TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU
KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

Hà Nội, 12-2015


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: “Nghiên cứu mô hình thí
nghiệm điều khiển quá trình đa biến” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo TS. Nguyễn Quang Địch, ThS. Nguyễn Đức Dương. Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện

ii


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. iv

3.1.1. Xây dựng mô hình bình trộn ............................................................................. 33
3.1.2. Các đối tượng khác ........................................................................................... 37
3.2. Các vòng điều khiển và giải pháp cho hệ thống ..................................................... 38
3.2.1. Các vòng điều khiển ......................................................................................... 38
3.2.2. Giải pháp điều khiển ......................................................................................... 38
Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................ 43
4.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến nhiệt độ T3 (G11) ..................................... 43
4.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến nhiệt độ T3 (G12) ...................................... 44
4.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng đến mức L (G21) ............................................ 45
4.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh đến mức L (G22).............................................. 46
4.5. Tính toán bộ tách kênh ............................................................................................ 47
4.6. Sử dụng mô phỏng nghiên cứu tác động xen kênh của hệ thống............................ 48
4.7. Tính toán và mô phỏng bộ điều khiển cho các vòng điều khiển đơn biến ............. 51
4.7.1. Phương pháp điều khiển sử dụng mô hình nội IMC (Internal Model Control) 51
4.7.2. Mô phỏng Matlab với các bộ điều khiển vòng đơn .......................................... 52
4.7.3. Mô phỏng quá trình điều khiển đa biến khi chưa tách kênh............................. 54
4.7.4. Mô phỏng điều khiển quá trình đa biến khi đã có bộ tách kênh ....................... 55
Chương 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH ....................................... 56
5.1. Vận hành hệ thống .................................................................................................. 56
5.2. Quá trình khởi động ................................................................................................ 57
5.3. Thay đổi giá trị đặt của mức L ................................................................................ 59
5.4. Thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ T3 ........................................................................ 60


5.5. Thay đổi lưu lượng đầu ra ....................................................................................... 61
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 64
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 65




Danh mục hình vẽ

Hình 2.19. Các thành phần của bộ điều khiển AC800M ................................................... 19
Hình 2.20. Hình ảnh bộ điều khiển và I/O trong mô hình ................................................. 21
Hình 2.21. Hình ảnh AI810 trong catalog và trong mô hình............................................. 22
Hình 2.22. Hình ảnh AO810 trong catalog và trong mô hình ........................................... 23
Hình 2.23. Hình ảnh DO810 trong catalog và trong thực tế ............................................. 23
Hình 2.24. Module DI810 trong catalog và trong thực tế ................................................. 24
Hình 2.25. Hình ảnh tổng thể của mô hình sau khi lắp đặt ............................................... 25
Hình 2.26. Hình ảnh một Project trong phần mềm ........................................................... 26
Hình 2.27. Tạo thư viện và kết nối lập trình ..................................................................... 27
Hình 2.28. Khai báo biến ................................................................................................... 27
Hình 2.29. Kết nối biến với các khối điều khiển ............................................................... 28
Hình 2.30. Kết nối biến với khối vào ra ............................................................................ 28
Hình 2.31. Faceplate của bộ điều khiển mức (LIC) trên giao diện ................................... 30
Hình 2.32. Hình ảnh giao diện của Plant Explorer Workplace ......................................... 30
Hình 2.33. Công cụ thiết kế giao diện Process Graphic Editor ......................................... 31
Hình 2.34. Đồ thị xu hướng Trend Display ....................................................................... 31
Hình 2.35. Giao diện vận hành chính ................................................................................ 32
Hình 3.1. Đối tượng bình trộn và xác định các biến quá trình .......................................... 33
Hình 3.2. Sơ đồ khối của bình trộn nhiệt........................................................................... 36
Hình 3.3. Mô hình hệ MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra ............................................................. 39
Hình 3.4. Mô hình Decoupler với đối tượng ..................................................................... 39
Hình 3.5. Mô hình tách kênh đơn giản .............................................................................. 41
Hình 4.1. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới nhiệt độ T3 .......................................... 43
Hình 4.2. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới nhiệt độ T3 ........................................... 44
Hình 4.3. Nhận dạng tác động của dòng nóng tới mức L ................................................. 45
Hình 4.4. Nhận dạng tác động của dòng lạnh tới mức L................................................... 46



Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển .......................................................... 20
Bảng 2.3. Bảng liệt kê thiết bị kết nối với bộ điều khiển .................................................. 21
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của AI 810 ........................................................................... 22
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của AO810 .......................................................................... 22
Bảng 2.6. Thông số kỹ thuật của modul DO810 ............................................................... 23
Bảng 2.7. Thông số kỹ thuật của modul DI810 ................................................................. 24
Bảng 5.1. Thông số các bộ điều khiển và van…………………………………………...56
Bảng 5.2. Bảng ký hiệu màu ............................................................................................. 57
Bảng P.1. Bảng phân cổng vào ra…………………………………………………....…..68

iv


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tên Tiếng Anh

Tên Tiếng Việt

MV

Manual Valve


Thiết bị đo nhiệt

FT

Flow Transmister

Thiết bị đo lưu lượng

PI

Pump In

Bơm đầu vào

PO

Pump Out

Bơm đầu ra

IMC

Internal Model Control

Điều khiển mô hình nội

v




1


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình là gì?
Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,
vận hành và giám sát các các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản
phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.

1.1.1. Quá trình và các biến quá trình
Biến vào
Biến điều khiển

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Nhiễu

Vật chất
Năng lượng
Thông tin

Quá trình
Biến trạng thái
Biến không cần

 Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình
điều khiển, điều chỉnh sao cho gần một giá trị mong muốn hay giá trị đặt
hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu Các biến điều khiển liên
quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc của chất
lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những biến cần điều
khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.
 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 lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
 Nhiễu là những biến thiên không can thiệp được một cách trực tiếp hay
gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm. Nhiễu tác động lên quá
trình một cách không mong muốn vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ
hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại
nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình và nhiễu đo
 Nhiễu quá trình là những biến tác động lên quá trình công nghệ một
cách cố hữu nhưng ta không thể can thiệp được, ví dụ trọng lượng
hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu…
 Nhiễu đo là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo
được.
1.1.2. Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Nếu quá trình chỉ có
một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là
quá trình đa biến. Một quá trình một biến vào – một biến ra còn được gọi là SISO, quá
trình nhiều biến vào – nhiều biến ra được gọi là MIMO. Hầu hết quá trình công nghệ
đều là đa biến.
Dựa vào đặc tính của những đại lượng đặc trưng, ta có thể phân loại các quá
trình thành các loại sau:
 Quá trình liên tục: Các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận
chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đã

 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn.
 Bảo vệ môi trường.
 Nâng cao hiệu quả kinh tế.

1.2. Các thành phần cơ bản của một hệ điều khiển quá trình

4


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Hệ thống vận hành
và giám sát

Trạng thái

Tham số

Thiết bị điều khiển
Thiết bị
chấp hành

Thiết bị
đo

Quá trình công nghệ

Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình.
Các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối
phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp

(CV)

Đại lượng đo
(PV)

Hình 1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình.
1.2.1. Thiết bị đo
Thiết bị đo làm nhiệm vụ cảm nhận đại lượng đo và chuyển hóa thành tín hiệu
phù hợp đưa tới bộ điều khiển hoặc hiển thị. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ
bản là:
 Cảm biến làm nhiệm vụ cảm nhận đại lượng đo.
 Bộ chuyển đổi đo chuyển đổi tín hiệu nhận được từ cảm biến
thành tín hiệu thích hợp phục vụ cho việc truyền dẫn.

5


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Thiết bị đo
Đại lượng cần đo
(Nhiệt độ, áp suất, mức nước ...)

Cảm biến

Chuyển đổi đo

Tín hiệu chuẩn
(4-20mA, 0-10V)


Với một thiết bị đo, đặc tính đáp ứng quá độ được coi là quan trọng nhất.
1.2.2. Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức
năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp.

6


Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Tín hiệu điều khiển

Thuật toán điều
khiển

Xử lý đầu ra

Tín hiệu đo

Xử lý đầu vào

Thiết bị điều khiển

Giá trị đặt
Tín hiệu chủ đạo

Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển.
Thiết bị điều khiển dựa trên cơ sở tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách
lược điều khiển thực một thuật toán điều khiển nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển
phù hợp tới cơ cấu chấp hành. Theo dạng tín hiệu điều khiển ta có thiết bị điều khiển

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN
ĐA BIẾN VÀ BỘ KIT ĐIỀU KHIỂN AC 800M
2.1. Mục đích, cấu trúc mô hình bàn thí nghiệm
Mục đích: Trong điều khiển quá trình, có rất nhiều giải pháp cho việc thiết kế các
sách lược điều khiển cho hệ đơn biến trong đó biến ra chỉ chịu ảnh hưởng của một biến
vào điều khiển.Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống thực tế lại không đơn giản như vậy, mà là
các hệ đa biến. Trong các hệ này, một biến ra không chỉ phụ thuộc vào một biến điều
khiển mà phụ thuộc vào nhiều biến khác. Điều này làm điều khiển trở nên hết sức phức
tạp và khó thực hiện. Một trong những giải pháp để hạn chế những ảnh hưởng đó chính là
sử dụng bộ decoupler. Vậy mục đích của việc nghiên cứu bàn thí nghiệm điều khiển quá
trình là khảo sát, thiết kế bộ điều điều khiển cho một quá trình đa biến sử dụng bộ tách
kênh decoupler.
Controller
AC 800M

HEATER

FT2

FT1
TT1

TT2

P-3

LT
MV1

SV1


OUT_PUMP

COOLER
TANK

IN_PUMP

Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của bàn thí nghiệm điều khiển quá trình.

8


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Từ cấu trúc tổng quan của hệ thống ta thấy sơ đồ sử dụng 1 bình nước nóng, 1
thùng chứa nước lạnh, 1 bình trộn, 1 cảm biến đo mức, 4 van tay, 3 van từ, 3 van điều
khiển, 3 cảm biến đo mức và 3 cảm biến nhiệt độ. Trong đó:
- OUT PUMP: Bơm nước từ bình trộn ra.
- IN PUMP: Bơm nước lạnh tới bình trộn và tới bình nước nóng.
- MV1: Van tay đóng mở dòng nước nóng.
- MV2: Van tay đóng mở dòng nước lạnh.
- MV3: Van tay đóng mở dòng nước ấm.
- MV4: Van tay đóng mở dòng nước trước khi vào bình nước nóng.
- SV1: Van từ đóng mở dòng nước nóng.
- SV2: Van từ đóng mở dòng nước lạnh.
- SV3: Van từ đóng mở dòng nước ấm.
- CV1: Van điều khiển điều chỉnh dòng nước nóng.
- CV2: Van điều khiển điều chỉnh dòng nước lạnh.
- CV3: Van điều khiển điều chỉnh dòng nước ấm.

 Nguồn cấp: 12-24VDC
 Tín hiệu điều khiển: 4-20mA hoặc 1-5VDC.
 Cơ cấu chấp hành:
 Động cơ bước 200 bước/ vòng.
 tốc độ 45 vòng/phút.
 Kích thước ống: ½ NPT.
 Áp suất lớn nhất: 120 psi.
 Lưu lượng qua van lớn nhất (Ở áp suất 50 psi): 0.25l/s
 Nhiệt độ làm việc cho phép: -22°C đến 120°C.
 Công suất tiêu thụ lớn nhất: 23W.
b) Van từ
Van từ làm nhiệm vụ đóng mở nhanh dòng trong đường ống, bảo vệ chống tràn,
chống cạn bình. Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 van từ SV6003 của hãng OMEGA

10


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Hình 2.3. Van từ SV6003.
Thông số kỹ thuật của van từ:
 Kích thước ống: ½ inches (12,7mm).


Cv: 1,7.

 Thời gian nhả: 200ms.
 Thời gian hút: 500ms.
 Tần số hút-nhả: 50 lần/phút.
 Nguồn cấp cho cuộn hút: 110-120 VAC/50Hz.

12


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Hình 2.6. Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển.
b) Thiết bị đo nhiệt
Mô hình thí nghiệm sử dụng 3 nhiệt kế điện trở CF-000-RTD-4-60-2của hãng
OMEGA

Hình 2.7. Hình ảnh của cảm biến đo nhiệt.
Thông số kỹ thuật:
 Phạm vi đo: 2°C - 482°C.
 Dải đo: 480°C.
 Độ phân giải: 0,25°C.
 Độ chính xác: ± 0,25% dải đo.
 Tín hiệu ra: 4-20mA hoặc 12-36VDC.
 Kích thước que đo: 4 inches (10cm), chiều dài cáp 60 inches (1,5m).
 Que đo dạng thẳng, có kèm bộ Quick Disconnect.

13


Chương 2: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm và bộ điều khiển AC 800M

Hình 2.8. Hình ảnh của bộ Quick Disconnect.
Đầu dây (+) của cảm biến đấu với đầu ra nguồn 24 VDC từ bộ điều khiển, đầu (-)
của cảm biến đấu với đầu vào 20 mA analog input của bộ điều khiển. Đầu GND là dây
nối đất bảo vệ.
c) Thiết bị đo lưu lượng

b) Bơm
Mô hình sử dụng bơm của hãng SELTON và hãng KUTA với thông số :

15