CƠ SỞ LÝ THUYẾT
LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng hoặc khí lỏng thành các thành phần riêng biệt dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi hoặc nhiệt độ sôi ở cùng áp suất Quá trình này lặp đi lặp lại giữa bay hơi và ngưng tụ, cho phép vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại Khác với cô đặc, trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi cô đặc chỉ cho phép dung môi bay hơi.
Khi thực hiện quá trình chưng cất, chúng ta thu được nhiều cấu tử khác nhau, và số lượng cấu tử thường tương ứng với số lượng sản phẩm thu được Đối với hệ đơn giản chỉ gồm hai cấu tử, kết quả thu được sẽ phản ánh rõ ràng sự phân tách này.
Trong quá trình chưng cất, sản phẩm đỉnh chủ yếu chứa etanol và một lượng nhỏ nước, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít etanol Sản phẩm đỉnh thường bao gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn với nhiệt độ sôi thấp, trong khi sản phẩm đáy chứa các cấu tử có độ bay hơi nhỏ với nhiệt độ sôi cao.
- Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
Chưng cất có thể được thực hiện dưới ba mức áp suất: áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử; nếu 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: CH3-CH2-OH, khối lƣợng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
Etanol, với nhiệt độ sôi 78,3 °C ở áp suất 760 mmHg và khối lượng riêng 810 Kg/m³, có nhiều ứng dụng quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Nó được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất cho hơn 150 mặt hàng khác nhau và 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
Trong điều kiện bình thường, nước 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 sôi ở nhiệt độ 100°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 có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng
Tại bồn chứa nguyên liệu (T1), hỗn hợp được bơm lên bồn nung đáy tháp (Tháp 1) ở nhiệt độ 280 oC Hỗn hợp sau đó được gia nhiệt đến nhiệt độ mong muốn qua thiết bị gia nhiệt (R1) và được đưa vào tháp chưng cất thông qua bộ gia nhiệt nhập liệu (R2) và van ON/OFF (V1) Trong tháp, chất lỏng từ đoạn cất chảy xuống, tiếp xúc với hơi từ dưới lên, tạo ra sự trao đổi giữa hai pha Khi di chuyển xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi giảm do bị lôi cuốn bởi pha hơi, trong khi hơi có nhiệt độ sôi cao như nước sẽ ngưng tụ lại ở đỉnh tháp, nơi thu được hỗn hợp có nồng độ etanol cao Hơi sau đó đi vào thiết bị làm lạnh và được ngưng tụ tại ống ngưng tụ (T2), một phần chất lỏng sẽ ra bồn chứa sản phẩm đỉnh (T3) và phần còn lại được hoàn lưu về tháp qua bộ gia nhiệt hoàn lưu (R3) và van ON/OFF (V2) Các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi, trong khi các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ chảy xuống đáy tháp, nơi thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước với nồng độ etanol thấp Cuối cùng, dung dịch lỏng ở đáy được đưa ra khỏi tháp vào bồn chứa sản phẩm đáy (T4), tạo ra sản phẩm etanol ở đỉnh 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 công cụ khoa học quan trọng giúp mô tả và tóm gọn các yếu tố cốt lõi của một hệ thống thực, có thể là hiện có hoặc cần phát triển Nó được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng bộ điều khiển, mô phỏng, dự đoán, phát hiện lỗi, chẩn đoán và 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 hữu ích 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 các phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền và mô hình trạng thái, giúp nghiên cứu sâu về đặc tính của từng thành phần cũng như 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 tế thông qua các quy tắc suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao.
2.4.2 Phương pháp xây dựng mô hình toán học
Mô hình toán học là các biểu thức dùng để mô tả hệ thống, và một hệ thống có thể được diễn đạt qua nhiều hình thức khác nhau Vì vậy, có thể tồn tại nhiều mô hình toán học cho cùng một hệ thống, dẫn đến sự đa dạng trong các phương pháp xây dựng mô hình toán học.
Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa):
Phương pháp này 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 Quá trình này sẽ được phân tích và mô hình hóa theo lý thuyết, dẫn đến việc hình thành một hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số.
Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống):
Phương pháp nhận dạng hệ thống, hay còn gọi là phương pháp hộp đen, ước lượng hàm truyền dựa trên thông tin ban đầu của quá trình Phương pháp này thực hiện việc quan sát và phân tích dữ liệu từ các tín hiệu vào và ra của hệ thống thực tế.
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 của hệ thống, với tín hiệu đầu vào được tác động vào hệ thống đang hoạt động Độ chính xác và khả thi của dữ liệu phụ thuộc vào cường độ và dạng tín hiệu kích thích Nếu hệ thống đang trong giai đoạn thí nghiệm hoặc chưa đưa vào sản xuất, việc chọn lựa các yếu tố này sẽ dễ dàng hơn, dẫn đến chất lượng dữ liệu thu thập tốt và khả năng nhận dạng hệ thống cao Phương pháp nhận dạng vòng hở có thể được áp dụng trong trường hợp này.
Hình 2.4: Nhận dạng vòng hở
Đối với các hệ thống đã 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 hoạt động hiệu quả.
Để khảo nghiệm mô hình hệ thống trong sản xuất, việc sử dụng tín hiệu có cường độ lớn là không khả thi do ảnh hưởng đến quy trình sản xuất Do đó, chỉ có thể sử dụng tín hiệu nhỏ, điều này sẽ dẫn đến việc giảm độ chính xác và khả năng thu thập dữ liệu.
* 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, theo tài liệu [2], được thể hiện qua một vòng lặp cụ thể, với nội dung phần này được tham khảo và trích dẫn chủ yếu từ tài liệu [3].
Hình 2.6: Vòng lặp nhận dạng hệ thống
Để nhận diện mô hình hệ thống hiệu quả, việc lựa chọn tín hiệu thử có biên độ và băng thông phù hợp là rất quan trọng Tín hiệu thử không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng mô hình mà còn quyết định khả năng thu thập tín hiệu đáp ứng của hệ thống 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 tiếp theo của quá trình nhận dạng.
* 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 quan trọng trong các hệ thống điều khiển tự động, hoạt động theo cơ chế hồi tiếp vòng kín Chức năng chính của bộ điều chỉnh PID là giảm thiểu sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào, từ đó phát sinh tín hiệu điều khiển nhằm điều chỉnh quá trình một cách hiệu quả.
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 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: KP là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)
KI là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)
KD, hay độ lợi của khâu vi phân, là một trong những thông số điều khiển quan trọng bên cạnh KP và KI, ảnh hưởng trực tiếp đến đáp ứng của hệ thống Thông tin chi tiết về các thông số này được trình bày trong tài liệu [11] và được tóm tắt trong bảng 2.1.
Bảng 2.2 Tác động của việc tăng các thông số độc lập
Khâu tỉ lệ P, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra và tỷ lệ với giá trị sai số hiện tại Tỷ lệ này có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số với một hằng số KP.
Khâu tỉ lệ đƣợc cho bởi:
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra.
Kp: 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 sẽ nhanh hơn và sai số xác lập sẽ giảm, tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến sự gia tăng dao động và độ vọt lố Nếu KP vượt quá giá trị giới hạn, hệ thống có thể trở nên không ổn định do dao động không tắt dần.
Khâu tích phân có mối quan hệ tỷ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian cung cấp lũy thừa bù đã được hiệu 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:
Iout: thừa số tích phân của đầu ra
Ki: 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 có khả năng giảm thiểu sai lệch tĩnh, tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến việc đáp ứng quá độ trở nên tồi tệ hơn Khi hệ số ki tăng, sai số xác lập sẽ giảm, nhưng 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 đương với đạo hàm bậc nhất 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:
Dout: thừa số vi phân của đầu ra
KD: độ lợi vi phân e: sai số (e = SP – PVht)
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 Khi giá trị KD lớn, độ vọt lố sẽ nhỏ hơn Tuy nhiên, việc sử dụng khâu vi phân có thể gây mất ổn định do độ nhạy cảm với nhiễu Do đó, khâu vi phân cần được 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 hệ thống bậc một, có thể gặp phải độ trễ Tuy nhiên, thực tế cho thấy rằng nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài như sự thay đổi hàm truyền công suất gia nhiệt, kích thước thùng chứa và sự thất thoát nhiệt ra môi trường Do đó, có nhiều phương pháp nhận dạng khác nhau tùy thuộc vào 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 đƣợc tính theo công thức: τ = t 2 – t1
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 Dựa vào phương pháp hai điểm quy chiếu tương ứng với 0.283 τ đƣợc tính theo công thức: τ = 1.5(t 2 – t 1 )
3.2.2 Khâu quán tính bậc cao
Để xác định các tham số trong hàm truyền G(s) = K, 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 nổi bật với tính đơn giản và dễ sử dụng, dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị thay đổi bậc thang Nó phù hợp cho các quá trình có đặc tính quán tính và thời gian trễ tương đối nhỏ, giúp giảm thiểu các nhiễu loạn trong hệ thống.
3.3.1 Phương pháp điều chỉnh bằng tay: Đặt KI, KD =0 Tăng KP 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 KI, KD =0 Tăng KP đến khi nào hệ thống dao động tuần hoàn Đặt KP 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 hiệu quả để điều chỉnh tham số bộ điều khiển trong ngành công nghiệp, dựa trên tham số thời gian của hệ thống với đáp ứng hàm nấc Phương pháp Chien – Hrones – Reswick cung cấp nhiều lựa chọn cho bộ điều khiển của hệ thống, tùy thuộc vào tham số R, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR.
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 quan trọng của hệ thống.
Phương pháp Tyreus-Luyben được phát triển từ phương pháp Ziegler Nichols
2, giảm hệ số khuyếch đại, tăng thời gian vi phân và thời gian tích phân với các thông số điều khiển cho ở bảng 3.4.
Bảng 3.4 Các thông số điều khiển của phương phápTyreus-Luyben
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 sử 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 với thời gian trễ tương đối nhỏ, giúp giảm thiểu các nhiễu loạn trong hệ thống hiệu quả.
LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI
4.1 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ Để thực hiện mục tiêu đề tài, ta cần thu thập đƣợc dữ liệu từ hệ thống thực, phân tích dữ liệu đó để tìm ra hàm truyền mô tả hệ thống, sau đó đƣa hàm truyền này vào chương trình điều khiển để viết giải thuật điều khiển cho hệ thống thực. Để làm đƣợc những việc trên, ta cần một hệ thống với các thiết bị và công cụ có thể tương tác và hỗ trợ nhau như: phần cứng thu thập dữ liệu, trung tâm điều khiển (máy tính, PLC,…), phần mềm và công cụ hỗ trợ ( Matlab, …) Trong đồ án này, nhóm dùng 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 trong thực tế và kỹ thuật, giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán phức tạp so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C và C++.
Với Matlab, người dùng có thể thiết lập hệ thống điều khiển quá trình, chẳng hạn như bộ PID, nhờ vào tính học thuật cao của nó, rất phù hợp cho việc thực hiện đề tài Trong đề tài này, nhóm sẽ sử dụng SIMULINK, phần mềm mô phỏng các hệ thống động học trong môi trường Matlab, để thực hiện mô phỏng Simulink nổi bật với cách lập trình dạng khối, giúp người dùng dễ dàng hình dung và hiểu rõ hơn về hệ thống.
Phần mềm WinCC của Siemens là giải pháp chuyên biệt cho việc 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) trong lĩnh vực tự động hóa.
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 các thiết bị và công cụ hỗ trợ lẫn nhau, bao gồm phần cứng thu thập dữ liệu, trung tâm điều khiển như máy tính và PLC, cùng với phần mềm hỗ trợ như Matlab Trong đồ án này, nhóm sẽ 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 công ty MathWorks phát triển, cho phép thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị và biểu đồ thông tin Phần mềm này hỗ trợ thực hiện thuật toán, tạo giao diện người dùng và kết nối với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác Với thư viện Toolbox, Matlab giúp mô phỏng và thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật, đồng thời đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán phức tạp so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C và C++.
Với Matlab, chúng ta có thể thiết lập hệ thống điều khiển quá trình như bộ PID, nhờ vào tính học thuật cao của nó, Matlab rất phù hợp cho việc thực hiện các đề tài nghiên cứu Trong đề tài này, nhóm sẽ sử dụng SIMULINK, phần mềm mô phỏng hệ thống động học trong môi trường Matlab, để thực hiện mô phỏng Simulink có đặc điểm lập trình dạng khối, giúp việc thiết kế trở nên trực quan và dễ hiểu.
Phần mềm WinCC của Siemens là công cụ chuyên biệt cho việc phát triển giao diện điều khiển HMI (Giao diện Người-Máy) và hỗ trợ xử lý cũng như 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 một phần mềm cung cấp công cụ để thiết lập giao diện điều khiển trên nền tảng Windows Là một sản phẩm thuộc dòng SCADA, WinCC mang đến các chức năng hiệu quả cho việc giám sát và điều khiển hệ thống Trong hệ thống này, WinCC đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình vận hành.
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 qua module IO của PLC, khối công suất sẽ điều chỉnh hoạt động của thanh gia nhiệt Đặc biệt, với mạng lưới điện xoay chiều 1 pha 220V, thiết bị “G3PW-A220EC-C-FLK” được sử dụng để gia nhiệt cho hệ thống.
Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển (máy tính) đến module IO được truyền dưới dạng tín hiệu analog (4÷20mA), trong khi đối tượng điều khiển, cụ thể là thanh gia nhiệt, hoạt động với 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, gọi là đầu nóng hay đầu đo Hai đầu còn lại không được hàn 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, tạo thành một mạch khép kín, trong đó có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu kết nối Kết nối này thường được gọi là cặp nhiệt điện.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến thermocouple dựa trên hiệu ứng Seebeck, trong đó sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh 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 biểu diễn bằng công thức e = k.(T1 – T2) = k.ΔT.
T1: Nhiệt độ đầu nóng (nhiệt độ cần đo)
Dải nhiệt độ đo của cảm biến: -270 o C đến 1250 o C. Độ nhạy: 41 μV/ o C
- 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 quan trọng trong hệ thống, có nhiệm vụ lấy nhiệt độ từ cảm biến và trả về giá trị nhiệt độ đáp ứng khi có sự thay đổi nhiệt độ trong ống gia nhiệt.
Khối xuất tín hiệu FC106 có chức năng chuyển tín hiệu từ máy tính vào PLC, nơi PLC xử lý và xuất tín hiệu tới module AO Sau đó, module AO sẽ truyền tín hiệu đến khối công suất SCR.
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:
G - 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 snippet First, read the data into two variables, 'first_column' and 'second_column', corresponding to the 4th and 3rd columns of the dataset Then, plot the data with the command `plot(xs, ys, 'r', 'linewidth', 0.5)` for the first dataset, and overlay additional plots using `plot(simout, 'g:', 'linewidth', 2)` and `plot(simout1, 'k-', 'linewidth', 1.5)` Ensure to include grid lines for better clarity and a legend to differentiate the datasets, labeling them as 'excel', 'khong tre', and 'co tre'.
Hình 5.15 Đồ thị nhiệt độ nhập liệu với SP là 12mA
Sau khi tiến hành 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
Công cụ PID Tool trong Matlab giúp tự động xác định các giá trị Kp, Ki và Kd cho hệ thống điều khiển Nó cho phép tìm kiếm độ vọt lố, thời gian đáp ứng và sai số xác lập một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn so với phương pháp thực nghiệm.
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
+ Hàm truyền G 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 = 43.69s.
+ Thời gian xác lập: Ts = 156s.
+ Thời gian tăng trưởng: Tr = 11.7s.
+ Thời gian xác lập: Ts = 47.6s.
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.
+ Thời gian xác lập: Ts = 211s.
Hình 5.23 Đồ thị khi có bộ điều khiển PID
Trong nghiên cứu này, nhóm đã xác định được hàm truyền của hệ thống 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 phải sai số xác lập Tuy nhiên, thời gian tăng và thời gian xác lập vẫn còn chậm, đồng thời có hiện tượng vọt lố và dao động ban đầu Để khắc phục những vấn đề này, cần thực hiện các biện pháp cải tiến phù hợp.
+ Lấy nhiều mẫu hơn để phân tích hệ.
+ Áp dụng những phương pháp nhận dạng hệ thống hiện đại và hiệu quả hơn.
+ Cách nhiệt cho toàn bộ hệ thống để tránh nhiểu do nhiệt độ môi trường
[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
