Hệ thống gồm nguồn AC và DC để cấp nguồn cho hệ thống. Cảm biến nhiệt độ sẽ tiến hành đo nhiệt độ của lò trả về cho bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển sẽ chạy thuật toán để điều khiển các mạch động lực điều khiển xylanh và lị nhiệt hoạt động.
- Thiết bị có thể sử dụng:
● Bộ chuyển nguồn AC thành DC
● Cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi.
● Mạch Relay
● Van khí nén
● Vòng gia nhiệt
● Aptomat
3.8. Thiết kế giải thuật
3.8.1. Lưu đồ giải thuật điều máy
Khi có tín hiệu cảm biến phát hiện phơi vào thì xy lanh đi xuống ép bột trong khoảng thời gian 50s rồi đi lên. Sau đó xy lanh dưới đi lên đẩy bánh ra khỏi khuôn. Tiếp đến camera sẽ nhận biết sản phẩm, nếu ly bị lỗi khơng chuẩn hình dạng mong muốn thì đèn báo lỗi sẽ sáng lên và xy lanh ngang đẩy ly ra khỏi máy. Ngược lại đèn báo lỗi không sáng và xy lanh ngang đẩy ly ra khỏi máy. Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi người điều khiển bấm dừng máy.
41 Hình 3.36: Lưu đồ điều khiển máy
3.8.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển nhiệt
Hình 3.37: Lưu đồ điều khiển nhiệt độ
Khi bắt đầu bộ điều khiển sẽ đọc hệ số điều kiển Kp, Ki, Kd, nhiệt độ cài đặt, trạng thái của lị từ Database. Nếu có tín hiệu khởi động lị thì bộ điều khiển PID sẽ chạy với những thông số Kp, Ki, Kd, nhiệt độ cài đã được đọc về và xuất xung có giá trị điều khiển của bộ PID vào mạch động lực để điều khiển lị. Cùng lúc đó sẽ gửi trạng thái của lị và nhiệt độ của lò lên Database để giám sát.
42
3.8.3 Giải thuật điều khiển và giám sát nhiệt độ lị trên web
Mục đích của webside là dùng để giám sát nhiệt độ, bật tắt lò, điều khiển xylanh ép và xylanh đẩy, cài đặt nhiệt độ lị, thơng số điều khiển của lị từ xa mà khơng cần đến gần lị.
Hinh 3.38: Các khối chức năng trên giao diện web Giao diện web gồm 4 khối chức năng chính:
● Khối Cài đặt: Gồm các ô để nhận các thông số cài đặt
Hinh 3.39: Lưu đồ giải thuật khối cài đặt
Sau khi nhấn nút “cài đặt” file php sẽ chạy lấy dữ liệu như vị trí cài đặt, Kp, Ki, Kd từ các ô nhập và ghi xuống Database để bộ điều khiển có thể lên lấy thơng tin cài đặt để chạy lị nhiệt
43 Ở đây việc có thể nhập thơng số PID trực tiếp từ web có thể làm đơn giản hóa cơng việc của kĩ sư thiết kế, có thể chủ động cài đặt, thay đổi thơng số mà không cần phải nạp lại code điều khiển, dễ dàng hơn khi đưa máy vào dây truyền sản xuất công nghiệp.
● Khối điều khiển: Gồm các nút nhấn để điều khiển tắt hoặc mở lò, điều khiển xylanh
Hình 3.40: Lưu đồ giải thuật điều khiển trạng thái lò
Khi nhấn nút ON/OFF file php sẽ chạy lấy thơng tin trạng thái của lị từ Database mà bộ điều khiển đã gửi lên. Nếu trạng thái của lị đang tắt (= 0) thì sẽ ghi trạng thái của lị = 1 hoặc trạng thái của lò đang mở (= 1) thì sẽ ghi trạng thái của lị = 0 xuống database để bộ điều khiển có thể đọc và chạy lị theo trạng thái cài đặt.
44 Khi nhấn nút đi ra (đi vào) thì file php sẽ ghi trạng thái xy lanh = 1 (= 0) xuống database để bộ điều khiển đọc và điều khiển xylanh.
● Khối hiển thị: Lấy giá trị nhiệt độ mới của 2 lò hiển thị lên trên web
● Khối biểu đồ: Lấy 50 giá trị nhiệt độ mới nhất để vẽ đồ thị nhiệt độ của 2 lò.
3.8.4 Thiết kế xử lý ảnh
Hình 3.42: Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh
Đầu tiên sẽ tiến hành thu thập ảnh ly hoàn thiện và ly hư để tiến hành nhận dạng. Gắn nhãn cho chúng để xác định các thơng số vị trí của ly trong ảnh, kích thước của ly và tính chất của ly là hoàn thiện hay lỗi. Đưa ảnh và nhãn đã gắn vào trong mạng để máy tính tiến hành học hai loại ly này. Sau khi máy tính học xong tiến hành chạy thử để đánh giá các thơng số như FPS, độ chính xác của mơ hình để tiến hành điều chỉnh mạng để phù hợp với yêu cầu.
45
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
4.1. Thi cơng mơ hình 4.1.1. Thi cơng phần cơ khí 4.1.1. Thi cơng phần cơ khí
a. Lựa chọn xy lanh từ thơng số đã tính
Từ lựa chọn như ở phần 2.3 và 3.3, nhóm đã chọn dẫn động định hình khn bánh bằng xylanh và tính tốn được trục piston phù hợp ứng với hành trình yêu cầu.
Xy lanh cho việc nén bột:
Với những thơng 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: Thơng số xy lanh hãng Airtac
46
Xylanh cho việc đẩy bột ra khỏi khuôn:
Tra thơng 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 tốn 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 tốn 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 khn bánh bằng nhơm để tiết kiệm chi phí cho phần khn cũng như dễ thay thế khi thị trường có bán rất nhiều khn bánh tương tự với nhiều mẫu khác nhau, nhưng do yêu cầu cần phần đáy khn phải tách rời và ngồi 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 khn nhơm gây ra sau q trình chịu gia nhiệt liên tục như vậy sẽ không tốt cho sức khỏe người dùng cũng như khơng đạt u cầu về an tồn thực phẩm.
Hình 4.6: Khn nhơm sau q trình gia nhiệt liên tục
Như vậy, nhóm đã quyết định gia cơng khn bánh bằng trục inox tròn mác DC11 đạt yêu cầu về chịu nhiệt cao, độ chống oxy hóa trong mơi trường gia nhiệt liên tục, độ cứng và độ dẻo đạt u cầu tránh nứt, bể khn.
48 Hình 4.7: Thành phần hóa học vật liệu Inox DC11
Hình 4.8: Khn 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 vơ 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 q trình sử dụng. Vì vậy nhóm đã chọn thiết kế phần đế khuôn trở nhiệt cách ly với khn 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 hồn tồn về điện và nhiệt do các đặc tính cơ lý của phíp, đảm bảo an tồn trong q trình nướng bánh.
Ngồi ra, phíp cịn 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 ngồi thị trường. Vì vậy nhóm đã chọn gia cơng khn trên dựa trên kích thước u cầu của ly.
50 Khn 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 khn dưới cũng như các chi tiết bên dưới.
Bên cạnh đó, khn trên cần đảm bảo những yêu cầu về nhiệt, hư hỏng khi gia nhiệt liên tục như khuôn dưới. Nhóm đã chọn gia cơng khn trên bằng inox trục trịn DC11 như khn dưới để đạt những yêu cầu đã nói ở trên.
Hình 4.11: Khn trên gia nhiệt mặt trong bánh
51
● Thi cơng khung ngồi
Sau khi hồn thành khung trong cho máy, nhóm đã thiết kế khung ngồi 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 mơi trường bên ngồi, 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 ngồi cho máy.
Hình 4.13: Khung ngồi 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 vịng nhiệt
Hình 4.15: Thơng số cơng 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: Thơng 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 ngồi 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 ngồi), mỗi relay tiêu thụ dịng 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 lị khá lớn nên nhóm đã chọn cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây:
Hình 4.19: Cảm biến PT100 + Chiều dài 1.5m. + 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 phơi
Hình 4.21: Cảm biến hồng ngoại PNP + Điện áp hoạt động 6-36VDC + 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 q trình hoạt động nướng bánh, nhóm cần có một bộ thơng 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 ngun 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
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 thơng số PID cho khuôn trên và khuôn dưới bằng phương pháp lý thuyết
- Tìm thơng số PID cho khn 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 thơng số PID cho khn dưới