gia nhiệt máy tiệt trùng trong dây chuyền sản xuất nước dừa part7 pps

Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
67
dứa đợc bơm vào binh chứa ta ấn nút start báo hiệu nớc dứa đã sẵn sàng đồng
thời nồi hơi cấp nhiệt, tháp nớc, máy làm lạnh cũng đã sẵn sàng hoạt động.
Máy bơm 1 và máy bơm 2 hoạt động. Máy bơm 1 bơm nớc dứa từ bình chứa qua
hệ thống gia nhiệt kiểu ống lồng ống. Đồng thời lúc đó, máy bơm 2 hoạt động hút
nớc nóng tuần hoàn qua hệ thống gia nhiệt kiểu ống lồng ống. Để tăng hiệu quả
gia nhiệt hai dòng nớc nóng và nớc dứa chuyển động ngợc chiều nhau.
Nhiệt độ của sản phẩm đảm bảo ở 95
o
C tại đầu ra thiết bị gia nhiệt kiểu ống lồng
ống này ta đặt một cảm biến nhiệt độ để xác định nhiệt độ sản phẩm và gửi tín hiệu
về PLC. Khi nhiệt độ sản phẩm nhỏ hơn 95
o
C, PLC sẽ tác động mở van hơi cấp
nhiệt làm nóng nớc, nớc nóng lên sẽ đợc đi gia nhiệt cho sản phẩm. Ngợc lại
khi nhiệt độ lớn hơn 95
o
C thì PLC sẽ tác động đóng van hơi cấp nhiệt cho nớc, làm
giảm nhiệt độ sản phẩm xuống. Quá trình đó đợc diễn ra một cách liên tục nhờ
cảm biến nhiệt và sự điều khiển của PLC, đảm bảo cho nhiệt độ của sản phẩm đúng
yêu cầu.
Quá trình này diễn ra liên tục dợc lu giữ trong khoảng 30 giây sau đó máy bơm
3 hoạt động hút nớc tháp từ tháp nớc vào thiết bị giảm nhiệt độ cho sản phẩm hạ
nhiệt sản phẩm xuống còn khoảng 32
o
C quá trình này đợc chảy một cách tuần
hoàn mà không cần sự điều khiển của PLC . Sau đó máy bơm nớc đá là máy bơm
4 hoạt động bơm nớc đá vào thiết bị hạ nhiệt cho sản phẩm xuống còn khoảng
30

o
C. Thiết bị hạ nhiệt của sản phẩm bằng nớc tháp và nớc đá cũng là thiết bị
kiểu ống lồng ống. Tại đầu ra của thiết bị ống lồng ống hạ nhiệt độ của sản phẩm
bằng nớc đá ta cung đặt một cảm biến nhiệt độ. Nh ở quá trình gia nhiệt cảm biến
nhiệt này cung làm nhiệm vụ là cung cấp tín hiệu về cho PLC điều khiển van nớc
đá thay cho van hơi nớc nóng. Nhiệt độ sản lớn hơn 30
o
C thì PLC sẽ tác động mở
van nớc đá làm nớc lạnh lên rồi đi hạ nhiệt cho sản phẩm. Ngợc lại nếu nhiệt độ
nhỏ hơn 30
o
C thì PLC tác động đóng van nớc đá ngừng làm lạnh cho nớc. Quá
trình này cũng diễn ra một cách liên tục và không bi gián đoạn. Khi kết thúc
chơng quá trình thanh trùng này thì máy bơm 5 hoạt động và hút nớc dứa ra máy
rót để rót vào túi mang đi bảo quản
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
68
4.4 Xây dựng sơ đồ thuật toán
Để xây dựng chơng trình điều khiển quá trình gia nhiệt tại khâu gia nhiệt của
dây chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc ta xây dựng sơ đồ thuật toán:






T > 95
0
C T< 95

0
C










T > 30
0
C T < 30
0
C








Bình chứa, thá
p

nớc, má
y

l
ạ
nh
ĐC1, ĐC2 hoạt độn
g
H
ệ
thốn
g
đèn 1 sán
g
Van tắt
Đóng
T = 95
0
C
Van sáng
Mở
ĐC3 hoạt độn
g
H
ệ
thốn
g
đèn 2 sán
g
ĐC4 hoạt độn
g
H
ệ

thốn
g
đèn 3 sán
g
T = 30
0
C
Van tắt
Đóng
Van sáng
Mở
ĐC5 hoạt động
Đèn máy giót sáng
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
69

Hình4.3: Sơ đồ thuật toán công nghệ quá trình gia nhiệt tại khâu tiệt trùng
4.5 Điều khiển lập trình bằng PLC
Thiết bị lập trình ta sử dụng là Simatic S7 - 200 CPU224. Từ sơ đồ thuật toán
của quá trình gia nhiệt ta lập đợc chơng trình điều khiển mô hình.
Để thuận lợi trong việc viết chơng trình điều khiển ta sử dụng các ký hiệu
cho các phần tử và phân công tín hiệu vào ra nh trong bảng sau:
Phân công tín hiệu vào
Địa chỉ Phần tử
I0.0
I0.1
Aiw0
AIW2
Khởi động hệ thống (Start)

Dừng hệ thống (Stop)
Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ
Phân công tín hiệu ra
Địa chỉ Phần tử
Q0.0

Q0.1

Q0.2
Q0.3

Q0.4
Q0.5

Q0.6
Q0.7
Sản phẩm đa tới thùng đa đi thanh trùng
Máy lạnh, tháp nớc làm việc.
Máy hút nớc dứa, nớc nóng hoạt động
Sản phẩm đợc đa gia nhiệt
Điều khiển van hơi
Máy hút nớc tháp hoạt động, nớc dứa đợc hạ
nhiệt
Điều khiển van nớc đá
Máy hút nớc đá hoạt động,nớc dứa đợc hạ
nhiệt
Máy hút nớc dứa đến máy rót
Nớc dứa đến máy rót

B¸o c¸o tèt nghiÖp Lª M¹nh Hïng
Líp tù ®éng ho¸ 46 Khoa c¬ ®iÖn – Tr−êng DHNNI - HN
70

Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn m« h×nh ®−îc viÕt nh− sau:
NETWORK 1
LD I0.0
AN I0.1
O Q0.0
S Q0.0, 1
TON T37, +50

NETWORK 2
LD T37
S Q0.1, 1
TON T38, +100

NETWORK 3
MOVW +0, AC0
AENO
MOVW AIW0, AC0
AENO
ITD AC0, AC0
AENO
DTR AC0, AC1
AENO
DIV +32767, AC1
AENO
MUL +10, AC1

AENO
AR<= AC1, 1.0
S Q0.2, 1
B¸o c¸o tèt nghiÖp Lª M¹nh Hïng
Líp tù ®éng ho¸ 46 Khoa c¬ ®iÖn – Tr−êng DHNNI - HN
71

NETWORK 4
LD T38
S Q0.3, 1
TON T39, +100

NETWORK 5
LD T39
S Q0.4, 1
TON T40, +100

NETWORK 6
MOVW +0, AC0
AENO
MOVW AIW0, AC0
AENO
ITD AC0, AC0
AENO
DTR AC0, AC1
AENO
DIV +32767, AC1
AENO
MUL +10, AC1
AENO

AR>= AC1, 1.0
S Q0.5, 1

NETWORK 7
LD T40
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
72
S Q0.6, 1
TON T41, +20

NETWORK 8
LD T41
S Q0.7, 1
4.6. Thiết kế và lắp ráp mô hình
4.6.1 Mục đích của việc thiết kế và lắp ráp mô hình
Khi nghiên cứu các dây chuyền sản xuất, đặc biệt là các dây chuyền đã đợc
tự động hoá. Việc nghiên cứu các thiết bị điều khiển trong dây chuyền sản xuất là
rất quan trọng và cần thiết. Các thiết bị điều khiển hoạt động ra sao, cấu tạo của các
thiết bị đó nh thế nào, hoạt động và sự phối hợp của các thiết bị điều khiển với các
thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất nh thế nào? Tất cả những điều đó sẽ trở
lên đơn giản hơn rất nhiều khi ta thiết kế và lắp ráp mô hình điều khiển dây chuyền
sản xuất đó. Từ việc thiết kế này cũng giúp cho chúng ta sáng tạo hơn và học hỏi
đợc nhiều kiến thức thực tế hơn. Đặc biệt là sự khác nhau giữa lý thuyết và thực tế
về tự động hoá.
4.6.2 Thiết kế các thiết bị trong mô hình
Do điều kiện các thiết bị của dây chuyền khá hiện đại và phức tạp nên mô
hình chỉ có thể đợc thiết kế dới dạng bảng điều khiển. Trong đó các thiết bị đợc
mô phỏng bằng đèn hoặc mô tơ nhỏ. Cụ thể:
- Các máy bơm đợc mô phỏng bằng các mô tơ điện một chiều với điện áp

12V.
- Các thiết bị khác nh thùng chứa, bình cấp nhiệt, tháp nớc, máy làm lạnh
đợc mô phỏng bằng các hệ thống đèn led.
- Van hơi và thiết bị trao đổi nhiệt đợc mô phỏng bằng đèn Led.
- Để tạo nhiệt độ cho cảm biến nhiệt ta sử dụng các đèn 220V công suất
40W.
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
73
- Các đờng biểu diễn sản phẩm và nớc nóng đợc mô phỏng bằng các đèn
LED màu khác nhau trên mô hình.
4.6.3 Thiết kế cảm biến nhiệt
1. Các định nghĩa và đạc trng của cảm biến
Các đại lợng vật lý là các đối tợng đo lờng nh nhiệt độ áp suất gọi là các
đại lợng cần đo m. Sau khi tiến hành các công đoạn thực hiện để đo m (cùng các
phơng tiện điện tử để xử lý). Ta nhận đợc các đại lợng tơng ứng đầu ra. Đại
lợng điện này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết
để nhận biết m. việc đo đạc đợc m là nhờ các cảm biến.
Cảm biến là mọi thiết bị chịu tác động của đại lợng cần đo m không có tính
chất điện và cho một đặc trng mang bản chất điện (nh điện tích , điện áp), dòng
điện trở kháng ký hiệu là

.Đặc trng của

là đại lợng cần đo m.


= F(m)
Trong đó

là đại lợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến.
m là đại lợng đầu vào hay kích thích.
Việc đo đại lợng

cho phép nhận biết giá trị m. Biểu thức (*) trên là dạng
lý thuyết vật của định luật vật lý biểu diễn sự hoạt động của cảm biến đồng thời là
dạng số của biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (hình học và kích thớc), vật
liệu cảm biến đôi khi còn phụ thuộc vào môi trờng và chế độ sử dụng (nhiệt độ,
nguồn nuôi). Đối với mọi cảm biến, để có thể khai thác biểu thức trên cần phải
chuẩn bị cảm biến với một loạt các giá trị đã biết chính xác của m. Để sử dụng,
ngời ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra



và biến thiên đầu vào
m .


=

. m (**)
Trong đó

: là độ nhạy cảm biến

Đại lợng cần đo
(m)

Cảm biến
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng

Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
74

Đại lợng điện
(S)
Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm
sao cho độ nhạy

của chúng không đổi nghĩa là

ít phụ thuộc vào yếu tố sau:
- Giá trị của đại lợng cần đo (độ tuyến tính) và giải thông.
- Thời gian sử dụng
- ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác của môi trờng xung quanh
vì cảm biến là một phần tử của mạch điện, có thể coi cảm biến:
+ Hoặc nh một máy phát trong đó

là điện tích, điện áp hay dòng điện
gọi là cảm biến tích cực.
+ Hoặc nh một trở kháng, trong đó

là điện trở, độ tự cảm hoặc điện
dung gọi là cảm biến thụ động.
2. Cảm biến nhiệt.
Do nội dung của đề tài chúng ta chi sử dụng cảm biến nhiệt do vậy chung ta
cần tìm hiểu rõ về nguyên lý và sơ đồ điện của cảm biến nhiệt.
- Vai trò của cảm biến nhiệt.
Trong dây chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc mà chung ta nghiên cứu thì nhiệt
độ luôn đóng vai trò quyết định đến chất lợng sản phẩm của đầu ra. Mà ta đã biết
trong tất cả các đại lợng vật lý, nhiệt độ đợc quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đợc

đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản
nhất là sử dụng nhiệt kế sử dụng hiện tợng dãn nở nhiệt. Để chế tạo các bộ cảm biến
nhiệt độ ngời ta sử dụng nhiều các nguyên lý cảm biến khác nhau nh: Các nhiệt điện
trở, nhiệt ngẫu, phơng pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc khí hoặc
dựa trên tốc độ âm.

Để đo đợc trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đề không đơn giản. Đa
số các đại lợng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với
cùng một đại lợng cùng bản chất. Những đại lợng nh vậy gọi là đại lợng
mở rộng bởi vì chúng có thể đợc xác định bằng bội số hoặc ớc số của đại
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
75
lợng chuẩn (đại lợng so sánh). Ngợc lại, nhiệt độ là đại lợng gia tăng:
việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lý rõ ràng. Nhiệt độ
là đại lợng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào
nhiệt độ.
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phơng pháp
chính sau đây:
+ Phơng pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt độ do dao động
nhiệt ( hiệu ứng Doppler).
+ Phơng pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc khí (với
áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm.
+ Phơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng
Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh.
Trong dây truyền sản xuất cảm biến nhiệt đợc sử dụng một rất nhiều hầu hết
ở các khâu nh gia nhiệt sơ bộ, khâu cô, khâu tiệt trùng. Trong máy tiệt trùng thì
khi sản phẩm đợc gia nhiệt qua hệ thống gia nhiệt, nhiệt độ của sản phẩm sẽ đợc
thu nhận qua Sensor. Nhiệt độ do sensor thu nhận đợc sẽ chuyển đổi thành tín
hiệu điện là tín hiệu Analog và đợc đa tới cổng nhập của PLC. Tại đây tín hiệu

đợc đọc vào và xử lý để điều khiển, tác động lên đối tợng thông qua mạch điều
khiển và cơ cấu chấp hành điều khiển các van hơi nớc nóng và van nớc đá để đảm
bảo nhiệt độ của sản phẩm đúng với yêu cầu kỹ thuật của dây chuyền sản xuất.
Việc đo nhiệt độ đợc tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt nh:
+ Cặp nhiệt điện.
+ Nhiệt kế điện kế kim loại.
+ Nhiệt điện trở kim loại.
+ Nhiệt điện trở bán dẫn.
+ Cảm biến thạch anh.
Do trong đề tài nhiệt độ chỉ biến thiên trong khoảng từ 0
0
C đến 100
0
C lên
việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phơng pháp thông dụng
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
76
đợc dùng trong đề tài này tiêu biểu là cảm biến nhiệt LM335, nên ở đây ta chỉ tìm
hiểu và giới thiệu về IC cảm biến nhiệt.
- Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ.
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu là nhiệt độ chuyển thành
tín hiệu điệnđới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các
bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt
đối. Đo tín hiệu điện ta biết đợc giá trị của nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt
độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn. Bằng sự phá vỡ các
phần tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh
thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống. Làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên
theo quy luật hàm số mũvới nhiệt độ.
Để đo nhiệt độ đợc chính xác, tất nhiên cần có một đầu dò thích hợp. Đầu

dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ nhiệt độ sang tín
hiệu điện áp. Có rất nhiều loại cảm biến, nhng dựa vào lý thuyết và thực tế của
mạch cần thiết kế ta dùng phơng pháp đo bằng IC cảm biến nhiệt độ. Các IC cảm
biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm trên thị trờng hiện nay, đồng thời nó có
những đặc tính phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch, và trong mạch này ta dùng
loại LM335. Dới đây là một số thông số kỹ thuật về LM 335.
- Đặc tính kỹ thuật
+ Hình dạng bên ngoài nh sau:


Hình 4.4: Hình dáng bên ngoài của LM335
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
77
+ Sơ chân nối của LM335 nh sau:

Hình 4.5: Sơ đồ nối chân của LM335
V
+
và V
-
là hai đầu nguồn đặt của cảm biến
ADJ là chân chuẩn điều kiện làm việc đầu ra của cảm biến

+ Sơ đồ nguyên lý mạch của LM335 nh sau: