KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHÔNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SẤY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHƠNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ - THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SẤY Họ Tên Sinh Viên: NGUYỄN THÀNH CHUNG THIÊN SANH XUÂN Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ ` Niên khóa: 2009-2013 Tháng 06 năm 2013 KHẢO NGHIỆM MÁY SẤY THÍ NGHIỆM CHÂN KHƠNG ỨNG DỤNG TRONG SẤY GỖ - THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ SẤY TÁC GIẢ NGUYỄN THÀNH CHUNG – THIÊN SANH XN Khóa luận tốt nghiệp đệ trình đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: Th.S TRẨN THỊ KIM NGÀ PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG Tháng 06 năm 2013 i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin cảm ơn gia đình em sinh ra, nuôi dưỡng dạy dỗ em có ngày hơm nay, lời biết ơn trân trọng Xin cảm ơn q thầy ngồi trường ĐH Nơng Lâm Tp.HCM nói chung thầy Khoa Cơ Khí-Cơng Nghệ nói riêng, người hết lòng truyền đạt kinh nghiệm sống, học tập cách làm việc suốt trình theo học trường Xin cảm ơn đến Thầy Cô hướng dẫn,Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng, Cô Th.S Trần Thị Kim Ngà Thầy Cơ tận tình hướng dẫn truyền đạt kinh nghiệm mặt suốt trình làm luận văn tốt nghiệp Xin cảm ơn Thầy Cô Anh Chị khoa Lâm Nghiệp tận tình giúp đỡ em trình nghiên cứu, khảo nghiệm để hồn thành luận văn Cuối xin cảm ơn bạn Cơ – Điện Tử K35 bạn CLB Cán Bộ Đồn Ngơi xanh, bạn thân hữu gần xa giúp đỡ chúng em suốt thời gian thực đề tài TPHCM, ngày tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực NGUYỄN THÀNH CHUNG THIÊN SANH XUÂN ii TÓM TẮT - Đề tài nghiên cứu “ Khảo nghiệm máy sấy thí nghiệm chân không ứng dụng sấy gỗ - Thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển nhiệt độ sấy” thực trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng đến tháng năm 2013 o - Đề tài khảo nghiệm với mẫu gỗ d = 30 mm, d = 50 mm nhiệt độ 60 C - Khảo nghiệm: Loại gỗ tràm o o + Nhiệt độ sấy dao động từ 25 C  72 C + Đã khảo nghiệm khoảng mẻ, ta thấy gỗ sau sấy chân khơng có chất lượng màu sắc gỗ sáng hơn, độ ẩm giảm từ 10%  12%, khuyết tật gỗ như: độ cong vênh, nứt nẻ 35% - Ngồi thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển nhiệt độ sấy ứng dụng PID iii MỤC LỤC Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục đích: Chương TỔNG QUAN .2 2.1 Đối tượng gỗ sấy: .2 2.1.1 Đối tượng: 2.1.2 Khái niệm sấy gỗ 2.1.3 Tầm quan trọng gỗ: 2.2 Máy sấy chân không: 2.2.1 Định nghĩa: 2.2.2 Các loại máy sấy chân không: .4 2.3 Các giai đoạn vận tốc sấy : 2.4 Xả ẩm: 2.4.1 Quá trình khuếch tán nội (trong lòng vật liệu sấy) 2.4.2 Quá trình khuếch tán ngoại .8 2.5 Tổng quan điều khiển sử dụng PID 2.5.1 Thành phần tỉ lệ (P): 2.5.2 Thành phần tích phân (I) 10 2.5.3 Thành phần vi phân (D) .12 2.5.4 Các phương pháp xác định tham số KP, KI, KD cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID 13 2.6 Các phương pháp điều khiển số .16 2.6.1 Điều khiển On - Off 16 2.6.2 Điều khiển khâu tỉ lệ 16 2.6.3 Điều khiển khâu vi phân tỉ lệ PD 16 2.6.4 Điều khiển khâu vi tích phân tỉ lệ PID .16 2.7 Tra cứu linh kiện điện tử 17 2.7.1 Tìm hiểu contactor quang – solid state relay 17 2.7.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 18 2.7.3 Tìm hiểu vi điều khiển PIC 16f877A 18 iv Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 3.1 Thời gian trí thực đề tài 21 3.2 Đối tượng thiết bị nghiên cứu 21 3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 21 3.2.2 Thiết bị nghiên cứu: .21 3.3 Các bước thực hiện: 22 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24 4.1 Khảo sát máy sấy chân không 24 4.1.1 Sơ đồ nguyên lý: 24 4.1.2 Buồng sấy: 26 4.1.3 Tháp giải nhiệt: 28 4.2 Mạch điều khiển hệ thống: .29 4.3 Quy trình sấy gỗ chân khơng: 30 4.4 Kết khảo nghiệm sấy gỗ chân khơng mục đích khảo nghiệm: .30 4.4.1 Chọn điều kiện sấy: 30 4.4.2 Chọn thời gian sấy 30 4.5 Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển nhiệt độ sấy gỗ ứng dụng PID 36 4.5.1 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ 36 4.5.2 Thiết kế mạch nguồn 36 4.5.3 Mạch cảm biến 37 4.5.4 Mạch kích sử dụng SSR cho đối tượng điều khiển 37 4.5.5 Mạch hiển thị nhiệt độ .38 4.5.6 Mạch nút nhấn 38 4.5.7 Khối trung tâm xử lí Pic 16f877a 39 4.5.8 Mạch điều khiển tổng hợp 40 4.6 Giải thuật chương trình vi xử lí 41 4.7 Phương pháp chọn tham số PID dùng điều khiển .43 4.8 Khảo nghiệm sơ 44 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 45 5.1 Kết đạt được: 45 5.2 Đề nghị 45 v TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 47 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT   W: Lượng nước khuếch tán dτ: Thời gian khuếch tán F: Diện tích bề mặt khuếch tán k: Hệ số khuếch tán dc : dx Gradien độ ẩm Pbm: Áp suất nước bề mặt Pkk: Áp suất riêng phần nước khơng khí Dτ: Thời gian bay hơi, B: Hệ số bay U(t): Tín hiệu điều khiển e(t): Tín hiệu vào điều khiển Ti : Hằng số thời gian tích phân P: Cơng suất tiêu thụ L: Chiều dài h: Chiều cao ĐB1: Đèn báo điện ĐB2 : Đèn báo điện ĐB3 : Đèn báo điện ĐB4 : Đèn báo điện ĐB5 : Đèn báo điện   vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Mẫu gỗ tràm .2 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống sấy phun chân không Hình 2.3 Sơ đồ máy sấy gỗ chân khơng Hình 2.4: Sơ đồ máy sấy chân không SPT – 200 Hình 2.5 Đường cong sấy W=f(t) Hình 2.6 Đường cong vận tốc sấy Hình 2.7 Đồ thị đặc tính thành phần tỉ lệ 10 Hình 2.8 Đồ thị đặc tính thành phần tích phân 11 Hình 2.9 Đồ thị đặc tính thành phần vi phân .13 Hình 2.10 Khâu quán tính bậc bậc cao 14 Hình 2.11 Xấp xỉ dạng qn tính bậc có trễ 15 Hình 2.12 Dạng điều hòa .15 Hình 2.13 Contactor quang solid state relay 17 Hình 2.14 Cảm biến LM35 18 Hình 2.15 Vi điều khiển pic 16F877A 19 Hình 2.16 Sơ đồ chân pic 16F877A 19 Hình 3.1 Đồng hồ đo áp suất 21 Hình 3.2 Cân điện tử 22 Hình 4.1: Sơ đồ máy sấy chân không 24 Hình 4.2 Hệ thống máy sấy gỗ chân không 25 Hình 4.3 Sơ đồ buồng sấy .26 Hình 4.4 Buồng sấy .27 Hình 4.5 Đưa mẫu vào buồng sấy 27 Hình 4.6 Tháp giải nhiệt 28 Hình 4.7 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống sấy 29 Hình 4.8 Biểu đồ giảm ẩm d = 30 mm 32 Hình 4.9 Biểu đồ giảm ẩm d = 50 mm 34 Hình 4.10 Sơ đồ ngun lí mạch nguồn 5V 36 viii Hình 4.11 Sơ đồ ngun lí mạch cảm biến 37 Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lí solid state relay 37 Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lí khối nút nhấn 38 Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lí mạch trung tâm xử lí 39 Hình 4.17 Mơ hình thực tế 42 Hình 4.18 Biểu đồ kết đo nhiệt độ mơ hình nhiệt độ 50 oC .44 ix 4.5.5 Mạch hiển thị nhiệt độ Mạch hiển thị nhiệt độ sử dụng led đoạn anot chung để hiển thị giá trị số Chân anot chung led nối với transistor A1015 để hiển thị giá trị sáng phương pháp qt led Hình 4.13 Sơ đồ ngun lí mạch hiển thị nhiệt độ Các chân liệu (a, b, c, d, e, f, g) nối với port B vi điều khiển, chân hiển thị nối với chân port D vi điều khiển 4.5.6 Mạch nút nhấn - Khối nút nhấn với chức cài đặt nhiệt độ đặt với nút tăng, giảm, enter - Các chân nút nhấn nối với chân RD4, RD5, RD6 vi điều khiển Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lí khối nút nhấn 38 4.5.7 Khối trung tâm xử lí Pic 16f877a Mạch trung tâm sử dụng PIC 16f877a Mạch đảm nhận chức quan quan trọng: xử lí tín hiệu nhiệt độ, hiển thị giá trị nhiệt độ, tính tốn giải thuật, xuất xung điều khiển đối tượng Hình 4.15 Sơ đồ ngun lí mạch trung tâm xử lí Trên mạch trung tâm pic 16f877a:  Port B nối với chân liệu led đoạn  Chân RD0, RD1 Port D nối với chân điều khiển led đoạn kích transistor A1015, chân RD4, RD5, RD6 nối với nút nhấn tương ứng với nút tăng, giảm, enter  Chân RC2 Port C nối với chân số SSR  Chân RA0 Port A nối với chân số cảm biến LM35 39 4.5.8 Mạch điều khiển tổng hợp Hình 4.16 Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển tổng hợp  Mạch gồm phần  Khối mạch nguồn 5V  Khối mạch cảm biến  Khối mạch hiển thị kết  Khối mạch nút nhấn  Khối Mạch trung tâm  Mạch kích sử dụng solid state relay  Nguyên lí hoạt động chung  Nhiệt độ cần đạt cài đặt từ nút nhấn 40  Tín hiệu từ cảm biến LM35 nối với port A vi điều khiển phải qua chuyển đổi ADC Bộ ADC dùng để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu số - Từ tín hiệu nhiệt độ đọc với giải thuật PID, vi điều khiển tiến hành xử lí, tính tốn gởi tín hiệu điều khiển cho đối tượng hiển thị lên thiết bị hiển thị 4.6 Giải thuật chương trình vi xử lí Begin Hiển thị giá trị cài đặt Mode=0 ? Nhập tem dat Enter=1 ? Đọc ADC Tem ≥ tem dat ? Ki=80, Kp=400, Kd=42 e2=tem_dat-tem_do; e_sum=e2+e1; e_del=e2-e1; e1=e2; xung = xung+(Kp*e2)+(Ki*e_sum)+(Kd*e_del); Xung=0 ? Xuất xung cho đối tượng END 41 Duty=0 Quat=1 Từ lưu đồ giải thuật bắt đầu chương trình, giá trị cài đặt nhiệt độ hiển thị khối hiển thị led đoạn, để chương trình hoạt động ta cần thực cài đặt nhiệt độ khối nut nhấn Khi nút enter nhấn chương trình bắt đầu thực đọc tín hiệu nhiệt độ khối cảm biến, nhiệt độ cập nhật liên tục để vi điều khiển xử lí tính tốn giải thuật PID, giá trị nhiệt độ đo nhỏ nhiệt độ đặt tín hiệu điều khiển truyền cho đối tượng nhiệt độ đo nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo lớn nhiệt đặt tín hiệu điều khiển ngừng cấp cho đối tượng tín hiệu điều khiển cho quạt mở để làm mát Hình 4.17 Mơ hình thực tế 42 4.7 Phương pháp chọn tham số PID dùng điều khiển  Phương pháp thực trình tinh chỉnh:  Bước 1: cho Ki = 0, Kd = 0, thay đổi giá trị Kp cho đạt tốc độ phản ứng với lỗi gần mong muốn  Bước 2: bắt đầu thay đổi Ki, Kd Bằng nhiều phép thử kiểm tra tính đáp ứng hệ thống, rút tham số Kp, Ki, Kd phù hợp gần với mong muốn Từ ta tính tín hiệu điều khiển ứng với tín hiệu vào Trong điều khiển nhiệt độ, chúng em sử dụng tham số Ki = 80, Kp = 400, Kd = 42 Khi cơng thức cho tín hiệu điều khiển: u(i) = KP*e + Ki*e_sum + Kd*delta_e Trong đó: e = nhiệt độ đặt – nhiệt độ - Thuật toán PID: e2: Sai lệch nhiệt độ e1: Sai lệch nhiệt độ khứ trước e_sum: Tổng sai lệch từ lúc đầu đến thời điểm e_del: Độ biến thiên sai lệch nhiệt độ xung: Độ rộng xung PWM(%) Ta có giải thuật: { e2 = tem_dat - tem_do; e_sum = e2 + e1; e_del = e2 - e1; e1 = e2 ; xung = xung + (Kp*e2) + (Ki*e_sum) + (Kd*e_del) ; } 43 4.8 Khảo nghiệm sơ  Kết khảo nghiệm sơ điều khiển nhiệt độ sử dụng PID  Mục đích đánh giá mức độ ổn định nhiệt độ mơ hình điều khiển nhiệt độ sử dụng phương pháp PID  Sử dụng cảm biến nhiệt LM35  Cung cấp điện cho điện trở nhiệt hộp điều khiển, nhiệt độ cần điều khiển 50oC, thời gian khảo nghiệm 40 phút Thời gian 10 11 14 16 19 21 25 30 35 40 Nhiệt độ 32 33 36 39 46 50 52 52 52 51 51 50 50 50 50 50 Bảng 4.1 Kết đo giá trị nhiệt độ mơ hình Biểu đồ thể nhiệt độ mơ hình o Hình 4.18 Biểu đồ kết đo nhiệt độ mơ hình nhiệt độ 50 C  Kết khảo nghiệm cho thấy, hệ thống phút để tăng đến nhiệt độ cần đạt được, nhiệt độ tăng dần vọt lố sau độ nhiệt độ xuống đến nhiệt độ cần đạt Qua ta thấy giá trị KP làm tăng đáp ứng, sai số xác lập nhỏ, Ki làm tăng tốc trình đến điểm đặt vọt lố, Kd làm giảm độ vọt lố 44 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Qua trình kết hợp với lý thuyết sở tìm hiểu được, đề tài đạt số kết sau: 5.1 Kết đạt được: - Đã khảo nghiệm sấy chân không mẫu gỗ tràm: D = 30 mm o + Nhiệt độ sấy: 60 C + Độ ẩm vật liệu sấy : 62,2%   12% + Kết cảm quang: Màu sắc có chuyển sang màu sẫm, độ cong vênh khuyết tật (30%) D = 50 mm o + Nhiệt độ sấy: 60 C + Độ ẩm vật liệu sấy : 62,2%   12% + Kết cảm quang: Màu sắc có sáng màu ban đầu, độ cong vênh khuyết tật (40%) - Đã thiết kế mơ hình điều khiển nhiệt độ sấy ứng dụng PID có kết đo giá trị nhiệt độ mơ hình biểu đồ kết đo nhiệt độ mô hình o nhiệt độ 50 C 5.2 Đề nghị - Tiếp tục khảo nghiệm mẫu gỗ khác Đánh giá thiết bị cách xác - Sấy nhiệt độ khác qua tìm nhiệt độ sấy thích hợp loại sản phẩm - Ứng dụng hệ thống PID vào máy sấy để sai số hệ thống xác đạt hiệu tốt 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt Tống văn Anh – Lê khả Trường, 2006, nghiên cứu tính tốn- chế tạo khảo nghiệm mơ hình máy sấy chân không Luận văn tốt nghiệp kỹ sư, Đại Học Nông Lâm Tp.HCM, Việt Nam Nguyễn Thế Hùng , 2006, Điều Khiển Tự Động, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Nguyễn Doãn Phước, 2002, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Văn Tình, 2005, Tài liệu vi điều khiển pic 18f877a, Trường Sĩ Quan CHKT Thông Tin Nguyễn hữu trí, 1992, Vật lý kỹ thuật chân khơng, ĐH tổng hợp TPHCM Hoàng văn Chước, 1999 Kỹ thuật sấy Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Việt Nam Tài liệu tiếng anh Li-Xin Wang, 2006, “A Course in Fuzzy Systems and Control”, Prentice Hall Tood P.Meyrath, 2007, “Multipurpose Analog PID controller” Tài liệu internet “Bộ Điều Khiển PID”, truy cập ngày 1-4-2013 “Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID”, truy cập ngày 10-4-2013     Lê Tiến Lộc, “Nghiên cứu ba chế độ điều khiển on/off, pid, fuzzy ứng dụng điều khiển mơ hình lò nhiệt”, truy cập ngày 15-4-2013         “Ứng dụng Pic16F877A đo ổn định nhiệt độ thuật toán PID”, truy cập ngày 5-4-2013 46 PHỤ LỤC CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRONG QUÁ TRÌNH ĐO ĐẠC: TÊN THIẾT BỊ Buồng sấy Khay sấy Điện trở Bình ngưng tụ THƠNG SỐ CƠ BẢN - Vật liệu Inox dày  = 2.5 mm - Đường kính ngồi Dn = 500 mm - Chiều dài buồng sấy Lb = 550 mm - Đường kính miệng DM = 550 mm - Ron cao su chịu nhiệt 20 - Lớp cách nhiệt b = 25 mm - Vật liệu Inox mm, lưới Inox Ø mm - Chiều dài D = 500 mm - Chiều rộng R = 390 mm - Chiều cao H = 50 mm - Kích thước 400x150x50 mm (dài*rộng*cao) - Công suất 500W - Điện áp 220 V - Vật liệu Inox dầy 1.5 mm - Đường kính thân bình D = 230 mm - Đường kính đáy Dd = 320 mm - Chùm 24 ống ngưng tụ Ø = 17 mm thép CT3 dày mm Thân tháp giải nhiệt - Chiều cao h = 1000 mm - Vật liệu Inox dày mm - Đường kính D’’ = 500 mm; cao h = 600 mm - Đường kính vành Dv = 520 mm, thép CT3, Ø = 10 mm Quạt làm mát - Tên: Quạt hút SenKo, sản xuất Việt Nam - Cánh 250 mm 47 Bơm vòng chất lỏng - Cơng suất 40W, điện áp 220V/ 50Hz - Độ tăng nhiệt cuộn dây Max 70 C - Vận tốc hút: 200 l/sec - Công suất riêng: 200W/ (1/s) - Trọng lượng riêng vòng chất lỏng bơm: o 10Kg(1/s) Bơm nước - Công suất 200W - Điện áp 200 V code: #include #include #device *=16 adc=10 #fuses XT,NOWDT,NOLVP,NOPROTECT,HS #use delay(clock=20M) int8 tem_dat=0,tem_do,i; int8 chuc, donvi; float adc_tong,adc_tb,xung; signed int8 e2,e1,e_sum,e_del; float Kp; float Ki; float Kd; unsigned int16 value; unsigned char led7[10] = {0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; void doc_adc() { set_adc_channel(0);//Truoc doc ADC can chi ro kenh can doc delay_ms(10);//chong nhieu vi sai lay mau========================= adc_tong=0; for(i=0;i