Đồ Án môn học bộ Điều khiển khả trình và tự Động hóa 03 Đồ Án môn học thiết kế hệ thống Điều khiển chênh Áp trong phòng Áp lực Âm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG BỘ MÔN ĐIỆN KỸ THUẬT Đồ án môn học bộ điều khiển khả trình và tự động hóa- 03 Họ và tên : Lớp: Tên đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điều khiển chênh áp trong phò

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BỘ MÔN ĐIỆN KỸ THUẬT

Đồ án môn học bộ điều khiển khả trình và tự động

hóa- 03

Họ và tên : Lớp:

Tên đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điều khiển chênh áp trong phòng

áp lực âm:

Yêu cầu công nghệ:

- Khởi động hệ thống bằng nút Start, dừng hệ thống bằng nút Stop

- Để duy trì áp suất âm trong phòng dùng quạt hút, hút không khí ra ngoài theo đường ống đảm bảo áp suất âm Quạt này có thể hoạt động 2 chế độn Manual và Auto

- Chế độ Manual việc bật tắt quạt thực hiện bằng cách nhấn nút

- Chế độ Auto quạt hoạt động theo tín hiệu từ cảm biến chênh áp.

- Giám sát nhiệt độ và áp suất trong phòng bằng màn hình giám sát.

Yêu cầu đồ án:

- Lựa chọn PLC phù hợp với yêu cầu công nghệ

- Phân tích yêu cầu công nghệ

- Xây dựng thuật toán và viết chương trình PLC điều khiển hệ thống

- Vẽ sơ đồ mạch điện

Hà nội, ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

Thiết kế hệ thống điều khiển chênh áp trong phòng

áp lực âm

Chương 1: Tìm hiểu công nghệ, Tổng quan

Phòng áp lực âm thường được chia làm hai loại

– Phòng áp lực âm là một căn phòng có áp suất thấp hơn so với áp suất môi trường (ví dụ: áp suất ngoài bằng 0 thì áp suất trong phòng là -5 hoặc -10 Pa ), nơi không khí chỉ có thể đi vào từ một phía và không thể thoát ra qua phía đó Bạn hãy tưởng tượng khi đứng trước cửa căn phòng này, gió sẽ luôn thổi từ ngoài cửa vào trong

– Phòng áp lực âm so với hành lang (ví dụ: áp suất ngoài hành lang bằng 35 Pa thì áp suất trong phòng là 10 Pa hoặc 15 Pa ) đây là loại phổ biến nhất và cũng tốn kém nhất thường dùng trong các nhà máy, các khu vực có tính độc hại cao

Ứng dụng: Nguyên lý hoạt động cơ bản của phòng áp lực âm là ngăn không cho không khí từ trong phòng tràn ra ngoài Vì vậy phòng áp suất âm thường được sử dụng trong các ngành sản xuất độc hại như hóa chất, các phòng nghiên cứu virus, vi khuẩn, các phòng điều trị bệnh nhân truyền nhiễm, phòng mổ…, mục đích phải sử dụng phòng áp lực âm là ngăn chặn những thứ độchại phát tán ra môi trường xung quanh

Hình ảnh phòng áp lực âm

1.1 Cấu tạo, phân loại hệ thống

Sử dụng cửa kín khí, thường là cửa trượt hoặc cửa bản sao, có gioăng cao su kínkhít để ngăn chặn rò rỉ không khí.

Được trang bị cảm biến và hệ thống đóng mở tự động để đảm bảo áp suất âm luônđược duy trì

Thường có cửa sổ quan sát bằng kính cường lực cho phép quan sát bên trong màkhông ảnh hưởng đến áp suất

Hệ thống thông gió

Đây là thành phần quan trọng nhất, bao gồm:

 Quạt hút: Lắp đặt trên tường hoặc trần, có công suất lớn để hút không khí từ bêntrong phòng ra ngoài liên tục

Hệ thống lọc khí: Bao gồm các bộ lọc HEPA (High Efficiency Particulate Air) có khảnăng loại bỏ 99.97% các hạt bụi, vi khuẩn và virus có kích thước từ 0.3 micromettrở lên, đảm bảo không khí thải ra ngoài môi trường an toàn

Ống dẫn khí: Được thiết kế để dẫn không khí đã qua lọc ra khỏi khu vực phòng mộtcách an toàn và hiệu quả Ống này thường được để ngay đầu giường bệnh, để hơithở của bệnh nhân không chạm tới đường hô hấp của nhân viên y tế, bác sĩ khi họ đếngần giường bệnh thăm

- Tất cả không khí trong phòng sẽ được thay mới 5 phút/lần:

o Cửa hút khí thường được bố trí gần sàn để hút được các khí bẩn

và nặng, như CO₂ hoặc hơi chứa vi khuẩn, theo hướng khí đi từ trên xuống dưới

o Không khí này phải đi qua bộ lọc HEPA trước khi được xả ra

ngoài, đảm bảo không làm ô nhiễm môi trường bên ngoài

Duy trì áp lực âm trong phòng

o Quạt hút phải hút nhiều không khí hơn so với lượng không khí cấp vào để duy trì áp suất âm Điều này tạo ra một dòng khí mộtchiều, giúp ngăn không cho tác nhân gây bệnh thoát ra ngoài phòng

Hệ thống điều khiển

Giám sát và điều chỉnh áp suất âm trong phòng liên tục thông qua các cảm biến ápsuất

 Cảm biến áp suất chênh lệch: Đo sự chênh lệch áp suất giữa phòng và khu vựcbên ngoài.

 Cảm biến khí lưu: Đo lưu lượng không khí ra/vào phòng để đảm bảo dòng khí

Điều khiển hoạt động của quạt hút và hệ thống lọc khí

 Biến tần điều khiển tốc độ quạt: Điều chỉnh tốc độ quạt để đảm bảo áp suất duytrì ở mức âm cần thiết

 Van điều tiết không khí: Kiểm soát lưu lượng khí cấp vào hoặc hút ra theo yêucầu

Cảnh báo khi có sự cố rò rỉ không khí hoặc áp suất không đạt chuẩn

 Màn hình HMI (Human Machine Interface): Hiển thị các thông số như áp suất,tốc độ quạt, và lưu lượng không khí

 Báo động âm thanh và đèn cảnh báo: Kích hoạt khi áp suất vượt ngưỡng antoàn

 Thông báo qua SMS/Email: Tích hợp cảnh báo từ xa qua internet cho đội kỹthuật khi có sự cố

Hệ thống dự phòng

 Nguồn điện dự phòng (UPS): Đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động khi mất điện

 Quạt và cảm biến dự phòng: Phòng ngừa sự cố kỹ thuật ảnh hưởng đến vận

Phần mềm điều khiển và quản lý dữ liệu

 Ghi dữ liệu và nhật ký hoạt động: Lưu trữ thông tin về áp suất, lưu lượng khí vàbáo động để truy xuất khi cần

 Tích hợp IoT: Hỗ trợ theo dõi và điều khiển từ xa qua mạng

b) Phòng đệm

 Đây là phòng có áp suất không khí thấp hơn hành lang và cao hơn phòng chính

Có 2 buồng đệm được đặt giữa phòng cách ly và hành lang Khi nhân viên y tế mặc đồ bảo hộ như khẩu trang, găng tay, quần áo chống nước, mũ trùm đầu trước khi vào phòng áp suất âm sẽ sử dụng buồng đệm đầu tiên Còn buồng thứ 2 là nơi các nhân viên y tế sử dụng sau khi điều trị cho bệnh nhân trong phòng cách ly, những vật dụng đã tiếp xúc với bệnh nhân sẽ được mang đi xử lý

Ngoài ra, còn có các nhà vệ sinh cũng được thiết kế đầy đủ và đây cũng là một phòng

áp lực âm khác Cũng giống như phòng giường bệnh của bệnh nhân, không khí ở đây cũng chỉ có thể đi vào mà không thể đi ra

 Thường trang bị hệ thống lọc không khí HEPA (High-Efficiency ParticulateAir) để loại bỏ các hạt vi khuẩn, virus khỏi không khí

 Cửa phòng luôn đóng kín và chỉ mở khi cần thiết

b Phòng áp lực âm trong phòng thí nghiệm

 Mục đích sử dụng: Được thiết kế để ngăn chặn sự phát tán của các chất độc hại hoặc tác nhân gây bệnh từ phòng thí nghiệm ra ngoài môi trường

 Đặc điểm:

 Thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu sinh học an toàn cấp 3 hoặc 4 (BSL-3, BSL-4).

 Hệ thống thông gió và lọc không khí phức tạp nhằm duy trì môi trường sạch sẽ và an toàn

 Phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn sinh học nghiêm ngặt

c. Phòng áp lực âm cho quy trình sản xuất

 Mục đích sử dụng: Trong các nhà máy sản xuất dược phẩm hoặc hóa chất, phòng

áp lực âm giúp ngăn ngừa sự phát tán của các hóa chất độc hại hoặc bụi mịn ra ngoài khu vực sản xuất

 Đặc điểm:

 Thiết kế để kiểm soát mức độ bụi bẩn và các hạt có hại

 Đảm bảo an toàn cho người lao động và môi trường xung quanh

d. Phòng áp lực âm trong tòa nhà hoặc khách sạn

 Mục đích sử dụng: Được thiết kế nhằm ngăn chặn sự phát tán của khói, mùi, hoặc không khí bị ô nhiễm từ các khu vực cụ thể như bếp, khu vực chứa chất thải

 Đặc điểm:

 Áp dụng ở các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao

 Hệ thống thông gió và hút mùi mạnh để duy trì không khí sạch trong tòa nhà

1.2 Nguyên lý làm việc

Phòng áp lực âm hoạt động dựa trên nguyên lý chênh lệch áp suất.Theo nguyên lý,không khí đi từ nơi có áp lực cao đến thấp, nên không khí bên ngoài có xu hướngmuốn đi vào bên trong Hệ thống thông gió trong phòng áp lực âm hoạt động theo cơchế hút không khí từ bên ngoài vào bên trong phòng thông qua các khe hở hoặccửa được thiết kế đặc biệt Đồng thời, không khí bên trong phòng được liên tụcđược hút ra ngoài qua hệ thống lọc khí HEPA (High Efficiency Particulate Air) - loạilọc có khả năng loại bỏ hiệu quả các hạt bụi, vi khuẩn và virus có kích thước siêunhỏ.

Chính nhờ sự chênh lệch áp suất và hệ thống lọc khí HEPA, dòng khí trong phòng

áp lực âm luôn được kiểm soát theo một chiều duy nhất - từ khu vực ít nhiễm khuẩn(bên ngoài) vào khu vực có nguy cơ nhiễm khuẩn cao (bên trong) Cơ chế này ngănchặn hiệu quả sự di chuyển của các tác nhân gây bệnh qua đường không khí, đảmbảo an toàn tối đa cho môi trường bên ngoài phòng

 1.3 Yêu cầu truyền động

1. Đảm bảo duy trì áp lực âm liên tục:

 Hệ thống truyền động cần phải hoạt động ổn định để duy trì mức áp suất âm được yêu cầu Thông thường, áp lực trong phòng phải thấp hơn so với khu vực xung quanh, thường từ - 2,5 Pa đến -10 Pa, tùy theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

2. Hệ thống điều chỉnh lưu lượng không khí:

 Cần có hệ thống điều chỉnh lưu lượng không khí để đảm bảo dòng không khí vào phòng được kiểm soát Điều này có thể được thực hiện thông qua các van điều khiển, quạt hoặc

bộ biến tần cho động cơ quạt.

 Các van này phải hoạt động một cách chính xác và không gây dao động áp suất quá lớn.

3. Thiết bị đo áp suất chính xác:

 Thiết bị đo áp suất phải có độ chính xác cao và có thể giám sát liên tục để báo động nếu có

sự thay đổi áp suất bất thường Các cảm biến áp suất được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm để điều chỉnh tốc độ quạt hoặc các van điều chỉnh.

4. Cơ chế lọc không khí (HEPA filters):

 Phòng áp lực âm thường cần hệ thống lọc HEPA để lọc bỏ vi khuẩn, virus, và các hạt bụi nhỏ khỏi không khí Việc lọc không khí sạch trước khi thải ra ngoài rất quan trọng để đảm bảo an toàn sinh học.

 Hệ thống truyền động của quạt phải có khả năng hoạt động liên tục để duy trì luồng khí qua các bộ lọc mà không làm giảm hiệu suất lọc.

5. Bảo dưỡng định kỳ và kiểm tra hiệu chuẩn:

 Hệ thống truyền động cần được kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo không bị hư hỏng hoặc lệch chuẩn Điều này đặc biệt quan trọng trong môi trường áp lực âm, nơi mà sự

an toàn phụ thuộc vào việc duy trì điều kiện áp suất ổn định.

6. Độ tin cậy cao và hệ thống dự phòng:

 Hệ thống truyền động cần có độ tin cậy cao và khả năng hoạt động trong thời gian dài mà không gặp sự cố Đối với các khu vực quan trọng (như phòng cách ly bệnh viện), cần có hệ thống dự phòng để đảm bảo áp suất âm vẫn được duy trì ngay cả khi hệ thống chính gặp sự cố.

Chương 2: Thiết kế phần cứng, lựa chọn PLC

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Khối nguồn:

- Nguồn 220VDC cung cấp điện cho nguồn tổ ong 24VDC

- Nguồn tổ ong cung cấp cho các thiết bị: cảm biến, nút nhấn, núm đổi chế độ

Khối đầu vào:

2.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi

các tác nhân kích thích (hay còn gọi là đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết

bị bên ngoài được gắn vào đầu ra của PLC

- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng

- Tiết kiệm năng lượng

- Giá thành thấp Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó cókhả năng thay thế hàng trăm rơ le Khả năng thích ứng với môi trườngcông nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ các vật liệu cứng, có khả năngchống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu Các máytính tiêu chuẩn không có khả năng này

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồthang, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thôngthường

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanhchóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLCbằng bộ lập trình, bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng

2.2.1.1 Một số loại PLC thông dụng hiện nay

a) PLC Siemen

PLC Siemens là thương hiệu nổi tiếng đến từ Đức, chuyên cung cấp nhiều sảnphẩm lập trình PLC Simatic cao cấp và được nhiều khách hàng đánh giá cao Ứng dụng chính của bộ điều khiển lập trình PLC đang rất phổ biến trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, với mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất, tối

ưu hóa chi phí cho doanh nghiệp

Ưu điểm của PLC Siemen:

- Là hàng thương hiệu Siemens của Đức có uy tín và chất lượng tốt nên khilắp tủ sẽ tạo sự yên tâm cho người sử dụng

- Độ bền và hoạt động với độ tin cậy rất cao nên thuận tiện cho việc sửdụng trong những máy móc hoạt động liên tục 24/7

- Có kích thước nhỏ gọn, kèm khả năng mở rộng với nhiều module chứcnăng khác nhau Có thể gắn signa board mở rộng trên cpu

- Tích hợp sẵn cổng ehternet để kết nối với ngoại vi bằng chuẩn truyềnthông mạng RJ45 Có thể dùng cổng này để lập trình download/uploadluôn

- Có thể khóa mật khẩu nhiều lớp để bảo vệ chương trình

Nhược điểm của PLC Siemen:

- Đầu tiên đó chính là giá thành của cpu và module mở rộng có giá thànhcòn cao so với một số thương hiệu như Mitsubishi hay Omron

- CPU thường tích hợp ít in/out nên đối với một số ứng dụng bắt buộc phải

Ưu điểm của PLC Mitsubishi:

- PLC Mitsubishi được thiết kế và sản xuất với chất lượng cao, đáp ứng đượccác yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghiệp

- PLC Mitsubishi có khả năng xử lý nhanh và đáp ứng được các yêu cầu vềtốc độ trong các ứng dụng công nghiệp

- PLC Mitsubishi hỗ trợ nhiều tính năng tiên tiến như định tuyến, điều khiểnchuyển động và các chức năng mở rộng khác

- PLC Mitsubishi được hỗ trợ bởi một phần mềm lập trình đơn giản và dễ sửdụng, cho phép người dùng dễ dàng lập trình và cấu hình các chươngtrình điều khiển

- Giá thành thấp hơn so với các hãng khác trên thị trường

Nhược điểm của PLC Mitsubishi:

- Phụ thuộc vào phần mềm: Sử dụng phần mềm lập trình của Mitsubishi đôikhi có thể tạo ra một số rắc rối, và sự phụ thuộc vào phần mềm này cũng

có thể là một hạn chế

- Khó khăn trong việc sửa chữa: Trong trường hợp xảy ra sự cố, việc sửachữa và bảo trì PLC của Mitsubishi có thể đòi hỏi kỹ thuật viên có kỹ năngchuyên môn cao hoặc phải gọi đến dịch vụ hỗ trợ chính thức từ nhà sảnxuất

2.2.1.2 Lựa chọn PLC cho hệ thống

Từ những phân tích trên, có thể thấy PLC Mitsubishi có nhiều lợi thế so với 2 PLC còn lại PLC Mitsubishi có giá thành thấp hơn so với PLC Siemens Dù giá thành thấp trong phân khúc nhưng giá trị mang lại của PLC Mitsubishi không

hề thua kém các model còn lại, thậm chí có phần nhỉnh hơn Có thể kể đến như PLC Mitsubishi FX3U có giao diện thân thiện với người dùng, dễ học và

dễ sử dụng PLC Mitsubishi FX3U được thiết kế với độ bền cao, đáp ứng được các yêu cầu khắc nghiệt của môi trường công nghiệp Bên cạnh đó, nhờ việc được hỗ trợ rất nhiều công nghệ mà PLC Mitsubishi FX3U giúp nâng cao giá trị sử dụng và hiệu suất của thiết bị

Vì vậy, để đáp ứng với yêu cầu đề tài và khả năng nghiên cứu tiếp cận Em quyết định sử dụng PLC Mitsubishi FX3U trong đồ án lần này

a) Khái quát PLC FX3U

Dòng sản phẩm PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong hệ FX-PLC, là một PLC dạngnhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric Sản phẩm được thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng mới đặc biệt là hệ thống “Adapter Bus” được bổ sung hữu ích cho việc mở rộng thêm những tính năng đặc biệt

và khối truyền thông mạng Khả năng mở rộng tối đa có thể lên đến 10 khối trên hệ thống mới này Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh đơn logic, cùng với 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho việc điều khiển vị trí Dòng PLC mới này còn cho phép

mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet và cổng lập trình RS-422 mini DIN, RS-232 Với tính năng mạng mở rộng làm cho PLC này nângcao được khả năng kết nối tối đa lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/O qua mạng

b) Thông số kỹ thuật PLC FX3U

Thông số kỹ thuật chung của PLC Mitsubishi FX3U Series

- Điện áp nguồn cấp: 100/240VAC hoặc 24VDC

- Bộ nhớ chương trình: 64000 bước lệnh

- Kết nối truyền thông: RS422, hỗ trợ mở rộng Board RS232 và RS485

- Bộ đếm tốc độ cao: Tối đa 100kHz trên CPU và 200kHz với Module mởrộng chức năng

- Đầu ra phát xung: Tối đa 3 trên CPU với tần số tối đa 100kHz, tần số200kHz nếu dùng module chức năng mở rộng

- Tổng đầu I/O: 16/32/48/64/80/128 I/O

- Mở rộng tối đa 256 I/O thông qua module I/O hoặc 384 I/O thông qua Link

CC-Với các thông số trên và theo phương án đã lựa chọn và sử dụng PLC FX3U với ngõ đầu ra Transistor và có mã sản phẩm: FX3U-32MT/DS cho hệ thống chiết rót nước đóng thùng tự động, trong đó FX3U là tên PLC, 32 là số chân vào và ra của PLC, MT là ngõ đầu ra Transistor, DS là kí hiệu chỉ điện áp một chiều 24V cấp cho PLC FX3U