Điều khiển tự động hệ thống máy ly tâm tách tinh dầu bơ bằng PLC

CONTENTS Phần 1: 1.1 Tổng quan hệ thống chiết xuất tinh dầu bơ Trái Bơ Việt Nam .5 1.1.1 Lợi ích trái bơ 1.1.2 Nhu cầu sử dụng tinh dầu bơ 1.1.3 Đặc điểm thành phần trái bơ 1.2 Một số phương pháp chiết xuất tinh dầu .7 1.2.1 Chưng cất nước 1.2.2 Trích ly 1.2.3 Phương pháp ép lạnh 10 1.2.4 Phương pháp ép li tâm .10 1.2.5 Lựa chọn phương pháp chiết xuất tinh dầu Bơ 11 1.3 Một số loại máy ly tâm .11 1.3.1 Máy ly tâm ba chân 12 1.3.2 Máy ly tâm nằm ngang tháo bã dao 13 1.3.3 Máy ly tâm nằm ngang làm việc liên tục, tháo bã pittông 13 1.3.4 Máy ly tâm nằm ngang tháo bã vít xoắn 15 1.3.5 Máy phân ly siêu tốc loại dĩa 16 1.3.6 Lựa chọn loại máy ly tâm 17 1.4 Quy trình sản xuất tinh dầu hệ thống máy ly tâm .19 1.5 Sự cần thiết hệ thống máy ly tâm .20 1.6 Mục tiêu đề tài 21 1.7 Nội dung đề tài 21 1.8 Giới hạn đề tài 21 Phần 2: Lựa chọn thiết kế mơ hình 3d cho máy ly tâm đứng máy ly tâm nằm 22 2.1 Chọn số pha cho máy ly tâm .22 2.2 Máy ly tâm dạng nằm pha Decanter 23 2.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 23 2.2.2 Lựa chọn thông số vận hành 24 2.2.3 Chọn máy ly tâm Decanter 27 2.2.4 Thiết kế máy ly tâm Decater 29 2.3 Máy ly tâm dạng đứng pha (Separator) 36 2.3.1 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 36 2.3.2 Lựa chọn thông số vận hành 37 2.3.3 Chọn máy ly tâm Separator 38 2.3.1 Thiết kế máy ly tâm Separator 40 2.4 Kết luận 51 Phần 3: 3.1 Phân tích lựa chọn hệ thống điện 52 Phân tích lựa chọn phương án điều khiển 52 3.1.1 Mạch điều khiển dùng Rơle .52 3.1.2 Mạch dùng vi điều khiển ( Micro Controller) 53 3.1.3 Điều khiển PLC ( Programable Logic Control) 53 3.1.4 Lựa chọn phương án điều khiển 54 3.2 Lựa chọn thiết bị điện phù hợp cho hệ thống điều khiển 55 3.2.1 Biến tần 55 3.2.2 HMI 57 3.2.3 Cảm biến nhiệt độ 58 3.2.4 Đồng hồ đo nhiệt độ 59 3.2.5 Cảm biến đo độ rung 59 3.2.6 Cảm biến vận tốc .60 3.2.7 Van điện từ 61 3.2.8 Bơm tích áp 62 3.2.9 Bơm trục vít .63 3.2.10 3.3 Các thiết bị khác .63 Chọn PLC số module mở rộng 67 3.3.1 Chọn PLC Seimens s7 1200 DC/DC/DC 67 3.3.2 Module giao tiếp Modbus 68 3.3.3 Module Analog 69 3.3.4 Kết nối module PLC .69 Phần 4: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống máy ly tâm 70 4.1 Giới thiệu phần mềm mơ lập trình PLC TIA PORTAL V13 70 4.2 Giới thiệu truyền thông Modbus – giao tiếp RS485 74 4.2.1 Giới thiệu truyền thông Modbus 74 4.2.2 Truyền tính hiệu thơng qua giao tiếp RS485 76 4.3 Cấu hình điều khiển hệ thống máy ly tâm 77 4.4 Thiết kế sơ đồ P&ID (sơ đồ bố trí thiết bị) 78 4.5 Thiết kế sơ đồ kết nối mạch điện 80 4.6 Lưu đồ giải thuật .83 4.7 Tìm hiểu cách đọc tín hiệu cảm biến PLC 84 4.8 Tìm hiểu cách đếm xung tần số cao HSC PLC 85 4.9 Cách thức giao tiếp Module Modbus với biến tần đồng hồ nhiệt thông qua cổng giao tiếp RS485 88 4.10 Thiết kế hình điều khiển HMI 91 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT XUẤT TINH DẦU BƠ 1.1 Trái Bơ Việt Nam 1.1.1 Lợi ích trái bơ Cây Bơ có tên khoa học Persea americana tên tiếng Anh Avocado – loại ăn nhiệt đới cận nhiệt đới Ở nước ta, bơ trồng rộng rãi tỉnh Đồng Nai, Lâm Đồng, Đăc Lăk, Gia Lai ĐăkLăk nơi trồng bơ phổ biến nhất, có diện tích bơ 7000ha, sản lượng bơ đạt 300.000 / năm Ở nước ta bơ thường dùng để ăn tươi việc bán tươi mang lại hiệu kinh tế chưa cao cho người trồng Bơ có nhiều loại ngon bơ Sáp bơ Tứ Quý, chúng có giá trị dinh dưỡng lớn phần lớn tập trung tinh dầu chúng, mặt khác bơ loại có tỉ lệ dầu cao (15-30%) Dầu bơ cung cấp vitamin A, E, K, với khoáng chất kali, phốtpho, lưu huỳnh clo, tốt cho da bảo vệ thể chống lại bệnh tim dạng ung thư phổ biến Mặt khác, dầu bơ đánh giá loại dầu có giá trị dinh dưỡng cao, tốt cho sức khoẻ dầu hướng dương dầu ô liu Hình 1.1 Hình ảnh trực quan trái bơ Bơ chín cho vị thơm dễ chịu, có vị béo thanh, người thường dùng chúng để chế tạo nhiều ăn, làm nước ép hay sinh tố để lọc thể, nhiên ăn bơ nhiều ngán thời gian bảo quản bơ chín khơng lâu nên bơ dung để ăn chín ít, người ta thường thu hoạch bơ để dùng cho nhiều mục đích khác 1.1.2 Nhu cầu sử dụng tinh dầu bơ Như nêu, thời gian bảo quản bơ chín khơng lâu (khoản tuần) muốn vận chuyển bơ xa để bán cho nơi khác bơ phải hái chưa chín (bơ non có vị chát béo) điều làm ảnh hưởng đến chất lượng bơ Thị trường tiêu thụ bơ trái nước cao nhiên bất ổn định mùa bơ chín rộ làm cho giá bơ trái bất ổn hay bị tụt giá Nhu cầu xuất bơ trái nước như: Trung Quốc, Lào, Campuchia, Nhật, Mỹ cao đem lại hiệu kinh tế vô cao, nhiên bất ổn định xuất thường xuyên hay xảy ( thị trường Trung Quốc ) làm cho bơ bị ứ đọng gây hư hại không bán làm thiệt hại kinh tế cao Nhược điểm dùng bơ trái bảo quản khơng lâu, phương pháp để đem lại hiệu kinh tế cao từ bơ người ta đem chiết xuất dầu bơ để bán, hàm lượng chất dinh dưỡng bơ thường tập trung dạng nhủ dầu nên việc dùng dầu bơ thay trái bơ mang lại lợi ích cho sức khỏe, mặt khác dầu bơ bảo quản lâu mà khơng bị hư hại Dầu bơ loại dầu sử dụng phổ biến Việt Nam chúng có nhiều cơng dụng tốt cho sức khỏe, nhiên sản xuất dầu bơ Việt Nam hạn chế chủ yếu sản xuất theo phương pháp thủ công đem lại xuất thấp Việc sản xuất tinh dầu bơ với suất cao nhu cầu cấp thiết để đáp ứng nhu cầu sử dụng người Việt biện pháp đem lại hiệu kinh tế cao 1.1.3 Đặc điểm thành phần trái bơ Tùy vào giống bơ mà bơ có hình thù kích thước khác nhau, thường bơ có dạng trái bầu, vỏ có màu xanh xẩm chín Bơ có thành phần là: vỏ, thịt hạt bơ Trong bơ, thịt bơ chứa hàm lượng dầu cao nhất, hạt vỏ có dầu hàm lượng có độc tố nên người ta thường loại bỏ chúng Về lí tưởng, 100 gam thịt bơ có: nước (73%), dầu (15%), chất xơ (12%)[ CITATION Thà \l 1033 ] Hình 1.2 Thành phần trái bơ 1.2 Một số phương pháp chiết xuất tinh dầu 1.2.1 Chưng cất nước Nguyên tắc: Hơi nước thấm qua màng tế bào phận chứa tinh dầu, làm trương phá vỡ phận kéo tinh dầu (hợp chất không tan lẫn nước, dễ bay hơi) khỏi nguyên liệu Hình 1.3 Sơ đồ chân cất tinh dầu Quy trình: Người ta đun nước hóa qua nguyên liệu chứa tinh dầu để lôi kéo tinh dầu qua phận tách nước để lấy nước qua bình làm lạnh để ngưng tụ tinh dầu  Ưu điểm: Quy trình đơn giản, thiết bị gọn, dễ chế tạo, thời gian tách nhanh, tách nhiều loại tinh dầu  Nhược điểm:  Chỉ tách tinh dầu nguồn chứa tinh dầu có hàm lượng tương đối cao  Hạn chế cho sản phẩm dễ bị ảnh hưởng nhiệt (nhiệt phân, polymer hóa…) tinh dầu có chứa hợp chất dễ bị tác dụng nhiệt  Tốn nhiều nhiên liệu nước giải nhiệt; nên cần có số biện pháp khắc phục  Những tinh dầu có nhiệt độ sơi cao thường cho hiệu suất 1.2.2 Trích ly Trích ly q trình tách hồn tồn hay phần chất hòa tan hổn hợp chất lỏng hay chất rắn đồng chất lỏng khác gọi dung môi Được ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp ngành hóa chất thực phẩm Dung môi thường dùng: Ether dầu hỏa, hexan,ethylic ether, chloroform, dichlorometane, ethanol… Dung môi thường dùng phải đạt số yêu cầu sau:  Có nhiệt độ sôi thấp, dễ chưng tách  Không ảnh hưởng mùi hương tinh dầu  Không phản ứng với cấu tử tinh dầu  Có khả hòa tan tốt tinh dầu tan tạp chất  Khơng ăn mòn thiết bị, khơng độc, rẻ, dễ tìm Nguyên tắc: Dung môi thấm qua màng tế bào, hòa tan tinh dầu, tượng thẩm thấu xảy đến đạt cân bằng, q trình trích ly trình khuếch tán cấu tử tinh dầu từ ngun liệu vào dung mơi Quy trình: Thể rõ qua hình 1.4 Hình 1.4 Quy trình trích ly tinh dầu  Ưu điểm: Sản phẩm thu theo phương pháp thường có mùi thơm tự nhiên Hiệu suất sản phẩm thu thường cao phương pháp khác  Nhược điểm: Yêu cầu cao thiết bị   Thất dung mơi  Quy trình tương đối phức tạp 1.2.3 Phương pháp ép lạnh Nguyên tắc: Nguyên liệu tách nước trước vào máy ép để ép tinh dầu Quy trình: Ngun liệu đem xay nhuyển sau đem qua thiết bị sấy lạnh để hút hết nước, phần nguyên liệu khô đem ép để lấy tinh dầu  Ưu điểm:  Sản phẩm xử lý với nhiệt độ thấp so với tất phương pháp có, mùi hương, tính chất hồn tồn lưu giữ  Quy trình tương đối đơn giản  Nhược điểm:  Hiệu suất ép chưa lấy hết lượng dầu có nguyên liệu  Dầu bị nhiểm tạp chất lại sau trình ép 1.2.4 Phương pháp ép li tâm Nguyên tắc: Sử dụng máy ép để ép lấy dịch nguyên liệu, sau đưa vào máy li tâm để phân tách nước, cặn dầu riêng dựa nguyên lí khác biệt khối lượng riêng chất Quy trình: Phương pháp diễn tương đối đơn giản nhờ hiệu làm việc máy li tâm Dịch liệu sau lấy từ máy ép đưa vào máy ly tâm, với lực quay lớn làm thành phần có dịch liệu phân tách ra, phân tử có khối lượng riêng lớn văng xa có lực qn tính lớn Qúa trình ly tâm tách dầu, nước 10 4.3 Cấu hình điều khiển hệ thống máy ly tâm Hình 4.2 Cấu hình hệ thống Từ thiết bị, máy móc mà ta lựa chọn, cấu hình hệ thống sản xuất tinh dầu bơ máy ly tâm biểu thị hình 4.2 Thiết bị điều khiển thu nhận liệu từ cảm biến để xác định thống số trạng thái cần thiết trình hoạt động Sau đưa tin hiệu điều khiển tới thiết bị điện Các thiết bị điện điều khiển máy ly tâm trình ly tâm.Người dùng điều khiển giám sát toàn trình hoạt động thơng qua thiết bị điện 4.4 Thiết kế sơ đồ P&ID (sơ đồ bố trí thiết bị) Khi hiểu rõ nguyên lý vận hành máy ly tâm với việc lựa chọn thiết bị điện, yêu cầu cấp thiết cần có hệ thống kết nối đường ống, thiết bị để thể rõ nguyên lí vận hành hệ thống máy ly tâm, ta cần vẽ sơ đồ P&ID P&ID sơ đồ bao gồm hệ thống piping, thiết bị, instrument tín hiệu điều khiển Từ sơ đồ này, ta hiểu rõ cách bố trí lắp đặt hệ thống đường ống, 79 thiết bị cho hệ thống máy ly tâm, hiểu rõ nguyên lí vận hành, điều kiện cần để thiết kế hệ thống máy ly tâm mơ hình 3D Dưới bảng thích kí hiệu có sơ đồ P&ID: Kí hiệu Tên gọi M Động NS Cảm biến nhiệt độ VS Cảm biến vận tốc RS Cảm biến rung SV Van điện từ PLC Bộ điều khiển PLC P Máy bơm Bảng 4.3 Bảng thích sơ đồ P&ID Sơ đồ P&ID thể rõ qua hình đây: 80 Hình 4.3 Sơ đồ P&ID 81 Hệ thống sản xuất tinh dầu bơ hệ thống đường ống kín, q trình sản xuất diễn cách tự động mà không cần đến bàn tay người Hệ thống sử dụng cảm biến để đưa tín hiệu điều khiển cho máy ly tâm Hệ thống sử dụng van điện từ tự động đóng mở theo lệnh PLC Các máy bơm có nhiệm vụ cấp liệu, cấp nước xã nước vận hành cho máy li tâm, biến tần thực việc điều khiển tốc độ quay cho động máy ly tâm Sau thiết lập sơ đồ P&ID, trình thiết kế lắp ráp hệ thống máy ly tâm mô hình 3D diễn cách dễ dàng Hình 4.4 Mơ hình 3D thống máy ly tâm dùng cho chiết xuất dầu bơ 4.5 Thiết kế sơ đồ kết nối mạch điện Từ thiết bị lựa chọn, số thiết bị điện cần thiết, ta thiết kế mạch điện điều khiển cho hệ thống Dưới bảng kí hiệu có sơ đồ mạch điện: STT Ký hiệu CB M FU OL ES Tên gọi Aptomat Động Cầu chì Rơ le nhiệt Contacto 82 NO NC Relay Tiếp điểm thường mở Tiếp điểm thường đóng Rờ le trung gian Bảng 4.4 Các kí hiệu có sơ đồ mạch điện Sơ đồ mạch điện chia làm mạch: mạch động lực mạch điều khiển Hình 4.5 Mạch động lực 83 Hình 4.6 Mạch điều khiển 84 4.6 Lưu đồ giải thuật Lưu đồ giải thuật loại sơ đồ biểu diễn trình hoạt động diễn theo ý muốn Sơ đồ thể giải pháp cho vấn đề cần giải bước một, bước trình hiển thị dạng khối hình nối với mũi tên để thể dòng điều khiển Như vậy, thiết kế lưu đồ chẳng qua đưa thuật toán với bước nhiệm vụ phải làm, có q trình lập trình điều khiển diễn cách dễ dàng tránh bị thiếu sót Trong hệ thống chiết xuất tinh dầu bơ hệ thống máy ly tâm, trình điều khiển máy diễn cách theo thứ tự từ máy Decanter xong đến Separator, máy có chế độ điều khiển automatic manual Để dễ kiểm sốt chương trình, ta viết chương trình để điều khiển hệ thống máy ly tâm, có hệ thống máy ly tâm đảm bảo tính ổn định cao sản xuất Các chương trình thể vẽ Sơ đồ biểu diễn trình hoạt động máy ly tâm thể rõ qua lưu đồ sau: Hình 4.7 Lưu đồ thể chương trình 85 4.7 Tìm hiểu cách đọc tín hiệu cảm biến PLC Như đề cập chương trước, cảm biến độ rung trả tín hiệu dạng dòng điện, nên ta cần phải sử dụng Module Analog để đọc tín hiệu cảm biến Trong phần mềm mô TIA PORTAL V13, thể rõ thông tin cổng kết nối đầu vào cho module analog Module analog có tất kênh từ Channel I0 đến Channel I3, địa đầu vào kết nối tương ứng IW 96, IW98, IW100 IW102 Tín hiệu đọc vào dòng áp tùy theo chế độ thiết lập muốn sử dụng người dùng Ta sài cảm biến độ rung nên dùng kênh I0 I1, kết thể rõ hình đây: Hình 4.8 Cấu hình kênh đọc tín hiệu Analog Tín hiệu Analog dãy số, để biểu diễn giá trị cường độ dòng điện cảm biến trả về, PLC quy định giá trị cụ thể vùng giá trị từ 0-27648 tương ứng với giá trị dòng điện từ 0-20mA 86 Hình 4.9 Bảng quy định giá trị biểu diễn tín hiệu Analog S7 1200 Từ bảng đây, kết hợp với hàm NORM SCALE kết trả tín hiệu độ rung cảm biến tính theo cơng thức sau: output  H L (input  0)  L 27648  (4.1) Trong đó: H L dãi đo cảm biến ( từ đến 50 mm) Input giá trị đọc Output giá trị độ rung cảm biến Dưới làm hàm tính tốn xuất giá trị cảm biến độ rung máy Decanter : Hình 4.10 Hàm đọc tín hiệu Analog 4.8 Tìm hiểu cách đếm xung tần số cao HSC PLC Trong PLC sử dụng có tất đếm xung tốc độ cao HSC, chúng có ý nghĩa sử dụng để đọc vận tốc quay động Ta sử dụng cảm biến tiệm cận để đọc số xung đĩa quay encoder có máy Decanter Separator, đếm xung tốc độ cao ghi lại số xung mà cảm biến đọc thời gian lấy mẫu, từ vài phép tính ta tính vận tốc trục quay máy ly tâm 87 Hình 4.11 Cấu hình kênh đếm xung HSC Cổng dây kết nối để đọc tín hiệu cảm biến đếm xung cao tần người dùng thết lập, ta quy định cổng nối dây cảm biến I0.0 I0.2 tương ứng với máy Decanter Separator Dữ liệu số xung đọc kênh HSC1 HSC2 lưu vào ô nhớ ID1000 ID1004 Chế độ đọc HSC xung/s với thời gian lấy mẫu 1s, vận tốc quay trục quay tính theo cơng thức : output  input.60 N (4.2) Trong : Input số xung đọc giây (xung/s) N số xung có đĩa encoder (xung/vòng) Output vận tốc quay trục quay (vòng/ph) Từ cơng thức tính tốn số cách thức khai báo lệnh sử dụng HSC, trình đọc vận tốc quay máy Decanter thể qua hình : 88 Hình 4.12 Hàm đọc xung tốc độ cao HSC1 89 4.9 Cách thức giao tiếp Module Modbus với biến tần đồng hồ nhiệt thông qua cổng giao tiếp RS485 Giao tiếp RS485 sử dụng giao tiếp PLC với biến tần đồng đồ nhiệt thông dụng, dễ giao tiếp giao tiếp lúc với nhiều slave khoảng cách lớn Trong biến tần có quy định địa ghi thực nhiệm vụ riêng nó, để biết chức lệnh đọc, ghi… ta cần phải tra datasheet sản xuất Biến tần INVT sử dụng có quy định cách thức đọc truyền liệu, địa ghi ghi dạng mã hex : Hình 4.13 Địa quy định chế độ làm việc biến tần Hình 4.14 Địa ghi có chức ghi đọc liệu biến tần 90 Trong đồng hồ nhiệt quy định địa ghi để truyền đọc liệu, ta sử dụng đồng hồ nhiệt để hiển thị giá trị nhiệt độ cảm biến đọc giá trị nhiệt độ PLC nên ta quan tâm địa để đọc giá trị nhiệt độ đồng hồ nhiệt Các địa ghi dạng mã hex Hình 4.15 Địa số ghi đồng hồ nhiệt Để giao tiếp với module Modbus, ta cần phải biết địa mà module modbus sử dụng để giao tiếp đọc ghi liệu, Datasheet s7 1200 có quy định điều Hình 4.16 Địa ghi quy định chế độ làm việc modbus 91 Địa modbus quy định dạng thập phân, muốn đọc hay ghi tín hiệu lên biến tần hay đồng hồ nhiệt, ta cần chuyển đổi địa biến tần đồng hồ dạng thập phân Trong modbus, để thực việc truyền hay nhận liệu từ slave ( biến tần, đồng hồ nhiệt) ta cần phải thực phần cơng việc khai báo truyền nhận liệu a) Khai báo Trong phần khai báo, ta cần rõ sử dụng mobus chế độ điều khiển nào, dùng PLC để lệnh đọc tín hiệu ta dùng khối MASTER, ta dùng biến tần đồng hồ nhiệt để lệnh cho PLC ta dùng khối SLAVE Trong này, ta phải sử dụng khối MASTER để thực việc lệnh nhận liệu PLC Hình 4.17 Ví dụ hàm khai báo modbus 92 Yêu cầu hàm khai báo cần có cổng giao tiếp (rs485), tốc độ truyền liệu, chế độ kiểm tra lỗi địa khối ô thực mệnh lệnh b) Truyền nhận liệu Trong phần truyền nhận liệu, ta cần rõ chế độ truyền hay nhận liệu, đưa địa khối slave cần thực nhiệm vụ, địa ghi khối slave Dưới ví dụ cách cài đặt tần số cho biến tần thông qua nhiệm vụ ghi liệu lên khối slave với địa ghi 48194 Hình 4.18 Ví dụ ghi liệu modbus 4.10 Thiết kế hình điều khiển HMI 93 ... với máy, nhu cầu sử dụng hệ thống máy ly tâm vô quan trọng Hệ thống máy ly tâm bao gồm nhiều máy ly tâm thiết kế điều khiển 20 riêng để dễ dàng điều khiển lúc nhiều máy mà đở công thời gian điều. .. Tổng quan máy ly tâm  Lựa chọn kết cấu khí máy ly tâm nằm (Decanter) máy ly tâm đứng (Separator)  Phân tích lựa chọn hệ thống điện  Thiết kế phần điều khiển cho hệ thống máy ly tâm  Tổng... ly tâm đem lại hiệu vô cao, tiết kiệm thời gian sản xuất mà chất lượng dầu nhận cao, dùng hệ thống máy ly tâm để chiết xuất dầu bơ lựa chọn hợp lí 1.3 Một số loại máy ly tâm Máy ly tâm loại máy