Đo lường và điều khiển tủ sấy sử dụng Labview

Bài viết giới thiệu việc xây dựng bộ đo lường và điều khiển tủ sấy sử dụng Labview kết hợp bộ thu thập dữ liệu NI-8006 nhằm giải quyết khó khăn ở khâu xác định độ ẩm vật liệu trong quá trình sấy.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 60 ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỦ SẤY SỬ DỤNG LABVIEW MEASUREMENT AND CONTROLS DRYER BY LABVIEW Nguyễn Thành Luân, Lê Thị Hồng Nhung, Lại Hoài Nam Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 28/4/2020, ngày phản biện đánh giá 18/5/2020, ngày chấp nhận đăng 01/6/2020 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu việc xây dựng đo lường điều khiển tủ sấy sử dụng Labview kết hợp thu thập liệu NI-8006 nhằm giải khó khăn khâu xác định độ ẩm vật liệu trình sấy Kết cho thấy đo lường thu thập liệu nhiệt độ tác nhân sấy, độ ẩm tác nhân sấy độ ẩm vật liệu sấy có độ xác cao, phù hợp với kết đo thiết bị kiểm chứng Các liệu thu thập đồ thị hóa theo thời gian thực máy tính, thuận lợi việc theo dõi xử lý số liệu sau thu thập Thiết bị điều khiển trực quan, tự động hóa tủ sấy yêu cầu, ứng dụng vào thực nghiệm q trình sấy chế tạo máy sấy, tủ sấy dùng để thí nghiệm Từ khóa: Labview; NI-8006; cảm biến nhiệt độ; cảm biến độ ẩm; cảm biến khối lượng ABSTRACT The article introduces the measuring and controls dryer using Labview combined with NI-8006 data collection to solve the problem in determining the moisture content of materials in process drying The results show that the measurement set collects data: the temperature of the drying agent, the humidity of the drying agent and the moisture content of materials with high accuracy, there is good agreement with the results of the test equipment The collected data is graphed in real time on a computer, advantage in tracking and processing of data after collection The device have an intuitive interface which can apply on experimental drying process or manufacture dryers use for experiment Keywords: Labview; NI-8006; temperature sensor; humidity sensor; loadcell ĐẶT VẤN ĐỀ Việc đo lường điều khiển máy sấy có vai trò quan trọng nghiên cứu sản xuất; giúp tiết kiệm thời gian, giảm sức lao động, giảm tiêu hao lượng tối ưu hóa chế độ sấy để nâng cao chất lượng sản phẩm Do đó, có nhiều nghiên cứu đo lường kiểm sốt chế độ sấy máy sấy đơn cử như: Tác giả Li cộng tác viên (ctv) [1] nghiên cứu đo lường kiểm soát chế độ sấy cà rốt máy sấy vi sóng sử dụng thu thập liệu PCI-6014 phần mềm Labview Kết nghiên cứu cho thấy thiết bị kiểm soát tốt chế độ sấy cà rốt, thời gian sấy tiêu hao lượng giảm, chất lượng sản phẩm sấy nâng cao Tác giả Martynenko [2] nghiên cứu ứng dụng đo lường giám sát buồng sấy thông qua liệu hình ảnh cách sử dụng camera, phần mềm Labview IMAQTM Nghiên cứu liệu hình ảnh thu từ đo lường trực quan, thiết bị kiểm soát tốt nhiệt độ, độ ẩm độ co ngót vật liệu q trình sấy Tác giả Gaceu [3] nghiên cứu ứng dụng đo lường giám sát máy sấy ngũ cốc sử dụng điều khiển PID kết hợp phần mềm Labview để xây dựng mơ hình tốn học dự đốn đường cong sấy theo biến vận hành Kết nghiên cứu cho thấy đo lường giám sát có khả kiểm sốt tối ưu hóa tốt chế độ sấy Tác giả Stawczyk ctv [4] nghiên cứu điều khiển máy sấy xúc xích sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại gần (NIR), thu thập liệu NI phần mềm Labview Các tác giả 61 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh kết luận điều khiển kiểm soát tốt độ ẩm xúc xích sấy nâng cao chất lượng sản phẩm Tác giả Gagnon ctv [5] nghiên cứu giám sát chế độ sấy dược phẩm máy sấy tầng sôi sử dụng cảm biến xạ hồng ngoại gần (NIR) kết hợp phần mềm Viavi MicroNIR, Matlab Labview Kết nghiên cứu cho thấy thiết bị kiểm soát tốt chế độ sấy, nâng cao chất lượng sản phẩm giảm tiêu hao lượng Tác giả Wu ctv [6] nghiên cứu giám sát điều khiển máy sấy bắp sử dụng mơ hình nhiệt độ tích lũy kết hợp PLC phần mềm Labview đến kết luận: thiết bị kiểm sốt tốt q trình sấy giảm tiêu hao lượng Tác giả Wang ctv [7] nghiên cứu ứng dụng thu thập liệu NI-9025 kết hợp phần mềm Labview để thu thập liệu điều khiển máy sấy bơm nhiệt, nghiên cứu thiết bị thu thập tốt liệu kiểm soát tốt chế độ sấy máy sấy bơm nhiệt Tác giả Jianghong ctv [8] nghiên cứu ứng dụng Labview thu thập liệu để giám sát điều khiển chế độ sấy thuốc máy sấy thăng hoa, kết luận thiết bị thu thập thông số hệ thống kiểm sốt tốt q trình cấp đơng, q trình sấy Tác giả Shusen ctv [9] nghiên cứu theo dõi thay đổi nhiệt độ bên rau, trình sấy sử dụng thu thập liệu NI-9205 phần mềm Labview Nghiên cứu thiết bị thu thập đồ thị hóa số liệu, lưu trữ số liệu trực quan với độ xác cao Hiện nay, Việt Nam có nhiều nghiên cứu thực nghiệm máy sấy Đặc biệt nghiên cứu chế độ sấy vật liệu, việc theo dõi độ ẩm vật liệu suốt trình sấy cần thiết Tuy nhiên, chi phí thí nghiệm lớn nên người nghiên cứu phải thực việc mở tủ sấy, lấy vật liệu đo độ ẩm vật liệu cảm biến thông qua cân khối lượng thời điểm Công tác này, làm nhiều thời gian người thực nghiệm, ảnh hưởng đến kết trình sấy Đặc biệt, đối máy sấy thăng hoa khơng thể sử dụng phương án đo lường để xác định độ ẩm vật liệu Đối với máy sấy chân khơng việc lấy sản phẩm ảnh hưởng lớn đến kết thực nghiệm Do đó, cần thiết phải xây dựng thu thập liệu nhằm giúp cho người thực nghiệm giảm thời gian công sức, đảm bảo độ tin cậy kết thực nghiệm với chi phí đầu tư thấp GIỚI THIỆU Để giải vấn đề đặt ra, tác giả tiến hành xây dựng đo lường tiến hành thử nghiệm tủ sấy điện trở Yêu cầu đo lường điều khiển tủ sấy bao gồm:  Điều khiển quạt điện trở  Đo độ ẩm vật liệu trình sấy  Đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí buồng sấy  Đo nhiệt độ khơng khí sau buồng sấy Trong nội dung đo lường điều khiển việc xác định độ ẩm vật liệu thời điểm trình sấy quan trọng Phương pháp xác định độ ẩm vật liệu sấy mà tác giả sử dụng phương pháp cân, cách sử dụng cảm biến khối lượng loadcell Theo lý thuyết, độ ẩm vật liệu thời điểm xác định: Wi = G ni 100% Gi (1) Trong : Gni: Khối lượng nước vật liệu thời điểm đo thứ i; g Gi: Khối lượng vật liệu thời điểm đo thứ i; g Triển khai cơng thức (1) ta có: Wi = G W -100.(G -G i ) G ni 100= 0 ;i=1,2, n Gi Gi (2) Trong đó: Gi: Khối lượng vật liệu thời điểm đo thứ i; g G0: Khối lượng ban đầu vật liệu, g W0: Độ ẩm ban đầu vật liệu, g Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Tác giả sử dụng công thức (2) đưa vào lập trình để đo độ ẩm vật liệu sấy Các thành phần đo lường điều khiển bao gồm: Card NI-6008, phần mềm Labview, cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến độ ẩm AMT1001, cảm biến khối lượng loacell 1kg Sơ đồ khối kết nối để điều khiển tủ sấy thể hình 62 Hiển thị giá trị đồ thị độ ẩm tác nhân sấy theo thời gian % Hiển thị giá trị đồ thị độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian % XÂY DỰNG MƠ HÌNH Mơ hình tủ sấy kích thước: 0,3mx0,3mx 0,4m; điện trở công suất 500W; quạt 220V Card NI-6008 [10]: analog input, analog output, 12 digital I/O Sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 [11] với dải đo nhiệt độ -55150°C, điện áp tuyến tính theo nhiệt độ 10 mV/0C, sai số ±0,250C Cảm biến độ ẩm AMT1001 [12] với dải đo độ ẩm 2095%, điện áp làm việc 5VDC, điện áp 0,6÷2,7VD Hình Sơ đồ khối kết nối điều khiển tủ sấy Các thông số đầu vào, đầu đo lường điều khiển thể bảng bảng Bảng Các thông số đầu vào TT Thông số Đơn vị Nhiệt độ sấy Độ ẩm ban đầu vật liệu sấy % Khối lượng khay sấy g Khối lượng ban đầu khay vật liệu sấy g C Bảng Các thông số đầu TT Thông số Hiển thị giá trị đồ thị nhiệt độ tác nhân sấy theo thời gian Đơn vị C Cảm biến khối lượng loadcell loại 1kg [13], điện áp làm việc 5VDC, tỉ số điện áp đầu vào 1±0,15mV/V Do tín hiệu điện áp đầu loadcell nhỏ nên thiết bị thu thập liệu NI -6008 không đọc giá trị tín hiệu Do đó, cần sử dụng module khuếch đại điện áp cho loadcell Trong nghiên cứu này, sử dụng module khuếch đại điện áp Weight Transmitters, điện áp làm việc 12÷24VDC, đầu vào tín hiệu loadcell, đầu 0÷10VDC 4÷20mA, module có biến trở để cân chỉnh giá trị khối lượng từ cảm biến loadcell Trong code chương trình Labview, cảm biến thiết lập tỉ lệ Scale theo dải đo thiết lập tương ứng với cảm biến; đồng thời, để lọc nhiễu cảm biến cách sử dụng hàm “Sample Variance PtByPt” với số sample lựa chọn 1000 Sử dụng rơle SSR-40DA (solid state module) với điện áp làm việc 3÷32VDC, dịng điện lớn mà tiếp điểm điều khiển chịu 25A để điều khiển điện trở quạt tủ sấy Các thiết bị đo lường dùng để đối chiếu cân chỉnh cảm biến (hình 2) bao gồm: - Hộp cân chuẩn sử dụng để cân chỉnh cảm biến loadcell 63 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Cân tiểu điện tử KS1000 với sai số 0,1g - Thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm XHM452 với sai số 0,10C; ±0,1% RH Hình Thiết bị đo sử dụng để đối chiếu cân chỉnh cảm biến Mơ hình thực nghiệm cách lắp đặt cảm biến loadcell thể hình hình 1.Quạt, 2.Điện trở, 3.Cảm biến LM35 AMT1001, 4.Khay sấy, 5.Cảm biến loadcell, 6.Cảm biến LM35 Hình Mơ hình tủ sấy 1.Giá đỡ nơi đặt khay sấy, 2;4.Gối đỡ, 3.Cảm biến Loadcell Hình Lắp đặt loadcell buồng sấy Hình Sơ đồ code Labview Code chương trình giao diện Labview sử dụng để đo lường điều khiển thể hình hình Sau xây dựng mơ hình đo lường điều khiển tủ sấy (hình 7), tiến hành cân chỉnh giá trị cảm biến: dựa giá trị cân chuẩn cân tiểu ly điện tử KS1000 thực cân chỉnh cảm biến loadcell cách chỉnh biến trở module khuếch đại điện áp; cân chỉnh giá trị nhiệt độ độ ẩm cảm biến LM35 cảm biến AMT1001 so sánh với thiết bị đo XH-M452, sau chỉnh trực tiếp code chương trình Labview Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 64 Hình Giao diện đo lường, điều khiển tủ sấy Labview SSR-40 DA 12VDC NI-6008 Bước 5: Khởi động tủ sấy cách bật nút khởi động quạt điện trở giao điện Labview Weight Transmitter s Bước 6: Xóa kết đồ thị cách click chuột phải vào đồ thị chọn clear chart Mục đích để xóa liệu trước bắt đầu ghi liệu cho trình sấy Quạt Hình Mơ hình đo lường điều khiển tủ sấy sử dụng Labview kết hợp Card NI-6008 Quy trình thực nghiệm mơ hình tiến hành theo bước sau: Bước 1: Đặt khay sấy vào buồng sấy Sau xem kết khối lượng nhập vào khối lượng khay Bước 2: Bố trí vật liệu lên khay, đưa vào buồng sấy Sau xem kết khối lượng nhập kết vào ô khối lượng vật liệu sấy khay Bước 3: Nhập độ ẩm ban đầu vật liệu sấy Bước 4: Nhập giá trị nhiệt độ sấy Đây thông số sử dụng để điều khiển đóng, ngắt điện trở trình sấy Bước 7: Để xuất liệu đồ thị bảng excel, click chuột phải vào đồ thị chọn: export  export data to excel KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau cân chỉnh cảm biến, tiến hành chạy thử nghiệm So sánh giá trị đo cảm biến với giá trị đo thiết bị đối chiếu, kết cho thấy: cảm biến loadcell sử dụng NI-6008 để đọc tín hiệu (12 bits) có sai số tín hiệu đọc khoảng 0,244g so sánh lại với cân kiểm chứng KS1000 sai lệch lớn tồn dải đo khoảng 0,1g; sai số tín hiệu cảm biến nhiệt độ độ ẩm so sánh với thiết bị đo XH-M452 sai lệch lớn giá trị nhiệt độ độ ẩm cảm biến khoảng 0,10C 1% toàn dải đo Quạt, điện trở tủ sấy điều khiển trực tiếp giao diện Labview Trong 65 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh trình sấy điện trở điều khiển đóng, ngắt tự động thông qua giá trị nhiệt độ sấy cài đặt Qua kết chạy thử nghiệm cho thấy hệ thống làm việc ổn định, liệu thu thập máy tính có độ xác cao Hình thể kết liệu thu thập mơ hình Các liệu nhiệt độ, độ ẩm tác nhân sấy độ ẩm vật liệu sấy đồ thị hóa theo thời gian thực máy tính Kết trực quan, giúp người thực nghiệm thuận lợi việc điều khiển, theo dõi xử lý số liệu sau thu thập a) Dữ liệu nhiệt độ sau buồng sấy b) Dữ liệu độ ẩm tác nhân sấy theo thời gian Bảng Độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian Time - Voltage_0 Amplitude - Voltage_0 67.6535 67.6532 67.6529 67.6526 67.6523 67.652 67.6517 67.6514 67.6511 67.6508 10 67.6505 Bảng thể đoạn kết đo độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian xuất dạng file excel, bảng gồm cột giá trị thời gian độ ẩm vật liệu sấy Bảng cho thấy giá trị liệu thu thập không bị nhiễu (khi bị nhiễu kết biến thiên tăng giảm khơng ổn định) giá trị có độ xác đến số sau dấu phẩy biến thiên theo quy luật giảm ẩm vật liệu sấy Qua cho thấy, việc ứng dụng phần mềm Labview thiết bị ADQ NI6008 để thu thập liệu, giúp người sử dụng giảm thời gian công sức đáng kể, đảm bảo độ tin cậy đo lường thực nghiệm Với chi phí đầu tư ít, đo lường ứng dụng để nghiên cứu thực nghiệm máy sấy ứng dụng vào tủ sấy thương mại c) Dữ liệu độ ẩm vật liệu thay đổi theo thời gian Hình Kết liệu thu thập giao diện Labview KẾT LUẬN Tác giả ứng dụng Labview, ADQ NI6008 cảm biến loadcell giải khó khăn thực nghiệm sấy khâu xác định độ ẩm vật liệu suốt trình sấy Giúp cho người thực nghiệm giảm thời gian công sức đảm bảo độ tin cậy kết thực nghiệm Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 58 (06/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Bộ đo lường làm việc ổn định, thu thập liệu tốt Khi so sánh với thiết bị đo kiểm chứng: sai số cảm biến loadcell 0,1g; sai số cảm biến nhiệt độ 0,10C sai số 66 cảm biến độ ẩm 1% Bộ đo lường sử dụng phục vụ cho trình nghiên cứu thực nghiệm sấy ứng dụng vào thực tế chế tạo máy sấy, tủ sấy dùng để thí nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Li, Z., G.V Raghavan, and N Wang, Carrot volatiles monitoring and control in microwave drying LWT-Food Science and Technology, 2010 43(2): p 291-297 Martynenko, A., Computer-vision system for control of drying processes Drying Technology, 2006 24(7): p 879-888 Gaceu, L LabView predictive model for optimization of the cereals drying process in the Proceedings of International Conference on Agricultural Economics, Rural development and Informatics, AVA3, Debrecen, Hungary, ISBN Stawczyk, J., et al., Control system for sausage drying based on on-line NIR aw determination Drying Technology, 2009 27(12): p 1338-1343 Gagnon, F., et al., Nonlinear model predictive control of a batch fluidized bed dryer for pharmaceutical particles Control Engineering Practice, 2017 64: p 88-101 Wu, Y., et al Intelligent Monitoring and Control of Grain Continuous Drying Process Based on Multi-parameter Corn Accumulated Temperature Model in 2017 International Conference on Smart Grid and Electrical Automation (ICSGEA) 2017 IEEE WANG, S.-p., X.-k ZHANG, and J.-j ZHANG, Design and Experiment of Data Acquisition System for Heat Pump Drying Based on LabVIEW [J] Instrument Technique and Sensor, 2011 [Jianghong, X and F.Y.F Jia, Use of Virtual Instrument Language in Program for Inspection of Freezing and drying Medicine [J] Pharmaceutical & Engineering Design, 2006 Shusen, H.J.Z.X.Z and X.G.X Jianguo, Internal Temperature Test Based on LabVIEW for Fruits and Vegetables in Drying Process Process Automation Instrumentation, 2012(8): p 13 National instruments usb-6008 user manual LM35 datasheet AMT1001 datasheet Load Cell datasheet Tác giả chịu trách nhiệm viết: Nguyễn Thành Luân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: luannt@hcmute.edu.vn ... dựng đo lường tiến hành thử nghiệm tủ sấy điện trở Yêu cầu đo lường điều khiển tủ sấy bao gồm:  Điều khiển quạt điện trở  Đo độ ẩm vật liệu trình sấy  Đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí buồng sấy  Đo. .. kết nối điều khiển tủ sấy Các thông số đầu vào, đầu đo lường điều khiển thể bảng bảng Bảng Các thông số đầu vào TT Thông số Đơn vị Nhiệt độ sấy Độ ẩm ban đầu vật liệu sấy % Khối lượng khay sấy g... Sơ đồ code Labview Code chương trình giao diện Labview sử dụng để đo lường điều khiển thể hình hình Sau xây dựng mơ hình đo lường điều khiển tủ sấy (hình 7), tiến hành cân chỉnh giá trị cảm biến: