Tải bản đầy đủ

Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................................................
TÓM TẮT............................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH.....................................................................................................................2
DANH SÁCH BẢNG BIỂU.................................................................................................................3
TÓM TẮT..............................................................................................................................................4
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY......................................................................7
NÔNG SẢN THỰC PHẨM..................................................................................................................7
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................55


DANH MỤC HÌNH ẢNH

2


DANH SÁCH BẢNG BIỂU


3


TÓM TẮT
Đề tài nêu phương pháp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy
nông sản thực phẩm, hệ thống được thực hiện trên phần mềm mô phỏng Matlab qua
đó khảo sát và đánh giá hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm.
Qua thời gian nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống điều
chỉnh nhiệt độ lò nhiệt với quá trình hiệu chỉnh của bộ điều khiển PID để ứng dụng
thiết thực, phục vụ hiệu quả trong hệ thống điều khiển. Tuy nhiên có nhiều hạn chế
trong việc ứng dụng và xây dựng mô hình hệ thống.
Với đề tài này đã sử dụng nhiều phương pháp để nghiên cứu và đánh giá và
được ứng dụng rất nhiều và thiết thực trong việc học tập nghiên cứu cũng như trong
sản xuất.
ABSTRACT
The topic of the system design method automatically adjusts the temperature
of the drying of agricultural products, the system is implemented on Matlab
simulation software through which to monitor and evaluate the temperature control
system of agricultural drying food.
Throughout the study, design, calculation and simulation of the furnace
temperature control system with the calibration process of the PID controller for
practical, effective service in the control system. However, there are many
limitations in the application and modeling of the system.
This subject has used many methods to study and evaluate and is applied a lot
and practical in studying research as well as in production.

4


MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, sự đa dạng của các linh kiện
điện tử số, các thiết bị điều khiển tự động, các công nghệ cũ đang dần dần được thay
thế bằng các công nghệ hiện đại.Với sự bùng nổ của những tiến bộ khoa học-kĩ thuật
trong các lĩnh vực điện, điện tử, tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến sự biến
đổi sâu sắc cả về lý thuyết lẫn thực tế của các lĩnh vực điều khiển lập trình vi điều
khiển, hệ thống tự động điều khiển, vi xử lý, PLC…đang được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp, các dây chuyền sản xuất.
Hệ thống điều khiển tự động cho các hệ thống dây chuyền trong các nhà máy
công nghiệp không thể thiếu được. Nó quyết định rất nhiều đến sự phát triển của xã
hội như trong công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá để từng bước bắt kịp sự phát


triển trong khu vực và thế giới về mọi mặt Kinh tế và Xã hội. Do đó, việc tự động
hoá quá trình sấy công nghiệp là sự lựa chọn hàng đầu nhằm góp phần bảo quản
nguyên liệu, tăng năng suất tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo an toàn
thực phẩm, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.
Kinh tế xã hội phát triển nhu cầu đối với các dịch vụ hàng hóa trong nước
cũng như xuất khẩu ngày càng tăng, đòi hỏi về chất lượng cao hơn và mặt hàng
nông sản (Ngô, gạo, cà phê, ca cao, hồ tiêu) cũng là một trong các mặt hàng trong
số đó. Vì vậy, các nhà máy chế biến không còn là bán tự động mà phải được tự
động hóa hoàn toàn mới đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
Thực hiện việc cải tạo nâng cấp một hệ thống máy móc đầu tiên là thay thế hệ
thống điều khiển có thể lập trình được nhằm làm giảm sức lao động, cho mạch điều
khiển của hệ thống gọn nhẹ, hoạt động chính xác đáng tin cậy hơn và quan trọng
nhất là dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển khi có yêu cầu.
Từ đó em lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò
sấy nông sản thực phẩm”
Mục tiêu của đề tài là em xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để khảo
sát, đánh giá, nghiên cứu, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy nông sản thực
phẩm.
Trong quá trình thực hiện đề tài này em đã tìm hiểu, trao đổi và tổng hợp các
kiến thức mà mình đã được học trong thời gian được học, cũng như tham khảo các
5


tài liệu liên quan khác để hoàn thành đề tài được giao. Cấu trúc của đồ án gồm hai
chương, mỗi chương em sẽ trình bày cụ thể các vấn đề nghiên cứu khác nhau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm
Chương 2: Thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống tự động điều chỉnh lò sấy
nông sản thực phẩm
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển
và Tự động hóa , đặc biệt là thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp được
thuận lợi.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ an, ngày tháng 5 năm 2018
Người thực hiện
Bùi Thị Trinh

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY
NÔNG SẢN THỰC PHẨM
1.1. Giới thiệu chung về lò sấy nông sản thực phẩm
Các sản phẩm nông sản của nước ta hiện nay đang rất được quan tâm và luôn
là trang nóng trên các tin tức đặc biệt là lúa gạo, cà phê, ngô, khoai, sắn, các loại
hoa quả sấy… sản lượng hàng năm thu hoạch về rất lớn, sau khi thu về các nhà máy
chế biến đã thực hiện chế biến nông sản để đưa ra thị trường phục vụ cho đời sống
hằng ngày, để đưa sản phẩm có chất lượng cao thì khâu sấy nông sản là khâu quan
trọng quyết định chất lượng của sản phẩm này có đạt chuẩn không. Sấy nông sản
phải điều chỉnh nhiệt độ thế nào cho phù hợp để sản phẩm đạt tiêu chuẩn.
Sấy khô thực phẩm bằng các lò sấy nông sản là quá trình sấy khô thực phẩm
bằng cách sử dụng công nghệ khí nóng đối lưu tuần hoàn, rút nước từ từ trong thực
phẩm cho đến khi khô hoàn toàn. Sấy khô là một trong những phương pháp làm khô
thực phẩm để giúp vận chuyển dễ dàng và bảo quản sản phẩm được lâu hơn.
 Một số hình ảnh về thiết bị sấy và lò sấy.

Hình 1. 1. Hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm

7


Hình 1. 2. Hệ thống sấy cơm dừa tầng sôi

Hình 1. 3. Hệ thống sâý nông sản thực phẩm dạng tháp
8


Hình 1. 4. Máy sấy thùng quay, sấy liên tục
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy sấy khô nông sản khác nhau phổ
biến nhất là các máy sấy khô nông sản bằng khí nóng đối lưu tuần hoàn, tiếp nữa là
các máy ứng dụng công nghệ sấy vi sóng, công nghệ hơi nước bão hòa, ứng dụng
hồng ngoại…
 Ưu điểm của các loại máy sấy thực phẩm công nghiệp:
• Bảo toàn nguyên vẹn màu sắc và hương vị nguyên liệu: hầu như nguyên vẹn
so với sản phẩm tươi sống trước sấy.
• Thời gian cho một mẻ sấy ngắn: hệ thống hút ẩm, rút nước ra khỏi sản phẩm
nhanh, hạn chế sự thất thoát thoát nhiệt.
• Kích thước: lớn, phù hợp cho quy mô sấy công nghiệp, mỗi mẻ sấy khoảng
500kg- 1 tấn nguyên liệu tươi sống.
• Có thể được thiết kế linh hoạt: tùy theo nhu cầu sử dụng và đặc trưng sản
phẩm của khách hàng.
9


• Giá thành hợp lý: giúp làm giảm thiểu chi phí giá vốn cho sản phẩm sấy.
• Sử dụng được cho đa dạng các loại thực phẩm: như nông sản, thủy hải sản,
dược liệu, cho đến các loại vật liệu cần sấy ở nhiệt độ lớn như sấy sơn, sấy keo, sấy
khuôn, gỗ…
• Sử dụng công nghệ cao: giúp giảm thiểu mức điện năng tiêu thụ
• Khay sấy: đa dạng, có thể dễ dàng thay đổi, điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng
của khách hàng
 Phạm vi ứng dụng của các loại máy sấy thực phẩm
Hiện nay, hầu như tất cả các loại nông sản đều có thể áp dụng quy trình sấy công
nghiệp để cho ra sản phẩm sấy khô đạt tiêu chuẩn cho ra thị trường. Không dừng lại ở
nông sản, các sản phẩm thủy hải sản cũng có thể được sấy bằng hệ thống các máy sấy
nông sản kể trên. Ngoài ra, phạm vi ứng dụng của chúng cũng vô cùng đa dạng, ví như:
Các sản phẩm nông sản sấy khô có thể kể đến như: cà phê sấy, cà rốt sấy, táo
tàu sấy, ớt sấy, nấm sấy, thịt gấc sấy…
Các loại ngũ cốc dạng hạt: thóc lúa, gạo, ngô và các loại đậu như đậu đen, đậu
xanh, đậu nành…
Các nông sản dạng lát mỏng: như khoai mỳ, sắn, khoai lang, khoai tây…
Thủy hải sản như: tôm khô, cá khô, mực khô…
Thức ăn cho gia súc: cám, bột các loại.
Sản phẩm dược liệu, làm thuốc: hoa hồng, hoa nhài, và các vị thuốc khác.
Các sản phẩm phục vụ ngành công nghiệp chế biến sản xuất: như bột mỳ, bột
sữa, bột ngũ cốc…
Ngoài ra còn rất nhiều loại sản phẩm đặc thù khác cũng được sấy khô: nhằm
giúp bảo quản chúng được lâu hơn.
1.2. Tổng quan về sản phẩm nông sản và quá trình sấy nông sản
Hiện nay, ở nước ta có nhiều khu vực có diện tích đất chủ yếu là đồi núi do đó
phần lớn người nông dân sử dụng những vùng đồi này để trồng Ngô, sắn... Hàng
năm vào vụ thu hoạch của những người nông dân lượng ngô được thu về tới hàng
triệu tấn, ngô thu về tồn tại ở dạng bắp sau đó về vẽ (số lượng ít) hoặc dùng máy để
tách lõi với hạt ra lúc này ngô chưa được khô, chưa đạt tiêu chuẩn độ ẩm, không
làm khô kịp thời thì ngô có thể bị mốc làm ảnh hưởng tới sức khỏe của người hoặc
10


gia súc, gia cầm sử dụng. Để làm khô các hạt ngô sau khi tách khỏi lõi thường sử
dụng các biện pháp sau:
 Phương pháp thủ công là phơi.
+ Nhược điểm phương pháp này:
• Phụ thuộc vào thời tiết.
• Số lượng không lớn.
• Độ ẩm của ngô không đều.
 Phương pháp bán thủ công: Phương pháp này sử dụng lò sấy thủ công kết
hợp với con người.
+ Mô tả sơ qua về lò sấy bán tự động này, nhiệt để sấy được đốt từ bên ngoài
bằng nhiên liệu là lõi ngô và được thổi vào bên trong lò sấy nhờ động cơ quạt.
+ Lò sấy bên trên là sàn đổ ngô khi sấy quá trình đảo bằng sức người. Nếu lò
cỡ lớn thì thực hiện một mẻ sấy là khoảng 15 tấn thời gian mất khoảng 120 phút.
+ Đóng mở các động cơ điện vẫn sử dụng là cầu dao, hoặc Áp tô mát.
+ Ưu điểm phương pháp này.
• Vốn đầu tư ban đầu để xây dựng lò sấy ít.
• Quy trình sấy đơn giản.
+ Nhược điểm.
• Tốn nhiều công sức.
• Độ ẩm của ngô không đều.
• Thời gian sấy lâu.
• Số lượng ít.
Do yêu cầu đòi hỏi về độ ẩm tiêu chuẩn của ngô sau khi phơi hoặc sấy và để
khắc phục những nhược điểm của hai phương pháp trên, tôi xây dựng hệ thống lò
sấy tự động điều khiển sấy để tạo nhiều hiệu quả, năng suất cho người sản xuất.
+ Ưu điểm của lò sấy tự động.
• Không tốn nhiều nhân công.
• Thời gian sấy nhanh.
• Số lượng lớn.
• Độ ẩm của ngô đều và đạt tiêu chuẩn.
• Có kho chứa ngô thành phẩm và ngô thu về.
11


Hiện nay, cũng đã xuất hiện một số nhà máy sấy tự động nhưng các nhà máy
này chưa chuẩn hóa quá trình hoạt động của các cơ cấu chấp hành và nhiệt độ của
lò, hệ thống điều khiển còn gặp nhiều sự cố trong quá trình làm việc. Xuất phát từ
các vấn đề này cũng như em tìm hiểu để xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò
sấy nhằm ổn định nhiệt, nâng cao chất lượng sản phẩm sấy đảm bảo tiêu chuẩn đầu
vào nguyên liệu của các công đoạn sản xuất, chế biến.
1.2.1. Tổng quan hệ lò sấy nông sản

Hình 1. 5. Mô hình tổng quan hệ thống lò sấy ngô

12


1.2.2. Sơ đồ thu ngô, tách ngô và sấy ngô

Hình 1. 6. Lược đồ tổng quan hệ thống lò sấy ngô
1.2.3. Các giai đoạn trong quá trình thu ngô và tách Ngô, sấy ngô và các thông
số khi sấy
a. Giai đoạn thu ngô và tách ngô
Khi ngô đã đến giai đoạn thu hoạch ngô được thu về ở dạng bắp sau đó được
tách hạt và lõi Ngô ra nhờ các máy tách, Ngô hạt được chuyển đến các nhà máy để
sấy khô ở giai đoạn này không nằm trong phạm vi của quy trình sấy.
b. Giai đoạn chuyển ngô hạt lên các khoang chứa
Ngô hạt được đổ xuống sàn và sử dụng các xích tải để kéo ngô đến gầu tải, từ
gầu tải này ngô được đưa lên xích tải trên và kéo đổ vào các khoang chứa, bên phần
khoang chứa được chia làm hai khoang. Khi khoang thứ nhất chưa báo đầy là mức
cao “H” thì SL được cấp nguồn và mở nắp ngô được ưu tiên đổ vào khoang thứ
nhất, nếu khoang thứ nhất báo đầy thì (SL) ở khoang thứ hai được cấp nguồn và mở
nắp, ngô được đổ vào khoang thứ hai.
13


c. Giai đoạn sấy Ngô
Ngô được đưa về các khoang chứa khi đủ sản lượng sấy thì ta tiến hành sấy,
Ngô được sấy liên hoàn cho đến khi đạt tiêu chuẩn độ ẩm.
Khi bắt đầu thực hiện sấy ngô được xả ra từ khoang chứa thứ hai nhờ hệ thống
xích tải, gầu tải Ngô được đưa vào lò sấy qua khoang nóng với nhiệt độ sấy (35 độ
C) rồi qua khoang làm nguội Ngô, trong khi đi qua khoang nóng và khoang làm
nguội, Ngô được đảo nhờ hệ thống cánh đảo trong lò sấy, ngô qua lò sấy được đưa
về khoang chứa thứ ba nhờ hệ thống xích tải, gầu tải. Ngô ở khoang chứa 1 và
khoang chứa 2 đã được sấy hết chu trình sấy đã thực hiện xong vòng sấy đầu tiên,
tiếp tục vòng sấy tiếp theo lúc này ngô lại được xả ra từ khoang chứa thứ 3 và qua
lò sấy đổ vào khoang chứa thứ 4 và chu trình sấy thực hiện liên hoàn như vậy cho
tới khi hệ thống báo đủ tiêu chuẩn độ ẩm khi đó ngô được chuyển về khoang chứa
thành phẩm.
Khi Ngô ở khoang chứa 1 và khoang chứa 2 đã được xả hết để sấy thì ta có thể
đưa ngô từ bên ngoài vào khoang chứa để tiếp tục sấy hoặc dự trữ.
d. Giai đoạn xử lý mạt Ngô khi sấy
Trong quá trình sấy lượng mạt ở ngô được bong ra ngoài rất nhiều do đó lượng
mạt này phải được tách khỏi hạt xuất phát từ vấn đề đó nên lượng mạt phải được
tách trong lúc sấy. Ở dàn sấy của lò đặt một hệ thống thổi mạt là động cơ quạt để
thổi mạt và động cơ này hoạt động cùng với lò sấy. Ngô sau khi qua lò sấy đưa về
các khoang chứa thì được hệ thống thổi mạt thổi hết mạt ra bên ngoài để đảm bảo môi
trường không bị bụi lượng mạt thổi ra phải được đưa qua các ống dẫn đến nơi mà
không gây ô nhiễm.
1.2.4. Phương án thiết kế tự động hoá dây truyền hệ thống sấy nông sản
a. Giới thiệu sản phẩm
Các sản phẩm truyền thống để sấy là cà phê, ngô, sắn... nhưng ở dây truyền lò
sấy này chỉ thực hiện sấy là ngô.
- Ngô có hai loại.
+ Ngô giống.
+ Ngô sấy để chế biến.
14


Với hai loại ngô này thì nhiệt độ sấy sẽ khác nhau do đó lò sấy này thực hiện
sấy Ngô để chế biến nên nhiệt độ sấy của lò là 40 độ C – 80 độ C.

Hình 1. 7. Xích tải ngang
 Giới thiệu phương pháp tính toán chọn công suất động cơ xích tải:
• Tính chọn công suất động cơ truyền động thiết bị vận tải liên tục thường theo
công suất cản tĩnh. Chế độ quá độ không tính đến vì số lần đóng cắt ít, không ảnh
hưởng đến chế độ tải của động cơ truyền động.
• Phụ tải của thiết bị vận tải liên tục thường ít thay đổi trong quá trình làm việc
nên không cần thiết phải kiểm tra theo điều kiện phát nóng và quá tải. Trong điều
kiện làm việc nặng nề của thiết bị, cần kiểm tra theo điều kiện mở máy.
• Sau đây là một phương pháp tính chọn công suất động cơ truyền động băng
tải. Trên (Hình 1.3) cho thấy: Một lực bất kì theo phương thẳng đứng đặt trên mặt
nghiêng, có thể phân thành hai thành phần.

ur uu
r uu
r
f = fn + ft

uu
r
f n : vuông góc với mặt nghiêng

uu
r
f t : song song với mặt nghiêng

Hình 1. 8. Xích tải ngang nghiêng
15


 Khi tính toán chọn công suất động cơ truyền động xích tải, thường tính theo
các thành phần sau:
• Công suất P1 để dịch chuyển vật liệu.
• Công suất P2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ.
• Công suất P3 để nâng tải (Nếu là xích tải nghiêng).
• Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu là:

F1 = L.m.cos β .K1.g = ∂.L1.K1.g

(1.1)

Vì thành phần pháp tuyến: Tạo ra lực cản (ma sát) trong các ổ đỡ.

ur
F = L.m.cos β .g
n

Trong đó:

(1.2)

β Góc nghiêngcủa băng tải
L Chiều dài xích tải
M Khối lượng vật liệu trên một mắt xích tải
K1 Hệ số tính tới lực cản khi dịch chuyển vật liệu K1 =0,05

- Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu là:

P1 = F1.V = m.L.K1.V .g

(1.3)

• Lực cản do các loại ma sát sinh ra khi xích tải chuyển động không tải sẽ là:

F2 = 2.L.mb .cos β .K 2 .g = 2.L.∂b .K 2 .g
Trong đó:

(1.4)

K 2 Hệ số tính đến lực cản khi không tải
mb Khối lượng xích tải trên một mét chiều dài

• Công suất cần thiết để khắc phục lực cản ma sát

P2 = F2 .V = 2.L.mb .K 2 .V .g

(1.5)

• Lực cần thiết để nâng vật:

F3 = ± L.m.sin β .g

(1.6)

• Trong biểu thức trên lấy dấu cộng khi biểu thức đi lên và lấy dấu trừ khi biểu
thức đi xuống.
• Công suất nâng bằng:

P3 = F3 .V = ± m.H .V .g
16

(1.7)


• Công thức tĩnh của sức tải:

P = P1 + P2 + P3 = n.l.K1 + 2.l.mb .K 2 ± m.H .g .v

(1.8)

• Công suất động cơ truyền động xích tải được tính theo biểu thức sau:

Pdc = K 3 .P / η
Trong đó:

F3 hệ số dữ trữ về công suất

(1.9)

(K3=1,2 ÷ 1,25 )

η : Hiệu suất truyền động
b. Gầu tải Động cơ gầu tải để kéo ngô lên khoang chứa và lò sấy
 Chức năng:
• Gầu tải đóng vai trò vận chuyển ngô từ xích tải lên các khoang chứa và lò
sấy. Nó tạo nên tính liên tục của quá trình sản xuất. Gầu tải được truyền động bởi
các động cơ không đồng bộ 3 pha thông qua các cơ cấu truyền động. Tốc độ của
gầu tải của từng công đoạn sản xuất khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật sản
xuất và đảm bảo không xảy ra dồn ứ sản phẩm.
• Chiều cao của gầu tải H = 4m
• Tính chọn công suất, tốc độ động cơ:
- Động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ gầu tải đóng vai trò quan trọng trong hệ
thống tuy nhiên động cơ gầu tải chỉ mang tải đều và làm việc chế độ dài hạn.
Do đó ta chọn công suất động cơ P = 4.5 kw
Hiệu suất η = 0.85
Tốc độ n = 350 v/p
c. Mô hình các cơ cấu lò sấy, lò đốt
- Chức năng của lò sấy: Lò sấy có vai trò như là một buồng nhiệt để cho Ngô
đi qua với nhiệt độ vừa đủ, làm cho ngô khô một cách từ từ đảm bảo được tiêu
chuẩn độ ẩm cho phép.
 Phương pháp sấy kiểu tháp

17


Hình 1. 9. Mô hình lò sấy kiểu tháp
- Mô tả lò sấy: Lò sấy hình tròn đường kính 3m.
- Lò có hai khoang chính là:
• Khoang nóng đây chính là khoang để thực hiện sấy Ngô và nhiệt độ sấy được
lấy từ lò nhiệt nhờ động cơ quạt hút.
• Khoang lạnh là khoang làm nguội ngô sau khi đã qua khoang sấy. Gió để
thổi làm nguội Ngô được lấy từ ngoài nhờ động cơ quạt.
• Bên trong lò sấy có các cánh đảo và đặt hai cảm biến (sensor) nhiệt độ để
khống chế nhiệt độ khi sấy, nhiệt độ sấy là nhiệt độ gần với nhiệt độ của thiên nhiên
khi trời nắng để ngô sấy không bị cháy.
• Nhiệt độ của lò: 40 – 80 độ c
• Trên đỉnh của lò đặt hai cảm biến báo mức, báo đầy là mức trên (H) và báo
hết là mức dưới (L) để từ đó ta biết được lượng ngô đi vào lò sấy.
- Chức năng của các động cơ trong lò sấy:
• Động cơ M.212 là động cơ hút hơi nóng từ lò đốt vào lò sấy.
• Động cơ M.213 là động cơ thổi gió làm nguội ngô khi ngô đã qua khoang
nóng.
• Động cơ M.214 là động cơ quay các cánh đảo ngô.
18


• Động cơ M.215 là động cơ quay xích tải để đưa ngô từ lò sấy ra gầu tải.


Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang

Hình 1. 10. Hệ thống sấy kiểu vỉ ngang
Hệ thống thiết kế được trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết họp với vi xử lý để
điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạt gió trong lò, cũng thông qua bảng điều khiển tự
động toàn bộ hoạt động của lò được giám sát bằng hệ thống đèn báo.
Hệ thống bao gồm:


Bộ gia nhiệt



Hệ thống thông gió và động cơ quạt



Bộ điều khiển và báo hiệu
1.3. Mô hình toán học của lò sấy nông sản thực phẩm
Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt, chính vì thế trong

quá trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển sử dụng lò
điện trở làm đối tượng thay thế.
1.3.1. giới thiệu chung về lò điện trở
Lò điện trở là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt
(dây nung). Từ dây đốt nhờ bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt, nhiệt năng được đưa tới vật
cần gia nhiệt.
1.3.2. Đặc điểm
- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một
thể tích nhỏ.
- Có tốc độ nung lớn, năng suất cao do nhiệt năng tập trung ở nhiệt độ cao.
19


- Nung đều và chính xác nhờ việc dễ điều chỉnh và khống chế độ điện và nhiệt độ.
- Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung chân không hoặc trong môi
trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ.
- Có khả năng cơ khí hóa, tự động hóa cao.
- Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói, ít tiếng ồn.
1.3.3. Nguyên lý làm việc
Theo định luật Jun - Lenxơ, dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn
hoặc chất lỏng), nó sẽ tạo ra một nhiệt lượng. Năng lượng này sẽ đốt nóng bản thân
vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó:

Q = R.I 2 .t

(1.10)

Trong đó:
Q: Nhiệt độ tỏa ra trên dây dẫn (J)
R: Điện trở của dây dẫn (Ω)
I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn (A)
t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)
1.3.4. Phân loại lò điện trở
- Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm:

• Lò điện trở trực tiếp: Là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp
bằng dòng điện chạy qua nó. Loại lò này ít dùng vì nó chỉ dùng để nung những vật
có hình dạng đơn giản (tiết diện hình chữ nhật, vuông, tròn..)
• Lò điện trở tác dụng gián tiếp: Là lò điện trở mà nhiệt được tỏa ra ở dây điện
trở, rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn
nhiệt. Loại lò này thường gặp trong thực tế công nghiệp.
- Theo nhiệt độ của lò, chia làm 3 loại:
• Lò có nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 60 độ C
• Lò có nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ làm việc từ 60 độ C ÷120 độ C.
• Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 120 độ C.

1.3.5. Cấu tạo lò điện trở
- Cấu tạo lò điện trở: Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung.
• Vỏ lò: Là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình
làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín
20


hoàn toàn hay tương đối của lò. Khung vỏ lò cần cứng, vững chắc đủ để chịu tải
trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các chi tiết cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vỏ lò có 2 dạng cơ bản:
• Vỏ lò chữ nhật: Dùng trong các lò giếng, lò liên tục, lò đáy bước và lò đáy rung.
• Vỏ lò tròn: Dùng trong các lò giếng, lò chụp.
• Vỏ lò tròn chịu được tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật khi cùng
một lượng kim loại làm vỏ lò. Khi làm vỏ tròn người ta thường chọn dây đốt tương
ứng của tấm thép so với đường kính vỏ lò như sau:
Bảng 1. 1. Số liệu chọn dây đốt để làm vỏ lò

- Lớp lót: Thường gồm 2 phần chính: Vật liệu chịu lửa và cách nhiệt:
- Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch
hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người
ta làm bằng các loại bột chịu lửa gọi là khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay
trong lò hay ở ngoài nhờ các khuân. Phần vật liệu chịu lửa phải đạt các yêu cầu sau:
• Chịu được nhiệt độ cực đại của lò.
• Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
• Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong các
điều kiện làm việc.
• Đảm bảo khả năng gắn dây nung bề mặt và chắc chắn.
• Có đủ độ bền hóa học khi làm việc, chịu được tác động khí quyển lò và ảnh
hưởng của vật nung.
• Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng trong lò
làm việc có chu kỳ.
• Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ
yếu của phần này là làm giảm tổn thất nhiệt. Các yêu cầu cơ bản đối với phần cách
nhiệt là:
• Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu.
21


• Khả năng tích nhiệt cực tiểu.
• Ổn định về tính chất vật lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
- Dây nung: Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, thường được đặt trong
buồng lò hoặc buồng phát nhiệt, chúng làm việc ở nhiệt độ cao, vì vậy vật liệu làm
dây nung cần có yêu cầu sau:
• Khả năng chịu nóng tốt, không bị ôxi hóa trong môi trường không khí ở
nhiệt độ cao.
• Có độ bền nóng cao, bền cơ học tốt.
• Có điện trở suất lớn.
• Có hệ số nhiệt điện trở nhỏ.
• Các kích thước phải ổn định.
• Các tính chất điện phải cố định.
• Để gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim cần ép khuôn được
chia dây nung làm 2 loại:
+ Dây nung kim loại: được chế tạo bằng các hợp kim Cr - Al; Cr - Ni và các
hợp kim có điện trở lớn.
+Dây nung phi kim loại: Dùng phổ biến là SiC, graphit, than.
1.3.6. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học
Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mối
quan tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển. Để thực hiện việc này thì công
việc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển.
Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mô hình của đối tượng
điều khiển là một bước rất quan trọng trước khi xác định thuật toán và các tham số
điều khiển. Mô hình hóa giúp cho chúng ta:
• Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.
• Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống.
• Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.
• Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển.
• Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế.
Mô phỏng trên máy tính: Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều
khiển đến nay có 2 phương pháp:
22


+ Dựa vào các phương trình toán học mô tả mối quan hệ các đại lượng vật lý
của đối tượng và các tham số của đối tượng.
+ Dựa vào đường cong thực nghiệm của đối tượng.
Cả hai phương pháp này đều có những ưu, nhược điểm, các bước tiến hành,
phạm vi áp dụng khác nhau. Phương pháp lý thuyết thiết lập mô hình dựa trên các
định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên
ngoài của hệ thống. Các quan hệ này được mô tả theo quy luật hóa - lý, qui luật
cân bằng... dưới dạng các phương trình toán học. Phương pháp thực nghiệm dùng
các đáp ứng quá độ để nhận dạng, hoặc ta có thể sử dụng phần mềm Matlab từ bộ số
liệu thực nghiệm ta có thể xác định được mô hình toán học của hệ thống.
1.3.7. Các phương pháp nhận dạng dựa trên đáp ứng quá độ và phổ tín hiệu
Tín hiệu vào chủ động là hàm u(t) hoặc dãy các giá trị ảnh Fourier của hàm
trọng lượng g(t) trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra (nhận dạng bị động).
1.3.8. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc nhất có trễ
Rất nhiều đối tượng thực tế có dáp ứng quá độ nhanh, tắt dần hình chữ S. Để
đơn giản trong việc tính toán, người ta thường xấp xỉ đối tượng dạng này để đưa về
đối tượng quán tính bậc 1 có khâu trễ. Mô hình đối tượng thường có hàm truyền đạt
dạng:
G ( s) =

k
e −θ s
1+τ s

(1.11)

• k: là hệ số khuếch đại tĩnh.
• τ : hằng số thời gian.
• θ: thời gian trễ xấp xỉ
1.3.9. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc hai có trễ
- Mô hình quán tính bậc 2 có trễ tuy tính toán phức tạp hơn nhưng lại mô tả
chính xác hơn động học của các đối tượng có đặc tính quá độ hình chữ S. Mô hình
truyền đạt có thể viết dưới dạng:

G ( s) =

k

( 1 + τ 1s ) ( 1 + τ 2 s )

Hoặc

23

e −θ s

(1.12)


G ( s) =

k
e −θ s
2 2
τ s + 2τζ s + 1

(1.13)

- Phương pháp kẻ tiếp tuyến và 2 điểm quy chiếu: Phương pháp này cũng

tương tự như trong mô hình quán tính bậc 1, hệ số khuếch đại k được xác định
bằng cách kẻ đường tiệm cận với đồ thị đáp ứng quá độ ở chế độ xác lập. Hằng số
thời gian trễ θ được xác định bằng giao điểm giữa trục thời gian và tiếp tuyến tại
điểm uốn. Các tham số τ 1 ; τ 2 được xác định bằng cách lấy 2 điểm quy chiếu (33%
và 67%) sau đó giải phương trình phi tuyến:

τ 2eθ −t1 / t2 − τ 1eθ −t1 / t2 ∆y ( ti )
1+

= 0 với i = 1,2;
τ 2 − τ1
∆y∞
β = ln

α
2.485 − α

α=



(1.14)

t3 − t 2
t2 − t1

Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình dao động bậc 2.
- Trong trường hợp đặc tính quá độ của đối tượng có dạn dao động thì cần sử
dụng mô hình dao động:

G ( s) =

k
e −θ s
τ s + 2τζ s + 1
2 2

với hệ số tắt dần 0< ζ<1

(1.15)

- Hệ số khuyếch đại tính k được xác định bằng cách kẻ đường tiệm cận với đồ
thị ở trạng thái xác lập. Các tham số còn lại có thể được xác định thông qua một số
phương pháp như phương pháp 2 điểm cực trị hoặc phương pháp 3 điểm quy chiếu.
- Phương pháp 2 điểm cực trị, khi dao động kéo dài, có thể xác định được một
cách rõ ràng vị trí các điểm cực trị. Ta xác định các tham số theo công thức:

ζ =

−α

τ=

π 2 +α 2

tm − tp
1− ζ 2
π

α = ln

θ = 2tp − tm

y∞ − ym
y p − y∞

- Trong trường hợp tm và tp lần lượt là các thời điểm của các điểm cực trị thứ
1 và thứ 2 trong đặc tính quá độ.
- Phương pháp 3 điểm quy chiếu, chỉ thấy rõ điểm cực trị thứ 1, vì thế cần có
thêm 2 điểm quy chiếu khác.
24


ζ =

ln y p − 1

π + ln yn − 1
2

y1 = 1 −

2

;

sin ( 2 arctan α )

αζ

τ=

t k − ti
; θ = ti − ti .τ
t k − ti

 arctan α 
exp  −
÷
α



(1.16)

yk = 1.8277 − 1.7652ζ + 0.166688ζ 2
α=

1− ζ 2
ζ

tk = 3.4752 − 1.370ζ + 0.1930ζ 2
ti =

arctan α

(1.17)

αζ

 Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình có khâu tích phân.
- Mô hình có thành phần tích phân có thể được nhận dạng dựa trên việc nhận
dạng thành phần quán tính bậc 1 hoặc thành phần bậc 2 của đối tượng bằng cách:
- Sử dụng tín hiệu kích thích là tín hiệu xung Kronecker thay cho tín hiệu bậc
thang bởi vì đáp ứng dạng xung của khâu quán tính - tích phân tương đương với đáp
ứng bậc thang của khâu quán tính tương ứng nếu diện tích của xung được chọn có
giá trị bằng biên độ của tín hiệu bậc thang.
- Có thể sử dụng tín hiệu ra kích thích bậc thang, nhưng tính toán theo đạo
hàm, lúc này xấp xỉ bằng sai phân (y(t)-y(t-T))/T nhưng mà có nhược điểm là có thể
đưa đối tượng vượt ra khỏi dải làm việc cho phép.
1.4. Mô hình toán học của lò nhiệt
 Mô hình lò nhiệt

Hình 1. 11. Mô hình lò điện trở
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×