LƢƠNG THỊ THANH XUÂN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A NGÀNH: TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH LƢƠNG THỊ THANH XUÂN TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Ngành: TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A Học Viên: LƢƠNG THỊ THANH XUÂN Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH THÁI NGUYÊN – 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Lƣơng Thị Thanh Xuân Ngày tháng năm sinh : Ngày 01 tháng 12 năm 1980 Nơi sinh : Huyện Đông Triều – Tỉnh Quảng Ninh Nơi công tác : Trƣờng Đại Học Sao Đỏ Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành : Tự động hóa Khóa học : K12- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƢỞNG CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Trƣờng Đại học Bách Khoa – Hà Nội Ngày giao đề tài: / / Ngày hoàn thành: / / GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS Bùi Quốc Khánh HỌC VIÊN Lương Thị Thanh Xuân BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn LƢƠNG THỊ THANH XUÂN Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 MỤC LỤC 2 LỜI NÓI ĐẦU 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, TIẾNG NƢỚC NGOÀI 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7 PHẦN MỞ ĐẦU 10 Nội dung nghiên cứu: 11 Chƣơng 1. VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 13 1.1. Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình 13 1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển 15 1.2.1. Cấu tạo van điều khiển 15 1.2.2. Phân loại van điều khiển 24 1.3. Đặc tính của van điều khiển 28 1.3.1. Kiểu tác động của van 28 1.3.2. Đặc tính thời gian của van 29 1.3.3. Đặc tính lƣu lƣợng của các loại van 34 1.3.4. Đặc tính động học của van 46 1.4. Lựa chọn van điều khiển 46 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG PHI TUYẾN CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN 54 2.1. Hiện tƣợng Stiction 54 2.1.1. Giới thiệu chung 54 2.1.2. Đề suất định nghĩa mới về Stiction 56 2.2. Quan sát ảnh hƣởng hiện tƣợng Stiction trong thực tế 60 2.3. Mô hình vật lý của ma sát van 65 2.3.1. Mô hình ma sát 66 2.3.2. Mô phỏng van 67 2.4. Mô hình Stiction van điều khiển bằng dữ liệu 70 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG VÀ KHẮC PHỤC HIỆN TƢỢNG STICTION ĐẾN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN PH 74 3.1. Động học cơ bản của phản ứng hóa học 74 3.1.1. Cân bằng hóa học 74 3.1.2. Tốc độ phản ứng 75 3.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cân bằng hóa học và tốc độ phản ứng 76 3.2. Lý thuyết về pH 77 3.2.1. Quá trình pH 77 3.2.2. Đƣờng cong chuẩn độ 78 3.2.3. Ý nghĩa quá trình trung hòa pH 80 3.3. Ảnh hƣởng của đặc tính van tới điều khiển độ PH trong CSTR 81 3.3.1. Mô tả chung 81 3.3.2. Quá trình xảy ra trong bình CSTR 83 3.4. Phƣơng pháp bù ảnh hƣởng của stiction valve 85 3.4.1. Phƣơng pháp knocker 85 3.4.2. Phƣơng pháp bù: bổ xung thêm mạch vòng bù ảnh hƣởng hiện tƣợng Stiction valve 87 Chƣơng 4. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 89 4.1. Tham số mô phỏng 89 4.2. Kết quả mô phỏng 89 4.2.1. Mô phỏng đặc stiction valve 89 4.2.2. Hệ điều khiển quá trình với valve l‎ý tƣởng 92 4.2.3. Mô phỏng ảnh hƣởng của hệ điều khiển với đặc điểm stiction valve 96 4.2.4. Khắc phục ảnh hƣởng Stiction đến quá trình điều khiển pH 99 Kết luận chung và kiến nghị 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp chế biến, khai thác và năng lƣợng. Trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại hệ thống điều khiển giám sát là thành phần không thể thiếu. Các hệ thống điều khiển và giám sát đƣợc sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung đƣợc gọi là các hệ thống điều khiển quá trình (Process Control System, PCS). 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 bảo đảm các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ nhƣ chất lƣợng sản phẩm, sản lƣợng, hiệu suất sản xuất, an toàn cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng. Trong một quá trình sản xuất, có hàng trăm thậm chí hàng nghìn vòng điều khiển, tất cả đƣợc kết nối với nhau để cho ra đời sản phẩm. Mỗi vòng điều khiển đƣợc thiết kế để giữ một số biến quá trình quan trọng nhƣ áp suất, lƣu lƣợng, nhiệt độ… trong phạm vi yêu cầu đề đảm bảo chất lƣợng sản phẩm. Tuy hiên các vòng lặp có thể nhận và tạo ra những rối loạn nội bộ, ảnh hƣởng bất lợi đến các biến quá trình. Để giảm bớt ảnh hƣởng của những rối loạn tải, cảm biến và các thiết bị nhận truyền sẽ thu nhập thông tin về biến quá trình và mối quan hệ của nó với mong muốn của điểm thiêt lập. Thông tin thu nhận đƣợc sẽ đƣợc truyền về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ thực hiện những phép tính và đƣa ra quyết định điều khiển đƣa biến quá trình về gần mong muốn của điểm thiết lập. Khi tất cả sự đo đạc, so sánh và tính toán đƣợc thực hiện, một số phần tử điều khiển cuối cùng đƣợc lựa chọn bởi bộ điều khiển. Phần tử cuối cùng này chính là các thiết bị chấp hành xác định bởi đầu ra của bộ điều khiển. Các phần tử này có thể là van điều khiển, thiết bị chuyển đổi on - off, nhƣng đƣợc dùng phổ biến trong hầu hết các vòng điều khiển công nghiệp chính là van điều khiển. Nhƣ vậy van điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong hệ điều khiển quá trình, nó điều chỉnh lƣu lƣợng môi chất chống lại xáo trộn tải, giữ biến quá trình ở gần điểm đặt mong muốn. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Trong phạm vi luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, khắc phục ảnh hưởng của van điều khiển tới hệ điều khiển quá trình” tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ bản của van điều khiển, hiện tƣợng Stiction của van điều khiển và ảnh hƣởng của van điều khiển tới chất lƣợng hệ điều khiển quá trình Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, TIẾNG NƯỚC NGOÀI STT Ký hiệu Diễn giải 1. CV Biến cần điều khiển – Controlled Variable 2. SP Giá trị đặt – Set Point 3. MV Biến điều khiển – Manipulated Variable 4. CO Tín hiệu đầu ra bộ điều khiển – Control Output 5. QO Mở nhanh – Quick Open 6. EP Phần trăm đều – Equal percentage 7. FC Van đóng an toàn 8. FO Van mở an toàn 9. R Dải điều chỉnh van – Rangeability 10. CSTR Bình phản ứng khuấy trộn liên tục - Continuous Stirred Tank Reactor 11. PID Proportional – Integral – Derivative 12. PI Proportional – Integral [...]... thống điều khiển nhiệt độ Hình 1.4 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.2 Cấu tạo, phân loại van điều khiển 1.2.1 Cấu tạo van điều khiển Van điều khiển là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến trong quá trình Điều khiển độ mở van, sẽ điều khiển đƣợc các biến điều khiển nhƣ lƣu lƣợng áp suất , nhiệt độ, nồng độ Đặc tính của nó có ảnh hƣởng rất lớn tới ổn định và chất của điều khiển quá trình Vì vậy nghiên. .. Nội dung nghiên cứu: Phần mở đầu Chƣơng 1 VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Vai trò của van điều khiển 1.2 Cấu tạo, phân loại van điều khiển 1.3 Đặc tính của van điều khiển 1.4 Lựa chọn van điều khiển Chƣơng 2 NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG PHI TUYẾN CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Hiện tƣợng Stiction 2.2 Quan sát ảnh hƣởng hiện tƣợng Stiction trong thực tế 2.3 Mô hình vật lý của ma sát van 2.4... TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình Định nghĩa 1.1 Van điều khiển chính là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lƣu lƣợng môi chất qua các đƣờng ống dẫn Hình 1.1 Vị trí thiết bị chấp hành trong hệ thống điều khiển Van điều khiển đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển Nó... đề tài tốt nghiệp của mình là : Nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của van điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: a Ý nghĩa khoa học: Đƣa ra các thuật toán điều khiển phù hợp (điều khiển thích nghi, điều khiển phi tuyến, và các thuật toán điều khiến khác), để đạt đƣợc chất lƣợng điều khiển nhƣ mong muốn b Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu đƣợc ứng... trong hệ thống điều khiển 13 2 Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển mức 14 3 Hình 1.3 Hệ thống điều khiển nồng độ 14 4 Hình 1.4 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 15 5 Hình 1.5 Cấu tạo một van điều khiển điển hình 16 6 Hình 1.6 Ví dụ các bộ phận và phụ kiện van cầu 16 7 Hình 1.7 Van một cổng 17 8 Hình 1.8 Van một cổng 18 9 Hình 1.9 Một số kiểu thân van khác 19 10 Hình 1.10 Van quay 20 11 Hình 1.11 Kiểu tác động của van. .. động điều khiển tay 22 14 Hình 1.14 Van trƣợt và van xoay 26 15 Hình 1.15 Van cầu và van bƣớm 26 16 Hình 1.16 Van chốt 27 17 Hình 1.17 Van bi 27 18 Hình 1.18 Kiểu tác động của van 29 19 Hình 1.19 Hiện tƣợng deadband 30 20 Hình 1.20 Ảnh hƣởng của deadband đến hiệu suất van 32 21 Hình 1.21 Thời gian Td và τν của van 33 22 Hình 1.22 Tóm tắt thời gian đáp ứng của van 34 23 Hình 1.23 Cấu trúc van điều khiển. .. nghệ Điều khiển Quá trình (Process Control) Van Điều Khiển là phần tử chấp hành trong hệ thống điều khiển và đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điều khiển Nó có mặt trong hầu hết các mạch vòng điều chỉnh của điều khiển quá trình VD nhƣ: lƣu lƣợng áp suất,mức, nhiệt độ, nồng độ, công suất… Trong công nghiệp có rất nhiều các loại van khác nhau và có các đặc tính điều khiển phi tuyến (Đặc... điều khiển GVHD: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Học viên: Lương Thị Thanh Xuân http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa  11  3 Mục đích nghiên cứu Xác định đƣợc ảnh hƣởng của các loại van điều khiển tới chất lƣợng động và tĩnh của điều khiển quá trình Từ đó đề xuất ra các giải pháp và thuật điều khiển để nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển. .. Trong công nghiệp vẫn yêu cầu điều khiển tay ở những nơi không cần các hệ thống điều khiển tự động, nhƣng ở đó vẫn cần những van điều khiển kiểu bypass với van 3 cổng Điều khiển tay dùng cho rất nhiều loại van khác nhau và kích thƣớc cũng rất thoải mái Và van điều khiển tay cũng rẻ hơn so với van sử dụng điện Hình 1.13 Cơ cấu truyền động điều khiển tay c Các phụ kiện van + Khâu chuyển đổi (transducer)... điều khiển ảnh hƣởng tới việc lựa chọn hệ số khuếch đại của bộ điều khiển phản hồi Van đóng an toàn có độ mở van lớn hơn khi tín hiệu điều khiển tăng, trong khi van mở an toàn có độ mở an toàn nhỏ hơn khi tín hiệu điều khiển tăng Chiều tác động thuận đƣợc định nghĩa là độ mở van giảm khi tín hiệu điều khiển tăng ( có nghĩa là cần van chuyển động theo chiều thuận từ trên xuống dƣới đối với van trƣợt) . tài: Nghiên cứu, khắc phục ảnh hưởng của van điều khiển tới hệ điều khiển quá trình tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ bản của van điều khiển, hiện tƣợng Stiction của van điều khiển và ảnh. lƣợng hệ điều khiển. Nội dung nghiên cứu: Phần mở đầu Chƣơng 1. VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Vai trò của van điều khiển 1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển. Nội dung nghiên cứu: 11 Chƣơng 1. VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 13 1.1. Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình 13 1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển 15