CƠ SỞ LÝ THUYẾT
LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT
Chưng cất là quá trình tách biệt các thành phần trong hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi hoặc nhiệt độ sôi ở cùng áp suất Quá trình này diễn ra thông qua việc lặp lại các bước bay hơi và ngưng tụ, cho phép vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại Điểm khác biệt giữa chưng cất và cô đặc là trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi cô đặc chỉ có dung môi bay hơi.
Khi chưng cất, chúng ta thu được nhiều cấu tử, với số lượng sản phẩm tương ứng với số cấu tử Trong hệ đơn giản có hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu là cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Etanol – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa etanol và một ít nước, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít etanol.
- Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
Áp suất làm việc trong chưng cất có thể được phân loại thành áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Phương pháp chưng cất này hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt độ sôi của các cấu tử; khi nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, việc giảm áp suất làm việc sẽ giúp hạ nhiệt độ sôi, từ đó cải thiện hiệu quả chưng cất.
+ Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chƣng đơn giản) và liên tục
Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp sau:
Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác nhau
Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
Chƣng cất hỗn hợp hai cấu tử (dung thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình đƣợc thực hiện liên tục, nhiều đoạn
+ Phương pháp cất cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước, thường được áp dụng trường hợp chất tách không tan trong nước
Trong đề tài: nhóm chọn phương pháp chưng cât liên tục cấp nhiệt trực tiếp trong nồi đun
Trong đề tài: nhóm thực hiện trên mô hình tháp mâm xuyên lỗ.
GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU
Nguyên liệu thử nghiệm ban đầu: nước
Nguyên liệu chưng cất: Etanol – nước
2.2.1 Etanol: (Còn gọi là rƣợu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm)
Etanol có công thức phân tử: CH 3 -CH 2 -OH, khối lƣợng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước
Etanol có nhiệt độ sôi là 78,3 °C ở áp suất 760 mmHg và khối lượng riêng là 810 kg/m³ Với nhiều ứng dụng vượt trội so với metanol, etanol đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, là nguyên liệu sản xuất cho hơn 150 mặt hàng khác nhau Nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp nặng, y tế và dược phẩm, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt may, chế biến gỗ và nông nghiệp.
Hình 2.1: Sơ đồ các ứng dụng của Etanol
Nước, trong điều kiện bình thường, là một chất lỏng không màu, không mùi và không vị, với khối lượng phân tử 18g/mol và khối lượng riêng 1g/ml Nước có nhiệt độ sôi là 100 độ C và được biết đến như một dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
2.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước (C 2 H 5 OH):
Bảng 2.1: Thành phần lỏng (x)-hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol –
Hình 2.2: Đồ thị phần trăm mol của Ethanol – Nước:
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƢNG CẤT RƢỢU
Hình 2.3: Mô hình quy trình công nghệ
Hỗn hợp etanol – nước với nồng độ etanol 10% được bơm từ bồn chứa nguyên liệu lên bồn nung đáy tháp chưng cất Sau khi đun nóng qua thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất, nơi xảy ra sự tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng Pha lỏng di chuyển xuống dưới, giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi, trong khi hơi nước có nhiệt độ sôi cao ngưng tụ ở đỉnh tháp Hỗn hợp tại đỉnh tháp chứa nồng độ etanol cao được làm lạnh và thu hồi, trong khi phần lỏng ở đáy tháp chủ yếu là nước với nồng độ etanol thấp Hệ thống hoạt động liên tục, cung cấp sản phẩm đỉnh là etanol và thải bỏ sản phẩm đáy sau khi làm nguội.
MÔ HÌNH HÓA, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
Nội dung phần này đƣợc tham khảo và trích dẫn chủ yếu trong tài liệu [1], [2]
Mô hình là phương pháp khoa học để mô tả và tóm lược các yếu tố quan trọng của một hệ thống thực, có thể đã tồn tại hoặc cần phát triển Nó được áp dụng trong việc xây dựng bộ điều khiển, thực hiện mô phỏng, dự đoán, phát hiện và chẩn đoán lỗi, cũng như tối ưu hóa hệ thống.
Mô hình đồ họa, bao gồm sơ đồ khối, lưu đồ P&ID và lưu đồ thuật toán, là công cụ hiệu quả để thể hiện trực quan cấu trúc liên kết và sự tương tác giữa các thành phần trong một hệ thống.
Mô hình toán học bao gồm phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền và mô hình trạng thái Những mô hình này rất hữu ích cho việc nghiên cứu sâu về các đặc tính của từng thành phần, cũng như hiểu rõ bản chất của các mối liên kết và tương tác giữa chúng.
Mô hình máy tính: chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống
Mô hình suy luận là phương pháp biểu diễn thông tin và đặc điểm của hệ thống thực thông qua các quy tắc suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao để tăng cường khả năng hiểu và phân tích.
2.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình toán học
Mô hình toán học là các biểu thức dùng để mô tả một hệ thống, và một hệ thống có thể được thể hiện qua nhiều cách khác nhau Điều này dẫn đến việc tồn tại nhiều mô hình toán học cho cùng một hệ thống Vì vậy, có nhiều phương pháp khác nhau để xây dựng mô hình toán học cho các hệ thống này.
Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa):
Phương pháp xây dựng mô hình dựa trên các định luật vật lý và hóa học cơ bản, kết hợp với thông số kỹ thuật của thiết bị, cho phép phân tích quy trình và mô hình hóa lý thuyết Mô hình này được thể hiện dưới dạng hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số.
Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống):
Phương pháp này, thường được gọi là nhận dạng hệ thống hoặc phương pháp hộp đen, sử dụng hàm truyền để ước lượng dựa trên thông tin ban đầu của quá trình Nó dựa vào việc quan sát và phân tích dữ liệu từ các tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống thực.
2.4.3 Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín
Việc thu thập dữ liệu yêu cầu tạo ra sự biến thiên tín hiệu vào-ra trong hệ thống, với tín hiệu đầu vào được điều chỉnh để tác động lên hệ thống đang hoạt động Độ chính xác và tính khả thi của dữ liệu thu được phụ thuộc vào cường độ và dạng của tín hiệu kích thích Do đó, nếu hệ thống là thí nghiệm, việc lựa chọn tín hiệu phù hợp là rất quan trọng.
Khi chưa đưa vào sản xuất, việc lựa chọn các yếu tố sẽ trở nên dễ dàng hơn, giúp chất lượng dữ liệu thu thập đạt tiêu chuẩn cao và khả năng nhận dạng hệ thống gần chính xác Chúng ta có thể áp dụng phương pháp nhận dạng vòng hở để cải thiện quy trình này.
Hình 2.4: Nhận dạng vòng hở
Đối với các hệ thống đã được đưa vào sản xuất, việc tách rời bộ điều khiển khỏi hệ thống là không khả thi Vì vậy, chúng ta áp dụng phương pháp điều khiển vòng kín để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Để khảo nghiệm mô hình hệ thống trong sản xuất, cần tránh sử dụng các tín hiệu có cường độ lớn, vì chúng có thể ảnh hưởng đến quá trình sản xuất.
Việc đưa các tín hiệu có cường độ nhỏ vào hệ thống có thể dẫn đến việc giảm độ chính xác và khả thi của dữ liệu thu thập được.
* Trong đồ án này, nhóm đã chế tạo mô hình thực nghiệm nên sẽ dùng phương pháp nhận dạng vòng hở
2.4.4 Các bước nhận dạng hệ thống
Quy trình nhận dạng hệ thống được mô tả trong tài liệu [2] và được tham khảo từ tài liệu [3], thể hiện qua một vòng lặp rõ ràng.
Hình 2.6: Vòng lặp nhận dạng hệ thống
Để nhận diện mô hình hệ thống hiệu quả, việc thu thập dữ liệu bắt đầu bằng việc chọn tín hiệu thử có biên độ và băng thông phù hợp cho ngõ vào Chất lượng tín hiệu thử ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của mô hình, vì nếu tín hiệu thử không đạt yêu cầu, đặc tính của hệ thống sẽ không được xác định chính xác, dẫn đến sai số trong các bước nhận dạng tiếp theo.
* Ở đây dung phầm mềm WinCC để thu thập dữ liệu
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một thiết bị điều khiển hồi tiếp vòng kín phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động Nó hoạt động bằng cách hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển
SP : Giá trị đặt e(t): Sai số (e = SP – PVht) u(t): Tín hiệu điều khiển
PV : Giá trị hiện tại của hệ thống
PVht : Giá trị hồi tiếp
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần:
+ Khâu tích phân (I), + Khâu vi phân (D) đƣợc thể hiện trong hình 2.5 theo tài liệu[10]
Hình 2.8 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Tín hiệu ra của bộ điều khiển:
Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:
Trong đó: K P là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)
K I là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)
K D, hay độ lợi của khâu vi phân, là một trong những thông số điều khiển quan trọng trong hệ thống Các thông số K P, K I và K D có ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng của hệ thống, như được nêu trong tài liệu [11] và trình bày chi tiết trong bảng 2.1.
Bảng 2.2 Tác động của việc tăng các thông số độc lập
Thông số Thời gian đáp ứng Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập
K P Giảm Tăng Ít thay đổi Giảm
K I Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu
K D Ít thay đổi Giảm Giảm Theo lý thuyết thì không ảnh hưởng
Khâu tỉ lệ P, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra theo tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Tỉ lệ này có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số với một hằng số KP.
Khâu tỉ lệ đƣợc cho bởi:
P out : thừa số tỉ lệ của đầu ra
K p : độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e: sai số (e = SP – PVht) t: thời gian tức thời
Hình 2.9 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K P (K I , K D = hằng số)
Khâu tỉ lệ P giúp cải thiện thời gian đáp ứng và giảm sai lệch t nh, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn sai lệch này Khi giá trị KP tăng, tốc độ đáp ứng của hệ thống cũng nhanh hơn, đồng thời sai số xác lập giảm, dẫn đến sự dao động gia tăng và độ vọt lố cao Tuy nhiên, nếu KP vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ trở nên không ổn định và dao động không ngừng.
Khâu tích phân phụ thuộc vào biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian cung cấp luỹ thừa bù đã được điều chỉnh Sai số tích lũy sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.
Thừa số tích phân đƣợc cho bởi:
I out : thừa số tích phân của đầu ra
K i : độ lợi tích phân e: sai số (e = sp – pvht) t: thời gian tức thờ
Hình 2.10 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số)
Bộ điều khiển tích phân i giúp giảm thiểu sai lệch tĩnh, nhưng có thể làm cho đáp ứng quá độ trở nên tồi tệ hơn Khi giá trị ki tăng, sai số xác lập sẽ nhỏ hơn, tuy nhiên độ vọt lố lại tăng cao.
Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được xác định bằng cách tính độ dốc của sai số theo thời gian, tương ứng với đạo hàm bậc 1 theo thời gian Sau đó, tốc độ này sẽ được nhân với độ lợi KD để có được kết quả chính xác hơn.
Thừa số vi phân đƣợc cho bởi:
D out : thừa số vi phân của đầu ra
K D : độ lợi vi phân e: sai số (e = SP – PVht) t: thời gian tức thời
Hình 2.11 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số)
Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh và cải thiện đáp ứng quá độ của hệ thống, với KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ Tuy nhiên, việc sử dụng khâu vi phân một mình có thể làm hệ thống mất ổn định do tính nhạy cảm với nhiễu, vì vậy cần kết hợp với khâu P hoặc I để đạt hiệu quả tối ưu.
NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID
LƯU ĐỒ P&ID
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất Ethanol và nước
CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát đƣợc
Các bước nhận dạng hệ thống:
-Chọn cấu trúc mô hình
Hệ thống ống gia nhiệt là một khâu bậc một, nhưng thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như hàm truyền công suất, kích thước thùng và sự thất thoát nhiệt môi trường Do đó, có nhiều phương pháp nhận dạng khác nhau phù hợp với dạng hàm truyền mà người dùng muốn tạo ra.
3.2.1 Hàm truyền của khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ
Khâu quán tính bậc một:
: hằng số thời gian của hệ thống
Cho tín hiệu đầu vào là hàm nấc Hệ thống hoạt động với công suất lớn nhất Tín hiệu đầu ra có dạng nhƣ hình vẽ:
Hình 3.2 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất
K đƣợc tính theo công thức: K Y
đƣợc tính theo công thức: = t 2 – t1 (3.3)
Khâu quán tính bậc một có trễ:
Cách làm cũng giống như phương pháp trên
Tín hiệu đầu ra có dạng nhƣ hình vẽ:
Hình 3.3 Tín hiệu vào - ra hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ
K đƣợc tính theo công thức: K Y
Dựa vào phương pháp hai điểm quy chiếu tương ứng với 0.283 và 0.632
đƣợc tính theo công thức: = 1.5(t 2 – t 1 ) (3.5)
đƣợc tính theo công thức: = t 2 - (3.6)
3.2.2 Khâu quán tính bậc cao
Để xác định các tham số cho hàm truyền dạng này, việc sử dụng các biến đổi toán học đơn thuần có thể gặp khó khăn Do đó, việc áp dụng phần mềm chuyên dụng sẽ giúp quá trình tính toán trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Phương pháp Ziegler-Nichols là một trong những phương pháp phổ biến để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID, bao gồm các loại P, PI và PID Phương pháp này đơn giản, dễ sử dụng và dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị thay đổi bậc thang Nó thích hợp cho các quá trình có đặc tính quán tính và thời gian trễ tương đối nhỏ, thường được áp dụng để giảm thiểu nhiễu loạn trong hệ thống.
3.3.1 Phương pháp điều chỉnh bằng tay: Đặt K I , K D =0 Tăng K P đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ dao động Điều chỉnh lại giá trị KP cho phù hợp Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị KD Ƣu điểm: không cần hiểu biết về toán
Nhược điểm: yêu cầu người thực hiện có kinh nghiệm
3.3.2 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp thực nghiệm (phương pháp thứ 2 của Ziegler-Nichols) Đặt K I , K D =0 Tăng KP đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn Đặt K P này bằng Kcrit Đo chu kỳ dao động đặt là Tcrit
Bảng 3.1 Xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols
3.3.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR)
Hàm truyền của đối tƣợng cần điều khiển:
Phương pháp CHR là một kỹ thuật điều chỉnh tham số bộ điều khiển trong công nghiệp, dựa trên tham số thời gian của hệ thống với đáp ứng hàm nấc Chien – Hrones – Reswick cung cấp nhiều lựa chọn cho bộ điều khiển của hệ thống, phụ thuộc vào tham số R, được trình bày trong bảng sau.
Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR
Các hệ thống sở hữu bậc cao hơn R < 3
Phương pháp này thường được dùng khi:
Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín không điều hoà
Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín dao động với độ vọt lố khoảng 20%
Bảng 3.3 Các tham số bộ PID theo phương pháp CHR
Phương pháp thiết kế này dựa trên các phản hồi điển hình của hệ thống, giúp ước lượng và tính toán các thông số cần thiết cho hệ thống.
Phương pháp Tyreus-Luyben, được cải tiến từ phương pháp Ziegler-Nichols 2, giúp giảm hệ số khuyếch đại và tăng thời gian vi phân cũng như thời gian tích phân Các thông số điều khiển cụ thể được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4 Các thông số điều khiển của phương phápTyreus-Luyben
Trong đó: Ku: Hệ số khuyếch đại tới hạn
Tu: Chu kỳ dao động tới hạn
3.2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI
Có nhiều phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID, trong đó phương pháp Ziegler-Nichols được dùng phổ biến cho các bộ điều khiển P,
Phương pháp PI và PID là những kỹ thuật đơn giản và dễ áp dụng, dựa trên đặc tính quá độ thu được từ thực nghiệm với giá trị thay đổi bậc thang Phương pháp này thích hợp cho các quá trình có đặc tính quán tính và thời gian trễ tương đối nhỏ Thông thường, nó được sử dụng hiệu quả để giảm thiểu các nhiễu loạn trong hệ thống.
ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ
ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ
Để đạt được mục tiêu của đề tài, cần thu thập dữ liệu từ hệ thống thực và phân tích để xác định hàm truyền mô tả hệ thống Hàm truyền này sẽ được tích hợp vào chương trình điều khiển nhằm phát triển thuật toán điều khiển cho hệ thống thực Để thực hiện các bước này, cần có một hệ thống với thiết bị và công cụ hỗ trợ lẫn nhau, bao gồm phần cứng thu thập dữ liệu, trung tâm điều khiển như máy tính hoặc PLC, cùng với phần mềm hỗ trợ như Matlab Trong đồ án này, nhóm sử dụng PLC, Matlab và WinCC để nhận dạng và tìm đáp ứng của hàm truyền.
Matlab là phần mềm tính toán số và lập trình do MathWorks phát triển, cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị và thực hiện thuật toán Với thư viện Toolbox, Matlab hỗ trợ mô phỏng và thực nghiệm nhiều mô hình kỹ thuật, giúp giải quyết các bài toán tính toán hiệu quả hơn so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C hay C++ Matlab cũng cho phép thiết lập hệ thống điều khiển, chẳng hạn như bộ PID, và rất phù hợp cho các đề tài học thuật Trong đề tài này, nhóm sẽ sử dụng SIMULINK, phần mềm mô phỏng hệ thống động học trong Matlab, với đặc điểm lập trình trực quan qua các khối, giúp dễ hiểu hơn.
Phần mềm WinCC của Siemens là công cụ chuyên biệt dùng để phát triển giao diện điều khiển HMI (Giao diện Người-Máy) và hỗ trợ xử lý, lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADA (Giám sát và Thu thập Dữ liệu), phục vụ cho lĩnh vực tự động hóa.
WinCC, viết tắt của Windows Control Center, là phần mềm cung cấp công cụ thiết lập giao diện điều khiển trên nền tảng Windows Là một sản phẩm thuộc dòng SCADA, WinCC mang đến những chức năng hiệu quả cho việc vận hành và giám sát hệ thống Trong hệ thống này, WinCC đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu, giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển.
Khối công suất trong hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển công suất cho thanh gia nhiệt trong lò nhiệt Khi nhận tín hiệu từ bộ điều khiển WinCC thông qua module IO của PLC, khối công suất sẽ thực hiện nhiệm vụ này Đặc biệt, với thanh gia nhiệt sử dụng mạng lưới điện xoay chiều 1 pha 220V, thiết bị “G3PW-A220EC-C-FLK” được lựa chọn để gia nhiệt cho hệ thống.
Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển (máy tính) được xuất ra module IO dưới dạng tín hiệu analog 4÷20mA, trong khi đối tượng điều khiển, cụ thể là thanh gia nhiệt, sử dụng điện xoay chiều 220VAC.
Từ yêu cầu đó, nhóm đã chọn bộ công suất “G3PW-A220EC-C-FLK” của OMRON
Hình 4.1 SCR G3PW-A220EC-C-FLK
Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: 110VAC - 220VAC 50Hz
Tín hiệu điều khiển: 5V - 24V, 1V - 5V, 4mA - 20mA Khả năng chịu áp: 100 - 240 VAC
Khả năng chịu dòng: 20A 50/60 Hz
4.1.4 Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại k
Cấu tạo của thiết bị bao gồm hai dây kim loại khác nhau được hàn chung tại một đầu, được gọi là đầu nóng hay đầu đo Hai đầu còn lại không hàn chung và được gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn.
Hình 4.2: Cảm biến Thermocouple loại K
Vật liệu dùng để chế tạo Thermocouple loại K gồm Chromel và Alumel
Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng Seebeck là quá trình chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng và ngược lại Hiện tượng này xảy ra khi hai dây dẫn điện khác nhau được kết nối thành một mạch kín, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu kết nối, thường được gọi là cặp nhiệt điện.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến thermocouple dựa vào hiệu ứng Seebeck, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, sẽ tạo ra một suất điện động e (mV) Suất điện động này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ và bản chất của vật liệu chế tạo cảm biến, được mô tả bằng công thức e = k.(T1 – T2) = k.ΔT.
T 1 : Nhiệt độ đầu nóng (nhiệt độ cần đo)
Dải nhiệt độ đo của cảm biến: -270 o C đến 1250 o C Độ nhạy: 41μV/ C o
- Điện áp cung cấp: 12 – 24 VDC
- Tín hiệu điều khiển: 4 – 20mA
Thông số kỹ thuật: Điện áp cung cấp: 24 VDC
Tích 16 ngõ vào số/16 ngõ ra số
CPU và các Module PLC S7-300:
Hình 4.5: CPU và các module S7-300
Cảm biến Pt100 và khối công suất:
Hình 4.6:Sơ đồ kết nối cảm biến Pt100 và khối công suất
Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây van điện từ
MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH
Hình 4.8: Tủ điện bên ngoài
Hình 4.10:Tủ điện bên trong
Hình 4.11: Bình chứa sản phẩm
Hình 4.12:Hai thanh gia nhiệt ( nhập liệu và hoàn lưu )
TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
KHẢO SÁT HÀM TRUYỀN VÕNG HỞ
Lưu đồ P&ID của hệ nhập liệu và hoàn lưu:
Hình 5.1: Lưu đồ P&ID Để khảo sát và tìm hàm truyền hệ thống ta xem xét đáp ứng của hệ hở:
Sơ đồ khối khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ hở với tính hiệu ngõ vào là hàm bậc thang đơn vị có giá trị từ 4-20 mA
Ta đặt giá trị ngõ vào là cố định từ 5 đến 20 mA, giá trị lưu lượng ngõ vào bằng với ngõ ra 40-60 ml/phút
Hình 5.2: Sơ đồ mạch hở
5.1.2 Các bước chuẩn bị khảo sát
- Phần mềm Step 7 Simatic: Cài đặt phần cứng cho hệ thống PLC và các IO cần thiết để thu thập và nhận biết dữ liệu
- Khai báo tất cả phần cứng sử dụng
Hình 5.3 Cấu hình phần cứng
+ CPU 313C-2DP có tích hợp module DI/DO
+ Các module đính kèm bao gồm:
AI 8x12 Bit dùng để nối các cảm biến đo nhiệt độ và lưu lượng
Hình 5.4 Cấu hình module AI 8x12Bit
AI 2x12 Bit dùng để nối cảm biến đo áp
Hình 5.5 Cấu hình module AI 2x12Bit
1 module AO 4x12Bit: dùng để nối các thiết bị công suất (SCR)
Hình 5.6 Cấu hình module AO 4x12Bit
Khối FC1 là bộ phận chịu trách nhiệm lấy nhiệt độ từ cảm biến, cung cấp thông tin về nhiệt độ đáp ứng của hệ thống khi có sự thay đổi nhiệt độ trong ống gia nhiệt.
Khối xuất tín hiệu FC106 có chức năng truyền tín hiệu từ máy tính vào PLC, nơi tín hiệu được xử lý và sau đó xuất ra module AO Module AO tiếp tục chuyển tín hiệu đến khối công suất SCR, đảm bảo quá trình điều khiển hiệu quả.
THU THẬP DỮ LIỆU
Hình 5.9 Màn hình giám sát nhiệt độ nhập liệu
Hình 5.10 Màn hình giám sát nhiệt độ hoàn lưu
Hình 5.11 Màn hình giám sát nhiệt độ nồi đun
Ta sẽ dùng chương trình WinCC để thu thập dữ liệu
Setpoint ban đầu ta sẽ nhập giá trị dòng điện từ 4mA -> 20mA.
XỬ LÍ DỮ LIỆU
Sau khi đã thu thập dữ liệu trong WinCC, từ bảng lưu trữ dự liệu ( WinCC Online TableControl ) ta sẽ xử lí dữ liệu bên Excel và Matlab
5.3.1 XỬ LÍ DỮ TRONG EXCEL
Hình 5.12 Đồ thị vẽ trong Excel
Từ bảng dữ liệu trong Excel ta sẽ vẽ đƣợc đồ thị đáp ứng của hệ sơ bộ Ta sẽ tìm hàm truyền của hệ từ số liệu trên
5.3.2 Phương pháp tìm hàm truyền
Từ bảng dữ liệu trong Excel, ta sẽ tìm hàm truyền của hệ bằng phương pháp ở mục 3.2.1 ở trên Ta sẽ có đƣợc hàm truyền khâu quán tính bậc 2
Một số hàm truyền tìm đƣợc:
Hàm truyền nhiệt độ nhập liệu:
- Giá trị dòng điện nhập vào 9mA:
- Giá trị dòng điện nhập vào 10mA:
Hàm truyền nhiệt độ hoàn lưu:
- Giá trị dòng điện nhập vào 8mA:
- Giá trị dòng điện nhập vào 9mA:
5.3.3 Sử dụng Matlab để so sánh các đồ thị
- Sử dụng Simulink trong Matlab để tìm đồ thị hệ
- Ta sẽ so sánh 3 đồ thị của hàm truyền bậc 1 có trễ, bậc 2 và đồ thị bên Excel
To visualize the data from the Excel file 'Data_04_11_2015_9mA.xlsx' in MATLAB, use the following code to plot three datasets on the same coordinates First, read the data using `xlsread`, selecting the relevant columns: `first_column` from the fourth column and `second_column` from the third column Then, plot the data with `plot(xs, ys, 'r', 'linewidth', 0.5)` for the Excel data, followed by `plot(simout, 'g:', 'linewidth', 2)` and `plot(simout1, 'k-', 'linewidth', 1.5)` for the additional datasets Ensure to use `hold on` and `grid on` for better visualization, and include a legend to differentiate between the datasets, labeling them as 'excel', 'khong tre', and 'co tre'.
- Đồ thị của một số đáp ứng một số hệ:
80 excel khong tre co tre
Hình 5.14 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 9mA
80 excel khong tre co tre
Hình 5.15 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 12mA
45 excel khong tre co tre
Hình 5.16 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 8mA
Sau khi so sánh các đồ thị, chúng tôi đã chọn hàm truyền có giá trị dòng điện đầu vào là 9mA để xác định các thông số PID.
PHƯƠNG PHÁP TÌM THÔNG SỐ PID
PID Tool trong Matlab là một công cụ hữu ích giúp tự động xác định các giá trị Kp, Ki, Kd cho hệ thống điều khiển Công cụ này cho phép tìm kiếm độ vọt lố, thời gian đáp ứng và sai số xác lập của hệ thống một cách nhanh chóng, hiệu quả hơn so với phương pháp thực nghiệm truyền thống.
Cửa sổ PID Tool xuất hiện bên dưới:
Hình 5.17 PID Tool trong Matlab-Simulink
Trong phương pháp này, việc thiết kế bộ điều khiển dựa vào mô hình quá trình và suy ra hàm truyền vòng kín
Phương trình thiết kế bộ điều khiển:
Hàm truyền bộ điều khiển PID:
TÍNH TOÁN THÔNG SỐ PID
( Làm lại hình đồ thị )
Hình 5.18 Biểu đồ với giá trị nhập liệu ban đầu là 9mA
- Sử dụng Matlab – Simulink để tìm PID của hệ thống:
- Thông số PID tìm đƣợc bằng PIDTool:
Hình 5.19 Sơ đồ hệ kín trong Simulink
- Thông số PID đƣợc tìm đƣợc bằng PID Tool:
+ Thời gian tăng trưởng: Tr = 11.7s
Hình 5.20 Đồ thị thu được khi đã điều chỉnh lại thông số PID
Hình 5.21 Biểu đồ với giá trị dòng điện nhập vào ban đầu 9mA
- Sử dụng Matlab-Simulink để tìm PID của hệ thống:
- Thông số PID đƣợc tìm đƣợc bằng PID Tool:
Hình 5.22 Sơ đồ hệ kín trong Simulink
+ Thời gian tăng trưởng: Tr = 11s
+ Thời gian xác lập: Ts = 42.4s
+ Thời gian tăng trưởng: Tr = 47.1s
Hình 5.23 Đồ thị khi có bộ điều khiển PID
Trong nghiên cứu này, nhóm đã xác định được hàm truyền của hệ gia nhiệt dòng nhập liệu và hoàn lưu, dựa trên lý thuyết và phương pháp nhận dạng hệ thống đã được học trong lớp.
- Ứng dụng Phần mềm Matlab tìm ra bộ điều khiển PID
- Sử dụng PLC S7-300 để điều khiển và dùng WINCC để giám sát quá trình và đáp ứng của hệ thống
Hệ thống hai ống gia nhiệt nhập liệu và hoàn lưu hoạt động hiệu quả mà không gặp sai số xác lập Tuy nhiên, thời gian tăng và thời gian xác lập vẫn còn chậm, dẫn đến hiện tượng vọt lố và dao động ban đầu Để khắc phục những vấn đề này, cần thực hiện các biện pháp tối ưu hóa quy trình điều chỉnh và cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.
+ Lấy nhiều mẫu hơn để phân tích hệ
Áp dụng các phương pháp nhận dạng hệ thống hiện đại và hiệu quả giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình vận hành Đồng thời, việc cách nhiệt cho toàn bộ hệ thống là cần thiết để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, từ đó đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
[1] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, NXB Bách khoa Hà Nội,2009
[2] Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng mô hình hóa và nhận dạng hệ thống, http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/, 2012
[3] Huỳnh Thái Hoàng, Hướng dẫn thí nghiệm cao học tự động hóa, 2005
[4] Nguyễn Thế Hùng, Giáo trình điều khiển tự động, ĐH Sƣ phạm kỹ thuật Tp.HCM,2006
[5] https://vi.wikipedia.org/wiki/Hiệu_ứng_nhiệt_điện
[6] Đề tài mô hình hệ thống điều khiển tự động và xây dựng bộ điều khiển PID
[7] https://vi.wikipedia.org/wiki/Bộ_điều_khiển_PID
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller
[9] http://ebook.net.vn/ebook/luan-van-nang-cao-chat-luong-bo-dieu-khien-pid- benvung-cho-he-thong-dieu-khien-on-dinh-nhiet-do-3468/
[10] http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?aux=Home
