Tài liệu khảo sát thiết kế bộ phận giám sát và điều khiển máy say lúa kiểu tháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ ************** KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT, THIẾT KẾ BỘ PHẬN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY SẤY LÚA KIỂU THÁP Sinh viên thực hiện: NGUYỄN AN PHƯƠNG - LAI THANH TÂN Lớp: DH09CD Ngành: CƠ - ĐIỆN TỬ Niên khoá: 2009 - 2013 Tháng 6 Năm 2013 LỜI CẢM TẠ Chúng tôi chân thành cảm ơn ban giám hiệu trường đại học Nông Lâm Tp.HCM, ban chủ nhiệm khoa Cơ khí công nghệ cùng tất cả quý thầy cô của quý khoa đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích trong thời gian học tập tại trường, tạo tiền đề cho tôi thực hiện khoá luận tốt nghiệp này. Và tôi vô cùng biết ơn PGS.TS Nguyễn Văn Hùng đã luôn quan tâm, đôn đốc và tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, các kĩ sư và toàn thể công nhân nhà máy sấy lúa Trà Ôn( tỉnh Vĩnh Long) đã tiếp nhận, tạo điều kiện và giúp đỡ và chỉ dạy tận tình thực hiện đề tài. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn KS. Nguyễn Trung Trực đã luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài này. Đồng thời, tôi cảm ơn tập thể lớp DH09CD, những người bạn thân thiết đã luôn bên tôi chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. i TÓM TẮT Máy sấy tháp là một trong những máy sấy nông sản( lúa, ngô) được sử dụng phổ biến hiện nay. Để đáp ứng các yêu cầu mang tính tự động hóa cao, tăng năng suất, dễ dàng điều khiển,…Do đó, bộ phận giám sát và điều khiển được thiết kế, chế tạo. Mục đích: - Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ phận giám sát và điều khiển cho máy sấy tháp năng suất 30 tấn/ mẻ( một tháp) được lắp đặt tại xí nghiệp lương thực Trà Ôn( Vĩnh Long). Nội dung nghiên cứu: - Khảo sát hệ thống sấy tháp. - Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển. - Phần mềm HMI( Human Machine Interface). - Khảo nghiệm máy sấy tháp. Kết quả: - Nhiệt độ sấy được giám sát trên giao diện phần mềm HMI. - Nhiệt độ được khống chế trong khoảng cài đặt 45oC- 50oC. - Hệ thống giám sát và điều khiển có tính hiệu cảnh báo, ngắt kịp thời khi có sự cố xảy ra. - Máy sấy tháp hoạt động bình thường. ii MỤC LỤC LỜI CẢM TẠ .............................................................................................................. i  TÓM TẮT................................................................................................................... ii  MỤC LỤC ................................................................................................................. iii  DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................... v  DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................................ vi  Chương 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1  1.1.Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1  1.2. Mục đích đề tài .................................................................................................... 1  Chương 2 TỔNG QUAN......................................................................................... 3  2.1 Tổng quan máy sấy tháp ....................................................................................... 3  2.1.1 Cấu tạo ............................................................................................................... 3  2.2.Sơ lược các thiết bị điều khiển, giám sát .............................................................. 4  2.2.1.Đồng hồ nhiệt .................................................................................................... 4  2.2.2.Máy đo độ ẩm KETT- F511 .............................................................................. 6  2.2.3.Biến tần LSIS SV- iG5A ................................................................................... 7  2.2.4.PLC Master-K120S ......................................................................................... 10  2.2.5.Phần mềm giám sát và điều khiển Intouch Wonderware ................................ 13  Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 17  3.1 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 17  3.2 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 17  3.2.1 Cơ sở thiết kế ................................................................................................... 17  3.2.2 Khảo nghiệm ................................................................................................... 17  Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 18  4.1 Khảo sát máy sấy tháp ........................................................................................ 18  4.1.1 Cấu tạo máy sấy tháp ....................................................................................... 19  4.1.2.Nguyên lí hoạt động của lò đốt: ...................................................................... 23  4.2 Thiết kế bộ phận giám sát và điều khiển ............................................................ 24  4.2.1 Yêu cầu giám sát và điều khiển ....................................................................... 24  4.2.2 Sơ đồ khối ........................................................................................................ 26  iii 4.2.3 Mạch điện điều khiển ...................................................................................... 27  4.2.4 Phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống sấy lúa kiểu tháp ........................ 28  4.3 Kết quả khảo nghiệm .......................................................................................... 35  Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................. 40  5.1 Kết quả đạt được:................................................................................................ 40  5.2 Hướng phát triển ................................................................................................. 40  TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 41  PHỤ LỤC ................................................................................................................ 42  iv DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Nối các dây mạch điều khiển.................................................................... 10  Bảng 2.2 Cấu tạo phần cứng của PLC Master-K ..................................................... 11  Bảng 4.1 Khảo sát độ ẩm hạt lúa sau 30 phút với nhiệt độ sấy trung bình 45oC .... 35  Bảng 4.2 Khảo sát nhiệt độ sấy tương ứng với tốc độ động cơ cấp trấu ................. 37  Bảng 4.3 Thống kê tỉ lệ hạt bị rạn nứt, hạt bị cháy .................................................. 39  v DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Nguyên lí hoạt động máy sấy tháp ............................................................. 4  Hình 2.2 Dụng cụ đo nhiệt ......................................................................................... 4  Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây đồng hồ nhiệt....................................................................... 6  Hình 2.4 Máy đo ẩm độ ............................................................................................. 6  Hình 2.5 Biến tần ....................................................................................................... 8  Hình 2.6 Sơ đồ kết nối biến tần ................................................................................. 8  Hình 2.7 Sơ đồ đấu dây biến tần ................................................................................ 9  Hình 2.8 Nối các đầu dây chính của biến tần ............................................................ 9  Hình 2.10 PLC Master-K ......................................................................................... 10  Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo PLC .................................................................................. 11  Hình 2.12 Sơ đồ đấu dây Input ................................................................................ 12  Hình 2.13 Sơ đồ đấu dây Output ............................................................................. 13  Hình 2.14 Phần mềm giám sát và điều khiển Intouch Wonderware ....................... 13  Hình 2.15 Phần mềm KepserverEX ......................................................................... 15  Hình 2.16 Truyền thông Modbus............................................................................. 16  Hình 4.1 Hệ thống sấy tháp ..................................................................................... 18  Hình 4.2 Cấu tạo máy sấy tháp ................................................................................ 19  Hình 4.3 Kích thước tháp sấy .................................................................................. 20  Hình 4.4 Máy sấy tháp ở Vĩnh Long ....................................................................... 21  Hình 4.6 Lò đốt ........................................................................................................ 22  Hình 4.7 Nguyên lí hoạt động lò đốt ....................................................................... 23  Hình 4.8 Nơi lắp đặt đầu dò nhiệt ............................................................................ 24  Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển nhiệt độ lò đốt ............................................................. 25  Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống sấy tháp .................................................................. 26  Hình 4.12 Tủ điện điều khiển .................................................................................. 28  Hình 4.13 Phần mềm giám sát và điều khiển .......................................................... 29  Hình 4.14 Cụm sàng+ vít tải .................................................................................... 31  Hình 4.15 Bơm Hơi+ Gầu tải thùng ........................................................................ 32  Hình 4.16 Cụm tháp sấy .......................................................................................... 33  Hình 4.17 Cụm lò đốt .............................................................................................. 34  vi Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1.Đặt vấn đề Ngày nay Việt Nam là nước đang trong thời kì hội nhập, mở cửa, giao lưu với các quốc gia trên thế giới.Việc trao đổi hàng hóa, xuất- nhập khẩu cũng được tự do hóa (đã gia nhập WTO) và nước ta là Quốc gia xuất khẩu lúa gạo nhiều thứ Hai thế giới(sau Thái Lan).Với những điều kiện thuận lợi trên và bên cạnh những khó khăn, yêu cầu về mọi mặt để giữ vững vị trí chủ lực xuất khẩu gạo của nước ta thì vấn đề đảm bảo chất lượng hạt gạo thông qua công tác bảo quản rất quan trọng.Hiện nay công tác bảo quản lúa bằng việc phơi khô dựa vào ánh nắng mặt trời cũng còn xảy ra nhiều với các hộ gia đình và doanh nghiệp thu mua nhỏ lẻ.Hình thức này thụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết nên thường rất bị động: Cần nhiều thời gian, hạt lúa không sấy khô kịp thời dễ bị móc meo, tốn nhiều diện tích cho việc làm khô,…Do đó vấn đề đặt ra là giải quyết các khó khăn trên,làm khô hạt lúa nhanh chóng nhưng vẫn đủ chất lượng hạt gạo, sấy với số lượng lớn đáp ứng vào mùa vụ của người nông dân. 1.2. Mục đích đề tài Với những yêu cầu cần có một thiết bị sấy đáp ứng các yêu cầu thực tiễn nêu trên, người nông dân, các nhà nghiên cứu, nhà sáng tạo đã thiết kế và chế tạo ra các loại máy sấy lúa trong đó có máy sấy kiểu tháp. Máy sấy lúa kiểu tháp đã xuất hiện từ rất lâu cùng với những ưu điểm mà nó mang lại và cho đến ngày nay nó đang được sử dụng rộng rãi. Máy sấy ngày càng được nâng cấp và cải tiến nhưng đa phần vẫn còn điều khiển bằng tay, theo dõi nhiệt độ sấy ngay tại lò đốt. Vấn đề đặt ra ở đây là phải cải tiến máy sấy tháp này theo hướng: - Tăng năng suất bằng cách chế tạo máy sấy lúa kiểu tháp thành một hệ thống gồm nhiều tháp. 1 - Nâng cao tính tự động hóa của hệ thống trong việc điều khiển nhiệt độ sấy, lấy tro khỏi lò đốt… - Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển dễ dàng sử dụng, linh hoạt và thông báo lỗi ngay trên thiết bị khi có sự cố xảy ra. Được sự đồng ý của bộ môn Cơ- Điện tử, khoa cơ khí công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Hùng và Kĩ sư Nguyễn Trung Trực chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Khảo sát, thiết kế bộ phận giám sát và điều khiển sấy lúa kiểu sấy tháp”. 2 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan máy sấy tháp 2.1.1 Cấu tạo Hệ thống tháp sấy có cấu tạo chính là tháp sấy. Tháp sấy là một khối hình hộp được chia thành nhiều khối con xếp chồng lên nhau để tăng sức chứa hạt, giảm diện tích lắp đặt. Trong tháp đặt các dãy hình chóp để dẫn và thải tác nhân sấy. Thông thường các kênh dẫn và kênh thải đặt xen kẽ nhau. Hệ thống sấy tháp bao gồm các phần chính như: Lò đốt, quạt sấy đặt hướng trục, tháp sấy. 2.1.2 Nguyên lý hoạt động Hệ thống sấy tháp được hoạt động theo nguyên lý tuần hoàn. Hạt lúa qua một lần sấy rồi được gầu tải đưa trở lại tháp. Thời gian “ ủ” thực chất là thời gian hạt ở trong gầu tải và thùng sấy( tương đối ngắn khoảng 1/ 2 giờ). Lúa được gấu tải đưa lên đỉnh tháp và được nạp vào đầy tháp sấy. Hạt lúa chảy xuống giữa hai vách lưới lỗ song song cách nhau, cón tác nhân sấy thì di chuyển theo chiều ngược lại xuyên qua dòng vật liệu và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt- ẩm và đi vào các kênh thải qua ống thải đi vào môi trường. Quạt sấy hút khí lò đốt và thổi vào các máng hình tam giác ngược trong tháp, các máng được chế tạo thành các kênh dẫn và kênh thải, dòng khí nóng đi xuyên qua các máng này và lan tỏa ra hai bên máng. Hạt lúa tiếp xúc với khí nóng và hơi nước trong vỏ hạt sẽ bay hơi. Hướng quạt Thoát gió 3 Hướng lúa Dòng khí mát Dòng khí nóng Hình 2.1 Nguyên lí hoạt động máy sấy tháp 2.2.Sơ lược các thiết bị điều khiển, giám sát 2.2.1.Đồng hồ nhiệt Dùng để đo nhiệt độ sấy. Đồng hồ nhiệt kết nối với đầu dò PT 100. Nguyên lý hoạt động PT100: Được cấu tạo là một điện trở nhiệt, nhiệt độ thay đổi dẫn đến sự thay đổi điện trở. Ba chân đưa tín hiệu về kết nối với Đồng hồ nhiệt. Đồng hồ nhiệt có nhiệm vụ đọc điện trở từ đầu dò đưa về và hiển thị ra LED 7 đoạn trên đồng hồ. Đầu dò PT100 Đồng hồ nhiệt DTB 4848-RR Hình 2.2 Dụng cụ đo nhiệt  Giới thiệu đầu dò PT100: Cảm biến nhiệt độ PT100 còn gọi là nhiệt điện trở kim loại( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platium quấn theo hình dáng đầu dò nhiệt có giá trị điện trở ở 0oC là 100 Ohm. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định. Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với thay đổi nhiệt độ được tính theo công thức dưới đây. 4 Công thức tính điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100: Rt= R0(1+ AT+ BT2+ C(T-100)T3) Trong đó: A= 3.9083*10-3 B= 5.775*10-7 C= -4.183*10-12 (t< 0oC). C= 0 (t>0oC).  Bảng thông số kĩ thuật: Thông số kĩ thuật Giới hạn đo -200oC đến 600oC Thời gian đáp ứng < 5 giây Nguyên lý đo Đo dòng Cáp Cáp 3 dây  Giới thiệu đồng hồ nhiệt DTB 4848: Đồng hồ nhiệt DTB 4848 do hãng Delta( Đài Loan) sản xuất là bộ điều khiển nhiệt. Ngoài chức năng chuyển đổi và hiện thị nhiệt độ ra đồng hồ, DTB 4848 còn là bộ điều khiển nhiệt PID có khả năng thực hiện điều khiển nóng, lạnh đồng thời trong hệ thống điều khiển nhiệt độ đáp ứng nhiệt đối với nhiệt độ cài đặt nhanh.  Ứng dụng: Quạt thông gió trong hệ thống thông gió trung tâm, hệ thống gia nhiệt, hệ giám sát nhiệt độ từ xa, hệ thống Scada.  Đặc tính kĩ thuật: - Các chế độ điều khiển ngõ vào: PID, ON/ OFF, bằng tay. - Có 2 nhóm ngõ ra với chế độ tự động chọn/điều chỉnh thông số PID. - Cho phép kết nối với nhiều loại cảm biến khác nhau (B, E, J, K, L, N, R, S, T, U, TXK) và platinum RTD (PT100, JPT100), tín hiệu dòng (0 ~ 20mA, 4 ~ 20mA), điện áp tuyến tính (0 ~ 5V, 0 ~ 10V) có thể chọn trên thông số cài đặt. - Hiển thị nhiệt độ 0C, 0F (Celsius hoặc Fahrenheit). - Kích cỡ: 4824, 4848, 4896, 9696 5 - Thời gian lấy mẫu của cảm biến (sensor) là 0.4giây/lần, đối với tín hiệu analog ngõ vào là 0.15giây/lần. - Bộ điều khiển khả lập trình cho phép cài đặt 64 bộ nhiệt độ và thời gian điều khiển.  Sơ đồ đấu dây: Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây đồng hồ nhiệt 2.2.2.Máy đo độ ẩm KETT- F511 Dùng để đo độ ẩm của hạt lúa sau khi sấy. Trong quá trình sấy độ ẩm được kiểm tra thường xuyên để quyết định thời gian sấy. Hình 2.4 Máy đo ẩm độ  Thông số kĩ thuật: - Thang đo: 10 – 30%( đối với lúa). - Môi trường hoạt động: 0 – 400oC. - Độ chính xác: 0,5% - Hiệu chỉnh nhiệt độ tự động bằng cảm biến nhiệt độ. - Hiển thị độ ẩm trung bình. - Chức năng đo độ ẩm và độ khô tự động. 6 - ứng dụng: Đo thóc (lúa), gạo, lúa mì, tiêu trắng, tiêu đen, đậu nành. - Hiệu chỉnh nhiệt độ bằng vi xử lý. - Nguồn điện sử dụng: 4 pin (AA) - Trọng lượng: 0.44K. Cách đo: - Nhấn nút POWER mở máy. - Nhấn nút SELECT để chọn loại nông sản cần đo ẩm, chọn loại Paddy( thóc). - Lấy muỗng của máy ra và đong mẫu thóc. Số lượng thóc phải được đong vừa kín muỗng. - Đọc kết quả: Đặt muỗng chứa mẫu vào trong khe kiểm tra trên máy, xoay núm vặn theo chiều kim đồng hồ cho đến nút Stop, nhấn nút MEASURE để xem kết quả. - Tính trung bình các lần đo: Mẫu đo sẽ được lặp lại nhiều lần. Các lần đo sau lấy mẫu tương tự lần đầu và tiến hành đo bằng cách nhấn nút AVE. 2.2.3.Biến tần LSIS SV- iG5A Sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ cấp liệu trấu cho lò đốt. Tùy vào nhiệt độ lò đốt cấp cho tháp sấy cao hay thấp mà hiệu chỉnh tần số cấp liệu cho phù hợp. Thông số kĩ thuật:  Dãy công suất hoạt động từ 0.4- 22kW.  Tần số đầu ra 0.01- 400Hz.  Nhiệt độ làm việc -10- 50oC.  Phương pháp điều khiển PID.  Tích hợp truyền thông RS485.  Có thể lựa chọn tín hiệu đầu vào là PNP/ NPN.  Đầu vào Analog ± 10V. Giao diện điều khiển: 7 Hình 2.5 Biến tần   Giao diện điều khiển gồm có: LED hiển thị tần số, phím RUN, phím STOP/ RESET, các phím hiệu chỉnh UP, DOWN, LEFT, RIGHT và ENTER. Có hai cách cài đặt tần số trên biến tần: Sử dụng trực tiếp các phím hiệu chỉnh trên giao diện của biến tần. Cài đặt bằng phần mềm giám sát và điều khiển INTOUCH WONDERWARE thông qua kết nối PLC.Sơ đồ kết nối thực: Điện áp nguồn 3 pha 380V. MCCB đóng ngắt. Khởi động từ AC Reactor Biến tần Motor 3 pha Hình 2.6 Sơ đồ kết nối biến tần 8  Sơ đồ đấu dây: Hình 2.7 Sơ đồ đấu dây biến tần  Nối các đầu dây chính: R S Nguồn 3 pha T B1 B2 U V W M Điện trở DB Hình 2.8 Nối các đầu dây chính của biến tần 9  Nối các đầu dây mạch điều khiển: Bảng 2.1 Nối các dây mạch điều khiển 2.2.4.PLC Master-K120S Dùng để xuất ngõ ra Relay điều khiển các Motor, giao tiếp với biến tần SV-iG5A để điều chỉnh tần số Motor theo cổng giao tiếp RS-485. Hình 2.10 PLC Master-K 10  Cấu tạo: Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo PLC Bảng 2.2 Cấu tạo phần cứng của PLC Master-K STT Mô tả 1 Đèn báo hiện trạng CPU 2 LED input/ output 3 Bộ liên kết 2 chân gắn với giao tiếp RS 485. 4 Các phím chức năng RUN, STOP, PAUSE, REMOTE, PAU/ REM. 5 Switch Cnet I/ F 6 Cổng kết nối thiết bị ngoại vi RS 232. 7 Bus kết nối với Module mở rộng. 8 Vỏ che đậy các ngõ vào/ ra. 9 Nơi bắt vít gắn kết. 11  Đặc điểm kĩ thuật:  Tốc độ xử lý cao khoảng 0.1- 0,9us/ step.  Điều khiển PID mà không sử dụng module PID ngoài.  Sử dụng cổng giao tiếp RS 232 và RS 485 giao tiếp thiết bị ngoại vi như máy tính, màn hình cảm ứng,..  Ít tiêu hao năng lượng do chương trình thường xuyên được lưu vào bộ nhớ đệm EEPROM.  Được hổ trợ nhiều Module cho phép tăng khả năng ứng dụng của thiết bị.  Nguồn vào 24 VDC. Số ngõ Input/ Output là 24/ 16.  Sơ đồ đấu dây: Nguồn của PLC K7M- DT40U là loại DC/ DC/ RELAY.  Input: Hình 2.12 Sơ đồ đấu dây Input 12  Output: Ngõ ra có thể là DC 12V/ 24V hoặc AC 220V. Hình 2.13 Sơ đồ đấu dây Output 2.2.5.Phần mềm giám sát và điều khiển Intouch Wonderware Hình 2.14 Phần mềm giám sát và điều khiển Intouch Wonderware Wonderware Intouch HMI( Human- Machine Interface) là phần mềm cung cấp đồ họa trực quan quản lí, giám sát và điều khiển tối ưu hóa cho hệ thống công nghiệp đến một cấp độ hoàn toàn mới. Trong nghành công nghiệp hện nay phần mềm này là một trong ba phần mềm đang dẫn đầu thế giới. Với việc sử dụng phần mềm giám sát và điều khiển này trong hệ thống sản xuất công nghiệp sẽ được tối ưu hóa năng suất, tăng hiệu quả sử dụng, dễ dàng bảo dưỡng. 13