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 1821060178 Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Code Thiết kế xây dựng mơ hình Giao diện Xây dựng+ quay video Nguyễn Trọng Hồng 1821060239 Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Mua thiết bị Giao diện Word chương 23 Xây dựng + quay video Đoàn Trung Hiếu 1821060122 Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Mua thiết bị Thiết kế xây dựng mơ hình Word chương Xây dựng + quay video Phạm Giang Nam 1821060114 Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Hồng Đình Phúc 1821060090 Thảo luận chọn đề tài Chọn thiết bị Phân tích hướng giải tốn Góp ý xây dựng code Góp ý xây dựng code Lời nói đầu Cơ thể người hệ thống gồm nhiều quan phận phối hợp nhịp nhàng với để thực q 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 370 C minh chứng cụ thể cho khả tự điều chỉnh tuyệt vời người Tương tự thể người, sản xuất công nghiệp luôn địi hỏi nhiều q trình tự điều chỉnh cân thơng số hệ thống, có q 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 tự động Ngày nay, loài người biết nhiều phương pháp giải thuật khác từ đơn giản đến đại thơng minh để kiểm sốt 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 q 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 lò nhiệt” đạt mục đích đề Với kết quả, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành PGS.TS Nguyễn Đức Khốt tận tình hướng dẫn suốt trình thực đề tài Một lần xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bạn! MỤC LỤC Chương I : Nghiên cứu tổng quan hệ thống điều khiển nhiệt độ công nghiệp I Tổng quan chung đề tài Tổng quan vấn đề nghiên cứu II Cơ sở lý thuyết .10 Phương pháp đo nhiệt độ 10 Cảm biến nhiệt độ .12 Các lưu ý sử dụng cảm biến nhiệt độ 15 Bộ chuyển đổi nhiệt độ .16 III Hệ thống điều khiển 17 Mơ tả tốn học lị nhiệt .17 Điều khiển on-off 17 Phương pháp điều khiển PID 18 Chương II : Xây dựng mơ hình chọn thiết bị 21 I Xây dựng mô hình 21 II Giới thiệu thiết bị đo đề tài 21 Arduino .21 Giới thiệu chung loại arduino 26 Cảm biến nhiệt độ LM35 37 Bộ gia nhiệt .39 Mosfet .42 Chương III : Xây dựng thuật toán điều khiển, lập trình điều khiển, giao diện điều khiển giám sát 47 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển .47 Lập trình điều khiển 48 Giao diện điều khiển giám sát 49 Test thực tế .53 Kết luận 57 Tài liệu tham khảo 58 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 lị nhiệt Trong thực tế cơng nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý hiệu cần thiết Lị 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 quán 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 lị nhiệt Với điều khiển kiểu đóng - ngắt (ON-OFF), trình điều khiển nhiệt, rơ-le nhiệt đóng ngắt nhiệt độ lị thấp lớn giá trị đặt Do qn tính q trình nhiệt, cắt điện đốt lò, nhiệt độ điều khiển cịn 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 trình đốt lị thơng qua khóa điện tử Như lị điều khiển đốt xung điện, có chu kỳ điều khiển được, tùy thuộc vào trạng thái 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 Lò điện trở làm việc dựa sở có dịng điện chạy qua dây dẫn vật dẫn tỏa lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q¿ I 2Rt 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 : Lị điện trở thơng thường gồm ba phần chính: vỏ lị, lớp lót dây nung 1.3.1 Vỏ lò Vỏ lò điện trở khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng trình làm việc lò Mặt khác vỏ lò dùng để giữ lớp cách nhiệt rời đảm bảo kín hồn tồn tương đối lị Đối với lị 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 lị, đặc biệt theo chiều cao lị Trong trường hợp riêng, lị điện trở có thể 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 lị    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 lò 1000 – 2000 mm – 12 mm đường kính vỏ lị 2500 – 4000 mm 14 – 20 mm đường kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng vịng đệm tăng cường loại thép hình Vỏ lò chữ ngật dựng lên nhờ thép hình U, L thép cắt theo hình dáng thích hợp Vỏ lị có thể bọc kín, có thể khơng tuỳ theo u cầu kín lị Phương pháp gia cơng vỏ lị 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 có thể 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 có thể tiến hành lị có thể tiến hành ngồi nhờ khn 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 quyển 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 có thể xây gạch cách nhiệt, có thể 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  Lị nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc lò từ 6500C đến 12000C  Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc lò 12000C Phân loại theo nơi dùng:  Lò 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 Lị liên tục b Lị làm việc có tính lặp lại c Lò gián đoạn Phân loại theo kết cấu lò:  Lò buồng  Lò giếng  Lò chụp a Hình 4a: Hình ảnh kết cấu cấu lị điện trở dạng lị buồng b Hình 4b: Hình ảnh kết lò điện trở dạng lò giếng Phân loại theo mục đích sử dụng:  Lị tơi  Lò ram  Lò ủ 1.5 Các yêu cầu dây điện trở Dây điện trở hợp kim Hợp kim Crôm – Niken (Nicrôm) Hợp kim có độ bền học cao có lớp màng Oxit Crôm (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 lị 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 lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tơi dụng cụ cắt gọt Cripton hỗn hợp graphic, cacbuarun đất sét, chúng chế tạo dạng hạt có đường kính 2-3mm, 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 môi trường Với yêu cầu đặt lựa chọn cảm biến nhiệt lại có ứng dụng khác thực tiễn: 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 Với quy mô nhà trồng hay nông 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 ... đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lò nhiệt? ?? đạt mục đích đề Với kết quả, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành PGS.TS Nguyễn Đức Khốt tận tình hướng dẫn suốt trình thực đề tài. .. 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 trình đốt lị thơng qua khóa điện tử Như lị điều khiển. .. nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu hợp kim màu Vấn đề đặt cần điều khiển nhanh xác thiết kế điều khiển cho lị nhiệt Với điều khiển kiểu đóng - ngắt (ON-OFF), trình điều khiển nhiệt, rơ-le nhiệt