TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2020 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Điều khiển quá trình nâng cao được dịch và biên soạn dành cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) của Trường Cao Đẳng Dầu Khí và thuộc môn học chuyên ngành. Các sinh viên nghề SCTBTĐH trước khi học môn học này cần hoàn thành môn học Cơ sở điều khiển quá trình và DCS.
Nội dung của giáo trình gồm 04 bài: Bài 1: Các khái niệm về hiệu chuẩn vòng điều khiển Bài 2: Các phương pháp hiệu chuẩn Bài 3: Các sách lược điều khiển nâng cao Bài 4: Hiệu chuẩn vòng điều khiển trên DCS Centum VP Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp tổ bộ môn Tự Động Hóa đã giúp tác giả hoàn thiện giáo trình này. Tuy đã nỗ lực nhiều, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để lần ban hành tiếp theo được hoàn thiện hơn. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2020 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS.
Nguyễn Xuân Thịnh 2. Lê Ân Tình MỤC LỤC 1. BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VỀ HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN .1 Mục đích hiệu chuẩn vòng điều khiển .1 Lý do phải hiệu chuẩn vòng điều khiển (The Reasons for Loop Tuning) .2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của vòng điều khiển .2 Các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành .1 Chế độ tỉ lệ (Proportional control mode – P mode) .2 Chế độ điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI mode) .3 Chế độ điều khiển PID .4 Các thuật ngữ và định nghĩa liên quan đến hiệu chuẩn vòng điều khiển (Terms and Definitions Associated with Loop Tuning) .5 Xác định loại quá trình (Process Type Identification). BÀI 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN .1 Các phương trình cơ bản .1 Phương trình cân bằng năng lượng (Energy Balance) .2 Hằng số thời gian (Time Constant) .3 Phương trình đáp ứng hoàn chỉnh (Complete Response Equation) .4 Hệ số khuếch đại quá trình (Process Gain) .5 Dải tỉ lệ (Proportional Band) .6 Thời gian tích phân (Integral Time) .7 Thời gian vi phân/đạo hàm (Derivative Time) .8 Biểu thức vòng điều khiển PID (PID Control) .2 Hiệu chuẩn vòng điều khiển hở .1 Tổng quan về qui trình thực hiện (Procesure Overview) .2 Phương pháp hằng số thời gian (Time Constant Method) .3 Phương pháp xác định tốc độ đáp ứng (Reaction Rate Method) .3 Hiệu chuẩn vòng điều khiển kín (Closed Loop Tuning) .1 Phương pháp chu kì tới hạn (Ultimate Period Method) .2 Phương pháp dao động tắt dần (Dampened Oscillation Method) .4 Hiệu chuẩn vòng điều khiển trực quan .2 Sự mất ổn định rõ ràng (Apparent Instability).
BÀI 3: CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO .1 Điều khiển truyền thẳng (Feedforward control) .1 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt: .2 Cấu trúc cơ bản và bộ điều khiển lý tưởng.2 Điều tỉ lệ (Ratio control) .1 Ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn liên tục .2 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .3 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ .4 Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ .3 Điều khiên tầng (Cascade control) .1 Ví dụ điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .2 Ứng dụng của điều khiển tầng .4 Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng .5 Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển tỉ lệ .6 Điều khiển tầng kết hợp điều khiển truyền thẳng. BÀI 4: HIỆU CHUẨN VÒNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN DCS CENTUM VP .1 Hiệu chỉnh vòng điều khiển theo định luật Ziegler & Nichols áp dụng cho vòng điều khiển hở (LAB 1) .1 Xác định các thông số: hệ số khuếch đại (KP), thời gian chết (LP), hằng số thời gian (τP).2 Xác định P, I và D theo định luật Ziegler & Nichols hiệu chuẩn vòng điều khiển hở.3 Điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng với các thông số P, I, D tìm được ở phần 4.4 Hiệu chuẩn các thông số của bộ điều khiển để đáp ứng ngõ ra tối ưu nhất.2 Hiệu chuẩn vòng điều khiển theo định luật Ziegler & Nichols áp dụng cho vòng điều khiển kín (LAB 2) .1 Xác định chu kỳ tới hạn (TU) và dải tỉ lệ tới hạn (PBU).2 Xác định P, I và D theo định luật Ziegler & Nichols hiệu chuẩn vòng điều khiển kín.3 Điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng với các thông số P, I, D tìm được ở phần 4.4 Hiệu chuẩn các thông số của bộ điều khiển để đáp ứng ngõ ra tối ưu nhất.5 Điều khiển tỉ lệ:. TÀI LIỆU THAM KHẢO .82 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Đồ thị đặc tính của một hệ thống điều khiển .20 Hình 1-2: Đường cong đáp ứng quá trình của một quá trình tự điều chỉnh .23 Hình 1-3: Đường cong đáp ứng quá trình của một quá trình tích hợp (không tự điều chỉnh) .24 Hình 2-1: Bồn điều áp và đáp ứn của bồn đối với nhiễu .31 Hình 2-2: Ngõ ra vi phân cộng với tỉ lệ .35 Hình 2-3: Ngõ ra của bộ điều khiển PID .36 Hình 2-4: Sơ đồ khối của một quá trình được hiệu chuẩn bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở .37 Hình 2-5: Đường cong đáp ứng được xây dụng bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở .38 Hình 2-6: Phương pháp xác định hằng số thời gian cho hiệu chuẩn vòng điều khiển hở .39 Hình 2-7: Kết quả kiểm tra bằng phương pháp hiệu chuẩn vòng hở xác định hằng số thời gian.40 Hình 2-8: Phương pháp xác định tốc độ đáp ứng cho hiệu chuẩn vòng hở .43 Hình 2-9: Kết quả kiểm tra một quá trình bằng phương pháp xác định tốc độ đáp ứng vòng điều khiển hở .44 Hình 2-10: Hệ thống điều khiển ở hệ số khuếch đại tới hạn 𝑲𝑲𝑲𝑲 hay dải tỉ lệ tới hạn 𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷 .46 Hình 2-11: Đáp ứng của biến được đo đối với nhiễu .47 Hình 2-12: Kết quả kiểm tra quá trình bằng phương pháp hiệu chuẩn chu kì tới hạn .48 Hình 2-13: Kết quả điều khiển bằng phương pháp dao động tắt dần .49 Hình 2-14: Đáp ứng của một quá trình với thông tin về các loại thời gian .54 Hình 2-15: Dạng sóng của van điều khiển có ma sát tĩnh .55 Hình 3-1: Sơ đồ khối điều khiển thiết bị gia nhiệt hơi nước .60 Hình 3-2: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển truyền thẳng.60 Hình 3-3: Cấu túc tổng quát của điều khiển truyền thẳng .60 Hình 3-4: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị khuấy trộn liên tục.62 Hình 3-5: Sơ đồ điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển tỉ lệ .62 Hình 3-6: Sơ đồ 2 cấu hình của sách lược điều khiển tỉ lệ .64 Hình 3-7: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển tầng .66 Hình 3-8: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng sách lược điều khiển phản hồi kết hợp với điều khiển truyền thẳng.67 Hình 3-9: Sơ đồ P&ID điều khiển thiết bị khuấy trộn bằng sách lược điều khiển phản hồi kết hợp với sách lược điều khiển tỉ lệ.68 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Bảng tính thông số PID bằng phương pháp hằng số thời gian .40 Bảng 2-2: Bảng tính thông số PID bằng phương pháp tốc độ đáp ứng.43 Bảng 2-3: Bảng tính thông số PID bằng phương pháp chu kì tới hạn (Ziegler & Nichols rule for closed loop tuning) .48 Bảng 4-1: Bảng ghi kết quả theo phương pháp hiệu chuẩn vòng hở.75 Bảng 4-2: Bảng tính thông số P, I và D theo phương pháp hiệu chuẩn vòng kín.78 Bảng 4-3: Bảng kết quả điều khiển tỉ lệ.80 CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NÂNG CAO 1. Tên mô đun: Điều khiển quá trình nâng cao 2.
Mã mô đun: TĐH19MĐ18 Thời gian thực hiện mô đun: 90 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 58 giờ; Kiểm tra: 04 giờ). Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô-đun: 3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun chuyên ngành của chương trình đào tạo. Môn đun này được dạy sau mô đun cơ sở điều khiển quá trình và mô đun hệ thống điều khiển phân tán (DCS).2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức về các chế độ làm việc của các bộ điều khiển, các thuật ngữ và định nghĩa chuyên ngành hiệu chuẩn vòng điều khiển, các phương thức điều khiển (sách lược điều khiển) cũng như phương pháp và kỹ năng hiệu chỉnh một vòng điều khiển.3 Ý nghĩa và vai trò của mô-đun: là môn học khoa học mang tính thực tế và ứng dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chuyên ngành điều khiển tự động hóa quá trình (Process Control and Automation). Mô-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại trường Cao Đẳng Dầu Khí từ năm 2019 đến nay.
Nội dung chủ yếu của mô-đun này là trang bị các kiến thức và kỹ năng thuộc lĩnh vực điều khiển quá trình: (1) nhận biết được tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh vòng điều khiển (Control Loop Tuning); (2) Trình bày được các phương trình cơ bản được sử dụng trong các quá trình điều khiển; (3) Xác định được các sách lược điều khiển được sử dụng để từ đó cài đặt, hiệu chỉnh được các thông số của bộ điều khiển; (4) Khắc phục được lỗi dao động của một quá trình bằng lưu đồ và phân tích dữ liệu. Qua đó, giáo trình cung cấp các nội dung kiến thức về các phương pháp hiệu chuẩn vòng điều khiển thông dụng và khắc phục các lỗi cơ bản xảy ra trong một vòng điều khiển phù hợp với thực tế tại các nhà máy công nghiệp quá trình hiện nay như các nhà máy thuộc công nghiệp dược phẩm, công nghiệp hóa chất, công nghiệp thực phẩm và đồ uống, công nghiệp năng lượng… 4. Mục tiêu mô-đun: 4.1 Về kiến thức: Trang 9 A1. Trình bày được tầm quan trọng và chức năng của việc hiệu chuẩn vòng điều khiển; A2.
Trình bày được các phương trình cơ bản được sử dụng trong việc hiệu chuẩn vòng điều khiển; A3. Trình bày được phương pháp hiệu chuẩn vòng điều khiển hở, hiệu chuẩn vòng điều khiển kín và hiệu chuẩn trực tiếp; A4. Mô tả được các đặc điểm của sách lược điều khiển nâng cao.2 Về kỹ năng: B1. Thực hiện được hiệu chuẩn vòng điều khiển hở; B2.
Thực hiện được hiệu chuẩn vòng kín; B3.