Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRƢỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRƢỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN HỒNG QUANG KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2013 I Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VI LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI MỞ ĐẦU I CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÕ SẤY CÔNG NGHIỆP 5 1.1. Tổng quan về lò công nghiệp. 5 1.1.1. Khái niệm. 5 1.1.2. Phân loại LCN 5 1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt: 5 1.1.2.2. LCN theo đặc điểm công nghệ. 5 1.1.2.3. LCN theo chế độ nhiệt. 6 1.1.2.4. LCN theo đặc điểm cấu trúc. 6 1.1.3. Các đặc trưng cơ bản của LCN 6 1.1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò. 6 1.1.3.2. Chế độ nhiệt của lò. 7 1.1.3.3. Công suất nhiệt của lò. 7 1.1.3.4. Năng suất của lò 7 1.1.4. Các chế độ làm việc của LCN 7 1.1.4.1. Chế độ làm việc bức xạ. 7 1.1.4.2. Chế độ làm việc đối lưu 8 1.2. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp 9 1.2.1. Cấu trúc của hệ thống lò sấy 9 1.2.1.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy 9 1.2.1.2. Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy 10 1.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 11 1.2.2.1. Khái quát chung 11 1.2.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 11 1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO 15 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÕ SẤY DẦU 18 2.1. Giới thiệu chung về lò điện trở 18 II Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 2.1.1. Đặc điểm. 18 2.1.2. Nguyên lý làm việc. 18 2.1.3. Phân loại lò điện trở 18 2.1.4. Cấu tạo lò điện trở. 19 2.2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học. 21 2.3. Mô tả toán học lò điện trở 25 2.3.1. Nhận dạng lò điện trở. 25 2.3.2. Xác định mô hình đối tượng của hệ thống 26 CHƢƠNG 3. XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN 28 3.1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh. 28 3.1.1. Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động. 28 3.1.2. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển tự động. 29 3.1.3. Phân tích các luật điều khiển. 30 3.1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ (P) 30 3.1.3.2. Luật điều khiển tích phân(I) 31 3.1.3.3. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI) 31 3.1.3.4. Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (PID) 32 3.1.4. Tác động của việc tăng một thông số độc lập 34 3.2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID…………………………………… 34 3.2.1. Phương pháp thực nghiệm 34 3.2.2. Phương pháp thiết kế dựa trên miền tần số 38 3.2.2.1.Phương pháp tối ưu độ lớn 38 3.2.2.2.Phương pháp tối ưu đối xứng 41 3.3.2. Phương pháp Ziegler- Nichols để xác định tham số cho bộ điều khiển PID truyền thống. 45 CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 48 4.1. Mô phỏng 48 4.2. Thiết kế hệ thống- Thực nghiệm 50 4.2.1. Tổng quan phần cứng của hệ thống. 50 4.2.2. Thiết kế chi tiết phần cứng. 50 III Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 4.2.3. Thử nghiệm thực tế 62 KẾT LUẬN 633 TÀI LIỆU THAM KHẢO 644 PHỤ LỤC I IV Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi 15 Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện 16 Hình 2.1. Phương pháp kẻ tiếp tuyến 22 Hình 2.2. Phương pháp 2 điểm quy chiếu 23 Hình 2.3. Đường đặc tính đối tượng lò điện trở 26 Hình 2.3. Phương pháp hai điểm quy chiếu 27 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 28 Hình 3.2. Quá trình quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian 29 Hình 3.3: Mô tả chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống điều khiển 30 Hình 3.4. Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID 33 Hình 3.5. Mô hình xác định Kth và Tth 37 Hình 3.6. Đồ thị dạng hình S và ổn định 38 Hình 3.7: Quỹ đạo nghiệm số 46 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng khi Kth=47 46 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển 48 Hình 4.2: Đáp ứng của hệ lò điện trở và bộ PID theo phương pháp tối ưu môdul 48 Hình 4.3: Đáp ứng của hệ thống lò điện trở và bộ PID chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols I 49 Hình 4.4: Đáp ứng của hệ thống lò điện trở và bộ PID chọn theo phương pháp Ziegler – Nichols II 49 Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 5V 51 Hình 4.6: Sơ đồ khối nguồn -5V 51 Hình 4.7: Sơ đồ khối chân vi xử lý DsPIC30F4013 51 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý DsPIC30F4013 53 Hình 4.9: LED 7 thanh 4 số 53 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 54 Hình 4.11: Sơ đồ khối LED chỉ thị 54 Hình 4.12: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân (DB9) 55 Hình 4.13: Sơ đồ khối LED chỉ thị 56 V Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu Hình 4.14: Sơ đồ khối điều khiển rơle 56 Hình 4.15: Sơ đồ chân DAC MCP4922 57 Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch đầu vào cách ly 58 Hình 4. 17: Bảng điện trở của PT100 khi nhiệt độ thay đổi từ 0 o C đến 200 o C 58 Hình 4. 18: Mạch tạo nguồn dòng 1mA 59 Hình 4.19: Mạch lọc Sallen-Key và khuếch đại 59 Hình 4.20: Mạch bắt điểm 0 điện áp xoay chiều 220V 60 Hình 4.21: Tín hiệu tại điểm INT0 60 Hình 4.22: Mạch điều khiển BTA41 61 Hình 4.23 Điện áp ra trên tải khi thay đổi góc mở 61 Hình 4.24: Đáp ứng của đối tượng lò nhiệt khi sử dụng bộ điều khiển PI theo phương pháp tối ưu môdul Error! Bookmark not defined. VI Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Đặc tính của dầu thô (FO) 14 Bảng 4.1 Tham số bộ điều khiển theo phương phápZiegler- Nichols I 45 Bảng 4.2. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở 45 Bảng 4.3. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II 47 Bảng 4.4. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở 47 1 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu.” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quang. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận án, tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên Nguyễn Xuân Trƣờng 2 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu LỜI MỞ ĐẦU Lò sấy dầu nguyên liệu được dùng phổ biến trong các nhà máy sử dụng dầu làm nhiên liệu đốt lò : Nhà máy Nhiệt điện, Nhà máy Xi măng, Nhà máy hấp sấy nguyên liệu vải cho nghành dệt may, … Chất lượng dầu sấy thể hiện ở nhiệt độ và khối lượng dầu sấy, chính các đại lượng này sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của quá trình cháy và nhiệt độ của các lò nung hay lò hơi trong các nhà máy. Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển cho các lò sấy dầu nguyên liệu sẽ nâng cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta. 1. Lý do chọn đề tài: - Trên thực tế khảo sát ở nhà máy TAIRONG VN tại KCN Việt Trì là nhà máy sử dụng nguyên liệu dầu để đốt cho các lò hơi chuyên sử lý vải, quần áo cho các nhà máy dệt may trong khu vực. Tuy nhiên hệ thống sấy dầu được thực hiện thủ công, bán tự động nên chất lượng của dầu chưa đạt làm ảnh hưởng tới quá trình cháy và nhiệt độ của các lò hơi. Từ đó làm ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng của sản phẩm sấy. Vì vậy việc cần có lò sấy tự động ổn định nhiệt độ để nâng cao năng suất và chất lượng là hết sức cần thiết. - Xuất phát nhu cầu thực tế trên, học viên đã đề xuất thực hiện đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”. 2. Mục tiêu của đề tài này là: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu”: - Xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu. - Thiết kế, chế tạo, lắp ráp được bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu. - Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: * Đối tƣợng nghiên cứu: - Thiết bị sấy dầu công nghiệp . - Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế. [...]... LCN 1.1.3.1 Chế độ nhiệt độ của lò Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 7 a Nhiệt độ lò Đây là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò Nhiệt độ này mang tính quy ước, thường nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn nhiệt và lớn hơn nhiệt độ của tường, nóc lò b Chế độ nhiệt độ của lò Phụ thuộc vào công nghệ gia công vật liệu nhiệt độ của lò có thể thay đổi... phun dầu Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 16 Dầu FO có nhiệt độ đông đặc cao, độ nhớt lớn, nhiệt độ chống cháy cao, nên để vận chuyển dễ dàng trong hệ thống dẫn dầu, dầu cần được sấy nóng tới nhiệt độ từ 50 – 900C tùy theo độ nhớt của dầu Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ thống lọc dầu thô... sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 6 b Các lò nung Trong các lò này vật liệu gia công được nung nóng nhưng không hóa lỏng Ví dụ như lò nung thép để rèn, để cán, các lò nhiệt luyện kim (lò tôi, ủ, ram…) 1.1.2.3 LCN theo chế độ nhiệt a Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ yếu bằng bức xạ nhiệt, nhiệt độ lò thường 6000C Các lò này... đường đo nhiệt độ dầu, đường xả nước đọng trong dầu Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 18 CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÕ SẤY DẦU Hệ thống sấy sử dụng thiết bị gia nhiệt là các điện trở nhiệt Vì thế, trong quá trình khảo sát và xây dựng mô hình toán cho đối tượng điều khiển, tôi sử dụng lò điện trở làm đối tượng thay thế 2.1 Giới thiệu chung về lò điện... thiết bị sấy loại này thường được chế tạo hàng loạt có điều khiển tự động nhiệt độ môi chất sấy Loại thiết bị này có thể sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau b Hệ thống sấy công suất lớn Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 11 Hệ thống này có cấu trúc rất đa dạng tùy thuộc vào phương pháp sấy, kiểu thiết bị sấy Trong hệ thống sấy cần bố trí hợp lý buồng sấy với... thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 16.8 15 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO 2 1 3 1 0 4 1 1 5 6 7 1 2 8 6 9 1 3 NỒI HƠI 1- Bể dầu; 2- Hệ thống ống sấy dầu; 3- Đường ống dãn dầu; 4- Bình lọc thô dầu; 5- Bơm; 6- Bình gia nhiệt dầu; 7- Bình lọc tinh dầu; 8- Van điều chỉnh lưu lượng dầu; 9- Lưu lượng kế; 10- Van thường; 11- Van một chiều; 12- Đường dầu về;... của lò Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian gọi là chế độ nhiệt độ của lò: tlò = f( ) Khi nhiệt độ không thay đổi, ta có chế độ nhiệt độ lò ổn định Khi nhiệt độ lò thay đổi theo thời gian là chế độ nhiệt độ không ổn định 1.1.3.2 Chế độ nhiệt của lò Trong quá trình gia công vật liệu, phụ thuộc vào công nghệ mà lượng nhiệt cung cấp cho lò có thể thay đổi ở thời điểm khác nhau ( còn gọi là phụ tải nhiệt) ... lường, điều khiển Hệ thống này có nhiệm vụ đo nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi chất sấy tại các vị trí cần thiết, đo nhiệt độ khói lò Tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm môi chất vào thiết bị nhằm duy trì chế độ sấy theo đúng yêu cầu 1.2.1.2 Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy a Hệ thống sấy công suất nhỏ Hệ thống sấy này có cấu trúc dạng tủ, đa số là kiểu sấy đối lưu cưỡng bức, một số kiểu sấy bức xạ, sấy. .. cáh nhiệt là: Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu 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: Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu. .. giữ lớp cách nhiệt và đản bảo sự kín 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: Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 20 + Vỏ lò chữ nhật: dùng trong các lò giếng, lò liên tục, lò đáy bước và lò đáy rung + Vỏ lò tròn: Dùng . thạc sỹ Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu . 2. Mục tiêu của đề tài này là: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu : - Xây dựng được. tượng lò điện trở 47 1 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài: Nghiên cứu xây dựng hệ. tổng hợp, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy dầu nguyên liệu. - Thiết kế, chế tạo, lắp ráp được bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu. - Kiểm chứng kết