Nghiên cứu, khắc phục ảnh hưởng của van điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình

LƢƠNG THỊ THANH XUÂN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

T

Ƣ̣ Đ

Ộ N

G

H

Ó A

NGÀNH: TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A

NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG

CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

LƢƠNG THỊ THANH XUÂN

TN

2011 THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG

CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN QUÁ TRÌNH

Ngành: TƢ̣ ĐỘ NG HÓ A

Học Viên: LƢƠNG THỊ THANH XUÂN

Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH

THÁI NGUYÊN – 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-----------------------

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Lƣơng Thị Thanh Xuân

Ngày tháng năm sinh : Ngày 01 tháng 12 năm 1980

Nơi sinh : Huyện Đông Triều – Tỉnh Quảng Ninh

Nơi công tác : Trƣờng Đại Học Sao Đỏ

Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Chuyên ngành : Tự động hóa

Khóa học : K12- TĐH

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, KHẮC PHỤC ẢNH HƢỞNG CỦA VAN

ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Trƣờng Đại học Bách Khoa – Hà Nội

Ngày giao đề tài: ........./....../.........

Ngày hoàn thành: ......./....../.........

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Bùi Quốc Khánh

HỌC VIÊN

Lương Thị Thanh Xuân

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.

Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu

tham khảo.

Tác giả luận văn

LƢƠNG THỊ THANH XUÂN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1

MỤC LỤC...................................................................................................................2

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, TIẾNG NƢỚC NGOÀI.................................6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.....................................................................7

PHẦN MỞ ĐẦU.......................................................................................................10

Nội dung nghiên cứu:................................................................................................11

Chƣơng 1. VAI TRÕ CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH....13

1.1. Vai trò vị trí của van trong điều khiển quá trình............................................13

1.2. Cấu tạo, phân loại van điều khiển..................................................................15

1.2.1. Cấu tạo van điều khiển ...........................................................................15

1.2.2. Phân loại van điều khiển.........................................................................24

1.3. Đặc tính của van điều khiển...........................................................................28

1.3.1. Kiểu tác động của van ............................................................................28

1.3.2. Đặc tính thời gian của van......................................................................29

1.3.3. Đặc tính lƣu lƣợng của các loại van ......................................................34

1.3.4. Đặc tính động học của van .....................................................................46

1.4. Lựa chọn van điều khiển................................................................................46

Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG PHI TUYẾN CỦA VAN ĐIỀU KHIỂN...54

2.1. Hiện tƣợng Stiction........................................................................................54

2.1.1. Giới thiệu chung .....................................................................................54

2.1.2. Đề suất định nghĩa mới về Stiction ........................................................56

2.2. Quan sát ảnh hƣởng hiện tƣợng Stiction trong thực tế ..................................60

2.3. Mô hình vật lý của ma sát van .......................................................................65

2.3.1. Mô hình ma sát .......................................................................................66

2.3.2. Mô phỏng van.........................................................................................67

2.4. Mô hình Stiction van điều khiển bằng dữ liệu...............................................70

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG VÀ KHẮC PHỤC HIỆN TƢỢNG

STICTION ĐẾN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN PH..............................................74

3.1. Động học cơ bản của phản ứng hóa học .......................................................74

3.1.1. Cân bằng hóa học ...................................................................................74

3.1.2. Tốc độ phản ứng.....................................................................................75

3.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cân bằng hóa học và tốc độ phản ứng .........76

3.2. Lý thuyết về pH ............................................................................................77

3.2.1. Quá trình pH...........................................................................................77

3.2.2. Đƣờng cong chuẩn độ............................................................................78

3.2.3. Ý nghĩa quá trình trung hòa pH..............................................................80

3.3. Ảnh hƣởng của đặc tính van tới điều khiển độ PH trong CSTR ...................81

3.3.1. Mô tả chung............................................................................................81

3.3.2. Quá trình xảy ra trong bình CSTR ........................................................83

3.4. Phƣơng pháp bù ảnh hƣởng của stiction valve ..............................................85

3.4.1. Phƣơng pháp knocker.............................................................................85

3.4.2. Phƣơng pháp bù: bổ xung thêm mạch vòng bù ảnh hƣởng hiện tƣợng

Stiction valve ....................................................................................................87

Chƣơng 4. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH VAN ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.....................................................................................89

4.1. Tham số mô phỏng ........................................................................................89

4.2. Kết quả mô phỏng..........................................................................................89

4.2.1. Mô phỏng đặc stiction valve...................................................................89

4.2.2. Hệ điều khiển quá trình với valve lý tƣởng............................................92

4.2.3. Mô phỏng ảnh hƣởng của hệ điều khiển với đặc điểm stiction valve....96

4.2.4. Khắc phục ảnh hƣởng Stiction đến quá trình điều khiển pH .................99

Kết luận chung và kiến nghị ...............................................................................104

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................105

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

LỜI NÓI ĐẦU

Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công

nghiệp chế biến, khai thác và năng lƣợng. Trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại

hệ thống điều khiển giám sát là thành phần không thể thiếu. Các hệ thống điều

khiển và giám sát đƣợc sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung

đƣợc gọi là các hệ thống điều khiển quá trình (Process Control System, PCS). Một

hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lƣờng,

điều khiển, vận hành và giám sát nhằm bảo đảm các yêu cầu của quá trình và thiết

bị công nghệ nhƣ chất lƣợng sản phẩm, sản lƣợng, hiệu suất sản xuất, an toàn cho

con ngƣời, máy móc và môi trƣờng.

Trong một quá trình sản xuất, có hàng trăm thậm chí hàng nghìn vòng điều

khiển, tất cả đƣợc kết nối với nhau để cho ra đời sản phẩm. Mỗi vòng điều khiển

đƣợc thiết kế để giữ một số biến quá trình quan trọng nhƣ áp suất, lƣu lƣợng, nhiệt

độ… trong phạm vi yêu cầu đề đảm bảo chất lƣợng sản phẩm. Tuy hiên các vòng

lặp có thể nhận và tạo ra những rối loạn nội bộ, ảnh hƣởng bất lợi đến các biến quá

trình. Để giảm bớt ảnh hƣởng của những rối loạn tải, cảm biến và các thiết bị nhận

truyền sẽ thu nhập thông tin về biến quá trình và mối quan hệ của nó với mong

muốn của điểm thiêt lập. Thông tin thu nhận đƣợc sẽ đƣợc truyền về bộ điều khiển,

bộ điều khiển sẽ thực hiện những phép tính và đƣa ra quyết định điều khiển đƣa

biến quá trình về gần mong muốn của điểm thiết lập. Khi tất cả sự đo đạc, so sánh

và tính toán đƣợc thực hiện, một số phần tử điều khiển cuối cùng đƣợc lựa chọn bởi

bộ điều khiển. Phần tử cuối cùng này chính là các thiết bị chấp hành xác định bởi

đầu ra của bộ điều khiển. Các phần tử này có thể là van điều khiển, thiết bị chuyển

đổi on - off, nhƣng đƣợc dùng phổ biến trong hầu hết các vòng điều khiển công

nghiệp chính là van điều khiển.

Nhƣ vậy van điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong hệ điều khiển quá

trình, nó điều chỉnh lƣu lƣợng môi chất chống lại xáo trộn tải, giữ biến quá trình ở

gần điểm đặt mong muốn.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

Trong phạm vi luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, khắc phục ảnh hưởng của

van điều khiển tới hệ điều khiển quá trình” tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ

bản của van điều khiển, hiện tƣợng Stiction của van điều khiển và ảnh hƣởng của

van điều khiển tới chất lƣợng hệ điều khiển quá trình

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành Tự động hóa

GVHD: PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Học viên: Lương Thị Thanh Xuân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, TIẾNG NƯỚC NGOÀI

STT Ký hiệu Diễn giải

1. CV Biến cần điều khiển – Controlled Variable

2. SP Giá trị đặt – Set Point

3. MV Biến điều khiển – Manipulated Variable

4. CO Tín hiệu đầu ra bộ điều khiển – Control Output

5. QO Mở nhanh – Quick Open

6. EP Phần trăm đều – Equal percentage

7. FC Van đóng an toàn

8. FO Van mở an toàn

9. R Dải điều chỉnh van – Rangeability

10. CSTR Bình phản ứng khuấy trộn liên tục - Continuous

Stirred Tank Reactor

11. PID Proportional – Integral – Derivative

12. PI Proportional – Integral