Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nông sản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - ĐÀO TRỌNG TẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BUỒNG SẤY NƠNG SẢN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử Phú Thọ, 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - ĐÀO TRỌNG TẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BUỒNG SẤY NƠNG SẢN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1.Th.S Nguyễn Thị Thanh Hòa NGƯỜI HƯỚNG DẪN 2.Th.S Nguyễn Văn Quyết Phú Thọ, 2017 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể Q thầy Trường Đại học Hùng Vương, Quý thầy cô khoa Kỹ thuật – Công nghệ dạy dỗ, truyền đạt kiến thức thiết thực bổ ích cho em suốt bốn năm học tập rèn luyện trường Đặc biệt Nguyễn Thị Thanh Hịa, thầy Nguyễn Văn Quyết thầy Nguyễn Như Tùng tận tình giúp đỡ bảo để em hồn thiện khóa luận Tuy nhiên thời gian có hạn với nhiều nguyên nhân khác, em nỗ lực xong khóa luận em cịn thiếu sót hạn chế Em mong nhận thông cảm bảo Thầy Cô để em khắc phục hạn chế cịn tồn khóa luận Em xin chân thành cảm ơn ! Việt Trì, Tháng năm 2017 Sinh Viên Đào Trọng Tấn MỤC LỤC Danh mục ký hiệu chữ viết tắt i Danh mục bảng hình ảnh ii Đặt vấn đề Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Tổng quan phương pháp sấy 1.2 Một số phương pháp thiết bị sấy nhân tạo 1.2.1 Phơi sấy lượng mặt trời 1.2.2 Sấy đối lưu 1.2.3 Sấy xạ .5 1.3 Tổng quan phương pháp điều khiển nhiệt độ sấy 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.5 Định hướng nghiên cứu khóa luận Chương Đối tượng, phạm vi, nội dung phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu .9 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Tiến trình thực nghiên cứu 2.3.2 Phương pháp thực nội dung 10 2.3.3 Phương pháp nội dung 12 2.3.4 Phương pháp thực nội dung 22 2.3.5 Phương pháp thực nội dung 25 2.3.6 Phương pháp thực nội dung 31 2.3.7 Phương pháp thực nội dung 41 2.3.8 Phương pháp thực nội dung 38 Chương Kết nghiên cứu thảo luận 46 3.1 Kết gia công, chế tạo hệ thống khí thiết bị sấy 46 3.2 Kết thi công, chế tạo hệ thống điều khiển .49 3.2.1 Kết thi công, chế tạo phần cứng 49 3.2.2 Kết thi công, chế tạo phần mềm 52 3.3 Kết chạy thử nghiệm hoàn thiện thiết bị sấy 53 Chương Kết luận kiến nghị .59 4.1 Kết luận 59 4.2 Đóng góp đề tài .59 4.3 Hạn chế, tồn 60 4.4 Kiến nghị, đề xuất giải pháp 60 Danh mục tài liệu tham khảo .61 Phụ lục 62 Chương trình điều khiển viết cho PLC S7-1200 62 i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KP Hệ số khuếch đại KI Hệ số tích phân KD Hệ số vi phân Et Độ sai lệch tĩnh Et% Độ sai lệch tĩnh tính theo phần trăm AC Alternating Current CM Communication Module CPU Central Processing Unit DC Direct Current I/O In/Out LAD Ladder PID Proportional Integral Derivative PLC Programmable Logic Controller PTO Pulse Train Output PV Process Value PWM Pulse Width Modulation SB Signal Board SM Signal Module SV Setpoint Value i ii DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH Bảng Ảnh hưởng việc thay đổi tham số PID 11 Bảng Cấu hình CPU số lượng ngõ vào PLC S7-1200 13 Bảng Thông số module mở rộng 14 Bảng Các chế độ hoạt động PID 17 Bảng Chỉ số ErrorBits trạng thái lỗi PID .18 Bảng Sai số hệ thống chạy không tải Setpoint 500 C .54 Bảng Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần đến lần 23 56 Bảng Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần 24 đến lần 46 56 Bảng Bảng giá trị lấy mẫu sấy thìa canh 57 Hình 1.1 Hệ thống phương pháp sấy .4 Hình 1.2 Thiết bị sấy gián tiếp có phận dẫn nhiệt cưỡng Hình 1.3 Sấy đối lưu khơng khí nóng sử dụng buồng sấy .5 Hình 1.4 Sấy xạ sử dụng đèn hồng ngoại Hình 1.5 Hệ thống phương pháp điều khiển nhiệt độ .7 Hình 1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu Hình 2.1 Mơ hình tốn học hệ thống dùng điều khiển PID .10 Hình 2.2 Thuật toán điều khiển PID số 11 Hình 2.3 PLC S7-1200 12 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200 14 Hình 2.5 Giao diện phầm mềm TIA Portal 13 .15 Hình 2.6 Khởi tạo hàm PID nằm chương trình ngắt 16 Hình 2.7 Cấu trúc hàm PID Compact PLC S7-1200 16 Hình 2.8 Khả mở rộng S7-200 S7-1200 19 Hình 2.9 Cấu hình I/O S7-200 S7-1200 19 Hình 2.10 Tín hiệu I/O tín hiệu PLC S7-200 S7-1200 20 Hình 2.11 Cấu trúc lập trình S7-200 S7-1200 20 Hình 2.12 Cấu trúc chương trình S7-200 S7-1200 21 ii iii Hình 2.13 Cấu trúc chương trình FC với biến nhớ tạm thời S71200 .22 Hình 2.14 Cấu trúc liệu kiểu S7-1200 22 Hình 2.15 Buồng sấy gián tiếp có phận dẫn nhiệt cưỡng 23 Hình 2.16 Hệ thống lượng sử dụng pin mặt trời 24 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy 26 Hình 2.18 Thiết kế hệ thống buồng sấy phần mềm SolidWorks 27 Hình 2.19 Hình ảnh 3D khay sấy hệ thống 28 Hình 2.20 Hệ thống ẩm chủ động .29 Hình 2.21 Hệ thống khung buồng sấy 30 Hình 2.22 Khung thu nhiệt 30 Hình 2.23 Chân đế buồng sấy .31 Hình 2.24 Sơ đồ khối hệ thống cấp nguồn điều khiển sấy .32 Hình 2.25 Pin mặt trời công suất 300W .32 Hình 2.26 Ắc quy JS 12V-120Ah 33 Hình 2.27 Inverter Sanshun 33 Hình 2.28 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC .34 Hình 2.29 Bộ điều khiển nhiệt độ Shihlin(1), SSR Carlo Gavazzi(2), Board SB1232 (3) .34 Hình 2.30 Cảm biến PT100 điều khiển nhiệt độ DOOTECH FX .35 Hình 2.31 Cảm biến đo độ ẩm hiển thị ProSens .35 Hình 2.32 Các thiết bị bảo vệ cấu chấp hành trung gian 36 Hình 2.33 Mạch nguyên lý hệ thống điều khiển 36 Hình 2.34.Thiết kế tủ điều khiển 37 Hình 2.35a.Thiết kế mặt tủ điện 37 Hình 2.35b.Thiết kế mặt tủ điện 38 Hình 2.36 Máy cưa bàn cắt gỗ .39 Hình 2.37 Máy cưa đĩa cắt gỗ máy khoan .40 Hình 2.38 Máy hàn thiếc 41 Hình 2.39 Một số dụng cụ dùng lắp ghép tủ điện .41 iii iv Hình 2.40 Lưu đồ thuật tốn điều khiển .43 Hình 2.41 Máy tính có cài đặt TIA Portal v13 .44 Hình 3.1 Bộ thu nhiệt từ lượng mặt trời 46 Hình 3.2 Thiết bị hút ẩm chủ động .46 Hình 3.3 Buồng sấy 47 Hình 3.4 Hệ thống cấp bù nhiệt 47 Hình 3.5 Hệ thống tuần hồn khí sấy 48 Hình 3.6 Hệ thống chân đỡ khung 48 Hình 3.7 Hệ thống khí hồn chỉnh 49 Hình 3.8 Tủ đựng PLC 49 Hình 3.9 Hệ thống đèn báo, công tắc 50 Hình 3.10 Hệ thống bảo vệ, khối nguồn .50 Hình 3.11 Hệ thống mạch động lực 51 Hình 3.12 Hệ thống chấp hành trung gian 51 Hình 3.13 Tủ điện hồn chỉnh 52 Hình 3.14 Hệ thống hồn chỉnh 52 Hình 3.15 Kết phần mềm .53 Hình 3.16 Sấy hành nhiệt độ 500 C 54 Hình 3.17a Hành sau sấy .56 Hình 3.17b Kiểm tra tính đồng sản phẩm sấy 56 Hình 3.18 Nguyên liệu sấy thìa canh 57 iv 54 Bảng Sai số hệ thống chạy không tải Setpoint 500 C b Hệ thống chạy có tải với Setpoint 500 C * Sử dụng nguyên liệu sấy hành: Hình 3.16 Sấy hành nhiệt độ 500 C 54 55 Thời điểm bắt đầu sấy, nhiệt độ buồng sấy 230 C, độ ẩm 83,1 %, kết thúc trình sấy, độ ẩm buồng sấy 15 %, thời gian sấy 23,3 Hình 3.17a Hành sau sấy Hình 3.17b Kiểm tra tính đồng sản phẩm sấy 55 56 Trong suốt trình sấy, nhiệt độ buồng sấy thu thập, lấy mẫu với tần suất 30 phút/1 lần Bảng Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần đến lần 23 Dữ liệu sau tổng hợp lại, đem so sánh với giá trị nhiệt độ đặt (500 C), độ sai lệch E(t) giá trị đặt (SV) nhiệt độ buồng sấy (PV) xác định theo biểu thức: E(t)= | PV-SV| Từ đó, độ sai lệch E(t)% tính theo cơng thức: E(t)% = (E(t) / SV)*100% Kết cụ thể xác định bảng bảng Bảng Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần 24 đến lần 46 56 57 Kết bảng bảng cho thấy rằng: Giá trị sai lệch Et% lớn 0,8%, nhỏ nhiều so với 5% (giá trị lớn cho phép hệ thống coi ổn định) * Sử dụng nguyên liệu sấy thìa canh Tiến hành sấy thìa canh với nhiệt độ đặt 500 C, độ ẩm buồng sấy trước sấy 82,1%, trình sấy kết thúc với độ ẩm 15%, thời gian sấy đo 11,5 Thực lấy mẫu nhiệt độ buồng sấy với tần suất lấy mẫu 30 phút/lần Hình 3.18 Nguyên liệu sấy thìa canh Tiến hành so sánh nhiệt độ buồng sấy lần lấy mẫu so sánh với nhiệt độ đặt, giá trị Et Et% xác định bảng 9: Bảng Bảng giá trị lấy mẫu sấy thìa canh 57 58 c Một số nhận xét, đánh giá hệ thống sấy chất lượng sản phẩm sấy Từ kết chạy thử nghiệm hoàn thiện hệ thống sấy, hệ thống cho thấy ổn định trình sấy với loại nguyên liệu sấy khác nhau, nhiệt độ buồng sấy ổn định, mức độ dao động xung quanh giá trị đặt nhỏ Sản phẩm sấy cho chất lượng tương đối đồng Điều cho thấy hợp lý thiết kế thi công hệ thống sấy khí lẫn điều khiển 58 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Từ q trình bắt đầu nghiên cứu, thiết kế, thi cơng đến giai đoạn chạy thử, kiểm nghiệm hoàn thiện hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nơng sản, khóa luận thành cơng việc hồn thành mục tiêu nghiên cứu rút số kết luận sau: - Đã thành công việc thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống khí sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp điện điều khiển cho buồng sấy nông sản - Chế tạo thành cơng phận khí phận điều khiển hệ thống buồng sấy nông sản phần cứng lẫn phần mềm - Lắp ráp, kết nối phận tạo thành hệ thống sấy hoàn chỉnh - Hệ thống sấy hoạt động ổn định với độ sai lệch Et% < 5% (nằm giới hạn cho phép) Không thế, hệ thống hoạt động cho mức độ sai lệch nhỏ ( 1%) - Sản phẩm sấy có chất lượng đồng mẻ sấy mẻ sấy - Hệ thống sấy sấy nhiều nguyên liệu nông sản khác nhau, tạo nên đa dạng cho khả sấy hệ thống 4.2 Đóng góp đề tài a Đề tài bổ sung cung cấp thêm lựa chọn việc thiết kế, sử dụng thiết bị điều khiển Siemens: PLC S7-1200 hệ thống điều khiển tự động, cụ thể việc thiết kế, chế tạo hệ thống ổn định nhiệt độ buồng sấy Việc sử dụng S7-1200 thay cho S7-200 làm giảm giá thành chế tạo hệ thống chất lượng hệ thống cải thiện nhờ ưu điểm vượt trội S7-1200 so với S7-200 b Việc kết hợp sử dụng đồng thời lượng mặt trời lượng điện lưới bổ sung cung cấp cho trình sấy khắc phục nhược điểm yếu tố cơng suất việc sử dụng hồn tồn lượng mặt trời, đồng thời làm giảm bớt việc tải công suất từ lưới điện, giúp làm giảm chi phí sấy 59 60 4.3 Hạn chế, tồn Hệ thống sấy sau hồn thành bên cạnh ưu điểm, hiệu kiểm nghiệm tồn số hạn chế sau: - Buồng sấy bị thất nhiệt ngồi vỏ cách nhiệt buồng sấy làm từ gỗ, trình sấy, nhiệt buồng sấy truyền qua lớp gỗ khuếch tán ngoài, đồng thời, khe hở vị trí lắp ghép gỗ tạo điều kiện cho nhiệt bên buồng sấy ngồi - Vị trí đặt cảm biến nhiệt độ độ ẩm buồng sấy chưa phải lựa chọn tối ưu nhất, ngồi việc làm giảm tính thẩm mỹ hệ thống sấy làm tăng sai lệch giá trị phản hồi gửi phận điều khiển - Thời gian độ hệ thống lớn, gia tốc tăng nhiệt thấp công suất phận cung cấp nhiệt hạn chế 4.4 Kiến nghị, đề xuất giải pháp a Kiến nghị Để giải hạn chế cịn tồn tại, khóa luận cần có thêm thời gian để nghiên cứu đưa phương hướng giải Và khả tài hạn hẹp nên nhiều phận, thiết bị tạo thành hệ thống cho chất lượng chưa cao Kính mong lãnh đạo khoa Kỹ Thuật Cơng Nghệ có phương án hỗ trợ mặt kinh phí, giúp cho đề tài có thêm lực tài để giải mặt hạn chế tồn b Đề xuất giải pháp - Để khắc phục tượng buồng sấy bị thất nhiệt ngồi, mặt buồng sấy nên dán lớp inox mỏng đặt lớp thủy tinh cách nhiệt Đồng thời, khe hở vị trí lắp ghép cần gia cơng bịt kín lại - Cải thiện độ sai lệch tín hiệu phản hồi từ cảm biến cách thử nhiều vị trí lắp cảm biến nữa, để tìm vị trí hợp lý làm giảm sai lệch tín hiệu - Sử dụng phận cung cấp nhiệt có cơng suất lớn hơn, làm tăng q trình gia tốc nhiệt qua làm giảm thời gian độ trình sấy 60 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Công Danh (2013), Điều khiển nhiệt độ dùng PLC S7-200 EM231, Đại học Cần Thơ [2] Lê Tiến Lộc, Lâm Thanh Hiển (2010), Nghiên cứu ba chế độ điều khiển On/Off, PID, Fuzzy ứng dụng điều khiển mơ hình lò nhiệt, Đại học Lạc Hồng [3] Nguyễn Văn May (2007), Giáo trính kỹ thuật sấy nơng sản thực phẩm, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [4] Nguyễn Thị Hoài Sơn, Nguyễn Văn Hồng, Ứng dụng vi điều khiểnATMEGA 8535 họ AVR tự động điều khiển khí sấy nơng sản hiển thị kết máy tính [5] S71200_system_manual_en-US_en-US 61 62 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển viết cho PLC S7-1200: 62 63 63 64 64 65 65 66 66 67 67 68 68 ... tiêu nghiên cứu: Đề tài triển khai, thực với mục tiêu nghiên cứu chế tạo thành cơng mơ hình hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nông sản Hệ thống hoạt động ổn định, bền bỉ, sản phẩm sấy. .. bị sấy 26 Hình 2.18 Thiết kế hệ thống buồng sấy phần mềm SolidWorks 27 Hình 2.19 Hình ảnh 3D khay sấy hệ thống 28 Hình 2.20 Hệ thống thoát ẩm chủ động .29 Hình 2.21 Hệ thống. .. phí hạn chế lãng phí khơng cần thiết Chính ưu điểm vượt trội PLC S7 – 1200 trên, em định lựa chọn đề tài:“ Nghiên cứu chế tạo mơ hình hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nơng sản ” cho