Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ - ĐH Thái Nguyên

Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ keo nhũ trong sản xuất. Tối ưu hóa quy trình, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hiệp
• Người hướng dẫn: Pgs. Nguyễn Thanh Hà
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Mục lục
• Danh mục hình vẽ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
• 1.1. Điều khiển quá trình là gì?
• 1.2. Quá trình và các biến quá trình
• 1.3. Phân loại quá trình
• 1.4. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
• 1.5. Vận hành ổn định
• 1.6. Năng xuất và chất lượng sản phẩm
• 1.7. Vận hành an toàn
• 1.8. Bảo vệ môi trường
• 1.9. Hiệu quả kinh tế
• 1.10. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
• 1.11. Giao diện quá trình
• 1.12. Điều khiển cơ sở
• 1.13. Điều khiển vận hành và giám sát
• 1.14. Điều khiển cao cấp
• 1.15. Các thành phần cơ bản của hệ thống
• 1.16. Thiết bị điều khiển
• 1.17. Thiết bị chấp hành
• 1.18. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
• 1.19. Phân tích chức năng hệ thống
• 1.20. Xây dựng mô hình quá trình
• 1.21. Thiết kế cấu trúc điều khiển
• 1.22. Thiết kế thuật toán điều khiển
• 1.23. Lựa chọn giải pháp hệ thống
• 1.24. Phát triển phần mềm ứng dụng
• 1.25. Chỉnh định và đưa vào vận hành
• 1.26. Mô tả chức năng hệ thống
• 1.27. Các tài liệu mô tả đồ họa
• 1.28. Lưu đồ P&ID
• 2. CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH LÀM MÁT
• 2.1. Phân tích bài toán công nghệ
• 2.2. Giải pháp công nghệ hiện tại
• 2.3. Giải pháp khắc phục tồn tại
• 2.4. Lưu đồ P&ID của hệ thống làm mát keo
• 2.5. Xây dựng mô hình quá trình làm mát
• 2.6. Mô hình hóa lý thuyết
• 2.7. Mô hình hóa bằng thực nghiệm dựa trên đáp ứng quá độ
• 3. CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Các sách lược điều khiển cơ sở
• 3.2. Điều khiển phản hồi
• 3.3. Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward)
• 3.4. Điều khiển tỉ lệ
• 3.5. Điều khiển tầng
• 3.6. Điều khiển suy diễn
• 3.7. Điều khiển lựa chọn
• 3.8. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống
• 3.9. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ và mô phỏng
• 3.9.1. Mô hình toán học cho hệ thống
• 3.9.2. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển phản hồi
• 3.9.3. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp Feed-Forward
• 3.9.4. Xét ổn đinh hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi
• 4. CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131
• 4.1. Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ
• 4.2. Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán ổn định nhiệt độ đầu ra máy làm mát keo nhũ. Phương án thực nghiệm
• 4.3. Cài đặt thông số PID cho bộ điều khiển
• 4.4. Kết quả thực nghiệm
• 4.5. Kết luận
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị quyết của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ

Tóm tắt

I. Hướng dẫn ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ toàn diện

Việc ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ là một yếu tố then chốt, quyết định trực tiếp đến chất lượng keo nhũ và hiệu quả sản xuất. Trong quy trình sản xuất keo nhũ tương, đặc biệt là các loại keo gốc PVA, phản ứng trùng hợp là một phản ứng trùng hợp tỏa nhiệt. Nhiệt lượng sinh ra nếu không được kiểm soát chặt chẽ sẽ gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Nhiệt độ quá cao có thể làm thay đổi cấu trúc polymer, dẫn đến hiện tượng keo bị vón cục do nhiệt, giảm độ kết dính và thay đổi độ bền nhiệt của keo. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp lại làm chậm quá trình phản ứng, ảnh hưởng đến năng suất và độ đồng đều của sản phẩm. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thanh Hiệp tại Đại học Thái Nguyên, dây chuyền sản xuất keo nhũ tại Nhà máy Z131 yêu cầu hỗn hợp keo sau khi pha trộn (nhiệt độ ~100°C) phải được làm mát xuống khoảng 70°C. Sai lệch nhiệt độ ở công đoạn này ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Do đó, việc xây dựng một hệ thống làm mát keo sữa hiệu quả và tự động hóa là nhiệm vụ cấp thiết. Một hệ thống lý tưởng không chỉ duy trì nhiệt độ ổn định mà còn phải có khả năng đáp ứng linh hoạt với các thay đổi đột ngột như lưu lượng keo đầu vào hoặc nhiệt độ môi trường. Điều này đòi hỏi sự kết hợp chính xác giữa các thiết bị trao đổi nhiệt, cảm biến nhiệt độ công nghiệp và thuật toán điều khiển thông minh để đạt được sự tối ưu hóa quá trình làm mát.

1.1. Tầm quan trọng của kiểm soát nhiệt trong sản xuất keo PVA

Trong quy trình sản xuất keo nhũ tương, đặc biệt là keo Polyvinyl Acetate (PVA), việc kiểm soát nhiệt độ sản xuất keo PVA đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Quá trình trùng hợp nhũ tương là một phản ứng hóa học tỏa nhiệt mạnh. Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng, trọng lượng phân tử và sự phân bố kích thước hạt của polymer. Nếu nhiệt độ tăng quá cao, tốc độ phản ứng sẽ tăng đột ngột, có thể dẫn đến mất kiểm soát, tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn và làm giảm độ bền nhiệt của keo. Ngược lại, nhiệt độ thấp làm phản ứng diễn ra chậm, không hoàn toàn, dẫn đến hiệu suất thấp và chất lượng sản phẩm không đồng đều. Việc duy trì nhiệt độ trong một khoảng hẹp và ổn định là bắt buộc để đảm bảo các mẻ sản xuất có chất lượng đồng nhất, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng keo nhũ mà còn đảm bảo an toàn cho toàn bộ dây chuyền sản xuất.

1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt và chất lượng keo

Nhiệt độ là một trong những yếu tố có ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt keo rõ rệt nhất. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng động học của các chuỗi polymer tăng lên, làm giảm các lực liên kết tạm thời giữa chúng, dẫn đến độ nhớt của keo giảm. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, keo trở nên đặc hơn. Sự biến thiên không kiểm soát của nhiệt độ trong quá trình làm mát sẽ tạo ra sản phẩm cuối cùng có độ nhớt không ổn định. Điều này gây khó khăn lớn cho các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như trong ngành gỗ, bao bì, hoặc dệt may, nơi độ nhớt của keo cần phải được duy trì ở một mức cố định để đảm bảo lớp keo được phủ đều và có độ bám dính tối ưu. Ngoài ra, nhiệt độ cao bất thường có thể gây ra hiện tượng phá vỡ cấu trúc nhũ tương, dẫn đến keo bị vón cục do nhiệt, làm hỏng toàn bộ mẻ sản phẩm. Do đó, việc ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ là điều kiện tiên quyết để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn.

II. Thách thức khi ổn định nhiệt độ keo Phân tích sự cố

Các sự cố trong sản xuất keo thường xuất phát từ việc không thể ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ một cách chính xác. Thách thức lớn nhất đến từ hệ thống điều khiển thủ công và các yếu tố nhiễu không thể lường trước. Luận văn của Nguyễn Thanh Hiệp (2014) đã chỉ rõ, tại Nhà máy Z131, việc điều khiển nhiệt độ được thực hiện bằng cách nhân viên vận hành đóng/mở van nước làm mát bằng tay. Phương pháp này phụ thuộc quá nhiều vào kinh nghiệm và cảm tính của con người, dẫn đến sai số nhiệt độ đầu ra rất lớn. Khi lưu lượng keo nóng hoặc nhiệt độ đầu vào thay đổi, người vận hành không thể phản ứng đủ nhanh và chính xác, khiến nhiệt độ sản phẩm dao động mạnh, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng keo nhũ. Vấn đề trở nên phức tạp hơn khi các yếu tố nhiễu như nhiệt độ nước làm mát thay đổi theo mùa, hay sự thay đổi đột ngột trong lưu lượng dòng keo do yêu cầu sản xuất. Những biến động này nếu không được bù trừ kịp thời sẽ gây ra các sự cố trong sản xuất keo, từ việc keo bị vón cục do nhiệt đến việc sản phẩm không đạt yêu cầu về độ nhớt. Việc thiếu một hệ thống làm mát keo sữa tự động, có khả năng phản hồi và thích ứng, chính là lỗ hổng công nghệ cần được khắc phục để nâng cao hiệu quả và đảm bảo tính ổn định cho toàn bộ dây chuyền.

2.1. Phân tích nguyên nhân keo bị vón cục do nhiệt độ cao

Hiện tượng keo bị vón cục do nhiệt là một trong những sự cố trong sản xuất keo phổ biến và gây thiệt hại nặng nề nhất. Nguyên nhân chính là do hệ thống nhũ tương mất đi sự ổn định khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép. Keo nhũ tương là một hệ phân tán của các hạt polymer trong môi trường nước, được ổn định bởi các chất hoạt động bề mặt. Khi nhiệt độ tăng cao, chuyển động nhiệt của các hạt polymer tăng mạnh, đồng thời khả năng hấp phụ của chất ổn định trên bề mặt hạt có thể bị suy giảm. Điều này làm tăng xác suất va chạm hiệu quả giữa các hạt, khiến chúng kết tụ lại với nhau thành các khối lớn hơn, không thể phân tán trở lại. Quá trình này không thể đảo ngược và làm hỏng hoàn toàn tính chất của keo. Việc không có một giải pháp giải nhiệt cho keo dán hiệu quả để loại bỏ nhiệt lượng từ phản ứng trùng hợp tỏa nhiệt một cách nhanh chóng là nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng này.

2.2. Hạn chế của hệ thống điều khiển làm mát thủ công

Hệ thống điều khiển làm mát thủ công, dựa vào việc điều chỉnh van bằng tay, bộc lộ nhiều hạn chế cố hữu. Thứ nhất, nó có độ trễ lớn. Người vận hành chỉ có thể can thiệp sau khi đã quan sát thấy sự thay đổi nhiệt độ trên đồng hồ đo, lúc này sai lệch đã xảy ra. Thứ hai, tính chính xác thấp và không ổn định, phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ năng và sự tập trung của con người. Trong một ca sản xuất dài, việc duy trì sự chú ý liên tục là rất khó khăn. Thứ ba, hệ thống không có khả năng xử lý các nhiễu loạn. Những thay đổi về nhiệt độ đầu vào của keo hoặc lưu lượng dòng chảy là các biến số liên tục, và việc điều chỉnh bằng tay không thể nào đáp ứng kịp thời. Những hạn chế này làm cho việc tối ưu hóa quá trình làm mát trở nên bất khả thi, dẫn đến chất lượng sản phẩm không đồng đều và tiềm ẩn nguy cơ gây ra các sự cố trong sản xuất keo nghiêm trọng.

III. Phương pháp xây dựng mô hình hệ thống làm mát keo sữa

Để xây dựng một giải pháp giải nhiệt cho keo dán hiệu quả, bước đầu tiên và quan trọng nhất là phải mô hình hóa được quá trình. Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Hiệp đã tiếp cận vấn đề này một cách hệ thống, bắt đầu từ việc phân tích và xây dựng mô hình toán học cho thiết bị trao đổi nhiệt. Quá trình này dựa trên các phương trình cân bằng nhiệt lượng và phương trình truyền nhiệt cơ bản. Mục tiêu là xác định mối quan hệ động học giữa các biến đầu vào (lưu lượng nước làm mát, nhiệt độ keo đầu vào) và biến đầu ra (nhiệt độ keo sau khi làm mát). Việc mô hình hóa lý thuyết giúp hiểu rõ bản chất phi tuyến của hệ thống. Tuy nhiên, để có một mô hình chính xác hơn cho việc thiết kế bộ điều khiển, phương pháp nhận dạng thực nghiệm được áp dụng. Bằng cách thay đổi đột ngột lưu lượng nước làm mát và ghi lại đáp ứng nhiệt độ đầu ra, tác giả đã thu được đường cong quá độ đặc trưng của hệ thống. Từ đó, áp dụng phương pháp hai điểm quy chiếu để xấp xỉ mô hình hệ thống về dạng khâu quán tính bậc một có trễ. Mô hình này, dù đã được đơn giản hóa, vẫn đủ chính xác để làm cơ sở thiết kế thuật toán điều khiển PID, giúp tối ưu hóa quá trình làm mát và ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ trong thực tế.

3.1. Sơ đồ công nghệ cải tiến với cảm biến nhiệt độ công nghiệp

Giải pháp khắc phục được đề xuất trong luận văn là cải tiến sơ đồ công nghệ hiện tại bằng cách tự động hóa quá trình làm mát. Cụ thể, hệ thống mới sẽ bao gồm một vòng điều khiển kín. Một cảm biến nhiệt độ công nghiệp có độ chính xác cao được lắp đặt tại đầu ra của máy làm mát để liên tục đo nhiệt độ của keo. Tín hiệu nhiệt độ này được gửi về một bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị đo được với giá trị nhiệt độ mong muốn (setpoint) và tính toán sai lệch. Dựa trên sai lệch này, bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu điều khiển tới một biến tần. Biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ của máy bơm nước, qua đó thay đổi lưu lượng nước cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt. Sơ đồ này chuyển đổi hoàn toàn từ điều khiển thủ công sang điều khiển tự động, giúp phản ứng nhanh và chính xác với mọi thay đổi, là nền tảng cho việc ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ.

3.2. Mô hình hóa thiết bị trao đổi nhiệt và quá trình làm mát

Việc xây dựng mô hình toán học cho thiết bị trao đổi nhiệt là bước cốt lõi để thiết kế bộ điều khiển. Mô hình này được xây dựng dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Nhiệt lượng do dòng keo nóng tỏa ra phải bằng nhiệt lượng do dòng nước làm mát hấp thụ. Các phương trình cân bằng nhiệt và truyền nhiệt cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa nhiệt độ keo đầu ra và lưu lượng nước làm mát. Để đơn giản hóa cho việc thiết kế, nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận dạng hệ thống. Bằng cách tạo ra một tín hiệu đầu vào dạng bước nhảy (thay đổi đột ngột lưu lượng nước làm mát) và ghi lại đáp ứng đầu ra (nhiệt độ keo), một đường cong đặc tính động học của hệ thống được xác định. Dữ liệu này cho phép xấp xỉ hệ thống phức tạp thành một mô hình hàm truyền đơn giản hơn, thường là dạng quán tính bậc nhất có trễ, đủ tin cậy để thiết kế thuật toán điều khiển hiệu quả.

IV. Bí quyết điều khiển nhiệt độ sản xuất keo PVA hiệu quả

Để kiểm soát nhiệt độ sản xuất keo PVA một cách hiệu quả, việc lựa chọn cấu trúc và thuật toán điều khiển là yếu tố quyết định. Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Hiệp đã đề xuất một giải pháp giải nhiệt cho keo dán tiên tiến, kết hợp giữa hai sách lược điều khiển mạnh mẽ: điều khiển phản hồi (Feedback Control) và điều khiển truyền thẳng (Feed-forward Control). Điều khiển phản hồi, với thuật toán PID kinh điển, là nền tảng của hệ thống. Nó liên tục đo nhiệt độ đầu ra, so sánh với giá trị đặt và điều chỉnh lưu lượng nước làm mát để khử sai lệch. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tự điều chỉnh và loại bỏ sai số tĩnh, đảm bảo nhiệt độ cuối cùng luôn bám sát giá trị mong muốn. Tuy nhiên, điều khiển phản hồi chỉ hành động khi sai lệch đã xảy ra, gây ra độ trễ nhất định. Đây là lúc điều khiển truyền thẳng phát huy tác dụng. Bằng cách đo lường các nguồn nhiễu chính (như nhiệt độ hoặc lưu lượng keo đầu vào), hệ thống có thể dự đoán được ảnh hưởng của chúng và đưa ra hành động bù trừ trước khi nhiễu kịp tác động đến đầu ra. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống điều khiển vừa chính xác vừa phản ứng nhanh, là bí quyết để tối ưu hóa quá trình làm mát và ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ một cách vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

4.1. Ứng dụng điều khiển phản hồi Feedback và truyền thẳng Feed forward

Sự kết hợp giữa điều khiển phản hồi và truyền thẳng tạo nên một cấu trúc điều khiển mạnh mẽ. Vòng điều khiển phản hồi (Feedback) sử dụng cảm biến nhiệt độ công nghiệp ở đầu ra làm cơ sở, đảm bảo rằng nhiệt độ cuối cùng sẽ luôn được điều chỉnh về giá trị đặt, bất kể sự không chính xác của mô hình hay các nhiễu không đo lường được. Trong khi đó, điều khiển truyền thẳng (Feed-forward) đóng vai trò tiên phong. Nó đo các nhiễu chính có thể dự đoán được, chẳng hạn như sự thay đổi lưu lượng hoặc nhiệt độ của dòng keo nóng đi vào. Dựa trên mô hình của quá trình, nó tính toán và thực hiện một hành động điều khiển bù trừ ngay lập tức. Điều này giúp giảm thiểu tác động của nhiễu trước khi nó ảnh hưởng đến đầu ra. Nhờ đó, hệ thống không phải chờ đợi sai số xuất hiện rồi mới khắc phục, giúp quá trình chuyển tiếp mượt mà hơn và sai lệch được giữ ở mức tối thiểu. Đây là một giải pháp giải nhiệt cho keo dán thông minh và chủ động.

4.2. Tối ưu hóa quá trình làm mát bằng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân) là trái tim của vòng điều khiển phản hồi. Việc tối ưu hóa quá trình làm mát phụ thuộc rất nhiều vào việc cài đặt chính xác các thông số của bộ điều khiển này. Thành phần Tỷ lệ (P) cung cấp một hành động điều khiển tức thời, tỷ lệ với sai số hiện tại. Thành phần Tích phân (I) giúp loại bỏ sai số xác lập, đảm bảo nhiệt độ đầu ra sẽ hội tụ về đúng giá trị đặt sau một khoảng thời gian. Thành phần Vi phân (D) có tác dụng dự đoán xu hướng của sai số, giúp hệ thống phản ứng nhanh hơn và giảm thiểu dao động. Trong luận văn, việc cài đặt thông số PID được thực hiện thông qua thực nghiệm trên dây chuyền sản xuất thực tế. Bằng cách quan sát đáp ứng của hệ thống và tinh chỉnh các giá trị Kp, Ki, Kd, tác giả đã tìm ra bộ thông số tối ưu giúp hệ thống đạt được sự cân bằng giữa tốc độ đáp ứng và độ ổn định, đảm bảo việc ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ đạt hiệu quả cao nhất.

V. Kết quả thực nghiệm giải pháp giải nhiệt cho keo dán Z131

Lý thuyết chỉ thực sự có giá trị khi được kiểm chứng bằng thực tiễn. Giải pháp giải nhiệt cho keo dán được đề xuất đã được triển khai và thử nghiệm trên dây chuyền sản xuất keo nhũ thực tế tại Nhà máy Z131. Hệ thống điều khiển tự động, bao gồm cảm biến nhiệt độ công nghiệp, biến tần và bộ điều khiển PID, đã được lắp đặt để thay thế cho phương pháp điều khiển van tay truyền thống. Kết quả thực nghiệm được ghi lại chi tiết và mang lại những số liệu hết sức thuyết phục. Đồ thị nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Khi vận hành hệ thống điều khiển tự động, nhiệt độ đầu ra được duy trì cực kỳ ổn định quanh giá trị đặt là 70°C, với sai số rất nhỏ. Ngay cả khi có sự thay đổi về dung dịch pha A, B, hệ thống vẫn nhanh chóng tự điều chỉnh để đưa nhiệt độ về mức mong muốn. Ngược lại, đồ thị khi chuyển sang điều chỉnh bằng van tay cho thấy nhiệt độ dao động trong một khoảng rất rộng, lên xuống thất thường. Kết quả này không chỉ chứng minh tính hiệu quả của mô hình và thuật toán điều khiển đã chọn mà còn khẳng định giá trị ứng dụng thực tiễn của đề tài, mang lại lợi ích trực tiếp cho việc nâng cao chất lượng keo nhũ và đảm bảo an toàn sản xuất.

5.1. Triển khai hệ thống làm mát keo sữa tự động tại nhà máy

Quá trình triển khai thực nghiệm bao gồm việc lắp đặt các thiết bị phần cứng cần thiết vào dây chuyền sản xuất hiện có. Một tủ điều khiển chuyên dụng được xây dựng, chứa bộ điều khiển PID, biến tần và các thiết bị phụ trợ. Máy bơm nước làm mát được kết nối với biến tần để có thể điều chỉnh lưu lượng một cách linh hoạt. Cảm biến nhiệt độ công nghiệp loại PT100 được lắp đặt cẩn thận tại đường ống ra của máy làm mát keo để đảm bảo đo lường chính xác. Toàn bộ hệ thống được kết nối và lập trình để hoạt động như một vòng điều khiển tự động. Các thông số công nghệ như nhiệt độ, lưu lượng được hiển thị trên màn hình HMI, cho phép người vận hành giám sát quá trình một cách trực quan. Việc triển khai hệ thống làm mát keo sữa này là một bước nâng cấp quan trọng, chuyển đổi từ vận hành thủ công sang tự động hóa.

5.2. Đánh giá hiệu quả ổn định nhiệt độ so với phương pháp cũ

Hiệu quả của hệ thống mới được đánh giá bằng cách so sánh trực tiếp với phương pháp điều khiển bằng van tay. Các đồ thị kết quả thực nghiệm trong luận văn đã chỉ ra rằng: với hệ thống điều khiển tự động, nhiệt độ keo đầu ra ổn định trong phạm vi ±0.5°C quanh giá trị đặt. Trong khi đó, khi sử dụng van tay, nhiệt độ dao động mạnh trong khoảng từ 68°C đến 74°C. Sự ổn định vượt trội của hệ thống tự động giúp đảm bảo 100% sản phẩm đầu ra có nhiệt độ nằm trong giới hạn cho phép, từ đó cải thiện đáng kể sự đồng đều về chất lượng keo nhũ. Hơn nữa, hệ thống tự động giúp giải phóng sức lao động cho công nhân vận hành, giảm thiểu sai sót do yếu tố con người và nâng cao an toàn sản xuất. Những kết quả này là minh chứng rõ ràng cho sự thành công của việc áp dụng lý thuyết điều khiển tự động vào tối ưu hóa quá trình làm mát.

VI. Tương lai của công nghệ tối ưu hóa quá trình làm mát keo

Nghiên cứu về ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ tại Nhà máy Z131 đã mở ra một hướng đi hiệu quả và thực tiễn, nhưng tiềm năng phát triển của công nghệ này vẫn còn rất lớn. Trong tương lai, việc tối ưu hóa quá trình làm mát có thể được nâng lên một tầm cao mới nhờ vào các công nghệ của Cách mạng Công nghiệp 4.0. Thay vì chỉ sử dụng PID truyền thống, các thuật toán điều khiển thông minh hơn như điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hay mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Networks) có thể được áp dụng. Những thuật toán này có khả năng học hỏi từ dữ liệu vận hành và tự động tinh chỉnh để thích ứng với những thay đổi phức tạp của quy trình sản xuất, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn nữa. Bên cạnh đó, việc tích hợp các hệ thống chiller làm mát công nghiệp hiện đại, có hiệu suất cao hơn thay cho các tháp giải nhiệt cho bồn khuấy keo truyền thống cũng là một hướng đi cần xem xét. Việc kết nối hệ thống điều khiển nhiệt độ vào một hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu toàn nhà máy (SCADA) sẽ cho phép quản lý sản xuất một cách tổng thể, phân tích dữ liệu lớn để tìm ra các cơ hội cải tiến liên tục, không chỉ cho công đoạn làm mát mà cho toàn bộ quy trình sản xuất keo nhũ tương.

6.1. Hướng phát triển thuật toán điều khiển thông minh hơn

Trong tương lai, các thuật toán điều khiển tiên tiến có thể thay thế hoặc bổ trợ cho bộ điều khiển PID. Ví dụ, điều khiển dự báo dựa trên mô hình (Model Predictive Control - MPC) có thể tính toán trước chuỗi hành động điều khiển tối ưu trong một khoảng thời gian nhất định, xử lý hiệu quả các ràng buộc của hệ thống như giới hạn lưu lượng bơm hay tốc độ thay đổi nhiệt độ. Điều khiển thích nghi (Adaptive Control) có thể tự động cập nhật lại các thông số của bộ điều khiển khi đặc tính của quá trình thay đổi theo thời gian (ví dụ do cáu cặn trong thiết bị trao đổi nhiệt). Những công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại khả năng kiểm soát nhiệt độ sản xuất keo PVA chính xác và linh hoạt hơn nữa, đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng sản phẩm.

6.2. Tích hợp hệ thống chiller làm mát công nghiệp và SCADA

Để nâng cao hiệu suất giải nhiệt, việc đầu tư vào các chiller làm mát công nghiệp là một lựa chọn tối ưu. Chiller có khả năng cung cấp nước làm mát ở nhiệt độ thấp và ổn định, không phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài như các tháp giải nhiệt cho bồn khuấy keo. Điều này giúp vòng điều khiển hoạt động ổn định và hiệu quả hơn. Xa hơn nữa, việc tích hợp toàn bộ hệ thống làm mát keo sữa vào hệ thống SCADA chung của nhà máy sẽ mang lại lợi ích to lớn. Dữ liệu về nhiệt độ, lưu lượng, năng lượng tiêu thụ sẽ được thu thập, lưu trữ và phân tích. Các nhà quản lý có thể theo dõi hiệu suất của dây chuyền trong thời gian thực, phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu, hướng tới một nhà máy thông minh, hiệu quả và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất hóa chất và vật liệu công nghiệp, việc duy trì chính xác các thông số nhiệt độ đóng vai trò sống còn đối với chất lượng thành phẩm và an toàn lao động. Tại Nhà máy Z131 thuộc Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, dây chuyền sản xuất keo nhũ số 2 vận hành quá trình gia nhiệt và phối trộn hai dung dịch thành phần A và B ở nhiệt độ khoảng 100°C để tạo thành hỗn hợp keo nóng. Hỗn hợp này bắt buộc phải đi qua hệ thống thiết bị làm mát số 1 nhằm hạ nhiệt độ xuống mức xác lập khoảng 70°C trước khi tiếp tục đưa vào máy trộn số 2 để phản ứng với dung dịch C.

Trước năm 2014, việc điều chỉnh nhiệt độ làm mát keo tại phân xưởng chủ yếu phụ thuộc vào thao tác thủ công của công nhân vận hành thông qua việc đóng mở các van nước làm mát bằng tay. Phương thức vận hành này tồn tại độ trễ lớn, khiến nhiệt độ dòng keo đầu ra dao động mạnh với sai số thực tế vượt quá 5°C đến 8°C so với điểm đặt. Sự bất ổn định nhiệt độ làm suy giảm chất lượng bám dính của keo nhũ, gia tăng tỷ lệ sản phẩm lỗi và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn thiết bị.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Thanh Hiệp, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Thanh Hà tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên năm 2014, tập trung giải quyết triệt để bài toán này. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng cấu trúc điều khiển tự động hóa vòng kín sử dụng biến tần điều khiển bơm nước làm mát, tích hợp thuật toán điều khiển phản hồi phối hợp truyền thẳng nhằm ổn định nhiệt độ keo đầu ra với độ chính xác cao, duy trì sai số nhiệt độ dưới mức 1.5°C, nâng cao 100% mức độ tự động hóa và tối ưu hóa hiệu suất tiêu thụ năng lượng cho toàn bộ dây chuyền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết điều khiển quá trình hiện đại theo các tiêu chuẩn quốc tế ANSI/ISA S5.1 và DIN 19227-3 trong việc chuẩn hóa lưu đồ công nghệ và thiết bị P&ID. Trong cấu trúc quá trình trao đổi nhiệt, hệ thống được phân tích thành các biến quá trình rõ ràng: biến cần điều khiển là nhiệt độ dòng keo sau làm mát, biến điều khiển là lưu lượng nước làm mát cấp vào từ bể chứa ở nhiệt độ khoảng 25°C, cùng các biến nhiễu tải không kiểm soát gồm lưu lượng và nhiệt độ keo đầu vào dao động quanh 100°C.

Mô hình nhiệt động học của thiết bị làm mát được thiết lập trên nguyên lý cân bằng năng lượng và định luật truyền nhiệt bề mặt ở trạng thái xác lập. Phương trình cân bằng nhiệt lượng giữa dòng keo tỏa nhiệt và dòng nước hấp thụ nhiệt kết hợp cùng công thức chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit cho thấy đặc tính phi tuyến mạnh của đối tượng. Tác giả đã áp dụng phương pháp đổi biến trung gian công suất truyền nhiệt để tuyến tính hóa mô hình đối tượng, chia tách quan hệ phức tạp thành các phương trình tuyến tính kết hợp khâu phi tuyến đơn giản. Bên cạnh đó, các cấu trúc điều khiển kinh điển như điều khiển phản hồi một bậc tự do, điều khiển truyền thẳng bù nhiễu động và điều khiển tỉ lệ được phân tích chuyên sâu nhằm lựa chọn cấu hình điều khiển tối ưu cho đối tượng nhiệt có độ trễ pha lớn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp tại dây chuyền sản xuất keo nhũ số 2 thuộc Xí nghiệp 3, Nhà máy Z131 trong các ca vận hành thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 120 chu kỳ đo lường đáp ứng quá độ nhiệt độ và lưu lượng, được lấy mẫu có chủ đích tại điểm làm việc tĩnh danh định của thiết bị làm mát với các mốc thời gian kiểm chứng điển hình tại phút thứ 7 và phút thứ 22 sau khi khởi động hệ thống.

Phương pháp nhận dạng đối tượng vòng hở dựa trên đường cong đáp ứng quá độ dạng chữ S được lựa chọn làm giải pháp phân tích chính. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ đặc thù đối tượng trao đổi nhiệt công nghiệp có tính quán tính bậc cao kèm thời gian trễ lớn; việc xấp xỉ về mô hình quán tính bậc nhất có trễ thông qua phương pháp hai điểm quy chiếu giúp đơn giản hóa việc thiết kế thuật toán điều khiển PID mà vẫn phản ánh chính xác đến 95% đặc tính động học của thiết bị. Trước khi nạp tham số vào phần cứng PLC và biến tần thực tế, toàn bộ thuật toán điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng được mô phỏng kiểm chứng nghiêm ngặt trên môi trường MATLAB/Simulink nhằm khảo sát độ ổn định tiệm cận và triệt tiêu hoàn toàn rủi ro hỏng hóc thiết bị thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm và mô phỏng hệ thống điều khiển làm mát keo nhũ mang lại ba phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, qua phương pháp nhận dạng hai điểm quy chiếu từ đáp ứng nhảy bậc khi thay đổi lưu lượng nước làm mát từ 0.3 l/s lên 0.9 l/s, nhiệt độ dòng keo đầu ra giảm từ 67.1°C và xác lập vững chắc tại 65.2°C (độ dịch chuyển 1.9°C). Dữ liệu này giúp xác định chính xác hàm truyền đạt quán tính bậc nhất có trễ của thiết bị làm mát, làm tiền đề vững chắc cho việc tính toán tham số bộ điều khiển.

Thứ hai, cấu trúc điều khiển kết hợp giữa phản hồi PID và truyền thẳng bù nhiễu thể hiện sự vượt trội rõ rệt so với bộ điều khiển phản hồi PID truyền thống. Thời gian đáp ứng triệt tiêu nhiễu nhiệt độ đầu vào giảm từ 135 giây xuống dưới 45 giây (nhanh hơn gấp 3 lần), đồng thời độ vọt lố giảm từ 12% xuống dưới 5%, không xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng quanh điểm đặt.

Thứ ba, kết quả đo lường thực tế tại dây chuyền Nhà máy Z131 ở hai mốc kiểm nghiệm 7 phút và 22 phút sau khi khởi động cho thấy hệ thống tự động duy trì nhiệt độ keo đầu ra ổn định với dải sai lệch cực hẹp chỉ trong khoảng ±0.8°C quanh điểm đặt 70°C. Ngược lại, khi ngắt hệ thống tự động và chuyển sang điều chỉnh van bằng tay, biên độ dao động nhiệt độ ghi nhận từ ±4.5°C đến ±6.0°C, chứng minh hệ thống mới cải thiện độ ổn định hơn 80% so với phương pháp cũ.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của hệ thống xuất phát từ cơ chế phối hợp tác động của khâu truyền thẳng và vòng phản hồi kín. Khâu truyền thẳng đo lường trực tiếp các biến động của dòng keo đầu vào (nhiệt độ và lưu lượng) để gửi tín hiệu can thiệp sớm đến biến tần điều khiển lưu lượng bơm nước trước khi nhiệt độ đầu ra bị suy chuyển. Vòng phản hồi PID tiếp tục tinh chỉnh để triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh còn sót lại do sai số mô hình.

Các tập dữ liệu đo đạc thực nghiệm được biểu diễn trực quan trên các đồ thị quan hệ thời gian - nhiệt độ và bảng tham số động học, thể hiện sự trùng khớp cao giữa đường đặc tính mô phỏng trên máy tính và đường đáp ứng thực tế trên dây chuyền sản xuất. Khi so sánh với các công trình điều khiển nhiệt độ tương đương trong ngành công nghiệp chế biến hóa chất, giải pháp sử dụng biến tần điều khiển lưu lượng nước làm mát kết hợp thuật toán bù nhiễu trước không chỉ khắc phục triệt để quán tính nhiệt lớn mà còn hạn chế tối đa độ hao mòn cơ khí của các van điều khiển, kéo dài tuổi thọ thiết bị chấp hành thêm khoảng 25% đến 30%.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành và mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống, tác giả và nhóm nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị giải pháp trọng tâm:

1. Nâng cấp chuẩn hóa hệ thống cảm biến và thiết bị đo: Trang bị đồng bộ các cảm biến nhiệt độ Pt100 chuẩn công nghiệp đạt cấp bảo vệ IP65 và bộ truyền phát tín hiệu 4-20mA có khả năng chống nhiễu trường cao. Mục tiêu kỹ thuật là giảm độ trễ thu thập tín hiệu xuống dưới 0.5 giây và triệt tiêu nhiễu đo, thời gian triển khai dự kiến 3 tháng do Phòng Cơ điện Nhà máy Z131 chủ trì thực hiện.

2. Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi thông minh: Nghiên cứu tích hợp khối tự chỉnh định tham số PID thích nghi trực tuyến theo nhiệt độ nước làm mát môi trường (thay đổi theo mùa từ 15°C đến 38°C) nhằm duy trì sai số nhiệt độ dưới ±0.5°C trong mọi điều kiện thời tiết. Mục tiêu này được đề xuất hoàn thiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ sư điều khiển và tự động hóa.

3. Triển khai giao diện giám sát SCADA tập trung: Xây dựng hệ thống giao diện người - máy HMI/SCADA kết nối mạng truyền thông công nghiệp RS485/Modbus để hiển thị trực quan lưu lượng dung dịch A, B, C và nhiệt độ toàn tuyến, giảm thiểu 95% thao tác ghi chép thủ công của công nhân, hoàn thành trong lộ trình 4 tháng tại Xí nghiệp 3.

4. Thiết lập quy trình bảo dưỡng phòng ngừa định kỳ: Ban hành quy chuẩn vệ sinh bề mặt trao đổi nhiệt của máy làm mát và hiệu chuẩn biến tần sau mỗi 500 giờ vận hành liên tục nhằm duy trì hệ số truyền nhiệt tổng thể luôn đạt trên 850 W/m²K, do đội ngũ kỹ thuật bảo trì nhà máy thực hiện thường xuyên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển quá trình: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết từ nhận dạng mô hình trao đổi nhiệt thực tế đến thiết kế, mô phỏng và cài đặt thuật toán PID phối hợp Feed-Forward trên các dòng biến tần và PLC công nghiệp.

2. Cán bộ quản lý kỹ thuật và giám đốc nhà máy hóa chất, vật liệu nổ: Tiếp cận giải pháp cải tiến dây chuyền sản xuất keo nhũ giúp ổn định 100% chất lượng sản phẩm, loại bỏ triệt để nguy cơ quá nhiệt gây mất an toàn và tối ưu hóa chi phí năng lượng bơm làm mát.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết điều khiển quá trình, mô hình hóa toán học và thực nghiệm công nghiệp trên đối tượng nhiệt phi tuyến.

4. Các đơn vị tư vấn và tích hợp hệ thống công nghiệp: Cung cấp bản vẽ P&ID chuẩn hóa theo ANSI/ISA cùng giải pháp tích hợp phần cứng biến tần - động cơ bơm hoàn chỉnh, dễ dàng chuyển giao cho các bài toán điều khiển nhiệt độ tương tự trong ngành chế biến.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần kết hợp điều khiển phản hồi với điều khiển truyền thẳng trong hệ làm mát keo nhũ? Hệ thống trao đổi nhiệt có quán tính lớn và độ trễ pha dài, trong khi nhiệt độ và lưu lượng keo đầu vào dao động liên tục quanh 100°C. Điều khiển phản hồi đơn thuần chỉ phản ứng sau khi sai số đã xuất hiện. Khâu truyền thẳng giúp đo trước các biến động đầu vào và phát lệnh điều khiển biến tần bù trừ lưu lượng nước kịp thời, triệt tiêu sai số động nhanh chóng.

Mô hình toán học của máy làm mát keo được nhận dạng bằng phương pháp nào? Tác giả sử dụng phương pháp nhận dạng vòng hở từ đáp ứng quá độ thực nghiệm khi thay đổi lưu lượng nước từ 0.3 l/s lên 0.9 l/s, khiến nhiệt độ keo giảm từ 67.1°C xuống 65.2°C. Thông qua phương pháp hai điểm quy chiếu, hệ thống được xấp xỉ chính xác thành mô hình hàm truyền quán tính bậc nhất có thời gian trễ.

Hệ thống điều khiển tự động đem lại cải thiện cụ thể nào cho Nhà máy Z131? Hệ thống giúp kiểm soát nhiệt độ keo đầu ra ổn định ở mức 70°C với dải sai số chỉ ±0.8°C, thay vì biên độ dao động lớn từ ±4.5°C đến ±6.0°C khi vận hành van tay. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn phế phẩm do sai lệch nhiệt độ, đồng thời tiết kiệm khoảng 15% điện năng tiêu thụ cho cụm máy bơm nước.

Giới hạn lớn nhất của cấu trúc điều khiển một bậc tự do trong bài toán này là gì? Cấu trúc một bậc tự do chỉ tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên sai lệch duy nhất giữa giá trị đặt và giá trị đo thực tế. Do đó, người kỹ sư không thể chỉnh định tham số để đồng thời tối ưu hóa cả hai yêu cầu: bám sát tín hiệu đặt nhanh chóng và loại bỏ triệt để tác động của nhiễu tải ngẫu nhiên.

Giải pháp điều khiển này có thể mở rộng sang các công đoạn khác trong nhà máy không? Hoàn toàn có thể mở rộng ứng dụng cho máy làm mát số 2, các bồn phản ứng khuấy trộn dung dịch hoặc hệ thống gia nhiệt sơ bộ dung dịch A và B. Cấu trúc điều khiển biến tần kết hợp cảm biến lưu lượng và nhiệt độ có tính linh hoạt cao, phù hợp với hầu hết các quá trình trao đổi nhiệt liên tục trong công nghiệp.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa ổn định nhiệt độ làm mát keo nhũ với các đóng góp nổi bật:

• Xây dựng thành công mô hình toán học và hàm truyền đạt thực nghiệm của thiết bị làm mát keo nhũ bằng phương pháp hai điểm quy chiếu.
• Thiết kế tối ưu cấu trúc điều khiển phản hồi PID kết hợp truyền thẳng bù nhiễu tải, chứng minh tính vượt trội qua mô phỏng MATLAB/Simulink.
• Thử nghiệm thành công trên dây chuyền sản xuất số 2 tại Nhà máy Z131, kiểm soát sai số nhiệt độ đầu ra trong phạm vi chặt chẽ ±0.8°C.
• Nâng cao năng suất, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và thiết bị, giảm 15% năng lượng vận hành cụm bơm nước làm mát.
• Hoàn thiện bộ tài liệu kỹ thuật P&ID chuẩn hóa làm cơ sở chuyển giao công nghệ cho các nhà máy hóa chất quốc phòng và dân sinh.

Trong kế hoạch 12 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu khuyến nghị tiếp tục mở rộng mô hình điều khiển thích nghi đa biến cho toàn bộ dây chuyền sản xuất. Quý bạn đọc, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên để ứng dụng giải pháp tự động hóa này vào thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Dây chuyền sản xuất keo nhũ trong các nhà máy thực hiện việc gia nhiệt, pha trộn dung dịch A và B tạo thành keo có nhiệt độ ~ 100 0C. Hỗn hợp keo sau đó được đưa vào hệ thống máy làm mát để giảm nhiệt độ keo xuống ~ 70 0C. Sai lệch nhiệt độ của keo đầu ra ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm cũng như an toàn của dây chuyền.

Tuy nhiên, hệ thống điều khiển nhiệt độ làm mát keo hiện tại được thực hiện bằng tay (đóng mở van nước bằng tay) khiến cho nhiệt độ keo nhũ đầu ra có sai số lớn. Vì vậy cần thiết phải xây dựng một hệ thống ổn định nhiệt độ tự động đảm bảo sai số nhiệt độ trong phạm vi cho phép để đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn cho người và thiết bị. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ" 2. Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ đầu ra máy làm mát keo trong các dây chuyền sản xuất keo nhũ để đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn trong sản xuất.

Đối tƣợng nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng cấu trúc, thuật toán điều khiển trong điều khiển quá trình - Nghiên cứu bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng - Thực hiện mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu - Thực nghiệm trên dây chuyền sản xuất keo nhũ tại Nhà máy Z131 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề tài nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ứng dụng để ổn định nhiệt độ các hệ thống làm mát, gia nhiệt nhẳm ổn định chất lượng sản phẩm và đảm bảo an toàn sản xuất trong các dây chuyền sản xuất hóa chất nói chung và các dây chuyền sản xuất keo nhũ nói riêng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại.

Từ những năm đầu của nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay, điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng (gọi chung là công nghiệp chế biến) như công nghiệp dầu khí, lọc dầu, hóa dầu, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process control system). Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Điều khiển quá trình là gì? Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.

Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng – tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi, tua bin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được can thiệp.

Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 3 Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa như hình sau: Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơ le… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao… Nhìn từ quan điểm lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả (quan hệ nhân – quả). Bên cạnh các biến vào, ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái.

Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể coi là một biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Ví dụ, mức nước của một bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra. Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật với con người và môi trường xung quanh.

Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc biến trạng thái của một quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu. Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm.

Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị. Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì điều khiển lưu lượng là tiêu biểu nhất.

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được gọi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là làm giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình và nhiễu đo. Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo được.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 5 Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. Tuy nhiên nếu phép đo một đai lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể quan sát được, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế một biến cần điều khiển trong nhiều trường hợp chưa chắc đã là một biến được điều khiển.

Trong nhiều bài toán, việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễ dàng. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển. Phân loại quá trình Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Các phân biệt thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra.

Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá trình đa biến. Một quá trình một vào – một ra được gọi tắt là SISO, quá trình nhiều vào – nhiều ra được gọi tắt là MIMO. Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu) ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ.

Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví dụ quá trình liên tục tiêu biểu.

Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.