Tự động điều khiển độ ẩm máy ấp trứng gia cầm bằng bộ điều chỉnh PID
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 1 - Đặt vấn đề Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nớc ta có nhiều những thành tựu vợt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lơng thực, thực phẩm cho đất nớc mà còn xuất khẩu ra thị trờng 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 bớc 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 đợc phát triển rộng rãi trên cả nớc 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 phơng pháp tối u để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp đợc một số lợng trứng lớn, và chất lợng con giống đợc nâng cao. Trong quá trình ấp trứng, ẩm độ là một trong những thông số rất quan trọng nó ảnh hởng rất lớn đến quá trình ấp nở. Vì vậy việc đảm bảo lợng ẩm cần thiết cho quá trình ấp nở là hết sức quan trọng cho từng giai đoạn ấp. Ngày nay, việc đa 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 nớc ta. Việc đa 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 ngời 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. Đợc sự phân công của bộ môn Điện, với sự h ớng dẫn của thầy giáo Nguyễn Văn Đờng, 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 đợc những thành công đáng kể. Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 2 - Nội dung chi tiết của đề tài đã đợc trình bày trong báo cáo chính, bao gồm các phần sau: Mở đầu Chơng 1: Tổng quan về ấp trứng gia cầm và đIều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm Chơng 2: PLC S7 - 200 và các module mở rộng Chơng 3: phần mềm Step7- Micro Win32 và chơng trình điều khiển PID số Chơng4: Chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu Chơng 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: Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 3 - Chơng 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, tơng 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 đợc đa vào cùng một lúc nên chúng có tuổi ấp và tuổi nở giống nhau. ấp đa kỳ là là chế độ ấp mà trứng đợc đa vào buồng ấp theo từng đợt, thông thờng 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 đợc xác định theo các bảng dới 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 tơng đối (%) Nhiệt độ nhiệt kế ớt 1 ữ 5 ngày 60 ữ 61% 30 ữ 31 0 C 6 ữ 11 ngày 55 ữ 57% 29 ữ 29,5 0 C 12 ữ 18 ngày 50 ữ 53% 28 ữ 28,5 0 C 19 ngày 60% 30 0 C 20 ữ 21 ngày 70 ữ 75% 32 ữ 33 0 C Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 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 (đối với trứng gà) Các giai đoạn ấp Độ ẩm tơng đối (%) Nhiệt độ nhiệt kế ớt 1 ữ 15 ngày 55 ữ 57% 29 ữ29,5 0 C 16 ữ21 ngày 68 ữ 75% 30 ữ 32,5 0 C 1.2 Hệ thống điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm * Phơng pháp điều chỉnh độ ẩm Trong các máy ấp thế hệ cũ, phơng pháp điều chỉnh đóng ngắt thờng đợc sử dụng nhiều. Ngày nay, trong các máy ấp hiện đại ít đợc sử dụng. Trong cách tạo ẩm bằng phơng pháp vung nớc qua cánh quạt trong máy, ngời ta sử dụng phơng pháp đóng ngắt để điều chỉnh ẩm độ. Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phơng pháp điều chỉnh độ ẩm liên tục. Nguyên lý của phơng 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. Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 5 - * Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ trong máy ấp trứng gia cầm Hệ thống điều chỉnh tự động thông thờng đợc 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 phơng 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 đợc chuyển đổi và khuếch đại thành tín hiệu điện áp U Pv . Tín hiệu phản hồi đợc so sánh với tín hiệu đặt trớc U Sv đa ra độ sai lệch e (e= U Sv - U Pv ). 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 đợc 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 đợc xác định bởi: U = K P .e + K I e.d t + K D dt de = K m ++ dt de .Te.dt T 1 e d I (1.1) Nhận xét: Việc tính toán xác định các hệ số K P , T I , T d là vấn đề rất khó trong phạm vi của đề tài. Bộ điều khiển PID Bộ tạo ẩm U Sv e U Pv Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ CĐ và KĐ Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 6 - * Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng phơng pháp điều chế độ rộng xung PWM Tốc độ của quạt thổi đợc điều khiển bởi phơng pháp điều chế độ rộng xung. Nội dung của phơng pháp đợc trình bày dới hình sau: Trong đó: U T , U đk lần lợt là điện áp tựa và điện áp điều khiển. U đk U T +E -E U ra OA a) a) Khâu so sánh điều chế độ rộng xung b) Giản đồ thời gian xung đầu vào và đầu ra U ra Hình 1.3: Phơng pháp điều chế độ rộng xung 0 U 0 t U T U đk t b) Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 7 - Chơng 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 chơng trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp đợc gọi là vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét đợc bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chơng trình. Trong từng vòng quét, chơng trình đợc thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chơng trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét đợc kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. Thiết bị lập trình Bộ nhớ CPU Giao diện nhập Giao diện xuất Nguồn công suất Hình2.1: Sơ đồ khối hệ thống PLC S7 - 200 Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 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. 3. Soạn thảo chơng trình. 4. Nạp chơng trình vào bộ nhớ. 5. Chạy chơng trình. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi Truyền thông và tự kiểm tra lỗi Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo Thực hiện chơng trình Hình 2.2: Sơ đồ vòng quét trong PLC S7 - 200 Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 9 - 2.3 Khối mở rộng analog EM 235 * Đặc tính chung Modul vào/ra EM 235 là loại modul mở rộng với đầu vào analog tốc độ cao. Nó có khả năng chuyển đổi một tín hiệu vào analog thành giá trị số tơng đơng trong 171 s đối với CPU 212 và 139 s đối với tất cả các CPU S7- 200 khác. Việc chuyển đổi tín hiệu vào analog đợc thực hiện mỗi khi đầu vào đợc truy cập bởi chơng trình. - 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 lỡng 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 Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A - 10 - * Điều chỉnh đầu vào Bảng2.1: Các giá trị đầu vào EM235 Đơn cực SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Dải điện áp Độ phân giải ON OFF OFF ON OFF ON 0-50 mV 12,5 V OFF ON OFF ON OFF ON 0-100 mV 25 V ON OFF OFF OFF ON ON 0-500 mV 125 V OFF ON OFF OFF ON ON 0-1 V 250 V ON OFF OFF OFF OFF ON 0-5 V 1,25 V ON OFF OFF OFF OFF ON 0-20 mA 5 A OFF ON OFF OFF OFF ON 0-10 V 2,5 V Lỡng cực SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Dải điện áp Độ phân giải ON OFF OFF ON OFF OFF 25 mV 12,5 V OFF ON OFF ON OFF OFF 50 mV 25 V OFF OFF ON ON OFF OFF 100 mV 50 V ON OFF OFF OFF ON OFF 250 mV 125 V OFF ON OFF OFF ON OFF 500 mV 250 V OFF OFF ON OFF ON OFF 1 V 500 V 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 Kết nối PLC S7- 200 với máy tính PC Hình 2.5: Sử dụng cáp PC/PPI kết nối với một CPU S7- 200 [...]... 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 đợc nhiệt độ buồng ấp là cố định trong từng giai đoạn ấp, ta cũng biết độ ẩm % cần thiết cho từng giai - 15 - Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A đoạn ấp, từ đó ta xác định đợc giá trị nhiệt độ nhiệt kế ớt ta cho từng giai đoạn ấp Cho nên ta có thể đặt... 5.1 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều khiển độ ẩm CPU S7 - 200 EM235 BPX % Sv PID D/A SS A/D BTA CĐ & KĐ Pv CB Hình 5.1: Sơ đồ khối phơng án 1 mạch điều khiển độ ẩm CPU S7 - 200 EM235 % Sv PID BTA D/A Pv PWM CĐ & KĐ A/D CB Hình 5.2: Sơ đồ khối phơng án 2 mạch điều khiển độ ẩm Phơng án 1 là điều chế độ rộng xung đợc thực hiện trên mạch so sánh Phơng án 2 đợc thực hiện điều chế độ rộng xung ngay trên PLC... loại J đợc bọc bấc ẩm để đo nhiệt độ nhiệt kế ớt trong buồng ấp 4 Máy vi tính * Các bớc tiến hành thí nghiệm 1 Đặt cảm biến vào trong buồng ấp và bọc bấc ẩm 2 Kết nối cảm biến với máy đo nhiệt độ, kết nối máy đo nhiệt độ với máy vi tính để hiển thị kết quả và ghi kết quả - 26 - Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A 3 Cho máy ấp trứng hoạt động với độ ẩm đặt là 55% tơng ứng với nhiệt độ nhiệt kế ớt... một tín hiệu đều có giá trị logic bằng 1, ngợc lại khi quy định độ rộng xung bằng 0 thì dãy xung sẽ là một tín hiệu đều có giá trị logic bằng 0 Tx Tx - Độ rộng xung T - Chu kỳ dãy xung T Hình 3.1: Dạng xung kiểu PWM * Lu đồ điều khiển PID số và điều chế phát xung tốc độ cao PWM Bắt đầu Đọc Pv PID PWM Bộ tạo ẩm Chuyển đổi và khuếch đại Hình 3.2: Lu đồ điều khiển PID và điều chế PWM trên PLC - 12 - Báo... đồ mạch động lực điều khiển tốc độ quay động cơ 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 đợc xác định theo biểu thức: In = Pn 15 = = 0,625 A Un 24 (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... với nhiệt độ nhiệt kế ớt đặt tađ của từng giai đoạn ấp Nh vậy mạch cầu hình 4.1 sẽ bị khuyết đi một vế nh hình 4.2 + R Enguồn Uatt Ra Uađ Uđk Khuếch đại tín hiệu Hình 4.2: Sơ đồ chuyển đổi R/U ớt và khuếch đại tín hiệu 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... Urrc t 0 Hình 5.6: Giản đồ thời gian mạch tạo xung răng ca 5.4 Mạch so sánh và tạo xung điều khiển +9V UrPLC Urrc Urss 1/2 1/2 TL082 TL082 -9V Hình 5.7: Sơ đồ mạch so sánh Urrc Uvss UrPLC t 0 Urss +9V t 0 -9V Hình 5.8: Giản đồ thời gian mạch so sánh - 21 - Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A 5.5 Mạch động lực điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bằng phơng pháp điều chế độ rộng xung +9V R19 DD1 1 R18... bảng điều khiển bằng rơ le Các thành phần cơ bản biểu diễn các lệnh logic nh sau: tiếp điểm, cuộn dây, hộp 3.2 Chơng trình điều khiển PID số và điều chế phát xung tốc độ cao PWM * Phơng 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 đợc chuyển tơng đơng thành gián đoạn theo chu kỳ trích mẫu có dạng: n Un... đợc thể hiện qua hình sau: 3 5 1 2 4 Hình 5.13: Phơng pháp quạt thổi bấc thẩm thấu qua các ống dẫn 1- Các ống dẫn 2- Các lỗ thoát ẩm 3- Các bấc thẩm thấu dẫn nớc từ ngoài vào 4- Lỗ đầu ra của các bấc thẩm thấu 5- Lỗ dẫn quạt thổi * Dụng cụ thí nghiệm Để đo và kiểm tra chất lợng của hệ thống điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm chúng tôi sử dụng một số dụng cụ sau: 1 Hệ thống thu thập giữ liệu FLUKE... của bộ khuếch đại thuật toán Ur +E Vào không đảo Vào đảo Uv 0 -E Hình 4.4: Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán * Bộ khuếch đại đảo Iht Iv R1 Rht I0 +E U0 Ura OA E Hình 4.5: Sơ đồ bộ khuếch đại đảo Hệ số khuếch đại đợc xác định theo biểu thức: Kđ = Ur R = ht Uv R1 (4.5) - 17 - Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A Chơng 5 Thiết kế mạch điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm 5.1