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.