BTL KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HCMUT, PHÂN TÍCH HỆ THỐNG MÁY SẤY NGÔ Những năm gần đây, khái niệm tự động hóa, được định nghĩa là ứng dụng tự động hóa để kiểm soát các quy trình công nghiệp, đã phát triển nhanh chóng vì nó có thể cải thiện hoạt động của quy trình sản xuất, bên cạnh chất lượng hàng hóa được sản xuất, đảm bảo cho các công ty đạt được mục tiêu. mục tiêu của họ với hiệu suất tối ưu. Việc tự động hóa trong ngành cho đến những năm 70 chỉ được thực hiện trên cơ sở rơle, sử dụng cái được gọi là logic có dây, nhưng từ những năm này, Tự động hóa có thể lập trình (PLC) bùng nổ, chuyển sang logic được lập trình. Các phiên bản và mẫu PLC đầu tiên đắt tiền, khó lập trình, bộ nhớ tương đối ít và hầu như không có các yếu tố ngoại vi. Vào những năm 80, những công nghệ này đã được cải thiện cả về giá cả lẫn lợi ích, nhưng ngay cả việc lập trình cũng khó thực hiện, điều đó có nghĩa là chỉ một nhóm nhỏ chuyên gia được đào tạo để đưa nó vào sử dụng và bảo trì.
Phương pháp thực hiện
Tự động hóa trong công nghiệp
Trong những năm gần đây, tự động hóa đã trở thành một khái niệm quan trọng trong việc kiểm soát quy trình công nghiệp Ứng dụng tự động hóa không chỉ cải thiện hiệu suất sản xuất mà còn nâng cao chất lượng hàng hóa Điều này giúp các công ty đạt được mục tiêu của mình một cách hiệu quả và tối ưu.
Từ những năm 70, ngành tự động hóa đã chuyển mình từ việc sử dụng logic có dây dựa trên rơle sang việc áp dụng Tự động hóa có thể lập trình (PLC), đánh dấu một bước đột phá quan trọng trong công nghệ tự động hóa.
Các phiên bản và mẫu PLC đầu tiên có giá cao, khó lập trình, bộ nhớ hạn chế và thiếu các yếu tố ngoại vi Đến những năm 80, công nghệ PLC đã được cải thiện về giá cả và lợi ích, nhưng việc lập trình vẫn còn khó khăn, dẫn đến chỉ một nhóm nhỏ chuyên gia được đào tạo có khả năng sử dụng và bảo trì chúng.
Hệ thống tự động bao gồm các thành phần hoặc công cụ dùng để đo lường các biến số vật lý, thực hiện các hành động điều khiển và truyền tín hiệu Việc kiểm soát và duy trì một số lượng nhất định là điều cần thiết trong mọi quy trình.
Tự động là môn học nghiên cứu các phương pháp và quy trình nhằm thay thế con người bằng hệ thống tự động trong việc thực hiện các nhiệm vụ thể chất hoặc tinh thần đã được lập trình trước, theo định nghĩa của Học viện Real Spanish Academy.
Một trong những khía cạnh quan trọng của công việc hiện tại là tự động hóa dựa trên bộ điều khiển PID trong PLC Để thực hiện điều này, phương pháp loại tiến hóa được lựa chọn, bao gồm ba giai đoạn: Phân tích, Thiết kế và Thử nghiệm Phương pháp này cho phép quay lại giai đoạn trước nếu phát hiện sự không nhất quán hoặc lỗi, hoặc khi cần cải thiện các khía cạnh của hệ thống.
Hệ thống giao diện giữa người dùng và nhà máy đang chuyển mình từ các bảng điều khiển truyền thống với đèn báo và dụng cụ đo lường sang các hệ thống kỹ thuật số hiện đại trên màn hình máy tính hoặc màn hình cảm ứng Việc điều khiển được thực hiện bởi bộ điều khiển tự động kỹ thuật số và máy tự động lập trình, được kết nối với máy tính để tạo ra chức năng đối thoại hiệu quả với người vận hành.
Phương pháp Ziegler Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động, giúp xác định các thông số điều khiển cho hệ thống Phương pháp này được đặt theo tên của hai kỹ sư nổi tiếng người Mỹ, John G Ziegler và Nathaniel B Nichols, những người đã có đóng góp lớn trong lĩnh vực này.
Phương pháp Ziegler-Nichols là quy trình thử nghiệm nhằm xác định các thông số quan trọng của bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative), bao gồm hằng số tỷ lệ (Kp), hằng số tích phân (Ki), và hằng số đạo hàm (Kd) Quy trình này thường bắt đầu bằng việc tăng dần độ trễ thời gian (gain) cho đến khi hệ thống trở nên không ổn định, từ đó thu thập dữ liệu để tính toán các hằng số PID cần thiết.
Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động, giúp nâng cao hiệu suất và ổn định cho hệ thống.
1 Là phương pháp thực nghiệm để xác định các tham số của bộ điều khiển PID
2 Rất thuận tiện khi mô hình toán học của đối tượng chưa biết trước
3 Đáp ứng nhận được có độ quá điều chỉnh khoảng 25%
Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một trong những bộ điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp, thường được chỉnh định bằng giải thuật Ziegler-Nichols Tuy nhiên, phương pháp này thường gặp khó khăn trong việc đạt được giá trị tối ưu cho các hệ số Kp, Kd và Ki của bộ điều khiển PID do ảnh hưởng của nhiễu và sai số của thiết bị đo.
Mọi hệ thống điều khiển PID hầu hết đều bao gồm các thành phần sau:
+ Thiết bị điều khiển (bộ điều khiển PID, PLC…)
+ Cơ cấu điều khiển (van gia nhiệt hoặc động cơ, biến tần…)
+ Thiết bị phản hồi (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng…)
Mọi thiết bị trong hệ thống này đều có sự liên kết chặt chẽ với nhau tạo nên một vòng điều khiển khép kín.
Thông số PID Điều khiển PID có 3 khâu: Khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân.
Khâu tỉ lệ (P – controller) điều chỉnh giá trị đầu ra dựa trên sai số hiện tại, nhằm hướng tới giá trị mong muốn Tuy nhiên, trong thực tế, việc đạt được giá trị mong muốn hoàn toàn là điều không thể, do luôn tồn tại một mức sai lệch nhất định.
Khâu tích phân (I – controller) tích lũy các sai số trong quá khứ, tỉ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Nhờ vào khâu tích phân, thời gian đáp ứng của hệ thống được cải thiện nhanh chóng.
Khâu vi phân (D – controller) là thành phần điều khiển dựa trên tốc độ thay đổi của sai lệch Nó phát tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sự thay đổi của sai số, giúp giảm tốc độ thay đổi của hệ thống khi quá nhanh Nhờ đó, khâu vi phân góp phần làm giảm dao động của hệ thống theo thời gian.
Bỏ qua tích phân và vi phân vẫn cho phép điều khiển, nhưng sẽ gặp sai số trong việc điều khiển tỉ lệ Việc thêm khâu tích phân giúp giảm sai số trong hệ thống, trong khi việc bổ sung khâu vi phân tăng cường thời gian đáp ứng và giảm thiểu dao động.
Bài báo cáo này trình bày các yếu tố quan trọng cho sự phát triển của hệ thống, bắt đầu bằng việc thu thập thông tin về đặc điểm của quá trình bảo quản Tiếp theo, bài viết phân tích quy trình sấy ngô, nhấn mạnh những đặc điểm và ưu điểm của bộ điều khiển trong ngành, đặc biệt là bộ điều khiển PID Cuối cùng, báo cáo kết thúc với việc thiết kế bộ điều khiển dựa trên phương pháp Ziegler Nichols.
Thu thập thông tin bài toán
Đầu tiên, chúng ta tiến hành thu thập thông tin liên quan đến nền tảng lý thuyết cần thiết cho việc phát triển dự án Qua đó, chúng ta có được điểm khởi đầu vững chắc để chuyển sang giai đoạn tiếp theo.
Khi đã biết các khía cạnh cần thiết để xác định các đặc tính của bộ điều khiển PID, nó sẽ được tiến hành thiết kế.
Khi bảo quản bao ngô, hãy đặt bao tải lên các pallet hoặc pallet gỗ để cải thiện khả năng xử lý và ngăn chặn bao bì tiếp xúc trực tiếp với mặt đất.
Kích thước bao tải bảo quản ngô là 80 cm chiều cao, 40 cm chiều rộng và 30 cm chiều dài Kho chứa ngô có kích thước 5 m x 5,5 m, với không gian được phân bố như hình 1.
Những thông sốt này rất quan trọng để tính toán dung lượng lưu trữ.
Hình 1: Kích thước của kho lưu trữ
Kho lưu trữ được phân chia thành hai khu vực, với một hành lang rộng một mét như mô tả trong Hình 1, đảm bảo không gian thông thoáng Kích thước của mỗi phòng lưu trữ được xác định theo phương trình (1).
S 1 – diện tích của 1 phòng a=4,8m – chiều dài của phòng b=2m – chiều rộng của phòng Để biết diện tích của mỗi túi ngô, sử dụng phương trình (2)
S 2 – diện tích của 1 bao ngô c=0,8m – chiều cao của bao ngô d=0,4m – chiều rộng của bao ngô
Số bao ngô trong một tiết diện gọi là n , được sử dụng phương trình (3) để trính toán: n=S 1
Có 30 chiếc bao trong một phần của căn phòng, ngoài ra còn có phần khác có cùng kích thước, như vậy sẽ có 60 bao trong phòng Nếu các bao được cất giữ trong phòng ở độ cao 3 m và mỗi bao có độ dày 30 cm thì có 10 bao được cất, cái này chồng lên cái kia, như vậy chúng ta có các thông số:
B – tổng số bao trong kho
30 bao – số bao chồng lên nhau.
Y` – số bao ở hai phòng hay số bao của kho (không tính chồng lên nhau) Để tính tổng số túi, sử dụng phương trình (4).
Tổng kết, có thể cất giữ 600 bao ngô, mỗi bao chứa 50kg, tổng cộng 30tấn được lưu trữ trong căn phòng này.
Sau khi thực hiện các tính toán cần thiết, các điều kiện vật lý của không gian lưu trữ sẽ được xác định rõ ràng, cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc thiết kế bộ điều khiển PID hiệu quả Đồng thời, số liệu liên quan đến số lượng bao ngô sẽ được hưởng lợi từ bộ điều khiển cũng sẽ được xác định, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu suất cao.
Các yêu cầu sấy ngô và ứng dụng mô hình hóa quá trình sấy
5.1 Các yêu cầu sấy ngô
Sấy nhân tạo là quá trình quan trọng sau thu hoạch, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hạt Mục tiêu chính của sấy hạt là bảo quản và giữ gìn các đặc tính của hạt trong thời gian dài Để đạt được điều này, quá trình sấy cần phải tuân thủ bốn yêu cầu cơ bản.
Giảm hàm lượng nước trong hạt.
Tránh sự nảy mầm của hạt.
Bảo toàn chất lượng tối đa của hạt.
Đạt được độ ẩm không cho phép vi khuẩn và nấm phát triển và làm chậm đáng kể sự phát triển của ve và côn trùng.
Sấy hạt có thể thực hiện bằng không khí tự nhiên hoặc không khí nóng, nhưng nhiệt độ mà hạt đạt được trong quá trình sấy là yếu tố quyết định chất lượng cuối cùng Tất cả các phương pháp sấy ngũ cốc đều dựa vào khả năng của không khí trong việc hấp thụ độ ẩm từ sản phẩm Để sấy hạt hiệu quả, độ ẩm của không khí cần phải thấp hơn độ ẩm cuối cùng yêu cầu Hơn nữa, nhiệt độ không khí cũng rất quan trọng, vì không khí nóng giúp hạt khô nhanh hơn so với không khí lạnh.
Hạt thường giữ khoảng 10% độ ẩm, khiến việc làm khô hoàn toàn trở nên khó khăn và có thể làm hỏng hạt nếu loại bỏ lượng nước cuối cùng Máy sấy dòng chảy liên tục hiện đang được sử dụng phổ biến trong thương mại, cho phép hạt được đưa vào và thải ra một cách liên tục hoặc không liên tục, với các phần sấy và làm mát luôn đầy Quá trình sấy và làm mát diễn ra đồng thời, không bị gián đoạn, trong khi hạt di chuyển từ trên xuống dưới và có thể được phân loại theo loại dòng chảy.
Máy sấy dòng hỗn hợp, hay còn gọi là máy sấy "trestle", có cấu trúc chính là một bộ ống dẫn hình chữ V ngược, cho phép không khí nóng hoặc lạnh lưu thông qua khu vực sấy và làm mát.
Dòng chảy ngang, hay còn gọi là “cột”, bao gồm các cột thẳng hoặc đường gân giúp hạt di chuyển nhờ trọng lực Những cột này được tạo thành từ các bức tường bằng tấm đục lỗ, cho phép không khí nóng (hoặc lạnh) lưu thông theo chiều ngang hoặc vuông góc với độ dày của cột.
Trong giai đoạn sấy khô, việc phân tích mối tương quan giữa các biến số quy trình là cần thiết để hiểu rõ các hiện tượng liên quan, từ đó tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng Dự án này đề xuất một phương pháp hệ thống nhằm giảm dần sự phụ thuộc vào các giải thích theo kinh nghiệm.
5.2 Ứng dụng mô hình hóa quá trình sấy
Mô hình hóa và mô phỏng quá trình sấy hạt bằng máy tính đang trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu Nhiều mô hình khác nhau đã được phát triển để mô tả hiệu quả quá trình truyền nhiệt và truyền khối trong các loại máy sấy đối lưu cơ bản, bao gồm sấy tầng cố định, sấy dòng chảy chéo, sấy dòng chảy đồng thời và sấy dòng chảy ngược.
W.Jittanitt (1) đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc sấy khô hạt lúa mì, gạo và ngô trong hai giai đoạn, sử dụng khả năng nảy mầm làm thước đo chất lượng Giai đoạn đầu tiên được nghiên cứu ở nhiệt độ không khí từ 40 – 80 ℃, giai đoạn 2 nhiệt độ
GS Mittal và một cộng sự đã phát triển và xác nhận mô hình mô phỏng quá trình sấy ngô tại Ontario, dự đoán đặc điểm độ ẩm của hạt ở các độ sâu khác nhau Nghiên cứu hiệu suất của hệ thống dựa trên các bản ghi thời gian hàng giờ từ Toronto và London trong giai đoạn 1965-1978.
Qiang Liu và các cộng sự đã phát triển một quy trình đơn giản để tính toán công suất máy sấy ngũ cốc theo mẻ và dòng ngang Quy trình này dựa trên một số giả định đơn giản trong các phương trình truyền khối và truyền nhiệt Việc tính toán chỉ cần sử dụng một máy tính cầm tay và biểu đồ đo tâm lý.
Dữ liệu công suất máy sấy được xác định thông qua một quy trình mới, với độ chính xác nằm trong khoảng ±10% so với dữ liệu thực nghiệm hoặc mô phỏng máy tính Phương pháp này mang lại một cách tiếp cận đơn giản và nhanh chóng để dự đoán tác động của nhiệt độ sấy và tốc độ dòng khí lên công suất của máy sấy.
Các điều kiện tiên quyết cho việc xây dựng kiến thức dựa trên mô hình động thường không tương thích với tốc độ tính toán của máy vi tính Để khắc phục vấn đề này, đã có những nỗ lực đáng kể được thực hiện ở bốn cấp độ: liên kết chất lượng và mô hình sấy khô, đơn giản hóa độ phức tạp của các phương trình, áp dụng phương pháp ngăn cách để giảm số lượng phương trình, và phát triển các phương pháp tích hợp mới cho trạng thái ổn định, bao gồm cả sự tuần hoàn không khí và tối ưu hóa độ ẩm So sánh giữa mô phỏng và kết quả công nghiệp cho thấy sự phù hợp tốt, và phần mềm này đã được các nhà sản xuất máy sấy ngũ cốc hàng đầu tại Pháp mua lại.
Thiết kệ hệ thống điều khiển
Bộ điều khiển (Controllers)
Trong quá trình kiểm soát các biến số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức chất lỏng, việc duy trì giá trị mong muốn là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định và an toàn Điều này được thực hiện thông qua các bộ điều khiển, thiết bị chuyên dụng có khả năng phản ứng với độ lệch trong các giá trị điều kiện Để hoạt động hiệu quả, bộ điều khiển cần được kết nối với các cảm biến và bộ truyền tín hiệu, cung cấp thông tin cần thiết cho các hành động khắc phục và thực thi điều chỉnh theo quyết định của bộ điều khiển.
Hình 1: Các loại cảm biến nhiệt độ
Bộ điều khiển tự động hoạt động bằng cách so sánh giá trị đầu ra thực tế của nhà máy với giá trị đầu vào tham chiếu (giá trị mong muốn) Khi xác định độ lệch giữa hai giá trị này, bộ điều khiển sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm giảm độ lệch về 0 hoặc về một giá trị nhỏ Quá trình tạo ra tín hiệu điều khiển này được gọi là hành động điều khiển.
Hình 2: Một số bộ điều khiển nhiệt độ Điểm giống nhau Điểm khác nhau
Bộ điều khiển nhiệt độ Bộ hiển thị nhiệt độ
- Có khả năng đọc được tín hiệu nhiệt độ dạng nhiệt điện trở
RTD và can nhiệt thermocouple
- Có thể xuất tín hiệu
- Có thể hiển thị giá trị nhiệt độ đo được
- Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ theo tín hiệu hồi tiếp PID
- Tín hiệu ngõ ra relay và 4- 20mA điều khiển các thiết bị ngoại vi
- Tích hợp cả chương trình điều khiển và hiển thị
- Bộ hiển thị đa năng có thêm nhiều tuỳ chọn ngõ ra relay và số led hiển thị
- Chỉ có thể đọc tín hiệu, xuất tín hiệu 4-20mA tới PLC, DCS
- Chức năng chính chỉ là hiển thị giá trị đo của nhiệt độ truyền về từ cảm biến
Bảng 1: So sánh bộ điều khiển nhiệt độ và hiển thị nhiệt độ
Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp sử dụng điện hoặc áp suất chất lỏng như không khí làm nguồn năng lượng Chúng có thể được phân loại theo loại năng lượng hoạt động, bao gồm lốp xe, thủy lực và điện tử Để điều khiển các quá trình công nghiệp, hệ thống điều khiển phân tán, máy tính điều khiển hoặc sự kết hợp của cả hai được kết nối qua các giao diện thích hợp Mặc dù các hệ thống được thiết kế để tối ưu hóa sự ổn định và hiệu quả của quá trình, nhưng yếu tố điều khiển cuối cùng vẫn cần thiết để kiểm soát dòng chảy của chất lỏng.
1.2 Cấu tạo của bộ điều khiển nhiệt độ
3 thành phần chính cấu tạo nên một bộ điều khiển nhiệt độ là:
Cảm biến trên đồng hồ điều khiển nhiệt có khả năng cảm nhận các biến đổi vật lý, hóa học và sinh học của môi trường, giúp đo lường nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng Chức năng chính của cảm biến là kiểm soát các giá trị này, biến đổi dữ liệu thành tín hiệu để gửi về bộ điều khiển.
Bộ điều khiển là thiết bị tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, sau đó xuất tín hiệu đã qua xử lý đến thiết bị điều khiển.
Thiết bị điều khiển: Tiếp nhận tín hiệu chỉ đạo từ bộ điều khiển và thực hiện chính xác như những gì đã được lập trình trước đó.
Bộ điều khiển nhiệt, dù nhỏ gọn, là trung tâm của quá trình điều khiển Cảm biến hoạt động như đôi mắt, trong khi thiết bị điều khiển là đôi tay của con người trong quá trình vận hành Sự phối hợp nhịp nhàng giữa ba thành phần này đảm bảo bộ điều khiển nhiệt hoạt động với độ chính xác cao nhất.
Hình 3: Thành phần cơ bản của bộ điều khiển nhiệt độ
1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển nhiệt độ
Bộ điều khiển nhiệt độ hoạt động bằng cách đo nhiệt độ môi trường và so sánh với giá trị cài đặt mong muốn Sự chênh lệch giữa hai giá trị này được gọi là lỗi, và dựa vào lỗi này, bộ điều khiển xác định mức độ sưởi ẩm hoặc làm mát cần thiết để đạt được nhiệt độ mong muốn Sau khi hoàn tất quá trình điều chỉnh, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu đầu ra đến các thiết bị như lò sưởi, van điều khiển hoặc quạt, nhằm thực hiện các thay đổi cần thiết để kiểm soát nhiệt độ.
Hình 4: Nguyên lý của bộ điều khiển nhiệt độ
1.4 Các chế độ điều khiển của bộ điều khiển.
Bộ điều khiển nhiệt độ tự động với chức năng PID cho phép điều chỉnh nhiệt mà không cần sự can thiệp của con người Điều khiển PID kết hợp tỷ lệ dẫn xuất và tích phân, giúp tự động bù đắp cho hệ thống và tạo sự phối hợp nhịp nhàng giữa các thành phần trong bộ điều khiển.
Bộ điều khiển PID được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống có dung lượng truyền lớn và tần suất thay đổi thường xuyên, giúp bù đắp năng lượng do những biến đổi này gây ra.
Hình 5: Chế độ điều khiển PID
1.4.2 Kiểm soát điều khiển ON/OFF (bật/tắt)
Chế độ điều khiển đơn giản này đã được sử dụng từ lâu và vẫn phổ biến trong nhiều ngành Ưu điểm nổi bật của nó là dễ hiểu và dễ sử dụng, tuy nhiên, nhược điểm chính là độ chính xác không cao và mức độ quá nhiệt lớn, dẫn đến tổn thất năng lượng.
Hình 6: Chế độ điều khiển bật tắt
Chế độ ON/OFF hoạt động dựa trên nguyên lý rằng bộ điều khiển sẽ kích hoạt đầu ra khi nhiệt độ môi trường vượt qua giá trị cài đặt Nếu người dùng đã thiết lập dải trễ, bộ điều khiển có thể tác động ngay cả khi nhiệt độ nằm trong phạm vi này mà chưa đạt giá trị cài đặt Thông thường, chế độ ON/OFF được sử dụng với đầu ra điều khiển dạng Rơle.
1.4.3 Kiểm soát nhiệt độ theo tỷ lệ Đây là chức năng hữu ích nhất của một bộ điều khiển nhiệt độ Với chức năng này, bộ điều khiển sẽ kiểm soát theo tỷ lệ loại bỏ chu kỳ liên quan đến bật/tắt điều khiển Nói một cách dễ hiểu hơn tức là khi nhiệt độ môi trường gần đến điểm đặt, điều khiển tỷ lệ sẽ làm giảm lượng năng lượng cung cấp cho A/C.
1.5 Các kiểu điều khiển của bộ điều khiển.
1.5.1 Bộ điều khiển nhiệt độ theo chương trình
Loại điều khiển nhiệt độ này hoạt động theo chương trình đã được cài đặt trước, giúp duy trì mức nhiệt trong thời gian hẹn và chuyển đổi sang mức nhiệt khác Người dùng có thể lập trình tối đa 16 phân đoạn nhiệt, bắt đầu từ nhiệt độ môi trường hoặc từ 0°C, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Hình 7: Điều khiển nhiệt độ theo thời gian lập trình sẵn
1.5.2 Bộ điều khiển nhiệt độ kết nối với máy tính thông qua truyền thông RS485 Đối với bộ điều khiển nhiệt độ được tích hợp cổng truyền thông RS485 thì thông qua phần mềm kết nối với máy tính, các thông số giá trị, alarm, phần trăm ngõ ra của đồng hồ sẽ được hiển thị và đồng thời có thể cài đặt được
Người dùng có thể quản lý và giám sát các giá trị thông qua file Excel, biểu đồ cột và đồ thị Đặc biệt, phần mềm cho phép thay đổi các thông số của bộ cảm biến nhiệt độ một cách dễ dàng.
Hình 8: Phần mềm điều khiển kết nối với thiết bị điều chỉnh nhiệt độ
1.5.3 Bộ điều khiển nhiệt độ dạng DIN Rail
Cơ sở lý thuyết
Sau khi xác định bộ điều khiển, việc thiết kế là rất quan trọng, trong đó có các phương pháp như quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols, dựa trên phản hồi của hệ thống vòng hở với tín hiệu bước.
Thiết kế bộ điều khiển PID là một yếu tố quan trọng trong bộ điều khiển nhiệt độ, được thực hiện theo quy tắc điều chỉnh Ziegler Nichols Quá trình này dựa trên các hằng số nổi bật trong phương trình để đảm bảo hiệu quả điều khiển.
Các hằng số được trình bày trong bảng 1, được xác định thông qua quy trình thiết kế và thực hiện theo phương pháp đầu tiên dựa trên các quy tắc chỉ định.
Bảng 2: Điều chỉnh bộ điều khiển PID
Hệ thống điều khiển quá trình sấy hạt ngô được mô tả qua sơ đồ khối, trong đó các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập lỗi hệ thống và kiểm soát biến Bộ điều khiển PID được thiết kế nhằm duy trì nhiệt độ hạt trong silo ở mức trung bình, với điểm đặt nằm trong khoảng từ 43°C đến 60°C.
Mô hình hóa nhà máy sấy khô với điều chỉnh bộ điều khiển được thực hiện theo phương pháp Ziegler-Nichols, trong đó nhà máy được mô tả qua các phương trình, phản ánh thực tế rằng nó có hệ thống trễ vận chuyển.
Các hệ số K, T và L được xác định từ đáp ứng của hệ thống trong vòng hở với đầu vào bước, trong đó hệ thống gia nhiệt hoạt động ở công suất tối đa Như thể hiện trong hình 5, quá trình bắt đầu từ trạng thái ổn định y(t) = y0 với đầu vào u(t) = u(0), sau đó áp dụng đầu vào bước u(1) và ghi nhận phản hồi đầu ra cho đến khi hệ thống đạt được trạng thái ổn định tại điểm hoạt động mới.
Các tham số có thể thu được từ phản hồi được hiển thị trong hình dưới.
Hình 11: Tín hiệu ra đến bước vào Theo các tham số điều chỉnh, từ hình trên, ta có:
Dựa trên phương pháp Ziegler-Nichols, chúng tôi đã thu nhỏ phản hồi của nhà máy và tiến hành tính toán các giá trị hằng số của bộ điều khiển, từ đó đạt được những kết quả cụ thể.
Với các dữ liệu trên, mô phỏng phản hồi của hệ thống đối với đầu vào một bước được thực hiện.
Khi chương trình được thực thi, phản hồi được quan sát như thể hiện trong hình dưới:
Hình 12: Phản hồi ban đầu bộ điều khiển PID
Việc điều chỉnh bộ điều khiển là cần thiết, đặc biệt là điều chỉnh hành động tích phân Các giá trị của hằng số Kp và Td được giữ nguyên theo giá trị ban đầu đã tính toán Giải pháp đề xuất cho thấy cần tăng giá trị của Ti để giảm trạng thái ổn định của tín hiệu đầu ra.
Một lần nữa, mô phỏng của hệ thống được thiết kế được thực hiện, bây giờ với các giá trị sau:
Td = 0.0625Với giá trị mới này, phản hồi của hệ thống đối với đầu vào bước đơn vị được mô phỏng, thu được kết quả là hình dưới.
Hình 13: Tín hiệu sửa đổi đến bộ điều khiển PID
Phản ứng thời gian của hệ thống điều khiển được chia thành hai phần chính: phản ứng tạm thời và phản ứng trạng thái ổn định Phản ứng tạm thời mô tả quá trình chuyển đổi từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng, trong khi phản ứng trạng thái ổn định phản ánh cách thức hoạt động của đầu ra hệ thống khi thời gian tiến đến vô cùng.
Khi các giá trị cuối cùng cho bộ điều khiển đã được thiết lập, sơ đồ khối cuối cùng được kết luận, như hình dưới.
Hình 14: Sơ đồ khối cuối cùng
Thiết kế bộ điều khiển
3.1 Cấu tạo của hệ thống.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy giúp người vận hành theo dõi các chỉ số bên trong lò sấy và buồng sấy, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm sấy Các thành phần chính của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành hiệu quả.
3.1.1 Cảm biến nhiệt độ (can nhiệt)
Cảm biến nhiệt độ công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ lò sấy, giúp hạn chế sai lệch nhiệt độ Thiết bị này bao gồm que dò nhiệt được lắp đặt trong lò sấy, chịu tác động trực tiếp của nhiệt Đầu củ hành được gắn ở phần trên của lò sấy, có nhiệm vụ thu thập thông số nhiệt độ từ đầu dò và chuyển tín hiệu về bộ điều khiển nhiệt độ.
Nhiệt độ trong lò sấy thường dao động từ 500ºC đến 1000ºC Đầu dò nhiệt độ loại củ hành được sử dụng phổ biến trong môi trường này nhờ khả năng chịu nhiệt cao và độ bền với va đập tốt.
3.1.2 Bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy, bộ hiển thị nhiệt độ
Bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy không chỉ đo lường và kiểm soát nhiệt độ mà còn hiển thị thông số nhiệt độ và gửi dữ liệu về phần mềm quản lý, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
1 Điều khiển được nhiệt độ theo tín hiệu hồi tiếp PID
2 Tín hiệu ngõ ra relay và 4-20mA điều khiển các thiết bị ngoại vi
3 Chương trình điều khiển hiển thị tích hợp.
Hình 15: Bộ điều khiển nhiệt độ trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy
3.1.3 Bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều khiển trung tâm trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy có vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến và bộ điều khiển nhiệt độ Nó xử lý thông tin và đưa ra các lệnh điều khiển phù hợp với từng tình huống cụ thể, giúp quản lý và điều chỉnh hoạt động của lò sấy một cách hiệu quả.
Hình 16: PLC trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy
3.1.4 Phần mềm giám sát nhiệt độ lò sấy
Phần mềm quản lý thu thập dữ liệu và ghi nhận sự kiện trên màn hình giúp thống kê và giám sát các chỉ số nhiệt độ, từ đó lưu trữ vào cơ sở dữ liệu Công cụ này tạo ra các báo cáo và thống kê, giúp người quản lý dễ dàng theo dõi và nắm bắt mọi hoạt động của lò sấy.
Hình 17: Phần mềm giám sát hoạt động của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy
3.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Mô hình điều khiển này sử dụng chức năng điều khiển vòng lặp hồi tiếp PID, kết hợp với các thiết bị thực thi như cảm biến nhiệt độ, van điện từ và điện trở sấy, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Hình 18: Hoạt động của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy Trong mô hình trên còn bao gồm thêm các thiết bị thực thi:
1 Điện trở sấy có nhiệm vụ gia nhiệt cho lò
2 Motơ quạt có nhiệm vụ đảo khí, dẫn khí đi trong lò
Cách hoạt động của hệ thống có thể diễn giải như sau:
Khi hệ thống được cấp nguồn, motơ và điện trở sấy hoạt động để sấy nguyên liệu đến nhiệt độ cài đặt Cảm biến nhiệt độ gửi tín hiệu về bộ điều khiển, giúp quyết định hoạt động của motơ và điện trở sấy, duy trì nhiệt độ ổn định trong lò Sau một khoảng thời gian đã định, bộ điều khiển tự động ngắt hệ thống hoặc gửi tín hiệu đến máy chủ DCS để xử lý chu trình tiếp theo.
3.3 Mô hình toán học lò nhiệt
Mô hình toán học của lò nhiệt được xây dựng dựa trên phương pháp thực nghiệm Khi đạt công suất tối đa (P = 100%), nhiệt độ của lò tăng dần và đạt ngưỡng bảo trì sau một khoảng thời gian nhất định Hệ thống lò nhiệt và đặc tính nhiệt độ theo thời gian được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 19: Sơ đồ khối và đặc tính thời gian của lò nhiệt (a) Đặc tính chính xác (b) Đặc tính gần đúng Hàm truyền của lò nhiệt được cho bởi:
Tuyến tính hoá hệ thống ta được:
Suy ra hàm truyền lò nhiệt tuyến tính là:
Với các thông số của hệ thống được chọn như Bảng 2.
Bảng 3: Các thông số lò nhiệtGiải thuật điều khiển PID kinh điển được biểu diễn như sau: u(t)=K p e(t)+K 1 ∫
Suy ra hàm truyền Bộ điều khiển PID là:
Mô hình hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ cho lò sấy sử dụng bộ điều khiển thông minh PID-Mờ được thiết kế dựa trên nguyên lý như hình 8 Hệ thống áp dụng mô hình Mờ Mamdani, bao gồm hai ngõ vào và một ngõ ra, trong đó đầu vào thứ nhất của bộ Mờ là
Sai lệch giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực được ký hiệu là “e(t)”, trong khi đầu vào thứ hai của bộ điều khiển Mờ là biến thiên theo thời gian của sai lệch này, ký hiệu là [de(t)/dt] Đầu ra của bộ Mờ là hệ số điều chỉnh cho các hệ số KP, KI và KD Thông qua kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ với bộ điều khiển PID kinh điển dựa trên các giá trị nhiệt độ, chúng ta có thể xác định miền giới hạn đối của các biến vào và ra trong hệ thống điều khiển Mờ.
Hình 20: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò sấy bằng bộ điều khiển thông minh
3.2.1 Định nghĩa các biến vào/ra bộ Mờ
- Đầu vào: gồm có 2 biến là sai lệch và đạo hàm sai lệch nhiệt độ.
+ Sai lệch: ET = (nhiệt độ đặt) - (nhiệt độ đo); (chu kỳ lấy mẫu T = 1s)
+ Đạo hàm của sai lệch:
- Đầu ra: có 3 biến của 3 bộ Mờ, lần lượt là KP, KI và KD.
- Số lượng biến ngôn ngữ được chọn là là 7, cụ thể là: Âm nhiều (N3); Âm vừa (N2); Âm ít (N1); Zero (ZE); Dương ít (P1); Dương vừa (P2); Dương nhiều (P3).
3.2.2 Xác định tập Mờ cho các biến vào/ra
- Miền giá trị các biến vào:
+ Đạo hàm của sai lệch: DET ∈ [-0.6 0.6]
- Miền giá trị biến ra: Hệ số Kp ∈ [0 1], KI ∈ [0 2], Kp ∈ [0 1]
- Tập Mờ các biến vào:
Biểu diễn hàm liên thuộc tập Mờ của biến ET như Hình 9.
Hình 21: Hàm liên thuộc ngõ vào ET + Tốc độ của sự thay đổi DET = DET = {N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3}
Biểu diễn hàm liên thuộc tập Mờ của biến DET như Hình 10.
Hình 22: Hàm liên thuộc ngõ vào DET
- Tập Mờ biến đầu ra KP và KD: {zero, nhỏ, trung bình, lớn, rất lớn} = {Z, S, M, L, U}
- Tập Mờ biến đầu ra KI: {mức 1, mức 2, mức 3, mức 4, mức 5} = {L1, L2, L3, L4, L5}
Biểu diễn hàm liên thuộc tập Mờ của biến đầu ra như Hình 11.
Hình 23: Hàm liên thuộc ngõ ra KP, KI, và KD
3.2.3 Xây dựng luật điều khiển
Có tổng cộng 7 × 7 × 3 = 147 luật IF…Then, các luật hợp thành Mờ được thể hiện lần lượt như như Bảng 3, Bảng 4 và Bảng 5 như sau:
Bảng 4: Luật chỉnh định KP
Bảng 5: Luật chỉnh định KI
Bảng 6: Luật chỉnh định KD
- Luật hợp thành Mờ: Chọn luật MAX - MIN
- Giải Mờ: Theo phương pháp trọng tâm.
Kết quả
Trong phần này, chúng tôi tiến hành mô phỏng bằng Matlab nhằm đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển thông minh so với bộ điều khiển PID truyền thống Các thông số được sử dụng trong mô phỏng được liệt kê chi tiết trong Bảng 6.
Bảng 7: Các thông số sử dụng trong mô phỏng
- Kết quả mô phỏng với nhiệt độ đặt là 200oC: Kết quả điều khiển như Hình 12.
Hình 24: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 200 o C
Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt trước là 200 o C được thể hiện như Hình 12.
Cả hai bộ điều khiển đều thể hiện chất lượng điều khiển tốt, nhưng bộ điều khiển thông minh vượt trội hơn bộ điều khiển PID với độ vọt lố và thời gian xác lập ngắn hơn Điều này chứng minh rằng bộ điều khiển thông minh hiệu quả hơn so với bộ điều khiển PID kinh điển.
Kết quả mô phỏng với nhiệt độ đặt 500 o C cho thấy bộ điều khiển thông minh hoạt động hiệu quả hơn bộ điều khiển PID Cụ thể, độ vọt lố và thời gian xác lập của bộ điều khiển PID vẫn cao hơn so với bộ điều khiển thông minh Điều này khẳng định rằng trong điều kiện nhiệt độ này, bộ điều khiển thông minh mang lại hiệu suất tốt hơn.
Hình 25: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 500 o C
Kết quả mô phỏng với nhiệt độ đặt 1000 o C cho thấy bộ điều khiển thông minh vượt trội hơn bộ điều khiển PID Cụ thể, bộ điều khiển thông minh chỉ có độ vọt lố dưới 10%, trong khi bộ điều khiển PID đạt tới 40% Thêm vào đó, thời gian xác lập của bộ điều khiển PID là hơn 800s, so với chỉ 500s của bộ điều khiển thông minh.
Hình 26: Kết quả điều khiển với nhiệt độ đặt là 1000 o C
Kết quả
Bộ điều khiển PID có thể được phân tích qua đáp ứng trong miền thời gian, hay còn gọi là đáp ứng nhất thời Phản hồi của hệ thống cho thấy hiệu suất tốt, với đặc điểm nổi bật là không có độ vọt lố tối đa, và thời gian tăng chỉ mất 8 giây.
Thời gian thiết lập của hệ thống chỉ mất 10 giây, cho phép đạt được độ ổn định ở giá trị mong muốn một cách nhanh chóng Hơn nữa, thời gian chết của hệ thống không làm giảm hiệu suất cuối cùng của bộ điều khiển.
Hệ thống được thiết kế được phân tích theo tiêu chí ổn định Nyquist, một quy trình quan trọng trong phân tích tần số Để thực hiện phân tích này, cần có sơ đồ các cực và số 0 của hệ thống vòng hở, như thể hiện trong Hình 2.
Hình 2: Biểu đồ cực và điểm 0 của vòng lặp mở
Từ đó người ta kết luận rằng nó không chứa các cực trong nửa mặt phẳng bên phải, do đó P= 0
Tiếp theo, biểu đồ Nyquist của hệ thống thu được ở vòng lặp mở, như trong Hình 3.
Dấu vết Nyquist cho thấy điểm −1+j0 không bị bao bọc nên N=0, theo phương trình (5)
Theo tiêu chuẩn ổn định Nyquist, một hệ thống được coi là ổn định khi không có cực nào trong nửa mặt phẳng bên phải Điều này có nghĩa là khi hệ thống hoạt động trong vòng kín, nó sẽ không xuất hiện cực trong khu vực này, đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Để đạt được sự ổn định trong vòng kín, các cực cần được đặt ở nửa mặt phẳng bên trái Hệ thống được thiết kế nhằm cung cấp hàm truyền vòng kín theo phương trình (6).
Sau khi áp dụng lệnh pzmap trong MATLAB® thu được hình 4, tương ứng với vị trí sơ đồ các cực và 0 của hệ trong vòng kín.
Hình 4 Như thấy trong hình trên, các cực được đặt ở nửa mặt phẳng bên trái như sau: