Tổng quan về hệ thống điều khiển trong nhà máy lọc dầu

Trong ngành điều khiển tự
động có hai loại chính đó là điều khiển có khả năng đóng hoặc mở
(discrete control) và điều khiển quá trình (process control).
1. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển
1.1.Điều khiển đóng mở
Điều khiển đóng mở là hệ thống điều khiển tự động thường được sử dụng cho
các nhà máy lắp ráp. Trong ngành công nghiêp hoá học nói chung cũng như
trong ngành công nghệ lọc dầu và chế biến khí nói riêng, điều khiển đóng
mở tuy không phổ biến nhưng cũng là không thể thiếu và có vai trò quan
trọng, đặc biệt trong các ứng dụng start up, shutdown, an toàn nhà máy.
Những đầu vào, đầu ra của loại điều khiển này chỉ ở một trong hai trạng thái
đóng hay mở (on hay off). Phương pháp điều khiển của loại này là logic,
với cổng OR, AND, NAND vv....Cách đây 40 năm bộ điều khiển của loại này
là một hệ thống rơle và rơle thời gian đặt trong tủ bảng. Với sự phát
triển của ngành điện tử, bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC
(Programmable Logic Control) ra đời làm cho hệ thống rơle trở nên lỗi thời.
1.2. Điều khiển quá trình
Trong các nhà máy lọc dầu, hoá dầu, chế biến khí, người ta sử dụng chủ yếu
loại điều khiển này. Quá trình sản xuất là liên tục, các thông số điều
khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, độ pH, nồng
độ vv...
Thiết bị đầu vào thường là từ các bộ chuyển đổi tín hiệu cho ra tín hiệu
tương tự dạng chuẩn như 4-20 mA hoặc 3-15 psig. Thiết bị đầu ra thông
thường là các van điều khiển. Phương pháp điều khiển thường là thuật
toán điều khiển tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân
(Differential) viết tắt là PID. [3]
2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong nhà máy lọc dầu hiện đại
Do đặt thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trong một diện tích lớn và có
rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu hết các nhà
máy lọc dầu hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS
(Distributed Control System). Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống
nhỏ hơn nằm phân tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ
đảm bảo quá trình điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự
quản lý của các hệ thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín
hiệu với các hệ thống chủ. Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý
trực tiếp các thiết bị tại hiện trường như van, cảm biến, mô tơ...
Tập hợp tất cả các dữ liệu từ các hệ thống phân tán ở từng phân xưởng sẽ
được gởi lên các hệ thống cấp cao hơn, các hệ thống này thường được tập
trung ở phòng điều khiển trung tâm của nhà máy, nơi mà các kỹ sư vận
hành và nhà quản lý trực tiếp đưa ra những quyết định về chế độ hoạt
động của nhà máy.
Ra đời từ giữa những năm 70, hệ thống điều khiển phân tán DCS đã mang đến
một cuộc cách mạng thực sự cho phòng điều khiển trung tâm của các nhà
máy lọc dầu bằng cách số hoá những vòng điều khiển và biểu diễn thông
tin của quá trình lên màn hình điều khiển.
[You must be registered and logged in to see this image.]
Hình 1.1. Mô hình hệ thống điều khiển DCS
Những lợi thế mà DCS mang lại có thể kể ra như

• Đảm bảo an toàn cao trong quá trình hoạt động.
  
• Lưu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động phục vụ cho công tác thống kê, nghiên cứu, hoạch định chiến lược.
  
• Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy.
  
• Các module tính toán cho phép triển khai các chiến lược điều khiển nhằm mục đích tối ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế.
  
• Giao diện thân thiện với người vận hành bằng ngôn ngữ và hình ảnh... [3]
  

Một số kỹ thuật điều khiển thường dùng trong nhà máy
2.1. Điều khiển hồi tiếp Feed back control
Đây
là phương pháp truyền thống để điều khiển một quá trình. Nội dung của
phương pháp là đo biến quá trình cần điều khiển PV (Process Variable) và
so sánh với giá trị đặt SP (Setpoint), căn cứ vào độ sai lệch e = SP -
PV, bộ điều khiển sẽ cho ra tín hiệu điều khiển tương ứng làm thay đổi
độ mở của van.
[You must be registered and logged in to see this image.]
Hình 1.2. Sơ đồ điều khiển kiểu Feed back
Đa số các vòng điều khiển đơn giản trong công nghiệp đều sử dụng vòng điều khiển này.
- Ưu điểm
§ Thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư rẻ.
Nhược điểm
§ Nhược
điểm lớn nhất của vòng điều khiển này là bộ điều khiển chỉ can thiệp
vào quá trình sau khi đã có tác động nhiễu ảnh hưởng đến quá trình.
§ Chất lượng của quá trình điều khiển không cao.
2.2. Điều khiển nối tiếp Cascade control
Điều khiển nối tiếp là kỹ thuật điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển bên
trong một vòng điều khiển. Một bộ điều khiển được lồng vào trong một bộ
điều khiển khác, đầu ra của bộ điều khiển thứ nhất là giá trị đặt SP (Set point)
của bộ điều khiển thứ hai. Điều này có nghĩa rằng hai bộ điều khiển là
không độc lập nhau mà liên kết cùng nhau nhằm mục đích điều khiển cho
biến quá trình PV (Process Variable) đạt đến giá trị mong muốn SP.
Điều khiển nối tiếp có thể cải thiện được tính phản hồi và đạt đến tính dễ
điều khiển cho quá trình, đặt biệt là đối với những quá trình mà có thời
gian trễ đáng kể, hoặc thời gian đáp ứng của bộ điều khiển thứ nhất rất
lớn. Hình bên là một ví dụ về hệ thống điều hòa với TRC trên đĩa nhạy
cảm và hệ thống khống chế chất lượng sản phẩm.
[You must be registered and logged in to see this image.]
Hình 1.3. Ví dụ về điều khiển Cascade [2]
Các trường hợp sử dụng Cascade control
§ Cải thiện đáp ứng của hệ thống và tăng tính dễ điều khiển.
§ Thời
gian chết (deadtime) của vòng điều khiển thứ nhất phải lớn. Nếu điều
này không đáp ứng thì điều khiển cascade sẽ không hiệu quả.
§ Đồng thời, động lực học toàn bộ của vòng thứ nhì phải nhanh hơn so với vòng thứ nhất.
Ứng dụng của điều khiển cascade trong lĩnh vực công nghiệp hoá học có thể kể đến như sau
§ Điều khiển mức chất lỏng LC thông qua việc điều khiển lưu lượng qua van FC.
§ Điều khiển nhiệt độ tại một đĩa trong tháp (thông thường là đĩa nhạy cảm). hoặc nhiệt độ đỉnh tháp TC thông qua việc điều khiển dòng hồi lưu FC.
§ Điều khiển nhiệt độ tại một đĩa trong khu vực đáy tháp (thông thường là đĩa nhạy cảm) TC thông qua việc điều khiển dòng nhiệt cung cấp FC.
§ Điều khiển nhiệt độ trong thiết bị phản ứng TC thông qua việc điều khiển dòng nhiệt đun nóng hoặc làm lạnh...
2.3. Điều khiển sớm Feed forward control:
Điều khiển Feed forward còn gọi là kỹ thuật điều khiển sớm, với kỹ thuật
này, thiết bị điều khiển sẽ đo sự nhiễu loạn ảnh hưởng đến quá trình và
phản ứng lại tương ứng. Điều này có nghĩa là chất lượng của quá trình
điều khiển sẽ được cải thiện đáng kể vì biến nhiễu sẽ không gây tác động
đến hệ thống, nó đã được đo và điều khiển trước bởi bộ điều khiển.
Trường hợp sử dụng được Feed forward
Mặc dầu có những lợi thế đáng kể là khử được tác động của nhiễu ảnh hưởng
đến quá trình, tuy nhiên không phải tất cả các quá trình đều có thể
triển khai được kỹ thuật điều khiển Feed forward này.
Do bản chất của điều khiển này là phản ứng chống lại nhiễu trước khi nó
tác động đến quá trình nên ta cần phải biết được những thông tin về
nhiễu, đó là
§ Độ
lớn của biến nhiễu, nghĩa là biến nhiễu trong trường hợp này phải đo
được, biến nhiễu thường gặp nhất là nhiễu nhiệt độ và nhiễu lưu lượng.
§ Cách
thức mà nhiễu tác động đến quá trình, nghĩa là ta phải biết được mô
hình toán học của nó, điều này sẽ giúp bộ điều khiển thiết lập nên thuật
toán điều khiển để khử được nhiễu này.
Nếu không có được hai thông tin trên thì kỹ thuật điều khiển Feed forward sẽ không có tác dụng.
Ví dụ dưới đây là hệ thống điều khiển feed forward để điều hòa hoạt động
của tháp chưng cất 2 sản phẩm sử dụng TRC trên đĩa nhạy cảm, tác động
lên công suất của thiết bị đun sôi lại khi nguyên liệu thay đổi.
[You must be registered and logged in to see this image.]
Hình 1.4. Ví dụ về điều khiển Feed forward
2.4. Sự kết hợp giữa Feed back và Feed forward
Đây
là phương pháp sử dụng phổ biến nhất trong các vòng điều khiển công
nghiệp. Để giải thích lợi ích của sự kết hợp này, ta nghiên cứu sơ đồ
điều khiển sau cho mục đích điều khiển nồng độ sản phẩm ra.
[You must be registered and logged in to see this image.]
Hình 1.5. Mô hình điều kiển kết hợp Feed back và Feed forward
So sánh với sơ đồ Hình 1.4 khi mà không có khâu phản hồi, ta nhận thấy
rằng khi có các biến nhiễu như nhiệt độ hoặc nồng độ của dòng nguyên
liệu thì chất lượng điều khiển cũng sẽ không cao.Trong trường hợp này,
với sự kết hợp của vòng điều khiển Feed back thì chất lượng của việc
điều khiển được cải thiện đáng kể, kể cả trong trường hợp có các tác động nhiễu của nhiệt độ hoặc nồng độ dòng nguyên liệu.
2.5. Kỹ thuật điều khiển bằng computer
Đây là một kỹ thuật điều khiển hiện đại nhờ vào sự phát triển của các kỹ thuật tính toán.
Với máy tính, một mô hình mô phỏng toàn bộ quá trình điều khiển có thể được
thực hiện. Mô hình này có thể tính toán đầu ra cho các van điều khiển
và các thiết bị chấp hành khác.
2.6. Kỹ thuật điều khiển có lựa chọn Override control:
Điều khiển có lựa chọn là kỹ thuật điều khiển mà trong đó biến điều chỉnh có
thể được điều khiển bởi một trong nhiều biến quá trình khác nhau.
Ví dụ minh hoạ dưới đây cho thấy biến điều chỉnh chính là lưu lượng dòng
nhiệt đi qua Reboiler có thể được điều khiển thông qua mức chất lỏng
hoặc là nhiệt độ của đáy tháp. Ở đây ta sẽ phân tích kỹ điều này.
[You must be registered and logged in to see this image.]
Trong thực tế có nhiều trường hợp mà vòng điều khiển tiếp nhận dữ liệu củanhiều biến quá trình.
Ứng dụng phổ biến nhất của kỹ thuật điều khiển này là trong việc startup hoặc shut down nhà máy.
Hiện nay công nghệ điều khiển hiện đại sử dụng để điều khiển quá trình là kỹ
thuật APC (Advance Processec Control), tuy nhiên trong phần mềm mô
phỏng động Dynsim không sử dụng nên ta không nghiên cứu sâu. [1], [3]

một bài viết đáng để đọc