ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà Phản biện 1: TS. Nguyễn Duy Cương Phản biện 2: GS. TS. Phan Xuân Minh Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường 202 - A8, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên. Vào hồi 15 giờ 30 ngày 17 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Điều khiển quá trình là gì? Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường. 1.2. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư cần làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. 1.3. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình Các chức nang điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hóa hoặc theo tính chất nhiệm vụ. 1.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến phức tạp nhưng chúng đều dựa trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành. 1.5. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng một hệ thống điều khiển bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống. 1.6. Mô tả chức năng hệ thống Mô tả chức năng hệ thống là công việc không thể thiếu trong thiết kế, xây dựng và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình. 1 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH LÀM MÁT 2.1. Phân tích bài toán công nghệ 2.1.1. Giải pháp công nghệ hiện tại Dây chuyền sản xuất keo nhũ trong các nhà máy có sơ đồ công nghệ như sau: Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất keo nhũ Công nghệ sản xuất keo nhũ bao gồm các quá trình gia nhiệt, trộn và làm mát các dung dịch A, B, C với tỉ lệ dung dịch và nhiệt độ cho từ loại sản phẩm. Chất hòa tan A, B và C sau khi được nghiền sẽ được hòa tan và gia nhiệt tới nhiệt độ yêu cầu và được chứa trong các bể chứa có thể tích đủ lớn để đảm bảo cho ca sản xuất. Dung dịch A và B có nhiệt độ ~ 100 0 C sau khi được trộn bởi máy trộn 1 sẽ được đưa vào máy làm mát 1 bằng bơm đẩy 1. Hỗn hợp A và B sau khi được trộn đều và làm mát sẽ được trộn với dung dịch C bởi máy trộn 2. Hỗn hợp các dung dịch A, B, C được đưa tới máy làm mát 2 để tiếp tục làm mát và đưa tới hệ thống đóng gói. Chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ các thành phần dung dịch A, B, C trong sản phẩm và nhiệt độ của sản phẩm trong 2 từng khâu của quá trình công nghệ. Đặc biệt, nhiệt độ của hỗn hợp A-B ở đầu ra của máy làm mát 1. Hiện tại, việc ổn định nhiệt độ sử dụng máy bơm nước và các van đóng mở bằng tay để điều khiển nhiệt độ keo. Phương pháp điều chỉnh nhiệt độ đơn giản này thường gây ra sai số nhiệt độ sản phẩm đầu ra rất lớn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm và an toàn, tuổi thọ của thiết bị. 2.1.2. Giải pháp khắc phục tồn tại Để giữ ổn định chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nguy cơ mất an toàn cần cải tạo hệ thống trên theo hướng nhằm ổn định nhiệt độ đầu ra các máy làm mát. Do nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát 2 ít ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cũng như nguy cơ mất an toàn nên ta chỉ cần thực hiện ổn định nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát 1 như sau: Hình 2.2 Sơ đồ cải tiến công nghệ làm mát keo nhũ Để ổn định nhiệt độ dòng keo nhũ này cần sử dụng biến tần điều khiển máy bơm nước để thay đổi lưu lượng làm mát đáp ứng với sự 3 thay đổi của các tham số như: nhiệt độ dòng keo nhũ đầu vào, lưu lượng dòng keo nhũ đầu vào, nhiệt độ nước làm mát,… đảm bảo nhiệt độ dòng keo nhũ đầu ra ổn định ở nhiệt độ đặt. 2.2. Xây dựng mô hình quá trình làm mát 2.2.1. Mô hình hóa lý thuyết Sơ đồ công nghệ của quá trình làm mát được minh họa đơn giản như sau: Hình 2.4 Các biến quá trình Dòng quá trình nóng được làm mát với một dòng nước. Nhiệt độ dòng quá trình trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được ký hiệu lần lượt là T H1 và T H2 , nhiệt độ dòng làm mát vào và ra được ký hiệu là T C1 và T C2 . Lưu lượng khối lượng của hai dòng được ký hiệu lần lượt là w H và w C . Xét theo quan hệ nhân quả, ta có thể nhận ra trong quá trình gia nhiệt có 2 biến ra là T H2 và T C2 . Tuy nhiên, từ yêu cầu công nghệ ta 4 có thể thấy ngay biến ra duy nhất cần điều khiển là T H2 . Nhiệt độ ra của dòng làm mát T C2 có thể đo và phản hồi về để sử dụng trong thuật toán điều khiển, nhưng không có lý do gì phải điều khiển. Bốn biến và được xác định là T C1 , w C, T H1 , w H , trong đó có thể dễ dàng nhận ra biến điều khiển tiềm năng là lưu lượng dòng làm mát w C và các đại lượng còn lại là nhiễu quá trình. Lưu lượng dòng quá trình w H phụ thuộc và yêu cầu công nghệ của công đoạn phía sau, ở đây ta không can thiệp được vì vậy phải được coi là nhiễu tải. Trong phạm vi của quá trình làm mát ta cũng không thể can thiệp tới nhiệt độ đầu vào nước làm mát một các dễ dàng và nhanh chóng, do vậy chỉ còn lưu lượng dòng nước làm mát w C có thể được chọn là biến điều khiển tiềm năng. Việc mô hình hóa bằng lý thuyết sử dụng các phương trình cân bằng, định luật, công thức và biến đổi toán học để xây dựng mối quan hệ giữa các tín hiệu của hệ thống. Tuy nhiên, trong hệ thống còn có các phần tử khác: đường ống, van, thiết bị đo. Vì vậy, để xác định hàm truyền của hệ thống cần có mô hình hàm truyền của các thiết bị này. Trong phạm vi luận văn sẽ xác định hàm truyền của đối tượng theo phương pháp nhận dạng vòng hở. 2.2.2. Mô hình hóa bằng thực nghiệm dựa trên đáp ứng quá độ. Quá trình thực tế nào cũng phi tuyến, vì vậy việc tiến hành thực nghiệm được thực hiện xung quanh điểm làm việc. Giữ ổn định nhiệt độ, lưu lượng đầu vào của dòng quá trình và nhiệt độ, lưu lượng đầu vào nước làm mát, chờ đến khi nhiệt độ đầu ra của dòng quá trình T H2 ổn định ở 67,1 0 C. Thay đổi lưu lượng dòng nước làm mát từ 0,3 l/s lên 0,9 l/s nhiệt độ dòng nóng giảm dần và tiến tới ổn định ở 65,2 0 C. Từ số liệu thực nghiệm ta xây dựng được đồ thị đáp ứng quá độ của thiết bị làm mát như sau hình 2.6. 5 Hình 2.6 Đáp ứng quá độ Quá trình trao đổi nhiệt có đáp ứng nhanh quá độ tắt dần hình chữ S. Thực ra, một mô hình quá tính bậc cao là phù hợp nhất với đường cong đáp ứng này. Tuy nhiên, một mô hình bậc cao thường gây khó khăn cho việc thiết kế luật điều khiển đơn giản như PID. Để giải quyết vấn đề này, ta có thể thực hiện phép xấp xỉ để đưa về mô hình quán tính bậc một kết hợp với một khâu trễ [5]. Mô hình của thiết bị làm mát có hàm truyền đạt: ( ) 1 s ke G s s θ τ − = + (2.7) 6 Áp dụng phương pháp hai điểm quy chiếu ta xác định được: 1.9 3.2 0.6 y k u ∞ ∆ = = = ∆ ( 0 C.s/lít) ( ) ( ) 2 1 1.5 1.5 277 157 180t t τ = − = − = (s) 2 277 180 97t θ τ = − = − = (s) Vậy ta có: ( ) 97 3.2 1 180 s e G s s − ∗ = + Hình 2.7 Nhận dạng mô hình từ đáp ứng quá độ theo phương pháp 2 điểm quy chiếu 7 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 3.1.1. Điều khiển phản hồi Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo (hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Vì cấu trúc khép kín này sách lược điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (close – loop control) trong các sách lược điều khiển. Một câu hỏi được đặt ra thường xuyên là điều khiển phản hồi có vai trò quan trọng như thế nào trong các hệ thống điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung. Có thể trả lới ngay rằng điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất. không thể thay thế trong hầu hết các hệ thống điều khiển. Mặc dù là nền tảng của điều khiển quá trình, điều khiển phản hồi không phải không có những hạn chế. Thứ nhất, ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định cũng có thể trở nên mất ổn định. Thứ hai, để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt nhất thì phép đo đại lượng phản hồi cần phải có độ chính xác cần thiết. Thứ ba, mặc dù điều khiển phản hồi đã dung sai với sai lệch mô hình ở một góc độ nào đó nó không thể giải quyết hoàn toàn được vấn đề này. Thứ tư, bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng có nghĩa là chỉ khi ảnh hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giá trị biến được điều khiển thì nó mới tác động trở lại. 3.1.2. Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward) 8 [...]... khiển AI808 để ổn định lưu lượng) sẽ tạo ra dòng keo có nhiệt độ và lưu lượng ổn định để đưa vào máy làm mát keo nhũ Máy làm mát keo nhũ thực hiện việc làm mát keo xuống nhiệt độ ~ 70 0C theo cách điều chỉnh bằng tay độ mở của van để thay đổi lưu lượng nước làm mát Dải nhiệt độ cho phép là 68 – 73 0 C Trước khi bơm keo vào máy làm mát, thiết bị sẽ được gia nhiệt tới nhiệt độ ~ 70 0C Hệ thống điều khiển... có 2 nghiệm thực âm nên hệ thống ổn định 17 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131 4.1 Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ Dây chuyền sản xuất keo nhũ thực hiện việc gia nhiệt, pha trộn và làm mát các dung dịch A, B, C với tỉ lệ nhất định cho từ loại sản phẩm Hỗn hợp dung dịch A và B được pha trộn với tỉ lệ và lưu lượng cố định (sử dụng hệ thống máy bơm và biến tần... S7-200 để điều khiển việc khởi động, dừng máy, cảnh báo và khống chế hoạt động của dây chuyền khi xảy ra quá áp suất, quá nhiệt, quá dòng điện, mức bể cao hoặc thấp… 4.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán ổn định nhiệt độ đầu ra máy làm mát keo nhũ 4.2.1 Phương án thực nghiệm Xây dựng hệ thống ổn định nhiệt độ keo nhũ ở đầu ra máy làm mát sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ TZ4M của Autonics với thuật... khởi động dây chuyền sản xuất vào thời điểm 17 giờ 37 phút 12 giây với giá trị đặt nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát là SV = 70 0C và thu được kết quả như sau: Hình 4.6 Đồ thị dung dịch pha A, B và nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 7 phút 19 Ta nhận thấy, lưu lượng dung dịch pha A và B nhanh chóng được ổn định với sai lệch không đáng kể, nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm. .. trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng các phương pháp điều khiển nhiệt độ Nhiệm vụ cụ thể là Nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các Chương sau: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình Chương 2: Phân tích công nghệ, xây dựng mô hình quá trình làm mát Chương 3: Thiết kế cấu trúc... kế đáp ứng được yêu cầu công nghệ điều khiển và ổn định nhiệt độ làm mát keo trong dây chuyền sản xuất keo nhũ 2 Kiến nghị Với việc nghiên cứu độc lập một đại lượng nhiệt độ thì bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng đã đảm bảo được quá trình làm việc của đối tượng điều khiển Tuy nhiên trong hệ thống này có sự tác động lẫn nhau giữa áp suất, nhiệt độ và lưu lượng Nên bộ điều khiển thực tế cần phải... làm mát được giữ ổn định ở 70 ± 0,5 0 sau ~ 7 phút Hình 4.9 Đồ thị dung dịch pha A, B và nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát sau khi khởi động dây chuyền sản xuất 22 phút Ta nhận thấy, nhiệt độ keo ở đầu ra máy làm mát được giữ ổn định ở 70 ± 0,8 0 sau 22 phút Sai lệch này là không đáng kể và đáp ứng được yêu cầu công nghệ là (68 – 73) 0C 20 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA ĐỀ TÀI 1 Kết luận Nội dung cơ bản trong. .. của hệ thống được thể hiện dưới dạng mô hình Simulink như hình 3.12 Trong đó tín hiệu vào là điện áp thông qua khâu chuyển đổi tín hiệu thành dòng điện điều khiển Biến tần động cơ cấp nước làm mát, điều khiển nhiệt độ dòng keo nhũ đầu ra ổn định ở 70°C, thiết bị đo lường biến đổi tín hiệu nhiệt độ thành điện áp để so sánh với tín hiệu đặt Hình 3.12 Cấu trúc hệ thống bằng Simulink 3.3.2 Mô hình hệ thống. .. nghiệm trên dây chuyền sản xuất keo nhũ tại nhà máy Z131 Kết quả luận văn đã đạt được là: Thiết kế được bộ điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng để điều khiển và ổn định nhiệt độ làm mát keo Tính toán, lựa chọn các thông số để cài đặt cho bộ điều khiển đảm bảo giữ ổn định chất lượng sản phẩm Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng được yêu cầu công nghệ điều khiển... Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống Mỗi cấu trúc điều khiển đều có những ưu điểm, nhược điểm, tuy nhiên với bài toán truyền nhiệt do cần ổn định nhiệt độ đầu ra và loại 10 nhiễu trong quá trình làm việc nên hai cấu trúc điều khiển phản hồi và điều khiển truyền thẳng (Feed-Forward) được tác giả lựa chọn để điều khiển hệ thống nhằm giúp ổn định nhiệt độ đầu ra của dòng keo nhũ (TH2 = 70°C), ở đây ta . nên hệ thống ổn định. 17 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM TRÊN DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ TẠI NHÀ MÁY Z131 4.1. Giới thiệu dây chuyền sản xuất keo nhũ Dây chuyền sản xuất keo nhũ thực hiện việc gia nhiệt, . khiển AI808 để ổn định lưu lượng) sẽ tạo ra dòng keo có nhiệt độ và lưu lượng ổn định để đưa vào máy làm mát keo nhũ. Máy làm mát keo nhũ thực hiện việc làm mát keo xuống nhiệt độ ~ 70 0 C. THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THANH HIỆP NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÀM MÁT KEO TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT KEO NHŨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN