Luận văn Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh

to và áp suất cuối pk, không đổi (ab- đường tiếp tuyến với đường đẳng nhiệt to và song song với đường đẳng áp pk. Hình 2.8. Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết Ho tùy thuộc vào áp suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối pk x = 1 Pk = 4KPa(tk=28.6 0C) b c P0=15MPa H0 H0 max - Nâng cao hiệu suất thông qua của nhiệt độ hơi mới. Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi mới ban đầu tới hiệu suất nhiệtđược thấy rõ trên giản đồ T-S. Tăng nhiệt độ hơi ban đầu từ To đến T01 sẽ làm tăng nhiệt độ cấp nhiệt trung bình từ Ttd đến Ttd1 hình 2.9. Khi nhiệt độ hơi thoát Tk giữ không đổi, tương ứng hiệu suất nhiệt của chu trình tăng lên. Hình 2.9. Ảnh hưởng của áp suất ban đầu po đến nhiệt giáng lý thuyết Ho và hiệu suất tuyệt đối lý tưởng ηt với áp suất hơi thoát không đổi pk = 4 kpa (H.K.P.H- hơi bão hòa khô ) Vì trong chu trình đầu nhiệt độ cấp nhiệt trung bình Ttd thấp hơn nhiệt độ trung bình Ttd1 của chu trình sau , còn nhiệt độ hơi thoát ra của hai chu trình thi bằng nhau, nên hiệu suất của chu trình sau cao hơn chu trình đầu. Nếu quá trình bành trướng kết thúc ở vùng hơi ẩm thì khi nâng nhiệt độ ban đầu lên độ ẩm của hơi trong các tầng tuốc bin cuối sẽ giảm. Do đó khi nâng cao nhiệt độ ban đầu không những tăng hiệu suất nhiệt mà hiệu suất trong tương đối cũng tăng lên. S T Hình 2.10. So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng có nhiệt độ hơi ban dầu khác nhau trên giãn đồ T-S Nếu tiếp tục nâng nhiệt độ ban đầu lên nữa , quá trình bành trướng có lẽ kết thúc ở vùng hơi quá nhiệt. Trong trường hợp này nhiệt độ của nhiệt thải trung bình tăng lên chút ít. Nhưng vì các đường đẳng áp ở vùng hơi quá nhiệt phân kỳ theo hình quạt về phía trên và phía phải, nên nhiệt độ cấp nhiệt trung bình tăng nhanh hơn nhiẹt độ của nhiệt thải, cho nên hiệu suất nhiệt của chu trình cũng tăng lên. Như vậy là, khi tăng nhiệt độ ban đầu của hơi sẽ làm tăng hiệu suất tuyệt đối của chu trình. - Nâng cao hiệu suất thông qua áp suất cuối. Độ ngưng nếu giảm áp suất hơi thoát pk khi các thông số hơi ban đầu po và to không đổi sẽ làm giảm nhiệt tụ của hơi, tức là làm giảm nhiệt độ hơi thoát Tk. Nhiệt độ cấp nhiệt trung bình Ttd sẽ giảm không đáng kể. Cho nên khi giảm áp suất cuối bao giờ cũng làm tăng hiệu nhiệt độ trung bình của nhiệt cấp và nhiệt thải ra, tăng nhiệt giáng lý thuyết và tăng hiệu suất nhiệt của chu trình. Hình 2.11. So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng với các áp suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S T S Điều đó có thể khẳng định khi ta nghiên cứu hai chu trình nhiệt chỉ có áp suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S như hình 2.11. Diện tích abcdea (ứng với chu trình thứ nhất) lớn hơn diện tích a’bcde’a’ của chu trình thứ hai với áp suất cuối cao hơn một đại lượng bằng diện tích gạch chéo aa’e’ea. Vậy là nhiệt giáng lý thuyết của chu trình thứ nhất cao hơn chu trình thứ hai. - Nâng cao hệ suất nhiệt của chu trình bằng cách tăng hiệu suất nhiệt độ giữa nguồn nóng (nhiệt cấp cho lò hơi) và nguồn lạnh (nhiệt trao cho nước tuần hoàn) Ví dụ: Tăng áp suất, nhiệt độ hơi ban đầu. Giảm áp suất cuối (tăng chân không trong bình ngưng). Áp dụng gia nhiệt nước cấp. Áp dụng quá nhiệt trung gian. 0 0 1 1 P0 P1 ω1 ω2 P* Hình 2.12. Dòng chảy trong ống phun - Nâng cao hiệu suất tương đối của thiết bị bằng cách hoàn thiện cấu tạo của tuabin và máy phát, chủ yếu là giảm bớt các tổn thất trong phân chuyền hơi của tuabin và giảm bớt tổn thất cơ cũng như tổn thất trong máy phát. 2.3. DÒNG CHẢY TRONG CÁC LOẠI ỐNG 2.3.1. Dòng chảy trong ống phun lý tưởng Phương trình bảo toàn năng lượng viết cho một phân tố của dòng: di + d ( ) – dp + dl = 0 (2.8) Áp dụng cho1kg hơi nước lưu động ổn định không có trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài: - = i0 – i1 (2.9) Tốc độ của dòng tại cửa ống phun: c1 = (2.10) Nếu chất công tác là khí lý tưởng: c1 = (2.11) Với = tỉ số áp suất k: số mũ đoạn nhiệt 2.3.2. Ống tăng tốc - Ống tăng tốc nhỏ dần Là ống có tiết diện nhỏ dần làm nhiệm vụ tăng tốc nếu như tốc độ ở cửa vào của dòng chất môi giới nhỏ hơn tốc độ âm thanh. Tốc độ ở cửa ra = (2.12) Đối với ống tăng tốc ,thông thường rất bé so với = (2.13) Người ta cũng chứng minh được = (2.14) Trong trường hợp môi chất là hơi nước hay một loại khí nào thì: k = 1,3: nếu là hơ quá nhiệt k = 1,135: nếu là hơi bão hoà khô k = 1,035 + 0,1x Tốc độ ở cửa ra chịu ảnh hưởng của tính chất của chất môi giới, các thông số ban đầu ở cửa vào, và phụ thuộc rất lớn vào mức độ giản nở p2/p1. Nếu càng tăng thì p2 càng giảm co nghĩa là tỉ số p2/p1 phải càng nhỏ. - Lưu lượng qua ống tăng tốc nhỏ dần. Theo điều kiện lưu động liên tục và ổn định, tại bất kỳ tiết diện nào của ống thì lưu lượng khối lượng của dòng chất môi giới đều bằng nhau và không thay đổi theo thời gian. G = (2.15) Trong trường hợp tổng quát: G = (J/kg) (2.16) G = ( kJ/kg) G = ( kcal/kg) Nếu chất môi giới là khí lý tưởng v2 = v1 (2.17) G = f2 - Ống tăng tốc Laval Để làm cho chất môi giới tăng tốc từ giá trị ban đầu a thì người ta dùng một ống hỗn hợp, ống này bao gồm đoạn đầu có hình dạng nhỏ dần và đoạn sau có hình dạng lớn dần. Tiết diện ma tại đó có giá trị nhỏ nhất trong toàn bộ ống gọi là cổ ống. Lưu lượng qua ống: Gmax = f2 (2.18) Ta có: Gmin = fmin (2.19) Thiết kế ống tăng tốc thì f2 được tính: f2 = (2.20) 2.4. NHẬN XÉT Trong chương này giới thiệu các thiết bị chính trong dây chuyền hệ thống tận dụng nhiệt dư của nhà máy xi măng. Một số vấn đề về nhiệt động học chất khí cũng như các loại ống phun trong dây chuyền. CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TURBINE HƠI 3.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHỈNH TURBINE HƠI Turbine hơi trong nhiệt điện dùng để kéo máy phát điện để sản xuất điện năng. Chất lượng dòng điện càng cao khi tần số dòng điện càng ổn định, nghĩa là tốc độ quay của máy phát càng ổn định. Vì vậy, turbine - máy phát phải làm việc với số vòng quay không đổi để đảm bảo cho tần số của dòng điện luôn luôn ổn định. Mômen quay của roto turbine do công của dòng hơi sinh ra, còn mômen cản của máy phát do phụ tải điện sinh ra trên các cực của máy phát. Công suất của turbine được tính theo công thức: N i = GHi , [kw] (3.1) Hoặc Ni = GH0ηtd Ở đây: H0 là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể đến tổn thất) (kJ/kg) Hi là nhiệt dáng thực tế của turbine ηtd là hiệu suất trong tương đối của turbine Từ (3.1) ta thấy công suất turbine tỉ lệ thuận với lưu lượng hơi và nhiệt dáng. Sự cân bằng giữa công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine với phụ tải điện được biểu diển bằng phương trình: Nhd = Nd + Ntt + (Jt + Jmf) (3.2) Trong đó: Jt, Jmf: là mô men quán tính của rô to turbine và máy phát, Nhd: là công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine, Nd: là công suất điện trên các cực của máy phát (phụ thuộc vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài) Ntt: là tổn thất công suất trên các ổ trục và tổn thất nhiệt trong máy phát. Từ (3.2) ta thấy: Phụ tải trên các cực của máy phát điện Nd phải luôn luôn cân bằng với công Nhd trên trục turbine. Nghĩa là sự thay đổi phụ tải trên các cực của máy phát phải phù hợp với sự thay đổi công suất trên trục turbine. Mỗi giá trị phụ tải xác định trên cực của máy phát tương ứng với một giá trị mô men quay trên trục của turbine, nghĩa là tương ứng với một lưu lương hơi qua turbine. Khi phụ tải thay đổi sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô men quay, do đó dẫn đến số vòng quay của rô to thay đổi. Khi đang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải Nd của máy phát thay đổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay đổi (tức Nhd chưa thay đổi) sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa công suất của turbine và công suất của máy phát, theo (3.2) thì tốc độ Ω turbine - máy phát sẽ thay đổi. Rõ ràng khi Nd tăng thì số vòng quay Ω giảm đi. Để duy trì Ω = const, cần phải tăng lượng hơi vào turbine để tăng công suất Nhd của turbine lên tương ứng. Tóm lại bất kỳ một sự thay đổi nào của phụ tải điện cũng sẽ kéo theo sự thay đổi số vòng quay của turbine (tốc độ quay của rô to turbine - máy phát). Số vòng quay sẽ thay đổi đến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay đổi lưu lượng hơi vào turbine, nghĩa là chưa thiết lập được sự cân bằng mới giữa mô men cản của phụ tải điện và mô men quay, tức là giữa công suất của turbine và công suất của máy phát. Việc phục hồi lại sự cân bằng của phương trình (3.2) với bất kỳ sự thay đổi nào của phụ tải Nd là nhiệm vụ của bộ điều chỉnh tốc độ (tức là điều chỉnh số vòng quay). Bộ điều chỉnh tốc độ được nối liên động với cơ cấu tự động điều chỉnh van phân phối hơi của turbine để điều chỉnh lượng hơi vào turbine phù hợp với phụ tải điện. Khi phụ tải điện thay đổi, cần phải thay đổi lưu lượng hơi vào turbine để thay đổi công suất turbine cho phù hợp với sự thay đổi phụ tải điện. Lưu lượng hơi được thay đổi nhờ hệ thống phân phối hơi và hệ thống điều chỉnh của turbine. 3.2. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI Tốc độ hay công suất của turbine hơi được điều khiển bởi lưu lượng hơi đi vào turbine thông qua việc điều khiển van điện - thuỷ lực. Hệ thống điều tốc là một vòng lặp kín, bất cứ sự sai lệch tốc độ, sai lệch công suất và sai lệch áp suất đều được điều khiển bởi van điều khiển lưu lượng hơi. Trong hình 3.1 là sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ của turbine – máy phát. Trong đó: m – khối lượng cánh van điều khiển lưu lượng hơi; A – diện tích của piston; P – áp suất buồng trong buồng của xylanh; PS – áp suất vào của van; Q – lưu lượng vào của xylanh; KA – hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại; KC – hệ số khuếch đại của khâu phản hồi cảm biến vị trí; I – dòng điện điều khiển van servo; e – điện áp điều khiển; x – hành trình của cánh van có khối lượng m; n – số vòng quay của trục turbine; Ω - vận tốc góc của trục turbine; Mmp – momen trên trục của máy phát điện; Qt – lưu lượng hơi vào turbine; KΩ - Hệ số khuếch đại của khâu phản hồi tốc độ turbine. Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ của turbine-máy phát điện PID Van servo +xylanh Van khí Turbine -máy phát Cảm biến vị trí Tốc kế KA e F2 F1 x Qt Ω u E1 i E2 - + - Hình 3.2. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển tốc độ turbine Từ sơ đồ nguyên lý hình 3.1. ta xây dựng được sơ đồ khối như hình 3.2. WPID(s) G1(s) KQ G2(s) Ω(s) KΩ Qt(s) x(s) u(s) E2(s) e(s) F2(s) - + Từ sơ đồ khối chức năng hình 3.2. ta thiết lập được sơ đồ khối như hình 3.3. WPID(s) G1(s).KQ.G2(s) KΩ e(s) E2(s) u(s) Ω(s) F2(s) - + Hay Sơ đồ dạng thu gọn WPID(s) KΩ e(s) E2(s) u(s) Ω(s) F2(s) - + W(s) Hình 3.3. Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền Ω(s)/e(s) Trong đó: WPID((s) – Hàm truyền của bộ điều khiển PID; G1(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi; G2(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát; KQ – hệ số quan hệ lưu lượng khí và hành trình đóng mở van hơi. W(s) = G1(s).KQ.G2(s) (3.3) 3.2.1. Cụm van servo - xylanh điều khiển van hơi Mô hình nghiên cứu được thiết lập như hình 3.4, đây là một hệ thống tự động thủy lực chuyển động tịnh tiến điều khiển bằng cụm servo – xylanh. u E1 - + Bộ khếch đại KA Van servo KV Cụm pittông và van hơi Cảm biến vị trí i Q x Hình 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi Nếu bỏ qua biến dạng đàn hồi của dầu trong các buồng làm việc của xylanh và đường ống; không tính đến ảnh hưởng của lực ma sát; van servo và bộ khuếch đại được coi là các khâu khuếch đại. Ta có các phương trình sau: (3.4) ; E1.KA=I (3.5) Trong đó: KV: hệ số khuếch đại của van servo; K0: hệ số thoát dầu của van servo Phương trình Laplace của (3.4) sẽ là : Q(s) = KV.i(s)-K0.p(s) = A.S.x(s) A.p(s) = m.S2.x(s) (3.6) E1(s).KA = i(s) KA KV K0 i(s) E1(s) p(s) x(s) a) Từ (3.5) ta lập được sơ đồ khối như hình 3.5. E1(s) x(s) b) a) Hình 3.5. Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền x(s)/E(s) a – Sơ đồ dạng tổng quát; b – Sơ đồ dạng thu gọn E1(s) x(s) KC u(s) + - Hình 3.6. Sơ đồ khối của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi Vậy ta có sơ đồ khối của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi như hình 3.6. Vậy ta có hàm truyền: (3.7) Đặt: ; ; (3.8) Hàm truyền (3.6) được viết lại dưới dạng (3.9) như sau: (3.9) Hàm truyền (3.9) là một khâu dao động (hệ bậc 2). Khi ổn định thì (3.10) 3.2.2. Cụm turbine – máy phát Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát Mô hình nghiên cứu được thiết lập như hình 3.7. Ta có các phương trình như sau: - Phương trình lưu lượng: (3.11) - Phương trình mô men: (3.12) Trong đó: Dt – thể tích của khối turbine. Dt0 – thể tích trên 1 rad, . Jt – giá trị mô men quán tính khối lượng của trục rôto của turbine và máy phát. ft – hệ số ma sát trên trục của turbine và máy phát. Kmp – hệ số tỷ lệ mô men của máy phát. Ω = 2π.n – vận tốc gốc của trục turbine. R – hệ số tổn thất hơi. - hệ số đàn hồi của hơi trong turbine. B – Mô đun đàn hồi của hơi. Nếu chuyển qua laplace thì các phương trình (3.11) và (3.12) thành các phương trình (3.13) và (3.14) như sau: Qh(s) = Dt0.Ω(s)+(R+C.S).ph(s) (3.13) Dt.ph(s) = (Jt.S+ft).Ω(s)+Mmp(s) (3.14) Từ đó ta có sơ đồ khối như hình 3.8. Ω(s) Qh(s) + Mmp(s) Dt Ph(s) - - Hay Ω(s) Qh(s) + - Hình 3.8. Sơ đồ khối của cụm turbine – máy phát Vậy hàm truyền (3.15) Hàm truyền (3.14) là một khâu dao động hệ bậc 2 Trong đó: ; Khi hoạt động ổn định hoặc gần ổn định thì hay (3.16) Vậy ta có hàm truyền W(s) của bộ điều tốc turbine là : W(s) = G1(s).KQ.G2(s) = (3.17) = Trong đó: Ks = KxKtKQ 3.2.3. Xấp xỉ hàm truyền của quá trình điều tốc Ta thấy cụm turbine – máy phát có khối lương rất lớn so với cụm servo – xylanh điều khiển van hơi và nó ảnh hưởng rất lớn tới bộ điều khiển tốc độ turbine. Do đó ta có thể bỏ qua khối lượng m của cánh van điều khiển lưu lượng hơi vào turbine. Từ các phương trình (3.7) ta có các phương trình như (3.18) (3.18) Với: ; Từ phương trình (3.15) ta phân tích như phương trình (3.19) (3.19) Với: ; Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có: W(s) = G1(s)KQG2(s) = (3.20) Theo K. Gowrishankar, Vasanth Elancheralathan Rajiv Gandhi College Of Engg. & tech., Puducherry, India Với: KW = 1; α3=0; α2=1; α1=5 thì (3.20) sẽ là: (3.21) 3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.3.1. Giới thiệu Thuật toán điều khiển PID hầu hết được sử dụng cho vòng lặp có phản hồi. Bộ điều khiển PID có thể thể hiện dưới nhiều hình thức. Nó có thể được thể hiện như một bộ điều khiển độc lập hoặc là một phần của hệ thống điều khiển số trực tiếp (DDC) hay hệ thống điều khiển phân tán. Ngày nay, hơn một nửa các bộ điều khiển trong công nghiệp là sử dụng bộ điều khiển PID vì nó có cấu trúc đơn giản và tin cậy. Dưới đây là một sơ đồ đơn giản minh hoạ mô hình bộ điều khiển PID hình 3.9. Phản hồi P I D Tín hiệu vào Tín hiệu ra Hàm truyền ε Hình 3.9. Sơ đồ minh họa mô hình điều khiển PID Hàm truyền của bộ điều khiển PID là: WPID(t) = KP hay (3.22) Với r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra; KP, KI, KD là các hệ số tỷ lệ, tích phân, đạo hàm. TI là hằng số tích phân,TD là hằng số vi phân. Rõ ràng r(t) phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID và do đó chất lượng tín hiệu của hệ thống cũng phụ thuộc theo. Bộ điều khiển PID tương tự được thể hiện như sơ đồ khối hình 3.10 R(s) C(s) Hàm truyền ε + - Hình 3.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 3.3.2. Tối ưu hoá bộ điều khiển PID Nếu một hệ thống quá phức tạp mà mô hình toán học của nó không thể dễ dàng có được. Tuy nhiên, khi áp dụng các mô hình toán học đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đăng tải trên báo cũng gặp phải những khó khăn do có rất nhiều điều kiện và thông số trong đó được lựa chọn chủ quan. Đối với các nhà máy sản xuất hiện đại được xây dựng gần đây thì không có nhà tích hợp nào đủ thời gian và công sức để có thể xây dựng mô hình toán học tính toán các thông số PID. Quá trình lựa chọn các tham số điều khiển để đáp ứng cho hiệu suất chi tiết kỹ thuật này được gọi là bộ điều chỉnh Ziegler và Nichols đề nghị điều chỉnh các quy tắc cho các bộ điều khiển PID (có nghĩa là đặt các giá trị Kp, Ti, và Td) dựa trên phản ứng bước thử nghiệm hoặc dựa trên giá trị của Kp rằng kết quả trong sự ổn định biên tại sao chỉ có những hành động kiểm soát tỷ lệ được sử dụng. Ziegler và Nichols đưa ra những quy tắc sau rất thuận tiện. (Những quy tắc có thể, tất nhiên, được áp dụng cho việc thiết kế các hệ thống được biết đến với mô hình toán học) Ziegler-Nichols điều chỉnh các quy tắc cho các bộ điều khiển PID. Ziegler-Nichols đề xuất quy định để xác định giá trị của việc đạt được tỷ lệ Kp, thời gian tách rời Ti và Td dựa vào những đặc trưng tần số đã cho. Như xác định các tham số của bộ điều khiển PID hay điều chỉnh của bộ điều khiển PID có thể được thực hiện bởi các kỹ sư bằng cách thử nghiệm trên các đối tượng khác nhau…. Có hai phương pháp gọi là các quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols. Trong cả hai phương pháp, chúng ta lấy 25% là độ vọt lố tối đa, hình 3.11. Hình 3.11. Độ vọt lố tối đa 25% 3.3.2.1. Phương pháp thứ nhất Trong phương pháp đầu tiên, chúng tôi có được thực nghiệm dựa vào đáp ứng quá độ của đầu vào, như trong hình 3.8 áp dụng cho các hàm nấc có dạng hình S như trong hình 3.9. Các đường cong hình chữ S có thể được đặc trưng bởi hai hằng số, thời gian trễ L và thời gian không đổi T. Thời gian chậm trễ và thời gian liên tục được xác định bằng cách vẽ một đường cắt tiếp xúc tại điểm uốn của S-đường cong hình và xác định các nút giao thông của đường ốp với trục thời gian và dòng C(t) = K, như trong hình 3.12. Hàm truyền C(s)/U(s) có thể được xác định bởi; C(s)/U(s)=K.e-Ls/(T.s+1) Ziegler và Nichols gợi ý để thiết lập các giá trị của Kp, Ti, Td và theo công thức được hiển thị trong bảng 3.1. Chú ý rằng bộ điều khiển PID điều chỉnh theo phương pháp đầu tiên của Ziegle-Nichols quy định cho phép. Hinh 3.12. Hàm nấc thang Hình 3.13. Thời gian dao động ổn định Bảng 3.1. Thông số bộ đi ều khiển P,PI,PID được chọn Loại điều khiển Kp Ti Td P T/L 0 PI 0,9.T/L L/0,3 0 PID 1,2.T/L 2L 0.5L WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s) =1,2.T/L(1+1/2Ls+0.5Ls) = 0,6. (s+1/L)2 /s Vì thế, bộ điều khiển PID có một cực ở nguồn gốc và zeros đôi lúc s =- 1 / L 3.3.2.2. Phương pháp thứ hai Trong phương pháp thứ hai, chúng tôi lần đầu tiên đặt Ti = ∞ và Td = 0. C(s) R(s) Hàm truyền ε + - KP Hình 3.14. Hệ thống chu trình kín với bộ điều khiển tỉ lệ Dựa vào các thông số điều khiểu PID hình 3.13., Kp tăng từ 0 đến một giá trị quan trọng Kcr, khi đó đáp ứng của hệ thống được sác lập là đao động ổn định (Nếu đầu ra không duy trì dao động có thể mất giá trị Kp, sau đó phương pháp này không áp dụng.). Như vậy, đạt được Kcr và khoảng thời gian tương ứng Pcr được thực nghiệm xác định xem hình 3.14. Ziegler và Nichols gợi ý rằng chúng tôi thiết lập các giá trị của các tham số Kp, Ti, Td và theo công thức được hiển thị trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Ziegler-Nichols điều chỉnh dựa trên nguyên tắc quan trọng đạt được Kcr va Pcr thời kỳ quan trọng (phương pháp thứ hai). Loại điều khiển Kp Ti Td P 0,5Kcr ∞ 0 PI 0,45Kcr (1/1,2).Pcr 0 PID 0,6Kcr 0,5.Pcr 0,125.Pcr Bộ điều khiển PID điều chỉnh theo phương pháp thứ hai của Ziegler-Nichols cho quy tắc. WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s) =0,6.Kp(1+1/0,5.Pcr.s+0,125.Pcr.s) =0,075.KcrPcr(s+4/Pcr)2/s Ω(s) e(s) WPID(s) E2(s) + - Gc(s) Hình 3.15. Bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ turbine KΩ Ta có sơ đồ khối bộ điều khiển PID cho tốc độ turbine như hình 3.15 Khi cho Ti = ∞ và Td = 0, KΩ=1, ta nhận được hàm truyền thu gọn như sau : Phương trình đặc trưng cho hệ thông vòng lặp kín là: s3 + 6s2 + 5s + Kp = 0 Theo tiêu chuẩn ổn định của Routh, giá trị Kp để hệ thống ổn định được xác định theo bảng 3.3. Bảng 3.3. Bảng tiêu chuẩn ổn định Routh s3 1 5 s2 6 Kp s1 (30-Kp)/6 0 s0 Kp 0 Bằng cách quan sát hệ số của cột thứ nhất, dao động duy trì xảy ra nếu Kp=30. Do đó hệ số giới hạn Kcr = 30. Như vậy phương trình đặc trưng trở thành: s3 + 6s2 + 5s + 30 = 0 Tần số của dao động ổn định có thể được xác định bằng cách thay thế s bởi jω. Khi đó phương trình đặc trưng trở thành: (jω)3 + 6(jω)2 + 5(jω)+ 30 = 0 Hay : 6(5-ω2) + jω(5-ω) = 0 Từ đó ω2=5 hay ω= Vậy chu kỳ dao động ổn định là: =2.809 Từ phương pháp thứ hai của Ziegler-Nichols, các tham số Kp, Ti, Td được chọn như bảng 3.4. Bảng 3.4. Chọn các tham số Kp, Ti, Td Loại điều khiển Kp Ti Td P 0,5Kcr ∞ 0 PI 0,45Kcr (1/1,2).Pcr 0 PID 0,6Kcr 0,5.Pcr 0,125.Pcr KP = 18 Ti = 0.5x2.8099=1.405 Td=0.125x2.8099=0.35123 Từ đó ta có hàm truyền của bộ điều khiển PID là: WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s)= Từ hàm truyền này ta thấy rằng bộ điều khiển PID có đôi cực tại s=-1.4235 Từ đó ta có sơ đồ khối bộ điều khiển PID như hình 3.16. E2(s) e(s) Ω(s) + - Gc(s) Bộ điều khiển PID Hình 3.16. Sơ đồ điều khiển PID KΩ Sử dụng hàm trong MATLAB để tính toán hàm truyền thu gọn của sơ đồ khối trên như sau: >> num1=[0 6.3223 17.999 12.8089]; >> den1=[0 0 1 0]; >> num2=[0 0 0 1]; >> den2=[1 6 5 0]; >> [num,den]=series(num1,den1,num2,den2); >> printsys(num,den) Kết quả thu được num/den = 6.3223 s^2 + 17.999 s + 12.8089 ------------------------------- s^4 + 6 s^3 + 5 s^2 Sơ đồ khối được thu gọn như hình 3.17. e(s) Ω(s) + - Hình 3.17. Sơ đồ khối được thu gọn KΩ Sử dụng hàm MATLAB tính toán toàn bộ hàm truyền có phản hồi như sau >> num1=[0 0 6.3223 17.999 12.8089]; >> den1=[1 6 5 0 0]; >> num2=[0 0 0 0 1]; >> den2=[0 0 0 0 1]; >> [num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2); >> printsys(num,den) Ta nhận được kết quả num/den = 6.3223 s^2 + 17.999 s + 12.8089 ---------------------------------------------- s^4 + 6 s^3 + 11.3223 s^2 + 17.999 s + 12.8089 Ta có hàm truyền đầy đủ hệ thống vòng lặp kín như sau Đáp ứng cho bước nhảy đơn vị của hệ thống này có thể nhận được bằng MATLAB >> num=[0 0 6.3223 18 12.8]; den=[1 6 11.3223 18 12.8]; step(num,den); grid; >> title('Dap ung cho thang don vi cua he thong duoc thiet ke'); Hình 3.18. Đáp ứng cho hàm thang đơn vị Từ đồ thị của đáp ứng ở hình 3.18. ta nhận thấy hệ thống cần phải được cải thiện thêm. 3.3.3. Phân tích thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp cổ điển Từ đồ thị trên chúng ta có thể phân tích đáp ứng đáp ứng của hệ thống. Điểm zero và điểm cực của hệ thống có thể tính toán bằng cách sử dụng hàm MATLAB "tf2zp". Chúng ta có thể phân tích nó thông qua các thông số sau: - Thời gian trể td - Thời gian lên tr - Thời gian điểm cao nhất tp - Độ vọt lố tối đa Mp - Thời gian thiết lập ts Thời gian trể (td)của hệ thống trên là thời gian cần thiết đạt được 50% của thời gian đáp ứng xác lập, khoảng 0.5 giây. Thời gian lên (tr)là thời gian cần thiết để đáp ứng của hệ thống tăng từ 5% đến 95% giá trị xác lập của nó, khoảng 1.75 giây. Thời gian điểm cao nhất (tp) là thời gian cần thiết để đạt đỉnh đầu tiên của độ vọt lố, khoảng 2.0 giây. Độ vọt lố tối đa Mp của hệ thống xấp xỉ 60%. Thời gian thiết lập ts khoảng 10.2 giây. Từ những phân tích trên, hệ thống chưa được hiệu chỉnh tối ưu. Ở đây chúng ta có thể cải thiện hệ thống bằng cách tìm điểm zero điểm cực. Điểm zero và điểm cực có thể được tính bằng cách sử dụng hàm MATLAB như sau: >> num=[0 0 6.3223 17.999 12.8089]; >> den=[1 6 11.3223 17.009 12.8089]; >> [z,p,k]=tf2zp(num,den) Kết quả: z = -1.4387 -1.4082 p = -4.0478 -0.3532 + 1.5542i -0.3532 - 1.5542i -1.2457 k = 6.3223 Từ kết quả trên ta thấy rằng hệ thống ổn định từ tất cả những điểm cực nằm về phía bên trái mặt phẳng s. Để đáp ứng tối ưu hơn nữa thì hàm truyền của bộ điều khiển PID cần phải được xem xet lại. Hàm truyền của bộ điều khiển PID là: Bộ điều khiển PID có một zero kép là -1.4235. Bằng cách thử, ta giử giá trị Kp=18 và thay đổi vị trí của đôi zero từ -1.4235 đến -0.65 Bộ điều khiển PID mới có thông số như sau Tính toán bằng MATLAB ta thu được hàm truyền của hệ thống điều tốc không có phản hồi là, = Từ đó ta có hàm truyền của bộ điều tốc có phản hồi là Đáp ứng của hệ thống được minh hoạ bằng đồ thị hình 3.19. Hình 3.19. Đáp ứng của hệ thống được cải thiện Đáp ứng của hệ thống mới đã được cải thiện một phần nào đó. Độ vọt lố tối đa đã giảm xuống xấp xỉ 18%. Thời gian thiết lập cũng được cải thiện từ 14 giây xuống còn 6 giây. Thời gian điểm cao nhất và thời gian trể cũng đã tăng lên. Các thông số của bộ điều khiển PID mới có thể tính toán như là Kp=18, Ti=3.007 và Td=0.7692. Để cải thiện hệ thống hơn nữa ta tăng giá trị Kp tới 39.42, cặp zero vẫn là s = -0.65. Ta có hàm truyền mới của bộ điều khiển PID như sau: Từ đó ta có hàm truyền mới của bộ điều tốc có phản hồi là Đáp ứng của hệ thống như thể hiện như sau: Hình 3.20. Tối ưu hoá đáp ứng của hệ thống Đáp ứng trên cho thấy hệ thống đã được cải thiện đáng kể. Đáp ứng nhanh hơn so với hình ....Độ vọt lố tối đa tăng lên khoảng 22%, điều này có thể chấp nhận được vì nhỏ hơn 25%, thời gian thiết lập vẫn là 6 giây. Thời gian điểm cao nhất, thời gian trể cũng được cải thiện. 3.4. CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI Hầu hết các bộ điều khiển tốc độ turbine đều sử dụng bộ điều khiển PID, các bộ điều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững đối với sự thay đổi các tham số trong quá trình vận hành. Tốc độ của turbine hơi bị ảnh hưởng bởi quá nhiều thông số, và các thông số này thay đổi liên tục trong quá trình vận hành (áp suất hơi, lưu lượng hơi, tải của lưới, nồi hơi,...) nên sử dụng bộ điều khiển mờ là một trong những phương pháp so sánh để lựa chọn phương pháp điều khiển có chất lượng cao và đáp ứng với sự thay đổi các tham số trong quá trình vận hành. 3.4.1. Chỉnh định mờ tham số PID cho bộ điều tốc Cơ sở phương pháp này là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch de(t)/dt, các tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID sẽ được tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka...Nguyên tắc chung là bắt đầu bằng các giá trị KP, TI, TD theo Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh định thích hợp. Hình 3.21. Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ điều khiển tốc độ turbine KP + - Bộ FUZZY Bộ PID Servo Motor Turbine KI KD Bộ chỉnh định mờ tham số PID de(t)/dt Thiết kế khâu FUZZY được thể hiện trong hình 3.22. Hình 3.22. Khối thiết kế khâu FUZZY + Xác định biến ngôn ngữ: Bộ điều khiển mờ có hai đầu vào là sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch de(t)/dt, giá trị đầu ra là các thông số Kp, Ki, Kd. Số lượng biến ngôn ngữ - Biến đầu vào: Với các kí hiệu tương ứng sau: NB: âm nhiều, NS: âm ít, ZE: zero, PS: dương ít, PB: dương nhiều e = {âm nhiều, âm ít,zero,dương ít,dương nhiều} e = {NB,NS,ZE,PS,PB} de/dt = { âm nhiều, âm ít,zero,dương ít,dương nhiều } de/dt = { NB,NS,ZE,PS,PB } Hàm liên thuộc của e (ký hiệu ET) và de/dt (ký hiệu DET) như hình 3.23. và hình 3.24. Hình 3.23. Hàm liên thuộc của e(t) - Biến đầu ra: Giả sử phạm vi bến của các các thông số KP, Ki và Kd của bộ điều khiển PID trong khoảng [KPmin, KPmax], [Kimin, Kimax], và [Kdmin, Kdmax]. Dãi của mỗi thông số được xác định dựa trên kết quả bộ điều khiển PID cổ điển để có được hiệu quả tốt nhất. Phạm vi của mỗi thông số được chọn là: KPÎ[10, 100], KiÎ[5, 50] và KdÎ[5, 50] Hình 3.24. Hàm liên thuộc của de(t) Ta đặt : Từ đó ta có: , và Với các kí hiệu tương ứng sau: S: nhỏ, M:nhỏvừa, M:vừa, M:lớn vừa,B:lớn. K’p = {nhỏ,nhỏ vừa,trung bình,lớn vừa,lớn} = {S,MS,M,MB,B} K’i = {nhỏ,nhỏ vừa,trung bình,lớn vừa,lớn} = {S,MS,M,MB,B} K’d = {nhỏ,nhỏ vừa,trung bình,lớn vừa,lớn} = {S,MS,M,MB,B} Hình 3.25. Hàm liên thuộc của K’p, K’i v à K’d Hình 3.25. Hàm liên thuộc của K’p, K’i v à K’d + Xây dựng luật hợp thành Luật i: Nếu e(t) là A1i và de(t) A2i thì Kp’=Bi và Ki’=Ci và Kd’=Di. Với i=1,2,3,…n, trong đó n là số luật. Với năm tập mờ của mỗi đầu vào, ta xây dựng được 5x5=25 luật điều khiển. Bảng 3.5. Các luật hợp thành mờ e De NB NS ZE PS PB NB S S MS MS M NS S MS MS M MB ZE MS MS M MB MB PS MS M MB MB B PB M MB MB B B - Chọn luật điều khiển: Chọn luật hợp thành max-min, phương pháp giải mờ trọng tâm. Biểu diễn luật điều khiển thể hiện trong không gian Hình 3.26. Biểu diển luật điều khiển KP’, Ki’, Kd’ trong không gian 3.4.2. Kết quả mô phỏng Hình 3.27. Mô hình hóa bộ điều khiển tốc độ trong Matlab-Simulink Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink, thực hiện mô phỏng quá trình với bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ PID hình 3.27. So sánh các đáp ứng thu được như ở hình 3.28. Hình 3.28. Đáp ứng đầu ra với đầu vào là hàm thang đơn vị 3.5. NHẬN XÉT Đã xây dựng được mô hình điều tốc turbine hơi, viết hàm truyền cho bộ điều tốc. So sánh bộ điều khiển PID cổ điển so với điều khiển mờ ta thấy rằng đáp ứng của bộ điều khiển PID mờ nhanh hơn bộ điều PID khiển kinh điển, độ vọt lố của bộ điều khiển PID mờ cũng tốt hơn. Bộ điều khiển PID cổ điển không đáp ứng được sự thay đổi các tham số trong quá trình vận hành, chỉ có bộ điều khiển PID mờ là đáp ứng được sự thay đổi các thông số đó. CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG WIN CC PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO 4.1. GIỚI THIỆU WinCC (Windows Control Center) là phần mềm ứng dụng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu của một hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất. Việc sử dụng những bộ điều khiển lập trình PLC riêng lẻ không đáp ứng yêu cầu điều khiển của một hệ SCADA, cần phải kết hợp thêm các bộ hiển thị HMI (Human Machine Interface – Giao diện người và máy). Trong lĩnh vực tự động hoá trong công nghiệp, WinCC là một trong những phần mềm HMI chuyên dùng của hãng Siemens để quản lý, thu thập dữ liệu và điều khiển quá trình công nghiệp. Chương trình dùng để điều hành các nhiệm vụ của màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hoá sản xuất và quá trình. Hệ thống này cung cấp các modul chức năng thích ứng trong công nghiệp về: Hiển thị hình ảnh, thông điệp, lưu trữ và báo cáo. 4.1.1. Soạn thảo projec WINCC Giới thiệu những đặc tính cơ bản của WinCC và cung cấp một cách tổng quan về các bước soạn thảo một dự án Project trong WinCC. Chọn Computer nhấp chuột phải chọn Properties Bước1: Khởi động Chọn Start/Programs/SIMATIC/WinCC/ Window Control center. Bước2: Tạo dự án mới (New Project) Hộp thoại WinCC Explorer xuất hiện, có 3 sự lựa chọn: - Single-User Project. Dự án thực hiện trên máy đơn - Multi-User Project. - Multi-Client Project. Hoặc Open an Existing Project sau đó tìm đến tập tin có đuôi “.mcp”. Đặt tên cho dự án trong khung Project Name và chọn đường dẫn cho thư mục xắp tạo. Nhấp chọn Create cửa sổ soạn thảo WinCCExplorer của dự án được mở. Trong hộp thoại Computer properties vẫn giữ thiết lập như mặc định, trong khung Computer Name đặt tên COMPUTER. Chọn OK. 4.1.2. Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management Để thiết lập sự kết nối truyền thông giữa WinCC với các đối tượng cấp dưới cần có một mạng liên kết chúng với nhau trong việc trao đổi dữ liệu. Do đó cần chọn một Driver. Việc chọn Driver phụ thuộc vào loại PLC sử dụng. Với dòng SIMATIC PLC của Siemens, có khoảng vài trăm đến vài nghìn điểm nhập, xuất. Driver: Là giao diện liên kết giữa WinCC và PLC (Programable Logic Control). Trong dự án SCADA, nhấp chuột phải vào thư mục Tag Management, chọn Add New Driver. Bước 3: Kết nối với PLC Hộp thoại Add New Driver xuất hiện cho phép chọn mạng kết nối giữa WinCC và PLC. Chọn Driver thích hợp và nhấn Open. Driver mới xuất hiện bên dưới biệu tượng “TagsManager”. Nick chuột phải vào mạng con của Driver mới. Chọn New Driver Connection Hộp thoại “Connection Properties” xuất hiện, trong khung Name đặt tên “PLC1”, nhấp OK. Để tạo sự kết nối các thiết bị trên một dự án trong WinCC, trước tiên phải tạo các Tags trên WinCC. Tags được tạo dưới Tags Management. Gồm có Tags nội và Tags ngoại: - Tags Internal (Tags nội): Là Tag có sẵn trong WinCC. Những Tags nội này là những vùng nhớ trong của WinCC, nó có chức năng như một PLC thực sự. - Tags External (Tags ngoại): Là Tag quá trình, nó phản ảnh thông tin địa chỉ của hệ thống PLC khác nhau. Các Tags có thể được lưu trong bộ nhớ PLC hoặc trên các thiết bị khác nối với PLC thông qua các Tags. Tạo những nhóm Tags Groups (nhóm Tags) thiết bị: Khi dự án có một có một khối lượng lớn dữ liệu với nhiều Tags, thì ta có thể nhóm các Tags này thành một nhóm biến sao cho thích hợp theo đúng qui cách. Bước4: Tạo Tags - Tạo Tags Internal Tạo Tags nội bằng cách nhấp phải vào Internal Tag, chọn New Tag. Tags Group là những cấu trúc bên dưới sự kết nối PLC, có thể tạo nhiều Tags Group và nhiều Tags trong mỗi nhóm Tags nếu cần. Hộp thoại Tag Properties xuất hiện, đặt tên biến và chọn dữ liệu cho phù hợp với mỗi kiểu thiết bị. Chọn OK. Vùng dữ liệu Tag, chọn vùng dữ liệu “BitMemory” Xem dạng địa chỉ “Word” và MW “0” đã được thiết lập. Chọn “OK”. Đánh dấu vào ô “Linear Scaling” để tạo ra vùng giá trị, nhập “Process Value Range” và “Tag Value Range” - Tạo Tags quá trình Để tạo Tags quá trình , nhấn nút chuột phải vào kết nối với PLC đã được thiềt lập. Chọn “New Tag” Hộp thoại “Tag properties” xuất hiện. Chọn OK để kết thúc. - Tạo nhóm Tags Nhóm Tags có thể xắp xếp lại theo các kết nối logic của PLC. Nhấn nút chuốt phải vào kết nối PLC cần tạo. Nhấn vào “New Group” Hộp thoại “Properties of tag group” xuất hiện Nhập tên nhóm tag vào ô “Name” Nhấn “OK”. Nhóm Tags mới xuất hiện dưới kết nối PLC cần tạo với tên vừa đặt. 4.1.3. Hiệu chỉnh hình ảnh qúa trình (Process Picture) 4.1.3.1. Tạo hình ảnh quá trình - Tạo hình ảnh quá trình. Bước 5: Tạo hình ảnh Ta có thể đổi tên cho “hình ảnh” vừa tạo bằng cách nhấn chuột phải vào “NewPdl0.pdl”. Chọn “Rename picture” và nhập tên tùy ý. Để tạo hình ảnh đầu tiên phải mở giao diện đồ hoạ bằng cách nhấp phải mục Graphics Designer, từ menu xổ xuống nhấp chọn New picture xuất hiện một tập tin ở bên phải cửa sổ WiCCExplorer có tên “NewPdl0.pdl”. Nếu một dự án có nhiều giao diện đồ họa để hiển thị thì cần tạo nhiều New picture. Để mở một Graphics Designer với ảnh mới thiết lập, ta nhấn đúp vào “NewPdl0.pdl” trong cửa sổ con bên phải trong WinCC Explorer. Cách khác nhấn chuột phải vào biểu tượng vứa thiết lập chọn “Open Picture” trong pop-up menu. 4.1.3.2. Cửa sổ Graphic Desiger Menu Bar: chứa tất cả các lệnh gọi menu cho cửa sổ Graphics Designer. Standard Toolbar: chứa các nút để thực hiện các lệnh thông thường. Font Palette: cho phép thay đổi kiểu font, kích cỡ, màu sắc trong đối tượng. Color Palette: Gán màu cho đối tượng. Gồm 16 màu tiêu chuẩn Zoom Palette: thiết lập tỉ lệ phóng to thu nhỏ cho cửa sổ hiện hành. Tỷ lệ tiêu chuẩn là: 8,4,1,1/2,1/4. Object Palette: chứa các đối tượng tiêu chuẩn: Polygon, Ellipse, Rectagle….. Style Palette: các thay đổi hình dạng của đối tượng như: chiều rộng, đường biên , màu tô.. Alignment Palette: cho phép thay đổi vị trí tuyệt đối của một hay nhiều đối tựơng, thay đổi vị trí tương đối của các đối tượng, tiêu chuẩn độ cao, độ rộng của nhiều đối tựơng Layer Palette: Dùng để chọn lớp từ 0 đến 15. mặc định là lớp 0. 4.1.3.3. Tạo nút nhấn Từ bảng đối tượng Object Palette, nhấp vào dấu “+” mục Windows Object chọn Button và di chuyển con trỏ ra màn hình đặt đến vị trí cần thiết. Có thể vẽ kích cỡ nút nhấn mong muốn. Khi nhả chuột ra hộp thoại Button Configuration xuất hiện. Ở khung Text đặt tên nút nhấn tuỳ ý. Nhấp chọn Font chữ và màu sắc nút nhấn. Để chọn file hình ảnh khi nhấn nút file hình đó sẽ chuyển đến, bằng cách nhấp vào biểu tượng trên hộp thoại Button Configuration, hộp thoại Pictures mở chọn file ảnh và nhấp chọn OK. Tiếp tục nhấp OK trên hộp thoại Button Configuration để kết thúc việc lựa chọn. Ở khung Text đặt tên cho nút nhấn. Nhấp chọn Font chữ và màu sắt nút nhấn. Để chọn file hình ảnh khi nhấn nút file hình đó sẽ chuyển đến, bằng cách nhấp vào biểu tượng trên hộp thoại Button Configuration, hộp thoại Pictures mở chọn file ảnh và nhấp chọn OK. Tiếp tục nhấp OK trên hộp thoại Button Configuration để kết thúc việc lựa chọn. Để lưu các file ảnh, nhấp chọn File > Save hoặc nhấp biểu tượng Save trên thanh công cụ. 4.1.3.4. Thiết lập thuộc tính chạy thực. Để chạy ứng dụng, cần đặt chế độ Runtime từ cửa sổ WinCCExplorer. Thiết lập điều kiện Runtime Nhấp phải chọn Computer trong của sổ soạn thảo hoặc biểu tượng máy tính bên phải cửa sổ, từ menu xổ xuống chọn Properties. Tại khung thuộc tính Window Attributes kéo thanh trượt nhấp chọn: “Title”, “Maxximize” và “Adapt picture”. Sau đó nhấp Ok để kết thúc việc lựa chọn 4.2. GIỚI THIỆU GIAO DIỆN CỦA HỆ THỐNG THU HỒI NHIỆT DƯ Hệ thống thu hồi nhiệt dư được thiết kế và riêng biệt và độc lập với các công đoạn sản xuất của nhà máy. Sau đây tôi xin giới thiệu một số giao diện chính của các công đoạn vận hành của hệ thống thu hồi nhiệt. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong hệ thống. Mô hình tổng quát hệ thống thu hồi nhiệt phục vụ cho công tác đào tạo cán kỹ thuật cung như công nhân vận hành trong nhà máy, mô phỏng quá trình chạy của dây chuyền, các chế độ vận hành khác nhau…Được áp dụng trong dự án của nhà máy thể hiện như hình 4.1. Hình 4.1. Mô phỏng tổng quan hệ thống thu hồi nhiệt dư làm máy phát điện 4.3. GIỚI THIỆU CHI TIẾT CÁC MÀN HÌNH GIAO DIỆN 4.3.1. Nồi hơi SP, AQC Hệ thống nồi hơi SP, AQC được thể hiện như hình 4.2 Hình 4.2. Hệ thống nồi hơi SP, AQC Bảng 4.1. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.2. STT Tên Thiết Bị Nhiệm vụ – chức năng 1 B203 - Bình tập trung hơi Lấy hơi từ 2 bình B201-3 & B301-3 để dẫn vào phần quá nhiệt của nồi hơi SP 2 B202 – Bình Chia nước Lấy nước nóng từ phầm tiết kiệm nhiệt của SP để chia làm 2 ngả vào hai bình B201-3 & B301-3 3 (B201-3) – Bình tách hơi Tách hơi ra khỏi nước đã làm nóng ban đầu và đưa vào bình B203 4 (B301-3) – Bình tách hơi Tách hơi ra khỏi nước đã làm nóng ban đầu và đưa vào bình B203 5 Van LV201 Điều chỉnh lượng nước từ B202 vào B201-3 (%) (Từ 0 – 100%) 6 Van LV301 Điều chỉnh lượng nước từ B202 vào B301-3 (%) (Từ 0 – 100%) 7 Van HV204 Điều chỉnh lượng nước vào phần tiết kiệm nhiệt của SP 8 Van HV208 – Van xả Xả hơi để điều chỉnh áp suất đường ống hơi khi ra khỏi phần quá nhiệt SP 9 HV207 Đóng – mở đường ống hơi từ SP về AQC 10 HV314 – Van xả Xả hơi để điều chỉnh áp suất đường ống hơi khí khi ra khỏi phần quá nhiệt AQC 11 HV313 Đóng – mở đường ống hơi từ AQC về Turbin 12 (B201-1) – phần quá nhiệt SP Quá nhiệt thứ nhất cho hơi khi ra khỏi bình B203 13 (B201-2) – Phần hóa hơi SP Hóa hơi hoàn toàn nước khi lấy từ bình B202 14 (B201-4)– Phần tiết kiệm SP Gia nhiệt lần 2 cho nước trước khi vào B202 15 Hệ thống giàn rung SP (1#-8#) Làm rơi bụi vào bề mặt đường ống trong SP 16 Y203 – Van quay Xả bột liệu từ SP xuống vít tải xoắn 17 V201 – vít tải và động cơ Tải bột liệu sau khi xả từ van Y203 về hệ thống xi măng 18 Y308 – Van quay Xả bột liệu từ AQC xuống vít tải 19 V301A – V301B vít tải Hồi lưu liệu về hệ thống xi măng 20 Van TV 312 Cấp nước vào điều chỉnh nhiệt độ hơi trong đường ống đầu vào phần quá nhiệt AQC 4.3.2. Hệ thống WHB Wind Hệ thống WHB Wind được thể hiện như hình 4.3. Hình 4.3. Hệ thống WHB Wind Bảng 4.2. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.3. STT Tên Thiết Bị Nhiệm vụ – chức năng 1 Van HVX201 Van chính dẫn khí nóng từ C1 tháp trao đổi nhiệt sang làm nóng cho nồi hơi SP (Van được điều khiển tại chỗ hoặc từ xa) 2 Van HVX202 Cùng với HVX201 điều chỉnh lưu lượng hơi vào SP 3 Van HV 306 Van xả khí nóng từ nồi hơi sang lọc bụi tĩnh điện 4 Van HV 305 Van điện dẫn khí nóng từ ghi làm lạnh lên lọc bụi tĩnh điện (được đóng mở thông qua quan hệ với HV306 – HV303 – HV 302 5 Van HV316 Van phụ cho van HV 305 6 Van HV303 Van chính lấy khí nóng từ buồn số 5 của Ghi sang nồi AQC 7 Van HV302 Van chính lấy khí nóng từ buồn số 4 của Ghi sang nồi AQC 8 HV320 – HV321 – HV322 – HV323 – HV324 Các van điều chỉnh liên động với nhau để tạo ra luồng hơi nóng tuần hoàn 9 Quạt J301, J302 Quạt hút hơi nóng từ Ghi vào AQC 4.3.3. Hệ thống RAC WATER Hình 4.4. Hệ thống RAC WATER Bảng 4.3. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.4. STT Tên Thiết Bị Nhiệm vụ – chức năng 1 Water supply pump Bao gồm 2 bơm công suất P = 4kW; hai bơm hoạt động thay phiên nhau có nhiệm vụ cung cấp nước chính cho hệ thống xử lý nước 2 Back Wash pup (Bơm rửa ngược) Gồm một bơm có công suất p = 15kW: bơm này có tác dụng nhằm thau rửa 2 bình lọc Medium filter & active cacbon filter trong quá trình thau rửa thiết bị 3 Filter pump(Bơm cấp nước lọc) Gồm 2 bơm có p=4kW, hai bơm này hoạt động luân phiên nhau hút nước từ bình chứa 20m3 và đưa vào hệ thống xử lý nước cấp I (ROI) 4 Frimary hi – pressure pump (Bơm tăng áp cấp I) Bơm tăn gáp có công suất P= 15kW có nhiệm vụ làm tăng áp suất của nước để đưa chúng vào hệ thống lọc (RO) 5 Thiết bị lọc nước cấp I Bao gồm hệ thống 4 ống lọc, nước được lọc ở đây lần thứ nhất. Sau đó được đưa vào bình nhựa 5m3 6 Medium – tank (Bình chứa nước) Bình chứa nước sau khi đã qua hệ thống lọc cấp I. Sau đó được đưa sang cho hệ thống lọc nước cấp II 7 Inter mediate water pump (Bơm cấp nước cho hệ thống lọc cấp II) Gồm một bơm có công suất p=4kW, bơm này có nhiệm vụ hút nước đã được lọc cấp I chứa trong bình Medium – tank cấp cho hệ thống lọc nước cấp II 8 Secondary hi – pressure pump (Bơm tăng áp cấp II) Gồm một bơm có công suất p=15kW, bơm này có nhiệm vụ như bơm tăng áp cấp I. Đó là làm tăng áp suất của nước để nước có thể luân chuyển trong hệ thống lọc cấp II 9 Thiết bị lọc nước cấp II Bao gồm hệ thống 3 ống lọc, nước được lọc lần thứ 2 tại đây và được đưa vào bình chứa 50m3, sau đó được 2 bơm nước mềm bơm lên Deaerator, ở đây nước đã được làm sạch hoàn toàn 10 Gumed water - tank Bình chứa nước mềm có thể tích V=50m3 11 Demineralized (Bơm cấp nước mềm) Gồm 2 bơm có công suất p=11kW, hai bơm này có nhiệm vụ hút nước mềm từ bình 50m3 đưa lên bình DEAERATOR và cấp cho nồi hơi 12 Bơm hóa chất Bao gồm 4 bơm hóa chất (PAC, NaHSO3, chống cặn và NaOH) 13 Medium filter và activecarbon filter Hai bình lọc nước thô bằng đá và than, đây là 2 bình lọc nước bước đầu 14 Re – W tank (Bình chứa nước) Bình chứa 20m3 15 Seculity filter Bình lọc an toàn 16 Hệ thống nước làm mát tuần hoàn 17 Cooling tower Tháp làm mát nước dạng sương mù 18 Động cơ lam mát nước Gồm 4 động cơ quạt có công suất p=30kW, có nhiệm vụ làm mát nước 19 Động cơ bơm nước bình ngưng Gồm 2 động cơ có p=250kW bơm nước lên làm mát bình ngưng 4.3.4. Hệ thống ST STATE Hình 4.5. Hệ thống ST STATE Bảng 4.4. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.5. STT Tên Thiết Bị Nhiệm vụ – chức năng 1 OIL TANK (Bình chứa dầu) Chứa dầu làm mát cho turbin 2 AC oil pump(Bơm dầu chính) Công suất P=30kW, chức năng làm mát cho bộ điều tốc máy phát và gối đỡ của turbin, bôi trơn gối đỡ 3 Lude pressure regulating vale (van điều áp) Van điều chỉnh có tác dụng điều chỉnh áp suất dầu sau khi dầu làm mát được động cơ chính bơm qua bộ làm mát đến một áp suất nhất định van mở đưa dầu đi làm mát bộ điều tốc và các gối đỡ của turbin và máy phát 4 Oil coder (làm mát dầu) Là bộ phận làm mát dầu trước khi đưa dầu đi làm mát bộ điều tốc và các gối đỡ turbin, máy phát. Thiết bị này làm mát dầu bằng nước, dầu sau khi được làm mát đưa đến van điều áp 5 AC Gear oil pump DC Gear oil pump Hai động cơ bơm dầu hộp số: Đ/C xoay chiều có công suất P=4kW Đ/C một chiều có công suất P=4kW Có chức năng thay thế Đ/C chính khi động cơ bơm dầu chính bị sự cố 6 Oil Strainer (Thiết bị lọc dầu) Thiết bị gồm 3 bộ lọc có tác dụng làm sạch dầu trước khi đưa dầu đi làm mát. Dầu sau khi qua van điều áp sẽ tới bộ lọc rồi mới đưa đến các gối đỡ của turbin và Máy phát 7 Kim phun dầu(oil jector) Tác dụng dưới dạng phun dầu khi bơm khí nóng bên trong thùng chứa dầu hoạt động, tạo sương 8 Eletro-hydroulil convertor (Bộ chuyển đổi) Tác dụng khống chế áp suất dầu sau khi qua bộ làm mát tới hộp giảm tốc Máy phát 4.3.5. Hệ thống ST SYSTEM Hình 4.6. Hệ thống ST SYSTEM Bảng 4.5. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.6. STT Tên Thiết Bị Nhiệm vụ – chức năng 1 HIC101 Van điện được điều khiển từ trung tâm, có tác dụng khống chế đóng mở hơi đầu vào hệ thống Turbin 2 HIC102 Khi áp suất trong hệ thống đường ống và nồi hơi lên cao, Van này có tác dụng xả áp 3 MSV Là van khống chế, được điều khiển tại chỗ nhằm khống chế lượng hơi nước vào đầu hệ thống turbin 4 TV104 Van khống chế hơi, nhiệt đầu vào bình gia nhiệt, nhằm tăng nhiệt độ nước của bình ngưng 5 ZE5140 Hệ thống Turbin 6 ZS 6401 Động cơ phụ có tác dụng khi Turbin bắt đầu hoạt động làm quay turbin tạo mômen quay khởi động 7 Condenser Bình Ngưng tụ hơi và nước sau khi đã qua hệ thống Turbin 8 LV 6104 Van Tuần hoàn nước trong bình ngưng và hệ thống ống dẫn nước tại giêng nước bình ngưng 9 E101 Trạm hóa chất dùng xử lý cấu cặn trong bình ngưng B301-3 và B201-3 của hệ thống nồi hơi 10 J101 Bình tràn của bình ngưng và giêng nước 11 1#C - pump Đ/C P=15kW, là động cơ bơm nước có tác dụng bơm nước từ Giếng của bình ngưng lên bình sục khí Deaerator 12 2#C - pump Đ/C P=15kW, , là động cơ bơm nước có tác dụng bơm nước từ Giếng của bình ngưng lên bình sục khí Deaerator 13 1 # JAE Pump Động cơ hút chân không của bình ngưng, P=22kW 14 2 # JAE Pump Động cơ hút chân không của bình ngưng, P=22kW 15 Return cool Tower Đ/C P=2.2kW Bơm nước ra bể chứa nước làm mát bình ngưng 16 J101 Là 2 bơm chính cấp nước cho 2 nồi hơi SP & AQC, P=45kW, hai bơm này hoạt động độc lập nhau 17 Deaerator - Là bình chứa khí có tác dụng điều chỉnh tỷ khối khí đưa vào gối đỡ của Turbin, có tác dụng làm kín và cân bằng áp bên trong turbin - Tại bình được bố trí 2 bộ van điều áp (Van 1 điều chỉnh hơi nước vào bình, Van 2 điều chỉnh áp suất của bình), van 2 sẽ tự mở ra áp suất khi áp bình chứa khí cao và được đưa tới bình ngưng 18 C103 Hệ thống nước làm mát dầu ở trạm dầu 4.3.6. Hệ thống điện cao áp và hạ áp Hình 4.7. Hệ thống điện cao áp Hình 4.8. Hệ thống điện hạ áp STT Tên Thiết Bị Nhiệm vụ – chức năng I High vol Hệ thống tủ cao áp 1 Tủ 1AH Đóng máy biến áp kích thích dùng cho đo lường và bảo vệ 2 Tủ 2AH Máy cắt cấp điện từ máy phát lên thanh cái 6kV 3 Tủ 3AH Tủ kết nối với trạm điện nghiền liệu 4 Tủ 4AH Máy B.A hạ áp cấp cho nhà chính và hệ thống Đ/C trong nhà 5 Tủ 5AH Đo lường và bảo vệ hệ thống 6 Tủ 6AH MBA hạ áp cấp cho hệ thống bơm nước tuần hoàn II LOW Vol Hệ thống tủ Hạ áp 1 Tủ 1AA Tủ đầu vào hệ thống điện nhà chính từ 4AH 2 Tủ 2AA Tủ bù 3 Tủ 3AA Tủ điều khiển động cơ bơm nước nồi hơi 4 Tủ 4AA Tủ điều khiển hệ thống động cơ bơm nước giếng bình ngưng 5 Tủ 5AA Tủ điều khiển hệ thống bơm nước bình tràn(bơm chân không bình ngưng) 6 Tủ 6AA Tủ điều khiển hệ thống bơm trạm dầu làm mát 7 Tủ 7AA Tủ điều khiển hệ thống bơm bình sục khí và hệ thống van xả khí nóng 8 Tủ 8AA Tủ cấp điện cẩu trục trong nhà và 2 nồi hơi 9 Tủ 9AA Tủ điện 1 chiều Bảng 4.6. Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.7. và hình 4.8. 4.4. NHẬN XÉT Nội dung xây dựng bằng Wincc mô hình thu hồi nhiệt dư là để phục vụ công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật của nhà máy khi dự án bắt đầu triển khai. Ngoài ra còn giới thiệu và tìm hiểu nguyên lý làm việc của các mô hình đã triển khai thành công ở Việt Nam. KẾT LUẬN 1. Kết luận Đã tính toán thiết kế và phân tích sơ đồ thu hồi nhiệt tối ưu, thiết kế mô phỏng sơ đồ thu hồi nhiệt dư của nhà máy. Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ turbine hơi cho máy phát điện. Trong đó đã giải quyết và phân tích một số vắn đề: 1) Phân tích một số mô hình thu hồi nhiệt dư của nhà máy xi măng để lựa chọ mô hình tối ưu nhất cho nhà máy. 2) Thiết kế mô hình điều khiển tốc độ turbine hơi bằng bộ điều khiển PID 3) Vẽ đồ thị đáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab. 4) Đưa ra phương án chỉnh định mờ tham số PID cho hệ thống điều khiển tốc độ turbine hơi. So sánh chất lượng của bộ điều khiển PID mờ so với bộ điều khiển PID kinh điển. 5) Thiết kế mô phỏng bằng WinCC mô hình điều khiển và giám sát hệ thống thu hồi nhiệt phục vụ cho công tác đào tạo các cán bộ kỹ thuật của nhà máy. 2. Khả năng ứng dụng của đề tài Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển cho turbine hơi và ứng dụng vào dự án thu hồi nhiệt để phát điện tại nhà máy măng COSEVCO Sông Gianh. Trên cơ sơ này ứng dụng cho các nhà máy xi măng khác trong nước. 3. Hướng phát triển của đề tài Từ phương án chỉnh định mờ tham số PID có thể phát triển hệ thống điều khiển mờ chuyên gia cho toàn nhà máy. Đây sẽ là một hướng đi đúng đắn và mới mẻ ở Việt Nam. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS. Trần Thu Hà, KS Phạm Quang Huy (2007), Giao diện người – Máy HMI (Human machine interface) Lập trình với S7 và WinCC 6.0, NXB Hồng Đức, Tp. Hồ Chí Minh. [2] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [4] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [5] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [6] PGS. TS. Trần Xuân Tùy (2002), Hệ thống điều khiển tự động thủy lực, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. Tiếng Anh [7] Astrom, K., T. Hagglund (1995), PID controllers, Theory, Design and tuning, Instrument Society of America, Research Triangle Park. [8] J. M. Mendel (1995), “Fuzzy Logic Systems for Engineering”, A tutorial, Proc. IEEE, vol(83), pp. 345-377. [9] K.Gowrishankar,Vasanth Elancheralathan (1997), “Adaptive fuzzy controller to control turbine speed”, Rajiv Gandhi College Of Engg. & tech., Puducherry, India.