Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật điện, điện tửtên đề tài ứng dụng plc điều khiển và giám sát tủ sấy hoa quả

Nội dung của đồ án tốt nghiệp này gồm 4 phần chính sau:Chương I: Tổng quan về công nghệ sấy hoa quả.Nội dung chính của chương này là tìm hiểu về công nghệ sấy hoa quả nóichung: các thiết

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬTÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN

VÀ GIÁM SÁT TỦ SẤY HOA QUẢ

Giảng viên hướng dẫn : ThS Bùi Thị Khánh Hòa

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Dương – 2018605671

3 Hướng phát triển của đề tài 7

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY HOA QUẢ 9

1.1 Các phương pháp sấy hoa quả 9

1.1.1 Phương pháp sấy tự nhiên 9

1.1.2 Lò sấy thủ công 10

1.1.3 Máy sấy kiểu sàn 11

1.1.4 Máy sấy kiểu hạt sôi 12

1.1.5 Tủ sấy 13

1.2 Lò điện trở 14

1.2.1 Khái niệm chung về lò sấy điện trở 14

1.2.2 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 15

1.2.3 Cấu tạo của lò điện trở 15

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PLC 20

2.1 Tổng quan về PLC 20

2.2 SIMATIC S7 – 1200 21

2.2.1 Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200 21

2.2.2 Các module trong hệ PLC S7 – 1200 22

2.3 Làm việc với phần mềm TIA PORTAL 24

2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC và HMI 24

2.3.2 Kết nối giao thức TCP/IP 24

2.4 Làm việc với một trạm PLC 24

2.4.1 Quy định địa chỉ IP cho module PLC 24

2.4.2 Tải chương trình xuống CPU 25

CHƯƠNG 3: MÔ TẢ VÀ XÂY DỰNG TỦ SẤY 26

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống 26

3.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 28

3.2.1 Phương pháp điều khiển ON-OFF 28

3.2.2 Phương pháp điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID 29

3.3 Thiết bị sử dụng trong hệ thống 30

3.3.1 Cảm biến nhiệt độ 30

3.3.3 SSR - Solid State Relay 33

3.3.4 Aptomat 36

3.3.5 Lựa chọn PLC và khối nguồn 37

3.4 Sơ đồ đấu dây hệ thống 38

3.4.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 38

3.4.2 Sơ đồ đấu dây mạch lực của hệ thống 39

3.4.3 Bảng định địa chỉ 39

3.4.4 Sơ đồ đấu dây PLC 40

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 41

4.1 Thuật toán điều khiển hệ thống 41

4.1.1 Chương trình chính 41

4.1.2 Thuật toán xử lý START/STOP 43

4.1.3 Thuật toán đọc nhiệt độ 43

4.1.4 Thuật toán điều khiển nhiệt độ 45

4.1.5 Thuật toán xử lý đèn báo tín hiệu trạng thái và cảnh báo 46

4.1.6 Phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID 47

4.2 Chương trình điều khiển hệ thống 50

4.2.1 Bảng định địa chỉ (PLC tags) 50

4.2.2 Bảng dữ liệu lưu trữ các thông tin (Data Block) 51

4.2.3 Bảng địa chỉ gán biến cho màn hình HMI (HMI tags) 51

4.2.4 Chương trình đọc tín hiệu analog 51

4.2.5 Chương trình điều khiển PID 52

4.2.6 Chương trình chính OB1 53

4.2.7 Giao diện điều khiển màn hình HMI 57

KẾT LUẬN 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Phương pháp sấy tự nhiên 10

Hình 1 2: Lò sấy thủ công 11

Hình 1 3: Mô hình sấy kiểu sàn 11

Hình 1 4: Máy sấy kiểu sàn 11

Hình 1 5: Máy sấy kiểu hạt sôi 12

Hình 1 6: Tủ sấy loại vừa 13

Hình 1 7: Tủ sấy hoa quả 14

Hình 2 1: Các dòng sản phẩm của Siemens 21

Hình 2 2: Bộ Simatic S7-1200 với các họ CPU tương ứng 23

Hình 2 3: Sing board của PLC SIMATIC S7 – 1200 24

Hình 2 4: Download chương trình xuống CPU 25

Hình 3 1: Điện trở gia nhiệt 220V- 1500W 28

Hình 3 2: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON-OFF 28

Hình 3 3: Đặc tính điều khiển PID 30

Hình 4 3: Giao diện điều khiển HMI 57

Hình 4 4: Giao diện hướng dẫn sử dụng hệ thống 59

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Bùi Thị Khánh Hòa đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo nhóm em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

Nhóm em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường, các thầy cô trong khoa Điện đã dạy dỗ cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập.

Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên nhóm em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Với điều kiện thời gian cũng như kiến thức vẫn còn hạn chế của mình, đồ án tốt nghiệp này không thể tránh được những thiếu sót Nhóm em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để nhóm em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn trong công việc thực tế sau này.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp Việt Nam hiện nay, quá trình tự động hóa trong công nghiệp được đề cao cũng như ứng dụng nhiều trong công nghiệp và dân dụng Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật… thì tự động hóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc Việt Nam là nước đang phát triển thì nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế cũng như nhu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

1 Lý do chọn đề tài

Nền kinh tế nước ta đang ngày càng phát triển, nhu cầu về tự động hóa ngày càng cao để có thể đáp ứng được nhu cầu về đời sống của con người.

Trong những năm trở lại đây, người ta đã đưa kỹ nghệ sấy nông sản thành những sản phẩm khô, không những kéo dài thời gian bảo quản, giữ được hàm lượng chất dinh dưỡng cao, có lợi ích đối với sức khỏe khi sử dụng mà còn làm phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm như: trái cây, cafe, sữa, bột, cá khô Kỹ thuật sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc nghiên cứu công nghệ sấy để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp phơi sấy để tiết kiệm năng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy phù hợp với từng loại nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất, đặc biệt là hoa quả.

Các nhu cầu sấy ngày càng đa dạng, có nhiều phương pháp và thiết bị sấy nhưng thiết bị sấy bằng phương pháp điện trở được sử dụng rộng rãi nhất Đối với từng loại sản phẩm sấy khác nhau thì cần một nhiệt độ khác nhau, việc thay đổi thất thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động mà còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm đó Do đó, việc điều chỉnh và giám sát nhiệt độ lò sấy đóng vai trò

rất quan trọng trong quá trình sấy Để đáp ứng nhu cầu đó, ở đồ án này, nhóm

em tìm hiểu về "Ứng dụng PLC điều khiển và giám sát tủ sấy hoa quả "

Nội dung của đồ án tốt nghiệp này gồm 4 phần chính sau:

Chương I: Tổng quan về công nghệ sấy hoa quả.

Nội dung chính của chương này là tìm hiểu về công nghệ sấy hoa quả nói

chung: các thiết bị và phương pháp sấy

Chương II: Tổng quan về thiết bị điều khiển PLC.

Tìm hiểu cấu trúc chung của một bộ PLC, PLCS7-1200; các modun; ngôn

ngữ lập trình; tập lệnh, bộ nhớ, bộ thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) Các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC:

- Soạn thảo một Project

- Truyền thông giữa PLC và PC

Chương III: Mô tả và xây dựng hệ thống tủ sấy.

Tìm hiểu xây dựng hệ thống tủ sấy; Đặc các đặc điểm chính, các chức năng, các thiết bị, các cấu hình hệ thống cơ bản Thiết kế giao diện.

Chương IV: Thuật toán và chương trình điều khiển hệ thống.

Hiểu được quy trình công nghệ; chế tạo mô hình; xác định địa chỉ vào, ra cho PLC; chương trình điều khiển; thiết kế giao diện sử dụng phần mềm WinCC; xây dựng chương trình liên kết giữa WinCC và PLC.

2 Mục đích nghiên cứu

Nắm vững kiến thức về lập trình với PLC S7-1200, mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ thống với WinCC Nghiên cứu đề tài nhằm tích lũy kinh nghiệm, học hỏi thêm kiến thức và phát huy tính sáng tạo, giải quyết vấn đề Theo phương châm học đi đôi với hành thì việc tạo ra một hệ thống mô phỏng

dùng PLC S7-1200 và WinCC là một yêu cầu cần thiết, đáp ứng được nhu cầu đặt ra.

3 Hướng phát triển của đề tài

Đề tài này cho ta nắm khái quát một hệ thống tự động, tuy nhiên trên thực tế có nhiều cách điều khiển, giám sát khác nhau tùy theo nhu cầu công nghệ mà ta thiết kế cho hợp lý Từ những kiến thức tiếp thu được qua đề tài này ta có thể phát triển đề tài thành điều khiển, giám sát cho tủ sấy trong các hệ thống điều khiển công nghiệp khác có quy mô lớn và rộng hơn.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ngày nay, lĩnh vực tự động hóa và tin học công nghệp là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, nhiều hệ thống điều khiển tự động đã ra đời nhằm phục vụ nhiều nhu cầu khác nhau của đời sống và được ứng dụng rất thành công đem lại hiệu quả công việc rất cao Một trong những phương án tốt nhất và được sử dụng rộng rãi hiện nay là thay thế hệ thống đó bằng bộ điều khiển PLC Vì vậy thiết kế, điều khiển, giám sát tủ sấy sử dụng thiết bị lập trình điều khiển PLC làm nâng cao năng suất, chất lượng của dây chuyền sấy hoa quả là một điều tất yếu hiện nay.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY HOA QUẢ 1.1 Các phương pháp sấy hoa quả

Để làm khô các loại vật liệu có nhiều cách khác nhau Từ trước đến nay chúng ta đã tận dụng phương pháp rất đơn giản mà chi phí lại không tốn kém.

Đó là hình thức tận dụng ánh nắng mặt trời để làm khô Tuy nhiên, phương pháp này phải phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, trong khi thời gian phơi lại kéo dài, độ ẩm không được đồng đều và không đảm bảo năng suất.

Để làm khô các loại vật liệu (nông sản) nói chung người ta thường dùng các loại thiết bị sấy sau:

1.1.1 Phương pháp sấy tự nhiên

Phương pháp sấy tự nhiên nghĩa là phơi sản phẩm ngoài trời, sản phẩm khô nhanh hay chậm phụ thuộc vào điều kiện thời tiết ngoài trời Đặc điểm của các loại hoa quả là độ ẩm rất lớn nên rất dễ dính bẩn, mặt khác khi trong quá trình thao tác tách hạt ra khỏi quả (đối với các loại quả có hạt) thì rất dễ

dính một số tạp chất như vỏ hoặc lá do đó ở các vùng sản xuất hoa quả sấy người ta thường phơi hoa quả trên những phên to và có che đậy cẩn thận Khi trời nắng thì hoa quả sẽ khô nhanh, có thể thu và cho vào thùng để điều hòa ẩm tạo điều kiện cho đóng gói được dễ dàng và thời tiết như thế là thuận lợi Còn trong trường hợp thời tiết ẩm ướt, độ ẩm không khí cao thì hoa quả sẽ không khô hẳn hoặc là ướt, khô, rồi lại ướt (nếu không mưa liên tục) thì dẫn đến hoa quả dễ bị hỏng và chất lượng sản phẩm sẽ bị ảnh hưởng.

Hình 1 1: Phương pháp sấy tự nhiên

Như vậy bất cứ sản phẩm nào nếu sấy tự nhiên thì cũng phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, nghĩa là thời gian sấy rất dài, mất vệ sinh do bụi, ruồi, nhặng và chất lượng sản phẩm không đảm bảo.

1.1.2 Lò sấy thủ công

Hiện nay, ở một số vùng đã và đang sử dụng các lò sấy thủ công đơn giản Buồng sấy được xây dựng bằng gạch đỏ, sàn và khay sấy được làm bằng tre và nứa Phía dưới của buồng sấy là lò đốt, phía trên lò đốt được xây một lớp gạch, lớp gạch này có tác dụng ngăn ngọn lửa với khay sấy và là bộ phận tách nhằm tạo nên sự đồng đều nhiệt độ trong buồng sấy và dòng khí đối lưu

cung cấp oxi cho lò đốt.

Hình 1 2: Lò sấy thủ công

1.1.3 Máy sấy kiểu sàn

Gồm có lò đốt quạt gió và tấm sàn ngang có lỗ để cho tác nhân sấy đi qua Hạt được đóng bao xếp lên mặt sàn có lỗ và sấy bằng khí nóng nhờ quạt gió đẩy vào Kiểu sấy này được sử dụng nhiều ở Anh, hiện nay ở nước ta cũng có loại máy này nhưng phần sàn lỗ không có nên chưa được sử dụng rộng rãi.

Hình 1 3: Mô hình sấy kiểu sàn

Hình 1 4: Máy sấy kiểu sàn

Sấy buồng gió có nhiều kiều, dạng xilo được dùng rộng rãi ở nhiều nước Loại này dùng để thông gió cho hạt bằng không khí thường hoặc có gia nhiệt Thiết bị này gồm có thùng chứa hạt, quạt gió, lò đốt nóng khí và các cơ cấu cung cấp và dỡ liệu Nhiều nước dùng thiết bị sấy xilo nhất ở Anh, Mỹ Ở nước ta, chế biến thức ăn chăn nuôi do Bugari lắp đặt có máy sấy kiểu xilo Hiện nay, loại máy này đã được sử dụng khá rộng rãi ở một số tỉnh Bắc Trung bộ.

1.1.4 Máy sấy kiểu hạt sôi

Gồm hai dạng sấy phun và sấy tầng sôi Các buồng sấy máy của Liên Xô có hình dạng chóp nón cụt, có đáy nhỏ miệng trên lớn Khi sấy vật liệu ẩm được đưa vào máy từ miệng vào đáy nhỏ, vận tốc tác nhân sấy tại đáy nhỏ có trị số lớn và càng đi cao dần lên thì vận tốc càng giảm Tại phần giữa của nón cụt ngược vận tốc bay của hạt bị giảm Dòng hạt tỏa ra và chảy xuống theo vách theo mức độ khô và nhờ dòng khí sấy thổi, hạt được nâng cao dẫn lên và cuối cùng được đưa khỏi buồng sấy để rơi sang xyclon Tại đây hạt và khí sấy tách khỏi nhau Nhược điểm cơ bản của sấy phun này là hạt khô không đồng đều trong các máy sấy tầng sôi Quá trình làm khô được thực hiện tương đối đồng đều Hạt ẩm được đưa vào máy nằm trên mặt sàn có khí sấy thổi từ dưới lên.

Hình 1 5: Máy sấy kiểu hạt sôi

1.1.5 Tủ sấy

Tủ sấy có hình dạng khối hộp Thành buồng sấy được bọc cách và cách ẩm, có của để nạp và lấy sản phẩm Vật liệu sấy được rải đều thành lớp trên các tầng khay đặt gác lên khung giá trong buồng sấy Bộ phận gia nhiệt cho tác nhân sấy có thể đặt trong hoặc ngoài tủ sấy.

Hình 1 6: Tủ sấy loại vừa

Tủ sấy được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp chế biến nông sản, chế biến thực phẩm, dược phẩm, thức ăn chăn nuôi Nó có thể sấy các vật liệu ở bất kể dạng nào (dạng hạt, dạng miếng, nhiều mảnh nhỏ xếp lớp …)

Tủ sấy có cấu tạo đơn giản: dễ lắp đặt, dễ vận hành, vốn đầu tư ít.

Trong các thiết bị sấy trên thì tủ sấy là thích hợp nhất để sấy đa dạng loại hoa quả.

Nhược điểm: - Năng suất nhỏ

- Không thích hợp với những vật liệu có dạng hạt.

Hiện nay, cây ăn quả được trồng ở nhiều vùng đất khác nhau

+) Về mặt nông lâm nghiệp: cây ăn quả đóng vai trò quan trọng trong việc phủ xanh đất trống đồi trọc

+) Về mặt kinh tế: các loại cây ăn quả là hàng hoá có thể đem lại thu nhập đáng kể cho nông dân

Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao và bảo quản được lâu dài, người ta sử dụng các loại hoa quả sấy Hoa quả sấy chứa nhiều chất dinh dưỡng và được ưa chuộng, có thể vận chuyển được đến những nơi xa và có thể bảo quản được trong thời gian dài.

Hình 1 7: Tủ sấy hoa quả

Trên đây, nhóm em đã trình bày về các phương pháp sấy và lựa chọn tủ sấy (bằng điện trở) để hoàn thành đồ án này.

1.2 Lò điện trở

1.2.1 Khái niệm chung về lò sấy điện trở

Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau…

Hình 1 8: Lò sấy điện trở

1.2.2 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Điện trở làm việc trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn có điện trở R thì trên dây dẫn tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun – Lenxo:

Q = I2RT (1.1)

Q - lượng nhiệt tính bằng Jun (J).

I - cường độ dòng điện tính bằng Ampe (A) R - điện trở tính bằng Ohm (Ω)

T - thời gian tính bằng giây (s).

1.2.3 Cấu tạo của lò điện trở

1.2.3.1 Những yêu cầu cơ bản

Hợp lý về công nghệ: Có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo được điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất Điều này đặc biệt quan trong khi nhu cầu về lò điện vượt xa khả năng sản xuất nó.

Hiệu quả về kỹ thuật: Là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định (kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá thành, …) Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung … là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả kỹ thuật Còn đối với các thành phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực…ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu.

Chắc chắn khi làm việc: Là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu của các lò điện Thường các lò điện làm việc lien tục trong một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày Nếu trong khi làm việc, một bộ phân nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trính sản xuất chung Điều kiện này đặc biệt quan trọng đối với các điện làm việc lien tục trong dây truyền sản xuất tự động Ngay đối với các lò điện làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột (nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của lò) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên liệu và làm tang giá thành sản phẩm Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là khả năng thay thế nahnh hoặc khả dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đên các bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm viêc liên tục của lò Ví dụ: Sợi đốt, băng tải…

1.2.3.2 Cấu tạo

Lò điện trở thông thường gồm 3 phần: Vỏ lò, lớp lót và sợi đốt a) Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yêu để chịu tải trọng lượng trong qua trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.

Trong trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.

+ Vỏ lò hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy nung…

+ Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một lò chụp…

+ Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò

Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng tấm thép dày 3-6mm khi đường kính vỏ lò là 1000-2000mm ;8-12mm khi đường kính vỏ lò là 2500-4000mm Khi cần tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.

Vỏ lò chữ nhật được dựa lên nhờ thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tùy theo yêu cầu kín của lò Phương pháp gia công vỏ lò này chủ yếu là hàn.

b) Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt Phần vật liệu chịu lửa có thể xây dựng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng, kích thước đã cho của buồng lò.

Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các khối đầm Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn.

Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò + Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.

+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc.

Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa.

Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định.

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là: + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu.

+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu.

+ Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác đinh.

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt

c) Sợi đốt

Vật liệu làm sợi đốt:

Yêu cầu: do sợi đốt là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Chịu nóng tốt, it bị oxy hóa ở nhiệt độ cao.

+ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao + Điện trở xuất phải lớn.

+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ.

+ Các tính chất điện phải cố đinh hoặc it thay đổi + Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng + Dễ gia công, dễ làm hoặc dễ ép khuôn.

Hình 1 9 : Sợi đốt kim loại

Để đảm bảo các yêu cầu của sợi đốt, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, sợi đốt kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crom - Nhôm, Crom- Niken là các hợp kim có điện trở lớn Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo sợi đốt rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo sợi đốt như:

- Điện trở suất nhỏ - Hệ số nhiệt trở lớn

- Bị oxy hóa mạnh trong môi trường khí quyển bình thường + Sợi đốt phi kim loại:

Sợi đốt phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than.

Kết luận: Ở chương này, chúng em đã tìm hiểu về các thiết bị và

phương pháp sấy hoa quả phổ biến Và đã lựa chọn cho mình được thiết bị sấy phù hợp với yêu cầu của đồ án Để điều khiển thiết bị sấy đó, chúng em sử dụng thiết bị điều khiển PLC Nên ở chương tiếp theo, nhóm em sẽ tiếp tục tìm hiểu về thiết bị điều khiển PLC.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.1 Tổng quan về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kỳ hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đã chế tạo bộ điều khiển PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học - Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các modul mở rộng.

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả

Chính điều này đã tạo nên sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến

các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn.

Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lý hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay.

Các dòng sản phẩm của Siemens:

Hình 2 1: Các dòng sản phẩm của Siemens

Trong đồ án này, nhóm em sử dụng PLC S7 -1200 để điều khiển tủ sấy.

2.2 SIMATIC S7 – 1200

2.2.1 Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa

Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.

+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra, có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 14 của Siemens.

Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

2.2.2 Các module trong hệ PLC S7 – 1200

2.2.2.1 Giới thiệu về các module CPU

- S7 - 1200 bao gồm các họ CPU 1211C; 1212C; 1214C Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng.

- Các kiểu cấp nguồn và đầu vào, ra có thể là DC/DC/DC hay DC/DC/Rly

- Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware.

- Chuẩn đoán lỗi online/offline

- Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực.

Hình 2 2: Bộ Simatic S7-1200 với các họ CPU tương ứng

2.2.2.2 Sing board của PLC SIMATIC S7 – 1200

Sing board: SB1223 DC/DC + Digital inputs / outputs + DI 2* 24 VDC 0.5A + DO 2*24 VDC 0.5A

Sing board: SB1232A + Ngõ ra analog AO 1 * 12 bit

- +/- 10 VDC, 0 -20Ma

Hình 2 3: Sing board của PLC SIMATIC S7 – 1200

2.3 Làm việc với phần mềm TIA PORTAL

2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic – tích hợp lập trình PLC vàHMI

Step 7 basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo, một hệ thống kỹ thuật mới.

Thông minh và trực quan, cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chẩn đoán và nhiều hơn nữa Lợi ích với người dùng:

- Trực quan: Dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động - Hiệu quả: Tốc độ về kỹ thuật

- Chức năng bảo vệ: Kiến trúc phần mềm tạo thành một cơ sở ổn định cho sự đổi mới trong tương lai.

2.3.2 Kết nối giao thức TCP/IP

- Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP

- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau.

2.4 Làm việc với một trạm PLC

2.4.1 Quy định địa chỉ IP cho module PLC

IP TOOL có thể thay đổi IP address của PLC S7-1200 bằng 1 trong 2 cách.

Phương pháp tích hợp tự động xác định bởi trạng thái của địa chỉ IP đó:

- Gán một địa chỉ IP ban đầu: Nếu PLC S7-1200 không có địa chỉ

IP, IP TOOL sử dụng các chức năng thiết lập chính để cấp phát một địa chỉ IP ban đầu cho PLC S7-1200.

- Thay đổi địa chỉ IP: nếu địa chỉ IP đã tồn tại, công cụ IP TOOL sẽ

sửa đổi cấu hình phần cứng (HW config) của PLC S7-1200.

2.4.2 Tải chương trình xuống CPU

Đổ từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ của màn hình.

Hình 2 4: Download chương trình xuống CPU

Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface và PG/PC interface như hình dưới sau đó nhấn chọn load.

Kết luận: Ở chương 2, nhóm em đã tìm hiểu về thiết bị điều khiển

PLC, cụ thể sử dụng trong đồ án là PLC S7-1200 (các module, chức năng, tải

Mỗi loại quả khác nhau được sấy ở nhiệt độ khác nhau vì thế để điều khiển và giám sát nhiệt độ trong tủ sấy hoa quả, nhóm em sử dụng hệ thống điều khiển TIA PORTAL kết nối FACTORY I/O.

Chương tiếp theo, nhóm em sẽ mô tả về hệ thống sấy và xây dựng hệ thống sấy.

CHƯƠNG 3: MÔ TẢ VÀ XÂY DỰNG TỦ SẤY 3.1 Xây dựng mô hình hệ thống

Yêu cầu và chế tạo:

- Lựa chọn mô hình lò điện trở làm phương pháp sấy cho tủ sấy

- Các yêu cầu ban đầu của mô hình tủ sấy : Công suất sấy 2-20kg/mẻ sấy, nhiệt độ làm việc 60oC, cách nhiệt tốt, màn hình hiển thị nhiệt độ sấy và thời gian sấy.

- Mô hình tủ sấy được chế tạo gồm 3 phần cơ bản:

+ Khung lò được làm bằng inox trắng có độ dày 1mm tạo thành khung lò có kích thước trong lòng là 100 - 50 - 150 (cm) và có thể tích là 750 lít, có 8 giá đỡ sản phẩm sấy chia đều cho 2 bên, mỗi giá chịu trọng lượng tối đa 2,5 Kg

+ Thân tủ cách nhiệt được làm bằng bông thủy tinh cách nhiệt, có độ dày là 25mm nằm trong hai lớp inox ngoài và trong được đóng hộp để bao quanh tủ, Cửa tủ gồm 2 cánh, phần khung cửa làm bằng inox trắng độ dày 1mm, bao bọc kính chịu nhiệt và cách nhiệt có độ dày 5mm

+ Sợi đốt được cấu tạo hình chữ U, chiều dài 30cm từ Crom – Niken, tiết diện 0.01 mm2, có cánh tản nhiệt chịu được nhiệt độ cao.

+ Lò điện trở làm việc dựa trên nguyên lý khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:

Q = I2.Rt.t (3.1)

Trong đó:Q: Nhiệt lượng tỏa ra tính bằng Jun (J).

I: Dòng điện chạy qua dây dẫn tính bằng Ampe (A) Rt: Điện trở dây dẫn (vật dẫn) tính bằng Ohm (Ω).

t: Thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn tính bằng giây(s).

Công suất ra tải của lò được tính theo công thức:

Trong đó: P: Công suất có ích của tủ sấy (W).

Uhd: Điện áp hiệu dụng cấp vào hai đầu dây dẫn (V).

Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải, ta có thể thay đổi Rt hoặc Uhd Tuy nhiên, trong thực tế người ta không sử dụng phương pháp thay đổi Rt mà thường chọn cách thay đổi Uhd để có thể thay đổi công suất ra tải Bởi vì phương pháp thay đổi Uhd đơn giản hơn, quá trình điều khiển liên tục không bị gián đoạn như khi thay đổi Rt Trong đó: : Là điện trở suất của sợi đốt (Crom – Niken: 1,1.10-6) l: là chiều dài của sợi đốt

S: tiết diện dây

Do đó sợi đốt ra chọn có điện trở Rt theo (3.3) là:

Dựa vào tính toán trên, lựa chọn 4 điện trở cánh tản nhiệt chữ U có công suất 1500W, điện áp 220V của công ty Điện trở Rồng Việt.

Thông Số Kỹ Thuật:

Vật liệu thân: Ø11, SUS304

Cánh tản nhiệt: SUS430, Ø25, bước cánh 4mm

Dây điện trở: Cr20Ni80 Điện áp: 220V

Công suất: 1500W

Nhiệt độ sử dụng: Tối đa 300°C

Hình 3 1: Điện trở gia nhiệt 220V- 1500W

3.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ3.2.1 Phương pháp điều khiển ON-OFF

Phương pháp điều khiển ON-OFF đây là loại điều khiển tương đối đơn giản nhấtcòn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện năng (Tủ sấy) nếu nhiệt độ đặt lớn hơn nhiệt độ đo, ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện năng cho tủ nữa khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo.

Hình 3 2: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON-OFF Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:

 Là chế độ điều khiển đơn giản, dễ hiểu.

 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải.

 Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.

Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn, độ quá nhiệt lớn gây tổn thất năng lượng.

Chế độ điều khiển ON/OFF thường được ứng dụng trong những hệ thống điều khiển nhiệt quy mô lớn, cho phép độ quá nhiệt cao và ít có sự thay đổi nhiệt độ; ví dụ như: hệ điều khiển lò nhiệt, tủ lạnh, quạt…

3.2.2 Phương pháp điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa,…

Là hệ thống điều khiển vòng kín hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số Điều khiển PID thực hiện bằng ba cách phát hiện và hiệu chỉnh sai số P, I, D

Điều chỉnh tỷ lệ (P): là phương pháp điều chỉnh tích phân tạo ra tín hiệu chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào.

Điều chỉnh tích phân (I): là phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ lệch (offset) sau điều chỉnh rất lớn, lúc đó ta kết hợp với điều chỉnh tích phân.

Điều chỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian của hệ thống rất lớn điều chỉnh theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết với điều chỉnh vi phân Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào.

Hình 3 3: Đặc tính điều khiển PID

Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode, phương pháp Ziegler-Nichols hay phương pháp giải tích Phương pháp giải tích thì rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

3.3 Thiết bị sử dụng trong hệ thống3.3.1 Cảm biến nhiệt độ

- Trong thực thế cảm biến nhiệt độ được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi với nhiều kiểu và các loại khác nhau như: Pt series, Ni series, Type J, Type

K, Type T, Type E… Tùy theo môi trường sử dụng, nhiệt độ cần đo mà chúng ta chọn các loại cảm biến đo nhiệt độ cho phù hợp

- Để phù hợp với nhiều loại hoa quả và sản phẩm sấy khác nhau nên hệ thống sấy hoa quả có nhiệt độ cần đo có thể lên tới 100oC Do đó lựa chọn cảm biến nhiệt độ PT100 là một trong cảm biến đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất trong việc đo nhiệt độ.

- PT100 với chữ PT viết tắt của Platinum và 100 là giá trị 100 Ohm tại 00C

- Về nguyên lý hoạt động, cảm biến nhiệt độ Pt100 hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt điện trở Nghĩa là điện trở sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng lên Khi đó, ta chỉ cần đo được giá trị điện trở này thì sẽ quy đổi ngược ra được nhiệt độ.

- Xét về cấu tạo, dải đo nhiệt độ, cảm biến đo nhiệt độ PT100 được chia làm 2 loại: Cảm biến PT100 dạng củ hành và Cảm biến PT100 dạng dây Đối với môi trường nhiệt độ cao như lò sấy thường dùng cảm biến dạng củ hành, môi trường nhiệt độ thấp dùng dạng dây.

Hình 3 4: Cảm biến nhiệt độ PT100 - Thông số cảm biến đo nhiệt độ lựa chọn:

Cảm biến đọc nhiệt độ PT100 3 dây

Dãy đo nhiệt độ cần đo là: từ 0oC – 120oC Tín hiệu đầu ra: 4 – 20 mA

Chiều dài thanh đo là: 100mm Đường kính thanh đo là: 5mm

3.3.2 Nút ấn điều khiển hệ thống

- Hệ thống lựa chọn 1 nút nhấn thường mở làm nút START và một nút nhấn thường đóng làm nút STOP.

- Khái niệm: Nút ấn còn gọi là nút điều khiển, là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo