Điều khiển tự động sấy thùng quay

LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại. từ những năm của nửa đầu thế kỉ trước tới nay, điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, lọc dầu, hóa dầu, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. các hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó có một số đặc thù chung, được sắp xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình. Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và cộng nghệ thiết bị như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu suất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường. SƠ LƯỢC VỀ ĐIỀU KHIỂN Định nghĩa về điều khiển: điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của thống “ gần” với mục đích định trước. điều khiển tự động là không có sự tác động của con người. Chúng ta cần phải điều khiển nhằm: Để nhằm đáp ứng hệ thống không đạt yêu cầu. Tăng độ chính xác. Tăng hiệu quả kinh tế. Một hệ thống điều khiển gồm 3 thành phần cơ bản: đối tượng, bộ điều khiển, cảm biến. Các kí hiệu viết tắt: r(t) : tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn c(t): tín hiệu ra cht(t): tín hiệu hồi tiếp u(t): tín hiệu điều khiển Các bài toán điều khiển ở đậy ta xét đến có 3 loại đặc trưng: phân tích hệ thống: cho hệ thống tự động đã biết thông số và cấu trúc. Bài toán đặt ra là tìm đáp ứng của hệ thống và đánh giá chất lượng. thiết kế hệ thống: biết cấu trúc và thông số của đối tượng điều khiển. bài toán đặt ra là thiết kế bộ điều khiển để được hệ thống thỏa mãn yêu cầu về chất lượng. nhận dạng hệ thống: chưa biết cấu trúc và thông số của hệ thống. vấn đề đặt ra là xác định cấu trúc và thông số của hệ thống. Trong đồ án này ta sẽ thiết lập bài toán thiết kế hệ thống nhằm đạt được yêu cầu về chất lượng. Các nguyên tắc trong điều khiển nguyên tắc phản hồi thông tin: muốn có một hệ thống đạt được chất lượng cao thì bắt buộc phải có phản hồi thông tin, tức là phải có đo lường từ các đối tượng Các sơ đồ điều khiển dựa trên nguyên tắc phản hồi thông tin: Điều khiển san bằng sai lệch ( điều khiển vòng kín) Bộ điều chỉnh sẽ tự động so sánh giá trị vào và giá trị ra, khi chúng có sự sai lệch thì bộ điều chỉnh sẽ tác động để loại bỏ sai lệch. Tuy điều khiển phản hồi cho nhiều đặc tính ưu việt nhưng nó cũng có một số những hạn chế:- chỉ thực hiện tác động khi có sự sai lệch, đây là hạn chế lớn của hệ thống, - ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi, một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định một đối đối tượng không ổn định, song một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định cũng có thể trở nên mất ổn định. – để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi thì phép đo phải có độ chính xác cần thiết. – cần phải có một mô hình tốt, nhưng trong thực tế thì khó có thể đạt được một mô hình như mong muốn vì các quá trình diễn ra rất phức tạp. Nguyên tắc điều khiển truyền thẳng: tức là tín hiệu ra (biến cần được điều khiển) đã được biến điều khiển điều chỉnh nhưng không phản hồi về cho bộ điều khiển biết. Các sơ đồ điều khiển truyền thẳng: Điều khiển bù nhiễu Ưu điểm lớn nhất của điều khiển bù nhiễu là loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu đến quá trình. Song nhược điểm lớn nhất là cần phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu, và nó không có khả năng ổn định cho một quá trình không ổn định. Tuy nhiên điều khiển truyền thẳng cũng được ứng dụng trong phạp vi cho phép với 2 lý do: - nó tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu, cũng như giúp hệ thống đáp ứng nhanh với giá trị đặt. – tuy nó không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định, nhưng nó không làm mất tính ổn định của một quá trình ổn định. Điều khiển phối hợp ( kết hợp 2 phương pháp trên) Đây là sự kết hợp giữa phản hồi và truyền thẳng để khắc phục những ưu nhược điểm của nhau. Ngoài ra, còn có nhiều cách điều khiển khác nữa như là : Điều khiển tỉ lệ:nó là trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng, trong đó biến được đo và bù theo nguyên tắc tỉ lệ. Điều khiển tầng: là cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi. điều khiển tầng giúp loại bỏ một số ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính động học của hệ thống. và còn nhiều phương pháp điều khiển khác không đề cập tới. Một số đặc tính của điều chỉnh Điều chỉnh không liên tục hay còn gọi là điều chỉnh ON- OFF. Hệ thống điều chỉnh 2 vị trí có trong thành phần bộ điều chỉnh hai vị trí với thông số đầu ra chỉ có hai giá trị tương ứng là giá trị cực đại và giá trị cực tiểu. Ví dụ: như khi ta duy trì nhiệt độ sấy dược dốt nóng bằng carirofe ở 600 C, ta giả sử max = 650 C , min = 550 C .Vì thế khi nhiệt độ tăng lên 650 C thì carirofe tự ngắt, nhưng khi nhiệt độ tới 550 C thì carirofe se hoạt động trở lại. Như vậy, khi sử dụng bộ điều chỉnh vị trí, đại lượng công nghệ dao động quanh vị trí chủ đạo. Dao động này có biên độ và chu kì T và được gọi là tự dao động Bộ điều chỉnh vị trí có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, không phức tạp trong hiệu chỉnh và bảo trì. Do đó nếu bộ điều chỉnh vị trí đảm bảo chất lượng tin cậy thì sử dụng nó. Bộ điều chỉnh vị trí sử dụng cho đối tượng có tính trễ nhỏ và dung lượng lớn. Điều chỉnh liên tục Hệ thống điều chỉnh liên tục luôn bám giá trị đặt ở mức sai lệch cho phép. Được sử dụng khi cần giá trị chủ đạo nghiêm ngặt hơn. Trong lĩnh vực điều khiển tự động quá trình sấy mục tiêu chung và hướng phát triển của các ngành công nghiệp là nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm sức lao động của con người. tuy nhiên việc tự động hóa phải xuất phát từ những điều kiện kinh tế kỹ thuật cụ thể để lựa chọn hình thức và mức độ thực hiện tự động hóa. Trong các thiết bị sấy tự động nhằm các yêu cầu văn minh công nghiệp. về kỹ thuật tự động hóa góp phần nâng cao hiệu suất thiết bị và tăng sản lượng sản phẩm vì tự động hóa có thể duy trì thiết bị làm việc ở chế độ tối ưu theo các điều kiện thay đổi nhanh của chế độ vận hành. Nhiều quá trình sấy không thể thiếu tự động hóa, ví dụ, sấy với tốc độ cao, khi cần duy trì cường độ bức xạ lớn. khi sấy bằng dòng điện tần số cao, nhất thiết phải tự động hóa. Để đảm bảo cho thiết bị làm viec65an toàn trong quá trình sấy tự động hóa nhằm vào các đối tượng sau đối với thiết bị sấy làm việc liên tục tự động điều chỉnh nhằm giữ chế độ sấy phù hợp yêu cầu về chất lượng và năng suất sấy. Ví dụ, để duy trì nhiệt độ và độ ẩm môi chất sấy trong các vùng sấy khác nhau của buồng sấy. Tự động hóa theo chương trình để điều chỉnh các thiết bị sấy làm việc theo chu kỳ nhằm điều khiển duy trì nhiệt độ và độ ẩm của mội chất trong buồng sấy thay đổi phù hợp với các giai đoạn của chế độ sấy. Tự động hóa bảo vệ tín hiệu. Ví dụ, báo hiệu nhiệt độ sấy vượt quá giá trị cho phép; báo hiệu sự cố; bảo vệ các thiết bị điện…,các tín hiệu báo hiệu nồng dộ độc hại trong môi trường…. Các phương pháp điều chỉnh liên tục đặc thù Bộ điều chỉnh tích phân: (I) TI – thời gian tích phân. Bộ điều chỉnh tỷ lệ: (D) Kp – hệ số truyền (hệ số tỷ lệ) Bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân(PI) Bộ điều chỉnh tỷ lệ - vi phân: (PD) Bộ điều chỉnh tỷ lệ - vi tích phân (PID) TD – thời gian vi phân Bộ điều chỉnh tỷ lệ tuy phức tạp xong nó rất nhạy với sai lệch nên dễ dàng phát ra tín hiệu điều chỉnh để loại bỏ sai lệch THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SẤY THÙNG QUAY Trong quá trình làm đồ án quá trình và thiết bị em được giao thiết kế thiết bị sấy thùng quay sấy muối tinh 2000kg/h, và trong đồ án chuyên ngành này em thiết kế hệ thống điều khiển tự động sấy thùng quay. Mô tả quy trình công nghệ 1.1 Qui trình công nghệ Nguyên liệu nước biển sơ đồ khối Ô kết tinh Ô bốc hơi Ô chứa nước Nhà kho chứa sp thô Thiết bị hòa tan và lọc bỏ cặn Nước Nước ngưng tụ (nhiệt độ cao) Thiết bị phân ly Tinh chế nước muối Thiết bị cô đặc và kết tinh Thiết bị phân ly Sản phầm tinh Thiết bị sấy thùng quay 1.a Công đoạn lấy nước biển, và kết tinh Công đoạn lấy nước biển Việc lấy nước biển sao cho phù hợp cũng một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tời sản lượng của muối, ví dụ như để có được 2,7 m3 nước chạt 2,50 Be cần 100 m3 nước biển 10 be, nhưng nếu nước biển 30 Be thì cần 23,28m3, để cô đặc 1 lượng nước chạt 250 Be cần ùng nước biển 10 Be sẽ phải làm bay hơi 3,7 lần so với nước 30 Be. Vì vậy yêu cầu kỹ thuật cần đặt ra là phải lấy nước biển kịp thời, lấy nước biển nồng độ cao, phải lấy đủ số lượng nước biển cung cấp cho sản xuất muối ăn. Công đoạn bay hơi và kết tinh Cũng cần phải chuẩn bị kĩ lưỡng các ô phơi, cần tu sửa định kì, tránh thẩm lậu và gây nhiễm quá nhiều chất bẩn như bùn cát. Nước biển khi vào các ô phơi(ô bốc hơi) sẽ tách nước do sự bay hơi nước nhờ vào sức gió, nắng, nhiệt độ không khí....dùng để chế nước chạt( nước chạt là nước chứa trên 50% muối NaCl). Sau đó nước chạt được chuyển vào ô kết tinh đề kết tinh ra muối ở dạng thô. Cấu tạo ô phơi Mương dẫn Ô kết tinh Ô bay hơi ô điều tiết Sơ đồ bố trí một đơn vị đồng muối phơi nước 1.b Thiết bị hòa tan lọc cặn Sau khi có muối thô, muối này chưa đảm bảo dộ sạch vì thế ta cần sử lý.Cho muối thô vào thiết bị hòa tan, và hóa tan tới nồng độ muối đạt được bão hòa. Ta tận dụng lượng nươc ngưng ở thiết bị cô đặc có nhiệt độ khoảng 40 0 C để hòa tan muối. Tại thiết bị này rác và bùn , cát sẽ được loại bỏ. Cấu tạo thiết bị 1. cửa nhập liệu cửa tháo nước muối bão hòa song giữ cặn , bùn cát ống dẫn nước hòa tan muối ống dẫn nước muối bão hòa động cơ Nguyên lý hoạt động Muối thô được đưa vào cửa nhập liệu, nước theo ống 4 vào thiết bị và đi từ dưới lên. Nước muối bão hòa sẽ theo ống 2 đi ra ngoài, tại cửa số 2 có hệ thống lọc cặn không cho cặn theo ống 2 di ra ngoài. Tất cả cặn bẩn được giữ lại ở song giữ cặn 3 và được vệ sinh định kì. 1.c Tinh chế nước muối Mục đích của việc tinh chế nước muối là khử tạp chất trong nước muối, đảm bảo chất lượng muối thu được sau khi cô đặc kết tinh, đồng thời chống hiện tượng kết cặn trên bề mặt thiết bị cô đặc, nậng cao năng suất của thiết bị cô đặc. Có 2 phương pháp tinh cế nước muối: tinh chế bằng phương pháp hóa học và bằng phương pháp hóa lý. Ở đây ta sử dụng phương pháp hóa hoc: Phương pháp vôi- natri sunfat- natri cacbonat: Khi sản xuất muối ăn chất lượng cao, để khử tương đối triệt để tạp chất có tính tan chứa Mg2+, Ca2+, muối kim loại nặng, tạp chất chứa SO42-... người ta sử dụng phương pháp trên. Theo phương pháp này quá trình diễn ra theo 2 bước: Bước 1: cho vào nước muối một lượng thích hợp sữa vôi và natri sunfat, khuấy trộn để tách các tạp chất có tính tan chứa Mg2+, Ca2+. Bước 2: cho Natri cacbonat vào trong nước muối để tiến hành tách muối canxi. Phản ứng tinh chế xảy ra như sau; Bước 1: Na2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + 2NaOH MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2 + 2NaCl MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2 + Na2SO4 CaCl2 + 2NaOH = Ca(OH)2 + 2NaCl Ca(HCO3)2 + 2NaOH = CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O CaCl2 còn dư sau khi phản ứng với NaOH sẽ phản ứng với Na2SO4: CaCl2 + Na2SO4 = CaCO3 + 2 NaCl Bước 2: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 Lượng Na2SO4 cho vào nước muối tinh chế có quan hệ rất lớn tới quá trình tinh chế nước muối bởi quan hệ tới lượng NaOH tạo thành khi Na2SO4 tác dụng với Ca(OH)2. nâng lượng dùng Na2SO4 sẽ làm giảm lượng Na2CO3 nhưng sẽ làm tăng hàm lượng Na2SO4 trong nước muối. khi dùng nước muối tinh chế này độ kết tinh muối ăn thì khi nồng độ Na2SO4 trong nước đạt 6% đã phải thay nước muối đi dẫn đến tổn thất NaCl. Thời gian từ lúc cho Na2SO4, Ca(OH)2 vào nước muối và khuấy trộn tới lúc tạo kiềm hoàn thành, cần 4 giờ , và chừng 15 % Na2SO4 cho vào được chuyển hóa thành NaOH. Cấu tạo thiết bị 1. cửa tháo sản phẩm 2.ống tháo khí 3. động cơ 4 cửa nhập liệu. Nguyên lý hoạt động Nước muối được đưa vào cừa nhập liệu 4 cùng với các tác chất. trong thiết bị xảy ra quá trình khuấy trộn, sau thời gian lưu khoàng 4 giờ . sàn phẩm được tháo ra ở cửa số 1. 1.d Thiết bị cô đặc kết tinh Sau khi đã có nước muối được tinh chế tiếp theo là quá trình cộ đặc nước muối để kết tinh muối. nhiệt độ cần thiết cho quá trình cộ đặc là 1160 C. ta dùng hơi nước bão hòa ngưng tụ để cộ đặc và dùng than bùn để dun nóng hơi nước bão hòa. Ta dùng thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trong. Cấu tạo thiết bị ống dẫn hơi cửa nhập liệu ống dẫn hơi nước bão hòa ống dẫn nước ngưng tụ tháo sản phẩm Nguyên lý hoạt động Nước muối được nhập liệu ở cửa 2, trong quá trinh cô đặc , hơi nước bốc đi làm cho nồng độ muối tăng. Khi nồng độ muối đạt yêu cầu kết tinh thì sẽ theo cửa số 5 di ra ngoài và tới thiết bị kết tinh , để kết tinh muối ăn. 1.e Thiết bị sấy thùng quay Muối ăn khi kết tinh được qua thùng sấy để đảm bảo dô ẩm cần thiết, độ ẩm ban đầu của muối là 6% được sấy tới độ ẩm 0,2% , được sấy bằng tác nhận sấy không khí được gia nhiệt bằng than bùn. Năng suất sấy là 2000 kg/h. Số vòng quay là 1 vòng/ phút. Thời gian sấy là 1,562 giờ. Quá trình sấy là ngược chiều. Cấu tạo thiết bị cửa dẫn bụi cửa nhập liệu vành đai động cơ cửa dẫn không khí sấy cửa tháo sản phẩm con lăn Nguyên tắc hoạt động Muối được đưa vào cửa nhập liệu 2. không khí được đưa vào từ cửa 5. quá trình sấy xảy ra ngược chiều. với vận tốc quay 1 vòng / phút. Thời gian sấy là 1,56 giờ. Sau đó vật liệu được lấy ở cửa 6. Do đồ án môn học chỉ tính toán phần thiết bị chính là sấy thùng quay, và yêu cầu đồ án chuyên nghành lên em chỉ đi sâu vào điều khiển tự động cho thiết bị sấy thùng quay. Qui trình sấy muối Băng tải nhập liệu cho thiết bị sấy Muối sau khi được cô đặc và đem đi phân li còn chứa 1 lượng ẩm vì thế cần phải đem đi sấy đề sản phẩm muối đạt tới độ ẩm theo yêu cầu. Muối từ thùng chứa được gầu tải chuyển đi nhập liệu cho thiết bị sấy. thông số vận hành và kích thức hình học được tính toán trong phần đồ án môn học quá trình thiết bị là năng suất của băng tải Q= 2335,74 kg/h. vận tốc chuyển động của băng tải là 0,4 m/s, bề rộng của băng tải là 0,55 m, chiều dài 14 m, nghiêng 20o , và được truyền động bởi động cơ 4A50B4Y3 có : . Coâng suaát N = 0,06kW . Hieäu suaát h = 0,5 . Vaän toác quay n = 1500vg/ph. . hệ số công suất cosj = 0,6. Số vòng quay bộ truyền động là 4 vòng/ s Cụm thiết bị sấy và thiết bị gia nhiệt cho dòng tác nhân sấy Mục đích của sấy là làm cho sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu để nâng cao chất lượng của muối. thiết bị sấy trong dây chuyền là sấy thùng quay. Quá trình sấy xảy ra khi cho không khí nóng, có độ ẩm thấp chuyển động tiếp xúc với muối ẩm làm bay hơi ẩm của muối. Dòng không khí nóng được cấp từ thiết bị gia nhiệt cho không khí trước khi vào buồng sấy. quá trình sấy xảy ra là sấy tiếp xúc vật liệu được xáo trộn trong thùng. Các thông số vận hành và đặc tính hình học sấy thùng quay và thiết bị gia nhiệt: - Thiết bị Thùng sấy: Nhập liệu: G 1= 2123,4 kg/h Tháo liệu : G 2= 2000 kg/h Nhiệt độ sấy: t 1= 2000 C Nhiệt độ sấy ra :t2 = 900 C Độ ẩm ban đầu 6%, độ ẩm sau sấy 0,2% Lưu lượng dòng khí: V = 1.23 m3/s Vận tốc dòng khí: v = 0,612 m/s Số vòng quay của thùng sấy: n = 1 vòng/phút Thời gian lưu t= 1,52 h Bộ truyền động cho thùng quay choïn ñoäng cô 3K132M8, coù caùc ñaëc tính: . Coâng suaát ñoäng cô: Nñc =3kW . Vaän toác quay: nñc = 730 vg/ph . Hieäu suaát: h = 80% . Heä soá coâng suaát: cosj = 0,74 Bộ giảm tốc Truïc Thoâng soá Ñoäng cô Truïc I Truïc II Truïc III Tyû soá truyeàn i 30,42 4 6 Vaän toác quay n (vg/ph) 730 24 6 1 Coâng suaát N (kW) 2,688 2,15 2,064 1,92 Kích thước hình học: Chiều dài thùng sấy 9 m, đường kính trong 1,6 m, sử dụng cánh đảo (cánh nâng) - Thiết bị gia nhiệt: Vận tốc của khí (khói lò) trong ống v = 10 m/s Đường kính: Dống = 0,05m , chiều dài 2 m Bảng thông số nhiệt độ Tác nhân sấy Không khí Nhieät ñoä vaøo t2ñ = to 27oC Nhieät ñoä ra t2c = t1 200oC Than bùn Khói lò Áp suất 1 at Nhiệt độ khói 250oC Thiết bị lọc bụi xcyclon Khi tác nhân sấy di trong thùng sấy sau khi thoat ra thì thường mang theo nhìu bụi vì thế cần phải thu hồi để làm sạch không khí. Trong hệ thống sấy thùng quay thường dùng cyclone đơn. Chọn loại cyclone đơn ЦH-15 với góc nghiêng của cửa vào a = 150 .loại này đảm bảo độ sạch lớn nhất với hệ số sức cản thủy lực nhỏ nhất. Khi thiết kế, đối với loại ЦH-15 thì chọn đường kính từ 40 – 800 mm. hệ số làm sạch bui càng tăng nếu bán kính nhỏ nhưng kéo theo năng suất giảm. vì vậy ta sẽ dùng nhiều cyclon làm việc song song. ở đây ta dùng 1 xcycoln đơn lưu lượng xyclone chính là luu lượng tác nhân sấy: Vc = V2 =4428 m3/h = 1,23 m3/s Đường kính D = 700 mm Bảng kích thước của xyclon đơn loại ЦH-15: (sổ tay quá trình thiết bị tập 1) STT Kích thước loại ЦH-15 Kyù hieäu Coâng thöùc Giaù trò Ñôn vò 1 Đường kính trong D 700 mm 2 Chiều cao cửa vào a 0,66D 462 3 Chieàu cao oáng taâm coù maët bích h1 1,74D 1218 4 Chieàu cao phaàn hình truï h2 2,26D 1582 5 Chieàu cao phaàn hình noùn h3 2,0D 1400 6 Chieàu cao phaàn beân ngoaøi oáng taâm h4 0,3D 210 7 Chieàu cao chung H 4,56D 3192 8 Ñöôøng kính ngoaøi cuûa oáng ra d1 0,6D 420 9 Ñöôøng kính trong cuûa cöûa thaùo buïi d2 0,3D 210 10 Chieàu roäng cuûa cöûa vaøo b1/b 0,26D/0,2D 182/140 11 Chieàu daøi cuûa oáng cöûa vaøo l 0,6D 420 12 Khoaûng caùch töø taän cuøng xyclon ñeán maët bích h5 0,32D 224 13 Goùc nghieâng giöõa naép vaø oáng vaøo a 15 Độ 14 Heä soá trôû löïc cuûa xyclon x 105 Đợn vị Bảng thông số quạt và động cơ phục vụ cho xcyclon Thoâng soá Kyù hieäu Giaù trò Ghi chuù Quaït Kyù hieäu quaït Ц 9-57, No5 Tra ñoà thò ñaëc tuyeán quaït ly taâm Ц 9-57, No5 (Hình II.58, tập 1) Hieäu suaát h 0,65 Toác ñoä voøng cuûa baùnh guoàng v (m/s) 4,19 w (rad/s) 150 Ñoäng cô Kyù hieäu ñoäng cô 4A160S4Y3 Baûng P1.3, tập 1 Coâng suaát Nñc (kW) 15 Hieäu suaát hñc 0,89 Toác ñoä quay vñc (vg/ph) 1460 Heä soá coâng suaát cosj 0,88 phân tích lựa chọn các thông số điều khiển trước khi phân tích lựa chọn thông số điều khiển thì phải xác định nhiệm vụ điều chỉnh : Và mục tiêu điều chỉnh quá trình sấy là sao cho độ ẩm sau khi sấy đạt được độ ẩm mong muối, năng suất theo yêu cầu đồng thời đảm bảo cân bằng vật chất và năng lượng. Để đạt được mục tiêu trên, ta phải: Khảo sát toàn bộ hệ thống sấy để xác định các thông số cần kiểm tra, theo dõi và điều chỉnh. Xác định các yếu tố nhiễu. Lựa chọn các thiết bị điều chỉnh và kiểm tra. Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình Trong quá trình sấy, mọi quá trình xảy ra không ổn định, đều chịu tác động của môi trường xung quanh, vì thế để đạt được yêu cầu mong muốn nhiệm vụ đầu tiên cần phải xem xét thông số nào là điều chỉnh, thông số nào là cần điều chỉnh, thông số nào là nhiễu của quá trình. Để đạt được chất lượng và năng suất theo yêu cầu. Lựa chọn thông số điều khiển: Băng tải nhập liệu cho thiết bị sấy Đối với băng tải ta có các thông số sau: thộng số đầu vào năng suất muối nhập liệu cho băng tải Gđ= 2335,74 kg/h, thông số đầu ra năng suất muối nhập liệu cho thiết bị sấy (Gr= Gđ), vận tốc băng tải v = 0,4 m/s. Ta nhận thấy năng suất của băng tải phụ thuộc vào vận tốc của băng tải vì vậy ta sẽ chọn biến cần điều khiển là vận tốc của băng tải, nhưng do băng tải được truyền động bởi động cơ. Cho nên số vòng quay của bộ truyền động sẽ quyết định đến vận tốc của băng tải và cũng tác động đến năng suất ra , còn yếu tố nhiễu ở đây là năng suất nhập liệu . Chính vì thế ta chon tốc độ quay của động cơ làm biến điều khiển và vận tốc băng tải là biến cần điều khiển, còn biến nhiễu là năng suất nhập liệu , yếu tố nhiễu này khó điều chỉnh Biến cần đk vận tốc băng tải Biến đk số vòng quay Sơ đồ công nghệ Bộ phận gia nhiệt cho tác nhân sấy không khí sơ đồ công nghệ Với: T1,w1: nhiệt độ vào dòng khói lò và lưu lượng khói lò dùng gia nhiệt cho không khí. T1’: nhiệt độ ra của dòng khí lò. T2,w2: nhiệt độ vào và lưu lượng của không khí. T2’: nhiệt độ ra của dòng không khí. Ta có cân bằng nhiệt lượng: w1.Ckl.(T1-T1’) = w2.Ckk.(T2’-T2) Công thức trên đã được đơn giản , bỏ qua tổn thất nhiệt. Bài toán ta cần giải quyết ở đây là duy trì nhiệt độ ra khỏi thiết bị gia nhiệt T2’ tại một giá trị mong muốn nhằm cung cấp nhiệt độ cho thiết bị sấy để quá trình sấy đạt được chất lượng. Vì vậy ta chọn T2’ là biến cần điều khiển(T2’= 2000 C). Ngoài ra, còn 4 biến vào được xác định là T1,w1, T2,w2 dễ dàng nhận thấy biến điều khiển tiềm năng chính là lưu lượng vào của dòng khí lò w1. Nguyên nhân chính chọn w1 vì khi thay đổi lưu lượng khói lò sẽ làm thay đổi nhiệt độ ra của dòng không khí , trong phạm vi quá trình gia nhiệt ta cũng không thể can thiệp tới nhiệt độ đầu vào T1 của khói lò một cách dễ dàng và nhanh chóng , ta cũng không thể chọn w2 vì khi ta thay đổi lưu lượng dòng không khí vào vì sẽ làm thay đổi vận tốc dòng khí sấy trong thiết bị sấy. Các biến còn lại sẽ là nhiễu của quá trình gia nhiệt, ở đây ta đã bỏ qua nhiễu không đo được đó là tổn thất nhiệt ra bên ngoài, phép đo của các thiết bị là không có sai số. Biến T1’ ta không cần quan tâm vì nó không ảnh hưởng đến quá trình tiếp theo. Bộ phận điều chỉnh số vòng quay cho thiết bị sấy Bộ phận điều chỉnh số vòng quay của thùng sấy ta sẽ cố định có ở một thống số nhất định đó là 1 vòng/phút. Do thông số này khó điều chỉnh và kiểm soát quá trình sấy. Thiết bị sấy thùng quay Ở thiết bị sấy ta sấy muối đảm bảo chất lượng sản phẩm sấy đạt được độ ẩm 0,2%. Vì vậy đại lượng cần điều chỉnh chính là độ ẩm của muối ra khỏi thiết bị sấy. nhưng do không có dụng cụ đo độ ẩm tin cậy và nhanh cho vật liệu rắn, nên ta chọn đại lượng cần điều chỉnh ở đây là nhiệt độ ra của thùng sấy t2 = 900 C. Các đại lượng ảnh hưởng lên đại lượng cần điểu chỉnh: lưu lượng muối nhập liệu (Gđ ), lượng nhiệt tổn thất (Qm ), hệ số truyền nhiệt (k), nhiệt độ sấy vào ( t1), lưu lượng dòng không khí sấy (V), số vòng quay, góc nghiêng của thùng. Ta nhận thấy: Nếu t2 >t* (t* nhiệt độ đặt ở đầu ra của thiết bị ) tức là lưu lượng nhập liệu vào ít hơn giá trị đặt và nhiệt độ không khí vào sấy thấp hơn giá trị đặt. Nếu t2 < t* tức lưu lượng nhập liệu vào lớn hơn giá trị đặt và nhiệt độ vào sấy cao hơn giá trị đặt. Ta chọn Gđ làm đại lượng điều chỉnh cho t2 , nhưng Gđ lại quyết được quyết định bởi tốc độ quay của bộ truyền động, nên số vỏng quay của bộ truyền động là biến điều khiển. Các thông số còn lại là nhiễu. Số vòng quay, góc nghiêng và lưu lượng dòng không khí sấy ta cố định không đổi. Hệ số truyền nhiệt và tổn thất là nhiễu không kiểm soát được. Nhiệt độ sấy đầu vào sẽ được điều chỉnh ở bộ phận gia nhiệt. lựa chọn phương pháp điều khiển Các phương pháp điều khiển sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của điều khiển, chất lượng đáp ứng cho quá trình công nghệ. Vì thế ta cần đưa ra sách lược hay phương pháp điều khiển hợp lý cho từng bộ phận, từng khâu điều khiển. - Đối với băng tải nhập liệu. Chọn chọn phương pháp điều khiển kiểu phản hồi đơn giản hay điều khiển phản hồi san bằng sai lệch được trình bày phần sơ lược về điều khiển. Phương thức vận hành: ta sẽ nhập số vòng quay( giá trị đặt cho bộ điều khiển ( do ta có phương án thay đổi số vòng quay để thay đổi năng suất). khi motor quay sẽ tác động đến bộ truyền vận, sẽ có bộ cảm biến số vòng quay encoder đọc tốc độ quay. Tín hiệu đọc được sẽ đưa về bộ điều khiển và so sánh giá trị đặt để đưa ra thông số điều chỉnh phù hợp với yêu cầu. ta sử dụng đặc tính điều chỉnh ON- OFF tốc độ động cơ DC . Lý do sử dụng phương pháp phản hồi và sử dụng đặc tính điều khiển ON- OFF vì: Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là: Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải. Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng. Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh số vòng quay đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất. Nhưng ở thiết bị băng tải nhập liệu , biến cần điều khiển của băng tải sẽ là biến điều khiển của thùng sấy , Gđ quyết định đến đại lượng cần điều chỉnh (t2) của thiết bị sấy. vì vậy tại khâu điều chỉnh băng tải ta sẽ điều chỉnh số vòng quay của động cơ sao cho đưa t2 về giá trị đặt Đối với thiết bị gia nhiệt. Để kiểm soát được độ ẩm, ta cần điều chỉnh t2 ở giá trị đặt ở thiết bị gia nhiệt ta dùng phương pháp phản hồi và sử dụng đặc tính điều khiển PI. Vì ở thiết bị gia nhiệt quán tính về nhiệt lớn, ta có thể sử dụng bộ điều khiển PI, vì nó tác động nhanh và có khả năng đưa đại lượng về giá trị đặt và nó được sử dụng rất là rộng rãi. với biên độ dao động cho phép ta lấy 100 C vẫn không ảnh hưởng mấy về chất lượng. phương thức vận hành: khi ta đưa giá trị đặt vào cho bộ điều khiển tín hiệu sẽ được truyền tới van điều khiển lưu lượng dòng khói lò. Khi nhiệt độ đạt giá trị đặt do có quán tính nhiệt, nhiệt độ tiếp tục tăng lên khi đó van điện từ sẽ ngừng không mở van nữa và sẽ điều chỉnh đóng van dần lại đễ đạt tới giá trị đặt. sau 1 thời gian nhiệt độ giảm xuống dưới giá trị đặt sẽ có tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển để đưa tín hiệu cho van mở ra. thiết lập mô hình điều khiển Công việc chính của người kỹ sư là thiết kế. Việc thiết kế hệ thống không phải trên quá trình chạy thực, mà trên cơ sở mô hình. Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Ta chia mô hình ra làm 2 loại: mô hình vật lý và mô hình trừu tượng Trong điều khiển ta quan tâm tới mô hình trưu tượng với 4 dạng: mô hình đồ họa, mô hình toán học, mô hình suy luận, mô hình máy tình. Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học, vì nó đóng vai trò then chốt trong nhiệm vụ phát triển hệ thống. Nguyên tắc chung để xây dựng mô hình là dựa trên phương pháp xử lý các thông tin có được từ hệ thống thực. Việc cân nhắc lựa chọn mức độ chi tiết và mức độ chính xác trong mô hình phụ thuộc vào ba yếu tố: Yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể của mô hình. Công sức, chi phí tiến hành mô hình hóa. Độ tin cậy của thông tin có được về mô hình. Cách thiết lập mô hình toán học Thiết lập mô tả toán học của đối tượng được bắt đầu từ việc tìm phương trình cân bằng vật chất hoặc năng lượng ( trong khoảng thời gian dt) và phương trình phản ánh các qui luật hay chế độ thủy động học…. Trong các phương trình tìm được, làm rõ các giá trị chưa biết và loại bỏ các biến trung gian. Tuyến tính hóa các phương trình vi phân phi tuyến tương ứng có thể. Tiếp tục trong các mô hình toán học tuyến tính hoặc tuyến tính hóa các đại lượng vào và ra được chuyển sang gia số của chúng. Sau cùng chuyển sang đại lượng không thứ nguyên là tỷ lệ của gia số tuyệt đối với giá trị chuẩn được chọn. Giá trị chuẩn thường được chọn lá giá trị ở trạng thái cân bằng cho trước khi đặt vào tác động nhiễu. Mô hình toán học chung cho điều khiển motor của băng tải . ON-OFF Mô hình cấu trúc Nhìn từ hình vẽ ta thấy tín hiệu vào là một giá trị không đổi. tín hiệu đặt sẽ truyền tới bộ điều khiển on-off để điều chỉnh và đưa ra tín hiệu tới đối tượng điều chỉnh để có được hàm đáp ứng. Tại bộ điều khiển tín hiệu sẽ được đưa ra dưới dạng: Ban đầu tín hiệu đưa vào sau một thời gian thì việc đáp ứng mới ổn định. Khi đã ổn định thì tín hiệu tai bộ điều chỉnh sẽ đáp ứng một cách đều đặn hơn. Hàm truyền đạt cho đối tượng điều khiển Bất kì đối tượng motor nào khi được điều chỉnh số vòng quay đều có mô hình toán học: Mô hình toán điều khiển số vòng quay motor DC Phương trình vi phân mô tả hệ thống sau: J :(kgm2/s2 ) là moment quán tính của rotor b : (Nms) hệ số ma sát K=Ke=Kt : (Nm/Amp) các hằng số sức điện động R : (ohm ) điện trở L : (H ) điện cảm I: dòng điện chạy trong cuộn dây của motor V: điện áp trên hai đầu cuộn dây motor – ngõ vào θ: vị trí trục – ngõ ra Các thông số trên sẽ được tính toán hay có trong catologe của motor. Qua biến đổi laplace 2 vế phương trình sau ta có hàm truyền Nếu ta có các thông số thì ta biểu diễn hàm truyền trong Matlab cho kết quả như sau: Nhìn vào đồ thị ta đánh giá được phải trải qua thời gian quá độ thì tín hiệu đáp ứng mới đạt được yêu cầu như mong muốn. Mô hình toán học cho thiết bị gia nhiệt ta có phương trình cân bằng năng lượng đơn giản khi ta đặt trạng thái ở điều kiên thiết lập w1.Ckl.(T1-T1’) = w2.Ckk.(T2’-T2) Từ phương trình ta có thể nhận thấy quan hệ giữa T2’ và w1 là tuyến tính. Nhiệt độ ra phụ thuộc tuyến tính với biến w1 vào. Dựa vào phương trình trên ta sẽ không xác định được hàm truyền vì không có phương trình vi phân mô tả đặc tính biến vào biến ra. Để viết mô hình cho thiết bị gia nhiệt là rất phức tạp, cần phải có mô hình thực tế, và từ đó mô hình hóa thực nghiệm để tìm hàm truyền. để đơn giản hóa bài toán. Ta sẽ coi hàm truyền của bài toán là quán tính bậc nhất, có trễ(FOPDT)( do mất 1 lượng nhiệt cho các ống trao đổi nhiệt, lượng nhiệt này coi như là hằng số, đồng thời ta cũng lý tưởng hóa thiết bị để không có tổn thất nhiệt). Mô hình FOPDT có hàm truyền đạt ` K là hệ số khếch đại tĩnh t hằng số thời gian q là thời gian xấp xỉ lựa chọn dụng cụ đo và bộ điều khiển Mục đích của tự động hóa qui trình sấy muối là nhằm đảm bảo chất lượng cao và ổn định. Và trước hết nói về điều chỉnh, điều khiển thì các đại lượng của quá trình cần được đo và kiểm soát. Bởi lẽ khi các đại lượng được kiểm soát tức là ta đã kiểm soát được toàn bộ hoạt động của quá trình như chế độ khởi động, chế độ làm việc ổn định, chế độ làm việc nguy hiểm, chế độ dừng…. ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống đo- kiểm soát Ghi lại và chỉ thị Cơ cấu đo Cảm biến và biến đổi tín hiệu cần đo Phần tử cảm biến và biến đổi: là phần tử đầu tiên tiếp xúc trực tiếp với đại lượng cần đo và thực hiện những biến đổi đại lượng đo. Cơ cấu đo: là những phần tử có thề tác động qua lại để tạo ra sự dịch chuyển tương ứng từ những biến đổi từ phần tử cảm biến. Bộ phận ghi lại và chỉ thị: Bộ phận ghi lại: làm nhiệm vụ ghi lại chỉ số hoặc biểu thị chúng dưới dạng số. Bộ phận chỉ thị: thể hiện giá trị của đại lượng đo. Thế nhưng không phải tất cả các đại lượng của quá trình được kiểm soát bởi lẽ sẽ gây ra sự phức tạp cho hệ thống. Ở đây các đại lượng được đo : Lưu lượng các dòng khí:ta đo lưu lượng dòng khí tác nhân sấy và khói lò. Nhiệt độ: ảnh hưởng đến chất lượng sấy. Áp suất làm viêc : để cho hệ thống làm việc an toàn ta đo áp suất làm việc của thiết gia nhiệt không khí. Vận tốc vòng quay động cơ: vận tốc quay của động cơ tại nơi nhập liệu ành hưởng đến năng suất nhập liệu cho thiết bị sấy. Hệ thống đo kiểm soát lưu lượng: Cảm biến lưu lượng: Một trong những phương pháp chủ yếu để đo lưu lượng là đo tín hiệu áp suất giữa 2 bên ống venture ( phương pháp đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi). Như vậy ống venturi đóng vai trò cảm biến lưu lượng, chuyển tín hiệu lưu lượng sang tín hiệu áp suất và thiết bị đo là áp kế màng hộp đàn hồi. Cơ cấu đo: biến áp vi sai biến đổi tín hiệu xê dịch thành tín hiệu điện áp xoay chiều. Bộ phận khuếch đại và so sánh khuếch đại tín hiệu điện áp và so sánh với giá trị chuẩn, đưa tín hiệu sai lệch đến thiết bị chấp hành. Bộ phận ghi lại và chỉ thị, tín hiệu sai lệch đến thiết bị chấp hành sẽ làm dịch chuyển kim trên thang đo và thay đổi chỉ số lưu lượng trên bảng điều khiển. Hệ thống đo kiểm soát áp suất: Cảm biến áp suất Chọn loại cảm biến là hộp xếp kiểu xiphong vì đây là loại áp kế có cấu tạo đơn giản và tin cậy, kích thước nhỏ, dễ đọc, chính xác cao và có khoảng đo rộng. Chúng ta đo áp suất để đảm bảo hệ thống hoạt động một cách an toàn hơn khi xảy ra sự cố. Hệ thống đo kiểm soát nhiệt độ Để nhận biết sự thay đổi chính xác, ta sử dụng cặp nhiệt điện làm cảm biến. Cặp nhiệt điện hoạt động theo nguyên lý của hiệu ứng nhiệt điện, gọi là hiệu ứng Seebeck: hai dây dẫn khác nhau nối với nhau chung một đầu. nếu đốt nóng chung thì ở hai đầu tự do sẽ sinh ra một hiệu điện thế hay còn gọi là sức diện động. sức điện động này tỷ lẽ thuận với nhiệt độ ở đầu chung. Đo sức diện động này sẽ xác định được nhiệt độ tương ứng. Cặp nhiệt diện sử dụng rộng rãi nhất là cặp nhiệt điện loại S: một nhiệt điện cực làm bằng hợp kim platin (90%) và rodi (10%), còn điện cực kia làm bằng platin tinh khiết , dải đo 0 -16000 C. Để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên ngoài, ta đặt đầu cảm biến tiếp xúc trực tiếp với dòng lưu chất. tuy nhiên để tránh sự mài mòn của thiết bị tan en có hộp bảo vệ đầu cảm biến. cặp nhiệt điện Hệ thống đo số vòng quay Ta dùng cảm biến encoder để đọc số vòng quay. Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder: Đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Các thiết bị thừa hành Thiết bị của hệ thống tự động điều khiển hay điều chỉnh tác động lên quá trình tương ứng với thông tin điều khiển nhận được gọi là thiết bị thừa hành Được sử dụng để thay đổi lưu lượng lưu chất hay năng lượng và đưa đại lượng điều chỉnh về giá trị đặt. Thông thường thiết bị thừa hành bao gồm cơ cấu thừa hành dạng khí nén hay thủy lực. 1 – thanh nối 1 – thân 2 – lò xo 2 – cửa van 3 – màng đàn hồi 3 – thanh nối Thiết bị thừa hành trình tự vận hành cho hệ thống khởi động: Đầu tiên ta sẽ khởi động thiết bị gia nhiệt đưa không khí sấy vào thùng sấy, khi nhiệt độ ổn định, ta khởi động thùng sấy quay, sau đó khởi động xcyclon . và cuối cùng là nhập liệu. Ngừng hoạt động: Đầu tiên ta ngừng nhập liệu cho thùng sấy, sau đó đợi một thời gian ta tắt động cơ quay của thùng sấy, tiếp đó ngưng gia nhiệt. cuối cùng đợi khoảng thời gian để lọc hết bụi và ta tắt xcyclon. kết luận: