Báo cáo thí nghiệm cs điều khiển quá trình thực hành điều khiển hệ thống chưng cất

Sơ đồ lắp mạch điều khiển khởi động/tắt hệ thống chưng cất...7Hình 5.. Hình ảnh trích từ video điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất...9Hình 6.. Sơ đồ lắp mạch điều chỉnh ổn địn

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH – THIẾT BỊ

؄؄؄؄؄؄؄؄؄

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CS ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

MSMH 3342

BÀI ONLINE 2 THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHƯNG CẤT

Sinh viên: Nguyễn Quốc Thái

Ngày thí nghiệm: 12/10/2021

TP.HCM, 25/10/2021

MỤC LỤC

Contents

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

PHẦN 1 TỔNG QUAN THÍ NGHIỆM 4

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 4

2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 4

3 HỆ THỐNG CHƯNG CẤT 4

PHẦN 2 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 5

1 ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG/TẮT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT 5

1.1 Quy trình vận hành 5

1.2 Sơ đồ lắp mạch 7

1.3 Thiết kế chương trình 7

1.4 Video kết quả 9

2 ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH Ở TRẠNG THÁI LÀM VIỆC 9

2.1 Yêu cầu 9

2.2 Sơ đồ lắp mạch 10

2.3 Thiết kế chương trình 10

2.4 Video kết quả 12

-DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Hệ thống chưng cất 4

Hình 2 Sơ đồ khối quy trình khởi động hệ thống chưng cất 6

Hình 3 Sơ đồ khối quy trình dừng hệ thống chưng cất 7

Hình 4 Sơ đồ lắp mạch điều khiển khởi động/tắt hệ thống chưng cất 7

Hình 5 Hình ảnh trích từ video điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất 9

Hình 6 Sơ đồ khối điều khiển ổn định mức chất lỏng trong bình 9

Hình 7 Sơ đồ khối điều khiển ổn định nhiệt độ nhập liệu 10

Hình 8 Sơ đồ lắp mạch điều chỉnh ổn định các biến quá trình ở trạng thái làm việc của quá trình chưng cất 10

Hình 9 Hình ảnh trích từ video kết quả điều chỉnh ổn định các biến quá trình của quá trình chưng cất 12

-PHẦN 1 TỔNG QUAN THÍ NGHIỆM

Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống quá trình công nghệ

Viết chương trình tự động để thực hiện:

- Điều khiển khởi động và dừng hệ thống chưng cất

- Điều chỉnh ổn định các đại lượng nhiệt độ và mức chất lỏng tháp chưng cất

Hình 1 Hệ thống chưng cất

Chú thích:

1) Mâm xuyên lỗ

2) Bộ phận ngưng hơi

3) Nước nguội

4) Van giảm áp

5) Bình chứa sản phẩm đỉnh

6) Bình chứa nguyên liệu

7) Bơm hoàn lưu

8) Bơm lên bồn cao vị

9) Bơm sản phẩm đáy

10) Điện trở nồi đun 220V

11) Nồi đun

12) Lưu lượng kế dòng nhập liệu

13) Lưu lượng kế dòng hoàn lưu

14) Điện trở đun nóng dòng nhập liệu

15) Điện trở đun nóng dòng hoàn lưu

16) Cửa nhập liệu

17) Bồn cao vị

PHẦN 2 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

1 ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG/TẮT HỆ THỐNG CHƯNG CẤT

1.1 Quy trình vận hành

(1) Khởi động

Nhập liệu vào nồi đun: (khoảng 1/3 nồi)

Khóa các van: van xả sản phẩm đáy (dưới đáy nồi đun) và van hút gồm van điện

từ và van cơ của bơm sản phẩm đáy (phía sau hệ thống - ngang tầm với đáy nồi đun)

Bật công tắc bơm nhập liệu P1 và mở van điện từ nồi đun V1

Theo dõi mực chất lỏng ở ống thủy bên hông trái nồi đun, khi thấy mực chất lỏng đến vạch đỏ là được (giả sử trong 2s thì bơm đủ 1/3 nồi)

Tắt van nồi đun V1

Gia nhiệt cho nồi đun:

Kiểm tra một lần nữa mực chất lỏng ở ống chỉ mực nồi đun để đảm bảo hỗn hợp ngập điện trở nồi đun, nếu không khi gia nhiệt, nồi đun sẽ bị “cháy” điện trở

Bật công tắc điện trở nồi đun (R1)

Mở van nước gồm công tắc van điện từ phía trước (V4) cấp nước cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh làm việc

Chờ nồi đun sôi (giả sử 2s)

Nhập liệu vào mâm

Khi thấy có pha hơi bốc lên (giả sử 2s) nhiều và ngưng tụ chảy thành giọt lỏng trên các mâm trong tháp, mở van cơ và công tắc van điện từ (V2)

Bật công tắc điện trở gia nhiệt cho dòng nhập liệu (R2)

Khởi động dòng hoàn lưu

Khi thấy có dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ - chảy trong bình chứa sản phẩm đỉnh,

mở van điện từ dòng hoàn lưu và khoá van chảy tràn (giả sử 2s);

Bật công tắc bơm hoàn lưu (P3), van (V3), điện trở gia nhiệt cho dòng hoàn lưu (R3)

(2) Dừng hệ thống chưng cất:

1 Tắt bơm P1

2 Tắt lần lượt điện trở R1, R2, R3

3 Đóng van V2

4 Tắt bơm P3

5 Đóng van V4

6 Bật bơm P2

Sơ đồ khối các quy trình điều khiển khởi động/ tắt hệ thống chưng cất:

Hình 2 Sơ đồ khối quy trình khởi động hệ thống chưng cất

Hình 3 Sơ đồ khối quy trình dừng hệ thống chưng cất

1.2 Sơ đồ lắp mạch

Hình 4 Sơ đồ lắp mạch điều khiển khởi động/tắt hệ thống chưng cất

1.3 Thiết kế chương trình

// Điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất

void setup()

{

//Lần lượt bơm 1, 2 và 3

pinMode(6, OUTPUT);

pinMode(2, OUTPUT);

pinMode(3, OUTPUT);

//Lần lượt van 1, 2 và 4

pinMode(4, OUTPUT);

pinMode(5, OUTPUT);

pinMode(7, OUTPUT);

//Lần lượt điện trở 1, 2 và 3

pinMode(10, OUTPUT);

pinMode(9, OUTPUT);

pinMode(8, OUTPUT);

//Công tắc

pinMode(13, INPUT);

}

void loop()

{

if (digitalRead(13) == HIGH)

{

// Nhập liệu vào nồi đun

digitalWrite(6, HIGH);

digitalWrite(4, HIGH);

delay(2000);

// Gia nhiệt cho nồi đun

digitalWrite(4, LOW);

digitalWrite(10, HIGH);

digitalWrite(7, HIGH);

delay(2000);

// Nhập liệu vào mâm

digitalWrite(5, HIGH);

digitalWrite(9, HIGH);

delay(2000);

// Khởi động dòng hoàn lưu

digitalWrite(3, HIGH);

digitalWrite(8, HIGH);

}

else if (digitalRead(13) == LOW)

{

// Tắt bơm P1

digitalWrite(6, LOW);

// Tắt lần lượt điện trở R1, R2, R3

digitalWrite(10, LOW);digitalWrite(9, LOW);digitalWrite(8, LOW); // Đóng van V2

digitalWrite(5, LOW);

// Tắt bơm P3

digitalWrite(3, LOW);

// Đóng van V4

digitalWrite(7, LOW);

// Bật bơm P2

digitalWrite(2, HIGH);

}

}

1.4 Video kết quả

Hình 5 Hình ảnh trích từ video điều khiển khởi động và tắt hệ thống chưng cất

2 ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH CÁC BIẾN QUÁ TRÌNH Ở TRẠNG THÁI LÀM VIỆC

2.1 Yêu cầu

Sơ đồ khối điều khiển:

Hình 6 Sơ đồ khối điều khiển ổn định mức chất lỏng trong bình

Hình 7 Sơ đồ khối điều khiển ổn định nhiệt độ nhập liệu

2.2 Sơ đồ lắp mạch

Hình 8 Sơ đồ lắp mạch điều chỉnh ổn định các biến quá trình ở trạng thái làm việc của

quá trình chưng cất

2.3 Thiết kế chương trình

// Điều khiển mực chất lỏng bằng bơm

// Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04

// Khai báo chân cảm biến

int trig = 12; // chân TRIG

int echo = 11; // chân ECHO

// Khai báo các biến trong quá trình đo

float distance_cm, level;

float H = 60; // Chiều cao từ cảm biến đến vạch 0 cm trên bình chứa unsigned int time_s;

// Khai báo chân điều khiển bơm

int pump = 3; // Sử dụng một trong các chân PWM : 3, 5, 6, 9, 10, 11 // Khai báo bộ điều khiển

float Kp = 10.0, Ki = 0.5, Kd = 15.0;

float P, I, D, PID;

float input, output, error, pre_error;

float Setpoint = 20;

float delta_t = 1; // Thời gian sấp xỉ của một vòng lặp

void setup() {

// Khai báo loại tín hiệu và giao tiếp

Serial.begin(9600); // Cổng giao tiếp giữa máy tính và Arduino

pinMode(trig, OUTPUT); // Chân Trig là chân phát tín hiệu ra

pinMode(echo, INPUT); // Chân Echo là chân nhận tín hiệu vào

pinMode(pump, OUTPUT);

}

void loop() {

//Đo khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước

// Đặt lại mốc thời gian đo

// Lưu ý biến time là biến hệ thống cần đặt tên khác

time_s = 0;

//Phát và tắt tín hiệu

digitalWrite(trig,0); // Tắt tín hiệu, đảm bảo không bị nhiễu từ lần đo trước delayMicroseconds(10); // Duy trì trạng thái tắt trong 10 micro giây digitalWrite(trig,1); // Phát tín hiệu sóng siêu âm

delayMicroseconds(10); // Duy trì trạng thái tín hiệu trong 10 micro giây digitalWrite(trig,0); // Tắt tín hiệu

// Thu tín hiệu

// Thời gian chu kỳ là thời gian từ lúc sóng được phát ra,

// Đến khi sóng phản xạ trở lại cảm biến

time_s = pulseIn(echo, HIGH);

// Tính khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước

// Thời gian đo được là 2 lần thời gian sóng di chuyển

// Biến đổi vận tốc âm thanh ở 30 độ C: 349 m/s thành 0.0349 cm/micro giây distance_cm = time_s*0.0349/2.0; // Lưu ý phép chia số thực

// Chuyển đổi và hiển thị mức chất lỏng

level = H - distance_cm;

Serial.println(level);

// Điều khiển duy trì mực chất lỏng

float input = level; // Đặt biến vào của bộ điều khiển

float error = Setpoint - input; // Tính sai số theo đáp ứng xuôi

float P = Kp*error; // Thành phần P = Kp*e(t)

float I = Ki*error*delta_t; // Phép tính gần đúng của tích phân Ki*e(t)*dt float D = Kd*(error - pre_error)/delta_t; // Phép tính gần đúng của vi phân Kd*de(t)/dt

float PID = P + I + D;

PID = constrain(PID,50,255); // giới hạn tín hiệu trong khả năng hoạt động của bơm

float output = constrain(PID,50,255);

analogWrite(3, output);

float pre_error = error;

delay(1000); // Tạo chu kỳ đo 1000 mili giây

2.4 Video kết quả

Hình 9 Hình ảnh trích từ video kết quả điều chỉnh ổn định các biến quá trình của quá

trình chưng cất