Đặt vấn đề Việt Nam là một nƣớc nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, vì thế các loại thực phẩm từ rau, củ, quả rất đa dạng và phong phú. Tuy nhiên, với thời tiết nóng ẩm nhƣ vậy khiến các loại thực phẩm này thƣờng bị thay đổi về chất lƣợng, dẫn đến có thể bị hƣ hỏng,. làm giảm chất lƣợng cũng nhƣ giá thành của sản phẩm.Vậy để hạn chế điều này, chúng ta có thể sử dụng phƣơng pháp đó là bảo quản thực phẩm ở nhiệt độ thấp. Vì ở nhiệt độ thất thì những biến đổi có hại cho rau quả sẽ bị kìm hãm, giữ đƣợc cho hoa, rau quả tƣơi lâu hơn, chất lƣợng vẫn giữ nguyên về mùi vị cũng nhƣ màu sắc.
Muốn làm đƣợc điều này thì ngày nay bằng các phƣơng pháp làm lạnh nhân tạo mà ngành kỹ thuật lạnh đã làm đƣợc và đó cũng là phƣơng pháp đạt hiệu quả cao trong những điều kiện nhiệt độ của nƣớc ta. Tuy nhiên, một vấn đề đƣợc đặt ra nữa, đó là làm sao chúng ta giữ đƣợc một nhiệt độ bảo quản chính xác và ổn định để rau quả đạt chất lƣợng tốt nhất. Để giải quyết vấn đề đó, việc tự động hóa hệ thống với các giải thuật thông minh, hiện đại là điều đầu tiên đƣợc nghĩ đến. Để tự động hóa hệ thống trên ta có thể dùng PLC (Programmable Logic Controller).
Là loại thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện mạch toán đó trên mạch số. Nhƣ vậy với chƣơng trình điều khiển, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trƣờng xung quanh (với các PLC khác hay với máy tính). Ngày nay PLC đang đƣợc sử dụng rất phổ biến mặt khác PLC có rất nhiều chức năng có thể đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật khác nhau và rất dễ thay đổi cơ cấu điều khiển nếu chúng ta muốn phát triển nó theo một hƣớng 1 do an Chƣơng 1. Tổng quan khác, PLC đi kèm với các phần mềm có thể mô phỏng trƣớc đó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ cấu vận hành cũng nhƣ các kết nối từ đó có thể tìm ra những thứ tốt hơn, ngắn gọn hơn cho hệ thống, dễ dàng sửa lỗi sai.
Có thể nói PLC giống nhƣ là một phòng thí nghiệm thu nhỏ để chúng ta biết đƣợc cơ cấu, vận hành và quy tắc ra sao trƣớc khi chúng ta đi vào quá trình thiết kế và tạo dựng hệ thống tự động thực tế. Đi kèm với điều khiển tự động hệ thống, việc giám sát, thu thập số liệu của hệ thống này cũng đóng một vai trò quan trọng không kém. Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ. Đối với hệ thống điện, đặc thù của nó là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng và bao gồm nhiều thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau.
Vì vậy, ngƣời ta không thể sử dụng một trạm điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất cả các chức năng điều khiển. Tuỳ theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng, chức năng điều khiển và thu thập số liệu đƣợc phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau.Vì vậy nhu cầu cho một phần mềm giám sát cho một hệ thống công nghiệp là cực kì cần thiết. Trong đề tài này, nhóm đã sử dụng phần mềm SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Đây là phần mềm giúp ngƣời kĩ sƣ vận hành có thể giám sát hệ thống từ xa (điều khiển, theo dõi) mà không cần phải đi lại xem xét từng khâu một.
Ngƣời kĩ sƣ vận hành có thể theo dõi hệ thống này thông qua một màn hình nhỏ gọn đƣợc kết nối với PLC thông qua PC. Ngƣời kĩ sƣ cũng có thể điều khiển hệ thống từ xa cũng nhƣ quan sát đƣợc khi hệ thống có sự cố nhằm đƣa ra biện pháp khắc phục kịp thời. Chính từ yêu cầu cấp thiết đó, nhóm đã chọn và thực hiện đề tài “Điều khiển và giám sát nhiệt độ của mô hình kho bảo quản rau quả”. Đề tài này cũng là cơ hội cho nhóm học hỏi, tìm hiểu và nghiên cứu về một phƣơng pháp điều khiển mới, là cơ hội để nhóm nâng cao kiến thức và áp dụng đƣợc vào thực tế.1 là hình ảnh kho bảo quản rau quả đƣợc sử dụng trong thực tế.
2 do an Chƣơng 1. Tổng quan Hình 1. Kho bảo quản rau quả được sử dụng trong thực tế 1. Mục tiêu đề tài Dựa vào các kiến thức đã học, các kiến thức liên quan và các yêu cầu từ thực tếnhóm đã quyết định tiến hành thực hiện đề tài.
Một phần để cũng cố lại kiến thức đã học, mặt khác có thể thiết kế đƣợc một hệ thống thực tế hoàn chỉnh để kiểm chứng các kiến thức đã học. Mục tiêu của đề tài là thiết kế, điều khiển, giám sát ổn định nhiệt độ kho lạnh bảo quản rau quả. Hệ thống đảm bảo hoạt động với độ chính xác cao, sai số nhỏ và ổn định lâu dài. Toàn bộ các thông số của hệ thống có thể đặt và giám sát từ xa.
Mục tiêu cụ thể đƣợc đặt ra nhƣ sau: Thiết kế đƣợc mô hình phần cứng của hệ thống kho bảo quản rau quả. Xây dựng đƣợc thuật toán và viết chƣơng trình điều khiển trên PLC. Xây dựng đƣợc giải thuật PID để ổn định nhiệt độ kho lạnh. Giám sát hệ thống hoạt động thông qua màn hình máy tính và giao diện màn hình HMI.
Giới hạn đề tài Trong đề tài này, nhóm chỉ thiết kế mô hình kho bảo quản rau củ với các chức năng nhất định và tập trung tìm hiểu, điều khiển ổn định nhiệt độ trong kho lạnh. 3 do an Chƣơng 1. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong suốt thời gian làm đề tài, nhóm đã trải qua các giai đoạn đi từ đơn giản đến phức tạp. Phƣơng pháp nghiên cứu của nhóm nhƣ sau: Tìm hiểu chung về đề tài nghiên cứu.
Tra tài liệu, dịch thuật tài liệu để hiểu. Khảo sát phần cứng hệ thống, từ đó đi tới phân tích, tổng hợp các vấn đề của hệ thống với yêu cầu đặt ra. Mô phỏng trên máy tính và thử nghiệm hoạt động của hệ thống nhiều lần. Đánh giá kết quả đạt đƣợc dựa trên kết quả thực tế.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Việc hoàn thành đề tài mang lại rất nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn, đó là: Xây dựng đƣợc giải thuật PID dùng để ổn định nhiệt độ trong các hệ thống kho lạnh trong công nghiệp. Ứng dụng điều khiển các hệ thống công nghiệp hiện nay bằng PLC với độ chính xác và ổn định cao. Phát triển mô hình và đƣa vào ứng dụng cho các hệ thống trong công nghiệp có sử dụng ổn định nhiệt độ. Nội dung đề tài Phần còn lại của đề tài bao gồm các nội dung nhƣ sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết tổng quan về sự ảnh hƣởng của kỹ thuật lạnh đến thực phẩm, các loại kho lạnh trong công nghiệp và nguyên lý làm việc chung của chúng, giải thuật PID… Chương 3: Tính toán cân bằng nhiệt Trình bày phƣơng pháp tính toán cân bằng nhiệt cho một hệ thống kho lạnh.
Chương 4: Thiết kế phần cứng Chƣơng này tìm hiểu về chức năng, công dụng của các thiết bị phần cứng có trong hệ thống. 4 do an Chƣơng 1. Tổng quan Chương 5: Thiết kế phần mềm Xây dựng giải thuật PID, thuật toán cùng lƣu đồ giải thuật cho PLC và hệ thống giám sát cho hệ thống. Chương 6: Kết quả Trình bày kết quả, các thông số đạt đƣợc trong quá trình làm đề tài.
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển Tổng kết lại những kết quả đạt đƣợc và những hạn chế từ đó đề suất hƣớng phát triển cho đề tài. 5 do an Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng 2 Cơ Sở Lý Thuyết Trong chƣơng này nhóm sẽ tập trung trình bày về các loại kho lạnh có trong thực tế, cấu tạo cũng nhƣ nguyên lý làm việc của chúng. Hơn nữa, nhóm sẽ trình bày sơ lƣợc tất cả phần các phận có trong đề tài, từ phần cứng, phần mềm cho đến giải thuật điều khiển mà nhóm đã sử dụng.
Phân loại kho lạnh Kho lạnh bảo quản là kho đƣợc sử dụng để bảo quản các loại thực phẩm, nông sản, rau quả, các sản phẩm của công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nhẹ vv,… Hiện nay kho lạnh đƣợc sử dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm rất rộng rãi và chiếm một tỷ lệ lớn nhất. Các dạng mặt hàng bảo quản bao gồm: Kho bảo quản thực phẩm chế biến nhƣ: Thịt, hải sản, đồ hộp Bảo quản nông sản thực phẩm, rau quả. Bảo quản các sản phẩm y tế, dƣợc liệu. Kho bảo quản sữa.
Kho bảo quản và lên men bia. Bảo quản các sản phẩm khác. Theo công dụng Kho lạnh sơ bộ: Dùng làm lạnh sơ bộ hay bảo quản tạm thời thực phẩm tại các nhà máy chế biến trƣớc khi chuyển sang một khâu chế biến khác. Kho chế biến: Đƣợc sử dụng trong các nhà máy chế biến và bảo quản thực phẩm.
Các kho lạnh loại này thƣờng có dung tích lớn cần phải trang bị hệ thống có công suất lạnh lớn. Phụ tải của kho lạnh luôn thay đổi do phải xuất nhập hàng thƣờng xuyên. 6 do an Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết Kho phần phối, kho trung chuyển: Dùng để điều hòa cung cấp thực phẩm cho các khu vực dân cƣ, thành phố và dự trức lâu dài.
Kho lạng phân phối thƣờng có dung tích lớn trữ nhiều mặt hàng. Kho thƣơng nghiệp: Kho dùng bảo quản tạm thời các mặt hàng đang đƣợc doanh nghiệp bán trên thị trƣờng. Kho vận tải: đặc điểm của kho là dung tích lớn, hàng bảo quản mang tính tạm thời để vận chuyển từ nơi này sang nơi khác. Kho sinh hoạt: đây là loại kho rất nhỏ dùng trong các hộ gia đình, khách sạn, nhà hàng dùng bảo quản một lƣợng hàng nhỏ.
Theo nhiệt độ Kho bảo quản lạnh: Nhiệt độ bảo quản thƣờng nằm trong khoảng -2oC 5oC. Nói chung các mặt hàng chủ yếu là rau quả và các mặt hàng nông sản. Kho bảo quản đông: Kho đƣợc sử dụng để bảo quản các mặt hàng đã qua cấp đông. Đó là hàng thực phẩm có nguồn gốc động vật.
Nhiệt độ bảo quản tuỳ thuộc vào thời gian, loại thực phẩm bảo quản.