Điều Khiển Quá Trình - Bách Khoa Toàn Thư Việt Nam

(Process Control)

Điều khiển quá trình tự động (Automatic Control Process) liên tục là sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển và các ngành kỹ thuật hóa học sử dụng các hệ thống điều khiển công nghiệp để đạt được mức sản xuất tính nhất quán, tiết kiệm và an toàn mà không thể đạt được bằng tay. Nó được thực hiện rộng rãi trong các ngành công nghiệp như lọc dầu, sản xuất giấy và bột giấy, chế biến hóa học và các nhà máy điện, …

Có rất nhiều kiểu kích thước khác nhau, loại và độ phức tạp khác nhau, nhưng chỉ cần số lượng nhỏ các nhà điều hành quản lý các quy trình phức tạp vẫn đạt được độ nhất quán cao. Sự phát triển của các hệ thống điều khiển quá trình tự động lớn là công cụ cho phép thiết kế các quá trình kỹ thuật khối lượng lớn và phức tạp, mà các cách khác không thể vận hành một cách kinh tế hoặc an toàn được.

Trong quá trình điều khiển, có quá trình đạt được. Quá trình đạt được là mối quan hệ giữa đầu ra được điều khiển và đầu vào điều khiển của quá trình, được định nghĩa là thay đổi của đầu vào chia cho sự thay đổi của đầu ra. Tăng tích cực (positive gain) là khi cả đầu vào, đầu ra cùng tăng lên; tăng tiêu cực (negative gain) là đầu vào tăng, trong khi đầu ra giảm.

Phạm vi ứng dụng có thể bao gồm từ việc điều khiển nhiệt độ và mức của một bình quá trình, cho đến một quá trình chế biến hóa học hoàn chỉnh với hàng ngàn vòng điều khiển.

Lịch sử điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình sơ khai được đột phá bằng các thiết bị điều khiển nước. Ktesibilos of Alexandria được cho là phát minh ra van nồi để điều chỉnh mực nước của đồng hồ nước vào thế kỷ thứ 3 trước công nguyên. Vào thế kỷ thứ nhất sau công nguyên, Heron of Alexandria đã phát minh ra van nước tương tự như van nạp nước trong nhà vệ sinh hiện đại.

Sau đó, các phát minh ở lĩnh vực điều khiển quá trình đều có liên quan đến các nguyên lý vật lý cơ bản. Năm 1620, Cornlis Drebel đã phát minh bộ điều chỉnh nhiệt độ bằng thanh lưỡng kim để điều khiển nhiệt độ lò. Năm 1681, Denis Papin đã phát hiện ra áp lực bên trong một con tàu có thể điều chỉnh được bằng cách đặt trọng lượng lên trên nắp tàu. Vào năm 1745, Edmund Lee đã chế tạo cánh quạt cho các cối xay bột bằng sức gió (cối xay gió).

Với sự khởi đầu của Cách mạng Công nghiệp lần thứ 1 vào những năm 1760, điều khiển quá trình với các sáng chế nhằm thay thế lao động của con người bằng các quy trình cơ giới hoá. Năm 1784, Oliver Evans đã tạo ra máy xay chạy bằng sức nước và băng chuyền. Henry Ford áp dụng lý thuyết tương tự vào năm 1910 để tạo ra dây chuyền lắp ráp nhằm giảm sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất ô tô.

Những đột phá lớn trong điều khiển quá trình xảy ra vào những năm 1920, khi Nicolas Minorsky xuất bản một nghiên cứu về việc sử dụng các bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân và vi phân bậc hai để điều khiển lái tàu. Minorsky cũng chỉ ra rằng phương trình vi phân có thể được sử dụng để chứng minh tính ổn định hệ lái tàu. Ngoài ra, Harry Nyquist đã phát triển một tiêu chuẩn để kiểm tra tính ổn định của các hệ thống phản hồi. Trong suốt 3 thập kỷ tiếp theo, vô số bài viết và bài báo về lý thuyết điều khiển quá trình xuất hiện. Đáng chú ý nhất, văn bản đầu tiên về điều khiển quá trình đã được AJ Young xuất bản năm 1954, tiếp theo là văn bản thứ hai của Norman Ceaglske năm 1956. Từ thời điểm này trở đi, điều khiển quá trình trở thành nền tảng cơ bản cho sinh viên ngành tự động hóa.

Cấu trúc tầng của điều khiển quá trình

Biểu đồ kèm theo là một mô hình chung cho thấy chức năng của các cấp trong một quy trình lớn sử dụng bộ vi xử lý và máy tính vào điều khiển quá trình.

Cấu trúc tầng

Cấp 0 chứa các thiết bị trường bao gồm các thiết bị cảm biến và thiết bị chấp hành của quá trình như cảm biến lưu lượng và nhiệt độ (các giá trị đo quá trình - PV), và các phần tử điều khiển đầu cuối (FCE), chẳng hạn như van điều khiển

Cấp 1 bao gồm các mô đun vào/ra công nghiệp, và các bộ vi điều khiển phân tán có liên quan của tới quá trình.

Cấp 2 chứa các máy tính giám sát, kết hợp thông tin từ các nút xử lý ở cấp 2 và cung cấp các màn hình điều khiển cho người điều khiển.

Mức 3 là mức kiểm soát sản xuất, không trực tiếp điều khiển quá trình, nhưng liên quan đến việc theo dõi các mục tiêu sản xuất và giám sát

Mức 4 là mức lập kế hoạch sản xuất.

Phân loại điều khiển quá trình

Các quá trình được thành các loại cơ bản sau:

Mẻ (Batch): Một số ứng dụng yêu cầu nguyên liệu đầu vào phải được xử lý tuần tự qua các bước trung gian, cho ra các sản phẩm trung gian trong một khoảng thời gian nhất định trước khi ra sản phẩm đầu cuối. Quá trình này được gọi là quá trình mẻ (batch Process) thường có trong các ngành công nghiệp chế biến như sản xuất kẹo, nước giải khát… Đặc thù của quá trình này là các bình khuấy trộn. Điều khiển quá trình mẻ (batch process control thường là điều khiển không liên tục, hay còn gọi là điều khiển theo sự kiện rời rạc.

Liên tục (Continue): Thông thường, một hệ thống vật lý được biểu diễn thông qua các biến quá trình trơn không bị gián đoạn theo thời gian. Ví dụ như điều khiển nhiệt độ trong một bao hơi là quá trình điều khiển liên tục theo thời gian. Một số quá trình liên tục quan trọng như quá trình sản xuất nhiên liệu, nguyên liệu, hóa chất và chất dẻo. Các quá trình liên tục thường sử dụng để sản xuất ra số lượng sản phẩm rất lớn trong một năm. Điều khiển quá trình liên tục thường phải sử dụng đến nguyên tắc điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển thông dụng nhất đang sử dụng trong công nghiệp hiện nay là bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID là sự kết hợp của ba thành phần tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D).

Lai (Hybrid): Ứng dụng có các thành phần của quá trình điều khiển liên tục và theo mẻ thường được gọi là các ứng dụng lai. Điều khiển quá trình lai (Hydrid Process Control) áp dụng trong hầu hết trong các nhà máy chế biến, nhà máy điện, tòa nhà.

Vòng điều khiển

Nền tảng cơ bản của bất kỳ hệ thống điều khiển tự động công nghiệp liên tục nào là vòng điều khiển kín. Mỗi mạch vòng kín chỉ điều khiển cho một qui trình kỹ thuật. Ví dụ minh họa trong sơ đồ đi kèm là vòng điều khiển lưu lượng nước trong đường ống. Bộ điều khiển được sử dụng ở đây là bộ điều khiển PID, để tăng tính hiệu quả một bộ điều khiển mạch vòng điều khiển tùy động van được thiết lập bên trong tạo thành cấu trúc điều khiển lồng (cascade).

Vòng điều khiển lưu lượng liên tục

Một số các quá trình công nghệ phức tạp có thể có vài trăm hoặc vài ngàn vong điều khiển. Trong các quá trình phức tạp, vòng điều khiển này có thể tương tác với các vòng điều khiển khác, do đó hoạt động của một vòng điều khiển có thể ảnh hưởng đến hoạt động của những vòng điều khiển khác. Sơ đồ hệ thống để mô tả các vòng điều khiển là một sơ đồ đường dẫn và các thiết bị.

Bộ điều khiển thường được sử dụng là bộ điều khiển logic khả trình (PLC), Hệ thống Điều khiển Phân tán (DCS) hoặc SCADA.

Danh mục các kỹ thuật và cơ chế sử dụng trong điều khiển quá trình

Việt Anh

Thiết bị chấp hành Actuator

Tự động hóa Automation

Điều khiển tự động Automatic control

Cân kiểm tra Check weigher

Bộ điều khiển vòng kín Closed-loop Controller

Kỹ thuật điều khiển Control Engineering

Vòng điều khiển Control loop

Bảng điều khiển Control Panel

Hệ thống điều khiển Control System

Lý thuyết điều khiển Control Theory

Tín điều khiển được Controllability

Bộ điều khiển ( lý tuyết điều khiển) Controller (Control Theory)

Điều khiển dẫn hướng Cruise Control

Vòng dòng Current loop

Điều khiển số Digital Control

Phản hồi Feedback

Truyền thẳng Feed-forward

Hệ thống điều khiển phân tán Distributed control system

Bus trường Fieldbus

Van điều khiển lưu lượng Flow control valve

Hệ thống điều khiển mờ Fuzzy control system

Lập lịch hệ số khuếch đại Gain scheduling

Hệ thống điều khiển thông minh Intelligent control system

Ảnh laplace Laplace transform

Điều khiển tuyến tính tham số biến đổi Linear parameter-varying control

Dụng cụ đo Measurement instruments

Điều khiển dự báo dựa mô hình Model Predictive Control

Phản hồi âm Negative Feedback

Điều khiển phi tuyến Nonlinear Control

Điều khiển vòng hở Open-loop Controller

Lịch sử vận hành Operational historian

Bộ điều khiển PID PID controller

Lưu đồ thiết bị và ống dẫn Piping and Instrumentation diagram

Phản hội dương Positive feedback

Khả năng xử lý Process capability

Bộ điều khiển logic khả trỉnh Programmable Logic Controller

Bộ điều khiển (Điều khiển tự động) Regulator (automatic control)

Hệ thống điều khiển và giám sát SCADA

Tùy động Servomechanism

Giá trị đặt Setpoint

Điều khiển trượt Sliding Mode Control

Điều khiển nhiệt độ Temperature Control

Bộ biến đổi Transducer

Van Valve

Giám sát điều khiển quá trình Process control monitoring

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Young, William Y, Svrcek, Donald P, Mahoney, Brent R, 1: A Brief History of Control and Simulation". A Real Time Approach to Process Control, 3th edition, Chichester, West Sussex, United Kingdom, John Wiley & Sons Inc, ISBN 978-1119993872, 2014

Bequette, B. Wayne, Process control: Modeling, Design, and Simulation, Prentice-Hall International series in the physical and chemical engineering science ed., Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall PTR. ISBN 978-0133536409, 2003