GIỚI THIỆU VỀ ĐÁ KHÔ
Đá khô là gì
Đá khô, hay còn gọi là cacbon dioxit, là một chất hóa học phổ biến tại Việt Nam Ngoài tên gọi này, nó còn được biết đến với các tên khác như đá khói, đá khí, băng khô và nước đá khô.
Tên tiếng Anh của đá khô là “Dry Ice”, và mặc dù có nhiều tên gọi khác nhau, nhưng chúng đều phản ánh nhu cầu sử dụng, tính chất và công dụng của nó Chẳng hạn, trong lĩnh vực dịch vụ cưới hỏi, nhiều người gọi đá khô là đá khói vì họ sử dụng loại đá này để tạo hiệu ứng khói trong các buổi lễ.
Lịch sử phát triển
Đá khô, hay carbon dioxide rắn (CO2 rắn), được phát hiện vào đầu thế kỷ XX và lần đầu tiên được sản xuất thương mại tại Hoa Kỳ vào năm 1920 Năm 1925, một công ty thương mại đã đăng ký nhãn hiệu "đá khô", từ đó cái tên này trở thành thuật ngữ phổ biến để chỉ carbon dioxide ở thể rắn.
Công ty Prest-Air Devices ở Long Island là đơn vị tiên phong sản xuất đá khô tại New York vào năm 1925 Cùng năm đó, Schrafft đã ứng dụng đá khô để bảo quản kem không bị tan chảy trong phòng khách Từ giữa thế kỷ XX đến nay, đá khô đã trở thành giải pháp phổ biến để làm lạnh và đông lạnh thực phẩm.
Trước thế chiến thứ II, hầu hết các loại kem trên thế giới được đông lạnh bằng phương pháp truyền thống Tuy nhiên, sau chiến tranh, sự phát triển của thiết bị điện lạnh với giá thành rẻ hơn và hiệu quả cao hơn đã cách mạng hóa quy trình sản xuất kem.
Quá trình sản xuất đá khô đã không thay đổi nhiều trong nhiều thập kỷ, sử dụng áp suất cao để làm lạnh khí carbon dioxide Mặc dù sự tiện lợi của điện lạnh đã làm giảm việc sử dụng đá khô, nhưng gần đây, đá khô lại trở nên phổ biến trong việc làm sạch nước và vận chuyển mẫu vật y tế, bao gồm trái tim, tay chân và các mô cho phẫu thuật và cấy ghép.
Thành phần cấu tạo của đá khô CO 2
Đá khô CO2 là hợp chất vô cơ có công thức hóa học CO2 ở dạng rắn, tương tự như khí CO2 trong không khí Sự khác biệt giữa chúng nằm ở trạng thái: đá khô ở thể rắn trong khi khí CO2 tồn tại ở thể khí Các tính chất lý hóa của chúng cũng khác nhau do sự khác biệt này Phân tử CO2 bao gồm một nguyên tử carbon liên kết với hai nguyên tử oxy.
2 nguyên tử oxy không duy trì sự cháy Chúng có thể ở 3 thể khác nhau là thể rắn, thể lỏng và thể khí.
Hình 1.1 Cấu tạo phân tử CO 2
Quy trình sản xuất đá khô
Carbon dioxide được hóa lỏng bằng cách nén và làm lạnh ở áp suất 870 lb/2 (395 kg/cm²) và nhiệt độ phòng Sau đó, khí CO2 được bơm qua đường ống vào các bồn chứa lớn, giúp các nhà sản xuất đá khô loại bỏ những tạp chất không cần thiết.
Carbon dioxide được vận chuyển với khối lượng lớn, thậm chí lên đến nhiều tấn Do đó, nhiều nhà sản xuất đá khô thường đặt nhà máy gần các cơ sở lọc dầu hoặc ammoniac để tiết kiệm chi phí vận chuyển Dưới áp lực, carbon dioxide lỏng được dẫn trực tiếp vào bể của nhà máy sản xuất đá khô.
Hình 1.2 Quy trình sản xuất đá khô trong công nghiệp
Các chất lỏng được giữ lạnh trong các thùng lớn, được kết nối trực tiếp với nơi sản xuất qua ống áp suất, nhằm duy trì trạng thái lỏng và sẵn sàng sử dụng khi cần thiết.
Carbon dioxide lỏng được vận chuyển qua đường ống từ các bể đến khuôn sản xuất đá khô Khi chuyển từ môi trường áp suất cao sang áp suất khí quyển, nó bay hơi nhanh chóng và chuyển sang thể rắn ở nhiệt độ -109 °F (-78,3 °C) Một vòi phun đưa chất lỏng vào khuôn cao khoảng 4,9 mét, được thiết kế đặc biệt để chịu áp lực lớn Khi carbon dioxide lỏng đi vào khuôn, nó ngay lập tức đông lại ở nhiệt độ phòng, tạo ra hình dạng giống như tuyết.
Bước 5 trong quá trình sản xuất đá khô là nén tuyết dưới áp lực khoảng 60 tấn, biến nó thành đá khô trong khoảng 5 phút Kích thước của khối đá khô thường là 61 cm chiều rộng, 25 cm chiều cao và nặng 100 kg.
Khối đá khô được đẩy ra khỏi khuôn và trượt trên con lăn, sau đó được cắt thành hai phần bằng nhau bằng lưỡi cưa khí nén Tiếp theo, các phần này sẽ được đưa vào một hệ thống cưa khác để tiếp tục cắt nhỏ hơn.
4 phần bằng nhau, mỗi phần nặng 25 kg.
Bước 7: Để duy trì mức độ thăng hoa thấp nhất, các khối đá khô được cho vào container và giữ lạnh Trong quá trình vận chuyển, cần đóng gói chặt chẽ các khối đá khô, vì nếu để lộ ra ngoài, chúng sẽ nhanh chóng hóa hơi Nhiều nhà sản xuất sử dụng máy móc để quấn giấy quanh đá khô trước khi giao hàng, nhằm tránh nguy cơ bỏng lạnh khi thực hiện bằng tay.
Hình 1.3 Dây chuyền sản xuất đá khô trong công nghiệp
Đặc tính của đá khô
Đá khô có đặc tính cơ bản : Tạo khói trắng khi gặp nước và độ lạnh sâu lên tới -78.5ºC
Ứng dụng của đá khô
Đá khô có rất nhiều công dụng trong cuộc sống khác với những suy nghĩ rằng
CO2, mặc dù được coi là khí vô giá trị và gây ô nhiễm môi trường, nhưng đá khô CO2 lại có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp Nó được sử dụng để bảo quản thực phẩm, làm kem, tạo khói cho sân khấu và tháp ly, bảo quản thi hài, sửa chữa móp méo xe hơi, vệ sinh công nghiệp, cũng như làm lạnh các chi tiết máy.
1.6.1 Bảo quản thực phẩm: Đá khô CO2 có thể bảo quản được rất nhiều loại thực phẩm như : kem, sữa chua, bánh kem, thực phẩm tươi sống, thủy hải sản, thực phẩm chín, vắc-xin… Tại sao đá khô lại được sử dụng trong công tác bảo quản thực phẩm? Đá khô được sử dụng rộng rãi trong bảo quản thực phẩm bởi tính làm lạnh nhanh và lâu Chỉ mất thời gian ngắn để đưa nhiệt độ của thực phẩm xuống âm độ và có thể bảo quan lên tới vài ngày Ngoài ra ở nhiệt độ âm sâu cùng với lượng khí CO2 sinh ra sẽ hoàn toàn loại bỏ được vi khuẩn xung quanh thực phẩm.
Trong một số trường hợp đặc biệt, việc bảo quản vắc-xin hoặc chế phẩm sinh học yêu cầu nhiệt độ và thời gian lưu trữ nhất định Khách hàng cần liên hệ với bộ phận hỗ trợ để được tư vấn cụ thể Đối với xuất nhập khẩu và vận chuyển thực phẩm bằng đường hàng không, việc sử dụng đá khô CO2 là bắt buộc để đảm bảo an toàn cho hàng hóa.
Hình 1.4 Bảo quản kem bằng đá khô trong quá trình vận chuyển
Hình 1.5 Bảo quản cá ngừ, tôm bằng đá khô khi xuất sang thị trường Nhật Bản
Hình 1.6 Bảo quản thực phẩm tươi sống bằng đá khô, bảo quản rau củ quả bằng đá khô
Hình 1.7 Bảo quản thuốc và vắc-xin
Rót rượu tháp ly, phong tục bắt nguồn từ phương Tây, đã trở nên phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt trong các lễ cưới Tiếng nổ của sâm panh không chỉ báo hiệu niềm vui mà còn thể hiện sự trong sáng của tình yêu qua những chiếc ly trong suốt Tháp ly, với các ly xếp chồng lên nhau, tượng trưng cho sự bền vững và vĩnh hằng trong mối quan hệ Tục lệ này, còn được gọi là "rót rượu tràn ly", mang ý nghĩa tình yêu luôn tràn đầy và hạnh phúc.
Hình 1.8 Tháp ly đám cưới
1.6.3 Tạo khói sân khấu: Đá khô có đặc tính tạo khói trắng khi gặp nước vì vậy mà được sử dụng nhiều trong ngành điện ảnh, chụp ảnh nghệ thuật, ca múa nhạc …
Hình 1.9 Tạo khói sân khấu Hình 1.10 Máy tạo khói mini
Trong một số nhà hàng, đá khô được sử dụng với mục đích trang trí ngay trên bàn tiệc.
Hình 1.11 Đá khô dùng trang trí trong bàn tiệc
1.6.4 Sửa móp méo xe hơi :
Trong trường hợp xe hơi hoặc tủ lạnh bị móp méo nhẹ, đá khô là giải pháp hữu ích Nhiệt độ lạnh của đá khô sẽ làm cho phần kim loại bị lõm hoặc lồi co lại, giúp vết móp trở lại bình thường sau 15 – 30 phút Đá viên nén, hay còn gọi là đá bún, có đường kính viên đá khoảng
3mm… là một sản phẩm của đá khô Đá được sử dụng cho công tác vệ sinh thiết bị kim loại, khuôn đúc, chi tiết máy…
Máy phun đá khô tại Việt Nam chủ yếu được nhập khẩu từ Đức, hoạt động dựa trên nguyên lý tăng áp suất bình chứa để bắn viên đá sợi vào bề mặt cần làm sạch với vận tốc cực lớn Phương pháp này hiệu quả trong việc phá vỡ chất bẩn bám trên bề mặt, đồng thời được xem là một trong những giải pháp vệ sinh tốt nhất hiện nay, góp phần bảo vệ môi trường.
Vệ sinh tàu biển Vệ sinh khuôn đúc Làm sạch chi tiết máy
Hình1.12 Một số ứng dụng CO 2 trong lĩnh vực cơ khí
Một số lưu ý khi sử dụng đá khô
Đá khô CO2 không phải là chất độc hại cho sức khỏe con người, nhưng cần lưu ý rằng nó là cacbon dioxit, một chất không duy trì sự sống Do đó, không nên lưu trữ một lượng lớn đá khô trong không gian kín Đá khô được sản xuất bằng cách nén khí CO2 với tỷ lệ 1 khối khí tạo thành 1kg đá khô, một tỷ lệ nén rất cao Vì vậy, việc bảo quản đá khô CO2 trong các bình kín hay bình thủy tinh là cực kỳ nguy hiểm và có thể gây nổ.
Đá khô CO2 có nhiệt độ cực thấp, lên tới -78,5ºC, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lên đến 115,5ºC so với nhiệt độ cơ thể người (37ºC), trong khi nước sôi chỉ chênh lệch 63ºC Khi tiếp xúc với đá khô, người dùng sẽ cảm thấy bỏng rát, và cảm giác bỏng lạnh từ đá khô thường khó chịu hơn so với bỏng nóng từ nước sôi Do đó, khách hàng cần sử dụng găng tay khi tiếp xúc trực tiếp với đá khô để bảo vệ da khỏi bị bỏng.
Công nghệ thu thập, lưu trữ và xử lý co2
Cacbon điôxít (CO2) được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau như khí thải từ núi lửa, sản phẩm cháy của hợp chất hữu cơ và hoạt động hô hấp của sinh vật sống Một số vi sinh vật cũng sản xuất CO2 thông qua quá trình lên men và hô hấp tế bào Trong khi đó, thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp, sử dụng nó để tạo ra cacbohyđrat và giải phóng ôxy trở lại khí quyển Ôxy này sau đó được các sinh vật dị dưỡng sử dụng trong hô hấp, tạo thành một chu trình tuần hoàn CO2 có mặt trong khí quyển với nồng độ thấp và đóng vai trò là khí gây hiệu ứng nhà kính, đồng thời là thành phần chính trong chu trình cacbon.
Hiện nay, nguồn CO2 thải ra từ các nhà máy và xí nghiệp là rất lớn Việc thu hồi CO2 ngay trong các cơ sở sản xuất, khu công nghiệp và khu chế xuất không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
1.8.2 Công nghệ thu hồi và lưu giữ CO 2
Thu hồi và lưu giữ carbon (CCS) là một nhóm công nghệ quan trọng giúp giảm lượng khí thải CO2 từ các nguồn phát sinh chủ yếu, góp phần làm giảm tác động của biến đổi khí hậu Thay vì để CO2 tích tụ trong bầu khí quyển hàng ngày, công nghệ CCS thu hồi khí này và lưu trữ nó một cách an toàn.
Bài viết này giới thiệu các công nghệ lưu trữ CO2, không chỉ dựa vào quá trình hấp thụ carbon tự nhiên từ thực vật, đất và đại dương.
Quy trình CCS hoàn chỉnh bao gồm bốn bước chính: đầu tiên, thu CO2 từ nhà máy điện hoặc các nguồn phát thải tập trung; tiếp theo, vận chuyển CO2 đến địa điểm lưu giữ phù hợp; sau đó, bơm CO2 vào các kho chứa ngầm; cuối cùng, giám sát quá trình bơm để đảm bảo CO2 được cô lập hoàn toàn.
Mặc dù tính khả thi của công nghệ CCS trong các tầng địa chất đã được chứng minh qua nhiều ứng dụng, nhưng công nghệ này vẫn chưa được chú ý nhiều cho đến khi các quy định về cắt giảm khí thải được ban hành nhằm giảm lượng khí thải.
Mặc dù nghiên cứu chỉ ra rằng rủi ro từ công nghệ CCS là không đáng kể, nhưng việc áp dụng rộng rãi phương pháp này có thể bị hạn chế do tính mới mẻ của nó và sự thiếu kết nối toàn diện trong công nghệ.
Bước đầu tiên trong quy trình CCS là thu hồi và nén CO2 tại nguồn phát thải để vận chuyển và lưu trữ Hiện nay, có ba phương pháp chính để thu hồi CO2 từ các cơ sở công nghiệp lớn hoặc nhà máy điện: thu khí sau khi đốt, thu khí trước khi đốt, và thu khí bằng cách đốt than với oxy tinh khiết Tại các nhà máy điện, các hệ thống thu hồi CO2 thương mại hiện có thể hoạt động với hiệu suất từ 85% đến 95% Tuy nhiên, các kỹ thuật thu giữ CO2 vẫn chưa được áp dụng cho các nhà máy có công suất lớn hơn 500 MW.
Thu khí sau khi đốt Đây là quá trình tách khí CO2 từ ống khói sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch hoặc sinh khối.
Hiện nay, nhiều công nghệ thương mại có khả năng thu giữ CO2 từ ống khói, trong đó một số phương pháp sử dụng dung môi hóa học hiệu quả để thu gom lượng lớn khí CO2.
Thu khí trước khi đốt
Quá trình này liên quan đến việc tách CO2 từ nhiên liệu bằng cách kết hợp nó với khí hoặc hơi nước để thực hiện quá trình đốt cháy, từ đó lưu giữ luồng CO2 đã được tách ra.
Hiện nay, công nghệ cải hóa khí tự nhiên bằng hơi nước đang được áp dụng phổ biến, trong đó hơi nước được sử dụng để tách hydro từ khí tự nhiên.
Nếu không có quy định pháp lý hoặc hỗ trợ tài chính, các nhà máy sẽ không thực hiện biện pháp thu hồi CO2 trước khi đốt trong hệ thống năng lượng.
Một số ý kiến cho rằng tách khí CO2 trước khi đốt là yêu cầu kỹ thuật cần thiết để chuyển hóa than thành nhiên liệu lỏng qua các phản ứng hóa học Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quá trình chuyển hóa than đá thành nhiên liệu lỏng cũng thải ra CO2, và khi các sản phẩm nhiên liệu lỏng này được đốt cháy, chúng cũng tạo ra khí CO2.
Kỹ thuật thu hồi khí trước khi đốt trong sản xuất nhiên liệu lỏng từ than đá giúp giảm tổng lượng CO2 thải ra Mặc dù khí CO2 vẫn là sản phẩm phát sinh khi tiêu thụ nhiên liệu lỏng trong vận tải hoặc phát điện, nhưng việc áp dụng công nghệ này góp phần làm giảm tác động môi trường.
Quá trình thu khí nhờ đốt nhiên liệu bằng oxy sử dụng oxy như một khí đốt, tạo ra hỗn hợp khí chủ yếu gồm CO2 và nước Hỗn hợp này dễ dàng phân tách, cho phép CO2 được nén, vận chuyển và lưu trữ hiệu quả.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM ĐÁ KHÔ
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
2 Xy lanh 1 3,5,7 Van phân phối
8 Xy lanh đẩy sản phẩm
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý
CO2 ở dạng khí và lỏng được dẫn vào buồng 2, nơi chúng được trộn và chuyển đổi thành bột CO2 (tuyết CO2) Tuyết CO2 này sau đó được ép trong xy lanh 2 thành viên và đẩy xuống buồng ép 1 Tại buồng ép 1, các viên đá tuyết được ép thành khối CO2 Khi khối CO2 được hình thành, mặt bích trên cùng của buồng ép 1 được đẩy ra nhờ xy lanh đẩy sản phẩm 8, và khối CO2 tiếp tục được đẩy lên bằng lực ép từ xy lanh 1, từ đó tạo ra đá khô.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ
2.2.1 Phân tích hoạt động của máy
Để máy hoạt động chính xác và ổn định, cần lắp đặt đúng các xy lanh và đảm bảo đủ lực ép để sản xuất Sự phối hợp chính xác của các chuyển động là yếu tố quan trọng giúp quá trình tạo CO2 dạng rắn diễn ra bình thường.
2.2.2 Tính toán thiết kế buồng ép đá khô
Buồng ép này có chức năng nén các viên CO2 rắn được tạo ra sau khi rút nhiệt từ CO2 lỏng trong buồng nạp liệu Quá trình này giúp ép các viên CO2 lại với nhau để tạo thành khối.
Việc ép các viên CO2 dạng tuyết thành khối rắn giúp đá khô giữ nhiệt lâu hơn và thuận tiện hơn trong quá trình vận chuyển thương mại.
Sản phẩm : Khối đá khô có kích thước 124x240x400
Các bộ phận làm việc chính:
+ Xy lanh: Cung cấp đủ lực ép để tạo viên theo yêu cầu
Buồng ép có thể tích lớn nhất, thiết kế giảm tiết diện nhằm giảm lực và tổn thất nhiệt Mặt bích trên được thiết kế để dễ dàng đóng mở, đồng thời đảm bảo độ kín khít, giúp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả.
Mặt bích dưới cần được gắn chặt với xy lanh, đảm bảo độ kín khít với buồng ép để ngăn chặn rò rỉ Đồng thời, mặt bích cũng phải cho phép di chuyển một cách dễ dàng, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành.
2.2.2.3 Tính chọn các chi tiết a, Chọn tiết diện buồng ép
Buồng ép là thiết bị chuyên dụng để nén CO2 rắn thành khối, giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển và lưu trữ Kích thước của khối đá khô được tạo ra sẽ phụ thuộc vào kích thước của buồng ép.
Các phương án làm kích thước buồng ép
Phương án 1 đề xuất làm kích thước buồng ép lớn gấp 2-3 lần kích thước sản phẩm, cho phép sử dụng thêm các nguyên công khác như cưa để tạo ra sản phẩm theo mong muốn Ưu điểm của phương án này là tiết kiệm thời gian chạy máy và tạo ra nhiều sản phẩm chỉ trong một lần chạy.
Nhược điểm của phương pháp này bao gồm việc tiêu tốn thêm nguyên công, kích thước khuôn ép lớn dẫn đến kích thước máy lớn, và lực ép lớn gây khó khăn trong quá trình vận chuyển Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật là tiết kiệm nguyên công, thuận lợi trong vận chuyển và lưu trữ, giảm chi phí đầu tư ban đầu, cũng như tiết kiệm không gian cho thiết bị.
Nhược điểm: Tốn nhiều thời gian hình thành sản phẩm, hiệu suất sử dụng nguyên liệu giảm do thất thoát
Xét 2 phương án trên ta thấy phương án 2 có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế tốt hơn mà chi phí đầu tư lại thấp hơn , tuy nhiên cần thiết kế thêm hệ thống giúp thu hồi nguyên liệu thất thoát.
Ta chọn buồng ép có kích thước 124x210x60
Lực ép cực đại 15 tấn
Hình 2.2 Bộ phận làm việc chính của máy b, Tính toán chọn xy lanh thủy lực tiến, đó là: cylinder – piston, động cơ tịnh tiến, động cơ tuyến tính…
Nhiệm vụ của cylinder – piston:
Biến đổi năng lượng áp suất của chất lỏng thành cơ năng Có 3 dạng bộ phận tác động:
Bộ phận tác động chuyển động tịnh tiến – cylinder thủy lực.
Bộ phận tác động chuyển động quay - Động cơ thủy lực.
Bộ phận tác động bán quay (giới hạn góc quay).
Các thành phần cơ bản của cylinder-piston:
Cylinder là một hình trụ tròn, có bộ phận cố định bên trong là piston, chuyển động tới lui theo chu kỳ Piston thường được kết nối với thanh truyền để truyền động năng lên tải, nhưng cũng có thể tác động trực tiếp lên tải mà không cần thanh truyền, lúc này gọi là thanh đẩy hoặc trụ đẩy Phần đầu nhô ra của thanh truyền được gọi là "đầu thanh," trong khi phần không có thanh truyền được gọi là "đầu nắp."
Hình 2.3 Các thành phần cơ bản của cylinder - piston.
Cấu trúc thanh truyền piston:
Hoạt động của buồng cylinder liên quan đến cả hai phần trong và ngoài, trong đó phần ngoài cần được chú ý đặc biệt Thường thì, các bề mặt của thanh truyền được phủ một lớp crôm, nhưng lớp crôm này có thể bị rổ tổ ong, dẫn đến việc hấp thụ hơi nước và gây oxy hóa Trong môi trường nước khắc nghiệt, thép được phủ hai lớp crôm và niken thường được sử dụng, với độ dày lớp phủ từ 40 đến 150μm, và đôi khi thép chống gỉ cũng được thay thế Để khắc phục những khiếm khuyết của vật liệu kim loại, người ta thường phủ lên bề mặt một lớp ceramic.
Cylinder-Piston tác động đơn:
Loại này có cửa nạp và cửa xả chung trong cylinder, với piston hoạt động theo một chiều chuyển động Khi dầu thủy lực được bơm vào cylinder, piston sẽ chuyển động và thực hiện công việc Piston trở về vị trí ban đầu nhờ trọng lượng tải hoặc lực đẩy của lò xo, trong khi dầu bị ép trở lại bình chứa.
Hình 2.4 Cylinder - Piston tác động đơn
Cylinder-Piston tác động kép:
Trong hệ thống cylinder-piston tác động kép, piston có khả năng sinh công theo cả hai chiều tịnh tiến Dầu thủy lực được cấp vào và xả ra từ cả hai đầu của cylinder, do đó mỗi đầu đều được trang bị cửa nạp và cửa xả, được điều khiển bởi van một chiều hoặc bơm thủy lực đảo chiều.
Chiều dài của cylinder-piston bao gồm tổng chiều dài của thanh đòn, bề dày của piston, đáy, đỉnh và chiều dài của thanh truyền Loại cylinder-piston này thường được áp dụng trong những trường hợp có hạn chế về chiều dài máy Hầu hết các cylinder-piston kiểu bậc đều hoạt động theo phương pháp tác động đơn.
Hình 2.5 Cylinder - Piston tác động kép
Hình 2.6 Cylinder - Piston kiểu bậc Hình 2.7 Cylinder – Piston kiểu pluger
Loại cylinder-piston này không có piston hoặc piston không khít với cylinder, khiến cylinder chỉ đóng vai trò như một cylinder đẩy Điều này dẫn đến việc piston có mối quan hệ về độ dày với thanh truyền.
TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC
Giới thiệu chung về plc
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi ngõ vào hoặc các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì Khi sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ điều khiển thiết bị vật lý bên ngoài bằng cách bật hoặc tắt chúng Bộ điều khiển lập trình này liên tục "lặp" chương trình do người dùng thiết lập, chờ tín hiệu ngõ vào và xuất tín hiệu ngõ ra theo thời gian đã lập trình PLC ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối như bộ điều khiển Relay, đáp ứng nhu cầu điều khiển hiện đại và linh hoạt hơn.
- Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học
- Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các mô Modul mở rộng.
- Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên của PLC nhằm thay thế các phần cứng Relay và Logic thời gian, đồng thời yêu cầu tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng sử dụng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý và giá cả hợp lý Sự quan tâm đến việc ứng dụng PLC trong công nghiệp ngày càng tăng, với các tập lệnh phát triển từ lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch, và các chức năng toán học phức tạp Sự tiến bộ của máy tính đã dẫn đến việc ra đời các bộ PLC có dung lượng lớn và số lượng I/O phong phú hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai yếu tố cơ bản cho quá trình điều khiển hệ thống Chương trình xác định chức năng mà bộ điều khiển thực hiện và được nạp vào bộ nhớ của PLC Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ PLC Việc này cho phép thay đổi hoặc mở rộng chức năng một cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý như với các bộ dây nối hay Relay.
Với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử, các hệ vi xử lý và bộ điều khiển logic có khả năng lập trình (PLC) đã ra đời, khắc phục nhiều nhược điểm của hệ điều khiển liên kết cứng trước đây Việc sử dụng PLC hiện nay rất phổ biến trong công nghiệp tự động hóa nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
Giảm thiểu việc đấu nối dây trong thiết kế hệ thống giúp tối ưu hóa quy trình, trong đó giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện qua chương trình thay vì phải thực hiện bằng cách đấu nối dây thủ công.
- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống.
- Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm.
- Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào ra
Onboard Quản lý ghép nối Bus của PLC
Hình 3.1: Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC
Cấu trúc - nguyên lý hoạt động của plc
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :
Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ).
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC
Một bộ PLC hoàn chỉnh bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc máy tính, với đủ RAM để lưu trữ chương trình Đối với đơn vị lập trình xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, và chương trình chỉ được truyền sang bộ nhớ PLC sau khi đã được kiểm tra Các PLC lớn thường được lập trình trên máy tính để hỗ trợ việc viết, đọc và kiểm tra chương trình, kết nối qua các cổng như RS232, RS422, RS458 Các PLC cỡ nhỏ thường tích hợp các bộ phận thành một khối, trong khi một số hãng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể tùy chọn cấu hình phù hợp với nhu cầu và tiết kiệm chi phí Thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong bộ PLC bao gồm nhiều mô đun khác nhau.
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC
PLC bao gồm bốn khối chính: khối nguồn, khối vi xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào và khối đầu ra Các tín hiệu đầu vào và đầu ra thường ở dạng số (1-0), nhưng nếu tín hiệu là dạng liên tục, cần sử dụng các khối xuất nhập dạng liên tục (Analog).
Khối chức năng cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC là rất quan trọng trong công nghiệp Thông thường, điện áp 24V một chiều được sử dụng phổ biến, nhưng cũng có những bộ PLC hoạt động với điện áp 220V xoay chiều.
Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module):
Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ
Mô đun nhập: (Input Module)
Tín hiệu vào của PLC bao gồm các thông tin điều khiển bên ngoài dưới dạng tín hiệu Logic và tín hiệu tương tự Tín hiệu Logic có thể xuất phát từ các nút ấn điều khiển, công tắc hành trình, tín hiệu báo động và quy trình công nghệ Trong khi đó, tín hiệu tương tự thường là điện áp từ các cảm biến nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ của lò hoặc từ máy phát tốc.
Mô đun xuất (Output Module):
Trong hệ thống PLC, module xuất đóng vai trò quan trọng không kém gì module nhập, với khả năng có từ 8 đến 16 ngõ ra Người dùng có thể kết nối nhiều module xuất để đạt được số lượng ngõ ra cần thiết, từ 16 cho các ứng dụng nhỏ đến 256 cho các ứng dụng lớn hơn Các ngõ ra của module xuất tương tự như các tiếp điểm của rơle, có khả năng chịu tải lên đến 220V/1A Để kiểm soát phụ tải công suất lớn, người dùng có thể sử dụng các thiết bị trung gian như CTT, aptomat hoặc triac.
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC
Trong quá trình thực hiện chương trình, CPU luôn làm việc với bảng ảnh ra Sau khi quét chương trình, quá trình tiếp theo bao gồm truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi Vòng quét kết thúc bằng việc chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi Đôi khi, cần phải cập nhật module ra ngay trong quá trình thực hiện chương trình, và các PLC hiện đại đã tích hợp sẵn các lệnh để thực hiện việc này Tập lệnh của PLC chứa các lệnh ra trực tiếp, cho phép tạm dừng hoạt động bình thường của chương trình để cập nhật module ra, sau đó tiếp tục thực hiện chương trình Thời gian cần thiết để PLC hoàn thành một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét (Scan time).
Thời gian vòng quét không cố định, với mỗi vòng quét có thể kéo dài khác nhau tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình và khối lượng dữ liệu truyền thông Vòng quét ngắn giúp chương trình điều khiển hoạt động nhanh hơn Nguyên lý hoạt động dựa trên các bộ phận cụ thể.
Đơn vị xử lý trung tâm
CPU là bộ phận chính điều khiển các hoạt động bên trong PLC Nó đọc và kiểm tra chương trình lưu trữ trong bộ nhớ, sau đó thực hiện từng lệnh theo thứ tự, đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái đầu ra này được gửi đến các thiết bị liên kết để thực hiện Tất cả các hoạt động này hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song :
Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu
Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC, dữ liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các mô-đun vào ra qua Data Bus Address Bus và Data Bus đều có 8 đường, cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hoặc song song tại cùng một thời điểm.
Hình 3.3: Chu kỳ thực hiện vòng quét của
Khi một mô-đun đầu vào nhận địa chỉ trên Bus Địa Chỉ, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào vào Bus Dữ Liệu Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Bus Địa Chỉ, mô-đun đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Bus Dữ Liệu Bus Điều Khiển sẽ truyền các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O Ngoài ra, CPU được cung cấp một xung Clock với tần số 118 MHz, quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời cũng như đồng hồ của hệ thống.
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chương trình được lưu trữ tại một vị trí cụ thể trong bộ nhớ, với mỗi vị trí được đánh số bằng địa chỉ bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ được quản lý bởi một bộ đếm địa chỉ trong bộ vi xử lý, và bộ vi xử lý sẽ tăng giá trị này lên một trước khi thực hiện lệnh tiếp theo Khi có địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ được truy xuất và hiển thị, quá trình này được gọi là quá trình đọc.
Bộ nhớ bên trong PLC được cấu thành từ các vi mạch bán dẫn, với khả năng lưu trữ từ 2000 đến 16000 dòng lệnh, tùy thuộc vào loại vi mạch Trong PLC, các loại bộ nhớ như RAM và EPROM đều được áp dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
RAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) cho phép nạp, thay đổi và xóa nội dung linh hoạt, nhưng sẽ mất dữ liệu khi nguồn điện bị ngắt Để khắc phục vấn đề này, các PLC được trang bị pin khô, cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế, RAM thường được sử dụng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Hiện nay, CMOSRAM ngày càng phổ biến nhờ vào khả năng tiêu thụ điện năng thấp và tuổi thọ lâu dài.
EPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình điện) là loại bộ nhớ mà người dùng chỉ có thể đọc mà không thể ghi dữ liệu Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, vì nó đã được nhà sản xuất nạp sẵn và chứa hệ điều hành Nếu không cần mở rộng bộ nhớ, người dùng chỉ cần sử dụng EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chức năng ghi và xóa EPROM.
các hoạt động xử lý bên trong plc
Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC , các lệnh sẽ được trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ
PLC có bộ đếm địa chỉ tích hợp trong vi xử lý, cho phép thực hiện chương trình trong bộ nhớ một cách tuần tự từ đầu đến cuối Mỗi lần thực hiện toàn bộ chương trình được gọi là chu kỳ thực hiện, thời gian của chu kỳ này phụ thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và kích thước chương trình Chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn liên tiếp.
Bộ xử lý trong PLC bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của tất cả các đầu vào, và phần chương trình thực hiện nhiệm vụ này được gọi là hệ điều hành.
Bộ xử lý sẽ tuần tự đọc và xử lý các lệnh trong chương trình, đồng thời tiếp nhận tín hiệu từ các đầu vào Sau khi thực hiện các phép toán logic, kết quả sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
• Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul đầu ra.
Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I / O trong PLC :
CPU cần cập nhật liên tục các lệnh ngỏ vào trong chương trình, với khoảng thời gian Delay để đảm bảo chỉ những tín hiệu hợp lý được đọc vào bộ nhớ vi xử lý Các lệnh ngỏ ra được gửi trực tiếp đến các thiết bị Khi lệnh OUT được thực hiện, các ngỏ ra sẽ được cài lại vào đơn vị I/O, giúp giữ trạng thái cho đến lần cập nhật tiếp theo.
Chụp ảnh quá trình xuất nhập
Hầu hết các PLC lớn có thể hỗ trợ hàng trăm I/O, nhưng CPU chỉ xử lý một lệnh tại một thời điểm Trong quá trình thực thi, trạng thái từng ngõ vào phải được xem xét riêng lẻ để xác định tác động của chúng trong chương trình Với yêu cầu 3ms cho mỗi ngõ vào, thời gian lấy mẫu của hệ thống sẽ kéo dài và tăng theo số lượng ngõ vào Để cải thiện tốc độ thực thi, các ngõ I/O được cập nhật vào một vùng RAM đặc biệt, hoạt động như bộ đệm cho trạng thái logic điều khiển và các đơn vị I/O Mỗi ngõ vào ra đều có địa chỉ trong vùng I/O RAM, và quá trình sao chép trạng thái vào I/O RAM diễn ra trong một chu kỳ chương trình từ Start đến End.
Thời gian cập nhật các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O được sao chép, thường chỉ mất vài mili giây Thời gian thực thi chương trình lại phụ thuộc vào độ dài của chương trình điều khiển, với mỗi lệnh thực hiện trong khoảng từ 1 đến 10 micro giây.
Ưu nhược điểm của plc trong công nghiệp
3.4.1 Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng Rơle
- Tốn kém rất nhiều dây dẫn
- Thay thế rất phức tạp.
- Cần công nhân sửa chữa tay nghề cao.
- Công suất tiêu thụ lớn
- Thời gian sửa chữa lâu.
- Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo trì cũng như thay thế.
Trong các hệ thống relay cũ, việc điều khiển thiết bị thông qua Timer Controller và Counter Controller thường dẫn đến sự phức tạp khi cần phối hợp nhiều bộ điều khiển riêng lẻ trong một tác vụ liên tục Sự gia tăng số lượng controller và dây nối có thể gây quá tải cho tủ điều khiển, đồng thời việc thay đổi các tham số trong quá trình điều khiển trở nên tốn thời gian và công sức Hơn nữa, khả năng lão hóa và hư hỏng của thiết bị theo thời gian có thể làm giảm độ chính xác và gia tăng chi phí cho việc bảo trì, sửa chữa Điều này dẫn đến nguy cơ ngừng hoạt động sản xuất, làm tăng xác suất hỏng hóc tỷ lệ thuận với số lượng thiết bị trong hệ thống.
3.4.2 Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng PLC
Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã cách mạng hóa hệ thống điều khiển và thay đổi quan niệm thiết kế Hệ điều khiển sử dụng PLC mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm tính linh hoạt, khả năng lập trình dễ dàng và độ tin cậy cao trong các ứng dụng công nghiệp.
- Giảm 80% số lượng dây nối.
- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp
- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng.
Chức năng điều khiển có thể dễ dàng thay đổi thông qua thiết bị lập trình như máy tính hoặc màn hình, mà không cần phải thay đổi phần cứng, trừ khi có yêu cầu thêm hoặc bớt các thiết bị vào hoặc ra.
- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển.
- Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế.
- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng.
- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.
Giá cả cạnh tranh là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn PLC PLC nổi bật với khả năng lập trình linh hoạt và chỉ số IP cho phép hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt Độ bền và khả năng nâng cấp thiết bị ngoại vi, cũng như mở rộng số lượng đầu vào và đầu ra, là những tiêu chí hàng đầu cần xem xét khi thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm cho hoạt động tự động.
