Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY/ BÌNH MỨC 1.1 Tổng quan đề tài Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghiệp hóa chất và năng lượng). Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi đề cập ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng quá trình công nghệ. Điều khiển quá trình được định nghĩa 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.
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật 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 đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật 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 kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal).
Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Trang: 1 Đồ Án Tốt Nghiệp Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng.
Vì vậy từ đây về sau 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. Trong công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn … vấn đề cần điều mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị. Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay dổi. Chính vì vậy chúng ta cần thiết phải “Ổn định mức nước” Các hệ thống truyền thông công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.
Các mạng truyền thông công nghiệp bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,… Các cơ chế điều khiển quan trọng được sử dụng trong linh vực tự động hóa công nghệ bao gồm: -Bộ điều khiển kogic lập trình (PCL). -Hệ thống điều khiển phân tán (DCS). -Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA). Tất cả các yếu tố này liên quan đến các thiết bị hiện trường, thiết bị thông minh, PC điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và bộ hiển thị HMI.
Để có thể kết nối và cho phép giao tiếp giữa các thiết bị này, cần có một mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt khá nhiều so với các Trang: 2 Đồ Án Tốt Nghiệp mạng doanh nghiệp truyền thống. Các mạng truyền thông công nghiệp này tạo thành một đường dẫn liên lạc giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC. Webserver hiện nay đã dần phổ biến hơn trong công nghiệp.
Hiện nay rất nhiều hãng PLC đã tích hợp hoặc có những module mạng để thực điều đó. Weserver hỗ trợ thao tác điều khiển và giám sát đữ liệu qua các trình duyệt như goole chrome, firefox, coccoc, opera,… là ứng dụng phổ biến có thể điều khiển và giám sát từ xa trên internet thông qua máy tính, điện thoại, notepad Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của công nghệ 4.0 thì việc giám sát và điều khiển PLC thông qua internet là phổ biến và cần thiết, các thuật toán hỗ trợ kết nối web với PLC tạo điều kiện cho các hãng PLC phát triển các chức năng public dữ liệu lên mạng viễn thông. Webserver tích hợp ứng dụng nền nodejs chạy trên máy tính Server, thông qua địa chỉ IP public và cổng định sẵn thì người dùng có thể truy cập đến dữ liệu của PLC gửi lên Webserver theo thời gian thực. Webserver có thể chuyển đổi thành ứng dụng di động cài đặt trên các hệ điều hành Android hoặc IOS, cho phép người dùng truy cập từ xa một các linh hoạt và trục quan nhất.
Trong thực tế có rất nhiều công ty cũng tham gia chế tạo những mô hình this nghiệm bình mức. Dưới đây là một vài thiết bị có trên thị trường. - Mô hình thực hành thí nghiệm điều khiển quá trình chất lỏng của công ty TNHH XD & TM TBĐ Tiến Đạt Trang: 3 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 1. 1: Mô Hình của cty TNHH Tiến Đạt - Mô hình Flow and level control của Leybold Hình 1.
2: Mô hình bình mức của Leybold Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu quả. Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm như: Trang: 4 Đồ Án Tốt Nghiệp - Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng các định được các phương pháp thực nghiệm mà cần phải đi từ những phương trình hóa lý phức tạp mô tả hệ. - Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện.
- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực tế Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn Trong thực tế lại tồn tại phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến. Với hệ phi tuyến thì không dùng được nguyên lý xếp chồng và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xếp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thỏa mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiêm cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến.2 Đặt bài toán Cấu trúc của hệ ổn định mức nước nghiên cứu trong đồ này như hình vẽ sau : Hình 1.
3: Sơ đồ cấu trúc Trang: 5 Đồ Án Tốt Nghiệp Qi : Lưu lượng nước chảy vào bình ( cm3 / s ) Qi max : Lưu lượng nước chảy vào bình lớn nhất ( cm3 / s ) Qo : Lưu lượng nước chảy rả khởi bình ( cm3 / s ) h: Mức nước trong bình (cm) hmax : mức nước cao nhất trong bình (cm) A: Tiết diện bình ( cm 2 ) a : Tiết diện đường ống nước xả ra khỏi bình ( cm 2 ) V : Thể tích nước trong bình ( cm3 ) g : Gia tốc trọng trường (9,8m/s) Nguyên lý làm việc của mô hình là: Nước từ bồn chứa được động cơ bơm vào bình mức, lưu lượng nước Qi được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ của động cơ bơm. Mức nước h trong bình được cảm biến LC đo và đã được quy đổi từ giá trị áp suất ra giá trị mức và đưa thông tin tới bộ điều khiển LC. Đầu vào có thể tạo nhiễu cho lưu lượng Qi bằng cách thay đổi góc mở van V1. Đầu ra của bình mức là van xả V2 chất lỏng ra bên ngoài có thể điều chỉnh mức tiêu thụ.
Bộ điều khiển LC có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của động cơ bơm vào sao cho giữ được mức nước h trong bình mức ổn định theo giá trị đặt SP. Hệ thống phải được lập trình sao cho mức nước h trong bình mức luôn ổn định mà không phụ thuộc vào lượng tiêu thụ. Trang: 6 Đồ Án Tốt Nghiệp Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC 2.1 Lựa chọn thiết bị 2.1 Hệ đo áp suất Về bản chất, đây là cảm biến có độ nhạy cao với sự thay đổi của áp suất. Thiết bị dùng để đo sự thay đổi của áp suất trong đường ống, hệ thống kín độ sâu mà người dùng khó thể thao tác đo lường.
Cảm biến được sử dụng đo áp suất nước, khí nén, khí ga hiệu quả. Ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến là đo áp lực nước. Loại cảm biến được áp dụng để đo mức nước trong hệ thống. Với nguyên lý hoạt động đo mức nước cơ bản.
Mối quan hệ giữa áp suất và chiều cao cột nước. Với công thức: P=d.h Trong đó d là khối lượng riêng của nước và h là chiều cao của cột nước. Sự thay đổi chiều cao cột nước sẽ ảnh hưởng đến áp suất nước mà cảm biến đo được.