Mở đầu Câu 1.1 : Giải thích khái niệm điều khiển quá trình và nêu các lĩnh vực ứng dụng của điều khiển quá trình. Phân biệt điều khiển quá trình với các lĩnh vực điều khiển khác. − Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường. − Các lĩnh vực ứng dụng: Công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng.
− Phân biệt điều khiển quá trình với các lĩnh vực điều khiển khác: Điều khiển quá trình hầu như hạn chế ở ở bài toán điều chỉnh cho các quá trình công nghệ, không đề cập tới điều khiển bằng tay và các chức năng khác. Như vậy, khái niệm điều khiển quá trình được phân biệt với các bài toán điều khiển có những đặc thù khác hẳn trong tự động hoá xí nghiệp như điều khiển các quá trình gia công, lắp ráp, điều khiển chuyển động và điều khiển công lưu. Các nhà máy thuộc lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng đều có quy mô sản xuất lớn và thị trường sản phẩm rất rộng, chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào mực độ tự động hoá, chính vì vậy điều khiển quá trình đóng vai trò rất quan trọng.2 : Nêu các đặc thù của lĩnh vực điều khiển quá trình. − Qui mô sản xuất thông thường vừa và lớn.
− Yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. − Các quá trình liên quan tới biến đổi năng lượng và vật chất: Bài toán điều chỉnh là tiêu biểu. Các đại lượng cần điều khiển: lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, nồng độ, thành phần,. Diễn biến tương đối chậm.
Mô hình khó xác định. Khả năng điều khiển hạn chế. Khó thay đổi thiết kế công nghệ.3 : Phân biệt các loại biến quá trình. − Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động bên ngoài của quá trình − Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài − Biến quá trình mang thông tin về một trạng thái và biểu diễn của một quá trình.
− Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái được điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (setpoint) − Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp từ bên ngoài qua đó tác động biến ra theo ý muốn − Nhiễu là những biến vào không can thiệp được, Nhiễu tác động tới quá tình một cách ko mong muốn, cần loại bỏ hoặc giảm thiểu tác động này.4 :Phân biệt bài toán bám và bài toán điều chỉnh: Bài toán điều chỉnh: thiết lập hoặc duy trì đầu ra tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu. Sử dụng cho các điều chỉnh như: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,… Bài toán điều khiểm bám: bám sát theo một tín hiệu chủ đạo thay đổi liên tục( biết trước hoặc chưa biết trước). Sử dụng cho các bài toán thay đổi trang thái của hệ thống, thay đổi chế độ hoạt động.5 : Nêu rõ các mục đích điều khiển và phân tích trên ví dụ cụ thể: − Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện − Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn qui định − Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường 3 − Bảo vệ môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu − Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường Ví dụ : Phân tích: Ổn định hệ thống: − Các đại lượng cần ổn định trong ví dụ: Mức trong bình trộn. Nồng độ của A trong sản phẩm.
− Các yêu cầu về ổn định liên quan tới: Nguyên lý cân bằng vật chất (trong ví dụ). Nguyên lý cân bằng năng lượng. Nguyên lý cân bằng pha. Nguyên lý cân bằng phản ứng hóa học.
Các nguyên lý động lực học của hệ thống ở trạng thái xác lập. Chất lượng sản phẩm: − Nồng độ của A trong sản phẩm ko chỉ cần giữ ổn định nhưng mà phải gần với chất lượng yêu cầu. 4 − Đảm bảo chất lượng sản phẩm: Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng quá độ). Đáp ứng với tác động của nhiễu (đáp ứng loại nhiễu).
An toàn hệ thống: − Cần đặt cảm biến (logic) báo tràn hoặc cạn bình, quá tốc, quá dòng động cơ khuấy => điều khiển rời rạc động cơ và các van an toàn. − Khóa liên động nhằm: Tránh xảy ra các tình huống nguy hiểm (ví dụ động cơ chỉ được khởi động khi mức trong bình đạt một giá trị nào đó) Giảm thiểu tác hại khi sự cố xảy ra (bằng các biện pháp ngắt từng phần hoặc dừng khẩn cấp). Bảo vệ môi trường: − Các dây chuyền công nghệ ngày nay được thiết kế với nhiều yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường: Giảm nhiên liệu tiêu thụ. Giảm sử dụng nước sạch.
− Các thiết kế "recycling" tạo tính phi tuyến cao và tương tác lớn trong hệ thống. − Yêu cầu cao hơn trong các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về xử lý nước thải và khí thải. Hiệu quả kinh tế: − Các yêu cầu cụ thể: Chất lượng ổn định (nồng độ A trong sản phẩm). Năng suất thích ứng với yêu cầu thị trường (liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra).
Tiêu hao năng lượng thấp (cho động cơ khuấy và cho các van điều khiển) Tác động điều khiển êm ả, trơn tru. − Các yêu cầu cụ thể có thể mâu thuẫn nên ta có 2 phương án giải quyết: Sử dụng các tiêu chuẩn hòa đồng => điều khiển tối ưu. Đáp ứng vừa đủ các yêu cầu thiết yếu, sau đó tập trung vào các yêu cầu còn lại: ví dụ cho phép chất lượng dao động trong một phạm vi chấp nhận được để tránh thay đổi liên tục tác động điều khiển.6 : Phân tích và làm rõ các chức năng điều khiển quá trình: Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: - Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. - Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu.
- Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp có sự cố xảy ra. - Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu. - Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường.7 : Nêu rõ các thành phần cơ bản của một hệ điều khiển quá trình và mối liên hệ giữa các thành phần với nhau: Sơ đồ: 6 Thiết bị đo quá trình: − Measurement device: Thiết bị đo, vd đo nhiệt độ, áp suất, nồng độ. − Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng, ví dụ áp suất-dịch chuyển, dịch chuyển- điện áp.
− Sensor: Cảm biến, cũng là một dạng chuyển đổi, vd cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm,. − Sensor element: Cảm biến, phần tử cảm biến. − Signal conditioning: Điều hòa tín hiệu. − Transmitter: Chuyển đổi tín hiệu + truyền phát tín hiệu chuẩn.
Thiết bị điều khiển: − Control equipment: Thiết bị điều khiển, vd PLC, IPC, Digital Controller, DCS Controller,. − Controller: Bộ điều khiển, có thể hiểu là: Cả thiết bị điều khiển, hoặc Chỉ riêng khối tính toán điều khiển, vd PI, PID, FLC, ON/OFF,. Thiết bị chấp hành: − Actuator: Thiết bị chấp hành, cơ cấu chấp hành (van điều khiển, máy bơm, quạt gió, chắn gió, rơ-le,. − Actuator, actuating element: cơ cấu dẫn động, phần tử dẫn động (động cơ điện, khối chuyển đổi dòng-khí nén, cuộn hút từ,.
− Final control element: Phần tử chấp hành (thân van, tiếp điểm, sợi đốt). Hệ thống vận hành & giám sát: − Vận hành (Operation) − Giám sát, theo dõi (Monitoring) − Chẩn đoán (Diagnosis) − Giao diện người-máy (Human-Machine Interface, HMI) 7 Câu 1.8 : Giải thích các ký hiệu trong lưu đồ: Level transmitter Flow rate transmitter Thiết bị đo giá trị mức Thiết bị đo giá trị lưu lượng Pressure transmitter Analysis transmitter Thiết bị đo giá trị áp suất Thiết bị đo trị phân tích Temperature transmitter Flow rate convert Thiết bị đo giá trị nhiệt độ Bộ biến đổi lưu lượng Position switch Hand switch Công tắc hành trình Công tắc tay Level indicate control Flow rate record control loop Bộ điều khiển và hiển thị 102 mức Bộ điều khiển và hiển thị lưu lượng vòng 102 Flow ratio control loop Pressure diferential control 102 loop 102 Bộ điều khiển tỉ lệ lưu Bộ điều khiển vi phân áp suất lượng vòng 102 vòng 102 Temperature control loop Analysis control loop 102 102 Bộ điều khiển phân tích vòng Bộ điều khiển nhiệt độ 102 vòng 102 Ratio control loop 102 Quantity control loop 102 Bộ điều khiển tỉ lệ vòng Bộ điều khiển số lượng vòng 102 102 Indicator Programme Indicator Bộ chỉ thị Bộ chỉ thị khả trình Flow rate - Pressure Temperature alarm low-high record Bộ cảnh báo nhiệt độ cao – Bộ ghi giá trị lưu lượng và thấp 8 áp suất Phần mềm máy tính điều khiển phân tích Câu 1.9 : Vẽ phác các sơ đồ PID cho các yêu cầu: a. Điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, bộ điều khiển DCS với giá trị đặt từ máy tính vận hành: b.