng
chấm luận văn cũng nhƣ bạn đọc để tác giả có thể hồn chỉnh hơn nữa luận văn này.
Tác giả xin chân thành cám ơn!

9


CHƢƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
Điều khiển q trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển
trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghiệp hóa chất và năng lƣợng). Nội dung

của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động
với các bài toán của quá trình cơng nghệ. Phạm vi đề cập ở đây là các bài tốn mơ hình
hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tƣợng q trình
cơng nghệ.
Điều khiển q trình đƣợc định nghĩa là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong
điều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lƣợng
sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn cho con ngƣời, máy móc và mơi trƣờng.
Nội dung đề tài là thiết kế và xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển q trình với
mục đích giúp ngƣời đọc nắm bắt đƣợc liên hệ giữa lý thuyết và thí nghiệm tác giả
trình bày lại ngắn gọn một số vấn đề cơ sở chung về điều khiển quá trình. Nội dung
chƣơng này tác giả đã tổng hợp và trích dẫn theo [1,2,3] để ngƣời đọc có cách tiếp cận
đơn giản nhất về nội dung của luận văn.
1.1. Bài tốn điều khiển q 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 trƣớc, đồng thời giảm thiểu
ảnh hƣởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con ngƣời và môi trƣờng xung quanh.
Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng nhƣ các tham số, trạng thái hoạt
động của các thành phần trong hệ thống cần đƣợc theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy
nhiên, trong một quá trình kỹ thuật thì khơng phải biến vào nào cũng có thể can thiệp
đƣợc và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.

10


Đại lƣợng đƣợc điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của quá trình đƣợc điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint,
SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lƣợng đƣợc điều
khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lƣợng
sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái cịn lại của q trình khơng đƣợc điều
khiển, nhƣng có thể đƣợc ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là

những đại lƣợng đƣợc điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá
trình.
Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnh vực
công nghiệp khai thác, chế biến và năng lƣợng. Vì vậy từ đây về sau khái niệm điều
khiển quá trình đƣợc hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,
vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lƣợng sản phẩm,
hiệu quả sản xuất và an toàn cho con ngƣời, máy móc và mơi trƣờng.
1.2. Hệ thống điều khiển q trình
Thiết bị đo
Trong đại đa số các trƣờng hợp, để có thể thực hiện tốt chức năng điều khiển và vận
hành hệ thống ta cần phải liên tục có thơng tin về trạng thái hiện tại của quá trình kỹ
thuật. Thơng thƣờng thì đại lƣợng đƣợc điều khiển cũng là biến đƣợc đo, tuy nhiên
trong nhiều trƣờng hợp thì đại lƣợng đƣợc điều khiển không đo đƣợc trực tiếp mà phải
quan sát/ƣớc lƣợng thông qua các đại lƣợng khác. Mặt khác, ngƣời ta cũng có thể thực
hiện đo một số biến khác để điều khiển đƣợc tốt hơn. Tín hiệu ra từ thiết bị đo đƣợc gọi
tín hiệu đo, đồng thời cũng là đầu vào của bộ điều khiển. Ví dụ, lƣu lƣợng chất lỏng
trong một đƣờng ống đƣợc chuyển đổi thành tín hiệu dịng điện 4-20 mA tỉ lệ thuận với
giá trị lƣu lƣợng, trạng thái đóng mở một tiếp điểm đƣợc chuyển thành tín hiệu điện áp
0/ 24 V.

11


Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình.
Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến (sensor) hay phần tử cảm biến
(sensor element). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lƣợng quan
tâm của quá trình kỹ thuật (thƣờng là đại lƣợng không điện) và cho đầu ra là một tín
hiệu điện tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với giá trị cần đo. Thơng thƣờng, tín hiệu từ cảm
biến rất nhỏ nên cần phải đƣợc khuếch đại và chuyển đổi sang một dạng thích hợp để
có thể truyền xa và xử lý tiếp một cách dễ dàng. Vì thế, một thiết bị đo cơng nghiệp

thƣờng có thêm bộ chuyển đổi (transducer). Một bộ chuyển đổi có đầu ra là một tín
hiệu chuẩn (0 – 10 V, 0-20 mA, 4-20 mA, RS-485, tín hiệu bus trƣờng) còn đƣợc gọi là
một bộ truyền (transmitter).
Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển (control equipment) 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. Trong các
văn phạm khoa học thiết bị điều khiển đƣợc gọi là bộ điều khiển (controller). Tùy theo
ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể đƣợc hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ
bộ điều khiển nhiệt độ), một thành phần cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ

12


khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ một
trạm PLC/DCS). Trên cơ sở các tín hiệu đo và một sách lƣợc điều khiển đƣợc lựa
chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật tốn điều khiển và đƣa ra các tín hiệu điều khiển để
can thiệp trở lại q trình kỹ thuật thơng qua các thiết bị chấp hành.
Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system) nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và
thực hiện can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công
nghiệp là van điều khiển, động cơ và máy bơm. Thông qua các thiết bị chấp hành mà
hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của q trình kỹ thuật. Ví dụ tùy
theo tín hiệu điều khiển mà một máy bơm có thể tăng hoặc giảm tốc độ hút chất lỏng
để thay đổi lƣu lƣợng chất lỏng trong đƣờng ống hay làm thay đổi mức bình chứa. Một
tín hiệu điều khiển có thể làm thay đổi nhiệt độ của bình gia nhiệt qua đó làm thay đổi
nhiệt độ đầu ra.
1.3. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
Xây dựng mơ hình tốn học
Xây dựng mơ hình tốn học cho một q trình có 2 phƣơng pháp:
Mơ hình hóa bằng lý thuyết hay cịn gọi là mơ hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của

vật lý và hóa học kết hợp với các thơng số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận
đƣợc là các phƣơng trình vi phân và phƣơng trình đại số.
Mơ hình hóa bằng thực nghiệm là dựa trên thơng tin ban đầu về q trình, quan sát tín
hiệu vào-ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu đƣợc để xác định cấu trúc và các
tham số mơ hình từ một lớp các mơ hình thích hợp.
Phƣơng pháp mơ hình hóa tốt nhất là kết hợp đƣợc giữa phân tích lý thuyết và nhận
dạng quá trình. Phƣơng pháp kết hợp dựa trên phân tích q trình để tìm ra cấu trúc mô

13


hình, sau đó tiến hành nhận dạng để xác định các tham số của mơ hình. Phân tích lý
thuyết giúp ta có đƣợc cấu trúc mơ hình cũng nhƣ cơ sở cho việc xác định sách lƣợc và
lựa chọn bộ điều khiển.
Xây dựng cấu trúc/sách lược điều khiển
Sau khi làm rõ chức năng điều khiển và hiểu rõ mơ hình tốn học của q trình, bƣớc
tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển nhằm làm rõ cấu trúc liên kết giữa các phần tử
trong hệ thống. Đây là công việc quan trong đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết
và kinh nghiệm thực tế để tránh nhầm lẫn. Tiếp theo là lựa chọn biến đƣợc điều khiển,
các biến điều khiển tƣơng ứng và các biến nhiễu và liên kết chúng thông qua sơ đồ để
xây dựng các sách lƣợc điều khiển cụ thể. Các sách lƣợc điều khiển chia thành hai
phần sách lƣợc đơn biến nhƣ sách lƣợc phản hồi, tỉ lệ… và sách lƣợc đa biến nhƣ sách
lƣợc điều khiển tập trung và sách lƣợc phi tập trung... Các sách lƣợc điều khiển đƣợc
thể hiện rõ nhất trên lƣu đồ công nghệ P&ID.
Thiết kế/chỉnh định bộ điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển là việc xác định rõ ràng các bƣớc tính tốn và cơng thức
tính tốn cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển gồm
hai bƣớc: lựa chọn cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ
điều khiển, công việc thiết kế gắn liền với việc phân tích hệ thống.
Lựa chọn giải pháp hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển
và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với u cầu
của qui trình cơng nghệ. Việc này địi hỏi ngƣời kỹ sƣ thiết kế phải có cái nhìn tổng thể
về công nghệ hệ thống điều khiển cũng nhƣ nắm đƣợc các vấn đề cơ bản trong phƣơng
pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.

14


Phát triển phần mềm ứng dụng
Phát triển phần mềm ứng dụng trong điều khiển quá trình là tạo chất xám là hồn của hệ
thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết các kỹ sƣ phần mềm có thể bắt đầu thiết
kế các chƣơng trình điều khiển, thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện ngƣời-máy.
Chỉnh định và đưa vào vận hành
Chỉnh định và đƣa vào vận hành là bƣớc cuối cùng của công việc phát triển hệ thống
đƣợc thực hiện tại hiện trƣờng, gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham
số của bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công
nghệ…Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, địi hỏi kiến thức tƣơng đối tồn diện,
kinh nghiệm thực tiễn và sự kết hợp chặt chẽ giữa nhóm kỹ sƣ cơng nghệ, đo lƣờng,
điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trƣờng.

15


Các mục đích điều khiển
cơ bản
Các định luật vật lý và hóa
học
Lý thuyết mơ hình hóa &
mơ phỏng

1. Phân tích chức
năng hệ thống

2. Xây dựng mơ
hình q trình

Mơ tả cơng nghệ

Dữ liệu vận hành thực tế

3. Thiết kế cấu
trúc điều khiển

Kinh nghiệm thực tiễn
Lý thuyết điều khiển tự
động

4. Thiết kế thuật
tốn điều khiển

Cơng nghệ điều khển hệ
thống

5. Lựa chọn giải
pháp hệ thống

Công nghệ phần mềm
công nghiệp

6. Phát triển phần
mềm ứng dụng

Thông tin hỗ trợ từ nhà
cung cấp

7. Chỉnh định và
đưa vào vận hành

Hệ thống điều khiển

Hình 1.2: Các nhiệm vụ phát triển hệ thống.

16


CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Phịng thí nghiệm điều khiển q trình đƣợc hãng Lucas-Nulle, Cộng hịa liên bang
Đức cung cấp, phục vụ môn học Điều khiển quá trình do bộ mơn Đo lƣờng và Điều
khiển tự động, khoa Điện – Điện tử giảng dạy. Hệ thống thí nghiệm này có ứng dụng
trong đào tạo và thực tiễn, gồm thí nghiệm bình mức chất lỏng, đối tƣợng nhiệt, động
cơ một chiều và các đối tƣợng trong công nghiệp khác. Với số lƣợng 16 bộ thí nghiệm
bình mức và 16 bộ thí nghiệm mơ đun nhiệt nên hệ thống thí nghiệm tƣơng đối đầy đủ
phục vụ giảng dạy thƣờng xuyên cho một lƣợng sinh viên lớn.
Hệ thống thí nghiệm điều khiển q trình gồm một bộ thí nghiệm bình mức chất lỏng
bình mức chất lỏng và một bộ thí nghiệm đối tƣợng nhiệt. Thiết bị thí nghiệm cho đối
tƣợng bình mức gồm: Khối nguồn, bộ điều khiển đa năng số, bình mức chất lỏng có
tích hợp sẵn khối khuếch đại cơng suất tín hiệu. Với bình mức, học viên có thể đo mức
chất lỏng và lƣu lƣợng thực hiện đƣợc trên cùng một thiết bị. Ngƣời thực hiện có thể
điều chỉnh chiều cao chất lỏng trong bình tự động hoặc bằng tay, dễ dàng quan sát sự

thay đổi đó trực tiếp hay qua giao diện phần mềm.

17


Hình 2.1: Bộ thí nghiệm bình mức chất lỏng.
Bộ thí nghiệm đối tƣợng nhiệt gồm: bộ biến đổi điện xoay chiều/một chiều AC/DC, bộ
điều khiển số đa năng (universal digital controller), khối khuếch đại cơng suất tín hiệu
(power amplifier) và đối tƣợng điều chỉnh nhiệt độ (temperature controlled system).
Các khối đƣợc minh họa trên hình 2.2, từ trái sang phải là khối nguồn, khối điều khiển,
khối khuếch đại và khối đối tƣợng nhiệt.

Hình 2.2: Bộ thí nghiệm điều chỉnh nhiệt độ.

18


Nội dung chƣơng này tác giả đi phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng
của từng khối, nguyên tắc ghép nối các khối với nhau, mô tả tốn học từng khối thiết bị
và hệ thống thí nghiệm nhằm để xây dựng cấu trúc điều khiển cho từng hệ thống điều
khiển.
2.1. Bộ thí nghiệm bình mức-lƣu lƣợng
Đối tƣợng bình mức là thiết bị bao gồm: bình thí nghiệm có vạch thang đo giúp học
viên quan sát đƣợc sự thay đổi mức chất lỏng, bình thí nghiệm có thang vạch chia độ 0
÷ 100 mm, bình tự tràn khi mức đạt đến giá trị cực đại thì chất lỏng xả xuống bể chứa
qua đƣờng ống bên phải bình chứa chất lỏng để chứa chất lỏng từ bình thí nghiệm đổ
xuống và cung cấp nguồn cho hệ thống thí nghiệm, cảm biến mức LT (level transmit)
có chức năng xác định mức chất lỏng L (level) trong bình thí nghiệm để tạo tín hiệu
điều khiển phản hồi về bộ điều khiển, đƣợc học viên khỏa sát và sử dụng trong thí
nghiệm. Ngồi ra, bình mức chất lỏng có cảm biến lƣu lƣợng FT (flow transmit) đo lƣu

lƣợng vào bình thí nghiệm F1, van điều khiển bằng tay V1, V2 để thay đổi lƣu lƣợng
chất lỏng vào và ra bình thí nghiệm. Cuối cùng là bơm hút chất lỏng, bơm hút là động
cơ một chiều để hút chất lỏng từ bình chứa lên bình thí nghiệm. Đối tƣợng bình mức
đƣợc minh họa trên hình 2.3.

19


Hình 2.3: Đối tƣợng bình mức.
Sơ đồ cơng nghệ chi tiết của bình mức đƣợc minh họa trên hình 2.4.

20


Hình 2.4: Sơ đồ cơng nghệ bình mức chất lỏng.
Các thiết bị trên hình 2.4 đƣợc diễn giải và minh họa trên hình 2.5.

Van tay

Bình chứa kín (closed tank)
V-5

Bình chứa (reservoir)

Van tay thƣờng đóng

FT
1

Bộ đo lƣu lƣợng đƣờng ống

LT

BơmE-4hút nƣớc

2

Bộ đo mức chất lỏng trong bình

Hình 2.5: Ký hiệu thiết bị trong lƣu đồ cơng nghệ bình mức.
Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái
của quá trình đƣợc điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với giá trị mong muốn hay giá
trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference
signal). Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của
hệ thống hoặc chất lƣợng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lƣu lƣợng, áp suất và nồng độ là
những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển q trình. Các
biến ra hoặc biến trạng thái cịn lại của q trình có thể đƣợc đo, ghi chép hoặc hiển
thị.
Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của q trình có thể can
thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong ĐKQT thì
lƣu lƣợng là biến ra tiêu biểu nhất.

21


Những biến vào cịn lại khơng can thiệp một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi
quá trình đang quan tâm đƣợc coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới q trình một cách
khơng mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất giảm thiểu ảnh
hƣởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trƣng khác hẳn nhau là nhiễu q
trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên
quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhƣng khơng can thiệp đƣợc, ví dụ trọng lƣợng

hàng cần nâng, lƣu lƣợng chất lỏng ra, thành phần hóa chất vào, thành phần tạp chất
trong dầu mỏ ... còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số
trong giá trị đo đƣợc.
Cần phân biệt rạch rịi giữa các đầu vào/ra cơng nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ
thống. Nhìn từ phía cơng nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một q trình có thể là
năng lƣợng hoặc vật chất, nhƣng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thơng tin
thể hiện qua các biến q trình.
Với bình mức chất lỏng ta coi thành bình là đồng đều nhau trong bình, và mức chất
lỏng trong bình có dung mơi là nƣớc tinh khiết nghĩa lý tƣởng có khối lƣợng riêng  =
1 (g/cm3).
Chúng ta đơn giản hệ thống theo cách biểu diễn quan hệ giữa các biến vào là lƣu lƣợng
chất lỏng vào F1 thay đổi tốc độ theo độ mở của van bằng tay V1 đóng vai trò biến
đƣợc điều khiển. Lƣu lƣợng chất lỏng ra từ bình thí nghiệm xuống bình chứa qua van
điều khiển bằng tay V2 là biến nhiễu. Ngoài ra độ mở van phần trăm (0 ÷ 100%) của
van V1 nên F1 cũng là nhiễu của quá trình. Sơ đồ khối bình mức chất lỏng đƣợc minh
họa trên hình 2.6.

22


Hình 2.6: Sơ đồ khối bình mức chất lỏng.
Theo định luật bảo toàn lƣu lƣợng ta thành lập đƣợc phƣơng trình cân bằng lƣu lƣợng:
F1  F2  A

dh
dt

(2.1)

A: Diện tích đáy bình mức (A = const)

h: Chiều cao cột chất lỏng trong bình
Lƣu lƣợng ra của bình mức phụ thuộc vào mức theo phƣơng trình:
F2  a 2 gh

(2.2)

a: Diện tích lỗ thủng ở đáy bình mức
g: gia tốc trọng trƣờng (g = 9,82 g/cm2)
Bình mức là một bình hở với tiết diện đáy bình là A . Nƣớc đƣợc bơm từ bình chứa lên
bình thí nghiệm với lƣu lƣợng là F1 .

23


Hình 2.7: Bình mức chất lỏng.
Nƣớc thốt ra khỏi bình thí nghiệm qua một lỗ phía dƣới đáy bình có diện tích là a.
Lƣu lƣợng dịng chảy qua lỗ tn theo phƣơng trình Bernoulli nhƣ sau:
F2  a 2 gh

(2.3)

Với: h là mức nƣớc và g là gia tốc trọng trƣờng. (g = 9,82 m/s2)
Phƣơng trình cân bằng lƣu lƣợng vào/ra nhƣ sau:
A

dh
 F1  F2  F1  a 2 gh
dt

(2.4)

Ta nhận thấy lƣu lƣợng phụ thuộc vào mức h của cột chất lỏng điều này nói lên khi ta
điều khiển lƣu lƣợng chất lỏng thì mức đƣợc coi là nhiễu.
Vì vậy bộ thí nghiệm này có 2 bài tốn điều khiển q trình: bài tốn điều khiển và ổn
định mức; bài toán điều khiển và ổn định lƣu lƣợng. Điều khiển bình mức chất lỏng
thực chất là điều khiển tốc độ và thời gian hoạt động của bơm hút chất lỏng từ bình
chứa lên bình thí nghiệm vì hai van vào V1 và van ra V2 là hai van điều chỉnh bằng tay
chỉ có tác dụng tạo ra nhiễu trong hệ thống.

24