Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình giám sát và Điều khiển lò Ấp trứng công nghiệp

Dựa trên các yếu tố của việc ấp trứng tự nhiên do gia cầm thực hiện. Lò ấp trứng sẽ đưa ra các giải pháp tương tự. Với các ưu thế hơn hẳn về sản lượng ấp cho một mẻ trứng. Các loại trứng gia cầm khác nhau sẽ có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp nở. Về cơ bản máy ấp trứng tự động gồm 4 khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được chỉnh bằng mạch bán dẫn và bộ điều khiển. Để có chất lượng trứng nở cao nhất lò ấp phải giải quyết triệt để 4 khâu trên. Khâu nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi sẽ không phát triển. Để giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách ly nhiệt tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện. Trong máy có các hệ thống dây điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích của lồng ấp. Để đóng ngắt mạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng role điện tử không tiếp điểm, dùng tri-ắc công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt động với độ tin cậy cao. Khâu đảo trứng là khâu quan trọng thứ hai trong quá trình ấp trứng. Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần đảo kéo dài khoảng 10 phút. Việc đảo trứng thực hiện chậm vì tránh hiện tượng va đạp làm hỏng trứng. Dàn đảo sẽ đảo với một góc không quá 60 độ hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng. Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước. Trong quá trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần. Lò ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được theo ý muốn. Thông thường lò ấp trứng có dàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuộc vào từng giai đoạn của trứng. Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp. Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động. Việc gắn với cửa chớp là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt. Việc thông gió có kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ẤP TRỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Tổng quan về lò ấp trứng

Dựa trên các yếu tố của việc ấp trứng tự nhiên do gia cầm thực hiện Lò ấp trứng sẽ đưa ra các giải pháp tương tự Với các ưu thế hơn hẳn về sản lượng ấp cho một mẻ trứng.

Các loại trứng gia cầm khác nhau sẽ có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp nở Về cơ bản máy ấp trứng tự động gồm 4 khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được chỉnh bằng mạch bán dẫn và bộ điều khiển Để có chất lượng trứng nở cao nhất lò ấp phải giải quyết triệt để 4 khâu trên.

Khâu nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi sẽ không phát triển Để giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách ly nhiệt tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện Trong máy có các hệ thống dây điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích của lồng ấp Để đóng ngắt mạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng role điện tử không tiếp điểm, dùng tri-ắc công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt động với độ tin cậy cao.

Khâu đảo trứng là khâu quan trọng thứ hai trong quá trình ấp trứng. Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần đảo kéo dài khoảng 10 phút Việc đảo trứng thực hiện chậm vì tránh hiện tượng va đạp làm hỏng trứng. Dàn đảo sẽ đảo với một góc không quá 60 độ hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng.

Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước Trong quá trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần.

Lò ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được theo ý muốn Thông thường lò ấp trứng có dàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuộc vào từng giai đoạn của trứng.

Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động Việc gắn với cửa chớp là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt Việc thông gió có kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp.

Phân loại lò ấp trứng

1.2.1 Lò ấp trứng thủ công

Thực chất là việc sắp xếp các kệ xen kẽ giữa các bóng đèn, trong một không gian rộng Việc điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm qua các giai đoạn ấp hoàn toàn phụ thuộc vào con người.

Hình 1.1: Lò ấp trứng thủ công

 Việc lắp đặt và chế tạo lò ấp trứng thủ công đơn giản tốn ít chi phí.

 Hoàn toàn không có khả năng tự động.

 Khả năng trứng nở phụ thuộc vào kinh nghiệm người làm, do vậy hiệu quả kinh tế không cao.

Sử dụng nhiều nhân công khi ấp trứng.

1.2.2 Lò ấp trứng cầm tay

Lò ấp trứng cầm tay là một thiết bị nhỏ và di động được thiết kế để ấp trứng ở quy mô nhỏ, thích hợp cho những người muốn nuôi gia cầm với số lượng trứng ít hoặc muốn di chuyển giữa nhiều địa điểm.

Hình 1.2: Lò ấp trứng cầm tay

 Linh hoạt và dễ di chuyển.

 Phù hợp cho người nuôi gia cầm nhỏ hoặc cần di chuyển nhiều.

 So với một số loại lò ấp trứng chuyên nghiệp, lò ấp trứng cầm tay thường có giá thành thấp hơn, điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn phổ biến cho những người muốn bắt đầu với nguồn ngân sách hạn chế.

 Khả năng ấp trứng có thể giới hạn.

 Không có tính năng tự động hóa.

 Vì kích thước nhỏ và thiết kế đơn giản, lò ấp trứng cầm tay không phải là lựa chọn tốt nhất cho việc ấp số lượng lớn trứng hoặc cho mục đích thương mại.

1.2.3 Lò ấp trứng công nghiệp

Lò ấp trứng công nghiệp hiện nay có nhiều loại của nhiều hãng khác nhau Mỗi loại lại có thiết kế, đặc điểm khác nhau khiến người dùng đôi khi rất khó biết lò của hãng nào là tốt

Dưới đâylà một số bản vẽ mô phỏng và lò ấp trứng trong công nghiệp:

Hình 1.3: Bản vẽ mô phỏng 1.2.3.1 Lò ấp trứng 100 trứng Mactech MT100G

Lò ấp trứng 100 trứng Mactech MT100G là một trong những lựa chọn hàng đầu thuộc dòng lò ấp trứng công nghiệp của MacTech Việt Nam Với tính năng tự động hoàn toàn và hiệu suất cao, máy này được thiết kế để tiết kiệm điện

Thông số kỹ thuật của lò:

 Khả năng ấp tối đa: 100 trứng gà ta, 120 trứng trĩ, 140 trứng bồ câu,

80 trứng vịt, 70 trứng ngan, 25 trứng ngỗng, 200 trứng cút …

 Đảo trứng: đảo nghiêng tự động 2 giờ/lần

 Nhiệt độ: tự động ổn định nhiệt độ theo cài đặt

 Tạo ẩm: khay nước tạo ẩm tự nhiên

 Điện áp sử dụng: 220V/50Hz (điện gia đình)

 Công suất tiêu thụ điện trung bình: 40 W/h

 Lò ấp trứng Mactech MT100G có tỷ lệ đạt nở cao

 Lò ấp trứng Mactech MT100G được áp dụng điều khiển nhiệt đa điểm, đảm bảo nhiệt độ trong máy luôn đều ở mọi vị trí, khay nhựa đúc nguyên khối chất lượng cao, rãnh xếp trứng có thể thay đổi kích thước phù hợp với gia cầm như trứng gà, vịt, chim bồ câu, chim cút Khay rời nên bạn có thể đưa ra vào tiện lợi và vệ sinh dễ dàng hơn.

 Bóng nhiệt Halogen không phát sáng, chuyên dụng trong ngành ấp với độ bền cao và tiết kiệm điện Hệ thống cảm biến nhiệt độ chính xác ± 0,1C Hệ thống điều áp cao giúp tăng độ đồng đều nhiệt độ tại tất cả các vị trí trong máy, máy tự động đảo trứng 2 giờ/lần góc đảo

90 độ, hệ thống phun sương tự động, độ ẩm có thể điều chỉnh theo chế độ ấp.

 Thông số lò nặng 18kg Trọng lượng lò nặng chủ yếu do lớp vỏ gỗ mà ra Lớp vỏ gỗ này tạo sự chắc chắn cho máy nhưng đồng thời trọng lượng nặng cũng khiến việc vận chuyển, giao máy cho khách hàng gặp nhiều bất tiện.

 Lò không có tính năng tạo ẩm tự động và cũng không hiển thị độ ẩm trên màn hình điều khiển,

 So với giá thành của lò thì tính năng như vậy còn hơi sơ sài.

Hình 1.4: Lò ấp trứng Mactech MT100G 1.2.3.2 Lò ấp trứng 100 trứng Mic

 Cấu tạo: Nhôm, Sắt, MDFchống thấm dày 20mm (2 phân), giữ nhiệt 4h sau khi cúp điện, bên trong khung Sắt định vị giữ thân máy cứng cáp, sau mỗi mẻ ấp có thể rửa bằng nước hoặc dung dịch vệ sinh.

 Khay băng bằng hợp kim nhôm kẽm đảo lăn 360 độ

 Tự động cân bằng nhiệt chuẩn xác Inverter tiết kiệm ( Không đóng ngắt như máy truyền thống)

 Sử dụng thành nhiệt nhập khẩu từ Nhật

 Tín năng cảnh báo: cảnh báo khi nhiệt độ tăng qua ngưỡng, cảnh báo hỏng hóc, cảnh báo hết nước

 Tín năng soi trứng: có đèn soi trứng kèm theo máy để soi lựa chọn trứng và quan sát quá trình phát triển

 Thảm lót sàn chống dị tật, tận dụng tối đa nguồn giống không sợ bỏ sót con giống quý như gà Mỹ nhập, Jap, Sil, Đông tảo

 Nguồn gốc: linh kiện Nhật, Việt Nam lắp ráp

 Kích thước: 50cm (cao) x 50cm (ngang) x 50 cm (sâu)

 Khay trứng có jac cắm và các linh kiện dễ dàng tháo rời để bảo trì, sữa chữa

 Tỉ lệ nở 95-98% ( có thể cao hơn gà mái tự ấp)

Hình 1.5: Lò ấp trứng Mic 1.2.3.3 Lò ấp trứng 100 trứng BTC-100

 Sức chứa: giai đoạn ấp 99 trứng, gian đoạn nở 198 trứng

 Cảm biến nhiệt độ: SHT10 hoặc DS18B20 nhập khẩu từ hãng Sensirion (Thụy Sĩ) có độ chính xác cực cao.

 Sử dụng thuật toán Fuzzy Thuật toán Fuzzy không tạo ra sự thay đổi nhiệt độ đột ngột và tác động tiêu cực đến trứng Ngoài ra, thuật toán Fuzzy còn giúp tiết kiệm đến 70% năng lượng và tăng tuổi thọ của bóng nhiệt và máy ấp trứng.

 Sử dụng công nghệ Laminar Air Flow Công nghệ Laminar Air Flow giúp đảm bảo luồng không khí trong máy được phân phối đều qua các khay, đảm bảo rằng nhiệt độ được điều chỉnh một cách đồng nhất trong toàn bộ không gian ấp trứng.

 Hiển thị đồng hồ đếm ngược thời gian đảo trứng.

 Đèn cảnh báo khi độ ẩm cao hơn hoặc thấp hơn ngưỡng an toàn 45%RH – 80 %RH

 Chuông cảnh báo khi hết nước

 Trong quá trình ấp trứng, quạt hút sẽ tự động được bật lên theo khoảng thời gian đã được cài đặt sẵn, để làm sạch không khí trong máy ấp đồng thời thải không khí ô nhiểm bên trong máy ra ngoài và hút không khí sạch từ bên ngoài vào, đảm bảo không khí bên trong máy luôn trong sạch để trứng phát triển tốt nhất.

 Chỉ hiện thị độ ẩm mà không có chức năng tạo hơi ẩm tự động bằng máy

Hình 1.6: Lò ấp trứng BTC-100 1.2.3.4 Lò ấp trứng 100 trứng Convection 3D

 Điện thế sử dụng: 220VAC / 50 Hz

 Kích thước khay trứng : 45cm x 45cm

 Sử dụng toàn bộ nhiệt năng của thanh điện trở nhiệt không để tình trạng thừa thải nhiệt độ, rò rỉ nhiệt độ ở góc cạnh nào làm hao tốn điện năng

 Lò ấp trứng 100 trứng CONVECTION 3D có thể tự lọc không khí sạch khử trùng bằng tia cực tím cung cấp cho trứng luồng không khí trong sạch hoàn toàn.

 Hệ thống tạo ẩm của lò ấp trứng 100 trứng CONVECTION 3D còn tự động cảm biến mực nước trong máy, tự động bom nước khi gần hết nước, đảm bảo hệ thống ẩm được cung cấp độ ẩm trơn tru không bị gián đoạn

 Giá thành khá cao so với các máy ấp khác có cùng quy mô

Hình 1.7: Lò ấp trứng 100 trứng Convection 3D

Tổng kết chương 1

Lò ấp trứng đóng vai trò quan trọng trong ngành chăn nuôi gia cầm và có nhiều lợi ích đối với quá trình chăn nuôi như kiểm soát được các yếu tố về nhiệt độ, môi trường, bảo vệ khỏi các tác động từ môi trường, tăng khả năng nở, tăng cường sinh sản, tiết kiệm thời gian

Tổng thể, lò ấp trứng không chỉ là một phần quan trọng của ngành chăn nuôi gia cầm mà còn đóng vai trò lớn trong việc tối ưu hóa sản xuất.

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG, PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ VẬT TƯ CHO MÔ HÌNH

Đặt bài toán

- Ổn định nhiệt độ lò ấp trứng có kích thước :45x33x33cm.

- Nhiệt độ yêu cầu của lò: 37ºC-38ºC.

- Dùng dây gia nhiệt để cung cấp nhiệt độ cho lò.

- Hệ thống nhanh đạt tới giá trị đặt (thời gian đáp ứng nhanh).

- Sai số cho phép ≤ 5% (độ quá điều chỉnh nhỏ).

- Một số yêu cầu của lò:

 Nhiệt độ ổn định và chính xác: Lò ấp trứng cần có thể duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác trong suốt quá trình ấp trứng.

 Khả năng quản lý: Lò ấp trứng cần có khả năng quản lý đơn giản để người sử dụng có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ.

 Độ an toàn: Lò ấp trứng cần được thiết kế và sản xuất an toàn để tránh các tai nạn xảy ra trong quá trình sử dụng.

 Lò ấp trứng hoạt động dựa trên nguyên lý của sự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến trứng Trong quá trình ấp trứng, nhiệt được truyền từ lò đến trứng và dần dần thẩm nhập vào lòng trứng Khi nhiệt độ trong lòng trứng đạt đến mức cần thiết để kích hoạt quá trình phát triển của quả trứng, quá trình ấp trứng sẽ bắt đầu.

 Lò được thiết kế sao cho có thể duy trì được nhiệt độ ổn định trong khoảng thời gian cần thiết để trứng phát triển và nở nhiệt độ phù hợp với yêu cầu của từng loại trứng.

 Lò ấp trứng thường có một hệ thống điều khiển nhiệt độ để đảm bảo rằng nhiệt độ trong lò được duy trì ở mức cần thiết Nhiệt độ thường được đo bằng các cảm biến và điều chỉnh bằng cách điều khiển nguồn nhiệt của lò.

Từ bài toán ta cần phải tính công suất của thiết bị gia nhiệt để đáp ứng nhiệt độ cần thiết.

Ta có các thông số:

 Khối lượng riêng của không khí: ρ kk = 1,2 kg ∕ m 3

 Nhiệt dung riêng của không khí : C kk = 1,005 kJ / kg K

 Khối lượng các vật khác : m = 2kg

 Nhiệt dung riêng các vật khác :C = 1k J / kg K

 Thời gian tăng nhiệt là: t = 10 phút = 600s

Khối lượng không khí trong lò là: m kk = S x h x ρ kk = 0.1485 x 0.33 x 1.2 = 0,059 kg Vậy nhiệt lượng cần cung cấp là:

Công suất gia nhiệt cần có là:

Tính toán lựa chọn thiết bị cho lò ấp trứng

Hình 2.8: Sơ đồ tổng quan hệ thống

Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt gồm các thành phần, chức năng sau:

 Bộ điều khiển là trung tâm xử lý các tín hiệu thu thập về từ cảm biến để điều khiển thiết bị công suất cấp nguồn thiết bị gia nhiệt.

 Màn hình máy tính: Dùng để giám sát hoạt động của hệ thống, hiển thị các thông số như giá trị nhiệt độ thực, giá trị đặt, các đèn báo hoạt động của hệ thống.

 Khối công suất: Ở đây ta dùng rơ le bán dẫn analog để điều khiển giá trị công suất cấp cho dây gia nhiệt theo tín hiệu đưa về từ bộ điều khiển.

 Bóng đèn: Phát nhiệt khi có điện cấp vào Công suất cấp càng cao thì nhiệt lượng tỏa ra càng mạnh (tùy theo công suất của từng loại bóng đèn).

 Cảm biến nhiệt độ: Đọc nhiệt độ thực tế của lò, với tín hiệu đo được sẽ đưa vào mạch chuyển đổi tín hiệu để đưa về bộ điều khiển xử lý.

2.2.2.1 Lựa chọn thiết bị gia nhiệt

Có rất nhiều thiết bị gia nhiệt phù hợp cho lò ấp trứng công nghiệp như: a) Dây da nhiệt b) Thanh nhiệt c) Đĩa sưởi

Những thiết bị này thường khó tìm hơn bóng đèn sợi đốt và giá thành cũng cao hơn

Vậy nên em lựa chọn bóng đèn sợi đốt so với những thiết bị trên vì dễ mua, giá thành hợp lý d) Bóng đèn sợi đốt

Với công suất tính toán ở trên ta lựa chọn bóng đền sợi đốt có công suất 60w để gia nhiệt cho thiết bị.

Hình 2.9: Bóng đèn sợi đốt

 Cấu tạo: loại bóng đèn dây tóc

 Đặc tính: ánh sáng vàng ấm tỏa nhiệt, có thể sử dụng úm gà, vịt ,phù hợp với mục đích sử dụng của mọi người.

2.2.2.2 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ như:

Nhiệt điện trở-RTD a) Nhiệt điện trở-RTD:

 Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế.

 Dải đo bé, giá thành cao

Thường dùng cho các khu công nghiệp lớn hay gia công vật liệu, hóa chất. b) Thermistor

 Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.

Thường dùng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.

Bên trên em nêu ra hai trong vô số những cảm biến nhiệt độ trên thị trường hiện tại để Thầy/cô thấy được những ưu điểm của Pt100 đối với đồ án tốt nghiệp này. c) Cảm biến nhiệt độ Pt100

Cảm biến đo nhiệt độ Pt100 hay Sensor đo nhiệt độ Pt100 là cảm biến thông dụng nhất hiện nay, được dùng hầu hết ở các nhà máy, vì thiết kế và ứng dụng lắp đặt dễ dàng của nó Hiện nay có nhiều loại Pt100 khác nhau, nhiều hãng khác nhau sản xuất nhưng có một điểm chung là hoạt động theo nguyên lý nhiệt điên trở Ví dụ như khi ở 100ºC thì điện trở của Pt100 là 0 Ohm , khi ở 0ºC thì điện trở của Pt100 là 100 Ohm.

Trong hầu hết các nhà máy, chúng ta điều dễ dàng bắt gặp cảm biến nhiệt độ Pt100 Dòng cảm biến này được sử dụng hầu hết trong mọi nhà máy Cảm biến rất dễ dàng sử dụng và lắp đặt, đối với kỹ thuật có ít kinh nghiệm cũng dễ dàng sử dụng cảm biến Pt100.

Hình 2.10: Cảm biến nhiệt độ

 Phạm vi nhiệt độ: 0-200 độ C

2.2.2.3 Module chuyển đổi tín hiệu Pt100

Do nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt độ Pt100 là tại 0 thì cảm℃ biến sẽ có điện trở 100Ω và giá trị điện trở này tỉ lệ thuận với nhiệt độ nên giá trị mà cảm biến trả về là giá trị điện trở Do đó ta cần phải có bộ chuyển đổi tín hiệu để đưa giá trị này sang giá trị 4-20mA hoặc 0-10V đưa về bộ điều khiển thì bộ điều khiển mới có thể đọc và xử lí tín hiệu này Trong đồ án này, nhóm em sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu Pt100 sang 0-10V.

Hình 2.11: Module chuyển đổi tín hiệu

 Điện áp hoạt động: DC 24V

 Độ chính xác: Cộng hoặc trừ 0,2% FS

 Kích thước: Đường kính 45mm (1,77 inch)

2.2.2.4 Lựa chọn thiết bị điều khiển công suất

Sau đây là một số loại thiết bị gia nhiệt lựa chọn để phù hợp với đồ án tốt nghiệp: a) Relay bán dẫn HANYOUNG HSR-2 series

Không phù hợp với bộ điều khiển vì điều khiển bằng analog và giá thành lại cao và đặt thời giao hàng quá lâu. b) Relay bán dẫn FOTEK SSR-50AA-H

FOTEK SSR-50AA-H Tín hiệu vào là điện áp không phù hợp để điều khiển tín hiệu analog. c) Relay bán dẫn SC-1LA2225 SSR 1 Pha 25A Đây là loại contactor bán dẫn sử dụng tín hiệu analog để thay đổi công suất ngõ ra của nguồn điện, khi tín hiệu điều khiển analog thay đổi từ 4~20mA thì điện áp ngõ ra thay đổi từ 0~220VAC tương ứng Với ngõ ra công suất có thể điều chỉnh theo tín hiệu tương tự (analog) từ bộ điều khiển PLC, khi điều khiển nhiệt độ tránh được hiện tượng vọt lố, sai số nhiệt độ sẽ thấp so với giá trị cài đặt.

Hình 2.12: SC-1LA2225 SSR 1 Pha 25A | Relay Bán Dẫn

 Mã sản phẩm: SC-1LA2225

 Phân loại: SSR | Solid State Relay

 Tín hiệu đầu vào: 4-20mA

 Ứng dụng: Điều khiển gia nhiệt

Khi rơ le bán dẫn làm việc với tải công suất lớn sẽ phát nóng khá cao có thể lên tới 60 Đế tản nhiệt giúp giảm bớt nhiệt độ của rơ le để tránh việc rơ le℃ có thể bị hỏng khi làm việc lâu dài.

 Dải điện áp đầu vào: AC110/220VAC ± 15%

 Tần số đầu vào: 50-60Hz

 Điện áp ra: 24VDC có thể điều chỉnh 5%

 Bảo vệ quá tải: >25% công suất định mức

 Nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 40 , 10% ~ 90% RH℃ ℃

Dùng để chuyển đổi từ điện áp lưới xoay chiều 220V sang điện áp một chiều 24V Nguồn một chiều 24V này sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị khác trong mô hình như nút bấm, module chuyển đổi nhiệt thành dòng, thiết bị điều khiển.

2.2.2.6 Bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC

Hình 2.15: Thiết bị điều khiển PLC

- Mã sản phẩm: 6ES7211-1AE40-0XB0

- Lựa chọn S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC thay vì 1214 hay S7-1500 vì đầu ra đầu vào của 2 dòng kia thì quá nhiều và chi phí tiền sẽ cao hơn nên rất lãng phí Em đã tính đủ số đầu ra đầu vào nên lựa chọn S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC

- Thay vì chọn PLC Misubishi thì em lựa chọn PLC Siemens vì khi lập trình chỉ cần kéo thả khối PID_Compact đã có sẵn trong phần mềm.

- Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

 Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

 Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình.

CHẾ TẠO PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM

Khái quát đường đặc tính của lò

Lò nhiệt có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp) và đầu ra là nhiệt độ của lò Để thành lập phương trình toán của lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mô tả các quan hệ nhiệt độ - năng lượng ở các bộ phận liên quan - đây là bài toán phức tạp nếu muốn chính xác

Trong điều kiện phòng thí nghiệm, ta có thể xác định hàm truyền của lò nhiệt một cách gần đúng Ta có thể xem môi trường nung/sấy là đồng chất, đẳngnhiệt Như vậy phương trình cân bằng năng lượng cho ta: điện năng cung cấp sẽ được dùng để bù vào năng lượng nhiệt truyền ra bên ngoài và nâng nhiệt độ môi trường nung/sấy Từ đó tính được hàm truyền lò nhiệt H(s) lúc đó sẽ là quán tính bậc nhất:

K là hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập

T là thời hằng nhiệt thể hiện quán tính của hệ thống.

- Mô hình hàm truyền trên, cho thấy quá trình quá độ với đầu vào hàm bước nhảy (step) có dạng hàm mũ chỉ là gần đúng

- Thực tế hệ thống có bậc cao hơn nhưng quá trình quá độ đầu vào hàm step vẫn không có độ quá điều chỉnh, như hình sau:

Hình 3.20: Đáp ứng nấc của lò nhiệt

Dạng đặc tính này có thể biểu diễn dưới dạng hàm truyền sau:

K là hệ số tỉ lệ

T là hằng số thời gian.

Khai triển Taylor của ⅇ −Ls ta được:

Khi cần tính toán thông số bộ điều khiển, ta có thể đưa hệ thống về khâu tuyến tính bậc hai như trên và cho tìm hàm truyền bằng thực nghiệm khi vẽ quá trình quá độ hệ thống với ngõ vào là hàm step.

Nhận dạng đối tượng mô hình lò nhiệt

Để xác định mô hình toán lò điện trở trong hệ thống này ta tiến hành thực nghiệm như sau:

Từ thiết bị điều khiển đưa tín hiệu điều khiển định mức Iđk mA mở thông hoàn toàn Triac

Thiết bị công suất cấp điện áp nguồn định mức Uđm = 220VAC (tương ứng với công suất định mức) cho bóng đèn để tăng nhiệt độ trong lò lên nhiệt độ tới hạn.

Quá trình lấy đặc tính thực của đối tượng: Máy tính làm nhiệm vụ giao tiếp với PLC thông qua cáp truyền thông, bóng đèn được cấp tối đa công suất. Nhiệt độ trong lò được cảm biến nhiệt độ Pt100 chuyển ra dạng tín hiệu điện đưa về đầu vào AI0 của PLC Trong quá trình này, PLC chỉ có nhiệm vụ xuất tín hiệu khởi động cấp nguồn cho bóng đèn và đọc giá trị nhiệt độ của lò.

Ta sử dụng tính năng Historical data của WinCC Runtime Advanced trong phần mềm TIA Portal để lưu dữ liệu đọc được vào file Excel trên máy tính.

Giao diện Historical data sẽ hiện ra

Hình 3.22: Giao diện Historrical data

Các tham số cần quân tâm

➢ Name: Đặt tên cho file Excel

➢ Storage location: Chọn định dạng file dữ liệu CSV file (ASCII) là file excel.

➢ Data records: Số lượng dữ liệu muốn lưu trữ

➢ Path: Chọn nơi lưu trữ file dữ liệu

➢ Name: Đặt tên cho biến cần xuất dữ liệu

➢ Process tag: Gán biến muốn xuất dữ liệu

➢ Acquisition mode: Chọn chế độ nhận dữ liệu

➢ Logging cycle: Chọn thời gian mỗi lần xuất 1 giá trị.

- Bằng phần mềm giám sát trên máy tính ta thu nhận được dữ liệu về nhiệt độ thực tế trong lò theo thời gian.

Hình 3.23: Giá trị khảo sát

Ta nhận thấy, nhiệt độ của lò điện trở bắt đầu từ nhiệt độ ban đầu TºC

".86603ºC, đây là nhiệt độ môi trường lúc thử nghiệm Do đó, ta cần chuẩn hóa về 0 cho việc nhận dạng lò điện trở sử dụng công cụ Toolbox IdentificationMatlab Ở hệ thống này thiết bị được cấu hình để kiểm soát nhiệt độ trong dải từ 0-200ºC điện áp cấp cho dây đốt thay đổi từ 0-220VAC

Ta có tỷ lệ sau:

Vậy U 22.86603 = 220 × 22,86603 200 ≈ 25.15V Khi chuẩn hóa về gốc 0 Ta có:

Sau đó ta tiến hành đọc dữ liệu vào Matlab Trên cửa sổ Command Window của Matlab, ta gõ lệnh đọc giá trị của file Excel đã lưu trên máy tính:

>>dienap = xlsread ('C:\Users\admin\Downloads\nhietdo.csv',1, 'E2:E643')

>>nhietdo = xlsread ('C:\Users\admin\Downloads\ nhietdo.csv',1,'D2:D643’)

 dienap: là giá trị điện áp đầu vào ở cột F trong excel.

 nhietdo: là giá trị nhiệt độ đầu ra ở cột E trong excel.

 C:\Users\admin\Downloads\nhietdo.csv: Đường dẫn đến file excel.

 Save ident dienap nhietdo: lưu các giá trị vừa đọc vào một file tên là ident.

 ident: mở cử sổ nhận dạng của matlab.

Cửa sổ SystemIdentification của Matlab sẽ hiện ra

Cửa sổ hiện ra, ta tiến hành Import data bằng cách bấm chọn Import data Time domain data Cửa sổ Import data hiện ra, ta tiến hành nhập dữ liệu đầu vào, đầu ra rồi nhấn Import

Hình 3.25: Cửa sổ Import data

Khi đó dữ liệu đã được đưa vào System Identification ta bấm chọn Time plot trên cửa sổ nhận dạng cửa Matlab, ta thu được đường đặt tính của lò nhiệt:

Hình 3.26: Cửa sổ Time plot

Tiếp theo, ta bấm chọn Estimate trên của sổ nhận dạng chọn ProcessModels, sau đó bấm Estimate trên cửa sổ hàm truyền:

Hình 3.27: Cửa sổ Process Models

Từ số liệu trên ta có phương trình mô tả hàm truyền của lò ấp trứng sau khi nhận dạng bằng Matlab:

Như vậy hàm truyền của lò nhiệt được mô tả bằng phương trình:

Vì đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất có trễ, ta có thể xấp xỉ khâu này với khâu quán tính bậc 2 để dễ dàng hơn trong việc mô phỏng trên matlab Simulink.

Sử dụng Simulink xây dựng lại đường đặc tính lò nhiệt theo thông số thu được ở trên.

Hình 3.28: Sơ đồ đường đặc tính

Hình 3.29: Đồ thị đường đặc tính

Xác định thông số bộ điều khiển

Sử dụng phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID theo Ziegler-Nichols 1

Hình 3.30: Bộ điều khiển Ziegler-Nichols 1

Từ các tham số của lò nhiệt thu được ở phần trước, ta có:

- Sử dụng lệnh trên Command Window ở Matlab để thực hiện bài toán

- Các tham số của bộ điều khiển:

Wk1edback (Wh1, 1) step (Wk1)

Nhận xét: Bộ P làm hệ ổn định với các đặc tính chất lượng như trên.

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) t r (s) t s (s) E

Wk2edback (Wh2, 1) step (Wk2)

Nhận xét: Bộ PI làm hệ ổn định với các đặc tính chất lượng như trên.

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) t r (s) t s (s) E

Wk3edback (Wh3, 1) step (Wk3)

Nhận xét: Bộ PID làm hệ ổn định với các đặc tính chất lượng như trên.

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) t r (s) t s (s) E

Mặc khác :So sánh bộ điều khiển lựa chọn được ở trên với bộ điều khiển được tổng hợp bởi một phương pháp cung cấp bởi Matlab Sử dụng công cụ pidTuner của Matlab

Nhận xét: Bộ P làm hệ ổn định với các đặc tính chất lượng như trên.

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) t r (s) t s (s) E

PI myPI = pidtune(W1,'PI') myPI 1

Kp + Ki * - s with Kp = 7.73, Ki = 0.102

Nhận xét: Bộ PI làm hệ ổn định với các đặc tính chất lượng như trên.

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) t r (s) t s (s) E

PID myPID = pidtune(W1,'PID') myPID 1

Kp + Ki * - + Kd * s s with Kp = 9.73, Ki = 0.0882, Kd = 76.6

Nhận xét: Bộ PID làm hệ ổn định với các đặc tính chất lượng như trên.

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) t r (s) t s (s) E

Bộ điều khiển và tiêu chí δ(%) độ quá hiệu chỉnh t r (s) thời gian tăng trưởng t s (s) thời gian xác lập

Nhận xét: Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng nếu cần thời gian đáp ứng nhanh thì có thể sử dụng bộ PID theo ZN1 còn nếu độ chính xác độ vọt lố thấp thì sử dụng bộ điều khiển PID bởi Matlab

Lưu đồ thuật toán

Hình 3.31: Lưu đồ thuật toán chính

 Tham số KP, TI, TD: Nạp vào bộ điều khiển Các tham số này đã được tính toán khi xây dựng bộ điều khiển PID.

 Nhiệt độ trong lò được đo bằng cảm biến nhiệt độ Pt100 và thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu để đưa ra tín hiệu trả về nằm trong dải từ 0-10VDC.

 Tính toán xử lí số liệu sẽ được khối PID của PLC đảm nhiệm, chi tiết về thuật toán PID trong S7-1200 sẽ được trình bày chi ở phần tiếp theo.

 Khi đo được sai lệch với giá trị đặt thì bộ điều khiển xuất ra tín hiệu điều khiển công suất từ đó thay đổi nhiệt độ trong lò.

Chương trình điều khiển và xây dựng giao diện giám sát

Trước khi lập trình điều khiển và giám sát hệ thống ta cần lấy các thiết bị và kết nối chúng với nhau

Hình 3.32: CPU 1211 DC/DC/DC để lập trình

Hình 3.33: WinCC RT Adv để thiết kế giao diện điều khiển

Hình 3.34: Kết nối PLC và PC System bằng dây ethernet

Hình 3.35: Lấy thêm board AQ SB1232

Sử dụng thêm board AQ SB 1232 để xuất tín hiệu điện áp đến module Triac

Các hàm cần sử dụng trong quá trình viết chương trình điều khiển.

Sử dụng hàm NORM_X (Normalize) để bình thường các giá trị của biến đầu vào bằng việc ánh xạ nó vào một hàm scale tuyến tính Sử dụng thông số MIN và MAX để xác định giới hạn của dãy giá trị được quy định trong hàm scale Kết quả ở đầu ra OUT được tính toán và lưu với dạng số (floating-point)

Hàm NORM_X được làm việc theo biểu thức sau:

OUT = (VALUE – MIN) / (MAX – MIN)

Thông số của hàm NORM_X:

Thông số Ngõ vào/ra Kiểu giữ liệu Vùng nhớlưu trữ Mô tả

EN Input BOOL I, Q, M, D, L Cho phép ngõ vào ENO Output BOOL I, Q, M, D, L Cho phép ngõ ra

MIN 1) Input Integers, floating- point numbers

I, Q, M, D, L or constant Giới hạn MIN

VALUE 1) Input Integers, floating- point numbers

I, Q, M, D, L or constant Giá trị đầu vào

MAX 1) Input Integers, floating- point numbers

I, Q, M, D, L or constant Giới hạn MAX

OUT Output Floating-point numbers I, Q, M, D, L Kết quả

Bảng 3.1: Hàm NORM_X và các tham số.

Sử dụng hàm SCALE_X để scale giá trị input bằng việc ánh xạ nó vào một dải giá trị xác định Khi hàm SCALE được thực thi, giá trị chấm động ( floating- point) tại đầu vào input được ca lip tới dải giá trị được định nghĩa bằng thông số MIN va MAX Kết quả của là một số thực (integer), được lưu ở ngõ ra OUT

Hàm SCALE_X được làm việc theo biểu thức sau:

OUT = [VALUE (MAX – MIN)] + MIN

Thông số của hàm SCALE_X:

Thông số Ngõ vào/ra

Kiểu giữ liệu Vùng nhớ lưu trữ

EN Input BOOL I, Q, M, D, L Cho phép ngõ vào

ENO Output BOOL I, Q, M, D, L Cho phép ngõ ra

MIN 1) Input Integers, floating- point numbers I, Q, M, D, L or constant Giới hạn MIN VALUE 1) Input Integers, floating- point numbers I, Q, M, D, L or constant Giá trị đầu vào MAX 1) Input Integers, floating- point numbers I, Q, M, D, L or constant Giới hạn MAX OUT Output Floating-point numbers

Bảng 3.2: Hàm SCALE_X và các tham số.

3.5.1.3 Khối hàm điều khiển PID_Compact của S7-1200

Bảng 3.3: Khối PID_Compact và các tham số.

3.5.2 Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát

WinCC (Windows Control Center) cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000 Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA với những chức năng hữu hiệu dành cho việc điều khiển

Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người - máy HMI đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác.Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống

Bộ phần mềm WinCC hỗ trợ hầu hết các sản phẩm của hãng Siemens nên việc ghép nối máy tính với các thiết bị do hãng sản xuất có thể thực hiện rất dễ dàng Thậm chí phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 là TIA Portal còn được tích hợp phần mềm WinCC bên trong nó nên việc kết nối trực tiếp màn hình giám sát trên WinCC với PLC là vô cùng đơn giản

Ta tạo một màn hình trên WinCC Runtime Advanced trong phần mềm TIA Portal để giám sát qua màn hình.

Hình 3.38:Tạo giao diện giám sát

Sau khi tạo được màn hình ta cấu hình các tính năng cần sử dụng trong quá trình sử dụng.

Hình 3.39: Cấu hình các tính năng cho giao diện