Đặt vấn đề
Ngành công nghiệp sản xuất giấy đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân với tỷ lệ đóng góp cao Ngành này sử dụng nhiều tài nguyên lâm nghiệp để sản xuất các sản phẩm đa dạng phục vụ nhu cầu nội địa và xuất khẩu, từ bán thành phẩm đến thành phẩm chất lượng cao Để đạt tiêu chuẩn khu vực và quốc tế, việc đổi mới và nâng cấp công nghệ, thiết bị là điều cần thiết.
Quy trình nấu bột giấy trong công nghệ sản xuất giấy đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, chi phí tiêu hao nhiên liệu, lợi nhuận và giá thành Việc kiểm soát nhiệt độ theo thời gian trong quá trình này là phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao với độ trễ không quá 3% và sai số nhiệt độ ΔT 0 ≤ ± 1,5 0 C Những yêu cầu nghiêm ngặt này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc ứng dụng tự động hóa trong kiểm soát nhiệt độ.
Logo! được ưa chuộng trong sản xuất nhờ vào tính năng tự động, độ tin cậy cao, khả năng mở rộng ứng dụng và tốc độ xử lý nhanh Những ưu điểm này không chỉ thu hút các quốc gia phát triển mà còn cả các nước đang phát triển Dựa trên những lợi thế nổi bật của kỹ thuật tự động, tôi quyết định tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động cho lò nấu bột giấy ứng dụng Logo!230 RC.
Logo! Là một mô đun logic vạn năng (đa tác dụng, đa nhiệm vụ) của hãng Siemens
- Phần mềm dễ sử dụng
- Dễ sửa chữa thay thế
- Thực hiện nối trực tiếp
- Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống
- Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ
- Tuổi thọ làm việc cao
Chúng ta có thể sử dụng Logo! để điều khiển các thiết bị nội thất và công nghiệp, bao gồm chiếu sáng cầu thang, đèn trang trí, đèn dẫn đường, hệ thống điều khiển nước, điện, cơ khí, cổng, thông gió, bơm nước, tưới nước và nhiều chức năng khác.
Sơ lƣợc về nghành công nghiệp giấy Việt Nam
Giấy có nhiều loại khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích và tính năng sử dụng, bao gồm giấy in báo, giấy viết, giấy in cao cấp, giấy photocopy, giấy bao gói, giấy đóng hộp và giấy ảnh.
Ngành công nghiệp giấy Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ trong 20 năm qua, với tốc độ tăng trưởng trung bình đạt 17% mỗi năm Trong quý I năm 2005, sản lượng giấy đạt hơn 200.000 tấn, và dự báo sản xuất giấy trong năm nay sẽ lên tới 880.000 tấn, tăng 17% so với năm trước Xuất khẩu giấy ước tính đạt 135.000 tấn, tăng 15%, trong khi nhập khẩu bột giấy dự kiến đạt 200.000 tấn, tăng 42%, và nhập khẩu giấy các loại đạt 524.000 tấn, tăng 8%.
Nhà nước đã đầu tư vào các công trình trọng điểm nhằm nâng cao năng lực sản xuất ngành giấy, bao gồm dây chuyền sản xuất giấy bao gói công nghiệp với công suất 25.000 tấn/năm tại Công ty Giấy Việt Trì, 12.000 tấn/năm tại Công ty Giấy Tân Mai, 10.000 tấn/năm tại Công ty Giấy Đồng Nai, và 12.000 tấn/năm tại Công ty Giấy Vạn Điểm Ngoài ra, Nhà máy Giấy Hoàng Văn Thụ cũng góp phần vào sản xuất giấy bao gói Các dự án lớn sắp tới sẽ bao gồm mở rộng nâng cấp Nhà máy Giấy Bãi Bằng, xây dựng Nhà máy Bột giấy Kon Tum, và phát triển vùng nguyên liệu giấy tại Kon Tum.
Vào năm 2004, ngành công nghiệp giấy đã sản xuất 218.968 tấn bột, đạt 96% công suất thiết bị, và 753.720 tấn giấy, tương ứng với 70,48% công suất Sản lượng này đáp ứng 54,44% nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu.
Sản lượng giấy trong nước và xuất khẩu dược thống kê theo bảng sau:
Mục đích – Quan điểm thiết kế của đề tài
Thiết kế và lập trình hoàn chỉnh một chương trình cụ thể để điều khiển nhiệt độ tự động cho lò nấu bột giấy ứng dụng Logo! 230RC
Bản luận văn "Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động cho lò nấu bột giấy ứng dụng Logo! 230RC" được phát triển với mục tiêu tích hợp hệ thống mở, cho phép áp dụng vào nhiều quy trình công nghệ gia nhiệt khác nhau theo nhu cầu.
- Dựa trên nguyên lý của lò nấu bột giấy
- Tham khảo các tài liệu liên quan đến đề tài
- Thu thập các tài liệu sẵn có từ cơ quan chức năng
- Xây dựng cơ sở kỹ thuật cho hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động cho lò nấu bột giấy được thiết kế dựa trên lý thuyết vững chắc, kết hợp với khảo sát thực tế nhằm làm cơ sở cho các tính toán chính xác.
- Thiết lập được một chương trình điều khiển nhiệt độ tự động cho lò nấu bột giấy
- Mô phỏng quá trình điều khiển trên một phần mềm chuyên dụng
- Tạo cho tôi tính độc lập trong tƣ duy sáng tạo, tìm hiểu và hoàn thiện khoá luận của mình
Các khái niệm cơ bản
2.1.1 Khái niệm và quá trình cơ bản sản xuất bột giấy
Sản xuất bột giấy là quá trình sử dụng phương pháp hóa học, cơ giới hoặc sự kết hợp của cả hai để phân tách nguyên liệu sợi thành bột.
Nó bao gồm những quá trình cơ bản sau đây:
Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn quá trình công nghệ sản xuất bột giấy
Ngoài các quá trình cơ bản đã đề cập, còn có những quá trình bổ trợ như chuẩn bị dịch nấu, chuẩn bị dịch tẩy trắng và thu hồi, lợi dụng hóa chất trong khí thải và dịch nấu.
2.1.2 Nguyên liệu sản xuất bột giấy
Hiện nay trên thế giới nguyên liệu để sản xuất bột giấy hơn 90% là gỗ
Gỗ sản xuất giấy không chỉ bao gồm gỗ tròn mà còn mở rộng đến các phế liệu từ chế biến và khai thác, cùng với các nguyên liệu thay thế như giấy cactông, giấy vụn và giấy phế thải.
Quy trình công nghệ
Nguyên liệu Xử lý nguyên liệu Nấu
Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy
Công nghệ sản xuất bột giấy (theo phương pháp nấu bột trong nồi cầu):
Nguyên liệu như nứa, mét và gỗ được cắt nhỏ bằng máy băm dăm và sau đó được ủ Dăm mảnh được tập trung tại khoang chứa, sau đó được chuyển đến phễu nạp liệu và băng tải nạp liệu vào máng hứng, trước khi đi vào nồi nấu áp lực thông qua phễu nạp di động cho mỗi mẻ nấu.
Sau khi nạp chặt dăm, nước và hóa chất nấu vào nồi nấu theo định mức, quá trình nấu kết thúc bằng việc hạ xả áp và xả bột xuống bể chứa Bột được tự động chuyển ra khỏi bể thông qua vít tải nằm ngang, sau đó được chuyển tiếp đến vít tải nghiêng để đến máy nghiền thủy lực.
Máy nghiền thuỷ lực nhận bột từ vít tải nghiêng, nơi các thớ sợi lớn và mềm sau khi nấu được làm tơi thành những bó sợi nhỏ hơn Quá trình này hình thành khối huyền phù sợi trong dung dịch bột thô Các bó sợi nhỏ hợp cách sẽ đi qua mặt sàng, kết hợp với nước rửa ngược, tạo ra dung dịch bột với nồng độ khoảng 3% trước khi chuyển vào máy bơm bột.
Nguyên liệu thô Máy băm dăm
Bể chứa bột Vít tải ngang Vít tải nghiêng
Băng tải nghiêng Nồi cầu Nồi hơi
Trong quá trình thuỷ hoá sợi, bể chứa được trang bị máy khuấy để tăng cường hiệu quả và ngăn ngừa hiện tượng kết lắng Bột được cấp vào bể qua lọc cát và máy sàng rung dưới áp lực của bơm, sau đó được rửa và cô đặc đến nồng độ 5-6% bằng máng rửa nghiêng Cuối cùng, bột hợp cách được bơm liên tục đến máy rửa 2 lưới, nằm trên sàn tầng 2 của các bể chứa BB1, BB2 và BB3.
Máy rửa 2 lưới điều chỉnh lực ép tăng dần, giúp đạt áp lực tối ưu cho độ khô của bột lên tới 40% Bột có thể được sử dụng trực tiếp trong dây chuyền sản xuất của nhà máy hoặc được cuộn lại để xuất bán theo nhu cầu thị trường.
Ngoài công nghệ nấu bột trong nồi cầu đang được ưa chuộng, gần đây, một số quốc gia trên thế giới đã áp dụng các phương pháp sản xuất bột giấy mới như phương pháp nổ và phương pháp ngâm.
Thiết bị nấu bột
Bao gồm thiết bị nấu và phụ trợ Thiết bị nấu có hai loại cơ bản:
Thiết bị nấu kiểu gián đoạn
Thiết bị nấu kiểu liên tục
Trong đó thiết bị nấu kiểu gián đoạn bao gồm:
Thiết bị kiểu liên tục bao gồm:
- Liên tục kiểu ống ngang
- Liên tục kiểu ống đứng
Trong khuôn khổ thời gian và đề tài nghiên cứu, bài viết này tập trung vào việc phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị nấu kiểu gián đoạn Từ đó, tôi sẽ xây dựng lưu đồ Grafcet và thiết lập quy trình công nghệ để điều khiển nhiệt độ tự động cho lò nấu ứng dụng Logo!230 RC.
2.3.1 Thiết bị nấu gián đoạn
Nấu gián đoạn là phương pháp truyền thống sản xuất bột xenluloza với nhiều ưu điểm nổi bật Phương pháp này đảm bảo khả năng vận hành của thiết bị, đơn giản hóa và linh hoạt trong việc điều khiển và kiểm soát quá trình Tính chất của quá trình không thay đổi đột ngột trước các biến động về chất lượng nguyên liệu, đồng thời mức độ nấu chín bột giữa các mẻ không chênh lệch nhiều, giúp giảm thiểu chi phí vận hành.
Phương pháp nấu gián đoạn có nhược điểm là hiệu quả kinh tế không cao trong việc sử dụng hơi So với nấu liên tục, chi phí hơi cho nấu gián đoạn cao hơn khoảng 1 tấn/tấn bột.
Có nhiều loại nồi nấu nhƣng chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại lò nấu kiểu đứng có trang bị trao đổi nhiệt
Hình 2.3: Nồi nấu cố định có hệ thống tuần hoàn dịch
1- Thân nồi 6- Ống rút dịch
2- Miệng nồi 7- Cửa lấy mẫu kiểm tra
3- Cửa xả khí 8- Van cấp hơi
4- Bánh điều chỉnh 9- Van phóng bột
5- Thiết bị trao đổi nhiệt 10- Lưới rút dịch
2.3.2 Công nghệ nấu gián đoạn
Công nghệ nấu gián đoạn gồm các bước chính sau:
- Nạp nguyên liệu và dịch nấu
- Kết thúc quà trình nấu (phóng bột ở nồi nấu) a Kiểm tra nồi nấu
Để đảm bảo quy trình sản xuất hiệu quả, cần thực hiện các bước kiểm tra như xác định xem bột đã xả hết hay chưa, vệ sinh van xả, kiểm tra hệ thống bơm, tuần hoàn và hệ thống tiếp liệu Sau khi hoàn tất các bước kiểm tra, tiến hành nạp nguyên liệu và dịch nấu để tiếp tục quy trình.
Nạp dăm mảnh được thực hiện qua hệ thống bunke (xyclon), trong đó dăm mảnh được chuyển vào nồi bằng các băng tải, vít tải hoặc bộ nạp khí nén Quá trình nạp diễn ra bằng cách nén hơi từ thiết bị ở miệng nồi hoặc tưới dịch qua hệ thống phun dịch tuần hoàn Khi áp dụng phương pháp kết hợp, một lượng dịch nhất định được nạp vào nồi trước, sau đó dăm mảnh được đưa vào đến khoảng ẵ nồi, và hơi được cấp từ dưới đáy nồi để tạo chân không Điều này giúp dăm mảnh được nén chặt và xông hơi hiệu quả hơn, đồng thời các thao tác này được thực hiện đồng thời với quá trình tuần hoàn dịch.
Sau khi nạp nguyên liệu và dịch nấu, công đoạn tiếp theo là tăng ôn, nhằm nâng nhiệt độ lên mức tối đa cần thiết Nồi được đóng kín, trong khi nhiệt độ và áp suất bên trong nồi tăng dần Quá trình này phải được thực hiện theo trình tự nghiêm ngặt, hoàn toàn tuân thủ quy trình công nghệ đã được xác định.
Các sản phẩm khí bay hơi trong quá trình gia nhiệt tạo ra áp suất dư trong nồi, không tương ứng với nhiệt độ nấu cần thiết Do đó, khi nhiệt độ trong nồi đạt 110 – 120 °C, cần tiến hành xả khí luân phiên cho đến khi đạt nhiệt độ bảo ôn, được gọi là xả khí giả trong sản xuất Để tránh mất mát dịch nấu do hơi bị cuốn theo khí giả, việc xả khí cần thực hiện từ từ và không mở van xả hết cỡ.
Khi đạt nhiệt độ nấu tối đa, hơi được cung cấp cho bộ gia nhiệt sẽ ngừng lại và van thải khí giả sẽ đóng Nồi nấu được giữ cố định trong khoảng thời gian từ 30 đến 45 phút ở nhiệt độ 170°C Cuối cùng, quá trình nấu kết thúc với việc phóng bột trong nồi nấu.
Sau khi kết thúc thời gian bảo ôn người ta tiến hành xả khí hay còn gọi là phóng đỉnh, áp suất trong nồi đƣợc giảm từ 0,7 -1,0 Mpa
Khi phóng đỉnh, hỗn hợp hơi khí có thể đƣợc xả ra theo hệ thống van xả đường ống của xả khí giả
Thời gian phóng đỉnh thường kéo dài từ 10 đến 20 phút, tùy thuộc vào thể tích nồi và đường kính ống xả Đối với dung tích nồi từ 100 đến 140m³, đường kính ống xả bột tối thiểu cần đạt từ 250 đến 300mm.
Ngay từ khi bắt đầu phóng đỉnh, dịch nấu trong nồi sôi lên do áp suất giảm,
Để nấu bột đạt chất lượng và năng suất cao, cần tuân thủ nghiêm ngặt quy trình công nghệ cùng chế độ nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt cụ thể cho từng loại nguyên liệu Mỗi nguyên liệu có quy trình công nghệ riêng, thể hiện mối quan hệ hàm số T 0 = f(t) Việc tuân thủ chế độ nấu đúng cách sẽ quyết định chất lượng của sản phẩm bột giấy Quy trình nấu có thể được biểu diễn qua biểu đồ minh họa.
Hình 2.4: Sơ đồ biểu diễn hàm của quy trình nấu
Thời gian cần thiết để nâng nhiệt độ của nguyên liệu từ nhiệt độ môi trường (T0) lên nhiệt độ làm việc (T0 nấu) được gọi là t1 Tiếp theo, t2 là khoảng thời gian dùng để nấu bột giấy Cuối cùng, t3 là thời gian để hạ nhiệt độ từ nhiệt độ nấu (T0 nấu) về nhiệt độ môi trường (T0).
Quá trình điều khiển nhiệt độ yêu cầu sự theo dõi thời gian chặt chẽ, với độ chính xác nhiệt độ khoảng ± 1°C và thời gian không vượt quá 2 phút.
Quá trình điều khiển nhiệt độ trong lò nấu bột giấy rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, và kinh nghiệm của người vận hành Việc nấu thử các nguyên liệu mới gặp nhiều khó khăn, cho thấy tính chất bất ổn định trong các mẻ nấu cần tuân theo quy trình gia nhiệt chung.
Việc điều khiển nhiệt độ trong lò nấu hiện nay là một yếu tố phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên và người vận hành, dẫn đến khả năng cao trở thành khâu yếu trong quy trình sản xuất Kỹ năng và thao tác của người vận hành bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tính cách, thể lực, tuổi tác, học vấn, kinh nghiệm và trạng thái tinh thần Để khắc phục những nhược điểm này, giải pháp tự động hoá khâu điều khiển nhiệt độ và thời gian nấu được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng và độ chính xác Tự động hoá quá trình gia nhiệt là xu hướng tất yếu trong ngành công nghiệp giấy Việt Nam.
Thiết kế modul
3.1.1 Các phần tử cảm biến nhiệt độ
Các cảm biến nhiệt độ có ƣu điểm:
- Bền vững ổn định trong quá trình đo
- Phương pháp lắp đặt đơn giản, độ tin cậy cao
- Là các phần tử thông dụng trong quá trình đo lường và xử lý nhiệt độ của các quá trình công nghệ một cách tự động
Khi hai thanh kim loại A và B được kết nối với nhau, thường bằng phương pháp hàn cứng, sẽ xuất hiện một điện thế tại mối nối, được gọi là điện thế tiếp xúc Điện thế này phụ thuộc vào mối tiếp xúc giữa kim loại A và B cũng như nhiệt độ T 0 của mối nối Công suất của hệ thống tiếp xúc tuân theo một công thức nhất định.
Các giá trị của các hằng số a 1 , a2, a3, a4 …phụ thuộc vào kim loại A và B
Ví dụ: Kim loại A là sắt và kim loại B là Constantant (loại 5) thì mối tiếp nhƣ sau: (Tớnh theo đơn vị là àV)
Cặp nhiệt là mạch đóng kín bao gồm hai mối nối nhƣ các hình vẽ sau:
Hình 3.1 mô tả ba quy luật cơ bản ảnh hưởng đến các cặp nhiệt độ T1 và T2 Sử dụng một voltmeter nhạy sẽ giúp xác định chính xác sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm của hai kim loại.
Chúng ta có thể xác định hiệu thế phụ thuộc vào nhiệt độ T1 và T2 của cả hai mối nối ghép Trong trường hợp này, T1 là nhiệt độ cần đo, trong khi T2 là nhiệt độ tham chiếu.
Cặp nhiệt loại 1 có suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ của dây dẫn nối tại mối tiếp xúc, điều này rất quan trọng cho việc lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ trong công nghiệp Các đầu nối của cảm biến thường bị bộc lộ ra ngoài, do đó nhiệt độ trên chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường xung quanh.
Quy luật 2 xác định rằng khi kim loại C tiếp xúc với kim loại A và B, sẽ hình thành hai mối cặp nhiệt mới, với một cặp nhiệt độ chung là T3, dẫn đến suất điện động nhiệt không thay đổi.
Quy luật 3 xác định các trạng thái của kim loại C khi được chèn giữa kim loại A và B, tạo ra hai mối tiếp giáp mới là AC và BC Cả hai mối tiếp giáp này đều duy trì một nhiệt độ chung là T1 hoặc T2, dẫn đến việc suất điện động không thay đổi Điều này cho phép thực hiện hàn điện hoặc hàn hơi tại đầu đo với kim loại thứ ba mà không ảnh hưởng đến suất điện động của cặp nhiệt.
Quy luật 4 áp dụng cho các kim loại trung gian, đặc biệt khi sử dụng các mối ghép cặp nhiệt như sắt – constantans (CB) và nhóm constantans – đồng (AC).
Quy luật 5 liên quan đến nhiệt độ trung gian trong quá trình đo các suất điện động ngắt đoạn, đặc biệt áp dụng cho các cặp nhiệt kim loại.
ET1,T2 = ET1,T3 + ET3,T2 Ở đây T 3 là nhiệt độ trung gian, nếu T 2 = 0 0 C khi đó:
Công thức ET1,0 = ET!,T3 + ET3,0 cho phép đo nhiệt độ T 0 1C của chất lỏng trong bình chứa truyền nhiệt bằng cặp nhiệt crom – nhôm Điểm tiếp xúc đo nhiệt độ trong bình và nhiệt độ bên ngoài bình, khoảng 20 0 C, ảnh hưởng đến kết quả đo Suất điện động nhiệt điện đo được rơi vào khoảng 5,3 mV Khi cộng giá trị ET1,0 và ET2,0, ta thu được khoảng 0,8 mV thông qua bảng máy tính, giúp tra cứu suất điện động ET1,0 cho các loại cặp nhiệt phổ biến với điểm đo từ T 0 1 và điểm tham chiếu.
0 0 C Từ đó ta có: E T1,0 = 5,3 + 0,8 = 6,1 mV Và khi đó ta có: T1 = 149 0 C tương ứng với 6,1 mV
Hình vẽ minh họa phương pháp lắp đặt thiết bị đo với các loại cặp nhiệt khác nhau, giúp xác định nhiệt độ dòng chảy của chất lỏng trong bình một cách chính xác.
Cho cặp nhiệt crôm – nhôm E200.0 = 0,1 mV
Sơ đồ mạch cặp nhiệt điện:
Các quy luật của cặp nhiệt điện:
Hình 3.2: Sơ đồ biểu diễn các mạch cặp nhiệt điện
Trong đó A, B, C, là các kim loại khác nhau
Hình 3.3: Các phương pháp lắp đặt thiết bị đo với các loại cặp nhiệt khác nhau
Theo sơ đồ lắp đặt, việc lắp đặt trực tiếp (sơ đồ a) sẽ gây bất tiện và hạn chế sử dụng Điểm đo tham chiếu T02 có thể di chuyển khỏi khu vực gần ba bình chứa, ảnh hưởng đến việc đo nhiệt độ tại điểm 0 thứ cấp.
Sơ đồ (b) hiển thị việc lắp đặt tại phòng điều khiển, trong đó cặp nhiệt được kết nối với dây dẫn cooper, cho phép thiết lập điểm đo tham chiếu bên ngoài bình chứa.
Theo sơ đồ lắp đặt, cặp nhiệt được kéo dài đến phòng điều khiển với dây truyền dẫn bằng crôm – nhôm Điểm tiếp xúc kiểm chứng được đặt trong phòng điều khiển, nơi có nhiệt độ môi trường xung quanh khoảng 10°C – 15°C Việc tham chiếu nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường này đơn giản hơn so với việc tạo tham chiếu 0°C.
Giải pháp mở cho ứng dụng quy luật nhiệt độ trung gian đƣợc thể hiện trong
22 và điểm tiếp xúc tham chiếu có nhiệt độ là T 0 2C ( T 0 2C khoảng 20 0 ) Nếu có suất điện động trung gian là E T2,0 trong mạch thì với E T1,T2 Voltmeter sẽ đo (E T1,T2 +
E T2,0 ) tương đương với E T1,0 Voltmeter đo suất điện động tương ứng với điểm 0 thứ cấp mà đƣợc coi là nhiệt độ trong phòng (20 0 C)
Nguồn suất điện động ET1,0 = a1T2 + a2T 2 2 + a3T 3 2 + …
Do T 2 rất nhỏ nên ta có thể tính gần đúng là:
Vậy ta có thể lấy tín hiệu ra từ một vài đến vài chục mV, tỷ lệ với nhiệt độ
T2 Tín hiệu đƣợc lấy nhƣ một lối ra của cầu cân bằng RT 0 , với giá trị lớn Khi đó, coi các Ri là các gánh của cầu thì:
ET2,0 = a1T2 = Vs.R2/R3.an pha.T2 Điểm tiếp xúc tham chiếu cho cầu cân bằng có hệ thức:
Vs = R2/R3 = a1/an pha Nhƣ vậy, với sự thay đổi của T 2 thì cầu cân bằng sẽ có sự thay đổi về điện áp ở lối ra
Cặp nhiệt ET1,0 phát tín hiệu với điện áp thấp, thường chỉ vài mV, và cần được khuếch đại để phục vụ cho quá trình gia công và hiển thị thông tin Hệ thống truyền nhiệt độ hoạt động theo nguyên lý vòng lặp mở, như được mô tả trong sơ đồ dưới đây.
Sensor Cầu đo Khuếch đại
Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn vòng lặp mở cửa của hệ thống truyền nhiệt
Thông thường dòng điện – tín hiệu nằm trong vùng Standard, nghĩa là vào khoảng 4-10 mV và ta có hệ thức sau:
Độ chính xác của T1 được xác định từ ET1,0 thông qua một hàm phi tuyến, có thể dễ dàng xử lý trên máy tính Logo.
Với các loại cặp nhiệt thông dụng ta có thể tham khảo các dữ liệu và đặc tính của chúng theo bảng sau:
H ình 3.5: Bảng dữ liệu và đặc tính của các loại cặp nhiệt
OP – AMP (Vi mạch thuật toán khuyếch đại)
Dựa trên các tính toán cho cảm biến và cặp nhiệt loại T, vi mạch thuật toán tiêu chuẩn OP-AMP 741 được lựa chọn để điều khiển quá trình gia nhiệt, cung cấp tín hiệu chỉ thị đã được xử lý cho Logo!
Vi mạch thuật toán tiêu chuẩn 741 là một vi mạch đơn khối tích hợp được sản xuất bằng công nghệ màng mỏng, mang lại khả năng tích hợp cao và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực.
- Làm việc tốt ở điện áp thấp đến ± 5V
- Không phải bù tần số, tăng đƣợc độ ổn định ở chế độ làm việc tuyến tính
- Có mạch bảo vệ ngắn mạch và quá tải ở ngõ ra
- Hệ số nén đồng pha (CMRR) lớn
- Tiêu hao công suất nhỏ
- Không bị khoá nếu tín hiệu đƣa đến ngõ vào không thích hợp
Vi mạch 741, thuộc thế hệ 3, được cải tiến từ vi mạch 709, nổi bật với khả năng khuyếch đại lớn và băng thông rộng, rất hiệu quả trong các ứng dụng như tính tổng, so pha và đo lường Để đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng, vi mạch 741 đã trải qua nhiều lần nâng cấp, hiện nay bao gồm các phiên bản như 741 A, 741, 741 C, 741 D và 741 E trong họ OP – AMP 741.
Các tính năng về điện, nhiệt đƣợc sử dụng nhƣ sau: Đối với các loại OP – AMP dùng trong đo lường MA 741 D:
TT Tên nguồn Mức điện áp
2 Công suất tiêu tán 310 650 mW
3 Điện áp vào vi sai ±30V
7 Nhiệt độ ở mối hàn loại 60s 300 0C
8 Thời gian ngắn mạch ở ngõ ra Không xác định
Hình 3.7: Bảng thể hiện các tính năng về điện và nhiệt
Cách bố trí các chân của vi mạch đƣợc mô tả nhƣ hình sau:
Hình 3.8: Sơ đồ bố trí các chân của vi mạch
Trong đó : MA 741 thông dụng dùng trong Transistor lƣỡng cực gồm 3 tầng:
Tầng thứ 1 của mạch bao gồm mạch khuyếch đại vi sai với hai transistor Q1 và Q2, nhận tín hiệu từ hai ngõ vào đảo (-Vin) và không đảo (+Vin) Tín hiệu đầu ra được lấy từ các transistor Q6, Q8, và Q9, cung cấp nguồn dòng cho Q1 và Q2, đồng thời kết hợp với mạch gương dòng điện Q3 và Q4 Mạch Q5 và Q7 hoạt động như mạch gương dòng điện cho nguồn Q6, giúp cân bằng điểm zero cho toàn bộ mạch.
+ Tầng thứ 2: Là tầng khuyếch đại Darlington gồm Q16 Q17 để lái tầng công suất bảo vệ quá tải bằng Q22, thông qua phân cực bằng Q21
Tầng thứ 3 của mạch khuyếch đại công suất kiểu bù bao gồm các linh kiện Q14, Q20 và được bảo vệ quá tải bởi Q15 Nguồn chung cho cả hai tầng là Q12 và Q13, trong khi mạch gương dòng điện Q10 và Q11 điều hòa nguồn dòng cho tầng đầu và hai tầng cuối Hai diod D1 và D2 bảo vệ tiếp giáp EB của Q20, trong khi tụ C1 ngăn chặn hiện tượng tự kích do sự ghép tầng trực tiếp, đồng thời giảm tốc độ quét của vi mạch, giúp giảm độ bám lặp giữa điện áp ra và vào, một tính năng quan trọng của vi mạch thuật toán này.
Vi mạch có hai ngõ vào: ngõ vào không đảo (+IN) ký hiệu là C1 và ngõ vào đảo (-IN) ký hiệu là C2 Ngõ vào vi sai được ký hiệu là VD, và điện áp vi sai được tính theo công thức nhất định.
Ngõ ra ký hiệu V 0 là điện áp ra vi sai
Khi nối Mass e1 và cấp áp dương cho e2, điện áp V0 sẽ có giá trị âm, thường được ký hiệu là L (Low) hoặc 0 (Zero) Trong trường hợp này, transistor Q14 bị khoá trong khi transistor Q12 hoạt động ở chế độ bão hoà Kết quả là điện áp ngõ ra sẽ nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,3 V.
Nếu nối Mass e1 cấp áp dương cho e2 thì V0 có áp dương thường ký hiệu là
H (High) hoặc bằng 1 Lúc này Q 12 khoá còn Q 14 dẫn bão hoà Điện áp ngõ ra xấp xỉ điện áp nguồn V CC (V0 ≈ VCC – VCE bão hoà) và giá trị lớn hơn 3A
A0, hay còn gọi là độ khuếch đại của vi mạch không sử dụng hồi tiếp, được biết đến như độ lợi vòng hở hay độ khuếch đại riêng Giá trị của A0 thường rất lớn, dao động trong khoảng từ 20,000 đến 50,000.
Khi tính toán hoặc lựa chọn các thông số kỹ thuật, cần lưu ý rằng lý thuyết vi mạch lý tưởng giả định tổng trở vào rất lớn và tổng trở ra rất nhỏ, cùng với tốc độ bám giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào không bị hạn chế Tuy nhiên, trong thực tế, các thông số này bị giới hạn và có giá trị hữu hạn Một số tham số đặc trưng quan trọng cần được xem xét bao gồm tổng trở vào, tổng trở ra và băng thông.
1 Độ khuyếch đại điện áp hay độ lợi
2 Tổng trở vào ( thông thường đạt hàng chục M)
3 Tổng trở ra có giá trị khoảng 1 110 = Z0
4 Dòng điện phân cực ngõ vào khi dùng Transitor lƣỡng cực ở tầng đầu có
6 Tín hiệu vào không cực vượt quá V CC Giá trị cực đại cho phép thường nhỏ hơn V CC từ 1 2V
7 Điện áp ra phụ thuộc vào V CC và nhỏ hơn 1 2V
8 Điện áp lệch cân bằng VDQ có điện áp vào vi sai VD là hiệu số giữa điện áp hai ngõ vào e1, e2
Khi VD = 0, V0 cũng bằng 0, đây là điều kiện lý tưởng nhưng khó có thể đạt được trong công nghệ chế tạo 2 transistor với các thông số hoàn toàn giống nhau, đặc biệt là ở tầng vi sai Giả sử dòng Collector I C của 2 transistor bằng nhau nhưng áp bazơ-emiter (VBE) lại khác nhau, điều này tạo ra VDQ ở đầu vào, dẫn đến áp vi sai tại đầu vào vi mạch.
Khi cặp Transistor vi sai được sản xuất trên cùng một tinh thể và có giá trị điện trở R e bằng nhau, điện áp lệch cân bằng cho phép sẽ nằm trong giới hạn tối đa là 2mV.
Hình 3.9: Sơ đồ biểu diễn mạch vi sai
Có 3 phương pháp cân bằng điểm Zero là:
- Nếu chỉ sử dụng một ngõ vào thì ở ngõ vào kia đặt một điện áp cố định nhờ biến trở VRB để bù áp làm lệch cân bằng
- Nếu sử dụng cả hai ngõ vào thì mắc một biến trở V R1 ở giữa hai Emiter vi sai để bù bằng hồi tiếp âm của dòng điện
Để duy trì cân bằng VBE, cần lựa chọn hai dòng Ie với sự khác biệt nhỏ, bằng cách thêm biến trở VR2 vào đường nguồn cung cấp Các biến trở này được kết nối bên ngoài vi mạch.
Khi dòng I C không đổi, mỗi khi nhiệt độ tăng 1 0 K, VBE sẽ giảm 2mV, tương đương với việc áp dụng tín hiệu đồng pha 2mV/1 0 K vào các Transistor có hệ số nhiệt bằng 0 Điện áp này được khuyếch đại A lần, tạo ra điện áp trôi ở cổng ra Sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự trôi điện áp cổng ra giống như tín hiệu đồng pha tại cổng vào Để giảm thiểu sự trôi điểm 0, công nghệ chế tạo cặp Transistor vi sai trên cùng một tinh thể, gọi là Transistor kép, được sử dụng để đảm bảo độ trôi dưới 2mV Điều này yêu cầu lựa chọn Transistor theo loại Transistor kép, giúp một số mạch không cần biến trở chỉnh điểm trôi offset null.
Hệ số nén đồng pha
Trong thực tế, không có bộ vi mạch nào có thể cho ra đầu ra V0 = 0 khi hai tín hiệu đồng pha được đặt đồng thời lên hai ngõ vào Sự sai biệt này không thể triệt tiêu trên các sơ đồ thực tế, do đó, CMRR (hệ số loại bỏ chế độ chung) là yếu tố quan trọng để xác định chất lượng hoạt động của vi mạch thuật toán.
CMRR = Độ khuyếch đại điện áp vi sai / Độ khuyếch đại điện áp đồng pha
CMRR = 20.lg AD / ACM dB
Trong đó: các OP – AMP thông dụng thì CMRR = 90 dB
Hệ số sẽ giảm khi tần số tăng, và độ lệch giữa hai cặp nhiệt T1A và T1B tạo ra suất điện động mới giúp xác định thời điểm đóng cắt các contactor của maixo gia nhiệt Mạch điện hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển OP-AMP, sử dụng lệch áp trên AB để thay đổi áp so sánh giữa hai đầu vào của OP-AMP, từ đó điều khiển các relays đóng ngắt tiếp điểm IS của Logo Qua đó, việc điều khiển đóng cắt các dây maixo gia nhiệt trong lò được thực hiện, đồng thời theo dõi nhiệt độ của nguyên liệu nấu bột giấy.
Hiệu số giữa hai cặp nhiệt T1A và T1B là E TAB Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép, nội trở AB giảm, khiến OP-AMP 2 bị bão hòa âm và dẫn Q2, làm cho Relays KB hút và ngắt mạch tải trên lối vào của Logo Điều này gửi tín hiệu trạng thái của bột nấu về nhiệt độ cho phép, trong khi OP-AMP 1 tiếp tục bão hòa.
Khi nhiệt độ giảm, OP – AMP 1 chuyển sang trạng thái bão hoà dương và ngắt Q1, gửi tín hiệu cho Logo về trạng thái này để cung cấp điện cho mayxo, trong khi OP – AMP 2 vẫn duy trì bão hoà âm.
Cách cân chỉnh này nhƣ sau:
- Trước hết chỉnh cho cầu cân bằng
- Đặt tiếp điểm của các biến trở R2R3 ở giữa
- Bắt đầu điều chỉnh nhánh cầu chung R1 – Ther bằng R1 để cho điện áp giữa nhánh bằng 6V
- Sau đó đặt Ther vào ngưỡng dưới rồi chỉnh đến mức chuyển động trạng thái lần lƣợt của K A , K B
Sau khi chỉnh xong mạch sẽ hoạt động bình thường Mạch này dùng để ổn định nhiệt độ với cận trên là:
Trong đó: T o lv là nhiệt độ cần duy trì trong quá trình nấu bột giấy với thời gian là t2
Các OP-AMP chuyển trạng thái phụ thuộc vào sự mất cân bằng của cầu mà không bị ảnh hưởng bởi điện áp nguồn Chúng có độ nhạy rất cao, với độ nhạy của op vi sai khoảng vài chục đến vài trăm microvolt Độ nhạy chính xác trong việc đóng ngắt đạt khoảng 0,005%, và mạch này được sử dụng để duy trì T0 lv.
Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ nấu bột giấy khống chế theo thời gian
AOL OP - AMP Logo! Đóng điện/ngắt điện maixo
T 1A : Là cặp nhiệt gắn ở thành lò
T1B: Là cặp nhiệt gắn ở nồi nấu bột giấy
Quá trình hoạt động của lò nấu bột giấy nhƣ sau:
Nhiệt độ của thành lò và bột giấy nấu luôn có sự chênh lệch, được gọi là độ trễ nhiệt (ΔT 0 = T 0 tường lò = T 0 bột) Nhiệt độ từ thành lò được truyền qua chất môi dẫn điện trung gian là Glyxerin, và do được khuấy đều, nhiệt độ của toàn khối Glyxerin có thể coi là không đổi Do đó, quá trình nấu được xử lý dựa trên hai giá trị nhiệt độ này.
Nhiệt độ T0 bột được xem là nhiệt độ kiểm tra, trong khi đó, nhiệt độ T0 của tường lò cần có thời gian trễ để đảm bảo nhiệt lượng đạt yêu cầu.
Để duy trì nhiệt độ ổn định ở mức 170 °C ± 1 °C trong quá trình sản xuất bột giấy, hệ thống điều khiển sử dụng khối OP-AMP để điều chỉnh nhiệt độ Khi nhiệt độ tường lò đạt 170 °C, hệ thống sẽ ngắt điện trong 20 phút, sau đó cung cấp điện lại cho mayxo trong 12 phút trước khi ngắt để đảm bảo nhiệt độ luôn ổn định Thông tin điều khiển được gửi đến cổng vào của Logo và xử lý theo chương trình Việc đóng ngắt mayxo được thực hiện thông qua Triac, một loại công tắc điện tử, giúp đảm bảo tốc độ và không phát sinh tia lửa điện Các công tắc kích Qk của Logo điều khiển Triac, cho phép mở hoặc đóng mayxo để duy trì quá trình nung nóng lò.
Biểu đồ cấp nhiệt của hệ thống đƣợc biểu diễn qua sơ đồ sau:
Hình 3.11: Biểu đồ cấp nhiệt của hệ thống
Thyristor – Triac (SCR)
Thyristor, tên ghép từ THYATHON và TRANSISTOR, được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, bao gồm các điện cực anode (A), cathode (K) và điện cực điều khiển (G) Hình dáng và ký hiệu quy ước của thyristor được thể hiện như hình dưới đây.
Hình 3.12: Sơ đồ cấu tạo của Thyristor
Thyristor bao gồm ba lớp tiếp xúc J1, J2 và J3, với các điều kiện trường nội do hiệu ứng tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn E1, E2 và E3 Khi kết nối Amode với cực dương “+” và Cathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1 và J3 được phân cực thuận, trong khi J2 bị phân cực ngược Kết quả là hầu hết điện thế nguồn được đặt lên lớp tiếp xúc J2.
Khi tác động vào cực G bằng điện thế dương so với K, các điện tử của N2 sẽ di chuyển sang P2, tạo ra dòng điều khiển Phần lớn điện tử còn lại sẽ bị điện trường tổng hợp tại J1 hút về J2, nơi chúng nhận đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử bán dẫn và sinh ra điện tử thứ cấp Những điện tử thứ cấp này tiếp tục ion hóa các nguyên tử bán dẫn, dẫn đến việc hình thành một dòng điện tử trong lớp tiếp xúc J2 Dòng điện tử này sau đó chảy vào N1 và qua P1, cuối cùng đến cực A, tạo thành dòng điện qua thyristor.
Thyristor hoạt động trong chế độ mở với điện trở thuận nhỏ và dòng dẫn lớn Khi đã mở, tín hiệu điều khiển không còn tác dụng, và độ lớn cũng như thời gian kéo dài của tín hiệu này phụ thuộc vào SCR và dòng tải Đối với tải cảm lớn, độ rộng xung kích cần được kéo dài Trong một số trường hợp, việc kích lồng xung là cần thiết để đảm bảo nếu xung đầu tiên không kích được SRC, thì các xung tiếp theo vẫn có thể kích hoạt Thêm vào đó, việc kích lồng xung cũng giúp giảm công suất điều khiển.
Khi không có tín hiệu điều khiển tại cực G, dòng điện có thể xảy ra nếu điện áp đặt trên SCR vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến hiện tượng đánh thủng SCR Thêm vào đó, SCR cũng sẽ dẫn điện khi điện áp U đặt trên thyristor đạt đủ điều kiện nhất định.
(dUAK / dt) > (dUAK / dt)Max với giá trị (dUAK / dt)Max cho trong sổ tra cứu linh kiện
Khi điện thế U vượt quá U mồi, các điện tử sẽ nhận đủ năng lượng để gây ra hiện tượng ion hóa, mở Thyristor, tương tự như hoạt động của đèn neôn Để đưa Thyristor về trạng thái cấm (khóa), có hai phương pháp cần thực hiện.
- Giảm dòng dẫn I xuống dưới giá trị duy trì dẫn
Khi đảo chiều điện áp phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho thyristor, điện áp ngược được áp dụng sẽ khiến hai lớp tiếp xúc J1 và J3 bị phân cực ngược, trong khi J2 vẫn phân cực thuận Các điện tử trong thyristor sẽ thay đổi hướng, tạo ra dòng điện ngược từ K về A Khi chuyển từ trạng thái dẫn sang cấm, dòng điện ngược có thể khá lớn, nhưng sau đó, khi J1 và J3 bị cấm, các điện tử sẽ tiêu tán và thyristor sẽ trở lại trạng thái cấm với dòng dò nhỏ Sau khi thyristor cấm, việc đảo chiều điện thế U (U < Umồi) sẽ không làm thyristor dẫn Cần lưu ý rằng trong khoảng thời gian đầu (t0 – t1) khoảng vài chục μs, thyristor vẫn có thể dẫn với dòng ngược lớn, do đó việc áp dụng điện áp ngược trong thời gian này có thể gây hỏng thyristor.
Hình 3.12: Sơ đồ biểu diễn đặc trưng Volt - Ampere Đặc trƣng Volt – Ampere của Thyristor đƣợc mô tả nhƣ sơ đồ trên
Một số đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng Thyristor
* Mỗi loại Thyristor có các đặc trƣng khác nhau, cần lựa chọn loại thích hợp với yêu cầu sử dụng:
- Dòng điện định mức In:( tuỳ loại ) ~ 1000A
- Điện áp cực đại Uin,max:( tuỳ loại ) vài trăm Volt đến vài KV
- Tốc độ tăng dòng điện dI/dt : A/μs
- Tốc độ tăng điện áp dV/dt : V/μs
- Thời gian khoá: Vài chục μs ig 2 >0 ig 3
Quá trình chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái cấm của Thyristor không diễn ra ngay lập tức Nếu áp dụng điện áp U lớn khi Thyristor chưa hoàn toàn cấm, sẽ dẫn đến hiện tượng đoản mạch nguồn và có thể làm hỏng Thyristor.
Thyristor chỉ hoạt động trong bán kỳ dương của điện thế xoay chiều, không hoạt động trong bán kỳ âm Khi điện thế nuôi chuyển sang bán kỳ âm, Thyristor tự động chuyển về chế độ cấm do sự đảo cực của điện thế này.
Thyristor là linh kiện điện tử có khả năng chịu đựng trị số giới hạn cao nhất và tổn hao năng lượng thấp, đồng thời có chi phí thấp Tuy nhiên, thời gian chuyển mạch của nó tương đối chậm, vì vậy rất thích hợp cho các sơ đồ biến đổi điện lưới với tần số 50÷60Hz, bao gồm các bộ chỉnh lưu, biến tần và nghịch lưu tần số thấp.
Thyristor chỉ mở khi có phân áp U A-K dương, và khi mắc hai Thyristor ngược chiều, chúng có thể điều khiển mở cho cả hai chiều phân cực âm và dương với hai tín hiệu điều khiển đồng bộ Triac là thiết bị tương đương với hai Thyristor ngược nhau nhưng có chung một điện cực điều khiển, cho phép làm việc với cả nguồn phân cực âm và dương Khái niệm Anode và Cathode không áp dụng cho Triac, mà được ký hiệu bằng T2 (hoặc B2) và T1 (B1) cho các cực nối ra, với cực điều khiển G gần T1.
Hình 3.13: Sơ đồ cấu tạo của Triac
Cấu trúc bán dẫn của Triac bao gồm 4 lớp tiếp xúc bán dẫn Ta và Tb Khi nối T2 với nguồn dương và T1 với nguồn âm, G sẽ được kích hoạt.
Triac hoạt động như một thyristor thông thường khi được kích hoạt Khi nguồn điện bị phân cực ngược, điện tử từ N2 sẽ phóng vào P2, dẫn đến quá trình dòng điện do va chạm bán dẫn Tb Thực tế, Triac được thiết kế với cấu trúc liên kết đặc biệt với bán dẫn.
N1, P1, N2, P2 là chung cho cả hai nửa Ký hiệu quy ƣớc của Triac cho trên sơ đồ Đặc tính V – A của Triac có tính đối xứng
3.4.3 Sơ đồ điều khiển Thyristor và Triac
Thyristor và Triac có thể được kích hoạt bằng nguồn điện một chiều, với thời gian chuyển trạng thái nhanh chóng Sau khi được kích dẫn, tín hiệu điều khiển sẽ không còn tác dụng, cho phép điều khiển các linh kiện này bằng xung có biên độ và thời gian kéo dài phù hợp với từng loại ứng dụng.
Một ứng dụng quan trọng của điện tử công suất là quá trình kích dẫn Thyristor đồng bộ với điện lưới, cho phép điều chỉnh điện thế xoay chiều hoặc biến đổi chúng theo nhu cầu sử dụng.
Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển Tryristor và Triac
Công cụ Grafcet
- Grafcet là công cụ mô tả bằng hình học cho phép biểu diễn hoạt động của một hệ thống tuần tự
Grafcet, viết tắt của Graph Functionel de Commande Etape Transition, là biểu đồ chức năng điều khiển giai đoạn chuyển đổi Được phát triển bởi AFCET (Liên hiệp pháp về tin học kinh tế và kỹ thuật) vào tháng 11/1982, Grafcet đã được đăng ký tại tổ chức tiêu chuẩn hóa Pháp với mã hiệu NFCO 3190.
Các phần tử của Grafcet:
- Các giai đoạn đƣợc biểu diễn phối hợp với các tác động
Các chuyển tiếp liên quan đến các điều kiện chuyển tiếp (chấp nhận) và điều kiện cho phép chuyển tiếp liên lạc, tạo ra sự kết nối giữa các giai đoạn chuyển tiếp và các chuyển tiếp theo từng giai đoạn.
Biểu diễn Grafcet theo quan điểm hoạt động:
Hệ thống của quá trình Phần thao tác Phần điều khiển
Quá trình mô tả này giúp hiểu rõ các nhiệm vụ mà hệ thống tự động thực hiện, đồng thời cung cấp thông tin cần thiết cho người quyết định và biểu diễn hoạt động cho người vận hành.
Cách mô tả này diễn tả công nghệ của các bộ phận thao tác
Chuyển dịch chi tiết trên băng chuyền trên động cơ kéo
Các bộ cảm biến kiểu có – không
Các ký hiệu có thể sử dụng
Cách mô tả này ứng với thiết kế của phần điều khiển
Mô tả sự làm việc của Logo sau khi đã chọn công nghệ
Tiếp điểm hành trình Fc
Các quy tắc tiến triển của Grafcet:
Các quy tắc tiến triển xác định các điều kiện mà trong đó Grafcet có thể tiến triển, tức là các điều kiện quyết định việc các giai đoạn có tác động hoặc không tác động.
- Khởi đầu máy (quy tắc đầu tiên)
+ Tình huống ban đầu của Grafcet đặc trƣng trạng thái trong đó phần thao tác nằm ở trạng thái nào lúc phần điều khiển tác động hoặc không tác động
+ Khởi đầu ứng với các giai đoạn tác động
+ Trong Grafcet, giai đoạn ban đầu được ký hiệu bằng đường kép
Chuyển trạng thái chỉ xảy ra khi sự chuyển tiếp đã được xác nhận, tức là giai đoạn trước phải được tác động và các điều kiện chuyển tiếp liên quan đến giai đoạn này phải đúng.
+ Khi hai giai đoạn này phối hợp với nhau, sự chuyển trạng thái sẽ chuyển một cách bắt buộc
Chuyển tiếp không xác nhận
- Chuyển 2/3 không đƣợc xác nhận vì giai đoạn 2 không tác động
Chuyển tiếp đƣợc xác nhận
- Chuyển 2/3 đƣợc xác nhận (giai đoạn
2 tác động) nhƣng chƣa chuyển (a=0)
- Điều kiện chuyển là đúng (a=1) chuyển tiếp đã vƣợt qua
3 và không tác động giai đoạn 2
Sự tiến triển của giai đoạn tác động (quy tắc thứ 3):
+ Không tác động tất cả các giai đoạn sát phía trước với chuyển đổi này +Và tác động các giai đoạn sát phía sau với chuyển đổi này.
Grafcet tuyến tính biểu diễn hệ thống nấu bột giấy
- Hệ thống được xác định theo sơ đồ dưới đây, biểu diễn hệ thống điều khiển của lò nấu
- Điều khiển lò nấu bằng Logo!
4.2.2 Mô tả chu kỳ hoạt động Để tiến hành một mẻ nấu đảm bảo chất lƣợng thì mỗi quy trình nầu gồm các bước sau:
- Chuẩn bị nguyên liệu mảnh
4.2.3 Các công việc cần làm khi tiến hành một chu kỳ nấu
- Chuẩn bị ban đầu bao gồm các công việc nhƣ: Chuẩn bị lò nấu, chuẩn bị nguyên liệu mảnh, kiểm tra kỹ thuật
- Nạp mảnh nguyên liệu (nạp hơi cùng lúc)
- Đóng nắp và nạp dịch
-Giảm nhiệt (thải khí ở đỉnh nồi)
4.2.4 Ký hiệu các công tắc tơ
- Chuẩn bị ban đầu KM1
- Nạp mảnh nguyên liệu KM2
- Giảm nhiệt (thải khí ở đỉnh nồi) KM11
4.2.5 Lưu đồ Grafcet thể hiện chu trình làm việc của lò nấu bột giấy
Hình 4: Lưu đồ Grafcet thể hiện chu trình làm việc của lò nấu
KM10 KM11 KM12 t 1 = 45 ' t 1 = 45 ' t 2 = 15 ' t 2 = 15 ' t 3 = 90 ' T° MT ÷ T° LV = 170°C t 4= 30 ' ÷45 ' T° LV = 170°C t 5 '
Hình 4.1: Sơ đồ biểu diễn mô hình toán học
Trong đó: - 1 là công việc chuẩn bị
- 2 là nạp mảnh nguyên liệu đồng thời xông hơi
- 3 là đóng nắp nạp dịch
- 4 là mayxo đốt nóng gia nhiệt
- t1 là thời gian chuẩn bị ban đầu
- t2 = 45'là thời gian nạp nguyên liệu mảnh vào nồi
- t3 = 15' là thời gian đóng nắp nạp dịch
- t 4 = 90' là thời gian gia nhiệt
- t5 = 45' là thời gian giữ nhiệt
- t là thời gian thải khí
Làm quen với Logo!
Logo! ở đây là một mô đun vạn năng (đa tác dụng – đa nhiệm) của hãng Siemens
Logo! cũng chính là một dạng PLC thu nhỏ với kích thước 72 x 90x 55 mm Logo! cung cấp các dịch vụ sau:
- Bộ phận hiển thị và bộ phận tác vụ dưới dạng một màn hình tinh thể và các phím dịch chuyển, chấp nhận, từ chối
- Sáu lối tín hiệu vào và bốn lối tín hiệu ra
- Một kênh liên lạc trực tiếp với card chương trình hoặc liên lạc trực tiếp với máy tính bằng card
- Các hàm chức năng cơ bản thông dụng trong thực tế và các hàm của rơle thời gian chậm đóng, chậm mở, rơle xung
Chức năng chỉ thị thời gian, thời điểm (xem hình 5.1)
Hình 5.1: Giao diện của Logo! esc ok siemens
Lắp đặt và tháo dỡ Logo!
5.2.1 Lắp đặt dây dẫn để truyền tín hiệu và điều khiển cho Logo!
Chúng ta sử dụng tuốcnơvít có bề rộng của cạnh là 3mm để lắp đặt Logo! Các dây dẫn đưa vào phải có kích thước là:
Logo! 230 RC hoạt động với nguồn điện 230V và tần số 50Hz Trong khi đó, Logo! 24 và 24R sử dụng nguồn 24V DC, với điện áp dao động từ 20,4V đến 28,8V và dòng điện trong mạch khoảng 62mA Việc đấu nối Logo! rất đơn giản và dễ thực hiện.
Hình 5.2: Cách đấu nối Logo!
5.2.3 Đấu nối dây tín hiệu vào Logo!
Chúng ta có thể đấu nối các Sensor vào lối của Logo! Các Sensor này có thể là công tắc, photolectric, Sensor cảm ứng …
Logo! 230RC để chuyển trạng thái từ “0” sang “1” hoặc từ “1” sang “0” thời gian cảm nhận ngắn nhất không nhỏ hơn 50ms siemens n l1 i1 i2 i3 i4 i5 i6 l1 n i1 siemens i4 i5 i6 i2 i3 l+ m l1 n logo! 24 logo! 24r logo!230r logo!230rc
Hình 5.3: Sơ đồ về phương pháp đấu nối tín hiệu vào Logo!
5.2.4 Đấu nối đầu ra (đầu điều khiển của Logo!)
Phương pháp đấu nối như ở hình 5.4
Hình 5.4: Sơ đồ về phương pháp đấu nối tín hiệu đầu ra Logo!
Dòng điện đi qua Q 1 , Q 2 … đạt giá trị lớn nhất 8A đối với các phụ tải có tính chất cảm Đối với Logo! 230RC.
Khởi động Logo!
Trước khi khởi động Logo!, cần chắc chắn rằng chương trình hoặc Card đã được gắn vào Logo! có chứa bộ nhớ Sau đó, chúng ta có thể thực hiện các lệnh như siemens n l1 i6 i2 i3 i4 i5 l1 n i1 l1 n i1 i2 i3 siemens i4 i5 i6 l+ m l+ l+ l+ l+ l+ l+ logo! 24/r logo! 230r/rc q1 q2 q3 q4 esc ok.
Kết nối Logo! với máy tính hoặc lập trình thêm thông báo sẽ hiển thị trên màn hình Logo! có hai trạng thái tác vụ để người dùng lựa chọn.
Bước 1: Chúng ta lập được mạch điện tương tự dưới dạng sơ đồ
Bước 2: Chuyển chương trình đó sang ngôn ngữ lập trình của Logo!
Hình 5.5: Mô tả hoạt động của mạch điện ở dạng thông thường
Hình 5.6: Chuyển mạch điện sang dạng chương trình s1 s2 k1 e1 k1 q1 q1 k1 i1 i2 x s1 s2
Đấu nối Logo! (mảng đấu nối)
Logo! đƣợc mô tả nhƣ hình 5.7:
Khi lập trình cho Logo!, chúng ta cần kết nối các khối chức năng trên màn hình hiển thị với nhau Dưới đây là một số ví dụ minh họa cho quá trình này.
- Dấu X là khoá lối vào không sử dụng.
Các chức năng cơ bản của Logo!
Logo!có các chức năng cơ bản sau, thể hiện qua bảng thống kê Trong đó: + Reprsentation in logo! Là biểu tƣợng của hàm chức năng
+ Basis funtion là hàm chức năng cơ bản esc ok siemens
5.6.1 AND Hàm (chức năng) Logo!
AND đƣợc biểu diễn bằng biểu tƣợng
Bảng logic (chân trị) đƣợc mô tả bằng một bảng ma trận trong đó:
1- Là trạng thái đóng của công tắc;
Các chức năng đặc biệt
Độ chính xác về thời gian của các tác vụ đạt ± 1%
Sau đây là một số chức năng đặc biệt của Logo!
Biểu đồ thời gian của ON – Delay
+ Triger input: Đây là thời gian của lối vào đóng chậm bắt đầu đƣợc đếm cho các Triger
Tham số T: Là khoảng thời gian đặt theo chương trình để sau khoảng thời gian này Relay đóng công tắc, chuyển trạng thái
Biểu đồ thời gian của OFF – Delay
+ Triger input: thời gian của lối vào bắt đầu đƣợc đếm cho các Triger
+ R input: Đây là chức năng đặt lại cấu hình của hàm
+ Tham số T: Là khoảng thời gian đặt theo chương trình để chuyển trạng thái của Relay và các tiếp điểm
Biểu đồ thời gian của Relay Xung
+ Triger input: Thời gian đặt cho Logo! để đóng mạch ra là các Q1 hoặc ngắt chúng
+ R input: Các chức năng cấu hình lại đƣa OUTPUT về 0
5.7.4 Chức năng đồng hồ đếm thời gian
Các chức năng thứ tự đƣợc hiển thị trên màn hình nhƣ sau
Nếu ký hiệu: Mo… Fr có nghĩa là mỗi tuần kéo dài từ thứ 2 đến thứ 6 Trong tuần, các chức năng kèm theo sẽ đƣợc thực hiện
MO…Fr Every day from Monday to Friday
Mo…Sa Every day from Monday to Saturday
Mo…Su Every day from Monday to Sunday
Sa…Su Saturday and Sunday
Các bước làm việc với Logo!
Để đƣa Logo! Vào làm việc trong một hện thống điều khiển nào đó ta phải tuần tự thực hiện các bước sau:
+ Bước 1: Nhấn đồng thời các nút ( , , OK) để khởi động Logo!
Nhằm thay đổi trạng thái hoặc đồng ý với chương trình
Hoặc muốn sửa đổi ta dùng (OK) hoặc (ESC)
Thực hiện việc đồng ý (OK) hoặc thoát khỏi (ESC)
+ Bước 2: Đặt tên cho các cổng vào - ra
Để thực hiện bước 3, người dùng cần sử dụng các phím chức năng để chọn các block và hàm theo yêu cầu của chương trình, sau đó nhấn OK để xác nhận hoặc ESC để hủy bỏ.
5.8.1 Thực đơn chính của Logo! Trong quá trình lập trình
5.8.2 Chuyển đổi sơ đồ nguyên lý điện sang các biểu diễn Block để thực hiện chương trình trong Logo!
Sơ đồ sau đây minh họa cho việc chuyển đổi và đấu nối Logo!:
Sau khi đấu nối ta tiến hành xây dựng Block chuyển đổi nhƣ sau
Bước 1: Tại lối ra Q1, lối đi nối tiếp của công tắc thường mở S3 kết nối với các thành phần khác nhau của mạch điện Các lối đi này được coi là hàm AND, tạo thành Block - Logo!
>Edit Prg Clear Prg Set Clock
>Set Clock Set Param esc ok ok esc
Bước 2: S1 và S2 được nối song song Như vậy, hàm logic sẽ là hàm OR Khi đó ta có Block chung nhƣ sau:
Như vậy là sau bước chuyển đổi, ta đã có thể mô tả mạch điều khiẻn cần thiết qua Logo!.
Chương trình của Logo! Điều khiển quá trình công nghệ
Để điều khiển quá trình công nghệ nhƣ đã nêu, ta cần lập trình cho Logo! theo Grafcet
Nếu coi quy trình công nghệ gia nhiệt gồm 3 giai đoạn, mạch vòng hở ta lập trình cho quy trình nấu bột nhƣ sau:
Quy trình nấu gồm 3 giai đoạn chính:
Là giai đoạn tăng nhiệt Ta phải tăng nhiệt độ vật liệu từ T 0 môi trường lên
Trong khoảng thời gian t1, quá trình truyền nhiệt từ mayxo đến vách ngăn của lò qua glixerin diễn ra, sau đó nhiệt được truyền đến vật liệu cần nấu Ở giai đoạn đầu tiên, khi nhiệt độ thành lò đạt T0 = 800°C.
-ΔT 0 trễ thì nồi nấu đƣợc hạ xuống dung dịch glixerin, thời gian để đạt đƣợc nhiệt độ T 0 = 80 0 C – ΔT 0 trễ là (t 1 – t 2a )
Khoảng thời gian t 1a là để gia tốc nhiệt độ của vật liệu nấu bột lên T 0 lv Quá trình này là một hàm phức tạp:
W% _ là độ ẩm của vật liệu
_ là độ rỗng của vật liệu x
Avl _ là chỉ số chất lƣợng của vật liệu
Thời gian xác định t 1 thường được thực hiện qua phương pháp thực nghiệm, kéo dài từ 60 đến 90 phút, tùy thuộc vào loại vật liệu, độ đồng đều và mức độ nén của vật liệu.
Giai đoạn giữ nhiệt là quá trình ngừng gia nhiệt và duy trì nhiệt độ T = T0 lv, đồng thời đóng kín các cửa thoát khí trong khoảng thời gian từ 30 đến 45 phút, tùy thuộc vào loại nguyên liệu.
Giai đoạn giảm nhiệt là quá trình ngừng cung cấp nhiệt và mở các cửa thoát khí để nhanh chóng hạ nhiệt độ Trong giai đoạn này, áp suất trong nồi nấu giảm và bơm tuần hoàn dịch cũng ngừng hoạt động Khi mở van phóng bột, một sự đánh tơi bột xảy ra, khiến các sợi mảnh nguyên liệu được phóng ra dưới áp suất giảm đột ngột, tạo ra bột tơi như mong muốn.
Ta gọi các tín hiệu đầu vào nhƣ sau:
I1 là tín hiệu nạp mảnh
- I1 = 1 có tín hiệu nạp mảnh
- I2 = 0 không có tín hiệu nạp mảnh
I2 là tín hiệu xông hơi
- I2 = 1 có tín hiệu xông hơi
- I 2 = 0 không có tín hiệu xông hơi
Ta có các tín hiệu đầu ra:
Q2 là van thải khí giả
Dựa vào lưu đồ Grafcet ta có thể lập trình sơ đồ điều khiển cho cả quá trình trên phần mềm Logosoft nhƣ sau:
Hình 5.19: Sơ đồ điều khiển quy trình công nghệ trên phần mềm logosoft
Phương trình cho toàn bộ quy trình nấu:
Dưới đây là sơ đồ điều khiển thể hiện hoạt động của quy trình ở giai đoạn 1
Hình 5.20: Sơ đồ điều khiển biểu diễn quá trình hoạt động của quy trình ở giai đoạn 1
Hình 5.21: Sơ đồ điều khiển biểu diễn quá trình hoạt động của quy trình ở giai đoạn 2
Hình 5.22: Sơ đồ điều khiển biểu diễn quá trình hoạt động của quy trình ở giai đoạn 3