Tài liệu Nghiên cứu sử dụng hệ thống điều khiển quá trình để điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà HVAC (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐOÀN XUÂN THỰC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, THÔNG GIÓ VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐOÀN XUÂN THỰC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, THÔNG GIÓ VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN QUÂN NHU THÁI NGUYÊN, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đoàn Xuân Thực Học viên lớp cao học khóa K15 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa- Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng Mỏ Hữu nghị - Vinacomin Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Ngƣời thực hiện Đoàn Xuân Thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Quân Nhu, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! NGƢỜI THỰC HIỆN Đoàn Xuân Thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................3 5. Nội dung thực hiện ...................................................................................................3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ..............4 1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình? .......................................................................4 1.1.1 Quá trình và các biến quá trình ........................................................................4 Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình .............................................................. 5 1.1.2 Phân loại quá trình ........................................................................................... 7 1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình ......................................................... 8 1.2.1. Vận hành ổn định ............................................................................................ 8 1.2.2. Năng xuất và chất lƣợng sản phẩm .................................................................9 1.2.3. Vận hành an toàn ............................................................................................ 9 1.2.4. Bảo vệ môi trƣờng .......................................................................................... 9 1.2.5. Hiệu quả kinh tế ............................................................................................ 10 1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình ............................................................ 10 1.3.1 Giao diện quá trình ........................................................................................ 10 1.3.2 Điều khiển cơ sở ............................................................................................ 10 1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát ...................................................................11 1.3.4 Điều khiển cao cấp......................................................................................... 11 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống ....................................................................11 1.4.1 Thiết bị đo ......................................................................................................12 1.4.2 Thiết bị điều khiển ......................................................................................... 12 1.4.3 Thiết bị chấp hành ......................................................................................... 13 1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống ........................................................................13 1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống ........................................................................13 1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình ..........................................................................13 1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển...........................................................................14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển .......................................................................14 1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống..........................................................................15 1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng ......................................................................15 1.5.7 Chỉnh định và đƣa vào vận hành ...................................................................15 1.6 Mô tả chức năng hệ thống ....................................................................................15 1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa ...............................................................................16 CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HVAC..........17 2.1 Giới thiệu hệ thống HVAC ..................................................................................17 2.1.1: Hệ thống điều hòa không khí ........................................................................17 2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ .........................................................................22 2.2 Xây dựng mô hình toán hệ thống HVAC ............................................................ 26 2.2.1 Mô hình buồng không gian HVAC ............................................................... 28 Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC ..........................................................................30 2.2.2 Mô hình dàn lạnh ........................................................................................... 30 Hình 2.7 Cuộn làm mát .................................................................................................31 2.2.3 Mô hình dàn nóng .......................................................................................... 33 2.2.4 Mô hình làm ẩm ............................................................................................. 34 2.25 Mô hình hộp trộn ............................................................................................ 34 2.2.6 Mô hình ống dẫn ............................................................................................ 34 2.2.7 Mô hình quạt ..................................................................................................35 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG ......................................................................................................................... 36 3.1. Các phƣơng pháp điều khiển cơ sở .....................................................................36 3.1.1 Điều khiển phản hồi ....................................................................................... 36 3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward) ......................................................39 3.1.3 Điều khiển tỉ lệ ..................................................................................................42 3.1.4 Điều khiển tầng (cascade control) .................................................................47 3.1.5 Điều khiển suy diễn ....................................................................................... 49 3.1.6. Điều khiển lựa chọn ......................................................................................49 3.2. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống [8] ......................................................... 50 3.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và mô phỏng .......................................................................................................................... 51 3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống .....................................................................51 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HVAC TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN ......57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 4.1. Giới thiệu mô hình .............................................................................................. 57 4.2. Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống thông gió, điều hòa không khí..........................................................................61 4.3. Kết luận ..............................................................................................................63 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình .............................................................. 5 Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình ....................12 Hình 2.1: Cấu trúc đảm bảo cơ bản ..............................................................................17 Hình 2.2 Cấu tạo của cặp đo nhiệt ................................................................................23 Hình 2.3 Cấu tạo thermistor .......................................................................................... 24 Hình 2.4 Cấu tạo bán dẫn ............................................................................................. 25 Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế .............................................................................................. 26 Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC ..........................................................................30 Hình 2.7 Cuộn làm mát .................................................................................................31 Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi ..................................................36 Hình 3.2 Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng (một bậc tự do)............................ 37 Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng .............................................................. 39 Hình 3.4 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng ............................................40 Hình 3.5 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ...........................................................................44 Hình 3.6 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu.....................................................................45 Hình 3.7 Hai cấu trúc điều khiển tầng ..........................................................................48 Hình 3.8: Mô hình buồng không gian HVAC ................................................................ 51 Hình 3.9: Mô hình cuộn nóng........................................................................................ 52 Hình 3.10: Mô hình bộ tạo ẩm ......................................................................................52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 3.11: Mô hình hộp trộn ......................................................................................... 53 Hình 3.12: Mô hình ống dẫn ......................................................................................... 53 Hình 3.13: Mô hình quạt ............................................................................................... 53 Hình 3.14: Mô hình toàn bộ hệ thống ...........................................................................54 Hình 3.15: Nhiệt độ đầu ra hệ thống HVAC .................................................................56 Hình 3.16: Độ ẩm tương đối hệ thống HVAC ............................................................... 56 Hình 4.1: Mô hình hệ thống .......................................................................................... 58 Hình 4.2: Bàn điều khiển của hệ thống .........................................................................59 Hình 4.3: Hệ thống HVAC............................................................................................. 60 Hình 4.4: Màn hình giám sát và điều khiển ..................................................................61 Hình 4.5: Hiển thị thông số ........................................................................................... 62 Hình 4.6: Đặc tính của động cơ quạt trong mô hình HVAC .........................................63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ở các nƣớc phát triển việc sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) rất phổ biến, nhƣng ở Việt Nam việc sử dụng hệ thống này còn rất hạn chế. BMS là hệ thống tích hợp điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà nhằm phối hợp vận hành các hệ thống con một cách thống nhất và linh hoạt. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà một cách hiệu quả và kinh tế. Hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) là một phần không thể thiếu đƣợc của BMS, đây là hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí, có tác dụng điều chỉnh, cải thiện môi trƣờng không khí, môi trƣờng làm việc của con ngƣời trong tòa nhà. Do nhu cầu nâng cao chất lƣợng môi trƣờng nói chung, đặc biệt là môi trƣờng sống và làm việc. Vì vậy việc tìm hiểu và áp dụng dịch vụ HVAC và hệ thống BMS là rất cần thiêt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Hiện nay tại Trung tâm thí nghiệm -Trƣờng ĐHKTCN đƣợc trang bị mô hình quá trình dịch vụ trong tòa nhà HVAC phục vụ cho công tác thí nghiệm và NCKH. Để nâng cao hiểu biết, khả năng khai thác và vận dụng vào thực tế công tác, đƣợc sự giúp đỡ của Thày giáo hƣớng dẫn tôi quyết định chọn đề tài: "Nghiên cứu sử dụng hệ thống điều khiển quá trình để điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà HVAC" 2. Mục đích nghiên cứu * Mục tiêu chung: Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật thông gió, điều khiển nhiệt độ, điều hòa không khí trong các tòa nhà và việc điều khiển các yếu tố này bằng hệ thống điều khiển quá trình. Các mục tiêu cụ thể là: * Về lý thuyết: - Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật thông gió, điều khiển nhiệt độ và điều hòa không khí trong các tòa nhà. - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển quá trình và việc điều khiển thông gió, nhiệt độ và điều hòa không khí trong các tòa nhà bằng hệ thống điều khiển quá trình. * Về thực tế: - Nghiên cứu việc áp dụng lý thuyết điều khiển quá trình vào việc điều khiển thông gió, nhiệt độ và điều hòa không khí trong các tòa nhà, thông qua việc tìm hiểu “mô hình quá trình dịch vụ trong tòa nhà HVAC” đƣợc trang bị tại Trung tâm thí nghiệm Trƣờng ĐHKTCN. 3. 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 cho hai bài toán gia nhiệt và thông gió, điều hòa không khí. - Thực hiện mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 - Thực nghiệm trên mô hình HVAC tại Phòng 509 - Trung tâm thí nghiệm Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Trong nhiều năm qua nền kinh tế nƣớc ta từng bƣớc phát triển và đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn. Kinh tế phát triển nên mức sống tăng lên và các công trình xây dựng nhƣ nhà cửa, khách sạn, văn phòng … mọc lên nhanh chóng. Khi mức sống tăng lên thì con ngƣời sẽ nghĩ đến việc chăm sóc sức khỏe. Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng tới sức khỏe là môi trƣờng không khí xung quanh. Môi trƣờng không khí xung quanh hầu nhƣ không đáp ứng đƣợc các điều kiện. Chính từ mục tiêu đảm bảo sức khỏe này mà chúng ta cần xậy dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí Tuy nhiên đo chƣa hoàn thiện về mặt kỹ thuật nên hệ thống này cần đƣợc nghiên cứu kỹ và tìm kiếm các bộ điều khiển khác nhau để tìm ra phƣơng án kỹ thuật tối ƣu nhất. Ý nghĩa khoa học ở trọng luận vân này là góp phần hoàn thiện thêm về chất lƣợng cho hệ thống HVAC. 5. Nội dung thực hiện Chƣơng 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình Chƣơng 2: Giới thiệu và xây dựng mô hình toán học hệ thống HVAC Chƣơng 3: Thiết kế cấu trúc, thuật toán điều khiển và mô phỏng Chƣơng 4: Thực nghiệm trên mô hình HVAC tại phòng thí nghiệm Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 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 trƣớc cho tới nay, điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp khai thác, chế biến và năng lƣợng (gọi chung là công nghiệp chế biến) nhƣ công nghiệp dầu khí, lọc dầu, hóa dầu, hóa chất, dƣợc phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát đƣợc sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung, đƣợc 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 lƣờng, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ nhƣ chất lƣợng sản phẩm, sản lƣợng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng. 1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình? Khái niệm điều khiển quá trình đƣợc 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 lƣợng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng. 1.1.1 Quá trình và các biến quá trình Quá trình đƣợc định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lƣợng hoặc thong tin đƣợc biến đổi, vận chuyển hoặc lƣu trữ. Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lƣu trữ vật chất và năng lƣợng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lƣợng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản nhƣ quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp cũng có thể phức tạp hơn nhƣ một tổ hợp lò phản ứng – tháp chƣng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi, tua bin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lƣợng kỹ thuật đƣợc đo hoặc/và đƣợc can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phƣơng tiện kỹ thuật nhƣ thiết bị đo và thiết bị chấp hành. 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 đƣợc minh họa nhƣ hình sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình Một biến vào là một đại lƣợng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lƣu lƣợng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nƣớc cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơ le… Một biến ra là một đại lƣợng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lƣu lƣợng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thƣờng 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 lƣợng đặc trƣng khác, ví dụ nhƣ tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trƣờng hợp, một biến trạng thái cũng có thể coi là một biến ra. Ví dụ, mức nƣớc 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 trƣớc, đồng thời giảm thiểu ảnh hƣởng xấu của quá trình kỹ thuật với con ngƣời và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 môi trƣờng xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng nhƣ các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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 lƣợng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lƣu lƣợng, 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 đƣợc 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 lƣu lƣợng là tiêu biểu nhất. Những biến vào còn lại không can thiệp đƣợc một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm đƣợc 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 hƣởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trƣng 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 nhƣng không can thiệp đƣợc, ví dụ trọng lƣợng hàng cần nâng, lƣu lƣợng 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 đƣợc. Các biến quá trình có thể đo đƣợc hoặc không đo đƣợc. Trong đa số các trƣờng hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lƣợng đo đƣợc. Tuy nhiên nếu phép đo một đai lƣợng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể quan sát đƣợc, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lƣợng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế một biến cần điều khiển trong nhiều trƣờng hợp chƣa chắc đã là một biến đƣợc điều khiển. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 Trong nhiều bài toán, việc nhận biết quá trình cũng nhƣ lựa chọn các biến đƣợc 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. 1.1.2 Phân loại quá trình Các quá trình công nghệ có thể đƣợc phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Các phân biệt thứ nhất là dựa trên số lƣợng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra đƣợc gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì đƣợc gọi là quá trình đa biến. Một quá trình một vào – một ra đƣợc gọi tắt là SISO, quá trình nhiều vào – nhiều ra đƣợc gọi tắt là MIMO. Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tính của những đại lƣợng đặc trƣng (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 lƣợng đầu vào đƣợc vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần nhƣ liên tục). Một khi đã đạt đƣợc trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lƣợng đặc trƣng của quá trình liên tục là các biến tƣơng 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 nhƣ quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ đƣợc quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. Trong một quá trình rời rạc, các đại lƣợng đặc trƣng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trƣớc, tạo nên giá trị rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy các đại lƣợng đặc trƣng của một quá trình rời rạc thƣờng đƣợc biểu diễn bằng các biến số nguyên, trong trƣờng hợp đặc biệt là các ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu. Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp, có đặc trƣng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trƣớc và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tƣơng ứng với một mẻ. Các đại lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 đặc trƣng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tƣơng tự và biến rời rạc. Đặc biệt yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ. Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ. Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trƣng của các ngành công nghiệp chế biến, trong quá trình rời rạc là đặc trƣng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp. Do vậy trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trƣớc hết tới quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừng thiết bị… 1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trƣớc khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, ngƣời kỹ sƣ cần làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt đƣợc các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình. Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau đây: 1.2.1. Vận hành ổn định Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trƣớc tiên là từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng nhƣ sự phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ hoạ. Ở đây tính ổn định sẽ đƣợc diễn giải một cách thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 1.2.2. Năng xuất và chất lượng sản phẩm Trong lĩnh vực công nghệ hoá học và thực phẩm, chất lƣợng sản phẩm hầu hết đƣợc thể hiện trực tiếp qua thành phần hoá học, nồng độ, mật độ và một số tính chất hoá học hoặc vật lý khác. Trong khi đó, năng xuất thƣờng đƣợc thể hiện qua lƣu lƣợng sản phẩm. Nhiệm vụ đảm bảo chất lƣợng sản phẩm và năng xuất cũng thuộc về chức năng điều chỉnh. Tính ổn định liên quan nhiều nhƣng chƣa quyết định tới chất lƣợng sản phẩm. Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao h ơn. Để đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi cho trƣớc. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lƣợng sản phẩm đòi hỏi thành phần ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trƣớc, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép. Nhƣ vậy sai lệch điều khiển hay nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng quan trọng. 1.2.3. Vận hành an toàn Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi ngƣời, các thiết bị máy móc va môi trƣờng xung quanh trong các trƣờng hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an toàn cho máy móc, con ngƣời và môi trƣờng xung quanh chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với một hệ thống có thể vƣợt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần tuý. 1.2.4. Bảo vệ môi trường Một hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ môi trƣờng. Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trƣờng cần đƣợc chú trọng hơn thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lƣợng nƣớc sử dụng và nƣớc tải, hạn chế lƣợng bụi và khói. Dễ thấy mức độ ô nhiễm môi trƣờng của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, nhƣ một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của hệ thống điều khi ển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lƣợng liên quan tới ô nhiễm môi trƣờng ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh đặt ra duy trì tỷ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 lệ giữa lƣợng nhiên liệu (bột than) và không khí ở một giá trị thích hợp tuỳ theo nồng độ ôxy trong không khí và chất lƣợng than. Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao chất lƣợng và nâng cao hiệu quả kinh tế, mặt khác góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng. Đây cũng là vấn đề thuộc trách nhiệm chung của nh ững nhà thiết kế công nghệ cùng những ngƣời thiết kế sách lƣợc và thuật toán điều khiển . Cần lƣu ý rằng những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu quả cao, tiêu ít nhiên nguyên vật liệu thông qua chu trình kết hợp , chu trình khép kín và tái sử dụng năng lƣợng, nhƣng lại là những quá trình rất khó điều khiển, điều kiện vận hành bị ràng buộc, đặt ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình. 1.2.5. Hiệu quả kinh tế Để đạt đƣợc hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lƣợng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng đƣợc với yêu cầu thị trƣờng (trong hầu hết các trƣờng hợp liên quan tới lƣu lƣợng sản phẩm ra) cũng nhƣ tiêu hao ít nguyên nhiên liệu. Rõ ràng bài toánđặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí cho tác động điều khiển (năng lƣợng, độ hao mòn thiết bị) với chất lƣợng sản phẩm . 1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình Các chức năng điều khiển quá trình có thể đƣợc phân cấp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hóa hoặc theo tính chất nhiệm vụ. Trong thực tế, các chức năng cũng có thể đƣợc xếp vào một trong 4 nhóm chính dựa theo tính chất nhiệm là: Giao diện quá trính, điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp và vận hanh – giám sát. 1.3.1 Giao diện quá trình Cấp giao diện quá trình bao gốm các chức năng đo lƣờng, chuyển đổi/ truyền tín hiệu cấp trƣờng, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo vệ. Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hóa thì giao diện quá trình tƣơng ứng với cấp cảm biến – chấp hành hoặc một phần của cấp trƣờng. 1.3.2 Điều khiển cơ sở Theo tiêu chuẩn ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển cơ sở đƣợc định nghĩa là “điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 quá trình” Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách tự động hoặc do ngƣời vận hành trực tiếp đảm nhiệm. Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự. 1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức điều khiển tự động, mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát. Ví dụ, ngƣời vận hành cần phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lƣợng quá trình cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt cho chúng, thay đổi chế độ vận hành, chỉnh định lại tham số cho các bộ điều khiển… 1.3.4 Điều khiển cao cấp Chức năng điều khiển cao cấp đƣợc hiểu là một chức năng điều khiển tự động nhƣng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu vào/ra quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp vào các thông số điều khiển cơ sở. Thông thƣờng chức năng điều khiển cao cấp đƣợc đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát. Một hệ thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp nhƣ điều khiển công thức và quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lƣợng và tối ƣu hóa thời gian thực. 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến phức tạp nhƣng chúng đều dựa trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành. Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng đƣợc thể hiện bằng sơ đồ sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/