Bài giảng Điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình

Chương 1: Mở ₫ầu

12/08/2006

Nội dung chương 1

1.0 Giới thiệu môn học

1.1 Các khái niệm cơ bản

1.2 Mục ₫ích ₫iều khiển

1.3 Cấu trúc cơ bản một HT ĐKQT

1.4 Các chức năng ₫iều khiển quá trình

1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

1.6 Mô tả chức năng hệ thống

2

Chương 1: Mở đầu

1.0 Giới thiệu môn học

Lý thuyết

ĐKTĐ

Điều khiển máy

(ĐK chuyển ₫ộng,

Robot, CNC)

ĐIỀU KHIỂN

QUÁ TRÌNH

TĐH quá trình

công nghệ

TĐH quá trình

TĐH xí nghiệp

công nghệ

công nghiệp

3

Chương 1: Mở đầu

Mục ₫ích của môn học

Sinh viên nắm ₫ược các khái niệm và kiến thức

cơ sở phục vụ:

— Tìm hiểu, phân tích yêu cầu ₫iều khiển của các quá

trình công nghệ

— Đặt bài toán ₫iều khiển cho từng yêu cầu cụ thể

— Thiết kế sách lược ₫iều khiển phù hợp với yêu cầu và

với mô hình quá trình

— Chọn lựa giải pháp thiết bị ₫o, thiết bị chấp hành và

thiết bị ₫iều khiển

Tạo cơ sở hoặc/và ₫ộng lực cho các môn học:

— Điều khiển logic, PLC

— Thiết bị ₫iều chỉnh tự ₫ộng công nghiệp

— Điều khiển phân tán

— Tự ₫ộng hóa quá trình công nghệ/sản xuất

4

Chương 1: Mở đầu

Các nội dung ₫ề cập chính

Tổng quan về hệ thống ₫iều khiển quá trình

— Các thành phần cơ bản

— Các chức năng và nhiệm vụ

— Mô tả chức năng, lưu ₫ồ P&ID

Xây dựng mô hình quá trình

— Mô hình hóa lý thuyết

— Mô hình hóa thực nghiệm

Thiết kế cấu trúc/sách lược ₫iều khiển

— Các cấu trúc ₫iều khiển cơ bản

— Điều khiển tập trung và ₫iều khiển phi tập trung/phân

tán

Thiết kế bộ ₫iều khiển (thuật toán ₫iều khiển)

— Lựa chọn kiểu bộ ₫iều khiển

— Tính toán các tham số của bộ ₫iều khiển

5

Chương 1: Mở đầu

Các nội dung ₫ề cập chính (tiếp)

Cơ sở giải pháp hệ thống ₫iều khiển quá trình

— Thiết bị ₫o

— Thiết bị ₫iều khiển

— Thiết bị chấp hành

Các bài toán ₫iều khiển quá trình tiêu biểu

— Các hệ thống dòng chảy/bình chứa

— Các hệ thống truyền nhiệt

— Các quá trình chuyển khối (tháp chưng cất)

Tin cậy và an toàn hệ thống

6

Chương 1: Mở đầu

Phương pháp ₫ánh giá kết quả

Thí nghiệm kết hợp bài tập lớn: 2 phần

— Khảo sát ₫ối tượng bình mức (₫ối tượng mô phỏng) và

xây dựng mô hình thực nghiệm

— Thiết kế sách lược và thuật toán ₫iều khiển

Điểm ₫ánh giá

— Kết quả thí nghiệm/bài tập lớn:

— Thi cuối kỳ (vấn ₫áp)

20%

80%

7

Chương 1: Mở đầu

Tài liệu tham khảo

[1] Hoàng Minh Sơn: Cơ sở hệ thống ₫iều khiển quá trình. NXB

Bách khoa Hà Nội, 2006.

[2] Belá G. Liptak (chủ biên): Instrument Engineer’s Handbook:

Process Control. 3rd Edition, Chilton Book Co. 1996.

[3]Michael L. Luyben, William L. Luyben: Essentials of Process

Control. McGraw-Hill, 1997.

[4]Luyben, W.L.: Process Modeling, Simulation and Control for

Chemical Engineers. McGraw-Hill, 1990.

[5]Seborg, D.E; T.F. Edgar; D.A. Mellichamp: Process Dymamics

and Control. 2nd Edition. Wiley, 2004.

[6]Curtis D. Johnson: Process Control Instrumentation

Technology. 5th Edition. Prentice-Hall, 1997.

[7] Thomas Marlin: Process Control: Designing Processes and

Control Systems for Dynamic Performance. McGraw-Hill 2000.

[8] Bài giảng (₫ưa dần, *.pdf Format): Lớp chuẩn bị ₫ịa chỉ

email, gửi tới: [email protected]

8

Chương 1: Mở đầu

1.1 Các khái niệm cơ bản

Quá trình, quá trình kỹ thuật

Biến quá trình:

— Đại lượng (biến) ₫ược ₫iều khiển

— Đại lượng (biến) ₫iều khiển

— Đại lượng nhiễu, nhiễu tải và nhiễu ₫o

Điều khiển quá trình:

— Mục ₫ích, nhiệm vụ

— Một số quan ₫iểm trong ₫ịnh nghĩa

Hệ thống ₫iều khiển quá trình:

— Thiết bị ₫iều khiển

— Thiết bị ₫o

— Thiết bị chấp hành

— Hệ thống vận hành & giám sát

9

Chương 1: Mở đầu

Quá trình & quá trình kỹ thuật

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa

học hoặc sinh học, trong ₫ó vật chất, năng lượng

hoặc thông tin ₫ược biến ₫ổi, vận chuyển hoặc

lưu trữ (ANSI/ISA 88.01, DIN 19222).

Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các ₫ại

lượng kỹ thuật ₫ược ₫o hoặc/và ₫ược can thiệp.

Quá trình công nghệ là một quá trình kỹ thuật

nằm trong một dây chuyền công nghệ => quan

tâm tới các quá trình vật chất và năng lượng.

Â Trong nội dung môn học, khái niệm quá trình

₫ược hiểu là quá trình công nghệ

10

Chương 1: Mở đầu

Nhìn từ quan ₫iểm hệ thống

Biến vào

Biến ₫iều khiển

Nhiễu

Vật chất

Năng lượng

Thông tin

QUÁ TRÌNH

KỸ THUẬT

Năng lượng

Thông tin

Biến ra

Biến trạng thái

Biến không cần

₫iều khiển

Biến cần ₫iều

khiển

Biến không cần

₫iều khiển

11

Chương 1: Mở đầu

Biến quá trình

Biến cần ₫iều khiển (controlled variable): Biến ra, ₫ại lượng

hệ trọng tới sự vận hành an toàn, ổn ₫ịnh hoặc chất lượng

sản phẩm, cần ₫ược duy trì tại một giá trị ₫ặt, hoặc bám

theo một tín hiệu chủ ₫ạo

Biến ₫iều khiển (control variable, manipulated variable):

Biến vào can thiệp ₫ược theo ý muốn ₫ể tác ₫ộng tới ₫ại

lượng cần ₫iều khiển

Nhiễu: Biến vào không can thiệp ₫ược:

— Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance)

z nhiễu ₫ầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số

₫ầu vào (lưu lượng, nhiệt ₫ộ hoặc thành phần nguyên liệu,

nhiên liệu)

z nhiễu tải (load disturbance): thay ₫ổi tải theo yêu cầu sử

dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất hơi nước, ...)

z nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt ₫ộ, áp

suất bên ngoài, ...

— Nhiễu ₫o, nhiễu tạp (noise, measurement noise)

12

Chương 1: Mở đầu

Ví dụ: bình chất lỏng

F_i

Biến vào

Nhiễu F_o

Biến ra

Biến cần ₫iều

khiển h

Biến ₫iều

khiển F_i

h

Quá trình

bình mức

F_o

a) Sơ ₫ồ công nghệ

b) Sơ ₫ồ khối

13

Chương 1: Mở đầu

Ví dụ: bộ gia nhiệt

T_H1,w_H

T_C2

T_C1,w_C

T_{H 2}

Nhiễu

T_C1w_CT_H1

Biến ra ₫ược

₫iều khiển

T_C2

Biến

₫iều khiển

Quá trình

gia nhiệt

w_H

Biến ra không

₫ược ₫iều khiển

T_H2

14

Chương 1: Mở đầu

Các dây chuyền công nghệ phức tạp

Nhà máy xi măng:

— Công nghệ lò nung

— Công nghệ cấp liệu, nghiền, vận chuyển, ₫óng bao

Nhà máy ₫iện:

— Công nghệ lò hơi

— Công nghệ turbin

Nhà máy lọc dầu, hóa dầu:

— Công nghệ chưng cất, tinh luyện

— Công nghệ lò phản ứng liên tục, theo mẻ

/Vấn ₫ề:

— Hàng nghìn ₫iểm ₫o, hàng trăm ₫ại lượng cần ₫iều khiển

— Các quá trình tương tác qua lại

— Đòi hỏi ₫ộ an toàn, tin cậy rất cao

15

Chương 1: Mở đầu

Ví dụ: Lò hơi

16

Chương 1: Mở đầu

Ví dụ: quá trình sản xuất hóa chất

Bình cấp

Bình

thành phần A

ngưng

Bình chứa

hồi lưu

Nước lạnh

Gia nhiệt

Bình cấp

Sản phẩm

Hồi lưu

thành phần B

₫ỉnh

Bình

phản ứng

H?i n??c

Nước lạnh

Buồng

làm lạnh

Sản phẩm

₫áy

T

17

Chương 1: Mở đầu

Nhiệm vụ ₫ặt ra

Can thiệp một cách hiệu quả các ₫ại lượng ₫ầu

vào của quá trình kỹ thuật ₫ể các ₫ại lượng ₫ầu

ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước trong

khi có tác ₫ộng của nhiễu và thông tin không

chính xác về ₫ối tượng

Giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ

thuật ₫ối với con người và môi trường xung

quanh

Â Vai trò của kỹ thuật ₫iều khiển tự ₫ộng!

18

Chương 1: Mở đầu

Khái niệm: ₫iều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật ₫iều khiển tự ₫ộng

trong ₫iều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ,

nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và ₫ảm bảo các yêu cầu về

bảo vệ con người, máy móc và môi trường.

Phạm vi ứng dụng: Công nghiệp chế biến, khai

thác & năng lượng

Bài toán ₫ặc thù và quan trọng nhất: Điều chỉnh

Đối tượng ₫iều khiển: Quá trình công nghệ

19

Chương 1: Mở đầu

Đặc thù của các quá trình công nghệ

Qui mô sản xuất thông thường vừa và lớn

Yêu cầu rất cao về ₫ộ tin cậy và tính sẵn sàng

Các quá trình liên quan tới biến ₫ổi năng lượng và

vật chất

— Bài toán ₫iều chỉnh là tiêu biểu

— Các ₫ại lượng cần ₫iều khiển: lưu lượng, áp suất, nhiệt

₫ộ, nồng ₫ộ, thành phần,...

— Diễn biến tương ₫ối chậm

— Mô hình khó xác ₫ịnh

— Khả năng ₫iều khiển hạn chế

— Khó thay ₫ổi thiết kế công nghệ

20

Chương 1: Mở đầu

Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 1: Mở đầu