Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1. Các khái niệm cơ bản trong điều khiển quá trình 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, 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 biển 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.
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Quá trình và phân loại các biến quá trình. 5 Luan van 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 sợi đốt,… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện 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.
Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal). Các biến điều khiển liên quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của 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 (manipulated variable) 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 lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. Những biến thiên vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động lên quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise).
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 cần nâng, thành phần nhiên liệu,… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được. Phân loại quá trình Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau: 6 Luan van Phân loại 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. Hầu hết quá trình công nghệ đều đa biến. Phân loại 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, quá trình mẻ.
Các vấn đề đặc thù của điều khiển quá trình Quy mô ứng dụng: Hầu hết các dây chuyền công nghệ trong lĩnh vực điều khiển quá trình có quy mô vừa và lớn. Quy mô ở đây có thể được hiểu theo hai nghĩa, quy mô về phạm vi chức năng điều khiển cần thực hiện và quy mô về mặt tổ chức sản xuất. Chức năng điều khiển: Bài toán điều chỉnh là chức năng tiêu biểu và quan trọng nhất trong một hệ thống điều khiển quá trình. Các đại lượng cần quan tâm trong một quá trình công nghệ trước hết là các biến liên tục và tương tự, đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả năng chuyển đổi và xử lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển và chấp hành.
Việc thực thi đồng thời nhiều vòng điều chỉnh cùng các chức năng điều khiển khác đặt ra các yêu cầu về khả năng đáp ứng tính thời gian thực của hệ thống. Phần lớn các đại lượng đặc trưng của quá trình công nghệ diễn biến tương đối chậm nên các phương pháp điều khiển không cần yêu cầu cao về thời gian thực nhưng phải là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểm chứng nhiều trong thực tế. Yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Yêu cầu cao về độ tin cậy làm tăng chi phí đầu tư cho giải pháp điều khiển, mặc dù vậy chi phí này chỉ chiếm một phần nhỏ so với cả hệ thống thiết bị cơ - điện và thiết bị công nghệ.
Khả năng vận hành và điều khiển của quá trình: Khả năng vận hành của một quá trình công nghệ liên quan tới thiết kế công nghệ và các điều kiện ràng buộc liên quan. Giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như 7 Luan van những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện giải pháp điều khiển. Đặc biệt, các quá trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư, nhưng lại gây khó khăn cho việc thiết kế điều khiển. Mô hình không chính xác: Các quá trình công nghệ đều là các đối tượng MIMO, chứa đựng nhiều quan hệ vật lý, hóa học hoặc sinh học rất phức tạp nên việc xây dựng mô hình toán học gặp rất nhiều khó khăn.
Việc tiến hành thực nghiệm cũng không phải dễ dàng do liên quan tới vận hành hệ thống lớn và chi phí rất tốn kém. Do vậy các mô hình toán học nếu có được thì thường chỉ là gần đúng vì đã bỏ qua rất nhiều yếu tố động học và các yếu tố khác. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
Tại sao việc vận hành ổn định một quá trình lại có vai trò quan trọng như vậy? Thứ nhất, vận hành ổn định đồng nghĩa với trạng thái cân bằng vật chất hoặc năng lượng, dẫn đến đảm bảo yêu cầu về chế độ làm việc của các thiết bị. Thứ hai, hệ thống vận hành ổn định đồng nghĩa với tín hiệu điều khển được giữ cố định hoặc ít thay đổi. Vì vậy, các thiết bị chấp hành ít phải làm việc hoặc ít phải thay đổi chế độ làm việc, tuổi thọ máy móc 8 Luan van được kéo dài. Thứ ba, hệ thống có vận hành ổn định mới có thể ổn định năng suất và chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Hơn nữa, hệ thống vận hành ổn định thì người vận hành ít phải can thiệp và việc vận hành hệ thống trở nên thuận tiện, an toàn hơn. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp sự cố. Chức năng điều chỉnh đảm bảo giá trị các biến quan trọng như: mức, nhiệt độ, áp suất, nằm trong một giới hạn an toàn cho phép. Do đặc thù của mỗi quá trình công nghệ, một số biến quá trình có thể không liên quan trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhưng cũng cần phải được khống chế để giữ ổn định tại một giá trị thích hợp hoặc xê dịch trong một phạm vi nhất định.
Tuy nhiên nguy cơ xảy ra lỗi ngay cả ở những hệ thống thiết bị tự động tối tân nhất không phải không có nên vai trò theo dõi, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống thiết bị của con người một cách thường xuyên là rất quan trọng. Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu. Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, các biến quá trình không những phải được duy trì ổn định tại một giá trị bất kỳ mà còn phải được điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong một phạm vi cho trước.
Theo đó, diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. 9 Luan van Mục đích cuối cùng của việc ứng dụng điều khiển tự động các quá trình công nghệ vẫn là nâng cao hiệu quả kinh tế về lâu dài. Thông thường, hệ thống vận hành càng gần với các điều kiện ràng buộc thì chi phí vận hành càng nhỏ và lợi nhuận giành được sẽ là cao nhất.
Cùng với việc lựa chọn điểm làm việc tối ưu thì chất lượng điều khiển tốt nhất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu. Mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng nhưng một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khiển.