3.1.1. Cảm biến
a)Cảm biến báo đầy
Trong cụm phân phối thức ăn, lựa chọn cảm biến báo mức đầy thức ăn với yêu cầu nhận biết khi nào các hộp định lượng đã đầy thức ăn; số lượng 1 và cảm biến (màu xanh) được bố trí ở hộp cuối cùng vì khi đầy hộp cuối nghĩa là các hộp phía trước cũng đã được đổ đầy như hình 3.2.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 3.2. Bố trí cảm biến
Cảm biến điện dung Dinel CL-23N trong hình 3.3 là dòng cảm biến điện dung này có thể ứng dụng đo mức trong các loại chất lỏng hay chất rắn có nhiệt độ dưới 150oC. Với thiết kế nhỏ gọn và có nhiều dạng kích thước khác nhau. Do đó, Dinel CL-23N phù hợp để lựa chọn để nhận dạng báo đầy thức ăn trong hộp định lượng.
Hình 3.3. Cảm biến điện dung Dinel CLS-23N [27] Bảng 3.1. Thông số kĩ thuật cảm biến điện dung Dinel CL-23N:
Loại phát hiện Chất lỏng, chất rắn < 150o; dạng NPN
Nguồn cấp 6-30 VDC
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Thời gian đáp ứng 0.1s
Chiều dài cảm biến 50mm – 1000 mm
Khả năng chịu nhiệt -30-150o
Số dây
3 dây:
+ dây nguồn(xanh, đỏ); + dây tín hiệu(đen);
b)Cảm biến vị trí
Lựa chọn cảm biến vị trí: yêu cầu nhận dạng vị trí của cụm vòi rửa bằng kim loại và
phát hiện vị trị của đối trọng trong cụm cho ăn để dừng việc thả quả ngăn đóng hộp. Cảm biến tiệm cận NPN: cảm biến tiệm cận là loại cảm biến phát hiện vật thể kim loại mà không cần tiếp xúc, tác động lên vật với khoảng cách xa nhất là 30mm, hoạt động ổn định, tuổi thọ cao. Vì thế, cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX trong hình 3.4 được lựa chọn, số lượng:7 và có thông số kỹ thuật ở bảng 3.2.
Hình 3.4. Cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX [28] Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX
Ngõ ra NO (Thường hở)
Dây màu nâu; màu xanh VCC; GND
Dây màu đen Tín hiệu
Chiều dài 18 mm
Điện áp hoạt động 6 – 36 VDC
Khoảng cách phát hiện 0 mm - 4 mm
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Bố trí cảm biến : Có 6 cảm biến được bố trí như hình 3.5 để phản hồi tín hiệu về bộ
điều khiển tác động đến việc tắt mở nước của vòi và dừng di chuyển cho cụm vòi rửa.
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí cảm biến tiệm cận của cụm vòi rửa.
Một cảm biến tiệm cận phát hiện vị trí đối trọng ở cụm cho ăn (màu xanh lá) được bố
trí như hình 3.6. Khi đối trọng đến vị trí dừng cảm biến sẽ phát hiện và dừng động cơ đóng hộp.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
3.1.2. Contactor
Contactor là khí cụ điện hạ áp, thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực. Contactor là thiết bị điện đặc biệt quan trọng trong hệ thống điện. Nhờ có contactor ta có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng,... thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa.
Trong đề tài này, contactor 1 pha Schneider có thông số kỹ thuât ở bảng 3.3 được lựa chọn với nhiệm vụ đóng ngắt trong mạch động lực cho từng động cơ thông qua điều khiển. Schneider hoạt động ổn định với công nghệ tiên tiến, độ bền cao, hạn chế thời gian bảo trì.
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật chung Contactor Schneider
Điện áp cuộn dây 220VAC, 50Hz
Các dòng định mức 20A ,25A , 40A, 63A, 100A
Tính toán chọn contactor a) Cụm cho ăn
Với yêu cầu điều khiển 1 động cơ ac 1 pha cho việc truyền tải thức ăn và 1 động cơ ac dùng kéo các quả nặng, do đó số lượng contactor lựa chọn ở cụm cho ăn là 2.
Chọn loại contactor:
-Với động cơ 1 pha, ta tính dòng điện thông qua công thức:
𝑃 = 𝑈𝐼𝑐𝑜𝑠ø (3.1) Trong đó :
P là công suất động cơ (W).
U là điện áp sử dụng (U= 220V do ở Việt Nam động cơ 1 pha sử dụng điện 220V).
Cosφ là hệ số công suất. Hệ số công suất là 0,8.
-Với động cơ truyền tải thức ăn (M1) được lựa chọn ở chương 2 có công suất P = 1,5kW, áp dụng công thức 3.1 tính được dòng điện:
𝐼 = P
UCosφ =
1500
220.0,8= 8,5 𝐴
Lựa chọn contactor A9C20731 25A 1NO như hình 3.7 với dòng điện vào tối đa 25A.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
-Với động cơ kéo các quả ngăn trong hộp định lượng (M2) được lựa chọn ở chương 2 có công suất P = 60 W, áp dụng công thức 3.1 tính được dòng điện:
𝐼 = 𝑃
𝑈Cosφ= 60
220.0,8= 0,35 𝐴
Lựa chọn contactor A9C20731 25A 1NO như hình 3.7 với dòng điện vào tối đa 25A.
Hình 3.7. Contactor Schneider A9C20731 25A 1NO [29]
Sơ đồ đấu dây của các contactor đã lựa chọn với các động cơ trong cụm cho ăn được thể hiện qua hình 3.8.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
b)Cụm vòi rửa
Với yêu cầu điều khiển 3 động cơ: động cơ kéo cụm vòi rửa (M3), động cơ truyền động vòi rửa (M4), máy bơm nước (M5) và điều khiển đảo chiều cho động cơ kéo cụm vòi rửa do đó sẽ chọn số lượng 4 contactor.
Chọn loại contactor :
- Động cơ M3 được lựa chọn có P= 60 W, áp dụng công thức 3.1, tính được dòng điện:
𝐼 = 𝑃
𝑈𝐶𝑜𝑠𝜑= 60
220.0,8= 0,34 𝐴.
- Động cơ M4 được lựa chọn có P= 40 W, áp dụng công thức 3.1, tính được dòng điện
𝐼 = 𝑃
𝑈𝐶𝑜𝑠𝜑= 40
220.0,8= 0,23 𝐴.
- Động cơ M5 được lựa chọn có P= 125 W, áp dụng công thức 3.1, tính được dòng điện 𝐼 = 𝑃 𝑈𝐶𝑜𝑠𝜑= 125 220.0,8= 0,7 𝐴. Bảng 3.4. Bảng lựa chọn contactor Động cơ M3 M4 M5
Contactor A9C20731 25A 1NO A9C20731 25A 1NO A9C20731 25A 1NO Dựa trên các tính toán ở trên, các contactor sử dụng trong cụm vòi rửa được lựa chọn ở bảng 3.4 và ở hình 3.9.
Hình 3.9. Contactor Schneider A9C20731 25A 1NO [29]
Sơ đồ đấu dây của các contactor đã lựa chọn với các động cơ trong cụm vòi rửa được thể hiện qua hình 3.10.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 3.10. Sơ đồ đấu dây contactor với động cơ trong cụm vòi rửa
3.1.3. Aptomat
Aptomat là thiết bị đóng cắt tự động, bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Trong đề tài sẽ sử dụng aptomat để phục vụ cho công dụng đó.
Tổng công suất trong mạch động lực P= 1785 W, áp dụng công thức 3.1, dòng điện:
𝐼 = 𝑃
𝑈𝐶𝑜𝑠𝜑 = 1785
220.0,8= 10,2 𝐴.
Bên mạch động lực, dựa vào tính toán ở trên, Aptomat dạng tép MCB 2P 25A EZ9F34125 trong hình 3.11a của hãng Schneider có thông số kỹ thuật ở bảng 3.5 được lựa chọn để đóng ngắt, bảo vệ mạch động lực.
Bên mạch điều khiển, MCB 2P 16 A EZ9F34110 trong hình 3.11b hãng Schneider có thông số kỹ thuật bảng 3.6 được lựa chọn để đóng ngắt, bảo vệ mạch điều khiển.
a. MCB 25A EZ9F34125 b. MCB 16A EZ9F34110
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật của MCB 2P 25A EZ9F34125
Điện áp sử dụng 220V
Dòng định mức 25A
Dòng cắt 4.5kA
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật của MCB 2P 10A EZ9F34110
Điện áp sử dụng 220V
Dòng định mức 10A
Dòng cắt 4.5kA
3.1.4. Van nước điện từ
Van nước điện từ dùng để kiểm soát dòng chảy của chất lỏng, chất khí, ứng dụng nguyên lý đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ, van điện từ là dùng điện đóng mở van thay vì dùng tay. Trong đề tài sử dụng van nước điện từ để kiểm soát dòng chảy cấp cho cụm vòi rửa.
Lựa chọn van điện từ nước Unid –Đài Loan có chất lượng tốt, độ bền cao, giá thành tương đối như hình 3.12, có thông số kỹ thuật ở bảng 3.7.
Nguyên lí hoạt động: ban đầu van ở trạng thái đóng ngăn không cho dòng nước đi qua. Khi cấp điện, cuộn coil sinh ra từ trường hút màng van, khe hở được mở ra cho phép dòng chảy đi qua. Khi ngắt điện, cuộn coil ngừng sinh từ trường màng van trở lại che kín khe hở, ngăn dòng nước đi qua, van sẽ đóng lại.
Hình 3.12. Van điện từ nước Unid [30] Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật van điện từ nước Unid
Điện áp điều khiển 220VAC, 50Hz
Đường kính ống ren trong Ø21 mm
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Áp suất chịu được tối đa 7kg/cm2
Trạng thái bình thường NC
Số lượng lựa chọn 2
Trong đề tài, 2 van được lựa chọn sử dụng để đóng ngắt luân phiên dòng nước minh họa ở hình 3.13. Khi cụm rửa ở các vị trí không được xịt thì van 1 sẽ đóng ngăn không cho dòng nước qua và van 2 sẽ mở để nước chảy về bể không gây tắc đường ống.
Van 1 Van 2
Bể
Vòi xịt
Nước
Hình 3.13. Sơ đồ đường nước dẫn cấp cho cụm rửa
3.1.5. Nút nhấn
Nút nhấn chính là công tắc liên lạc tạm thời để tạo hoặc ngắt kết nối với áp suất phù hợp. Áp lực từ lực ngón tay, khi thôi nhấn nút nhấn sẽ về trạng thái bình thường. Phân loại : nút nhấn thường mở, nút nhấn thường đóng, nút nhấn kép.
Lựa chọn nút nhấn:
+ Nút nhấn start: Chọn nút Scheider XB5AA61(hình 3.14), thông số trong bảng 3.8, số lượng: 1.
Hình 3.14. Nút nhấn Scheider XB5AA61 [30] Bảng 3.8. Thông số kĩ thuật nút nhấn Scheider XB5AA61:
Loại tiếp điểm 1 NO
Dòng điện định mức 10A
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
+Nút nhấn Stop: Chọn nút Scheider XB5AP42(hình 3.15), thông số trong bảng 3.9, số lượng: 1
Hình 3.15. Nút nhấn Scheider XB5AP42 [30] Bảng 3.9. Thông số kĩ thuật nút nhấn Scheider XB5AP42
Loại tiếp điểm 1 NO
Dòng điện định mức 10A
Điện áp cách điện 600A
+ Nút dừng khẩn cấp: Nút nhấn Scheider XA2ES642, ở hình 3.16, thông số kỹ thuật trong bảng 3.10, số lượng:1
Hình 3.16. Nút dừng Scheider XA2ES642 [30] Bảng 3.10. Thông số kĩ thuật nút nhấn Scheider XA2ES642:
Loại tiếp điểm 1 NC xoay
Dòng điện định mức 10A
Điện áp cách điện 600A
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Thống kê số lượng input output
Bảng 3.11. Số lượng input output của các thiết bị
STT Tên thiết bị SL Digital Analog Tín hiệu vào Tín hiệu ra
1 Cảm biến tiệm cận 6 x x
2 Cảm biến báo đầy 1 x x
3 Cảm biến báo dừng
thả quả ngăn 1 x x
4 Nút nhấn 3 x x
5 Các cơ cấu tác động 9 x x
Bảng 3.12. Tổng số input output PLC cần:
Loại tín hiệu Số lượng
Digital Input 11
Digital Output 9
Thông qua bảng thống kê số lượng đầu ra, đầu vào ở bảng 3.11 và bảng 3.12, trong đề tài sẽ lựa chọn bộ điều khiển PLC Siemens 1214C AC/DC/Relay trong hình 3.17 và có thông số kỹ thuật ở bảng 3.13.
Hình 3.17. PLC Siemens 1214C AC/DC/Relay [31] Bảng 3.13. Thông số kỹ thuật của PLC Siemens 1214C AC/DC/Relay.
Bộ nhớ 100kB
Nguồn cấp 120/240 VAC
Input 14 DI x 24 V sink/source
Output 10 DQ relay
Năng lượng tiêu thụ 14 W
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
PLC được kết nối với các thiết bị ngoại vi đầu vào như cảm biến tiệm cận, cảm biến báo đầy, cảm biến báo dừng thả quả ngăn và các nút nhấn được thể hiện ở hình 3.18.
Ở đầu ra PLC, để các contactor hoạt động điều khiển động cơ như: điều khiển thuận đảo chiều động cơ kéo cụm vệ sinh(KTH;KNG), điều khiển động cơ truyền động vòi rửa(K1), điều khiển máy bơm(K2), điều khiển động cơ phân phối thức ăn(K3), điều khiển thuận đảo chiều động cơ kéo các quả ngăn trong các hộp định lượng(KTH4;KNG4) thì cần sử dụng các relay trung gian để kích các contactor đó để đảm bảo cách ly điện áp xoay chiều của các cơ cấu chấp hành với phần điều khiển. Relay 8 chân 24V được sử dụng làm relay trung gian. Tất cả các kết nối ngõ ra PLC với thiết bị ngoại vi được thể hiện qua sơ đồ đấu dây hình 3.19.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 3.19. Sơ đồ kết nối ngõ ra PLC với các thiết bị
3.1.7. Màn hình HMI
HMI Delta là loại màn hình sử dụng giao diện chính là HMI – viết tắt của Human Machine Interface, là bộ phận kết nối người với máy. Màn hình này được sản xuất bởi tập đoàn điện tử hàng đầu Đài Loan Delta Electronics và đang chiếm được cảm tình rất lớn của người tiêu dùng tại Việt Nam.
Trong đề tài này chọn màn hình Delta dòng Dop-B series, Màn hình này được các công ty, doanh nghiệp sử dụng thường xuyên vì thao tác đơn giản, dễ dàng của chúng. Bên cạnh đó, dòng DOP-B vô cùng nhỏ gọn, sử dụng linh hoạt và hơn hết chi phí lại rất phải chăng. Màn hình HMI Delta DOP-B10S411(hình 3.20) được lựa chọn trong đề tài với thông số kỹ thuật ở bảng 3.14.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Bảng 3.14. Thông số kĩ thuật màn hình HMI Delta DOP-B10S411:
Kích thước 10.1 inch
Ram 64MB
Điện áp cấp 24VDC
Độ phân giải 1027 x 600 pixels
HMI kết nối với PLC được cắm ở cổng trên HMI và cổng trên PLC thông qua dây mạng theo chuẩn mạng RJ45 như hình 3.21.
Hình 3.21. Kết nối PLC với HMI thông qua cáp chuẩn mạng RJ45 [32]
3.2.Kết luận
Chương 3 đã lựa chọn được thiết bị điện cho các cụm cơ khí của hệ thống chăn nuôi tự động. Đồng thời, thống kê được số input, output cần thiết và lựa chọn được bộ điều khiển phù hợp. Cuối cùng, đã thể hiện được sơ đồ kết nối giữa các thiết bị.
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Sau khi tính toán thiết kế hệ thống điện ở chương trước, cụm phân phối thức ăn và cụm vệ sinh cần có giải thuật điều khiển và giám sát để có thể vận hành được. Do đó chương 4 tập trung vào việc xây dựng giải thuật vận hành cho hệ thống. Sau đó, kiểm nghiệm giải thuật, thiết lập giao diện điều khiển cho người dùng.
4.1. Địa chỉ đầu ra và đầu vào của PLC
Các địa chỉ I/O của PLC được liệt kê ở bảng 4.1 bên dưới phù hợp sơ đồ đấu dây ở chương 3.
Bảng 4.1. Kết nối I/O của PLC
Tên gọi Chức năng Địa chỉ
1 START Nút nhấn bắt đầu hệ thống I0.0
2 STOP Nút dừng hệ thống I0.1
3 RESET Nút reset tất cả giá trị I0.2
4 SS01 Cảm biến báo đầy hộp định lượng I0.3
5 SS02 Cảm biến kéo thả quả ngăn I0.4
6 SS1 Cảm biến vị trí 1 cụm rửa I0.5
7 SS2 Cảm biến vị trí 2 cụm rửa I0.6
8 SS3 Cảm biến vị trí 3 cụm rửa I0.7
9 SS4 Cảm biến vị trí 4 cụm rửa I1.0
10 SS5 Cảm biến vị trí 5 cụm rửa I1.1
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
12 RL1 Relay kích động cơ trục vít Q0.0
13 RL2 Relay kích động cơ kéo quả ngăn lên mở hộp Q0.1 14 RL3 Relay kích động cơ thả quả ngăn xuống đóng hộp Q0.2 15 RL4 Relay kích động cơ kéo cụm vòi rửa đi tới Q0.3 16 RL5 Relay kích động cơ kéo cụm vòi rửa đi về Q0.4
17 RL6 Relay kích động cơ máy bơm nước Q0.5
18 RL7 Relay kích động cơ truyền động 2 vòi rửa Q0.6
19 RL8 Relay kích van nước điện từ 1 Q0.7
20 RL9 Relay kích van nước điện từ 2 Q1.0
Lựa chọn ngôn ngữ lập trình:
Với việc điều khiển bằng PLC, thì chương trình điều khiển có thể được xây dựng bằng các phương pháp:
- Ngôn ngữ “dòng lệnh” (Instruction format): đây là ngôn ngữ lập trình cơ bảnnhất, dễ học, dễ dử dụng. Tuy nhiên lại gặp khó khăn trong việc tìm ra mối liên hệ giữ đoạn