Tài liệu ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH SẤY CHÂN KHÔNG BẰNG HMI VÀ PLC

KHÓA BẢO VỆ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH SẤY CHÂN KHÔNG BẰNG HMI VÀ PLC i ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH SẤY CHÂN KHÔNG BẰNG HMI VÀ PLC Sinh Viên Thực Hiện Khóa bảo vệ đề tài nhằm đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Giáo viên hướng dẫn: Tháng 6 năm 2017 TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu “Điều khiển, giám sát quá trình sấy chân không bằng HMI và PLC ” đã được thực hiện, nhằm mục đích nghiên cứu các phương pháp điều khiển nhiệt độ lò sấy, và phương thức giám sát quá trình tăng giảm nhiệt độ trong lò sấy, đồng thời lựa chọn được phương pháp sấy tối ưu nhất đối với nông sản để đạt được chất lượng tốt nhất. Thí nghiệm được bố trí theo kiểu ứng dụng từ mô hình lò sấy chân không từ khóa trước, tiến hành nâng cấp thay đổi phương thức điều khiển và giám sát, ứng dụng sấy thử một số loại nông sản như: mít, chuối, bắp... Kết quả thu được:  Chế tạo bộ điều khiển cho máy sấy chân không.  Dùng PLC điều khiển thành công lò sấy chân không  Kết nối được màn hình HMI với PLC theo dõi quá trình sấy.  Làm khung để để máy sấy,mấy bơm, tủ điện.  Vẽ mô phỏng mấy trên phần mềm Solidworks.  Đã chạy thử và thành công máy, đã sấy được mít và chuối iii MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.........................................................................................6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.................................................................................8 CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................35 CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN ĐỀ TÀI, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...............38 4 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Nước ta là một trong những nước lấy nông nghiệp đi đầu, do đó trong quá trình thu hoạch, lưu trữ và chế biến nông sản thì vấn đề làm thế nào bảo quản được sản phẩm tốt nhất, thời gian bảo quản lâu nhất, mà không làm ảnh hưởng nhiểu đến chất lượng nông sản là vấn đề được đặt lên hàng đầu. Có nhiều phương pháp bảo quản nông sản như sấy khô, bảo quản lạnh, dùng CO2 ức chế tế bào nông sản. Trong đề tài này em tiến hành nghiên cứu về phương pháp sấy, cụ thể là sấy chân không. Sấy là quá trình dùng nhiệt năng tách ẩm ra khỏi vật liệu nhằm tránh hư hỏng, kéo dài thời gian trong quá trình bảo quản, tăng độ bền cho sản phẩm, giảm trọng lượng, giảm chi phí chuyên chở và đồng thời nó cũng làm tăng giá trị cho sản phẩm. Phương pháp sấy chân không được áp dụng để sấy các loại nông sản, vật liệu có chứa nhiều hàm lượng tinh dầu, hương hoa, dược phẩm, có yêu cầu nhiệt độ sấy thấp nhằm giữ nguyên chất lượng và màu sắc, không gây phá hủy, biến tính các chất. Do đó với đề tài: “Điều khiển, giám sát quá trình sấy chân không bằng HMI và PLC” được đưa ra nhằm nghiên cứu phương pháp sấy chân không và nghiên cứu phương pháp điều khiển nhiệt độ lò sấy bằng PLC thông qua giao tiếp với màn hình HMI. 1.2. Mục tiêu đề tài:  Áp dụng những kiến thức đã học vào đề tài  Tìm hiểu những kiến thức mới.  Rút ra những kinh nghiệm trong quá trình thực hiện đề tài 1.3. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: máy sấy chân không. Phạm vi đề tài: 5  Sử dụng PLC S7-200 điều khiển , đọc tín hiệu nhiệt độ từ các khay có gắn điện trở nhiệt qua module analog kết nối với PLC.  Kết nối PLC với màn hình HMI theo dõi và điều khiển quá trình sấy chân không. 1.4. Nội dung thực hiện đề tài:  Tìm hiểu các phương pháp sấy.  Thực hiện phương pháp sấy chân không.  Kết nối phần cứng với PLC  Kết nối PLC với HMI để điều khiển giám sát  Theo dõi quá trình sấy, cài đặt nhiệt độ sấy, hiển thị nhiệt độ sấy.  Lựa chọn nhiệt độ sấy phù hợp cho từng loại nông sản. 1.5. Ý nghĩa đề tài: 6 Chương 2: TỔNG QUAN 2.1. Tìm hiểu một số phương pháp sấy hiện nay Quá trình sấy gồm có 2 phương thức:  Phương thức sấy tự nhiên  Phương thức sấy nhân tạo 2.1.1. Phương thức sấy tự nhiên Tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như mặt trời, năng lượng gió…còn gọi là phơi sấy tự nhiên. Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng, nhưng không chủ động điều chỉnh được vận tốc quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp,… 2.1.2. Phương thức sấy nhân tạo Thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm. Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể được phân loại như sau:  Phương pháp sấy nóng Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu được đốt nóng. Do tác nhân đốt nóng nên độ ẩm tương đối giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy giảm. Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho vật người ta phân ra phương pháp sấy nóng ra các loại:  Phương pháp sấy đối lưu: vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí hoặc khói lò. Hệ thống sấy đối lưu gồm: hệ thống sấy buông, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động….  Phương pháp sấy tiếp xúc: vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy trong hệ thống sất tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tang phân 7 áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang...  Phương pháp sấy bức xạ: vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ dễ dẫn ẩm dịch chuyển từ long vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Ở đây người ta tạo ra độ chệnh lệch áp suấy hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật.  Phương pháp sấy dùng điện cao tần: khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dong điện và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật. Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:  Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh  Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp.  Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng , hay nguồn nhiệt từ dầu mỏ , than đá , rác thải…cho đến năng .  Thời gian làm việc của thệ thống cũng rất cao. Nhược điểm của hệ thống sấy ở nhiệt độ cao.  Các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ.  Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao.  Phương pháp sấy lạnh. Khác với phương pháp sấy nóng, để tạo chênh lệch áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, người ta giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách giảm dung ẩm trong tác nhân sấy và độ ẩm tương đối.  Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t>0: nhiệt độ sấy cũng như thiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương phóa làm lạnh hoặc bằng máy khử ẩm hấp thụ.  Ưu điểm: năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn, khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt. 8  Nhược điểm: chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh, chất hút ẩm phải thay thế theo định kì, vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn, điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hoàn nguyên chất hấp thụ.  Hệ thống sấy thăng hoa: là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thài rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa,vật liệu phải được làm lạnh dưới điểm ba thể. Nghĩa là nhiệt độ vật liệu t<0 oC và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa.  Ưu điểm: phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh hóa của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính…  Nhược điểm: cho phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh(để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước)  Hệ thống sấy chân không: là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t<0 oC,áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P > 610 Pa.  Ưu điểm: phương pháp này giữ được chất lượng sản phảm, đảm bảo điều kiện vệ sinh.  Nhược điểm: hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp. 2.2. Khảo sát một số loại máy sấy chân không trên thị trường 9 2.2.1. máy sấy chân không kiểu tủ Hinh 1 Máy sấy chân không  Thông số kỹ thuật:  Kích cỡ bên trong buồng sấy (mm) 1500×1400×1200  Kích Cỡ ngoài của buồng sấy (mm) 1513×1924×2060  Số lượng tầng sấy 8  Khoảng cách giữa các tầng (mm) 122  Kích cỡ của các khay (mm) 460×640×45  Số lượng khay 32  Áp suất cho phép bên trong đường ống dẫn trong buồng sấy(Mpa) ≤ 0.784  Nhiệt độ bên trong buồng sấy(℃) ≤ 150  Khi lực chân không ở cột hiển thi chỉ 30 và nguồn nhiệt là 110độ,thì tỉ lệ bố hơi của nước (kg/m2.h)  Bơm chân không(kw) – có bình ngưng 2X-70A 7.5kW  Bơm chân không (kw) – không bình ngưng  Trọng lượng tủ (kg) 10 SK-3 7.5kW 2.2.2. máy sấy chân không Freeze máy sấy công nghiệp Freeze  Thông số kỹ thuật  Kích thước: tùy chọn (L,W,H)  Chất liệu: thép không ghỉ  Công suất: 3- 75 kwh  Độ chân không có thể được thiết lập trong phạm vi 1000 ~ 5000 Pa.  Trọng lượng: 1000kg. 11 2.3. Phương pháp điều khiển 2.3.1. Các phương pháp điều khiển 2.3.1.1. Điều khiển nhiệt độ lò sấy bằng vi điều khiển  Điều khiển bằng PID - Sơ đồ khối cho điều khiển bằng vi điều khiển Cảm biến nhiệt độ Khối chấp hành Mạch ổn áp Nhập giá trị điều khiển Bộ khuếch đại tín hiệu Khối vi xử lí điều khiển Xử lí số liệu Thuật toán PID Khối hiển thị Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ sử dụng vi điều khiển  Cảm biến nhiệt độ: trong công nghiệp thường dùng thermocouple, Pt100, Pt1000…  Mạch khuếch đại: sử dụng các IC chuyên dùng để khuếch đại tín hiệu nhỏ cỡ vài mV thành V như INA125, INA128, INA131…  Khối vi xử lí: arduino uno, PIC, mega, AVR…  Mạch ổn áp: xử dụng các IC công suất 78x5, 79x5…  Khối hiển thị: sử dụng màn hình LCD, giao diện điều khiển trên máy tính (visual basic, C Sharp,...).  Khối nhập dữ liệu điều khiển: thường dùng các loại keypad cho vi điều khiển. 12 Nguyên lí điều khiển: cảm biến nhiệt độ nhận tín hiệu từ trong lò, tín hiệu từ  cảm biến là dạng điện áp rất nhỏ nên phải thông qua một mạch khuếch đại đưa tín hiệu dạng điện áp vào vi xử lí để điều khiển, từ vi điều khiển ta xuất tín hiệu điều khiển nhiệt độ trong lò như đóng ngắt điện trở cấp nhiệt cho lò. Một vấn đề xảy ra khi dùng các loại cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp như  thermocouple hay PT100, PT1000 là thời gian cập nhật nhiệt độ cũng như độ nhạy của chúng tương đối chậm do tín hiệu bị suy giảm trong quá trình truyền tải so với một số cảm biến nhiệt độ thông thường khác như LM35, DS18B20... thường được dùng trong các mô hình nhỏ không có tính công nghiệp cao và tầm đo nhiệt độ thấp hơn các loại cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp. 2.3.1.2. - Phương pháp điều khiển bằng PLC Sơ đồ khối điều khiển bằng PLC Nút nhấn start stop 13 Cảm biến nhiệt Bộ chuyển đổi 4-20mA PLC S7-200 Nguồn HMI Cơ cấu chấp hành Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ dùng PLC  Cảm biến nhiệt độ: trong công nghiệp thường dùng thermocouple, Pt100, Pt1000…  Bộ chuyển đổi 4-20mA: hiện nay có rất nhiều module chuyển đổi tín hiệu từ thermocouple và Pt100 sang tín hiệu 4-20mA như: mst320, RTD converter của hãng Hitachi, OMRON…  Bộ nguồn: ta sử dụng bộ nguồn 24VDC cho bộ chuyển đổi 4-20mA và PLCs7200, nguồn 220VAC cho cơ cấu chấp hành (điện trở cấp nhiệt, máy bơm chân không).  Cơ cấu chấp hành: các khay được gắn điện trở nhiệt, máy bơm chân không. 2.3.2. Lựa chọn phương pháp điều khiển - Dựa vào yêu cầu của đề tài “ điều khiển và giám sát quá trình sấy chân không bằng HMI và PLC”, phương pháp điều khiển lò sấy bằng PLC đã được lựa chọn nhằm đáp ứng các yêu cầu của đề tài đưa ra. 14 2.3.2.1. Tìm hiểu các thiết bị điều khiển 2.3.2.1.1. Bộ điều khiển lập trình PLC - PLC là bộ điều khiển lập trình và được xem là máy tính công nghiệp. Do công nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi, chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung tâm (CPU). Sự thay ñổi này nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ, số ñầu vào/ra (I/O), tốc độ quét. PLC S7-200 Tổng số I/O max tương đối lớn, khoảng 256 I/O. Số module mở rộng tùy theo CPU có thể lên đến tối đa 7 module  Thông số kỹ thuật:  Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm  Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words  Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words  Bộ nhớ loại EEFROM  Có 14 cổng vào, 10 cổng ra.  Có thể thêm vào 14 modul mở rộng kể cả modul Analog.  Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37µs  Có 256 timer, 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực. 15  Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 20 KHz  Có 2 bộ phát xung nhanh kiểu PTO và PWM, tần số 20 KHz chỉ ở các CPU DC.  Có 2 bộ điều chỉnh tương tự.  Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,…  Đồng hồ thời gian thực.  Chương trình ñược bảo vệ bằng Password.  Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện. 2.3.2.1.2. Module mở rộng EM231 Analog Input Module EM231 4 Inputs 16 Sơ đồ đấu nối cảm biến với EM231 4 Inputs  Thông số kỹ thuật. (6ES7 231-7PB22-0XA0)  Input current from load voltage L+: 60 mA  Input current from backplane bus 5 V DC: 87 mA  Power losses Power loss, typ.: 1.8 W; Sensor: 1 mW  Analog inputs Number of analog inputs: 2  permissible input voltage for voltage input: 30 V; 30 V DC (probe), 5 V DC (source)  Loop resistance cable: 20 Ω; max. 2.7 Ohm for Cu  Updating time (all channels): 405 ms; 700 ms with Pt10000 17 Bảng cài đặt switch EM231 4 Inputs 2.3.2.1.3. Màn hình điều khiển. HMI WEINVIEW TK6070IQ 18 Màn hình Touch Panel Bộ nhớ Hiển thị 7 "TFT Độ phân giải 800 x 480 Độ sáng 350 Tương phản 500: 1 Đèn LCD led Tuổi thọ > 30,000hours Màu sắc 65536 Loại cảm ứng Điện trở 4- dây Flash (MB) 128 MB DRAM (MB) 64 MB Vi xử lý I/O 32Bit RISC CPU 400MHz USB Client USB 1.0 x 1 Serial COM1 RS-232, COM2 RS-485 2W / 4W Thời gian thực Nguồn Đặc điểm Có Nguồn 24 ± 20% VDC Dòng điện 300mA@ 24V Vỏ Nhựa kỹ thuật Kích thước WxHxD 200.4 x 146.5 x 34 mm Khoét lỗ tủ 192 x 138mm Trọng lượng 0.52kg Nhiệt độ hoạt động 0 ° ~ 50 ° C (32 ° ~ 122 ° F) Phần mềm lập trình EB8000 phiên bảnChinese V4.5 trở lên 19 2.3.2.2. Tìm hiểu bộ chuyển đổi tín hiệu. 2.3.2.2.1. Bộ chuyển đổi tín hiệu OMRON F3FK OMRON F3FK Thông số kĩ thuật: - Type : F3KF-VS-16A-R/K - Input: 0-60mV DC - Output: 4-20mA DC - Source: 24VDC 20