MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................................................
TÓM TẮT............................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH.....................................................................................................................2
DANH SÁCH BẢNG BIỂU.................................................................................................................3
TÓM TẮT..............................................................................................................................................4
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ SẤY......................................................................7
NÔNG SẢN THỰC PHẨM..................................................................................................................7
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................55


DANH MỤC HÌNH ẢNH

2


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

3


TÓM TẮT
Đề tài nêu phương pháp thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò sấy
nông sản thực phẩm, hệ thống được thực hiện trên phần mềm mô phỏng Matlab qua
đó khảo sát và đánh giá hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò sấy nông sản thực phẩm.
Qua thời gian nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống điều
chỉnh nhiệt độ lò nhiệt với quá trình hiệu chỉnh của bộ điều khiển PID để ứng dụng
thiết thực, phục vụ hiệu quả trong hệ thống điều khiển. Tuy nhiên có nhiều hạn chế

triển trong khu vực và thế giới về mọi mặt Kinh tế và Xã hội. Do đó, việc tự động
hoá quá trình sấy công nghiệp là sự lựa chọn hàng đầu nhằm góp phần bảo quản
nguyên liệu, tăng năng suất tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo an toàn
thực phẩm, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.
Kinh tế xã hội phát triển nhu cầu đối với các dịch vụ hàng hóa trong nước
cũng như xuất khẩu ngày càng tăng, đòi hỏi về chất lượng cao hơn và mặt hàng
nông sản (Ngô, gạo, cà phê, ca cao, hồ tiêu) cũng là một trong các mặt hàng trong
số đó. Vì vậy, các nhà máy chế biến không còn là bán tự động mà phải được tự
động hóa hoàn toàn mới đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
Thực hiện việc cải tạo nâng cấp một hệ thống máy móc đầu tiên là thay thế hệ
thống điều khiển có thể lập trình được nhằm làm giảm sức lao động, cho mạch điều
khiển của hệ thống gọn nhẹ, hoạt động chính xác đáng tin cậy hơn và quan trọng
nhất là dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển khi có yêu cầu.
Từ đó em lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò
sấy nông sản thực phẩm”
Mục tiêu của đề tài là em xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để khảo
sát, đánh giá, nghiên cứu, thiết kế được bộ điều khiển cho lò sấy nông sản thực
phẩm.
Trong quá trình thực hiện đề tài này em đã tìm hiểu, trao đổi và tổng hợp các
kiến thức mà mình đã được học trong thời gian được học, cũng như tham khảo các
5


tài liệu liên quan khác để hoàn thành đề tài được giao. Cấu trúc của đồ án gồm hai
chương, mỗi chương em sẽ trình bày cụ thể các vấn đề nghiên cứu khác nhau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống lò sấy nông sản thực phẩm
Chương 2: Thiết kế, tính toán và mô phỏng hệ thống tự động điều chỉnh lò sấy
nông sản thực phẩm
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển
và Tự động hóa , đặc biệt là thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư đã tận tình hướng


Hình 1. 2. Hệ thống sấy cơm dừa tầng sôi

Hình 1. 3. Hệ thống sâý nông sản thực phẩm dạng tháp
8


Hình 1. 4. Máy sấy thùng quay, sấy liên tục
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy sấy khô nông sản khác nhau phổ
biến nhất là các máy sấy khô nông sản bằng khí nóng đối lưu tuần hoàn, tiếp nữa là
các máy ứng dụng công nghệ sấy vi sóng, công nghệ hơi nước bão hòa, ứng dụng
hồng ngoại…
 Ưu điểm của các loại máy sấy thực phẩm công nghiệp:
• Bảo toàn nguyên vẹn màu sắc và hương vị nguyên liệu: hầu như nguyên vẹn
so với sản phẩm tươi sống trước sấy.
• Thời gian cho một mẻ sấy ngắn: hệ thống hút ẩm, rút nước ra khỏi sản phẩm
nhanh, hạn chế sự thất thoát thoát nhiệt.
• Kích thước: lớn, phù hợp cho quy mô sấy công nghiệp, mỗi mẻ sấy khoảng
500kg- 1 tấn nguyên liệu tươi sống.
• Có thể được thiết kế linh hoạt: tùy theo nhu cầu sử dụng và đặc trưng sản
phẩm của khách hàng.
9


• Giá thành hợp lý: giúp làm giảm thiểu chi phí giá vốn cho sản phẩm sấy.
• Sử dụng được cho đa dạng các loại thực phẩm: như nông sản, thủy hải sản,
dược liệu, cho đến các loại vật liệu cần sấy ở nhiệt độ lớn như sấy sơn, sấy keo, sấy
khuôn, gỗ…
• Sử dụng công nghệ cao: giúp giảm thiểu mức điện năng tiêu thụ
• Khay sấy: đa dạng, có thể dễ dàng thay đổi, điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng

 Phương pháp thủ công là phơi.
+ Nhược điểm phương pháp này:
• Phụ thuộc vào thời tiết.
• Số lượng không lớn.
• Độ ẩm của ngô không đều.
 Phương pháp bán thủ công: Phương pháp này sử dụng lò sấy thủ công kết
hợp với con người.
+ Mô tả sơ qua về lò sấy bán tự động này, nhiệt để sấy được đốt từ bên ngoài
bằng nhiên liệu là lõi ngô và được thổi vào bên trong lò sấy nhờ động cơ quạt.
+ Lò sấy bên trên là sàn đổ ngô khi sấy quá trình đảo bằng sức người. Nếu lò
cỡ lớn thì thực hiện một mẻ sấy là khoảng 15 tấn thời gian mất khoảng 120 phút.
+ Đóng mở các động cơ điện vẫn sử dụng là cầu dao, hoặc Áp tô mát.
+ Ưu điểm phương pháp này.
• Vốn đầu tư ban đầu để xây dựng lò sấy ít.
• Quy trình sấy đơn giản.
+ Nhược điểm.
• Tốn nhiều công sức.
• Độ ẩm của ngô không đều.
• Thời gian sấy lâu.
• Số lượng ít.
Do yêu cầu đòi hỏi về độ ẩm tiêu chuẩn của ngô sau khi phơi hoặc sấy và để
khắc phục những nhược điểm của hai phương pháp trên, tôi xây dựng hệ thống lò
sấy tự động điều khiển sấy để tạo nhiều hiệu quả, năng suất cho người sản xuất.
+ Ưu điểm của lò sấy tự động.
• Không tốn nhiều nhân công.
• Thời gian sấy nhanh.
• Số lượng lớn.
• Độ ẩm của ngô đều và đạt tiêu chuẩn.
• Có kho chứa ngô thành phẩm và ngô thu về.
11

nắp, ngô được đổ vào khoang thứ hai.
13


c. Giai đoạn sấy Ngô
Ngô được đưa về các khoang chứa khi đủ sản lượng sấy thì ta tiến hành sấy,
Ngô được sấy liên hoàn cho đến khi đạt tiêu chuẩn độ ẩm.
Khi bắt đầu thực hiện sấy ngô được xả ra từ khoang chứa thứ hai nhờ hệ thống
xích tải, gầu tải Ngô được đưa vào lò sấy qua khoang nóng với nhiệt độ sấy (35 độ
C) rồi qua khoang làm nguội Ngô, trong khi đi qua khoang nóng và khoang làm
nguội, Ngô được đảo nhờ hệ thống cánh đảo trong lò sấy, ngô qua lò sấy được đưa
về khoang chứa thứ ba nhờ hệ thống xích tải, gầu tải. Ngô ở khoang chứa 1 và
khoang chứa 2 đã được sấy hết chu trình sấy đã thực hiện xong vòng sấy đầu tiên,
tiếp tục vòng sấy tiếp theo lúc này ngô lại được xả ra từ khoang chứa thứ 3 và qua
lò sấy đổ vào khoang chứa thứ 4 và chu trình sấy thực hiện liên hoàn như vậy cho
tới khi hệ thống báo đủ tiêu chuẩn độ ẩm khi đó ngô được chuyển về khoang chứa
thành phẩm.
Khi Ngô ở khoang chứa 1 và khoang chứa 2 đã được xả hết để sấy thì ta có thể
đưa ngô từ bên ngoài vào khoang chứa để tiếp tục sấy hoặc dự trữ.
d. Giai đoạn xử lý mạt Ngô khi sấy
Trong quá trình sấy lượng mạt ở ngô được bong ra ngoài rất nhiều do đó lượng
mạt này phải được tách khỏi hạt xuất phát từ vấn đề đó nên lượng mạt phải được
tách trong lúc sấy. Ở dàn sấy của lò đặt một hệ thống thổi mạt là động cơ quạt để
thổi mạt và động cơ này hoạt động cùng với lò sấy. Ngô sau khi qua lò sấy đưa về
các khoang chứa thì được hệ thống thổi mạt thổi hết mạt ra bên ngoài để đảm bảo môi
trường không bị bụi lượng mạt thổi ra phải được đưa qua các ống dẫn đến nơi mà
không gây ô nhiễm.
1.2.4. Phương án thiết kế tự động hoá dây truyền hệ thống sấy nông sản
a. Giới thiệu sản phẩm
Các sản phẩm truyền thống để sấy là cà phê, ngô, sắn... nhưng ở dây truyền lò


uu
r
f t : song song với mặt nghiêng

Hình 1. 8. Xích tải ngang nghiêng
15


 Khi tính toán chọn công suất động cơ truyền động xích tải, thường tính theo
các thành phần sau:
• Công suất P1 để dịch chuyển vật liệu.
• Công suất P2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ.
• Công suất P3 để nâng tải (Nếu là xích tải nghiêng).
• Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu là:

F1 = L.m.cos β .K1.g = ∂.L1.K1.g

(1.1)

Vì thành phần pháp tuyến: Tạo ra lực cản (ma sát) trong các ổ đỡ.

ur
F = L.m.cos β .g
n

Trong đó:

(1.2)



(1.6)

• Trong biểu thức trên lấy dấu cộng khi biểu thức đi lên và lấy dấu trừ khi biểu
thức đi xuống.
• Công suất nâng bằng:

P3 = F3 .V = ± m.H .V .g
16

(1.7)


• Công thức tĩnh của sức tải:

P = P1 + P2 + P3 = n.l.K1 + 2.l.mb .K 2 ± m.H .g .v

(1.8)

• Công suất động cơ truyền động xích tải được tính theo biểu thức sau:

Pdc = K 3 .P / η
Trong đó:

F3 hệ số dữ trữ về công suất

(1.9)

(K3=1,2 ÷ 1,25 )


thổi làm nguội Ngô được lấy từ ngoài nhờ động cơ quạt.
• Bên trong lò sấy có các cánh đảo và đặt hai cảm biến (sensor) nhiệt độ để
khống chế nhiệt độ khi sấy, nhiệt độ sấy là nhiệt độ gần với nhiệt độ của thiên nhiên
khi trời nắng để ngô sấy không bị cháy.
• Nhiệt độ của lò: 40 – 80 độ c
• Trên đỉnh của lò đặt hai cảm biến báo mức, báo đầy là mức trên (H) và báo
hết là mức dưới (L) để từ đó ta biết được lượng ngô đi vào lò sấy.
- Chức năng của các động cơ trong lò sấy:
• Động cơ M.212 là động cơ hút hơi nóng từ lò đốt vào lò sấy.
• Động cơ M.213 là động cơ thổi gió làm nguội ngô khi ngô đã qua khoang
nóng.
• Động cơ M.214 là động cơ quay các cánh đảo ngô.
18


• Động cơ M.215 là động cơ quay xích tải để đưa ngô từ lò sấy ra gầu tải.


Phương pháp sấy kiểu vỉ ngang

Hình 1. 10. Hệ thống sấy kiểu vỉ ngang
Hệ thống thiết kế được trang bị cảm biến đo nhiệt độ kết họp với vi xử lý để
điều khiển nhiệt độ và tốc độ quạt gió trong lò, cũng thông qua bảng điều khiển tự
động toàn bộ hoạt động của lò được giám sát bằng hệ thống đèn báo.
Hệ thống bao gồm:
•

Bộ gia nhiệt

•

vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung ở gần đó:

Q = R.I 2 .t

(1.10)

Trong đó:
Q: Nhiệt độ tỏa ra trên dây dẫn (J)
R: Điện trở của dây dẫn (Ω)
I: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn (A)
t: Thời gian dòng điện chạy qua (s)
1.3.4. Phân loại lò điện trở
- Theo phương pháp tỏa nhiệt, chia thành 2 nhóm:

• Lò điện trở trực tiếp: Là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp
bằng dòng điện chạy qua nó. Loại lò này ít dùng vì nó chỉ dùng để nung những vật
có hình dạng đơn giản (tiết diện hình chữ nhật, vuông, tròn..)
• Lò điện trở tác dụng gián tiếp: Là lò điện trở mà nhiệt được tỏa ra ở dây điện
trở, rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn
nhiệt. Loại lò này thường gặp trong thực tế công nghiệp.
- Theo nhiệt độ của lò, chia làm 3 loại:
• Lò có nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 60 độ C
• Lò có nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ làm việc từ 60 độ C ÷120 độ C.
• Lò có nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 120 độ C.

1.3.5. Cấu tạo lò điện trở
- Cấu tạo lò điện trở: Lò điện trở gồm 3 phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung.
• 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 và đảm bảo sự kín
20

21


• 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:
• Khả năng chịu nóng tốt, không bị ôxi hóa trong môi trường không khí ở
nhiệt độ cao.
• Có độ bền nóng cao, bền cơ học tốt.
• Có điện trở suất lớn.
• Có hệ số nhiệt điện trở nhỏ.
• Các kích thước phải ổn định.
• Các tính chất điện phải cố định.
• Để gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim cần ép khuôn được
chia dây nung làm 2 loại:
+ Dây nung kim loại: được chế tạo bằng các hợp kim Cr - Al; Cr - Ni và các
hợp kim có điện trở lớn.
+Dây nung phi kim loại: Dùng phổ biến là SiC, graphit, than.
1.3.6. Các phương pháp xây dựng mô hình toán học
Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mối
quan tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển. Để thực hiện việc này thì công
việc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển.
Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mô hình của đối tượng
điều khiển là một bước rất quan trọng trước khi xác định thuật toán và các tham số
điều khiển. Mô hình hóa giúp cho chúng ta:
• Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.
• Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống.
• Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.


(1.11)

• k: là hệ số khuếch đại tĩnh.
• τ : hằng số thời gian.
• θ: thời gian trễ xấp xỉ
1.3.9. Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình quán tính bậc hai có trễ
- Mô hình quán tính bậc 2 có trễ tuy tính toán phức tạp hơn nhưng lại mô tả
chính xác hơn động học của các đối tượng có đặc tính quá độ hình chữ S. Mô hình
truyền đạt có thể viết dưới dạng:

G ( s) =

k

( 1 + τ 1s ) ( 1 + τ 2 s )

Hoặc

23

e −θ s

(1.12)


G ( s) =

k
e −θ s

t3 − t 2
t2 − t1

Các phương pháp nhận dạng dựa trên mô hình dao động bậc 2.
- Trong trường hợp đặc tính quá độ của đối tượng có dạn dao động thì cần sử
dụng mô hình dao động:

G ( s) =

k
e −θ s
τ s + 2τζ s + 1
2 2

với hệ số tắt dần 0< ζ

;

sin ( 2 arctan α )

αζ

τ=

t k − ti
; θ = ti − ti .τ
t k − ti

 arctan α 
exp  −
÷
α



(1.16)

yk = 1.8277 − 1.7652ζ + 0.166688ζ 2
α=

1− ζ 2
ζ

tk = 3.4752 − 1.370ζ + 0.1930ζ 2
ti =