Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В связи с бурным развитием микроэлектроники вычислительная мощность современных микроконтроллеров значительно увеличивается, что приводит к удешевлению самих микроконтроллеров, и, соответственно, позволяет использовать предоставляемые ими возможности, в таких схемах, где ранее их использование было экономически нецелесообразным. На рынке имеется огромный выбор программируемых логических контроллеров (ПЛК) как от именитых производителей (Siemens, Advantech и др.), так и от бурно развивающихся «новых» производителей, которые, как правило, имеют «азиатские» корни. Последние, как правило, в своих самых доступных ПЛК используют чипы от фирм Atmel и Texas Instruments, с архитектурой AVR и PIC соответственно. Несмотря на известные достоинства ПЛК от производителей первого эшелона (надежность, удобное программное обеспечение (ПО) для работы с ПЛК и обучения персонала, техническая поддержка пользователей в режиме онлайн и т.д.), они перечеркиваются одним существенным недостатком – большой ценой таких ПЛК, что является особенно актуальным для небольших предприятий и большинства ВУЗов. Поэтому актуальной является задача выбора альтернативы дорогим ПЛК, которую можно рекомендовать для обучения студентов принципам работы с микроконтроллерами и построения достаточно простых управляемых контроллеров. В качестве такой альтернативы предлагается применять относительно недорогие микроконтроллеры Atmel/AVR и, в частности, вычислительную платформу Arduino. Целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса для получения био-топливных эмульсий. На данной установке можно программировать микроконтроллер для дальнейшего использования его в каких–либо устройствах, применяемых в промышленных процессах, а также демонстрировать программы.[3]

Приготовление эмульсий требует сотрудничества между физиками и химиками, поскольку физики способны приготовлять мелкие частички, а химики – долго удерживать их в таком состоянии. В самом деле, ныне химики с большим искусством предотвращают образование больших скоплений частиц, их выпадение в осадок или всплытие. Среди многочисленных продуктов, получаемых сегодня ультразвуковым путем, мы встречаем продукты детского питания, косметику, мази, приправы, лаки, соусы, супы, плавленые сыры, маргарин, майонез, ореховое масло, зубную пасту, томаты, коктейли и, конечно, эмульсионные краски.[2]

1. Актуальность темы

Основную часть энергии в мире получают в виде тепловой энергии в процессе горения ископаемого органического топлива, преобразуя ее, в случае необходимости, в электрическую энергию. При вырабтке тепловой энергии больше всего загрязняется окружающая среда, в первую очередь, продуктами сгорания топлива. Около 80% всех видов загрязнений биосферы обусловлено именно энергетическими процессами.[1]

Поиск новых альтернативных источников топлива является актуальной темой для всего мира. В настоящее время существуют топливно-энергетические и экологические проблемы, такие как уголь, нефть и природный газ. Связано это с нехваткой и подорожанием ископаемых энергетических ресурсов. Повышение цен на нефть и нефтепродукты, а также истощение природных источников топлива стали причиной активного развития научных исследований в направлении поиска и разработки альтернативных технологий [2]. На сегодняшний день не вызывает сомнений тот факт, что биотопливо, получаемое из возобновляемого сырья, сельскохозяйственных отходов и отходов промышленности, может стать решением энергетических проблем. Уже в настоящее время во многих ведущих странах мира (США, Бразилия, Германия, Япония, Китай, Франция и др.) освоено промышленное производство экологически чистых биотоплив, сырьем для получения, которых является растительная и микробная биомасса, отходы различных производств [3]. В последнее время энергетическому использованию биомассы уделяется особое внимание, так как при условии ее непрерывного восстановления не происходит увеличения в атмосфере концентрации СО2. Кроме того, во многих странах мира, при общей насыщенности их продовольственных рынков, имеются огромные излишки обрабатываемых земель, часть из которых уже с успехом используется под возделывание энергокультур.

В ближайшем будущем все излишки обрабатываемых земель планируется занять энергоплантациями. Так, например, в Германии выращивание биомассы на различных типах энергоплантаций предполагается осуществлять к 2030 году на площади 2,0–4,3 млн. га, а к 2050-му – на площади 4,2–6,1 млн. га из 17,3 млн. га используемых в настоящее время в сельхозпроизводстве [1].

Начиная с конца прошлого тысячелетия, во всем мире проявляется самый активный интерес к биомассе как к источнику энергии. Есть ряд причин и движущих сил, которые подталкивают промышленность к использованию биомассы в топливной индустрии: 1. устойчивое развитие: источник чистой и возобновляемой энергии; 2. универсальность применения: энергетика, теплоснабжение, транспорт; 3. энергетическая безопасность: диверсификация источников энергии, региональные источники; 4. охрана окружающей среды: снижение выбросов парниковых газов, деградации земли, влияния источников, ведущих к изменению климата.

Топливно-энергетические ресурсы планеты к началу ХХI в. значительно уменьшились, а энергопотребление постоянно возрастает. Современный уровень энергопотребления в мире эквивалентен 12 млрд. т.у.т. С учетом существующих темпов роста к 2050 г. мировое энергопотребление достигнет 15 млрд. т.у.т., а по более пессимистическим прогнозам – 25 млрд. т.у.т. Исходя из этого, актуальной задачей в настоящее время является получение био-топливных эмульсий с применением ультразвуковых технологий а так же программно-аппаратного комплекса для дистанционного регулирования процессов.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче разработки программно-аппаратного комплекса для получения био-топливных эмульсий, направленного на модернизацию существующих методов получения, а также к улучшению способа регулирования процессом путем внедрения в разработку знаний из области Arduino, а именно при помощи микроконтроллеров управлять дистанционно установкой через мобильное приложение, в качестве инструментальных средств будут выступать Arduino IDE, Android Studio.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка программно-аппаратного комплекса для получения био-топливных эмульсий.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ существующих систем культивирования биомассы микроводоросли
  2. Оценка эффективности технологии получения биомассы микроводоросли
  3. Поиск и выявление характеристик протекания процесса получения биотоплива, существенно влияющих на выход основного продукта.
  4. Разработка программно-аппаратного комплекса установки для получения биотопливных эмульсий

Объект исследования: производство биотоплива.

Предмет исследования: совершенствование методов получения биотоплива из микроорганизмов.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Внедрение новых методов для регулирования процесса получения биотоплива, ориентированного на компактность установки и легкости управления процессом.
  2. Определение наилучшей среды для применения в качестве исходного сырья для получия биотоплива.
  3. Применение новых методов получение биотопливных эмульсий.

3. Обзор исследований и разработок

В качестве сырья для производства биотоплива можно использовать биомассу растительного или животного происхождения, включая отходы промышленных производств либо остатки жизнедеятельности животных. Перспективным сырьем для биотоплива являются морские микроводоросли, которые не требуют ни чистой воды, ни земли. Водоросли активно поглощают углекислый газ, а значит их использование действительно полезно для уменьшения парникового эффекта. Топливо из микроводорослей называют биотопливом третьего поколения, и в настоящее время ведутся активные разработки по его производству. Одним из представителей микроводорослей является Spiruline. Spiruline – сине-зеленая одноклеточная водоросль рода цианобактерий. Процесс культивирования данных микроорганизмов происходит за счет образования органических веществ из углекислого газа и жидкой питательной среды, а источником энергии служит солнечный свет [1]. Для разработки высокоэффективного способа выращивания Spiruline необходимо провести анализ существующих систем культивирования. В настоящее время в промышленности применяется несколько систем для культивирования этой микроводоросли. Самым распространённым способом является культивирование в бассейнах открытого типа [1]. Отличительной особенностью данного способа является использование неглубоких водоемов, расположенных на участках с прямым доступом солнечного света. В таких системах обычно применяется механический способ перемешивания посредством барабанов и лопастных колес

Известны различные способы получения эмульсий и суспензий и в частности с применением ультразвука. Все известные методы эмульгирования связаны с воздействием на жидкость в жидкости (масло-вода, нефть - вода и т.д.), а методы суспендирования - на твердую фазу в жидкости. Недостатком известных способов получения эмульсий и суспензий, является их непригодность для получения водных эмульсий и суспензий тугоплавких органических композиций, например тяжелых нефтешламов, отработанных горюче-смазочных материалов, воска, тугоплавких жиров, парафина и др. Известные способы эмульгирования и (или) суспендирования пригодны либо для композиций жидкость в жидкость. Задачей настоящего изобретения является получение эмульсий и суспензий тугоплавких органических соединений.

3.1 Предполагаемая научная новизна

Нахождение или получение оптимальных характеристик процесса ультразвукового воздействием на среду в целях получения биотопливных эмульсий. Подбор наилучших характеристик процесса получения биотопливных эмульсий с целью увелечения выхода готового продукта. Внедрение системы контроля управления для автоматизации процесса управления на базе микроконтроллеров Arduino.

Предпологаемая научная новизна исследования состоит в том, что многие эксперименты с которыми мы работаем проводятся на старых установках на которых, где точность определяемых данных ставится под сомнение. Вводимая нами модель взаимодействия с установкой расширит установленные границы контроля установкой. Нынешние ограничения в осуществления контроля данных могут быть преодолены, если применить рациональлный подход к считываем данных, а именно путем внедрения в систему получения биотопливных эмульсий контролирующих датчиков, а именно при помощи систем автоматики и робототехники Arduino, Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino.

4. Базовая концепция автоматизации системы получения биотопливных эмульсий

Следующим этапом стала разработка програмно-аппаратного комплекса. К этому устройству было несколько требований:

После того как все комплектующие были получены, начинаем сборку. Arduino Nano (вместо нее можно взять Arduino Mini она дешевле и USB нужен только на этапе отладки) и радиомодуль соединяются по стандартной схеме, единственное отличие в том, что питание 3.3В подключается к аккумулятору. Для экономии заряда выпаял резисторы светодиодов. Выход 3.3В использовать нельзя так как будет дополнительное падение напряжения на встроенном в CH340 стабилизаторе. Еще можно выпаять стабилизатор на 5В, он все равно не используется, но даже при случайном замыкании контактов Vin и 5В замыкает линию питания на землю, разряжая на себя аккумулятор.[4].

Схема подключения датчика к плате Arduino

Рисунок 1 – Схема подключения датчика к плате Arduino

Для того чтобы правильно подключить все датики продемонстрируем принципиальную схему процесса подготовки подключения датчиков к плате Arduino. Первым делом нам необходимо внедрить в систему Bluetooth датчик, непосредственно как средство передачи данных на вход и на вывод. Следующим этапом будет подсоединение к нашей системе температурного датчика который также может сигнализировать показания влаги (ds18b20).

Возможные схемы подключения датчиков

Рисунок 2 – Возможные схемы подключения датчиков
(анимация: 4 кадров, 6 циклов повторения, 194 килобайт)

Выводы

С помощью микроконтроллерного управления предполагается поддерживание таких параметров как: температура среды, интенсивность подачи СО2 и питательной среды , интенсивность перемешивания культуры, выдержка временных интервалов для необходимого освещения, контроль пропускания света через среду для определения интенсивности развития исходной культуры.На данном этапе исследования, основная цель – достижение эффективности работы и управления фотобиореактора Огромную роль при этом, играет подбор и выбор состава питательной среды, а также технология эффективного выращивания штамма микродорослей Spiruline, что в итоге и даст возможность получить экологически чистое и экономически выгодное в использовании биотопливо.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче экологически чистому производству биотоплива. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Разработана програмно-аппаратного комплекса для контроля технологических параметров
  2. На основании анализа литературных источников выделены основные этапы, которые могут быть использованы при синтезе биотоплива.
  3. Проведен ряд экспериментов по взаимодействию с микроконтроллерами

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

  1. Поиски качественной среды для культивирования штамма.
  2. Подбор необходимо достижимого эффекта в момент действия на водоросли ультразвуковой волны.
  3. Разработка мобильного приложения для дистанционного контроля установкой.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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.