ĐỒ án kỹ THUẬT đo LƯỜNG và điều KHIỂN BẰNG máy TÍNH đề tài điều KHIỂN và GIÁM sát hệ THỐNG lò NHIỆT

111Equation Chapter Section TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA -    - ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG LÒ NHIỆT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : PGS.TS.NGUYỄN ĐỨC KHỐT NHĨM : 02 SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐĂNG HUỲNH 1821060178 NGUYỄN TRỌNG HỒNG 1821060239 ĐỒN TRUNG HIẾU 1821060122 HỒNG ĐÌNH PHÚC 1821060090 PHẠM GIANG NAM 1821060114 Hà Nội, năm 2021 Bảng phân công nhiệm vụ Nguyễn Đăng Huỳnh 182106017 Nguyễn Trọng Hoàng 182106023 Đoàn Trung Hiếu 182106012 Phạm Giang Nam 182106011 Hồng Đình Phúc 1821060090 Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải toán Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Mua thiết bị Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Mua thiết bị Code Thiết kế xây dựng mơ hình Giao diện Xây dựng+ quay video Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Góp ý xây dựng code Góp ý xây dựng code Thiết kế xây dựng mơ hình Giao diện Word chương Word chương 123 12 Xây dựng + Xây dựng + quay video quay video Lời nói đầu Cơ thể người hệ thống gồm nhiều quan phận phối hợp nhịp nhàng với để thực trình sinh lý hóa cần thiết cho sống Điều hiển nhiên thời điểm, thể người luôn điều chỉnh cân thứ nhằm thích nghi với mơi trường đảm bảo trì sống liên tục Thân nhiệt người bình thường ln ổn định C minh chứng cụ thể cho khả tự điều chỉnh tuyệt vời người Tương tự thể người, sản xuất công nghiệp ln địi hỏi nhiều q trình tự điều chỉnh cân thơng số hệ thống, có trình gia nhiệt cho sản phẩm Tuy nhiên khơng phải q trình tự nhiên xảy ngồi ý muốn chủ quan người mà chịu chi phối trực tiếp gián tiếp từ phía người vận hành điều khiển Trải qua gần 100 năm kể từ Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động dùng cho lị sưởi lịch sử lồi người có dịp chứng kiến hưởng thụ nhiều công nghệ đại áp dụng vào mục đích kiểm sốt nhiệt độ Đi đầu công nghệ thuộc lĩnh vực điều khiển Đồ án môn học tự động Ngày nay, loài người biết nhiều phương pháp giải thuật khác từ đơn giản đến đại thông minh để kiểm soát nhiệt độ phục vụ cho việc ổn định hệ thống xa cải thiện chất lượng đáp ứng Việc áp dụng phương pháp cụ thể vào môi trường công nghiệp không đơn giản lúc tưởng tượng kết cuối Bất kỳ phương án lựa chọn phải xem xét nhiều khía cạnh khác đặc điểm kỹ thuật, mặt tích cực hạn chế làm việc, tính khả thi hoạt động lợi ích kinh tế lúc đưa vào vận hành …Tất vấn đề cần đánh giá khách quan dựa sở khoa học rõ ràng, đắn thể phương trình tốn học, biểu đồ thống kê, bảng so sánh đánh giá thực nghiệm kiểm chứng Một đề tài đồ án tốt việc thực cơng việc cịn có ý nghĩa sâu sắc sinh viên thực Một lần sinh viên trải nghiệm thực tế học từ ghế nhà trường giúp hình thành sản phẩm cơng nghiệp Trong q trình tiến hành khơng thể khơng gặp khó khăn vấp phải, kích thích sinh viên tư để tìm phương án tối ưu trao đổi thảo luận với nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm, phương pháp làm việc hiệu để đưa phương án tối ưu để giải vấn đề cách hợp lý Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực hiện, đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lị nhiệt” đạt mục đích đề Với kết quả, nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành PGS.TS Nguyễn Đức Khoát tận tình hướng dẫn suốt trình thực đề tài Một lần xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bạn! MỤC LỤC Đồ án môn học CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU I Tổng quan chung đề tài Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Giới thiệu hệ thống lò nhiệt Trong thực tế công nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng q trình công nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý hiệu cần thiết Lò điện trở ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn đặt Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò Lò nhiệt thiết bị khó điều khiển hàm truyền hàm có hai thành phần gồm qn tính bậc khâu trễ Vì vậy, số phương pháp điều khiển truyền thống thường tồn nhiều khó khăn định cho người thiết kế hệ thống điều khiển Bài báo sử dụng phương pháp phản hồi âm lặp kết hợp với khâu rơ-le khắc phục phần nhược điểm Với phương pháp đề xuất có khả tự dị hệ số PID điều khiển, làm cho đơn giản hóa việc tính tốn thiết kế điều khiển lị nhiệt Các kết mơ thuật tốn phần mềm Matlab cho thấy thuật tốn ứng dụng thực tế Hình 1: Mơ hình tổng quan hệ thống điều khiển PID Lò điện trở thiết bị biến đổi điện thành nhiệt thông qua dây đốt Từ dây đốt, qua xạ, đối lưu truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt truyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở dùng để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu hợp kim màu Vấn đề đặt cần điều khiển nhanh xác thiết kế điều khiển cho lò nhiệt Với điều khiển kiểu đóng - ngắt (ON-OFF), q trình điều khiển nhiệt, rơ-le nhiệt đóng ngắt nhiệt độ lò thấp lớn giá trị đặt Do quán tính q trình nhiệt, cắt điện đốt lị, nhiệt độ điều khiển tăng thêm giá trị đóng điện, nhiệt độ cịn giảm Do đó, phương pháp điều khiển ON-OFF thường độ lệch nhiệt độ điều khiển xấp xỉ từ vài đến 10% Trong đó, điều khiển kiểu tương tự hệ thống điều nhiệt điện tử cho phép điều khiển liên tục q trình đốt lị thơng qua khóa điện tử Như lò điều khiển đốt xung điện, có chu kỳ điều khiển được, tùy thuộc vào trạng thái Đồ án môn học 44 nhiệt lò Do vậy, phương pháp điều nhiệt để chỉnh định tự động thông số điều khiển PID 1.2 Ngun lí hoạt động lị nhiệt Lị điện trở làm việc dựa sở có dòng điện chạy qua dây dẫn vật dẫn tỏa lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: QRt Trong đó: Q: lượng nhiệt tính jun I: dịng điện tính A R: điện trở t : thời gian tính s Từ cơng thức ta thấy R đóng vai trị: + + Vật nung: trường hợp gọi nung trực tiếp Dây nung: dây nung nung nóng truyền nhiệt cho vật nung xạ, dẫn nhiệt phức hợp Trường hợp gọi nung gián tiếp 1.3 Cấu tạo : Lò điện trở thơng thường gồm ba phần chính: vỏ lị, lớp lót dây nung 1.3.1 Vỏ lị Vỏ lị điện trở khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng q trình làm việc lị Mặt khác vỏ lò dùng để giữ lớp cách nhiệt rời đảm bảo kín hồn tồn tương đối lò Đối với lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lị phải hồn tồn kín, cịn lị điện trở bình thường, kín vỏ lị cần giảm tổng thất nhiệt tránh lùa khơng khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò Trong trường hợp riêng, lị điện trở làm vỏ lị khơng bọc kín Khung vỏ lị cần cứng vững đủ để chịu tải trọng lớp lót, phụ tải lị (vật nung ) cấu khí gắn vỏ lò + + + Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v Vỏ lò tròn dùng lò giếng vài lò chụp v.v Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên tốt vỏ lò chữ nhật lượng kim loại để chế tạo vỏ lò Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép dày - mm đường kính vỏ lị 1000 – 2000 mm – 12 mm đường kính vỏ lò 2500 – 4000 mm 14 – 20 mm đường kính vỏ lị khoảng 4500 – 6500 mm Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng vòng đệm tăng cường loại thép hình Vỏ lị chữ ngật dựng lên nhờ thép hình U, L thép cắt theo hình dáng thích hợp Vỏ lị bọc kín, khơng tuỳ theo u cầu kín lị Phương pháp gia cơng vỏ lò loại chủ yếu hàn tán 1.3.2 Lớp lót Lớp lót lị điện trở thường gồm hai phần: vật liệu chịu lửa cách nhiệt Phần vật liệu chịu lửa xây gạch tiêu chuẩn, gạch hình gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng kích thước cho buồng lị Cũng có người ta đầm loại bột chịu lửa chất dính dết gọi khối đầm Khối đầm tiến hành lị tiến hành ngồi nhờ khuôn Đồ án môn học 55 Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo yêu cầu sau: + + + + + + Chịu nhiệt độ làm việc cực đại lị Có độ bền nhiệt đủ lớn làm việc Có đủ độ bền học xếp vật nung đặt thiết bị vận chuyển điều kiện làm việc Đảm bảo khả gắn dây nung bền chắn Có đủ độ bền hố học làm việc, chịu tác dụng khí lò ảnh hưởng vật nung Đảm bảo khả tích nhiệt cực tiểu Điều đặc biệt quan trọng lò làm việc chu kỳ Phần cách nhiệt thường nằm vỏ lò phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu phần để giảm tổn thất nhiệt Riêng đáy, phần cách nhiệt địi hỏi phải có độ bền học định cịn phần khác nói chung khơng yêu cầu Yêu cầu phần cách nhiệt là: + + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả tích nhiệt cực tiểu Ổn định tính chất lý, nhiệt điều kiện làm việc xác định Phần cách nhiệt xây gạch cách nhiệt, điền đầy bột cách 1.3.3 Dây nung Theo đặc tính vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại: + Dây nung kim loại + Dây nung phi kim loại Trong cơng nghiệp, lị điện trở dùng phổ biến dây nung kim loại 1.4 Phân loại: Lò điện trở phân loại theo nhiều phương pháp Phân loại theo phương pháp tỏa nhiệt: + Lò điện trở tác dụng trực tiếp + Lò điện trở tác dụng gián tiếp Vật liệu nung nóng trực tiếp; Biến áp; Đầu cấp điện Dây đốt (dây điện trở); Vật liệu nung nóng gián tiếp Hình 2: Ngun lý lị điện trở đốt nóng trực tiếp gián tiếp Phân loại theo nhiệt độ làm việc: + Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc lị 6500C Đồ án mơn học 66 + + Lị nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc lị từ 6500C đến 12000C Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc lò 12000C Phân loại theo nơi dùng: + Lị dùng cơng nghiệp + Lị dùng phịng thí nghiệm + Lị dùng gia đình Phân loại theo đặc tính làm việc: + Lị làm việc liên tục + Lị làm việc gián đoạn Hình 3: Đồ thị nhiệt độ chế độ làm việc lò điện trở a Lò liên tục b Lò làm việc có tính lặp lại c Lị gián đoạn Phân loại theo kết cấu lò: + Lò buồng + Lị giếng + Lị chụp a Hình 4a: Hình ảnh kết cấu cấu lò điện trở dạng lò buồng Đồ án mơn học b Hình 4b: Hình ảnh kết lò điện trở dạng lò giếng 77 Phân loại theo mục đích sử dụng: + Lị tơi + Lị ram + Lò ủ 1.5 Các yêu cầu dây điện trở Dây điện trở hợp kim Hợp kim Crơm – Niken (Nicrơm) Hợp kim có độ bền học cao có lớp màng Oxit Crơm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lị có nhiệt độ làm việc 12000C Hợp kim Crơm - Nhơm (Fexran), có đặc điểm hợp kim Nicrơm có nhược điểm giịn, khó gia công, độ bền học môi trường nhiệt độ cao Dây điện trở kim loại :Thường dùng kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) Wonfram (W) dùng cho lò điện trở chân khơng lị điện trở có khí bảo vệ Điện trở nung nóng vật liệu kim loại : Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu nhiệt độ cao tới 14500C, thường dùng cho lị điện trở có nhiệt độ cao, dùng để dụng cụ cắt gọt Cripton hỗn hợp graphic, cacbuarun đất sét, chúng chế tạo dạng hạt có đường kính 23mm, thường dùng cho lị điện trở phịng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C 1.6 Ứng dụng thực tế Ngày có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, mơi trường (hóa học, vật lý, hay điện) giá thành Việc lựa chọn cảm biến không dễ dàng, cách an toàn hay sử dụng lựa chọn theo nghành nghề thông thường, loại cảm biến thiết kế để phục vụ cho chuyên nghành riêng Và yêu cầu đặt lựa chọn loại cảm biến nhiệt bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến dựa theo nghành nghề khác + + + + + + + Độ xác Sự linh hoạt, lắp ráp dễ dàng Giới hạn khoảng nhiệt cần đo Giá thành Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay khơng Sự tương thích với mơi trường ảnh hưởng (nếu có) tác nhân bên ngồi mơi trường Với yêu cầu đặt lựa chọn cảm biến nhiệt lại có ứng dụng khác thực tiễn: Đồ án môn học 88 1.6.1 Cảm biến nhiệt độ nghành công nghiệp xi măng Trong nghành Công nghiệp sản xuất Xi măng, yêu cầu đo lường giám sát nhiệt độ khâu chu trình việc quan trọng, liên quan đến chất lượng sản phẩm đầu chi phí giá thành cho việc sản xuất Chính điều đặt thách thức cho nhà máy phải lựa chọn dòng cảm biến nhiệt độ cho vừa đảm bảo tính xác, ổn định phép đo, tuổi thọ sản phẩm đồng thời phải tối ưu chi phí đầu tư Hình 5: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất xi măng Như vậy, qua thấy có nhiều vị trí nhà máy phải sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, đặc biệt vị trí tháp trao đổi nhiệt, silo liệu, khu phân ly, lọc bụi… Tùy vị trí nhiệt độ khác lựa chọn cảm biến với dải đo chủng loại khác 1.6.2 Ứng dụng kỹ thuật nhiệt lạnh Ngày nghành kỹ thuật lạnh phát triển mạnh mẽ, sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, phạm vi ngày mở rộng trở thành kỹ thuật vô quan trọng thiếu đời sống kỹ thuật tất nước giới Có nói kỹ thuật nhiệt lạnh có nhiều ứng dụng chẳng hạn như: + + + Trong công nghiệp chế biến bảo quản thực phẩm Trong sản xuất bia, nước Ứng dụng cơng nghiệp hóa chất 1.6.3 Nghiên cứu nông nghiệp Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt kỹ thuật đo lường việc phát triển nông nghiệp xanh mang lại hiệu to lớn Đồ án môn học 99 Với quy mơ nhà trồng hay nơng trại rộng, việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo phương pháp dây truyền thống gặp nhiều khó khăn Chính nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây nhằm giám sát nhiệt độ – độ ẩm môi trường sinh trưởng trồng áp dụng thực tiễn Các thành phần hệ thống chia thành cấp độ: cấp trung tâm giám sát vận hành; cấp trạm thu thập liệu sở; cấp bao gồm cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí, đất trồng nơng trường Tùy theo quy mơ diện tích đất canh tác nơng trường yêu cầu cấp độ giám sát ta triển khai xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu phù hợp Trung tâm giám sát gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến trạm thu thập liệu sở; máy chủ với hệ sở liệu lưu trữ thông tin hệ thống; máy tính giám sát vận hành với hình theo dõi quan sát tình trạng mơi trường sinh trưởng trồng, đồng thời đưa cảnh báo để nhà nông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp Tùy vào nhu cầu người dùng, trung tâm giám sát cho phép người quản lý từ xa truy cập vào sở liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi (phạm vi hoạt động tối đa 100m), GSM/GPRS (phạm vi không giới hạn) trang bị phần cứng tương ứng Trạm thu thập liệu sở, hiểu trạm tổng với cảm biến đo tạo thành mạng cảm biến với cấu hình (star) Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây hình phù hợp với diện tích giám sát khơng q rộng, số lượng điểm đo khơng q lớn Khi diện tích rộng, điểm đo lớn ta sử cấu trúc mạng cảm biến khơng dây hình (tree) hình lưới (mesh) Trạm thu thập liệu cấu tạo từ module sau: module điều khiển xử lý thu thập liệu; module truyền thông tốc độ cao để truyền liệu trung tâm; module truyền thông không dây theo chuẩn mạng GSM/GPRS Wi-Fi để nhận liệu nhiệt độ – độ ẩm từ cảm biến truyền Tùy vào thiết kế chọn, trạm thu thập liệu dựa mạng Wi-Fi, GSM/GPRS cho phép cấu hình để người quản lý truy cập xem liệu gốc từ cảm biến đo gửi 1.6.4 Trong sản xuất xe Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ô tô loại cảm biến tơ giữ vai trị quan trọng Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát thường đặt khoang nước máy có chức đo nhiệt độ nước làm mát, truyền thông tin vi xử lý để tính tốn, điều chỉnh góc đánh lửa, tốc độ chạy không tải… Đối với số dịng xe đại, thơng số nhiệt độ nước làm mát dùng để điều khiển hệ thống kiểm sốt khí xả + Góc đánh lửa sớm: Khi nhiệt độ nước làm mát máy thấp, vi xử lý trung tâm (ECU) thực việc điều chỉnh lại để tăng góc Đồ án mơn học 1010 ... lệch nhiệt độ điều khiển xấp xỉ từ vài đến 10% Trong đó, điều khiển kiểu tương tự hệ thống điều nhiệt điện tử cho phép điều khiển liên tục q trình đốt lị thơng qua khóa điện tử Như lị điều khiển. .. chu kỳ điều khiển được, tùy thuộc vào trạng thái Đồ án môn học 44 nhiệt lò Do vậy, phương pháp điều nhiệt để chỉnh định tự động thông số điều khiển PID 1.2 Nguyên lí hoạt động lò nhiệt Lò điện... dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu phù hợp Trung tâm giám sát gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến trạm thu thập liệu sở; máy chủ với hệ sở liệu lưu trữ thơng tin hệ thống; máy tính giám sát