CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan hệ thống làm mát Trong ngành chăn nuôi và trồng trọt, việc duy trì môi trường thoải mái và lành mạnh cho động vật là yếu tố quan trọng đối với sự thành công của một trang trại. Một trong những công nghệ quan trọng giúp đạt được mục tiêu này là hệ thống làm mát. Hệ thống làm mát trong trang trại là một bộ phận không thể thiếu, đặc biệt là trong những khu vực có điều kiện khí hậu nóng ẩm. Chúng giúp kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và sự lưu thông không khí trong các khu vực nuôi điều kiện sống tốt nhất cho động vật và cây trồng.
Có nhiều phương pháp khác nhau để làm mát trong trang trại, từ hệ thống thông gió đơn giản đến các hệ thống tiên tiến sử dụng công nghệ mới như phun sương hoặc điều hòa không khí. Nhưng phố biến nhất là hệ thống làm mát bằng quạt và tấm làm mát. Hệ thống làm mát trong trang trại này hoạt động theo nguyên lí rất cơ bản. Đầu tiên thì một đầu của trang trại được lắp hệ thống quạt hút công nghiệp với công suất lớn để có thể thực hiện được việc hút toàn bộ khí nóng, bụi bẩn ở trong trang trại ra bên ngoài.
Đầu còn lại của trang trại được lắp hệ thống trao đổi nhiệt. Hệ thống trao đổi nhiệt được tạo thành từ nhiều tấm làm mát cooling pad và được các máy bơm cung cấp nước lên phía trên của tấm cooling pad để làm ẩm tấm. Nước sẽ được thi về qua các đường ống, máng dẫn nước để thu nước về để tiếp tục vòng tuần hoàn mới. Không khí nóng và khô nhờ tác động của hệ thống quạt hút sẽ đi qua qua tấm làm mát và trao đổi trực tiếp với nước được giữ lại một phần trong tấm làm mát.
Do đó nhiệt độ môi trường trong trang trại sẽ giảm xuống. 1: Hệ thống làm mát trong trang trại. Hệ thống được nhiều người sử dụng do có rất nhiều ưu điểm như là [1] : - Dễ dàng lắp đặt, sử dụng, chi phí ít - Hệ thống hoạt động ổn định, hiệu quả cao và có thể giảm 10° so với ngoài trời - Hệ thống có tuổi thọ cao, sử dụng được lâu dài - Hệ thống thân thiện với môi trường, con người - Hệ thống có thể áp dụng cho các trang trại lớn nhỏ khác nhau Ngoài ra hệ thống làm mát không chỉ có thể làm mát cho trang trại mà nó còn có thể cung cấp oxy cho vật nuôi, điều phối không khí đều trong trang trại,loại bỏ các khí NH3,CO2 ra bên ngoài, điều khiển nhiệt độ để phụ hợp với từng loại vật nuôi khác nhau, giúp vật nuôi có môi trường sống thoải mái, giảm tỉ lệ vật nuôi bệnh tật và tăng hiệu quả chăn nuôi.2 Tổng quan hệ thống 1.1 Mô tả hệ thống Hệ thống làm mát trong trang trại của đồ án này sẽ có một môt hình được thiết kế dưới dạng thu nhỏ của một trang trại với kích thước là chiều dài, chiều rộng, chiều cao là 50cm, 25cm, 20 cm. Trong hệ thống này thì sẽ sử dụng PLC S7-1214 DC/DC/DC để điều khiển.
PLC sẽ được đọc dữ liệu của cảm biến nhiệt độ NTC qua module truyền thông CM 1241 để tiến hành điều khiển. Tại đây thì 9 tác giác áp dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển logic mờ để có thể điều khiển động cơ chạy với nhiệt độ thu được. Tác giả có sử dụng cả 2 động cơ DC và động cơ 3 pha.Với động cơ DC thì sẽ được điều khiển bằng cách xung PWM. Động cơ 3 pha sẽ được điều khiển qua biến tần.
Bảng điều khiển của hệ thống gồm các nút nhấn xanh, đỏ, vàng, EMG, chuyển mạch 3 vị trí để điều khiển hệ thống chạy,dừng, chạy lại, dừng khẩn cấp và chuyển các chế độ của hệ thống. Mục đích của việc điều khiển này áp dụng bộ đều khiển PID, điều khiển logic mờ là để tiết kiệm năng lượng điện khi các thiết bị chấp hành hoạt động với công suất mà không cần thiết.2 Sơ đồ hệ thống Hình 1.3 Lí thuyết về thiết bị 1.1 PLC S7-1200 Bộ lập trình PLC S7-1200 Siemens ra đời vào năm 2009 và nó dùng để thay thế dần cho PLC S7-200. So với dòng PLC S7-200 thì PLC S7-1200 có những tính năng mới nổi trội hơn. PLC S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp với những tập lệnh mạnh giúp giải pháp hoàn hảo hơn cho những ứng dụng sử dụng PLC S7-1200.
PLC S7-1200 hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP[2]. 3: Hình ảnh PLC S7-1200 và module Các thành phần của dòng PLC S7-1200 bao gồm[2]: Bộ điều khiển chính CPUs gồm: Bộ lập trình S7-1200 : -CPU 1211C, -CPU 1212C -CPU 1214C -CPU 1215C -CPU 1217C Mô đun và Signal board mở rộng: + Board mở rộng cho CPU S7-1200: Signal board Digital (input, outputs, input/output), Signal board Analog (input, outputs) 11 + Mô đun mở rộng cho CPU S7-1200: Mô đun Digital (input, outputs, input/output), mô đun Analog (input, outputs, input/output) – Mô đun truyền thông PROFIBUS DP S7-1200, mô đun Modbus S7- 1200, mô đun GPRS kết nối GSM / GPRS cho điện thoại di động … – Mô đun Switch mở rộng cổng Ethernet cho CPU S7-1200 – Mô đun nguồn PLC S7-1200 PM1207 power supply input 115/230VAC, output 24VDC 2.5A Ứng dụng: Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như: - Điều khiển hệ thống băng tải - Điều khiển đèn chiếu sáng, - Máy đóng gói - Máy in - Máy dệt - Trạm trộn bê tông - Hệ thống rửa xe tự động - Máy sản xuất dược phẩm… Dưới đây là bảng so sánh các dòng plc S7-1200 [3]: Đặc CPU CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C CPU 1215C tính 1217C DC/DC/DC, DC/DC/DC, DC/DC/DC, DC/DC/DC, Tùy AC/DC/relay, AC/DC/relay, AC/DC/relay, AC/DC/relay, DC/DC/DC chọn DC/DC/relay DC/DC/relay DC/DC/relay DC/DC/relay Bộ nhớ work 50 KB 75 KB 100 KB 125 KB 150 KB memory Bộ nhớ woad 1 MB 2 MB 4 MB 4 MB 4 MB memory Thẻ nhớ Tùy chọn thẻ nhớ 12 DI/DO 6/4 8/6 14/10 14/10 14/10 tích hợp Ngõ vào 2 2 2 2 2 Analog tích hợp Ngõ ra Analog 0 0 0 2 2 tích hợp Process 1024 bytes cho ngõ vào, 1024 bytes cho ngõ ra image Board mạch Max. 1 tín hiệu mở rộng Mô đun tín hiệu No Max. 8 mở rộng Mô đun truyền Max.
3 thông mở rộng Bảng 1. 1: Bảng so sánh các dùng plc S7-1200 Đồ án sẽ sử dụng PLC S7-1214 DC/DC/DC bởi lí do PLC này có đủ các chức năng để làm những dự án nhỏ hơn thế nữa thì PLC S7-1214 DC/DC/DC này được bán rất nhiều trên thị trường và có thể mua lại để sử dụng mà không cần phải đặt hàng mua mới để sử dụng.2 Module truyền thông CM 1241 Module truyền thồng CM 1241 là module giao tiếp CM 1241 thuộc dòng SIMATIC S7-1200, giúp trao đổi dữ liệu nối tiếp nhanh chóng, cho hiệu suất cao thông qua dạng kết nối point-to-point (từ điểm đến điểm) [4]. Module giao tiếp CM1241 có các giao thức đã triển khai như: ASCII, giao thức ổ đĩa USS, Modbus RTU, 3964(R). Đồng thời, có thể tải được cả các giao thức bổ sung và tham số hóa đơn giản với STEP 7 Basic.
4: Module truyền thông CM 1241 Module CM 1241 cũng được sử dụng trong một số linh vực như: - Hệ thống tự động hóa SIMATIC S7 và hệ thống của nhiều nhà sản xuất khác, Máy in, Điều khiển robot, Modem, Máy quét, Đầu đọc mã vạch, v.3 Module analog SM 1232 Module analog SM1232 là module mở rộng của PLC S7-1200, module giúp PLC có thêm 4 cổng analog khi PLC không có đầu ra analog hoặc là PLC cần thêm cổng analog để sử dụng. Đầu ra có tín hiệu từ -10V đến 10V hoặc từ 0-20mA/4- 20Ma. 5: Module analog SM 1232 1.4 Biến tần Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được. Biến tần được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp để điều khiển tốc độ động cơ, đảo chiều quay, giảm dòng khởi động, giảm độ rung và tiết kiệm năng lượng [5].
6: Hình ảnh biến tần của hàng VFD-L Cấu tạo của biến tần Mỗi loại biến tần có cấu tạo khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển. Các thành phần chính của biến tần được thiết kế để hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp. Cấu tạo của biến tần thường bao gồm các thành phần chính sau: - Mạch nguồn: cung cấp điện năng cho toàn bộ biến tần. 15 - Mạch điều khiển: là trung tâm điều khiển của biến tần, nơi thực hiện chức năng điều khiển, lập trình và bảo vệ.
- Mạch chuyển đổi tần số: là mạch chính của biến tần, thực hiện chức năng biến đổi tần số dòng điện đầu vào 50Hz thành tần số dòng điện đầu ra điều chỉnh được từ 0 đến 400Hz. Mạch chính bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT. - Mạch bảo vệ: bao gồm các thiết bị bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng, bảo vệ các sự cố điện có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống. - Màn hình - bàn phím: được sử dụng để thực hiện các thao tác giám sát, cài đặt và điều khiển từ người vận hành.
- Ngoài ra biến tần còn có thể được tích hợp: module truyền thông, bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm (điện trở xả),. 7: Sơ đồ mạch điện của biến tần Nguyên lí hoạt động của biến tần: - Đầu tiên, biến tần nhận nguồn đầu vào từ nguồn cung cấp điện. Tùy từng loại biến tần, nguồn điện đầu vào có thể là nguồn 1 pha hoặc 3 pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định (ví dụ nguồn đầu vào 3 pha 380V tần số 50Hz). Nguồn điện này được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng.
Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Tụ điện có chức năng lưu trữ điện năng của biến tần. - Tiếp theo, điện áp 1 chiều trong tụ điện sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này được thực hiện thông qua quá 16 trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổi IGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều 3 pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
- Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển và các tham số được lập trình sẵn trong biến tần.