Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Tổng quan về các phương pháp sấy
Có thể chia phương pháp sấy ra làm hai loại: Sấy tự nhiên và sấy nhân tạo [2]
Sấy tự nhiên là phương pháp phơi vật liệu dưới ánh sáng mặt trời mà không cần sử dụng thiết bị sấy, tận dụng nguồn nhiệt tự nhiên để làm khô sản phẩm.
Sấy nhân tạo là phương pháp sấy sản phẩm trong các thiết bị chuyên dụng suốt quá trình sấy Phương pháp này có thể được phân chia thành nhiều loại khác nhau, được hệ thống hóa như trong hình 1.1.
Hình 1.1 Hệ thống các phương pháp sấy
Một số phương pháp và thiết bị sấy nhân tạo
1.2.1 Phơi và sấy bằng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời được sử dụng để làm nóng không khí, và không khí nóng này được áp dụng để sấy nguyên liệu Có ba loại thiết bị sấy phổ biến thường được sử dụng trong quy trình này.
Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên
Thiết bị sấy có bộ phận thu năng lượng riêng biệt
Thiết bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức (thiết bị thu năng lượng và buồng sấy riêng biệt)
Hình 1.2 Thiết bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức
Không khí nóng hoặc khói lò được sử dụng làm tác nhân sấy, với nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ phù hợp, giúp ẩm trong vật sấy bay hơi và theo dòng chảy của tác nhân sấy Luồng không khí có thể di chuyển cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang với sản phẩm Các thiết bị dùng trong sấy đối lưu bao gồm thùng sấy, buồng sấy, lò sấy và hầm sấy.
Hình 1.3 Sấy đối lưu bằng không khí nóng sử dụng buồng sấy
Trong quá trình sấy bức xạ, nhiệt lượng được truyền đến vật liệu chủ yếu thông qua bức xạ từ nguồn nhiệt Các thiết bị sấy bức xạ thường sử dụng bóng đèn công suất lớn hoặc điện trở, giúp làm bay hơi độ ẩm vào dòng tác nhân sấy và sau đó thải ra ngoài.
Hình 1.4 Sấy bức xạ sử dụng đèn hồng ngoại
Tổng quan về các phương pháp điều khiển nhiệt độ sấy
Sấy nhân tạo có ưu điểm vượt trội so với sấy tự nhiên nhờ khả năng điều khiển và ổn định nhiệt độ sấy Trong ngành công nghiệp, các thiết bị điều khiển nhiệt độ như bộ điều khiển nhiệt độ và bộ điều khiển logic thường được sử dụng Ba phương pháp chính để điều khiển nhiệt độ bao gồm: điều khiển On/Off, điều khiển bằng thuật toán PID và điều khiển mờ (Fuzzy), trong đó điều khiển On/Off và PID được áp dụng phổ biến nhất Phương pháp điều khiển On/Off có lợi thế dễ thực hiện, với phần cứng đơn giản và chi phí hệ thống thấp.
Trong các hệ thống sấy yêu cầu tính ổn định cao về nhiệt độ, việc sai số nhiệt độ lớn và không ổn định thường gặp phải Để khắc phục vấn đề này, phương pháp điều khiển bằng thuật toán PID được áp dụng để đảm bảo sai số nhỏ và ổn định nhiệt độ trong quá trình sấy.
Hình 1.5 Hệ thống các phương pháp điều khiển nhiệt độ
1.4 Tổng quan về nghiên cứu ổn định nhiệt trong quá trình sấy
Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến việc điều khiển và ổn định nhiệt độ, trong đó các bộ điều khiển nhiệt độ thường sử dụng vi điều khiển hoặc PLC làm trung tâm điều khiển Đặc biệt, các nghiên cứu sử dụng PLC thường chọn dòng S7-200 hoặc S7-300 của Siemens, trong khi dòng S7-1200 mới ra đời ít được sử dụng.
[1] Trần Công Danh (2013), Điều khiển nhiệt độ dùng PLC S7-200 và EM231, Đại học Cần Thơ
Lê Tiến Lộc và Lâm Thanh Hiển (2010) đã thực hiện nghiên cứu về ba chế độ điều khiển: On/Off, PID và Fuzzy, cùng với ứng dụng của chúng trong việc điều khiển mô hình lò nhiệt tại Đại học Lạc Hồng Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả và tính ứng dụng của các phương pháp điều khiển trong ngành công nghiệp.
Nguyễn Thị Hoài Sơn và Nguyễn Văn Hồng đã nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển ATMEGA 8535 thuộc họ AVR trong việc tự động điều khiển khí sấy nông sản Nghiên cứu này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sấy nông sản mà còn cho phép hiển thị kết quả trên máy tính, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý sản xuất.
Các công trình nghiên cứu [1], [2], [3] đều sử dụng phương pháp điều
8 khiển PID, với ngưỡng nhiệt độ đặt khoảng 50 0 C đều cho sai số lớn nhất không dưới 1 0 C
Hệ thống hóa tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển và ổn định nhiệt độ có thể được minh họa qua hình 1.6 dưới đây.
Hình 1.6 Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.5 Định hướng nghiên cứu của khóa luận
Khóa luận này sẽ nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị mới của hãng Siemens, cụ thể là PLC S7-1200, để làm bộ điều khiển trung tâm cho quá trình sấy nông sản Các công trình nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng điện trở đốt và hệ thống điều khiển nhiệt độ từ các dòng PLC cũ của Siemens, mà chưa khai thác các thiết bị hiện đại hơn Hơn nữa, chưa có nghiên cứu nào đề cập đến việc kết hợp năng lượng mặt trời với nguồn điện lưới trong quá trình sấy Do đó, khóa luận sẽ thiết kế và thi công hệ thống tự động ổn định nhiệt độ cho buồng sấy nông sản, sử dụng đồng thời năng lượng mặt trời và điện lưới.
Định hướng nghiên cứu của khóa luận
Khóa luận này tập trung vào việc nghiên cứu và ứng dụng thiết bị mới của hãng Siemens, cụ thể là PLC S7-1200, để làm bộ điều khiển trung tâm cho toàn bộ quá trình sấy nông sản Các công trình nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng điện trở đốt và các dòng PLC cũ của Siemens mà chưa xem xét đến các thiết bị hiện đại hơn Hơn nữa, các nghiên cứu này cũng chưa đề cập đến việc kết hợp năng lượng mặt trời với nguồn điện lưới trong quá trình sấy Do đó, mục tiêu của khóa luận là thiết kế và thi công hệ thống tự động ổn định nhiệt độ cho buồng sấy nông sản, sử dụng đồng thời nguồn năng lượng mặt trời và điện lưới nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững trong quá trình sấy.
Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của khóa luận bao gồm:
Bộ điều khiển nhiệt độ buồng sấy
Hệ thống cơ khí của buồng sấy
Các phương pháp điều khiển nhiệt độ buồng sấy
Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của PLC S7-1200
Hệ thống cơ khí buồng sấy sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng thiết bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức
Nghiên cứu ổn định nhiệt độ buồng sấy bằng phương pháp điều khiển PID
Nội dung nghiên cứu
+ Nội dung 1: Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp điều khiển PID
+ Nội dung 2: Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200
+ Nội dung 3: Hệ thống buồng sấy sử dụng năng lượng mặt trời
+ Nội dung 4: Xây dựng hệ thống cơ khí buồng sấy
+ Nội dung 5: Xây dựng hệ thống cấp điện và điều khiển sấy
+ Nội dung 6: Thi công hệ thống sấy
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Tiến trình thực hiện nghiên cứu
Tiến trình nghiên cứu được chia thành 5 bước
Bước 1: Tìm hiểu công nghệ lò sấy và các phương pháp điều khiển nhiệt độ, các vấn đề thực tế liên quan đến điều khiển nhiệt độ buồng sấy
Bước 2: Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ buồng sấy
Bước 3: Xây dựng và thi công mô hình phần cứng hệ thống
Bước 4: Thiết kế, thi công phần mềm của hệ thống
Bước 5: Chạy thử, đánh giá sự ổn định của hệ thống
2.3.2 Phương pháp thực hiện nội dung 1: Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp điều khiển PID
Phương pháp điều khiển nhiệt độ dựa trên việc sử dụng bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình toán học như sau:
Hình 2.1 Mô hình toán học hệ thống dùng bộ điều khiển PID
Giá trị sai lệch e không được tính toán từ việc so sánh giá trị đặt với giá trị hiện tại Giá trị này được đưa vào bộ điều khiển PID, và sau khi thực hiện thuật toán PID, sẽ tạo ra giá trị uk tại đầu ra, được truyền đến khâu lưu giữ bậc.
Hệ thống xác định có hàm truyền W, cho giá trị đầu ra sau khi qua khâu truyền đạt Thuật toán của bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác và ổn định nhiệt độ của hệ thống Biểu thức giải thuật PID được thể hiện qua phương trình cụ thể.
Thuật toán điều khiển PID bao gồm ba thông số chính: giá trị tỉ lệ (P), giá trị tích phân (I) và giá trị vi phân (D) Giá trị tỉ lệ P phụ thuộc vào sai số hiện tại, trong khi giá trị tích phân I dựa vào tổng hợp các sai số trong quá khứ Cuối cùng, giá trị vi phân D phản ánh sự thay đổi của sai số theo thời gian.
D dự đoán các sai số trong tương lai dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại Thuật toán của bộ điều khiển PID số có thể được mô tả một cách trực quan để dễ hiểu hơn.
Hình 2.2 Thuật toán bộ điều khiển PID số
Bằng cách điều chỉnh ba tham số KP, KI và KD trong thuật toán của bộ điều khiển PID, chúng ta có thể mô tả đáp ứng của bộ điều khiển thông qua độ nhạy sai số, giá trị vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Ảnh hưởng của ba tham số này đối với các chỉ tiêu chất lượng được thể hiện rõ ràng trong bảng thống kê.
Bảng 1 Ảnh hưởng của việc thay đổi các tham số PID
Việc lựa chọn giá trị của bộ ba tham số KP, KI, KD là yếu tố quyết định đến chất lượng của quá trình điều khiển trong phương pháp điều khiển PID Để hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID hoạt động tối ưu, việc xác định chính xác bộ ba tham số này là rất quan trọng.
2.3.3 Phương pháp nội dung 2: Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 a Tổng quát về PLC S7-1200
PLC S7-1200 là bộ điều khiển logic khả trình bao gồm vi xử lý, nguồn tích hợp và mạch ngõ vào/ra trong thiết kế gọn nhẹ Sau khi tải chương trình điều khiển, CPU giám sát và điều khiển thiết bị ứng dụng, điều chỉnh ngõ ra dựa trên logic chương trình Đặc biệt, CPU trang bị cổng giao tiếp PROFINET, cho phép PLC kết nối qua mạng PROFINET.
1 Bộ phận kết nối nguồn
3 Hệ thống đèn LED báo trạng thái các ngõ vào/ra
PLC S7-1200 được phân ra thành các dòng CPU khác nhau, mỗi dòng CPU khác nhau về cấu hình và số lượng các ngõ vào ra
Bảng 2 Cấu hình CPU và số lượng ngõ vào ra của PLC S7-1200
Họ S7-1200 cung cấp nhiều module tín hiệu, module truyền thông mở rộng và board tín hiệu mở rộng, giúp nâng cao dung lượng của CPU CPU 1214C V3.0 có bộ nhớ làm việc 50Kb, V4.0 mở rộng lên 75Kb, và V4.1 mới nhất hỗ trợ dung lượng lên đến 100Kb.
Bộ nhớ làm việc 1200 cung cấp dung lượng lớn, cho phép người dùng thoải mái lập trình các dự án lớn và phức tạp mà không cần đến thẻ nhớ hỗ trợ bên ngoài.
Bảng 3 Thông số các module mở rộng
Để kết nối module mở rộng và board tín hiệu mở rộng với PLC S7-1200, bạn có thể kết nối tối đa 3 module truyền thông vào các khe 101, 102 và 103 bên trái PLC Ngoài ra, chỉ có 1 board tín hiệu (SB) có thể được lắp vào CPU Số lượng module mở rộng (SM) tối đa có thể kết nối là 8, được lắp vào bên phải PLC tại các khe từ 2 đến 9.
Hình 2.4 Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200
Công cụ lập trình cho S7-1200 là phần mềm Step7 Professional được tích hợp trong phần mềm TIA Portal của Siemens
Hình 2.5 Giao diện phầm mềm TIA Portal 13 b Bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200
PLC S7-1200 được trang bị bộ điều khiển PID số mạnh mẽ, giúp người dùng tiết kiệm thời gian so với S7-200, nơi người dùng phải tự dò các tham số KP, KI, KD Với S7-1200, quá trình này trở nên đơn giản hơn, cho phép hoàn thành hệ thống nhanh chóng Hàm PID trong S7-1200 hoạt động theo cấu trúc chương trình ngắt, không phụ thuộc vào chu kỳ quét của PLC, và được gọi định kỳ theo khoảng thời gian có thể điều chỉnh trong phần mềm lập trình, được thiết lập trong cấu hình bộ PID trước khi sử dụng.
Hình 2.6 Khởi tạo hàm PID nằm trong chương trình ngắt
Sau khi khởi tạo chương trình ngắt chứa hàm PID, hàm PID cần được cài đặt trước khi đưa vào sử dụng:
Hình 2.7 Cấu trúc hàm PID Compact trong PLC S7-1200
Chức năng của các ngõ tín hiệu trong hàm PID:
EN: Ngõ vào enable, là tín hiệu nguồn cấp cho bộ PID, bộ PID chỉ hoạt động trong trường hợp chân EN ở mức cao
Setpoint : Là giá trị đặt của biến cần điều khiển
Input : Là giá trị phản hồi của biến cần điều khiển, có định dạng là số thực( Real)
Input_per: Là giá trị phản hồi của biến cần điều khiển, có định dạng số nguyên, khoảng giá trị được giới hạn từ 0 đến 27648
ManualEnable: Ngõ vào định dạng cho chế độ điều khiển bằng tay, ở chế độ điều khiển bằng tay thì ManualEnable có giá trị là 1
ManualValue: Giá trị điều khiển bằng tay
Reset: Chân reset bộ PID
Mode: Chân định chế độ hoạt động cho bộ PID (bảng 3)
Output: Chân ngõ ra của bộ PID, có định dạng số thực
Output_PER: Chân ngõ ra của bộ PID với định dạng số nguyên
Output_PWM: Chân ngõ ra phát xung của bộ PID
Error: Chân báo lỗi của hàm PID, chân này sẽ lên mức 1 khi bộ PID xảy ra lỗi
ErrorBits: Chân báo lỗi gặp phải trong quá trình bộ PID hoạt động (bảng 4)
Bảng 4 Các chế độ hoạt động của bộ PID
Bảng 5 Chỉ số ErrorBits và trạng thái lỗi bộ PID c Ưu điểm của S7-1200 so với S7-200
So với S7-200 thì S7-1200 thể hiện sức mạnh vượt trội cả về phần cứng và phần mềm
S7-200 chỉ hỗ trợ mở rộng tối đa 7 module, trong khi S7-1200 cho phép mở rộng linh hoạt hơn với tối đa 8 module tín hiệu, 2 board tín hiệu và 3 module truyền thông.
Hình 2.8 Khả năng mở rộng của S7-200 và S7-1200
Xét về cấu hình phần cứng, S7-1200 cho phép người dùng thay đổi địa chỉ vùng nhớ I/O, còn S7-200 không thể thay đổi được
Hình 2.9 Cấu hình I/O của S7-200 và S7-1200
Trong so sánh về tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC, S7-200 hỗ trợ tối đa 1 module analog output, 2 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO và 8 bộ PID Trong khi đó, S7-1200 cho phép tối đa 1 module analog output, 1 board analog output, 4 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO và lên đến 16 bộ PID.
Hình 2.10 Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC của S7-200 và S7-1200
S7-200 chỉ cho phép lập trình với một chương trình chính duy nhất, trong khi S7-1200 hỗ trợ lập trình trên nhiều chương trình chính độc lập Điều này giúp người dùng quản lý lập trình một cách dễ dàng và khoa học hơn.
Hình 2.11 Cấu trúc lập trình trên S7-200 và S7-1200
S7-200 chỉ cho phép lồng chương trình con 8 lần, còn với S7-1200 thì khả năng lồng chương trình con lên đến 16 lần
Hình 2.12 Cấu trúc chương trình con trên S7-200 và S7-1200
Cấu trúc chương trình con trên S7-200 không hỗ trợ lập trình với biến nhớ tạm thời, dẫn đến chu trình quét của PLC kéo dài hơn do phải quét toàn bộ biến trong vùng nhớ quản lý Ngược lại, S7-1200 cho phép sử dụng biến nhớ tạm thời, giúp PLC chỉ quét các giá trị điểm đầu và điểm cuối, từ đó giảm thời gian quét và nâng cao hiệu suất xử lý công việc.
Hình 2.13 Cấu trúc chương trình con FC với biến nhớ tạm thời của S7-1200
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Kết quả gia công, chế tạo hệ thống cơ khí thiết bị sấy
+ Bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời:
Hình 3.1 Bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời
+ Thiết bị hút ẩm chủ động:
Hình 3.2 Thiết bị hút ẩm chủ động
+ Kết quả chế tạo buồng sấy:
+ Hệ thống cấp bù nhiệt:
Hình 3.4 Hệ thống cấp bù nhiệt
+ Hệ thống tuần hoàn khí sấy:
Hình 3.5 Hệ thống tuần hoàn khí sấy
+ Hệ thống chân đỡ và khung:
Hình 3.6 Hệ thống chân đỡ và khung
+ Hệ thống cơ khí sau khi lắp ráp hoàn thiện:
Hình 3.7 Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh
3.2 Kết quả thi công, chế tạo hệ thống điều khiển
3.2.1 Kết quả thi công, chế tạo phần cứng
* Hệ thống đèn báo, công tắc:
Hình 3.9 Hệ thống đèn báo, công tắc
* Hệ thống bảo vệ, khối nguồn:
Hình 3.10 Hệ thống bảo vệ, khối nguồn
* Hệ thống mạch động lực:
Hình 3.11 Hệ thống mạch động lực
* Hệ thống chấp hành trung gian:
Hình 3.12 Hệ thống chấp hành trung gian
Hình 3.13 Tủ điện hoàn chỉnh
Hình 3.14 Hệ thống hoàn chỉnh
3.2.2 Kết quả thi công, chế tạo phần mềm
53 a Kết quả phần mềm lập trình với ngôn ngữ LAD trên chương trình TIA Portal v13:
Hình 3.15 Kết quả phần mềm b Kết quả dò tham số bộ PID
Kết quả chạy thử nghiệm và hoàn thiện thiết bị sấy
a Hệ thống chạy không tải với Setpoint 50 0 C:
Hệ thống được vận hành không tải liên tục trong 3 giờ để lấy mẫu nhiệt độ trong buồng sấy, với tần suất 10 phút một lần Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm được hiển thị trên màn hình Prosens Sau khi thu thập mẫu, các giá trị này được so sánh với giá trị đặt (Setpoint) nhằm xác định sai số nhiệt độ điều khiển và tỷ lệ phần trăm sai số so với giá trị đặt, kết quả được trình bày trong bảng 6.
Bảng 6 Sai số hệ thống khi chạy không tải tại Setpoint 50 0 C b Hệ thống chạy có tải với Setpoint 50 0 C
* Sử dụng nguyên liệu sấy là hành:
Hình 3.16 Sấy hành tại nhiệt độ 50 0 C
Thời điểm bắt đầu sấy, nhiệt độ buồng sấy là 23 0 C, độ ẩm 83,1 %, khi kết thúc quá trình sấy, độ ẩm buồng sấy là 15 %, thời gian sấy là 23,3 giờ
Hình 3.17a Hành sau khi sấy
Hình 3.17b Kiểm tra tính đồng đều của sản phẩm sấy
Trong suốt quá trình sấy, nhiệt độ trong buồng sấy được thu thập, lấy mẫu với tần suất 30 phút/1 lần
Bảng 7 Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần 1 đến lần 23
Dữ liệu được tổng hợp và so sánh với giá trị nhiệt độ đặt là 50°C Độ sai lệch E(t) giữa giá trị đặt (SV) và nhiệt độ buồng sấy (PV) được tính theo công thức E(t) = |PV - SV| Từ đó, độ sai lệch E(t)% được xác định bằng E(t)% = (E(t) / SV) * 100% Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng 7 và bảng 8.
Bảng 8 Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần 24 đến lần 46
Kết quả từ bảng 7 và bảng 8 chỉ ra rằng giá trị sai lệch E t % lớn nhất chỉ đạt 0,8%, thấp hơn nhiều so với mức 5% - giá trị tối đa cho phép để một hệ thống được xem là ổn định.
* Sử dụng nguyên liệu sấy là lá thìa canh
Quá trình sấy lá thìa canh được thực hiện ở nhiệt độ 50 độ C, với độ ẩm ban đầu của buồng sấy là 82,1% Sau 11,5 giờ, độ ẩm của lá thìa canh giảm xuống còn 15%, đánh dấu sự kết thúc của quá trình sấy.
Thực hiện lấy mẫu nhiệt độ trong buồng sấy với tần suất lấy mẫu là 30 phút/lần
Hình 3.18 Nguyên liệu sấy là lá thìa canh
So sánh nhiệt độ trong buồng sấy qua các lần lấy mẫu với nhiệt độ đặt cho thấy các giá trị E t và E t % được xác định theo bảng 9.
Bảng 9 Bảng giá trị lấy mẫu sấy lá thìa canh
58 c Một số nhận xét, đánh giá hệ thống sấy và chất lượng của sản phẩm sấy
Kết quả từ các thử nghiệm cho thấy hệ thống sấy hoạt động ổn định với nhiều loại nguyên liệu khác nhau, nhiệt độ trong buồng sấy duy trì ổn định và dao động nhỏ quanh giá trị cài đặt Sản phẩm sau sấy đạt chất lượng đồng đều, chứng tỏ thiết kế và thi công hệ thống sấy hợp lý cả về cơ khí lẫn điều khiển.
