Kỹ thuật đo lường và tự động hóa

heo thời gian mà lợi nhuận  là lớn nhất. 56 Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học  Nếu Q(t) đạt giá trị lớn nhất trong toàn bộ thời gian phản ứng tR, nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng sẽ đạt được lớn nhất có thể. Ban đầu, khi nồng độ CA lớn, chúng ta sẽ có sản lượng B cao nhưng chúng ta cũng sẽ trả nhiều chi phí cho hơi đốt. Sau đó nồng độ B tăng lên làm cho sản lượng của C cũng tăng.  Nếu lượng hơi giữ ở mức thất nhất của nó (tức là Q(t) = 0) trong suốt thời gian phản ứng tR, chúng ta sẽ không phải tốn chi phí cho hơi, nhưng chúng ta cũng sẽ không thu được sản phẩm B. 57 Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học  Chúng ta thấy rõ ràng từ 2 mức giới hạn trên là Q(t) sẽ biến đổi giữa giá trị thấp nhấp và cao nhất trong suốt thời gian phản ứng. Làm cách nào để nó thay đổi nhằm đạt được lợi nhuận tối đa là không đơn giản và đòi hỏi giải pháp tối ưu vấn đề đưa ra ở trên.  Trong hình sau, chúng ta sẽ thấy một xu hướng chung là lượng hơi phải theo tối ưu hóa lợi nhuận. 58 Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011 15 Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học 59 Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học  Vì vậy, một hệ thống điều khiển là cần thiết mà để tính toán lượng hơi tốt nhất cho mỗi thời thời điểm trong suốt thời gian phản ứng và điều chỉnh van (cung cấp hơi) để lưu lượng hơi đạt được giá trị tốt nhất như đã tính toán. Đó là vấn đề điều khiển tối ưu. 60 Tối ưu hóa hiệu suất quá trình hóa học  Ví dụ này cho thấy rằng điều khiển lượng hơi nước sẽ không thường đảm bảo tính ổn định của thiết bị phản ứng hoặc loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài lên thiết bị phản ứng mà là tối ưu hiệu quả kinh tế của nó 61 Các thành phần cơ bản cấu thành nên hệ thống điều khiển tự động 62 Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011 16 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển  Trong mỗi cấu trúc bộ điều khiển chúng ta có thể nhận ra các thành phần cứng sau: o Quá trình hóa học: Nó đại diện cho các thiết bị với các hoạt động hóa học hoặc vật lý xảy trong đó o Các thiết bị đo lường hoặc các đầu dò: Các thiết bị đo được sử dụng để đo các yếu tố nhiễu, biến đầu ra của bộ điều khiển hoặc các biến đầu ra thứ cấp, và là nguồn cung cấp thông tin chính về hoạt động của quá trình. Chẳng hạn như:  Cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế điện trở dùng để đo nhiệt độ  Lưu lượng kế Ventury để đo lưu lượng dòng  Các máy sắc ký khí để đo thành phần của hơi 63 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển  Một nhiệt kế thủy ngân không tốt cho việc đo lường mà được sử dụng cho việc điều khiển vì giá trị đo của nó không thể truyền tải được.  Mặt khác, một nhiệt kế nhiệt điện thì lại dùng được vì nó sinh ra một hiệu điện thế mà có thể dễ dàng truyền tải được.  Vì vậy, việc truyền tải là một yếu tố rất quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị đo lường.  Các thiết bị đo tốt là yếu tố quan trọng cho các bộ điều khiển tốt, các thiết bị đo phải chắc chắn và đáng tin cậy trong công nghiệp 64 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ chuyển đổi:  Nhiều thiết bị đo không thể sử dụng cho việc điều khiển cho đến khi chúng được chuyển đổi thành các đại lượng vật lý khác (như là hiệu điện thế hoặc cường độ dòng điện, hoặc tín hiệu áp suất, như khí nén hoặc dòng lưu chất) mà có thể được truyền tải dễ dàng.  Các bộ chuyển đổi được sử dụng cho mục đích đó. Chẳng hạn như cảm biến điện trở là những dây dẫn kim loại mà điện trở của nó thay đổi khi chúng bị biến dạng cơ học. Vì vậy chúng có thể được sử dụng để chuyển tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện. 65 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ chuyển đổi:  Có 3 loại tín hiệu tín hiệu chính được sử dụng trong công nghiệp • Tín hiệu khí nén, hoặc áp suất khí, thường sử dụng trong khoảng 3-15psig. • Tín hiệu điện thường sử dụng trong khoảng 4-20mA, 1-5V hoặc 0-10V. • Tín hiệu số thường sử dụng là 0 hoặc 1 66 Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011 17 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ chuyển đổi:  Các tín hiệu được sử dụng để truyền đạt thông tin. Tín hiệu từ máy phát tới bộ điều khiển được sử dụng bởi máy phát để cung cấp thông tin cho bộ điều khiển giá trị thông số cần điều khiển.  Nó không đo được nhưng là tỷ lệ với với tín hiệu đo. Mối quan hệ với giá trị đo phụ thuộc vào sự hiệu chuẩn của sensor/máy phát.  Bộ điều khiển sử dụng tín hiệu ra của nó để tác động đến bộ phận điều khiển cuối làm gì (chẳng hạn như mở van bao nhiểu, bơm biến tần chạy với tốc độ nào,…). 67 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ chuyển đổi:  Chúng ta thường xuyên chuyển từ tín hiệu này thành một loại khác.Một bộ chuyển đổi sẽ làm việc này.  Ví dụ, chúng ta chuyển tín hiệu điện (mA) sang tín hiệu áp suất khí (psig). Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi I/P để chuyển cường độ dòng điện (I) thành áp suất khí (P). Tín hiệu vào có thể là 4-20mA và tín hiệu ra từ 3-15psig. Một bộ chuyển đổi tương tự sang số A/D (analog/digital) chuyển từ tín hiệu mA hoặc V sang tín hiệu số. Có nhiều bộ chuyển đổi khác nhau như: D/A, P/I, E/P (volt/pneumatic), P/E,… 68 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Đường truyền dẫn:  Chúng được sử dụng để truyền tải tín hiệu đo được từ các thiết bị đo đến các thiết bị điều khiển.  Trước đây, đường truyền dẫn là khí (khí nén hoặc chất lỏng nén) nhưng với sự xuất hiện của các bộ điều khiển analog điện và đặc biệt sự lan tràn của việc sử dụng máy tính số cho việc điều khiển, đường truyền dẫn đã truyền dẫn tín hiệu điện.  Đôi khi tín hiệu đo từ các thiết bị đo thì rất không ổn định và không thể được truyền dẫn cho quãng đường dài. Trong những trường hợp như vậy, đường truyền dẫn được cung cấp bộ khuêch đại để tăng mức độ của tín hiệu. Chẳng hạn như, đầu ra của nhiệt kế nhiệt điện chỉ khoảng vài milivôn, vì vậy trước khi nó được truyền tải đi đến bộ điều khiển, nó được khuếch đại lên đến vài vôn. 69 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ điều khiển:  Đây là bộ phận cứng mà được gọi là “bộ não”. Nó tiếp nhận thông tin từ thiết bị đo và quyết định các tác động sẽ thực hiện tiếp theo.  Những bộ điều khiển trước đây là các bộ thông minh ở mức giới hạn, có thể dùng cho các quá trình đơn giản mà có quy luật điều khiển đơn giản.  Ngày nay với việc phát triển của kỹ thuật số cho nên các bộ điều khiển đã trở nên thông minh hơn mà có thể làm các công việc phức tạp hơn phù hợp hơn với các quy luật điều khiển phức tạp hơn rất nhiều. 70 Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011 18 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ phận điều khiển cuối cùng:  Đây là bộ phận cứng mà thực thi các quyết đinh được đưa ra bộ điều khiển.  Ví dụ, nếu bộ điều khiển “quyết định” tăng (hoặc giảm) lưu lượng dòng hơi để giữ cho nhiệt độ trong thùng chứa ở giá trị mong muốn (có thể xem lại ví dụ trong mục trước), nó là van thực thi quyết định này, việc mở (hoặc đóng) bởi được ra lệnh bởi bộ điều khiển. 71 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển  Van điều khiển thường là bộ phận điều khiển cuối cùng nhưng không phải là duy nhất. Các bộ phận điều khiển cuối cùng đối với các quá trình hóa: • Công tắc rơle, cung cấp bộ điều khiển ON-OFF • Bơm biến tần • Máy nén biến tần 72 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển o Bộ phận ghi:  Chúng được sử dụng để cung cấp bộ hiển thị trực quan về các quá trình hóa học làm việc như thế nào.  Thông thường, các thông số được ghi lại là các thông số được đo trực tiếp như là một phần của hệ thống điều khiển. Những thông số đo được khác nhau (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần hợp chất,…) có thể được hiển thị trong phòng điều khiển của nhà máy hóa, luôn hiển thị liên tục các giá trị đo được trong quá trình.  Việc phát triển của các máy tính điện tử ngày nay đã ứng dụng rất nhiều trong việc điều khiển quá trình, giúp chúng ta dễ dàng ghi nhận lại quá trình thông qua các máy quay video (video display units_VDUs). 73 Các thành phần cứng của một hệ thống điều khiển 74 Kỹ thuật đo lường và tự động hóa 6/25/2011 19 Ví dụ  Điều khiển nhiệt độ trong thiết bị truyền nhiệt TT Condensate Steam Feed TCProduct Stream Setpoint 75 Ví dụ  Điều khiển trong thiết bị phản ứng sinh học Air AC Variable Speed Air Compressor AT Setpoint 76