Đang tải... (xem toàn văn)
Đây là đồ án tốt nghiệp của chuyên ngành điện điện tử với đề tài: thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ lò sấyYêu cầu đề tài: Dùng PIC16F877A điều khiển hiển thị lên lcd và giám sát bằng máy tính sử dụng thuật toán PID.
http://www.ebook.edu.vn 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 5 LỜI MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ SẤY 8 1.1. Khái niệm chung về lò sấy điện trở. 8 1.2.1. Tìm hiểu chung. 8 1.2.2. Phân loại phương pháp sấy. 8 1.3. Các yêu cầu chủ yếu đối với vật liệu làm dây sợi đốt. 9 1.4. Vật liệu làm dây đốt. 10 1.4.1. Vật liệu hợp kim. 10 1.4.2. Vật liệu phi ki m loại. 11 1.5. Cấu tạo của dây đốt điện trở. 11 1.5.1. Dây đốt hở. 11 1.5.2. Dây đốt kín. 12 1.6. Một số lò sấy điện trở gián tiếp thường dùng. 13 1.6.1.Thiết bị sấy buồng. 13 1.6.2. Thiết bị sấy kiểu hầm. 14 1.6.3. Thiết bị sấy buồng dùng Ejecto. 15 1.7. Nội dung nghiên cứu. 16 1.8. Kết luận chương 1. 16 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ 17 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ. 17 2.2. Khối cảm biến. 17 2.3. Khâu hiển thị. 19 http://www.ebook.edu.vn 2 2.4. Khối công suất. 20 2.4.1.Van bán dẫn IGBT. 23 2.4.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 23 2.4.3. Các thông số cơ bản IGBT. 24 2.5. Lựa chọn thiết bị gia nhiệt(dây đốt). 25 2.5.1. Thiết bị gia nhiệt. 25 2.5.2. Đặc điểm. 25 2.6. Bộ điều khiển. 26 2.6.1. Vi điều khiển PIC16F887. 26 2.6.2. Một số đặc tính cơ bản và sơ đồ chân chi tiết. 29 2.6.3. Chức năng các chân. 30 2.7. Truyền thông máy tính. 31 2.7.1. Giới thiệu vi mạch giao tiếp MAX 232. 31 2.7.2. Cổng nối tiếp RS232. 32 2.7.3. Truyền thông qua cổng nối tiếp RS232. 33 2.7.4. Để truyền dữ liệu nhanh hơn. 35 2.8. Kết luận chương 2. 35 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 36 3.1. Sơ đồ khối các mạch điện trong hệ thống. 36 3.2. Thiết mạch công suất. 36 3.3. Thiết kế mạch điều khiển. 37 3.3.1.Mạch nguồn. 37 3.3.2.Mạch đo nhiệt độ. 38 3.3.3. Mạch vi điều khiển. 38 3.4. Kết luận chương 3. 40 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 41 http://www.ebook.edu.vn 3 4.1. Chương trình giám sát. 41 4.1.1. Labview. 41 4.1.2. Giao diện khi hoàn thiện của Labview trong đồ án. 42 4.1.3. Code Labview trong giao diện đồ án. 43 4.2. Tổng hợp bộ điều khiển . 44 4.2.1. Bộ điều khiển PID. 44 4.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển PID. 46 4.2.3. Lấy đặc tính và nhận dạng đối tượng. 50 4.2.4. Nhận dạng đối tượng. 50 4.2.5. Mô phỏng Simulink đặc tính của đối tượng. 52 4.3.Thuật toán điều khiển và viết chương trình. 54 4.3.1.Thuật toán điều khiển và thuật toán PID. 54 4.3.2.Thử nghiệm trên mô hình. 55 4.4. Kết luận chương 4. 56 KẾT LUẬN 57 Kết quả thu được: 57 Hướng nghiên cứu và phát triển: 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 http://www.ebook.edu.vn 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PID: Proportional Integral Derivative. IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor. CPU : Central Processing Unit. ADC: analog to digital converter. PWM: Pulse Width Modulation. LCD: liquid-crystal display. http://www.ebook.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Dây tiết diện tròn quấn hình rích rắc và lò so. 12 Hình 1.2: Dây đốt vỏ bọc hình chữ U 13 Hình 1.3: Thiết bị sấy buồng. 14 Hình 1.4: Thiết bị sấy hầm. 15 Hình 1.5: Thiết bị sấy buồng dùng Ejecto. 16 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ 17 Hình 2.2: Cấu tạo và mạch đo cơ bản IC LM35D 18 Hình 2.3: LCD 16x2 19 Hình 2.4: Mạch công suất 21 Hình 2.5: Cấu tạo IGBT 22 Hình 2.6: Bóng đèn sợi đốt 24 Hình 2.7: Các khối chức năng của PIC16F887 25 Hình 2.8: Sơ đồ chân PIC16F887 29 Hình 2.9: Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển - MAX232 - PC. 30 Hình 2.10: Giắc nối 9 chân qua cổng COM. 31 Hình 2.11: Giao tiếp máy tính với vi điều khiển qua cổng RS232 32 Hình 2.12: Khung truyền theo chuẩn RS232 33 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng vi điều khiển 35 Hình 3.2: Sơ đồ mạch công suất. 35 Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguồn. 36 Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối cảm biến. 37 Hình 3.5: Mạch vi điều khiển. 37 Hình 3.6: Mạch LCD và phím bấm. 38 http://www.ebook.edu.vn 6 Hình 3.7: Mạch giao tiếp RS232. 38 Hình 3.8: Mạch in. 39 Hình 4.1: Giao diện người dùng trên máy tính. 41 Hình 4.2: Sơ đồ code Labview. 42 Hình 4.3: Các thành phần trong bộ điều khiển PID 43 Hình 4.4: Điều khiển với bộ điều khiển 43 Hình 4.5: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ 46 Hình 4.6: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn K gh . 48 Hình 4.7: Xác định chu kỳ tới hạn. 48 Hình 4.8: Đặc tính thực của mô hình đối tượng lò nhiệt 49 Hình 4.9: Đặc tính trễ của mô hình đối tượng lò nhiệt 50 Hình 4.10: Cách xác đinh đặc tính của lò sấy mô hình 50 Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống khi lấy đặc tính 51 Hình 4.12: Bảng nạp thông số PID. 52 Hình 4.13: Đặc tính của đối tượng lò sấy mô phỏng trên simulink. 52 Hình 4.14: Kết quả thực nghiệm mô hình 55 Bng 1: Tính toán thông số bộ điều khiển 51 Bng 2: Thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm 52 http://www.ebook.edu.vn 7 LỜI MỞ ĐẦU Ngày này nhu cu s dng nng lng nhit trong các lnh vc sn sut là rt ln. Nng lng nhit có th dùng sy khô, nung chy, hay nhit luyn to ra các sn phm vi cht lng cao. Mt trong các ng dng ph bin ca nng lng nhit chính là dùng sy. Thit b sy là mt phn rt quan trng trong các nghành sn xut hin nay.Các ng dng hin nay cn s dng t hit b sy là rt ln nh sy các sn phm trong nghành nông nghip nh thóc,ngô hay cà phê, ht iu, vi,…,trong nghành thy sn thì sy khô các sn phm tôm cá,…,và c bit trong nghành công nghip nh dt may, sn, sn xut gch,thc n chn nuôi… thì lò sy là mt thit b không th thiu. Vi mong mun tìm hiu sâu hn v lò sy và nhng ng dng khoa hc k thut c áp dng vào ó, chúng em ã la chn tài” thit k h thng giám sát và iu khin nhit lò sy”. tài tp trung vào vic tìm hiu tng quan công ngh lò sy, gii thiu các phng pháp iu khin nhit lò sy và chn mt phng pháp nghiên cu và tin hành thit k m ô hình iu khin và giám sát cho lò sy. http://www.ebook.edu.vn 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ SẤY 1.1. Khái niệm chung về lò sấy điện trở. Lò sy in tr là thit b bin i in nng thành nhit nng thông qua dây t (dây in tr). T dây t thông qua bc x , i lu và truyn dn nhit, nhit nng c truyn ti vt cn gia nhit. Lò sy in tr thng dùng nung sy, 1.2. Tìm hiểu chung về thiết bị sấy và phân loại các phương pháp sấy. 1.2.1. Tìm hiểu chung. Thit b sy là thit b nhm t hc hin các quá trình làm khô các vt liu, các chi tit hay sn phm nht nh, làm cho chúng khô và t n m nht nh theo yêu cu, trong các quá trình sy, cht lng cha trong vt liu thng là nc, tuy vy, trong k thut sy cng thng gp nhng trng hp sy các sn phm b m bi các cht lng hu c nh sn, các cht ánh xi 1.2.2. Phân loại phương pháp sấy. Phng pháp sy chia làm hai loi ln là sy t nhin và sy bng thit b. a. Sấy tự nhi ên. Sy t nhiên là quá trình phi vt liu ngoài tri. Phng pháp này s dng ngun bc x ca mt tri và m bay ra c không khí mang i (nhiu khi c h tr bng gió t nhiên). Phng pháp sy t nhiên có u im là n gin, u t vn ít, b mt trao i ln, dòng nhit bc x t mt tri ti vt có mt ln (ti 1000 w/m 2 ). Tuy vy sy t nhiên có nhc im là: thc hin c gii hóa khó, chi phí lao ng nhiu, cng sy không cao, cht lng sn phm không cao, chim din tích b mt ln b.Phương pháp sấy nhân tạo. c thc hin trong lò sy. Có nhiu phng pháp sy nhân to khác nhau. Cn c vào phng pháp cung cp nhit có th chia ra các loi sau: • Phng pháp sy i lu. • Phng pháp sy bc x. http://www.ebook.edu.vn 9 • Phng pháp sy tip xúc. • Phng pháp sy bng in trng dòng cao tng. • Phng pháp sy thng hoa. Trong mi phng pháp k trên phng pháp sy i lu, bc x và tip xúc c dùng rng rãi hn c, nht là phng pháp sy i lu. Mi phng pháp sy k trên c thc hin trong nhiu kiu thit b khác nhau, ví d: sy i lu c t hc hin trong nhiu thit b sy nh thit b sy bung, sy hm, sy bng ti, thit b sy kiu tháp, thit b sy thùng quay, thit b sy thùng quay, thit b sy tng sôi, thit b sy kiu thi khí ng Phng pháp sy bc x nhit có th thc hin trong thit b sy bc x dùng dây in tr Phng pháp sy tip xúc có th thc hin trong các thit b nh th it b sy tip xúc vi b mt nóng, thit b sy tip xúc kiu tay quay, thit b sy tip xúc cht lng Mi loi vt liu sy thích hp vi mt s phng pháp sy và mt s kiu thit b sy nht nh. Vì vy tùy theo vt liu sy mà ta chn phng pháp sy và thit b sy cho phù hp t c hiu qu và cht lng sn phm c ao. 1.3. Các yêu cầu chủ yếu đối với vật liệu làm dây sợi đốt. Trong các lò sy in tr, dây si t là phn t chính bin i nng lng in nng thành nhit nng thông qua hiu ng Joul e. Dây t cn phi làm t vt liu tha mãn yêu cu sau: • Kh nng chu nhit cao, bn c hc tt, dây in tr không c bin dng, chúng có th t bn vng di tác dng ca bn thân dây in tr. • in tr sut ln to cho dây in tr có cu trúc nh khi cùng áp ng mt công xut theo yêu cu, d dàng b trí trong lò. • H s nhit in tr nh: ngha là nhit càng cao thì in tr càng ln. • Kích thc hình hc phi n nh, ít thay i hình dáng bi nhit làm vic. • Các tính cht in phi c nh. http://www.ebook.edu.vn 10 • D gia công kéo dây, d hàn, i vi vt liu phi kim loi cn ép khuôn c. 1.4. Vật liệu làm dây đốt. tha mãn c yêu cu trên, trong thc t rt khó có vt liu áp ng c. Nhng ngi ta ã chn mt s nguyên vt liu áp ng c t các yêu cu chính ch to dây in tr. Các vt liu ó là ca hp kim Niken và Crôm, thng gi là “Nicrô m”. Hp kim ca Crôm và nhôm cacbonrun. 1.4.1. Vật liệu hợp kim. a. Hợp kim micrôm. Hp kim micrôm có bn nhit tt nht vì có lp màng oxit crôm (Cr 2 O 3 ), bo v rt cht, chu s thay i nhit tt nên có th làm vic trong các lò có ch làm vic gián on. Hp kim micrôm có tính c tt nhit thng cng nh nhit cao, do, d gia công, d hàn, in tr sut ln, h s nhit in tr nh, không có hin tng già hóa. Nicrôm là vt liu t tin, nên ngi ta có khuynh hng tìm các vt liu khác thay th. b. Hợp kim sắt - crôm – nhôm. Hp kim này chu c nhit cao, tha mãn yêu cu các tính cht in, nhng có nhc im là giòn, khó gia công, kém bn c hc nhit cao. Vì vy tránh các tác ng ti trng ca chính dây in tr. dãn dài ti 30 – 40% ã gây khó khn khi lp t trong lò, cn tránh on mch khi dây dãn dài và b cong. Nhng kích thc dùng ph bin nht: • Dây in tr có dng xon lò xo. ng kính dây 5; 5,5; 6; 6,5; 7 (mm ). • Dây in tr dng li, cu trúc kiu dích dc. ng kính dây: 8; 8,5; 9 (mm). • Dây có tit din ch nht, cu trúc kiu dích dc: 2.20; 2,5; 25; 3.30 (mm). [...]... khảo sát về hệ thống sấy đã nêu ra ở trên, trong đề tài thiết kế tốt nghiệp em tập trung vào: • Tìm hiểu tổng quan về quy trình công nghệ sấy • Phân tích và lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển nhiệt độ sấy buồng với nhiệt độ trong khoảng từ 00C đến 1000C • Xây dựng thuật toán điều khiển và thiết kế mạch mô hình để kiểm nghiệm đánh giá kết quả • Xây dựng chương trình phần mềm giám sát và điều khiển. .. Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ Bao gồm các khối như sau: Khối công suất: Tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ điều khiển khối công suất từ đó mà thay đổi được điện áp cho phù hợp ra tải sợi đốt Tải sợi đốt: Sử dụng để sinh nhiệt Cảm biến: Thực hiện việc đo nhiệt độ tại thời điểm hiện tại ở lò sấy, đưa về đầu vào ADC của bộ điều khiển Bộ điều khiển: Thực hiện việc tính toán, điều khiển các khối... có liên quan, truyền thông với máy tính và xuất tín hiệu đưa ra khâu hiển thị Hiển thị: Hiển thị nhiệt độ hiện tại và nhiệt độ đặt lên màn hình LCD Máy tính: Hiển thị nhiệt độ đặt ,và nhiệt độ đo về, lưu giá trị đo về Đặt giá trị nhiệt độ mong muốn… 2.2 Khối cảm biến Khi điều khiển nhiệt độ chúng ta phải có thiết bị để đọc nhiệt độ của đối tượng đưa về bộ điều khiển, nó sẽ có nhiệm vụ tính toán theo... Thông qua việc điều khiển đóng mở van bán dẫn IGBT cung cấp điện áp thích hợp cho tải sợi đốt Tải sợi đốt: Là bóng đèn công suất 60W được sử dụng để sinh nhiệt Đo lường: Dùng cảm biến LM35DZ Vi điều khiển: Dùng vi điều khiển PIC16F887 Hiển thị: Hiển thị nhiệt độ hiện tại và nhiệt độ đặt lên màn hình máy tính và LCD Máy tính: Dùng để điều khiển và giám sát thông qua truyền thông RS232 3.2 Thiết mạch công... mạnh riêng, với việc thiết kế mô hình lò sấy, qua tìm hiểu và so sánh em chọn sử dụng vi điều khiển PIC16F887 để thiết kế cho mô hình vì PIC16F887 có các tính năng đáp ứng được các yêu cầu của đề tài, chi phí giá thành không cao và đã được làm quen với vi điều khiển này trong quá trình học trên lớp cùng đợt thực tập tay nghề Dưới đây là một vài nét về bộ điều khiển này 2.6.1 Vi điều khiển PIC16F887 PIC... này là đo nhiệt độ của đối tượng mô hình lò sấy với nhiệt ở mức thấp (0oC tới 100 oC), yêu cầu độ chính xác và độ tuyến tính khi đo cao nên em chọn sử dụng IC làm cảm biến, IC em chọn là IC LM 35 DZ để làm cảm biến đo nhiệt độ với các đặc tính và ưu điểm trình bày bên dưới: Hình 2.2: Cấu tạo và mạch đo cơ bản IC LM35DZ • LM35D là một loại cảm biến nhiệt độ có điện áp ngõ ra phụ thuộc vào nhiệt độ http://www.ebook.edu.vn... Khối công suất Bản chất của việc điều khiển nhiệt độ chính là điều khiển đại lượng công suất đặt vào lò sấy P = I² R Để thay đổi công suất này thì theo công thức trên, ta có thể thay đổi giá trị R hoặc I Tuy nhiên nếu thay đổi R thì không có tính linh hoạt và gây hạn chế phạm vi điều khiển nên trong thực tế phương pháp này ít được sử dụng Do đó để thay đổi nhiệt độ lò sấy ta thường dùng cách thay đổi... chỉnh tương đối lớn, có khả năng điều chỉnh liên tục và đều đặn Thông qua việc so sánh các phương pháp điều khiển và van bán dẫn, để đơn giản phần mạch công suất em chọn phương pháp điều chỉnh công suất lò sấy dùng van bán dẫn IGBT Phương pháp điều khiển là điều khiển thời gian đóng ngắt của IGBT, qua đó sẽ thay đổi điện áp trung bình ra tải và điều chỉnh được nhiệt độ Sử dụng IGBT có ưu điểm là đơn... http://www.ebook.edu.vn 35 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 3.1 Sơ đồ khối các mạch điện trong hệ thống MÁY TÍNH NGUỒN AC 220 CẦU ĐI ỐT 3A MẠCH CÔNG SUẤT • • • • • • VI ĐIỀU KHIỂN SỢI ĐỐT • RS232 LM35DZ LCD Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng vi điều khiển Nguồn một chiều: Đây là nguồn được tạo ra từ nguồn xoay chiều 220V cho qua cầu diode 3A Nguồn một chiều này được đưa vào khối công suất Mạch công... tín hiệu tới các thiết bị chấp hành có liên quan để điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu một cách chính xác Thiết bị đó là chính là cảm biến http://www.ebook.edu.vn 17 Khi chuyển giá trị nhiệt độ, áp suất, sang điện áp hoặc dòng điện Cảm biến nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi mang tính đặc trưng của vật liệu như: • Sự biến đổi điện trở • Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối . 3.3.1.Mạch nguồn. 37 3.3.2.Mạch đo nhiệt độ. 38 3.3.3. Mạch vi điều khiển. 38 3.4. Kết luận chương 3. 40 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 41 http://www.ebook.edu.vn. hơn. 35 2.8. Kết luận chương 2. 35 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 36 3.1. Sơ đồ khối các mạch điện trong hệ thống. 36 3.2. Thiết mạch công suất. 36 3.3. Thiết kế mạch điều khiển. 37 3.3.1.Mạch. Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng vi điều khiển 35 Hình 3.2: Sơ đồ mạch công suất. 35 Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguồn. 36 Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối cảm biến. 37 Hình 3.5: Mạch vi điều khiển.