Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат по темі випускної роботи

Зміст

Введення

У зв'язку з бурхливим розвитком мікроелектроніки обчислювальна потужність сучасних мікроконтролерів значно збільшується, що призводить до здешевлення самих мікроконтролерів, і, відповідно, дозволяє використовувати надані ними можливості, в таких схемах, де раніше їх використання було економічно недоцільним. На ринку є величезний вибір програмованих логічних контролерів (ПЛК) як від іменитих виробників (Siemens, Advantech та ін), так і від бурхливо розвиваються, «нових» виробників, які, як правило, мають «азіатські» коріння. Останні, як правило, в своїх найдоступніших ПЛК використовують чіпи від фірм Atmel і Texas Instruments, з архітектурою AVR і PIC відповідно. Незважаючи на відомі переваги ПЛК від виробників першого ешелону (надійність, зручне програмне забезпечення (ПО) для роботи з ПЛК і навчання персоналу, технічна підтримка користувачів в режимі онлайн і т. д.), вони перекреслюються одним істотним недоліком – великою ціною таких ПЛК, що є особливо актуальним для невеликих підприємств і більшості Вузів. Тому актуальною є задача вибору альтернативи дорогим ПЛК, яку можна рекомендувати для навчання студентів принципам роботи з мікроконтролерами і побудови досить простих керованих контролерів. В якості такої альтернативи пропонується застосовувати відносно недорогі мікроконтролери Atmel/AVR і, зокрема, обчислювальну платформу Arduino. Метою роботи є розробка програмно-апаратного комплексу для отримання біо-паливних емульсій. На даній установці можна програмувати Мікроконтролер для подальшого використання його в будь-яких пристроях, застосовуються в промислових процесах, а також демонструвати програми.[3]

Приготування емульсій вимагає співпраці між фізиками і хіміками, оскільки фізики здатні готувати дрібні частинки, а хіміки – довго утримувати їх в такому стані. Справді, нині хіміки з великим мистецтвом запобігають утворенню великих скупчень частинок, їх випадання в осад або спливання. Серед численних продуктів, одержуваних сьогодні ультразвуковим шляхом, ми зустрічаємо продукти дитячого харчування, косметику, мазі, приправи, лаки, соуси, супи, плавлені сири, маргарин, майонез, горіхове масло, зубну пасту, томати, коктейлі і, звичайно, емульсійні фарби.[2]

1. Актуальність теми

Основну частину енергії в світі отримують у вигляді теплової енергії в процесі горіння викопного органічного палива, перетворюючи її, в разі необхідності, в електричну енергію. При вирабтке теплової енергії найбільше забруднюється навколишнє середовище, в першу чергу, продуктами згоряння палива. Близько 80% всіх видів забруднень біосфери обумовлено саме енергетичними процесами.[1]

Пошук нових альтернативних джерел палива є актуальною темою для всього світу. В даний час існують паливно-енергетичні та екологічні проблеми, такі як вугілля, нафта і природний газ. Пов'язано це з нестачею і подорожчанням викопних енергетичних ресурсів. Підвищення цін на нафту і нафтопродукти, а також виснаження природних джерел палива стали причиною активного розвитку наукових досліджень у напрямку пошуку та розробки альтернативних технологій [2]. На сьогоднішній день не викликає сумнівів той факт, що біопаливо, що отримується з відновлюваної сировини, сільськогосподарських відходів і відходів промисловості, може стати вирішенням енергетичних проблем. Вже в даний час у багатьох провідних країнах світу (США, Бразилія, Німеччина, Японія, Китай, Франція та ін) освоєно промислове виробництво екологічно чистих біопалива, сировиною для одержання яких є рослинна і мікробна біомаса, відходи різних виробництв [3]. Останнім часом енергетичному використанню біомаси приділяється особлива увага, так як за умови її безперервного відновлення не відбувається збільшення в атмосфері концентрації СО2. Крім того, у багатьох країнах світу, при загальній насиченості їх продовольчих ринків, є величезні надлишки оброблюваних земель, частина з яких вже з успіхом використовується під обробіток энергокультур.

В найближчому майбутньому всі надлишки оброблюваних земель планується зайняти энергоплантациями. Так, наприклад, у Німеччині вирощування біомаси на різних типах энергоплантаций передбачається здійснювати до 2030 року на площі 2,0–4,3 млн. га, а до 2050-го – на площі 4,2–6,1 млн. га з 17,3 млн. га використовуються в даний час в сільгоспвиробництві [1].

Починаючи з кінця минулого тисячоліття, у всьому світі проявляється найактивніший інтерес до біомаси як до джерела енергії. Є ряд причин і рушійних сил, які підштовхують промисловість до використання біомаси в паливній індустрії: 1. сталий розвиток: джерело чистої та відновлюваної енергії; 2. універсальність застосування: енергетика, теплопостачання, транспорт; 3. енергетична безпека: диверсифікація джерел енергії, регіональні джерела; 4. охорона навколишнього середовища: зниження викидів парникових газів, деградації землі, впливу джерел, що ведуть до зміни клімату.

Паливно-енергетичні ресурси планети до початку ХХІ ст. значно зменшилися, а енергоспоживання постійно зростає. Сучасний рівень енергоспоживання в світі еквівалентний 12 млрд. т. у.т. З урахуванням існуючих темпів зростання до 2050 р. світове енергоспоживання досягне 15 млрд. т. у.т., а за більш песимістичними прогнозами – 25 млрд. т. у.т. Виходячи з цього, актуальним завданням в даний час є отримання біо-паливних емульсій з застосуванням ультразвукових технологій а так само програмно-апаратного комплексу для дистанційного регулювання процесів.

Магістерська робота присвячена актуальному науковому завданню розробки програмно-апаратного комплексу для отримання біо-паливних емульсій, спрямованого на модернізацію існуючих методів отримання, а також до поліпшення способу регулювання процесом шляхом впровадження в розробку знань з області Arduino, а саме за допомогою мікроконтролерів керувати дистанційно установкою через мобільний додаток, в якості інструментальних засобів будуть виступати Arduino IDE, Android Studio.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою дослідження є розробка програмно-апаратного комплексу для отримання біо-паливних емульсій.

Основні завдання дослідження:

  1. Аналіз існуючих систем культивування біомаси мікроводорості
  2. Оцінка ефективності технології отримання біомаси мікроводорості
  3. Пошук і виявлення характеристик протікання процесу отримання біопалива, істотно впливають на вихід основного продукту.
  4. Розробка програмно-апаратного комплексу установки для отримання біопаливних емульсій

Об'єкт дослідження: виробництво біопалива.

Предмет дослідження: удосконалення методів отримання біопалива з мікроорганізмів.

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальнихнаукових результатів за наступними напрямками:

  1. Впровадження нових методів для регулювання процесу отримання біопалива, орієнтованого на компактність установки і легкості управління процесом.
  2. Визначення найкращого середовища для застосування в якості вихідної сировини для отримання біопалива.
  3. Застосування нових методів отримання біопаливних емульсій.

3. Огляд досліджень і розробок

В якості сировини для виробництва біопалива можна використовувати біомасу рослинного або тваринного походження, включаючи відходи промислових виробництв або залишки життєдіяльності тварин. Перспективною сировиною для біопалива є морські мікроводорості, які не вимагають ні чистої води, ні землі. Водорості активно поглинають вуглекислий газ, а значить їх використання дійсно корисно для зменшення парникового ефекту. Паливо з мікроводоростей називають біопаливом третього покоління, і в даний час ведуться активні розробки по його виробництву. Одним з представників мікроводоростей є Spiruline. Spiruline-синьо-зелена одноклітинна водорість роду ціанобактерій. Процес культивування даних мікроорганізмів відбувається за рахунок утворення органічних речовин з вуглекислого газу і рідкого живильного середовища, а джерелом енергії служить сонячне світло [1]. Для розробки високоефективного способу вирощування Spiruline необхідно провести аналіз існуючих систем культивування. В даний час в промисловості застосовується кілька систем для культивування цієї мікроводорості. Найпоширенішим способом є культивування в басейнах відкритого типу [1]. Відмінною особливістю даного способу є використання неглибоких водойм, розташованих на ділянках з прямим доступом сонячного світла. В таких системах зазвичай застосовується механічний спосіб перемішування за допомогою барабанів і лопатевих коліс

Відомі різні способи отримання емульсій і суспензій і зокрема із застосуванням ультразвуку. Всі відомі методи емульгування пов'язані з впливом на рідину в рідині (масло-вода, нафта - вода і т. д.), а методи суспендування - на тверду фазу в рідині. Недоліком відомих способів одержання емульсій і суспензій, є їх непридатність для отримання водних емульсій і суспензій тугоплавких органічних композицій, наприклад важких нафтошламів, відпрацьованих паливно-мастильних матеріалів, воску, відомі способи емульгування і (або) суспендування придатні або для композицій рідина в рідину. Завданням цього винаходу є отримання емульсій і суспензій тугоплавких органічних сполук.

3.1 Передбачувана наукова новизна

Знаходження або отримання оптимальних характеристик процесу ультразвукового впливом на середовище з метою отримання біопаливних емульсій. Підбір найкращих характеристик процесу отримання біопаливних емульсій з метою збільшення виходу готового продукту. Впровадження системи контролю управління для автоматизації процесу управління на базі мікроконтролерів Arduino.

Предпологаемая наукова новизна дослідження полягає в тому, що багато експерименти з якими ми працюємо проводяться на старих установках на яких, де точність визначених даних ставиться під сумнів. Введена нами модель взаємодії з установкою розширить встановлені межі контролю установкою. Нинішні обмеження у здійснення контролю даних можуть бути подолані, якщо застосувати раціональний підхід до зчитуємо даних, а саме шляхом впровадження в систему отримання біопаливних емульсій контролюючих датчиків, а саме за допомогою систем автоматики і робототехніки Arduino, апаратна частина являє собою набір змонтованих друкованих плат, продаються як офіційним виробником, так і сторонніми виробниками. Повністю відкрита архітектура системи дозволяє вільно копіювати або доповнювати лінійку продукції Arduino.

4. Базова концепція автоматизації системи отримання біопаливних емульсій

Наступним етапом стала розробка програмно-апаратного комплексу. До цього пристрою було кілька вимог:

Після того як всі комплектуючі були отримані, починаємо збірку. Arduino Nano (замість неї можна взяти Arduino Mini вона дешевше і USB потрібен тільки на етапі налагодження) і радіомодуль з'єднуються за стандартною схемою, єдина відмінність в тому, що харчування 3.3 В підключається до акумулятора. Для економії заряду випаяв резистори світлодіодів. Вихід 3.3 В використовувати не можна так як буде додаткове падіння напруги на вбудованому в CH340 стабілізаторі. Ще можна випаяти стабілізатор на 5В, він все одно не використовується, але навіть при випадковому замиканні контактів Vin і 5В замикає лінію живлення на землю, розряджаючи на себе акумулятор.[4].

схема підключення датчика до плати Arduino

Малюнок 1 – Схема підключення датчика до плати Arduino

Для того щоб правильно підключити всі датики продемонструємо принципову схему процесу підготовки підключення датчиків до плати Arduino. Насамперед нам необхідно впровадити в систему Bluetooth датчик, безпосередньо як засіб передачі даних на вхід і на вихід. Наступним етапом буде під'єднання до нашої системи температурного датчика, який також може сигналізувати показання вологи (ds18b20).

Можливі схеми підключення датчиків

Малюнок 2 – Можливі схеми підключення датчиків
(анімація: 4 кадрів, 6 циклів повторення, 194 кілобайт)

Висновки

За допомогою мікроконтролерного управління передбачається підтримування таких параметрів як: температура середовища, інтенсивність подачі СО2 і живильного середовища , інтенсивність перемішування культури, витримка тимчасових інтервалів для необхідного освітлення, контроль пропускання світла через середовище для визначення інтенсивності розвитку вихідної культури.На даному етапі дослідження, основна мета – досягнення ефективності роботи і управління фотобіореактора величезну роль при цьому, грає підбір і вибір складу живильного середовища, а також технологія ефективного вирощування штаму мікродоростей Spiruline, що в підсумку і дасть можливість отримати екологічно чисте і економічно вигідне у використанні біопаливо.

Магістерська робота присвячена актуальному науковому завданню екологічно чистому виробництву біопалива. В рамках проведених досліджень виконано:

  1. Розроблена програмно-апаратного комплексу для контролю технологічних параметрів
  2. На підставі аналізу літературних джерел виділено основні етапи, які можуть бути використані при синтезі біопалива.
  3. Проведено ряд експериментів по взаємодії з мікроконтролерами

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

  1. Пошуки якісного середовища для культивування штаму.
  2. Підбір необхідно досяжного ефекту в момент дії на водорості ультразвукової хвилі.
  3. Розробка мобільного додатку для дистанційного контролю установкою.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  1. Carvalho A.P., Meireles L.A., Malcata F.X. Microalgal reactors: a review of enclosed system design and performances. Biotechnology Progress. 2006, 22, 1490-1506.
  2. Duque, J.R. Hydrodynamic computational evaluation in solar tubular photobioreactors bends / J. R. Duque. – CT&F Ciencia: Tecnologia y Futuro, 2011. – 72 p.
  3. Информационный сайт, посвящённый теме микроконтроллеров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/21916/1/conference_tpu-2015-C47-V1-002.pdf
  4. Информационный сайт, посвящённый теме Arduino [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://arduino.ua/art63-kompleks-domashnei-avtomatizacii-chast-2
  5. Оценка эколого-экономического эффекта от использования в качестве топлива водомазутной эмульсии, приготовленной из мазутосодержащих отходов / С. В. Гридин, А. Л. Хохлова // Промышленная теплотехника – 2010. – №3. – C. 59–63.
  6. Официальный сайт ЗАО «ЖАСКО» [Электронный ресурс]. – http://www.evrobriket.ru/SVBR.html.
  7. Информационный портал РТК НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://gisprofi.com/catalog/items713.html.