Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa sản xuất công nghiệp, kỹ thuật điều khiển tự động hóa đóng vai trò cốt lõi nhằm nâng cao năng suất, giải phóng sức lao động thủ công và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm. Kỹ thuật điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller - PLC) đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn thay thế hoàn toàn cho các cơ cấu cam cơ học và hệ thống rơ le điều khiển nối dây truyền thống cồng kềnh, độ tin cậy thấp và khó mở rộng.

Cùng với tiến trình mở rộng kinh tế và thu hút đầu tư, các khu công nghiệp tập trung tại Việt Nam phát triển nhanh chóng với quy mô nhà xưởng lên đến vài nghìn đến vài chục nghìn mét vuông. Không gian làm việc tại các phân xưởng sản xuất cơ khí, đóng tàu, luyện kim, hóa chất tập trung mật độ công nhân cao, nhiều máy móc hoạt động liên tục và phát sinh lượng lớn nhiệt thừa, ẩm thừa, bụi công nghiệp cùng khí độc hại. Nếu không có hệ thống lưu thông không khí hiệu quả, người lao động dễ gặp phải tình trạng mệt mỏi, suy giảm thể lực và mắc các bệnh nghề nghiệp về hô hấp, thị giác. Do đó, việc trang bị hệ thống thông gió công nghiệp là yêu cầu bắt buộc nhằm đảm bảo điều kiện vi khí hậu đạt chuẩn vệ sinh lao động.

Đồ án tốt nghiệp đại học của sinh viên Nguyễn Văn Thành tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán và đề xuất giải pháp kỹ thuật cụ thể. Các nhiệm vụ và câu hỏi nghiên cứu chính được xác lập bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan cấu trúc phần cứng, nguyên lý vận hành và tập lệnh điều khiển của dòng PLC SIMATIC S7-200 (trọng tâm là CPU 224).
  2. Khảo sát cơ sở lý thuyết vi khí hậu công nghiệp, các yếu tố tác động đến sức khỏe con người (nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió, nồng độ bụi, độ ồn) và các phương pháp thông gió nhà máy.
  3. Nghiên cứu đặc tính khí động học, thông số kỹ thuật của các loại quạt thông gió công nghiệp và cơ cấu truyền động điện.
  4. Khảo sát thực tế cơ sở hạ tầng, quy trình sản xuất và yêu cầu kỹ thuật tại Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng (thuộc Tổng công ty Công nghiệp Tàu thủy Việt Nam Vinashin) để ứng dụng thiết kế mô hình điều khiển cho phân xưởng phóng dạng.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200 CPU 224 của hãng Siemens, hệ thống quạt thông gió công nghiệp và mô hình điều khiển tự động vận hành cho 5 quạt thông gió.
  • Phạm vi không gian: Phân xưởng phóng dạng thuộc Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, thành phố Hải Phòng.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 12 tháng 3 năm 2018 và hoàn thành trước ngày 21 tháng 5 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa và kỹ thuật nhiệt - vi khí hậu công nghiệp:

  • Lý thuyết điều khiển khả trình PLC: Khái niệm bộ điều khiển lập trình xuất phát từ năm 1968 do các kỹ sư General Motors (Hoa Kỳ) sáng chế, tiếp nối bằng hệ thống điều khiển cầm tay năm 1969. PLC hoạt động như một hệ vi xử lý chuyên dụng có cài đặt sẵn hệ điều hành hệ thống để quản lý đầu vào/ra, bộ nhớ RAM, thanh ghi đệm và thực thi chương trình tuần hoàn theo chu kỳ quét (Scan Time).
  • Phương trình cân bằng nhiệt vi khí hậu: Để duy trì thân nhiệt ở mức xấp xỉ 37°C, cơ thể con người thực hiện trao đổi nhiệt với môi trường theo công thức: $$Q_{tỏa} = q_h + q_a$$ Trong đó, $q_h$ là nhiệt hiện (thải ra qua dẫn nhiệt, tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ, phụ thuộc độ chênh nhiệt giữa cơ thể và môi trường $\Delta t = t_{ct} - t_{mt}$); $q_a$ là nhiệt ẩn (thải ra qua bài tiết mồ hôi và bay hơi bề mặt da).
  • Tiêu chuẩn môi trường lao động: Đồ thị tiện nghi xác định dải nhiệt độ hiệu quả thích hợp trong khoảng 20 – 29°C; độ ẩm tương đối thích hợp cho con người nằm trong khoảng 60 – 70%; vận tốc không khí lưu động khảo sát trong vùng làm việc dưới 2m tính từ sàn; ngưỡng độ ồn công nghiệp chia làm 3 nhóm (<30 dB: thấp; 35 – 55 dB: vừa; >70 dB: cao).
  • Tiêu chuẩn thiết bị điện: Tiêu chuẩn bảo vệ quốc tế IEC-60529 (chỉ số IP) quy định khả năng chống xâm nhập của chất rắn và chất lỏng đối với vỏ động cơ quạt.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án sử dụng các phương pháp kỹ thuật thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens về kiến trúc phần cứng S7-200, sơ đồ cổng vào/ra, vùng nhớ, bộ định thời (Timer), bộ đếm (Counter) và tập lệnh.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật khí động học: Xác định các thông số quạt gồm lưu lượng gió (CMH, CMS, L/s, CFM), tổn thất trở lực đường ống, áp suất động tại miệng thổi để tính toán cột áp tổng của quạt, hiệu suất (quạt hướng trục đạt tối đa khoảng 80%, quạt ly tâm đạt khoảng 90%).
  • Phương pháp khảo sát hiện trạng công nghiệp: Thu thập số liệu thực tế về lịch sử hình thành, quy mô nhân sự, trang thiết bị công nghệ và mặt bằng phân xưởng tại Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng để làm căn cứ áp dụng mô hình.

Nguồn dữ liệu

Nghiên cứu khai thác dữ liệu từ các tài liệu chuẩn kỹ thuật của Siemens (tài liệu dòng S7-200 CPU 224), hệ thống tiêu chuẩn quốc tế IEC-60529, cùng các hồ sơ dữ liệu kỹ thuật và năng lực sản xuất của Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng thành lập theo Quyết định số 577/QĐ của Bộ Giao thông vận tải.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên cấu trúc phần cứng của PLC SIMATIC S7-200 CPU 224 và cấu hình các thiết bị chấp hành thông gió:

Cấu hình phần cứng điều khiển

Trọng tâm phần cứng là khối vi xử lý CPU 224 với các thông số vật lý và tính năng kỹ thuật sau:

  • Kích thước thân máy: 120,5 mm × 80 mm × 62 mm.
  • Cấu hình ngõ vào/ra: Tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI) và 10 ngõ ra số (DO).
  • Khả năng mở rộng: Hỗ trợ mở rộng tối đa 7 module chức năng ở mặt sau qua bus nối tích hợp.
  • Dung lượng bộ nhớ: Bộ nhớ chương trình đạt 4096 Word (vùng nhớ không mất dữ liệu, cho phép đọc/ghi); bộ nhớ dữ liệu đạt 2560 Word. Toàn bộ dữ liệu bộ nhớ được duy trì lưu giữ trong 190 giờ sau khi mất nguồn điện.
  • Tài nguyên thời gian và bộ đếm: Tích hợp 256 Timer (từ T0 đến T255), 256 Counter, cùng 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC).
  • Cổng truyền thông: Cổng nối tiếp RS-485 chuẩn đầu nối DB9 chân, tốc độ truyền thông PPI đạt 9600 baud để kết nối lập trình với máy tính cá nhân (PC).
  • Giao diện giám sát mặt trước: Đèn LED chỉ thị trạng thái gồm SF (đỏ - lỗi hệ thống), RUN (xanh - đang vận hành), STOP (vàng - dừng hoạt động), cùng các dãy LED hiển thị trạng thái logic tức thời của các ngõ Ixx và Qxx; công tắc gạt 3 vị trí (RUN, STOP, TERM).
Thông số kỹ thuật Giá trị / Đặc tính trên CPU 224
Kích thước cơ khí 120,5 mm × 80 mm × 62 mm
Số cổng ngõ vào / ngõ ra tích hợp 14 Digital Input / 10 Digital Output
Dung lượng bộ nhớ chương trình 4096 Word
Dung lượng bộ nhớ dữ liệu 2560 Word
Thời gian lưu bộ nhớ khi mất điện 190 giờ
Số lượng Timer / Counter 256 Timer / 256 Counter
Bộ đếm tốc độ cao (HSC) 6 bộ
Số module mở rộng tối đa 7 module
Giao tiếp truyền thông RS-485, giao thức PPI, tốc độ 9600 baud

Kiến trúc bộ nhớ và nguyên lý lập trình

Bộ nhớ của hệ thống được tổ chức thành 4 phân vùng chính: vùng chương trình, vùng tham số, vùng dữ liệu (Variable memory - V, ngõ vào - I, ngõ ra - Q/O, cờ nhớ nội - M, cờ đặc biệt - SM) và vùng đối tượng (Accumulator AC0 – AC3, Timer T, Counter C, bộ đệm analog AIW/AQW). Bộ điều khiển hỗ trợ truy cập theo bit, byte (VB), từ đơn 16 bit (VW) và từ kép 32 bit (VD), đồng thời cho phép sử dụng con trỏ định chỉ gián tiếp qua ký tự & và thanh ghi tích lũy.

Chương trình điều khiển cho 5 quạt thông gió được xây dựng trên phần mềm chuyên dụng (STEP 7-Micro/WIN) thông qua hai dạng ngôn ngữ chuẩn:

  • Ngôn ngữ hình thang (LAD - Ladder Logic): Sử dụng các tiếp điểm thường mở, thường đóng, cuộn hút và các lệnh gán trạng thái Set (S), Reset (R) để điều khiển đóng/ngắt các rơ le đầu ra cấp nguồn cho động cơ quạt.
  • Ngôn ngữ liệt kê lệnh (STL - Statement List): Biểu diễn thuật toán dưới dạng các dòng lệnh tuần tự kết hợp toán tử và toán hạng.
  • Khối chức năng thời gian và đếm: Áp dụng các bộ định thì tạo trễ đóng TON (Delay on), trễ ngắt TOF (Delay off), định thì có nhớ TONR, cùng các bộ đếm lên (Up Counter - CU), đếm xuống (Down Counter - CD) với dải giá trị đặt (PV) lên tới 32767 để quản lý chu kỳ vận hành, thời gian trễ khởi động tránh sụt áp lưới và đếm số lần làm việc của từng quạt.

Cấu hình hệ thống quạt và động cơ phân xưởng

Hệ thống quạt phục vụ thông gió được lựa chọn phù hợp với tính chất của xưởng cơ khí:

  • Dạng thông gió: Thông gió cơ khí áp suất âm (kiểu hút xả) không dùng kênh dẫn gió hoặc có kênh dẫn gió. Quạt hút gắn tường tạo chênh áp kéo khí ô nhiễm ra ngoài, đồng thời lam gió có lưới lọc bụi đối diện đưa khí tươi vào phòng.
  • Động cơ quạt: Ưu tiên động cơ không đồng bộ 3 pha điện áp 380 – 440V, tần số 50Hz (hoặc 1 pha 220 – 240V đối với quạt phụ trợ công suất nhỏ); số cực động cơ từ 2, 4, 6 đến 8 cực tương ứng các dải tốc độ 720, 960, 1450, 2850 vòng/phút; cấp bảo vệ động cơ đáp ứng tiêu chuẩn IEC-60529.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về PLC và Cấu trúc họ phần cứng PLC S7-200

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật về thiết bị điều khiển khả trình:

  • Lịch sử và nguyên lý PLC: Trình bày mốc phát triển từ bộ điều khiển đầu tiên do General Motors phát minh năm 1968, thiết bị cầm tay năm 1969, sự bổ sung các lệnh toán học, xử lý thời gian thực, xung và truyền thông mạng từ năm 1970 đến nay.
  • Phân loại họ PLC công nghiệp: Khảo sát 4 phân khúc phần cứng gồm:
    • Micro PLC: Dạng Onboard nhỏ gọn (Logo của Siemens, Zen của Omron), dùng cho máy phát điện, điều khiển chiếu sáng, đóng mở cửa.
    • Mini PLC: Dạng Onboard tích hợp nguồn, I/O, HSC, Timer, Counter (S7-200, S5-900 của Siemens; MicroSmart của IDEC; CPM1 của Omron).
    • Medium PLC: Cấu trúc module ghép nối cho các ứng dụng tầm trung (S7-300 của Siemens, A1SHCPU của Mitsubishi, FA của IDEC).
    • Great PLC: Hệ thống điều khiển phân tán module lớn (S7-400, PCS, DCS), hỗ trợ mạng Modbus, AS-i, Profibus, DeviceNet, CC-Link.
  • Cơ chế quét vòng và chế độ vận hành: Phân tích chu trình quét lặp (Scan Time) gồm nhận dữ liệu từ DI/AI, thực hiện chương trình người dùng, cập nhật dữ liệu ra bộ đệm xuất ngõ ra DO/AO, truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi phần cứng. Bốn chế độ làm việc được làm rõ: STOP (dừng, nạp/tải chương trình), RUN (chạy chương trình), Chế độ trung gian (chuyển đổi qua phần mềm PC), và ERROR (báo lỗi phần cứng hoặc truyền thông).
  • Tập lệnh và cấu trúc lập trình họ S7-200: Khảo sát chi tiết cấu trúc bộ nhớ CPU 224, các lệnh gán ngõ ra (OUTPUT), lệnh khóa/xóa trạng thái bit (Set/Reset), nguyên lý tạo trễ của các bộ Timer (TON, TOF, TONR), thuật toán đếm xung sườn lên/xuống của Counter (Up Counter, Down Counter, Up-Down Counter), và cấu trúc giao diện phần mềm lập trình (khai báo phần cứng, bảng biến, các Network trong vùng soạn thảo).

Chương 2: Ứng dụng của hệ thống quạt thông gió điều khiển tự động cho Nhà Máy Đóng Tàu Bạch Đằng

Chương 2 trình bày cơ sở tính toán thông gió công nghiệp và khảo sát đối tượng ứng dụng thực tế:

  • Phương pháp thông gió nhà xưởng: Đối chiếu ba phương pháp thông gió cơ bản trong công nghiệp:
    1. Thông gió tự nhiên: Bố trí cửa lấy gió và thải gió, lam che mưa đối xứng hoặc quả cầu đối lưu trên mái; chi phí thấp nhưng phụ thuộc hướng gió tự nhiên.
    2. Thông gió cơ khí không dùng kênh dẫn gió: Đặt quạt hút trên tường kết hợp lam gió có lưới lọc ở phía đối diện, tạo chênh lệch áp suất để hút khí tươi qua màng lọc.
    3. Thông gió cơ khí có kênh dẫn gió: Phân phối lưu lượng gió chủ động đến từng khu vực thông qua hệ thống đường ống và miệng thổi.
  • Đánh giá các tác nhân vi khí hậu ảnh hưởng đến con người:
    • Nhiệt độ: Cơ chế trao đổi nhiệt hiện ($q_h$) và nhiệt ẩn ($q_a$), tác động của nhiệt độ vượt ngưỡng tiện nghi (20 – 29°C) gây quá tải điều nhiệt.
    • Độ ẩm tương đối: Tác động bất lợi khi độ ẩm cao (>70% gây cản trở thoát mồ hôi, bức bối) và khi độ ẩm thấp (<30% gây khô rát da, nứt nẻ).
    • Vận tốc không khí: Khảo sát yêu cầu lưu động gió tại vùng làm việc dưới 2m cách mặt sàn.
    • Bụi và khí độc: Tác hại của bụi hữu cơ (bông, sợi) và bụi vô cơ (xi măng, xỉ kim loại, xỉ hàn), chỉ tiêu đánh giá dựa trên nồng độ oxit silic.
    • Độ ồn công nghiệp: Phân loại 3 ngưỡng độ ồn (<30 dB, 35 – 55 dB, >70 dB) và tác động tiêu cực đến hệ thần kinh, khả năng tập trung của công nhân.
  • Khảo sát đặc tính kỹ thuật quạt công nghiệp: Phân loại quạt cánh nâng, quạt ly tâm cánh nghiêng về sau (hiệu suất cao, có tính năng chống quá tải), quạt ly tâm cánh hướng về trước/lồng sóc (lưu lượng lớn, giá rẻ nhưng không chống quá tải), quạt gắn tường, quạt gắn mái và quạt hút bụi áp lực cao (>2000 Pa). Xác định các đại lượng khí động học then chốt gồm lưu lượng, cột áp tổng, hiệu suất, vận tốc thổi đầu ra, dải đo độ ồn theo octan (63 Hz – 8000 Hz) và cấp bảo vệ vỏ động cơ IP theo tiêu chuẩn IEC-60529.
  • Khảo sát Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng: Giới thiệu lịch sử xây dựng từ ngày 01/4/1960 đến 25/6/1961, thành lập theo Quyết định số 577/QĐ của Bộ Giao thông vận tải, trực thuộc Tổng công ty Công nghiệp Tàu thủy Việt Nam Vinashin. Khảo sát năng lực trang thiết bị (1 ụ nổi 4.200 tấn, 1 ụ khô, đường triền đóng tàu tải trọng 22.500 DWT, cầu tàu dài 90 m, hệ thống cẩu trục từ 3 đến 120 tấn, dây chuyền pha cắt tôn tự động, hàn tự động và bán tự động khép kín) cùng đội ngũ nhân sự gồm 1772 cán bộ công nhân viên (240 cán bộ quản lý và kỹ sư, 70 công nhân bậc cao đào tạo từ nước ngoài). Trên cơ sở đó, đồ án lựa chọn phân xưởng phóng dạng làm đối tượng cụ thể để thiết kế mô hình điều khiển 5 quạt thông gió.
Phương pháp thông gió Cơ chế vận hành Ưu điểm chính Nhược điểm chính
Thông gió tự nhiên Trao đổi khí qua lam gió đối xứng, cửa mở và quả cầu gắn mái Chi phí đầu tư thấp, không tiêu tốn điện năng cho động cơ Hiệu suất không cao, phụ thuộc hướng gió và thời tiết
Thông gió cơ khí không dùng kênh dẫn Quạt hút gắn tường tạo áp suất âm; khí tươi tràn qua lam lọc bụi đối diện Chi phí hợp lý, dễ lắp đặt, hút xả trực tiếp khí ô nhiễm Gió lưu chuyển cục bộ, khó kiểm soát chất lượng khí vào
Thông gió cơ khí sử dụng kênh dẫn Dùng quạt áp lực phân phối gió qua hệ thống ống gió và miệng thổi Cấp gió tươi chính xác đến từng vị trí làm việc, kiểm soát tốt Chi phí lắp đặt và bảo dưỡng cao, chiếm không gian trần

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Xây dựng hoàn chỉnh khung giải pháp điều khiển tự động hóa cho hệ thống thông gió công nghiệp gồm 5 quạt sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-200 CPU 224, làm rõ các phương thức xử lý tín hiệu logic ngõ vào/ra và các cơ chế định thì bằng Timer và Counter.
  • Xác lập cơ sở số liệu khoa học về điều kiện tiện nghi vi khí hậu nhà xưởng: xác định vùng nhiệt độ tối ưu 20 – 29°C, độ ẩm cân bằng 60 – 70%, vùng lưu chuyển gió dưới 2 m từ sàn và các ngưỡng áp lực quạt hút bụi đạt trên 2000 Pa.
  • Tổng hợp hệ thống tiêu chí phân loại và lựa chọn quạt công nghiệp dựa trên các thông số định lượng: hiệu suất quạt hướng trục (~80%), hiệu suất quạt ly tâm (~90%), số cực động cơ (2, 4, 6, 8 cực) và dải điện áp làm việc (3 pha 380 – 440V, 50Hz).
  • Hoàn thành báo cáo khảo sát thực trạng năng lực sản xuất, quy mô thiết bị và mặt bằng phân xưởng phóng dạng tại Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, tạo tiền đề trực tiếp cho việc bố trí quạt và tủ điều khiển.

Đề xuất và giải pháp kỹ thuật

  • Chuyển đổi phương thức đóng ngắt quạt thủ công sang điều khiển logic khả trình bằng PLC, giúp tối ưu hóa thời gian chạy quạt, giảm thiểu nguy cơ quá tải động cơ và hỗ trợ bảo vệ mạng lưới điện nội bộ nhà xưởng.
  • Lựa chọn giải pháp thông gió cơ khí tạo chênh áp kết hợp quạt hút gắn tường và hệ thống lam gió có lưới lọc công nghệ, giải quyết triệt để vấn đề khí độc hàn, bụi cơ khí và nhiệt thừa phát sinh tại phân xưởng phóng dạng.

Đóng góp thực tiễn

Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng chuyên ngành Điện Tự động công nghiệp, kết nối kiến thức lý thuyết về lập trình PLC S7-200 với bài toán cải thiện môi trường lao động tại các doanh nghiệp đóng tàu quy mô lớn của Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Văn bản đồ án dừng lại ở mức độ nghiên cứu thiết kế mô hình lý thuyết, tổng quan cấu hình phần cứng S7-200 và khảo sát đối tượng mặt bằng công nghiệp; chưa trình bày mã chương trình chi tiết (các Network hoàn chỉnh của 5 quạt) và sơ đồ nguyên lý mạch đấu nối I/O vật lý.
  • Chưa cung cấp số liệu thực nghiệm đo đạc nồng độ bụi, nhiệt độ và độ ẩm thực tế tại phân xưởng phóng dạng trước và sau khi kích hoạt hệ thống 5 quạt thông gió.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Hoàn thiện thuật toán điều khiển tự động luân phiên thời gian hoạt động của 5 quạt thông gió nhằm cân bằng hao mòn cơ khí và kéo dài tuổi thọ động cơ.
  • Bổ sung các module tương tự (Analog Module) và cảm biến nhiệt độ - độ ẩm để điều khiển tự động bật/tắt số lượng quạt theo tải nhiệt thực tế trong phân xưởng.
  • Xây dựng hệ thống giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) kết nối với PLC qua mạng công nghiệp (Profibus hoặc Modbus) để theo dõi trạng thái dòng điện, nhiệt độ động cơ và báo lỗi từ xa trên máy tính trung tâm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Điện - Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tổng quan mạch lạc về cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân kết nối, phân vùng bộ nhớ và nguyên lý lập trình của dòng PLC SIMATIC S7-200 CPU 224, đặc biệt là cách sử dụng con trỏ bộ nhớ và các khối hàm Timer, Counter.
  • Kỹ sư nhiệt - lạnh và cơ điện công trình (HVAC): Cung cấp cơ sở lý thuyết nhiệt động về cân bằng nhiệt cơ thể người ($Q_{tỏa}$), các thông số tiện nghi môi trường lao động và tiêu chí phân loại, tính toán quạt công nghiệp (quạt ly tâm cánh cong sau chống quá tải, quạt hút bụi áp lực cao).
  • Cán bộ kỹ thuật tại các nhà xưởng cơ khí, đóng tàu: Tham khảo phương án bố trí hệ thống thông gió cục bộ và ứng dụng PLC điều khiển để nâng cấp điều kiện vi khí hậu tại các phân xưởng sản xuất có mật độ bụi và nhiệt cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào để thiết kế hệ thống điều khiển và cấu hình phần cứng cơ bản của thiết bị này ra sao?
Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC SIMATIC S7-200 CPU 224 của hãng Siemens. Thiết bị có kích thước 120,5 mm × 80 mm × 62 mm; tích hợp sẵn 14 ngõ vào số và 10 ngõ ra số; bộ nhớ chương trình 4096 Word, bộ nhớ dữ liệu 2560 Word (duy trì 190 giờ khi mất điện); tích hợp 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC); có khả năng mở rộng tối đa 7 module và giao tiếp qua cổng nối tiếp RS-485 chuẩn đầu nối 9 chân với tốc độ 9600 baud theo giao thức PPI.

2. Nhiệt lượng cơ thể con người thải ra môi trường được tác giả xác định theo mô hình toán học nào?
Tác giả xác định quá trình trao đổi nhiệt giữa cơ thể người (thân nhiệt khoảng 37°C) và môi trường thông qua phương trình cân bằng nhiệt: $Q_{tỏa} = q_h + q_a$. Trong đó, $q_h$ là nhiệt hiện thải ra môi trường qua ba phương thức dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ (phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ $\Delta t = t_{ct} - t_{mt}$); $q_a$ là nhiệt ẩn thải ra thông qua quá trình bài tiết mồ hôi và bay hơi trên bề mặt da.

3. Sự khác biệt cơ bản giữa quạt ly tâm cánh nghiêng về sau và quạt ly tâm cánh hướng về trước được nêu trong đồ án là gì?
Quạt ly tâm cánh nghiêng về sau có cánh dạng cong hoặc nghiêng về sau, mang lại hiệu suất làm việc cao và có đặc tính tự chống quá tải cho động cơ. Ngược lại, quạt ly tâm cánh hướng về trước (hoặc cánh lồng sóc) có cánh cong về phía trước, tạo ra lưu lượng gió lớn với giá thành chế tạo thấp, nhưng nhược điểm là không có khả năng chống quá tải cho động cơ khi trở lực hệ thống thay đổi.

4. Đối tượng nhà xưởng cụ thể được khảo sát để ứng dụng hệ thống 5 quạt thông gió có đặc điểm gì?
Hệ thống được thiết kế hướng tới ứng dụng tại phân xưởng phóng dạng thuộc Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng (thành lập theo Quyết định số 577/QĐ của Bộ Giao thông vận tải, trụ sở tại Hải Phòng). Nhà máy có quy mô 1772 cán bộ công nhân viên, trang bị ụ nổi 4.200 tấn, đường triền đủ sức đóng tàu 22.500 DWT, cầu tàu 90 m và hệ thống cẩu trục tải trọng từ 3 đến 120 tấn cùng dây chuyền gia công cơ khí, cắt và hàn tôn khép kín.

5. Các chế độ vận hành (Mode) của CPU S7-200 được phân định như thế nào trong đồ án?
CPU S7-200 có 4 chế độ vận hành chính:

  • Chế độ nghỉ (STOP): Không thực thi chương trình điều khiển, cho phép nạp hoặc tải chương trình giữa máy tính và PLC.
  • Chế độ chạy (RUN): Thực thi chương trình điều khiển tuần hoàn theo vòng quét (Scan Time).
  • Chế độ làm việc trung gian: Cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa RUN và STOP thông qua thao tác phần mềm trên máy tính.
  • Chế độ lỗi (ERROR): Chế độ cảnh báo đặc biệt khi hệ thống phát hiện lỗi chương trình, lỗi truyền thông hoặc sự cố vật lý phần cứng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và xây dựng mô hình PLC điều khiển cho 5 quạt thông gió cho hệ thống nhà xưởng" của sinh viên Nguyễn Văn Thành đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ khảo sát lý thuyết về hệ thống điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7-200 CPU 224 kết hợp tính toán các tiêu chuẩn vi khí hậu công nghiệp. Nghiên cứu phân tích chi tiết các thông số kỹ thuật của quạt ly tâm, quạt hướng trục và các phương pháp lưu thông không khí nhằm cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động. Đề tài lựa chọn phân xưởng phóng dạng thuộc Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng làm địa bàn ứng dụng thực tế, tạo nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc triển khai các hệ thống tự động hóa thông gió trong các nhà máy cơ khí và công nghiệp nặng.