Xây dựng giao diện và mô hình hóa mô phỏng hệ điều khiển khói gió nhà máy nhiệt điện Na Dương

khỏi bình, dựa vào giá trị đó để điều chỉnh lưu lượng nước làm mát cấp vào hệ thống. Trong hệ thống này: Đại lượng cần điều khiển (CV) là nhiệt độ của dầu ra khỏi bình, đại lượng điều khiển (MV) là lưu lượng nước làm mát cấp vào hệ thống. Đại lượng nhiễu là lưu lượng dầu ấm cấp vào bình. Các đặc trưng của quá trình Thời gian trễ vận chuyển – Dead Time Thời gian trễ vận chuyển là một đặc tính của một hệ vật lý, đặc tính này làm tín hiệu ra của hệ chậm so với tín hiệu vào một khoảng thời gian. Thời gian trễ vận chuyển xảy ra khi trong hệ có sự vận chuyển vật chất hoặc năng lượng. Thời gian trễ không phụ thuộc vào tín hiệu tác động, chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật lý của hệ là quãng đường vận chuyển và tốc độ vận chuyển. Xét về góc độ điều khiển, thời gian trễ vận chuyển không làm thay đổi hệ số khuyếch đại của quá trình mà làm dịch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. Xét hệ thống cấp than vào buồng đốt trong nhà máy nhiệt điện: Hệ thống gồm một xilô chứa than, một băng tải vận chuyển than đến các vít cấp than và hệ thống cân định lượng đặt ở cuối băng tải. Lượng than cấp vào lò được điều chỉnh bởi tốc độ của van quay đặt dưới xilô. Hiện tượng trễ vận chuyển có thể nhận thấy khi hệ thống điều khiển nhà máy ra quyết định tăng lượng than cấp vào lò. Tuy nhiên, sau một thời gian nhất định hệ thống cân định lượng mới nhận biết được có sự thay đổi đó. Hình 3.2: Đồ thị mô tả thời gian trễ vận chuyển Hình 3.3: Quá trình xảy ra thời gian trễ vận chuyển Yếu tố dung tích – Capacity Yếu tố dung tích là đặc điểm của một hệ vật lý có khả năng tích trữ vật chất, năng lượng. Yếu tố dung tích xuất hiện dưới rất nhiều hình thức: đối với hệ thống điều khiển có đối tượng là chất lỏng, yếu tố dung tích thể hiện ở các bình chứa; khi đối tượng là các phần tử điện, yếu tố dung tích thể hiện ở các tụ điện; đối với các hệ cơ khí, yếu tố dung tích thể hiện ở yếu tố quán tính. Hình 3.4: Hệ có yếu tố dung tích Xét một bình chứa nước có lưu lượng nước chảy vào được điều chỉnh bằng van tay, nước trong bình được bơm ra ngoài nhờ một bơm có tốc độ không đổi. Do đó, lưu lượng nước vào bình có thể thay đổi được, lưu lượng nước ra khỏi bình luôn luôn không đổi. Giả sử tại thời điểm nào đó bình đang ở trạng thái ổn định, sau đó ta điều chỉnh độ mở của van một lượng, mức nước trong bình sẽ tăng lên cho đến khi tràn bình hoặc có thể cạn hết nước. Hình 3.5: Đáp ứng của hệ có yếu tố dung tích Đặc tính tự điều chỉnh – Self regulation Khả năng tự điều chỉnh là đặc tính tự ổn định của hệ. Khi tín hiệu vào thay đổi tín hiệu ra cũng sẽ thay đổi nhưng sẽ ổn định ở mức mới. Khi bỏ bơm ở ví dụ về yếu tố dung tích, để nước tự chảy, ta sẽ được hệ có đặc tính tự điều chỉnh. Về mặt điều khiển, quá trình có đặc tính tự điều chỉnh có hàm truyền là khâu trễ bậc một (First order lag). Hình 3.6: Đáp ứng của hệ tự điều chỉnh (Self-regulation) Phương pháp nhận dạng đối tượng Nhận dạng hệ thống hay mô hình hóa thực nghiệm là phương pháp xây dựng mô hình toán học của hệ thống trên cơ sở các số liệu vào ra thực tế. Mô hình toán học đó phải biểu diễn được các đặc tính động và đặc tính quá độ của hệ thống từ đáp ứng của nó với một tính hiệu đầu vào xác định (Ví dụ: hàm bậc thang, tín hiệu xung, …) Các phương pháp nhận dạng đối tượng Phương pháp đường cong đáp ứng Phương pháp được thực hiện trực tiếp trên đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng. Phương pháp này được áp dụng cho các quá trình có đáp ứng dạng chữ S (Các khâu quán tính có trễ). Hoặc có đường cong tốc độ đáp ứng bậc thang hình chữ S (Các khâu quán tính có chứa thành phần tích phân). Có thể thấy phương pháp này áp dụng cho hầu hết các quá trình trong sản xuất công nghiệp, như: đáp ứng về nhiệt độ, đáp ứng về mức, đáp ứng về áp suất,… Ưu điểm của phương pháp là trực quan, đơn giản trong quá trình thực hiện với các công cụ đồ họa trên máy vi tính. Nhược điểm của phương pháp là ở mức độ chính xác của mô hình thu được bởi : Phương pháp thường sử dụng các mô hình đơn giản có bậc thấp để xấp xỉ và không giải quyết được vấn đề nhiễu. Nước làm mát Vận tốc nước Đo nhiệt độ Nước nóng (Ra) Hình 3.7: Quá trình đun nước Ví dụ về quá trình điều khiển nhiệt độ của nước Nhiệt độ Thời gian Hình 3.8: Đáp ứng quá trình đun nước Đặc tính của quá trình thu được như sau: Phương pháp dựa trên đáp ứng tần số Phương pháp này phục vụ cho các phương pháp điều khiển trực tiếp trên miền tần số, ước lượng gián tiếp mô hình liên tục từ các số liệu thực nghiệm. Đặc tính đáp ứng tần số của quá trình được xác định tại những tần số quan tâm, thông qua việc thực nghiệm trực tiếp với tín hiệu kích thích hình sin hoặc các tín hiệu phù hợp khác. Phương pháp này trong thực tế ít khi được sử dụng. Phương pháp bình phương tối thiểu Phương pháp được áp dụng cho các quá trình phức tạp, những quá trình đòi hỏi cao về mặt chất lượng điều khiển. Thực chất, bài toán nhận dạng được đưa về bài toán tối ưu với hàm mục tiêu cần cực tiểu hóa là tổng bình phương sai lệch giữa các số liệu thực tế quan sát được và các giá trị tính toán ước lượng (Với một hệ số trọng lượng nào đó). Ưu điểm của phương pháp là độ chính xác của mô hình thu được so với đối tượng thực. Phương pháp áp dụng được cho cả hệ tuyến tính, phi tuyến, điều khiển trên miền thời gian và miền tần số. Nhược điểm của phương pháp là cần phải biết trước về bậc của mô hình (Bao gồm cả bậc tử số và mẫu số), khối lượng tính toán của phương pháp lớn, sử dụng thuật toán phức tạp, … Do mục đích của đồ án và đặc điểm của quá trình công nghệ trong nhà máy hầu hết là dao động nhanh tắt dần, có thể xấp xỉ được với mô hình có đáp ứng dạng chữ S, nên đồ án lựa chọn phương án nhận dạng đối tượng là phương pháp đường cong đáp ứng. Phương pháp đường cong đáp ứng Hầu hết các quá trình cần điều khiển trong nhà máy điều có đặc tính dạng chữ S, mô hình sử đáp ứng tốt nhất cho các quá trình này là các mô hình bậc cao. Tuy nhiên, các mô hình bậc cao sẽ gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển, do đó, để đơn giản hóa ta sẽ xấp xỉ các quá trình với một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Mô hình của một khâu quán tính bậc nhất có trễ có hàm truyền như sau: Trong đó: k – Hệ số khuyếch đại của đối tượng Ti – Hằng số thời gian q – Thời gian trễ Do vậy, bài toán nhận dạng đối tượng ở đây là xác định các hệ số k, Ti, q ở trên cho các quá trình của nhà máy. Các phương pháp để xác định các hệ số của mô hình quá trình bao gồm Phương pháp kẻ tiếp tuyến. Phương pháp hai điểm quy chiếu. Phương pháp diện tích. Ở đây, ta chọn phương pháp kẻ tiếp tuyến Phương pháp được thực hiện như sau: Trước hết, kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập sẽ giúp tìm hệ số k. Tiếp theo, kẻ tiếp tuyến tại điểm mà đường cong có độ dốc lớn nhất (Là điểm xuất phát lên đối với khâu trễ bậc nhất), giao điểm của tiếp tuyến này với trục cho ta thời gian trễ q. Và cuối cùng, xác định điểm trên đường cong tương ứng với giá trị 0,632 , cho ta giá trị trên trục hoàn là Ti + q. SÁCH LƯỢC ĐIỀU CHỈNH Khái niệm về sách lược điều chỉnh Sách lược điều chỉnh hay cấu trúc điều khiển là nguyên tắc sử dụng các đại lượng liên quan đến quá trình để đưa ra tác động điều khiển. Như vậy, cấu trúc điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa giá trị đặt (SV-Setpoint variable), biến đo (PV - Process Variable)và biến điều khiển (MV - Manipulated variable) thông qua bộ điều khiển và các phần tử khác của hệ thống (Như bộ lựa chọn, trễ, tính toán, …) Điều khiển phản hồi – Feedback Khái niệm điều khiển phản hồi Điều khiển phản hồi (Feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo (quan sát) giá trị biến được điều khiển (CV), hồi tiếp thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (Closed – loop control). Trong các sách lược điều chỉnh điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng, có mặt trong hầu hết các vòng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động. Vai trò của điều khiển phản hồi Ổn định hệ kín: Một quá trình không ổn định chỉ có thể ổn định được bằng cách sử dụng điều khiển phản hồi. Sử dụng điều khiển phản hồi sẽ dịch các điểm cực sang trục ảo của mặt phẳng phức. Loại bỏ nhiễu bất định: Bộ điều khiển phản hồi có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển càng lớn, ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng điều khiển của hệ càng nhỏ. Triệt tiêu sai lệch tĩnh: Khi mô hình đối tượng không chính xác, việc loại bỏ sai lệch tĩnh chỉ có thể thực hiện được bằng cách quan sát tín hiệu ra. Nhược điểm của điều khiển phản hồi Điều khiển phản hồi yêu cầu bổ xung hệ thống đo lường phức tạp, chính xác. Với một số quá trình có tác động ngược hoặc có trễ, nếu không thiết kế cẩn thận bộ điều khiển phản hồi có thể làm đặc tính đáp ứng xấu hơn. Đặc điểm đặc trưng của bộ điều khiển phản hồi có đáp ứng chậm với nhiễu tải và sự thay đổi của giá trị đặt. Ví dụ về ứng dụng điều khiển phản hồi Xét hệ gồm một bình chứa nước, lưu lượng nước cấp vào bình được điều chỉnh bằng độ mở van, lưu lượng nước lấy từ bình tùy thuộc vào tải phía sau, không xác định trước. Để điều chỉnh duy trì mức nước trong bình ta thiết lập cấu trúc điều khiển phản hồi như gồm: Thiết bị đo mức nước trong bình (LT: Level Transmitter), bộ điều khiển LC (Level Control). Hoạt động điều chỉnh của hệ như sau: Giả sử yêu cầu lấy nước từ bình tăng lên, mức nước trong bình giảm đi. Thiết bị đo LT đo được mức nước giảm, gửi về bộ điều khiển LC, bộ điều khiển LC phát hiện ra sai lệch của mức nước trong bình so với giá trị đặt, đưa ra tín hiệu điều khiển mở rộng valve cấp nước vào bình. Điều khiển truyền thẳng – Feedforward Nguyên lý của điều khiển Feedforward là nhận biết nhiễu ảnh hưởng tới quá trình. Bộ điều khiển sẽ tính toán biến điều khiển để hạn chế tác động của nhiễu nếu nhận dạng được hàm tác động của nhiễu lên quá trình. Hình 3.11: Điều khiển FeedForward – Cấu trúc song song Hình 3.12: Điều khiển FeedForward – Cấu trúc nối tiếp Giả sử có thể đo được nhiễu r, mô hình đối tượng có thể xác định được Gd. Tín hiệu điều khiển: MV = Kr.(SV – Gd.r) (1) Hệ duy trì được CV khi CV = SV MV.G + Gd.r = MV (2) Hình 3.13: Điều khiển bộ hâm dầu sử dụng hơi - Cấu trúc Feedforward Kết hợp (1) và (2), ta được: Kr = Ưu điểm của điều khiển Feedforward Thực hiện đơn giản. Tác động nhanh, hệ bù nhiễu kịp thời trước khi nhiễu ảnh hưởng đến đối tượng. Nhược điểm của điều khiển Feedforward Hình 3.14: Cấu trúc Feedforward kết hợp điều khiển phản hồi Phải xác định được nguồn nhiễu, phải đo được chính xác nguồn nhiễu. Trong trường hợp nhận dạng sai mô hình đối tượng và mô hình nhiễu sẽ dẫn đến sai số. Không có khả năng ổn định những hệ không ổn định. Ví dụ về điều khiển Feedforward Trong hệ thống hâm dầu sử dụng hơi nhiệt độ của dầu ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi được điều chỉnh bằng van. Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu ra khỏi hệ thống, giá trị điều khiển là độ mở van hơi, nhiễu là lưu lượng dầu đi vào hệ thống. Khi sử dụng cấu trúc điều khiển Feedforward, ta không đo nhiệt độ của dầu ra khỏi hệ thống để điều khiển mà đo lưu lượng dầu đi vào hệ thống để điều khiển. Khi lưu lượng dầu đến hệ thống tăng lên, van hơi sẽ tăng độ mở, nhiệt độ dầu do đó mà được duy trì. Hình 3.15: Hệ thống hâm dầu bằng hơi - Cấu trúc điều khiển phản hồi Với những ưu điểm tác động nhanh, bù nhiễu trước khi ảnh hưởng đến đối tượng, cấu trúc điều khiển Feedforward được sử dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên, do những nhược điểm như đã nêu ở trên, cấu trúc Feedforward thường được sử dụng kết hợp với cấu trúc điều khiển phản hồi (Feedforward-Plus-Feedback). Điều khiển tầng – Cascade Do nguyên lý thực hiện là quan sát tín hiệu cần điều khiển để đưa ra tín hiệu điều khiển nên cấu trúc điều khiển phản hồi chậm phát hiện ảnh hưởng của nhiễu quá trình, đặc biệt đối với những quá trình có hằng số thời gian lớn. Trong một số công nghệ, việc phát hiện chậm đó có thể ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm. Ví dụ trong hệ thống hâm dầu bằng hơi sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi. Quá trình điều khiển thực hiện bằng cách đo giá trị biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, so sánh và đưa gia tín hiệu điều khiển là độ mở van. Trong trường hợp áp suất hơi sử dụng thay đổi, với cùng độ mở van như trước, nhưng lưư lượng hơi qua van đã thay đổi, do đó nhiệt độ của dầu thu được sẽ không như mong muốn. Tuy nhiên hệ chỉ có thể phát hiện ra sự thay đổi đó sau một khoảng thời gian. Để khắc phục nhược điểm đó, đối với các đối tượng yêu cầu chất lượng điều khiển cao, phải sử dụng cấu trúc điều khiên tầng. Cấu trúc điều khiển tầng là cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn. Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu, cải thiện đặc tính động học của hệ thống. Tư tưởng của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi phát sinh. Điều khiển tầng có 2 cấu trúc: cấu trúc nối tiếp và cấu trúc song song Hình 3.16: Điều khiển tầng – Cấu trúc nối tiếp Ưu điểm của hệ cấu trúc điều khiển tầng là: Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ. Giảm độ quá điều chỉnh. Cải thiện tính ổn định của toàn hệ thống kín. Nâng cao tính bền vững của hệ kín. Hình 3.17: Điều khiển tầng – Cấu trúc song song Với những ưu điểm nêu trên, cấu trúc điều khiển tầng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Tuy nhiên, cấu trúc chỉ có thể thực hiện được khi xác định được một biến quá trình thứ 2: Có thể đo, điều khiển được Có mối quan hệ nhân quả với biến được điều khiển Đặc tính động của biến thứ 2 phải nhanh hơn của biến cần điều khiển. Ví dụ về ứng dụng cấu trúc điêu khiển tầng Hệ thống hâm nóng dầu ở trên có: Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu Biến điều khiển là độ mở van Để nâng cao đặc tính động học của hệ ở đây ta sử dụng thêm biến quá trình thứ hai là lưu lượng hơi cấp vào hệ thống. Đặc điểm của biến quá trình này là: Hình 3.18: Hệ thống hâm dầu bằng hơi sử dụng điều khiển tầng Có thể đo được bằng thiết bị đo lưu lượng, có thể điều khiển được bằng cách thay đổi đổ mở van. Lưu lương hơi có quan hệ tới biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, khi lưu lượng hơi tăng lên, nhiệt độ dầu sẽ tăng và ngược lại. Việc điều chỉnh lưu lượng bao giờ cũng nhanh hơn sự biến đổi của quá trình nhiệt. Vậy, ta sẽ xây dựng cấu trúc điều khiển tầng cho hệ như sau: PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH Những người đầu tiên đưa ra các phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID là Ziegler và Nichols vào năm 1942, cho đến nay đã có rất nhiều phương pháp chỉnh định, các phương pháp đều có ưu điểm, nhược điểm riêng. Tuy nhiên, các phương pháp có thể phân loại thành các nhóm chính sau: Nhóm phương pháp dựa trên đặc tính: Sử dụng một số đặc điểm của quá trình và tính toán các tham số bộ điều khiển để thu được đặc tính vòng kín mong muốn. Các đặc điểm của quá trình có thể nhận được từ đáp ứng thời gian hoặc đáp ứng tần số. Trong nhóm phương pháp này có các phương pháp nổi tiếng như: Phương pháp dựa vào đáp ứng bậc thang, phương pháp dựa vào đặc tính dao động tới hạn, … Nhóm phương pháp mô hình mẫu: tổng hợp hệ điều chỉnh dựa trên mô hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở. Trong nhóm phương pháp này có một số phương pháp như: Phương pháp tổng hợp trực tiếp, phương pháp chỉnh định lam – da, IMC, … Nhóm phương pháp nắn đặc tính tần: Nhóm phương pháp này dựa trên tư tưởng của cấu trúc điều khiển truyền thẳng (Feedforward). Nhóm phương pháp sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số của quát trình và tính toán các khâu bù sao cho đường đặc tính của hệ hở hoặc hệ kín đạt được các chỉ tiêu trên miền tần số như: dải thông, độ nhạy, pha, biên độ,… Các phương pháp trong nhóm phương pháp này là phương pháp tối ưu môđun, phương pháp dựa trên dự trữ biên – pha. Phương pháp tối ưu tham số: sử dụng mô hình toán học của quá trình và xác định các thông số của bộ điều khiển cách cực tiểu hóa, cực đại hóa một tiêu chuẩn chất lượng. Các phương pháp trong nhóm phương pháp này có: cực tiểu hóa tích phân sai lệch tuyệt đối (IAE), tích phân bình phương sai lệch, … Nhóm phương pháp dựa trên kinh nghiệm: Các phương pháp này chỉnh định trên cơ sở hệ chuyên gia hoặc phương pháp sử dụng mạng nơtron. Với mục đích của đồ án và do yêu cầu không cao về mặt chất lượng, đồ án sẽ sử dụng các phương pháp dựa trên đặc tính miền thời gian, các phương pháp đáp ứng bậc thang, phương pháp đáp ứng bậc thang, phương pháp đáp ứng dao động tới hạn. Phương pháp đáp ứng bậc thang Phương pháp còn được gọi là phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất. Phương pháp đáp ứng bậc thang được Ziegler – Nichols đưa ra nhằm xác định tham số của bộ điều khiển PID dựa trên đường đặc tính đáp ứng quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm với giá trị thay đổi dạng bậc thang. Đối tượng áp dụng của phương pháp là các quá trình có đặc tính quán tính hoặc quán tính tích phân. Để thực hiện phương pháp, ta đưa tín hiệu vào dạng bậc thang vào quá trình, thu được đặc tính đáp ứngặc tính đáp ứng thu được phải thực hiện quanh điểm làm việc . Kể đường tiếp tuyến tại điểm có độ dốc lớn nhất, dựa vào 2 giá trị: điểm cắt của tiếp tuyến với trục hoành và độ dốc a của tiếp tuyến ta xác định được các tham số của PID theo bảng sau: Bộ điều khiển KC TI Td P hoặc - - PI hoặc - PID hoặc Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển được chọn sao cho luôn tỉ lệ nghịch với độ dốc lớn nhất a của đường cong đáp ứng do a càng nhỏ chứng tỏ quá trình càng chậm và bộ điều chỉnh càng phải can thiệp mạnh hơn. Nhược điểm của phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất là Việc lấy đáp ứng của tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng được cho quá trình dao động hoặc quá trình không ổn định (Trừ khi quá trình đó có đáp ứng dạng khâu tích phân bậc nhất). Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt. Phương pháp kẻ tiếp tuyến cho các số liệu a và kém chính xác. Theo kinh nghiệm, phương pháp chỉ nên áp dụng ki tỉ số nằm trong phạm vi 0,1 – 0,6. Nếu tỉ lệ này lớn hơn 0,6, ta cần áp dụng phương pháp chỉnh định khác có để ý tới bù thời gian trễ. Ngược lại, nếu tỉ số đó nhỏ hơn 0.1 thường ứng với hệ số bậc cao, vì thế cần một bộ điều khiển bậc cao tương ứng để cải thiện đặc tính động học. a Hình 3.19: Đặc tính quán tính Phương pháp dựa trên đặc tính dao động tới hạn Phương pháp chỉnh định dựa trên đặc tính dao động tới hạn là phương pháp thứ hai do Ziegler – Nichols đưa ra. Phương pháp dựa trên cơ sở các tham số đặc tính dao động tới hạn của hệ kín (đặc tính tần số) xác định qua thực nghiệm. Hệ số khuếch đại tới hạn của quá trình là giá trị khuếch đại mà bộ điều khiển P đưa vòng kín tới trạng thái dao động xác lập. Quy trình chỉnh định tiến hành qua các bước sau: Đặt hệ thống ở chế độ điều khiển bằng tay và đưa dần dần hệ thống tới điểm làm việc, chờ hệ thống ổn định tại điểm làm việc. Chuyển hệ thống sang chế độ điều khiển tự động với bộ điều khiển P. Đặt hệ số khuyếch đại Kc tương đối bé và thay đổi giá trị đặt một lượng nhỏ. Tăng hệ số khuếch đại Kc cho tới khi đầu ra quá trình đạt trạng thái dao động điều hòa. Giá trị Kc đó được gọi là hệ số khuếch đại tới hạn (K0) và chu kì dao động được gọi là chu kì dao động tới hạn T0. Lựa chọn kiểu bộ điều khiển sẽ dùng thực và tính toán các tham số theo luật chỉnh định theo bảng sau: Bộ điều khiển KC TI Td P 0,5K0 - - PI 0,45K0 T0/1,2 - PID 0,6K0 0,5T0 0,125T0 Trong trường hợp bộ điều khiển thực sự sử dụng là bộ điều khiển P, việc đặt KC=0,5K0 sẽ mang lại độ dự trữ biên 2,0. Khi sử dụng bộ điều khiển PI, hệ số khuyếch đại cần phải giảm đi (0,45K0) để hạn chế dao động do thành phần tích phân gây ra. Nếu sử dụng bộ điều khiển PID, tác dụng ổn định hệ thống của khâu vi phân lại cho phép tăng hệ số khuyếch đại lên (0,6K0). Ưu điểm của phương pháp là: Các tham số đặc tính của quá trình được xác định trong vòng kín nên có thể áp dụng cho một dải rộng quá trình công nghiệp. Phương pháp áp dụng cho cả quá trình không ổn định, quá trình tích phân. Nhược điểm của phương pháp là: Quá trình thử nghiệm đặc tính dao động tới hạn phải tiến hành lặp đi lặp lại, rất công phu và có thể dẫn tới hệ mất ổn định. Không kiểm soát được độ lớn của đáp ứng đầu ra, quá trình dao động liên tục có thể gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm. Các luật chỉnh định này được Niegler – Nichols đưa ra theo kinh nghiệm để đạt hệ số tắt dần khoảng 0,25. Vì thế, đáp ứng kín sẽ hơi dao động và hệ có thể kém bền vững với sai lệch mô hình. CÔNG CỤ THỰC HIỆN – PHẦN MỀM CS 3000 Đồ án sử dụng hai phần mềm của gói phần mềm Centum dành cho hệ thống CS 3000 và CS 1000 là: Graphics Builder cho mục đích xây dựng giao diện vận hành và Control Drawing cho mục đích xây dựng mô phỏng đối tượng. Phần mềm Graphics Builder Giao diện đồ họa được xây dựng trên phần mềm Graphic Buider của CS3000. Đối tượng đồ họa bao gồm 3 loại: Đối tượng đồ họa tĩnh. Đối tượng đồ họa cho mục đích hiển thị. Các đối tượng đồ họa dùng để điều khiển. Đối tượng đồ họa tĩnh bao gồm các đường thẳng, các đường polyline, các hình chữ nhật, các đường tròn, elip, … Các đối tượng đồ họa tĩnh được sử dụng với mục đích chính là tạo giao diện tính, dùng để mô tả quá trình công nghệ, ví dụ: dùng để mô tả hệ thống gió sơ cấp, hệ thống cấp than, … Đối tượng hiển thị: Dùng để hiển thị giá trị hoặc trạng thái của các biến công nghệ, của các bộ điều khiển, …Đối tượng hiển thị bao gồm: Process Data-Character để hiển thị giá trị biến quá trình, Data Bar Display hiển thị trạng thái biến quá trình dưới dạng phần trăm của hình chữ nhật, Display Data Graph hiển thị biến quá trình dưới dạng đồ thị. Đối tượng đồ họa điều khiển: là các đối tượng đồ họa dùng để điều khiển, bao gồm Touch Target, Push Botton, Face Plate. Các đối tượng điều khiển được sử dụng để thực hiện các lệnh điều khiển từ các trạm giám sát vận hành như: gọi một trang màn hình hiển thị khác, gọi các biều đồ (Trend) theo dõi biến, gọi các của sổ nhập số liệu, … Phần mềm Control Drawing Control Drawing là phần mềm cho phép lập trình theo dạng khối, sử dụng các Function Block. Một Function Block có cấu trúc tương tự như một module phần cứng bao gồm khối xử lý đầu vào, khối tính toán và khối xử lý đầu ra. Do đó, các Function Block có thể xử lý ở các đơn vị khác nhau, như một mudule thật, và như vậy, có thể xây dựng một hệ thống trên Control Drawing có cấu trúc tương tự như hệ thống phần cứng. CS3000 được lập trình trên phần mềm Control Drawing sử dụng các Function Block. Function Block Mỗi khối Function Block bao gồm các thành phần sau: Các đầu nối vào ra thực hiện chức năng chuyển đổi dữ liệu giữu Function Block với các đối tượng khác, như các Function Block khác, các đầu ra trên FCS, … Bốn khối chức xử lý của Function Block: xử lý tín hiệu vào (Input Processing), khối tính toán (Calculation Processing), khối xử lý tín hiệu ra (Output Processing), và khối báo động (Alarm Processing) Các hằng số hoặc các biến (Gọi là các Data Item) được sử dụng trong quá trình tính toán hoặc để set giá trị cho Function Block, như biến quá trình PV, giá trị đặt SV, giá trị điều khiển MV,… Khối xử lí tín hiệu đầu vào – Input Processing Khối xử lí tín hiệu đầu vào thực hiện chức năng chuyển đổi dữ liệu nhận được đảm bảo tín hiệu phù hợp với các thuật toán điều khiển, cho các thuật toán. Hoạt động của khối này tùy thuộc vào loại Function Block và loại dữ liệu nhận được. Khối tính toán – Calculation Processing Khối tính toán nhận dữ liệu từ khối xử lý tín hiệu vào (Input Processing), thực hiện các thuật toán tính toán, tùy thuộc vào loại Function Block, sau đó đưa tín hiệu ra khối xử lý tín hiệu ra và khối báo động. Ví dụ: một Function Block thực hiện chức năng điều khiển, Function Block sẽ đọc tín giá trị biến quá trình PV, thực hiện tính toán hiệu chỉnh so với giá trị đặt, sau đó đưa ra tín hiệu hiệu chỉnh MV. Khối tính toán thường thực hiện các tính toán điều khiển, tính toán số học, tính toán logic. Khối xử lý tín hiệu ra – Output Processing Khối xử lý tín hiệu ra thực hiện chuyển đổi tín hiệu nhận được từ khối tính toán, chuyển đổi, đưa ra đầu ra của Function Block. Khối báo động – Alarm Processing Khối báo động thực hiện kiểm tra trong quá trình xử lý trên cả 3 khối xử lý tín hiệu đầu vào, khối tính toán và khối xử lý tín hiệu ra nhằm phát hiện ra các lỗi trong quá trình xử lý. Khi phát hiện ra lỗi xử lý, khối sẽ gửi tín hiệu thông qua biến Alarm Status, một trong các Data Item. Giới thiệu một số Function Block PID Khối điều khiển PID thực hiện hầu hết các chức năng điều khiển thông qua các tác động điêu khiển: Tỉ lệ, tích phân, vi phân dựa trên sử sai lệch giữa biến quá trình đưa về (PV) so với giá trị đặt (SV). Trong đó: DMV : Thay đổi giá trị điều khiển En : Sai lệch giữa biến quá trình và giá trị đặt PV : Giá trị đo từ quá trình Hình 3.21: Cấu trúc Function Block PID Xử lý đầu vào Tính toán điều khiển Xử lý đầu ra SV : Giá trị đặt D En : Giá trị thay đổi của sai lệch DT : Chu kì điều khiển (Thời gian quét) Khâu trễ bậc 1 –First order lag (LAG) Khối LAG cho ra tín hiệu trễ bậc một của tín hiệu vào. Khối LAG thường dùng để lọc tín hiệu hoặc để mô phỏng quá trình. t y Hình 3.23: Đáp ứng khâu trễ bậc 1 Hình 3.22: Cấu trúc khâu trễ bậc 1 Sơ đồ của Function Block LAG Thuật toán tính toán : Đáp ứng tín hiệu xung của LAG, đường đặc tính này tùy thuộc vào thông số cài đặt: Gain (Không đơn vị), Ti(Đơn vị giây). Khâu thể thể hiện thời gian trễ vận chuyển (DEAD TIME) DLAY Hình 3.24: Cấu trúc khâu DLAY Khối DLAY làm trễ tín hiệu vào một khoảng thời gian, sau đó đưa ra đầu ra. Khối DLAY thường sử dụng kết hợp với bộ điều khiển để thực hiện điều khiển đối tượng có trễ vận chuyển, hoặc dùng để mô phỏng quá trình. Sơ đồ khối của Function Block DLAY Thuật toán xử lý: Đáp ứng của DLAY Khâu tích phân – INTEG Function Block INTEG thực hiện chức năng tích phân tín hiệu vào. Sơ đồ khối của Function Block INTEG Hình 2.25: Đáp ứng khâu DLAY-C Tín hiệu ra khi Gain =1 Tín hiệu vào t Thuật toán tính toán: Sử dụng Control Drawing mô phỏng một số thiết bị, quá trình Actuator Actuator hay cơ cấu chấp hành thường hoạt động trên nguyên lý điện, khí nén, thủy lực. Thông thường các actuator chạy bằng khí nén và thủy lực thực hiện điều chỉnh vị trí nhờ một một định vị dạng tích phân. Bộ định vị này có vai trò như một bộ điều khiển hoạt động trên nguyên tắc hồi tiếp. Tín hiệu yêu cầu vị trí đưa vào actuator được tính sai lệch so với vị trí hiện tại của actuator, sau đó lấy sai lệch này để điều chỉnh so với vị trí hiện tại. Actuator phải có bộ điều khiển này là để đảm bảo độ chính xác của cơ cấu chấp hành. Khi đánh giá một actuator phải chú ý đến: độ nhạy của actuator, khoảng làm việc của actuator, thời gian đáp ứng, … Để mô phỏng một actuator, ta xây dựng cấu trúc với độ nhạy được môt phỏng bởi một khâu Dead Zone, giới hạn hoạt động của actuator khi tín hiệu vào nhỏ; khoảng làm việc được mô phỏng bởi một khâu giới hạn: LIMIT; Giới hạn tốc độ thực hiện bởi một khâu SLEW RATE. Mô phỏng được thực hiện theo sơ đồ sau: Hình 3.27: Cấu trúc mô phỏng một Actuator Transmitter Thiết bị đo được mô phỏng đơn giản bằng một khâu trễ bậc một: Hình 2.28: Transmitter Đường ống Đối với đường ống vận chuyển chất lỏng, chất khí, có hai đặc điểm cần quan tâm là thời gian trễ vận chuyển và thời gian đáp ứng sự thay đổi ở đầu vào. Khi bỏ qua các tổn hao trên đường ống, ta sẽ mô phỏng đường ống vận chuyển gồm một khâu trễ vận chuyển và một khâu quán tính bậc nhất. Sơ đồ thực hiện trên control drawing như sau: Hình 2.29: Cấu trúc mô phỏng đường ống Virtual Test Virtual Test là công cụ cho phép sử dụng một FCS ảo thay cho FCS thực. FCS ảo mô phỏng hoạt động của một FCS thật và được thực hiện bởi một HIS. Như vậy, nếu có một HIS, ta có thể mô phỏng được một FCS, có hai HIS ta có thể mô phỏng được hai FCS, … CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG GIAO DIỆN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KHÓI GIÓ CÁC VÒNG ĐIỀU CHỈNH TRONG HỆ THỐNG KHÓI GIÓ Hệ thống khói gió Buồng lửa được cấp gió từ 2 nguồn gió chính là gió sơ cấp (Primary air –PA) và gió thứ cấp (Secondary air –SA). Gió môi trường được hút vào buồng lửa bởi các quạt gió sơ cấp và thứ cấp, là các quạt ly tâm có tốc độ không đổi, lưu lượng gió vào buồng đốt được điểu chỉnh bởi các van cánh hướng. Hai nguồn gió này được đưa qua các bộ sấy khí, đặt ở phía đuôi buồng đốt, nhằm nâng nhiệt độ không khí trước khi đưa vào buồng lửa. Quá trình này sẽ tiết kiệm được nhiên liệu đưa vào buồng đốt vì tận dụng được lượng nhiệt thải ra ngoài, ngoài ra quá trình này còn đảm bảo lượng không khí đưa vào không làm tụt nhiệt độ lò. Gió sơ cấp được sử dụng với 4 mục đích: Đưa vào buồng đốt qua hộp phân phối gió (Win Box). Sử dụng làm khí chèn tường. Đưa tới các bộ thải tro (Stripper Cooler). Sử dụng cho hệ thống vít cấp than. Gió sơ cấp được đưa vào buồng đốt qua các vòi phun đặt ở đáy của khoang đốt. Nhiệm vụ của gió sơ cấp là tạo tầng và cung cấp oxy cho quá trình cháy, một phần gió sơ cấp được đưa vào buồng đốt qua các vòi đặt cao hơn để hỗ trợ quá trình cháy. Gió thứ cấp được sử dụng với 3 mục đính: Đưa vào buồng đốt qua các vòi phun đặt ở phía trên các vòi gió sơ cấp, hoàn thiện quá trình cháy trong lò đưa nhiệt độ lò tới nhiệt độ thực hiện được quá trình hấp thụ lưu huỳnh Cung cấp không khí cho quá trình cháy của các vòi phun khởi động trong quá trình khởi động Cấp cho hệ thống cấp than, sử dụng làm khí chèn tường. Sau khi thực hiện quá trình cháy trong khoang cháy, một của hỗn hợp sau cháy gồm các hạt thô, nặng sẽ rơi xuống đáy khoang, có thể thực hiện tiếp quá trình cháy hoặc được đưa ra ngoài thông qua hệ thống thải xỉ. Phần còn lại của hỗn hợp đi lên, qua hệ thống phân li, các hạt nhỏ sẽ tách ra khỏi hỗn hợp, rơi xuống và đưa trở lại buồng đốt. Phần còn lại (khói thải và tro bay) được hút ra ngoài nhờ một quạt hút, qua buồng đối lưu, bộ hâm nước, bộ sấy khí, và qua một hệ thống lọc bụi tĩnh điện trước khi đưa ra ngoài qua ống khói. Hình 4.1: Vòng điều chỉnh gió chính (Air Master) Vậy, những yêu cầu quan trọng nhất đối với hệ thống không khí là đảm bảo cân bằng áp suất trong buồng đốt, đảm bảo quá trình cháy và đảm bảo nhiệt độ cho quá trình hấp thụ lưu huỳnh. Sau đây, sẽ đi chi tiết vào các vòng điều chỉnh. Vòng điều chỉnh gió chính (Air Master) Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI, có: Tín hiệu phản hồi là lưu lượng gió tổng, được đo và tính toán từ lưu lượng gió sơ thứ cấp và lưu lượng gió sơ cấp đưa vào hộp phân phối gió (Winbox) cộng với lượng oxy đã được điều chỉnh. Tín hiệu đặt của bộ điều khiển lấy từ bộ điều khiển tải lò hơi, tín hiệu này được tính toán dựa trên nhu cầu của lò hơi về không khí. Đầu ra của bộ điều khiển được đưa tới hộp phân phối gió (Win Box) và là yêu cầu lưu lượng về gió sơ cấp. Điều chỉnh gió sơ cấp Bao gồm 3 vòng điều chỉnh: Vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của bộ sây khí sơ cấp Vòng điều chỉnh lưu lượng gió sơ cấp vào bộ phân phối gió Vòng điều chỉnh lưư lượng gió sơ cấp sử dụng là khí chèn tường Vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của bộ sấy khí sơ cấp Hình 4.2: Vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của bộ sấy khí sơ cấp Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI có: Tín hiệu phản hồi là áp suất đầu ra của bộ sấy khí sơ cấp, được đo bằng bộ chuyển đổi áp suât HLD10CP001. Tín hiệu đặt lấy từ bộ tạo hàm A14F1 dựa trên yêu cầu về khí sơ cấp: Phụ thuộc vào yêu cầu về gió sơ cấp từ WinBox và khí chèn tường trước Front Wall Seal. Đầu ra của bộ điều khiển đưa tới van cánh hướng đặt trước quạt hút PAF. Vòng chỉnh lưu lượng gió sơ cấp cấp vào bộ phân phối gió Win Box Vai trò của vòng điều chỉnh này là duy trì lưu lượng gió không đổi theo yêu cầu từ vòng điều chỉnh gió chính. Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI Tính hiệu đặt lấy từ bộ điều khiển gió chính cộng với tín hiệu nhiệt độ từ bộ điều khiển nhiệt độ phần dưới của buồng đốt thao tác này đảm bảo nhiệt độ cho quá trình cháy nhờ cân bằng lưu lượng gió sơ cấp và thứ cấp. Tín hiệu đo là lưu lượng đưa vào hộp phân phối gió, lưu lượng này được đo nhờ 2 chuyển đổi lưu lượng, lấy căn sau đó được bù theo nhiệt độ và áp suất đo được sau bộ sấy khí 1GAH. Có hai chế độ: chế độ lấy trung bình 3 tín hiệu và chế độ lấy một trong 3 tín hiệu làm tín hiệu đo. Tín hiệu ra của bộ điều khiển đưa tới van cánh hướng HLA20AA101 điều khiển lưu lượng cấp vào hộp phân phối gió. Hình 4.3: Vòng chỉnh lưu lượng gió sơ cấp cấp vào Win Box Vòng điều chỉnh lưu lượng khí chèn tường Vai trò của vòng điều chỉnh là duy trì lưu lượng khí chèn tường cần thiết để vận chuyển than từ vít cấp than vào buồng đốt. Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PID Tín hiệu đặt vào bộ điều khiển là tín hiệu cố định do nguời vận hành đặt Tín hiệu hồi tiếp là tín hiệu lưu lượng đang cấp vào bộ chèn tường trước được đo bởi một bộ chuyển đổi lưu lượng, lấy căn, bù theo nhiệt độ và áp suất đo sau bộ sấy khí 1GAH Tín hiệu ra của bộ điều khiển đưa tới van cánh hướng điều chỉnh lưu lượng khí chèn tường.Hình 4.4: Vòng điều chỉnh lưu lượng khí chèn tường Hình 4.3: Vòng chỉnh lưu lượng gió sơ cấp cấp vào bộ phân phối gió Win Box Điều chỉnh gió thứ cấp Các vòng điều chỉnh gió thứ cấp bao gồm: Điều chỉnh áp suất khí sơ cấp sau bộ sấy Điều khiển lưu lương khí sơ cấp Điều khiển lưu lượng khí sơ cấp cấp cho vòi phun khởi động Điều khiển cắt giảm oxy Điều chỉnh áp suất gió thứ cấp sau bộ sấy Nhiệm vụ của vòng điều khiển là đảm bảo lượng gió thứ cấp cấp vào lò đáp ứng được nhu cầu của lò thông qua bộ điều khiển gió chính Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI có: Hình 4.5: Vòng điều chỉnh áp suất đầu ra của bộ sấy khí thứ cấp Tín hiệu đặt lấy từ bộ điều khiển gió chính, qua bộ tạo hàm để hiệu chỉnh cho phù hợp. Tín hiệu hồi tiếp được đo từ bộ chuyển đổi áp suất đặt sau bộ sấy khí 2GAH. Đầu ra của bộ điều khiển tác động lên van cánh hướng đặt trước quạt thổi gió thứ cấp. Điều chỉnh lưu lượng gió thứ cấp Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI, nhiệm vụ của vòng điều chỉnh là điều chỉnh lưu lượng gió thứ cấp vào lò đủ cho quá trình cháy, đáp ứng yêu cầu của lò thông qua tín hiệu yêu cầu gió thứ cấp đưa ra từ bộ điều khiển gió chính. Tín hiệu này được so sánh với một lượng đặt để đảm bảo gió thứ cấp không giảm quá một ngưỡng tối thiểu. Tín hiệu sau đó được cộng với tín hiệu ra của bộ điều khiển nhiệt độ phần đáy lò, như vậy sẽ đảm bảo nhiệt độ trong lò đảm bảo cho quá trình cháy vì đã cân bằng lượng gió thứ cấp và thứ cấp đưa vào lò. Tín hiệu hồi tiếp lấy từ tín hiệu lưu lượng đang cấp vào lò, được lấy căn, sau đó bù lưu lượng theo nhiệt độ và áp suất đo sau bộ sấy gió thứ cấp. Tín hiệu ra của bộ điều khiển đưa tới van cánh hướng điều chỉnh lưu lượng gió thứ cấp đưa vào lò. Hình 4.6: Vòng chỉnh lưu lượng gió thứ Điều khiển lưu lượng gió thứ cấp cấp cho vòi phun khởi động Vòng điều chỉnh đảm bảo gió thứ cấp đưa vào đủ cho quá trình cháy khi khởi động. Vòng điều chỉnh sử dụng bộ điều khiển PI với tín hiệu đặt là tín hiệu yêu cầu khí lấy từ bộ điều khiển tải lò hơi, tính toán lại dựa trên các thông số của dầu sử dụng. Sau đó qua khối so sánh để đảm bảo lượng gió thứ cấp không thập hơn một lượng tối thiểu. Tín hiệu hồi tiếp là tín hiệu lưu lượng đang cấp vào các vòi phun sau khi qua khâu lấy căn được bù theo các giá trị nhiệt độ và áp suất đo được sau bộ sấy gió thứ cấp. Tín hiệu ra của bộ điều khiển tác động lên van cánh hướng điều khiển lưu lượng gió thứ cấp cấp vào lò. Hình 4.8: Vòng chỉnh cắt giảm oxy Hình 4.7: Vòng chỉnh lưu lượng cấp cho vòi phun khởi động Điều khiển cắt giảm oxy Nhiệm vụ của vòng điều chỉnh là đảm bảo không xảy ra tình trạng thừa nhiên liệu trong buồng đốt. Vòng điều khiển này chỉ sử dụng khi tải lò hơi lớn, lớn hơn 50%, và khi tải lò hơi ổn định. Tín hiệu hồi tiếp là tín hiệu đo lượng oxy dư trong khói, đưa vào bộ điều khiển PI Tín hiệu đặt lấy từ bộ điều khiển tải lò hơi sau khi đã đi qua một bộ tạo hàm. Điều chỉnh áp suất buồng đốt Để thực hiện được hoạt động tạo tầng, lò hơi sử dụng một quạt hút tạo áp suât âm trong buồng đốt, áp suất này phụ thuộc vào tổng lượng khí đưa vào và lượng khói hút ra ngoài. Áp suất trong buồng đốt ảnh hưởng đến quá trình cháy, quá trình trình trao đổi nhiệt, cấu trúc tầng. Do đó, áp suất tầng cần phải được duy trì ở giá trị đặt. Áp suất trong buồng đốt được đo bởi 3 bộ chuyển đổi áp suất. Tùy theo chế độ điều khiển tín hiệu áp suất buồng đốt có thể là giá trị trung bình của 3 tín hiệu đo trên hoặc một trong 3 tín hiệu đo.Tín hiệu áp suất này được sử dụng làm tín hiệu hồi tiếp tới bộ điều khiển áp suất buồng lửa. Tín hiệu đặt là một giá trị cố định (-10 mmHg) tùy thuộc vào công nghệ yêu cầu. Giá trị ra của bộ điều khiển được cộng với tín hiệu Feed-Fordward xác định từ tín hiệu yêu cầu gió thứ cấp và gió thứ cấp. Áp suất buồng đốt còn có thể điều khiển bằng bộ điều khiển khác, bộ điều khiển này lấy tín hiệu từ bộ chuyển đổi áp suất đo áp suất của luồng khói qua quạt hút, lấy tín hiệu đặt theo tổng lưu lượng gió đưa vào lò. Hình 4.9: Vòng chỉnh áp suất buồng đốt Tín hiệu ra của hai bộ điều khiển qua bộ lựa chọn giá trị nhỏ hơn. Như vậy sẽ đảm bảo hoạt động của quạt hút ngay trong trường hợp một trong hai bộ điều bị hỏng. Điều này rất quan trọng bởi hoạt động của quạt hút ảnh hưởng đến hoạt động của lò. XÂY DỰNG GIAO DIỆN ĐỒ HỌA Giao diện đồ họa được xây dựng trên phần mềm Graphic Builder dựa theo các quá trình công nghệ và giao diện của nhà máy nhiệt điện Na Dương. Đồ án đã hoàn thành việc xây dựng giao diện cho toàn nhà máy bao gồm: Hai giao diện tổng quan cho hệ thống hơi nước và hệ thống khói gió, nhiên liệu (Số hiệu H30). (Overview Display) Giao diện hệ thống cung cấp dầu cho quá trình khởi động, số hiệu bản vẽ: E31. Giao diện cho quá trình sử lý đá vôi, số hiệu E32. Giao diện cho quá trình sử lý than, số hiệu E34. Giao diện cho hệ thống khói, khí, số hiệu H32. Giao diện cho hệ thống vòi đốt khởi động, số hiệu H33. Giao diện cho hệ thống cấp than vào buồng đốt, số hiệu H34. Giao diện cho hệ thống cấp đá vôi vào lò, số hiệu H35. Giao diện cho hệ thống thải xỉ tro bay và thải xỉ đáy, số hiệu H37. Giao diện cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện, số hiệu H38. Giao diện cho các thông số chi tiết về lò hơi, số hiệu H42. Giao diện cho hệ thống thải xỉ đáy. Các bản vẽ giao diện sẽ được đặt tại phần cuối của đồ án. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG Các quy ước Mỗi vòng điều chỉnh có thể thực hiện trên một hoặc trên nhiều bản vẽ, trong quá trình thi công, có thể cả vòng điều chỉnh thực hiện trên một bản, nhưng một thiết bị lại được đặt ở bản vẽ khác. Tên Function Block được đặt gồm 2 phần: Phần thứ nhất dạng AAAxxxx gồm phần chữ cái mô tả chức năng của Function Block (thông thường là 3 kí tự, trong một số trường hợp là 4 kí tự) và phần chữ số gồm 4 chữ số là số thứ tự của bản vẽ Phần thứ 2 gồm 3 kí tự dạng Nxx: trong đó xx là số có 2 chữ số cho biết số thứ tự của Function Block trong bản vẽ Ví dụ: PID0014N02 có nghĩa đây là Function Block thực hiện chức năng của bộ điều khiển PID đặt tại bản vẽ DR0014. N02 cho biêt: trong bản vẽ đó, PID0014N02 là Function Block PID thứ 2. Mỗi bản vẽ đều có một Function Block CALCU (dạng tròn) đặt tại góc phải trên, Function Block này được sử dụng để đặt các thông số mặc định trong suốt quá trình mô phỏng, như: khoảng hoạt động của vòng, các giá trị của một số Function Block như hằng số thời gian của khâu trễ bậc một (LAG), … Vòng điều chỉnh áp suất gió sơ cấp tại đầu ra của bộ sấyVan de ton tai: Chua the hien dac tinh bom , moi tam coi vong dieu chinh mong muon bao nhieu se duoc dap ung bay nhieu. Mô phỏng Mô hình mô phỏng được thực hiện trên bản vẽ DR0010.EDF của Control Drawing. Hệ thống đường ống từ bơm đến vị trí đo áp suất được mô phỏng bằng một khâu trễ vận chuyển và một khâu trễ bậc một. Từ thông số test vòng kín của nhà máy, ta tính được các thông số của quá trình như sau: Thời gian trễ vận chuyển: 10 giây. Hằng số thời gian 90 giây. Coi kp=1 bởi vì đã bỏ qua các tổn hao và ảnh hưởng do nhiệt độ gây ra. Hệ thống chấp hành được mô phỏng trên một bản vẽ DR0030.EDF, CALCU: CON0010N01 có chức năng kết nối tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển PID0006N01 tới actuator, valve. Tín hiệu sau khi qua actuator và valve sẽ được nối trở lại bản vẽ DR0010N01 bởi VAL0030N01. Hình 4.10: Cấu trúc mô phỏng vòng điều chỉnh áp suất gió sơ cấp Hệ thống đo lường được xấp xỉ thành một khâu trễ bậc một Toàn bộ vòng điều chỉnh có cấu trúc như sau: Đáp ứng quá trình Hình 4.11: Đáp ứng vòng điều chỉnh áp suất gió sơ cấp khi chưa chỉnh định Khi chưa tiến hành chỉnh định, đáp ứng của hệ thu được như sau: Chỉnh định Ta tiến hành chỉnh định theo phương pháp test vòng hở. Đặc tính vòng hở thu được bằng cách chuyển bộ điều khiển PID về chế độ Manual, sau đó thay đổi giá trị MV, ta thu được đặc tính như sau: Hình 4.12: Đáp ứng vòng hở vòng điều chỉnh áp suất gió sơ cấp khi chưa chỉnh định Tiến hành các bước kẻ tiếp tuyến, xác định thời gian trễ vận chuyển, hằng số thời gian, ta tính được hệ số của PI như sau: P = 15; D =46. Hình 4.13: Đáp ứng vòng điều chỉnh áp suất gió sơ cấp khi sau chỉnh định Đáp ứng của hệ khi sử dụng bộ điều khiển PI với thông số như trên như sau: Nhận xét: Bộ điều khiển đã đưa quá trình về ổn định trong khoảng thời gian khoảng 120 giây, đáp ứng của hệ không có độ quá điều chỉnh, điều này rất quan trọng đối với công nghệ. Vòng điều khiển lưu lượng gió sơ cấp đưa vào Winbox Mô phỏng Lưu lượng đưa đến trước van chấp hành phụ thuộc vào áp suất gió sơ cấp đo được sau hệ thống sấy khí. Từ thông số áp suất, CVT0011N01 sẽ tính toán ra lưu lượng gió sơ cấp ra khỏi vòng điều khiển áp suất. Lưu lượng này qua đường ống được mô phỏng bằng một khâu trễ vận chuyển và một khâu trễ bậc nhất sẽ được đưa đến van chấp hành của vòng điều khiển lưu lượng. Kết hợp với độ mở van nhận từ DR0031.EDF do bộ điều chỉnh quyết định, ta thu được lưu lượng thực qua van, lưu lượng này là lưu lượng gió sơ cấp đưa vào lò. Khi van chấp hành vòng điều khiển lưu lượng mở sẽ ảnh hưởng đến áp suất ra của vòng điều chỉnh áp suất gió sơ cấp. Do đó, lưu lượng qua van cũng dùng để tính toán lại thống số áp suất tại thiết bị đo của vòng điều chỉnh áp suất. Hệ thống đường ống từ sau vòng điều chỉnh áp suất đến trước van chấp hành của vòng điều chỉnh lưu lượng và đường ống từ vị trí van chấp hành đến vị trí của thiết bị đo lưu lượng được mô phỏng bằng một khâu trễ vận chuyển và một khâu trễ bậc một. Thời gian trễ vận chuyển: 6 giây Hằng số thời gian khâu quán tính bậc một: 305 giâyCoi kp=1 bởi vì đã bỏ qua các tổn hao và ảnh hưởng do nhiệt độ gây ra. Transmitter Hệ thống đo lường được xấp xỉ thành một khâu trễ bậc một Hình 4.14: Cấu trúc mô phỏng vòng điều chỉnh lưu lượng gió sơ cấp Toàn bộ vòng điều chỉnh có cấu trúc như sau: Hình 4.15: Đáp ứng vòng điều chỉnh vòng điều chỉnh lưu lượng gió sơ cấp khi chưa chỉnh định Đáp ứng quá trình Khi chưa tiến hành chỉnh định, đáp ứng của hệ thu được như sau: Chỉnh định Hình 4.16: Đáp ứng vòng hở vòng điều chỉnh lưu lượng gió sơ cấp Ta tiến hành chỉnh định theo phương pháp test vòng hở. Đặc tính vòng hở thu được bằng cách chuyển bộ điều khiển PID về chế độ Manual, sau đó thay đổi giá trị MV, ta thu được đặc tính như sau: Tiến hành các bước kẻ tiếp tuyến, xác định thời gian trễ vận chuyển, hằng số thời gian, ta tính được hệ số của PI như sau: P = 9; D =84. Đáp ứng của hệ khi sử dụng bộ điều khiển PI với thông số như trên như sau: Hình 4.17: Đáp ứng vòng điều chỉnh lưu lượng gió sơ cấp khi sau chỉnh định Nhận xét: Bộ điều khiển đã đưa quá trình về ổn định trong khoảng thời gian khoảng 190 giây, đáp ứng của hệ không có độ quá điều chỉnh. Nhận thấy quá trình điều chỉnh lưu lượng xảy ra chậm hơn so với vòng điều chỉnh áp suất. Vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp tại đầu ra của bộ sấy Mô phỏng Mô hình được thực hiện trên bản vẽ DR0006.EDF, và bản vẽ DR0026.EDF. Về mặt cấu trúc, vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp sau bộ sấy khí 2GAH hoàn toàn giống với hệ thống cho gió sơ cấp. Ta có mô hình hệ thống đối tượng và bộ điều khiển như hình vẽ dưới đây. Với các thông số: Thời gian trễ vận chuyển: 7.5 giây Hằng số thời gian khâu quán tính bậc nhất: 62.5 giây Tín hiệu điều khiển cấp từ MV của PID được nối tới DR0026.EDF, sau khi qua các khâu mô tả valve và actuator ở đay, tín hiệu được đưa lại bản vẽ DR0006.EDF Mô hình trên bản vẽ DR0026.EDF, như sau: Hình 4.19: Cấu trúc vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp Mô hình quá trình và bộ điều khiển trên bản vẽ DR0006.EDF Đáp ứng quá trình Hình 4.18: Cấu trúc mô phỏng hoạt động của actuator Khi chưa tiến hành chỉnh định, đáp ứng của hệ thu được như hình 4.18 Chỉnh định Ta tiến hành chỉnh định theo phương pháp test vòng hở. Đặc tính vòng hở thu được bằng cách chuyển bộ điều khiển PID về chế độ Manual, sau đó thay đổi giá trị MV, ta được đặc tính như trên hình 4.19. Hình 4.21: Đáp ứng vòng hở vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp Hình 4.20: Đáp ứng vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp khi chưa chỉnh định Tiến hành các bước kẻ tiếp tuyến, xác định thời gian trễ vận chuyển, hằng số thời gian, ta tính được hệ số của PI như sau: P = 15; D = 35. Hình 4.22: Đáp ứng vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp khi sau chỉnh định Đáp ứng của hệ khi sử dụng bộ điều khiển PI với thông số như trên như sau: Vòng điều khiển lưu lượng gió thứ cấp cấp vào lò Mô phỏng Về mặt cấu trúc, mô hình quá trình tương tự như mô hình của vòng điều chỉnh gió sơ cấp cấp vào Winbox. Về mặt thông số, ta nhận dạng được như sau: Thời gian trễ vận chuyển: 4 giây. Hằng số thời gian khâu quán tính bậc một: 225 giây. Mô hình mô phỏng thực hiện trên bản vẽ DR0007.EDF Hình 4.23: Cấu trúc mô phỏng vòng điều chỉnh lưu lượng gió thứ cấp Actuator được mô phỏng trên bản vẽ DR0027.EDF bởi Function Block VAL0007N01 Đáp ứng quá trình Hình 4.24: Đáp ứng vòng điều chỉnh lưu lượng gió thứ cấp sau khi chỉnh định Khi chưa chỉnh định, đáp ứng của vòng điều chỉnh thu được như sau: Chỉnh định Hình 4.25: Đáp ứng vòng hở vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp Ta tiến hành chỉnh định theo phương pháp test vòng hở. Đặc tính vòng hở thu được bằng cách chuyển bộ điều khiển PID về chế độ Manual, sau đó thay đổi giá trị MV, ta thu được đặc tính như sau: Tiến hành các bước kẻ tiếp tuyến, xác định thời gian trễ vận chuyển, hằng số thời gian, ta tính được hệ số của PI như sau: Hình 4.26: Đáp ứng vòng điều chỉnh áp suất gió thứ cấp khi sau chỉnh định P = 12; D = 62. Đáp ứng của hệ khi sử dụng bộ điều khiển PI với thông số như trên như sau: Vòng điều chỉnh gió chính (Air Master) Sơ đồ thực hiện trên bản vẽ DR0015.EDF. Function Block RAT0015N01 thực hiện chức năng kết nối và nhận tín hiệu đặt từ bộ điều khiển tải lò hơi. Tín hiệu phản hồi được tính toán bởi Function Block CAL0015N03, tín hiệu phản hồi này được tính từ tổng lưu lượng gió sơ cấp (từ bản vẽ DR0011.EDF) và thứ cấp cấp vào lò (DR0007.EDF). Tín hiệu ra khỏi bộ điều khiển là tổng lưu lượng gió cần cấp vào lò. Lưu lượng này được tính toán, phân phối gió bởi Function Block CAL0015N02. Các Function Block RAT0007N02 và RAT0011N02 nhận giá trị từ Function Block CAL0015N02 để tính toán lưu lượng cho gió sơ cấp và thứ cấp. Các Function Block RAT0006N02 và RAT0010N02 nhận giá trị từ Function Block CAL0015N02 để tính toán giá trị đặt Feedforward cho vòng điều khiển áp suất. Hình 4.27: Cấu trúc mô phỏng vòng điều chỉnh gió chính Sơ đồ thực hiện của AirMaster như sau: Hình 4.28: Đáp ứng vòng điều chỉnh gió chính sau khi chỉnh định Vòng điều chỉnh áp suất buồng đốt Mô hình thực hiện trên bản vẽ DR0014.EDF và DR0034.EDF Function Block CAL0014N04 làm nhiệm vụ tính toán tổng lưu lượng gió cấp vào lò, giá trị ra khỏi Function Block này qua các khâu trễ vận chuyển Function Block DLAY0014N02 và khâu quán tính bậc nhất LAG0014N02, các khâu này thể hiện sau một thời gian trễ tổng lưu lượng gió mới ảnh hưởng đến áp suất lò. Từ thống số áp suất lò, Function Block CAL0014N02 tính toán ra lưu lượng tối đa có thể qua van theo đặc tính quạt hút (IDF), thông số này nhân với độ mở van nhận từ actuator ta được thông số lưu lượng khói thực quan van. Lưu lượng này sau một thời gian cùng với lưu lượng gió tổng mới ảnh hưởng tới áp suất lò. Áp suất lò được tính bằng tích phân của hiệu lưu lượng gió cấp vào và lưu lượng khói thoát ra khỏi lò. Sơ đồ thực hiện vòng điều khiển như trên hình vẽ dưới đây. Đáp ứng của vòng điều khiển thu được như sau: Hình 4.29: Cấu trúc mô phỏng áp suất buồng đốt KẾT LUẬN Quá trình thiết kế tốt nghiệp với đề tài: “Xây dựng giao diện và mô hình hóa mô phỏng hệ điều khiển khói gió nhà máy nhiệt điện Na Dương” đã giúp em củng cố thêm kiến thức về lý thuyết điều khiển, mô hình hoá. Trong thời gian làm đồ án em được tiếp xúc, tìm hiểu các quá trình công nghệ trong thực tế và giải quyết các bài toán thực tế. Đó là những kiến thức vô cùng quý giá trước khi tốt nghiệp. Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, KS.Phạm Hồng Sơn – cán bộ nghiên cứu tại trung tâm Hitech và các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, sự giúp đỡ nhiệt tình của các anh chị tại nhà máy Nhiệt điện Na Dương. Đề tài đã phân tích được các quá trình công nghệ của lò hơi tầng sôi tuần hoàn, thấy rõ sự khác biệt về hoạt động của lò, sự khác biệt về cấu trúc điều khiển, yêu cầu điều khiển của hệ điều khiển nhà máy. Trình bày về cấu trúc, chức năng của hệ thống điều khiển phân tán, phương pháp nhận dạng đối tượng là các quá trình và đã bước đầu mô phỏng các vòng điều chỉnh chính trong hệ thống khói gió của nhà máy. Các thông số quá trình sử dụng trong đồ án để mô phỏng quá trình được tính toán từ các kết quả kiểm tra, chỉnh định vòng hở, vòng kín của nhà máy. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và trình độ nên cấu trúc điều khiển của nhà máy đã được đơn giản hóa rất nhiều. Cấu trúc sử dụng chỉ mang tính nguyên lý điều khiển, như các điều kiện logic, các điều kiện liên động, …Đó cũng chình là hạn chế của đồ án. Vì vậy, mong muốn của em là sau khi ra trường được tiếp tục làm việc để phát triển đồ án trở thành một sản phẩm hoàn thiện hơn. Đây là một đề tài mới, do hạn chế về trình độ nên đồ án còn nhiều sai sót. Em mong nhận được sự góp ý từ thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn thầy cô và các bạn!