LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁC QUÁ TRÌNH CỦA LÒ HƠI, thuyết minh, động học, kết cấu máy, nguyên lý máy, cấu tạo máy, quy trình sản xuất

Chương 1

DẪN NHẬP

1.  Tổng quan về tình hình nghiên cứu hệ thống điều khiển, giám sát quá trình trong và ngoài nước

Hiện nay, vấn đề điều khiển và giám sát hệ thống là vấn đề hết sức cần thiết ở các nhà máy của các khu công nghiệp và khu công nghệ cao. Hầu hết các nhà máy ứng dụng vấn đề này vào trong sản suất đã đạt hiệu quả cao như: nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sự độc hại cho con người khi làm việc ở một số môi trường không tốt đối với sức khỏe. Nhiều hãng, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực tự động hóa đã đưa ra nhiều giải pháp để giải quyết vấn đề này và cũng đã đem lại một số thành quả lớn. Sau đây là tóm tắt các thành quả đạt được về vấn đề này trong và ngoài nước.   

1. Trên thế giới

Siemen gần đây đã đưa ra giải pháp điều khiển và giám sát cho nhiều lĩnh vực như:

• Trong lĩnh vực lọc dầu và khí đốt, các yếu tố cần quan tâm trong lĩnh vực này là: điều khiển, giám sát các đại lượng như lưu lượng, áp suất, mức, nhiệt độ.
• ....................................................
• Trong nước

Các hệ thống điều khiển quá trình hầu hết được nhập ngoại và nhờ các chuyên gia nước ngoài sang làm việc một thời gian rồi chuyển giao công nghệ như:

• Dầu khí Vũng Tàu.

• Xi măng Hà Tiên.

• Các nhà máy nhiệt điện và thủy điện: Hòa Bình, Trị An, Phú Mỹ.

• Các nhà máy, xí nghiệp ở các khu chế xuất và các khu công nghiệp.  

Tại Việt Nam cũng có một vài đơn vị tham gia nghiện cứu lĩnh vực này như Sở KHCN TP. HCM vừa mới chế tạo lò chưng cất cho phòng thí nghiệm hóa lý tại Trường ĐHBK Tp. HCM, thế nhưng phải liên kết nhiều đơn vị mới làm được.

1.  Tính cấp thiết của đề tài

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước có thể đưa ra kết luận sau:

•  Các sản phẩm về điều khiển hệ thống, điều khiển quá trình trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng được ứng dụng nhiều .

•  Ở Việt Nam, hầu hết các thiết bị về lĩnh vực này ( kể cả các thiết bị trong công nghiệp và trong dạy học ) đều nhập từ nước ngoài với giá quá cao.

1.  Mục tiêu của đề tài

Dựa trên cấp thiết của đề tài, tôi chọn một đề tài trong lĩnh vực này nhằm mục tiêu:

• Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tiễn.

• Đề tài nhằm có được sản phẩm mô tả thực tế hệ thống điều khiển quá trình phục vụ cho các môn học có liên quan đến vấn đề này với chủ ý rút ngắn khoảng cách giữa đào tạo và thực tiễn mà đó là vấn đề mà ngành giáo dục ta đang quan tâm.

• Nghiên cứu chuyên lĩnh vực điều khiển, giám sát các hệ thống, điều khiển quá trình, ứng dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại vào để điều khiển hệ thống nhằm nâng cao chất lượng của quá trình.

1. Lựa chọn giải pháp

Tham khảo thực tế các sản phẩm đã có sẵn trong và ngoài nước có thể đề nghị các giải pháp thiết kế sau:

• Về phần cơ khí

Vì đây là hệ thống gồm nhiều đối tượng điều khiển (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức) do đó phải thiết kế hệ thống nồi hơi và các co nối của hệ thống bằng kim loại, inox, hoặc là bằng vật liệu composit, như vậy mới chịu được nhiệt độ cao và các dung môi khác nhau.

Hệ thống nồi hơi và các ống nối trong phần này phải tính toán các khả năng về độ cứng vững và khả năng chịu đựng các yếu tố vật lý khác lên hệ thống nồi hơi.

• Lựa chọn thiết bị điều khiển

Vì đây là hệ thống tuân theo chuẩn công nghiệp do đó các phần tử tự động hầu hết là nhập ngoại từ các hãng Siemen, Omron, SMC, SCF…

• Lựa chọn các giải pháp điều khiển

Vì đây là hệ thống được xây dựng với mục đích nâng cao chất lượng quá trình điều khiển, do đó các thuật toán được sử dụng trong bộ điều khiển là:  Bộ hiệu chỉnh PID.

• Lựa chọn phần giám sát trạng thái

    Chọn phần mềm giám sát là WinCC.

1. Sản phẩm và khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu

1. Dự kiến kế hoạch thực hiện

...............................................................................................

Chương 2

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1. Tổng quan về đối tượng công nghệ
   1. Thiết minh quy trình công nghệ

Nước từ bồn chứa được bơm vào nồi hơi, bơm được điều khiển  bởi bộ biến tần để thay đổi lưu lượng nước vào nồi hơi. Trên đường đi, nước được đưa qua bộ đo lưu lượng để đo lượng nước. Nước tiếp tục qua van tuyến tính, ở đây van tuyến tính được điều khiển bằng tay hoặc lấy tín hiều phản hồi để tự điều chỉnh.

     Nước trong nồi hơi được điện trở nhiệt đun nóng và bốc hơi. Hơi bảo hòa thoát ra ngoài với một áp suất mong muốn có thể điều khiển được nhờ tín hiệu phản hồi của cảm biến áp suất và được cung cấp cho các tải bên ngoài. Dòng nhiệt này được điều khiển ổn định thông qua bộ điều khiển PID và được giám sát bằng WinCC trong suốt quá trình điều khiển.

1. Sơ đồ quy trình công nghệ
2. ......................................................

Chương 3

 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH

PHẦN 1. Điều khiển trên cơ sở nhận dạng hệ thống từ những phương trình cân bằng vật chất và năng lượng

1. Nhận dạng hệ thống

            Phương pháp xây dựng mô hình toán học dựa trên cơ sở các số liệu vào – ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm  hay  nhận dạng hệ thống (System-indentification). Khái niệm nhận dạng hệ thống được định nghĩa trong chuẩn IEC là “ những thủ tục suy luận một mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng quá độ của nó với một tín hiệu đầu vào xác định, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng ”.

• Các bước tiến hành

      Giống như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như bao giờ cũng là một quá trình lặp. Những bước cơ bản trong xây dựng mô hình thực nghiệm cho một quá trình công nghiệp bao gồm:

• Bước 1: Thu thập khai thác thông tin ban đầu về quá trình, ví dụ các biến quá trình quan tâm, các phương trình mô hình từ phân tích lý thuyết, các điều kiện biên và các giả thiết có liên quan.
• Bước 2: Lựa chọn phương pháp nhận dạng ( trực tuyến /ngoại tuyến, vòng hở / vòng kín, chủ động/bị động ), thuật toán ước lượng tham số và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mô hình.
• Bước 3: Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào /ra trên cơ sở phương pháp nhận dạng đã chọn, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị kém tin cậy.
• Bước 4: Kết hợp yêu cầu về mục đích sử dụng mô hình và khả năng ứng dụng của phuơng pháp nhận dạng đã chọn, quyết định về dạng mô hình (phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đọan ,…), đưa ra giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình (bậc tử số/ mẫu số của hàm tryền đạt, có hay không có trễ ,…).
• Bước 5: Xác định các tham số mô hình theo phương pháp/thuật tóan đã chọn. Nếu tiến hành theo từng mô hình con (ví dụ từng kênh vào/ ra, từng khâu trong quá trình)thì sau đó cần kết hợp chúng lại thành mô hình tổng thể.
• Bước 6: Mô phỏng kiểm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn đã lựa chọn, tốt nhất là trên cơ sở nhiều tập dữ liệu khác nhau. Nếu chưa đạt yêu cầu cần quay lại một trong các bước từ 1 đến 4.

1. Nhận dạng hệ thống dựa vào các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng

• Mục tiêu kiểm soát

• Ổn định nhiệt độ trong nồi hơi.
• Ổn định áp suất trong nồi hơi.
• Ổn định mức nước trong nồi hơi.

Ổn định lưu lượng nước cấp vào nồi hơi

...................................................................................................

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

1. Kết luận

Trong sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, những vấn đề mới mẻ luôn chờ con người khám phá và đem vào phục vụ cuộc sống. Không thể nói cái mới tốt hơn cái cũ mà điều quan trọng là ứng dụng chúng cho những trường hợp cụ thể.

Điều khiển PID là một lĩnh vực điều khiển tuy không còn mới nhưng những ứng dụng của nó trong sản xuất công nghiệp và sản xuất dân dụng đã khẳng định vị thế của nó trong lĩnh vực điều khiển tự động.

Việc lựa chọn giải pháp điều khiển PID đưa ra cách thức giải quyết vấn đề đơn giản và thực hiện nhanh chóng. Điều khiển PID hoạt động dựa trên sự bắt chước theo cách con người làm việc, do đó việc học hỏi kinh nghiệm và hiểu biết về đối tượng điều khiển là điều cần thiết.

 Phương pháp điều khiển PID mô phỏng cách thức làm việc của con người nên phương pháp này cần được tiến hành thực nghiệm để đạt độ chính xác nhất định sau đó mới ứng dụng thực tế.

Vậy đâu là phương pháp điều khiển tối ưu. Phương pháp điều khiển nào cũng sẽ bộc lộ những nhược điểm trong nó. Phương pháp điều khiển tối ưu phải là sự kết hợp các phương pháp điều khiển thích hợp để hệ thống đạt được độ linh hoạt, độ chính xác cần thiết. Điều khiển PID cũng cần kết hợp với các phương pháp điều khiển khác để hệ thống điều khiển làm việc đạt hiệu quả.

2. Hướng phát triển đề tài

Phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống WinCC là một phần mềm với các chức năng đa dạng phong phú ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Do tài liệu tham khảo còn hạn chế, trong đồ án này chỉ nghiên cứu phần tạo giao diện giám sát và điều khiển, kích hoạt các công cụ hỗ trợ giám sát online. Cần nghiên cứu nhiều hơn về các công cụ ứng dụng của WinCC  trong giám sát và điều khiển.

     Ngày nay lí thuyết mờ đã phát triển rộng rãi. Việc ứng dụng nó không còn giới hạn trong điều khiển tự động mà lan ra các lĩnh vực xã hội khác như y học, kinh tế, tài chính… Vì vậy cần nghiên cứu sâu hơn về lí thuyết mờ và ứng dụng nó vào thực tế sản xuất cũng như đời sống.

    Từ mô hình thực nghiệm kiểm chứng khả năng hoạt động của bộ điều khiển mờ, tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển có sự kết hợp của nhiều phương pháp điều khiển, điều khiển mờ kết hợp PID để tạo ra một hệ thống vừa có độ chính xác cao, đáng tin cậy vừa hoạt động nhịp nhàng.

MỤC LỤC

Trang

Chương 1. Dẫn nhập.......................................................................................................... 1

1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu hệ thống điều khiển, giám sát

 quá trình trong và ngoài nước....................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................................... 5

1. Mục tiêu của đề tài.................................................................................................. 5

1. Lựa chọn giải pháp và nội dung nghiên cứu....................................................... 6

1. Sản phẩm và khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu........................................ 7

1. Dự kiến kết quả thực hiện...................................................................................... 7

Chương 2. Thiết kế hệ thống............................................................................................ 8

1. Tổng quan về đối tượng công nghệ ...................................................................... 8

1. Thiết minh quy trình công nghệ........................................................................ 8
2. Sơ đồ quy trình công nghệ ................................................................................ 8

1. Tính toán, thiết kế thông số công nghệ .................................................................. 9

1. Tính toán bộ phận nồi hơi ................................................................................. 9

1. Tính điện trở gia nhiệt nồi hơi........................................................................ 10

1. Tính đường ống................................................................................................. 11

1. Chọn động cơ bơm nước.................................................................................. 15

Chương 3. Điều khiển hệ thống ổn định...................................................................... 16

1. Nhận dạng hệ thống................................................................................................ 16

1. Nhận dạng hệ thống dựa vào các phương trình vật chất và năng lượng..... 16

1. Đặc tính quá độ các kênh điều khiển............................................................. 24

1. Điều khiển hệ thống ổn định................................................................................. 28

1. Lựa chọn luật điều khiển................................................................................... 28

1. Tính toán thông số bộ hiệu chỉnh và mô phỏng đầu ra bằng Matlab.......... 31

1. Nhận dạng hệ thống dựa vào thực nghiệm........................................................... 36

1. Xác định hàm truyền dựa vào đáp ứng ngõ ra của hệ thống........................ 36

1. Ứng dụng.............................................................................................................. 38

Chương 4.Giám sát hệ thống......................................................................................... 42

1. Giới thiệu giao diện................................................................................................. 42

1. Hướng dẫn vận hành............................................................................................... 50

Chương 5. Thực nghiệm mô hình.................................................................................. 53

1. Chế tạo bàn thực nghiệm..................................................................................... 53

1. Chế tạo bồn cấp nước........................................................................................... 55

1. Chế tạo bình đo mức nước................................................................................... 56

1. Chế tạo đường ống cấp thoát nước và hơi......................................................... 57

1. Chế tạo bản điện điều khiển................................................................................ 58

1. Thiết kế lắp ráp hệ thống điện điều khiển......................................................... 60

1. Mô hình lắp ráp..................................................................................................... 63

1. Mô hình thực tế .................................................................................................... 64

Kết luận và hướng phát triển của đề tài..................................................................... 65

Tài liệu tham khảo.......................................................................................................... 67

Phụ lục................................................................................................................................ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. TS. Hoài An, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Trường ĐH GTVT TpHCM, 1998.

[2]. PGS.TS.Phạm Lê Dần, PGS.TS.Bùi Hải, Nhiệt Động Kỹ Thuật, Nxb KHKT, 2000.

[3].ThS. Nguyễn Thế Hùng, Lý Thuyết  Điều Khiển Tự Động, Trường ĐH SPKT, 2004.

[4]. GS.TSKH Nguyễn Sĩ Mão, Lò Hơi, Trường ĐHBK Hà Nội, Nxb KHKT, 2006.

[5]. Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink Dành Cho Kỹ Sư Điều Khiển Tự Động, Nxb KHKT.

[6]. Hoàng Minh Sơn, Cơ Sở Hệ Thống Điều Khiển Quá Trình, Trường ĐH BKHN, 2006.

[7]. Phạm Thị Thanh Tâm, Thủy Lực và Máy Thủy Lực, Trường ĐHSPKT TP.HCM, 2000.

[8]. PGS.TS. Hoàng Đình Tín, Truyền Nhiệt và Tính Toán Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt, Trường ĐH BK TpHCM.

[9]. Giáo Trình Simatic S7-300 Điều Khiển Hệ Thống, Trung Tâm Việt Đức,  2000.

[10]. Tài Liệu Về WinCC.

[11]. Công thức tính sức bền các bộ phận chiu áp lực của nồi hơi và thiết bị chiu áp lực, Bộ Công Nghiệp.

[12]. Paul Buthod, Pressure Vessel Handbook, University of Tulsa, Oklahoma 74153.