GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng quan về kỹ thuật sấy
Trước khi nhập kho bảo quản, hạt và các sản phẩm nông nghiệp cần có độ ẩm an toàn từ 12%-14% Thông thường, hạt thu hoạch có độ ẩm cao hơn, đặc biệt trong mùa mưa khi độ ẩm không khí tăng, làm chậm quá trình thoát hơi nước Nếu độ ẩm vượt quá 14%, hoạt động sống của hạt gia tăng, dẫn đến hô hấp mạnh và tình trạng nóng ẩm, tạo điều kiện cho vi sinh vật và côn trùng phát triển, gây hư hỏng hạt Để ngăn ngừa hiện tượng này, việc hạ độ ẩm xuống khoảng 14% là rất cần thiết Vì vậy, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm và mưa nhiều của nước ta, phương pháp sấy đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản hạt.
Hạt ẩm gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xay xát, dẫn đến giảm sản lượng bột và tăng chi phí năng lượng Ngoài ra, bột dễ dính vào máy chế biến, làm tăng nguy cơ hư hỏng thiết bị Hạt đã được sấy khô sẽ dễ bảo quản hơn, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm Quá trình thủy phân chất béo diễn ra chậm hơn ở hạt khô, giúp giảm hiện tượng đắng và tiêu diệt côn trùng, sâu mọt.
Quá trình phơi sấy giúp phục hồi các hạt bị bốc nóng ở giai đoạn đầu, ngăn chặn sự tiếp tục bốc nóng và khôi phục các tính chất kỹ thuật của hạt Đối với hạt còn tươi chưa chín sinh lý hoàn toàn, sấy giúp rút ngắn quá trình chín sinh lý, từ đó hạt đạt được các đặc tính kỹ thuật mong muốn Tuy nhiên, sấy khô sản phẩm là một quá trình phức tạp, yêu cầu phải giữ gìn các tính chất của sản phẩm, đảm bảo chất lượng và duy trì trạng thái tốt nhất cho hạt.
Quá trình sấy là phương pháp sử dụng nhiệt để loại bỏ một phần nước có trong sản phẩm Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào cấu trúc, kích thước, hình dạng liên kết của vật liệu, cũng như tính chất hóa học và trạng thái bề mặt của sản phẩm cần hút ẩm.
1.1.2 Bản chất đặc trưng của quá trình sấy
Sấy là quá trình tách ẩm khỏi sản phẩm bằng cách chuyển nước trong sản phẩm thành thể hơi Quá trình này diễn ra nhờ sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa môi trường xung quanh và bề mặt sản phẩm Để ẩm trên bề mặt sản phẩm bay hơi, cần có điều kiện Psp > Pxq, với ∆P càng lớn thì độ ẩm chuyển ra môi trường càng mạnh Áp suất bề mặt Psp phụ thuộc vào nhiệt độ sấy, độ ẩm ban đầu của vật liệu và tính chất liên kết của nước với sản phẩm.
Sự thoát ẩm trên bề mặt tăng lên khi nhiệt độ, tốc độ luồng không khí, và áp suất không khí giảm, dẫn đến sự khuếch tán bên trong sản phẩm Sự phá vỡ mối cân bằng độ ẩm tương đối trong sản phẩm, đặc biệt là ở hạt, xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và phân bố nước không đồng đều Quá trình vận chuyển nước bắt đầu từ khu vực có độ ẩm cao đến khu vực có độ ẩm thấp, trong đó sự chênh lệch độ ẩm giữa các phần khác nhau của hạt là nguyên nhân chính gây ra sự khuếch tán Thêm vào đó, sự thay đổi về nhiệt độ ở các điểm khác nhau trong hạt làm gia tăng sự vận chuyển độ ẩm từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp.
Quá trình sấy có thể được tăng tốc bằng cách nâng cao nhiệt độ không khí, giảm độ ẩm tương đối, tăng vận tốc không khí và giảm áp suất không khí Trong quá trình này, hơi nước trong môi trường xung quanh tăng lên, dẫn đến áp suất và độ ẩm sản phẩm giảm cho đến khi đạt độ ẩm cân bằng, tại đó quá trình sấy ngừng lại Đối với thóc, độ ẩm tồn tại ở bề mặt và bên trong hạt, với ẩm bề mặt bay hơi nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí nóng, trong khi ẩm bên trong bay hơi chậm hơn Sự chênh lệch này làm giảm tốc độ sấy và hàm lượng ẩm lấy đi Tốc độ sấy của hạt thường dao động từ 0.5%/h đến 1%/h, và hàm lượng ẩm có thể giảm từ 2-4% tùy thuộc vào độ ẩm ban đầu, nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy.
Vật liệu sấy và tác nhân sấy
- Mày lúa: trong quá trình sấy và bảo quản, mày lúa rụng ra làm tăng lượng tạp chất và bụi trong khối hạt.
- Vỏ trấu: bảo vệ hạt gạo, chống các ảnh hưởng của môi trường và sự phá hoại của sinh vật, nấm mốc.
- Vỏ hạt: bao bọc nội nhũ, thành phần cấu tạo chủ yếu là lipit và protein.
- Vội nhũ: là thành phần chính của hạt lúa, chứa 90% là gluxit.
- Phôi: nằm ở góc dưới nội nhũ, có nhiệm vụ biến các chất dinh dưỡng trong nội nhũ để nuôi mầm khi hạt lúa nảy mầm
Hình 1 – Một tay máy robot thông dụng trong công nghiệp
Hạt thóc chủ yếu bao gồm tinh bột, protein và xenlulose, bên cạnh đó còn chứa một số chất khác như đường, tro, chất béo và vitamin với hàm lượng thấp hơn Thành phần hóa học của hạt lúa chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như giống lúa, điều kiện đất đai, khí hậu và phương pháp chăm sóc.
Cùng chung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng.
Bảng 1 - Các thành phần hóa học của hạt lúa:
Nước Gluxit Protit Lipit Xenlulo Tro Vitamin B 1
Lúa gạo là nguồn lương thực chính và thiết yếu trong đời sống con người tại Việt Nam, chiếm tỷ lệ đáng kể trong nền kinh tế Ngoài việc cung cấp thực phẩm, lúa còn được sử dụng để sản xuất tinh bột, phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp thực phẩm Bên cạnh đó, lúa cũng là nguồn thức ăn quan trọng cho chăn nuôi gia súc và gia cầm.
Việt Nam hiện đang giữ vị trí thứ hai toàn cầu về xuất khẩu gạo, với nỗ lực không ngừng trong việc mở rộng thị trường xuất khẩu sang nhiều quốc gia Hoạt động này đóng góp quan trọng vào nguồn thu ngoại tệ của đất nước.
1.2.2 Các đặc tính chung của khối thóc a Tính tan rời: là đặc tính khi đổ thóc từ trên độ cao h xuống mặt phẳng nằm ngang, lúa tự dịch chuyển để tạo thành khối có dạng chóp nón Góc tạo thành bởi đường sinh với mặt phẳng đáy nằm ngang của hình chóp gọi là góc nghỉ hay góc nghiêng tự nhiên của khối hạt Về trị số thì góc nghỉ tự nhiên bằng góc ma sát giữa hạt với hạt nên còn gọi là góc ma sát trong, kí hiệu (φ 1 ) Dựa vào độ tan rời này để xác định sơ bộ chất lượng và sự thay đổi chất lượng lúa trong quá trình sấy và bảo quản Đối với thóc, góc nghỉ khoảng từ 32-40 o
Khi một hạt được đặt trên một mặt phẳng và mặt phẳng đó được nghiêng cho đến khi hạt bắt đầu trượt, góc giữa mặt phẳng ngang và mặt phẳng trượt được gọi là góc trượt (góc ma sát ngoài), ký hiệu là (φ 2) Đối với trường hợp khối hạt, góc trượt sẽ liên quan và phụ thuộc vào góc nghiêng tự nhiên.
Góc nghỉ và góc trượt lớn dẫn đến độ rời nhỏ, trong khi góc nhỏ làm tăng khả năng dịch chuyển và độ rời lớn Độ rời của khối hạt phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, trạng thái bề mặt, độ ẩm và loại tạp chất Đặc biệt, đối với góc trượt, loại vật liệu và trạng thái bề mặt cũng đóng vai trò quan trọng Hạt thóc có bề mặt xù xì thường có góc nghỉ và góc trượt lớn Độ ẩm và tạp chất trong khối hạt, đặc biệt là tạp chất rác, càng cao thì độ rời càng nhỏ.
Trong quá trình bảo quản, độ rời của khối hạt có thể bị ảnh hưởng bởi thời gian và điều kiện bảo quản, dẫn đến việc khối hạt bị nén chặt và giảm độ rời Tính tự phân loại của khối hạt, do cấu trúc không đồng nhất với các thành phần khác nhau, tạo ra các vùng chất lượng khác nhau trong quá trình di chuyển, ảnh hưởng tiêu cực đến việc làm khô và bảo quản hạt Những vùng chứa nhiều hạt lép và tạp chất dễ bị hút ẩm và bị cuốn theo tác nhân sấy Độ xốp của khối hạt, được xác định bởi thể tích không gian giữa các hạt, phụ thuộc vào hình dạng và cách sắp xếp của chúng, cần thiết cho quá trình truyền nhiệt hiệu quả trong quá trình sấy.
Trong đó: : mật độ khối hạt chứa trong đơn vị thể tích đó( khối lượng thể tích)
Khối lượng riêng của hạt được xác định trong đơn vị thể tích, ảnh hưởng đến quá trình dẫn nhiệt và truyền nhiệt, diễn ra song song qua hai phương pháp: dẫn nhiệt và đối lưu Hệ số dẫn nhiệt của lúa dao động từ 0.12 đến 0.2 kCal/m.h.độ, thể hiện khả năng dẫn nhiệt của nó Trong quá trình sấy, lúa trải qua nhiều giai đoạn như sấy và ủ, giúp độ ẩm trong nhân hạt có thời gian di chuyển ra bề mặt, từ đó đảm bảo lúa khô đều và giảm thiểu tình trạng nứt gãy khi xay xát.
1.2.3 Các yêu cầu đặc trưng của hạt sấy
Thóc sau khi sấy có thể sử dụng làm lương thực hoặc làm giống và dự trữ Do đó, lúa sau khi sấy cần đảm bảo các yêu cầu chất lượng nhất định.
- Hạt thóc còn nguyên vẹn vỏ trấu bao bọc hạt gạo.
- Hạt thóc còn giữ nguyên hình dạng, kích thước và màu sắc.
- Có mùi vị đặc trưng của hạt thóc và không có mùi vị khác(mùi tác nhân sấy)
- Hạt thóc không bị rạn nứt, gãy vụn và đặc biệt là lúa giống phải đảm bảo khả năng nảy mầm của hật sau khi sấy.
- Sau khi sấy, thóc phải đạt độ ẩm bảo quản, nếu không sẽ là môi trường tốt cho mối, mọt phá hoại
Tóm tắt quy trình công nghệ
Lúa ↓ Thu hoạch ↓ Loại tạp chất-phân loại ↓
Sấy ↓ ↓ ↓ Kho bảo quản Đóng bao Xay xát ↓ ↓ Kho bảo quản Gạo ↓ Kho bảo quản
Thóc cần được xử lý nhiệt nhiều hơn bất kỳ loại hạt ngũ cốc nào khác, với mục tiêu sấy giảm độ ẩm đến mức an toàn (13-14%) để bảo quản và xay xát hiệu quả Quá trình sấy yêu cầu nâng cao tốc độ, giảm thời gian và năng lượng tiêu hao, đồng thời giữ chất lượng sản phẩm Thời gian sấy thóc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối, tốc độ khí sấy, chiều dày lớp hạt), phương pháp sấy (liên tục hay gián đoạn, có đảo hạt, đảo gió, làm dịu sau sấy) và đặc điểm của vật liệu sấy (loại thóc, kích thước hạt, độ chín khi thu hoạch, độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối).
Các phương pháp sấy và các loại máy sấy thóc
1.3.1 Sấy bằng không khí tự nhiên – Phơi nắng Đó là phương pháp lợi dụng ánh nắng mặt trời để làm khô hạt và sản phẩm.Phơi nắng là phương pháp không tốn kém về nhiên liệu Nó thúc đẩy quá trình chín sinh lí của hạt, có khả năng diệt trừ nấm, côn trùng, sâu mọt…bởi tác dụng của ánh nắng mặt trời Nhưng phơi nắng có nhược điểm là không chủ động và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết rất lớn, nhất là canh tác 2 vụ: Mùa khô rất ngắn ngủi không cho phép phơi nắng tự nhiên một cách nhanh chóng Phơi nắng còn tốn nhiều công lao động và không cơ giới hóa được Thời gian để đạt được độ ẩm an toàn thường dài Tuy vậy trong thực tế sản xuất hiện nay, người ta vẫn áp dụng phương pháp phơi nắng đối với các loại ngũ cốc và một số nông sản khác Những sản phẩm cần phơi trải thành những lớp mỏng nên mặt đất hay trên chiếu, phên…nên gặp rất nhiều bất tiện: dễ bị lẫn cát, dễ bị ẩm khi gặp mưa Vì vậy khi cần làm khô một khối lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn bất kể điều kiện thời tiết thế nào thì ta sử dụng các phương pháp sấy nhân tạo.
Hình 2 – Phương pháp sấy tự nhiên
1.3.2 Các phương pháp sấy nhân tạo - các dạng máy sấy thóc
1.3.2.1 Cấu tạo hệ thống sấy tĩnh vỉ ngang
Máy sấy tĩnh vỉ ngang có cấu tạo đơn giản, phù hợp với sản xuất phân tán và giá thành chấp nhận được.
Máy sấy tĩnh vỉ ngang bao gồm 4 bộ phận chính: quạt, lò đốt, buồng sấy và nhà che Thiết bị này được phân thành 2 loại: loại không có đảo gió và loại có đảo gió.
Máy sấy tĩnh vỉ ngang loại không đảo gió
Quá trình sấy thóc diễn ra bằng cách đổ thóc lên sàn lưới lỗ với độ dày từ 0.2-0.5m Không khí nóng từ lò đốt được quạt sấy hút vào và hòa trộn với không khí môi trường, sau đó đạt nhiệt độ cần thiết trước khi chuyển qua buồng sấy Không khí sấy đi từ ống gió hông lên xuyên qua lớp thóc, giúp loại bỏ độ ẩm Quá trình này tiếp tục cho đến khi độ ẩm của cả lớp thóc trên và dưới đạt yêu cầu.
Nhược điểm của thiết bị sấy không có đảo gió là chiếm nhiều diện tích, dẫn đến năng suất thấp Hơn nữa, việc cần phải đảo trộn thủ công để đạt được độ ẩm đồng đều cho hạt sau khi sấy khiến thiết bị này không đáp ứng được yêu cầu cơ giới hóa trong quy trình sấy.
Máy sấy tĩnh vỉ ngang có đảo chiều không khí sấy khắc phục nhược điểm của máy sấy không đảo gió, với cấu trúc nhỏ gọn và tiết kiệm diện tích lắp đặt Máy cho phép sấy lớp hạt dày từ 50-60cm, giảm thiểu lao động cào đảo và đảm bảo độ đồng đều ẩm độ hạt sau khi sấy Luồng khí đi lên hoặc xuống theo phương thẳng đứng giúp tăng cường sự đồng đều ẩm độ, trong khi lớp hạt nằm ngang ít chịu nén và có khả năng tự điều chỉnh, từ đó cải thiện độ đồng đều ẩm độ cuối cùng của sản phẩm, điều mà khó đạt được với lớp hạt thẳng đứng.
Cấu tạo, nguyên lí hoạt động và đặc điểm
Hệ thống máy sấy gồm caloriphe hoặc cấp nhiệt trực tiếp từ buồng đốt hòa trộn với không khí, hệ thống quạt và các thiết bị phụ trợ khác.
Tháp sấy là một cấu trúc hình hộp cao, với hệ thống kênh dẫn và thải tác nhân xen kẽ trong lớp vật liệu sấy Tác nhân sấy, thông qua kênh dẫn gió nóng, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt và hấp thụ ẩm từ vật liệu Vật liệu sấy di chuyển từ trên xuống dưới nhờ trọng lượng của chính nó Nhiệt được cung cấp cho vật liệu thông qua quá trình đối lưu giữa dòng tác nhân và khối lượng hạt, cũng như dẫn nhiệt từ bề mặt kênh dẫn và kênh thải Do đó, nhiệt lượng mà vật liệu sấy nhận được bao gồm hai thành phần: đối lưu giữa tác nhân sấy và khối lượng hạt, cùng với dẫn nhiệt từ các bề mặt kênh gió nóng và kênh thải ẩm.
Trong quá trình sấy hạt, hạt di chuyển từ trên cao xuống mặt đất theo chuyển động thẳng đứng hoặc zigzag trong tháp sấy Tùy thuộc vào cách bố trí, dòng hạt có thể di chuyển liên tục hoặc theo mẻ Sấy tháp liên tục là một phương pháp hiệu quả trong việc xử lý hạt.
Hạt qua tháp sấy một lượt rồi vào bin ủ, và nghỉ (ủ) ở đó một thời gian (từ 2-
Quá trình sấy lúa bao gồm nhiều giai đoạn, thường kéo dài 24 giờ tùy theo chế độ sấy và loại hạt Sau khi sấy lần đầu, hạt sẽ được đưa vào tháp sấy lần thứ hai và thứ ba Mục đích của việc ủ là tạo điều kiện cho độ ẩm ở trung tâm hạt có thời gian thoát ra bề mặt, giúp dễ dàng bốc hơi Nếu có sự chênh lệch độ ẩm quá lớn giữa bề mặt và trung tâm hạt, sẽ gây ra ứng suất dẫn đến gãy vỡ hạt, điều này là tối kỵ trong quá trình sấy lúa, vì sẽ làm cho gạo bị bể thành tấm.
Không khí vào từ những máng úp ngược, và thoát ra ở những máng song song nằm so le phía trên và phía dưới. b) Sấy tháp tuần hoàn
Hạt sau khi đi qua tháp sấy sẽ được gầu tải đưa trở lại tháp Thời gian "ủ" hạt tương đối ngắn, chỉ khoảng 30 phút, diễn ra khi hạt ở trong gầu tải và thùng chứa phía trên buồng sấy Hạt chảy xuống giữa hai vách lưới lỗ song song, cách nhau từ 15-23 cm, trong khi không khí từ buồng giữa thổi xuyên qua lớp hạt Lớp hạt trong và lớp hạt ngoài di chuyển song song mà không trộn lẫn, tạo ra sự chênh lệch độ ẩm cuối cùng.
So với máy sấy tĩnh, máy sấy tháp chưa được sử dụng phổ biến trong việc sấy lúa, đặc biệt là do hiệu quả chỉ đạt với lúa có độ ẩm dưới 24%, thường chỉ xuất hiện trong vụ Đông Xuân Trong khi đó, vụ Hè Thu thường có độ ẩm từ 28-30%, khiến cho việc sấy trở nên khó khăn hơn Hơn nữa, tập quán sấy hiện tại chủ yếu chỉ nhằm "đối phó" với vụ Hè Thu Bên cạnh đó, chi phí đầu tư và vận hành máy sấy tháp cũng cao hơn so với máy sấy tĩnh vỉ ngang.
Sấy tầng sôi là một trong các phương thức sấy thích hợp cho việc sấy các hạt nông sản.
Bộ phận chính của TBS tầng sôi bao gồm buồng sấy và ghi lò nằm phía dưới Ghi buồng sấy được làm từ tấm thép có lỗ hoặc lưới thép cho phép tác nhân sấy đi qua mà không làm rơi hạt vật liệu Tác nhân sấy có nhiệt độ cao và độ ẩm thấp được thổi từ dưới lên, giúp nâng các hạt vật liệu và tạo ra sự xáo trộn Quá trình sôi diễn ra mạnh mẽ, tạo ra sự trao đổi nhiệt ẩm tối ưu giữa tác nhân sấy và vật liệu Các hạt vật liệu khô hơn sẽ nổi lên trên bề mặt và được đưa ra ngoài qua đường tháo liệu Ưu điểm của sấy tầng sôi là hiệu suất sấy cao và đồng đều.
- Vật liệu sấy khô đều
- Có thể tiến hành sấy liên tục
- Hệ thống thiết bị sấy liên tục
- Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy
- Có thể điều chỉnh thời gian sấy Nhược điểm:
- Tiêu hao nhiều điện năng để thổi khí tạo lớp sôi
Thiết bị sấy vỉ ngang cho phép sấy thóc hiệu quả mà không phụ thuộc vào thời tiết, với năng suất cao và thời gian sấy ngắn hơn so với phơi nắng Tuy nhiên, nghiên cứu về mô hình dự đoán thời gian sấy thóc tĩnh theo lớp dày vẫn còn hạn chế Việc dự đoán thời gian sấy là rất quan trọng, bởi nếu không đủ thời gian, thóc sẽ không đạt độ ẩm bảo quản an toàn; ngược lại, nếu sấy quá lâu, năng suất thiết bị sẽ giảm và chi phí sản phẩm sẽ tăng Bài viết này tập trung vào phương pháp sấy tĩnh vỉ ngang, phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ khí sấy, chiều dày lớp hạt và thời gian giữa các lần đảo gió đến thời gian sấy Các yếu tố ban đầu như nguồn gốc hạt, điều kiện thu hoạch và xử lý trước khi sấy cũng rất quan trọng, cùng với độ ẩm tương đối của khí sấy có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy thóc.
Tác nhân sấy là sự kết hợp giữa khói và không khí, được dẫn qua các kênh để trao đổi nhiệt và độ ẩm với thóc Sau khi quá trình sấy diễn ra, khí thải sẽ được thải ra ngoài.
Phương pháp sấy này tận dụng khói lò từ phế thải nông nghiệp, trong đó khói lò không chỉ cung cấp nhiệt cho quá trình sấy mà còn giúp loại bỏ độ ẩm thải ra môi trường.
Khói lò bao gồm hai thành phần chính là khói khô và hơi nước, được coi là tác nhân sấy Để mô tả các trạng thái và quá trình nhiệt động của khói lò, ta có thể sử dụng đồ thị I-d của không khí ẩm Điều này cho thấy khói lò cũng có các thông số quan trọng như entanpy I, độ chứa ẩm d và độ ẩm tương đối, tương tự như không khí ẩm.
Khói lò được sinh ra do đốt trấu, nguồn nhiên liệu rất dồi dào ở vùng đồng bằng sông Hồng
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ HỆ THỐNG SẤY
Tính toán tổng quát
Theo nghiên cứu của Viện Cơ Điện Nông Nghiệp và Công Nghệ Sau Thu Hoạch, lúa nên được sấy ở nhiệt độ từ 50-90°C Nhiệt độ này giúp bảo toàn đường và chất béo, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng nứt vỏ lúa.
2.1.1 Tính toán cân bằng vật chất
Các kí hiệu sử dụng:
G1: lượng nhập liệu của vật liệu sấy (kg)
G 2 : lượng sản phẩm sau khi sấy (kg)
1 : độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy (%)
Độ ẩm của vật liệu khô sau khi sấy được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm (%), trong khi hàm ẩm của không khí trước khi sấy được ký hiệu là d1, và hàm ẩm của không khí sau khi sấy là d2 Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy được tính bằng W (kg).
L: lượng không khí khô cần thiết l: lượng không khí khô cần thiết để tách 1 Kg ẩm ra khỏi vật liệu
I 0 , I 1 ,I 2 : nhiệt hàm của không khí trước khi vào buồng đốt, sau khi ra khỏi buồng đốt và sau khi ra khỏi buồng sấy, J/kgkkk
* Các thông số cơ bản: a) Đối với không khí:
Trạng thái ban đầu của không khí: t 0 = 25 0 C; 0 = 85%
Không khí vào thiết bị sấy:
Chọn nhiệt độ vào buồng sấy của không khí: t 1 = 50 0 C
Không khí ra khỏi thiết bị sấy:
Chọn nhiệt độ ra của khụng khớ là:ứ t 2 = 42 0 C
Phân áp suất hơi nước bão hòa P b0 :
Lượng chứa ẩm d 0 : d 0 = 0,621 P −φ Pbo φ Pbo = 0,621 1−0,85.0,032 0,85.0,032 = 0,017 kg ẩm/kgkkk
Nhiệt dung riêng dẫn xuất C dx (d 0 ):
C dx (d 0 ) = C pk + C pa d 0 = 1,0048 + 1,842.0,017 = 1,036 kJ/kg.độ Trong đó:
C pk = 1,0048 kJ/kg độ: nhiệt dung riêng của không khí khô
C pa = 1,842 kJ/kg độ: nhiệt dung riêng của hơi nước r= 2500 kJ/kg: ẩn nhiệt hóa hơi
Thể tích riêng của không khí V 0 :
V 0 = (P 287 −φo Pbo (273+¿) ).10 5 = (1−0,85.0,032).10 287 (273+25) 5 = 0,858 m 3 /kg b) Đối với vật liệu sấy (thóc)
Theo tài liệu kĩ thuật sấy Nông Sản - Trần Văn Phú, Lê Nguyên Đương ta có các thông số kích thước sau của thóc
Các kích thước của thóc:
Dài : l = 8,5 mm Rộng: a= 3,4 mm Dày: b = 2 mm Đường kính tương đương: d = 2,76 mm
Hệ số hình dạng: hd = 1,68
Nhiệt dung riêng: C = 1,5 KJ/Kg
Hệ số dẫn nhiệọt: = 0,09 W/mK Khối lượng riêng rắn: r = 1150 Kg/m 3 Độ xốp: = 0,56 Diện tích bề mặt riêng khối lượng: f = 1,31 m 2 /kg Khối lượng riêng xốp: v = 500 Kg/m 3
Vật liệu trước khi vào thiết bị sấy: ta chọn
Vật liệu sau khi ra thiết bị sấy : chọn nhiệt độ ra của thóc nhỏ hơn nhiệt độ của không khí khoảng 2 0 C
2 = 40 0 C 2 = 13%, đây là độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc.
G 2 = G 1 - W = 5000 – 862,07 = 4137,93 Kg/mẻ Lượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 giờ:
- Nhiệt lượng do không khí mang vào: LI 0
- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G 2 C vl 1 +C n W 1
- Nhiệt lượng do buồng đốt cung cấp: Q c
Tổng nhiệt lượng vào: LI 0 + G 2 C vl 1 + C n W 1 + Q c
- Nhiệt lượng do không khí ra: LI 2
- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G 2 C vl 2
- Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Q m
Từ phương trình cân bằng năng lượng, ta có:
Viết cho 1Kg ẩm bốc hơi: q c =l ( I 2 -I 1 )+ q vl +q m -C n θ 1 q c =l ( I 1 −I 0 )=l ( I 2 -I 1 )+ q vl +q m -C n θ 1
Tính toán quá trình sấy thực tế
2.2.1 Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Ở đây, hệ thống sấy được làm bằng gạch có chiều dàyδ= 10cm,
Hệ số dẫn nhiệt của gạch là λ= 1,31W/m.k
- Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy: t f1 ¿ 50+ 42
- Khi vận tốc tác nhân vα 1 = 26,5 W/m 2 t f1 λ,q t w1 t w2 t f2 tháp sấy môi trường δ truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp
Hình 3 – Một loại cảm biến từ
Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa mặt buồng sấy và không khí xung quanh được mô tả bằng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α2, được tính theo công thức α2 = 1,715(tw2 – tf2)0.333 Trong đó, nhiệt độ bề mặt trong của buồng sấy (tw1) và bề mặt ngoài (tw2) chưa được xác định Để tính toán mật độ dòng nhiệt, các đẳng thức cần thỏa mãn bao gồm: q1 = α1(tf1 – tw1) = 26,5(46 – tw1), q2 = (λ/δ)(tw1 – tw2) = (1,31/0,1)(tw1 - tw2) và q3 = α2(tf2 – tw2) = 1,715(tw2 - 25)(1 + 0,333) Khi mật độ dòng nhiệt thỏa mãn các đẳng thức này, nó cũng sẽ thỏa mãn phương trình q = k(tf1 – tf2), trong đó k là hệ số truyền nhiệt.
+ 1 α 2 Để giải được phương trình (1) (2) (3) (4) ta dùng phương pháp lặp:
Giả sử chúng ta có giá trị t w1, từ đó tìm ra q 1 Sau khi thay q 1 vào phương trình (2), chúng ta xác định được t w2 Tiếp theo, thay t w2 vào phương trình (3) để tính q 3 Cuối cùng, so sánh q 1 và q 3; nếu sai số nằm trong khoảng 0,8-1% và điều kiện t w1 > t w2 được thỏa mãn, thì kết quả là chấp nhận được.
Bảng: tính toán tìm mật độ dòng nhiệt cho từng giá trị tương ứng của t w1
Theo bảng ta có thể chọn nhiệt độ 2 vách của hệ thống sấy: t w1 = 44 0 C, t w2 = 39,95 0 C, q= 63,13 w/m 2 Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh Q 1 :
Q 1 =q.F xq c,13.21,4856,11 W Nhiệt lượng tỏa ra môi trường qua phần phía trên của buồng sấy Q 2
Q 2 =q.F bm c,13.16,5444,23W Nhiệt lượng tổn thất qua đáy hệ thống sấy Q 3
Q 3 =q.F đ c,13.16,5444,23W Vậy tổng tổn thất nhiệt ra môi trường:
Khi đó: q mt = Qmt w = 3444,57 862,07 = 4 kJ/kg ẩm Theo thực nghiệm tổn thất nhiệt ra môi trường khoảng 15%
2.2.2 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi
Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra khỏi vùng sấy:
G: khối lượng thóc đầu ra (kg) GP00kg t m1 : nhiệt độ vật liệu sấy vào khi vào buồng sấy ( o C) t m1 =t vl1 ' 0 C t m2 : nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi buồng sấy ( o C) t m2 =t vl2 @ 0 C
C m : nhiệt dung riêng của hạt thóc C m =C k + Ca−Ck 100 ῳ Trong đó:
C k : nhiệt dung riêng của vật liệu khô C k =1,2-1,7 kJ/kg.độ , ta chọn
C a =C h =4,182kJ/kg.độ : nhiệt dung riêng của ẩm ῳ%: độ ẩm tương đối của thóc
C m = C k + Ca−Ck 100 ῳ =1,7+ 4,182−1,7 100 X13 = 2,02 kJ/kg.độ Khi đó: Q m = 5000.2,02.(40 – 27) = 131472,9kJ
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra khỏi vùng sấy được tính toán là q vl = Qm w = 131472,9 1041,67 = 126,21 kJ/kg ẩm Tổng tổn thất nhiệt này cho thấy sự ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất sấy trong quá trình sản xuất.
Ta thấy < 0,qúa trình sấy thực tế sẽ nằm dưới đường lí thuyết Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra khỏi buồng sấy: theo thực nghiêm khoảng 10%.
2.2.3 Các thông số sau quá trình sấy thực
Lượng chứa ẩm của tác nhân sấy ra khỏi vùng sấy thựcNhiệt dung riêng dẫn xuất C dx :
C dx = 1,0048 + 1,842.d 1 = 1,0048 + 1,842.0,019 =1,04 kJ/kg.độ d 2 = d 1 + Cdx(t i−∆ 1−t 2) = 0,019 + 1,04(65−45) i−∆ =0,027 kg ẩm/kgkk i= 2500+1,842.45%82,9 kJ/kg độ ẩm tương đối của tác nhân sấy ra khỏi vùng sấy. φ = Pbh (0,621 P d 2 +d 2) = 0,095.(0,621+0,0245) 1.0,0245 = 0,4@%
Lượng tác nhân sấy thực tế: l = d 2−d1 1 = 0,027−0,019 1 = 125 kgkk/kg ẩm L= l.W= 125.1041,67 = 130208,75 kgkk/h
Thể tích tác nhân sấy của vùng sấy Với t 1 = 65 0 C và φ 1 = 12%
V 2 = ( P−φ 287(273+t 2 Pb h 2) 10 5 ) = ( 1−0,4.0,095 287 (273+45) ) 10 5 = 0,9487 m 3 /kg Thể tích tác nhân sấy của vùng sấy:
2.2.4 Tính toán cân bằng nhiệt lượng của quá trình sấy thực
Tổng nhiệt lượng cần thiết thực tế q’ q’= l ( I 2 – I 0 ) - ∆ với entanpy ở điểm C
I 2 = 1,0048.t 2 +d 2 (2500+1,842.t 2 )= 108,5 kJ/kg Khi đó q’= l.(I 2 – I 0 ) - ∆ 5 (108,5 – 67,46) + 18,84 = 5148,84 (kJ/kg)
Nhiệt lượng có ích q 1 = i 1 -C a t vl1 = (2500+1,842.65)-4,182.27= 2506,82 (kJ/kg) với t vl1 ' 0 C là nhiệt độ vật liệu sấy vào vùng sấy
Tổn thất nhiệt do tác nhân sấymang đi q 2 = l.C dx (t 2 -t 0 )= 125 1,04.( 45-25)&00 (kJ/kg)
Tổng tổn thất nhiệt và nhiệt lượng có ích q=q 1 +q 2 +q mt +q vl %06,82+2600+5,54+126,21R38,58 (kJ/kg)
Về nguyên tắc q=q’ nhưng trong quá trình tính toán ta đã làm tròn kết quả dẫn đến sai số.
2.2.5 Tính tiêu hao nhiên liệu
Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ:
B 1 = q Qc η ' W kg/h q / = 5148,84 kJ/kg: tổng lượng nhiệt cần thiết thực tế cho vùng sấy.
W = 1041,67 kg: lượng nước tách được qua vùng sấy
Lựa chọn thiết bị
2.3.1 Buồng đốt 2.3.1.1 Đặc điểm và mục đích của buồng đốt
Buồng đốt trong hệ thống sấy được sử dụng với một trong hai mục đích:
+ Buồng đốt tạo ra khói lò có nhiệt độ cao dùng làm dịch thể nóng cung cấp nhiệt hòa trộn với không khí để đưa vào buồng sấy.
+ Buồng đốt tạo ra khói lò có nhiệt độ thích hợp dùng để làm tác nhân sấy trực tiếp cấp vào máy sấy.
Nhiệt độ của tác nhân sấy thường thấp, do đó nhiên liệu trong buồng đốt của hệ thống sấy không cần có nhiệt trị cao Khi sử dụng khói lò làm tác nhân sấy, thường có một buồng hòa trộn giữa khói và không khí ngoài trời để tạo ra tác nhân sấy với nhiệt độ phù hợp.
Buồng đốt chủ yếu sử dụng nhiên liệu rắn và lỏng, trong đó nhiên liệu lỏng và khí mang lại lợi ích về kích thước gọn gàng, sự sạch sẽ, và khả năng tự động hóa quá trình cháy Tuy nhiên, chi phí cho mỗi kilogram sản phẩm cao hơn so với nhiên liệu rắn như than đá, củi, hay trấu Mặc dù buồng đốt nhiên liệu rắn dễ xây dựng, nhưng chúng lại cồng kềnh và tạo ra khói chứa nhiều bụi bẩn, bao gồm tro và các hạt nhiên liệu chưa cháy hết.
Buồng đốt của thiết bị sấy khác biệt so với buồng đốt của lò nung và các lò luyện, thường hoạt động với cường độ cháy thấp và tiêu hao không khí lớn Khói từ buồng đốt không chỉ cần được xử lý để sấy mà còn phải tách bụi và triệt tiêu lửa, do đó, sau buồng đốt cần có bộ phận lắng bụi và triệt tiêu lửa.
Thể tích buồng đốt: V bđ = B Q q t
Q t : nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kcal/kg) B: lượng tiêu hao của nhiên liệu (kg) q: mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt (kcal/m 3 ) q= (250 -300).10 3 kCal/m 3
Vậy V bđ = Qt B q = 3145 250 10 623 3 = 7,84 (m 3 ) Chọn kích thước của buồng đốt: Chiều dài: 2300mm Chiều rộng:1700mm Chiều cao:2000mm
B: lượng tiêu hao của nhiên liệu (kg/h) b: cường độc cháy của ghi (kg/m 2 h) Với b = 120 (kg/m 2 h), ta có:
Chiều dày lớp nhiên liệu trên ghi: h = 8 ρ F B (m)Trong đó: ρ : khối lượng riêng thể tích nhiên liệu trên ghi, ρ = 1500 ÷ 2000 kg/m 3 F: diện tích mặt ghi (m 2 )
Diện tích mặt ghi bằng tổng diện tích các khe hở trên ghi
Hình 4 – Quạt máy sấy công nghiệp
Khi thiết kế hệ thống sấy, việc chọn quạt phù hợp là rất quan trọng, bên cạnh việc tính toán quá trình sấy và thiết kế không gian sấy Quạt đóng vai trò chủ chốt trong hiệu suất của hệ thống; nếu quạt chỉ cung cấp 2/3 lượng gió cần thiết, thời gian sấy có thể tăng gần gấp rưỡi, dẫn đến giảm năng suất, tăng chi phí chất đốt và làm giảm chất lượng sấy do độ ẩm cuối không đồng đều.
Căn cứ vào lưu lượng thể tích không khí cần thiết V và trở lực của hệ thống
H có thể trọn được quạt gió.
Khi lựa chọn quạt gió, cần chú ý đến tốc độ làm việc trong khu vực hiệu suất cao Đồng thời, việc kiểm tra tốc độ bánh guồng của quạt là rất quan trọng để đảm bảo độ bền cơ học, cũng như đáp ứng các tiêu chuẩn về tiếng ồn cơ học và khí động do quạt phát sinh.
V: lưu lượng thể tích của không khí (m3/ s) H0: tổng trở lực của hệ thống đã quy về điều kiện tiêu chuẩn (mmH2O) Tổng trở lực= trở lực buồng đốt+ trở lực đường ống+trở lực buồng sấy+áp suất động cơ của khí thải
+ Theo thực tế tổng trở lực là 20%
+ Theo áp suất đề ra có thể chia quạt làm 3 loại:
− Quạt áp suất thấp, tổng cột áp tạo ra đến 100 mmH 2 O
− Quạt trung áp, tổng áp suất tạo ra 100 ÷ 300 mmH 2 O
− Quạt cao áp, tổng áp suất tạo ra 300 ÷ 1500 mmH 2 O
Khi hệ thống hoạt động ổn định, áp suất do quạt tạo ra (∆p = p1 – p0) cần phải cân bằng với tổng trở lực của hệ thống và áp suất động của khí thoát, với giả thiết rằng tốc độ vào (W2) gần bằng 0.
∆p l – trở lực ma sát trên đường ống dẫn khí
∆p c – tổng trở lực cục bộ trên đường ống dẫn khí
∆p t - trở lực của các thiết bị mắc trên đường ống dẫn khí (buồng sấy, thiết bị khử bụi) p đ – áp suất động của khí thải vào môi trường.
+ Vì ống dẫn khí có tiết diện như nhau, ta có trở lực ma sát trên đường ống dẫn khí:
∆p l = λ A d ρ W 2 2 , N/m 2 λ – hệ số trở lực ma sát;
A – tổng chiều dài ống, m; d – đường kính tương đương của ống dẫn khí, m; ρ – khối lượng riêng của khí, kg/m 3 ;
W – tốc độ của khí trong ống, m/s.
Trong hệ thống sấy, tốc độ khí trong ống rất lớn, dẫn đến chế độ chuyển động thường nằm trong khu vực bình phương trở lực, tức là Re > Re gh.
Vậy: λ = 0,11 ( k d ) 0,25 trong đó: k – độ nhám tuyệt đối của thành trong ống, m d – đường kính trong của ống, m.
+ Trở lực cục bộ trong hệ thống đường ống dẫn khí:
Trong đó: ₤ i – các hệ số trở lực cục bộ;
W i , ρ i – tốc độ và khối lượng riêng tương ứng.
Trên đường ống dẫn khí thường gặp các trở lực cục bộ sau: các cút nối, các cửa điều chỉnh, màng lọc bụi, tiết diện côn, đột mở…
+ Trở lực của thiết bị trong hệ thống là:
∆p t1 – trở lực của buồng sấy
∆p t2 – trở lực của màng lọc bụi + Áp suất động của khí thoát xác định theo công thức: p đ = ρ W 2 2 , N/m 2
Tốc độ khí thải ra ngoài môi trường cần đủ lớn để đảm bảo khí được thải thuận lợi, ngay cả trong điều kiện có gió Khi lắp đặt ống thải, cần lưu ý đến hướng gió để giảm thiểu ảnh hưởng của nó Ống thải nên được bố trí theo phương thẳng đứng, và tốc độ khí thoát ra khỏi ống thường được chọn trong khoảng 5 đến 10 m/s.
Để chọn quạt gió ta cần biết:
Xác định lưu lượng + Thể tích không khí khô cần cho 1 mẻ sấy là
V = 126868,9 m 3 + Lưu lượng không khí khô là:
Trong đặc tuyến của quạt, quan hệ ∆p = f(V) được xác định ở điều kiện tiêu chuẩn kỹ thuật với khối lượng riêng ρ tc = 1,2 kg/m³ Khi quạt hoạt động ở nhiệt độ khác với điều kiện tiêu chuẩn, khối lượng riêng sẽ thay đổi thành ρ 1, kg/m³ Trong trường hợp này, áp suất do quạt tạo ra sẽ giảm so với điều kiện tiêu chuẩn Do đó, để đảm bảo quạt đạt đủ áp suất làm việc trong thực tế, cần chuyển đổi trị số ∆p tính toán về điều kiện tiêu chuẩn.
1 , N/m 2 + Như vậy ta phải chon quạt theo điều kiện B (m 3 /h) và ∆p tc (N/m 2 ) + Công suất quạt được xác định theo công thức:
N = 102 B ∆ p n q (KW) + Công suất của động cơ điện:
K n K – hiệu suất của khớp nối Với B = 12571,88(m 3 /h) = 3,49 (m 3 /s), ∆p = 200 mmH 2 O và n q = 0,8, ta có
Công suất quạt là: N = 3,49× 102× 200 0,8 = 8,55 (KW)
Vậy chọn quạt căn cứ vào:
+ Cột áp: ∆p = 200 mmH 2 O + Áp tĩnh: ∆p t = mmH 2 O + Lưu lượng: B = 3,49 (m 3 /s) + Công suất động cơ: N =8,55 (KW)
2.3.3 Cảm biến quang Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi.
Hình 5 – Một loại cảm biến quang
Thông số kỹ thuật của cảm biến quang
Khoảng cách thu nhận tín hiệu: 50cm.
Điện áp ngõ ra: 12 - 240VDC hoặc 12 -240VAC.
Dòng tiêu thụ max DC/AC: 3mA max. Ứng dụng của cảm biến quang trong mô hình:
Sử dụng cảm biến quang để phát hiện sản phẩm đã đến vị trí gắp trên băng tải 1.
Công tắc hành trình là thiết bị dùng để đóng mở mạch điện, được lắp đặt trên đường hoạt động của cơ cấu, cho phép tác động khi cơ cấu đạt đến một vị trí nhất định Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay, và khi được kích hoạt, công tắc sẽ ngắt hoặc khởi động một thiết bị khác Công tắc hành trình thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Giới hạn hành trình là cơ chế ngăn chặn chuyển động của thiết bị, khi cơ cấu đạt đến vị trí giới hạn, tác động vào công tắc sẽ ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu, từ đó không cho phép nó vượt qua vị trí giới hạn.
Hành trình tự động kết hợp với các role, PLC và VDK để điều khiển hoạt động của các cơ cấu Khi cơ cấu đạt đến vị trí định trước, nó sẽ kích hoạt các cơ cấu khác hoạt động hoặc chính cơ cấu đó.
Công tắc hành trình là thiết bị quan trọng trong các dây chuyền tự động, được sử dụng phổ biến để kiểm soát và giám sát hoạt động Chúng có nhiều loại, bao gồm nhút nhấn thường đóng, thường mở, công tắc 2 tiếp điểm và công tắc quang, đáp ứng đa dạng nhu cầu trong các ứng dụng công nghiệp.
Hình 6 – Cấu tạo của công tắc hành trình Ứng dụng của công tắc hành trình trong mô hình:
Sử dụng công tắc hành trình để xác định vị trí di chuyển của cánh tay gắp sản phẩm theo chiều trái phải.
GIỚI THIỆU VỀ PLC – S7 1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH
Khái quát chung về PLC
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC) là máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Ý tưởng về PLC được Richard Morley, một nhà phát minh người Mỹ, giới thiệu lần đầu vào năm 1968 nhằm đáp ứng yêu cầu của General Motors về việc xây dựng thiết bị lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng Công ty Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã trình bày PLC lần đầu tiên Trước đây, thiết bị này được gọi là Programmable Controller (PC), nhưng để tránh nhầm lẫn với máy tính cá nhân (Personal Computer), thuật ngữ PLC đã trở nên phổ biến hơn.
3.1.2 Các loại PLC thông dụng
Bảng 2 - Một số loại PLC thông dụng.
S7 – 400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416… S7 – 1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C Dòng CQM1
Dòng CP1E Dòng CP1L Dòng CP1H Dòng CJ1/M
Dòng FX: FX1N, FX1S, FX2N, FX3G…
Dòng A PLC: A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU Dòng Q PLC
Hãng Delta Dòng DVP – SA
Dòng DVP – SC Dòng DVP – SX Dòng DVP –
Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131 – 3 bao gồm:
Ngôn ngữ lập trình cơ bản:
Instruction List (IL): dạng hợp ngữ.
Structured Text (ST): giống Pascal Các ngôn ngữ đồ họa:
Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le.
Function Block Diagram (FBD): giống mạch nguyên lý.
Sequential Function Charts (SFC): xuất xứ từ mạng Petri/Grafcet.
3.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC
Hình 13 - Sơ đồ khối PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống.
Các kênh truyền trong hệ thống máy tính bao gồm bus dữ liệu, bus địa chỉ, bus điều khiển và bus hệ thống Bus dữ liệu thường có độ rộng 8 bit, truyền tải thông tin dưới dạng nhị phân, với mỗi dây truyền một bit Bus địa chỉ, thường là 8 hoặc 16 bit, đảm nhiệm việc tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ Bus điều khiển truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận khác trong hệ thống Cuối cùng, bus hệ thống có nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa các cổng nhập xuất và các thiết bị ngoại vi.
Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồn một chiều (12, 24V…).
Các thành phần vào/ra đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối CPU với các thiết bị ngoại vi như cảm biến và cơ cấu chấp hành Đầu vào số (DI) nhận tín hiệu nhị phân từ các thiết bị như nút ấn và công tắc, với dải điện áp từ 5 VDC đến 240 VAC Đầu vào tương tự (AI) chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến nhiệt độ và lưu lượng thành tín hiệu số, với các chuẩn tín hiệu phổ biến như 4-20mA và 0-10V Đầu ra tương tự (AO) biến đổi tín hiệu số từ CPU thành tín hiệu tương tự cho các thiết bị điều khiển như biến tần và van điện từ Cuối cùng, đầu ra số (DO) kết nối với các thiết bị nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo và Relay, với ba loại đầu ra là Trans, Triac và Relay, có dải điện áp 5 VDC.
24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC, 230 VDC.
Phương thức thực hiện chương trình.
PLC hoạt động theo chu trình lặp, mỗi chu trình được gọi là vòng quét (Scan) Vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số vào vùng bộ đệm ảo ngõ vào, sau đó tiếp tục với giai đoạn thực hiện chương trình.
Trong mỗi vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc, sau đó chuyển nội dung của bộ đệm ảo ra các cổng xuất số Vòng quét kết thúc với giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Thời gian cần thiết cho PLC để hoàn thành một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét (scan time), và thời gian này không cố định Mỗi vòng quét có thể có thời gian thực hiện khác nhau, phụ thuộc vào số lệnh trong chương trình và khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó.
Điều khiển các dây truyền đóng gói bao bì, tự động mạ tráng kẽm, sản xuất bia, sản xuất xi măng…
Hệ thống rửa ô tô tự động.
Điều khiển máy sấy, máy ép nhựa…
PLC – S7 1200
S7-1200 là một dòng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa Với thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và khả năng lập trình mạnh mẽ, S7-1200 mang đến giải pháp hoàn hảo cho các nhu cầu tự động hóa.
S7 – 1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển.
S7 – 1200 tích hợp cổng PROFINET, tương thích với chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép kết nối mở rộng qua các module truyền thông RS485 hoặc RS232.
Phần mềm Step 7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình gồm FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người dùng.
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau PLC S7 – 1200 có các loại sau:
Work 30 Kbytes 50 Kbytes 75 Kbytes 100 Kbytes
Load 1 Mbyte 1 Mbyte 4 Mbyte 4 Mbyte
Retentive 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes
10 Out tương tự Kiểu 2 inputs 2 inputs 2 inputs 2 inputs / 2 outputs thước bộ Kích đệm
Inputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes
Outputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Bit nhớ (M) 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes
Module mở rộng vào ra (SM) none 2 8 8
Board tín hiệu (SB) Board pin (BB) Board truyền thông
Bộ đếm tốc độ cao
3 at 80kHz SB: 2 at 20kHz
1 at 20kHz SB: 2 at 20kHz
Card nhớ SIMATIC Memory Card (optional)
Lưu trữ thời gian đồng hồ thời gian thực Chuẩn là 20 ngày, nhỏ nhất là 12 ngày ở nhiệt độ 400C
(duy trì bằng tụ điện có điện dung lớn)
Tốc độ thực thi phép toỏn thực 2.3 às/lệnh
Tốc độ thực thi logic
PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và Retentive Memory:
Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống.
Work memory là bộ nhớ lúc làm việc.
System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây.
Bảng 4 - Phân vùng bộ nhớ.
Bộ nhớ CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Bảng 5 - Tập lệnh xử lý bít.
Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 1.
Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n là 0.
Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ.
Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out not cho 1 địa chỉ.
Giá trị của các bit có địa chỉ n sẽ trở thành 1 khi đầu vào của lệnh là 1, trong khi nếu đầu vào là 0, bit này sẽ duy trì trạng thái hiện tại.
Giá trị của các bit có địa chỉ n sẽ trở thành 0 khi đầu vào lệnh là 1 Ngược lại, nếu đầu vào lệnh là 0, bit này sẽ giữ nguyên trạng thái hiện tại.
Bảng 6 - Tập lệnh Timer, Counter
Khi ngõ vào IN ngừng tác động, Timer sẽ tự động reset và ngừng hoạt động Việc thay đổi PT trong quá trình Timer vận hành không ảnh hưởng đến chức năng của nó.
Khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ 0 lên 1, giá trị bộ đếm CV sẽ tăng lên 1 Ngõ ra Q sẽ được kích hoạt thành 1 khi giá trị CV lớn hơn hoặc bằng PV Nếu trạng thái R (Reset) được kích hoạt, bộ đếm CV sẽ trở về giá trị 0.
Bảng 7 - Tập lệnh toán học.
Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm IN1= IN2, IN1>= IN2, IN1 IN2, IN1 IN2.
When comparing two similar data types, if the comparison condition is met, the output will be level 1 = TRUE (indicating a high impact), otherwise, it will be false The data types used for comparison include SInt, Int, Dint, USInt, UDInt, Real, Lreal, String, Time, DTL, and Constant.
Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2
Lệnh trừ SUB : OUT = IN1 - IN2.
Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal, Constant.
Tham số OUT có kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal.
Tham số ENO sẽ có giá trị bằng 1 nếu quá trình thực thi diễn ra suôn sẻ mà không gặp lỗi Ngược lại, ENO sẽ bằng 0 khi xuất hiện lỗi trong quá trình thực hiện lệnh.
Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu.
Real/Lreal: Nếu một trong những giá trị đầu vào là NaN sau đó được trả về NaN.
ADD Real/Lreal: Nếu cả hai giá trị IN là INF có dấu khác nhau, đây là một khai báo không hợp lệ và được trả về NaN
3.2.3.4 Di chuyển và chuyển đổi dữ liệu
Bảng 8 - Tập lệnh di chuyển
Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ ra OUT mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN.
EN: cho phép ngõ vào
ENO: cho phép ngõ ra
IN: nguồn giá trị đến
Hình 14 - Sơ đồ đấu dây CPU 1214C AC/DC/Relay.
Hình 15 - Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/Relay.
Hình 16 - Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/DC.
Phần mềm Tia – Portal
3.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic
Step 7 Basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chuẩn đoán và nhiều hơn nữa Trực quan dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động.
3.3.2 Các bước tạo một project
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V15.1
Hình 17 - Biểu tượng phần mềm TIA - Portal V15.1 Bước 2: Click chuột vào “Create new project” để tạo dự án.
Bước 3: Nhập tên dự án vào “Project name” sau đó nhấn “Create”.
Hình 19 - Đặt tên cho dự án.
Bước 5: Chọn “add new device”.
Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn “add”.
Bước 7: Project mới được hiện ra.
Hình 23 - Một project mới được tạo ra.
THIẾT KẾ XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA
Mạch điều khiển hệ thống
3.3.1 Sơ đồ đấu nối PLC
Hình 28 - Sơ đồ đấu nối PLC S71200
Hình 29 - Sơ đồ đấu nối module 8DI/8DO của PLC S71200
Lập trình điều khiển PLC S71200
3.4.1 Xác định đầu vào ra
Bảng 9 – Danh sách tag đầu vào PLC
TT ID tag Địa chỉ Định dạng Giải thích
1 I_Mode I0.0 Bool Switch chế độ 1 auto, 0 manu
2 I_Auto_Run I0.1 Bool Nút nhấn chạy tự động
3 I_Auto_Stop I0.2 Bool Nút nhấn dừng tự động
4 I_BT1 I0.3 Bool Chạy/Dừng băng tải 1
5 I_BT2 I0.4 Bool Chạy/Dừng băng tải 2
6 I_BT3 I0.5 Bool Chạy/Dừng băng tải 3
7 I_MIX I0.6 Bool Chạy/Dừng khuấy bồn sấy
8 I_VALVE I0.7 Bool Mở/Đóng Van xả
9 I_GN I1.0 Bool Chạy/Dừng máy gia nhiệt
10 I_TN I1.1 Bool Chạy/Dừng máy truyền nhiệt
11 I_FAN I1.2 Bool Chạy/Dừng quạt gió
12 IW_Level IW64 int Cảm biến mức bồn sấy
13 IW_Temp_Buong_Dot IW66 int Cảm biến nhiệt độ buồng đốt
14 IW_Temp_Say IW68 int Cảm biến nhiệt độ máy gia nhiệt
15 IW_Do_Am IW70 int Cảm biến độ ẩm buồng đốt
Bảng 10 - Danh sách tag đầu vào PLC
TT ID tag Địa chỉ Định dạng Giải thích
1 Q_Lamp_Auto Q0.0 Bool Đèn chế độ auto
2 Q_Lamp_Manu Q0.1 Bool Đèn chế độ manu
3 Q_Lamp_Auto_Running Q0.2 Bool Đèn báo đang chạy tự động
7 Q_MIX Q0.6 Bool Khuấy bồn sấy
9 Q_GN Q1.0 Bool Máy gia nhiệt
10 Q_TN Q1.1 Bool Máy truyền nhiệt
Danh sách bảng tag trong PLC
Hình 31 – Bảng tag đầu vào Input trong phần mềm tia portal
Hình 32 – Bảng tag đầu ra Output trong phần mềm tia portal
Sử dụng PLC S71200 CPU 1212C DC/DC/DC
Hình 33 - Cấu hình phần cứng PLC
(*) Chương trình sử dụng khối OB1 làm chương trình chính và các khối chương trình con dùng hàm chức năng FC.
Hàm chức năng FC là một khối logic sử dụng các biến In, Out, In/Out do chương trình cung cấp, cùng với biến Temp sử dụng nội bộ, nhưng không nhất thiết phải sử dụng tất cả Hàm FC không có bộ nhớ nội, dẫn đến việc dữ liệu sẽ bị mất khi ra khỏi khối, và cũng không có khối dữ liệu Instance DB như hàm chức năng FB.
(2) Chương trình con chế độ bằng tay (FC1)
(3) Chương trình con chế độ tự động (FC2)
(4) Chương trình con đọc về Analog (FC3)
(5) Chương trình con mô phỏng (FC4)
(6) Chương trình con đưa tín hiệu ra đầu ra Output (FC5)
Thiết kế giao diện điều khiển giám sát Scada
Hình 35 - Kết nối PLC với Scada
Kết quả mô phỏng
3.6.1 Tải chương trình xuống PLC
Bước 1: Nhấn vào nút Simulation để chạy PLC SIM
Bước 2: Nhấn nút “Load” để tải chương trình PLC
Bước 3: Nhấn chọn “Start module” sau đó nhấn “Finish”
Bước 4: Vào khối chương trình nào đó muốn giám sát thực hiện nhấn biểu tượng đeo kính để online chương trình PLC
Bước 1: Vào màn hình thiết kế giao diện chính nhấn nút “RT”
Bước 2: Giám sát chương trình trên giao diện điều khiển giám sát tia portal