Bài giảng kỹ thuật đo lường và tự động hóa

Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
1
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
& TỰ ĐỘNG HÓA
3
Khái quát về điều khiển tự động
4
Khái niệm về điều khiển tự động
 Thí dụ:
o Lái xe, mục tiêu giữ tốc độ xe ổn định v=40km/h
 Mắt quan sát đồng hồ đo tốc độ
• Thu thập thông tin.
 Bộ não điều khiển tăng tốc nếu v<40km/h, giảm tốc nếu v>40km/h
• Xử lý thông tin
 Tay giảm ga hoặc tăng ga
• Tác động lên hệ thống.
 Kết quả của quá trình điều khiển là xe chạy với tốc độ “gần” bằng với
40km/h.
5
Khái niệm về điều khiển tự động
 Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ
thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước.
 Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự tác động của con người.
6
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
2
Ứng dụng điều khiển tự động
 Hiện nay, điều khiển và điều khiển tự động được ứng dụng trong hầu hết các
ngành kỹ thuật, trong nghiên cứu khoa học, cũng như trong đời sống:
o Hệ thống sản xuất: nhà máy xi măng, nhà máy đường, nhà máy giấy, nhà

máy chế biến thực phẩm, nước giải khát….
o Quá trình công nghiệp: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, tốc độ,…
o Hệ cơ điện tử: robot di động, cánh tay máy, máy công cụ,…
o Hệ thống thông tin: hệ thống phát thanh, truyền hình, tổng đài điện thoại
o Hệ thống sản xuất và truyền tải năng lượng: nhà máy điện,…
o Phương tiện giao thông: xe hơi, tàu hỏa, máy bay, tàu vũ trụ,…
o Thiết bị quân sự: điều khiển rada, tên lửa, pháo,…
o Thiết bị điện tử dân dụng: máy điều hòa, ti vi, tủ lạnh, máy giặt, máy ảnh,
nồi cơm điện,…
o Thiết bị y tế, …
7
Các nguyên tắc chủ yếu khi tiến hành điều khiển tự động
8
Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Khi tiến hành điều khiển tự động, chúng ta thường hướng sự điều khiển theo
một trong 2 nguyên tắc sau:
o Nguyên tắc giữ ổn định, có nghĩa là giữ cho tín hiệu ra luôn là một hằng số
o Nguyên tắc điều khiển theo chương trình, có nghĩa là giữ tín hiệu ra y=y(t)
theo một chương trình đã được định sẵn.
9
Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc giữ ổn định
o Theo nguyên tắc này, chúng ta có 3 phương pháp để thực hiện
o Phương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi
 Các tính năng chính của tất cả các vòng điều khiển phản hồi là giá trị đo
được của biến kiểm soát được so sánh với điểm đặt và sự khác biệt này
được sử dụng để xác định hành động điều khiển thực hiện.
10
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
3

Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc giữ ổn định
o Phương pháp điều khiển theo sai lệch (Feedback Control) hoặc phản hồi
Dung dịch vào
Hơi nước
bão hòa
Van
Bộ hiển thị
nhiệt độ
Thiết bị
gia
nhiệt
Dung dịch ra
Nhiệt độ mong muốn = T
o
11
Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc giữ ổn định
o Phương pháp bù tác động bên ngoài (Fee dforward Control)
 Theo phương pháp này, bộ phận đo lường sẽ đo các tín hiệu nhiễu tác
động vào quá trình và so sánh với giá trị đặt, sự sai lệch sẽ tạo ra tín
hiệu tác động điều khiển

Hơi nước
bão hòa
Dung dịch vào
Van
Bộ hiển thị
nhiệt độ
Thiết bị

gia
nhiệt
Dung dịch ra
12
Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc giữ ổn định
o Phương pháp hỗn hợp
13
Các nguyên tắc trong điều khiển tự động
 Nguyên tắc điều khiển t heo chương trình
o Để một tín hiệu ra nào đó thực hiện theo chương trình, cần phải sử dụng
máy tính hay các thiết bị có lưu trữ chương trình. Hai thiết bị thông dụng
chứa chương trình điều khiển là:
 PLC (Progr ammable Logic Controller)
 CNC (Computerized Numerical Control)
14
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
4
Đặc điểm của nó và các vấn đề liên quan
15
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Một nhà máy hóa bao gồm rất nhiều máy và thiết bị hoạt động: các thiết bị
phản ứng, các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, các thiết bị chưng cất, hấp thu, cô
đặc, các thùng chứa,… được tích hợp với nhau một cách có hệ thống và hợp lý.
 Nhiệm vụ chính của các nhà máy là chuyển hóa các nguyên liệu ban đầu thành
các sản phẩm mong muốn sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau theo cách
ít tốn chi phí nhất.
 Trong suốt quá trình hoạt động, các nhà máy hóa phải đáp ứng một số yêu cầu
được áp đặt bởi những nhà thiết kế và yêu cầu kỹ thuật chung, các điều kiện về
kinh tế và xã hội mà luôn chịu ảnh hưởng của những biến động từ bên ngoài

(nhiễu).
16
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o An toàn:
 Sự hoạt động an toàn của các quá trình hóa học chính là yêu cầu chính
yếu cho mọi người trong nhà máy và tiếp tục đóng góp vào sự phát triển
kinh tế.
 Chính vì vậy, áp suất, nhiệt độ, nồng độ….các chất đang hoạt động phải
luôn không được vượt quá giới hạn cho phép.
 Chẳng hạn như, nếu một thiết bị phản ứng được thiết kế để làm việc ở
áp suất tối đa 100psig (7at), chúng ta sẽ có một hệ thống điều khiển để
duy trì áp suất hoạt động dưới áp suất này. Một ví dụ khác, chúng ta
nên tránh phát triển các hỗn hợp gây nổ trong hoạt động của nhà máy.
17
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o Đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm:
 Một nhà máy nên quan tâm đến số lượng và chất lượng của các sản
phẩm mong muốn cuối cùng.
 Ví dụ, chúng ta yêu cầu sản xuất ra 2 tấn eylen/ngày, với độ tinh khiết
99,5%.
 Vì vậy, chúng ta cần một hệ thống điều khiển để chắc rằng mức sản xuất
và độ tinh khiết phải được đảm bảo
18
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
5
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o Các quy định về môi trường:

 Bộ luật ở các quốc gia và địa phương cho phép các giá trị nhiệt độ, nồng
độ hóa chất và lưu lượng của các chất thải từ nhà máy phải đảm bảo
mức giới hạn.
 Chẳng hạn như nồng độ SO
2
mà nhà máy thải ra môi trường, tính chất
của nước thải ra sông hoặc hồ chứa.
19
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o Giới hạn các quá trình:
 Các loại thiết bị khác nhau được sử dụng trong nhà máy hóa có các giới
hạn riêng cho các hoạt động của chúng.
 Chẳng hạn như các thùng chứa không được tràn ra ngoài hoặc bị tháo
khô, các thiết bị chưng cất không nên bị ngập lụt, nhiệt độ trong các
thiết bị phản ứng xúc tác không được vượt giới hạn trên mà xúc tác sẽ
bị phá hủy.
 Một hệ thống điều khiển là cần thiết để đảm bảo các giới hạn của c ác
quá trình này.
20
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Cụ thể là các yêu cầu sau:
o Kinh tế:
 Hoạt động của một nhà máy phải phù hợp với điều kiện thị trường, mà
cụ thể là sự sẵn có của nguyên liệu và nhu cầu của các sản phẩm cuối
cùng.
 Vì vậy, nó phải kinh tế nhất trong việc sử dụng nguyên liệu, năng lượng,
vốn và lực lượng lao động.
 Vì vậy, nó đòi hỏi các điều kiện hoạt động được điều khiển ở mức tối ưu
về chi phí hoạt động thấp nhất, lợi nhuận tối đa,…

21
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Tất cả các yêu cầu liệt kê ở trên c ho thấy sự cần thiết phải giám sát liên tục các
hoạt động của nhà máy hóa và sự can thiệp bên ngoài (điều khiển) để đảm bảo
việc đáp ứng các mục tiêu hoạt động.
 Điều này được thực hiện thông qua việc sắp xếp hợp lý các thiết bị (các thiết bị
đo, các van, các bộ điều khiển, máy tính) và sự can thiệp của con người (những
nhà thiết kế nhà máy, những người vận hành) mà được kết hợp với nhau tạo
thành hệ thống điều khiển.
22
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
6
Sự cần thiết của việc ứng dụng điều khiển tự động trong công nghệ hóa
 Một hệ thống điều khiển cần đáp ứng 3 yêu cầu sau:
o Loại bỏ sự ảnh hưởng của các tác động nhiễu bên ngoài
o Đảm bảo sự hoạt động ổn định của một quá t rình hóa học
o Tối ưu hóa hiệu suất của một quá trình hóa học
23
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài tác động lên quá trình
nào đó là một trong những mục tiêu phổ biến nhất của quá trình điều khiển
trong nhà máy hóa chất.
 Yếu tố nhiễu chính là những yếu tố của môi trường xung quanh tác động đến
thiết bị phản ứng; thiết bị phân riêng, thiết bị trao đổi nhiệt; máy nén; máy thổi
khí….
 Những yếu tố nhiễu này ngoài tầm kiểm soát của người vận hành. Do đó, bộ
điều khiển sẽ làm thay đổi quá trình một cách chính xác để loại bỏ những tác
động tiêu cực do yếu tố nhiễu gây ra cho quá trình.
 Đây chính là điều mong muốn đối với các quá trình vận hành nhà máy hóa trong
thực tế cần phải đạt được.

24
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Ví dụ: Khảo sát hệ thống bình khuấy lý tưởng được gia nhiệt bởi dòng hơi
25
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
o Dòng lưu chất đi vào bình khuấy với lưu lượng
F
i
(lít/phút); nhiệt độ T
i
(
o
C)
o Bình khuấy được gia nhiệt bởi dòng hơi với lưu lượng
F
st
(kg/phút) ở một áp suất xác định
o Dòng lưu chất đi ra khỏi bình khuấy với lưu lượng
F(lít/phút) và nhiệt độ là T(
o
C)
 Mục tiêu vận hành hệ thống thiết bị này:
o Duy trì nhiệt độ T(
o
C) của dòng lưu chất đi ra bình khuấy
đạt giá trị nhiệt độ mong muốn là T
s
(
o
C)

o Duy trì thể tích lưu chất trong bình khuấy đạt giá trị
mong muốn V
s
(lít)
26
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
7
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Khi vận hành hệ thống thiết bị, các yếu tố nhiễu bên
ngoài tác động vào hệ thống này có thể là:
o Sự thay đổi lưu lượng dòng vào bình khuấy:
F
i
(lít/phút) thay đổi
o Sự thay đổi nhiệt độ của dòng vào bình khuấy: T
i
(
o
C)
thay đổi
27
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Nếu không có gì thay đổi, sau khi đạt được T=T
s
và
V=V
s
, chúng ta có thể để hệ thống tự hoạt động mà
không cần giám sát hay điều khiển.
 Nhưng rõ ràng rằng điều đó không thể được vì nhiệt độ

T
i
và F
i
là những yếu tố thường thay đổi.
 Do đó, một vài hình thức tác động điều khiển là thật sự
cần thiết để làm giảm tác động của các yếu tố nhiễu và
giữ cho T và V đạt được giá trị mong muốn.
28
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
29
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Trong hình trên, chúng ta xét sự tác động điều khiển để nhiệt độ lưu chất trong
bình khuấy đạt giá trị mong muốn khi nhiệt độ hoặc lưu lượng dòng lưu chất đi
vào bình khuấy thay đổi.
 Trong hệ thống này, ta dùng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ lưu chất bên trong
bình khuấy, sau đó tiến hành so sánh giá trị nhiệt độ đo được với giá trị mong
muốn T
s
(giá trị nhiệt độ cài đặt).
 Gọi  = T
s
– T: là độ chênh lệch nhiệt độ giữa giá trị đo với giá trị đặt
 Độ lệch  được đưa đến bộ điều khiển, ở đó được xử lý để đưa ra tác động điều
khiển lên van cung cấp hơi sao cho nhiệt độ T trở lại nhiệt độ mong muốn T
s
.
30
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
8

Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Nếu >0 nghĩa là giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt, khi đó bộ điều khiển sẽ đưa ra
quyết định tăng độ mở van cấp dòng hơi.
 Trong trường hợp ngược lại thì giảm độ mở van cấp dòng hơi.
 Nếu  = 0 thì bộ điều khiển không làm việc.
 Trong hệ thống điều khiển này, bộ điều khiển đo trực tiếp sự biến đổi đại lượng
quan trọng nhất mà chúng ta quan tâm (nhiệt độ) sau khi chịu sự tác động của
yếu tố gây nhiễu.
 Hệ thống điều khiển như vậy được gọi là hệ thống điều khiển feedback. Giá trị
nhiệt độ mong muốn Ts được gọi là giá trị đặt và được người vận hành cài đặt.
31
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Tương tự như vậy, nếu c húng ta muốn giữ thể tích của lưu chất trong bình
khuấy ổn định nghĩa là ta phải giữ chiều cao mực chất lỏng trong bình khuấy
không thay đổi ở giá trị đặt h
s
khi giá trị F
i
thay đổi.
 Trong trường hợp này, bộ điều khiển xác định chiều cao mực chất lỏng trong
bình khuấy đồng thời tác động đóng hay mở van khóa dòng đầu ra để điều
chỉnh lưu lượng dòng ra (F) hoặc dòng dầu vào F
i
.
 Hệ thống điều khiển như vậy cũng được xem là điều hiển feedback nghĩa là
chỉnh sửa lại sau khi bị ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu làm giảm chất lượng
của quá trình.
32
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Điều khiển feedback theo lưu lượng dòng ra

33
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Điều khiển feedback theo lưu lượng dòng vào
34
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
9
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Trở lại với ví dụ trên: chúng ta cũng có thể sử dụng cách điều khiển khác để
duy tr ì giá trị nhiệt độ của lưu chất trong bình khuấy đạt giá trị như mong muốn
khi nhiệt độ của dòng đầu vào Ti thay đổi bằng cách xác định nhiệt độ của dòng
đầu vào Ti sau đó sẽ quyết định đóng hay mở van cung cấp dòng hơi vào trong
hệ thống để cung cấp nhiệt nhiều hơn hoặc ít hơn, hệ thống điều khiển như vậy
được xem là hệ thống điều khiển feedforward
 Lưu ý rằng điều khiển feedforward không chờ đợi cho đến khi ảnh hưởng của
yếu tố nhiễu làm giảm chất lượng quá trình mà sẽ tác động tương thích trước
khi hệ thống chịu sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu bên ngoài, nghĩa là t iên đoán
trước cái gì sẽ ảnh hưởng đến quá trình
35
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Điều khiển feedforward
36
Khống chế sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
 Để loại bỏ sự tác động của yếu tố nhiễu lên tính chất vận hành từng đơn vị quá
trình là một trong những nguyên nhân sử dụng điều khiển trong nền công
nghiệp hóa chất
37
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Xem xét sự thay đổi của biến x được biểu diễn trong hình vẽ sau
38
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011

10
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Để ý rằng ở thời điểm t=t
o
giá trị của x không đổi, hệ thống chịu sự tác động
của nhiễu bởi một số yếu tố nhiễu bên ngoài, khi đó giá trị của x thay đổi nhưng
theo thời gian giá trị của x quay trở lại giá trị ban đầu và ổn định ở giá trị này.
 Chúng ta nói rằng quá trình ổn định hay quá trình tự điều chỉnh và không cần
có một can thiệp nào từ bên ngoài để cho quá trình ổn định nghĩa là không cần
có cơ chế điều khiển nào cưỡng bức để x trở lại giá trị ban đầu.
39
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ngược lại với hành vi của x được mô tả như trên, biến y trong hình sau không
tự quay lại giá trị ban đầu sau khi bị làm nhiễu bởi các yếu tố ảnh hưởng bên
ngoài
40
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Quá trình biểu diễn sự thay đổi của đại lượng nào đó như hình trên gọi là quá
trình không ổn định và cần thiết phải có bộ điều khiển bên ngoài để ổn định lại
“hành vi” của đại lượng đó.
 Ví dụ phản ứng nổ giữa nhiên liệu hydrocabon với không khí là một quá trình
không ổn định
 Hay lái xe đạp là một quá trình không ổn định và chúng ta phải cố gắng điều
chỉnh bằng cách đạp, lái, nghiêng cơ thể bên trái bên phải để quá trình đạt được
ổn định.
41
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
42
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
11

Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
43
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Từ việc phân tích hệ thống phản ứng khuấy trộn liên tục, mối quan hệ nhiệt
lượng tỏa ra từ phản ứng tỏa nhiệt là một hàm của nhiệt độ lưu chất bên
trong thiết bị phản ứng, trong khi nhiệt lượng được lấy ra thông qua dòng
lưu chất giải nhiệt là hàm tuyến tính theo nhiệt độ
44
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Khi hệ thống thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục ổn định nghĩa là không có
sự thay đổi trong quá trình khảo sát, nhiệt tạo ra từ phản ứng sẽ cân bằng
với nhiệt lượng được lấy ra từ dòng lưu chất tỏa nhiệt.
o Gọi P1; P2; P3 là giao điểm giữa 2 đường A và B. Trạng thái tại điểm P1 và
P3 được gọi là ổn định còn P2 là điểm không ổn định
45
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Giả thiết rằng chúng ta có thể tiến hành phản ứng ở nhiệt độ T2 và nồng độ
CA2 tương ứng với nhiệt độ T2, nếu nhiệt độ của dòng nhập liệu vào bình
phản ứng Ti tăng, làm cho nhiệt độ của hỗn hợp bên trong bình phản ứng
tăng lên T’2.
o Tại nhiệt độ T’2 nhiệt phát ra bởi phản ứng là Q’2 sẽ lớn hơn nhiệt lượng
được lấy ra bởi dòng lưu chất làm mát (Q’’2) dẫn đến nhiệt độ trong bình
phản ứng tăng và khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng, khi tốc độ
phản ứng tăng thì nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng tỏa nhiệt càng lớn cứ như
vậy nhiệt độ của lưu chất trong bình phản ứng càng tăng.
46

Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
12
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
47
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Từ điểm P2 khi nhiệt độ của dòng nhập liệu Ti tăng thì nhiệt độ của lưu chất
trong bình phản ứng tăng và cuối cùng nhiệt độ sẽ tiến đến điểm trạng thái
ổn định P3
48
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Tương tự như vậy nếu nhiệt độ của dòng nhập liệu Ti giảm thì nhiệt độ của
lưu chất trong bình phản ứng giảm từ điểm P2 đến điểm P 1
49
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Ngược lại, nếu chúng ta bắt đầu vận hành ở điểm trạng thái P1 hoặc P3
trong quá trình vận hành hệ thống thiết bị phản ứng nếu bị l àm nhiễu thì hệ
thống sẽ tự trở lại điểm P1 và P3
50
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
13
Đảm bảo tính ổn định cho quá trình
 Ví dụ: Điều khiển quá trình phản ứng không ổn định
o Trong thực tế, người ta hay vận hành hệ thống bình phản ứng khuấy
trộn liên tục ở khoảng giữa điểm ổn định và không ổn định với một số
số lý do sau:
 Ở nhiệt độ thấp hơn điểm trạng thái ổn định P1 thì hiệu suất thấp

vì nhiệt độ dòng nhập liệu Ti thấp
 Nếu nhiệt độ cao hơn điểm trạng thái ổn định P3 thì nhiệt độ quá
cao dẫn đến một số hệ quả: điều kiện không an toàn; phá hỏng
xúc tác nếu phản ứng có xúc tác; phân hủy sản phẩm…
51
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Sự an toàn và sự hợp lý của các đặc tính kỹ thuật của sản phẩm là là 2 nhiệm vụ
chính yếu đối với một nhà máy hóa.
 Một khi 2 điều đó đạt được thì mục tiêu tiếp theo là làm thế nào để hoạt động
của nhà máy mang nhiều lợi nhuận hơn.
 Trong thực tế, các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của nhà máy
không được duy trì như nhau (chẳng hạn như lưu lượng, áp suất, nồng độ các
chất, nhiệt độ,…) theo cách tạo ra lợi nhuận kinh tế luôn lớn nhất.
 Mục tiêu này được đảm bảo bởi các bộ điều khiển tự động cho nhà máy và
những người vận hành hệ thống.
52
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
53
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Nhiệt lượng cần thiết cho phản ứng được cung cấp bởi hơi nước bão hòa trong
thiết bị phản ứng loại vỏ áo như hình sau
54
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
14
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
55
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
o Thông số duy nhất mà chúng ta có thể thay đổi tự do để tối đa hóa
lợi nhuận là lưu lượng hơi bão hòa Q.
o Lưu lượng hơi có thể thay đổi khác nhau theo thời gian sẽ ảnh hưởng

đến nhiệt độ trong thiết bị phản ứng gián đoạn và nhiệt độ sẽ ảnh
hưởng hưởng đến tốc độ của quá trình phản ứng mong muốn B và
không mong muốn C.
o Vấn đề là làm sao chúng ta thay đổi Q(t) theo thời gian mà lợi nhuận
 là lớn nhất.
56
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Nếu Q(t) đạt giá trị lớn nhất trong toàn bộ thời gian phản ứng t
R
,
nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng sẽ đạt được lớn nhất có thể. Ban
đầu, khi nồng độ C
A
lớn, chúng ta sẽ có sản lượng B cao nhưng
chúng ta cũng sẽ trả nhiều chi phí cho hơi đốt. Sau đó nồng độ B
tăng lên làm cho sản lượng của C cũng tăng.
 Nếu lượng hơi giữ ở mức thất nhất của nó (tức là Q(t) = 0) trong
suốt thời gian phản ứng t
R
, chúng ta sẽ không phải tốn chi phí cho
hơi, nhưng chúng ta cũng sẽ không thu được sản phẩm B.
57
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Chúng ta thấy rõ ràng từ 2 mức giới hạn trên là Q(t) sẽ biến đổi
giữa giá trị thấp nhấp và cao nhất trong suốt thời gian phản ứng.
Làm cách nào để nó thay đổi nhằm đạt được lợi nhuận tối đa là
không đơn giản và đòi hỏi giải pháp tối ưu vấn đề đưa ra ở trên.
 Trong hình sau, chúng ta sẽ thấy một xu hướng chung là lượng hơi
phải theo tối ưu hóa lợi nhuận.
58

Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
15
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
59
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Vì vậy, một hệ thống điều khiển là cần thiết mà để tính toán lượng
hơi tốt nhất cho mỗi thời thời điểm trong suốt thời gian phản ứng
và điều chỉnh van (cung cấp hơi) để lưu lượng hơi đạt được giá trị
tốt nhất như đã tính toán. Đó là vấn đề điều khiển tối ưu.
60
Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học
 Ví dụ này cho thấy rằng điều khiển lượng hơi nước sẽ không thường đảm
bảo tính ổn định của thiết bị phản ứng hoặc loại bỏ ảnh hưởng của các
yếu tố nhiễu bên ngoài lên thiết bị phản ứng mà là tối ưu hiệu quả kinh tế
của nó
61
Các thành phần cơ bản cấu thành nên hệ thống điều khiển tự động
62
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
16
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
 Trong mỗi cấu trúc bộ điều khiển chúng ta có thể nhận ra các thành phần cứng
sau:
o Quá trình hóa học: Nó đại diện cho các thiết bị với các hoạt động hóa học
hoặc vật lý xảy trong đó
o Các thiết bị đo lường hoặc các đầu dò: Các thiết bị đo được sử dụng để đo
các yếu tố nhiễu, biến đầu ra của bộ điều khiển hoặc các biến đầu ra thứ
cấp, và là nguồn cung cấp thông tin chính về hoạt động của quá trình.
Chẳng hạn như:
 Cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế điện trở dùng để đo nhiệt độ

 Lưu lượng kế Ventury để đo lưu lượng dòng
 Các máy sắc ký khí để đo thành phần của hơi
63
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
 Một nhiệt kế thủy ngân không tốt cho việc đo lường mà được sử dụng
cho việc điều khiển vì giá trị đo của nó không thể truyền tải được.
 Mặt khác, một nhiệt kế nhiệt điện thì lại dùng được vì nó sinh ra một
hiệu điện thế mà có thể dễ dàng truyền tải được.
 Vì vậy, việc truyền tải là một yếu tố rất quan trọng trong việc lựa chọn
thiết bị đo lường.
 Các thiết bị đo tốt là yếu tố quan trọng cho các bộ điều khiển tốt, các
thiết bị đo phải chắc chắn và đáng tin cậy trong công nghiệp
64
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ chuyển đổi:
 Nhiều thiết bị đo không thể sử dụng cho việc điều khiển cho đến
khi chúng được chuyển đổi thành các đại lượng vật lý khác (như là
hiệu điện thế hoặc cường độ dòng điện, hoặc tín hiệu áp suất, như
khí nén hoặc dòng lưu chất) mà có thể được truyền tải dễ dàng.
 Các bộ chuyển đổi được sử dụng cho mục đích đó. Chẳng hạn như
cảm biến điện trở là những dây dẫn kim loại mà điện trở của nó
thay đổi khi chúng bị biến dạng cơ học. Vì vậy chúng có thể được
sử dụng để chuyển tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện.
65
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ chuyển đổi:
 Có 3 loại tín hiệu tín hiệu chính được sử dụng trong công nghiệp
• Tín hiệu khí nén, hoặc áp suất khí , thường sử dụng trong
khoảng 3-15ps ig.
• Tín hiệu điện thường sử dụng trong khoảng 4-20mA, 1-5V

hoặc 0-10V.
• Tín hiệu số thường sử dụng là 0 hoặc 1
66
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
17
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ chuyển đổi:
 Các tín hiệu được sử dụng để truyền đạt thông tin. Tín hiệu từ
máy phát tới bộ điều khiển được sử dụng bởi máy phát để cung
cấp thông tin cho bộ điều khiển giá trị thông số cần điều khiển.
 Nó không đo được nhưng là tỷ lệ với với tín hiệu đo. Mối quan hệ
với giá trị đo phụ thuộc vào sự hiệu chuẩn của sensor/máy phát.
 Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu ra của nó để tác động đến bộ phận
điều khiển cuối làm gì (chẳng hạn như mở van bao nhiểu, bơm biến
tần chạy với tốc độ nào,…).
67
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ chuyển đổi:
 Chúng ta thường xuyên chuyển từ tín hiệu này thành một loại
khác. Một bộ chuyển đổi sẽ làm việc này.
 Ví dụ, chúng ta chuyển tín hiệu điện (m A) sang tín hiệu áp suất khí
(psig). Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi
I/P để chuyển cường độ dòng điện (I) thành áp suất khí ( P). Tín
hiệu vào có thể là 4-20mA và tín hiệu ra từ 3-15psig. Một bộ
chuyển đổi tương tự s ang số A/D (analog/digital) chuyển từ tín
hiệu mA hoặc V sang tín hiệu số. Có nhiều bộ chuyển đổi khác
nhau như: D/A, P/I, E/P (volt/pneumatic), P/E, …
68
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Đường truyền dẫn:

 Chúng được sử dụng để truyền tải tín hiệu đo được từ các thiết bị
đo đến các thiết bị điều khiển.
 Trước đây, đường truyền dẫn là khí (khí nén hoặc chất lỏng nén)
nhưng với sự xuất hiện của các bộ điều khiển analog điện và đặc
biệt sự lan tràn của việc sử dụng máy tính số cho việc điều khiển,
đường truyền dẫn đã truyền dẫn tín hiệu điện.
 Đôi khi tín hiệu đo từ các thiết bị đo thì rất không ổn định và
không thể được truyền dẫn cho quãng đường dài. Trong những
trường hợp như vậy, đường truyền dẫn được cung cấp bộ khuêch
đại để tăng mức độ của tín hiệu. Chẳng hạn như, đầu ra của nhiệt
kế nhiệt điện chỉ khoảng vài milivôn, vì vậy trước khi nó được
truyền tải đi đến bộ điều khiển, nó được khuếch đại lên đến vài
vôn.
69
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ điều khiển:
 Đây là bộ phận cứng mà được gọi là “bộ não”. Nó tiếp nhận
thông tin từ thiết bị đo và quyết định các tác động sẽ thực hiện
tiếp theo.
 Những bộ điều khiển trước đây là các bộ thông minh ở mức giới
hạn, có thể dùng cho các quá trình đơn giản mà có quy luật điều
khiển đơn giản.
 Ngày nay với việc phát triển của kỹ thuật số cho nên các bộ điều
khiển đã trở nên thông minh hơn mà có thể làm các công việc
phức tạp hơn phù hợp hơn với các quy luật điều khiển phức tạp
hơn rất nhiều.
70
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
18
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển

o Bộ phận điều khiển cuối cùng:
 Đây là bộ phận cứng mà thực thi các quyết đinh được đưa ra bộ
điều khiển.
 Ví dụ, nếu bộ điều khiển “quyết định” tăng (hoặc giảm) lưu lượng
dòng hơi để giữ cho nhiệt độ trong thùng chứa ở giá trị mong
muốn (có thể xem lại ví dụ trong mục trước), nó là van thực thi
quyết định này, việc mở (hoặc đóng) bởi được ra lệnh bởi bộ điều
khiển.
71
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
 Van điều khiển thường là bộ phận điều khiển cuối cùng nhưng
không phải là duy nhất. Các bộ phận điều khiển cuối cùng đối với
các quá trình hóa:
• Công tắc rơle, cung cấp bộ điều khiển ON-OFF
• Bơm biến tần
• Máy nén biến tần
72
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
o Bộ phận ghi:
 Chúng được sử dụng để cung cấp bộ hiển thị trực quan về các quá
trình hóa học làm việc như thế nào.
 Thông thường, các thông số được ghi lại là các thông số được đo
trực tiếp như là một phần của hệ thống điều khiển. Những thông
số đo được khác nhau (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần
hợp chất,…) có thể được hiển thị trong phòng điều khiển của nhà
máy hóa, luôn hiển thị liên tục các giá trị đo được trong quá trình.
 Việc phát triển của các máy tính điện tử ngày nay đã ứng dụng rất
nhiều trong việc điều khiển quá trình, giúp chúng ta dễ dàng ghi
nhận lại quá trình thông qua các máy quay video (video display
units_VDUs).

73
Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển
74
Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011
19
Ví dụ
 Điều khiển nhiệt độ trong thiết bị truyền nhiệt
T T
C o n d e n s a t e
S t e a m
F e e d
T C
P r o d u c t
S t r e a m
S e t p o i n t
75
Ví dụ
 Điều khiển trong thiết bị phản ứng sinh học
A i r
A C
V a r i a b l e S p e e d
A i r C o m p r e s s o r
A T
S e t p o i n t
76