viết chương trình và giao diện điều khiển và giám sát cho các đối tượng gia nhiệt

Lời nói đầu Trang bị điện điện tử cho máy công nghiệp dùng chung là một môn học đã đợc đa vào giảng dạy đối với sinh viên ngành điện tự động ở hầu khắp các trờng đại học trên cả nớc. Với môn học này sinh viên sẽ đợc trang bị một cách tổng quát những kiến thức cơ sở về các trang thiết bị máy móc, cơ cấu đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đồng thời các kiến thức cơ sở và chuyên ngành cũng đợc hệ thống lại một cách tổng quát và chuyên sâu điều này là rất cần thiết và hữu ích giúp cho sinh viên có thể có đợc những hình dung căn bản về các hệ thống dây chuyền công nghệ trong công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập và sau này khi ra ngoài thực tế sản xuất. Trong thiết kế môn học Tổng quan về công nghệ gia nhiệt trong các dây chuyền công nghiệp nhựa này cũng không nằm ngoài mục đích trên. Dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS. HOàNG XUÂN BìNH là chủ nhiệm bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp đồng thời cũng là giáo viên phụ trách giảng dạy môn học Trang Bị Điện cùng các thầy cô giáo trong bộ môn với sự giúp đỡ của bạn bè và tài liệu em đã cố gắng hết sức để hoàn thành các nhiệm vụ đợc giao trong đề tài. Không thể tránh khỏi những thiếu sót và nhầm lẫn, rất mong nhận đợc sự chỉ bảo tận tình và chu đáo của thầy cô cùng các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Trong phạm vi đề tài này gồm có 3 nhiệm vụ chính cần hoàn thành bao gồm: 1. Tổng quan về gia nhiệt trong các dây chuyền sản xuất sản phẩm nhựa. 2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt cho dây chuyền. 3. Viết chơng trình điều khiển quá trình gia nhiệt cho nhiều đối tợng gia nhiệt. Phụ lục Lời nói đầu 1 Phụ lục 2 Chơng1 . 3 Tổng quan về công nghệ gia nhiệt. 1 1.1. Khái niệm về gia nhiệt3 1.2. Cấu trúc chung của dây chuyền sản xuất nhựa.5 1.3. Quy trình sản xuất sản phẩm nhựa6 1.4. Giới thiệu về lò điện trở.7 1.5. Những yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt 8 1.6. Tính toán dây đốt 9 Chơng2: Thiết kế hệ thống gia nhiệt cho dây chuyền sản xuất nhựa 14 2.1. Thiết kế hệ thống gia nhiệt 15 2.2. Tính toán dây đốt 16 2.3. Thiết kế hệ thống ghép nối 18 Chơng 3: 25 Viết chơng trình và giao diện điều khiển và giám sát cho các đối t- ợng gia nhiệt. Giao diện thiết kế 47 Kết luận 48 2 Chơng 1 Tổng quan về công nghệ gia nhiệt trong các dây chuyền công nghiệp nhựa 1.1. Khái niệm về gia nhiệt trong dây chuyền công nghiệp nhựa Gia nhiệt là một công đoạn vô cùng quan trọng trong dây chuyền công nghiệp nhựa. Để có đợc những sản phẩm nhựa muôn hình muôn vẻ, với nhiều màu sắc thì yêu cầu nguyên liệu nhựa trớc khi đa vào khuôn mẫu phải đợc chế biến sẵn. Với nguyên liệu nhựa ở dạng nóng chảy ta có thể tiến hành pha chế màu sắc cũng nh những phụ gia khác làm tăng chất lợng sản phẩm đồng thời khi đa nhiên liệu vào khuôn hình ta sẽ đợc những sản phẩm nh ý muốn. Trên thực tế thì nguyên liệu nhựa đợc sản xuất ở những nơi cách xa nhà máy sản xuất sản phẩm nhựa do vậy mà nguyên liệu nhựa ban đầu thờng ở là những hạt nhựa nguyên liệu dạng rắn. Hạt nhựa thuận tiện cho việc vận chuyển và bảo quản, chính vì vậy mà cần phải có một công đoạn làm nóng chảy các hạt nhựa để có thể đa vào khuôn, công đoạn đó đợc gọi là gia nhiệt. Việc gia nhiệt cho các hạt nhựa không thể tiến hành gia nhiệt một cách cục bộ mà phải đợc tiến hành trong một khoảng thời gian nhất định và từ từ làm cho nhựa chuyển thành dạng lỏng đều. Trong quá trình này các phụ gia cần thiết khác cũng đợc trộn đều. Rõ ràng đây là một công đoạn không thể thiếu trong các dây chuyền công nghệ nhựa và nó cũng ảnh hởng có tính quyết định tới chất lợng sản phẩm. Quá trình gia nhiệt thờng đợc thực hiện bởi các vòng điện trở nhiệt trong các lò điện trở nhịêt. Thời gian tiến hành gia nhiệt hoàn toàn cho nhựa nguyên liệu thờng kéo dài trong khoảng thời gian từ 3-5 giờ. * Đặc điểm của quá trình gia nhiệt: - Thời gian quá độ lớn; - Đặc tính gia nhiệt: theo hình 6-1 trang 71 [1] 3 Hình 1-1. Đồ thị nhiệt độ và công suất lò nhiệt. trong đó: 0 là nhiệt độ gia nhiệt cần thiết của vật cần gia nhiệt, mt là nhiệt độ của môi trờng xung quanh, p là công suất của lò nhiệt. Ban đầu khi bắt đầu gia nhiệt từ mt là nhiệt độ môi trờng đến giá trị nhiệt độ gia nhiệt hoàn toàn 0 quá trình này thờng kéo dài từ 3 5 giờ. Khi nhiệt độ gia nhiệt đã đạt tới giá trị 0 thì để tiết kiệm năng lợng và tránh tình trạng nguyên liệu bị gia nhiệt quá nhiệt độ cho phép gây cháy, hỏng nguyên liệu ngời ta tiến hành cắt điện cấp cho bộ phận gia nhiệt. Đồng thời thiết bị làm mát cũng đợc đa vào hoạt động. Do quán tính mà nhiệt độ gia nhiệt cha giảm ngay và vẫn tiếp tục tăng cho tới giá trị gia nhiệt khoảng 102% 0 thì nhiệt độ gia nhiệt mới bắt đầu giảm. Khi nhiệt độ gia nhiệt giảm còn 98% 0 thì lại cấp điện trở lại cho bộ phận gia nhiệt. Nh vậy nhìn vào quá trình gia nhiệt ta thấy rằng nhiệt độ gia nhiệt thay đổi dạng răng ca xung quanh giá trị 0 và giá trị gia nhiệt vẵn đợc giữ ổn định trong khoảng cho phép. 4 p p p o mt 0 t 1.2. Cấu trúc chung của dây chuyền sản xuất nhựa Thể hiện trên hình 1-2. Hình 1-2. Cấu trúc chung của dây chuyền sản xuất các sản phẩm nhựa. trong đó: (1): là Silô chứa liệu; (2): là đờng ống dẫn liệu; (3): là bơm hút nguyên liệu; (4): là đờng ống dẫn liệu; (5): là Silô cấp liệu; (6): bộ phận lờng hạt; (7): quạt gió làm mát động cơ chính; (8): động cơ chính truyền động cho 2 bơm trục vít; (9): hộp số và bộ phận phối lực; (10): Xilanh nhiệt và trục vít xoắn; (11): Các vòng gia nhiệt; (12): đầu hình; (13): cảm biến nhiệt; 5 Ngoài ra trong một dây chuyền sản xuất nhựa sẽ còn có nhiều bộ phận khác cấu thành nên hệ thống tùy theo chức năng của từng hệ thống. 1.3. Quy trình sản xuất sản phẩm nhựa Hạt PVC cùng với phụ gia vừa đủ trộn đều với nhau rồi đợc đa vào Silô chứa liệu (1), bơm hút (3) sẽ tải liệu đổ vào phễu cấp liệu đặt trên máy ép đùn thông qua 1 băng tải lò xo (2) đặt trong ống dẫn liệu. Sau khi đợc gia nhiệt hoàn toàn tại máy ép đùn (10), động cơ chính (8) hoạt động lai trục vít soắn quay thì cho thiết bị lờng gạt (6) hoạt động đẩy nguyên liệu xuống cửa hút của bơm trục vít. Tại Xilanh nhiệt (10) nguyên liệu đ- ợc gia nhiệt tạo thành 1 hỗn hợp nóng chảy. Trục vít xoắn vừa gia nhiệt cho hỗn hợp nàyvừa trộn đều rồi đẩy đến cổ đùn rồi tới đầu hình. Tại đây hình dạng của sản phẩm sẽ phụ thuộc vào khuôn mẫu của đầu hình. Quá trình gia nhiệt đợc tiến hành từ 1 đến vài giờ đồng hồ, phụ thuộc vào nguyên liệu và dung tích của máy ép đùn. Việc gia nhiệt đợc thực hiện bằng các vòng gia nhiệt tại máy ép đùn. Thực chất đây là các vòng điện trở nhiệt ôm lấy thân máy. 1.4. Giới thiệu về lò điện trở Lò điện trở nhịêt là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng đợc truyền tới vật cần gia nhiệt. Phân loại lò điện trở: a) Theo nhiệt độ làm việc của lò gồm có + Lò nhiệt độ thấp (t 0 < 650 0 C), + Lò có nhiệt độ làm việc trung bình (t 0 = 650 0 C + 1200 0 C), + Lò nhiệt độ cao (t 0 > 1200 0 C). b) Theo nơi dùng ta có + Lò dùng trong công nghiệp, + Lò dùng trong phòng thí nghiệm, + Lò dùng trong gia đình v.v c) Theo các đặc tính làm việc ta có + Lò làm việc liên tục, + Lò làm việc gián đoạn. 6 d) Theo kết cấu lò ta có + Lò buồng, + Lò giếng, + Lò chụp, + Lò bể e) Theo mục đích sử dụng ta có + Lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung, lò nấu chảy v.v 1.5. Những yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt Lò điện trở dây đốt làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thỏa mãn các yêu cầu sau: - độ bền cơ khí cao, - chịu đợc nhiệt độ cao, - có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền), - hệ số nhiệt điện trở nhỏ (tức là dây đốt ít biến đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò), - chậm già hoá theo thời gian. * Vật liệu làm dây đốt có thể là: + hợp kim: Cr-Ni, Cr-Al với lò nhiệt độ làm việc dới 1200 0 C; + hợp chất: SiC, Mói 2 với lò nhiệt độ làm việc 1200 ữ 1600 0 C; + đơn chất: Mo, W, C (graphit) với lò nhiệt độ làm việc cao hơn 1600 0 C; Theo (Bảng 6.1 [1] trang 72) cho ta một vài thông số cơ bản của vật liệu làm dây đốt lò điện trở. 7 Vật liệu Thành phần hoá học (%) (còn lại là Fe và các chất khác) Nhiệt độ làm việc max ( 0 C) Hệ số nhiệt điện trở ( .10 - 3 độ -1 ) điện trở suất 10 -6 m Cr Ni Al SiC SiO 2 Cr-Ni Cr-Ni Cr-Al Cr-Al SiC Graphit Mo Ti W 20-23 15-18 12-15 23-27 75-78 55-61 3-5 4-6 94,4 3,6 1100 1000 850 1200 1500 2800 2000 2500 2800 0,035 0,1 5,1 4,0 4,3 1,15 1,10 1,26 1,25 1000-2000 8-13 0,052 0,15 0,05 1.6. Tính toán dây đốt Xuất phát từ năng suất lò, ta tính ra công suất lò tiêu thụ từ lới điện. Năng suất lò: t M A = , [ s kg ] (6-1). [1] trong đó: M khối lợng vật gia nhiệt (kg); t thời gian gia nhiệt (s). Nhiệt lợng hữu ích cần cấp cho vật gia nhiệt: Q hi = M. c. (t 2 o t 1 o ), [J] (6-2). [1] trong đó: c - nhiệt dung riêng trung bình của vật gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ )( 21 oo tt ữ , [J/kg.độ]; t 1 o , t 2 o - là nhiệt độ lúc đầu và lúc gia nhiệt của vật gia nhiệt [ o C]. Công suất hữu ích của lò: P hi = ),.(. 12 oo hi ttcA t Q = [W] (6-3). [1] Công suất lò: 8 P lò = hi P , [W] (6-4). [1] trong đó: hiệu suất của lò. Thờng lò điện trở có hiệu suất = 0,6 ữ 0,8. Công suất đặt của thiết bị: P = k.P lò , [W] (6-5). [1] trong đó: k là hệ số dự trữ, tính đến tình trạng điện áp lới bị tụt thấp, do dây già hoá mà điện trở tăng lên. k = 1,2 ữ 1,3 đối với lò làm việc liên tục, k = 1,4 ữ 1,5 đối với lò làm việc theo chu kỳ. Từ công suất P, có thể tính gần đúng mật độ công suất day đốt một pha. Đó là khả năng cấp nhiệt của dây đốt trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt dây. dd dd Fm P W . = , ][ 2 m W (6-6). [1] trong đó: m là số pha, F dd diện tích bề mặt của dây đốt một pha [m 2 ]. Từ công suất lò ta có thể tính đợc kích thớc dây đốt cần trang bị cho lò. Vời lò có số pha đối xứng, công xuất một pha sẽ là: P ph = m P , [W] (6-7). [1] Ta có: P ph = W dd .F dd = W dd .LC L= CW P dd (6-8). [1] trong đó: L chiều dài dây đốt [m]; C chu vi tiết diện dây đốt [m]. Trên quan hệ giữa các thông số điện thì: 9 S L U R U P ph ph ph ph . 22 == afatr aa ph ph P SU L 2 = âafdasfsda (6-9). [1] trong đó: S là diện tích tiết diện dây đốt [m 2 ]. Từ (6-8). [1] và (6-9). [1], có: dd ph ph W U P CS 1 . 2 2 = (6-10). [1] Vế trái (6-10). [1] là các thông số về kích thớc dây đốt. Thừa số đầu vế phải là các thông số về điện. Thừa số sau của vế phải nói lên quan hệ nhiệt của dây. Dây đốt dùng trong lò điện trở có tiết diện tròn hay chữ nhật và kích cỡ nh bảng sau. Theo bảng 6-2 tài liệu tham khảo [1]. Nhiệt độ làm việc trong lò (C o ) Kích thớc dây đốt (m.m) Dây tròn (đờng kính d) Dây chữ nhật (kích thớc a x b), )( m b a = <300 300 600 600 800 800 1000 1000 1100 1100 - 1200 1 2 3 4 4 5 6 7 7 - 8 8 x 1 10 x 1 15 x 15 20 x 2 25 x 2 25 x 3 Với dây tròn: C = d. S = 2 . 4 1 d 10 [...]... có 8 đầu vào số đợc lựa chọn bằng các chân địa chỉ A, B, C và có 8 đầu ra số song song D0, , D7 Các chân từ D0 D7 đợc đa về các chân 2 9 của cổng LPT Hai chân 1 và 14 của cổng LPT đợc nối với các chân chọn địa chỉ A, B, C của ADC0809 để chọn đầu vào Ini (i = 0 - 7) 21 Chơng 3: Viết chơng trình và giao diện điều khiển và giám sát cho các đối tợng gia nhiệt (gồm có 4 kênh) Chơng trình đợc viết bằng... cao Trên thân máy có các rãnh để nắp các vòng gia nhiệt Gồm có 16 băng nhiệt: theo [2] +) Trên xilanh: 9 băng nhiệt, +) Cổ nối: 1 băng nhiệt; +) Đầu hình: 5 băng nhiệt; +) Trục vít: 1 băng nhiệt Trên thân các băng nhiệt có lỗ để cắm các sensơ nhiệt và các đầu dây cấp nguồn cho điện trở nhiệt Nguồn điện cấp cho các điện trở nhiệt là 220V Các băng gia nhiệt đợc bảo vệ bằng cầu chì Nhiệt độ nóng chảy của... điều khiển bằng Triac Dùng TCA785 để điều khiển dòng chảy qua Triac, tơng ứng dòng qua điện trở nhiệt cũng thay đổi và nhiệt lợng sinh ra cũng thay đổi Dới đây là sơ đồ mạch điều khiển Triac dùng TCA785 để điều khiển hệ thống gia nhiệt Hình vẽ 2.2 15 Hình 2.2: Dùng triac điều khiển gia nhiệt Đầu vào điều khiển TCA785 đợc điều khiển bằng cổng COM qua bộ phận ghép nối Bằng việc thay đổi điện áp nối vào... hệ thống gia nhiệt Sơ đồ khối: Hình 2.1 Máy tính Bộ phận ghép nối giữa máy tính với hệ thống Hệ thống gia nhiệt Hình 2.1 Dùng máy tính với các tài nguyên nh cổng LPT và COM để điều khiển và giám sát hệ thống gia nhiệt thông qua bộ phận ghép nối 2.2 Tính toán dây đốt Dựa vào phần lý thuyết trình bày trên mục 1.6 ta đi tính toán dây đốt cho lò nhiệt Chọn vật liệu làm dây đốt là Cr-Ni có tiết diện tròn... thích với các IC phía sau và giảm ảnh hởng của nhiễu Trên hình 2.4 thể hiện mạch cảm biến nhiệt độ 18 Hình 2.4: mạch cảm biến nhiệt độ lấy từ các kênh Sơ đồ dới đây là sơ đồ ghép nối với cổng LPT để lấy tín hiệu nhiệt độ từ các kênh về máy tính để tiến hành giám sát quá trình gia nhiệt và điều khiển 19 20 Hoạt động của mạch hình 2.5: Các tín hiệu đa về từ cảm biến LM314 từ 4 kênh đợc đa về đầu vào analog... 100 6-15) WS gọi là mật độ công suất trao đổi nhiệt giữa 2 vật đen tuyệt đối Giá trị WS phụ thuộc vào nhiệt độ của vật gia nhiệt 12 Chơng 2: Thiết kế hệ thống gia nhiệt cho dây chuyền Trong dây chuyền sản xuất nhựa thì phần lớn các quá trình gia nhiệt thơng đợc thực hiện ở trên máy ép đùn Máy ép đùn là nơi tạo ra các sản phẩm nhựa từ các hạt nhựa và phụ gia Vỏ máy đợc cấu tạo bởi hai lớp kim loại, bên... ra A của khuếch đại thuật toán nối với chân 11 của TCA785 Sử dụng chân DTR để xuất tín hiệu điều khiển chọn kênh điều khiển Ta có 4 kênh điều khiển là: kênh xilanh, trục vít, đầu hình, cổ nối 17 Sử dụng chân TxD để điều khiển giá trị gia nhiệt cho các kênh Dữ liệu từ chân TxD khi có lệnh xuất ra từ giao diện điều đợc truyền tới chân RRI của CDP6402, đây là một IC dùng để chuyển từ dữ liệu nối tiếp thành... có nhiệt độ cao hơn 700o C thì việc truyền nhiệt chủ yếu do bức xạ Để dễ dàng nghiên cứu phân tích ta giả thiết rằng tổn thất qua vỏ lò bằng 0 và dây đốt là một lá mỏng bao kín vật gia nhiệt, nghĩa là coi diện tích tỏa nhiệt của dây bằng diện tích xung quanh vật gia nhiệt Trong điều kiện đó, phơng trình trao đổi nhiệt bức xạ giữa dây đốt (lý tởng) và vật gia nhiệt sẽ là: P = C S qd [( Tdd 4 T ) ( v... đó: P - là công suất lò, [W]; CS - là khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối; CS = 5,7 W/m2, (K)4; Tdd là nhiệt độ dây đốt, [K]; TV là nhiệt độ vật gia nhiệt, [K]; qd - là hệ số bức xạ nhiệt quy đổi; qd = 1 1 1 + 1 dd V trong đó: dd và V là các hệ số bức xạ nhiệt (độ đen) của vật liệu làm dây đốt và vật liệu làm vật gia nhiệt Từ (6-13) ta có thể xác định mật độ công suất dây đốt: Wdd = hay với... uốn dây tròn và chữ nhật Khi uốn xoắn tròn, đờng kính uốn là tuỳ theo độ bền cơ của dây đốt Thờng D = (4 ữ 10)d Bớc xoắn S 2d Khi uốn dích dắc, kích thớc cũng tuỳ thuộc độ bền cơ của dây đốt Thờng A 100a, S 2b Đối với dây tròn S 5d Trong các lò có nhiệt độ làm việc dới 700o C, việc truyền nhiệt từ dây đốt đến vật gia nhiệt chủ yếu là do hiện tợng dẫn nhiệt và đối lu 11 Trong các lò có nhiệt độ cao . hệ thống ghép nối 18 Chơng 3: 25 Viết chơng trình và giao diện điều khiển và giám sát cho các đối t- ợng gia nhiệt. Giao diện thiết kế 47 Kết luận 48 2 Chơng. về gia nhiệt trong các dây chuyền sản xuất sản phẩm nhựa. 2. Thiết kế hệ thống gia nhiệt cho dây chuyền. 3. Viết chơng trình điều khiển quá trình gia nhiệt