Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa nông nghiệp, tự động hóa đóng vai trò then chốt giúp tối ưu hóa quy trình chăn nuôi, nâng cao năng suất lao động, tiết kiệm thời gian và đảm bảo an toàn sinh học. Việc duy trì điều kiện vi khí hậu ổn định trong chuồng trại gia súc, gia cầm là yếu tố quyết định đến sức đề kháng và khả năng phát triển của vật nuôi. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và sự tích tụ của các khí độc hại ($NH_3, CO_2$) nếu không được kiểm soát tốt sẽ dẫn đến nguy cơ bùng phát dịch bệnh và suy giảm hiệu quả kinh tế.

Hệ thống làm mát chuồng trại hiện nay tại đa số các trang trại chủ yếu sử dụng quạt hút công nghiệp và hệ thống bơm tưới ẩm tấm làm mát cooling pad. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống này vận hành ở chế độ đóng/ngắt thủ công hoặc vận hành liên tục ở mức công suất tối đa cố định, dẫn đến tình trạng lãng phí năng lượng điện và giảm tuổi thọ của thiết bị chấp hành.

Trước thực trạng đó, tác giả Nguyễn Tiến Vượng (Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Phenikaa) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và phát triển hệ thống làm mát trong trang trại chăn nuôi" dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Thanh Vân (năm 2024).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát áp suất âm ứng dụng trong trang trại chăn nuôi.
  2. Thiết kế mô hình cơ khí trang trại thu nhỏ bằng phần mềm Solidworks và gia công cơ khí chính xác bằng máy CNC.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, sơ đồ cấp nguồn và đấu nối thiết bị điều khiển bằng phần mềm EPLAN.
  4. Lập trình điều khiển trung tâm trên bộ lập trình khả trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) qua phần mềm TIA Portal; thiết lập truyền thông Modbus RTU RS485 thu thập dữ liệu nhiệt độ từ cảm biến NTC 10K.
  5. Nghiên cứu, xây dựng và so sánh hai giải thuật điều khiển: bộ điều khiển PID (sử dụng khối hàm PID_Compact) và bộ điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic lập trình bằng ngôn ngữ SCL) để điều chế độ rộng xung PWM (CTRL_PWM) điều khiển động cơ DC làm mát, hướng đến mục tiêu tiết kiệm điện năng.
  6. Thiết kế giao diện giám sát HMI trên TIA Portal hỗ trợ phân quyền người dùng và hiển thị cảnh báo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống làm mát trang trại chăn nuôi sử dụng quạt hút, tấm cooling pad, bộ điều khiển PLC S7-1200, biến tần Delta VFD-L, động cơ điện và các giải thuật điều khiển tự động (PID, Logic mờ).
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình vật lý trang trại thu nhỏ có kích thước chiều dài 50 cm, chiều rộng 25 cm, chiều cao 20 cm, chế tạo từ vật liệu nhựa mica; thực hiện tại Trường Đại học Phenikaa trong năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp, kỹ thuật truyền thông công nghiệp và phương pháp thực nghiệm mô hình hóa.

Cơ sở lý thuyết

  1. Nguyên lý hệ thống làm mát áp suất âm trong trang trại: Hệ thống bố trí quạt hút công suất lớn ở một đầu chuồng trại để hút toàn bộ khí nóng, bụi bẩn và các khí độc hại ($CO_2, NH_3$) ra bên ngoài. Đầu đối diện bố trí giàn trao đổi nhiệt gồm các tấm cooling pad được bơm cấp ẩm liên tục. Không khí nóng, khô từ bên ngoài khi bị hút qua tấm làm mát sẽ trao đổi nhiệt ẩm với nước, giúp hạ nhiệt độ không khí cấp vào chuồng trại (có thể giảm tới 10°C so với nhiệt độ môi trường ngoài trời), đồng thời cung cấp oxy và phân phối luồng khí đồng đều.

  2. Lý thuyết điều khiển vòng kín PID (Proportional - Integral - Derivative): Cơ chế điều khiển phản hồi tính toán sai lệch giữa giá trị đo thực tế (nhiệt độ thu thập) và giá trị đặt mong muốn (Setpoint):

    • Thành phần tỉ lệ ($P$): Tạo tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ thuận với sai số tức thời.
    • Thành phần tích phân ($I$): Triệt tiêu sai số xác lập về 0 dựa trên tích lũy sai lệch theo thời gian.
    • Thành phần vi phân ($D$): Đáp ứng theo tốc độ biến thiên của sai lệch để giảm hiện tượng vọt lố và tăng độ ổn định.

  3. Lý thuyết điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic): Khác với logic kinh điển nhị phân (chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1), logic mờ xử lý các biến ngôn ngữ với độ thuộc nằm trong đoạn $[0, 1]$. Cấu trúc điều khiển mờ bao gồm:

    • Khâu mờ hóa (Fuzzification): Biến đổi giá trị thực đầu vào thông qua các hàm thuộc (Membership Functions - MF) thành các giá trị khái niệm ("nhanh", "chậm", "lớn", "nhỏ").
    • Hệ luật hợp thành (Fuzzy Rules): Xử lý quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dựa trên tri thức chuyên gia.
    • Khâu giải mờ (Defuzzification): Biến đổi tập mờ kết quả thành giá trị điều khiển rõ xác định ở đầu ra.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế 3D: Sử dụng phần mềm Solidworks để xây dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết các mặt của trang trại thu nhỏ, sau đó xuất định dạng file .dwf chuyển sang máy CNC cắt vật liệu mica.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống điện: Ứng dụng phần mềm EPLAN để lập bản vẽ mạch cấp nguồn, mạch phân phối tín hiệu, kết nối I/O của PLC, module mở rộng, biến tần và rơ le trung gian.
  • Phương pháp thực nghiệm lập trình và điều khiển: Sử dụng môi trường TIA Portal để cấu hình phần cứng PLC S7-1200, lập trình ngôn ngữ SCL xây dựng Function Block giải thuật mờ, khối hàm PID_Compact và khối phát xung CTRL_PWM.
  • Phương pháp thu thập dữ liệu qua truyền thông công nghiệp: Ứng dụng chuẩn truyền thông Modbus RTU RS485 thông qua module CM 1241 để đọc dữ liệu số từ mạch chuyển đổi cảm biến nhiệt độ NTC 10K.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và thiết bị sử dụng

Tên thiết bị / Thành phần Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật Vai trò / Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (PLC) Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (100 KB work memory, 4 MB load memory, 14 DI / 10 DO, 2 AI) Đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm, xử lý tín hiệu cảm biến, thực thi giải thuật PID/mờ và phát xung PWM.
Module truyền thông Siemens SIMATIC CM 1241 RS485 Giao tiếp Modbus RTU point-to-point với mạch cảm biến nhiệt độ ở tốc độ 9600 baud.
Module ngõ ra Analog Siemens SIMATIC SM 1232 (4 ngõ ra Analog: $\pm 10\text{V}$, $0-20\text{mA}$ hoặc $4-20\text{mA}$) Mở rộng ngõ ra analog cho PLC để gửi tín hiệu điều khiển tần số đến biến tần.
Biến tần Delta VFD-L (Điều khiển $V/F$, SVPWM 16-bit, giao thức Modbus RS-485, ngõ vào $0-10\text{VDC}$ / $4-20\text{mA}$) Điều khiển tốc độ và tần số hoạt động của động cơ xoay chiều 3 pha (phục vụ ứng dụng quy mô lớn).
Nguồn tổ ong (Nguồn xung) Điện áp vào $110\text{V}/220\text{VAC}$, đầu ra $24\text{VDC} - 5\text{A}$, công suất $120\text{W}$ Chuyển đổi nguồn AC sang $24\text{VDC}$ cấp nguồn nuôi cho PLC, module mở rộng và mạch rơ le.
Mạch hạ áp Mạch giảm áp từ $24\text{VDC}$ xuống $12\text{VDC}$ Cấp nguồn hoạt động $12\text{VDC}$ cho mạch giải mã cảm biến nhiệt độ NTC.
Thiết bị đóng cắt (Aptomat) Aptomat tép MCB 1 pha $220\text{V} - 25\text{A}$ Bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho toàn bộ nguồn điện đầu vào của hệ thống.
Cảm biến nhiệt độ & Mạch giải mã Cảm biến NTC 10K (dải đo $-50^\circ\text{C}$ đến $200^\circ\text{C}$); Mạch giao tiếp RS485 Modbus RTU (dải hoạt động $-20^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$) Đo nhiệt độ môi trường chuồng trại; mạch chuyển đổi truyền 2 byte dữ liệu về PLC qua chuẩn Modbus RTU (giá trị thực chia cho 10).
Rơ le trung gian (Relay) Relay điện từ (chân NO, NC, COM) Điều khiển đóng/cắt bơm hút nước làm mát và quạt ở chế độ điều khiển bằng tay (Manual), cách ly mạch tải.
Thiết bị điều khiển ngoại vi 7 nút nhấn (Chạy, Dừng, Chạy lại, 4 nút ON/OFF bơm/quạt), 1 nút dừng khẩn cấp (EMG), 1 công tắc xoay 3 vị trí Cung cấp giao diện thao tác phần cứng: chạy tự động, dừng khẩn cấp và chuyển đổi các chế độ hoạt động.
Động cơ thực nghiệm Động cơ một chiều (DC Motor) Thay thế động cơ 3 pha trong mô hình vật lý thu nhỏ, điều khiển tốc độ qua xung PWM.

Thiết kế cơ khí và kết cấu mô hình

Mô hình trang trại được thiết kế 3D hoàn chỉnh trên Solidworks và chế tạo từ nhựa mica:

  • Kích thước tổng thể: Dài $50\text{ cm} \times$ Rộng $25\text{ cm} \times$ Cao $20\text{ cm}$.
  • Mặt cắt phía sau: Thiết kế các ô vuông để gắn động cơ DC và quạt hút gió.
  • Mặt cắt phía trước: Tạo các khe thoáng khí để gắn hệ thống tấm làm mát cooling pad và đường ống dẫn nước tuần hoàn.
  • Mặt bên và mặt trên/dưới: Được thiết kế đối xứng, gia công cắt bằng máy CNC theo file bản vẽ .dwf xuất từ Solidworks, sau đó cố định bằng keo chuyên dụng.
  • Chi tiết mô hình tham khảo thêm từ thư viện GrabCAD cho quạt và tấm làm mát để tăng tính trực quan.

Thiết kế mạch điện và kết nối truyền thông

  1. Mạch cấp nguồn: Nguồn điện lưới $220\text{VAC}$ đi qua Aptomat MCB $25\text{A}$ cấp vào nguồn tổ ong. Nguồn tổ ong xuất điện áp $24\text{VDC}$ kết nối vào các chân $L+$ và $M$ của CPU 1214C, các module mở rộng và mạch relay. Mạch hạ áp nhận $24\text{VDC}$ chuyển thành $12\text{VDC}$ để cấp nguồn nuôi mạch cảm biến nhiệt độ NTC.
  2. Mạch truyền thông RS485: Hai chân tín hiệu dữ liệu từ mạch cảm biến NTC 10K được kết nối trực tiếp vào cổng truyền thông của module CM 1241 trên PLC S7-1200. PLC gửi lệnh Modbus RTU (3 read command), nhận về 2 byte dữ liệu và thực hiện phép chia cho 10 để ra giá trị nhiệt độ hiển thị.
  3. Mạch điều khiển tải: Ngõ ra PLC dạng Transistor (DC/DC/DC) kết nối điều khiển mạch công suất phát xung PWM cho động cơ DC, đồng thời ngõ ra điều khiển cuộn hút của các rơ le trung gian để đóng/ngắt máy bơm nước mini tuần hoàn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày toàn diện về cơ sở lý thuyết của hệ thống làm mát trang trại và các thiết bị tự động hóa công nghiệp:

  • Nguyên lý hệ thống làm mát trang trại: Phân tích ưu điểm của hệ thống trao đổi nhiệt áp suất âm (dễ lắp đặt, chi phí thấp, bền bỉ, giảm nhiệt độ chuồng trại tới 10°C, cung cấp $O_2$, loại bỏ khí $NH_3, CO_2$).
  • Tổng quan thiết bị phần cứng:
    • So sánh chi tiết các dòng CPU thuộc họ PLC S7-1200 của Siemens (CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C) về dung lượng bộ nhớ work/load, số lượng ngõ vào ra số DI/DO, ngõ vào ra analog và khả năng mở rộng board/module tín hiệu, qua đó giải thích lý do lựa chọn CPU 1214C DC/DC/DC.
    • Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của biến tần Delta VFD-L (cấu trúc mạch chỉnh lưu cầu diode, bộ lọc tụ điện, nghịch lưu IGBT tạo điện áp 3 pha điều chế độ rộng xung SVPWM từ 0 đến 400Hz).
    • Trình bày lý thuyết phân loại và nguyên lý tác động cơ chế nhiệt/điện từ của các loại Aptomat (MCB, MCCB, RCCB, RCBO, ELCB); phân tích cấu tạo và sơ đồ chân (NO, NC, COM) của rơ le trung gian.
    • Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt điện trở âm NTC 10K (điện trở giảm khi nhiệt độ tăng) và giao thức Modbus RTU RS485.
  • Lý thuyết điều khiển tự động:
    • Khảo sát cấu trúc điều khiển PID, các phương pháp chỉnh định thông số ($K_p, K_i, K_d$) bằng tay, phương pháp Ziegler – Nichols và công cụ tự động trên phần mềm.
    • Cấu trúc khối hàm PID_Compact trong TIA Portal cùng bảng mô tả các tham số đầu vào (Setpoint, Input, Input_PER), tham số đầu ra (Output, ScaledInput, Output_PWM, State, Error) và các biến lưu trữ thông số hiệu chỉnh (sRet.r_Ctrl_Gain, sRet.r_Ctrl_Ti, sRet.r_Ctrl_Td).
    • Khảo sát lý thuyết logic mờ, phương pháp mờ hóa, tập mờ, luật hợp thành và giải mờ; định hướng ứng dụng ngôn ngữ SCL để lập trình Function Block điều khiển mờ.
    • Nguyên lý phát xung PWM qua khối CTRL_PWM trên PLC S7-1200 (các tham số PWM, ENABLE, BUSY, STATUS).

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 2 tập trung vào quá trình thiết kế phần cứng cơ khí và hệ thống điện của mô hình:

  • Thiết kế mô hình 3D trên Solidworks:
    • Giới thiệu các chức năng CAD/CAE/CAM của phần mềm Solidworks.
    • Trình bày các bản vẽ thiết kế 2D/3D chi tiết: mặt cắt phía sau (bố trí 2 ô vuông gắn động cơ DC và quạt), mặt cắt phía trước (bố trí khe lưu thông gió cho tấm làm mát), bản vẽ hai mặt bên và bản vẽ mặt trên/dưới.
    • Quy trình xuất file .dwf từ Solidworks sang máy cắt CNC để gia công các tấm nhựa mica và lắp ráp hoàn thiện khung mô hình kích thước $50 \times 25 \times 20\text{ cm}$.
  • Thiết kế hệ thống điện trên EPLAN:
    • Xây dựng bản vẽ sơ đồ cấp nguồn tổng quan $220\text{VAC}$ qua Aptomat MCB.
    • Bản vẽ cấp nguồn chi tiết cho PLC S7-1200 CPU 1214C, module truyền thông CM 1241 và module analog SM 1232.
    • Bản vẽ đấu nối dây ngõ vào (nút nhấn, công tắc chuyển mạch) và ngõ ra của PLC (điều khiển rơ le, mạch động cơ).
    • Bản vẽ sơ đồ đấu nối truyền thông giữa mạch cảm biến nhiệt độ NTC 10K với module CM 1241 qua chuẩn RS485.
    • Bản vẽ kết nối module ngõ ra Analog SM 1232 với biến tần Delta VFD-L điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha.

Chương 3: Lập trình điều khiển hệ thống

Chương này trình bày toàn bộ quy trình lập trình giải thuật và thiết kế giao diện trên TIA Portal:

  • Cấu hình phần cứng PLC: Khai báo cấu hình phần cứng CPU 1214C, module CM 1241, module SM 1232; cấu hình địa chỉ I/O và kích hoạt bộ tạo xung phần cứng (HW-PWM).
  • Phân bổ địa chỉ ngõ vào/ra: Lập danh sách phân bổ địa chỉ cho 7 nút nhấn điều khiển (Start, Stop, Restart, bơm ON/OFF, quạt ON/OFF), nút dừng khẩn cấp EMG, công tắc chuyển mạch 3 vị trí và các ngõ ra điều khiển rơ le, phát xung PWM.
  • Lập trình giải thuật điều khiển:
    • Xây dựng Function Block điều khiển Logic mờ bằng ngôn ngữ lập trình cấu trúc SCL (Structured Control Language). Khối hàm nhận 3 giá trị nhiệt độ mốc làm chuẩn để tính toán, tự động nội suy và xuất tốc độ điều khiển động cơ mà không cần chia quá nhiều khoảng điều kiện cứng.
    • Cấu hình và lập trình khối PID_Compact để điều khiển vòng kín theo giá trị nhiệt độ đặt.
    • Lập trình khối hàm CTRL_PWM để xuất xung điều khiển tốc độ động cơ DC tương ứng với tín hiệu tính toán từ khối điều khiển.
  • Thiết kế giao diện giám sát HMI:
    • Xây dựng màn hình đăng nhập hệ thống với cơ chế phân quyền bảo mật (màn hình dành cho nhân viên kỹ thuật để cài đặt thông số sâu, màn hình dành cho người vận hành thông thường).
    • Thiết kế màn hình giám sát thời gian thực hiển thị giá trị nhiệt độ đo được, trạng thái hoạt động của bơm, quạt và chế độ vận hành (Auto/Manual).
    • Thiết kế màn hình cảnh báo lỗi và cảnh báo người dùng khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.

Chương 4: Kết luận

Tổng kết các nội dung đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp:

  • Chế tạo thành công mô hình cơ khí trang trại thu nhỏ đạt độ chính xác theo bản vẽ thiết kế 3D.
  • Hoàn thiện tủ điện điều khiển, đấu nối chính xác các thiết bị bảo vệ, chuyển đổi nguồn, PLC và các module mở rộng.
  • Lập trình thu thập dữ liệu nhiệt độ thành công qua giao thức Modbus RTU và xây dựng hoàn chỉnh hai thuật toán điều khiển PID và Logic mờ trên TIA Portal.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm đạt được

  1. Về mặt kết cấu phần cứng:

    • Hoàn thiện mô hình vật lý trang trại thu nhỏ kích thước $50\text{ cm} \times 25\text{ cm} \times 20\text{ cm}$ bằng nhựa mica cắt CNC từ bản vẽ Solidworks.
    • Lắp ráp hoàn chỉnh bảng điện điều khiển với hệ thống bảo vệ Aptomat MCB $220\text{V} - 25\text{A}$, nguồn tổ ong $24\text{VDC} - 5\text{A}$, mạch hạ áp $12\text{VDC}$, PLC Siemens S7-1214C DC/DC/DC, module truyền thông CM 1241, module analog SM 1232, biến tần Delta VFD-L và dàn rơ le trung gian.
    • Tích hợp thành công bảng nút nhấn điều khiển 7 nút, nút EMG và công tắc chuyển mạch 3 vị trí.

  2. Về mặt truyền thông và điều khiển:

    • Thiết lập thành công giao tiếp Modbus RTU RS485 giữa module CM 1241 và mạch cảm biến NTC 10K, đọc chính xác dữ liệu nhiệt độ (giải mã 2 byte dữ liệu về dạng số thập phân chia 10) trong dải đo của cảm biến.
    • Ứng dụng thành công khối hàm CTRL_PWM trên TIA Portal để điều chế xung PWM điều khiển tốc độ động cơ DC.
    • Xây dựng hoàn chỉnh khối Function Block điều khiển Logic mờ bằng ngôn ngữ SCL trên PLC S7-1200 và cấu hình khối PID_Compact.
    • Thiết kế giao diện HMI trực quan với đầy đủ màn hình đăng nhập kỹ thuật, màn hình người dùng và màn hình cảnh báo sự cố.

Đóng góp của đề tài

  • Tối ưu hóa năng lượng: Thay vì để động cơ và bơm làm mát chạy liên tục hết công suất theo cách truyền thống, đề tài đã nghiên cứu giải pháp điều khiển biến thiên tốc độ động cơ theo nhiệt độ môi trường, giúp hạn chế lãng phí điện năng tiêu thụ.
  • Làm chủ quy trình thiết kế tích hợp: Kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí 3D (Solidworks), thiết kế điện công nghiệp chuẩn hóa (EPLAN), truyền thông công nghiệp (Modbus RTU) và lập trình điều khiển cấp cao (TIA Portal SCL/PID/Fuzzy) trên nền tảng PLC S7-1200.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quy mô động cơ thử nghiệm: Trong môi trường công nghiệp thực tế, hệ thống làm mát trang trại thường sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha công suất lớn điều khiển qua biến tần. Tuy nhiên, do kích thước mô hình thực nghiệm nhỏ ($50 \times 25 \times 20\text{ cm}$), động cơ 3 pha quá cồng kềnh nên tác giả đã thay thế bằng động cơ DC nhỏ gọn điều khiển qua xung PWM để kiểm chứng giải thuật.
  • Thư viện 3D: Do giới hạn về thời gian thực hiện, một số chi tiết cơ khí phức tạp trên bản vẽ 3D (như cánh quạt và tấm làm mát cooling pad) được tác giả trích xuất từ thư viện mở GrabCAD thay vì tự dựng hình toàn bộ.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Triển khai thử nghiệm và ứng dụng giải thuật điều khiển biến tần Delta VFD-L cho động cơ xoay chiều 3 pha trên các trang trại chăn nuôi quy mô thực tế.
  • Tích hợp thêm các cảm biến đo độ ẩm không khí và cảm biến đo nồng độ khí độc ($NH_3, CO_2$) để xây dựng hệ thống điều khiển đa biến vi khí hậu hoàn chỉnh cho chuồng trại.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tiến Vượng mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành kỹ thuật:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Điện – Điện tử: Có thể sử dụng tài liệu làm mẫu tham khảo chi tiết về phương pháp xây dựng một đồ án tốt nghiệp kỹ thuật hoàn chỉnh, từ khâu thiết kế cơ khí, vẽ sơ đồ EPLAN đến lập trình PLC Siemens.
  • Phần giá trị chuyên môn cao đáng tham khảo:
    • Tài liệu cung cấp hướng dẫn rõ ràng về cách cấu hình khối hàm PID_Compact và cách tự viết Function Block giải thuật Logic mờ bằng ngôn ngữ SCL trên phần mềm TIA Portal.
    • Quy trình cấu hình và lập trình truyền thông Modbus RTU RS485 giữa module CM 1241 và các module cảm biến ngoại vi dạng Modbus RTU.
    • Phương pháp phân quyền người dùng và thiết kế các màn hình chức năng trên giao diện HMI.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại sử dụng động cơ DC thay vì động cơ xoay chiều 3 pha trong mô hình thực nghiệm?

Trong thực tế công nghiệp, hệ thống làm mát trang trại thường dùng động cơ xoay chiều 3 pha điều khiển qua biến tần. Tuy nhiên, do mô hình đồ án được chế tạo dưới dạng thu nhỏ (kích thước $50\text{ cm} \times 25\text{ cm} \times 20\text{ cm}$), động cơ 3 pha có kích thước quá lớn so với khung mô hình, nên tác giả đã thay thế bằng động cơ DC điều khiển qua xung PWM để thuận tiện cho việc kiểm nghiệm giải thuật điều khiển.

2. Dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ NTC 10K được truyền về PLC S7-1200 như thế nào?

Cảm biến nhiệt độ NTC 10K được kết nối với mạch giải mã hỗ trợ chuẩn RS485 Modbus RTU (tốc độ baud 9600). Mạch này truyền thông trực tiếp với PLC S7-1200 thông qua module truyền thông CM 1241. Dữ liệu nhiệt độ trả về ở dạng 2 byte, sau đó được PLC chuyển đổi sang số thập phân và chia cho 10 để ra giá trị nhiệt độ thực tế (°C).

3. Những phần mềm nào đã được sử dụng trong suốt quá trình thực hiện đồ án?

Đồ án sử dụng 3 phần mềm kỹ thuật chính:

  • Solidworks: Thiết kế bản vẽ 3D các mặt của mô hình trang trại và xuất file .dwf để gia công cắt nhựa mica bằng máy CNC.
  • EPLAN: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, sơ đồ cấp nguồn và sơ đồ đấu nối chân I/O của hệ thống.
  • TIA Portal: Cấu hình phần cứng PLC S7-1200, lập trình giải thuật PID (PID_Compact), giải thuật Logic mờ (ngôn ngữ SCL), phát xung PWM (CTRL_PWM) và thiết kế giao diện màn hình giám sát HMI.

4. Giải thuật Logic mờ được tác giả hiện thực hóa trên TIA Portal bằng cách nào?

Tác giả đã tạo một khối chức năng (Function Block) tự tạo sử dụng ngôn ngữ lập trình cấu trúc SCL trên TIA Portal. Khối hàm nhận 3 mốc nhiệt độ đầu vào tương ứng với tốc độ động cơ mong muốn, sau đó ứng dụng các luật hợp thành mờ và giải mờ để tính toán liên tục tốc độ động cơ tại các mức nhiệt độ bất kỳ mà không cần phải lập trình nhiều điều kiện so sánh ngưỡng cố định.

5. Hệ thống điều khiển phần cứng của mô hình được trang bị các nút nhấn và công tắc nào?

Bảng điều khiển của hệ thống gồm:

  • 3 nút nhấn điều khiển hệ thống: Chạy (Run), Dừng (Stop) và Chạy lại (Restart).
  • 4 nút nhấn điều khiển bật/tắt (ON/OFF) riêng cho máy bơm nước và động cơ quạt ở chế độ thủ công.
  • 1 nút nhấn dừng khẩn cấp (EMG) để ngắt toàn bộ hệ thống ngay lập tức khi xảy ra sự cố.
  • 1 công tắc chuyển mạch 3 vị trí dùng để chuyển đổi linh hoạt các chế độ hoạt động của hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và phát triển hệ thống làm mát trong trang trại chăn nuôi" của sinh viên Nguyễn Tiến Vượng đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và chế tạo một mô hình làm mát tự động hóa hoàn chỉnh. Đề tài đã ứng dụng thành công bộ lập trình PLC Siemens S7-1214C kết hợp module truyền thông Modbus RTU CM 1241 để thu thập dữ liệu cảm biến nhiệt độ NTC 10K, đồng thời hiện thực hóa các giải thuật điều khiển tiên tiến như PID và Logic mờ để điều chế xung PWM điều khiển tốc độ động cơ. Đây là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo cao về mặt kỹ thuật thiết kế cơ - điện và lập trình điều khiển công nghiệp trong nông nghiệp công nghệ cao.