CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Các van điều khiển khí nén trong các quá trình công nghệ của nhà máy lọc dầu, hóa chất, phát điện… đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình công nghệ tuy nhiên do nhiều yếu tố như ăn mòn, điều kiện môi trường hoạt động, thời gian hoạt động, hoặc việc sử dụng van không phù hợp, hoặc lỗi do nhà sản xuất chế tạo, dẫn đến van điều khiển được sử dụng trong các quá trình công nghệ có thể hoạt động không chính xác hoặc bị lỗi. Khi van hoạt động không chính xác hoặc bị lỗi sẽ làm giảm năng suất của quá trình công nghệ. Nếu van bị lỗi sẽ làm dừng quá trình công nghệ, dừng nhà máy. Đối với các nhà máy lọc dầu hoặc nhà máy hóa chất hoặc nhà máy phát điện thì chi phí cho mỗi lần dừng máy và chạy lại rất cao gây tốn kém không mong muốn.1 Seat của van bị ăn mòn Vì vậy việc phát hiện sớm các vấn đề trong hoạt động của van trước khi van bị lỗi nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến quá trình công nghệ là rất quan trọng.
Một số vấn đề thường xảy ra đối với van điều khiển như: “Seat” bị mòn hoặc hư hỏng, “Stem” bị hư hỏng, “Stem” bị mòn hoặc bị ăn mòn, vật liệu làm kín bị mòn, Trang 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ các phần ghép nối bị lỏng, màng van bị lão hóa do bị nước ngưng tụ. Đa phần các vấn đề này thường không thể phát hiện được nếu không tháo van ra để kiểm tra. Việc tháo van ra để kiểm tra là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất, và gây tổn thất chi phí rất nhiều.2 Lỗi van bị dao động Có thể sử dụng nhiều phương pháp để phát hiện các vấn đề thường gặp bằng các hệ thống kiểm tra van giúp hạn chế việc phải tháo van ra để kiểm tra. Tuy nhiên cần phải lắp thêm thiết bị hỗ trợ kiểm tra van được thực hiện bằng cách lắp thêm các cảm biến trên van và đo các thông số cần thiết.
Các thông số quan trọng thường được thu thập bao gồm bộ định vị bị lỗi, độ chính xác của vị trí van, hành trình của van, và ma sát hoặc kẹt van. Để thực hiện kiểm tra được các thông số này, phải thực hiện lắp thêm các cảm biến vào van và phải kiểm tra hết hành trình hoạt động của van. Tuy nhiên việc này không thể thực hiện được khi van đang điều khiển quá trình công nghệ. Việc thu thập dữ liệu hoạt động của van đã được sử dụng rộng rãi tuy nhiên sử dụng để chuẩn đoán tình trạng của van thì còn hạn chế.
Ngày càng nhiều hệ thống giúp thu thập dữ liệu được sử dụng để đánh giá tổng quan hoạt động của van và điều Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ chỉnh quá trình công nghệ. Giá trị cài đặt (Setpoint) của van và vị trí của van cũng được thu thập qua hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA). Trong khoảng thời gian gần đây, dữ liệu hoạt động của van đã được thu thập bởi chính các bộ định vị thông minh (Smart positioner). Thay vì giá trị cài đặt của van và vị trí của van được đo đạc và gửi qua tín hiệu tương tự về phòng điều khiển, các tín hiệu này sẽ được gửi về phòng điều khiển trung tâm qua tín hiệu số dưới một số dạng truyền thông nhất định (Ví dụ truyền thông HART).
Một số bộ định vị thông minh đã tích hợp phần hỗ trợ chuẩn đoán van vào Firmware, bao gồm kiểm tra đáp ứng của van, phân tích kẹt van, dao động trên van. Tuy nhiên để có thể thực hiện kiểm tra vẫn cần phải dừng quá trình công nghệ để thực hiện. Thực tế tại Nhà máy Đạm Cà mau chưa có hệ thống để chuẩn đoán phát hiện sớm các lỗi xảy ra trên van giúp ngăn ngừa các sự cố của van điều khiển. Rất nhiều van điều khiển cần được theo dõi và chuẩn đoán liên tục, việc theo dõi dựa vào người vận hành không thể giám sát liên tục được tình trạng của van.
Việc sử dụng các phần mềm chuẩn đoán của các hãng sản xuất van không giúp tích hợp được vào hệ thống điều khiển DCS Yokogawa hiện tại của Nhà máy, để tạo ra các cảnh báo đồng thời chi phí để xây dựng cũng rất cao. Dựa trên các vấn đề trên, đề tài nghiên cứu tập trung vào việc phát hiện lỗi trên van điều khiển. Để thực hiện mục tiêu trên, tác giả đề xuất phương pháp thực hiện nghiên cứu mô hình hóa các đường đặc tuyến của van điều khiển trên Kit thực nghiệm, sau đó dùng các giải thuật toán học cơ bản và ứng dụng Machine learning để phát hiện lỗi trên van điều khiển qua phần mềm Matlab, giao tiếp giữa Matlab và DCS sẽ qua hệ thống OPC của nhà máy. Các cảnh báo sẽ được gửi về hệ thống DCS giúp người vận hành dự đoán được các lỗi trên van điều khiển và khắc phục.
Trang 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Pneumatic Signal Position Control Signal Feedback Process Postitioner Controller HART Signal Control Valve OPC System - Setpoint - Position - Actuator Pressure Matlab Calculated Results Display to user - Fail Friction - Alarms - Fail Air - Reports - Normal Hình 1.3 Sơ đồ đánh giá tình trạng hoạt động của van lấy dữ liệu qua OPC 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Chưa ghi nhận các nghiên cứu về việc chuẩn đoán tình trạng hoạt động của các van điều khiển ngay trong quá trình vận hành bình thường của Nhà máy.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Tài liệu [6] tác giả Henry W. Boger, Foxboro, MA (US) và Sandro Esposito, Bridgewater, MA (US); 2011, CONTROL VALVE AND POSITIONER DIAGNOSTIC) (Hình 1.4) Hệ thống định vị van có thể tự chẩn đoán. Ví dụ, hệ thống định vị van có khả năng xác định tình trạng của các thành phần khác nhau của hệ thống. Sử dụng khả năng tự chẩn đoán trong hệ thống định vị van có thể cho phép phát hiện các hư hỏng trước khi phát sinh.
Các vấn đề có thể là cơ học hoặc hỏng hóc với các phần của bộ phận (ví dụ: van, đường dây, kết nối và bộ điều chỉnh), sự cố hoặc lỗi với các thành phần điện của bộ điều khiển, sự thay đổi trong thiết bị điện tử chẳng hạn như sự cố phần mềm hoặc sự cố với bộ lọc được áp dụng trong điện tử. Trang 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Các thành phần của hệ thống định vị van có thể bao gồm bộ chuyển đổi, cảm biến, rơ le, đường cấp khí, hoặc bộ truyền động. Bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi một tín hiệu nhận được từ một bộ điều khiển. Ví dụ, bộ chuyển đổi đầu ra điện/áp suất (Bộ chuyển đổi E / P) có thể chuyển đổi tín hiệu điện từ bộ điều khiển thành tín hiệu áp suất, chẳng hạn như khí nén.
Cảm biến có thể là bất kỳ thiết bị nào có khả năng đo một tín hiệu (ví dụ, điện hoặc áp suất) được tạo ra hoặc nhận được bằng hệ thống định vị van. Ví dụ, một cảm biến có thể đo các thông số như áp suất, lưu lượng tỷ lệ, dòng điện, điện áp hoặc vị trí van. Rơle có thể truyền hoặc khuếch đại tín hiệu nhận được. Rơle có thể bao gồm van ống đệm hoặc bộ khuếch đại khí nén.
Một bộ truyền động có thể đáp ứng tín hiệu từ bộ chuyển đổi. Ví dụ, một thiết bị truyền động có thể bao gồm một pít-tông chịu sự chênh lệch áp suất.4 Sơ đồ kiểm tra tı̀nh trạng hoạt động của van điề u khiển Trang 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ưu điểm Nhược điểm Có thể phát hiện được hư hỏng xảy Phải lắp thêm nhiều cảm biến để đo áp ra trên các bộ phận riêng biệt của suất và dòng điện ở trên bộ định vị trên van. van để kiểm tra lỗi Tài liệu [4] tác giả G. Wilke, Galen Dale, US và sở hữu sáng kiến là Fisher Controls international LLC, US (Hình 1.
Phương pháp phân tích phát hiện các thành phần của van bị hư hỏng. Để chỉ ra các vấn đề tiềm ẩn về tính toàn vẹn của thành phần. Đặc biệt, hệ thống có thể phát hiện ra sự hư hỏng hoặc lỗi tiềm ẩn trong lò xo truyền động, đường ống và ống dẫn khí nén. Hệ thống có thể được kết hợp thông tin với mạng điều khiển quá trình để cung cấp các cảnh báo phức tạp.
Hơn nữa, các phương pháp thống kê bổ sung có thể được sử dụng để tinh chỉnh độ chính xác phát hiện của hệ thống.5 Sơ đồ kiểm tra phát hiện áp suất thấp của van điều khiển Trang 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ưu điểm Nhược điểm Có thể phát hiện được hư hỏng xảy Phải lắp thêm nhiều cảm biến để đo áp ra trên van dựa vào các thuật toán suất và dòng điện ở trên bộ định vị. Tài liệu [2] tác giả Hafaifa, Ahmed Hafaifa, Ahmed Zohair Djeddi, Attia Daoudi, Ziane Achour University of Djelfa, với đề tài là “Fault detection and isolation in industrial control valve based on artificial neural networks diagnosis”. Bài báo này sử dụng hệ thống giám sát dựa trên phương pháp sử dụng mạng Nơ-ron nhân tạo để tạo ra các chỉ báo lỗi cho van điều khiển công nghiệp và các kiểm chứng.6 Sơ đồ kiểm tra phát hiện lỗi trên van điều khiển dùng Mạng Noron Ưu điểm Nhược điểm Linh hoạt trong việc phát hiện lỗi trên van. Không phụ thuộc vào đặc Phụ thuộc vào kinh nghiệm của chuyên tính của van là tuyến tính hay phi gia.
Trang 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tài liệu [1] tác giả L. Choonover, North Attleboro, MA (US) đề tài là “Method, system and storage medium for performing online valve diagnostics”.4 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU Một quy trình dùng mô tả quá trình tiếp cận và thực hiện cho nghiên cứu này bao gồm các tiến trình được trình bày như Hình 1.7 Các bước thực hiện của đề tài Trang 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.5 MỤC TIÊU CHÍNH Nhận dạng được mô hình toán của van điều khiển thuộc hệ thống DCS thực tế tại nhà máy Đạm Cà Mau (16FV02); Phát hiện và xuất cảnh báo được các lỗi trên van điều khiển bao gồm dò khí, kẹt cơ khí và giá trị phản hồi bị sai sử dụng các thuật toán nhận dạng như System Identification, Machine Learning hoặc MRAC trên Matlab.6 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các lỗi trên van điều khiển khí nén (16FV02) tại nhà máy Đạm Cà mau, bao gồm: Lỗi rò khí điều khiển, lỗi kẹt van, lỗi giá trị phản hồi vị trí của van bị sai Giải thuật Machine learning trong việc phát hiện các lỗi trên van điều khiển 1.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giải thuật Machine learning trong việc phát hiện các lỗi trên van điều khiển 1.
