THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY

THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY Tác giả NGUYỄN HỮU DOANH Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: KS Đào Duy Vinh Thá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hữu Doanh

THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY

Tác giả

NGUYỄN HỮU DOANH

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành

Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:

KS Đào Duy Vinh

Tháng 05 năm 2011

LỜI CẢM TẠ

Trong quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện đề tài, em đã học hỏi và rút

ra rất nhiều kinh nghiệm quý báo trước khi ra trường Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến:

Quý thầy cô Khoa Cơ Khí - Trường Đại Học Nông Lâm TP HCM đã tận tình chỉ bảo trong suốt quá trình học tập và làm đề tài vừa qua

Chân thành cảm ơn đến thầy Đào Duy Vinh, người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện

đề tài, đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đề tài tốt nghiệp

Cảm ơn toàn thể bạn bè lớp DH07CD đã giúp đỡ mình trong quá trình học tập và cùng mình vượt qua bốn năm đại học

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến cha mẹ đã động viên con trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 5 năm 2011

Nguyễn hữu Doanh

TÓM TẮT

Đề tài “Thiết kế bộ đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy”

Điều khiển nhiệt độ được ứng dụng nhiều trong công nghiệp đặt biệt trong công nghiệp chế biến, bảo quản, mục đích đề tài thiết kế thử nghiệm bộ đo điều khiển nhiệt độ lò sấy bắp tại “Công Ty Cổ Phần Giống Cây Trồng Miền Nam”

Dưới sự hướng dẫn của thầy Đào Duy Vinh em thực hiện đề tài bao gồm:

- Khảo sát hệ thống sấy bắp tại “Công Ty Cổ Phần Giống Cây Trồng Miền Nam”

- Thiết kế bộ đo và điều khiển nhiệt độ

- Lắp đặc bộ đo và điều khiển nhiệt độ vào hệ thống sấy bắp giống

- Kiểm tra khả năng xử lý của bộ điều khiển

MỤC LỤC

Trang tựa i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt đề tài iii

Mục lục iv

Danh sách các hình v

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về PLC (Programable Logic Control) 3

2.1.1 Các thành phần cơ bản của một bộ PLC 4

2.1.2 Cấu tạo chung của PLC 8

2.1.3 Phân loại PLC 9

2.2 Thiết bị đo và khống chế nhiệt độ 11

2.3 Cảm biến nhiệt 12

2.4 Công tắc tơ 12

2.5 Nút nhấn và công tắc xoay 13

2.6 Động cơ 1 pha 14

2.7 Vít me và đai ốc 15

2.8 Công tắc hành trình 16

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Tổng quan về hệ thống sấy vĩ ngang không đảo chiều 17

3.2 Các giải pháp điều khiển được đưa ra 18

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Thiết kế phần cứng 21

4.1.1 Sơ đồ khối 21

4.1.2 Kết cấu 22

4.1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển dựa trên sơ đồ tổng quan 23

4.2 Thiết kế hệ thống van 23

4.2.1 Yêu cầu 23

4.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 23

4.3 Phần mềm và chương trình điều khiển 27

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 28

4.3.2 Chương trình 29

4.3.3 Nguyên lý hoạt động 32

4.4 Kết quả khảo nghiệm 32

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận 38

5.2 Đề nghị 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 41

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Chương 2

Hình 2.1 – Sơ đồ nguyên lý và vòng quét 5

Hình 2.2 – Giao diện vào ra 6

Hình 2.3 – Ghép cách điện 7

Hình 2.4 – Cách ly tín hiệu ra 7

Hình 2.5 – Kiếu module 8

Hình 2.6 – Độ khó của hệ thống 9

Hình 2.7 – PLC LOGO! 10

Hình 2.8 – Đo và khống chế nhiệt độ 11

Hình 2.9 – Cảm biến nhiệt 12

Hình 2.10 – Công tắc tơ 12

Hình 2.11 – Nút nhấn 13

Hình 2.12 – Công tắc xoay 13

Hình 2.13 – Động cơ một pha 14

Hình 2.14 – Vít me, đai ốc 15

Hình 2.15 – Công tắc hành trình 16

Chương 3 Hình 3.1 – Tổng quan hệ thống sấy bắp 17

Hình 3.2 – Điều khiển thể tích lò 18

Hình 3.3 – Điều khiển cấp nhiệt vào quạt 19

 

 

 

Chương 4

Hình 4.1 – Sơ đồ hệ thống điều khiển 21

Hình 4.2 – Tổng quan hệ thống sấy 22

Hình 4.3 – Cơ cấu truyền động 24

Hình 4.4 – Cơ cấu van 25

Hình 4.5 – Sơ đồ điện điều khiển thiết bị 26

Hình 4.6 – Mạch công suất điều khiển và đảo chiều động cơ AC 220v 1 pha 27

Hình 4.7 – Phần mềm LOGO!Soft V 27

Hình 4.8 – Chương trình điều khiển 31

Hình 4.9 – Đồ thị nhiệt độ buồng sấy không được điều khiển 33

Hình 4.10 – Đồ thị nhiệt độ buồng sấy được điều khiển 33

Hình 4.12 – Nhiệt độ cửa lò ngày 9 tháng 4 34

Hình 4.13 – Nhiệt độ buồng sấy ngày 9 tháng 4 34

 

 

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề :

- Ngày nay đất nước ta đang trong giai đoạn hòa nhập nền kinh tế thế giới, gia nhập WTO Nền kinh tế nông nghiệp cổ điển phải có bước chuyển mình theo công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa Đứng trước xu thế đó nền nông nghiệp nói chung

và lĩnh vực nông sản nói riêng từng bước được nghiên cứu để cơ giới hóa

- Theo kinh nghiệm của ông cha ta “ nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống ’’ Vậy vấn đề giống cây trồng đã được dạy phải quan tâm từ xa xưa Ngày nay công nghệ sản xuất giống cây trồng đã phát triển hơn xưa rất nhiều Có rất nhiều máy sấy hạt giống thay cho phương pháp phơi nắng trước đó Tuy nhiên mức độ tự động hóa trong các hệ thống máy sấy còn rất hạn chế cùng với yêu cấu về chất lượng hạt giống ngày càng cao các máy sấy không còn phù hợp nữa mà cần phải nâng cao chất lượng của hạt giống Vấn đề nhiệt độ thật sự là một bài toán cần phải giải quyết để tăng

phẩm chất của hạt giống

- Với quy mô tấn/năm cần tạo ra tại “ công ty giống cây trồng miền nam ’’cần

phải áp dụng áp dụng điều khiển nhiệt độ của hệ thống máy sấy

- Từ những nhu cầu thực tiễn với mong muốn ứng dụng cơ khí, điều khiển tự

động vào công nông nghiêp hiện đại, dưới sự hướng dẫn của thầy Đào Duy Vinh

Em thực hiện đề tài :

“Thiết kế bộ đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy”

1.2 Mục đích đề tài:

- Mục đích đề tài là thiết kế thử nghiệm bộ đo và khống chế nhiệt độ lò sấy bắp

theo yêu cầu của “Công Ty Cổ Phần Giống Cây Trồng Miền Nam ’’ cơ sở Củ Chi

- Công ty chuyển sử dụng lò sấy bắp thương phẩm thành lò sấy bắp giống nên đòi hỏi mức nhiệt độ có tính ổn định cao hơn, tránh tình trạng quá nhiệt trong thời

gian dài gây chết mầm hoặc kém sức sống ảnh hưởng đến cây giống

- Mục đích ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế, nắm được một số kinh

nghiệm thực tế hữu ích cho công việc tương lai

Trên cơ sở mục đích đó, nội dung thực hiện chính của đề tài như sau :

Khảo sát hệ thống sấy bắp ở “Công Ty Cổ Phần Giống Cây Trồng Miền Nam”

tìm ra giải pháp khống chế nhiệt độ

Thiết kế, chế tạo tủ điện điều khiển nhiệt độ tự động dùng PLC

Khảo nghiệm sơ bộ đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị

Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu về PLC (Programable Logic Control):

Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể vận hành Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài đặt hoặc thay đổi chương trình Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển

có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản (ngôn ngữ điều khiển) Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc Người vận hành nhập chương trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình

Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp Vì vậy các PLC:

+ Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn

+ Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra

+ Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch

Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống như chức năng của

bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các rơle công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử

đó là:

+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến

+ Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở

các mạch phù hợp với công nghệ

+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập được

+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp

Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi Trong hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLC điều khiển tập trung

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý Bộ

xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra

Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả điều khiển tới đầu ra Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan) Thời gian một vòng quét phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU Nói chung chu kỳ một vòng quét như hình 2.1:

Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn dấn một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý và vòng quét

Để đánh giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài

1Kbyte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC Với nhiều loại PLC thời gian trễ này

có thể tới 20ms hoặc hơn Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt

đi những lần gọi ít quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được Nếu các giải pháp trên không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn

- Giao diện vào/ra:

Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm

biến nhiệt độ, các tế bào quang điện Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic Các tín hiệu vào/ra có thể thể hiện như

hình 2.2

Mỗi điểm vào ra có một địa chỉ duy nhất được PLC sử dụng

Hình 2.2 Giao diện vào ra

Các kênh vào/ra đã có các chức năng cách ly và điều hoà tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch điện khác

Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quang như hình

2.3 Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5v, 24v, 110v, 220v Các

PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhập tín hiệu 24v

2.1.2 Cấu tạo chung của PLC

Các PLC có hai kiểu cấu tạo cơ bản là: kiểu hộp đơn và kiểu module nối ghép Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng

nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và các giao diện vào/ra Kiểu hộp đơn thường vẫn có khả năng ghép nối được với các module ngoài để

mở rộng khả năng của PLC Kiểu hộp đơn như hình 8

Hình 2.5 Kiểu module

Kiểu module ghép nối gồm các module riêng cho mỗi chức năng như module nguồn, module xử lý trung tâm, module ghép nối, module vào/ra, module mờ, modulePID các module được lắp trên các rãnh và được kết nối với nhau Kiểu cấu tạo này có thể được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình với mọi kích cỡ, có nhiều bộ chức năng khác nhau được gộp vào các module riêng biệt Việc sử dụng các module tuỳ thuộc công dụng cụ thể Kết cấu này khá linh hoạt, cho phép mở rộng số lượng đầu nối vào/ra bằng cách bổ sung các module vào/ra hoặc tăng cường bộ nhớ bằng cách tăng thêm các đơn vị nhớ

2.1.3 Phân loại PLC

Đầu tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp những người

sử dụng cần những loại PLC nào mà họ cần Nhu cầu về hệ thống được xem như là một nhu cầu ưu tiên nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng loại để dễ dàng lựa chọn

Hình 2.6 Độ khó của hệ thống

Hình trên cho ta các “ bậc thang ” phân loại PLC và việc sử dụng PLC cho phù hợp với các hệ thống thực tế sản xuất Trong hình này ta có thể nhận thấy những vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng thường phải sử dụng các loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng có số I/O thấp nhưng lại có những tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng PLC có số lượng I/O cao Ví dụ: ngoài các cổng vào ra tương tự (Analog) Thường người sử dụng các loại PLC thuộc vùng chống lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết

LOGO là dòng sản phẩm lập trình thấp nhất của Siemens, chuyên dùng cho các

ứng dụng nhỏ với đầy đủ các chức năng như:

Số I/O

1  2 

3  4

5 

32     64 128 512  1024 2048 4096     8192         

2.2 Thiết bị đo và khống chế nhiệt độ

- Nhận tín hiệu nhiệt analog từ cảm biến nhiệt và chuyển đổi tính hiệu analog từ cảm biến nhiệt sang digital sau đó xuất tín hiệu điều khiển cho PLC

 

Hình 2.8 Đo và khống chế nhiệt độ

2.3 Cảm biến nhiệt

Được chế tạo từ một số oxít bán dẫn đa tinh thể khác nhau như : MgO, Mn2O¬3, NiO … được trộn với nhau theo tỷ lệ thích hợp, sau đó được nén định dạng và được đốt ở nhiệt độ 10000C Khi nhiệt độ tác động vào làm ảnh hưởng đến nồng độ điện tích tự do, dẫn đến nội trở thay đổi theo

2.4 Công tắc tơ

Hình 2.10 Công tắc tơ

Công tắc tơ là một thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A

Công tắc tơ điện từ có các bộ phận chính như sau:

2.6 Động cơ 1 pha

Hình 2.13 Động cơ một pha

01 Thân động cơ 10 Cánh quạt gió ngoài

02 Trục động cơ 11 Nắp ổ lăn ngoài sau

03 Nắp ổ lăn ngoài trước 12 Nắp che quạt gió

04 Nắp trước 13 Thân hộp cực

05 Móc cẩu 14 Nắp hộp cực

06 Cụm lõi thép STATO 15 Ống ra dây

07 Cụm lõi thép RÔTO 16 Then đầu trục

08 Nắp sau 17 Vít tiếp địa

09 Vòng bi

Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo ra từ trường quay

2.7 Vít me và đai ốc

Là bộ phận truyền động, có độ chính xác cao được ứng dụng rộng rãi cho ngành tự động hóa

Hinh 2.14 Vít me, đai ốc

Ta có vận tốc tịnh tiến của đai ốc được tính theo công thức :

v = n*Pr*k

k: Số đầu ren

n: Vận tốc quay động cơ

Pr: Bước ren

2.8 Công tắc hành trình

Hình 2.15 Công tắc hành trình

Là thiết bị có chức năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó, sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay

Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện

do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như:

- Giới hạn hành trình ( khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu, nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)

- Hành trình tự động: Kết hợp với các role, PLC hay VDK để khi cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó) Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động Các công tắc hành trình có thể là các nhút nhấn (button) thường đóng, thường mở, công tắc 2 tiếp điểm, và cả công tắc quang

 Ứng dụng những thiết bị trên vào bộ đo và điều khiển nhiệt độ

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Tổng quan về hệ thống sấy vĩ ngang không đảo chiều

5 Motor quay quạt

6 Ống dẫn hơi nóng vào buồng sấy

3.2 Các giải pháp điều khiển được đưa ra

Dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống hình thành nên ba phương pháp khống chế nhiệt độ

a Điều khiển lượng chất đốt, trên cơ sở thể tích đốt, thể tích buồng đốt được khống chế ở mức thích hợp sao cho lượng khí nóng cung được cấp vừa đủ