Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành kỹ thuật điện tử và tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao đời sống con người. Xu hướng tích hợp các mạch điện tử vi xử lý nhỏ gọn, thông minh thay thế cho các hệ thống điều khiển cồng kềnh ngày càng trở nên phổ biến. Trong các lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, điều hòa không khí và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, thiết bị tuần hoàn nước lạnh (chiller/bể điều nhiệt tuần hoàn) là thành phần thiết yếu để duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định cho tải tiêu thụ. Tuy nhiên, các thiết bị tuần hoàn nước lạnh chuyên dụng nhập khẩu trên thị trường hiện có giá thành rất cao (dao động từ 3.000 đến 4.000 USD), gây khó khăn cho việc tiếp cận và trang bị đại trà. Do đó, tác giả lựa chọn đề tài "Thiết kế và chế tạo thiết bị tuần hoàn nước lạnh" (hay "Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ, lưu lượng nước qua màn hình HMI") nhằm nghiên cứu, làm chủ công nghệ và chế tạo một mô hình thực tế có tính năng tương đương với chi phí hợp lý (khoảng 400 đến 600 USD).

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm 4 nội dung:

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, chức năng và ứng dụng thực tế của thiết bị làm lạnh.
  2. Khảo sát cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của các linh kiện, khí cụ điện và thiết bị điện tử công nghiệp.
  3. Chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm thiết bị tuần hoàn nước lạnh tích hợp cơ cấu truyền động động cơ, bộ điều khiển khả trình PLC và giao diện giám sát HMI.
  4. Rèn luyện kỹ năng tự học, nghiên cứu tài liệu chuyên ngành và khả năng làm việc theo nhóm trong môi trường kỹ thuật.

Để thực hiện các mục tiêu trên, đề tài triển khai theo 5 bước nhiệm vụ:

  • Bước 1: Nghiên cứu ứng dụng và các công nghệ tuần hoàn nước hiện nay.
  • Bước 2: Tìm hiểu các phương pháp điều khiển tốc độ bơm, áp suất và giàn làm lạnh trong thiết bị tuần hoàn.
  • Bước 3: Nghiên cứu nguyên lý mạch điều khiển khối bơm và khối làm lạnh; tính toán lựa chọn các thiết bị phần cứng gồm biến tần LS SV008 IG5A-1 (1 pha 220V, 0.75kW), PLC Siemens S7-1200 và màn hình HMI Kinco.
  • Bước 4: Đấu nối phần cứng, lập trình điều khiển trên PLC và thiết kế giao diện giám sát trên màn hình HMI.
  • Bước 5: Thiết kế và gia công cơ khí mô hình sản phẩm hoàn chỉnh đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và tính thẩm mỹ.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án tập trung vào:

  • Nguyên lý chu trình tuần hoàn nước lạnh và trao đổi nhiệt.
  • Kỹ thuật lập trình trên bộ điều khiển khả trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C).
  • Cấu hình và điều khiển biến tần LS SV008 IG5A-1 (1 pha 220V, 0.75kW).
  • Thiết kế giao diện và lập trình màn hình HMI Kinco 4414TE.
  • Phương thức truyền thông công nghiệp giữa PLC S7-1200 và HMI qua cổng Ethernet (Profinet).
  • Khảo sát các thiết bị đo lường gồm cảm biến áp suất model D2415G210, cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây và bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Muesen MST110.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Quang Phú. Mô hình thực nghiệm giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm với dung tích bình chứa 30 lít nước, dải nhiệt độ điều khiển từ 10°C đến 20°C và lưu lượng tuần hoàn tối đa 30 lít/phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng các khung lý thuyết, quy chuẩn và mô hình kỹ thuật sau:

  • Lý thuyết nhiệt động lực học và chu trình làm lạnh nén hơi tiêu chuẩn theo định dạng của Viện Điều hòa Không khí và Điện lạnh Hoa Kỳ (ARI - Air Conditioning and Refrigeration Institute), gồm 4 thành phần cơ bản: máy nén, thiết bị ngưng tụ (dàn nóng), thiết bị tiết lưu và thiết bị bay hơi (dàn lạnh).
  • Hiệu ứng nhiệt điện Peltier-Seebeck ứng dụng trong các module bán dẫn làm lạnh (sò nóng lạnh).
  • Lý thuyết điều khiển tự động: phân tích so sánh phương pháp điều khiển On/Off (hai vị trí) và điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative); cấu trúc và nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển khả trình PLC.
  • Lý thuyết điều khiển biến đổi tần số (V/f) cho động cơ không đồng bộ ba pha bằng bộ biến tần tĩnh.
  • Lý thuyết đo lường nhiệt độ bằng điện trở kim loại Platinum Pt100 với hàm quan hệ nhiệt độ - điện trở theo tiêu chuẩn:
    • Đối với $-200^\circ\text{C} < t < 0^\circ\text{C}$: $R_t = R_0 [1 + At + Bt^2 + Ct^3(t - 100)]$
    • Đối với $0^\circ\text{C} \le t < 850^\circ\text{C}$: $R_t = R_0 (1 + At + Bt^2)$
    • Tuyến tính hóa xấp xỉ: $R = R_0 (1 + \alpha T)$ với $R_0 = 100,\Omega$ tại $0^\circ\text{C}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được áp dụng:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, nghiên cứu bài giảng Điện tử căn bản, giáo trình PLC của Khoa Điện – Điện tử (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên), tài liệu kỹ thuật của các hãng Siemens, LS, Muesen, Kinco và Panasonic.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật nhiệt: Sử dụng phương trình cân bằng nhiệt để xác định công suất nhiệt lượng cần hấp thụ: $$Q = m \cdot C_p \cdot \Delta t = (D \cdot V) \cdot C_p \cdot \Delta t$$ Trong đó: $m$ là khối lượng nước ($m = D \cdot V$), $V = 30\text{ lít} = 0{,}03\text{ m}^3$, khối lượng riêng của nước $D = 999{,}8\text{ kg/m}^3$, nhiệt dung riêng của nước $C_p = 4{,}186\text{ kJ/kg}\cdot^\circ\text{C}$, $\Delta t$ là độ chênh nhiệt độ ($30^\circ\text{C} - 10^\circ\text{C} = 20^\circ\text{C}$). Từ đó tính toán công suất điện cần thiết có xét hệ số bù tổn thất nhiệt: $$P = \frac{Q \times t}{\eta}$$
  • Phương pháp thực nghiệm và thiết kế hệ thống: Thiết kế mạch điện động lực và điều khiển, gia công cơ khí bồn chứa nước, tích hợp tủ điện điều khiển, lập trình phần mềm TIA Portal STEP7 Basic (ngôn ngữ LAD/FBD), thiết kế giao diện HMI và tiến hành chạy thử nghiệm kiểm chứng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian cùng đặc tính lưu lượng theo tần số.

Nguồn dữ liệu của đồ án bắt nguồn từ bảng thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện công nghiệp và số liệu thu thập trực tiếp qua quá trình chạy thực nghiệm trên mô hình thiết bị.

Thiết kế và chế tạo hệ thống

Mô hình thiết bị tuần hoàn nước lạnh được thiết kế bao gồm hai khối chức năng chính: khối làm lạnh và khối tuần hoàn nước, đặt dưới sự quản lý của khối điều khiển trung tâm PLC và màn hình HMI.

Khối chức năng Thiết bị / Linh kiện lựa chọn Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Khối điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C) 6 ngõ vào số (DI), 4 ngõ ra số (DO), 2 ngõ vào tương tự (AI 0–10V), bộ nhớ 25 kB, cổng Profinet RJ45 Xử lý logic trung tâm, nhận tín hiệu cảm biến, điều khiển đóng cắt máy nén và phát xung/áp suất cho biến tần
Khối giao diện Màn hình HMI Kinco 4414TE Màn hình cảm ứng màu, cổng truyền thông Ethernet/RS485 Cài đặt ngưỡng nhiệt độ, giám sát giá trị nhiệt độ và lưu lượng thực tế, hiển thị cảnh báo
Khối làm lạnh Máy nén lạnh Panasonic model 2P20-C225-BNB Chu trình nén hơi môi chất gas lạnh, công suất tính toán tương đương 3655 BTU/h Thu nhiệt từ thùng chứa 30L qua dàn bay hơi và xả nhiệt ra môi trường qua dàn ngưng
Khối truyền động bơm Động cơ không đồng bộ 3 pha AC $P_{\text{đm}} = 750\text{ W}$, $U_{\text{đm}} = 220\text{ V}$, số cực từ $p = 4$, $f = 50\text{ Hz}$, $n_{\text{đm}} = 1500\text{ vòng/phút}$, $\cos\varphi = 0{,}84$, $\eta = 0{,}76$ Bơm nước tuần hoàn từ bồn làm lạnh đến thiết bị tiêu thụ tải
Khối điều tốc Biến tần LS SV008 IG5A-1 Nguồn vào 1 pha 220VAC, nguồn ra 3 pha 220VAC, công suất định mức 0,75 kW Biến đổi tần số nguồn điện để điều khiển trơn tốc độ quay của động cơ bơm nước
Đo lường nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây có ren Điện trở $100,\Omega$ tại $0^\circ\text{C}$, dải đo chịu nhiệt tối đa $400^\circ\text{C}$ Đo nhiệt độ nước trong bồn chứa
Chuyển đổi tín hiệu Bộ chuyển đổi Muesen MST110 (Đức) Nhận Pt100, ngõ ra 0–10VDC, thời gian trễ $< 600\text{ ms}$, sai số $0{,}1%$, nguồn 24VDC loop Chuyển đổi tín hiệu điện trở Pt100 thành điện áp 0–10VDC tương thích ngõ vào Analog của PLC
Đo lường áp suất Cảm biến áp suất model D2415G210 Dải đo áp suất chất lỏng đường ống, ngõ ra analog Đo áp suất đường ống nước tuần hoàn đưa về PLC
Khí cụ đóng cắt Rơ-le Omron MY2N-DC24 / MY4N-DC24 & Contactor Tiếp điểm 3A/5A, nguồn cuộn hút 24VDC / 220VAC, thời gian tác động $\le 20\text{ ms}$ Đóng ngắt nguồn điện cho máy nén lạnh và các mạch động lực

Về giải pháp điều khiển:

  • Điều khiển nhiệt độ: Do hệ thống không đòi hỏi mức độ chính xác quá khắt khe (dung sai cho phép $\pm 3^\circ\text{C}$), tác giả lựa chọn giải thuật điều khiển On/Off. Tín hiệu nhiệt độ từ Pt100 sau khi chuyển đổi thành điện áp 0–10V qua bộ MST110 được PLC so sánh với giá trị cài đặt từ HMI; PLC kích hoạt rơ-le trung gian để đóng/ngắt máy nén Panasonic.
  • Điều khiển tuần hoàn: Tốc độ động cơ bơm ba pha được điều khiển thông qua biến tần LS IG5A-1. Tần số ngõ ra của biến tần được điều chỉnh thông qua lệnh điều khiển từ PLC, cho phép thay đổi lưu lượng nước tuần hoàn theo dải mong muốn (tối đa 30 lít/phút).
  • Phần mềm: Chương trình điều khiển PLC được lập trình trên phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic (ngôn ngữ LAD/FBD). Giao diện HMI được thiết kế gồm màn hình chờ và màn hình vận hành, cho phép nhập tham số cài đặt và hiển thị trạng thái thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thiết bị tuần hoàn nước lạnh

Chương 1 trình bày định nghĩa, phân loại và khảo sát các thiết bị làm lạnh, tuần hoàn nước trên thị trường:

  • Thiết bị tuần hoàn nước lạnh có chức năng cung cấp nước lạnh theo nhiệt độ cài đặt đến đối tượng tiêu thụ, có thể hoạt động theo vòng tuần hoàn kín hoặc hở nhưng phải đảm bảo hai yếu tố: cân bằng nhiệt độ - áp suất và tuần hoàn nước tự động.
  • Trong công nghiệp, hệ thống làm lạnh chiller (điều hòa trung tâm) hoạt động theo chu trình 4 thiết bị chính: máy nén (piston, trục vít, xoắn ốc, ly tâm), van tiết lưu, dàn bay hơi và dàn ngưng tụ (giải nhiệt nước hoặc giải nhiệt gió), chế tạo theo tiêu chuẩn ARI.
  • Phân loại theo cơ chế sinh lạnh gồm hai nhóm chính:
    1. Máy làm lạnh sử dụng động cơ máy nén khí (dùng môi chất gas lạnh).
    2. Máy làm lạnh sử dụng bán dẫn chuyển đổi nóng - lạnh (hiệu ứng Peltier).
  • Tác giả tiến hành khảo sát các thiết bị thương mại:
    • Quạt điều hòa Sunhouse SHD7748: Làm mát bằng cơ chế bay hơi nước, bình chứa 52L, lưu lượng gió 3000–5000 $\text{m}^3/\text{h}$, diện tích làm mát $45\text{ m}^2$, tiêu thụ điện bằng $15%$ so với máy lạnh điều hòa.
    • Máy làm lạnh tuần hoàn Minichiller: Kích thước $225 \times 360\text{ mm}$, sử dụng gas R290, thang nhiệt độ $-20^\circ\text{C}$ đến $40^\circ\text{C}$, độ ổn định $\pm 0{,}1^\circ\text{C}$, cảm biến Pt100, tiết kiệm đến 48.000L nước trong một tuần làm việc.
    • Máy làm lạnh Kuenling giải nhiệt gió: Sử dụng dàn ống đồng cánh nhôm và quạt hút giải nhiệt thay cho tháp giải nhiệt (cooling tower); hiệu suất làm lạnh bằng khoảng $70%$ so với chiller giải nhiệt nước nhưng tiết kiệm diện tích và tránh ô nhiễm vi sinh.
    • Cây nước nóng lạnh Kangaroo KG-33TN: Công suất tổng 585W (nóng 500W, lạnh 85W), áp dụng chip bán dẫn Peltier, nhiệt độ nước lạnh $8 - 15^\circ\text{C}$, năng suất làm lạnh 1 lít/giờ.
    • Bể điều nhiệt tuần hoàn lạnh JSRC (JSRC-06C, 13C, 22C, 30C): Dung tích từ 7L đến 30L, dải nhiệt độ $-20^\circ\text{C}$ đến $120^\circ\text{C}$, độ chính xác $\pm 0{,}1^\circ\text{C}$, bơm tuần hoàn 10 lít/phút (áp lực 0,5 bar), bộ điều khiển PID hiển thị LED, bảo vệ quá nhiệt và cạn nước.
  • Kết luận chương nêu rõ: các thiết bị tuần hoàn lạnh thương mại có giá rất cao (3.000 – 4.000 USD), thúc đẩy tác giả tự thiết kế thiết bị có chức năng tương tự với chi phí 400 – 600 USD.

Chương 2: Thiết kế, chế tạo thiết bị tuần hoàn nước lạnh

Chương 2 là nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày quá trình tính toán, lựa chọn linh kiện và thiết kế hệ thống:

  • Xác lập yêu cầu kỹ thuật: Thùng chứa dung tích 30 lít (kích thước hình hộp chữ nhật $30 \times 25 \times 35\text{ cm}$); dải nhiệt độ nước $10 - 20^\circ\text{C}$; nhiệt độ cài đặt từ bàn phím và hiển thị trên màn hình; lưu lượng tuần hoàn tối đa 30 lít/phút; điều khiển bơm theo lưu lượng, giám sát qua HMI.
  • Lựa chọn phương pháp làm lạnh: Qua so sánh thực tế, sò nóng lạnh (Peltier 50W) có ưu điểm nhỏ gọn nhưng công suất làm lạnh thấp, đòi hỏi tản nhiệt mặt nóng phức tạp, không đáp ứng được yêu cầu làm lạnh 30 lít nước. Tác giả chọn phương pháp làm lạnh bằng chu trình nén khí gas.
  • Tính toán nhiệt động lực học: Với thể tích $V = 30\text{L}$ ($m = 29{,}994\text{ kg}$), làm lạnh từ $30^\circ\text{C}$ xuống $10^\circ\text{C}$ trong thời gian $t = 1\text{ giờ}$ ($3600\text{ s}$), nhiệt lượng cần hấp thụ là $Q = 2559{,}4\text{ kJ}$. Công suất nhiệt tính toán đạt khoảng 3655 BTU/h (với hệ số bù nhiệt 0,7). Tác giả lựa chọn máy nén lạnh Panasonic model 2P20-C225-BNB xuất xứ Trung Quốc.
  • Lựa chọn phương pháp điều khiển: Chọn điều khiển On/Off thay vì PID do thiết bị chỉ yêu cầu độ chính xác nhiệt độ $\pm 3^\circ\text{C}$. Chọn bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C) thay vì vi điều khiển nhờ độ bền công nghiệp, chống nhiễu cao, dễ lập trình qua TIA Portal và tích hợp sẵn cổng Ethernet Profinet kết nối HMI.
  • Lựa chọn thiết bị đóng cắt và đo lường:
    • Rơ-le trung gian Omron MY2N-DC24 (8 chân, 5A) và MY4N-DC24 (14 chân, 3A), thời gian tác động tối đa 20 ms, tuổi thọ điện 50.000.000 lần đóng cắt.
    • Cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây loại có ren kết nối chịu nhiệt đến $400^\circ\text{C}$.
    • Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Muesen MST110 (Đức), chuyển đổi tín hiệu Pt100 sang $0 - 10\text{VDC}$, thời gian trễ $< 600\text{ ms}$, sai số $0{,}1%$, giải quyết hiện tượng trễ tín hiệu 4–6s và sụt áp đường truyền.
    • Cảm biến áp suất model D2415G210.
  • Khối tuần hoàn nước: Chọn động cơ không đồng bộ 3 pha xoay chiều ($750\text{ W}$, $220\text{ V}$, $n = 1500\text{ vòng/phút}$, $\cos\varphi = 0{,}84$, $\eta = 0{,}76$) kết hợp biến tần LS SV008 IG5A-1 ($0{,}75\text{ kW}$, vào 1 pha 220V, ra 3 pha 220V) thay vì động cơ một chiều DC do động cơ 3 pha không dùng chổi than, tuổi thọ cao và dễ điều tốc qua tần số.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển: Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống, sơ đồ bố trí thiết bị tủ điện, lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ (On/Off máy nén), lưu đồ thuật toán điều khiển lưu lượng (thay đổi tần số biến tần), thiết kế màn hình giao diện chờ và giao diện vận hành trên HMI Kinco 4414TE, sau đó gia công lắp ráp mô hình thực tế.

Chương 3: Khảo sát và đánh giá sản phẩm chế tạo

Chương 3 trình bày các bước thử nghiệm, đo đạc và đánh giá hoạt động của mô hình:

  • Khảo sát quan hệ nhiệt độ - thời gian: Thực hiện làm lạnh 30 lít nước từ nhiệt độ môi trường $30^\circ\text{C}$ xuống dải nhiệt độ $10 - 20^\circ\text{C}$. Ghi nhận số liệu hiển thị trên màn hình HMI và tiến hành so sánh đối chứng với thiết bị đo nhiệt độ thương mại thực tế để đánh giá độ chính xác và sai số chuyển đổi của bộ cảm biến Pt100 kết hợp bộ chuyển đổi MST110.
  • Khảo sát quan hệ tần số - áp suất - lưu lượng nước: Điều chỉnh tần số ngõ ra của biến tần LS IG5A-1 từ màn hình HMI, theo dõi áp suất đường ống từ cảm biến D2415G210 và đo lưu lượng nước tuần hoàn thực tế tương ứng để xác lập bảng quan hệ tần số – lưu lượng nước (đạt mức cực đại 30 lít/phút).
  • Đánh giá kết quả đạt được: Mô hình chế tạo hoạt động ổn định, các thiết bị đóng cắt và bảo vệ vận hành an toàn, PLC và HMI duy trì truyền thông liên tục qua cổng Ethernet, đáp ứng đúng các chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra ở phần mở đầu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình thiết bị tuần hoàn nước lạnh hoàn chỉnh bao gồm bồn chứa nước 30 lít ($30 \times 25 \times 35\text{ cm}$), hệ thống máy nén lạnh Panasonic 2P20-C225-BNB, cụm bơm nước động cơ ba pha 750W điều khiển bởi biến tần LS SV008 IG5A-1 0.75kW, tủ điện tích hợp PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C, màn hình HMI Kinco 4414TE, cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây, bộ chuyển đổi Muesen MST110 và cảm biến áp suất D2415G210.
  • Hệ thống thực hiện việc hạ nhiệt độ và duy trì nhiệt độ bồn nước 30 lít trong dải cài đặt từ $10^\circ\text{C}$ đến $20^\circ\text{C}$ theo phương thức On/Off với độ sai lệch nhiệt độ nằm trong phạm vi cho phép ($\pm 3^\circ\text{C}$).
  • Điều khiển trơn lưu lượng nước tuần hoàn thông qua việc thay đổi tần số cấp cho động cơ bơm, đạt lưu lượng tối đa 30 lít/phút.
  • Thiết lập thành công giao diện điều khiển và giám sát trực quan trên màn hình HMI Kinco, cho phép người vận hành cài đặt tham số, theo dõi trạng thái nhiệt độ, áp suất và các tín hiệu cảnh báo.

Về mặt đóng góp và giải pháp:

  • Đưa ra giải pháp tích hợp chuẩn công nghiệp giữa cảm biến nhiệt độ Pt100 với PLC S7-1200 thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu DIL Rail Muesen MST110 (chuyển đổi điện trở sang tín hiệu áp $0 - 10\text{VDC}$), khắc phục hiện tượng trễ 4–6s và suy hao tín hiệu trên đường dây.
  • Chứng minh tính khả thi của phương án tự thiết kế, chế tạo thiết bị tuần hoàn nước lạnh phục vụ học tập và ứng dụng thực tế với chi phí dự toán khoảng 400 – 600 USD, giảm thiểu đáng kể chi phí so với việc đầu tư các thiết bị nhập khẩu thương mại có giá từ 3.000 đến 4.000 USD.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Thuật toán điều khiển nhiệt độ mới chỉ dừng lại ở phương pháp On/Off đóng cắt tiếp điểm qua rơ-le, dẫn đến hiện tượng dao động nhiệt độ quanh điểm đặt (quá nhiệt/quá lạnh) và chưa tối ưu hóa hiệu suất sử dụng điện của máy nén lạnh so với thuật toán điều khiển liên tục.
  • Hệ thống chưa tích hợp tính năng ghi nhận và lưu trữ dữ liệu vận hành theo thời gian dài (datalogging/lịch sử nhiệt độ) trên bộ nhớ ngoài hoặc máy tính giám sát.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Nâng cấp thuật toán điều khiển nhiệt độ sang bộ điều khiển PID hoặc thuật toán mờ (Fuzzy Logic) tích hợp trên PLC S7-1200 kết hợp rơ-le bán dẫn (SSR) hoặc van tiết lưu điện tử nhằm nâng cao độ chính xác điều nhiệt (đạt mức $\pm 0{,}1^\circ\text{C}$ như các thiết bị chuyên dụng phòng thí nghiệm).
  • Mở rộng dải nhiệt độ làm việc xuống nhiệt độ âm (dưới $0^\circ\text{C}$) và tăng dung tích bồn chứa để ứng dụng cho các đối tượng tải công nghiệp lớn hơn.
  • Nâng cấp phần mềm giám sát lên hệ thống SCADA trên máy tính hoặc phát triển giao thức IoT để theo dõi, điều khiển thiết bị từ xa qua mạng Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Nhiệt – Điện lạnh trong các học phần đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp và thực hành tích hợp hệ thống.
  • Các kỹ sư, kỹ thuật viên làm việc trong lĩnh vực thiết kế tủ điện điều khiển, hệ thống làm mát phòng thí nghiệm và máy làm lạnh công nghiệp quy mô vừa và nhỏ.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Quy trình tính toán cân bằng nhiệt và lựa chọn công suất máy nén lạnh cho một thể tích dung dịch xác định.
  • Sơ đồ đấu nối và phương pháp phối ghép tín hiệu chuẩn công nghiệp: chuyển đổi tín hiệu RTD Pt100 sang $0 - 10\text{VDC}$ qua module Muesen MST110 vào kênh Analog PLC S7-1200.
  • Cấu hình điều khiển biến tần LS IG5A-1 để thay đổi tốc độ động cơ bơm ba pha và thiết lập truyền thông giữa PLC Siemens với màn hình HMI Kinco.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp làm lạnh bằng máy nén khí gas thay vì sử dụng sò nóng lạnh (chip bán dẫn Peltier)?
Trả lời: Mặc dù sò nóng lạnh có ưu điểm kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ, nhưng công suất làm lạnh rất thấp (khoảng 50W–85W) và đòi hỏi điều kiện tản nhiệt mặt nóng phức tạp. Với yêu cầu của đề tài là làm lạnh 30 lít nước từ $30^\circ\text{C}$ xuống $10^\circ\text{C}$ trong 1 giờ (nhiệt lượng cần hấp thụ lên đến $2559{,}4\text{ kJ}$, công suất điện tương đương 3655 BTU/h), chip bán dẫn không thể đáp ứng được công suất yêu cầu. Do đó, tác giả lựa chọn phương pháp làm lạnh bằng máy nén khí gas Panasonic 2P20-C225-BNB.

2. Cảm biến Pt100 được phối ghép với PLC Siemens S7-1200 bằng cách nào để đảm bảo độ chính xác?
Trả lời: Tín hiệu điện trở từ cảm biến Pt100 3 dây không đưa trực tiếp vào bộ đọc mà được kết nối qua bộ chuyển đổi nhiệt độ DIL Rail Muesen MST110 (xuất xứ Đức). Bộ chuyển đổi này cấp nguồn 24VDC loop, chuyển đổi giá trị đo sang tín hiệu điện áp tuyến tính chuẩn $0 - 10\text{VDC}$ (thời gian trễ $< 600\text{ ms}$, sai số $0{,}1%$) trước khi đưa vào ngõ vào tương tự (Analog Input) của CPU 1212C. Giải pháp này giúp loại bỏ độ trễ lớn (4–6 giây) và triệt tiêu sai số do sụt áp trên đường dây truyền tín hiệu.

3. Động cơ bơm nước tuần hoàn và bộ biến tần được lựa chọn theo các thông số kỹ thuật nào?
Trả lời: Động cơ bơm tuần hoàn là loại động cơ không đồng bộ ba pha AC có công suất định mức $750\text{ W}$, điện áp $220\text{ V}$, $4$ cực từ, tần số $50\text{ Hz}$, tốc độ định mức $1500\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}84$ và hiệu suất $\eta = 0{,}76$. Thiết bị điều tốc là biến tần LS SV008 IG5A-1 (nguồn vào 1 pha 220V, nguồn ra 3 pha 220V, công suất $0{,}75\text{ kW}$), nhận lệnh điều khiển từ PLC để thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ, qua đó điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn nước đạt tối đa 30 lít/phút.

4. Vì sao hệ thống lựa chọn thuật toán điều khiển nhiệt độ On/Off thay vì bộ điều khiển PID?
Trả lời: Thuật toán điều khiển PID có ưu điểm điều khiển chính xác cao nhưng cấu trúc thuật toán phức tạp và yêu cầu cơ cấu chấp hành dạng rơ-le bán dẫn điều chế độ rộng xung hoặc van tiết lưu điện tử tuyến tính. Trong khi đó, thiết bị làm lạnh trong đồ án chỉ yêu cầu dải dung sai nhiệt độ $\pm 3^\circ\text{C}$, do đó phương pháp On/Off đóng ngắt máy nén qua rơ-le trung gian Omron vừa đáp ứng đủ yêu cầu công nghệ, vừa đơn giản hóa mạch lực và chương trình lập trình.

5. Hiệu quả kinh tế của mô hình tự chế tạo so với các thiết bị thương mại trên thị trường được thể hiện như thế nào?
Trả lời: Các thiết bị bể điều nhiệt tuần hoàn lạnh chuyên dụng trên thị trường hiện có giá thành rất cao, dao động từ 3.000 đến 4.000 USD (khoảng 70 đến 90 triệu đồng). Mô hình thiết bị do tác giả nghiên cứu, tích hợp các linh kiện công nghiệp tiêu chuẩn (PLC S7-1200, biến tần LS, HMI Kinco, máy nén Panasonic) có tổng chi phí linh kiện ước tính chỉ từ 400 đến 600 USD (khoảng 9 đến 14 triệu đồng), mang lại giải pháp tiết kiệm chi phí đáng kể cho ứng dụng thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo thiết bị tuần hoàn nước lạnh" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra thông qua việc tính toán nhiệt động lực học, lựa chọn thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn và gia công chế tạo mô hình thực tế. Hệ thống tích hợp thành công PLC Siemens S7-1200, biến tần LS IG5A-1, màn hình cảm ứng HMI Kinco cùng các module cảm biến Pt100 và áp suất, đáp ứng tốt yêu cầu làm lạnh bồn nước 30 lít về dải nhiệt độ $10 - 20^\circ\text{C}$ và điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn lên đến 30 lít/phút. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc chế tạo thiết bị điều nhiệt tuần hoàn quy mô vừa và nhỏ với giá thành thấp hơn nhiều so với thiết bị thương mại, đồng thời cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo và ứng dụng trong tự động hóa.