NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY RANG CÀ PHÊ ỨNG DỤNG PLC S7200

Kết quả thu được:  Mô hình máy rang cà phê được thiết kế theo phương pháp dùng không khí nóng để rang.Với bộ phát nhiệt là điện trở đốt nóng,cấu tạo máy gồm có lồng rang,bộ phận làm ngu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY

RANG CÀ PHÊ ỨNG DỤNG PLC S7-200

Họ và tên sinh viên: ĐỖ NGUYÊN ĐÌNH

NGUYỄN HẢI DƯƠNG Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ

Niên học: 2007-2011

Tháng 06 năm 2011

NGHIÊN CỨU ,THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY RANG CÀ PHÊ ỨNG

DỤNG PLC S7-200

Sinh viên thực hiện

ĐỖ NGUYÊN ĐÌNH NGUYỄN HẢI DƯƠNG

Khóa luân được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Văn Hùng

Tháng 6 năm 2011

Em cũng xin bài tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Văn Hùng

đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin cảm ơn quý Thầy / Cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn

bè đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

Sinh viên thực hiện

ĐỖ NGUYÊN ĐÌNH NGUYỄN HẢI DƯƠNG

TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu,thiết kế,chế tạo mô hình máy rang ứng dụng PLC S7-200”

Được tiến hành tại bộ môn cơ điện tử trường đại học Nông Lâm TP.HCM, năm 2011

Kết quả thu được:

 Mô hình máy rang cà phê được thiết kế theo phương pháp dùng không khí nóng

để rang.Với bộ phát nhiệt là điện trở đốt nóng,cấu tạo máy gồm có lồng rang,bộ phận làm nguội nhanh,bộ phận điều khiển

 Kết quả thiết kế: Máy rang cà phê có 2 chế độ rang: rang tự động và rang thủ công.Nhiệt độ của cà phê được giám sát bởi đồng hồ hiển thị có bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ ra tín hiệu dòng 4-20 mA ,bộ phát nhiệt điện trở được điều khiển từng cấp

 Kết quả khảo nghiệm: vận tốc lồng rang cà phê là 50 vòng/phút,giúp cho cà phê không bị cháy khét,và vận tốc cánh đảo làm mát cà phê là 40 vòng/phút cùng với quạt thổi,giúp cho cà phê được đảo đều và nguội nhanh Việc làm nguội nhanh để cà phê không hấp thụ các mùi vị lạ,và thuận lợi cho việc cho thêm gia vị Cà phê được rang chín trong khoảng từ 18-25 phút

CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

3.2 Một số thiết bị,chương trình sử dụng trong quá trình nghiên cứu 38

CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

4.3.3 Kết nối giữa Pt100 với đồng hồ hiển thị và EM 235 49

CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 58

5.2 Đề nghị 58

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1 Cấu tạo quả cà phê 3

Hình 2.2 Nhân cà phê 4

Hình 2.3 Nhân cà phê vối (Robusta) 5

Hình 2.4 Nhân cà phê chè (Arabica) 5

Hình 2.5 Nhân cà phê mít (Excelsa) 5

Hình 2.5 chảo rang dùng củi đốt,cà phê được đảo đều hoàn toàn bằng thủ công 9

Hình 2.6 Chảo rang dùng bếp điện, cánh đảo cà phê được quay bằng motor 10

Hình 2.7 Cà phê được cho vào chảo 10

Hình 2.8 Qúa trình rang được bắt đầu 10

Hình 2.9 Mô hình máy rang dùng không khí nóng 11

Hình 2.10 Máy rang kiểu lồng cầu cũ 11

Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo máy rang thùng quay,dùng không khí nóng để rang 12

Hình 2.12 Dây đốt kiểu lò xo 18

Hình 2.13 Dây đốt kiểu dích dắc 18

Hình 2.14 Cấu tạo dây đốt kín hình chữ U 19

Hình 2.15 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD 22

Hình 2.16 Sơ đồ khối tổng quát của CPU 22

Hình 2.22 Sơ đồ kết nối thiết bị ngoại vi với EM235 33

Hình 2.23 Hình sơ đồ chỉnh độ lợi (Gain) và Offset 34

Hình 2.24 Sơ đồ khối ngõ vào EM235 36

Hình 2.25 Sơ đồ khối ngõ ra của EM 235 37

Hình 4.1 Mô hình máy rang 41

Hình 4.2 Sơ đồ khối của mô hình 42

Hình 4.10 Sơ đồ khối điều khiển 47

Hình 4.11 Cấu tạo Analog 48

Hình 4.12 Cấu tạo S7-200 48

Hình 4.13 Sơ đồ ngõ vào ngõ ra CPU 222 49

Hình 4.14 Sơ đồ kết nối với EM 235 49

Hinh 4.15 Sơ đồ kết nối Pt100-TZN4M-EM235 50

Hình 4.16 Biểu đồ nhiệt độ của 2 lần rang 54

Hình 4.19 Biểu đồ nhiệt độ so sánh giữa máy mô hình và máy thực tế 56 Hình 4.20 Mẫu cà phê của máy mô hình (Mẻ thứ nhất) 57

Hình 4.21 Mẫu cà phê của máy thực tế (Mẻ thứ nhất) 57

Hình 4.20 Mẫu cà phê của máy mô hình (Mẻ thứ hai) 57

Hình 4.21 Mẫu cà phê của máy thực tế (Mẻ thứ hai) 57

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng tỷ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê 4

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê 6

Bảng 2.3 Dây điện trở có tiết diện hình tròn 13

Bảng2.4 Dây điện trở có tiết diện hình chữ nhật 13

Bảng2.5 Đặc tính vật liệu chế tạo dây điện trở 14

Bảng 2.6 Chọn điện áp hoặc dòng ngõ vào đối với module EM235 34

Bảng 2.7 Chỉnh độ lợi và độ suy giảm 36

Bảng 3.1 Màu sắc và trạng thái của cà phê 39

Bảng 4.1 Màu sắc và trạng thái của cà phê 40

Bảng 4.2 Kết quả của 2 lần rang 55

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Việt Nam là nước đứng thứ 2 thế giới xuất khẩu cà phê.Tuy nhiên,công nghệ chế biến cà phê vẫn còn thô sơ dẫn đến chất lượng cà phê bị giảm.Đặc biệt trong những năm gần đây,công nghệ rang cà phê rất lạc hậu,một số cơ sở sản xuất nhỏ lẻ còn dùng chảo rang tay.Đa phần dùng than hay củi để rang cà phê,dẫn đến khí thải môi trường bị ô nhiễm.Việc dùng than,củi để rang dẫn đến cà phê bị chai,bị mất mùi vì khó kiểm soát nhiệt độ rang.Thời gian rang còn có thể vượt quá mức quy định cho phép là từ 18-25 phút trên một mẻ rang Tuy nhiên cũng có một số tổ chức,công ty luôn lấy chất lượng là trên hết,cung cấp trên thị trường là những hạt cà phê siêu sạch như cà phê Buôn MêThuột,cà phê Trung Nguyên,cà phê Bảo Lộc, với mùi vị đặc trưng của từng công ty.Xu hướng của các máy rang cà phê hiện đại là dùng gas đối với máy rang công suất lớn như 10 kg,30 kg,60 kg ,còn đối với máy rang công suất nhỏ thì dùng điện trở đốt nóng ,công suất tầm

500 g,1 kg,2 kg.Với nguồn nhiệt là gas và điện trở,nhiệt độ trong quá trình rang được điều khiển chính xác hơn,đảm bảo cà phê được rang chín,có mùi thơm ngon,thời gian rang không vượt qua 25 phút /mẻ ở bất kỳ công suất Và nhiệt độ khí thải luôn sạch,không gây

ô nhiễm môi trường

Từ những vấn đề nêu trên cùng với sự cho phép của Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí Công Nghệ với sự hướng dẫn của thầy Tiến Sĩ Nguyễn Văn Hùng,bộ môn Cơ Điện Tử,chúng tôi thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu,thiết kế,chế tạo,mô hình máy rang cà phê ứng dụng PLC S7-200”

1.2 Mục đích nghiên cứu

Việc nghiên cứu và chế tạo máy rang cà phê với công suất nhỏ với mục tiêu định hướng cung cấp được cho thị trường với thế hệ máy kiểu văn phòng,gia đình.Nghiên cứu công nghệ rang hiện đại nhằm tạo ra thành phẩm cà phê chất lượng,đáp ứng được kỳ vọng thưởng thức của người tiêu dùng.Với Nghiên cứu và chế tạo máy rang công suất nhỏ còn

có thể định hướng chế tạo máy rang công suất lớn ,đáp ứng cho dòng máy kiểu công nghiệp,kiểu kinh doanh

Chương 2

TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về cà phê

2.1.1 Cấu tạo giải phẫu của quả cà Phê

Qủa cà phê gồm những phần sau: lớp vỏ quả,lớp nhớt,lớp vỏ trấu,lớp vỏ lụa,nhân

Hình 2.1 Cấu tạo quả cà phê

+Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài,mềm,ngoài bì có màu đỏ,vỏ của quả cà phê chè (Arabica) mềm hơn cà phê vối (Robusta) và cà phê mít(Excelsa)

+Dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt gọi chung là trung bì,vỏ thịt cà phê chè

mềm,chứa nhiều chất ngọt,dễ xay xát hơn,vỏ cà phê mít cứng và dày hơn

+Hạt cà phê sau khi loại bỏ các chất nhờn và phôi khô gọi là cà phê thóc,vì bao bọc nhân cà phê là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là “vỏ trấu” tức là nội bì.Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ đập hơn cà phê vối và cà phê mít

+Xác cà phê thóc còn có một lớp vỏ mỏng ,mềm đó là vỏ lụa,chúng có màu sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê.Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng và

dễ bong ra khỏi hạt qua quá trình chế biến.Vỏ cà phê vối có màu nâu nhạt.Vỏ cà phê mít màu vàng nhạt bám sát cà phê nhân

+Trong cùng là nhân cà phê,lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng có những tế bào

nhỏ,trong có chứa chất dầu.Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn.Một quả cà phê

thường có 2 hoặc 3 nhân,thông thường có 2 nhân

Bảng 2.1 Bảng tỷ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê (tính theo phần trăm quả tươi)

Các loại vỏ và nhân Cà phê chè(Arabica)(%) Cà phê vối(Robusta)(%)

Vỏ quả 43-45 41-42 Lớp nhớt 20-23 21-42

Vỏ trấu 6-7,5 6-8

2.1.2 Cấu tạo của nhân cà phê

Nhân cà phê bao gồm phôi và mô dinh dưỡng

Hình 2.2 Nhân cà phê

Tùy vào giống cà phê mà nhân cà phê có những màu sắc khác nhau,thành phần hóa

học khác nhau,ảnh hưở ng đến quá trình rang cà phê.Dưới đây là nhân cà phê của 3 loại

giống phổ biến hiện nay:

Hình 2.3 Nhân cà phê vối (Robusta)

Hình 2.4 Nhân cà phê chè (Arabica)

Hình 2.5 Nhân cà phê mít (Excelsa)

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê

2.1.3 Tính chất vật lý của cà phê nhân

Cà phê nhân được bốc ra ra từ cà phê thóc Cà phê nhân có hình dáng bầu dục, có chiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng 0,5cm

-Khối lượng riêng: p=650kg/m3

-Nhiệt dung riêng :C=0,37Kcal/Kg 0C

-Độ ẩm ban đầu của nhân cà phê là 20%

-Độ ẩm bảo quản của nhân cà phê là 12%

-Độ ẩm sau khi rang của cà phê nhân là 0.5%

2.2 Quy trình sản xuất cà phê rang

Hạt to Hạt nhỏ

Trong các công đoạn trên,công đoạn quyết định chất lượng cà phê là công đoạn xử

lý nguyên liệu,phân loại theo kích thước,rang và làm nguội

+Xử lý nguyên liệu

Trong quá trình bảo quản,cà phê nhân dễ hấp thụ nhiều mùi vị lạ,đặc biệt là mùi mốc.Do đó,cần phải xử lý nguyên liệu.Các phương pháp xử lý nguyên liệu như sau: -Xử lý bằng nước: Áp dụng đối với những nguyên liệu cà phê chất lượng cao (trong thời gian bảo quản không bị mốc).Nguyên liệu cà phê nhân được ngâm trong nước khoảng 5 phút,nước sẽ ngấm vào mao quản của hạt cà phê và hòa tan các mùi vị lạ,sau đó

cà phê được vớt ra và để ráo

-Xử lý bằng dung môi hữu cơ: Áp dụng đối với những nguyên liệu kém chất lượng hơn.Dung môi thường được dùng là rượu eetylic nồng độ 20% thể tích,thời gian xử lý là 5÷10 phút,sau đó vớt ra để ráo

Thường thì cà phê nhân sau khi xử lý,làm sạch,được đưa lên băng chuyền nghiêng có gờ,đục lỗ lưới với đường kính 3mm để làm ráo nguyên liệu trước khi lên sàng để tách tạp chất và phân loại

+Phân loại theo kích thước:

Cà phê nhân trong quá trình bảo quản ,một phần sẽ bị gãy nát.Do đó cà phê nhân trước khi đem đi rang ,cần phải phân loại theo kích thước để khối hạt có kích thước đồng

đều,tạo cho quá trình rang được dễ dàng và đều đặn hơn,thông thường người ta dùng hệ thống sàng lắc gồm 2÷3 lưới sàng để phân loại.Qúa trình phân loại nguyên liệu gồm 2 thành phần: phần lọt sàng gồm các hạt gãy vỡ,phần không lọt sàng là các hạt nguyên

-Giai đoạn nổ lần một: Kích cỡ của hạt tăng gấp đôi trong khi trọng lượng giảm.Qúa trình này làm nổ hạt cà phê.Màu của hạt bắt đầu chuyển sang màu nâu nhạt,sau

đó tới nâu vừa.Cấu trúc hóa học bắt đầu thay đổi ở giai đoạn này

-Giai đoạn nổ lần hai:Hạt cà phê bắt đầu tỏa nhiệt,đường trong hạt cà phê bắt đầu được Caramen hóa,tạo ra dầu cà phê

+Làm nguội

Sau khi rang,các chất thơm nhạy cảm bởi nhiệt rất dễ bay hơi làm giảm phẩm chất của cà phê.Do đó ,cần phải tiến hành làm nguội nhanh.Cà phê được làm nguội bằng dòng không khí được tạo bởi quạt thổi,kết hợp với phun ẩm và phun rượu nhằm mục đích tạo độ ẩm bảo quản là <13%.Vì cà phê sau khi rang,độ ẩm chỉ còn 0,5÷1% ,với độ ẩm này thì cà phê

dễ hấp thụ các mùi vị lạ.Việc phun rượu còn tạo ra được phản ứng Este hóa,giúp cà phê thơm,ngon

2.3 Phương pháp rang cà phê

Hình 2.6 Chảo rang dùng bếp điện, cánh đảo cà phê được quay bằng motor

Nguyên lý của máy rang dùng không khí nóng như sau:

Cà phê sống (hạt có màu xanh tùy vào giống,chủng loại) vào thành rang có cánh đảo.Sau đó không khí nóngđể rang cà phê sau khi được làm nóng một khoảng thời gian nhất định,không khí nóng được cho vào thành rang cà phê.Sau một khoảng thời gian

cà phê được rang thành phẩm,cà phê được cho vào thùng làm nguội.Qúa trình làm nguội nhờ quạt thổi

Hình 2.9 Mô hình máy rang dùng không khí nóng 2.4 Các loại máy rang từ trước tới nay

a.Máy rang kiểu lồng cầu

Máy rang có kết cấu đơn giản,một cái lồng cầu được thiết kế như quả bóng bằng sắt,thiết kế có cửa mở và được motor kéo qua 2 cần trục gác qua.Bên trong lồng cầu có thể chứa 30,50,100 kg/mẻ

Hình 2.10 Máy rang kiểu lồng cầu cũ

1.Cần trục ;2.Động cơ kéo;3.Lồng cầu sắt

+Ưu điểm

Máy dễ chế tạo,đơn giản,giá thành rẻ

+Nhược điểm

Trong quá trình rang,xuất hiện nhiều khói bụi,gây ô nhiễm môi trường.Thời gian rang chín là 35-60 phút,làm cà phê bị chai,không đúng với tiến trình nở và chín của

cà phê

b.Máy rang kiểu thùng quay

Máy rang gồm những bộ phận chính như lồng rang có cánh đảo,cửa mở vừa thoát vỏ lụa vừa nạp nguyên liệu vào,thùng sấy cà phê

Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo máy rang thùng quay,dùng không khí nóng để rang

3.Lồng rang;31.Trục lồng rang;28.Cửa nạp cà phê sống

64 Ống thoát vỏ lụa;65.Hộp đựng vỏ lụa

+Ưu điểm

Cà phê được rang chín đều,thời gian rang là 18-25 phút,cà phê không bị chai.Trong quá trình rang ít khói bụi,đặc biệt là vỏ lụa của cà phê,có hệ thống lọc bụi,vỏ lụa

+Nhược điểm

Kết cấu phức tạp,giá thành cao

2.5 Tổng quan về dây đốt điện trở

2.5.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt

Dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule.Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thõa mãn các yêu cầu:

-Khả năng chịu nhiệt tốt,không bị oxi hóa trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao

-Bền nhiệt cao,bền cơ học tốt,dây điện trở không được biến dạng

-Điện trở suất lớn,tạo cho dây điện trở có cấu trúc nhẹ,khi cùng đáp ứng một công suất theo yêu cầu

-Hệ số nhiệt điện trở nhỏ(α,β),nghĩa là nhiệt độ càng cao thì điện trở càng lớn -kích thước hình học phải ổn định,ít thay đổi hình dáng ở nhiệt độ làm việc

-Các tính chất điện phải cố định

-Dễ gia công: kéo dây,dễ hàn,đối với vật liệu phi kim loại cần ép khuôn được

2.5.2 Vật liệu làm dây đốt

Một số vật liệu đáp ứng tốt các yêu chính trên để chế tạo dây điện trở.Các vật liệu

đó là hợp kim Nicken và Crôm,thường gọi là “Nicrôm”,và hợp kim của Crôm và Nhôm Cacbonrun

+Hợp kim Nicrôm

Hợp kim Nicrôm có độ bền nhiệt tốt vì có mảng lớp oxit crôm (Cr2O3),bảo vệ rất chặt,chịu sự thay đổi nhiệt độ tốt,nên có thể làm việc trong các lò có chế độ làm việc gián đoạn.Hợp kim Nicrôm có cơ tính ở nhiệt độ thường cũng như ở nhiệt độ cao,dẻo,dễ gia công,dễ hàn,điện trở suất lớn,hệ số nhiệt điện trở nhỏ,không có hiện tượng giã hóa

Nicrôm là vật liệu đắt tiền,nên người ta có khuynh hướng tìm vật liệu khác để thay thế

+Hợp kim Sắt-Crôm-Nhôm

Hợp kim này chịu đựng được nhiệt độ cao,thõa mãn các tính chất điện,nhưng có nhược điểm là giòn,khó gia công,kém bền cơ học ở nhiệt độ cao.Vì thế cần thiết tránh các tác động tải trọng của chính dây điện trở.Một nhược điểm nữa là hơp kim này ở nhiệt độ cao,dễ bị các oxit sắt,oxit SiO2 ,tác động hóa học,phá hoại lớp màng bảo vệ của các oxit như Al2O3,Cr2O3.Vì vậy,ở trong lò,nơi tiếp xúc với hợp kim này phải là vật liệu chứa nhiều Alumin (Al2O3≥ 70%,Fe2O3 ≤ 1%)

Độ dãn dài tới 30-40%,gây khó khăn khi lắp đặt,cấn tránh đoạn mạch khi dây giãn dài và

bị cong

Ở Liên Xô cũ người ta chế tạo 2 hợp kim ЭИ-595 và ЭИ-626,nhiệt độ làm việc đạt 1300°C,ở 1000°C chúng có độ dẻo cao.Chúng là hợp kim crôm có hàm lượng lớn,được

biến tính bằng một lượng nhỏ các kim loại kiềm thổ,nên tăng độ dẻo

Các dây điện trở được tiêu chuẩn hóa khi sản xuất.Dây điện trở bằng hợp kim:

X13I04;OX23IO3(ЭИ-595);OX2710A(ЭИ-626);X20H80,có đường kính dây như sau:

Bảng 2.3 Dây điện trở có tiết diện hình tròn d(mm)

Những kích thước được dùng phổ biến nhất:

-Dây điện trở có dạng xoắn lo xo,đường kính dây: 5 mm;5,5mm;6 mm;6,5 mm; 7

Bảng 2.5 Đặc tính vật liệu chế tạo dây điện trở

Vật liệu làm

dây điện trở

Trọng lượng riêng

ở 20°C,g/cm3

Điện trở suất

ở 0°C ,Ωmm2/m

Hệ số nhiệt điện trở α.103

Nhiệt độ chảy lỏng

°C

Nhiệt độ làm việc cực đại °C

Nhiệt độ làm việc °C Làm việc liên tục

Làm việc gián đoạn

Ghi chú: * Trong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ

** Trọng lượng riêng thay bằng trọng lượng đồng ρ1=ρ0(1+αt)

2.5.3 Vật liệu phi kim loại

+Vật liệu Cacbonrun (SiC)

Các thanh Cacbonrun chỉ khác nhau về cấu trúc cũng như phương pháp chế

tạo.Cacbonrun chịu được nhiệt độ từ 1350-1450°C.Điện trở suất của Cacbonrun lớn hơn

nhiều so với kim loại,chúng đạt tới 800-1900 Ωmm2/m Vì vậy các thanh Cacbonrun

thường có tiết diện lớn.Các thanh Cacbonrun giòn,tăng nhiệt độ khi nung,nên cần phải

nâng nhiệt độ từ từ khi sử dụng chúng.Khi làm việc,thanh nung Cacbonrun bị giã hóa

(điện trở tăng lên khi tăng thời gian sử dụng).Sau 60-80 h làm việc đầu tiên,điện trở tăng

20%,sau đó tăng chậm hơn

Vì điện trở tăng dần do bị già hóa.Vì vậy muốn đảm bảo công suất cần phải tăng

điện áp cấp cho nó(vì P=U2/R),Người ta thường dùng máy biến áp nhiều nấc để điều

chỉnh điện áp thứ cấp để điều khiển thanh nung Cacbonrun.Thời gian làm việc của thanh

nung Cacbonrun là 1000-2000 h,khi nhiệt làm việc là 1400 °C.Nếu nhiệt làm việc cao

hơn 1400 °C thì thời gian làm việc giảm xuống.Nếu nhiệt độ làm việc là 1200-1300 °C thì

thời gian làm việc tăng 2-3 lần so với 1400 °C.Do các thanh nung bị già hóa khác nhau,ta không nên đấu nối tiếp các thanh nung lại với nhau.Thanh nung Cacbonrun thường có

dạng hình ống,tiết diện hai đầu thường lớn hơn tiết diện thân 6-8 lần để hạn chế sự tỏa

nhiệt ở hai đầu

+Than và Grafit

Than và Grafit được dùng chế tạo dây đốt dưới dạng thanh,ống,tấm hoặc nồi,trộn

thêm một lượng nhỏ famôt vào grafit để tăng độ bền nhưng lại làm giảm nhiệt độ làm

việc,tăng điện trở suất.Khi nung than và grafit thì dễ bị oxi hóa trong không khí,nên

thường dùng ở nơi có khí bảo vệ hoặc tính toán thời gian làm việc ngắn

+Cripton

Cripton là hỗn hợp của grafit,cacbon và đất sét.Chúng được tạo hạt có đường kính 2-3 mm.Ở dạng hạt,xuất hiện điện trở tiếp xuất giữa các hạt,nên điện trở suất của cripton lớn hơn điện trở suất của grafit và than.Điện trở suất của cripton phụ thuộc nhiều vào độ nén chặt.Một số thí nghiệm cho thấy cripton bị cháy dần khi làm việc ở nhiệt độ 1800 °C

2.5.4 Cấu tạo dây đốt điện trở

Với phương pháp là nung nóng điện trở,phân dây đốt làm hai loại,đó là dây đốt hở

-Ít bị oxi hóa,hư hỏng,thời gian sử dụng lâu

-Trong một số trường hợp làm tăng chất lượng sản phẩm

-Tăng hiệu suất

+Nhược điểm

-Truyền nhiệt kém hơn dây đốt hở

-Tạo nhiệt không cao

-Khi hư hỏng không thể sữa chữa được

Hình 2.14 : Cấu tạo dây đốt kín hình chữ U

-Vỏ kim loại làm bằng thép CT 5÷8 hoặc thép không gỉ

-Lớp ngăn cách giữa các phần tử nung nóng là vỏ,đảm bảo không dẫn điện,mà dẫn nhiệt,dùng bột thạch anh,bột MgO,…

-Phần tử nung nóng: Trong điều kiện tỏa nhiệt khó,khi hư hỏng khó sữa chữa nên phải được làm bằng vật liệu tốt,thường dùng Cr2Ni80.Người ta hàn đầu nối trong những thiết bị nung nóng với đầu ra để nối dây dẫn,để đưa điện vào sợi đốt

-Loại này được dùng phổ biến trong những thiết bị nung nóng trực tiếp như

nước,dung dịch,dầu…

2.6.Cảm biến nhiệt loại nhiệt điện trở

+Vật liệu

Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:

-Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ

-Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu,không triệt tiêu -Có đủ độ bền cơ,hóa ở nhiệt độ làm việc

-Dễ gia công và có khả năng thay lẫn.Các cảm biến nhiệt được chế tạo bằng Pt và Ni,ngoài ra còn dùng Cu,W

++Đối với Platin

-Có thể chế tạo với độ tinh thiết rất cao(99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện

-Có tính trơ về mặt hóa học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do có đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng

-Hệ số nhiệt điện trở ở 0°C là 3,9.10-3/°C

-Điện trở ở 100°C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0°C

-Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200°C÷1000°C

++Đối với Nikel

-Có độ nhạy nhiệt cao,bằng 4,7.10-3/°C

++Đối với Vonfram

Vonfram có độ nhạy nhiệt cao và độ tuyến tính cao hơn Platin,có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn.Vonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các

điện trở cao với kích thước nhỏ.Tuy nhiên,ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ ,do đó giảm tính ổn định của điện trở

+Cấu tạo nhiệt điện trở

Để tránh sự làm nóng đầu đo,dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn

Muốn vậy phải đảm giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây.Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây,độ bền lại thấp,dây điện trở dễ bi đứt,việc tăng chiều dài dây thì làm tăng kích thước điện trở.Để hợp lý,người ta thường chọn điện trở R ở 0°C có giá trị khoảng

100 Ω,khi đó với điện trở Platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dà khoảng 10 cm,sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1 cm.Các cảm nhiệt loại này thường có điện trở 0°C là 50 Ω,100 Ω,1000 Ω,các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp

+Sơ đồ cấu tạo của can nhiệt điện trở

Dây điện trở được quấn thành 2 đường song song trên tấm mica 1có khứa răng cưa.Hai đầu của dây điện trở được hàn lên 2 dây nối 4 băng bạc (nếu nhiệt độ đo nhỏ hơn 100°C có thể dùng dây đồng)

Hai là mica 2 được ép hai phía lá 1 để cách điện dây điện trở với vỏ,ống nhôm 3 bảo vệ dây điện trở và các tấm mica khỏi tác động cơ học.Hai dây dẫn được cách điện bằng các ống 5.Còn đầu cuối của chúng được nối với 2 cốt đầu 8 để nối mạch với bên ngoài

Vỏ bảo vệ bằng kim loại 6 được gắn chặt lên đầu nối 9 của can nhiệt điện trở.Hệ thống dây điện trở,dây dẫn,và cốt đấu được gắn chặt lên đầu nối qua tấm lót cách điện 7.Tấm lót này còn đóng vai trò ngăn không cho nước xâm nhập vào trong lòng can nhiệt điện trở

Trong một số can nhiệt điện trở để giảm quán tính nhiệt,người ta ghép thêm các lá đua mỏng đàn hồi vào giữa các lá mica để tăng khả năng truyền nhiệt từ vỏ bảo vệ vào dây điện trở

Hình 2.15 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD 2.7 Cấu trúc PLC

2.7.1 Giới thiệu

PLC gồm có hai phần: Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit : CPU)

và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0)

Hình 2.15 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

Khối xử lý trung tâm (CPU) gồm ba phần : Bộ xử lý, Hệ thống bộ nhớ và Hệ thống nguồn cung cấp Hình 2.2 mô tả 3 thành phần của một CPU

Hình 2.16 Sơ đồ khối tổng quát của CPU

2.7.2 Ngõ vào và ngõ ra

PLC nhận các ngõ vào và tác động đến ngõ ra để giám sát và điều khiển các quá trình Các ngõ vào và ra có thể phân chia thành 2 loại tiêu biểu: logic và liên tục Phần lớn PLC sử dụng các ngõ vào/ra logic cho các ứng dụng điều khiển Ngõ ra PLC được kết nối với thiết bị chấp hành để điều khiển hệ thống các thiết bị này gồm:

Điều khiển các đại lượng ra gián đoạn chỉ giới hạn trong các thiết bị có yêu cầu một trong hai trạng thái được chọn là ON/OFF, OPEN/CLOSED hay kéo /nén Các thiết bị gián đoạn thường gặp trong quá trình điều khiển máy và quá trình công nghệ gồm:

+ Thiết bị truyền tín hiệu,

+ Van con trượt,

+ Khởi động từ cho động cơ,

+ Rơ le nhiệt

Trong lúc hoạt động, mạch giao diện trên đầu ra của PLC bật điện áp điều khiển để truyền đến thiết bị ra Nếu tín hiệu ra được bật (ON) qua chương trình điều khiển, mạch giao diện sẽ để cho điện áp điều khiển kích hoạt thiết bị đầu ra

Các kênh vào số thuộc nhóm lớn nhất của tín hiệu bên ngoài trong các hệ thống PLC Thiết bị ngoại vi cung cấp tín hiệu vào số với hai giá trị khác hẳn nhau về bản chất, đặc trưng cho hai trạng thái đóng/mở, hay bật/tắt Các thiết bị gián đoạn thường xuất hiện phần lớn trong các ứng dụng điều khiển quá trình bao gồm:

+ Công tắc gạt

+ Công tắc nhiệt

+ Tiếp điểm khởi động động cơ

+ Cảm biến quang điện

 Mạch điện ngõ vào ra của PLC

+Ngõ vào

Ngõ vào thực là ngõ vào có các mạch điện chuyển đổi làm cho tín hiệu từ bên ngoài được chuyển đổi thành mức logic 0, hoặc 1 mà vi xử lý nhận biết được Ngõ vào ảo không có mạch điện, được qui định bên trong bộ nhớ Ta chỉ có thể dùng ngõ vào thực để kết nối với các tiếp điểm bên ngoài

Hình 2.17 Mạch ngõ vào của PLC

+Ngõ ra

Ngõ ra PLC có nhiệm vụ nhận và chuyển đổi mức logic 0 hoặc 1 từ vi xử lý thành tín hiệu điều khiển ra ngoài PLC sử dụng hai giải pháp để xuất tín hiệu đó là dùng Relay, transistor hoặc triac

Ngõ ra relay là dạng linh hoạt nhất cho việc sử dụng thiết bị chúng có khả năng đáp ứng cho cả tải AC và DC nhưng khả năng đáp ứng chậm.(10ms) kích thước lớn, chi phí cao và gây nhiễu Ngõ ra transitor chỉ sử dụng cho tải DC Ngõ ra triac chỉ sử dụng cho tải AC

Hình 2.18 Mạch ngỏ ra của PLC

Một vấn đề lớn cần quan tâm đối với ngõ ra sử dụng các nguồn kết hợp, sẽ rất tốt nếu

ta cách ly được các nguồn và giữa các chân mass riêng biệt nhau

Chú ý: các ngõ ra relay cho phép chúng sử dụng chân mass riêng, nhưng với các loại card ngõ ra khác yêu cầu ngõ ra trên mỗi card sử dụng chung chân mass

Card ngõ ra 24 VDC sử dụng chân mass chung

Hình 2.19 Card ngõ ra 24 VDC rút dòng (sinking)

Hình 2.20 Card ngõ ra 24VDC cấp dòng (sourcing)

Hình 2.21 Card ngõ ra relay

2.7.3 Relay

Mặc dù relay ít được sử dụng trong điều khiển logic nhưng chúng vẫn hiệu quả trong đóng mở các tải công suất lớn một số thuật ngữ quan trọng cần quan tâm trong điều khiển relay:

- Contactor: là loại relay đặc biệt dùng đóng ngắt các tải có dòng rất lớn

- Motor starter: sử dụng contactor mắc nối tiếp với relay chịu quá tải để cắt dòng quá lớn đi qua máy

- AC coil: khi cuộn dây relay được điều khiển bằng nguồn AC thì tiếp điểm của nó sẽ đóng mở dao động với cùng tần số của nguồn AC

ị vào ra khác Mặt trước PLC thường có các đèn chỉ thị trạng thái, bao gồm:

- Đèn báo nguồn

- Đèn chạy chương trình

- Đèn báo sự cố

Các đèn này thường dùng cho việc sửa lỗi

Ngoài ra phần cứng PLC có các nút nhấn, phổ biến nhất là nút chạy chương  trình. PLC  không  cần các công tắc on/off, hoặc reset Chúng thường được thiết kế bên trong

hệ thống

2.8 Hoạt động của PLC

2.8.1 Hoạt động tuần tự

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các ngõ vào (contact, sensor, relay ) vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh cuối cùng Sau đó là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các ngõ ra

- Đọc giá trị đầu vào số:

Mỗi chu kì quét bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của các đầu vào số và sau đó ghi trạng thái đó tới vùng nhớ đệm đầu vào (I)

CPU không truy cập các tín hiệu đầu vào tương tự như là một phần của chu kì vòng quét thông thường trừ khi các bộ lọc số của các đầu vào tương tự được kích hoạt

Xử lý truyền

thông,kiểm tra lỗi

Trong giai đoạn này CPU xử lí tất cả các thông báo được nhận từ cổng truyền thông Bên cạnh đó CPU kiểm tra chương trình cơ sở và bộ nhớ chương trình (chỉ trong chế độ RUN)

- Ghi đến các đầu ra số:

Ở cuối mỗi chu kì vòng quét, CPU thực hiện ghi các giá trị được lưu trong vùng nhớ đệm đầu ra (Q) tới các đầu ra số Các giá trị của các đầu ra tương tự được đưa ra trực tiếp, không nằm trong giai đoạn này của vòng quét Khi chế độ hoạt động của CPU được thay đổi từ RUN sang STOP, các đầu ra số tự động mất đi Giá trị của các đầu ra tương tự được giữ ở giá trị của lần gửi ra cuối cùng

Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, PLC sẽ không trực tiếp làm việc với cổng vào/ra mà thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng tham số Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với thiết bị ngoại vi trong giai đọan 1 và 4 là do CPU quản lý

Thường việc thực hiện một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào, chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất

Các đèn này thường dùng cho việc sửa lỗi

Ngoài ra phần cứng PLC có các nút nhấn, phổ biến nhất là nút chạy chương trình PLC không cần các công tắc on/off, hoặc reset Chúng thường được thiết kế bên trong hệ thống

2.9.2 Giao tiếp máy tính và PLC S7-200

Trong cửa sổ STEP 7 - MicroWin 32, nhắp chuột lên biểu tượng Communications hoặc chọn View -> Component -> Communications Trên hộp đối thoại xuất hiện

(Communications Setup), nhắp đúp lên biểu tượng PC/PPI Cable Xuất hiện hộp thoại Setting the PG/PC Interface, chọn nút Properties và kiểm tra các tham số