Tự động điều khiển độ ẩm máy ấp trứng gia cầm bằng bộ điều chỉnh PID số S7- 200

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Tự động điều khiển độ ẩm máy ấp trứng gia cầm bằng bộ điều chỉnh PID số S7- 200

Trang 1

Đặt vấn đề

Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều những thành tựu vượt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn xuất khẩu ra thị trường thế giới Với thành tựu to lớn đó, chúng

ta phải kể đến ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh

tế quốc dân Sự phát triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xoá đói giảm nghèo và ngày càng có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại Ngày nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô vừa và lớn do đó vấn đề con giống là hết sức bức xúc

ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phương pháp tối ưu để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp

được một số lượng trứng lớn, và chất lượng con giống được nâng cao

Trong quá trình ấp trứng, ẩm độ là một trong những thông số rất quan trọng nó ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ấp nở Vì vậy việc đảm bảo lượng ẩm cần thiết cho quá trình ấp nở là hết sức quan trọng cho từng giai đoạn ấp

Ngày nay, việc đưa PLC vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp đã

đáp ứng tốt các yêu cầu trong điều khiển tự động hoá, nó đã trở thành yếu tố chính để nâng cao hơn nữa hiệu quả của sản xuất trong công nghiệp nước ta Việc đưa PLC vào điều khiển cho máy ấp trứng công nghiệp là rất cần thiết, vì

nó đảm bảo điều khiển chính xác các thông số cho quá trình ấp nở và cho hiệu quả ấp nở cao, hệ thống điều khiển ngọn nhẹ, dễ dàng thao tác, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông dân Do vậy chúng tôi sử dụng PLC S7- 200 với CPU 224 để thực hiện tự động điều khiển độ ẩm cho máy ấp trứng gia cầm

Được sự phân công của bộ môn Điện, với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Văn Đường, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài:

"Tự động điều khiển độ ẩm máy ấp trứng gia cầm bằng bộ điều chỉnh PID

số S7 - 200" đã đạt được những thành công đáng kể

Trang 2

Nội dung chi tiết của đề tài đã được trình bày trong báo cáo chính, bao gồm các phần sau:

Chương4: Chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu

Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm

Kết luận và kiến nghị

Sau đây là tóm tắt nội dung chính của đề tài:

Trang 3

Chương 1 Tổng quan về ấp trứng gia cầm và đIều khiển độ ẩm trong máy ấp

trứng gia cầm

Trong máy ấp trứng công nghiệp, có hai chế độ ấp là ấp đơn kỳ và ấp đa

kỳ, tương ứng với hai chế độ ấp này ta có máy ấp đơn kỳ và máy ấp đa kỳ Các chế độ ấp khác nhau thì yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm là khác nhau

ấp đơn kỳ là chế độ ấp mà tất cả số trứng trong máy đều được đưa vào cùng một lúc nên chúng có tuổi ấp và tuổi nở giống nhau

ấp đa kỳ là là chế độ ấp mà trứng được đưa vào buồng ấp theo từng đợt, thông thường là 3 đợt, mỗi đợt cách nhau là một tuần

1.1 Yêu cầu về độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm

Độ ẩm là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình ấp Yêu cầu cụ thể được xác định theo các bảng dưới đây:

* Yêu cầu ẩm đối với máy ấp đơn kỳ

Bảng 1.1: Bảng thông số về độ ẩm của từng giai đoạn ấp

trong máy ấp đơn kỳ (đối với trứng gà)

Các giai đoạn ấp Độ ẩm tương đối ( %) Nhiệt độ nhiệt kế ướt

Trang 4

* Yêu ẩm đối với máy ấp đa kỳ

Bảng 1.2: Bảng thông số về độ ẩm của từng giai đoạn trong máy ấp đa kỳ

Trong các máy ấp thế hệ cũ, phương pháp điều chỉnh đóng ngắt thường

được sử dụng nhiều Ngày nay, trong các máy ấp hiện đại ít được sử dụng Trong cách tạo ẩm bằng phương pháp vung nước qua cánh quạt trong máy, người ta sử dụng phương pháp đóng ngắt để điều chỉnh ẩm độ Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp điều chỉnh độ ẩm liên tục Nguyên lý của phương pháp điều chỉnh liên tục là sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất lớn

để điều khiển quay động cơ cấp ẩm cho máy ấp trứng gia cầm

Trang 5

* Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ trong máy ấp trứng gia cầm

Hệ thống điều chỉnh tự động thông thường được phân thành hai loại: hệ thống điều chỉnh kiểu hở và hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín Trong giới hạn của đề tài ta sử dụng phương pháp điều chỉnh tự động mạch vòng kín

Đây là sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ ở dạng đơn giản nhất, làm việc theo sơ đồ mạch vòng kín, có vòng phản hồi là bộ cảm biến tín hiệu

ẩm được chuyển đổi và khuếch đại thành tín hiệu điện áp UϕPv Tín hiệu phản hồi được so sánh với tín hiệu đặt trước UϕSv đưa ra độ sai lệch e (e= UϕSv-

UϕPv) Bộ điều khiển sẽ điều khiển bộ tạo ẩm làm việc theo tín hiệu sai lệch e

* Quy luật điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID)

Bộ điều khiển PID được thực hiện bởi khối PLC S7- 200- CPU 224 Giá trị tác động điều chỉnh của quy luật điều khiển tỷ lệ vi tích phân được xác định bởi:

Trang 6

* Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Tốc độ của quạt thổi được điều khiển bởi phương pháp điều chế độ rộng xung Nội dung của phương pháp được trình bày dưới hình sau:

Trong đó: UT, Uđk lần lượt là điện áp tựa và điện áp điều khiển

Trang 7

Chương 2 PLC S7 - 200 và các module mở rộng 2.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC S7 – 200

* Sơ đồ khối hệ thống PLC S7- 200

* Nguyên lý làm việc của PLC S7- 200

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi

là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai

đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra

Thiết bị lập trình

Trang 8

Hình 2.3: Sơ đồ nối vào ra CPU 224 kiểu AC/DC/RELAY

* Sơ đồ nối thiết bị vào ra

2.2 Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC

1 Xác định quy trình điều khiển

2 Xác định tín hiệu vào ra

ảo

Thực hiện chương trình

Hình 2.2: Sơ đồ vòng quét trong PLC S7 - 200

Trang 9

- Số đầu vào/ra: 4 đầu vào analog, 1 đầu ra analog

- Dải tín hiệu: Điện áp ±10 V, Dòng điện 0 ữ 20 mA

- Kiểu dữ liệu l−ỡng cực: -32000 ữ 32000

Đơn cực: 0 ữ 32000

- Điện áp cung cấp: 24 V

- Độ phân giải: Bộ chuyển đổi A/D 12 bits

Hình 2.4: Sơ đồ khối và sơ đồ nối thiết bị vào/ra Module EM235 EM235

Trang 10

* §iÒu chØnh ®Çu vµo

B¶ng2.1: C¸c gi¸ trÞ ®Çu vµo EM235

§¬n cùc

ON OFF OFF ON OFF ON 0-50 mV 12,5 μV OFF ON OFF ON OFF ON 0-100 mV 25 μV

ON OFF OFF OFF ON ON 0-500 mV 125 μV

OFF ON OFF OFF ON ON 0-1 V 250 μV

ON OFF OFF OFF OFF ON 0-5 V 1,25 μV

ON OFF OFF OFF OFF ON 0-20 mA 5 μA

OFF ON OFF OFF OFF ON 0-10 V 2,5 μV

L−ìng cùc

ON OFF OFF ON OFF OFF ±25 mV 12,5 μV

OFF ON OFF ON OFF OFF ±50 mV 25 μV

OFF OFF ON ON OFF OFF ±100 mV 50 μV

ON OFF OFF OFF ON OFF ±250 mV 125 μV

OFF ON OFF OFF ON OFF ±500 mV 250 μV

ON OFF OFF OFF OFF OFF ±2,5 V 1,25 mV

OFF ON OFF OFF OFF OFF ±5 V 2,5 mV

OFF OFF ON OFF OFF OFF ±10 V 5 mV

2.4 KÕt nèi PLC S7- 200 víi m¸y tÝnh PC

H×nh 2.5: Sö dông c¸p PC/PPI kÕt nèi víi mét CPU S7- 200

Trang 11

Chương 3 phần mềm Step7 - Micro Win32 và chương trình điều khiển pid số

3.1 Giới thiệu phần mềm Step7 - Micro Win32

Phần mềm Step7 - Micro Win32 có 3 dạng soạn thảo chương trình:

LAD, STL, FBD Trong số này LAD là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa dễ

hiểu nhất Những thành phần cơ bản của chương trình trong LAD tương ứng

với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơ le Các thành phần cơ bản

biểu diễn các lệnh logic như sau: tiếp điểm, cuộn dây, hộp

3.2 Chương trình điều khiển PID số và điều chế phát xung tốc độ cao

PWM

* Phương pháp điều khiển PID số

- Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển PID dựa vào biểu thức (1.1)

Trong máy tính số, hàm số đầu ra ở dạng liên tục phải được chuyển tương

đương thành gián đoạn theo chu kỳ trích mẫu có dạng:

Un = Kc.en+ ∑n +

1

n

I + KD.(en- en-1) (3.1) CPU của PLC tính toán các giá trị đầu ra theo mô hình cải biến:

UDn = Kc.TD/TS.(Pvn-1 - Pvn) (3.5)

* Điều chế phát xung tốc độ cao PWM

Trong CPU 224 hai cổng ra Q0.0 và Q0.1 có thể được sử dụng phát dãy

xung tốc độ cao PTO (pulse train output) và tín hiệu điều chế độ rộng xung

PWM (pulse with modulation) PWM là một dãy xung kiểu tuần hoàn, có chu

Trang 12

kỳ là một số nguyên trong khoảng 250μs ữ 65553μs Nếu độ rộng xung được quy định lớn hơn chu kỳ xung của PWM thì dãy xung sẽ là một tín hiệu đều

có giá trị logic bằng 1, ngược lại khi quy định độ rộng xung bằng 0 thì dãy xung sẽ là một tín hiệu đều có giá trị logic bằng 0

* Lưu đồ điều khiển PID số và điều chế phát xung tốc độ cao PWM

PID

PWM

Bộ tạo ẩm

Chuyển đổi và khuếch đại

Hình 3.2: Lưu đồ điều khiển PID và điều chế PWM trên PLC

Trang 13

* Chương trình điều khiển PID số và điều chế phát xung tốc độ cao PWM

Chương trình chính

Chương trình con

Trang 14

Ch−¬ng tr×nh ng¾t

Trang 15

Chương 4 Chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu

Tín hiệu ẩm % phải được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp và khuếch

đại tín hiệu mới thực hiện được điều khiển Có nhiều phương pháp đo độ ẩm như: Phương pháp điểm sương, phương pháp khô ướt, phương pháp biến dạng, phương pháp điện dẫn…

Trong khuôn khổ cho phép của đề tài, chúng tôi chỉ tiến hành nghiên cứu loại cảm biến ẩm kiểu khô ướt

4.1 Nguyên lý đo độ ẩm của cảm biến khô ướt

* Độ ẩm của không khí được xác định theo công thức

p

)p t A(t p

bh

0 a k bha ư ư

(4.1)

* Nguyên lý hoạt động mạch cầu đo độ ẩm của cảm biến ẩm độ kiểu khô

ướt

Uđk = (Uk - Ua) (4.2)

Rk, Ra: lần lượt nhiệt kế điện trở khô, nhiệt kế điện trở ướt

Uk, Ua: lần lượt là giá trị điện áp thay đổi theo nhiệt độ tk, ta

là hệ số khuếch đại

4.2 Cảm biến ẩm độ dùng trong máy ấp trứng gia cầm

Trong máy ấp trứng gia cầm, ta đã biết được nhiệt độ buồng ấp là cố

định trong từng giai đoạn ấp, ta cũng biết độ ẩm % cần thiết cho từng giai

R

Rk

Uk

Ua R

Trang 16

đoạn ấp, từ đó ta xác định được giá trị nhiệt độ nhiệt kế ướt ta cho từng giai

đoạn ấp Cho nên ta có thể đặt tương ứng một giá trị điện áp Uađ với nhiệt độ nhiệt kế ướt đặt tađ của từng giai đoạn ấp Như vậy mạch cầu hình 4.1 sẽ bị khuyết đi một vế như hình 4.2

Trong việc điều khiển ẩm độ của máy ấp trứng gia cầm đòi hỏi cảm biến phải có độ nhạy cao và có đặc tính tuyến tính cho nên ta không dùng nhiệt kế điện trở mà thay thế nó bằng vi mạch cảm biến nhiệt độ LM335

Trang 17

4.3 Mạch khuếch đại tín hiệu đo độ ẩm dùng khuếch đại thuật toán

* Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán

* Bộ khuếch đại đảo

Hệ số khuếch đại đ−ợc xác định theo biểu thức:

Kđ =

1 ht v

r

R

R U

Trang 18

Chương 5 Thiết kế mạch điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm

5.1 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều khiển độ ẩm

Phương án 1 là điều chế độ rộng xung được thực hiện trên mạch so sánh Phương án 2 được thực hiện điều chế độ rộng xung ngay trên PLC S7-

200 Điểm chung của hai phương án trên là bộ điều chỉnh PID đều được thực hiện trên PLC S7- 200

Trang 19

5.2 Mạch chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu

* Mạch chuyển đổi tín hiệu

mA V

−

= 9,8.103 (Ω) = 9,8 K (5.1)

Ta có thể chọn R1 nhỏ hơn giá trị này là 8,2K Đây là điện trở để hạn chế dòng vào LM335 Triết áp R2 đ−ợc dùng loại 10K để điều chỉnh ng−ỡng làm việc và chiều tác động của bộ chuyển đổi

* Mạch khuếch đại tín hiệu

R5, R6, R7 là các điện trở, triết áp phân điện áp đặt vào đầu vào không

đảo

R8 là triết áp điều chỉnh OFFSET khử sai số ban đầu

Hình 5.3: Sơ đồ mạch chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu tầng thứ nhất

R5 +9V

Trang 20

• Tầng thứ hai

K2 =

-9

11 10

R

= 10

1/2 TL082

Hình 5.4: Sơ đồ mạch khuếch đại tầng th− hai

Trang 21

Hoạt động của mạch được minh hoạ trên giản đồ hình 5.6 dưới đây:

5.4 Mạch so sánh và tạo xung điều khiển

Trang 22

5.5 Mạch động lực điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bằng phương pháp

điều chế độ rộng xung

Động cơ điện một chiều ta sử dụng có công suất định mức Pn = 15 W,

điện áp định mức Un = 24 V Dòng định mức được xác định theo biểu thức:

15 = 0,625 A (5.5)

Dòng khởi động của động cơ là:

Ikđ =(5 ữ7 ).In = (5 ữ7 ).0,625 = 3,125 ữ 4,375 A (5.6) Dòng định mức của D613 là IcD = 6A, nên ta chọn tranzito loại D613 làm khoá đóng cắt cho động cơ làm việc

9 = 5,77 mA

D1 DIODE_VIRTUAL

Trang 23

5.6 Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn nuôi cho mạch điều khiển

C1= C2=1000μF/ 25 VDC, C3=C4=100 μF/ 25 VDC có nhiệm vụ cải thiện chất lượng điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu cầu Các IC ổn áp 7809 và 7909 trong mạch có nhiệm vụ ổn định điện áp lưỡng cực đầu ra ở mức ±9V để tiếp tục

đưa vào nuôi mạch điều khiển

5.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ tạo ẩm

Hình 5.10: Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn nuôi cho mạch điều khiển

0

ã 220V

Trang 26

5.8 Thí nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển

* Phương pháp tạo ẩm

Bộ tạo ẩm dùng phương pháp quạt thổi bấc thẩm thấu qua các ống dẫn

được thể hiện qua hình sau:

1- Các ống dẫn

2- Các lỗ thoát ẩm