c. Ưu điểm của S7-1200 so với S7-200
So với S7-200 thì S7-1200 thể hiện sức mạnh vượt trội cả về phần cứng và phần mềm.
* Ưu điểm phần cứng:
Về khả năng mở rộng: Nếu như S7-200 chỉ dừng lại ở khả năng mở rộng tối đa 7 Module thì với S7-1200 cho phép mở rộng tối đa 8 module tín hiệu (Signal module), 2 board tín hiệu (Signal board) và 3 module truyền thông (Communication module).
19
Hình 2.8. Khả năng mở rộng của S7-200 và S7-1200
Xét về cấu hình phần cứng, S7-1200 cho phép người dùng thay đổi địa chỉ vùng nhớ I/O, còn S7-200 không thể thay đổi được.
20
Xét về tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC: S7-200 chỉ hỗ trợ tối đa 1 Module analog output, 2 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO, 8 bộ PID thì với S7-1200 cho phép hỗ trợ tối đa 1 Module analog output và 1 Board analog output, 4 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO, và đến 16 bộ PID.
Hình 2.10. Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC của S7-200 và S7-1200
* Ưu điểm phần mềm:
S7-200 chỉ cho phép lập trình trên một chương trình chính duy nhất, còn với S7-1200 cho phép người dùng lập trình trên nhiều chương trình chính độc lập, giúp người sử dụng quản lý lập trình dễ dàng và khoa học hơn.
21
S7-200 chỉ cho phép lồng chương trình con 8 lần, còn với S7-1200 thì khả năng lồng chương trình con lên đến 16 lần
Hình 2.12. Cấu trúc chương trình con trên S7-200 và S7-1200
Cấu trúc chương trình con trên S7-200 không cho phép lập trình với biến nhớ tạm thời, do đó chu trình quét của PLC sẽ kéo dài hơn do PLC phải quét hết các biến trên vùng nhớ mà PLC quản lý. Còn với S7-1200, cấu trúc chương trình con cho phép lập trình với biến nhớ tạm thời, khi tiến hành chu trình quét, PLC chỉ quét các giá trị điểm đầu và giá trị điểm cuối, không phải quét qua các giá trị biến nhớ trung gian tạm thời, chính điều này giúp giảm bớt thời gian quét của PLC giúp PLC xử lý công việc nhanh hơn và mượt mà hơn.
22
Hình 2.13. Cấu trúc chương trình con FC với biến nhớ tạm thời của S7-1200
Khi so sánh về cấu trúc dữ liệu, S7-1200 có cấu trúc dữ liệu kiểu mới, giúp người sử dụng có thể tiết kiệm dữ liệu hoặc mở rộng vùng dữ liệu một cách dễ dàng.
Kiểu Short giúp tiết kiệm dữ liệu, và kiểu Unsigned giúp mở rộng dữ liệu.
Hình 2.14. Cấu trúc dữ liệu kiểu mới trên S7-1200
2.3.4. Phương pháp thực hiện nội dung 3: Hệ thống buồng sấy sử dụng năng lượng mặt trời lượng mặt trời
a. Thiết bị sấy gián tiếp có sử dụng bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức
Buồng sấy sử dụng gián tiếp năng lượng mặt trời với bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức có cấu tạo như trên hình 2.14:
23
Hình 2.15. Buồng sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức
Ánh sáng mặt trời chiếu vào bộ phận thu nhiệt và dẫn nhiệt cưỡng bức, năng lượng mặt trời bị hấp thụ tại đây sẽ làm nóng không khí bên trong, sau đó được dẫn nhiệt cưỡng bức vào trong buồng sấy. Bên trong buồng sấy có bố trí các kệ để nguyên liệu cần sấy. Đồng thời trong buồng sấy có gắn cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm. Các thông số nhiệt độ và độ ẩm trong buồng sấy sẽ được cảm biến thu thập và phản hồi về bộ phận điều khiển. Phía trên nóc buồng sấy có bố trí khe hở thoát ẩm và gắn quạt thổi cưỡng bức độ ẩm ra ngoài buồng sấy. Hệ thống buồng sấy như trên rất thích hợp với những địa điểm có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào trong đó có nước Việt Nam của chúng ta.
Tuy nhiên, nếu hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời hoàn toàn cung cấp cho toàn bộ quá trình sấy sẽ gặp phải một số khó khăn, khi năng lượng mặt trời không cung cấp đủ cho hệ thống hoặc khi hệ thống thực hiện quá
24
trình sấy vào buổi tối. Chính vì thế, việc nghiên cứu hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với sử dụng nguồn năng lượng bổ sung từ điện lưới là rất cần thiết. Một hệ thống kết hợp cả năng lượng mặt trời và điện lưới để sấy sẽ khắc phục được nhược điểm của hệ thống chỉ sử dụng năng lượng mặt trời cung cấp cho quá trình sấy.
b. Hệ thống cung cấp năng lượng sử dụng pin mặt trời
Hình 2.15 miêu tả nguyên lý hoạt động của hệ thống cung cấp năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng pin mặt trời.
Hình 2.16. Hệ thống năng lượng sử dụng pin mặt trời
Năng lượng từ ánh sáng mặt trời được tấm pin mặt trời (Module) hấp thụ và chuyển từ quang năng sang điện năng, thông qua bộ điều khiển sạc (Charge controller) sẽ sạc điện vào Ắc quy (Battery), dòng điện một chiều từ
25
ắc quy sau khi đi qua bộ nghịch lưu (Inverter) sẽ có dạng dòng điện xuay chiều hình sin cung cấp năng lượng cho tải tiêu thụ. Như vậy, ánh sáng mặt trời sau khi đi qua hệ thống trên đã được chuyển từ quang năng sang điện năng dưới dạng năng lượng điện xuay chiều hình sin cung cấp cho tải tiêu thụ, giống như nguồn năng lượng điện chúng ta hiện vẫn đang sử dụng từ mạng điện lưới cung cấp.
Việc thiết kế một hệ thống sấy sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp kết hợp với hệ thống sử dụng năng lượng từ pin mặt trời và kết hợp luôn cùng với việc sử dụng năng lượng từ nguồn điện lưới sẽ phát huy được tất cả các ưu điểm của việc sử dụng riêng rẽ từng loại năng lượng trên.
2.3.5. Phương pháp thực hiện nội dung 4: Xây dựng hệ thống cơ khí của buồng sấy buồng sấy
Từ kết quả của quá trình nghiên cứu thiết bị sấy gián tiếp có sử dụng bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bứcvà quá trình nghiên cứu hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời từ pin mặt trời, hệ thống cơ khí của buồng sấy đã được lên kế hoạch thiết kế và thi công, bắt đầu từ việc thiết kế sơ đồ nguyên lý và hình dáng, kích thước cụ thể được thể hiện dưới dạng 3D bằng phần mềm thiết kế SolidWorks.
a. Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Hình 2.16 là sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy. Buồng thu nhiệt từ năng lượng mặt trời (1) có dạng hình hộp chữ nhật được phân ra thành 3 ngăn, giữa các ngăn có khe (11) để lưu thông khí nóng. Bên trong buồng có lắp tấm kẽm dẹt được uốn cong theo hình sóng nước nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc của tấm kẽm với ánh sáng mặt trời. Không khí ở bên trong buồng thu nhiệt sau khi bị đốt nóng được lưu thông (2) cưỡng bức bởi quạt một chiều (4) đi vào bên trong buồng sấy (7) thông qua khe dẫn khí (3). Khí nóng bên trong buồng sấy (17) được lưu thông liên tục bởi quạt gió xuay chiều (5) đảm bảo cho nhiệt độ bên trong buồng sấy đảm bảo tính đồng đều.
26
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy
Vỏ buồng sấy (15) được làm từ gỗ được đệm một lớp giấy bạc (14) bên trong với mục đích giữ cho ánh sáng hồng ngoại phát ra từ 2 đèn hồng ngoại cấp nhiệt bổ sung (6) ở lại trong buồng sấy và không bị khuếch tán ra bên ngoài. Ở thành trong buồng sấy có những gờ (8) đỡ giá để nguyên liệu. Hơi nước thoát ra từ nguyên liệu sấy sẽ được thoát qua khe (12) ra ngoài theo đường (18) và được thoát tăng cường bởi quạt một chiều (9), bộ phận mũ chụp (10) đảm bảo cho độ ẩm từ buồng sấy được thoát đều ra hai phía. Buồng sấy được cố định và nâng đỡ bởi hệ thống chân đỡ (16), đồng thời hệ thống chân đỡ cũng có tác dụng làm cho buồng thu nhiệt tạo một góc nghiêng cố định với phương nằm ngang, giúp cho khí nóng vẫn lưu thông tự nhiên được vào buồng sấy trong trường hợp không sử dụng quạt thổi khí nóng cưỡng bức.
27
Hệ thống buồng sấy được thiết kế như trên hình 2.17 bằng phần mềm SolidWorks.
Hình 2.18. Thiết kế hệ thống buồng sấy trên phần mềm SolidWorksc. Thiết kế khay sấy c. Thiết kế khay sấy
Khay sấy có vỏ ngoài được làm từ gỗ, bên trong phủ một lớp sơn đen với mục đích tăng khả năng hấp thụ nguồn nhiệt từ ánh sáng mặt trời. Bên trong khay sấy có đặt tấm kẽm sơn mầu đen, nhiệt hấp thụ được từ ánh sáng mặt trời sẽ được tỏa ra từ tấm kẽm và làm nóng không khí bên trong khay sấy, bên trên khay sấy được phủ một lớp mica trong suốt. Khay sấy được thiết kế, với định dạng 3D trên phần mềm SolidWorks hình ảnh khay sấy của hệ thống được mô tả như trên hình 2.18:
28
Hình 2.19. Hình ảnh 3D khay sấy hệ thốngd. Thiết kế hệ thống hút ẩm chủ động d. Thiết kế hệ thống hút ẩm chủ động
Hệ thống hút ẩm chủ động được thiết kế với mục đích đẩy nhanh quá trình thoát ẩm ra khỏi buồng sấy. Trong trường hợp độ ẩm trong buồng sấy quá cao (thường xảy ra trong thời gian đầu của quá trình sấy), nếu để hệ thống thoát ẩm theo xu hướng tự nhiên sẽ làm tăng thời gian sấy và qua đó làm gia tăng năng lượng cung cấp cho hệ thống. Như thế, thứ nhất sẽ gây ra sự hao phí năng lượng không cần thiết và thứ hai là làm tăng thời gian sấy trong mỗi mẻ sấy. Kéo theo sự gia tăng thêm chi phí sản xuất đồng thời chất lượng của sản phẩm sấy cũng không được đảm bảo. Chính vì vậy, việc thiết kế hệ thống thoát ẩm chủ động là cần thiết, và góp phần giảm thiểu thời gian sấy, giảm giá thành sấy và làm gia tăng chất lượng của sản phẩm sấy. Hệ thống hút ẩm chủ động cũng được thiết kế trên phần mềm SolidWorks và có hình dáng, kích thước được miêu tả như trên hình 2.19.
29
Hình 2.20. Hệ thống thoát ẩm chủ độnge. Thiết kế hệ thống khung và chân đế e. Thiết kế hệ thống khung và chân đế
+ Thiết kế hệ thống khung
Khung buồng sấy: Khung buồng sấy được thiết kế từ thép, ngoài chức năng chính là bao bọc và nâng đỡ buồng sấy, hệ thống khung còn được tính toán thiết kế làm tăng tính thẩm mỹ cho toàn bộ hệ thống buồng sấy, các thanh thép được ghép với nhau thành hình những ô vuông, được làm từ những thanh thép hình chữ V và thanh dạng chữ nhật. Hệ thống khung được vẽ với định dạng 3D và phần mềm sử dụng để thiết kế cũng là phần mềm SolidWorks.
Khung có dạng hình hộp chữ nhật, kích thước khung được thể hiện như trên hình 2.20.
30
Hình 2.21. Hệ thống khung buồng sấy
Thiết kế khung bộ thu nhiệt:
31
+ Thiết kế chân đế: Chân đế của buồng sấy cũng được thiết kế trên phần mềm SolidWorks, và có kích thước như trên hình 2.22.
Hình 2.23. Chân đế của buồng sấy
2.3.6. Phương pháp thực hiện nội dung 5: Thiết kế hệ thống cấp nguồn và điều khiển sấy điều khiển sấy
+ Thiết kế sơ đồ khối hệ thống:
Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế như trên hình 2.23, có hai chế độ cấp nguồn điện cho hệ thống, chế độ cấp nguồn thứ nhất: sử dụng nguồn năng lượng từ điện lưới. Chế độ cấp nguồn thứ hai: sử dụng nguồn điện năng được tạo ra từ năng lượng mặt trời. Pin mặt trời sau khi hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời sẽ làm nhiệm vụ chuyển hóa quang năng thành điện năng, nguồn điện một chiều này sau khi đi qua bộ điều khiển sạc sẽ đi đến bộ phận tích điện là ắc quy, nguồn điện một chiều từ ắc quy sau khi đi qua bộ phận nghịch lưu (Inverter) sẽ được chuyển thành nguồn điện xuay chiều cung cấp
32
cho hệ thống. Nguồn điện xuay chiều hệ thống ngoài nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các khối cảnh báo, khối hồng ngoại, khối hiện thị, và quạt AC còn được trích một phần đi qua bộ phận chỉnh lưu, nguồn điện một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu sẽ cung cấp điện cho các khối điều khiển, khối cảm biến, khối chấp hành và quạt DC.
Hình 2.24. Sơ đồ khối hệ thống cấp nguồn và điều khiển sấy+ Tính chọn linh kiện, thiết bị: + Tính chọn linh kiện, thiết bị:
* Hệ thống chuyển hóa quang năng thành điện năng: Sử dụng tấm pin mặt trời công suất 300W, kích thước 1961 x 995 x 40 mm.
33
* Thiết bị dự trữ năng lượng điện sử dụng bình ắc quy JS 12V-120Ah:
Hình 2.26. Ắc quy JS 12V-120Ah
* Bộ nghịch lưu DC-AC sử dụng Inverter Sanshun có công suất 1000VA, ngoài khả năng chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều dạng hình sin khá chuẩn, cung cấp hai ngõ ra xoay chiều với mức điện áp khác nhau: 110V và 220V, thiết bị còn có chế độ sạc cho ắc quy từ điện lưới, thiết bị có khả năng sạc được đầy điện cho ắc quy có dung lượng lên đến 200 Ah.
Hình 2.27. Inverter Sanshun
* Thiết bị được lựa chọn làm bộ điều khiển trung tâm là PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (hình 2.27), có 14 ngõ vào số (nhận tín hiệu 24V), 10 ngõ
34
ra số (xuất tín hiệu 24VDC), và 2 ngõ vào analog ( nhận tín hiệu 0-10V). Hoạt động với điện áp được cấp 24VDC, có 1 ngõ ra cấp nguồn 24VDC.
Hình 2.28. PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
* Tính chọn thiết bị điều khiển tốc độ động cơ DC: Sử dụng module L298. * Tính chọn bộ phận đảm nhiệm khâu chuẩn hóa tín hiệu, khâu khuếch đại tín hiệu điều khiển PID và khâu DAC.
Thiết bị đảm nhận khâu chuẩn hóa tín hiệu là bộ điều khiển nhiệt độ Shihlin SDV302, đầu vào nhận tín hiệu từ cảm biến PT100, đầu ra cho phép chọn 2 chế độ tín hiệu chuẩn hóa dạng áp: 0-10v hoặc dạng dòng: 4-20mA.
Thiết bị đảm nhận khâu khuếch đại tín hiệu điều khiển từ PID là SSR của hãng Carlo Gavazzi, ngõ vào điều khiển từ: 4-20mA, ngõ ra có dải điện áp từ: 0-400VAC, cho phép dòng tối đa tại ngõ ra lên đến 25A.
Thiết bị đảm nhận khâu DAC là board SB1232 của Siemens, cho phép hỗ trợ 2 chế độ analog ngõ ra với dạng áp: 0-10V và dạng dòng: 0-20mA.
35
* Bộ phận đo nhiệt độ tại buồng sấy và nhiệt độ tại bộ phận cấp nhiệt cưỡng bức sử dụng cảm biến PT100 dải đo: 0-200 oC của hãng DOO KWANG - Hàn Quốc, bộ phận nhận tín hiệu từ nhiệt độ từ bộ phận cấp nhiệt cưỡng bức và chuyển tín hiệu số gửi về PLC là bộ điều khiển nhiệt độ Dotech FX của Hàn Quốc.
Hình 2.30. Cảm biến PT100 và bộ điều khiển nhiệt độ DOOTECH FX
* Tính chọn thiết bị đo độ ẩm và hiển thị:
Sử dụng cảm biến đo độ ẩm – hiển thị ProSens model: QM 621 của hãng Simex, Ba Lan, cảm biến độ ẩm chịu được nhiệt độ lên tới 120 0C, cho tín hiệu đầu ra: 4-20mA tương ứng với độ ẩm 0-100%.
Hình 2.31. Cảm biến đo độ ẩm và hiển thị ProSens
* Tính chọn các thiết bị bảo vệ và các cơ cấu chấp hành trung gian, vật tư phụ đi kèm: Chọn áp tô mát Schneider 10A, cầu chì bảo vệ quá dòng 5A, rơ le trung gian Omron 24VDC, , Contactor LS 9A, Cầu dao Vinakip 30A và vật tư phụ đi kèm như: dây dẫn, dây thít, đầu cốt...
36
Hình 2.32. Các thiết bị bảo vệ và cơ cấu chấp hành trung gian+ Thiết kế mạch nguyên lý hệ thống cấp nguồn và điều khiển: + Thiết kế mạch nguyên lý hệ thống cấp nguồn và điều khiển:
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ tổng thể như sau:
Sử dụng PLC S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm, điều khiển nhiệt độ buồng sấy theo phương pháp PID, điều khiển tốc độ của hai quạt DC bằng phương pháp điều xung PWM, giám sát quá trình sấy theo sự thay đổi của độ ẩm. Từ yêu cầu công nghệ tổng thể như trên, sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển được minh họa như trên hình 2.24, và được thiết kế bằng phần mềm Autocad electrical 2014.