4.1.1. Thi công phần cơ khí
a. Lựa chọn xy lanh từ thông số đã tính
Từ lựa chọn như ở phần 2.3 và 3.3, nhóm đã chọn dẫn động định hình khuôn bánh bằng xylanh và tính toán được trục piston phù hợp ứng với hành trình yêu cầu.
Xy lanh cho việc nén bột:
Với những thông số lựa chọn đã tính được: Đường kính xylanh: ϕD = 14,567(mm), Đường kính piston ϕd = 10,512 (mm), tra thông tin xylanh trên catalogue hãng Airtec, nhóm chọn xylanh nén bột là xylanh 2 chiều SCD-32x150 đường kính piston (ϕD) d = 12mm, đường kính xylanh (ϕM) D = 32mm.
Hình 4.1: Thông số xy lanh hãng Airtac
46
Xylanh cho việc đẩy bột ra khỏi khuôn:
Tra thông tin xylanh trên catalogue hãng Airtec, nhóm chọn xylanh đẩy bột là xylanh 2 chiều SCD-32x50 đường kính piston (ϕD) d = 12mm, đường kính xylanh (ϕM) D = 32mm.
Hình 4.3: Xy lanh SCD-32x50 hành trình 50
b. Thi công khung cơ cấu
● Thi công khung trong
Như đã tính toán ở phần 3.3.2, nhóm đã lựa chọn được thiết kế khung cũng như vật liệu để dễ dàng cho việc thay thế và sửa chữa. Việc tính toán sức bền sắt lỗ ở phần 3.3.2 cho thấy ở mức tải trọng là hơn 100N thì chuyển vị cao nhất theo trục z đạt ∆z = 0,00154mm. Sau đó đặt liên kết giữa các thanh bằng bulong 8 li đầu dẹt.
Bệ đỡ nhôm yêu cầu về lắp đặt phải đồng tâm giữa lỗ trục xy lanh nén và lỗ trục xylanh đẩy bột, đồng thời là đồng tâm giữa tâm khuôn và lỗ xylanh đẩy bột nên cần gia công khoan đồng trục phải đạt sai số thấp nhất để tránh làm hư hỏng trục piston của xy lanh.
47 Hình 4.5: Lắp đặt đồng tâm cho trục hai xy lanh và khuôn bánh
● Thi công khuôn và đế bánh - Khuôn bánh dưới
Ban đầu nhóm đã định dùng khuôn bánh bằng nhôm để tiết kiệm chi phí cho phần khuôn cũng như dễ thay thế khi thị trường có bán rất nhiều khuôn bánh tương tự với nhiều mẫu khác nhau, nhưng do yêu cầu cần phần đáy khuôn phải tách rời và ngoài lý do trên, trong quá trình thử nghiệm nướng với bột bánh, sau khi được gia nhiệt liên tục trong một thời gian dài, khuôn nhôm bị biến đổi màu sắc và hư hại.
Khi ra thành phẩm, bột bánh bị dính xỉ đen do khuôn nhôm gây ra sau quá trình chịu gia nhiệt liên tục như vậy sẽ không tốt cho sức khỏe người dùng cũng như không đạt yêu cầu về an toàn thực phẩm.
Hình 4.6: Khuôn nhôm sau quá trình gia nhiệt liên tục
Như vậy, nhóm đã quyết định gia công khuôn bánh bằng trục inox tròn mác DC11 đạt yêu cầu về chịu nhiệt cao, độ chống oxy hóa trong môi trường gia nhiệt liên tục, độ cứng và độ dẻo đạt yêu cầu tránh nứt, bể khuôn.
48 Hình 4.7: Thành phần hóa học vật liệu Inox DC11
Hình 4.8: Khuôn inox DC11 nướng khuôn bánh - Đế khuôn cách nhiệt
Khi gia nhiệt liên tục, phần điện trở nhiệt cung cấp lượng nhiệt liên tục sẽ vô tình truyền sang các bộ phận khác như đế nhôm rồi sang khung máy… sẽ gây hao hụt nhiệt cũng như gây nguy hiểm trong quá trình sử dụng. Vì vậy nhóm đã chọn thiết kế phần đế khuôn trở nhiệt cách ly với khuôn nhiệt bằng phíp bakelite. Phíp sẽ có chức năng cách ly phần nhiệt truyền từ khuôn điện trở sấy xuống, cũng đồng thời sẽ cách ly đế nhôm là vật liệu dẫn điện tốt với phần điện trở nhiệt ở trên. Từ đó, phần khung trong máy cũng như phần khung ngoài máy sẽ được cách ly hoàn toàn về điện và nhiệt do các đặc tính cơ lý của phíp, đảm bảo an toàn trong quá trình nướng bánh.
Ngoài ra, phíp còn phải chịu một phần tải trọng khi xylanh nén bột nên nhóm chọn phíp dày 5 li để đảm bảo về độ bền cho ứng suất nén của phíp.
49 Hình 4.9: Phíp bakelite cách điện, nhiệt cho cơ cấu
-Khuôn bánh trên
Khuôn bánh trên phục vụ cho yêu cầu gia nhiệt bề mặt trong của bánh. Việc lựa chọn khuôn bánh trên phụ thuộc vào độ lớn của khuôn dưới cũng như điện trở nhiệt có ngoài thị trường. Vì vậy nhóm đã chọn gia công khuôn trên dựa trên kích thước yêu cầu của ly.
50 Khuôn trên cần đảm bảo yêu cầu kết nối đồng tâm giữa xylanh nén bột và khuôn dưới để việc ép bột bánh được thực hiện chính xác, tránh hư hỏng cho khuôn dưới cũng như các chi tiết bên dưới.
Bên cạnh đó, khuôn trên cần đảm bảo những yêu cầu về nhiệt, hư hỏng khi gia nhiệt liên tục như khuôn dưới. Nhóm đã chọn gia công khuôn trên bằng inox trục tròn DC11 như khuôn dưới để đạt những yêu cầu đã nói ở trên.
Hình 4.11: Khuôn trên gia nhiệt mặt trong bánh
51
● Thi công khung ngoài
Sau khi hoàn thành khung trong cho máy, nhóm đã thiết kế khung ngoài cho máy với những yêu cầu:
+ Bao bên ngoài bảo vệ, che chắn cho các cơ cấu hoạt động bên trong.
+ Cách ly cơ cấu bên trong với môi trường bên ngoài, đảm bảo cho các cơ cấu hoạt động đúng chức năng và đạt hiệu quả.
+ Khả năng chống oxy hóa, chịu nhiệt cao để tránh làm hư hỏng cho sản phẩm đầu ra trong quá trình hoạt động.
+ Mang lại tính thẩm mỹ cho máy, tăng giá trị sử dụng cho máy.
Với những yêu cầu như vậy, nhóm đã quyết định chọn vật liệu inox mờ 201 làm phần khung ngoài cho máy.
Hình 4.13: Khung ngoài máy
4.1.2. Thi công phần điện a. Lựa chọn điện trở sấy a. Lựa chọn điện trở sấy
52 Hình 4.14: Điện trở sấy dạng vòng nhiệt
Hình 4.15: Thông số công suất điện trở sấy dạng vòng nhiệt
b. Lựa chọn Arduino
Nhằm thỏa mãn các yêu cầu điều khiển cho bộ PID, điều khiển bằng nguồn 5VDC, và thuận tiên cho việc giao tiếp với Raspberry phục vụ cho xử lý ảnh và webserver sau này. Nhóm đã chọn Arduino MEGA 2560 làm bộ điều khiển cho máy.
53 Hình 4.16: Arduino MEGA 2560
Hình 4.17: Thông số kĩ thuật Arduino MEGA 2560
c. Lựa chọn mạch điều khiển van
Module 8 Relay với Opto cách ly 5VDC: thích hợp cho các ứng dụng đóng ngắt điện thế cao AC hoặc DC, các thiết bị tiêu thụ dòng lớn, module thiết kế nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0V) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng.
54 Hình 4.18: Module 8 Relay với Opto cách ly 5VDC
Thông số kỹ thuật:
- Sử dụng điện áp nuôi 5VDC
- Tám Relay đóng ngắt ở điện thế kích bằng 0v nên có thể sử dụng cho cả tín hiệu 5V hay 3V3 (cần cấp nguồn ngoài), mỗi relay tiêu thụ dòng khoảng 80Ma.
- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V – 10A hoặc DC30V-10A. - Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
d. Lựa chọn cảm biến nhiệt độ bộ đọc tính hiệu nhiệt độ
Vì nhiệt độ lò khá lớn nên nhóm đã chọn cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây:
Hình 4.19: Cảm biến PT100 + Chiều dài 1.5m.
+ Tầm đo -50℃~ 200℃.
55 Hình 4.20: Bộ chuyển đổi tín hiệu J2H16
Chọn bộ đọc và chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu analog J2H16: + Điện áp hoạt động: 24V.
+ Nhận tín hiệu từ cảm biến Pt100. + Tầm chuyển đổi: 0-400 ℃. + Tín hiệu xuất ra 4-20 Ma. + Thời gian trễ tín hiệu: <600ms.
+ Nhiệt độ làm việc của thiết bị: -40℃ đến 85℃ + Sai số của bộ điều khiển tín hiệu: 0.1%
Cảm biến phát hiện phôi
Hình 4.21: Cảm biến hồng ngoại PNP + Điện áp hoạt động 6-36VDC
+ Khoảng cách phát hiện 0-30cm + Loại ngõ ra PNP thường mở
56
e. Bản vẽ tủ điện
● Bảng kí hiệu thiết bị trong tủ điện
Hình 4.22: Bảng kí hiệu thiết bị trong tủ điện
● Bản vẽ vị trí thiết bị trong tủ
57
● Sơ đồ đơn tuyến
Hình 4.24: Sơ đồ đơn tuyến
● Bản vẽ mạch động lực
58
● Bản vẽ mạch điện 8 Relay
Hình 4.26: Bản vẽ 8 Relay điều khiển xy lanh
● Bản vẽ mạch điện bộ chuyển nhiệt độ
59
● Bản vẽ Arduino
Hình 4.28: Bản vẽ Arduino
60
4.1.3. Thi công phần điều khiển a. Xây dựng bộ điều khiển PID a. Xây dựng bộ điều khiển PID
Trong quá trình hoạt động nướng bánh, nhóm cần có một bộ thông số điều khiển cho arduino để ổn định nhiệt độ, tránh cho việc nhiệt độ bị thay đổi quá nhiều làm bánh bị hư hỏng, gây tổn thất nguyên liệu. Vì vậy, nhóm đã cho chạy thử để vẽ đồ thị cho điện trở sấy để tìm được hàm truyền của nó trên giao diện phần mềm Matlab.
Hình 4.30: Sơ đồ nối dây cho Arduino Mega
Hình 4.31: Sơ đồ khối Simulink cho vẽ đồ thị hàm truyền
Vì tín hiệu analog của arduino đọc là 0 - 5V nên nhóm đã thiết kế điện trở để chuyển tín hiệu từ 4 - 20mA thành 0 – 5V. Giá trị điện trở phải nhỏ hơn 𝑈
𝐼 = 5
0.02 = 250Ω. Nhóm đã chọn điện trở 220 Ω nên tín hiệu trả về sẽ từ 0,88V đến 4,4V.
Tín hiệu chuyển đổi analog của Arduino là 0 – 5V thành khoảng từ 0 – 1024 nên ta có phương trình chuyển đổi là y = 1024
5 𝑥 (với y là tín hiệu chuyển đổi, x là trị số áp đọc về từ Arduino). Tín hiệu chuyển đổi của bộ chuyển đổi J2H16 là khoảng từ 0 - 400℃ thành
61 0,88 – 4,4V nên ta có phương trình chuyển đổi y = 133,6x – 100 (với y là nhiệt độ, x là trị số áp đọc về).
Tổng hợp hai phương trình có được phương trình chuyển đổi giá trị số analog của Arduino sang nhiệt độ là y = 6250
11253𝑥 − 100.
● Tìm thông số PID cho khuôn trên và khuôn dưới bằng phương pháp lý thuyết - Tìm thông số PID cho khuôn trên
Hình 4.32: Đồ thị hàm truyền của điện trở sấy ở lò trên với trục tung là nhiệt độ và trục hoành là thời gian
Từ đồ thị, nhóm thu được nhiệt độ cao nhất đạt được ở điện trở sấy là 337℃. Nhóm đã tìm được:
Độ lợi K = ∆𝑦
∆𝑥 = 337−53
5−0 = 56,8. Điểm bắt đầu có tọa độ (3; 53).
Nhóm đã dùng phương pháp 2 điểm tìm 2 điểm đạt giá trị:
⸻ (0,632.284)+53 = 232,5 ⇒Thời gian đạt được nhiệt độ này là 𝑡2 = 567. ⸻ (0,283.284)+53 = 133,4 ⇒Thời gian đạt được nhiệt độ này là 𝑡1 = 206.
⇒ {𝜏 = 1.5(𝑡2− 𝑡1) = 1.5(567 − 206) = 541.5 𝜃 = 𝑡2− 𝜏 = 567 − 541.5 = 25.5 ⇒ 𝐺(𝑠) =𝐾. 𝑒 −𝜃𝑠 𝜏𝑠 + 1 = 56,8. 𝑒−25,5𝑠 541,5𝑠 + 1
Từ công thức điều chỉnh PID từ phương pháp IMC (Internal Model Control), bộ điều khiển PI, nhóm được các hệ số Kp, Ti cho bộ điều khiển nhiệt độ điện trở sấy (với chọn 𝜏𝑐 = 𝜃).
62 𝐾𝑝 = 1 𝐾. 𝜏 (𝜏𝑐+𝜃)2 = 1 56,8. 541,5 (25,5+25,5)2 = 3,665𝑥10−3 ⟹ Chọn Kp = 0,01. 𝑇𝑖 = 𝜏 = 541,5.
Biểu đồ nhiệt độ có bộ điều khiển PID
Hình 4.33: Biểu đồ dao động nhiệt độ khuôn trên Nhận xét: POT=214−205
210 .100 = 4,23%. Thời gian xác lập 8,23 phút. Thời gian tăng trưởng 4,65 phút.
- Tìm thông số PID cho khuôn dưới
Hình 4.34: Đồ thị hàm truyền của điện trở sấy ở lò dưới với trục tung là nhiệt độ và trục hoành là thời gian
Từ đồ thị, nhóm thu được nhiệt độ cao nhất đạt được ở điện trở sấy là 370℃. Nhóm đã tìm được:
63 Độ lợi K = ∆𝑦
∆𝑥 = 370−65
5−0 = 61. Điểm bắt đầu có tọa độ (20; 65).
Nhóm đã dùng phương pháp 2 điểm tìm 2 điểm đạt giá trị:
⸻ (0,632.305)+65 = 257,76 ⇒Thời gian đạt được nhiệt độ này là 𝑡2 = 413
⸻ (0,283.305)+65 = 151,3 ⇒Thời gian đạt được nhiệt độ này là 𝑡1 = 191.
⇒ {𝜏 = 1.5(𝑡2− 𝑡1) = 1.5(413 − 191) = 333 𝜃 = 𝑡2− 𝜏 = 413 − 333 = 80 ⇒ 𝐺(𝑠) =𝐾. 𝑒 −𝜃𝑠 𝜏𝑠 + 1 = 61. 𝑒−80𝑠 333𝑠 + 1
Từ công thức điều chỉnh PID từ phương pháp IMC (Internal Model Control), bộ điều khiển PI, nhóm được các hệ số Kp, Ti cho bộ điều khiển nhiệt độ điện trở sấy (với chọn 𝜏𝑐 = 𝜃). 𝐾𝑝 = 1 𝐾. 𝜏 (𝜏𝑐+ 𝜃)2 = 1 61. 333 (80 + 80)2 = 2,133𝑥10−4 𝑇𝑖 = 𝜏 = 333.
Biểu đồ nhiệt độ có bộ điều khiển PID:
Hình 4.35: Biểu đồ dao động nhiệt độ khuôn dưới Nhận xét: POT=231−199
210 .100 = 15,2% . Thời gian tăng trưởng 4,4 phút. Thời gian xác lập 14,25 phút.
64 Vì thời gian xác lập quá lâu và độ vọt lố quá lớn nên nhóm quyết định chuyển sang phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nicholes cho khuôn dưới.
Dựa vào phương pháp Ziegler-Nichols ta tìm được 𝐾𝑢=65, 𝑇𝑢=150.
Hình 4.36: Biểu đồ dao động nhiệt độ khuôn dưới theo phương pháp thực nghiệm Chọn loại điều khiển PI với 𝐾𝑢, 𝑇𝑢tìm được, ta tính được 𝐾𝑝=29,25 , 𝐾𝑖=0,23
Hình 4.37: Biều đồ nhiệt với Kp=29.25, Ki=0.23 ở khuôn dưới Nhận xét: POT=232−202
210 .100 = 14,28%. Thời gian tăng trưởng 4,7 phút. Thời gian xác lập 7,8 phút.
65
b. Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu và website
● Thiết kế giao diện tương tác và giao tiếp với cơ sở dữ liệu
Nhóm đã sử dụng Raspberry Pi, Apache2 tạo nên nên web server để giám sát và điều khiển máy từ xa và sử dụng MySQL để quán lý cơ sở dữ liệu của web.
- Khối cài đặt thông số.
Khối cài đặt thống số gồm 3 phần chính:
+ Chọn vị trí cài đặt: chọn vị trí cài đặt các thông sô là khuôn dướt hay khuôn trên. Với ngôn ngữ HTML ta sử dụng input
+ Thông số cài đặt: nhập các thông số cài đặt như Kp, Ki, Kd, nhiệt độ cài. Với ngôn ngữ HTML ta sử dụng “input” loại “number”.
+ Nút nhấn “Cài đặt”: nhấn nút sẽ ghi các thông số cài đặt vào cơ sở dũ liệu ở vị trí cài đặt. Với ngôn ngữ HTML ta sử dụng “input” loại “submit”.
Hình 4.38: Giao diện khối cài đặt trên web
Khi nhấn nút “cài đặt” file php sẽ chạy lấy các dữ liệu từ các ô input ghi vào bảng “PID” trong cơ sơ dữ liệu.
Hình 4.39: Bảng PID điều khiển lò - Khối điều khiển:
Khối Cài đặt gồm 2 phần:
+ Nút nhấn “ON/OFF” lò: nhấn nút lò sẽ thay đổi trạng thái. + Nút nhấn “ra” (“vào”): Xylanh sẽ đi ra (vào).
66 +
Hình 4.40: Giao diện khối điều khiển trên web
Khi nhấn nút “ON/OFF” thì file php sẽ chạy đọc trạng thái hiện tại của lò từ bảng “TTht” trong cơ sở dữ liệu. Nếu trạng thái của lò hiện tại là đăng tắt (TT_ht = 0), thì sẽ ghi vào bảng “DIEUKHIEN” với giá trị TT = 1. Ngược lại nếu trạng thái của lò hiện tại là đăng mở (TT_ht = 1), thì sẽ ghi TT = 0.
Hình 4.41: Bảng điều khiển lò và xy lanh
Khi nhấn nút “ra” (“vào”) thì file php chạy ghi vào bảng “DIEUKHIEN”. Nếu nhấn nút “ra” thì ghi XLA=1. Nếu nhấn nút “vào” thì ghi XLA = 0.
- Khối hiển thị:
Hình 4.42: Giao diện khối hiển thị trên web
HTML sẽ quét với chù kì 1s chạy file php lấy giá trị mới nhất từ trong bẳng “nhietdo” hiển thị lên web.
67 - Khối biểu đồ:
Hình 4.44: Giao diện khối biểu đồ trên web
HTML sẽ quét với chu kì 1s chạy file php lấy 50 giá trị mới nhất từ trong bảng “nhietdo” hiển thị lên web.
-Giao diện web tổng thể:
68
● Thiết kế giao tiếp giữa bộ điều khiển và cơ sở dữ liệu
Ở đây nhóm đã sử dụng module wifi NodeMCU 8266 để bộ điều khiển có thể kết nối wifi và truy cập vào web
Hình 4.46: Module NodeMCU 8266 Thông số kĩ thuật:
+ IC chính: ESP8266
+ Phiên bản firmware: NodeMCU Lua + Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.