Điều khiển và giám sát hệ lò nhiệt bằng CARD NI LABVIEW

CAM ĐOAN Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Phạm Đức Trung Lê Phước Tài i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nghiêm Hoàng Hải, giảng viên trường Đại Học Cơng Nghệ TPHCM người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt q trình làm khố luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại Học Cơng Nghệ TPHCM nói chung, thầy khoa Cơ Điện – Điện Tử nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Người thực đề tài Phạm Đức Trung Lê Phước Tài ii MỤC LỤC CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG VẼ xii TÓM TẮT xiii Chương 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục tiêu .4 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục Chương 2.1 Công nghệ sấy 2.1.1 Phương pháp sấy 2.1.2 Thiết bị sấy 2.1.3 Ảnh hưởng trình sấy đến chất lượng sản phẩm 11 2.1.4 Lựa chọn thiết bị sấy .14 2.2 Quy trình sấy 17 2.3 Giới thiệu phần cứng 18 2.3.2 Lò nhiệt (lò điện trở) [2] 18 2.3.3 Cấu hình DAQ [3] 23 2.3.4 Cảm biến đo nhiệt độ [4] .25 2.3.5 Bộ điều hòa tín hiệu .31 2.3.6 Mạch động lực .33 2.3.7 Kit Nation Instruments myDAQ chuẩn USB 34 2.4 Giới thiệu phần mềm 38 2.4.1 Phần mềm Labview .38 2.4.2 Ứng dụng Labview 38 2.4.3 Môi trường phát triển Labview .39 2.4.4 Các tín hiệu đo với Labview 39 iii 2.4.5 Hiển thị 40 2.4.6 Các khái niệm 40 2.4.7 Các kỹ thuật lập trình Labview [5] 42 2.5 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ [6] 44 2.5.1 Điều khiển ON-OFF 44 2.5.2 Điều khiển khâu tỉ lệ P 45 2.5.3 Điều khiển khâu vi phân tỉ lệ (PD) .46 2.5.4 Điều khiển khâu tích phân tỉ lệ (PI) 46 2.6 Phương pháp Ziegler-Nichols [6] .48 Chương 50 3.1 Tính tốn thiết kế phần cứng 50 3.1.1 Yêu cầu thiết kế 50 3.1.2 Tính tốn cơng suất lò [7] 50 3.1.3 Lựa chọn cấu hình hệ thống thu thập liệu 55 3.1.4 Thiết kế sơ đồ khối 56 3.1.5 Lựa chọn thiết bị thu thập liệu 57 3.1.6 Lựa chọn tính tốn giá trị nhiệt độ cảm biến điều hòa tín hiệu 58 3.1.7 Lựa chọn cảm biến cảnh báo cố 61 3.1.8 Lựa chọn tính tốn mạch động lực 62 3.1.9 Sơ đồ nguyên lý .65 3.2 Tính tốn thiết kế phần mềm 65 3.2.1 Yêu cầu thiết kế .65 3.2.2 Thiết kế giao diện 66 3.2.3 Lựa chọn tính tốn thiết kế phương pháp điều khiển .68 3.2.4 Lưu đồ giải thuật 70 Chương 74 4.1 Thi công mơ hình hệ thống 74 4.1.1 Danh sách linh kiện .74 4.1.2 Lắp ráp kiểm tra 74 4.1.3 Thi cơng mơ hình 81 4.2 Tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác .83 4.2.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng 83 4.2.2 Quy trình thao tác 83 Chương 87 5.1 Kết 87 iv 5.1.1 Về phần cứng 87 5.1.2 Về phần mềm 90 5.2 Đánh giá, nhận xét 97 5.2.1 Phần cứng 97 5.2.2 Phần mềm 97 5.4 Hướng phát triển 97 Tổng Quan Error! Bookmark not defined 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu .4 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Công nghệ sấy 2.1.1 Phương pháp sấy 2.1.2 Thiết bị sấy 2.1.3 Ảnh hưởng trình sấy đến chất lượng sản phẩm 11 2.1.4 Lựa chọn thiết bị sấy 14 2.2 Quy trình sấy 17 2.3 Giới thiệu phần cứng 18 2.3.1 Lò nhiệt (lò điện trở) 18 2.3.2 Cấu hình DAQ 23 2.3.3 Cảm biến đo nhiệt độ 25 2.3.4 Bộ điều hòa tín hiệu 31 2.3.5 Mạch động lực 33 2.3.6 Kit Nation Instruments myDAQ chuẩn USB 34 2.4 Giới thiệu phần mềm .38 2.4.1 Phần mềm Labview 38 v 2.4.2 Ứng dụng Labview 38 2.4.3 Môi trường phát triển Labview 39 2.4.4 Các tín hiệu đo với Labview 39 2.4.5 Hiển thị 40 2.4.6 Các khái niệm 40 2.4.7 Các kỹ thuật lập trình Labview 42 2.5 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ .44 2.5.1 Điều khiển ON-OFF 44 2.5.2 Điều khiển khâu tỉ lệ P 45 2.5.3 Điều khiển khâu vi phân tỉ lệ (PD) 46 2.5.4 Điều khiển khâu tích phân tỉ lệ (PI) 46 2.6 Phương pháp Ziegler-Nichols 48 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .50 3.1 Tính tốn thiết kế phần cứng .50 3.1.1 Yêu cầu thiết kế 50 3.1.2 Tính tốn cơng suất lò .50 3.1.3 Lựa chọn cấu hình hệ thống thu thập liệu 55 3.1.4 Thiết kế sơ đồ khối 56 3.1.5 Lựa chọn thiết bị thu thập liệu .57 3.1.6 Lựa chọn tính tốn giá trị nhiệt độ cảm biến điều hòa tín hiệu 58 3.1.7 Lựa chọn cảm biến cảnh báo cố 61 3.1.8 Lựa chọn tính tốn mạch động lực .62 3.1.9 Sơ đồ nguyên lý 65 3.2 Tính tốn thiết kế phần mềm .65 3.2.1 Yêu cầu thiết kế 65 3.2.2 Thiết kế giao diện .66 3.2.3 Lựa chọn tính tốn thiết kế phương pháp điều khiển 68 vi 3.2.4 Lưu đồ giải thuật .70 Thi Công Hệ Thống .74 4.1 Thi công mô hình hệ thống 74 4.1.1 Danh sách linh kiện 74 4.1.2 Lắp ráp kiểm tra 74 4.1.3 Thi cơng mơ hình 81 4.2 Tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác 83 4.2.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng 83 4.2.2 Quy trình thao tác .83 Kết quả_Nhận xét_Đánh giá .87 5.1 Kết Error! Bookmark not defined 5.1.1 Về phần cứng 87 5.1.2 Về phần mềm 90 5.2 Đánh giá, nhận xét 97 5.2.1 Phần cứng 97 5.2.2 Phần mềm 97 5.3 Kết luận 97 5.4 Hướng phát triển 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC 99 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tiêu thụ vải thiều năm 2015 (Nguồn: Bản tin Chào buổi sáng, VTV1, Đài truyền hình Việt Nam ngày 30/6/2015) .2 Hình 1.2: Biểu đồ sản lượng, kim ngạch, giá trung bình hạt điều xuất năm 2016 tháng đầu năm 2017 (Nguồn: Tổng cục Hải quan ngày 16/03/2017) Hình 2.1: Quy trình sấy nông sản 18 Hình 2.2: Sơ đồ cấu hình vào tập trung 24 Hình 2.3: Sơ đồ cấu hình vào phân tán 25 Hình 2.4: Cấu tạo Thermocouples .26 Hình 2.5: Cấu tạo nhiệt điện trở nhiệt điện trở Pt100 loại dây 28 Hình 2.6: Đường cong đặc tuyến RTD Themistor 29 Hình 2.7: Đặc tính cách tuyến tính Thermistor .30 Hình 2.8: Cách kết nối cảm biến với mạch đo 31 Hình 2.9: Bộ chuyển đổi tín hiệu Pt100 32 Hình 2.10: Cách kết nối loại Pt100 với điều hòa tín hiệu 32 Hình 2.11: Relay điện cấu tạo .33 Hình 2.12: Relay bán dẫn cấu tạo 34 Hình 2.13: Cấu tạo contactor .34 Hình 2.14: Kit NI myDAQ .37 Hình 2.15: Giao diện Front Panel .41 Hình 2.16: Giao diện code Block Diagram .41 Hình 2.17: Controls Palette .43 Hình 2.18: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt 44 Hình 2.19: Đặc tính điều khiển điều khiển ON – OFF .45 Hình 2.20: Đáp ứng điều khiển khâu tỉ lệ (P) 45 Hình 2.21: Đáp ứng điều khiển khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 46 Hình 2.22: Sơ đồ điều khiển sử dụng điều khiển PID 48 viii Hình 2.23: So sánh đáp ứng hệ thống so với điều khiển 48 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 56 Hình 3.2: Sơ đồ khối NI my-DAQ 58 Hình 3.3: Cảm biến Pt-100 loại dây 59 Hình 3.4: Bảng quy đổi giá trị điện trở sang nhiệt độ Pt100 .60 Hình 3.5: Bộ điều hòa tín hiệu Mussen .61 Hình 3.6: Sơ đồ khối điều hòa tín hiệu 61 Hình 3.7: Cảm biến tiệm cận cơng nghiệp .62 Hình 3.8: Module chuông báo 5V .62 Hình 3.9: Relay bán dẫn SSR 64 Hình 3.10: Sơ đồ khối mạch SSR 64 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý .65 Hình 3.12: Giao diện lúc trước đăng nhập 66 Hình 3.13: Giao diện đăng nhập vào hệ thống 66 Hình 3.14: Các giao diện báo cáo cố 67 Hình 3.15: Dữ liệu file excel 68 Hình 3.16: Bảng điều khiển Gradient nhiệt .68 Hình 3.17: Đáp ứng nấc lò 70 Hình 3.18: Lưu đồ chương trình chương trình login 71 Hình 3.19: Lưu đồ chương trình xử lý nhiệt độ 72 Hình 3.20: Lưu đồ chương trình cảnh báo nhiệt 73 Hình 3.21: Lưu đồ chương trình cảnh báo mở lò .73 Hình 4.1: Giá trị nguồn cấp vào .75 Hình 4.2: Kết nối nguồn với điều hòa tín hiệu .76 Hình 4.3: Cảm biến đặt lò 76 Hình 4.4: Kết nối Pt-100 với điều hòa tín hiệu 77 Hình 4.5: Bộ điều hòa tín hiệu kết nối với trở 250Ω kết nối sang kit 77 ix Hình 4.6: Kết nối SSR với ngõ AI0 myDAQ với tải 78 Hình 4.7: Kiểm tra điện áp dẫn SSR 79 Hình 4.8: Vị trí đặt chng bên thí nghiệm 79 Hình 4.9: Vị trí đặt cảm biến 80 Hình 4.10: Đèn báo cảm biến tiệm cận hoạt động .80 Hình 4.11: Mơ hình lò sấy 81 Hình 4.12: Mơ hình hộp điều khiển 82 Hình 4.13: Bên hộp điều khiển 82 Hình 4.14: Đặt nguyên liệu lò sấy 83 Hình 4.15: Kết nối tải với SSR 84 Hình 4.16: Giao diện đăng nhập vào hệ thống 84 Hình 4.17: Giao diện hiển thị tab điều khiển 85 Hình 4.18: Giao diện ta hiển thị 85 Hình 4.19: Giao diện tab biểu đồ 86 Hình 5.1: Mơ hình lò sấy tủ điện .87 Hình 5.2: Bên lò sấy 88 Hình 5.3: Giao diện thơng báo sai tài khoản mật .91 Hình 5.4: Giao diện đăng nhập thành công .92 Hình 5.5: Giao diện chế độ thủ cơng lò hoạt động .93 Hình 5.6: Giao diện chế độ qui trình lò hoạt động 93 Hình 5.7: Giao diện có cố mở lò .94 Hình 5.8: Giao diện thông báo vượt mức nhiệt 94 Hình 5.9: Giao diện tab hiển thị lò hoạt động 95 Hình 5.10: Giao diện thông báo lỗi cảm biến nhiệt .95 Hình 5.11: Giao diện biểu độ đường nhiệt độ, gradient mức đặt 96 Hình 5.12: Giao diện biểu đồ thể ổn đinh nhiệt 96 x 45 1,29 44,89 50 55 1,33 1,37 49,88 54,86 10 11 60 65 70 1,41 1,45 1,49 59,84 64,82 69,8 12 13 75 80 1,53 1,57 74,70 79,76 14 15 85 90 1,61 1,65 84,74 89,73 5.1.2 Về phần mềm Hệ thống có giao diện gồm phần sau: - Đăng nhập - Điều khiển - Hiển thị Biểu đồ Lưu liệu vào file Excel 5.1.2.1 Đăng nhập Hệ thống hoạt động có đăng nhập người sử dụng với tài khoản mật cung cấp Chương trình có tài khoản mật để đăng nhập Khi đăng nhập sai, hệ thống báo sai tài khoản mật (Hình 5.3) Khi đăng nhập thành công, giao diện xuất thông báo đăng nhập thành công hiển thị giao diện hệ thống (Hình 5.4) Page 90 Hình 0.3: Giao diện thông báo sai tài khoản mật Page 91 Hình 0.4: Giao diện đăng nhập thành cơng 5.1.2.2 Điều khiển Chương trình điều khiển có chế độ thủ cơng qui trình  Chế độ thủ công Khi chọn chế độ thủ công, người dùng phải đặt nhiệt độ bảng nhiệt độ đặt Hình 5.5  Chế độ qui trình Khi chọn chế độ qui trình, người sử dụng phải đặt nhiệt độ cho giai đoạn sấy bảng nhiệt độ đặt thời gian sấy cho giai đoạn Sau thực xong qui trình, hệ thống tắt Muốn chạy lại qui trình, người dùng nhấn vào nút lặp lại qui trình (Hình 5.6) Nút ON dùng để chạy hệ thống, nút OFF để ngừng hệ thống Để đặt gradient cho hệ thống, người dùng đặt giá trị bảng grandient nhiệt Hình 5.6 Trong trình vận hành, có cố mở lò, hệ thống ngừng hoạt động chuông báo cố vang lên Trong thời gian này, nút ON OFF khơng có tác dụng, nhấn nút Reset cố, nút ON OFF hoạt động bình thường trở lại chng báo tắt Hình 5.7 Page 92 Hình 0.5: Giao diện chế đợ thủ cơng lò hoạt đợng Hình 0.6: Giao diện chế đợ qui trình lò hoạt đợng Page 93 Hình 0.7: Giao diện có sự cố mở lò 5.1.2.3 Hiển thị Nhiệt độ lò biểu diễn hình nhiệt kế, nhiệt độ đặt, khối lượng, thời gian hiển thị qua khung nhiệt độ đặt tại, khối lượng, ngày (Hình 5.9) Khi nhiệt độ đặt vượt mức nhiệt độ đặt cho phép, mức đặt cho phép nhấp nháy (Hình 5.8) Nhiệt độ lò vượt qua nhiệt độ đặt 100C đèn báo vượt mức sáng Đối với cảm biến, xảy hư hỏng, đèn báo cảm biến lỗi sáng (Hình 5.10) Hình 0.8: Giao diện thơng báo vượt mức q nhiệt Page 94 Hình 0.9: Giao diện tab hiển thị lò hoạt đợng Hình 0.10: Giao diện thơng báo lỗi cảm biến nhiệt 5.1.2.4 Biểu đồ Trong phần biểu đồ, giao diện vẽ biểu đồ đường nhiệt độ tại, gradient nhiệt nhiệt độ đặt Hình 5.11 Hình 5.12 biểu diễn ổn định nhiệt độ lò Page 95 Hình 0.11: Giao diện biểu độ đường nhiệt độ, gradient mức đặt Hình 0.12: Giao diện biểu đồ thể sự ổn đinh nhiệt 5.1.2.5 Lưu trữ vào file Excel Sau hồn thành q trình sấy, tồn liệu xuất file Excel Bộ liệu bao gồm giá trị nhiệt độ, khối lượng thời gian sấy Hình 3.15 Page 96 5.2 Đánh giá, nhận xét 5.2.1 Phần cứng Mơ hình hệ thống đạt 90% u cầu thiết kế Mơ hình thi cơng hồn chỉnh, linh kiện bố trí hợp lý, dây điện gọn gàng tủ điện Lò sấy linh kiện khác hoạt động tốt thời gian tối đa 60 phút, chưa thử nghiệm với thời gian dài nên chưa thể đánh giá hồn tồn tính ổn định hệ thống 5.2.2 Phần mềm Hệ thống điều khiển đạt khoảng 90% Giao diện đơn giản, đầy đủ tính cho hệ thống lò sấy Tuy nhiên, nhược điểm như: - Chương trình cảnh báo mở lò chưa hồn thiện - Hệ thống có tài khoản để đăng nhập 5.3 Kết luận Từ mục tiêu ban đầu nội dung nghiên cứu, nhóm thực hoàn thành 90% sau hoàn thành sản phẩm Thông qua việc nghiên cứu thực sản phẩm, nhóm học nhiều kiến thức như: - Sử dụng tốt phần mềm Labview Tìm hiểu biết quy chuẩn công nghiệp Lắp ráp bố trí thiết bị tủ điện - Cách kiểm tra cân chỉnh thiết bị 5.4 Hướng phát triển Về bản, người thực thực trình ứng dụng cho việc điều khiển hệ thống lò sấy Nhưng khó ứng dụng thực tế sản xuất, điều kiện thực thiếu thốn thiết bị cân chỉnh thiết bị chuẩn cơng nghiệp Để áp dụng cơng nghiệp, hệ thống lò nhiệt với quy mơ sản xuất lớn cần phải có cảm biến đo xác hơn, nhiều cảm biến Khi mơ hình thực hồn chỉnh Ngồi ra, hệ thống cần phát triển cần phát triển giao diện, bảo mật lưu trữ online để giúp người dùng tiết kiệm thuận tiện việc điều khiển sử dụng Page 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Nguyễn Văn May (2004) Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Lê Thành Sơn (2006) Giáo trình nhiệt lò điện Khoa Điện – ĐTVT, trường ĐH SPKT Hưng Yên [3] David Bailey – Edwin Wright (2003) Practical SCADA for Industgtrial IDC Technologies [4] Bob Judd (2008) Everything you ever wanted to know about Data Acquisition – Part one – Analog Input United Electronic Industries, Inc [5] Hoàng Văn Vinh Lý thuyết điều khiển tự động Đại học Công Nghệ Tp.HCM [6] Trương Đình Châu, etc (2008) Điều khiển nhiệt độ phương pháp điều khiển cổ điển Khoa Điện – Điện tử, trường ĐH Bách khoa Tp HCM [7] Trần Văn Phú (2002) Tính tốn thiết kế hệ thống sấy NXB Giáo dục [8] Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chât – Nguyễn Thị Liên Anh (2006) Trang bị điện – Điện tử –Máy công nghiệp dùng chung (2006) NXB Giáo dục [9] Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng (2008) Lý thuyết điều khiển tự động NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM Page 98 PHỤ LỤC HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT LABVIEW 2016 Bước 1: Sau tải LabVIEW 2016 bắt đầu cài đặt Bước 2: Page 99 Bước 3: Bước 4: Page 100 Bước 5: Page 101 Bước 6: Tiếp tục nhấn “next” chờ labview cài khoảng 30p Page 102 Bước 7: Quá trình cài đặt hồn tất Đây giao diện LabVIEW 2016 Page 103 Page 104 ... Bảng 5.2: Giá trị nhiệt độ thực tế nhiệt độ Pt100 thu thập 89 xii TÓM TẮT Đề tài “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ LỊ NHIỆT BẰNG CARD NI – LABVIEW ”được nhóm thực sử dụng mơ hình lò sấy cơng suất... hàng chục lò sấy vậy, vấn đề quản lý vận hành chúng cần nhiều thời gian nhân lực Để khắc phục điểm yếu chọn thực đề tài “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ LÒ NHIỆT BẰNG CARD NI – LABVIEW ” Đây hệ thống... từ xa giúp nâng cao độ tin cậy hệ thống giúp dễ dàng cấu cập nhật chương trình phần mềm 1.2 Mục tiêu Với đề tài “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ LÒ NHIỆT BẰNG CARD NI – LABVIEW ” sau hồn thành đồ án