Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại, việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa vào sản xuất công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ cả về quy mô lẫn chất lượng. Tự động hóa không chỉ giúp giảm nhẹ cường độ lao động của con người mà còn trực tiếp nâng cao năng suất, tối ưu hóa quy trình và cải thiện chất lượng sản phẩm. Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp, thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller - PLC) đóng vai trò then chốt. Kỹ thuật điều khiển PLC đã dần thay thế các hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơ le cơ khí hoặc cơ cấu cam cồng kềnh, mang lại độ tin cậy cao, tính linh hoạt vượt trội cùng khả năng lập trình điều khiển đa dạng.

Song song với sự phát triển của công nghệ điều khiển, vấn đề môi trường làm việc trong các khu công nghiệp, nhà xưởng sản xuất quy mô lớn (từ vài nghìn đến vài chục nghìn mét vuông) đặt ra những thách thức lớn. Các nhà xưởng cơ khí, đóng tàu, luyện kim thường xuyên phát sinh lượng nhiệt thừa, ẩm thừa, bụi bẩn và khí độc hại từ máy móc và hoạt động của con người. Nếu không có giải pháp thông gió hiệu quả, người lao động dễ gặp tình trạng mệt mỏi, suy giảm thể lực, giảm độ tập trung và mắc các bệnh nghề nghiệp về hô hấp, thị giác. Do đó, việc xây dựng một hệ thống thông gió cưỡng bức có sự giám sát và điều khiển tự động là yêu cầu cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự động Công nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Thành (Trường Đại học Dân lập Hải Phòng), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Minh, tập trung giải quyết bài toán: "Thiết kế và xây dựng mô hình PLC điều khiển cho 5 quạt thông gió cho hệ thống nhà xưởng".

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật điều khiển logic khả trình, cấu trúc phần cứng, tập lệnh và các chế độ làm việc của dòng PLC Siemens S7-200 (trọng tâm là CPU 224).
  2. Phân tích cơ sở lý thuyết về thông gió công nghiệp, các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, bụi, tiếng ồn) và các dạng quạt thông gió công nghiệp.
  3. Khảo sát thực tế cơ sở hạ tầng, dây chuyền sản xuất và Phân xưởng Phóng dạng tại Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng (Hải Phòng).
  4. Thiết kế giải pháp điều khiển logic cho hệ thống 5 quạt thông gió nhà xưởng nhằm duy trì điều kiện vi khí hậu tối ưu cho môi trường sản xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu hình phần cứng và giải thuật lập trình PLC S7-200 phục vụ điều khiển hệ thống 5 quạt thông gió công nghiệp.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu ứng dụng cho phân xưởng sản xuất, cụ thể là Phân xưởng Phóng dạng thuộc Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ từ ngày 12 tháng 3 năm 2018 và hoàn thành bảo vệ trước ngày 21 tháng 5 năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa bằng PLC và lý thuyết nhiệt kỹ thuật, vi khí hậu môi trường công nghiệp.

Khung lý thuyết và công nghệ

  1. Nguyên lý điều khiển logic khả trình (PLC):

    • Thiết bị PLC hoạt động như một hệ vi xử lý chuyên dụng với hệ điều hành cài sẵn, quản lý bộ nhớ RAM, phân chia vùng nhớ dữ liệu và thực thi chu kỳ quét (Scan Cycle) tuần tự khép kín: đọc tín hiệu từ các cổng vào số/tương tự (DI/AI) đưa vào bộ đệm $\rightarrow$ thực hiện chương trình người dùng $\rightarrow$ chuyển kết quả từ bộ đệm ra các đầu ra (DO/AO) $\rightarrow$ thực hiện truyền thông nội bộ và tự chẩn đoán lỗi.
    • Cơ chế quản lý bộ nhớ của dòng Siemens S7-200 bao gồm 4 phân vùng chính: vùng nhớ chương trình, vùng nhớ tham số, vùng nhớ dữ liệu (các miền nhớ V, I, Q, M, SM) và vùng nhớ đối tượng (thanh ghi Timer, Counter, High Speed Counter - HSC, thanh ghi tích lũy AC).

  2. Lý thuyết cân bằng nhiệt và môi trường vi khí hậu:

    • Quá trình trao đổi nhiệt giữa cơ thể con người (thân nhiệt xấp xỉ $37^\circ\text{C}$) và môi trường xung quanh tuân theo phương trình cân bằng nhiệt lượng: $$Q_{\text{toả}} = q_h + q_a$$ Trong đó:
      • $q_h$ (nhiệt hiện): Nhiệt lượng thải ra môi trường qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ $\Delta t = t_{\text{ct}} - t_{\text{mt}}$, tốc độ chuyển động của không khí và nhiệt trở.
      • $q_a$ (nhiệt ẩn): Nhiệt lượng thải ra thông qua quá trình toả ẩm và bay hơi mồ hôi trên bề mặt da.
    • Các ngưỡng tiêu chuẩn vi khí hậu tiện nghi: Nhiệt độ hiệu quả thích hợp trong khoảng $20 \div 29^\circ\text{C}$; độ ẩm tương đối thích hợp cho con người nằm trong khoảng rộng $\varphi = 60 \div 70%$ (vùng chấp nhận $30 \div 70%$); tốc độ chuyển động của không khí trong vùng làm việc (dưới $2\text{ m}$ tính từ sàn) cần được khống chế phù hợp.
    • Tiêu chuẩn tiếng ồn theo tính năng phòng: Nhóm độ ồn thấp (dưới $30\text{ dB}$), độ ồn vừa ($35 \div 55\text{ dB}$), độ ồn cao (trên $70\text{ dB}$).
    • Tiêu chuẩn bảo vệ thiết bị điện theo chuẩn quốc tế IEC-60529 thông qua chỉ số IP (Ingress Protection).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa tài liệu kỹ thuật về kiến trúc vi xử lý PLC, các chuẩn truyền thông công nghiệp RS-485/PPI, tập lệnh lập trình sơ đồ thang (LAD) và danh sách lệnh (STL).
  • Phương pháp khảo sát và thu thập số liệu thực địa: Khảo sát quy mô mặt bằng, công nghệ đóng tàu, điều kiện lao động và đặc thù phát sinh nhiệt - bụi tại Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn phần cứng PLC, lập bảng gán địa chỉ vào/ra, thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự và thời gian trễ cho 5 quạt thông gió.

Nguồn dữ liệu

  • Tài liệu kỹ thuật phần cứng dòng họ SIMATIC S7-200 của hãng Siemens (tập trung vào module CPU 224).
  • Tài liệu pháp lý và hồ sơ doanh nghiệp: Quyết định thành lập số 577/QĐ của Bộ Giao thông Vận tải đối với Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng; các báo cáo về năng lực thiết bị và nhân sự của nhà máy.
  • Các tiêu chuẩn kỹ thuật về môi trường lao động, tiêu chuẩn đo lường âm thanh theo dải tần số Octave ($63\text{ Hz} \div 8000\text{ Hz}$).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển 5 quạt thông gió được xây dựng trên nền tảng phần cứng PLC Siemens S7-200 CPU 224 với cấu hình và nguyên lý vận hành cụ thể như sau:

Cấu hình phần cứng bộ điều khiển PLC

  • Model vi xử lý: Siemens SIMATIC S7-200 CPU 224.
  • Kích thước cơ học: $120.5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$.
  • Tài nguyên bộ nhớ:
    • Bộ nhớ chương trình: $4096\text{ Word}$ (kiểu lưu trữ không mất dữ liệu).
    • Bộ nhớ dữ liệu: $2560\text{ Word}$ (khả năng duy trì dữ liệu bộ nhớ lên đến 190 giờ sau khi ngắt nguồn điện).
  • Cấu hình đầu vào/đầu ra: Tích hợp sẵn 14 cổng vào số (DI) và 10 cổng ra số (DO). Khả năng mở rộng tối đa lên đến 7 module chức năng bổ sung.
  • Bộ định thời và bộ đếm: Tích hợp 256 bộ Timer (các loại TON, TOF, TONR) và 256 bộ Counter (đếm lên CU, đếm xuống CD, đếm lên/xuống CUD với dải đếm tối đa từ $-32767$ đến $+32767$).
  • Bộ đếm tốc độ cao (HSC): 6 bộ đếm tốc độ cao phục vụ các tác vụ xử lý tần số/xung.
  • Giao diện truyền thông: Cổng truyền thông nối tiếp chuẩn RS-485 với đầu nối 9 chân (Sub-D 9 pin), hỗ trợ giao thức PPI tốc độ $9600\text{ baud}$, cho phép kết nối máy tính lập trình (PC), màn hình giao diện hoặc mạng Profibus.

Cấu trúc dữ liệu và tập lệnh lập trình

  • Định dạng truy cập vùng nhớ:
    • Truy cập bit: Tên miền + Địa chỉ Byte + Chỉ số Bit (ví dụ: V150.4).
    • Truy cập Byte: Tên miền + B + Địa chỉ Byte (ví dụ: VB150).
    • Truy cập Word: Tên miền + W + Địa chỉ Byte cao (ví dụ: VW150, đại diện cho 2 byte 150 và 151).
    • Truy cập Double Word: Tên miền + D + Địa chỉ Byte cao (ví dụ: VD150, đại diện cho 4 byte từ 150 đến 153).
    • Sử dụng con trỏ gián tiếp qua thanh ghi tích lũy AC1, AC2, AC3 hoặc ô nhớ miền V thông qua toán tử lấy địa chỉ & và toán tử truy xuất nội dung con trỏ.
  • Tập lệnh điều khiển: Ứng dụng phối hợp các lệnh logic tiếp điểm, lệnh gán ngõ ra OUTPUT, lệnh đặt trạng thái Set (S), lệnh xoá trạng thái Reset (R), các khối trễ thời gian đóng/cắt quạt theo chu trình luân phiên nhằm tối ưu hóa tuổi thọ động cơ và phân bổ lưu lượng gió.

Cấu hình động cơ và thiết bị quạt thông gió

  • Đặc tính điện áp và nguồn cấp: Động cơ quạt thông gió công nghiệp hỗ trợ chuẩn nguồn 3 pha ($380 - 440\text{V} / 3\text{ pha} / 50\text{Hz}$) nhằm đạt hiệu suất cao và giá thành tối ưu, hoặc chuẩn nguồn 1 pha ($220 - 240\text{V} / 1\text{ pha} / 50\text{Hz}$) đối với các thiết bị công suất nhỏ.
  • Thông số động cơ: Động cơ có số cực định mức (2, 4, 6, hoặc 8 cực); tốc độ vòng quay định mức của quạt dẫn động trực tiếp tương ứng là $720\text{ rpm}$, $960\text{ rpm}$, $1450\text{ rpm}$, $2850\text{ rpm}$; cấp bảo vệ vỏ chống bụi và nước theo chuẩn IP (IEC-60529).
  • Phương án khí động học: Áp dụng phương thức thông gió cơ khí kết hợp quạt hút gắn tường (tạo chênh áp âm) để hút khí thải, hơi độc, khói hàn từ phân xưởng xả ra ngoài, phối hợp các lam gió đối diện có lưới lọc bụi để đón dòng gió tươi tự nhiên tràn vào thay thế.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện về kỹ thuật điều khiển lập trình:

  • Lịch sử và tiến trình phát triển: Bộ điều khiển lập trình đầu tiên được các kỹ sư công ty General Motors (Hoa Kỳ) sáng chế năm 1968 với các tiêu chí: dễ lập trình, dễ sửa đổi, cấu trúc module mở rộng và độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp. Năm 1969, thiết bị lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) ra đời. Từ năm 1975 đến nay, PLC phát triển vượt bậc với khả năng xử lý toán học, thời gian thực, xử lý xung, bộ nhớ mở rộng và khả năng truyền thông mạng.
  • Phân loại họ PLC:
    • Micro PLC: Dạng Onboard nhỏ gọn (Siemens LOGO!, Omron ZEN), ứng dụng trong chiếu sáng, đóng mở cửa, máy phát điện tự động.
    • Mini PLC: Tích hợp CPU, nguồn, I/O, HSC, Timer/Counter (Siemens S7-200, S5-900, Omron CPM1, IDEC MicroSmart).
    • Medium PLC: Cấu trúc module linh hoạt (Siemens S7-300, Mitsubishi A1SHCPU, IDEC FA).
    • Great PLC / Hệ thống lớn: Khả năng điều khiển phân tán phức tạp, lập trình ngôn ngữ bậc cao (Siemens S7-400, PCS, DCS), tích hợp các module truyền thông Modbus, Profibus, AS-I, Devicenet, CC-Link và các module chuyên dụng (PID, điều khiển động cơ, đếm tốc độ cao).
  • Cơ chế vận hành: Bốn chế độ làm việc của PLC bao gồm chế độ nghỉ (Stop Mode), chế độ chạy (Run Mode), chế độ làm việc trung gian (chuyển đổi qua phần mềm) và chế độ báo lỗi (Error Mode). Nguyên lý chu kỳ quét Scan Time gồm 4 bước nối tiếp.
  • Chi tiết phần cứng S7-200 CPU 224: Khảo sát các đèn trạng thái (SF - lỗi hệ thống màu đỏ, RUN - hoạt động màu xanh, STOP - dừng màu vàng, Ixx/Qxx - trạng thái ngõ vào/ra), công tắc chuyển chế độ vật lý (RUN, STOP, TERM).
  • Bảng đối tượng tài nguyên bộ nhớ S7-200:
Ký hiệu Tên gọi và diễn giải chức năng Phạm vi trên CPU 212 Phạm vi trên CPU 214 / CPU 224
AC0 Thanh ghi tích lũy 0 (không dùng làm con trỏ) 1 1
AC1 $\div$ AC3 Thanh ghi tích lũy 1 đến 3 (hỗ trợ làm con trỏ) $1 \div 3$ $1 \div 3$
C Bộ đếm sự kiện (Counter) $0 \div 63$ $0 \div 127$ (lên đến 256 trên CPU 224)
HSC Bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter) $0 \div 2$ $0 \div 2$ (lên đến 6 trên CPU 224)
AIW Bộ đệm cổng vào tương tự (Analog Input Word) $0 \div 30$ $0 \div 30$
AQW Bộ đệm cổng ra tương tự (Analog Output Word) $0 \div 30$ $0 \div 30$
T Bộ định thời gian trễ (Timer) $0 \div 63$ $0 \div 127$ (lên đến 256 trên CPU 224)
  • Tập lệnh và phần mềm lập trình: Giới thiệu hai ngôn ngữ lập trình cơ bản LAD (Ladder Logic) và STL (Statement List); các khối chức năng Timer TON (Delay on), TOF (Delay off), TONR (Delay on có nhớ); bộ đếm UP Counter (CTU), DOWN Counter (CTD), UP-DOWN Counter (CTUD); cấu trúc môi trường soạn thảo Step 7 Micro/WIN với các menu điều khiển và thanh công cụ quản lý chương trình.

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

Chương 2 đi sâu vào phân tích bài toán kỹ thuật thông gió công nghiệp và đối tượng ứng dụng cụ thể:

  • Phương pháp thông gió nhà xưởng:
    • Thông gió tự nhiên: Bố trí cửa lấy gió và thải gió đối xứng nhau qua tường, kết hợp quả cầu đối lưu gắn mái. Nhược điểm: phụ thuộc hướng gió và hiệu suất không ổn định.
    • Thông gió cơ khí không dùng kênh dẫn: Sử dụng quạt hút gắn tường tạo áp suất âm trong xưởng, không khí sạch bên ngoài tự động tràn vào qua các lam gió có lưới lọc bụi.
    • Thông gió cơ khí dùng kênh dẫn gió: Hệ thống đường ống cấp và phân phối gió cưỡng bức đến từng vị trí làm việc.
  • Tác động của môi trường vi khí hậu đến sức khỏe người lao động:
    • Nhiệt độ và toả nhiệt: Phân tích quá trình thải nhiệt hiện $q_h$ và toả ẩm $q_a$. Vùng nhiệt độ hiệu quả đạt $20 \div 29^\circ\text{C}$.
    • Độ ẩm tương đối: Độ ẩm quá cao gây cản trở thoát mồ hôi, tạo cảm giác mệt mỏi; độ ẩm quá thấp gây nứt nẻ da, làm khô vật liệu. Ngưỡng thích hợp là $\varphi = 60 \div 70%$.
    • Tốc độ gió: Quy định tốc độ gió trong vùng làm việc (độ cao dưới $2\text{ m}$) phải phù hợp với nhiệt độ phòng, hướng gió tối ưu là thổi đối diện vị trí làm việc.
    • Bụi và tiếng ồn: Phân loại bụi hữu cơ (sợi bông, thuốc lá) và bụi vô cơ (xi măng, đất đá, đánh giá qua hàm lượng ôxít silic); phân loại giới hạn tiếng ồn theo 3 mức (dưới $30\text{ dB}$, $35 \div 55\text{ dB}$, và trên $70\text{ dB}$).
  • Tổng quan thiết bị quạt công nghiệp:
    • Quạt ly tâm cánh nghiêng về sau: Cánh cong về sau, hiệu suất cao, có đặc tính chống quá tải.
    • Quạt ly tâm cánh hướng về trước (lồng sóc): Lưu lượng gió lớn, giá thành thấp nhưng không có khả năng chống quá tải.
    • Quạt gắn mái, quạt gắn tường và quạt hút bụi công nghiệp: Quạt hút bụi tạo áp suất cao trên $2000\text{ Pa}$ chuyên dụng cho hệ thống lọc bụi cơ khí.
    • Thông số kỹ thuật then chốt của quạt: Lưu lượng ($m^3/\text{h}, m^3/\text{s}, \text{L/s}, \text{CFM}$), cột áp tổng $A$, hiệu suất quạt (quạt hướng trục đạt tối đa 80%, quạt ly tâm đạt tối đa 90%), vận tốc thổi tại miệng ra (Outlet velocity), dải đo tiếng ồn ($L_w, L_p$ qua dải tần số 63 đến $8000\text{ Hz}$), công suất hấp thụ ($P_{\text{absorb}}$) và công suất động cơ định mức ($P_{\text{rating}}$).
  • Khảo sát Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng:
    • Là thành viên chủ lực thuộc Tổng công ty Công nghiệp Tàu thủy Việt Nam (Vinashin), thành lập từ giai đoạn 1960 - 1961 theo Quyết định số 577/QĐ của Bộ Giao thông Vận tải.
    • Năng lực sản xuất: Đóng mới các loại tàu chở hàng khô, tàu dầu, tàu chuyên dụng, tàu tuần tiễu, sà lan biển trọng tải đến $20.000\text{ DWT}$; tàu đánh cá $150 \div 300\text{ HP}$; sửa chữa phương tiện thủy trên ụ nổi đến $10.000\text{ tấn}$.
    • Cơ sở vật chất kỹ thuật: 1 hệ thống ụ nổi $4.200\text{ tấn}$, 1 ụ khô, đường triền đủ sức đóng tàu $22.500\text{ DWT}$, cầu tàu dài $90\text{ m}$, hệ thống cẩu tải trọng từ $3 \div 120\text{ tấn}$, dây chuyền xử lý tôn và thiết bị hàn tự động/bán tự động hiện đại.
    • Quy mô nhân sự: Tổng số 1.772 cán bộ công nhân viên (gồm 240 cán bộ quản lý và kỹ sư, 70 công nhân bậc cao được đào tạo tại Trung Quốc, Liên Xô, Ba Lan).
    • Đối tượng ứng dụng: Hệ thống điều khiển 5 quạt thông gió được định hướng lắp đặt cho Phân xưởng Phóng dạng nhằm giải quyết khói hàn, nhiệt thừa và bụi kim loại trong quá trình gia công kết cấu vỏ tàu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Tổng hợp thông số cấu hình phần cứng điều khiển: Đồ án đã xác lập đầy đủ cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-200 CPU 224 phục vụ bài toán điều khiển 5 quạt thông gió, bảo đảm tính tương thích giữa phần mềm lập trình và thiết bị chấp hành.
Thông số phần cứng Giá trị định mức / Đặc tính kỹ thuật
Model CPU SIMATIC S7-200 CPU 224 (Siemens)
Kích thước $120.5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$
Dung lượng nhớ chương trình $4096\text{ Word}$
Dung lượng nhớ dữ liệu $2560\text{ Word}$ (duy trì 190 giờ khi mất điện)
Số lượng cổng I/O onboard 14 Digital Input (DI) / 10 Digital Output (DO)
Khả năng mở rộng module Tối đa 7 module mở rộng
Tài nguyên Timer / Counter 256 Timer (TON, TOF, TONR) / 256 Counter (CTU, CTD, CTUD)
Bộ đếm tốc độ cao (HSC) 6 bộ đếm HSC
Chuẩn truyền thông Cổng RS-485 (PPI $9600\text{ baud}$), hỗ trợ Profibus
  1. Thiết lập cơ sở tính toán khí động và môi trường: Đồ án đã lượng hóa các tiêu chuẩn vi khí hậu cho phân xưởng đóng tàu:
    • Khoảng nhiệt độ tiện nghi: $20 \div 29^\circ\text{C}$.
    • Khoảng độ ẩm tương đối tối ưu: $60 \div 70%$.
    • Giới hạn phân nhóm tiếng ồn theo 3 cấp độ: Dưới $30\text{ dB}$ (thấp), $35 \div 55\text{ dB}$ (vừa), và trên $70\text{ dB}$ (cao).
    • Tốc độ động cơ quạt định mức: $720\text{ rpm}$, $960\text{ rpm}$, $1450\text{ rpm}$, $2850\text{ rpm}$ theo tiêu chuẩn bảo vệ vỏ IP (IEC-60529).

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kiến trúc phần cứng, vùng nhớ, cách định địa chỉ con trỏ và tập lệnh của dòng PLC Siemens S7-200.
  • Đề xuất giải pháp thông gió cơ khí kết hợp điều khiển tự động bằng PLC cho Phân xưởng Phóng dạng thuộc Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng, giúp cải thiện môi trường lao động, hạn chế nguy cơ bệnh nghề nghiệp và nâng cao hiệu quả làm việc của công nhân cơ khí đóng tàu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Đồ án được xây dựng trong khuôn khổ thời gian thực hiện ngắn hạn (từ 12/03/2018 đến 21/05/2018), tập trung chủ yếu vào phần thiết kế mô hình logic điều khiển On/Off và phân bổ thời gian trễ cho 5 quạt thông gió.
  • Chưa tích hợp các module tương tự (Analog Module AI/AO) để tiếp nhận tín hiệu liên tục từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm hoặc cảm biến nồng độ khí độc trong phân xưởng nhằm điều khiển tự động nhiều cấp tốc độ thông qua biến tần.
  • Chưa mở rộng giao diện giám sát SCADA trên máy tính trung tâm hoặc mạng truyền thông công nghiệp diện rộng kết nối đồng thời nhiều phân xưởng trong nhà máy.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Bổ sung module cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ bụi công nghiệp để tự động kích hoạt số lượng quạt tương ứng theo từng ngưỡng ô nhiễm thực tế.
  • Ứng dụng biến tần điều khiển động cơ quạt nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ và giảm dòng khởi động cho hệ thống điện nhà xưởng.
  • Xây dựng giao diện màn hình HMI/SCADA giúp người vận hành giám sát trạng thái từng quạt, cảnh báo sự cố quá tải và thống kê thời gian hoạt động của động cơ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện Tự động Công nghiệp, Cơ điện tử và Kỹ thuật Nhiệt - Thông gió (HVAC). Cụ thể:

  • Phần kiến trúc PLC S7-200: Hữu ích cho người học cần tài liệu tra cứu về phân vùng bộ nhớ, cách lập trình gián tiếp bằng con trỏ, nguyên lý hoạt động của các khối Timer/Counter và cơ chế quét vòng lặp của PLC Siemens.
  • Phần tính toán thông gió công nghiệp: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về các tiêu chuẩn nhiệt hiện, nhiệt ẩn, độ ẩm, tiêu chuẩn tiếng ồn và phương pháp bố trí quạt hút/lam gió cho nhà xưởng cơ khí, đóng tàu quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 224 có những thông số phần cứng cơ bản nào?

Theo tài liệu kỹ thuật trong đồ án, CPU 224 có kích thước $120.5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$; dung lượng bộ nhớ chương trình $4096\text{ Word}$, bộ nhớ dữ liệu $2560\text{ Word}$ (lưu giữ được 190 giờ sau khi mất điện); tích hợp 14 ngõ vào số (DI) và 10 ngõ ra số (DO); tích hợp 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC); khả năng mở rộng tối đa 7 module; cổng giao tiếp RS-485 chuẩn PPI với tốc độ truyền $9600\text{ baud}$.

2. Chu kỳ quét (Scan Cycle) của PLC diễn ra theo các bước nào?

Chu kỳ quét của PLC hoạt động tuần hoàn khép kín qua 4 giai đoạn chính:

  1. Đọc dữ liệu từ các cổng vào số/tương tự (DI/AI) chuyển vào bộ đệm đầu vào (Input Image Register).
  2. CPU thực thi chương trình điều khiển của người dùng từ bộ nhớ chương trình.
  3. Đưa dữ liệu kết quả từ bộ đệm đầu ra chuyển tới các đầu ra vật lý (DO/AO).
  4. Thực hiện truyền thông nội bộ và tự chẩn đoán kiểm tra lỗi hệ thống.

3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng giữa cơ thể người và môi trường nhà xưởng được xác định như thế nào?

Thân nhiệt con người duy trì ở mức xấp xỉ $37^\circ\text{C}$ và trao đổi nhiệt với môi trường qua phương trình: $$Q_{\text{toả}} = q_h + q_a$$ Trong đó, $q_h$ là nhiệt hiện (thải nhiệt qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, phụ thuộc độ chênh nhiệt độ $\Delta t$ giữa cơ thể và môi trường), còn $q_a$ là nhiệt ẩn (thải nhiệt thông qua quá trình toả mồ hôi và bay hơi trên bề mặt da).

4. Tiêu chuẩn tiếng ồn cho phép trong không gian sinh hoạt và công nghiệp được phân nhóm ra sao?

Theo nội dung đồ án, độ ồn cho phép được chia thành 3 nhóm cơ bản:

  • Độ ồn thấp: Dưới $30\text{ dB}$.
  • Độ ồn vừa: Từ $35 \div 55\text{ dB}$.
  • Độ ồn cao: Lớn hơn $70\text{ dB}$.

5. Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng có quy mô trang thiết bị và nhân lực như thế nào tại thời điểm khảo sát?

Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng (thành lập theo Quyết định 577/QĐ của Bộ Giao thông Vận tải) sở hữu hệ thống 1 ụ nổi $4.200\text{ tấn}$, 1 ụ khô, đường triền đủ sức đóng tàu tải trọng $22.500\text{ DWT}$, cầu tàu dài $90\text{ m}$ và hệ thống cẩu nâng từ $3 \div 120\text{ tấn}$. Tổng lực lượng lao động của nhà máy gồm 1.772 cán bộ công nhân viên, trong đó có 240 cán bộ quản lý và kỹ sư, cùng 70 công nhân kỹ thuật bậc cao.

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 hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa ứng dụng thiết bị PLC Siemens S7-200 CPU 224. Công trình đã kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết vi khí hậu công nghiệp, kỹ thuật khí động học quạt thông gió và công nghệ điều khiển khả trình để đề xuất giải pháp thông gió cho Phân xưởng Phóng dạng thuộc Nhà máy Đóng tàu Bạch Đằng. Kết quả đồ án phản ánh đầy đủ quy trình tính toán, lựa chọn thiết bị phần cứng, tổ chức bộ nhớ và thuật toán điều khiển logic, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật của một đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự động Công nghiệp.