điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động

Các số liệu ban đầu: - Tìm hiểu về nguyên liệu sấy – chuối - Tìm hiểu về hệ thống sấy đối lưu - Tìm hiểu về điều khiển vị trí động cơ - Tìm hiểu về điều khiển PID nhiệt độ 2.. BỘ MÔN ĐIỀ

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong thời đại công nghiệp 4.0, tự động hóa ngày càng khẳng định vai trò tiên quyết tronng việc nâng cao giá trị và chất lượng hàng hoá Đặc biệt, đối với lĩnh vực chế biến lương thực thực phẩm, việc áp dụng công nghệ tự động hóa vào dây chuyền sản xuất mang lại nhiều lợi ích to lớn, từ việc tiết kiệm chi phí, tăng năng suất đến đảm bảo an toàn thực phẩm Vì vậy, việc phát triển các mô hình tự động đang trở thành xu hướng tất yếu và cần thiết

Hình 1.1 Lò sấy công nghiệp

Khi xác định được nhu cầu cụ thể và đọc tài liệu liên quan, sinh viên nhận thấy việc ứng dụng mô hình sản xuất sấy chuối tự động sẽ mang lại lợi ích rất lớn Đề tài này không chỉ phù hợp với các hộ kinh doanh gia đình nhỏ lẻ mà còn có tiềm năng phát triển để ứng dụng cho các doanh nghiệp chế biến lớn Mô hình sản xuất sấy chuối tự động sẽ giải quyết các vấn đề được đưa ra, đồng thời nâng tầm giá trị cho sản phẩm Việc nghiên cứu và chế tạo mô hình này giúp góp phần phát triển ngành chế biến, đặc biệt là lĩnh vực trái cây sấy khô

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2

Trên cơ sở những lý do trên, nhóm sinh viên xin phép trình bày và thực hiện ý tưởng về đề tài " Điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động " Đây là một đề tài có ứng dụng cao vào thực tế của thị trường

1.1.1 Công nghệ sấy trên thế giới

Trên thế giới có nhiều phương pháp sản xuất NN khác nhau, ở các nước phát triển và đang phát triển có sự khác nhau Sản xuất NN ở các nước phát triển như Mỹ, Australia, châu Âu mang tính tập trung kích thước lớn, TDH cao Vì vậy, công nghệ sấy nông sản ở các nước phát triển có hàm lượng kỹ thuật cao, quy mô lớn và tập trung Các công nghệ như sấy tháp, sấy tầng sôi,… được sử dụng rộng rãi Đối với những nước đang phát triển, chủ yếu là các nước Đông Nam Á như Philippines, Lào, Indonesia,… sản xuất nông nghiệp với quy mô nhỏ nên sản phẩm công nghệ sấy NN chỉ là những công nghệ sấy đơn giản, nhưng cũng đã mang lại nhiều hiệu quả thiết tiễn, kết quả là tiết kiệm rất nhiều chi phí cho nông dân như sử dụng khí nóng để sấy đảo chiều Ngoài ra, những đơn vị sản xuất lớn hiện nay đang áp dụng các công nghệ tiên tiến hơn với quy mô lớn hơn và có mức độ tự động cao hơn

“Bên cạnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ sấy tiết kiệm năng lượng, mang yếu tố bảo vệ môi trường, phục vụ phát triển nông nghiệp bền vững cũng đang nhận được sự quan tâm trên thế giới, ví dụ như ở Ấn Độ, Thái Lan và Việt Nam cũng đã nghiên cứu và triển khai ứng dụng một số loại máy sấy sử dụng năng lượng mặt trời làm nguồn nhiệt hỗ trợ Những nông sản chủ yếu đã được ứng dụng sấy bằng năng lượng mặt trời như chuối, ớt, cá, tôm, nui, nấm” [1]

Hình 1.2 Nhà sấy nông sản sử dụng năng lượng mặt trời ở Ấn Độ và Thái Lan

Hình 1.3 Ống thu năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho quá trình sấy 1.1.2 Công nghệ sấy ở Việt Nam

Việt Nam là một nước NN với những sản lượng chủ lực như lúa gạo, cà phê, hồ tiêu cùng một số loại nông sản khác Cùng xu thế hội nhập quốc tế với những thị trường đòi hỏi chất lượng cao, công nghệ máy sấy cũng đã và đang được phát triển theo hướng đảm bảo chất lượng, TDH cao, năng suất lớn, tiết kiệm năng lượng và bền vững Đảm bảo chất lượng: Nhằm phục vụ nhu cầu của thị trường về chất lượng nông sản, với xu thế hội nhập thị trường quốc tế

Quy mô lớn: Đối với các loại nông sản hiện nay phần lớn nông dân sẽ bán ngay sau khi gặt hái, do đó việc sấy chủ yếu tại các nhà máy xay xát hoặc các xưởng sấy thuê tập kết Vì vậy, quy mô rất lớn lên đến vài trăm tấn/ngày Với kích thước lớn như vậy thì nhu cầu về TDH là rất cần thiết

Tính bền vững, bảo vệ năng lượng cao: Việc đánh giá công nghệ dựa vào hiệu suất sấy và bảo vệ năng lượng trở thành yếu tố quan trọng, khi nguồn vật liệu ngày càng mất dần và giá thì tăng cao Ngoài ra, việc sử dụng nguồn năng lượng sạch thay thế cho nguồn hoá thạch được xem là khuynh hướng không thể tránh khỏi, nhằm giảm chất thải gây ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính và tăng cường tính vững bền trong sản xuất NN

Hình 1.4 Hệ thống dây chuyền sấy của Vinamit

“Để có thể có tạo ra sản phẩm đúng ý, ông chủ công ty Vinamit quyết định tiếp tục bỏ tiền ra đầu tư rất nhiều máy sấy của nước ngoài về để xem công nghệ của họ đã làm đến đâu và cùng các cộng sự mày mò tháo lắp, nghiên cứu Nhằm đảm bảo điều kiện thí nghiệm cũng như đẩy nhanh thời gian tìm ra công nghệ mới, công tác R&D (nghiên cứu và phát triển) được ông Viên kết hợp với các nhà khoa học bên Đài Loan thực hiện để đánh giá tính khả thi, rồi sau đó cho chạy pilot (thử nghiệm quy mô lớn) và thiết kế, chế tạo toàn bộ thiết bị ở Việt Nam Trong thiết kế chế tạo chiếc máy sấy đông khô ấy, ông Viên phải kết hợp rất nhiều ứng dụng công nghệ - kỹ thuật, từ điện khí lạnh cho tới điện toán, chân không” [2]

Máy sấy lạnh đã được tối ưu hơn so với máy sấy thông thường chủ yếu là do có thể hạ thấp nhiệt độ khi sấy Vì vậy, máy sấy lạnh ra đời với mong muốn đóng góp nhằm nâng cao chất lượng cho nông sản

Hình 1.5 Máy sấy lạnh SASAKI

Mục tiêu

Tìm hiểu lý thuyết, kỹ thuật có liên quan cũng như tìm hiểu các phương pháp cắt, rải và sấy chuối hiện có Từ đó phân tích các nguyên lý hoạt động trong ngành chế biến thực phẩm Tìm hiểu chính xác và trực quan nhất về công nghệ xử lí sấy khô nông sản

Lên kế hoạch và thi công sơ đồ hệ thống sấy chuối tự động Đưa ra các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm cần thiết cho hệ thống Mục tiêu đề ra như sau:

- Thiết kế cơ khí và hệ thống điện cho máy sấy chuối

- Viết chương trình điều khiển hệ thống

- Nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số: nhiệt độ, độ ẩm và thời gian sấy

- Đánh giá về mặt chất lượng nhằm ứng dụng vào thực tiễn

Giới hạn

Đề tài mới dừng lại ở bước thiết kế thử nghiệm, thực hành và lắp đặt trên mô hình có kích cỡ nhỏ, vận hành với các yêu cầu kỹ thuật, các thông số vận hành cơ bản đã đề ra.

Nội dung nghiên cứu

Những nội dung và kết quả nghiên cứu chính của báo cáo được đưa ra trong các phần như sau:

Nội dung: Tổng quan về đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn của đề tài, nội dung nghiên cứu

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung: Trình bày cơ sở lý thuyết về các công nghệ sấy, PLC hãng Siemens, SCADA

 Chương 3: Thi công mô hình

Nội dung: Chương này sẽ nói về những thiết bị cần thiết thi công mô hình

 Chương 4: Giải thuật điều khiển

Nội dung: Mô tả hoạt động của hệ thống, giải thuật điều khiển Trình bày chi tiết các lệnh sử dụng

 Chương 5: Kết quả - Nhận xét – Đánh giá

Nội dung: Trình bày kết quả đạt, đưa ra nhận xét và đánh giá

 Chương 6: Kết luận – Hướng phát triển

Nội dung: Đưa ra kết luận, hướng phát triển thực tế

CỞ SỞ LÝ THUYẾT

Tìm hiểu về nguyên liệu sấy

- Đông Nam Á: Việt Nam, Indo và Thái Lan

- Châu Phi: Các quốc gia như Cameroon, Ghana và Bờ Biển Ngà

- Trung Mỹ: Costa Rica, Panama,…

Có 3 loại chính ở Việt Nam:

Hình 2.3 Chuối Bơm 2.1.3 Cấu trúc của quả chuối

2.1.4 Tính chất vật lý cơ bản của chuối quả

- Nhiệt dung riêng: c = 1.0269 kJ/kgK

- Hệ số dẫn nhiệt:  = 0.52 W/mK

- Kích thước của quả chuối: d = 2  5 cm, l = 8 ÷ 20 cm

- Độ ẩm vật liệu sấy:

 Độ ẩm của chuối trước khi đưa vào sấy: 1 = 75  80%

 Độ ẩm của chuối sau khi sấy: 2 = 15  20%

- Nhiệt độ sấy cho phép: t = (60  90) 0 C” [3]

2.1.5 Thành phần hóa học cơ bản của chuối quả

Bảng 2.1 Thành phần cơ bản của chuối

2.1.6 Nguyên nhân ảnh hưởng đến chuối sấy

- Biến đổi về mặt cơ học: dạng, nứt, gãy, độ cứng,…

- Biến đổi lý hoá: sự biến đổi hệ keo bởi vì pha rắn (protein, tinh bột, glucose, ) bị thoái hoá thuộc về những biến đổi lý hoá

- Biến đổi hoá sinh: Các biến đổi hoá sinh trong quá trình sấy đã tạo ra melanoidin, caramen và đã làm cho các hợp chất polifenol bị oxi hoá và polyme hóa, vitamin bị phân giải và sắc tố màu thay đổi Hàm lượng vitamin trong chuối sau khi sấy thường nhỏ hơn so với chuối tươi (do bị huỷ hoại trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy) Axit ascorbic và carotene bị mất do oxi hoá, riboflavin bị ảnh hưởng bởi ánh sáng

- Để lánh hoặc làm chậm quá trình chuyển biến không thuận nghịch ấy, cũng như tạo điều kiện để độ ẩm thoát ra ngoài quả một cách tự nhiên, cần có chế độ sấy thích hợp đối với từng loại sản phẩm.

Công nghệ sấy nông sản hiện nay

Trong quá khứ, người nông dân sau khi gặt hái các loại nông sản thường sử dụng phương pháp phơi hay hong để bảo quản Trong những thay đổi của thời tiết hoặc khi vụ gặt xảy ra trúng mùa mưa, việc làm khô thực phẩm trở nên rất khó khăn, ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn vệ sinh thực phẩm, gây ra trở ngại trong việc tiêu thụ Việc phơi hay hong sản phẩm sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian, gây mất mát và tổn hại về lượng sản phẩm cũng như chi phí lao động, Điều này có thể dẫn đến giá thành tăng cao Quá trình sấy nông sản được coi là biện pháp bảo vệ hiệu quả những nông sản sau vụ gặt, giúp thực phẩm khô ráo, ngăn chặn sự phát triển của các loại nấm, sâu bọ, giảm thiểu tổn thất và duy trì chất lượng “Hiện nay tại Việt Nam, việc bảo quản hay làm khô nông sản đã có nhiều giải pháp và đã được ứng dụng một số nơi như sấy lạnh, sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại, sấy bằng dòng điện,….Mỗi công nghệ sấy có những ưu và nhược điểm riêng, có thể sấy các dạng nông sản, dược liệu thô hay chế biến sâu” [1]

“Sấy đối lưu là dùng không khí nóng hoặc khói lò làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm (nước) trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy Sau thời gian sấy nào đó ta thu được sản phẩm sấy có độ ẩm theo yêu cầu Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục” [4]

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu

Quạt (1) hút không khí đẩy qua Caloriphe (2) để được nung nóng thành tác nhân sấy rồi đi vào buồng sấy (3), khí nóng sẽ bao trùm qua các vật sấy đặt trong buồng, làm cho hơi ẩm trong vật sấy bay hơi và thoát ra ngoài

Hình 2.5 Quá trình đối lưu Đối lưu không khí xảy ra khi khí nóng hoặc lạnh di chuyển đến nơi khác, dẫn đến dòng khí tự nhiên di chuyển trong không khí Đối lưu thường xảy ra khi nhiệt độ, áp suất và hơi nước giữa các vùng có sự chêch lệch

Khi bạn đun nước nóng trên bếp Khi nước nóng lên phần nước ở dưới bề mặt trở nên nóng hơn và nhẹ hơn so với phần nước phía trên đồng thời cũng làm cho nhiệt độ không khí tăng lên Không khí ở trên mặt nước sẽ trở nên nóng và nhẹ hơn so với

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 12 không khí ở những vùng cao hơn Điều này tạo ra hiện tượng lưu thông không khí, trong đó khí nóng sẽ bay lên và được thay thế bằng không khí lạnh từ vùng cao hơn Quá trình này diễn ra liên tục và được gọi là đối lưu không khí, giúp cân bằng nhiệt độ trong nước và không khí, đồng thời sẽ cung cấp năng lượng giúp quá trình chuyển động của không khí và nước diễn ra nhanh chóng

“Sấy đối lưu là sự di chuyển của dòng không khí, chúng được dùng làm TNS nhưng điều kiện là không khí trong lò sấy phải luôn nóng và chuyển động theo di chuyển tròn trong lò sấy Chúng tác động đến các đồ vật được sấy khô và làm cho lượng nước và hơi ẩm trong đồ vật được bay hơi Các luồng không khí nóng sẽ mang hơi ẩm này đi

Từ đó đồ vật sẽ khô hoàn toàn Đây cũng chính là nguyên lý hoạt động của các sản phẩm máy sấy đối lưu và hệ thống sấy nông sản hiện nay” [4]

- Tốc độ nhanh: Sấy đối lưu nhiệt làm quá trình sấy nhanh chóng do sự truyền nhiệt được cải thiện giữa nguồn nhiệt và vật liệu cần sấy

- Hiệu suất năng lượng cao: Phương pháp này nhìn chung bảo vệ năng lượng hơn một số phương pháp khác vì tận dụng được nhiệt độ cao của nguồn nhiệt

- Kiểm soát tốt quy trình: Sấy đối lưu nhiệt có thể kiểm soát nhiệt độ, áp suất và không khí, nhằm bảo đảm giá trị cho sản phẩm sấy

- Phạm vi ứng dụng lớn: Phương pháp này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: chế biến thực phẩm, sản xuất hóa chất, công nghiệp chế biến

- Yêu cầu về thiết bị phức tạp: Quá trình sấy đối lưu nhiệt thường yêu cầu các thiết bị phức tạp như quạt, hệ thống ống dẫn khí, hệ thống kiểm soát nhiệt độ phức tạp, v.v

- Chi phí cao: Thiết bị và hệ thống điều khiển phức tạp dẫn đến chi cao

- Rủi ro về chất lượng sản phẩm: Nếu quá trình sấy không được kiểm soát tốt có thể dẫn đến thay đổi hoặc tổn thất về chất lượng, nếu sấy quá mức hoặc sấy không đều

- Tiêu thụ năng lượng cao: Mặc dù sấy đối lưu nhiệt rất tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn tiêu tốn nhiều năng lượng, đặc biệt khi sấy các nguyên liệu có độ ẩm cao

“Sấy thăng hoa (còn gọi là sấy khô đông lạnh) là quá trình khử nước ra khỏi thực phẩm, giúp nước chuyển từ thể rắn sang thể khí trong môi trường chân không Ở điều kiện chân không, khi nước thăng hoa trực tiếp sẽ chuyển từ dạng rắn sang dạng khí Nhờ đó, sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ được hình dạng, mùi vị, màu sắc cũng như các dưỡng chất trong thực phẩm” [5]

Hình 2.6 Hệ thống sấy chân không đông lạnh FD (sấy thăng hoa)

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 14 Ưu điểm:

- Thành phẩm sau khi sấy được giữ nguyên: Không có sự mất mát về mùi, màu, kích thước và dưỡng chất của thực phẩm sau khi trải qua quá trình sấy khô

- Thực phẩm sấy có độ giòn lý tưởng: Việc sấy khô thực phẩm đã làm bốc hơi ẩm trong sản phẩm, vì vậy sẽ có độ giòn, dai chứ không bị cứng hay quá nhũn

- Không kén sản phẩm: Dùng cho rất nhiều loại thực phẩm

- Chi phí bảo trì khá cao

Tìm hiểu về PLC S7 – 1200

“PLC S7 – 1200 là dòng PLC mới của Siemens, thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao Thiết bị PLC s7-1200 được thiết kế dưới dạng linh kiện nhỏ gọn, linh hoạt phù hợp với nhiều ứng dụng” [8]

Hình 2.9 PLC S7 – 1215C DC/DC/DC

PLC S7 – 1200 được tích hợp giao diện truyền thông phản ứng mạnh mẽ Với thiết kế tối giản và tính năng vượt trội, sản phẩm này phù hợp với nhiều ứng dụng TDH khác nhau, từ quy mô nhỏ đến vừa Tính năng nổi bật là cổng giao tiếp Profinet (LAN) tích hợp Điều này làm cho khả năng lập trình và thi công hệ thống trở nên nhanh chóng và dễ dàng

Hình 2.10 Sơ đồ chân PLC S7 – 1215C DC/DC/DC

Module S7-1215C có các ngõ vào, ra lần lượt là 8 và 16 và có khả năng mở rộng thêm nhiều điểm hỗ trợ khác như I/O DC, relay và Analog, cho phép mở rộng thêm nhiều I/O mà không tốn không gian Thiết kế này có khả năng thích ứng với chương trình người dùng nhằm tránh khỏi việc lập trình lại từ đầu khi đổi qua một bộ điều khiển lớn hơn Ưu điểm:

- Lập trình mạnh mẽ với cổng truyền thông

- Không cần các tiếp điểm

- Dễ dàng sửa chữa và thay đổi chương trình linh hoạt

- Tài liệu đầy đủ, hỗ trợ người dùng một cách tốt đa

- Chi phí mở rộng cao

Các dòng sản phẩm của S7-1200 đang có mặt trên thị trường hiện nay: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C và được chia thành các loại như sau: DC/DC/DC, AC/DC/RlY, DC/DC/RLY

Hình 2.11 Các dòng chính của Plc

STEP 7 có môi trường quen thuộc, dễ dàng sử dụng điều khiển và phát triển logic bộ điều khiển, cấu hình HMI trực quan hóa và thiết lập giao tiếp mạng Để giúp tăng năng suất của bạn, STEP 7 cung cấp hai góc nhìn khác nhau về dự án: một bộ cổng hướng tới nhiệm vụ được sắp xếp về nhiệm vụ của các công cụ (Chế độ xem cổng thông tin) hoặc chế độ xem theo định hướng dự án của các thành phần bên trongdự án (Chế độ xem dự án) Chọn chế độ xem giúp bạn làm việc tốt nhất Với một đơn nhấp vào, bạn có thể thay đổi giữa chế độ xem Cổng thông tin và chế độ xem Dự án

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

“PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I) Tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng dòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc” [9]

Sau khi thực hiện chương trình là giai đoạn quét chuyển dữ liệu của bộ đệm ảo ngõ ra (Q) sang các ngõ ra số Vòng quét được kết thúc bởi giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra

Hình 2.12 Sơ đồ hoạt đồng của PLC

Thời gian tối thiểu để PLC hoàn thành xong một vòng quét như vậy gọi là thời gian vòng quét (Scan time).Thời gian vòng quét là không ổn định, bởi vì không phải vòng quét nào cũng được thực thi cùng một khoảng thời gian không giống nhau Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét sẽ thực hiện nhanh dựa vào các bước trong quá trình đã thực hiện, vào số lượng dữ liệu truyền thông

Như vậy thời gian để đọc dữ liệu nhằm mục đích xử lý, tính toán và gửi tín hiệu điều khiển cũng gần đúng với thời gian quét Nói chung, thời gian quét ảnh hưởng quyết định đến thời gian thực của chương trình Tóm lại, thời gian quét càng ngắn chương trình thực hiện càng nhanh

“Để giải quyết hầu hết các yêu cầu khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể, S7-1200 cho phép mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của PLC Ngoài ra, có thể đặt thêm các loại module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác” [9]

 S7-1200 có các module mở rộng sau:

Hình 2.13 Các loại module mở rộng cho PLC

Hình 2.14 Một số module mở rộng

Tổng quan về SCADA

“SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa một hay nhiều đối tượng nào đó” [10]

SIMATIC là nền tảng nổi bật của Siemens, các sản phẩm như là: SIMATIC WINCC và SIMATIC PCS7 Những sản phẩm này đưu ra các giải pháp đa dạng và có

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 22 khả năng nâng cấp, phục vụ từ các nhu cầu cơ bản đến các hệ thống phức tạp thuộc nhiều lĩnh khác nhau như: năng lượng, xử lý nước và chất thải,…

2.4.2 Cấu trúc của một hệ thống SCADA

 Gồm các thành phần cơ bản sau:

- “Trạm điều khiển giám sát trung tâm: Là một hay nhiều máy ,chủ trung tâm (central host computer server)

- Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào - ra đầu cuối từ xa RTU (Remota Terminal Unit) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành )

- Hệ thống truyền thông: Bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi, dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường từ nơi cần thu thập đến các khối điều khiển và máy chủ

- Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống” [10]

2.4.3 Nguyên lý thu thập dữ liệu

Trong hệ Scada, việc lấy thông tin dữ liệu được thực hiện đầu tiên là do các RTU quét dữ liệu từ các thiết bị được kết nối với chúng Thời gian thực hiện quá trình quét được gọi là thời gian quét bên trong Các RTU sẽ trả dữ liệu thu thập được về các máy chủ Để điều khiển, máy chủ đưa tín hiệu điều khiển đến các RTU, từ đó cấp phép các RTU trả tín hiệu điều khiển trực tiếp đến các thiết bị chấp hành thực hiện nhiệm vụ

“Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể ở dạng tương tự (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse)

Giao diện cơ bản để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh Khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi tốt khi hệ thống xảy ra sự cố Nhìn chung, khi có sự cố, hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau:

- Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU với dung lượng bộ nhớ lớn Khi hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm thời dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

- Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: Hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng Ví dụ như ở hệ thống truyền thông hai đường truyền, có các RTU đôi hoặc hai máy chủ Do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra )” [10]

SCADA giống như một màn hình, thường thì sẽ có nhiều màn hình để nhân viên giám sát theo dõi Họ sẽ giám sát được mọi chức năng của các thiết bị liên quan đến hệ thống trong toàn bộ nhà máy

Hình 2.16 Cách hoạt động của SCADA 2.4.6 Đặc điểm của SCADA

Khả năng giám sát: Cung cấp khả năng theo liên tục và truy cập từ xa các quy trình sản xuất

Giao diện người dùng thân thiện: Giao diện rõ ràng, dễ cài đặt và tuỳ biến, đồng thời người sử dụng sẽ quan sát và điều khiển một cách dễ dàng

Khả năng mở rộng và tích hợp: Khả năng mở rộng lớn và tích hợp với các hệ thống hiện có, đảm bảo tính ổn định và hiệu năng cao

Bảo mật cao: Được tích hợp các công nghệ mã hoá hiện đại giúp bảo mật dữ liệu và hệ thống trước các mối tấn công

Siemens Tia Portal

“TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là một phần mềm tổng hợp điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống sản TIA Portal được phát triển vào năm 1996 bởi các kỹ sư của hãng PLC Siemens cho phép người dùng phát triển và viết các phần mềm điều khiển và quản lý riêng lẻ một cách nhanh chóng, trên một nền tảng thống nhất” [9]

TIA Portal tích hợp lập trình bộ điều khiển PLC, thiết bị giám sát HMI, hệ thống giám sát tổng thể SCADA, điều khiển chuyển động Drives, cấu hình biến tần và cảm biến đến từ Siemens và cung cấp môi trường giả lập thiết bị hỗ trợ cho bộ phận phát triển hệ thống tự động hóa vào một môi trường kỹ thuật duy nhất

 TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:

- Thiết kế giao diện kéo thả thông tin đơn giản, với ngôn ngữ hỗ trợ phong phú

- Quản lý phân quyền các User, Code, Project tổng quát

- Thực hiện GoOnline và Diagnostic trên toàn bộ các thiết bị trong project để tìm lỗi

- Tích hợp mô phỏng hệ thống

- Dễ dàng trong việc cài đặt cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens với nhau

2.5.2 Các phần tử cơ bản trong Tia Portal

2.5.2.1 Khối Organization block (OB) Đây là thành phần chính của chương trình và lệnh điều khiển Với một số chương trình ngắn, đơn giản, ta có thể đưa toàn bộ lệnh trong chương trình này Khối OB sẽ được xử lý đầu tiên khi chương trình chính bắt đầu, các lệnh được thực hiện tuần tự từ trên xuống và từ trái sang phải chỉ một lần cho mỗi vòng quét Trong S7-1200, chương trình chính được lưu trữ trong khối OB1

Hình 2.17 Khối chức năng OB 2.5.2.2 Khối Function Block (FB)

Hình 2.18 Khối chức năng FB

Function Block là khối dữ liệu thể hiện cho các tham số và dữ liệu tĩnh của nó Khối FB có bộ nhớ biến đổi nằm trong một khối Data block (DB)

Hình 2.19 Khối chức năng FC

Khối Function là khối thường xuyên được dùng cho lập trình chương trình con khác nhau vì nó gửi dữ liệu vào bộ nhớ riêng Nó được sử dụng nhiều lần ở nhiều vị trí khác nhau, việc sử dụng nó sẽ dễ dàng cho việc lập trình Khối FC không hỗ trợ DB lưu trữ riêng mà nó dùng dữ liệu tạm thời để tính toán

2.5.2.4 Khối dữ liệu Data block (DB)

Khối dữ liệu (DB) dùng lưu trữ các dữ liệu cho từng khối mã Tất cả các khối mã chỉ có thể truy cập dữ liệu trong một DB cục bộ, nhưng một mẫu DB chỉ duy nhất lưu dữ liệu cho một khối FB đặc trưng.

Bộ điều khiển PID nhiệt độ

“Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng phổ biến trong cácthiết bị điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong các bộ điều khiển phản hồi.Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị các thông số đầu vào và giá trị cài đặt mong muốn.Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm thiểu tối đa sai số bằng việc thay đổi giá trị điều khiển đầu vào.Tuy nhiên, để có được kết quả chínhxác nhất, các thông số PID dùng trong tính toán phải thay đổi theo đặc trưng của hệ thống Trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc theo đặc trưng của hệ thống” [11]

Hình 2.21 Sơ đồ điều khiển PID 2.6.2 Những nét cơ bản về vòng điều khiển

Mô tả hoạt động của PID nhiệt độ:

- Đo lường nhiệt độ thực tế: một cảm biến nhiệt độ (pt100) đo nhiệt độ hiện tại

- Tính toán độ lệch: PID sẽ tính toán độ lệch giữa nhiệt độ thực tế (PV) và nhiệt độ mong muốn (SP)

- Điều chỉnh tín hiệu điều khiển: PID sử dụng 3 thông số P, I và D để tính toán và xử lý tín hiệu điều khiển

- Điểu khiển thiết bị gia nhiệt: Tín hiệu điều khiển được gửi tới thiết bị gia nhiệt (lò sấy) để điều chỉnh nhiệt độ

- Lặp lại quá trình: Quá trình này lặp lại liên tục để duy trì nhiệt độ ổn định tại mức mong muốn

2.6.3 Các phương pháp điều khiển

 Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp đến khi hệ thống dao động tuần hoàn

 Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ dao động

 Điều chỉnh lại giá trị Kp cho phù hợp

 Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị Kd

 Đặt Ki = Kd = 0 Tăng Kp đến khi hệ thống dao động tuần hoàn

 Đặt giá trị Kp này = Kc

 Đo chu kì dao động Pc

Bảng 2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols

Control Type Kp KI KD

PID 0.6KC 2KP / PC KP * PC / 8

2.6.3.3 Chỉ định bằng phần mềm

Dùng máy tính để tự động chỉnh định thông số PID (đo trên mô hình toán học, đo trên mô hình vật lý)

Ví dụ dùng thuật toán di truyền (GA) để điều chỉnh thông số sao cho sai số đo được nhỏ hơn giá trị yêu cầu” [11]

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

Quy mô hệ thống

Quy mô: Với mô hình nhỏ hơn với thực tế rất nhiều thì hệ thống sấy chuối tự động này sẽ đáp ứng chế biến từ 1-2 trái chuối cho mỗi lần sấy Mô hình thích hợp với các nhân hay là hộ gia đình muốn tự làm chuối sấy khô tại nhà nhưng không cần bỏ ra số tiền quá lớn cho thiết bị công nghiệp lớn

Năng suất sấy: Với mô hình nhỏ nên năng suất nhận được khoảng 100 – 200 gram chuối tươi Thời gian sấy trung bình dao động 2-4 giờ, phụ thuộc vào hơi ẩm ban đầu của chuối và điều kiện khi sấy

Sản phẩm : Thu được khoảng 20-40 gram chuối khô, do chuối mất khoảng 80% trọng lượng khi được sấy.

Lựa chọn thiết bị hỗ trợ

3.2.1 Cảm biến nhiệt độ Pt100

Hình 3.1 Cảm biến nhiệt độ Pt100

PT100 là cảm biến nhiệt độ thuộc loại cảm biến nhiệt độ điện trở được dùng nhiều trong đo lường nhiệt độ và môi trường công nghiệp Cái tên "PT 100" xuất phát từ việc nó sử dụng cuộn dây dẫn làm bằng bạch kim (Pt - bạch kim) có điện trở 100 ohms tại 0 °C

3.2.2 Cảm biến phát hiện chuyển động

Cảm biến tiệm cận là một loại cảm biến được dùng phát hiện vật thể hoặc khoảng cách của một vật thể mà không cần trực tiếp chạm vào vật thể Loại cảm biến này hoạt động thông qua những nguyên lý như điện từ, siêu âm, hồng ngoại, hoặc từ trường

Hình 3.2 Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm TDH công nghiệp, ô tô, điện tử tiêu dùng và an ninh Chúng thường được dùng để phát hiện vị trí các bộ phận máy, tính toán chất lượng sản phẩm, đo khoảng cách và phát hiện sự xâm nhập Với khả năng hoạt động được trong nhiều môi trường khác nhau và độ tin cậy cao, cảm biến tiệm cận đóng vai trò thiết yếu trong việc tăng hiệu quả và độ an toàn của hệ thống tự động hóa

Hình 3.3 Trở sấy khô chữ U Điện trở nhiệt chữ U là một loại điện trở được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng gia nhiệt công nghiệp Hình dáng của nó giống chữ "U", giúp tối ưu hóa không gian và tăng hiệu suất gia nhiệt Nó thường được làm từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao như hợp kim Nichrome (NiCr) hoặc thép không gỉ

Công thức tính công suất điện trở nhiệt:

Công thức tính điện trở:

3.2.4 Quạt sò ly tâm mini

Hình 3.4 Quạt sò ly tâm 85W

Quạt ly tâm mini 85W là một loại quạt sử dụng công nghệ ly tâm để tạo lực hút và đẩy không khí thông qua một cánh quạt ly tâm Quạt ly tâm mini 85W thường được dùng nhiều trong các ứng dụng: hệ thống thông gió nhỏ, máy làm mát, hút bụi và hút khói trong ngành công nghiệp Ưu điểm của quạt ly tâm mini 85W bao gồm kích thước nhỏ, tiết kiệm năng lượng và hoạt động không phát ra tiếng ồn nhiều Ứng dụng:

- Hút và thổi không khí: Quạt sò mini 85W có khả năng hút và thổi không khí, giúp cải thiện sự thông thoáng trong không gian

- Hệ thống thông gió: ứng dụng như trong nhà tắm, nhà bếp, hoặc những nơi cần cung cấp không khí tươi và loại bỏ mùi hôi

- Máy làm mát: Quạt sò ly tâm mini 85W dùng để làm mát nhỏ, giúp đẩy không khí qua các ống dẫn nhiệt và làm giảm nhiệt độ trong không gian

- Hút bụi và hút khói: Do có cột áp khá cao, quạt thổi con sò 85W có thể được sử dụng để hút bụi và hút khói trong các ngành công nghiệp, nhà máy, hay trong các công trình xây dựng Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ gọn: Thiết kế nhỏ, quạt sò ly tâm 85W nên việc lắp đặt và di chuyển thuận lợi

- Tiết kiệm năng lượng: Với công suất 85W, quạt sò ly tâm mini 85W tiết chi phí

- Độ ồn thấp: Quạt hút con sò 85W hoạt động êm, phù hợp sử dụng trong các môi trường yêu cầu yên tĩnh

DC giảm tốc là động cơ điện một chiều có tích hợp hộp giảm tốc để giảm tốc độ quay và tăng mô-men xoắn Điện áp hoạt động từ 5V đến 24V, loại motor này cung cấp tốc độ quay chậm khoảng 20 vòng/phút (rpm), vì vậy nó khá thông dụng trong điều khiển chính xác là chủ yếu

Hình 3.6 Motor giảm tốc 20RPM Động cơ giảm tốc này thường được sử dụng trong các quy trình TDH, robot, thiết bị y tế và các ứng dụng DIY (tự làm) như mô hình hóa hoặc các dự án điện tử nhỏ Mang lại khả năng chịu tải tốt, độ bền cao và vận hành trơn tru, động cơ giảm tốc là chọn lựa ưu tiên cho những ai yêu cầu các giải pháp cơ khí và điều khiển hiệu quả trong các ứng dụng mô-men xoắn thấp và mô-men xoắn cao quan trọng về tốc độ

3.2.6 Động cơ Step Động cơ Step size 42 là một loại động cơ bước có kích thước khung 42mm (thường theo tiêu chuẩn NEMA 17) Động cơ này hoạt động theo nguyên lý chia nhỏ các bước di chuyển, cho phép điều khiển chính xác khoảng cách và vận tốc của trục

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 37 động cơ Với tính năng điều khiển từng bước và chính xác, động cơ step size 42 thường được dùng trong các hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao như máy in 3D, máy CNC, robot, và các thiết bị tự động khác

Hình 3.7 DC Step 3D view Ưu điểm của động cơ này bao gồm khả năng giữ vị trí cố định mà không cần nguồn điện, độ bền cao và chịu được không gian khắc nghiệt Nhờ vào sự nhỏ gọn và hiệu năng đáng tin cậy, động cơ step size 42 luôn là lựa chọn ưu tiên cho nhiều dự án công nghệ và công nghiệp hiện đại

Hình 3.8 Bản vẽ kích thước DC Step size 42

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật DC Step size 42

TB6600 là một loại driver điều khiển động cơ bước (stepper motor driver) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển chuyển động Driver này được thiết kế để cung cấp khả năng điều khiển chính xác và hiệu quả cho các động cơ bước, đáp ứng nhu cầu trong nhiều ứng dụng công nghiệp và DIY

Bảng 3.2 Cài đặt cường độ dòng điện

Bảng 3.3 Cài đặt vi bước cho driver

SSR (Solid State Relay) là thiết bị giống tương tự như rơle cơ học truyền thống

Nó cũng sử dụng dòng điện nhỏ hơn để kiểm soát tải điện lớn hơn

Hình 3.10 Role bán dẫn SSR

SSR không có đóng ngắt dòng điện nên nhìn chung chúng có cấu tạo tổng quát khá đơn giản và nhỏ gọn Cụ thể SSR có cấu tạo gồm Diot phát quang và bộ Tri-ac

Hình 3.11 Cấu tạo role bán dẫn

SSR thiết kế giống như một công tắc bật tắt đơn giản Khi có tín hiệu bên ngoài được gửi đến rơle thông qua các đầu nối khác nhau, các đầu nối nguồn và tải sẽ chuyển đổi Việc chuyển đổi này diễn ra rất nhanh và tải sau đó được cấp nguồn ở mức năng

Thiết kế phần cơ khí

3.3.1 Thứ tự thiết kế một hệ thống sấy đối lưu

Chọn dạng TBS Căn cứ vào năng suất, tính chất vật lý, hình dáng của VLS ta chọn TBS buồng hay TBS hầm, TBS tầng sôi hay TBS phun v.v

“Quyết định chế độ sấy Chế độ sấy được hiểu là quá trình kết hợp trao đổi nhiệt độ giữa TNS và VLS Căn cứ theo yêu cầu của chất lượng thành phẩm, vốn đầu tư v.v để quyết định:” [13]

- Hồi lưu hay không hồi lưu, hồi lưu một phần hay hồi lưu toàn phần

- Chiều chuyển động và vận tốc chuyển động khá giữa TNS và VLS

- Mật độ VLS trên TBTT

- Nhiệt dộ vào và ra của TNS v.v

Tính toán cân bằng nhiệt-ấm của TBS Nội dung cơ bản của tính toán cân bằng nhiệt-ẩm là tìm được nhiệt lượng tiêu hao Q (kW) và lưu lượng TNS cần thiết V (m 3 /h) Trong đó, nhiệt lượng tiêu hao Q là cơ sở để thiết kế calorifer và lưu lượng TNS V là một trong hai cơ sở để chọn quạt

Chọn nguồn năng lượng và TNS Năng lượng trong các HTS là hơi nước, than, điện, dầu và các phụ phẩm khác Trong các nguồn năng lượng trên thì điện năng là sạch và dễ tinh chỉnh hiệu suất theo yêu cầu nhưng chi phí lớn Vì vậy, trong công nghiệp ít khi dùng điện năng với tư cách là nguồn năng lượng làm nóng TNS Hơi nước là nguồn năng lượng được sử dụng phổ biến trong sấy công nghiệp Calorifer khí- hơi là loại calorifer có hiệu suất cao và cũng tương đối dễ thay đổi công suất Tuy nhiên, muốn có hơi nước thì phải đầu tư lò hơi nhưng lò hơi là thiết bị tương đối đát tiền và yêu cầu cao về an toàn khi vận hành Trong các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ ở nông thôn nguồn năng lượng cho HTS phổ biến là than đá và các phụ phẩm như trấu, mùn cưa Khi đó, tùy yêu cầu của VLS có thể dùng khói từ lò đốt nhiên liệu làm nguồn đốt nóng không khí hoặc dùng trực tiếp khói sau buồng hòa trộn làm TNS

Như vậy, chọn nguồn năng lượng cho HTS cũng thật là nan giải Nó được quyết định dựa vào điều kiện cụ thể

Tính calorifer và các thiết bị phụ Calorifer khí-hơi là loại calorifer có cánh: Hơi nước trung hòa đi trong ống và không khí đi ngang qua phía ngoài ống có cánh Calorifer khí-hơi thường được sản xuất sẵn theo từng cụm với diện tích truyền nhiệt nhất định Vì vậy, trong kỹ thuật sấy khi dùng hơi nước làm nguồn năng lượng đốt nóng TNS thì tính toán calorifer khí-hơi là tính diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết, sau đó chọn số cụm cần thiết Tính toán chi tiết các loại calorifer có cánh được trình bày trong các tài liệu tham khảo về thiết bị trao đổi nhiệt

Calorifer khí-khói là loại calorifer không có cánh và kết cấu của nó là ống hoặc kênh Một phía ống hoặc kênh là khói và phía kia là không khí chuyển động ngược chiều nhau Để dễ làm vệ sinh người ta thường cho khói đi trong ống hoặc kènh Calorifer khí-

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 43 khội không được sản xuất hàng loạt và thường do người thiết kế HTS tự tính toán và quyết định

Các thiết bị phụ trong HTS có thể là buồng đốt, xycion v.v Cách tính toán các thiết bị phụ trình bày ở phần sau

Bố trí HTS, tính trở lực và chọn quạt Sau khi đã thiết kế xong TBS, calorifer và các thiết bị phụ khác chúng ta căn cứ vào mặt bằng nơi bố trí các thiết bị với các khoảng cách và tiết diện các ống dẫn, ống thải TNS Từ đó tiến hành tính trở lực và kết hợp với lưu lượng TNS đã biết trong phần tính toán nhiệt TBS để chọn quạt

Tính kinh tế- kỹ thuật HTS Sau khi đã thiết kế xong HTS chúng ta cần xác định vốn đầu tư, quyết định thời gian hoàn vốn, chi phí vận hành v.v Từ đó tính giá thành sản phẩm và hiệu quả kinh tế-xã hội mà HTS đem lại

3.3.2 Tính kích thước cơ bản của lò sấy

Kích thước rộng, cao, dài của buồng sấy phụ thuộc vào kích cỡ của vật sấy, thời gian sấy và năng suất của buồng sấy cũng như kích thước của phương tiện mang vật sấy (phương tiện vận chuyển) Vật sấy và phương tiện mang nó được sắp xếp trong buồng sấy sao cho tác nhãn sấy chày trùm đều lên mọi vật sấy trong khắp không gian của buồng sấy Có như vậy mới bảo đảm sự đồng đều của sản phẩm sấy [4]

Khối lượng m của vật sấy có trong buồng sấy được tính theo phương trình (3.2)

Với buồng sấy gián đoạn thì các kích thước của nó được tính chỉ phụ thuộc vào khối lượng m1, của một mẻ và kích thước bộ phận xếp vật sấy

Nếu buồng sấy hoạt động liên tục, vật sấy được sắp xếp trên xe gồng thì số xe goồng được tính như sau:

- z : số xe vào hoặc ra khỏi buồng sấy trong mỗi giờ;

- m1 : khối lượng vật sấy đưa vào buồng sấy mỗi giờ, kg/h;

- mx : khối lượng vật sãy xếp trên mỗi xe kg/xe

Số xe gòng (hoặc xe treo) tồn tại trong buồng sấy là n:

Như vậy kích thước, buỗng sấy phụ thuộc vào kích thước xe goòng, số lượng xe (n lấy số chấn)

Trường hợp sấy băng tải thì chiều dài băng Lb được tính như sau: b b

- mb : khối lượng vật sấy nạp trên mỗi mét băng, kg/m;

Tốc độ băng tải là Wb được tính như sau: b b

- Tốc độ Wb được dùng để tính bộ truyền động

Hình 3.13 Mặt cắt trước / sau của buồng sấy

Hình 3.14 Mặt cắt trái / phải của buồng sấy

Hình 3.15 Mặt cắt đáy / nóc của buồng sấy a) Quạt quay phải b) Quạt quay trái

3.3.4 Quạt và cách chọn quạt ly tâm

“Để vận chuyển TNS trong các HTS thường dùng hai loại quạt: quạt ly tâm và quạt hướng trục Chọn loại quạt nào, số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của HTS trở lực, quạt phải khắc phục p, năng suất, quạt cần tải đi V cũng như nhiệt độ và độ ẩm của TNS Khi chọn quạt giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt” [13]

Hình 3.16 Các dạng quạt ly tâm theo chiều quay của giá đỡ 3.3.4.2 Cách chọn quạt

Như đã biết, các nước phát triển quạt được chế tạo theo các tiêu chuẩn quốc gia

Do đó, khi chọn quạt thì nên quan tâm tới hai thông số năng suất V và cột áp p chúng ta cần biết các quy chuẩn của quốc gia sản xuất quạt đó Đối với Liên Xô và CHI.B Nga ngày nay quạt sản xuất ra được đánh số, ví dụ quạt số N03, N04 v.v , hướng quay (quay phải hay quay trái), cột áp tổng (hạ áp, trung áp, cao áp) và cách nối trục Bên cạnh đó, mỗi loại quạt, nhà sản xuất còn cho một biểu đồ đặc trưng Chẳng hạn, biểu đồ đặc trưng của các quạt số N03 - N06 do Liên Xô chế tạo cho trên hình 15.5 Phần trên của trục tung ở góc vuông I của biểu đồ người ta dặt cột áp tổng của quạt p (mmH,0) Phần dưới của trục tung ở góc vuông IV - năng suất quạt V (m 3 /h) và trục hoành - tốc độ không khí v (m/s) Trên biểu đồ có các đường sau đây:

- Các đường thắng dốc xuống phía dưới biểu diễn quan hệ của các số liệu quạt với tốc dộ không khí

- Các dường hiệu suất của quạt n không đổi

- Đường biểu thị cột áp động của quạt (dường cong dưới cùng trong phần góc vuông l)

Các dường có đặc trưng A không đổi Ở dây, A bằng tích của số vòng quay n với số hiệu quạt Do đó, khi đã xác dịnh được đặc trưng A và số liệu quạt ta sẽ tính dược số vòng quay của quạt tương ứng

Hình 3.17 Đặc trưng quạt ly tâm

Ví dụ: Cần chọn quạt đáp ứng năng suất ở điều kiện tiêu chuẩn V0 = 5000m 3 /h với cột áp cần tạo cân bằng p = 20mmH2O Theo biểu đồ trên hình 3.15 tất cả cá quạt từ N03 - N06 đều có thể thỏa mãn năng suất và cột áp yêu cầu [13]

Chẳng hạn, nếu ta chọn quạt N03 Khi đ, theo biểu đồ ta có A = 6000, pd = 80 mmH2O và hiệu suất quạt  = 45% Do đó

 Số vòng quay của quạt: n = 6000

Tương tự, nếu chọn quạt N04 ta được: A = 5500, pd mmH2O và  = 57% Khi đó:

pt = p - pd = 120 – 20 = 100 mmH2O Còn nếu chọn quạt N05 ta được: A = 5760, pd < 10mmH2O và  = 55% Khi đó:

Cuối cùng, nếu chọn quạt số N06 thì hiệu suất của quạt chỉ đạt 0,45 Như vậy với ví dụ trên đây các quạt N03, N04, N05 và N06 tuy đều đáp ứng được năng suất và cột áp yêu cầu nhưng hiệu suất quạt thay đổi từ 0,45 đến 0.57 Đo đó, chọn quạt số

N04 là tối ưu nhất với hiệu suất quạt n = 0,57

Các công thức trên được trích: (Trần Văn Phú, Kỹ thuật nhiệt, chương 15, pp 228-232,

Thi công phần cơ khí

Hình 3.19 Điện trở nhiệt và cảm biến nhiệt độ Pt100

Hình 3.20 DC điều khiển vị trí rãi

Hình 3.21 Cơ cấu cắt và rãi

Hình 3.22 Động cơ gạt sản phẩm

Hình 3.23 Dao cắt sản phẩm

Hình 3.24 Mô hình sau khi hoàn thiện

Thiết kế phần điện

Hình 3.25 Sơ đồ đấu dây CAD

Hình 3.26 Thiết kế phần điện CAD

Thi công phần điện

Hình 3.27 Plc và nguồn tổ ong

Hình 3.29 Driver điều khiển Step

Hoàn thiện mô hình

Hình 3.30 Hoàn thiện mô hình

GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Quy trình hoạt động của hệ thống

Hệ thống sấy chuối tự động có quy trình hoạt động như sau:

1 Cấp phôi cho cơ cấu cắt

2 Đặt nhiệt độ và thời gian phù hợp mâm sấy tự động

3 Phôi sẽ được đưa vào dao cắt

4 Dao cắt hoạt động đồng thời với hệ thống cung cấp phôi và bắt đầu cắt phôi

5 Mâm sấy hoạt động đồng thời với hệ thống dao cắt

6 Hệ thống tiến hành đồng thời di chuyển giữa mâm sấy và trục mâm dao cắt để rải phôi

7 Sau khi quy trình cắt rãi được hoàn thành thì mâm sấy sẽ được đẩy vào lò sấy

9 Tiến hành sấy ( PID nhiệt độ )

10 Sau khi sấy xong chuối sấy sẽ được gạt xuống khay chứa

Lưu đồ hệ thống

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật của mâm sấy

Khi bắt đầu quy trình, mâm sấy sẽ di chuyển đến điểm để nhận sản phẩm sấy- chuối và bắt đầu nhận sản phẩm Khi hoàn thành việc nhận sản phẩm mâm sấy sẽ được đẩy vào trong lò và tiến hành sấy Sấy xong mâm sấy được đưa ra và sẽ gạt sản phẩm sấy xuống khay chứa

Hình 4.2 Lưu đồ cơ cấu cắt rải chuối

Bắt đầu với quy trình cắt, rãi Hệ thống sẽ kiểm tra xem có phôi hay không nếu có phôi thì sẽ tiếp tục kiểm tra xem mâm sấy đã đến đúng vị trí nhận sản phẩm hay chưa Nếu đúng vị trí thì sẽ tiếp hành cắt và rãi cho mâm sấy

Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật PID nhiệt độ

Khi bắt đầu nhập giá trị nhiệt độ mong muốn mà hệ thống cần duy trì (SP), sử dụng cảm biến để đo nhiệt độ hiện tại (PV) sau đó tính sai số : e = SP – PV Tiếp theo tính toán đầu ra điều khiển dựa trên các thành phần P, I và D, điều chỉnh đầu ra nhiệt để giảm sải số Quay lại bước đo nhiệt độ thực tế và lặp lại quá trình

Cài đặt phần mềm

1 Chọn Create new project để tạo Project mới

2 Vào Configure a device Add new device

3 Vào Add new device  PC systems  PC genaral  PC station để thêm màn hình lập trình SCADA

4 Sau khi thêm xong vào Communications module(phía bên phải) 

PROFINET/Ethernet chọn IE genaral

5 Tiếp theo vào Devices & networks kết nối PLC

6 Vào PLC tags  Default tag table để tạo kiểu dữ liệu và địa chỉ cho PLC 4.3.2 Các hàm lệnh chính

Hình 4.4 Các hàm chính 4.3.2.2 Lệnh NORM_X và SCALE_X

Lệnh NORM_X dùng để chuẩn hóa một giá trị thực tế từ phạm vi đo lường cụ thể của cảm biến hoặc thiết bị đầu ra thành giá trị tín hiệu analog chuẩn hóa (0 - 1)

Hoạt động của lệnh NORM_X:

- VALUE: Giá trị đầu vào thực tế từ cảm biến hoặc thiết bị đầu ra

- MIN: Giới hạn dưới của phạm vi đo lường thực tế

- MAX: Giới hạn trên của phạm vi đo lường thực tế

- OUT: Giá trị đầu ra đã được chuẩn hóa (0-1)

Lệnh SCALE_X dùng để chuyển đổi một giá trị tín hiệu analog đã được chuẩn hóa (0-1) thành giá trị thực tế tương ứng với phạm vi đo lường cụ thể của cảm biến hoặc thiết bị đầu ra

Hoạt động của lệnh SCALE_X:

- VALUE: Giá trị đầu vào đã được chuẩn hóa (0-1)

- MAX: Giới hạn trên của phạm vi đo lường thực tế

- MIN: Giới hạn dưới của phạm vi đo lường thực tế

- OUT: Giá trị đầu ra tương ứng với phạm vi đo lường thực tế

4.3.2.3 Các lệnh dùng trong điều khiển vị trí

1 Vào mục Technology object Add new object

2 Chọn TO_PositioningAxis  Automatic  OK

3 Bấm vào Configuration  General Chọn PTO(Pulse Train Output)

4 Vào Drive cài đặt chân phát xung và hướng chạy của động cơ

5 Vào Mechanics để cài đặt độ phân giải của step và vít me

MC_Power : kích hoạt hoặc ngắt nguồn cho trục động cơ

Hình 4.7 Lệnh MC_Power MC_Home: thiết lập điểm gốc cho trục động cơ

MC_MoveAbsolute: Di chuyển trục động cơ đến vị trí tuyệt đối được chỉ định

 MC_MoveRelative: Di chuyển trục động cơ một khoảng cách tương đối so với vị trí hiện tại

Hình 4.10 Lệnh MC_MoveRelative 4.3.2.4 Điều khiển PID

Vào Program Block  add new block

Hình 4.11 Tạo OB ngắt theo thời gian

Hình 4.12 Khởi tạo khối ngắt theo thời gian

Tiếp theo tạo PID_Compact

Vào biểu tượng khoan đỏ, ở mục đầu tiên Controller type  Enable last mode after cpu restart

Hình 4.14 Cài đặt tiêu chuẩn PID

Phần Input/ output parameters cài đặt kiểu ngõ vào

Hình 4.15 Cài đặt input/output cho PID

Chọn phần PID Parameters  cài đặt thông số PID

Hình 4.16 Cài đặt tham số cho bộ PID

KẾT QUẢ - NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Kết quả

Mô hình đáp ứng được những yêu cầu sau:

- Hệ thống hoạt đổng ổn định, chất lượng sản phẩm cho ra khá tốt

- Cơ cấu cắt chuối: Ổn định tuy nhiên những lát cắt chưa đồng đều

- Cơ cấu rải chuối: Di chuyển đến các vị trí phù hợp, rải chuối một cách hiệu quả

- Hệ thống sấy: Duy trì nhiệt độ ổn định, chuối đạt được độ khô mong muốn mà không làm mất chất lượng

Bảng 5.1 Bảng số liệu kết quả chuối sấy ở 40 0 C

Thời gian sấy (phút) Độ ẩm ban đầu

Lưu ý: Các kết quả được đánh giá bằng mắt thường và cảm nhận cá nhân nên có thể có sai số Để đảm bảo độ chính xác cao hơn, nên sử dụng các phương pháp đo lường chuyên nghiệp và nhiều lần lặp lại thí nghiệm để giảm thiểu sai số.

Nhận xét và đánh giá

Sau vài tháng tìm tòi, điều khiển và chạy thử nghiệm mô hình, dưới đây là một số ưu nhược điểm của hệ thống

- Các thiết lập vị trí cho động cơ hoạt động hiệu quả và khá chính xác

- Điều khiển nhiệt độ hiệu quả

- Thiết kế tối ưu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí vận hành

- An toàn vệ sinh thực phẩm

- Tốc độ cắt còn chậm

Tiêu đề	Điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động
Tác giả	Đoàn Minh Thư, Phan Tấn Đệ
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Thể loại	Khóa luận tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	9,01 MB