MỤC LỤC VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT CỒN I. TỔNG QUAN. 1.Các hệ thống điều khiển chính trong nhà máy. - Hệ thống điều khiển phân tán (DCS:Distributed Control System). - Hệ thống dừng khẩn cấp nhà máy (ESD: Emergency Shutdown System). - Hệ thống cảnh báo cháy và rò khí (F&G: Fire and Gas System ) - Hệ thống thông tin liên lạc ( Communication System ) 2. Các thiết bị đo lường điều khiển của nhà máy. - Các thông số kỹ thuật chung. - Bộ điều khiển - Cảm biến: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất. - Các bộ chuyển đổi tín hiệu. - Cơ cấu chấp hành: van điều khiển,… - Các yếu tố của một vòng điều khiển. II.Cấu tạo và nguyên lý đo của các thiết bị đo lường điều khiển. 1.Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) và sơ đồ thang (Ladder diagram). 2.Các loại cảm biến và bộ chuyển đổi tín hiệu. a.Cảm biến đo mức. b.Cảm biến đo nhiệt độ. c.Cảm biến đo áp suất. d.Cảm biến đo lưu lượng. 3.Các thiết bị chấp hành. -Van cầu, van bi, van chặn, van cửa,… - Van điều khiển. 4.Các ký hiệu bản vẽ thông dụng và cách đọc bản vẽ P&ID. - Các ký hiệu. -Mô tả cách đọc bản vẽ . III.KẾT LUẬN. Kết luận tóm tắt các vấn đề cần nắm qua tài liệu này. THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG và ĐIỀU KHIỂN I.Khái niệm cơ bản. 1.Đại lượng đo lường. Trong lĩnh vực đo lường, dựa theo tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta phân ra hai loại cơ bản: • Đại lượng điện. • Đại lượng không điện (non electrical) là những đại lượng vật lý, hóa học, sinh học, y học…không mang tính đặc trưng của đại lượng điện. Tùy thuộc vào tính chất cụ thể của đại lượng đo, chúng ta đặt ra phương pháp và cách thức đo để từ đó thiết kế và chế tạo thiết bị đo. 1.1.Đại lượng điện. Được phân ra hai dạng : - Đại lượng điện tác động (active). - Đại lượng điện thụ động (passive). • Đại lượng điện tác động. Đại lượng điện áp, dòng điện, công suất là những đại lượng mang năng lượng điện. Khi đo các đại lượng này , bản thân năng lượng này sẽ cung cấp cho các mạch đo. Trong trường hợp năng lượng quá lớn, sẽ được giảm bớt cho phù hợp với mạch đo, ví dụ phân áp hay phân dòng… Trong trường hợp quá nhỏ sẽ được khuyếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt động được. • Đại lượng điện thụ động. Đại lượng điện trở, điện cảm, điện dung, hổ cảm, … các đại lượng này không mang năng lượng cho nên phải cung cấp điện áp hoặc dòng điện cho các đại lượng này khi đưa vào mạch đo. Trong trường hợp đại lượng này đang là phần tử trong mạch điện đang hoạt động, chúng ta phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu. Ví dụ cách thức đo nóng nghĩa là đo phần tử này trong khi mạch đang hoạt động hoặc cách thức đo nguội khi phần tử này đang ngưng hoạt động. Ở mỗi cách thức đo sẽ có phương pháp đo riêng. 1.2.Đại lượng không điện. Đây là đại lượng hiện hữu trong đời sống của chúng ta ( nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc…). Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện bằng các bộ chuyển đổi hoặc cảm biến hoàn chỉnh, thuận lợi, chính xác, tin cậy hơn trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động. 2. Chức năng và đặc tính của thiết bị đo lường. 2.1. Chức năng. Hầu hết các thiết bị đo có chức năng cung cấp cho chúng ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát. Kết quả này được chỉ thị hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc được dùng để tự động điều khiển đại lượng đang được đo. Ví dụ:trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, thiết bị đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo, hiển thị và đưa tín hiệu đo này về hệ thống điều khiển để đạt được thống số nhiệt độ theo yêu cầu. 2.2. Đặc tính của thiết bị đo lường. Một thiết bị đo lường ( cảm biến) phải có những đặc tính cơ bản sau: • Tốc độ đáp ứng ( response): thời gian đáp ứng của thiết bị đo đối với sự thay đổi của đại lượng đó. • Độ nhạy ( sensitivity) : tỷ số giữa sự thay đổi của tín hiệu vào và tín hiệu ra của thiết bị đo. Ký hiệu S là độ nhạy của cảm biến thì: Trong đó ∆x là gia số đại lượng đầu vào, ∆y là gia số đại lượng đầu ra. Trong thực tế sử dụng độ nhạy tương đối : Với x là đại lượng vào, y là đại lượng ra. Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S 0 =const hoặc là phi tuyến nếu S 0 =var. Cảm biến phi tuyến có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lượng vào (x). • Điểm không (zero):là giá trị bắt đầu của phép đo. • Dải span: giá trị lớn nhất của cảm biến ở phép đo. • Tầm đo ( range): giá trị lớn nhất của cảm biến có thể đo được • Độ chính xác (sai số) ( accuracy ): là sai số của giá trị đo được với giá trị thực tin cậy được. Sai số tuyệt đối: e ═ y-x e-sai số tuyệt đối; y-trị số tin cậy được; x-trị số đo được. Sai số tương đối (tính theo %):e═│ │100% Độ chính xác tương đối: A=1–│ │ Độ chính xác tính theo %: a=100% – e = (A x 100%) • Độ lặp lại ( repeatability): tính chất của cảm biến không thể lặp lại giá trị chính xác đã được cảm biến đưa ra trước đó. • Độ phân giải (resolution): khoảng chia nhỏ nhất để thiết bị đo đáp ứng được. • Sự ổn định (stability) : Độ sai lệch của kết quả đo sau khi thiết đo được sử dụng trong một thời gian. • Turndown : tỷ lệ giữa dải đo được và dải hoạt động của thiết bị đo lường. Công thức: Turndown= = Ví dụ: URL= 150 psig cảm biến đo áp suất có tầm đo : 0÷150 psig LRL = 0 psig Người sử dụng muốn đo từ 0 ÷50 psig URV=50 psig LRV= 0 psig Khi đó, turndown của thiết bị đo là: TD = = = 3:1 3.Những phần tử trong thiết bị đo lường. Tổng quát, thiết bị đo lường cấu tạo bằng ba phần sau: cccac 3.1. Cảm biến. Phần tử biến đổi các đại lượng đo như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức, khối lượng… thành các đại lượng điện hay cơ. 3.2. Bộ chuyển đổi tín hiệu đo. Chức năng chuyển đổi tín hiệu đo từ cảm biến thành dạng tín hiệu chuẩn sử dụng cho mục đích hiển thị và điều khiển, thông thường chuyển đổi tín hiệu điện hoặc cơ thành tín hiệu điện hay khí nén. Input signal Forms Output Signal Forms Electrical 3-15 psi pneumatic Or or Mechanical 4-20 mA dc current Tín hiệu đầu ra từ cảm biến được đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu (transmitter). Thông thường, cảm biến và transmitter được thiết kế trong cũng một khối. input signal from sensor ( process variable information) CẢM BIẾN BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆ U ĐO BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ Transmitter Output Signal Turbine Flowmeters 3.3. Bộ hiển thị (Indicator). Hiển thị kết quả đo được tại vị trí đo, thông thường kết quả đo được đưa về một hệ thồng điều khiển chung của nhà máy để hiển thị và điều khiển. Digital pressure gauge II. Nguyên lý cấu tạo và ứng dụng của các cảm biến đo lường. 1.Cảm biến nhiệt độ. Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện. Những cảm biến nhiệt độ được mô tả trong bài viết này là: • Cặp nhiệt điện ( thermocouples). • Nhiệt kế điện trở kim loại (RTD). 1.1.Cặp nhiệt điện (thermocouples). 1.1.1. Nguyên lý cấu tạo. Một trong những phương pháp thông dụng để đo nhiệt độ được dùng trong khoa học và kỹ thuật là sử dụng hiệu ứng nhiệt điện. Một cặp nhiệt điện gồm hai dây dẩn A và B được cấu tạo bởi vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung của nó có nhiệt độ T 2 , và hai đầu còn lại của cặp nhiệt điện có nhiệt độ T 1 xuất hiện một sức điện động nhiệt điện E có độ lớn phụ thuộc vào vật liệu của A và B cũng như sự sai biệt về nhiệt độ giữa T 2 và T 1. Nguyên lý cặp nhiệt điện. T 2 là nhiệt độ mối nối chung (còn được gọi là mối nối đo) là nhiệt độ T C đạt được khi đặt mối nối chung trong môi trường cần đo có nhiệt độ không biết T X , nhiệt độ T C phụ thuộc vào vào T X . Hai đầu còn lại của cặp nhiệt độ có nhiệt độ biết trước và giữ không đổi là T 1 =T ref và được nối với mạch đo áp. Cặp nhiệt điện đưa ra tín hiệu áp thấp ở tầm milivon. Tín hiệu áp gia tăng theo khi nhệt độ đo gia tăng và cũng phụ thuộc vào chất liệu được sử dụng ở hai dây của cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi các kim loại hoặc hợp kim khác nhau và có khoảng đo rộng từ -270 0 C÷2700 0 C, đáp ứng của cặp nhiệt điện không tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi lớn, tính không tuyến tính trong mối quan hệ giữa sức điện động nhiệt điện và nhiệt độ và nhiệt độ được thể hiện qua công thức tính như sau: E = C (T 2 – T 1 ) + K ( - ) với C,K- các hằng số phụ thuộc vào cặp nhiệt điện. T 2 - nhiệt độ mối nối đo; T 1 - nhiệt độ mối nối chuẩn. Ví dụ: cặp nhiệt độ Cu/constantan có C=3,75x10 -12 mV/ 0 C và K= 4,50x10 -5 mV/ 0 C, nếu T 2 = 100 0 C, T 1 = 0 0 C , sức điện động nhiệt điện: E = C (T 2 – T 1 ) + K ( - ) = 3,75x10 -2 (100-0) +4,50x10 -5 (100 2 -0 2 ) =3,75 mV + 0,45 mV = 4,20 mV Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau , và mỗi loại thì được làm từ những kim loại khác nhau . Sự lựa chọn cặp nhiệt điện thông thường phụ thuộc vào:  Điều kiện của quá trình đo.  Tầm nhiệt độ đo.  Độ bền yêu cầu.  Mức độ chính xác yêu cầu. Những loại cặp nhiện điện khác nhau được chỉ định một chữ cái và màu của dây . Bảng sau mô tả các ặp nhiệt điện với chữ cái và màu dây tương ứng: Cặp nhiệt điện Chất liệu sử dụng Mã màu Nh.độ sử dụng E Chromel (+) Constantan (-) (+) màu tía (-) màu đỏ -200 0 C ÷900 0 C J Iron (+) Constantan (-) (+) màu trắng (-) màu đỏ 0 0 C ÷760 0 C K Chromel (+) Alumel (-) (+) màu vàng (-) màu đỏ -200 0 C ÷1250 0 C R Platinum-13%Rhodium( +) Platinum (-) Không thiết lập 0 0 C ÷1450 0 C S Platinum-10%Rhodium(+) Platinum (-) Không thiết lập 0 0 C ÷1450 0 C T Copper (+) Constantan(-) (+) màu xanh (-) màu đỏ -200 0 C ÷350 0 C *Bảng màu này chỉ áp dụng cho Mỹ và Canada, các nước khác và quốc tế sử dụng bảng màu khác. Sử dụng bảng chuyển đổi: Tương ứng với mỗi mối nối cấu tạo bởi những chất liệu khác nhau, điện áp đưa ra bởi mối nối chung cho mỗi nhiệt độ đã được thiết lập và ghi lại trong bảng chuyển đổi. Bảng sau là một phần của bảng chuyển đổi cho cặp nhiệt điện loại K mô tả mức điện áp đưa ra cho những nhiệt độ khác nhau. Bảng chuyển đổi đưa ra những giá trị điện áp tương ứng với độ chênh lệch nhiệt độ của mối nối chung và nhiệt độ mối nối tham khảo được duy trì hoặc dùng mạch bù để giữ nhiệt độ này ở 0 0 C. Bảng này cũng đã loại trừ những yếu tố ảnh hưởng đến giá trị điện áp đưa ra bằng các mạch bù điện tử. Type K Themocouple Temperature 0 C Milivolts -40 -1.527 -30 -1.1156 -20 -0.778 -10 -0.392 0 0.000 10 0.397 20 0.798 30 1.203 40 1.612 50 2.023 60 2.436 70 2.851 Chú ý là bảng chuyển đổi điện áp/nhiệt độ cho cặp nhiệt điện thì thay đổi theo mối quan hệ không tuyến tính. Ví dụ, cho cặp nhiệt điện loại K, một giá trị điện áp đọc được là 0.397 milivolts ở nhiệt độ mối nối đo tương ứng ở 10 0 C. Nếu mối quan hệ giửa millivolt/nhiệt độ chính xác tuyến tính thì ở 40 0 C thì mức điện áp đưa ra sẽ gấp 4 lần 0.379 hay 1.516 milivolts. Nhưng thực ra giá trị điện áp đưa ra trong bảng là 1.612 milivolts. Type J Thermocouple Temperature 0 C Milivolts 0 0.000 10 0.507 20 1.019 30 1.537 40 2.059 50 2.585 60 3.116 70 3.650 80 4.187 90 4.726 100 5.269 110 5.814 120 6.360 130 6.909 140 7.459 150 8.010 160 8.562 170 9.115 180 9.669 190 10.224 200 10.779 210 11.334 220 11.889 230 12.445 240 13.000 250 13.555 260 14.110 270 14.665 280 15.219 290 15.773 300 16.237 Khi mối nối chung có nhiệt độ trên 0 0 C, day nong (positive wire, vật liệu được liệt kê đầu tiên cho cặp nhiệt điện) ở điện thế cao hơn dây nguội (negative wire). Khi nhiệt độ mối nối chung thấp hơn 0 0 C, dây nguội trở thành dây nóng, và một hiệu điện thế âm sẽ xuất hiện trên mạch đo áp. Khi nhiệt độ mối nối chung cân bằng ở 0 0 C, hiệu điện thế xác định được là 0 milivolts. Kết luận: khi đo nhiệt độ mối nối chung có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mối nối tham khảo T ref thì xuất hiện hiệu điện thế dương, ngược lại khi đo nhiệt độ mà mối nối chung có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ mối nối tham khảo thì sẽ có một hiệu điện thế âm đưa ra trên mạch đo áp. Trong vài trường hợp, để đạt được độ chính xác cao khi đo nhiệt độ nhiều cặp nhiệt điện được kết nối song song với nhau. Hình sau mô tả một ví dụ của cặp nhiệt điện loại J đo tại 3 điểm khác nhau trong trường hợp đo dòng khí nóng. Giá trị mà vôn kế đo được là 11.889 millivolts- là giá trị trung bình của hiệu điện thế đưa ra bởi 3 cặp nhiệt điện. Giá trị đọc được trong trường hợp này như sau: MJ 1 = 200 0 C = 10.779 millivolts MJ 2 = 220 0 C = 11.889 millivolts MJ 3 = 240 0 C = 13.000 millivolts Chú ý là cặp nhiệt điện chỉ đo nhiệt độ ở mối nối giữa hai dây kim loại. Do đó để tránh tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẩn được đặt trong vỏ các điện bằng sứ. Cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được che chở thêm bằng một lớp vỏ để chống lại sự xâm phạm của các khí cũng như những đột biến nhiệt, lớp vỏ thường làm bằng sứ hoặc thép trong trường hợp bằng thép mối nối có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc với vỏ, điều này có lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn. Mối nối được cách ly với vỏ Mối nối tiếp xúc với vỏ 1.1.2. Ứng dụng Vì dải đo của cặp nhiệt điện lớn nên nó được sử dụng rộng rải trong công nghiệp. Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé nó cho phép đo nhiệt độ rất chính xác, tốc độ đáp ứng nhanh. Ngoài ra, tín hiệu được tạo ra dưới dạng sức điện động mà không cần tạo ra dòng điện chạy qua cảm biến như vậy tránh được hiện tượng đốt [...]... hình dạng của ống Bourdon khi có tác động của áp suất vào bên trong ống Cảm biến được cấu tạo gồm hai phần:  Ống Bourdon có chức năng cảm nhận sự thay đổi của áp suất để chuyển đổi sự thay đổi này sang chuyển động cơ  Một đồng hồ hiển thị áp suất tương ứng với chuyển động cơ học Nguyên lý hoạt động: Ống Bourdon là một ống thép cong rỗng oval, khi có áp suất tác động vào bên trong ống sẽ làm gia tăng... strain gage) 2.2.1 Nguyên lý cấu tạo Strain gage là cảm biến áp suất hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi lực tác động do áp suất gây ra thành tín hiệu điện dùng để hiển thị hay dùng để điều khiển trong một vòng điều khiển Cấu tạo của strain gage gồm 2 phần chính:  Một màng mỏng (diaphragm) đáp ứng với sự tác động của lực tác động bằng sự thay đổi hình dạng  Một phần tử điện trở có dạng hình lưới... Trong các ứng dụng đo lường nhiệt độ của quá trình công nghệ, người ta thường dùng khái niệm thermowell để chỉ cảm biến nhiệt độ RTD hay thermocouple có vỏ bọc bảo vệ bên ngoài, nó được gọi là thermowell Thermowell đảm bảo chức năng chuyển nhiệt độ cần đo bên ngoài vào đầu đo nhiệt với độ chính xác như mong muốn Các cảm biến nhiệt độ trong nhà máy có độ chính xác ở khoảng +/- 0.1 % giá trị đo, và độ... (99,99%) điều này cho phép ta biết được đặc tính điện của nó rất chính xác và không thay đổi Nó thường sử dụng ở nhiệt độ từ -2000 C đến 10000C Nickel: có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao, nickel chống lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 2500C Đồng: được sử dụng vì đ ặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện trở theo nhiệt Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép sử dụng ở... đảm bào có giá trị điện trở nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên sự cồng kềnh bất tiện Tungstene: Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn bạch kim trong trường hợp nhiệt độ cao hơn 1000 K và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn bạch kim với độ tuyến tính hơn bạch kim Tungstene có thể cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép chế tạo cảm biến có trị số lớn RTD Pt-100 Bạch kim là kim loại... đổi Sự thay đổi của hình dạng ống sẽ được cơ cấu cơ khí chuyển đổi để hiển thị giá trị đo trên đồng hồ áp suất Cấu tạo của ống Bourdon Hình dạng ống rỗng khi chưa có áp suất tác động Hình dạng ống rỗng khi có áp suất tác động Mặt sau của ống Bourdon trong thực tế 2.1.2 Ứng dụng Cảm biến áp suất loại ống Bourdon thường được dùng để đo áp suất tương đối, tuyệt đối với kết quả áp suất đo được hiển thị... thông dụng trong chết tạo RTD bởi vì tính tuyến tính của điện trở khi nhiệt độ thay đổi Điện trở của một vật liệu là khả năng cho dòng điện chạy qua Điện trở càng cao, dòng điện chạy qua nhỏ Điện trở có đơn vị ký hiệu là ohm (Ω), dòng điện có đơn vị ký hiệu là ampe (A) Mối quan hệ giữa điện trở của RTD và nhiệt độ được thể iện qua công thức sau: RT = R0 ( 1+ αT + βT2) trong đó: RT: điện trở Ω tại nhiệt... điện trở kim loại Tiện ích cơ bản của stran gage là:  Giá thành thấp  Kích thước nhó  Tốc độ đáp ứng nhanh Hình dưới mô tả loại màng bằng kim loại, khi có áp suất tác động vào lớn hơn áp suất thiết kế không biến dạng của màng sẽ làm cho tấm màng bị biến dạng, kép theo là sự thay đổi về điện trở của dây kim loại trên tấm màng do sự biến dạng, sự thay đổi về điện trở của dây kim loại sẽ được chuyển đổi... đo áp suất trong công nghiệp 2.3 Áp kế điện dung (capacitance pressure sensor) 2.3.1 Nguyên lý cấu tạo Áp kế điện dung dùng để đo áp suất dựa trên nguyên lý chuyển đổi lực tác động do áp suất gây ra thành tín hiệu điện dùng cho hiển thị hay đo lường điều khiển Cấu tạo chính của áp kế điện dung là một tụ điện gồm hai bản cực Giữa hai bản cực là môi trường chứa chất cách điện gọi là điện môi Công thức... micro Fara), pF (pico Fara) Trong trường hợp áp kế điện dung dùng để đo áp suất tại một đểm, tụ điện sẽ gồm một bản cực cố định và bản cực còn lại là một màng kim loại chịu tác động trực tiếp của áp suất Khi có áp suất tác động bản cực màng kim loại (diaphragm metal ) sẽ bị võng xuống làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực gây ra sự thay đổi điện dung của tụ điện Hai dây A và B được nối đến mạch . LỤC VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT CỒN I. TỔNG QUAN. 1.Các hệ thống điều khiển chính trong nhà máy. - Hệ thống điều khiển phân tán (DCS:Distributed Control System). - Hệ thống. Control System). - Hệ thống dừng khẩn cấp nhà máy (ESD: Emergency Shutdown System). - Hệ thống cảnh báo cháy và rò khí (F&G: Fire and Gas System ) - Hệ thống thông tin liên lạc ( Communication. trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc…). Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động hóa các đại lượng không điện nói trên, chúng ta cần chuyển