Cơ khí chế tạo máy - Bài 3: Các phương pháp điều khiển quá trình

Bài 3 CÁC PHƯƠNG PHÁPĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 3.1. Mô hình cấu trúc của quá trình sản xuất3.2. Các chiến lược điều khiển quá trình3.3. Các cấu hình điều khiển3.4. Điều khiển số trực tiếp và giám sátNỘI DUNG 3.1. Mô hình cấu trúc của quá trình sản xuất Quá trrình sản xuất Biến số vào không điều khiển đượcBiến số vào điều khiển đượcBiến số ra đo đượcBiến số đánh giá việc thực hiện Biến số không đổiBiến số vào ra là gì?Biến số vào điều khiển được là những biến số có thể thay đổi để điều chỉnh quá trình. Trong gia công kim loại, đó là vận tốc và lượng ăn dao. Trong quá trình hoá học, đó là tốc độ dòng chảy, nhiệt độ,Biến số vào không điều khiển được là những biến số thay đổi trong quá trình nhưng không điểu khiển được, thí dụ độ sắc của dao cắt, độ cứng của vật liệu, hình dạng của phôi.Biến số cố định: thí dụ như hình học dao cắt và đồ gá. Chúng có thể thay đổi giữa các nguyên công nhưng không thể thay đổi khi thực hiện nguyên công.Biến số ra đo được: là những biến số có thể đo trực tuyến trong quá trình gia công, thí dụ tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, rung động, điện áp, công suất.Biến số đánh giá việc thực hiện: là những biến số được đo trong quá trình thực hiện và thường liên quan tới kinh tế hay chất lượng sản phẩm. Thí dụ giá thành sản phẩm, tốc độ sản xuất, lợi nhuận hàng hoá và cấp chất lượng. Biến số vào ra là gì?là điều khiển các biến số ra đo được để đạt được những kết quả mong muốn của các biến đánh giá việc thực hiện (chất lượng và giá thành). Việc này được thực hiện nhờ thay đổi các biến số vào điều khiển được của qúa trình.Nhiệm vụ của việc điều khiển qúa trình 3.1.1 Các dạng dữ liệuTìn hiệu tương tựTìn hiệu nhị phânTìn hiệu xung103.1.2 Cách biên dịch dữ liệuCó 6 cách biểu diễn dữ liệu nhập xuất giữa máy tính và qúa trình. Đó là:1. Chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.2. Tín hiệu nhập kiểu công tắc3.  Đếm xung4.  Chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự5.  Tín hiệu xuất kiểu công tắc6.  Thiết bị phát xung.XuấtNhậpGiao diện tổng quát giữa máy tính và qúa trình Máy tính sốThiết bị ngoại vi xử lý dữ liệuBộ biến đổi tín hiệu tương tự-sốThiết bị nhập kiểu công tắcThiết bị đếm xungBộ biến đổi tín hiệu số-tương tựThiết bị xuất kiểu công tắcQuá trình sản xuất và thiết bịBộ phát xung3.1.3 Các thiết bị chuyển đổi tín hiệuThiết bị chuyển đổi tín hiệu và cảm biến.Thiết bị chuyển đổi dùng chuyển đổi một đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác để cho dễ sử dụng và dễ đánh giá hơn. Khi thiết bị chuyển đổi dùng dể đo giá trị của một đại lượng vật lý chúng được coi như những cảm biến (sensor). Có hai dạng thiết bị chuyển đổi là tương tự và số.Thiết bị chuyển đổi tương tự phát ra tín hiệu liên tục, như kiểu dòng điện hoặc điện thế đặc trưng cho biến của quá trình. Chúng có hai loại: mức thấp (vài milivolts) và mức cao (cỡ lớn hơn 1 volt).Thiết bị chuyển đổi kiểu số phát ra tín hiệu số biểu diễn đại lượng đo được ở dạng một bộ các bít song song hoặc một loạt các xung đếm được. Nhờ tương thích và dễ dùng với máy tính số chúng ngày càng được sử dụng rộng rãi.3.1.3 Caùc thieát bò chuyeån ñoåi tín hieäuQuá trình chuyển đổi gồm 3 giai đoạn:1. Tín hiệu liên tục chuyển thành một loạt các tín hiệu tương tự ở dạng rời rạc theo thời gian.2. Mỗi giá trị tương tự rời rạc biến thành một số hữu hạn các mức điện thế rời rạc với biên độ cho trước.3. Các mức với biên độ cho trước được biến thành dạng số. Giai đoạn này đôi khi được gọi là mã hoá (encoding).Khi chọn bộ chuyển đổi tương tự – số dùng trong công nghiệp phải lưu ý đến đặc tính của nó: tốc độ chuyển đổi, thời gian chuyển đổi, độ phân giải.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Nhận tín hiệu từ máy tính và phát ra tín hiệu tương tự ở dạng điện thế dùng cho việc điểu khiển các thiết bị tương tự như bộ ghi dữ liệu và máy in. Đây là thiết bị phản hồi của máy tính về quá trình mà nó đo đạc. Quá trình chuyển đổi chia làm hai giai đoạn:1. Tín hiệu số chuyển đổi thành tín hiệu tương tự tương đương. Giai đoạn này gọi là giải mã (decoding). Việc giải mã được thực hiện bởi thanh ghi nhị phân. 2. Chuyển đổi tín hiệu từ thanh ghi nhị phân thành tín hiệu tương tự liên tục gần đúng.Bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tựĐiện thế ra được xác định bằng công thức: trong đó V0 = đầu ra của hoạt động giải mã Vref = nguồn điện thế tham chiếu, bằng đại lượng lớn nhất của đầu ra. B1, B2, , Bn = trạng thái (0 hoặc 1) của các bít nối tiếp nhau trong thanh ghi.Thí dụ: Tín hiệu số: 101000 cho mức điện thế 10V sẽ là 6.25VThí dụ: V0 = 10[0.5(1) + 0.25 (0) + 0.125(1) + 0.0625(0) +0.03125(0) + 0.0156(0)] = 6.25 V Bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tựThiết bị chuyển kênh (multiplexers)Là một thiết bị đóng ngắt nhiều đầu vào với một đầu raNó chia sẻ thời gian sử dụng với các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Nó cũng có thể có những bộ chuyển đổi tính hiệu tương tự – số riêng biệt. Ưu điểm là rẻ tiền.3.1.4 Xử lý tín hiệu nhập xuấtDừng hệ thống Mức độ ưu tiên ngắt như sau:Mức 1 (thấp nhất): Việc ngắt hệ thống bởi người vận hànhMức 2: Việc ngắt sinh ra bởi hệ thốngMức 3: Việc ngắt do rơ-le thời gianMức 4: Việc ngắt do thực hiện xong lệnh điều khiển Mức 5 (cao nhất):Việc ngắt được sinh ra bởi qúa trình Lập trình điều khiển Phần lớn được thực hiện bằng ngôn ngữ assembly hoặc một ngôn ngữ cấp cao như FORTRAN. - Assemly: thích hợp cho những công việc đơn giản. Ưu điểm là hiệu qủa hơn và thực hiện nhanh chóng hơn, đặc biệt khi việc tính toán phải lặp lại nhiều lần. - Ngôn ngữ cấp cao định hướng đối tượng có ưu điểm là giảm được thời gian viết, quen thuộc với nhiều kỹ sư và bác học. 3.1.4 Xử lý tín hiệu nhập xuất3.2. Chiến lược điều khiển qúa trình Có nhiều phương pháp điều khiển hoạt động sản xuất nhờ máy tính, kể cả cấu hình phần cứng lẫn chương trình phần mềm. Việc xem xét cấu hình phần cứng gồm số lượng và chủng loại máy tính và cách nối mạng giữa chúng. Chương trình phần mềm liên quan đến việc chọn chiến lược điều khiển để điều chỉnh hoặc tối ưu hoá việc thực hiện qúa trình. Trước tiên chúng ta hãy xem xét chiến lược điều khiển qúa trình.3.2. Chiến lược điều khiển qúa trình Có nhiều chiến lược điều khiển quá trình. 1. Điều khiển có liên hệ ngược hay hồi tiếp (feedback control)2. Điều chỉnh (regulatory control)3. Điều khiển có liên hệ thuận hay tiến tiếp (Feed forward)4. Điều khiển có kế hoạch từ trước5. Điều khiển trạng thái tối ưu6. Điều khiển thích nghiHệ thống điều khiển có liên hệ ngược Bộ điều khiển qúa trình Qúa trình Liên hệ ngược +-XYLà hệ thống điều khiển kín. Bằng cách đo tín hiệu ra và so sánh với tín hiệu vào, giá trị chênh lệch được dùng để hướng biến điều khiển tới giá trị mong muốn Thí dụ hệ thống CNCHệ thống điều khiển kiểu điều chỉnh (regulatory). - tương tự như hệ thống điều khiển liên hệ ngược, chỉ khác một điều là nó duy trì biến đánh giá qúa trình (chất lượng sản phẩm) ở mức cho trước trong suốt qúa trình. Thí dụ hệ thống điều khiển chép hình thuỷ lực tự điều chỉnh để duy trì lượng chạy dao không đổi trong suốt quá trình.Trong khi đó hệ thống điều khiển liên hệ ngược mục tiêu là điều khiển riêng rẽ biến số ra để đạt được giá trị mong đợi. Hệ thống điều khiển có liên hệ thuận (feedforward control) Trong hệ thống điều khiển kiểu điều chỉnh cũng như hệ thống điều khiển liên hệ ngược hoạt động bù trừ sai số chỉ xảy ra sau khi phát hiện sự dao động của biến số ra, như vậy, sai số có thể xảy ra trước khi có hoạt động điều chỉnh.Trong hệ thống có liên hệ thuận, sự dao động được đo trước khi nó làm đảo lộn qúa trình và hoạt động điều chỉnh xảy ra với sự tiên liệu từ trước. Trong trường hợp lý tưởng, hoạt động điều chỉnh bù trừ hoàn toàn sự sai lệch, ngăn ngừa được sự sai lệch khỏi giá trị mong muốn ở đầu ra của qúa trình. Hệ thống điều khiển có liên hệ thuận (feedforward control) Bộ điều khiển qúa trình Qúa trình Liên hệ ngược +-XYCác phần tử điều khiển tiến tiếpNhiễuTrong hệ thống điều khiển tiến tiếp, Nhiễu được đo và dùng làm biến số vào trong hệ thống. Các phần tử của hệ thống này tính toán ra lượng điều chỉnh cần thiết và thực hiện trước khi nó làm lệch khỏi quá trình. Để thực hiện việc tính toán, hệ thống điều khiển tiến tiếp có model logic hoặc toán học về quá trình. Bản thân hệ thống điều khiển tiến tiếp không chứa bất kỳ một cơ cấu kiểm tra để đầu ra được duy trì ở một mức cho trước. Vì lý do này, nó thường được dùng kết hợp với hệ thống điều khiển liên hệ ngược. Hệ thống điều khiển tiến tiếp đặïc biệt hữu ích khi qúa trình được đặc trưng bởi thời gian đáp ứng hoặc thời gian chết giữa đầu vào và đầu ra lớn. Một mình hệ thống điều khiển liên hệ ngược thường không có khả năng thực hiện việc điều chỉnh quá trình theo thời gian (timely)Thuật ngữ lập kế hoạch trước ý nói đến việc dùng máy tính để điều khiển qúa trình hoặc thiết bị hàng loạt các bước công nghệ đã được xác định trước. Có các dạng sau: CNC – điều khiển số nhờ máy tính: Điều khiển lập trình: được dùng trong công nghiệp xử lý để khởi động hoặc kết thúc một quá trình phức tạp hoặc làm cho qúa trình thay đổi sản phẩm từ cấp độ này tới cấp độ khác. Thí dụ như trong công nghiệp sản xuất giấy, máy tính được lập trình để điều khiển qúa trình qua các giai đoạn của chu kỳ để sản xuất bất kỳ loại giấy nào. Hệ thống điều khiển được lập kế hoạch từ trước (preplanned control) hai yếu tố của hệ thống cần phải được biết trước:1. Biến số đánh giá việc thực hiện quá trình (giá thành thấp nhất và chất lượng cao nhất).Mô hình toán học của qúa trình. Quan hệ toán học giữa biến số vào và ra của qúa trình phải được xác định. Mô hình phải vững chắc trong suốt qúa trình. Mô hình toán học có thể chứa một số ràng buộc đối với một hay một số các biến số của qúa trình. Các ràng buộc này giới hạn phạm vi cho phép một hàm mục tiêu được tối ưu hoá. Hệ thống điều khiển tối ưu ổn định trạng thái Để thực hiện nhiệm vụ này, có rất nhiều kỹ thuật tối ưu hoá được dùng. Những kỹ thuật này bao gồm: Tính toán vi phân Lập trình tuyến tính Lập trình động lực học Tính toán sự biến thiênTất cả những phương pháp này đã được ứng dụng để giải hàng loạt những bài toán điều khiển tối ưu ổn định trạng thái thuộc loại này.Hệ thống điều khiển tối ưu ổn định trạng thái được thiết kế để bù trừ những thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi một số thông số điều khiển để đạt được thông số tối ưu hoặc gần như tối ưu.Hệ thống điều khiển thích nghi khác với hệ thống điều khiển liên hệ ngược hoặc hệ thống điều khiển tối ưu ở chỗ nó có khả năng đương đầu với sự thay đổi của môi trường theo thời gian, trong khi hai hệ thống kia hoạt động trong môi trường xác định hoàn toàn Điều khiển thích nghi Biến số vào hệ thống Biến số vào qúa trình Môi trường thay đổi theo thời gianBiến số ra của qúa trình Bộ điều khiển Quá trình Biến đổi Quyết định Nhận diện Đo đạc Heä thoáng ñieàu khieån thích nghiBa chức năng nhận diện quyết định biến đổi Điều khiển thích nghi xác định đặc tính hiện tại của qúa trình hoặc hệ thống. Việc này có thể cần tới một số đo đạc các biến số của qúa trình và đánh giá mô hình toán học thích hợp của qúa trình. Nó cũng có thể bao gồm việc so sánh chất lượng hiện tại với một số đặc tính tối ưu mong muốn. Chức năng nhận diện Thay đổi vật lý hoặc cơ học bên trong hệ thống. Sự thay đổi này chủ yếu thuộc phần cứng chứ không phải phần mềm. Việc biến đổi bao gồm việc thay đổi các tham số hoặc biến số của hệ thống để điều khiển quá trình tới một qúa trình tối ưu hơn. Chức năng biến đổi Chia làm ba loại Loại 1 – Hệ thống điều khiển tập trungLoại 2 – Hệ thống điều khiển phân tán một phầnLoại 3 – Hệ thống điều khiển phân tán toàn bộ 3.3. Các cấu hình điều khiển quá trìnhLoại 1- Hệ thống điều khiển tập trung Phòng điều khiển trung tâmMàn hìnhThiết bị ghiCác bộ điều khiển ,Quá trìnhCác cảm biếnCơ cấu tác độngvà các giao diện phần cứng khácHàng trăm hoặc hàng ngàn dây dẫn hoặc ống dẫnLoại 1- Hệ thống điều khiển tập trung Hệ thống này hiện được sử dụng rộng rãi nhất. Nó bao gồm một thiết bị điều khiển trung tâm với các cảm biến và các cơ cấu tác động bố trí trong nhà máy.Loại 2 – Hệ thống điều khiển phân tán có chọn lựa. Trạm điều khiển vệ tinhCác bộ điều khiển Quá trìnhCác cảm biếnCơ cấu tác độngvà các giao diện phần cứng khácHàng trăm hoặc hàng ngàn dây dẫn hoặc ống dẫnPhòng điều khiển trung tâmMàn hìnhCác thiết bị ghiCác thiết bị đầu cuối,Các thiết bị vệ tinh khácLoại 2 – Hệ thống điều khiển phân tán có chọn lựa. Ưu điểm của cấu hình này là - kết hợp được cả ưu điểm của hệ thống điều khiển tập trung và hệ thống điều khiển phân tán. Phòng điều khiển của người vận hành vẫn đặt tại vị trí trung tâm để điều khiển hoạt động của cả quá trình. - Đồng thời, mạch điều khiển trở nên ngắn hơn nên tin cậy hơn, ít ồn hơn, ít hư hỏng hơn. khi có sự cố tạm thời giữa trạm điều khiển vệ tinh và máy tính trung tâm, thì bộ điều khiển vệ tinh vẫn có thể hoạt động như một bộ điều khiển cục bộ. Vì thế khu vực sản xuất bị ảnh hưởng vẫn có thể duy trì hoạt động, tuy ở mức ít hiệu quả hơn.Loại 3 – Hệ thống điều khiển phân tán hoàn toàn Bus dữ liệu sốPhòng điều khiển trung tâmMàn hình điều khiểnbộ ghi,Đầu nối cuốiTrạm điều khiển vệ tinhTrạn vận hành cục bộQúa trình C C C CTới các vệ tinh khácBus dữ liệu sốC = Bộ điều khiển đặt trong vùng làm việcLoại 3 – Hệ thống điều khiển phân tán hoàn toàn ưu điểm như hệ thống điều khiển phân tán có chọn lựa: thực hiện việc điều khiển tập trung đối với toàn bộ quá trình, nhưng các bộ điều khiển lại đặt rải rác tại các vị trí trong nhà máy, đi một bước xa hơn so với hai hệ thống điều khiển trên là làm cho mạch điều khiển càng ngắn càng tốt.điều khiển tin cậy hơn nhờ giảm được tiếng ồn điện vì mạch điều khiển ngắn hơn; hoặc nếu như mạch điều khiển là khí nén thì thời gian đáp ứng nhanh hơn nhờ đường dẫn khí ngắn hơn. Loại 3 – Hệ thống điều khiển phân tán hoàn toàn Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ vi xử lý, các bộ vi xử lý có xu hướng được gắn thẳng trong các bộ điều khiển. Việc này làm cho mạch điều khiển trở nên thông minh hơn, kỳ diệu hơn. Trong các ngành công nghiệp các quá trình liên tục, sự có mặt của các bộ vi xử lý trong các cảm biến, các cơ cấu tác động bố trí khắp nơi trong nhà máy là một minh chứng tuyệt vời của việc tổ chức hệ thống điều khiển nhờ máy tính.3.4. Điều khiển số trực tiếp và giám sát Điều khiển số trực tiếp là thay thế các thiết bị điều khiển tương tự cổ điển bằng máy tính số. Với điều khiển số trực tiếp, máy tính tính toán ra các giá trị mong muốn của các biến số vào và áp dụng trực tiếp vào qúa trình So với các thiết bị điều khiển tương tự, máy tính số có khả năng to lớn hơn trong việc thực hiện việc tính toán, mềm dẻo hơn, hiệu quả hơn trong việc thực hiện cùng một công việc so với điều khiển tương tự. Sơ đồ hệ thống điều khiển số trực tiếp Quá trìnhCác biến số vàoCác biến số raOutput Multiplexer Input Multiplexer DDC computerDACADCBộ chuyển đổi và các dụng cụ liên quanCác thiết bị giao diện quá trình (motor bước, )Trạm vận hànhDigital to Analog ControllerDigital to Analog ControllerDirect Digital ControllerCác thành phần của hệ thống điều khiển số trực tiếp 1. Các bộ biến đổi và các cảm biến. Chúng được bố trí trong nhà máy.2. Các cơ cấu tác động. Chúng là các servomotor, valves, rơle,và các thiết bị khác hoạt động dưới sự điều khiển của bộ điều khiển.3. Bô điều khiển tương tự. Điều khiển các thiết bị điện và khí nén hoạt động theo tín hiệu sai số như trên hình 2.2 để điều khiển biến số ra cho phù hợp với gía trị cho trước.4. Thiết bị ghi và chỉ thị. Các thiết bị này cho phép đọc các giá trị đo đưọc của các cảm biến trong phòng điều khiển của người vận hành.5. Thiết bị thiết lập giá trị mong muốn và so sánh. Những thiết bị này thường là một phần của thiết bị điều khiển tượng tư cho phép người vận hành thiết lập giá trị mong muốn của qúa trình. Thiết bị so sánh cho phép so sánh giá trị đo được từ bộ liện hệ ngược với giá trị đã được thiết lập.Điều khiển giám sátQuá trình sản xuất Biến số vào không điều khiển đượcBiến số vào điều khiển đượcBiến số ra đo đượcBiến số đánh giá việc thực hiện Biến số không đổiĐiều khiển tương tự hay DDCĐiều khiển giám sát nhờ máy tính Thay đổi các biến số vào Xác định hàm mục tiêuĐo đạcThay đổi các giá trị điểm thiết lậpĐiều khiển giám sátĐiều khiển giám sátTrong hệ thống điều khiển giám sát nhờ máy tính, việc điều chỉnh các điểm thiết lập được thực hiện bằng một trong hai cách:1. Điều khiển tương tự. Nếu mạch liên hệ ngược riêng rẽ được điều khiển bởi thiết bị tương tự, máy tính sẽ được nối với các thiết bị này. Việc điều chỉnh điểm chuẩn được thực hiện qua giao diện thích hợp phần cứng giữa máy tính và phần tử tương tự.2. Điều khiển số trực tiếp. Nếu mạch liên hệ ngược hoạt động dưới sự điều khiển số trực tiếp thì chương trình điều khiển giám sát sẽ đảm bảo các giá trị điểm thiết lập cho chương trình DDC. Cả hai chương trình điều khiển giám sát và điều khiển số trực tiếp có thể chứa trong cùng một máy tính hoặc trong những máy tính khác nhau trong cấu hình tổ chức. Điều khiển giám sátđiều khiển giám sát liên quan đến việc thực hiện cả qúa trình, trong khi điều khiển số trực tiếp thì lại liên quan đến các mạch điều khiển riêng biệt.Ngoài việc điều chỉnh điểm thiết lập, máy tính giám sát có thể được yêu cầu để điều khiển các biến số rời rạc của qúa trình. Thí dụ, khởi động và dừng motor, mở valves, đóng ngắt công tắc, ống dây điện, Phần lớn các hoạt động công nghiệp là hỗn hợp các biến số tương tự và rời rạc. Vì vậy máy tính điều khiển giám sát được dùng để thực hiện sự phối hợp giữa điều khiển tuần tự và điều khiển theo điểm thiết lập.Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của điều khiển số trực tiếp và điều khiển giám sát Trong chương này chúng ta đã nghiên cứu các vấn đề sau: Mô hình cấu trúc của quá trình sản xuất Dữ liệu về quá trình sản xuất Hệ thống biên dịch dữ liệu về qúa trình Các thiết bị giao diện phần cứng Xử lý tín hiệu nhập xuất dạng số Tóm lượcCác chiến lược điều khiển qúa trình Điều khiển phân tán và tập trung Điều khiển số trực tiếp Điều khiển giám sát nhờ máy tính Hiểu biết bản chất của các phương pháp điều khiển quá trình, biết áp dụng đúng chỗ, đúng lúc sẽ mang lại nhũng lợi ích to lớn. Tóm lược