Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện

“hàm phạt” luôn dương, xác định theo quan hệ: , ; (2.21) p>0 - hệ số phạt đủ lớn, ví dụ chọn trong khoảng: 10¸106. Dễ thấy rằng với hệ số p đủ lớn, lời giải của bài toán (2.20) hoàn toàn thỏa mãn (2.17)-(2.18), tức là chúng tương đương nhau. Hàm J(A) thường có khe sâu dọc theo biên ràng buộc (2.21), do vậy, ở đây hiệu quả nhất là áp dụng thuật toán tối ưu hóa “Vượt khe hướng chiếu affine”. Có thể tóm tắt trình tự nhận dạng đối tượng trong hệ đang làm việc, gồm các bước sau: - Đầu tiên, căn cứ vào thời điểm xuất hiện tín hiệu nào đó tác động vào hệ thống, ghi lại các quá trình thay đổi tín hiệu ở phía đầu vào và đầu ra của đối tượng cần xét. Chọn dải tần ảnh hưởng nhất (dải cơ bản): wmin¸wmax, và xác định N giá trị tần số phân bố theo cấp số nhân: w1=wmin, wi+1=qwi, i=1,2,…,N-1, q=(wmax/wmin)1/(N-1). Sau đó, theo (2.9) tính mảng Oyx(jwi), i=1,2,…,N. Có thể bổ sung số liệu từ các thí nghiệm trước đó. - Đặt mảng Oyx(jwi) vào (2.14). Dùng thuật toán vượt khe giải bài toán này với nhiều cấu trúc khác nhau của mô hình cơ sở. Kết quả thu được hàm truyền cơ sở tối ưu . - Tính theo (2.19) sai lệch giữa mô hình cơ sở và số liệu thực nghiệm: D(jwi), i=1,2,…,N. Giải bài toán (2.20) bằng thuật toán vượt khe, nhận được “nhân” bất định tối ưu: M(s,A*). Từ đó có mô hình (2.15) phủ lên các đặc tính tần số thực nghiệm đã xét của đối tượng. 2.2. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG THEO SỐ LIỆU VẬN HÀNH BÌNH THƯỜNG TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN PHẢ LẠI 2. 2.2.1. Khái quát chung về sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy. Hệ thống điều khiển mức nước nằm trong tổ hợp hệ thống điều khiển DCS của toàn bộ nhà máy. Hệ thống điểu khiển mức nước bao hơi của nhà máy sử dụng hai khối PID điều khiển là: PID điều khiển vòng ngoài và bộ PID điều khiển vòng trong. Ngoài ra trong sơ đồ điều khiển còn sử dụng các khối tính toán để sử lý kết quả đo đạc từ các đầu đo gửi về. Tín hiệu đo mức nước của bao hơi được lấy từ bốn đầu đo khác nhau đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu. Đồng thời những kết quả này còn được hiệu chỉnh qua áp suất của bao hơi để tăng độ chính xác cho kết quả đo. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi được trình bày ở hình trang bên. - L g H(t) - O2(s) R2 O1(s) R1 B(s) Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển m%(t) q(t) Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển như sau: Trong đó: g: Giá trị đặt bằng số. L: Tổ hợp tác động nhiễu. H: Đáp ứng đầu ra của hệ thống. R1, R2: Lần lượt bộ điều chỉnh vòng ngoài và vòng trong. O1, O2, B: Lần lượt là đối tượng mức nước và van cấp nước của hệ thống theo kênh điều chỉnh và đối tượng theo kênh tác động nhiễu. 2.2.1. Nhận dạng đối tượng. Từ những lý luận ở trên kết hợp với những số liệu thu thập được ở nhà máy Nhiệt Điện Phả Lại 2 ta đi nhận dạng đối tượng theo số liệu đang vận hành bình ở nhà máy. Ta khảo sát ở các chế độ tải 300 MW (ứng với chế độ tải 100%); 220 MW (ứng với chế độ tải 75%) và 150 MW (ứng với chế độ tải 50%). Ở dải rộng công suất như vậy kết quả thu được sẽ đem đến sự tin cậy cũng như đại diện được cho đối tượng ta đang xét. Theo lý luận trên để xác định đối tượng đang vận hành, thì yếu tố quan trọng là phải xác định tín hiệu vào và ra khỏi đối tượng. Qua theo dõi đồ thị vận hành của nhà máy, khi thấy sự thay đổi của tải làm cho hệ thống chuyển từ trạng thái xác lập này sang chế độ xác lập khác ta ghi lại sự thay đổi đó dưới dạng bảng số, sau đó dùng chương trình CASCAD vẽ đặc tính thời gian như các hình dưới đây rồi chuyển số liệu sang tần số biên độ pha. Điều quan trọng mà ta cần lưu ý trong phương pháp này là điểm lấy tín hiệu vào ra là phải cùng thời điểm và có sự thay đổi (xuất hiện xung tác động) của tín hiệu tác động đầu vào. Thời gian đủ dài sao cho hệ thống đã xác lập trở lại sau quá trình điều chỉnh của bộ điều chỉnh. 2.2.1.1. Nhận dạng đối tượng vòng trong và vòng ngoài. * Xét ở chế độ tải 300MW, 220 MW, 150 MW khi thấy sự thay đổi tải ta ghi lại sự thay đổi đó dưới dạng bảng số liệu rồi vẽ lại trên hệ trục toạ độ ta có được như sau (số liệu ở phụ lục): Hình 2.4. Tín hiệu thay đổi mức nước bao hơi H(mm) khi có tác động nhiễu lưu lượng hơi. 1, 2, 3 - nhận được từ theo dõi ở nhà máy ở phụ tải 300, 220, 150 MW. m% Hình 2.5. Tín hiệu thay đổi độ mở của van khi có tác động nhiễu lưu lượng hơi. 1, 2, 3 nhận được từ theo dõi ở nhà máy ở phụ tải 300, 220, 150 MW. Hình 2.6. Tín hiệu thay đổi lưu lượng nước cấp q (kg/s). 1, 2, 3 nhận được từ theo dõi ở nhà máy ở phụ tải 300, 220, 150 MW. Từ số liệu ở trên, trong chế độ đồ thị của CASCAD ta dựng đặc tính tần số của nó tương ứng với ba phụ tải nói trên. Sau đó căn cứ theo các đường đặc tính tần số xác định các bộ số tần số cho bài toán nhận dạng, xác định hàm truyền của đối tượng tương ứng với mỗi phụ tải. Kết quả nhận dạng bằng phương pháp “Vượt khe” [8] cho ta các mô hình hàm truyền của đối tượng ở các phụ tải khác nhau. ; ; . Các hàm truyền khác nhau này chứng tỏ rằng ở miền phụ tải làm việc của mình đối tượng điều chỉnh có tính chất động học thay đổi một cách bất định. Các hàm truyền nhận được ở các tải khác nhau: 300, 220, 150 MW là một số dạng cụ thể của tập hợp những biến thiên bất định của đối tượng bất định. Hình 2.7. Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng Ta nhận thấy ở mỗi chế độ tải khác nhau cho một đường đặc tính tần số biên độ pha khác nhau mà nguyên nhân do bản chất phi tuyến của đối tượng. Như vậy đối tượng của ta là đối tượng bất định việc nhận dạng theo mô hình sau: O(s) = O0(s) + D(s) Quá trình nhận dạng đối tượng bất định ở đây bắt đầu bằng việc xác định mô hình hàm truyền cơ sở của đối tượng. Dựa trên các bộ số liệu tần số vừa tính được tiến hành bước tối ưu hoá mô hình hàm truyền cơ sở sao cho hàm mục tiêu, tức tổng các bình phương sai số của mô hình đạt giá trị bế nhất. Quá trình tối ưu hoá mô hình thực hiện trên CASCAD theo phương pháp “Vượt khe” [8]. Kết quả tối ưu hoá cho hàm truyền cơ sở của đối tượng là: Đường đặc tính tần số của mô hình cơ sở nhận được trên đây dẫn trên hình 2.7. Bước tiếp theo là xác định phần biến thiên bất định của mô hình. Để làm việc đó người ta xác định độ biến thiên lớn nhất của đặc tính tần số so với đặc tính cơ sở. Đó là, tại mỗi điểm (ứng với mỗi tần số) trên đường cong đặc tính tần số cơ sở người ta lấy làm tâm và xác định một hình tròn sao cho với bán kính bé nhất mà nó chứa tất cả các điểm đặc tính tần số biến thiên. Sau khi xác định các bán kính tối thiều nói trên, tức độ biến thiên tối đa của mô hình ứng với một loạt giá trị tần số trong giải ta cần xét, người ta tiến hành bước tối ưu hoá mô hình phần biến thiên trên các cáp theo thuật toán “Vượt khe”. Kết quả, nhận được mô hình phần biến thiên tối đa phần bất định như sau: , với r Î [0¸1], j Î[0¸2p] , s = j w. Hàm truyền của đối tượng vòng ngoài O1 là: với r Î [0¸1], j Î[0¸2p] , s = j w. Tương tự bằng thao tác nhận dạng trong CASCAD ta thu được hàm truyền của đối tượng vòng trong O2 là: 2.2.1.2. Nhận dạng đối tượng theo kênh nhiễu. Hình 2.8 Sự thay đổi về mức nước. Hình 2.9. Sự thay đổi lưu lượng hơi Kết quả nhận dạng bằng phương pháp “Vượt khe” [8] cho ta hàm truyền đối tượng là: . CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN Trong chương này trình bày phương pháp để tổng hợp hệ thống điều khiển số cho hệ điều chỉnh hai tầng và tính toán bộ điều chỉnh mức nước bao hơi cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2. 3.1. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO HỆ HAI VÒNG. Chất lượng điều chỉnh của hệ hai vòng đã đem đến kết quả rất khả quan trong điều chỉnh công nghiệp đặc biệt là trong các quá trình nhiệt, khi đối tượng điều khiển có quán tính lớn và chịu ảnh hưởng mạnh của tác động nhiễu. Từ khi kỹ thuật vi xử lý và điều khiển số ra đời người ta càng quan tâm nhiều hơn đến việc tổng hợp hệ thống điều khiển số hai vòng, song tính phức tạp của hệ thống nên lời giải nhận được của hệ thống không đem lại kết quả mong muốn hoặc kết quả không tối ưu do đó khi đặt tham số hệ thống người ta phần lớn dựa trên kinh nghiệm là chính. Trong bối cảnh đó quan điểm tổng hợp cấu trúc bền vững cao [1] ra đời là cơ sở lý luận để tổng hợp hệ thống điều chỉnh liên tục cũng như bộ điều chỉnh số đem đến lời giải đơn giản mà có hiệu quả cao. Dưới đây sẽ trình bày phương pháp phân tích hệ thống để tổng hợp hệ thống điều khiển số cho hệ hai tầng dựa trên quan điểm bền vững tối ưu chất lượng cao. Giả sử ta có một hệ thống điều khiển số hai tầng có cấu trúc như (hình 1) dưới đây, trong đó g – giá trị đặt bằng số; L - tổ hợp tác động nhiễu; y – đáp ứng đầu ra của hệ thống; R1(z), R2(z) - lần lượt là các hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh số vòng ngoài và vòng trong; O1(s), O2(s), B(s) - lần lượt là hàm truyền đạt của đối tượng tại vòng ngoài, vòng trong của hệ thống theo kênh điều chỉnh và đối tượng theo kênh tác động nhiễu; s - biến số phức; z = eTs; WZOH là hàm truyền đạt của khâu giữ mẫu bậc không. L g y - O2(s) W2ZOH R2(z) O1(s) R1(z) W1ZOH B(s) Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển số hai vòng Vấn đề đặt ra là tổng hợp hai bộ điều chỉnh số trên sao cho hệ thống làm việc ổn định, bền vững, chất lượng cao mà đơn giản nhất. Đặc điểm chung đáng chú ý của hệ hai vòng đang xét ở trên là sự chênh lệch hay sự khác biệt giữa tốc độ tác động của các vòng điều khiển. Càng ở những vòng trong thì tốc độ tác động càng nhanh. Do đó khi vòng trong có tác động điều khiển thì vòng ngoài hầu như chưa có tác động gì hay không có ảnh hưởng gì đến tác động của vòng điều khiển trong. Cho đến khi có tác động của vòng ngoài thì vòng trong đã xác lập rồi. Như vậy có thể coi rằng giữa các vòng điều khiển hầu như không có tác động ảnh hưởng lẫn nhau. Với quan điểm trên, việc tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển trở nên hết sức đơn giản. Ta bắt đầu tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển từ vòng trong ra đến vòng ngoài. Khi tổng hợp cấu trúc của bộ điều khiển vòng trong thì coi như vòng ngoài không làm việc. Còn khi tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài thi coi vòng trong đã được xác lập rồi. Do đó ta đưa ra hai sơ đồ tương đương với sơ đồ hai vòng trên như sau: y2 - g2 R2(s) O2(s) Hình 3.2. Sơ đồ điều chỉnh vòng trong - y1 g1 R1(s) O1(s) L B(s) Hình 3.3. Sơ đồ điều chỉnh vòng ngoài Trong đó: R1(s), R2(s): Lần lượt là các bộ điều chỉnh vòng ngoài và vòng trong. O1(s), O2(s): Lần lượt là các đối tượng cần điều chỉnh ở vòng ngoài và vòng trong. g1, g2: Lần lượt là các giá trị đặt của bộ điều chỉnh vòng ngoài và vòng trong. y1, y2: Lần lượt là đáp ứng đầu ra của vòng ngoài và vòng trong. Dựa theo quan điểm tổng hợp cấu trúc bền vững cao [1] cấu trúc bền vững tối ưu của hệ một vòng điển hình phải thoã mãn: H(s) = R(s).O(s) = . Suy ra: R(s) = .OPT(s)-1. (3.1) Trong đó: O(s) = e-ts.OPT(s): Hàm truyền của đối tượng. OPT(s): Phần hàm truyền không có trễ của đối tượng. e-ts: Hàm truyền phần trễ thuần tuý của đối tượng t: Thời gian trễ của đối tượng; R(s): Hàm truyền của của bộ điều chỉnh. H(s): Hàm truyền của của hệ hở; q: Hằng số quán tính của hệ điều chỉnh tối ưu, thoả mãn q>0 và q càng nhỏ càng tốt, để dảm bảo độ tắt dần của hệ y > 0,9, thì hằng số quán tính tối ưu có thể tính theo công thức: qmin = . (3.2) Trong đó: m – là chỉ số dao động mềm xác định tại tần số mà đặc tính mềm đi qua điểm (-1,j0). Xét bộ điều chỉnh vòng ngoài: Theo công thức (3.1) ta có: R1(s) = .O1PT(s)-1. Để đảm bảo ổn định đối với bộ điều chỉnh vòng ngoài chọn m1 = 0,367; y=0,9 thì ta có q1 = 1,023t1. Bộ điều chỉnh vòng ngoài trở thành: R1(s) = .O1PT(s)-1. Xét bộ điều chỉnh vòng trong: Theo công thức (3.2) ta có: R2(s) = .O2PT(s)-1. Đối với bộ điều chỉnh vòng trong ta cần tăng tính dự trữ ổn định của hệ thống đảm bảo cho y > 0,9 ta chọn m2 = 0,7. Khi đó theo công thức (3.2) ta có: q2 = = 2,387t. Khi đó ta có: R2(s) = O2PT(s)-1. Dựa theo quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu chất lượng cao trong hệ liên tục trên ta đi xác định bộ điều chỉnh trong hệ thống điều khiển số. Xét sơ đồ điều khiển số một vòng như (hình 3) sau: y g - R(z) O(s) L B(s) WZOH Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển số một vòng. Trong đó: R(z) – hàm truyền của bộ điều khiển số; WZOH – hàm truyền của khâu giữ mẫu bậc không; O(s), B(s) là hàm truyền của đối tượng theo kênh điều khiển và kênh nhiễu; u – tín hiệu đặt đầu vào; y – đáp ứng tín hiệu ra; L - tổ hợp tác động nhiễu; Với khâu giữ mẫu bậc không có phương trình hàm truyền đạt là: . Hay: . Như vậy ta có thể tách khâu giữ mẫu thành hai phần: (1-z-1) và khi đó sơ đồ ở (hình 3) trở thành sơ đồ tương đương sau: y g - R(z) O(s) L B(s) 1-z-1 Hình 3.5. Sơ đồ biến đổi cấu trúc hệ thống điều khiển số một vòng. g Hình 3.6. Sơ đồ điều chỉnh tương đương - y R*(s) L B(s) Sau khi tách WZOH thành hai phần, một phần chứa z, một phần chứa s. Ta gộp phần chứa z với bộ điều chỉnh còn phần chứa s với đối tượng. Khi đó ta được sơ đồ tương đương sau: Bây giờ bài toán trở về với bài toán tổng hợp bộ điều khiển một vòng quen thuộc. Đặt . Khi đó bộ điều chỉnh có dạng: . Số hoá bộ điều chỉnh trên ta thu được: Từ đó ta có: Þ Cuối cùng ta thu được: Nếu bỏ qua thành phần trễ thì ta có: Ta có thể đưa bộ điều khiển về dạng tương tự như trong hệ liên tục như sau. Đặt s* =1 – z-1. Khai triển thành chuỗi Taylor ta có: s* = 1 – e-Ts = 1 – (1 – Ts + ) Loại bỏ phần mũ bậc cao ta thu được kết quả cuối cùng là: s* = Ts. Vậy cuối cung ta có: . Như vậy ta có thể thấy được sự tương quan giữa bộ điều khiển bền vững tối ưu chất lượng cao trong hệ liên tục và hệ rời rạc. Điều càng giúp đỡ cho chúng ta tổng hợp được một cách thuận tiện và dễ dàng bộ điều khiển số dựa trên quan điểm bền vững tối ưu. Qua thành phần của O*(z) trên cũng lý giải cho chúng ta thấy được vì sao chất lượng điều chỉnh lại phụ thuộc vào thời gian trích mẫu. Qua cấu trúc của bộ điều chỉnh ta thấy rằng mỗi bộ điều chỉnh có một tham số duy nhất là q, phải xác định q sao cho hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn định tức là đặc tính mềm của hệ hở không bao điểm (-1,j0). 3.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN PHẢ LẠI 2 Mô hình hàm truyền của hai đối tượng mà ta cần điều chỉnh là đối tượng bao hơi O1(s) và van điều chỉnh nước cấp O2(s): O1(s) = 4,604e – 24,926s. O2(s) = 3,006e – 9,638s. Trong đó đối tượng van nước cấp là đối tượng vòng trong; đối tượng bao hơi là đối tượng vòng ngoài của hệ thống điều chỉnh. Theo những lý luận trên ta đi tổng hợp riêng rẽ từng bộ điều chỉnh. Đầu tiên ta tổng hợp cấu trúc bộ điều chỉnh ở vòng trong. 3.2.1. Bộ điều chỉnh vòng trong R2(z). Theo cấu trúc bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao có dạng: (3.3) Trong đó: Z{O2PT(s)-1} và q2 ta cũng cần xác định. Xác định z{O2PT(s)-1}, ta có: = Theo tài liệu [2] áp dụng công thức biến đổi sang hàm z ta được: O2PT(z) = . Trong đó: T là thời gian trích mẫu. Thay vào công thức (3.3) ta có: Ứng với mỗi thời cắt mẫu cho ta một bộ tham số của bộ điều chỉnh: * Với thời gian cắt mẫu T = 0,25 giây cho ta bộ điều chỉnh: 3.2.2. Bộ điều chỉnh vòng ngoài R1(z). Theo cấu trúc bộ điều chỉnh bền vững chất lượng cao có dạng: (3.4) Trong đó: Z{O1PT(s)}-1 và q cần xác định. Xác định Z{O(s)}-1, ta có: O1PT(s) = Thực hiện phép biến đổi quy đồng mẫu số và đồng nhất các hệ số trên tử số ta được: 4,604 = A.(1 + 12,627s+40,043s2) + (Bs+C)s Þ A + 12,627A.s + 40,043As2 + Bs2 + Cs = 4,604. Þ A + s(12,627A + C) + s2(40,043A + B) = 4,604. Þ Giải ra ta được: Khi đó ta có: . = = = Theo tài liệu [2] áp dụng công thức biến đổi sang hàm z ta được: . Đặt: D = e-0,1575Tcos(0,013T). E = e-0,1575Tsin(0,013T). F = e-0,315T Trong đó: T là thời gian trích mẫu. Thay vào biểu thức trên ta có: O1PT(z) = Thực hiện quy đồng phân thức cho biểu thức O1PT(z) trên ta được: Tử số = 4,604z(z2 – 2Dz + F) – 4,604(z – 1)(z2 – Dz) – 55,899Ez(z – 1) = z2(4,604 – 4,604D – 55,899E) + z(4,604F – 4,604D + 55,899E). Mẫu số = (z – 1)(z – 2Dz +F) Đặt: M = 4,604 – 4,604D – 55,899E. N = 4,604F – 4,604D + 55,899E. Thay vào biểu thức trên ta có: O1PT = Thay vào công thức (3.4) ta có: . Ứng với mỗi thời cắt mẫu cho ta một bộ tham số của bộ điều chỉnh: * Với thời gian cắt mẫu T = 0,25 giây cho ta bộ điều chỉnh: Công việc còn lại ta đi xác định hai tham số q1 và q2, việc này thực hiện đơn giản nhờ chương trình “CASCAD”. Kết quả cuối cùng ta thu được hai bộ điều chỉnh là: Từ kết quả trên ta có đặc tính mềm của hệ hở và đặc tính quá độ của hệ thống được trình bày ở hình dưới đây: Hình 3.7. Đặc tính mềm của hệ hở Hình 3.8. Đặc tính biên độ của hệ kín. Hình 3.9: Đặc tính quá độ của hệ thống. * Đánh giá chất lượng điều chỉnh: Từ đặc tính mềm của hệ hở ta thấy: đi qua điểm (-1;j0) đảm bảo cho hệ kín ổn định và dự trữ ổn định với chỉ số dao động m = 0,367. Từ đặc tính thời gian ta có: h1max = 1,33, h2max = 1,030. Với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng như sau: Độ tắt dần: Y = . Thời gian điều chỉnh tđc £ 9 phút. Độ sai lệch quá độ: Trong chương này đã trình bày phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển số cho hệ hai vòng dựa trên quan điểm hệ thống làm việc bền vững và có tính ổn định cao của hệ một vòng đồng thời đã nêu ra một ví dụ cụ thể áp dụng cho phương pháp đã nêu ra. Kết quả cho ta thấy hệ thống làm việc bền vững và ổn định cao. Qua đó cũng cho ta phương pháp tổng hợp hệ điều khiển số hai vòng một cách đơn giản nhanh chóng nhưng đem hiệu quả cao. Trên đây ta đã tổng hợp sơ đồ với tín hiệu hai xung là tín hiệu mức nước và tín hiệu về lưu lượng nước. Một tín hiệu cũng vô cùng quan trọng trong sơ đồ điều khiển đó là tín hiệu về lưu lượng hơi. Nhiễu đường lưu lượng hơi gây sai lệch dư trong quá trình điều khiển hệ thống cũng như gây ra hiện tượng dao động rất mạnh trong hệ thống. Thông thường lâu nay người ta vẫn lấy thêm tín hiệu lưu lượng hơi đưa vào cùng với tín hiệu đặt vào hệ thống để đưa vào bộ điều khiển. Quá trình tính toán tham số bộ điều chỉnh khi có tín hiệu này phần lớn người ta chỉ vào tay nghề hiệu chỉnh của người thiết kế là chính. Bộ điều chỉnh có nhiệm vụ khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu bên trong. Nhiễu bên ngoài thường xuất hiện do thay đổi phụ tải dưới dạng xung bậc thang, thường là đo được nên để nâng cao chất lượng điều chỉnh có thể xây dựng kênh khử C tác động vào đầu vào bộ của bộ điều chỉnh. Trong trường hợp của nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 khi có sự thay đổi về tải gây ra sự dao động lớn một phần lớn do không tính toán được thông số hợp lý cho bộ điều chỉnh để khử được nhiễu này. Ở đây sẽ tổng hợp bộ khử nhiễu cho hệ thống để tăng chất lượng điều chỉnh. 3.3. TỔNG HỢP BỘ KHỬ NHIỄU. H L g(z) - O2(s) W2ZOH R2(z) O1(s) R1(z) W1ZOH B(s) Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển số hai vòng C - Ta xét sơ đồ điều chỉnh có thêm khâu khử nhiễu được thể hiện dưới hình sau: Theo tài liệu [8], thì bộ khử tuyệt đối (tức là với nhiễu L bất kỳ xuất hiện thì luôn luôn yL(t) º 0) có dạng: (3.5) Trong đó: C(s): Bộ khử nhiễu. B(s): Hàm truyền theo kênh nhiễu. R(s): Hàm truyền của bộ điều chỉnh. O(s): Hàm truyền của đối tượng. t: Thời gian trễ của đối tượng theo kênh điều khiển. tD: Thời gian trễ của của đối tượng theo kênh nhiễu. Song khi đó bộ khử có cấu trúc phức tạp, ta có thể chọn bộ khử đơn giản nhất có dạng bậc nhất trên bậc nhất: Tối ưu hoá tham số của bộ khử ta thu được như sau: Ta thu được các đặc tính quá độ như sau: 3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bền vững chất lượng cao thì kết quả tính toán cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 có độ ổn định cao thời gian điều chỉnh ít, độ tắt dần lớn Y³0,9. Bộ điều chỉnh có độ bền vững cao đảm bảo độ tác động nhanh. Ta có sơ đồ so sánh như dưới đây để có thể thấy rõ hơn: Thời gian điều chỉnh của bộ điều chỉnh tính toán được (ttt=281giây) ít hơn thời gian điều chỉnh thực tế ở nhà máy (tnm = 908 giây) 3 lần. Độ tắt dần của hệ thống ở nhà máy y £ 0,5, còn với hệ thống tính toán được y³0,9. Biên độ dao động của hệ thống ở nhà máy rất lớn gây mất ổn định cho toàn tổ máy. Trong đó: H1: Đặc tính vận hành thực tế ở nhà máy. H2: Đặc tính thu được từ tính toán. CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH VẬT LÝ. Hình 4.1 Mô hình vật lý hệ thống điều chỉnh mức nước Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển mức nước 1 1 2 3 S7-300 ET200M AI AO OP7 Bể chứa nước cấp PC Bể chứa nước xả 4 I–Van điều chỉnh II-T/b đo mức Bơm nước tuần hoàn Phòng điều khiển Bảng điều khiển H III V IV Trong đó: 1 - cổng nguồn nuôi 12V DC; 2 - cổng tín hiệu đưa về từ thiết bị đo mức (4¸20 mA); 3 - cổng tín hiệu điều chỉnh van (0¸10V DC); 4 - cổng RS485 kết nối với PC; 5 - cổng PROFIBUS kết nối ET200 với CPU. Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều chỉnh mức nước OP7 S7-300 AI AO ET200M PC Động cơ điều khiển van Vanf 20 4-20mA Sensor đo mức PROFIBUS Nguyên lý hoạt động: Đường nước: nước từ bể chứa nước cấp (V) cấp cho bể nước cần điều chỉnh nước (III), lưu lượng nước cấp vào (III) được điều chỉnh qua van điều chỉnh I. Nước từ bể (III) chảy xuống bể chứa nước xả (IV). Lưu lượng nước xuống bể (IV) đặc trưng cho tải tiêu thụ. Để bổ xung nước cho bể chứa nước cấp (V) ta sử dụng bơm tuần hoàn. Nguyên tắc điều chỉnh: khi mở van xả (đại diện cho tải) mức nước trong bể chứa (III) thay đổi, đầu đo tín hiệu mức (II) đo và gửi thông tin về bộ điều chỉnh tại đây bộ điều chỉnh xử lý tín hiệu ra tín hiệu điều chỉnh van (I) phù hợp với sự thay đổi mức nước trong bể cần điều chỉnh. 4.2. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỨC NƯỚC 4.2.1. Bộ điều chỉnh khả lập trình PLC. Thiết bị điều khiển logic khả lập trình (Programmable Logic Control), viết tắt thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện lặp theo chu kỳ vòng quét (scan). Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên là phải có các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn phải cần thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng. Trên thế giới cũng như trên thị trường Việt Nam có rất nhiều hãng PLC nổi tiếng như OMRON, SIEMENS v.v…Hiện nay tại phòng thí nghiệm sử dụng PLC của hãng SIEMENS loại S7 – 300. Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ điều khiển khả lập trình PLC được mô tả ở hình 4.4 sau đây: Bộ nhớ chương trình Khối vi xử lý trung tâm + Hệ điều hành Bộ đệm vào/ra Timer Bộ đếm Bit cờ Cổng vào ra onboard Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Quản lý ghép nối Bus của PLC CPU Hình 4.4. Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ điều khiển PLC Thuyết minh sơ đồ: - Bộ nhớ chương trình để chứa toàn bộ chương trình điều khiển của PLC. - Khối xử lý trung tâm + hệ điều hành: là bộ não của PLC, thực hiện tất cả các chương trình tính toán làm nền để chạy các chương trình điều khiển. - Bộ đệm vào/ra: là bộ nhớ có tác dụng nhận dữ liệu từ cổng vào số và gửi dữ liệu từ CPU đến cổng ra số. - Cổng ngắt, đếm tốc độ cao, bít cờ, timer: là những khối được chỉ đạo bằng phần mềm chương trình dùng để hỗ trợ CPU trong quá trình làm việc. - Các cổng vào ra onboard: là nơi tiếp nhận hoặc gửi tín hiệu số hoặc tương tự. - Quản lý gép nối: là phần cứng chuyên dùng để quản lý việc trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính). - Bus của PLC: là hệ thống đường dẫn, tín hiệu, dữ liệu và nguồn nuôi. - Hệ thống rắc chuẩn và giá đỡ để lắp các môdun. - Hệ thống các bus địa chỉ, bus điều khiển, bus số liệu, bus nguồn nuôi. Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong chương trình thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là những module nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ…Chúng được gọi chung là module chức năng mở rộng. Tất cả các module được gá trên những thay ray (Rack). Cáp chương trình Thiết bị chương trình (PC) Sự truyền một chương trình CPU Module nguồn Module vào Module ra Hình 4.5. Sơ đồ một thiết bị PLC Simatic S7 – 300. 4.2.1.1 Module CPU. Module CPU là loại mudule có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)…và có thể còn có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard. Trong họ PLC S7 – 300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315… Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (viết tắt của Intergrated Function Module). Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Ngoài ra còn có loại module CPU vói hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU được phân biệt với những module CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ module CPU315 – DP. 4.2.1.2. Module mở rộng. Module mở rộng được chia thành 5 loại chính: * PS (Power supply): Module nguồn nuôi. Có 3 loại: 2A, 5A và 10A. * SM (Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại module. DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại module. DI/DO(Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra, 16 vào/16 ra tuỳ thuộc từng loại module. AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module. AD (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng vào tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại module. AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tuỳ theo từng loại module. * IM (Interface module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các module mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi thanh rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7 – 300 cod thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM. * FM (Function module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vòng kín… * CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. 4.2.1.3. Cấu trúc bộ nhớ của CPU. Bộ nhớ của S7 – 300 được chia làm ba vùng chính: * Vùng chứa chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền: OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức. FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó. FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data block). * Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm: I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q. M: Miền biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MD). T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV – Current value) cũng như giái trị logic đầu ra của bộ thời gian. C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV – Preset value), giá trị đếm tức thời (CV – Current value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm. PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo từng từ kép (PID). PG: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External output). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD). * Vùng chứa khối dữ liệu, được chia thành hai loại: DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), theo từng byte (DBB), từng từ (DBW) hoặc từ kép (ĐB). L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình ứng dụng trong OB, FC, FB. Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bít (L), byte (LB), từ (LW), hoặc từ kép (LD). 4.2.1.4. Vòng quét chương trình. PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được coi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét được mô phỏng bằng hình vẽ dưới đây: Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra Truyền thông và kiểm tra nội bộ Thực hiện chương trình Hình 4.6. Vòng quét chương trình Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong trương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông…trong vòng quét đó. Như vậy, giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao. Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khối OB40, OB80…chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình này có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong gian đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu ngắt đó. Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển. Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả khi chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra. Trong hệ thống điều chỉnh mức nước ở phòng thí nghiệm sử dụng loại CPU 314C-2 DP với mã số: 6ES7 314-6CF00-0AB0. Sử dụng mạng phân tán để điều khiển mức nước. Giao thức mạng dùng để kết nối CUP chính, ET và giao diện màn hình OP7 ở đây là giao thức Profibus. Profibus định nghĩa các đặc tính của một hệ thống bus cho phép kết nối nhiều thiết bị khác nhau, từ các thiết bị trường cho tới vào/ra phân tán, các thiết bị điều khiển giám sát. Profibus định nghĩa ba loại giao thức là PROFIBUS – FMS, PROFIBUS – DP, PROFBUS – PA. Trong phòng thí nghiệm dùng giao thức PROFBUS – DP. PROFIBUS – DP được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, ví dụ giữa thiết bị điều khiển khả lập trình hoặc máy tính cá nhân công nghiệp với các thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi dữ liệu ở đây chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế chủ/tớ. PROFIBUS - DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono – Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi – Master). Trong cấu hình nhiều chủ, tất cả các trạm chủ đều có thể đọc ảnh dữ liệu đầu vào/ra của các trạm tớ. Tuy nhiên, duy nhất một trạm chủ được quyền ghi dữ liệu đầu ra. Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và các trạm tớ gán cho nó được thực hiện tự động theo một trình tự qui định sẵn. Khi đặt cấu hình hệ thống bus, người sử dụng định nghĩa các trạm tớ cho một thiết bị DPM1, qui định các trạm tớ tham gia các trạm tớ không tham gia trao đổi dữ liệu tuần hoàn. Trước khi thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn, trạm chủ chuyển thông tin cấu hình và các tham số đã được đặt xuống các trạm tớ. Mỗi trạm tớ sẽ kiểm tra các thông tin về kiểu thiết bị, khuôn dạng và chiều dài dữ liệu, số lượng các đầu vào ra. Chỉ khi thông tin cấu hình đúng với cấu hình thực của thiết bị và các tham số hợp lệ thì nó mới bắt đầu thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn với trạm chủ. Sơ đồ trao đổi dữ liệu được thể hiện ở hình sau: DP – Master Danh sách hỏi tuần tự Slave 1 Dữ liệu đầu ra Dữ liệu đầu vào Slave 2 Dữ liệu đầu ra Dữ liệu đầu vào Slave n Dữ liệu đầu ra Dữ liệu đầu vào Slave 1 Dữ liệu đầu ra Dữ liệu đầu vào Slave 1 Dữ liệu đầu ra Dữ liệu đầu vào Hình 4.6. Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master/Slave * Giới thiệu sơ lược về mạng điều khiển phân tán: Ngày nay phần lớn các hệ thống thông tin xung quanh chúng ta đều dựa trên kiến trúc phân tán. Các ứng dụng Internet như Email, Web, Chat là những ví dụ tiêu biểu. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền thông và công nghệ phần mềm đã mở ra các kiến trúc ứng dụng phân tán với các ưu điểm vựơt trội. Một hệ thống phân tán là một hệ thống gồm các thành phần xử lý phân tán, giao tiếp với nhau qua một cơ sở hạ tầng truyền thông chung. Một hệ thống phân tán có thể mang ý nghĩa của một hệ phần cứng, một hệ phần mềm hoặc kết hợp cả hai. Các hệ thống điều khiển phân tán đã đem lại rất nhiều lợi ích ví dụ như tính linh hoạt trong thiết kế, lắp đặt, bảo trì và nâng cấp hệ thống. Hơn nữa, yêu cầu của các bài toán ứng dụng trong thực tế cho thấy rằng sẽ là phù hợp hơn nếu hệ thống điều khiển được chia nhỏ, phân tán theo khu vực và phối hợp hoạt động đồng bộ để cùng nhau giải quyết nhiệm vụ chung của toàn hệ thống. Ngày nay một mô hình hệ thống như vậy mặc nhiên đã được thừa nhận và rất quen thuộc trong các hệ thống công nghiệp hiện đại. Trong hệ thống thiết bị thí nghiệm có trang bị thiết bị ET200M là trạm vào ra phân tán nó có nhiệm vụ điều khiển trực tiếp với van điện để điều khiển độ đáng mở của van. Về nguyên tắc của hệ thồng điều khiển phân tán thì cụm điều khiển này có thể đặt tại nơi hệ thống cơ cấu chấp hành làm việc còn CPU có thể đặt ở phòng điều khiển trung tâm cách hàng vài trăm mét. Đó những ưu điểm nổi bật của hệ điều khiển phân tán. Sơ đồ kết nối mạng trong hệ thống điều khiển mức ở phòng thí nghiệm: Công tắc nguồn cung cấp Công tắc cho sửa chữa điện áp HT Công tắc bộ chọn lọc Thanh gá (rack) Các thiết bị chương trinh Các công tắc Liên kết năng lượng Bàn kẹp giảm sức căng Chương trình thiết bị với phần mềm Step 7 Hình 4.8. Sơ đồ bố trí PLC * Một số thông số kỹ thuật của PLC được thể hiện ở bảng 4.1 sau: Bảng 4.1. THông số kỹ thuật của PLC Thông số Sản phẩm phần cứng 01 Sản phẩm phần mềm V1.0.0 Phần mềm hỗ trợ STEP7 ­ V5.1 + SP2 Bộ nhớ làm việc đã tích hợp 48 KB Bít nhớ 256 bytes Đồng hồ nhớ 8 (1 byte nhớ) Khối Data max.127 Vùng data cho mỗi lớp ưu tiên max. 510 bytes Địa chỉ vùng vào/ra (I/O) * Tổng vùng địa chỉ vào/ra (I/O) max. 1024 bytes/ 1024 bytes * Miền bộ đếm cổng vào/ra số (I/O) 128 bytes/ 128 bytes * Số kênh số max. 8192 * Kênh tương tự max. 512 Module chức năng điều khiển riêng (FM) max. 8 Module phục vụ truyền thông CP (PtP) max. 8 Module phục vụ truyền thông CP (LAN) max. 10 Giao diện * Kiểu dao diện RS485 * Cổng vật lý RS485 Cổng vào ra (I/O) đã tích hợp * Vào số 124.0 đến 126.7 * Ra số 124.0 đến 125.7 * Vào tương tự 752 đến 761 * Ra tương tự 752 đến 755 Điện áp dòng vào * Điện áp cung cấp 24V DC * Phạm vi điện áp sử dụng được 20.4V đến 28.8V * Dòng điện tiêu thụ Thông thường 150 mA 4.2.2. Van điều chỉnh điện. Van điều chỉnh điện là thiết bị nhận tín hiệu từ bộ điều chỉnh (tín hiệu điện) để thay đổi độ mở của van tức thay đổi lưu lượng nước cấp. * Tên gọi: Van điều chỉnh điện ML7425A3013. * Đặc tính kỹ thuật: Điện năng tiêu thụ: Điện áp đầu vào: 12V DC. Tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều chỉnh) 0 đến 10V DC hoặc 2 đến 10V DC. Tín hiệu điện trở nguồn ra: max 1 kW. Tải: max 1mA. Lực chặn: 134 Ibf (600N). Dải chuyển động: 3/4 in (20 mm). Thời gian tác động: 90 giây. Trọng lượng 5,1 Ib (2,3 kg). Kích thước và hình dáng bên ngoài của van điện được thể hiện ở hai hình dưới đây: Một số thiết bị phụ trợ: 43191679-112 một thiết bị phụ đo điện thế 220 W 43191679-111 một thiết bị phụ đo điện thế 10 KW 43196000-001 nhiệt độ cao trang bị cho van V5011/V50; V3350,51/V3360,61; V3450,51/V3460,61 với cỡ 0,5” đến 3”. Hình 4.9b. Van điều chỉnh điện ML7425A3013 Hình 4.9a. Kích thước của van điều chỉnh điện ML7425A3013 4.2.3. Thiết bị đo mức. Thiết bị đo mức sử dụng trong hệ thống là thiết bị đo mức bằng sóng siêu âm. Thiết bị đo mức bằng sóng siêu âm là một thiết bị kết hợp giữa công nghệ điện tử và bộ chuyển đổi, cho phép đo mức ở các thiết bị hở hoặc trong bình kín và tín hiệu được chuyển đổi và truyền ra ngoài qua dây mềm Kynar. Thiết bị đo mức bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi những đặc tính kỹ thuật ưu việt của nó, gọn nhẹ, dễ lắp đặt. Nguyên lý làm việc: Thiết bị phát ra một sóng siêu âm, sau một thời gian lan truyền tới đập vào bề mặt (chất lỏng, rắn…) rồi phản xạ trở lại. Thiết bị thu phát xạ, qua bộ chuyển đổi và được đưa đến màn hình hiển thị, tới rơle, tới đầu ra tương tự phục vụ cho các mục đích tiếp theo. * Đặc tính thiết bị: Dễ lắp đặt, bảo trì và lập trình cho thiết bị. Độ tin cậy và độ chính xác cao. Dây mềm Kynar và bộ chuyển đổi tín hiệu Tezel sẵn có thuận tiện cho việc thay thế. * Đặc tính kỹ thuật: Tên gọi: thiết bị đo mức bằng sóng siêu âm. Giới hạn đo: 0,25 ¸0,5m. Đầu ra: tín hiệu điện 4¸20 mA. Tải lớn nhất là 600 W tại điện áp DC 24 V. Điện áp cung cấp: điện áp cung cấp DC 12 V đến 30 V; 0,1 A max. Điện năng tiêu thụ lớn nhất 0,75W. Độ chính xác: Sai số đo lường: 25% phạm vi đo lường (trong không khí). Độ phân giải 3 mm. Nhiệt độ xung quanh: chế độ chuẩn: 40¸60 0C. Cấp bảo vệ IP65. 4.3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC TRÊN MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 4.3.1. Nhận dạng đối tượng mức trong mô hình thí nghiệm. Dựa vào đường đặc tính của đối tượng thu được từ thí nghiệm ta có bảng về số liệu về đường quá độ của đối tượng như sau: * Đối tượng 1 có đặc tính như hình vẽ sau: Hình 4.10. Đường đặc tính đối tượng 1. Bảng 4.2. Bảng rời rạc đặc tính quá độ đối tượng 1 Ta có bảng rời rạc số liệu đường quá độ đối tượng 1như sau: i 0 1 2 3 4 5 6 7 ti 0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 x(ti) 0 0,3 1,7 5,6 9,7 13,5 16,3 20,0 Quá trình nhận dạng và mô hình hoá đối tượng thực hiện trên cơ sở các số liệu tần số hoặc các số liệu đặc tính thời gian của đối tượng cho dưới dạng bảng như trên. Quá trình này thực hiện nhờ phần mềm AD_ROB trong CASCAD. Các tham số của mô hình được xác định nhờ thuật toán tối ưu hoá “Vượt khe”. Ta thu được mô hình của đối tượng như sau: Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 1 được thể hiện dưới hình sau: Hình 4.11. Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 1 * Đối tượng 2 có đặc như hình vẽ sau: Hình 4.12. Đường đặc tính đối tượng 2 Ta có bảng số liệu rời rạc đường quá độ đối tượng 2 như sau: Bảng 4.3. Bảng rời rạc đặc tính quá độ đối tượng 2 i 0 1 2 3 4 5 6 ti 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 x(ti) 0 0 0.8 3.8 9.0 14.2 18 Xử lý bằng CASCAD mô hình của đối tượng 2 như sau: Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 2 được thể hiện dưới hình sau: Hình 4.13. Đặc tính tần sô biên độ pha của đối tượng 2 * Đối tượng 3 có đường đặc tính như hình vẽ sau: Hình 4.14. Đường đặc tính đối tượng 3 Bảng 4.4. Bảng rời rạc đặc tính quá độ đối tượng 3 Ta có bảng số liệu rời rạc đặc tính quá độ của đối tượng 3 như sau: i 0 1 2 3 4 5 6 ti 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 x(ti) 0 0 0,8 3,8 10 16,9 20,1 Xử lý bằng chương trình CASCAD mô hình của đối tượng 3 như sau: Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 3 được thể hiện dưới hình sau: Hình 4.15. Đặc tính tần số biên độ pha của đối tượng 3 Ta có các đặc tính tần số biên độ của cả ba đối tượng trên cùng trục toạ độ là: Hình 4.16. Tổng hợp đặc tính tần số biên độ pha của cả ba đối tượng Tiến hành nhận dạng đối tượng ta thu được hàm truyền đối tượng như sau: . * Tổng hợp bộ điều chỉnh: Theo lý luận phần trên, bộ điều chỉnh số bền vững chất lượng cao có dạng: Xác định Z{O(s)}-1, ta có: OPT(s) = Thực hiện phép biến đổi quy đồng mẫu số và đồng nhất các hệ số trên tử số ta được: 9,534 = A.(1 + 0,475s+0,2153s2) + (Bs+C)s Þ A + 0,475A.s + 0,215As2 + Bs2 + Cs = 9,534. Þ A + s(0,475A + C) + s2(0,215A + B) = 9,534. Þ Giải ra ta được: Khi đó ta có: . = = = Theo tài liệu [2] áp dụng công thức biến đổi sang hàm z ta được: . Đặt: D = e-1,051Tcos(1,883T). E = e-1,051Tsin(1,883T). F = e-2,102T Trong đó: T là thời gian trích mẫu. Thay vào biểu thức trên ta có: OPT(z) = Thực hiện quy đồng phân thức cho biểu thức OPT(z) trên ta được: Tử số = 9,534z(z2 – 2Dz + F) – 9,534(z – 1)(z2 – Dz) – 5,865Ez(z – 1) = z2(9,534 – 9,534D – 5,865E) + z(9,534F – 9,534D + 5,865E). Mẫu số = (z – 1)(z – 2Dz +F) Đặt: M = 9,534 – 9,534D – 5,865E. N = 9,534F – 9,534D + 5,865E. Thay vào biểu thức trên ta có: OPT = Thay vào công thức trên ta có: . Ứng với mỗi thời cắt mẫu cho ta một bộ tham số của bộ điều chỉnh: * Với thời gian cắt mẫu T = 0,25 giây cho ta bộ điều chỉnh: . Từ kết quả trên ta có đặc tính mềm của hệ hở và đặc tính quá độ của hệ thống được trình bày ở hình dưới đây: Hình 4.17. Đặc tính mềm của hệ hở. Hình 4.18. Đặc tính biên độ của hệ kín. Trong hệ thống điều khiển mức nước trong mô hình thí nghiệm sử dụng bộ điều khiển PLC S7-300 trong bộ điều khiển này đã tích hợp sẵn modul mềm PID. Do đó ta có thể hạ bậc bộ điều khiển trên về bộ điều khiển PD dùng trong điều khiển mức quen thuộc. Bộ điều khiển PD số có dạng: Bộ điều khiển PD trong công nghiệp có dạng: R(s) = KP(1 + KD.s). Tiến hành tối ưu hoá ta thu được được bộ điều chỉnh: R(s) = 0,065(1 + 0,25s). Ta có các đặc tính như sau: Hình 3.8. Đặc tính mềm của hệ hở và đặc tính quá độ của hệ thống Số hoá bộ điều chỉnh ta được: Nhưng với bộ điều chỉnh chất lượng hệ thống giảm rõ rệt và đường đặc tính mềm của hệ hở sẽ bao điểm (-1;j0), do đó ta phải tính toán lại tham số bộ điều chỉnh. Cuối cùng ta thu được kết quả như sau: * Đặt tham số vào bộ điều chỉnh PLC S7-300 với KP = 0.0492; KD = 0,25;KI = 0; Bật phần mềm theo dõi ta thu được đặc tính như sau: Ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bền vững chất lượng cao thì kết quả tính toán cho đối tượng trên mô hình thí nghiệm và kết quả theo dõi thức tế vận hành với mô hình này thì thời gian điều chỉnh tương tự nhau (tđc £ 10 phút). Đảm bảo độ tắt dần y>0,9. Bộ điều khiển có độ bền vững cao đảm bảo độ tác động nhanh. KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài “Phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện” từ kết quả thu được, ta đi đến một số kết luận như sau: 1. Ta nhận thấy rằng với bộ điều khiển bền vững chất lượng cao thì kết quả tính toán cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 cũng như trên mô hình thí nghiệm đều cho kết quả tương tự đó là độ ổn định cao thời gian điều chỉnh ít, độ tắt dần lớn Y³0,9. Bộ điều chỉnh có độ bền vững cao đảm bảo độ tác động nhanh. 2. Phương pháp nhận dạng đối tượng theo số liệu vận hành bình thường của nhà máy cho kết quả rất tốt. Có ưu điểm lớn là hệ thống vẫn làm việc bình thường, không phải ngắt hệ thống. Thậm chí chúng ta chỉ cần lấy số liệu có được trong quá trình vận hành nhà máy. 3. Trên cơ đó ta có thể khẳng định được rằng phương pháp hiệu chỉnh đã đưa ra ở trên có thể tính toán cải thiện chất lượng điều chỉnh mức nước bao hơi ở nhà điện Phả Lại 2. Đồng thời mở ra phương pháp tính toán bộ điều khiển mức cho các nhà máy nhiệt điện khác. Qua đề tài này, với sự làm việc nghiêm túc em đã học hỏi được thêm nhiều kiến thức sâu rộng về điều khiển tự động đặc biệt là điều khiển các đối tượng nhiệt. Kết quả đạt được ở đề tài này là đã nhận dạng thành công đối tượng của hệ nhiều tầng trong điều kiện làm việc bình thường và tổng hợp bộ điều khiển số điều khiển mức nước bao hơi cho nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2. Với đề tài này để có thể áp dụng vào thực tế cho quá trình điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện thì cần hoàn thiện hàng loạt vấn đề cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Do đó em rất mong được sự đóng góp ý kiến giúp đỡ của các thầy trong bộ môn, khoa để em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này sâu hơn nữa. TÀI LIỆU THAM KHẢO N.V.Mạnh. Phương pháp tối ưu hoá các hệ thống điều khiển bất định. Luận án tiến sĩ khoa học. Trường năng lượng Moscow 1999. 300 tr. Benjamin C. Kuo. Automatic Control Sytems. Prentice – Hall Internationnal, Inc. Мань.Н.В. Оптимальный синтез роастпой каскадной автоматической системы управления //Теплоэнергетика, 2000.9. С.22-28. Мань.Н.В. Робастная настройка многосвяэных систем управления по “мягкой” степени колебатности// Теплоэнергетика, 2000.2. С.48-52. N.V.Mạnh. Tổng hợp bền vững hệ điều khiển đối tượng bất định // Thông báo khoa học. Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về tự động hoá. Hà Nội 2002. Tr.155 – 161. N.V.Mạnh, N.V.Dũng. Quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu áp dụng cho hệ điều chỉnh đối tượng nhiệt hai tầng. Tạp chí KHCN nhiệt, 5/2004. Số 57, tr.23 – 27. N.V.Mạnh. Nhận dạng đối tượng trong hệ điều khiển nhiều vòng. Tạp chí KHCN nhiệt, 3/2006. Số 3, tr 19 – 22. N.V.Mạnh và nhóm nghiên cứu bộ môn HT&TĐH. Nghiên cứu xây dựng tổ hợp chương trình phần mềm MT thiết kế tối ưu các hệ thống điều khiển đối tượng bất định công nghiệp (2001 – 2002). Đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, mã số B–2001-28-34. N.V.Mạnh. Lý thuyết điều chỉnh quá trình nhiệt. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. – М.: Мир, 1975. Eykhoff P. Trends and Progress in System Identification. – Pergamon Press, 1981. Изерман Р. Цифровые системы управления. – М.: Мир, 1984. N.V.Mạnh. Trường L.X. Thuật toán điều khiển thích nghi trên cơ sở phương pháp “Vượt khe” //KH&CN Nhiệt, 2001. Số 1. tr. 20-23. N.V.Manh. The Affine projection method for solving non-linear optimization problems //Proceedings of NCST of Vietnam, 1992. No 2. P. 53-60. MỤC LỤC