ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY DẦU NGUYÊN LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2013 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Quang Phản biện 1: GS. TS. Phan Xuân Minh Phản biện 2: TS. Trần Xuân Minh Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Phòng 202 – A8. Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Vào hồi 10 giờ 30.ngày 20 tháng 4 năm 2014 1 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 tượng nghiên cứu: - Thiết bị sấy dầu công nghiệp . - Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế. * Phạm vi nghiên cứu: 2 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu - Điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu. - Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. 4. Dự kiến kết quả đạt được: - Viết được mô hình toán của đối tượng. - Xây dựng được thuật toán điều khiển theo chỉ tiêu chất lượng cao. - Thiết kế và lắp đặt được bộ điều khiển PID nhiệt độ trong phòng thí nghiệm. Qua đó để đánh giá độ tin cậy, hoạt động ổn định của phần cứng cũng như chương trình phần mềm khi hoạt động trong thực tế. Nội dung chính của luận văn: Chương 1: Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp. 1. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp. 2. Tổng quan về sản phẩm sản phẩm nguyên liệu dầu, các đặc tính kỹ thuật và quá trình sấy dầu. Chương 2: Xây dựng mô hình toán của lò sấy dầu công nghiệp . 1. Giới thiệu chung về lò điện trở 2. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 3. Mô tả toán học lò điện trở. Chương 3: Xác định thuật toán điều khiển hệ thống . 1. Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh. 2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển bộ PID. 3.Thiết kế bộ điều khiển. Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm. 1. Mô phỏng 2. Thực nghiệm. 5. Phương pháp nghiên cứu : - Gắn lý thuyết với đối tượng thực tế. - Dùng máy tính với các phần mềm mô phỏng. 6 .Các công cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu - Máy tính, phần mềm mô phỏng Matlab và Simulink - Đối tượng thực tế - Phòng thí nghiệm Tự động hoá 3 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học KTCN Thái Nguyên, đặc biệt là Thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quang - Giảng viên Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình làm luận văn. Thái Nguyên, Ngày 14 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Xuân Trường 4 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ SẤY CÔNG NGHIỆP 1.1. Tổng quan về lò công nghiệp. 1.1.1. Khái niệm. Lò công nghiệp (LCN) là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao để thực hiện các quá trình công nghệ: nung, nấu chảy, sấy… 1.1.2. Phân loại LCN 1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt: a. Các lò nhiên liệu. b. Các lò điện. c. Các lò tự phát nhiệt. 1.1.2.2. LCN theo đặc điểm công nghệ. a. Các lò nấu chảy. b. Các lò nung. 1.1.2.3. LCN theo chế độ nhiệt. a. Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt. b. Các lò làm việc ở chế độ đối lưu. c. Các lò làm việc ở chế độ theo lớp. Ở chế độ lớp có 3 dạng: - Lớp chặt. - Lớp sôi. - Lớp lơ lửng. 1.1.2.4. LCN theo đặc điểm cấu trúc. Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò hầm, lò nung liên tục. 1.1.3. Các đặc trưng cơ bản của LCN 1.1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò. a. Nhiệt độ lò. b. Chế độ nhiệt độ của lò. 1.1.3.2. Chế độ nhiệt của lò. 1.1.3.3. Công suất nhiệt của lò. Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong một đơn vị thời gian; được ký hiệu bằng Q hoặc P, đơn vị đo kW. 5 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 1.1.3.4. Năng suất của lò 1.1.4. Các chế độ làm việc của LCN 1.1.4.1. Chế độ làm việc bức xạ. 1.1.4.2. Chế độ làm việc đối lưu 1.2. Giới thiệu chung về lò sấy công nghiệp 1.2.1. Cấu trúc của hệ thống lò sấy 1.2.1.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống lò sấy a. Buồng sấy b. Bộ phận cung cấp nhiệt. c. Bộ phận thông gió và tải ẩm d. Bộ phận cấp vật liệu và lấy sản phẩm. e. Hệ thống đo lường, điều khiển. 1.2.1.2. Các dạng cấu trúc hệ thống lò sấy a. Hệ thống sấy công suất nhỏ. b. Hệ thống sấy công suất lớn. 1.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) 1.2.2.1. Khái quát chung Dầu FO hay còn gọi là dầu Mazút là phân đoạn nặng thu được khi chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Trước khi bị đốt cháy dầu FO được gia nhiệt để có độ nhớt nhất định, độ nhớt của dầu ảnh hưởng đến việc trộn lẫn của nhiên liệu với khả năng bay hơi, trở lực ma sát trong hệ thống bơm. Quá trình cháy và phát thải ra môi trường bên ngoài. Sau khi được sấy dầu được phun dưới dạng sương, nó sẽ bay hõi tạo với không khí hỗn hợp cháy. Vì vậy dầu FO cần phải được sấy trước khi đưa vào buồng đốt trong lò hơi. 1.2.2.2. Các chỉ tiêu xác định chất lượng của dầu Fuel-oil (FO) a. Hàm lượng lưu huỳnh: b. Độ nhớt: c.Tỷ trọng d. Hàm lượng nước e. Cặn Carbon: f. Hàm lượng tro. g. Nhiệt trị. 6 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu h. Điểm chớp cháy. Cũng giống như những sản phẩm dầu mỏ khác, đối với nhiên liệu đốt lò thì điểm chớp cháy cũng đặc trưng cho mức độ hoả hoạn của nó. Ngoài những chỉ tiêu trên thì nhiên liệu đốt lò còn phải đạt những chỉ tiêu chất lượng khác như điểm đông đặc, độ ổn định oxy hoá . . . Bảng 1.1. Đặc tính của dầu thô (FO) Khối lượng riêng Kg/m 3 Nhiệt độ đông đặc 0 C Độ nhớt động học m 2 /s Nhiệt dung riêng J/kg.K Hệ số dẫn nhiệt W/m.K Thành phần Độ sáp Parafin Keo Galatin Lưu huỳnh S Nhựa đường Bitum Nitơ N Nước H 2 O 927.5 19 17.44 2.683 0.1964 14.3 10.3 0.13 0 0.29 16.8 7 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy dầu FO cho nồi hơi NỒI HƠI 1 2 3 4 1 0 5 1 1 7 6 1 2 6 8 9 1 3 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; 13- Vòi phun dầu 8 Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 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 – 90 0 C tùy theo độ nhớt của dầu. Song song với việc sấy nóng dầu cũng có các hệ thống lọc dầu thô tinh để loại các tạp chất, làm ảnh hưởng tới chất lượng của dầu. Dầu được chứa trong các bể dầu, các bể này được thiết kế phù hợp với các yêu cầu về phòng hỏa. trong bể có đặt chìm ống xoắn dẫn hơi nóng để sấy dầu, giữ cho dầu có nhiệt độ ổn định (khoảng 70 0 C). Ở đây dầu được bơm vào nồi hơi qua các bình lọc thô và lọc tinh. Trước khi vào bơm dầu đầu vòi phun, dầu được đưa qua bộ sấy dầu bằng điện. Tại đây dầu được tăng nhiệt độ tới nhiệt độ dễ dàng cho sự bắt cháy nhất (khoảng 90 0 C). 1 2 3 48 5 9 7 6 Hình 1.2: Bộ sấy dầu điện * Bộ sấy dầu điện Dầu được sấy nóng trong bình sấy nhờ các điện trở điện. Khi đạt tới nhiệt độ đặt ( khoảng 90 0 C) thì bơm dầu bơm vào vòi phun. Nếu chưa đạt được nhiệt độ này dầu quay trở lại bộ sấy để tiếp tục được hâm nóng. 1- Vỏ bộ sấy; 2- Thanh điện trở; 3- Hộp cấp điện; 4- Dầu vào; 5- Rơ-le nhiệt độ; 6- Dầu ra; 7- Bích; 8- Áp kế; 9- Đồng hồ đo nhiệt độ [...]... nghiệm Thử nghiệm hoạt động của bộ điều khiển PID Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 29 Hình 4.2.4 Đáp ứng của đối tượng lò nhiệt khi sử dụng bộ điều khiển PI theo phương pháp tối ưu môdul Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 30 KẾT LUẬN Trong quá trình thực hiện các nhiệm vụ chủ yếu, luận văn đã có được những... 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 10 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA LÒ 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 trở Lò. .. 873s Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 16 CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH THUẬT TOÁN CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Giới thiệu về các bộ điều chỉnh PID và một số luật hiệu chỉnh 3.1.1 Cấu trúc chung của một hệ điều khiển tự động Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động được giới thiệu trên hình như sau: Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động Các tín hiệu tác động trong hệ. .. nhiệt độ làm việc từ 6000C ÷12000C - Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 12000C 2.1.4 Cấu tạo lò điện trở * Cấu tạo lò điện trở: Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 11 - 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. .. bộ điều khiển theo phương pháp Tối ưu môdul Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển * Đáp ứng đối tượng (với điều kiện nhiệt độ ban đầu 500C) Hình 4.2: Đáp ứng của hệ lò điện trở và bộ PID theo phương pháp tối ưu môdul Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 27 4.1.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols Hình 4.3: Đáp ứng của hệ. .. tượng nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu Nhận xét:  Luận văn đã thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh được bộ điều khiển PID cho đối tượng nhiệt độ lò sấy  Hướng phát triển trong thời gian tới của luận văn là phát triển phần mềm máy tính HMI, vẽ đặc tính, tính toán và điều khiển online bằng phần mềm Matlab và áp dụng 1 số phương pháp điều khiển khác ( điều khiển thích nghi, điều khiển mờ… ) Luận văn thạc sĩ: Nghiên. .. tính bậc nhất Nếu đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất thì bộ điều khiển tích phân với tham số Ti  2kT kp sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn b Điều khiển đối tượng quán tính bậc 2 Bài toán chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng quán tính bậc 2 S ( s)  k (1  T1s)(1  T2 s) (3.8) Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 21 Với cách chọn tham... lò điện trở 2.3.1 Nhận dạng lò điện trở Điều kiện thực hiện thí nghiệm: đối tượng lò nhiệt đang ổn định tại điểm nhiệt độ 860C (tuyến tính hóa đối tượng tại điểm làm việc 860C) Lò điện trở có các thông số: U = 220(V); R = 55() Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 14 Để xác định được kết quả thí nghiệm, trong quá trình thực nghiệm có giả định tải của lò. .. Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II Đối với đối tượng lò điện trở có hàm truyền WDT  0.81e37 s 873s  1 Thì bảng thông số cho các bộ điều khiển là: Luật KP P 23,5 PI 21,25 119 PID 28,2 70 Ti TD 16,8 Bảng 4.4 Tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler- Nichols II cho đối tượng lò điện trở Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 26... Nhược điểm: - Tốc độ xử lý tín hiệu chậm - Hệ thống kém ổn định - Thời gian điều chỉnh dài Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển nhiệt độ lò sấy dầu nguyên liệu 18 3.1.3.3 Luật điều khiển tỷ lệ - tích phân(PI) Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo nên quy luật tỷ lệ tích phân Tín hiệu điều khiển được xác định