Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển hệ thống lạnh tự động bằng PLC Mitsubishi FX3SA

Đồ án ứng dụng PLC điều khiển hệ thống lạnh. Chi tiết lập trình PLC Mitsubishi, nguyên lý, sơ đồ mạch và thi công mô hình thực tế cho sinh viên tham khảo.

• Tác giả: Trần Quốc Huy
• Người hướng dẫn: Nguyễn Lê Hồng Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Ứng dụng PLC trong điều khiển hệ thống lạnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Chung Về PLC và Ứng Dụng Trong Hệ Thống Lạnh

PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển tự động có khả năng lập trình cao, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại. Trong lĩnh vực kỹ thuật lạnh, ứng dụng PLC điều khiển hệ thống lạnh đã trở thành giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ an toàn của các hệ thống trữ đông. Đồ án ứng dụng PLC này tập trung vào việc sử dụng PLC Mitsubishi FX3SA để điều khiển các thành phần chính của hệ thống lạnh như máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi và các thiết bị bảo vệ. Sự phát triển của công nghệ tự động hóa đã cho phép các nhà máy, kho lạnh và các cơ sở sản xuất có thể giảm chi phí vận hành, tăng độ chính xác trong điều khiển nhiệt độ, và đảm bảo an toàn cho thiết bị. Hệ thống lạnh trữ đông hiện nay yêu cầu độ chính xác cao trong quản lý nhiệt độ, áp suất và các thông số kỹ thuật khác, điều mà chỉ có PLC mới có thể đáp ứng được một cách hiệu quả.

1.1. Lịch Sử Phát Triển PLC Mitsubishi

PLC Mitsubishi là một trong những thương hiệu hàng đầu trên thế giới trong lĩnh vực bộ điều khiển lập trình. Mitsubishi FX series đã phát triển qua nhiều thế hệ, từ FX2N, FX3U đến FX3SA hiện tại. PLC FX3SA nổi bật với những đặc điểm ưu việt như: khả năng mở rộng cao, tốc độ xử lý nhanh, hỗ trợ các giao thức truyền thông hiện đại. Sự lựa chọn PLC Mitsubishi FX3SA trong đồ án điều khiển hệ thống lạnh giúp đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy và khả năng bảo trì dễ dàng.

1.2. Tính Năng Chính của PLC trong Điều Khiển HTL

PLC cung cấp nhiều tính năng quan trọng cho hệ thống lạnh: (1) Điều khiển tự động máy nén lạnh công nghiệp với chế độ start/stop thông minh; (2) Bảo vệ thiết bị thông qua các cảm biến giám sát áp suất và nhiệt độ; (3) Quản lý tự động dàn ngưng và dàn bay hơi; (4) Xử lý xả băng định kỳ để duy trì hiệu suất; (5) Ghi nhật ký hoạt động và cảnh báo sự cố. Những tính năng này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống lạnh và giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị.

II. Cấu Trúc Phần Cứng và Nguyên Lý Hoạt Động PLC FX3SA

Cấu trúc phần cứng PLC FX3SA bao gồm các thành phần chính: CPU (Central Processing Unit), bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, các khối terminal input/output, và nguồn điện. Nguyên lý hoạt động PLC dựa trên vòng lặp quét (scan cycle): đọc tín hiệu từ các cảm biến đầu vào, xử lý logic theo chương trình đã lập, sau đó xuất tín hiệu điều khiển đến các thiết bị đầu ra. Trong ứng dụng điều khiển hệ thống lạnh, PLC liên tục giám sát các cảm biến nhiệt độ, áp suất, dòng chảy để đưa ra quyết định điều khiển phù hợp. Tốc độ quét nhanh của PLC FX3SA (có thể đạt đến microsecond level) đảm bảo khả năng phản ứng kịp thời với các thay đổi trong hệ thống lạnh.

2.1. Các Khối Chính của PLC Mitsubishi FX3SA

PLC FX3SA được cấu thành bởi: (1) Khối CPU: xử lý các lệnh lập trình, có tích hợp các chức năng nâng cao; (2) Bộ nhớ: lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu trong quá trình hoạt động; (3) Khối I/O: quản lý 14 ngõ vào (input) và 10 ngõ ra (output) cơ bản; (4) Cổng kết nối: RS-232C, USB để kết nối với máy tính lập trình. Sơ đồ khối PLC cho thấy luồng dữ liệu giữa các thành phần, từ cảm biến → PLC → thiết bị điều khiển.

2.2. Quy Trình Quét và Xử Lý Dữ Liệu

Vòng lặp quét PLC diễn ra theo trình tự: (1) Đọc trạng thái tất cả đầu vào từ các cảm biến; (2) Thực thi chương trình logic; (3) Cập nhật trạng thái đầu ra. Trong ứng dụng PLC điều khiển hệ thống lạnh, quy trình này lặp lại hàng trăm lần mỗi giây, cho phép PLC nhanh chóng phát hiện và phản ứng với các tình huống bất thường như quá nhiệt độ hay quá áp suất.

III. Phương Pháp Lập Trình PLC Mitsubishi FX3SA

Lập trình PLC Mitsubishi FX3SA sử dụng phần mềm GX Developer hoặc GX Works2, cho phép người lập trình viết mã điều khiển theo sơ đồ thang (Ladder Diagram) hoặc mã danh sách (Instruction List). Phương pháp lập trình sơ đồ thang là phổ biến nhất trong điều khiển hệ thống lạnh vì tính trực quan và dễ theo dõi. Các lệnh cơ bản bao gồm: LD (Load) để kiểm tra trạng thái, AND/OR cho logic kết hợp, OUT (Output) để kích hoạt thiết bị. Ngoài ra, PLC FX3SA hỗ trợ các lệnh nâng cao như timer, counter, so sánh dữ liệu, cho phép thực hiện các chức năng phức tạp trong ứng dụng hệ thống lạnh trữ đông.

3.1. Phần Mềm GX Developer và Quy Trình Lập Trình

Phần mềm GX Developer là công cụ chuẩn cho lập trình PLC Mitsubishi. Quy trình lập trình bao gồm: (1) Tạo dự án mới; (2) Khai báo các thiết bị (input, output, memory); (3) Vẽ sơ đồ thang điều khiển; (4) Kiểm tra lỗi cú pháp; (5) Nạp chương trình vào PLC. Giao diện của GX Developer chia thành các phần: công c具lệnh, vùng soạn thảo, cửa sổ thiết bị, cho phép lập trình hiệu quả.

3.2. Các Lệnh Cơ Bản và Nâng Cao trong PLC

Lệnh cơ bản PLC dùng trong điều khiển hệ thống lạnh: (1) LD/LDI: kiểm tra điều kiện bình thường/đảo; (2) AND/ANI: kết hợp điều kiện; (3) OUT: kích hoạt output; (4) TMR: bộ hẹn giờ; (5) CNT: bộ đếm. Lệnh nâng cao như MOV (chuyển dữ liệu), CMP (so sánh), DECO (giải mã) cho phép xây dựng các thuật toán điều khiển phức tạp cho hệ thống lạnh.

IV. Ứng Dụng PLC trong Hệ Thống Lạnh Trữ Đông Thực Tế

Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống lạnh trong thực tế bao gồm nhiều chức năng quan trọng: (1) Điều khiển máy nén: PLC tự động khởi động/dừng máy nén dựa trên tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến, duy trì nhiệt độ phòng lạnh ở mức đặt trước. (2) Bảo vệ thiết bị: Hệ thống PLC giám sát áp suất, nhiệt độ dầu, dòng điện để phát hiện các bất thường và tự động dừng máy khi cần thiết. (3) Quản lý dàn ngưng và dàn bay hơi: Điều khiển tốc độ quạt, lưu lượng chất lỏng làm lạnh để tối ưu hiệu suất. (4) Xử lý xả băng: PLC tự động thực hiện chu kỳ xả băng định kỳ để tránh tích tụ đá. (5) Ghi nhật ký và cảnh báo: Hệ thống lạnh có khả năng lưu lại dữ liệu hoạt động và gửi cảnh báo khi có sự cố. Kết hợp với màn hình HMI Weinview, người vận hành có thể giám sát toàn bộ hệ thống lạnh từ xa.

4.1. Các Thành Phần Thiết bị và Cảm Biến Trong Hệ Thống

Hệ thống lạnh điều khiển bằng PLC sử dụng các thiết bị: (1) Cảm biến nhiệt độ YAMATAKE SDC10: đo nhiệt độ phòng lạnh và trả về tín hiệu điện cho PLC; (2) Máy nén lạnh công nghiệp: là trái tim của hệ thống, được PLC điều khiển start/stop; (3) Dàn ngưng và dàn bay hơi: trao đổi nhiệt, PLC điều khiển quạt; (4) Van tiết lưu nhiệt cân bằng: điều chỉnh lưu lượng chất lỏng. Bộ nguồn 220V-24V cung cấp điện cho PLC và các thiết bị điều khiển.

4.2. Sơ Đồ Kết Nối và Mạch Điều Khiển Hệ Thống

Sơ đồ kết nối hệ thống lạnh cho thấy: các cảm biến kết nối với đầu vào PLC, PLC xử lý tín hiệu và gửi lệnh điều khiển đến các thiết bị thông qua mạch điều khiển relay. Màn hình HMI Weinview kết nối với PLC qua Ethernet/RS-232 để hiển thị trạng thái và cho phép người vận hành điều khiển. Sơ đồ mạch lập trình PLC trong tài liệu chi tiết từng bước logic: kiểm tra nhiệt độ → quyết định khởi động máy nén → kiểm tra an toàn → kích hoạt relay điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN PLC MITSUBISHI VÀ PHƯƠNG PHÁP LẬP TRÌNH MITSUBISHI FX3SA 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA PLC Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuât đầu tiên cho thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình. Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điêu khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thể các rơ le do hỏng cuộn hút hay gãy các thanh lò xo tiếp điểm. Mục đích thứ hai là tạo ra một thiều bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển. Các yêu cầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất.

Một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển khả lập trình còn gọi là PLC. Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơ le. Các thiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơ le. Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ra tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác.

Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy cao và khả năng lập trình dễ dàng. Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các mạch bán dẫn được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp. Các mạch vào ra được thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được dầu, bụi và nhiệt độ cao. Khi các vi xử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, các khả năng cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn.

Các PLC có trang bị vi xử lý có khả năng thực hiện các tính toán và xử lý số liệu phức tạp, điều này làm tăng khả năng ứng dụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Vào cuối những năm bảy mươi việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử. Các PLC có thể điều khiển các thiết bị cách xa hàng vài trăm mét. Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn.

5 Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC chính là các máy tính công nghiệp dùng cho mục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thay thế cho các thiết bị “cứng” như các rơ le, cuộn hút và các tiếp điểm. Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công nghiệp. Chúng được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước và chất thải, công nghiệp dược phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng, trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC vv. Các PLC có thể được kêt nối với các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao gồm cả quá trình điều khiển bằng thống kê, quá trình đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thay đổi chương trình điều khiển từ xa.

Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm tám mươi đã nâng cao đáng kể tính năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và quá trình sản xuất. Nhờ sự phát triển của các phần mềm đồ hoạ cho máy tính cá nhân PC, các PLC cũng được trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể mô phỏng hoặc hiện thị các hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điêu khiển PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý hoạt động, các PLC này có tính năng tương tự giống nhau Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba, Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới. Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá.

Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quả hơn. PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn do một số lý do sau: -Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một cức năng. - Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn cả các máy tính thông thường. - Giá thành thấp: Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó có khả năng thay thế hàng trăm rơ le.

- Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu. Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này. 6 - Giao diện tực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức tạp để có thể giao tiếp với môi trường công nghiệp. Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O.

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ thang, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường. - Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình, bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng.1 Giới thiệu PLC Mitsubishi + PLC gồm có hai phần: Khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit: CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0). + Khối xử lý trung tâm (CPU) gồm ba phần: Bộ xử lý, Hệ thống bộ nhớ và Hệ thống Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình Hình 1.

Sơ đồ khối tổng quát của CPU nguồn cung cấp.2 mô tả 3 thành phần của một CPU. ➢ Ngõ vào và ngõ ra PLC nhận các ngõ vào và tác động đến ngõ ra để giám sát và điều khiển các quá trình. Các ngõ vào và ra có thể phân chia thành 2 loại tiêu biểu: logic và liên tục. Phần lớn PLC sử dụng các ngõ vào/ra logic cho các ứng dụng điều khiển.

Ngõ ra PLC được kết nối với thiết bị chấp hành để điều khiển hệ thống các thiết bị này gồm: 7 ➢ Loại đầu ra: + Thiết bị truyền tín hiệu, + Còi báo động, + Báo động bằng tín hiệu ánh sáng, + Khởi động từ cho động cơ, + Rơ le điều khiển bằng điện, + Van điện. + Quạt điện, + Rơ le nhiệt. + Đèn chỉ thị bằng tín hiệu ánh sáng, Trong lúc hoạt động, mạch giao diện trên đầu ra của PLC bật điện áp điều khiển để truyền đến thiết bị ra. Nếu tín hiệu ra được bật (ON) qua chương trình điều khiển, mạch giao diện sẽ để cho điện áp điều khiển kích hoạt thiết bị đầu ra.

➢ Loại đầu vào: + Công tắc gạt + Công tắc cần gạt + Công tắc tiệm cận + Tiếp điểm rơ le + Công tắc giới hạn + Công tắc áp suất + Tiếp điểm khởi động động cơ + Cảm biến quang điện + Nút bấm + Công tắc xoay + Công tắc khởi động từ + Công tắc vị trí 8 Hình 1. 3 Sơ đồ kết nối PL PLC FX ra mắt thị trường vào năm 1981, theo số liệu thống kê năm 2007 thì tổng số PLC dòng FX bán ra trên toàn cầu đã vượt 8,000,000 chiếc, nhờ vào những thiết kế ưu việt, chất lượng sản phẩm đỉnh cao trong thế giới về bộ lập trình điều khiển dùng cho các ngành công nghiệp và dân dụng. PLC FX3S được cải tiến từ dòng PLC FX1N, nó được kế thừa tất cả những tính năng của dòng PLC FX kết hợp với sự tiến bộ vượt bậc của dòng PLC thế hệ FX3 nhắm đến sự đổi mới công nghệ mang đến cho người dùng sự ổn định và tính linh hoạt cao.Dòng FX3S PLC được tích hợp bộ nhớ trong lên đến 32Kb bước lệnh cho dòng tiêu chuẩn, tốc độ xử lý một lệnh đơn logic trong thời gian 0. Thêm vào đó, nó cho phép xử lý trên số thực và các ngắt.

Việc lập trình trên FX3SA dễ hơn bao giờ hết nhờ vào sự thực thi thông qua đồng thời 2 9 cổng truyền thông tốc độ cao là RS422 & USB. Còn với dòng FX3SA ngõ ra kiểu transistor cho phép phát xung độc lập trên 3 ngõ ra lên đến 100 kHz, được nhà sản xuất tích hợp và cải tiến nhiều tập lệnh điều khiển vị trí.Chức năng cho phép cài đặt mật khẩu truy cập và phân quyền theo người sử dụng. Ngoài ra việc kết nối mở rộng thông qua 2 bus bên trái và bên phải cho phép kết nối mở rộng khối chức năng đặc biệt như analog / truyền thông nối mạng… để đạt được hiệu suất làm việc tốt hơn.2 Những tính năng chính * Số I/O linh hoạt: 14/24/40/60 I/O * Tập lệnh điều khiển vị trí linh hoạt mạnh mẽ, cho phép phát xung tối đa lên đến 100kHz trên 3 trục độc lập (40/60 I/O) * Bộ nhớ trong đến 32Kb * Cổng lập trình Giao tiếp USB và RS422 giúp tăng tốc cho việc lập trình, gỡ lỗi và giám sát. * Tích hợp bộ đếm tốc độ cao 60Hz x 4 kênh và 10Hz x 2 kênh * Cho phép kết nối 2 board đồng thời, mở rộng thêm tính năng phụ * Tương thích với hầu hết các module mở rộng thế hệ trước * Điều khiển đồng thời nhiều biến tần qua mạng RS485.