Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH3 ứng dụng cho môi trường công nghiệp hóa chất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH3 ứng dụng cho mơi trường cơng nghiệp hóa chất GIANG HỒNG QUÂN NGÀNH: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Bùi Đăng Thảnh Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH3 ứng dụng cho mơi trường cơng nghiệp hóa chất GIANG HỒNG QN NGÀNH: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Bùi Đăng Thảnh Chữ ký GVHD Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Giang Hồng Quân Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH ứng dụng cho mơi trường cơng nghiệp hóa chất Chun ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: CA190092 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 24/06/2020 với nội dung sau: o Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo o Chỉnh sửa bố cục luận văn Chương cho hợp lý o Chỉnh sửa số lỗi trình bày Phần mở đầu: Giáo viên hướng dẫn Ngày CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG tháng năm 2020 Tác giả luận văn LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Bùi Đăng Thảnh tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn thạc sĩ Em xin gửi lời cảm ơn tới tất Quý thầy cô Viện Điện truyền đạt cho em nhiều kiến thức thời gian học tập trường Tuy nhiên hạn chế thời gian thiếu kinh nghiệm nên luận văn em không tránh khởi thiếu sót Vậy em mong nhận ý kiến nhận xét thầy cô để luận văn em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Học viên Giang Hồng Quân năm 2020 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sự hình thành khí Amoniac nguy nhiễm độc Amoniac mơi trường Cơng nghiệp hóa chất cách phịng tránh 1.1.1 Tổng quan phân bón NPK 1.1.2 Sản xuất vấn đề khí thải nhà máy sản xuất phân bón NPK 1.1.3 Tổng quan Amoniac (NH3) 1.1.4 Ảnh hưởng sức khỏe tiếp xúc với Amoniac 1.1.5 Quy chuẩn Quốc gia khí thải Cơng nghiệp sản xuất phân bón 11 1.1.6 Thực trạng giám sát khí NH3 cơng nghiệp hóa chất 12 1.2 Các phương pháp đo khí NH 15 1.2.1 Phương pháp quang hóa 15 1.2.2 Phương pháp điện hóa 15 1.2.3 Phương pháp sử dụng cảm biến bán dẫn 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 18 2.1 Nhiệm vụ thiết bị 18 2.2 Nguồn cấp 18 2.3 Vi điều khiển 19 2.4 Module WiFi 21 2.5 Cảm biến 22 2.6 Cổng USB 28 2.7 Màn hình 29 2.8 Thiết kế mạch in 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 33 3.1 Giao thức TCP/IP 33 3.2 Chương trình cho ESP8266 36 3.3 Chương trình cho ATMEGA328P 37 3.4 Một số vấn đề cần lưu ý lập trình 39 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 40 i 4.1 Phần cứng thiết bị 40 4.2 Kết đo thu thiết bị 42 4.3 Đánh giá sai số thiết bị đưa phương án hiệu chuẩn đo lường cho thiết bị 43 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 45 PHỤ LỤC 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Cơng ty cổ phần Supe phốt phát hóa chất Lâm Thao Hình Hình ảnh bên ngồi xưởng số nhà máy Hình Hình ảnh bên xưởng số nhà máy Hình Màn hình máy tính giám sát quy trình sản xuất Hình Bảng điều khiển trình Hình Tháp tạo hạt xưởng số Hình Khí thải của nhà máy CP Supe Phốt phát Hóa chất Lâm Thao Hình Bên Xí nghiệp sản xuất Supe lân 12 Hình Điểm đặt dự kiến số điểm đo Xí nghiệp Supe lân 13 Hình 10 Xí nghiệp NPK Hải Dương 13 Hình 11 Hiển thị kết đo nồng độ khí NH3 thiết bị đo trường 14 Hình 12 Hiển thị kết đo phòng trung tâm 14 Hình 13 Một số cảm biến đo nồng độ khí NH3 16 Hình 14 Cảm biến MQ135 17 Hình 15 Kích thước cảm biến MQ135 17 Hình Mơ hình hệ thống 18 Hình 2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 19 Hình Vi điều khiển ATMEGA 328P SMD 20 Hình Sơ đồ nguyên lý cho vi điều khiển 20 Hình Sơ đồ chân ESP8266-07 21 Hình Sơ đồ nguyên lý cho ESP8266 22 Hình Module Cảm biến MQ135 22 Hình Sơ đồ nguyên lý module MQ 135 23 Hình Đồ thị đặc tính MQ135 24 Hình 10 Ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ135 25 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến MQ135 25 Hình 12 Tìm giá trị R0 27 Hình 13 Cổng USB type B 28 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý cổng USB 29 iii Hình 15 NOKIA 5110 LCD .29 Hình 16 Layer tổng quan 30 Hình 17 Top layer .31 Hình 18 Bottom layer 31 Hình 19 Mơ hình 3D thiết bị 32 Hình Các tầng giao thức TCP/IP 34 Hình Q trình đóng mở liệu giao thức TCP/IP 35 Hình 3 Cấu trúc liệu TCP/IP .35 Hình Lưu đồ thuật tốn ESP8266 37 Hình Lưu đồ thuật toán ATMEGA328P 38 Hình Thiết bị thực 40 Hình Cấp nguồn cho thiết bị 40 Hình Thiết bị sau kết nối WiFi thành cơng 41 Hình 4 Thiết bị thiết lập 41 Hình Kết đo nồng độ NH3 phong thí nghiệm .42 Hình Kết đo nồng độ NH3 Công ty Supe phốt phát hóa chất Lâm Thao 42 Hình Giao diện tảng Web thiết bị đo 43 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Phân loại phân đạm Bảng Công suất nhà máy Supe phốt phát hóa chất Lâm Thao Bảng Các loại khí thải cần quan tâm nhà máy sản xuất phân bón NPK Bảng Nồng độ độ tối đa cho phép thông số nhiễm khí thải cơng nghiệp sản xuất phân bón hóa học 11 Bảng Thông số kỹ thuật module ESP8266-07 21 Bảng Cấu tạo cảm biến MQ135 23 Bảng Thông số kỹ thuật LCD5110 29 Bảng Cấu hình chân LCD5110 29 Bảng So sánh TCP/IP OSI 36 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều ppm Parts per million Số phần tử có triệu phần tử IP Internet Protocol Giao thức mạng UART Universal Asynchronous Receiver Bộ truyền nhận liệu không đồng – transmitter OSI Open Systems Reference Model ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức Thông báo Kiểm soát Internet TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận UDP User Datagram Protocol Giao thức gói liệu người dùng FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp tin WWW World Wide Web Mạng lưới toàn cầu GPIO General Purpose Input Output Cổng đầu vào với mục đích USB Universal Serial Bus Bus nối tiếp vạn VĐK Microcontrollers Vi điều khiển Interconnection Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở vi 3.4 Một số vấn đề cần lưu ý lập trình * ESP8266: - Thực chế theo dõi thời gian chờ client, tránh tình trạng có kết nối mà khơng có trao đổi liệu, ảnh hưởng tới kết nối khác - Cần thiết lập Timeout cho trình đọc gửi liệu - Cần ý số lượng client kết nối ESP8266 treo số kết nối lớn * ATMEGA328P: - Do nguồn tài nguyên lập trình hình LCD5110 tiêu tốn nhiều nhớ nên cần tiết kiệm nhớ 39 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 Phần cứng thiết bị Sau thiết kế, học viên tiến hành đặt mạch, hàn mạch lập trình cho Vi điều khiển thực thuật toán đo lường Mạch thiết kế thiết bị thể Hình 4.1 Hình Thiết bị thực Để thiết bị hoạt động cần cấp nguồn 5V qua cổng USB cấp nguồn DC qua jack DC thiết bị Mô tả cấp nguồn cho thiết bị đo nồng độ khí NH3 thể Hình 4.2 Hình Cấp nguồn cho thiết bị Theo hình 4.2 : Ký hiệu số 1: Cổng USB, Ký hiệu số 2: LED báo kết nối, Ký hiệu số 3: jack DC số 4: hình LCD Sau kết nối nguồn cho thiết bị phần kết nối truyền thông Wifi, thể kết kết nối Hình 4.3 40 Hình Thiết bị sau kết nối WiFi thành cơng Theo hình 4.3: Ký hiệu số 1: tên mạng, Ký hiệu số 2: địa IP, Ký hiệu số 3: giá trị ppm Khi khởi động, thiết bị chưa kết nối WiFi, hình thơng báo chưa kết nối “not connected”, hiển thị tên cảm biến “NH3-SENSOR”, có đèn Led đỏ ESP8266 sáng Sau kết nối WiFi thành công, đèn LED màu xanh lục ESP8266 sáng, hình hiển thị: tên mạng, địa IP cấp giá trị ppm đo được, cần chờ khoảng 60s cho giá trị ổn định (do cảm biến MQ 135 cần thời gian nung nóng sợi đốt) Hình 4 Thiết bị thiết lập Như hình 4.4, hình LCD địa IP, giá trị đo nồng độ khí NH3 theo đơn vị đo ppm 41 4.2 Kết đo thu thiết bị Thiết bị đo thử nghiệm mơi trường phịng thí nghiệm Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Diễn biến nồng độ khí NH3 thể Hình 4.4 Có thể thấy nồng độ khí đo nhỏ, dao động nhẹ ngưỡng đo thiết bị Khi có tác động khí Amoniac từ bên ngồi (tác động cưỡng bức) có thay đổi đầu Hình Kết đo nồng độ NH3 phong thí nghiệm Bên cạnh đó, học viên tiến hành thử nghiệm thiết bị đo mơi trường cơng nghiệp, Xí nghiệp NPK- Cơng ty CP Supe Phốt phát Hóa chất Lâm Thao Thể kết đo Hình 4.5 Có thể thấy mơi trường cơng nghiệp hóa chất, diễn biến nồng độ khí NH3 ổn định vượt xa so với nồng độ khí đo phịng thí nghiệm Tuy nhiên nồng độ nằm ngưỡng an tồn cho phép theo TCVN Hình Kết đo nồng độ NH3 Công ty Supe phốt phát hóa chất Lâm Thao 42 Các số liệu đo thể Webserver hiển thị hình LCD (giá trị số) Thể hình giao diện tảng Web thiết bị đo Hình 4.7 Có thể thấy bước đầu thiết bị đo hoạt động ổn định, thông số theo yêu cầu thiết kế ban đầu đặt Hình Giao diện tảng Web thiết bị đo 4.3 Đánh giá sai số thiết bị đưa phương án hiệu chuẩn đo lường cho thiết bị  Các khâu xảy sai số cho thiết bị gồm: - Sai số cảm biến: phần sai số cần thiết phải hiệu chỉnh với mẫu chuẩn, thử nghiệm sau thời gian định để đánh giá tính ổn định - Sai số mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) gồm:  Sai số lượng tử hóa (sử dụng ADC, n= 10 bít, n số bit ADC):  2×(2𝑛𝑛 −1) × 100 ≈ 0.05%  Sai số tính tốn sai số hiển thị nhỏ nên bỏ qua Hướng phát triển đề tài mang thiết bị đến đơn vị hiệu chuẩn để kiểm tra, đánh giá độ ổn định hiệu chuẩn thiết bị nhằm đưa thiết bị vào ứng dụng thực tế (học viên đánh giá thiết bị đo giám sát sai số khoảng ≤ 3ppm) 43  Dựa đồ thị đặc tính cung cấp, học viên thấy giá trị đo liên quan đến tỷ số điện trở Rs/Ro liên quan đến thay đổi nhiệt độ, độ ẩm Học viên tích hợp cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm vào thiết bị hướng phát triển đề tài Dựa vào đường đặc tính nhiệt độ, độ ẩm để đưa thuật toán để bù sai số cho kết đo 44 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong trình thực luận văn thạc sỹ với đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH3 ứng dụng cho mơi trường cơng nghiệp hóa chất” học viên tiếp thu kiến thức: - Tìm hiểu quy trình sản xuất phân bón cơng nghiệp hóa chất - Tác hại nguyên nhân phát sinh khí NH3 nhà máy sản xuất phân bón - Lập trình cho vi điều khiển ATmega328, ESP 8266 sử dụng giao diện Web - Thiết kế thiết bị đo nồng độ khí Amoniac với dải đo (10 - 100 ppm) hoạt động, làm việc tốt - Phần mềm Web hoạt động tốt với tính quan sát, lưu trữ vào sở liệu - Thiết bị mang đến thử nghiệm đo nồng độ khí NH3 mơi trường khơng khí xung quanh Xí nghiệp phân bón NPK Cơng ty CP Supe phốt phát Hóa chất Lâm Thao Hướng phát triển nghiên cứu: - Hiệu chuẩn thiết bị sở cấp phép - Chạy thử nghiệm thời gian dài để đánh giá ổn định thiết bị mơi trường thực - Hồn thiện giao diện phần mềm Web 45 PHỤ LỤC * Chương trình tìm điện trở R0: #define RL 20 void setup(){ Serial.begin(9600); } void loop() { float analog_value = 0; float VRL = 0; float Rs = 0; 10 float Ro = 0; 11 for (int test_cycle = ; test_cycle 0) 41 { 42 String data = Serial.readStringUntil('\n'); 43 // String data= "22.22"; 44 b = data.toFloat(); 45 46 // Ghi liệu lên field 50 47 if(b>0.0001) 48 { 49 int x = ThingSpeak.setField(2, b); //setField(field, value) 50 int z = ThingSpeak.writeFields(myChannelNumber, myWriteAPIKey); 51 52 // Kiểm tra return code 53 if (z == 200) { 54 Serial.println("Channel update successful."); 55 } 56 else { 57 Serial.println("Problem updating channel HTTP error code " + String(z )); 58 } 59 60 delay(15000); // Chờ 20s trước gửi liệu 61 62 } 63 64 } 65 66 } 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A2n_b%C3%B3n, Tổng quan phân bón [2] https://vi.wikipedia.org/wiki/Amoniac, Tổng quan Amoniac [3] https://moh.gov.vn/web/phong-chong-benh-nghe-nghiep/thong-tin-hoatdong/-/asset_publisher/xjpQsFUZRw4q/content/nguy-co-nhiem-ocaminiac-trong-moi-truong-lao-ong-va-cach-phong-tranh? Bộ Y tế, Phòng chống bệnh nghề nghiệp [4] https://www.env.go.jp/air/tech/ine/asia/vietnam/files/law/QCVN%20192009.pdf, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia khí thải Cơng nghiệp chất vô [5] https://cdnmedia.eurofins.com/apac/media/311757/qcvn-21-kh%C3%ADth%E1%BA%A3i-cn-sx-ph%C3%A2n-b%C3%B3n-h%C3%B3ah%E1%BB%8Dc.pdf, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia khí thải Cơng nghiệp sản xuất phân bón hóa học [6] https://datasheetspdf.com/pdf-file/605076/Hanwei/MQ-135/1, MQ 135 datasheet [7] https://www.winsen-sensor.com/sensors/toxic-gas-sensor/me4-nh3.html, ME4-NH3 Ammonia Gas Sensor [8] http://mgk-sensor.co.jp/en/products/gas-sensor/nh3-md-100, Ammonia Sensor NH3-MD-100 [9] https://microcontrollerslab.com/interfacing-mq-135-gas-sensor-arduino/ Interfacing of MQ135 Gas Sensor with Arduino [10] https://vi.wikipedia.org/wiki/TCP/IP#:~:text=B%E1%BB%99%20giao%20 th%E1%BB%A9c%20TCP%2FIP,m%E1%BA%A1i%20%C4%91ang%20 ch%E1%BA%A1y%20tr%C3%AAn%20%C4%91%C3%B3 Bộ giao thức TCP/IP [11] http://www.gree-vn.com/pdf/QCVN-06-2009-BTNMT-chat-doc-hai-trongkhong-khi-xung-quanh.pdf, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia số chất độc hại không khí xung quanh [12] https://datasheet4u.com/datasheetpdf/ATMEL/ATmega328P/pdf.php?id=1057332, ATmega328P Datasheet [13] https://www.mikrocontroller.net/attachment/338570/Ai-thinker_ESP07_WIFI_Module-EN.pdf , ESP8266-07 datasheet 52 [14] M Hakimi ; A Salehi ; A Boroumand, “Fabrication and Characterization of an Ammonia Gas Sensor Based on PEDOT-PSS With N-Doped Graphene Quantum Dots Dopant,” IEEE Sensors Journal, pp.6149 – 6154, Vol.16 , Iss 16 , Aug.15, 2016 [15] R Pamula ; A Kartik ; S Sai ; A Karnam ; K.J Suja, “Design, Simulation and Optimization of Metal Oxide Sensor for Ammonia Detection Using Nanowires,” 2018 International Conference on Emerging Trends and Innovations In Engineering And Technological Research (ICETIETR), 1113 July 2018 Ernakulam, India [16] R P Gupta ; Z Gergintschew ; D Schipanski ; P.D Vyas, “A new room temperature FET-ammonia sensor”, 56th Annual Device Research Conference Digest (Cat No.98TH8373), 22-24 June 1998, Charlottesville, VA, USA [17] S Jindarat ; P Wuttidittachotti, “Smart farm monitoring using Raspberry Pi and Arduino,” 2015 International Conference on Computer, Communications, and Control Technology (I4CT), pp 21-23, April 2015 , Kuching, Malaysia [18] N Yamazoe, G Sakai, K Shimanoe, “Oxide semiconductor gas sensors,” Catalysis survey from Assia, pp 63-75, Vol 7, No.1, 2003 [19] Measuring PPM from MQ Gas Sensors using Arduino (MQ-137 Ammonia), https:// circuitdigest.com/ microcontroller-projects/arduinomq137-ammonia-sensor [20] GAS DETECTING DEVICE Naoyoshi Taguchi, 1-2 Ikedauemachi, Nagata-ku, Kobe, Japan, Filed Apr 7, 1970, Ser No 26,228 nt C G01n 27/16 [21] Ion mobility detector for gas chromatography with a direct photoionization source, Michael A Baim, Randy L Eatherton, and Herbert H Hill, Department of Chemistry, Washington State University, Pullman Washinton 99164 - 4630 [22] Oxide semiconductor gas sensors Noboru Yamazoe, Go Sakai, Kengo Shimanoe, Faculty of Engineering Sciences, Kyushu University, Kasugashi, Fukuoka 816–8580, Japan 53 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH3 ứng dụng cho mơi trường cơng nghiệp hóa chất GIANG HỒNG QUÂN NGÀNH:... Giang Hồng Quân Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế thiết bị quan trắc khí NH ứng dụng cho mơi trường cơng nghiệp hóa chất Chun ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: CA190092 Tác giả,... 38 Hình Thiết bị thực 40 Hình Cấp nguồn cho thiết bị 40 Hình Thiết bị sau kết nối WiFi thành công 41 Hình 4 Thiết bị thiết lập 41 Hình Kết đo nồng độ NH3 phong