Đồ án giám sát và điều khiển nhiệt độ cho mô hình kho lạnh tại HCMUTE

Khám phá đồ án HCMUTE về điều khiển và giám sát nhiệt độ cho mô hình kho lạnh, ứng dụng công nghệ hiện đại trong quản lý nhiệt độ.

• Tác giả: Vũ Xuân Chinh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Nhiệt Độ Kho Bảo Quản Rau Quả
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
• 1.5. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Phân loại kho lạnh
• 2.1.1. Theo công dụng
• 2.1.2. Theo dung tích
• 2.1.3. Theo đặc điểm cách nhiệt
• 2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của kho lạnh
• 2.2.1. Nguyên lý làm việc của kho lạnh
• 2.3. Thuật toán điều khiển PID
• 2.3.1. Giới thiệu bộ điều khiển PID
• 2.3.2. Tổng hợp 3 khâu
• 2.4. Các Module trong mạng
• 2.4.1. Thiết lập cấu hình cho mạng DeviceNet
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT
• 3.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che
• 3.1.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ
• 3.1.2. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che do bức xạ
• 3.2. Dòng nhiệt do sản phẩm và bao bì tỏa ta
• 3.2.1. Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra
• 3.2.2. Dòng nhiệt do bao bì tỏa ra
• 3.3. Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh
• 3.4. Các dòng nhiệt do vận hành
• 3.4.1. Dòng nhiệt do chiếu sáng buồng
• 3.4.2. Dòng nhiệt do ngƣời tỏa ra
• 3.4.3. Dòng nhiệt do các động cơ điện
• 3.5. Dòng nhiệt do hoa quả hô hấp
• 3.6. Xác định phụ tải máy nén
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 4.1. Yêu cầu hệ thống
• 4.2. Mô tả phần cứng
• 4.3. Thiết kế hệ thống điện
• 4.4. Lựa chọn thiết bị
• 4.4.1. Lựa chọn máy nén
• 4.4.2. Lựa chọn thiết bị bay hơi
• 4.4.3. Lựa chọn thiết bị ngƣng tụ
• 4.4.4. Lựa chọn van tiết lƣu
• 4.4.5. Lựa chọn PLC
• 4.4.6. Lựa chọn biến tần
• 4.4.7. Lựa chọn cảm biến nhiệt độ
• 4.4.8. Lựa chọn bộ phát hai dây
• 4.4.9. Lựa chọn màn hình HMI
• 4.4.10. Lựa chọn các thiết bị khác
• 4.5. Sơ đồ kết nối phần cứng
• 4.5.1. Sơ đồ kết nối ngõ vào
• 4.5.2. Sơ đồ kết nối ngõ ra
• 4.5.3. Sơ đồ mạch động lực
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 5.1. Yêu cầu hệ thống
• 5.2. Lưu đồ chương trình trên PLC
• 5.3. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát qua máy tính
• 5.3.1. Phần mềm sử dụng
• 5.3.2. Yêu cầu thiết kế và hình ảnh giao diện
• 5.4. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát qua màn hình HMI
• 5.4.1. Phần mềm sử dụng
• 5.4.2. Yêu cầu thiết kế
• 5.4.3. Giao diện màn hình điều khiển và giám sát hệ thống qua HMI
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Kết quả mô hình kho bảo quản rau quả
• 6.1.1. Kết quả hệ thống điều khiển và giám sát trên máy tính
• 6.1.2. Kết quả hệ thống điều khiển và giám sát qua màn hình HMI
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng phát triển
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về giám sát và điều khiển nhiệt độ kho lạnh

Trong bối cảnh hiện nay, việc giám sát nhiệt độ kho lạnh trở thành một yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Đặc biệt, tại HCMUTE, việc điều khiển nhiệt độ kho lạnh không chỉ giúp bảo quản thực phẩm mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng. Hệ thống giám sát nhiệt độ kho lạnh được thiết kế để theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ một cách chính xác, từ đó giảm thiểu tình trạng hư hỏng thực phẩm. Việc sử dụng công nghệ hiện đại như PLC (Programmable Logic Controller) và cảm biến PT100 giúp nâng cao hiệu quả của hệ thống này.

1.1. Tầm quan trọng của giám sát nhiệt độ

Việc giám sát nhiệt độ kho lạnh không chỉ giúp duy trì chất lượng thực phẩm mà còn giảm thiểu tổn thất kinh tế cho doanh nghiệp. Theo nghiên cứu, việc duy trì nhiệt độ ổn định trong kho lạnh có thể kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm lên đến 30%. Hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa cho phép người quản lý theo dõi tình trạng kho lạnh mọi lúc, mọi nơi, từ đó có thể đưa ra các quyết định kịp thời khi có sự cố xảy ra.

1.2. Công nghệ điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động sử dụng các thuật toán PID để duy trì nhiệt độ ổn định trong kho lạnh. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc điều chỉnh nhiệt độ. Hệ thống này có khả năng tự động điều chỉnh hoạt động của máy nén và quạt gió, đảm bảo rằng nhiệt độ luôn ở mức cài đặt.

II. Cấu trúc hệ thống giám sát và điều khiển

Hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ kho lạnh tại HCMUTE được thiết kế với nhiều thành phần chính, bao gồm cảm biến nhiệt độ, PLC, màn hình HMI và phần mềm SCADA. Cảm biến PT100 được sử dụng để đo nhiệt độ chính xác bên trong kho lạnh. Dữ liệu từ cảm biến sẽ được gửi đến PLC, nơi thực hiện các thuật toán điều khiển để điều chỉnh hoạt động của máy nén và quạt gió. Màn hình HMI cho phép người vận hành theo dõi và điều chỉnh hệ thống một cách trực quan.

2.1. Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến PT100 là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống giám sát nhiệt độ kho lạnh. Với độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường lạnh, cảm biến này giúp cung cấp dữ liệu nhiệt độ chính xác cho PLC. Việc sử dụng cảm biến PT100 giúp đảm bảo rằng nhiệt độ trong kho luôn được duy trì ở mức tối ưu, từ đó bảo vệ chất lượng thực phẩm.

2.2. PLC và phần mềm SCADA

PLC là bộ não của hệ thống điều khiển nhiệt độ kho lạnh, thực hiện các thuật toán điều khiển và xử lý dữ liệu từ cảm biến. Phần mềm SCADA cho phép người vận hành giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và công sức. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi nhiệt độ mà còn cảnh báo khi có sự cố xảy ra, từ đó đảm bảo an toàn cho thực phẩm.

III. Ứng dụng thực tiễn và lợi ích

Việc áp dụng hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ kho lạnh tại HCMUTE mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Đầu tiên, hệ thống giúp giảm thiểu tổn thất thực phẩm do hư hỏng, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp. Thứ hai, việc điều khiển nhiệt độ tự động giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành. Cuối cùng, hệ thống này còn đảm bảo an toàn thực phẩm, góp phần bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

3.1. Giảm thiểu tổn thất thực phẩm

Hệ thống giám sát nhiệt độ kho lạnh giúp giảm thiểu tình trạng hư hỏng thực phẩm, từ đó tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp. Theo thống kê, việc duy trì nhiệt độ ổn định có thể giảm thiểu tổn thất thực phẩm lên đến 30%, giúp doanh nghiệp tăng lợi nhuận.

3.2. Đảm bảo an toàn thực phẩm

Việc điều khiển nhiệt độ kho lạnh chính xác không chỉ giúp bảo quản thực phẩm mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng. Hệ thống giám sát liên tục giúp phát hiện kịp thời các sự cố, từ đó có biện pháp khắc phục nhanh chóng, đảm bảo chất lượng thực phẩm luôn ở mức tốt nhất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm tại Việt Nam, các mặt hàng nông sản, rau củ quả sau thu hoạch rất dễ bị suy giảm chất lượng, hư hỏng và biến đổi sinh hóa nếu không có phương pháp bảo quản phù hợp. Kỹ thuật bảo quản lạnh nhân tạo là giải pháp tối ưu nhằm làm chậm quá trình hô hấp, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật và giữ nguyên vẹn giá trị dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị của sản phẩm. Tuy nhiên, các hệ thống kho lạnh truyền thống đóng ngắt ON/OFF cơ bản thường gây ra dao động nhiệt độ lớn, tiêu hao nhiều điện năng và làm giảm tuổi thọ của máy nén. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tự động với thuật toán điều khiển hiện đại kết hợp hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát từ xa (SCADA/HMI) là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Vũ Xuân Chinh và Huỳnh Trung Hiếu (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, năm 2015) tập trung giải quyết bài toán thiết kế, thi công và điều khiển nhiệt độ chính xác cho mô hình kho lạnh bảo quản rau quả.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng kho bảo quản rau quả thu nhỏ bám sát cấu trúc kho lạnh công nghiệp thực tế.
2. Xây dựng phương pháp tính toán cân bằng nhiệt nhằm xác định phụ tải lạnh thực tế cho hệ thống.
3. Xây dựng thuật toán và lập trình chương trình điều khiển trung tâm trên bộ điều khiển lập trình PLC CompactLogix 1769-L32E của hãng Allen-Bradley (Rockwell Automation).
4. Thiết kế giải thuật điều khiển PID vòng kín kết hợp biến tần PowerFlex 700S để điều khiển vô cấp tốc độ động cơ máy nén, duy trì ổn định nhiệt độ kho theo giá trị cài đặt ($SP$).
5. Xây dựng cấu hình mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet kết nối PLC, biến tần và các trạm phân tán Flex I/O.
6. Thiết kế hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trên máy tính qua phần mềm SCADA FactoryTalk View và màn hình HMI PanelView 600 qua phần mềm PanelBuilder.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển vòng kín nhiệt độ buồng lạnh bảo quản rau quả sử dụng máy nén lạnh piston, cảm biến nhiệt độ RTD PT100, biến tần và PLC.
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình kho lạnh thực nghiệm có kích thước hình học $50 \times 50 \times 50\text{ cm}$, vỏ cách nhiệt bằng vật liệu tấm chân không và xốp; dải nhiệt độ khảo sát phục vụ bảo quản rau quả theo tiêu chuẩn kỹ thuật (từ $0^\circ\text{C}$ đến $15^\circ\text{C}$).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết kỹ thuật nhiệt - lạnh công nghiệp, lý thuyết điều khiển tự động kinh điển và mạng truyền thông công nghiệp.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

1. Nguyên lý chu trình nhiệt động kho lạnh: Hệ thống hoạt động theo chu trình máy lạnh nén hơi khép kín gồm 4 thiết bị chính:

   • Máy nén (Block): Hút môi chất dạng hơi áp suất thấp từ dàn bay hơi, nén lên áp suất và nhiệt độ cao đưa sang dàn ngưng tụ.
   • Dàn ngưng tụ (Dàn nóng): Làm mát bằng không khí đối lưu, ngưng tụ gas quá nhiệt thành môi chất lỏng áp suất cao.
   • Van tiết lưu nhiệt: Giảm áp suất đột ngột của môi chất lỏng từ áp suất ngưng tụ xuống áp suất bay hơi.
   • Dàn bay hơi (Dàn lạnh): Thu nhiệt của môi trường buồng lạnh để hóa hơi môi chất lỏng bão hòa ẩm sau tiết lưu.
   • Bình tách lỏng: Bố trí trước đầu hút máy nén nhằm ngăn ngừa hiện tượng ngập lỏng và va đập thủy lực.

2. Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt: Xác định tổng tổn thất nhiệt $Q$ của kho để tính chọn công suất máy nén theo công thức: $$Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5$$ Trong đó:

   • $Q_1 = Q_{11} + Q_{12}$: Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ ($Q_{11} = k_t \cdot F \cdot (t_1 - t_2)$) và do bức xạ mặt trời ($Q_{12}$).
   • $Q_2 = Q_{21} + Q_{22}$: Nhiệt lượng do sản phẩm tỏa ra khi làm nguội và do bao bì đóng gói.
   • $Q_3 = G_k \cdot \Delta i$: Nhiệt lượng do thông gió đưa không khí ngoài vào buồng lạnh.
   • $Q_4 = Q_{41} + Q_{42} + Q_{43} + Q_{44}$: Nhiệt vận hành (chiếu sáng, người làm việc, động cơ quạt dàn lạnh và mở cửa kho).
   • $Q_5 = E \cdot (q_n + q_{bq})/2$: Nhiệt tỏa ra do quá trình hô hấp sống của rau quả (tra cứu theo từng loại quả).

3. Thuật toán điều khiển PID: Bộ điều khiển PID tính toán độ lệch $e(t) = SP - PV$ giữa nhiệt độ đặt ($SP$) và nhiệt độ đo thực tế ($PV$) để đưa ra tín hiệu điều khiển $u(t)$: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau)d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Khâu tỷ lệ ($P$) tạo tác động nhanh, khâu tích phân ($I$) triệt tiêu sai số xác lập, khâu vi phân ($D$) cải thiện đáp ứng quá độ và đón đầu tốc độ thay đổi nhiệt độ.

4. Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet: Mạng cấp trường chuẩn CAN, hỗ trợ tối đa 64 node (địa chỉ từ 0 đến 63). Module điều khiển quét Scanner 1769-SDN được gán địa chỉ Node 0, các thiết bị chấp hành và I/O phân tán (Flex I/O, biến tần PowerFlex 700S) được thiết lập địa chỉ từ Node 1 đến Node 62 qua công tắc xoay hoặc phần mềm RSNetWorx for DeviceNet.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp tính toán lý thuyết: Tính toán cân bằng nhiệt và phụ tải nhiệt buồng lạnh theo tiêu chuẩn kỹ thuật nhiệt.
• Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Lựa chọn thiết bị công nghiệp đồng bộ, đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển I/O và mạng truyền thông số.
• Phương pháp lập trình và mô phỏng thực nghiệm: Viết giải thuật điều khiển trên nền tảng RSLogix 5000, cấu hình mạng DeviceNet và thiết kế giao diện vận hành SCADA/HMI.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và thiết bị lựa chọn

Hệ thống phần cứng được thiết kế theo cấu trúc mô-đun công nghiệp tiêu chuẩn:

Hạng mục thiết bị	Mã hiệu / Quy cách	Chức năng trong hệ thống
Mô hình kho lạnh	Kích thước $50 \times 50 \times 50\text{ cm}$	Vỏ nhựa bọc tấm cách nhiệt chân không và xốp
Bộ điều khiển lập trình (PLC)	Rockwell CompactLogix 1769-L32E	Xử lý logic trung tâm và tính toán thuật toán PID
Module truyền thông mạng	1769-SDN DeviceNet Scanner	Quản trị truyền thông mạng DeviceNet cấp trường
Trạm I/O phân tán	Flex I/O DeviceNet Adapter	Thu thập tín hiệu I/O phân tán truyền về PLC
Biến tần	Allen-Bradley PowerFlex 700S	Điều khiển tần số nguồn cấp động cơ máy nén
Máy nén lạnh (Block)	LG MA57LBJG (loại piston kín)	Nén môi chất lạnh, thay đổi năng suất lạnh theo tốc độ
Cảm biến nhiệt độ	RTD PT100 (3 dây)	Đo nhiệt độ thực tế bên trong buồng lạnh
Bộ chuyển đổi tín hiệu	Temperature Transmitter (2 dây)	Chuyển đổi điện trở PT100 sang dòng điện Analog 4-20mA
Cơ cấu tiết lưu	Van tiết lưu nhiệt Danfoss TE	Tự động điều chỉnh lưu lượng môi chất qua dàn lạnh
Màn hình giao diện HMI	Allen-Bradley PanelView 600	Cài đặt thông số, vận hành tại chỗ và hiển thị cảnh báo

Thiết kế mạng truyền thông và phần mềm điều khiển

1. Cấu hình mạng DeviceNet: Kết nối mạng 4 dây (2 dây nguồn 24VDC, 2 dây tín hiệu vi sai CAN_H/CAN_L) liên kết bộ quét 1769-SDN với biến tần PowerFlex 700S và adapter Flex I/O. Các thông số lệnh chạy, tần số điều khiển máy nén được ghi trực tiếp từ PLC xuống biến tần thông qua bảng ánh xạ I/O của mạng DeviceNet.
2. Chương trình điều khiển PLC: Chương trình chính phân luồng xử lý:
   • Khối xử lý tín hiệu Analog: Đọc tín hiệu 4-20mA từ Transmitter qua module Analog Input, chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ kỹ thuật ($^\circ\text{C}$).
   • Khối hàm PID (PID Subroutine): Tính toán sai lệch giữa nhiệt độ đo và nhiệt độ đặt, xuất tín hiệu đầu ra điều khiển (0-100%) quy đổi sang tần số ngõ ra của biến tần ($0 - 50\text{ Hz}$).
   • Khối bảo vệ an toàn: Giám sát áp suất cao/thấp của hệ thống lạnh, bảo vệ quá nhiệt, quá dòng máy nén.
3. Thiết kế giao diện SCADA và HMI:
   • SCADA (FactoryTalk View): Cung cấp các cửa sổ điều khiển trung tâm: Cửa sổ đăng nhập phân quyền bảo vệ, Cửa sổ điều khiển và giám sát trạng thái thiết bị theo thời gian thực, Cửa sổ vẽ biểu đồ (Trend) biểu diễn đường cong nhiệt độ thực tế ($PV$) bám theo nhiệt độ đặt ($SP$), và Cửa sổ cảnh báo lỗi (Alarm Summary).
   • HMI (PanelView Builder): Thiết kế các màn hình Home, màn hình cài đặt tham số PID/nhiệt độ, màn hình lịch sử lỗi (History) và hiển thị cảnh báo trực quan cho người vận hành tại tủ điện.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của công nghệ bảo quản lạnh nông sản trong bối cảnh khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam; nêu bật vai trò của tự động hóa bằng PLC và hệ thống SCADA trong việc nâng cao độ chính xác điều khiển nhiệt độ. Xác định rõ mục tiêu đề tài, giới hạn phạm vi mô hình, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học - thực tiễn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tổng quan các phương pháp phân loại kho lạnh công nghiệp (theo công dụng, nhiệt độ bảo quản, dung tích chứa và đặc điểm cách nhiệt). Trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị chính trong hệ thống lạnh nén hơi (máy nén piston, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, bình tách lỏng, van tiết lưu). Trình bày cơ sở toán học của bộ điều khiển PID kinh điển (đáp ứng của các khâu P, I, D, PI, PD, PID). Giới thiệu cấu trúc mạng DeviceNet, các module truyền thông (DeviceNet Scanner, Flex I/O Adapter) và phương pháp cấu hình mạng.

Chương 3: Tính toán cân bằng nhiệt

Trình bày đầy đủ phương pháp luận và các công thức giải tích tính toán 5 thành phần dòng nhiệt tổn thất trong kho lạnh:

• Dòng nhiệt qua kết cấu bao che ($Q_1$) do chênh lệch nhiệt độ và bức xạ mặt trời;
• Dòng nhiệt do làm nguội sản phẩm và bao bì đóng gói ($Q_2$);
• Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh đảm bảo hô hấp ($Q_3$);
• Dòng nhiệt sinh ra từ các nguồn vận hành ($Q_4$: đèn chiếu sáng buồng lạnh $A = 1{,}2\text{ W/m}^2$, người làm việc $350\text{ W/người}$, động cơ quạt);
• Dòng nhiệt do quá trình hô hấp sống của hoa quả ($Q_5$) dựa trên bảng số liệu nhiệt giải phóng của 14 loại rau quả (mơ, chanh, cam, đào, lê, táo, mận, nho, hành, bắp cải, cà rốt, dưa chuột, xà lách, củ cải đỏ). Xác định tổng năng suất lạnh yêu cầu $Q_{oTB}$ làm cơ sở chọn máy nén.

Chương 4: Thiết kế phần cứng

Tổng hợp yêu cầu kỹ thuật và bảng thông số nhiệt độ - thời gian bảo quản của các loại rau quả theo chuẩn Vietfood (nhiệt độ bảo quản dao động từ $0^\circ\text{C}$ đến $16^\circ\text{C}$ tùy chủng loại). Giới thiệu thông số kết cấu mô hình ($50 \times 50 \times 50\text{ cm}$, vỏ nhựa, lớp cách nhiệt chân không và xốp). Trình bày cơ sở tính chọn các thiết bị: máy nén LG MA57LBJG, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, van tiết lưu Danfoss TE, PLC CompactLogix 1769-L32E, biến tần PowerFlex 700S, cảm biến PT100 3 dây, transmitter nhiệt độ, HMI PanelView 600. Trình bày chi tiết các sơ đồ đấu nối dây: ngõ vào Digital/Analog, ngõ ra Digital và sơ đồ mạch động lực.

Bảng tổng hợp yêu cầu nhiệt độ bảo quản một số loại rau quả (theo Vietfood):
+ Cam, Chanh: 1 - 2 °C (1 - 2 tháng)
+ Táo, Bắp cải, Xà lách: 0 - 3 °C (3 - 10 tháng)
+ Chuối xanh: 11 - 13 °C (3 - 10 tuần)
+ Thanh long: 12 °C (4 tuần)

Chương 5: Thiết kế phần mềm

Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát trên PLC; lưu đồ thuật toán truyền thông ghi tín hiệu điều khiển xuống biến tần qua mạng DeviceNet; lưu đồ chương trình con xử lý thuật toán PID. Thiết kế giao diện SCADA trên máy tính bằng phần mềm FactoryTalk View (cửa sổ bảo vệ, điều khiển, biểu đồ thời gian thực). Thiết kế giao diện vận hành HMI bằng PanelBuilder (màn hình Home, Control, History, Alarm).

Chương 6: Kết quả thực nghiệm

Trình bày hình ảnh mô hình thực tế hoàn thiện (mặt trước tủ điện, bố trí dàn bay hơi và cảm biến bên trong buồng lạnh, cụm máy nén và dàn ngưng tụ bên ngoài). Trình bày kết quả vận hành hệ thống giám sát trên máy tính (giao diện đăng nhập, giao diện điều khiển, đồ thị đáp ứng nhiệt độ thực tế bám sát nhiệt độ đặt) và trên màn hình HMI PanelView 600 (các trạng thái khởi động, trạng thái xác lập ổn định, bảng lưu trữ lịch sử lỗi).

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu; nêu các hạn chế của mô hình thực nghiệm và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Thi công hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Xây dựng thành công mô hình kho bảo quản rau quả thu nhỏ kích thước $50 \times 50 \times 50\text{ cm}$ tích hợp đầy đủ hệ thống nhiệt - lạnh và tủ điện điều khiển công nghiệp.
2. Triển khai mạng truyền thông cấp trường: Thiết lập mạng DeviceNet hoạt động ổn định giữa PLC CompactLogix 1769-L32E, biến tần PowerFlex 700S và trạm Flex I/O với tốc độ truyền tin cậy, không xảy ra xung đột địa chỉ.
3. Ứng dụng giải thuật PID điều khiển biến tần: Hệ thống điều khiển tốc độ máy nén LG MA57LBJG mượt mà theo giá trị sai lệch nhiệt độ; kiểm soát nhiệt độ buồng lạnh bám sát giá trị đặt với sai số xác lập nhỏ, loại bỏ hiện tượng nhấp nháy đóng/ngắt liên tục của máy nén so với phương pháp relay truyền thống.
4. Hệ thống giám sát hai cấp đồng bộ: Xây dựng thành công giao diện SCADA FactoryTalk View trên PC và giao diện HMI PanelView 600, cho phép người vận hành giám sát trực quan đồ thị nhiệt độ thực tế ($PV$), thay đổi điểm đặt ($SP$), theo dõi trạng thái thiết bị và nhận cảnh báo sự cố tức thời.

Đóng góp của đề tài

• Đồ án kết hợp thành công lý thuyết tính toán cân bằng nhiệt lạnh công nghiệp với công nghệ tự động hóa hiện đại của hãng Rockwell Automation.
• Cung cấp mô hình thực nghiệm trực quan cho việc ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp (DeviceNet) và giải thuật điều khiển biến tần trong kỹ thuật điều hòa không khí và bảo quản lạnh.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống mới chỉ tập trung điều khiển đơn biến nhiệt độ, chưa tích hợp điều khiển và giám sát độ ẩm tương đối ($RH%$) cũng như nồng độ các chất khí ($O_2, CO_2, C_2H_4$) vốn có vai trò rất lớn trong bảo quản nông sản tươi.
• Các thông số của bộ điều khiển PID ($K_p, K_i, K_d$) được xác định bằng phương pháp thực nghiệm thử sai trên mô hình thu nhỏ, chưa xây dựng thuật toán tự chỉnh định (Auto-tuning PID) khi phụ tải nhiệt bên ngoài thay đổi mạnh theo mùa.
• Quy mô mô hình nhỏ ($50 \times 50 \times 50\text{ cm}$), các hệ số tổn thất nhiệt qua cửa mở và thông gió thực tế chưa phản ánh hết mức độ phức tạp của kho lạnh công nghiệp dung tích lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nghiên cứu tích hợp cảm biến và cơ cấu chấp hành để kiểm soát đồng thời nhiệt độ và độ ẩm bên trong kho bảo quản.
• Ứng dụng các giải thuật điều khiển mờ (Fuzzy Logic), điều khiển nơ-ron hoặc Auto-tuning PID để tối ưu hóa khả năng thích nghi khi phụ tải kho biến thiên liên tục.
• Nâng cấp hệ thống truyền thông, tích hợp giao thức Ethernet/IP và Web Server để giám sát kho lạnh từ xa qua mạng Internet/thiết bị di động.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo quy trình lập trình PLC họ CompactLogix (RSLogix 5000), thuật toán điều khiển PID nhiệt độ, phương pháp cấu hình mạng DeviceNet và lập trình màn hình HMI PanelView/SCADA FactoryTalk View.
• Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Tham khảo phương pháp tính toán cân bằng nhiệt kho lạnh chi tiết qua 5 thành phần phụ tải, bảng tra cứu nhiệt hô hấp của các loại rau củ quả và nguyên lý ghép nối chu trình lạnh nén hơi.
• Kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống tự động hóa công nghiệp: Tham khảo sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển I/O Analog/Digital và giải pháp tích hợp biến tần điều khiển tốc độ máy nén qua mạng truyền thông công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC và biến tần thuộc dòng sản phẩm nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC CompactLogix 1769-L32E kết hợp với biến tần PowerFlex 700S của hãng Rockwell Automation (Allen-Bradley) để điều khiển tốc độ động cơ máy nén khí/lạnh LG MA57LBJG.

2. Giao thức mạng công nghiệp nào được sử dụng để kết nối PLC với các thiết bị chấp hành?

Hệ thống sử dụng mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet. PLC giao tiếp với mạng thông qua Module Scanner 1769-SDN (Node 0) để truyền nhận dữ liệu điều khiển với biến tần PowerFlex 700S và module mở rộng Flex I/O DeviceNet Adapter.

3. Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt buồng lạnh gồm những thành phần tổn thất nào?

Tổng nhiệt lượng tổn thất $Q$ được tính bằng tổng của 5 thành phần: Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ và bức xạ ($Q_1$), Dòng nhiệt do sản phẩm và bao bì tỏa ra khi làm lạnh ($Q_2$), Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh ($Q_3$), Dòng nhiệt vận hành gồm chiếu sáng, người và động cơ ($Q_4$), và Dòng nhiệt do quá trình hô hấp sống của rau củ quả ($Q_5$).

4. Tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến PT100 được đưa về PLC xử lý như thế nào?

Cảm biến nhiệt độ RTD PT100 (3 dây) thu nhận nhiệt độ thực tế trong buồng lạnh, sau đó qua bộ chuyển đổi nhiệt độ (Temperature Transmitter 2 dây) để biến đổi thành tín hiệu dòng điện chuẩn công nghiệp 4-20mA. Tín hiệu này được đưa vào module Analog Input của PLC để chuyển đổi thành giá trị số hiển thị theo độ C.

5. Hệ thống giám sát SCADA và HMI được thiết kế bằng các phần mềm nào?

Hệ thống giám sát trên máy tính được xây dựng bằng phần mềm SCADA FactoryTalk View (hỗ trợ hiển thị đồ thị Trend, cảnh báo lỗi Alarm và điều khiển thông số), trong khi giao diện màn hình cảm ứng tại tủ điện được thiết kế trên PanelView 600 thông qua phần mềm PanelBuilder (PanelView Builder).

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Vũ Xuân Chinh và Huỳnh Trung Hiếu đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, thi công và điều khiển ổn định nhiệt độ cho mô hình kho bảo quản rau quả. Bằng việc kết hợp bộ điều khiển PLC CompactLogix 1769-L32E, giải thuật PID điều khiển biến tần PowerFlex 700S qua mạng DeviceNet và hệ thống giám sát hai cấp SCADA/HMI, hệ thống đảm bảo khả năng duy trì nhiệt độ chính xác với độ tin cậy cao. Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật lạnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.