Nội dung

Kỷ yếu kỷ niệm 35 năm thành lập Trường ĐH ng nghiệp Th c ph m T h inh -2017) NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY SẤY BƠM NHIỆT VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƢU TRONG SẤY MÀNG GẤC Đặng Văn Hải Trường Đại học ng nghiệp Th c ph m Thành phố h inh Email: haidv@cntp.edu.vn Ngày nhận bài: 27/06/2017; Ngày chấp nhận đăng: 30/08/2017 TÓM TẮT Mục đích của đề tài là nghiên cứu điều khiển một số thông số làm việc của máy sấy bơm nhiệt và xác định chế độ sấy tối ưu thí nghiệm sấy màng gấc 2 kg/mẻ, nhằm góp phần điều khiển và xác định chế độ sấy tối ưu của máy sấy bằng bơm nhiệt có thể đáp ứng khả năng sấy cho nhiều loại sản phẩm khác nhau. Việc điều khiển nhiệt độ và vận tốc tác nhân sấy phù hợp sẽ vận hành đơn giản với độ chính xác và ổn định cao, tăng năng suất sấy, tiết kiệm được chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp quy hoạch thực nghiệm cực trị tối ưu và lý thuyết điều khiển tự động. Thí nghiệm được bố trí dạng bậc II Box -Hunter. Bài toán tối ưu được giải bằng phần mềm Matlab. Kết quả đề tài đã xác định được chỉ tiêu tối ưu của chi phí năng lượng sấy, ứng với các giá trị các yếu tố đầu vào nhiệt độ và tốc độ tác nhân sấy. Ngoài ra, đề tài đã đạt được kết quả điều khiển tự động các thông số làm việc của máy sấy bơm nhiệt ứng dụng PLC S7-200 theo phương pháp điều khiển vòng kín sử dụng bộ điều khiển PID, trong đó nhiệt độ sấy được điều chỉnh trong giới hạn làm việc với độ ổn định cao, sai số so với nhiệt độ cài đặt trong khoảng cho phép và điều khiển vận tốc tác nhân sấy ổn định. Từ khóa: Điều khiển máy sấy bơm nhiệt. 1. MỞ ĐẦU Nước ta là một nước có điều kiện đất đai và khí hậu thuận lợi cho việc phát triển của nhiều loại thực vật nói chung và cây ăn trái nói riêng. Các loại rau, quả ở nước ta rất phong phú với chất lượng đặc trưng và tiềm năng phát triển đầy hứa hẹn cho ngành công nghệ bảo quản và chế biến nông sản thực phẩm. Yêu cầu sản phẩm công nghệ chế biến sau thu hoạch phải đáp ứng được thị hiếu tiêu dùng, phải có tính cạnh tranh cao trên thị trường. Chất lượng của sản phẩm sấy yêu cầu về độ khô, một số sản phẩm còn đòi hỏi phải đảm bảo màu sắc, hương vị cao như các sản phẩm có chứa tinh dầu, hương hoa, dược phẩm. Các phương pháp sấy ở nhiệt độ cao có thể phá hủy các chất hoạt tính sinh học như hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protein và làm thay đổi chất lượng sản phẩm. Vì vậy để đáp ứng được yêu cầu về màu sắc, mùi vị tự nhiên sau khi sấy, người ta đã áp dụng phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp, trong đó phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt tỏ ra có hiệu quả cao hơn cả [3]. Hiện nay trên thế giới có nhiều nước đã ứng dụng thành công tự động hóa vào sản xuất chế biến sấy nông sản thực phẩm, đã đạt được những kết quả rất cao về năng suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên thực trạng ở Việt Nam hiện nay tự động hoá chưa phát triển. Vấn đề chính là đầu tư các thiết bị điều khiển tự động nhập khẩu quá cao. Các hệ thống nói trên rất đắt tiền nếu xảy ra hư hỏng dù nhỏ, chỉ có các hãng sản xuất nắm bí quyết công nghệ mới sửa chữa được, còn chúng ta hầu như khó thể can thiệp vào. Việc nghiên cứu điều khiển một số thông số làm việc của máy sấy bơm nhiệt và xác định chế độ sấy 238 Nghiên cứu điều khiển một số th ng số làm việc của máy sấy bơm nhiệt và xác định chế độ sấy tối ưu... tối ưu cho nhiều loại sản phẩm sấy khác nhau này có những ưu điểm sau: - Phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam. - Thích hợp để sấy khô các vật phẩm không chịu được nhiệt độ cao. - Chất lượng, màu sắc và mùi vị của sản phẩm sấy được giữ tốt hơn. - Tự động hóa cao, vận hành đơn giản, nâng cao năng suất và hiệu quả sử dụng máy. - Máy sấy bơm nhiệt có thể sấy được nhiều loại sản phẩm khác nhau. 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị điều khiển tự động hai thông số nhiệt độ và tốc độ tác nhân sấy trên mô hình sấy bằng bơm nhiệt phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học và thí nghiệm của cán bộ và sinh viên nên mô hình phải điều chỉnh được dễ dàng và chính xác. 2.2. Nội dung nghiên cứu chính bao gồm: - Nghiên cứu điều khiển một số yếu tố làm việc gồm nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy của máy sấy bơm nhiệt [3,8]. - Qui hoạch thực nghiệm, phân tích sản phẩm để xác định chế độ sấy tối ưu trong sấy màng gấc. - Phạm vi sử dụng rộng: có thể sấy nhiệt thông thường, sấy hồng ngoại (nhiệt độ > 40 ºC, không bơm nhiệt) và sấy bơm nhiệt ở các chế độ nhiệt độ sấy từ 20-80 ºC. 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thực nghiệm. 2.3.1 hương pháp nghiên cứu lý thuyết điều khiển nhiệt độ và tốc độ tác nhân sấy Để nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển có khả năng sấy được ở nhiều mức nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy khác nhau. Dùng một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển. Bộ điều khiển PID có khả năng làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm khả năng lố vọt nếu các thông số của bộ điều khiển chưa được lựa chọn thích hợp [5]. Để điều khiển nhiệt độ và tốc độ động cơ sử dụng phương pháp Ziegler – Nicchols là phương pháp thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển. Bộ điều khiển PID cần thiết kế có hàn truyền là: ( ) ( ) (1) Điều khiển nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy trên máy sấy bơm nhiệt ứng dụng PLC S7-200 và phần mềm WinCC [2,8] có thể đáp ứng được yêu cầu sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau trên cùng một máy. Sơ đồ khối điều khiển có hai phần gồm: nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy (Hình 1). + Thiết bị phần cứng (máy sấy bơm nhiệt) là nơi nghiên cứu điều khiển nhiệt độ sấy và tốc độ tác sấy của máy sấy bơm nhiệt để sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau. Thiết bị đo và đóng, mở tín hiệu điều khiển: Cảm biến nhiệt độ PT100, cảm biến đo tốc độ gió, dùng các rơle trung gian và công tắc tơ để đóng mở cơ cấu chấp hành trên máy sấy bơm nhiệt (máy lạnh, điện trở, quạt...) [8]. + Thiết bị điều khiển gồm: Máy tính, PLC S7-200 CPU222 và các phần mềm WinCC 6.0, phần mềm PC Acess, phần mềm lập trình cho PLC STEP-MicroWin. Cổng truyền thông RS-485 kết nối máy tính và PLC. Để điều khiển các cơ cấu chấp hành từ PLC thông qua các rơle, công tắc tơ và biến tần [2,8]. Điều khiển nhiệt độ sấy: Điều khiển theo kiểu vòng kín, tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhiệt độ. Sau đó so sánh khoảng cách cài đặt và khoảng nhiệt độ để đóng mở nguồn điện trở phụ cho phù hợp với nhiệt độ sấy của nhiều mức khác nhau. Điều khiển tốc độ tác nhân sấy phù hợp với quy trình công nghệ sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau. Dùng thiết bị đo tốc độ tác nhân sấy sau đó so sánh khoảng cách cài đặt tốc độ phù hợp để biến tần điều 239 Đ ng ăn i khiển động cơ quạt gió theo đúng yêu cầu về công nghệ sấy. ình 1. Thiết kế PLC điều khiển sấy trên máy sấy bơm nhiệt 2.3.2 hương pháp nghiên cứu th c nghiệm Thiết bị thí nghiệm: Máy sấy bơm nhiệt đa năng được thiết kế, chế tạo do khoa công nghệ cơ khí trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TPHCM. Đối tượng nghiên cứu dùng máy sấy bơm nhiệt thí nghiệm 2kg/mẻ và các thiết bị đo để thực nghiệm sấy màng gấc sấy khô. Để đo đánh giá kết quả nghiên cứu thực nghiệm dùng ma trận quy hoạch thực nghiệm được lập theo phương án bậc hai Box–Hunter [6]. Bài toán tối ưu được giải bằng phần mềm Matlab [7]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả tính toán thiết kế và chế tạo 3.1.1. Điều khiển nhiệt độ sấy Trên giao diện hệ thống được điều khiển với hai chức năng độc lập là bán tự động và tự động. Người điều khiển đơn giản, tiện lợi, chính xác khi sấy nhiều chế độ sấy và loại sản phẩm khác nhau (Hình 2). ình Giao diện điều khiển máy sấy bơm nhiệt ình 3 Biểu đồ nhiệt độ sấy 240 Nghiên cứu điều khiển một số th ng số làm việc của máy sấy bơm nhiệt và xác định chế độ sấy tối ưu... Kết quả khảo nghiệm sơ bộ để đánh giá độ ổn định nhiệt độ (Hình 3). Kết quả điều khiển độ nhiệt độ sấy cho thấy mức độ ổn định dao động nhiệt cao so với nhiệt độ cài đặt 42 ºC. Theo quy trình công nghệ sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau như: sấy gấc, bí đỏ, khoai lang, chuối, hành lá,… nhiệt độ sấy có thể dao động từ 2-5 ºC cho thấy là đạt yêu cầu so với mục tiêu ban đầu đặt ra. 3.1.2. Điều khiển tốc độ tác nhân sấy Để điều khiển tốc độ tác nhân sấy máy sấy bơm nhiệt. Thiết bị cần sử dụng cho bộ điều khiển gồm biến tần và module EM235 của PLC. Do điều khiển PID nên ngõ ra EM235 của PLC thay đổi từ 0-10 V thông qua biến tần, tần số dòng điện thay đổi từ 0 đến 60Hz. Phương pháp thiết kế điều khiển tốc độ tác nhân sấy có 2 chế độ bán tự động và tự động [2,8]. Điều khiển tốc độ tác nhân sấy theo chế độ bán tự động: Mở nguồn và điều chỉnh tốc độ tác nhân sấy bằng biến trở gắn trên tủ điện hoặc thanh điều khiển tốc độ trên máy tính từ đó ta có thể có tốc độ tác nhân sấy như ý muốn. Điều khiển tốc độ theo chế độ tự động: Mở nguồn (khởi động) và nhập vận tốc cần điều khiển xong bấm nút “chấp nhận” so sánh tốc độ cài đặt và tốc độ thực hiển thị (Hình 2). Kết quả nghiên cứu điều khiển nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy của máy sấy bơm nhiệt ứng dụng PLC S7-200 với phần mềm WinCC [2,8]. Đã đáp ứng được mục tiêu đề ra là: vận hành điều chỉnh nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy đơn giản, ổn định, độ dao động và sai số xác lập nhỏ, có thể điều chỉnh ở nhiều mức phù hợp với quy trình công nghệ sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau. 3.2. Kết quả thực nghiệm và xác định chế độ sấy tối ƣu trong sấy màng gấc Để xác định khả năng làm việc, độ chính xác của hệ thống điều khiển và tạo ra các dữ liệu chuẩn dùng để so sánh, đánh giá tình trạng thiết bị làm việc. Đã tiến hành thực nghiệm trên hệ thống máy sấy để xác định chế độ sấy tối ưu trong sấy màng gấc (Hình 4). + Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm Bố trí thí nghiệm theo kiểu ngẫu nhiên hoàn toàn. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: áp dụng quy hoạch thực nghiệm nhiều yếu tố với phần mềm Statgraphics Version 7.0. B ng 1. Bố trí thí nghiệm và kết quả thực nghiệm ở dạng thực 0 T (oC) 1 45 3 màu đỏ đều 14530 2 50 4 màu không đều 12612 3 40 2 màu đỏ đều 17585 4 45 3 màu đỏ đều 14325 5 40 4 màu đỏ đều 15880 6 45 3 màu đỏ đều 14300 7 45 4,4142 màu đỏ đều 13596 8 45 3 màu đỏ đều 14310 9 45 3 màu đỏ đều 14320 10 52,07 3 màu không đều 13433 11 50 2 màu không đều 15460 12 45 1,5858 màu đỏ đều 16854 13 37,93 3 màu đỏ đều 17382 V (m/s) Màu sắc sản phẩm sấy 241 Q (kCal/2kgSP) Đ ng ăn i ình 4 Máy sấy bơm nhiệt đã được chế tạo * Kết quả phân tích phương sai dựa vào bảng ANOVA cho thấy: - R-squared = 0,996226, chứng tỏ mức độ tương quan rất cao. - Tất cả các hệ số hồi qui đều đảm bảo độ tin cậy (P-value < 0,05). - Kiểm tra tính tương thích của mô hình: Ta có Ftính = 2,64 < F1-p bảng  F1-p (f1,f2) = 9,1; vậy phương trình tương thích với thực nghiệm. B ng 2. Kết quả phân tích thống kê (ANOVA – Y1) Kết quả tính toán hệ số Ft theo chương trình Statgraphic vers 7.0 cho mô hình có mức độ ý nghĩa là p = 0,1855 > 0,05). Nên mô hình ở dạng bậc II được xây dựng là phù hợp. + Phân tích kết quả thực nghiệm Qua phân tích về giá trị hồi quy trên phần mềm Statgraphic vers 7.0 cho các giá trị của phương trình hồi quy ngõ ra Y1(Q). Y1 = Q = 67029,8 - 1889,24 X1-1376,65 X2 – 57,15 X1 X2 + 19,75 X12 + 467,2 X22 (2) + Kết quả tính toán tối ưu Phương án thực nghiệm bậc hai quay theo Box và Hunter. Xuất phát từ mục đích nghiên cứu bài toán tối ưu được lập trên cơ sở hàm Y1(Q) chi phí năng lượng đặc trưng cho chỉ tiêu nghiên cứu và vùng thực nghiệm được thiết lập của hàm này, cũng như yêu cầu về chất lượng sản phẩm, như vậy ta có bài toán tối ưu: Hàm mục tiêu: % chi phí năng lượng (dạng thực Q): Q = f(T, V) min Q = 67029,8 - 1889,24 T -1 376,65 V - 57,15 T V + 19,75 T2 + 467,2 V2 (3) Trong đó : T – Nhiệt độ sấy ( C) ; o V – Tốc độ tác nhân sấy (m/s); 40  T  50 2,0  V  4,0 Hàm điều kiện :  Để giải bài toán phân tích hồi quy gần đúng phụ thuộc vào phương pháp tính các hệ số hồi quy. Ở đây ta dùng phương pháp bình phương cực tiểu. Để thuận lợi cho việc nghiên cứu tính chất bề mặt đáp ứng lân cận điểm tối ưu, cần chuyển phương 242 Nghiên cứu điều khiển một số th ng số làm việc của máy sấy bơm nhiệt và xác định chế độ sấy tối ưu... trình trên về dạng chính tắc. Tịnh tiến hệ trục tọa độ có gốc tọa độ về một điểm đặc biệt trên bề mặt đáp ứng tâm S của mặt đáp ứng. Tọa độ tâm S là nghiệm của hệ phương trình: ình 5 Đồ thị của phương trình hồi quy (dạng thực) Quay hệ trục tọa độ quanh gốc hệ trục tọa độ mới để các trục trùng với các trục chính của bề mặt đáp ứng, sau đó nhận được phương trình chính tắc và bề mặt đáp ứng (Hình 6). ình 6 Bề mặt đáp ứng được biểu diễn bằng đa thức bậc 2 (dạng thực) Dựa vào bề mặt đáp ứng và đường contour dạng thực, đã cho thấy chi phí năng lượng bị ảnh hưởng rất lớn của hai yếu tố đầu vào là nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy. Nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy cao thì chi phí năng lượng giảm và ngược lại nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy thấp thì chi phí năng lượng năng cao. Lấy đó làm cơ sở cho việc chọn nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy cho nhiều loại sản phẩm khác nhau. + Xác định các thông số tối ưu theo chỉ tiêu chi phí năng lượng thấp nhất. Kết quả tính toán tối ưu cho thấy chi phí năng lượng thấp nhất (dựa trên mức cơ sở và quá trình khảo nghiệm thực tế) và được giải với phần mềm Matlab 2007a. - Chỉ tiêu tối ưu: Qmin= 1,4609e + 004=14609 kCal/2kg SP. - Nhiệt độ sấy Ttư = 47 oC. - Tốc độ tác nhân sấy Vtư = 2,2 m/s. Kết quả quá trình khảo nghiệm sấy màng gấc cho thấy sấy ở nhiệt độ 47 oC và tốc độ tác nhân sấy 2,2 m/s theo kết quả tối ưu là hợp lý mức độ chi phí năng lượng thấp, nhưng vẫn đảm bảo độ đồng đều về màu sắc và chất lượng của màng gấc sấy khô lớn hơn 95% (Bảng 2). 243 Đ ng ăn i Kết quả phân tích khảo nghiệm kiểm chứng khi điều khiển nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy của máy sấy bơm nhiệt ứng dụng PLC S7-200 với phần mềm WinCC. Đã cho thấy giảm chi phí năng lượng riêng nhưng vẫn đảm bảo về chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu đã góp phần thuận tiện trong việc thiết kế, chế tạo và vận hành hệ thống điều khiển tự động của máy sấy bơm nhiệt. Ứng dụng kết quả nghiên cứu sấy màng gấc sau đó phân tích kết quả thực nghiệm và xác định chế độ sấy tối ưu trong sấy màng gấc. B ng 2. Thành phần hoá học màng gấc sấy khô STT Thành phần Kết quả Đơn vị 1 Nước 7,6 (g/100g) 2 Lipit 31,46 (g/100g) 3 Protein 7,3 (g/100g) 4  - caroten 3,30 (mg/mL) 5 Lycopen 0,02032 (mg/mL) 4. KẾT LUẬN 4.1. Kết luận Kết quả nghiên cứu đã đạt được các kết quả sau: Nhiệt độ sấy được điều khiển ổn định, độ dao động và sai số xác lập nhỏ, nhiệt độ có thể điều chỉnh phù hợp ở nhiều mức. Tốc độ tác nhân sấy được điều khiển ổn định, đáp ứng khả năng sấy cho nhiều loại nguyên liệu sấy khác nhau trên cùng một loại máy sấy bơm nhiệt. 4.2. Kiến nghị Kiểm chứng lại kết quả tối ưu trên một số dây chuyền có năng suất cao. Kết quả điều khiển cần được tiếp tục phát triển để có thể ứng dụng trong thực tế cho nhiều loại máy sấy khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Minh Đức, Phạm Thị Trân Châu, Vũ Duy Giảng, 2010. Tính đa tác dụng của quả gấc. Hội thảo quốc tế ngày 26/01/2010. www.dddn.com.vn 2. Châu Trí Đức, 2008. Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7-200. ccduc2002@gmail.com, tr 277 . 3. 4. Chua K. J; Chou S.K and Ho J.C, 2004; Heat pump drying - principles and industrial applications , Drying technology workshop, tr 200 . Hoàng Văn Chước, 1997. Kỹ thuật sấy. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, tr 280. 5. Lương Văn Lang, 1996. Cơ sở tự động. Nhà xuất bản Giáo dục, tr 339. 6. Nguyễn Cảnh, 2004. Quy hoạch thực nghiệm. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tr 117. 7. Nguyễn Đức Thành, 2004. MATLAB và ứng dụng trong điều khiển. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tr 427. 8. Nguyễn Văn Hùng, 2007. Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị giám sát, đo lường, điều khiển nhiệt độ, ẩm độ đa kênh ứng dụng trong bảo quản chế biến nông sản thưc phẩm. Đề tài nghiên cứu khoa học Tp.HCM, tr 80. 244 Nghiên cứu điều khiển một số th ng số làm việc của máy sấy bơm nhiệt và xác định chế độ sấy tối ưu... 9. Trần Văn Phú, Lê Nguyên Đương, 1994. Kỹ thuật sấy nông sản. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, tr 150. 10. Vũ Đức Chiến, 2008. Hoàn thiện công nghệ và sản xuất thử nghiệm dầu màng gấc và dầu hạt gấc. Báo cáo dự án cấp bộ, tr 77. ABSTRACT STUDY ON CONTROLLING AND OPTIMIZING THE WORKING PARAMETERS OF A HEAT PUMP DRYER AND APPLYING FOR THE EXPERIMENT OF DRYING MEMBRANE OF MOMORDICA COCHINCHINENSIS Dang Van Hai Ho Chi Minh City University of Food Industry Email: haidv@cntp.edu.vn The objective of this paper is to optimize and control the parameters of a heat pump dryer which is used for drying the membrane Momordica cochinchinensis 2 kg/batch. The optimial parameters set is determined and control in order to apply this method for various products. Furthermore, by controlling the drying temperature and air velocity, the drying process becomes simpler and stabler compare to other methods. The efficency of the system is also improved, therefore, the cost of drying process is decreased. The proposed method was implemented based on the experimental and control theory method. BoxHunter experimental design and the optimization problems which are used in this paper were solved based on the Matlab environment. As the results, the optimized parameters of Momordica cochinchinensis were determined, in terms of the value of inputs of drying temperature and drying air velocity. Furthermore, the PID controller was implemented to control the parameters set using PLC S7-200. Here, the temperater is adjusted at high accuracy. The temperature control error is acceptable and the air velocity is stable during the operation. Keywords: Heat pump control. 245