Tiểu luận môn Điều khiển tự động Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa quả sử dụng năng lượng mặt trời

Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời ĐẶT VẤN ĐỀ Vấn đề lượng vấn đề mà gây nhức nhối cho giới nhiều thập kỉ Nhu cầu lượng người thời đại khoa học kĩ thuật phát triển ngày tăng Trong nguồn nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ khí đốt … có hạn, khiến nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng Việc tìm kiếm khái thác nguồn lượng xu hướng giới tương lại Năng lượng tái tạo nói chung lượng mặt trời nói riêng ngày quan tâm tình trạng thiếu hụt lượng vấn đề cấp bách ô nhiễm môi trường Năng lượng mặt trời xem nguồn lượng tương lai nguồn lượng miễn phí Do lượng mặt trời sử dụng rộng rãi giới vào nhiều quy trình sản xuất cơng nghiệp Tuy Việt Nam việc sử dụng lượng mặt trời triển khai hạn hẹp chưa rộng rãi đánh giá đất nược có nguồn lượng dồi dạo Góp phần vào phát triển đất nước phương diện lượng mặt trời em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời” Bài toán đặt phải điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ cho trước Đề tài phải đảm bảo yêu cầu nhiệt độ lò sấy phải đạt nhiệt độ yêu cầu mà công nghệ đề thời gian sấy phải phù hợp Nội dung đề tài bao gồm: Chương 1: Giới thiệu công nghệ sấy sử dụng lượng mặt trời Chương 2: Cơ sở lý thuyết trình sấy Chương 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa Chương : Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa Chương : Kết thu hướng mở rộng Trong q trình thực đồ án, nhóm em nhận hướng dẫn tận tình thầy, cô giáo môn Điều khiển tự động, đặc biệt cô trực tiếp hướng dẫn em, cô giáo ThS Đinh Thị Lan Anh nhiệt tình bảo hỗ trợ bọn em Tuy Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời nhiên thời gian kiến thức có hạn, nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận góp ý thầy để chúng em hồn thiện kiến thức Hà Nội, tháng năm 2018 Nhóm sinh viên Vũ Hải Hồng Nguyễn Kim Bảo Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ MỤC LỤC .3 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC VIẾT TẮT .6 CHƯƠNG 1: Giới thiệu công nghệ sấy sử dụng lượng mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trời 1.1.1 Tổng quan .1 1.1.2 Các ứng dụng lượng mặt trời 1.2 Ứng dụng sấy sử dụng NLMT 1.2.1 Những lợi ích việc sấy hoa 1.2.2 Tiềm công nghệ sấy sử dụng NLMT 1.3 Mô tả công nghệ sấy sử dụng NLMT 1.3.1 Yêu cầu công nghệ 1.3.2 Tổng quan hệ thống sấy sử dụng NLMT CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết trình sấy 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy 2.2 Công nghệ sấy .10 2.3 Các tham số điều khiển trình sấy 13 CHƯƠNG 3: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sấy hoa 15 3.1 Tính tốn cơng suất 16 3.2 Lựa chọn thiết bị 17 3.3 Thiết kế không gian sấy 17 3.4 Thiết kế mạch điện điều khiển .19 3.5 Thiết kế mạch sạc pin mặt trời 22 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời 3.6 Giao tiếp với máy tính .24 CHƯƠNG 4: Thiết kế phần mềm cho hệ thống điều khiển sấy hoa 27 4.1 Nhận dạng mơ hình phương pháp thực nghiệm 27 4.2 Thiết kế điều khiển 32 4.2.1 Xây dựng điều khiển mờ 32 4.3 Tiến hành điều khiển mơ hình lị sấy thực tế thông qua VĐK 37 4.4 Thiết kế giao diện giám sát điều khiển 41 4.4.1 Phần mềm Matlab công cụ GUIDE 41 4.4.2 Xây dựng giao diện giám sát điều khiển nhiệt độ lò sấy hoa 41 CHƯƠNG 5: Kết thu hướng mở rộng 43 5.1 Kết thu 43 5.2 Các mặt hạn chế đề xuất hướng giải .46 5.2.1 Hạn chế 46 5.2.2 Hướng giải 46 5.3 Hướng phát triển đề tài 47 LỜI CẢM ƠN 48 DANH MỤC THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 Các bước lập trình giao tiếp tạo giao diện GUI 50 Sử dụng công cụ System Identification để nhận dạng 57 Sử dụng công cụ fuzzy thiết kế điều khiển mờ matlab 61 Giới thiệu thiết bị sử dụng hệ thống 64 4.1 Thiết bị điều khiển 64 4.2 Thiết bị đo 65 4.3 Thiết bị chấp hành 66 Hướng dẫn sấy cho số loại thực phẩm 67 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống sấy sử dụng lượng mặt trời Hình 2.1: Đồ thị I-d khơng khí ẩm Hình 2.2: Mơ hình sấy khơng khí ngang 11 Hình 2.3: Mơ hình sấy khơng khí đứng 12 Hình 2.4: Các biến trình hệ thống lị sấy .14 Hình 3.1: Lưu đồ P&ID hệ thống sấy 15 Hình 3.2: Thiết kế chi tiết khơng gian sấy 18 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống 19 Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết mạch điều khiển 20 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin mặt trời 22 Hình 3.6: Tấm pin mặt trời 23 Hình 4.1: Phương pháp nhận dạng mơ hình 27 Hình 4.2: Đồ thị kết nhận dạng quạt tản nhiệt 28 Hình 4.3: Hàm nhận dạng matlab quạt tản nhiệt .29 Hình 4.4: Đồ thị kết nhận dạng điện trở 30 Hình 4.5: Hàm nhận dạng matlab điện trở nhiệt .30 Hình 4.6: Đồ thị đặc tính nhiệt độ 31 Hình 4.7: Hàm nhận dạng trình nhiệt .32 Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển BĐK mờ có Sp 33 Hình 4.9: Hàm liên thuộc đầu vào sai số e 34 Hình 4.10: Hàm liên thuộc tốc độ sai số e .34 Hình 4.11: Sơ đồ Simulink mô điều khiển mờ chế độ setpoint 35 Hình 4.12: Kết nhiệt độ lị mô điều khiển mờ chế độ setpoint 35 Hình 4.13: Cơng suất điện trở mơ chế độ setpoint .36 Hình 4.14: Công suất quạt chế độ setpoint 36 Hình 4.15: Giao diện HMI 42 Hình 4.16: Đồ thị nhận dạng chạy giao diện 42 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời Hình 5.1: Kết điều khiển nhiệt độ lò sấy 43 Hình 5.2: Kết thành phẩm .45 Hình 5.3: Cấu tạo thu nhiệt 47 Hình 5.4: Mơ hình đề xuất tách riêng phần thu nhiệt phần sấy 47 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thành phần hóa học chuối 10 Bảng 3.1: Bảng thống kê thiết bị .17 Bảng 4.1: Luật mờ cho công suất quạt chế độ setpoint 34 Bảng 4.2: Luật mờ cho công suất điện trở nhiệt chế độ setpoint 35 Bảng 5.1: Bảng thông số đánh giá số phương pháp sấy 44 DANH MỤC VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ NLMT Năng lượng Mặt Trời VĐK Vi điều khiển Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời CHƯƠNG 1: Giới thiệu về công nghệ sấy sử dụng lượng mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trời 1.1.1 Tổng quan • Năng lượng tái tạo hay lượng tái sinh lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực người vô hạn lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng địa nhiệt • Theo ý nghĩa vật lý, lượng không tái tạo mà trước tiên Mặt Trời mang lại biến đổi thành dạng lượng hay vật mang lượng khác Tùy theo trường hợp mà lượng sử dụng tức khắc hay tạm thời dự trữ • Nguyên tắc việc sử dụng lượng tái tạo tách phần lượng từ quy trình biến đổi liên tục mơi trường đưa vào ứng dụng kỹ thuật Trong loại lượng tái tạo sử dụng nay, lượng Mặt Trời (NLMT) xem loại lượng phổ biến dễ ứng dụng • Năng lượng Mặt Trời thu Trái Đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất • Có thể trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng photon Mặt Trời thành điện năng, pin Mặt Trời • Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, làm sôi nước máy nhiệt điện tháp Mặt Trời, vận động hệ thống nhiệt máy điều hòa Mặt Trời • Năng lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành lượng liên kết hóa học phản ứng quang hóa Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời Có thể thấy ứng dụng chủ yếu NLMT chia làm loại Nhiệt mặt trời Điện mặt trời 1.1.2 Các ứng dụng của lượng mặt trời 1.1.2.1 Nhiệt mặt trời Các ứng dụng Nhiệt mặt trời phổ biến kể đến: • Đun nước nóng: Hệ thống nước nóng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng nước với nhiệt độ lên đến 60 °C • Sưởi ấm, làm mát thơng gió: Nhiệt khối vật liệu sử dụng để lưu trữ nhiệt nóng từ Mặt trời Chúng sử dụng khu vực ôn đới lạnh để trì ấm áp Một ống khói lượng mặt trời (hoặc ống khói nhiệt) hệ thống thơng gió tận dụng tượng đối lưu gây đốt nóng khơng khí nhiệt mặt trời để lưu thơng khơng khí tịa nhà • Nấu ăn: Bếp lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khơ khử trùng Chúng nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp bếp phản xạ Bếp hộp đạt đến nhiệt độ 90-150 °C Bếp phản xạ đạt đến nhiệt độ 315 °C cao yêu cầu ánh sáng trực tiếp để hoạt động phải thay đổi vị trí để theo dõi Mặt trời 1.1.2.2 Điện mặt trời Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaics - PV), gọi quang điện hay quang lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện nhờ pin mặt trời Ngày nay, nhu cầu lượng ngày nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển nhanh chóng • Điện mặt trời tập trung Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương hệ thống theo dõi để tập trung khu vực rộng lớn ánh sáng mặt trời vào chùm nhỏ Nhiệt tập trung sau sử dụng nguồn lượng cho nhà máy điện thông thường • Pin quang điện (Pin mặt trời) Pin lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - phần tử bán dẫn có chứa bề mặt số lượng lớn cảm biến ánh sáng điốt quang, thực biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Những tế bào lượng mặt trời ban đầu có giá 286 USD watt đạt hiệu suất 4,5 - 6% 1.2 Ứng dụng sấy sử dụng NLMT 1.2.1 Những lợi ích của việc sấy hoa Việt Nam quốc gia có nơng nghiệp chiếm tỉ trọng tương đối lớn cấu kinh tế Một vấn đề thiết yếu việc sản xuất chế biến nông sản bảo quản Khi thu hoạch lượng lớn nông sản hoa quả, người nông dân bảo quản thức ăn qua việc phơi sấy khô Tuy nhiên phơi khô trực tiếp ánh mặt trời làm ảnh hưởng tới chất lượng nông sản yếu tố bụi bẩn, động vật, thời tiết thất thường … Vì việc bảo quản cần tới công nghệ sấy để đảm bảo chất lượng nông sản, đáp ứng tốt nhu cầu thị trường Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời Bằng việc sấy khô, hương vị chất dinh dưỡng hoa đảm bảo nguyên vẹn Trái rau khô không cần tới chất bảo quản, thực phẩm khô đem lại hàm lượng dinh dưỡng cao Nếu lưu trữ điều kiện tốt, thời gian bảo quản lên tới – 12 tháng Đặc biệt sử dụng công nghệ sấy lượng mặt trời đem lại hiệu lớn so với phơi khô thông thường, thời gian sấy khô giảm đáng kể 1.2.2 Tiềm của công nghệ sấy sử dụng NLMT Đây hình thức chế biến nông sản đơn giản, không gây hại môi trường Bên cạnh đó, việc sử dụng lượng mặt trời tiết kiệm chi phí so với việc sấy thơng thường Cơng nghệ sấy sử dụng NLMT áp dụng cho nhiều loại nơng sản: • Hoa quả: táo, mơ, nho, dứa, chuối, xồi… • Rau củ: cải bắp, súp lơ, khoai tây… • Gia vị: hạt tiêu, ớt, hành, tỏi… • Các loại thảo mộc, thảo dược, trà… • Các loại khơ thịt, khơ cá, khơ mực… • Các loại hạt: đậu phộng, hạt điều, cacao, cà phê… Một vài tính hệ thống sấy sử dụng NLMT: • Cơng nghệ sấy đại, đạt chất lượng loại máy sấy dân dụng máy sấy cơng nghiệp • Vận hành vùng có khí hậu khơ hay ẩm • Dễ dàng lắp đặt tháo dỡ • Thời gian sấy rút ngắn so với hình thức phơi khơ • Giá trị nơng sản nâng cao • Điều kiện sấy đảm bảo hợp vệ sinh, chống loại côn trùng, vi khuẩn gây bệnh • Khơng bị ảnh hưởng thời tiết ẩm ướt, mưa, nấm mốc… Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời FontSize 12 tag edit3 FontSize 12 String Temperature In FontSize 12 tag edit5 tag axes1 visible off tag axes2 visible off BackgroundColor Green tag btnplay Fontsize 14 String PLAY Bảng P.1 Bảng cài đặt thông số 17 18 19 20 21 22 Ta giao diện sau: Hình P.5 Giao diện HMI sau xây dựng 54 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời PL.1.2 Viết chương trình cho GUI Sau xây dựng xong phần giao diện t lưu lại bắt đầu lập trình cho giao diện file đuôi m đối tượng lập trình gọi thuộc tính “tag” mà ta cài đặt Matlab xây dựng sẵn hàm thành phần có giao diện, nên cần lập trình hàm Sau hàm có chương trình: • Hàm “btnopen_Callback” gọi ấn nút OpenPort thực việc mở cổng COM cài đặt tốc độ truyền Baurate cho cổng COM com = (get(handles.edcom,'string')); s= serial (com); bau = str2double(get(handles.edbaurate,'string')); set(s,'BaudRate',bau); s.BytesAvailableFcnMode='byte'; s.BytesAvailableFcnCount=1; s.BytesAvailableFcn={@mycallback,handles}; fopen(s); set(handles.btnopen,'Enable','off'); set(handles.btnclose,'Enable','on'); set(handles.btns,'Enable','on'); set(handles.btnf,'Enable','on'); • Hàm “btnclose_callback” ấn nút ClosePort fclose(s); set(handles.btnopen,'Enable','on'); set(handles.btnplay,'Enable','on'); set(handles.btnclose,'Enable','off'); set(handles.btns,'Enable','off'); set(handles.btnf,'Enable','off'); • Hàm “btns_callback” ấn nút StartDiagram global s; set(handles.btns,'Enable','off'); set(handles.btnf,'Enable','on'); • Hàm “btnf_callback” nhấn nút StopDiagram global s; set(handles.btns,'Enable','on'); set(handles.btnf,'Enable','off'); • Lập trình giao tiếp cho VĐK với máy tính Giao tiếp lập trình với máy tính đơn giản gồm phần chính: s.BytesAvailableFcnMode='byte'; s.BytesAvailableFcnCount=1; s.BytesAvailableFcn={@mycallback,handles}; viết hàm “btnopen_callback” phần thứ hàm “mycallback” thực có liệu truyền đến %doc du lieu nhiet 55 Thiết kế hệ thống điều khiển sấy hoa sử dụng lượng mặt trời data= fread(s,1); a=[a;data]; • Đọc liệu vẽ đồ thị , hiển thị nhiệt độ Sẽ thực công việc hàm “mycallback” Trước tiên đọc giá trị thời gian gửi h2=clock; if (h2(6)>h1(6)), h=[h;h(length(h))+h2(6)-h1(6)];else if (h2(6)