Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong lò ấp trứng ứng dụng plc siemens

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong lò ấp trứng bằng PLC Siemens, tối ưu hóa quy trình tự động hóa.

• Tác giả: Trần Hữu Lập
• Người hướng dẫn: Ts. Tống Thị Lý
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong lò ấp trứng ứng dụng PLC Siemens
• Loại tài liệu: đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển lò ấp trứng PLC Siemens

Hệ thống điều khiển lò ấp trứng sử dụng PLC Siemens đã trở thành giải pháp tiên tiến trong ngành chăn nuôi hiện đại. Lò ấp trứng tự động không chỉ tăng năng suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng đàn gà con. Công nghệ này kết hợp các thiết bị gia nhiệt, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để tạo môi trường tối ưu cho trứng phát triển. PLC Siemens S7-300 được lựa chọn do khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và độ tin cậy cao. Hệ thống này có khả năng điều khiển đồng thời nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, thông gió và đảo trứng. Sự phát triển của tự động hóa lò ấp giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào yếu tố con người, nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm bảo kết quả đồng nhất.

1.1. Nguyên lý hoạt động của lò ấp trứng tự động

Lò ấp trứng hoạt động dựa trên nguyên lý mô phỏng điều kiện ấp tự nhiên. Hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm duy trì ở mức 37-38°C và 55-75% tương ứng. Cảm biến PT100 liên tục đo nhiệt độ trong buồng ấp, gửi tín hiệu tới PLC. Cảm biến độ ẩm EE061 giám sát độ ẩm và kích hoạt hệ thống phun sương khi cần. Động cơ đảo trứng hoạt động theo chu kỳ để đảm bảo phân bố nhiệt đều. Quạt thông gió điều chỉnh lưu thông không khí bên trong buồng ấp.

1.2. Ứng dụng PLC Siemens trong hệ thống điều khiển

PLC S7-300 CPU 314C-2PN/DP là bộ xử lý trung tâm của hệ thống. Nó tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu theo chương trình logic được lập sẵn. PLC điều khiển các thiết bị thực thi như relay, contactor để bật tắt gia nhiệt, quạt và hệ thống phun sương. Giao thức truyền thông cho phép kết nối với HMI (Human Machine Interface) để giám sát real-time. Lợi thế của PLC Siemens là độ ổn định cao, khả năng mở rộng tốt và hỗ trợ kỹ thuật đầy đủ.

II. Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ độ ẩm đòi hỏi tính toán chính xác các thông số kỹ thuật. Thanh điện trở Mayso được lựa chọn làm thiết bị gia nhiệt chính, cung cấp nhiệt độ ổn định. Cảm biến nhiệt độ PT100 có độ chính xác ±0.5°C, cho phép PLC điều chỉnh công suất gia nhiệt một cách linh hoạt. Hệ thống phun sương được kích hoạt tự động khi độ ẩm giảm dưới ngưỡng thiết định. Quạt thông gió đảm bảo lưu thông không khí đều, tránh tạo vùng nóng. Sơ đồ đấu dây cần tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện và khả năng chịu tải của thiết bị.

2.1. Lựa chọn và tính toán thiết bị gia nhiệt

Thanh điện trở (Mayso) là lựa chọn tối ưu với công suất 800-1500W phù hợp dung tích buồng ấp. Tính toán công suất dựa trên công thức Q = mcΔT, xét đến diện tích bề mặt buồng ấp và mất nhiệt. Cảm biến PT100 được đặt ở vị trí trung tâm buồng ấp để đo chính xác. Relay nhiệt độ hoặc contactor điều khiển on/off của Mayso. Hệ thống thường áp dụng điều khiển PID để duy trì nhiệt độ trong phạm vi ±0.5°C.

2.2. Thiết kế hệ thống phun sương và thông gió

Máy phun sương hoạt động khi độ ẩm giảm dưới 55%. Cảm biến độ ẩm EE061-M2F3 cung cấp tín hiệu analog 4-20mA tới PLC. Quạt thông gió Sakaguchi hoạt động liên tục hoặc theo chu kỳ để đảm bảo lưu thông không khí. Sơ đồ điều khiển kết hợp cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để tránh xung đột giữa gia nhiệt và tản nhiệt. Quạt tản nhiệt kích hoạt khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn (>38.5°C).

III. Cấu trúc phần cứng và sơ đồ đấu dây PLC

Sơ đồ khối hệ thống bao gồm các module PLC, cảm biến, actuator và thiết bị hiển thị. Module nguồn PS 307 5A cấp điện cho PLC và các thiết bị ngoại vi. Sơ đồ đấu dây tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61131-3 để đảm bảo an toàn và khả năng bảo trì. Ngõ vào digital nhận tín hiệu từ nút bấm, công tắc giới hạn. Ngõ vào analog kết nối với cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu. Ngõ ra relay điều khiển các thiết bị thực thi như contactor, relay, đèn cảnh báo. Giao thức truyền thông Modbus/TCP cho phép kết nối với HMI WinCC.

3.1. Lựa chọn PLC S7 300 và các module mở rộng

PLC S7-300 CPU 314C-2PN/DP là lựa chọn phù hợp với 24 ngõ vào/ra digital và 8 ngõ vào/ra analog. CPU có bộ vi xử lý 32-bit, bộ nhớ 96 KB cho chương trình và 384 KB cho dữ liệu. Module mở rộng PS 307 5A cung cấp nguồn DC 24V ổn định, độ gợn sóng <5%. Khả năng mở rộng cho phép kết nối thêm module analog, digital hoặc giao tiếp nếu cần. Hỗ trợ Profibus DP và Ethernet cho kết nối mạng.

3.2. Sơ đồ đấu dây và bảng định địa chỉ

Sơ đồ đấu dây bao gồm: dây nguồn 3 pha 380V với bộ lọc RFI, dây earth chính, dây trung tính. Ngõ vào PLC (I0.0-I0.7): nút start/stop, công tắc lỗi. Ngõ ra (Q0.0-Q0.7): contactor gia nhiệt, relay phun sương, quạt thông gió. Bảng định địa chỉ chi tiết: AI0 (nhiệt độ), AI1 (độ ẩm), AQ0 (PWM gia nhiệt). Tất cả thiết bị được bảo vệ bằng cầu dao, contactor an toàn.

IV. Chương trình điều khiển và giám sát trên HMI

Chương trình PLC được lập bằng ngôn ngữ STL (Statement List) hoặc LAD (Ladder Diagram) trong STEP 7. Thuật toán chương trình chính bao gồm khâu khởi tạo, đọc dữ liệu cảm biến, xử lý logic điều khiển, xuất tín hiệu điều khiển. Thuật toán điều khiển MAYSO áp dụng vòng lặp PID: đo nhiệt độ hiện tại, so sánh với setpoint, tính độ sai lệch, điều chỉnh công suất gia nhiệt. Thuật toán phun sương kiểm tra độ ẩm 30 giây/lần, kích hoạt khi độ ẩm < 55%. HMI WinCC hiển thị thực thời nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái các thiết bị. Giao diện cho phép điều chỉnh setpoint, xem lịch sử dữ liệu và cảnh báo lỗi.

4.1. Lưu đồ thuật toán và cấu trúc chương trình

Lưu đồ thuật toán chính bắt đầu với khối khởi tạo, sau đó vào vòng lặp chính. Khối đo nhiệt độ gọi function (FC) để đọc AI0, chuyển đổi unit từ mV sang °C. Khối điều khiển MAYSO so sánh Temperature với Setpoint, tính lỗi e(t), áp dụng công thức PID: U = Kpe + Ki∫e + Kd*de/dt. Output điều khiển PWM Q0.0. Chương trình được chia thành các function khác nhau để dễ bảo trì và nâng cấp.

4.2. Giao diện HMI và giám sát thực thời

Giao diện HMI WinCC được thiết kế trực quan với các thành phần: biểu đồ nhiệt độ/độ ẩm thời gian thực, bảng điều khiển tay với các nút on/off, khung cài đặt setpoint. Giao thức Modbus TCP cho phép truyền dữ liệu giữa PLC và HMI với tốc độ 9600 baud. Hệ thống lưu trữ dữ liệu vào database SQL Server để phân tích xu hướng, tạo báo cáo. Cảnh báo được kích hoạt nếu nhiệt độ vượt ±1°C hoặc độ ẩm ngoài phạm vi cho phép, phát ra âm thanh và email notification.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CÔNG NGHỆ 1.1: Tổng quan về máy ấp trứng Dựa trên các yếu tố của việc ấp trứng tự nhiên do gia cầm thực hiện. Máy ấp trứng đưa ra các giải pháp kỹ thuật tương tự. Với các ưu thế hơn hẳn về sản lượng ấp cho một mẻ trứng. Trong đề tài này, nhóm thực hiện xin giới thiệu về cấu trúc tổng quát của máy ấp trứng được nhóm tổng kết sau quá trình tìm hiểu và tham khảo tài liệu.

Mỗi loại trứng gia cầm khác nhau có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp nở.Về cơ bản, máy ấp trứng tự động gồm bốn khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió. Để có giống mạnh khoẻ, tỷ lệ nở cao, máy phải giải quyết được triệt để bốn khâu trên. Khâu nhiệt đóng vai trò quan trọng nhất. Quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi sẽ không phát triển.

Để giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách nhiệt tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện. Khâu đảo trứng là khâu thứ hai trong quá trình ấp. Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần kéo dài khoảng 10 phút. Việc đảo trứng thực hiện chậm vì tránh hiện tượng va đập làm hư trứng.

Dàn đảo sẽ đảo với một góc không quá 60o hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng. Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước. Trong quá trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần. Máy ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được tùy ý.

Thông thường máy ấp có giàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuộc vào từng giai đoạn của trứng. Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp. Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động. Việc gắn với cửa chớp là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt.

Việc thông gió có thể kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp.2: Hệ thống ấp trứng tự động Ấp trứng tự động là quá trình ấp trứng gia cầm mà không cần sự can thiệp thủ công Hệ thống ấp trứng tự động là một thiết bị hoặc hệ thống được sử dụng để ấp trứng gia cầm một cách tự động, thay thế hoặc hỗ trợ quá trình ấp trứng tự nhiên bằng cách cung cấp nhiệt độ, độ ẩm, và các điều kiện môi trường khác cần thiết để trứng phát triển và nở. Hệ thống ấp trứng tự động thường bao gồm các thành phần như máy ấp trứng, hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm, hệ thống đảo trứng tự động, cảm biến và bộ điều khiển để giám sát và điều chỉnh các thông số môi trường, và hệ thống thông báo để cung cấp thông tin về quá trình ấp trứng. Có nhiều lợi ích khi sử dụng hệ thống ấp trứng tự động − Tiết kiệm thời gian và công sức: Hệ thống ấp trứng tự động giúp giảm công việc thủ công và giảm thời gian cần thiết để theo dõi và quản lý quá trình ấp trứng. Bạn không cần phải đảo trứng thủ công, giữ nhiệt độ và độ ẩm bằng tay hoặc theo dõi liên tục.

− Đảm bảo môi trường ổn định: Hệ thống được thiết kế để duy trì môi trường ấp trứng ổn định với nhiệt độ và độ ẩm chính xác. Điều này đảm bảo rằng trứng được ấp trong điều kiện lý tưởng để phát triển và nở thành công. − Tăng tỷ lệ nở trứng thành công: Hệ thống ấp trứng tự động có thể cung cấp sự kiểm soát chính xác và liên tục của các yếu tố quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm và quá trình quay trứng. Điều này giúp tăng tỷ lệ nở trứng thành công và giảm tỷ lệ trứng không phát triển hoặc bỏng cháy.

− Quản lý dễ dàng: Hệ thống ấp trứng tự động thường đi kèm với giao diện điều khiển hoặc phần mềm quản lý dễ sử dụng. Bạn có thể dễ dàng cài đặt các thiết lập môi trường, theo dõi và ghi nhận các thông số quan trọng, và nhận thông báo khi có sự cố xảy ra. − Tăng hiệu suất và hiệu quả: Sử dụng hệ thống ấp trứng tự động giúp tối ưu hóa quá trình ấp trứng, tăng hiệu suất và hiệu quả của việc nuôi gia cầm. Bạn có thể ấp trứng trong lô lớn hơn, theo dõi quá trình một cách chính xác và đạt được kết quả tốt hơn trong việc nở trứng.3: Một số lò ấp trứng tự động 1.1: Máy ấp trứng MT100G Hình 1.1: Máy ấp trứng MT100G Máy ấp trứng 100 trứng có vỏ, khung máy được chế tạo bằng gỗ dày 20mm phủ nhựa màu trắng có độ bền cao, giữ nhiệt và cách nhiệt tốt.

Dù nhiệt độ môi trường có xuống 15°C hay lên đến 38°C cũng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường. Bóng nhiệt Halogen sử dụng trên máy ấp MT100G là loại bóng nhiệt không phát sáng, chuyên dụng trong ngành ấp độ bền cao lên đến 10 năm, tiết kiệm điện. Khay trứng của máy ấp trứng Mactech 100 trứng được làm bằng nhựa rất dễ dàng vệ sinh. Đáy khay là dạng lưới có độ thông thoáng cao giúp máy đồng đều nhiệt.

Khay có thể tháo rời thuận tiện vệ sinh, khử trùng và xếp trứng. Bộ điều khiển điện tử tự động 100%. Hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác đến ±0. Có thể thay đổi nhiệt độ phù hợp với nhiều loại trứng gia cầm, thủy cầm, trứng chim khác nhau.

9 Hệ thống điều áp cao cấp nhất trên thị trường làm tăng độ đồng đều nhiệt độ tại tất cả các vị trí trong máy giúp cho tỷ lệ nở có thể đạt tới 95%. Máy ấp trứng Mactech 100 trứng có chế độ đảo trứng tự động 2 giờ mỗi lần với động cơ độ bền cao, chịu tải tốt. Máy tự động đảo trứng 2h/lần góc đảo 90 độ C (-45 độ --> + 45 độ). Với cấu tạo của máy và với thể tích máy đã được tính toán kỹ lưỡng phù hợp với số lượng trứng đảm bảo lượng Oxy cho phôi phát triển tốt 1.2: Máy ấp trứng GC – 1000 Tự động hoàn toàn 100%, công suất tối đa 1000 trứng, đảo trứng tự động (chế độ hẹn giờ), phun ẩm và nhiệt độ tùy chỉnh tự động đóng khi quá con số quy định.

Các thông số của máy: − Điện áp: 220VAC. − Công suất tiêu thụ: 10kw / 1 kỳ ấp. − Thiết bị tạo độ ẩm: Thiết bị tạo ẩm bằng sóng siêu âm. − Hệ thống cung cấp nhiệt: bóng nhiệt halozen chuyên dùng cho ấp trứng.

− Nhiệt độ được điều khiển tự động, ổn định bằng vi xử lý. − Tạo độ ẩm tự động. − Đảo trứng tự động (có thể tuỳ chọn thời gian đảo từ 1giờ-120 giờ). Có thể ấp theo chế độ đa kỳ hoặc đơn kỳ.2: Máy ấp trứng GC 1000 1.4: Mục tiêu của đề tài và nội dung nghiên cứu 1.1: Mục tiêu Kỹ năng: − Nắm được tính cấp thiết của đề tài, đưa ra giải pháp giải quyết vấn đề.

− Nắm được kiến thức PLC, sử dụng thành thạo phần mềm lập trình và kỹ năng lập trình/ mô phỏng. − Rèn kỹ năng làm việc theo nhóm, kỹ năng tìm tòi, phát huy tính tích cực trong học tập và rèn luyện. Sản phẩm: − Hoàn thành mô phỏng mạch điều khiển với các tính năng: − Chế độ điều khiển tự động: Dựa vào nhiệt độ và độ ẩm trong lò ấp để điều chỉnh các cơ cấu chấp hành nhằm điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm phù hợp. − Giám sát nhiệt độ và độ ẩm hiển thị qua màn hình HMI và hệ thống đèn báo.2: Nội dung nghiên cứu: − Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm cho lò ấp trứng.

− Tìm hiều các thiết bị thu thập và chấp hành, PLC, HMI để xây dựng được một hệ thống điều khiển tự động. 11 − Nghiên cứu phần mềm lập trình, phần mềm mô phỏng phục vụ hoàn thiện hệ thống.5: Đề xuất giải pháp thiết kế Từ những mục tiêu đề ra và những nghiên cứu về hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm , nhóm xin đề xuất phương án thiết kế như sau: Thiết kế hệ thống với hai chế độ làm việc: Chế độ điều khiển tự động và chế độ điều khiển bằng tay. − Chế độ điều khiển tự động: + Dựa vào độ ẩm môi trường để làm mát cho lò ấp trứng gà + Dựa vào nhiệt độ môi trường để tự động điều khiển quạt gió, điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm trong lò ấp trứng gà − Chế độ điều khiển bằng tay: + Giám sát nhiệt độ, độ ẩm và các chế độ hoạt động của hệ thống, các thiết bị truyền thông qua các đèn tín hiệu và màn hình hiển thị HMI. Việc đáp ứng nhu cầu giao tiếp với các cảm biến, các thiết bị ngoại vi, sử dụng PLC với tính ổn định cho việc lập trình và điều khiển.

12 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1: Thiết kế tổng quan 2.1: Bài toán công nghệ Trong sản xuất và nuôi trồng thì năng suất là thứ mà được quan tâm nhiều nhất, vì vậy việc đưa máy móc và các hệ thống tự động hóa vào trong nuôi trồng và sản xuất đang được chú trọng. Việc ấp trứng cũng không nằm ngoài, ngày nay việc ấp trứng tự động đang dần thay thế việc ấp trứng thủ công hoặc bán tự động trong các nông trại chăn nuôi lớn nhằm tăng năng suất. Qua đây nhóm đề xuất hệ thống ấp trứng tự động. a) Yêu cầu thiết kế hệ thống - Quy mô của lò ấp: + Số lượng trứng 2000 quả ( 4 khay, 2 tầng, mỗi tầng 2 khay, mỗi khay 500 quả); trung bình mỗi quả trứng có chiều ngang khoảng 5cm.

+ Trong mỗi khay sẽ có 25 hàng trứng ngang (25*5=125 cm) và 20 hàng trứng dọc ( 20*5=100 cm) + Thể tích = diện tích sàn * chiều cao = (250*225)*200=11250000 cm3 = 11,25 m3 Hình 2. 1 Buồng ấp trứng Hình 2. 2 Khay trứng Hệ thống có khả năng: +) Tự điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm phụ thuộc vào từng loại trứng nhằm tăng cao tỉ lệ thành công của trứng. 13 +) Dựa vào việc cài đặt cho phép điều chỉnh được nhiệt độ và độ ẩm trong lò ấp được cài sẵn sao cho phù hợp với từng loại trứng.

Ngoài ra sai số nhiệt độ và độ ẩm cũng được điều chỉnh ( Ví dụ: trứng gà trong khoảng từ 37,4 oC đến 37,8 oC; trứng ngỗng trong khoảng từ 37,3 oC đến 37,8 oC; …) +) Tự động đảo trứng theo thời gian được đặt trước.