Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nông sản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG
KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ
-----------------------

ĐÀO TRỌNG TẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TỰ
ĐỘNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BUỒNG SẤY NƠNG SẢN

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử

Phú Thọ, 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG
KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ

-----------------------

ĐÀO TRỌNG TẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TỰ
ĐỘNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BUỒNG SẤY NƠNG SẢN

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1.Th.S. Nguyễn Thị Thanh Hòa
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

2.Th.S. Nguyễn Văn Quyết

Phú Thọ, 2017


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tồn thể Q thầy cơ Trường
Đại học Hùng Vương, Quý thầy cô khoa Kỹ thuật – Công nghệ đã dạy dỗ,
truyền đạt những kiến thức thiết thực và bổ ích cho em trong suốt bốn năm
học tập và rèn luyện tại trường. Đặc biệt là cô Nguyễn Thị Thanh Hòa, thầy
Nguyễn Văn Quyết và thầy Nguyễn Như Tùng đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo để
em có thể hồn thiện được khóa luận này.
Tuy nhiên do thời gian có hạn cùng với nhiều nguyên nhân khác, mặc dù
em đã nỗ lực hết mình xong khóa luận của em vẫn cịn thiếu sót và hạn chế.
Em rất mong nhận được sự thông cảm và sự chỉ bảo của Thầy Cơ để em có
thể khắc phục được hạn chế cịn tồn tại trong khóa luận của mình.
Em xin chân thành cảm ơn !
Việt Trì, Tháng 5 năm 2017
Sinh Viên

Đào Trọng Tấn


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt............................................................i
Danh mục các bảng và hình ảnh...................................................................ii
Đặt vấn đề........................................................................................................1
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu................................................4
1.1. Tổng quan về các phương pháp sấy...........................................................4
1.2. Một số phương pháp và thiết bị sấy nhân tạo............................................4

1.2.1. Phơi và sấy bằng năng lượng mặt trời....................................................4
1.2.2. Sấy đối lưu..............................................................................................5
1.2.3. Sấy bức xạ...............................................................................................5
1.3. Tổng quan về các phương pháp điều khiển nhiệt độ sấy...........................6
1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu...........................................................7
1.5. Định hướng nghiên cứu của khóa luận......................................................8
Chương 2. Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu....9
2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu..................................................................9
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu..............................................................................9
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................9
2.2. Nội dung nghiên cứu..................................................................................9
2.3. Phương pháp nghiên cứu............................................................................9
2.3.1. Tiến trình thực hiện nghiên cứu..............................................................9
2.3.2. Phương pháp thực hiện nội dung 1........................................................10
2.3.3. Phương pháp nội dung 2........................................................................12
2.3.4. Phương pháp thực hiện nội dung 3........................................................22
2.3.5. Phương pháp thực hiện nội dung 4........................................................25
2.3.6. Phương pháp thực hiện nội dung 5........................................................31
2.3.7. Phương pháp thực hiện nội dung 6........................................................41
2.3.8. Phương pháp thực hiện nội dung 7........................................................38
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận..............................................46
3.1. Kết quả gia cơng, chế tạo hệ thống cơ khí thiết bị sấy.............................46


3.2. Kết quả thi công, chế tạo hệ thống điều khiển.........................................49
3.2.1. Kết quả thi công, chế tạo phần cứng.....................................................49
3.2.2. Kết quả thi công, chế tạo phần mềm.....................................................52
3.3. Kết quả chạy thử nghiệm và hoàn thiện thiết bị sấy................................53
Chương 4. Kết luận và kiến nghị.................................................................59
4.1. Kết luận....................................................................................................59

4.2. Đóng góp của đề tài.................................................................................59
4.3. Hạn chế, tồn tại........................................................................................60
4.4. Kiến nghị, đề xuất giải pháp....................................................................60
Danh mục tài liệu tham khảo.......................................................................61
Phụ lục...........................................................................................................62
Chương trình điều khiển viết cho PLC S7-1200........................................62



i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KP

Hệ số khuếch đại

KI

Hệ số tích phân

KD

Hệ số vi phân

Et

Độ sai lệch tĩnh

Et%

Độ sai lệch tĩnh tính theo phần trăm

AC

Alternating Current

CM

Communication Module

CPU

Central Processing Unit

DC

Direct Current

I/O

In/Out

LAD

Ladder

PID

Proportional Integral Derivative

PLC

Programmable Logic Controller

PTO

Pulse Train Output

PV

Process Value

PWM

Pulse Width Modulation

SB

Signal Board

SM

Signal Module

SV

Setpoint Value

i

ii

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH
Bảng 1. Ảnh hưởng của việc thay đổi các tham số PID..................................11
Bảng 2. Cấu hình CPU và số lượng ngõ vào ra của PLC S7-1200................13
Bảng 3. Thông số các module mở rộng...........................................................14
Bảng 4. Các chế độ hoạt động của bộ PID.....................................................17
Bảng 5. Chỉ số ErrorBits và trạng thái lỗi bộ PID.........................................18
Bảng 6. Sai số hệ thống khi chạy không tải tại Setpoint 500 C.......................54
Bảng 7. Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần 1 đến lần 23............................56
Bảng 8. Bảng giá trị lấy mẫu sấy hành từ lần 24 đến lần 46..........................56
Bảng 9. Bảng giá trị lấy mẫu sấy lá thìa canh................................................57
Hình 1.1. Hệ thống các phương pháp sấy.........................................................4
Hình 1.2. Thiết bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức....................5
Hình 1.3. Sấy đối lưu bằng khơng khí nóng sử dụng buồng sấy.......................5
Hình 1.4. Sấy bức xạ sử dụng đèn hồng ngoại..................................................6
Hình 1.5. Hệ thống các phương pháp điều khiển nhiệt độ...............................7
Hình 1.6. Tổng quan về tình hình nghiên cứu..................................................8
Hình 2.1. Mơ hình tốn học hệ thống dùng bộ điều khiển PID.......................10
Hình 2.2. Thuật tốn bộ điều khiển PID số.....................................................11
Hình 2.3. PLC S7-1200...................................................................................12
Hình 2.4. Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200...................................14
Hình 2.5. Giao diện phầm mềm TIA Portal 13...............................................15
Hình 2.6. Khởi tạo hàm PID nằm trong chương trình ngắt............................16
Hình 2.7. Cấu trúc hàm PID Compact trong PLC S7-1200............................16
Hình 2.8. Khả năng mở rộng của S7-200 và S7-1200.....................................19
Hình 2.9. Cấu hình I/O của S7-200 và S7-1200..............................................19
Hình 2.10. Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC của S7-200 và S7-1200............20
Hình 2.11. Cấu trúc lập trình trên S7-200 và S7-1200...................................20

Hình 2.12. Cấu trúc chương trình con trên S7-200 và S7-1200.....................21
ii


iii

Hình 2.13. Cấu trúc chương trình con FC với biến nhớ tạm thời của S71200.................................................................................................................22
Hình 2.14. Cấu trúc dữ liệu kiểu mới trên S7-1200........................................22
Hình 2.15. Buồng sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức..................23
Hình 2.16. Hệ thống năng lượng sử dụng pin mặt trời...................................24
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy...........................................................26
Hình 2.18. Thiết kế hệ thống buồng sấy trên phần mềm SolidWorks..............27
Hình 2.19. Hình ảnh 3D khay sấy hệ thống....................................................28
Hình 2.20. Hệ thống thốt ẩm chủ động.........................................................29
Hình 2.21. Hệ thống khung buồng sấy............................................................30
Hình 2.22. Khung bộ thu nhiệt........................................................................30
Hình 2.23. Chân đế của buồng sấy.................................................................31
Hình 2.24. Sơ đồ khối hệ thống cấp nguồn và điều khiển sấy.........................32
Hình 2.25. Pin mặt trời cơng suất 300W.........................................................32
Hình 2.26. Ắc quy JS 12V-120Ah....................................................................33
Hình 2.27. Inverter Sanshun............................................................................33
Hình 2.28. PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC.........................................34
Hình 2.29. Bộ điều khiển nhiệt độ Shihlin(1), SSR Carlo Gavazzi(2), Board
SB1232 (3).......................................................................................................34
Hình 2.30. Cảm biến PT100 và bộ điều khiển nhiệt độ DOOTECH FX.........35
Hình 2.31. Cảm biến đo độ ẩm và hiển thị ProSens.......................................35
Hình 2.32. Các thiết bị bảo vệ và cơ cấu chấp hành trung gian.....................36
Hình 2.33. Mạch nguyên lý hệ thống điều khiển.............................................36
Hình 2.34.Thiết kế tủ điều khiển......................................................................37
Hình 2.35a.Thiết kế mặt ngồi tủ điện............................................................37

Hình 2.35b.Thiết kế mặt trong tủ điện.............................................................38
Hình 2.36. Máy cưa bàn cắt gỗ.......................................................................39
Hình 2.37. Máy cưa đĩa cắt gỗ và máy khoan.................................................40
Hình 2.38. Máy hàn thiếc................................................................................41
Hình 2.39. Một số dụng cụ được dùng lắp ghép tủ điện.................................41
iii


iv

Hình 2.40. Lưu đồ thuật tốn điều khiển.........................................................43
Hình 2.41. Máy tính có cài đặt TIA Portal v13...............................................44
Hình 3.1. Bộ thu nhiệt từ năng lượng mặt trời................................................46
Hình 3.2. Thiết bị hút ẩm chủ động.................................................................46
Hình 3.3. Buồng sấy........................................................................................47
Hình 3.4. Hệ thống cấp bù nhiệt.....................................................................47
Hình 3.5. Hệ thống tuần hồn khí sấy.............................................................48
Hình 3.6. Hệ thống chân đỡ và khung.............................................................48
Hình 3.7. Hệ thống cơ khí hồn chỉnh.............................................................49
Hình 3.8. Tủ đựng PLC...................................................................................49
Hình 3.9. Hệ thống đèn báo, cơng tắc.............................................................50
Hình 3.10. Hệ thống bảo vệ, khối nguồn.........................................................50
Hình 3.11. Hệ thống mạch động lực................................................................51
Hình 3.12. Hệ thống chấp hành trung gian.....................................................51
Hình 3.13. Tủ điện hồn chỉnh........................................................................52
Hình 3.14. Hệ thống hồn chỉnh.....................................................................52
Hình 3.15. Kết quả phần mềm.........................................................................53
Hình 3.16. Sấy hành tại nhiệt độ 500 C...........................................................54
Hình 3.17a. Hành sau khi sấy.........................................................................56
Hình 3.17b. Kiểm tra tính đồng đều của sản phẩm sấy..................................56

Hình 3.18. Nguyên liệu sấy là lá thìa canh.....................................................57

iv


1

ĐẶT VẤN ĐỀ
1.Tính cấp thiết của đề tài:
Năng lượng ln luôn là yếu tố cần thiết trong nhiều lĩnh vực của cuộc
sống, trong đó nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt rất lớn, đặc biệt là trong lĩnh
vực sản xuất. Trong lĩnh vực này, năng lượng nhiệt được dùng để sấy khơ,
nung nóng chảy, nhiệt luyện…để tạo ra sản phẩm. Sấy chính là một trong
những ứng dụng phổ biến của năng lượng nhiệt. Thiết bị sấy, công nghệ sấy
len lỏi vào mọi lĩnh vực của quá trình sản xuất, trong nông nghiệp là sấy cà
phê, ngô, vải, nhãn... Trong thủy sản là các thiết bị sấy tôm, cá. Ngành công
nghiệp dệt may, sơn, các ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi luôn luôn dùng
các thiết bị sấy nhân tạo để tạo ra thành phẩm. Gần đây, thiết bị sấy còn có
mặt trong lĩnh vực y học, điển hình chính là tủ sấy các dụng cụ y tế. Và để tạo
ra được các sản phẩm cuối cùng đạt các chỉ tiêu về chất lượng, thì trong suốt
q trình sấy, độ chính xác của nhiệt độ sấy là yếu tố quan trọng nhất quyết
định đến chất lượng của thành phẩm. Do đó, phương pháp, công nghệ và thiết
bị điều khiển nhiệt độ đóng vai trị sống cịn quyết định đến chất lượng của
các sản phẩm sấy.
Phương pháp sử dụng vi điều khiển trong các bộ điều khiển nhiệt độ có
ưu điểm là giá thành rẻ hơn so các bộ điều khiển sử dụng PLC, tuy nhiên
nhược điểm lớn nhất của vi điều khiển là chống nhiễu không tốt, hoạt động
không ổn định trong mơi trường nhiều tín hiệu nhiễu, có nhiệt độ và độ ẩm
cao. PLC được sản xuất với mục đích sử dụng tốt trong các hệ thống cơng
nghiệp, có khả năng hoạt động ổn định tuyệt vời trong điều kiện có nhiều tín

hiệu nhiễu, trong mơi trường có độ ẩm lớn, nhiệt độ cao. Đó chính là ưu điểm
lớn nhất của PLC mà vi điều khiển khơng thể có.
Gần đây, hãng Siemens đã cho ra đời dòng S7 – 1200 với giá thành hấp
dẫn hơn, công nghệ tiên tiến hơn và có nhiều tính năng vượt trội so với dịng
S7 – 200. Một trong những cải tiến lớn nhất của S7-1200 chính là việc cho
phép lập trình theo cấu trúc Multiple organization blocks[4] (nhiều khối
1


2

chương trình chính), trong khi ở S7-200 chỉ là One common data blocks for
all program blocks (chỉ cho phép lập trình với một chương trình chính duy
nhất). Việc S7-1200 cho phép lập trình với nhiều khối chương trình chính độc
lập sẽ giúp giảm thời gian trễ của quá trình điều khiển, giúp cho việc xử lý
mượt mà hơn và cho kết quả điều khiển chính xác hơn. Đi cùng PLC S7-1200
là các thiết bị mới như module SM( Signal module), CM( Communication
module). Nếu như ở dịng S7-200 chỉ có các thiết bị module mở rộng đi kèm,
thì với S7-1200, Siemens đã tạo ra sự tươi mới với thiết bị mở rộng đi kèm
khơng chỉ dừng lại ở module, đó là SB(Signal board) nhằm phục vụ khi yêu
cầu công nghệ đặt ra không yêu cầu thêm quá nhiều chức năng, các ngõ vào,
ngõ ra cần mở rộng, giúp tiết kiệm chi phí và hạn chế sự lãng phí khơng cần
thiết.
Chính vì những ưu điểm vượt trội của PLC S7 – 1200 như trên, em đã quyết
định lựa chọn đề tài:“ Nghiên cứu chế tạo mơ hình hệ thống tự động ổn
định nhiệt độ buồng sấy nơng sản ” cho khóa luận tốt nghiệp.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Đề tài được triển khai, thực hiện với mục tiêu là nghiên cứu và chế tạo
thành cơng mơ hình hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nông sản.
Hệ thống hoạt động ổn định, bền bỉ, sản phẩm sấy có chất lượng đồng đều

nhau.
3. Ý nghĩa khoa học của đề đài:
- Điều khiển và ổn định nhiệt độ của thiết bị sấy ở một điểm đặt nhất
định, với sai số nhỏ, đảm bảo thực hiện chính xác quy trình sấy theo u cầu
kỹ thuật công nghệ đối với sấy nông sản hoặc thảo dược.
- Điều khiển thoát ẩm, giúp hơi ẩm được thoát ra một cách đều đặn,
khơng để tích ẩm và cũng khơng thốt ẩm q nhanh sẽ làm tổn hao nhiệt lớn.
4.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Với những kết quả mà đề tài đạt được, đề tài đã thành công trong việc
nghiên cứu, khai thác đưa vào sử dụng những thiết bị mới, cụ thể là PLC S71200 và Board tín hiệu mở rộng đi kèm SB1232, với cơng nghệ tiên tiến và
2


3

đặc biệt là làm giảm giá thành chế tạo hệ thống so với việc sử dụng dòng PLC
S7-200.

3


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về các phương pháp sấy
Có thể chia phương pháp sấy ra làm hai loại: Sấy tự nhiên và sấy nhân
tạo [2].
Sấy tự nhiên là quá trình phơi vật liệu ngồi trời, khơng sử dụng thiết bị
sấy, tận dụng nguồn nhiệt tự nhiên từ ánh sáng mặt trời để sấy sản phẩm.
Sấy nhân tạo là phương pháp sấy mà sản phẩm sấy được đặt trong các

thiết bị sấy trong suốt q trình sấy. Trong sấy nhân tạo lại có thể chia ra
thành nhiều phương pháp sấy khác nhau, có thể hệ thống hóa các phương
pháp sấy như ở hình vẽ sau (hình 1.1).

Hình 1.1. Hệ thống các phương pháp sấy

1.2. Một số phương pháp và thiết bị sấy nhân tạo
1.2.1. Phơi và sấy bằng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời được thu nhận để làm nóng khơng khí, khơng khí
nóng sau đó được sử dụng để để sấy ngun liệu. Có 3 loại thiết bị sấy thường
được sử dụng:
 Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hồn khí tự nhiên
4


5

 Thiết bị sấy có bộ phận thu năng lượng riêng biệt
 Thiết bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức (thiết bị thu năng
lượng và buồng sấy riêng biệt)

Hình 1.2. Thiết bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức

1.2.2. Sấy đối lưu
Khơng khí nóng hoặc khói lị được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ,
độ ẩm, tốc độ phù hợp chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong
vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy. Khơng khí có thể chuyển động cùng
chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm. Thiết bị
dùng trong sấy đối lưu có thể là thùng sấy, buồng sấy, lị sấy hay hầm sấy.

Hình 1.3. Sấy đối lưu bằng khơng khí nóng sử dụng buồng sấy

1.2.3. Sấy bức xạ
5


6

Trong sấy bức xạ, nhiệt được truyền đến vật liệu sấy chủ yếu qua bức
xạ của nguồn nhiệt. Các thiết bị được sử dụng trong sấy bức xạ thường là các
bóng đèn có cơng suất lớn, điện trở...ẩm sẽ bay hơi vào dịng tác nhân sấy rồi
bay ra ngồi.

Hình 1.4. Sấy bức xạ sử dụng đèn hồng ngoại

1.3. Tổng quan về các phương pháp điều khiển nhiệt độ sấy
Ưu điểm lớn nhất của sấy nhân tạo so với sấy tự nhiên chính là sấy nhân tạo
có thể điều khiển và ổn định được nhiệt độ sấy. Hiện nay, để điều khiển nhiệt
độ sấy trong công nghiệp, thiết bị được sử dụng thường là các bộ điều khiển
nhiệt độ, các bộ điều khiển logic. Có 3 phương pháp chính thường được dùng
khi sử dụng các thiết bị điều khiển này, đó là các phương pháp: Điều khiển
On/Off, điều khiển bằng thuật tốn PID, điều khiển mờ (Fuzzy) ,

trong

đó,

phương pháp điều khiển On/Off và điều khiển PID được sử dụng rộng rãi
hơn cả. Ưu điểm của điều khiển On/Off so với điều khiển PID là dễ thực hiện,
thiết bị phần cứng đơn giản, chi phí chế tạo hệ thống khơng cao nhưng lại có

6


7

nhược điểm là sai số nhiệt độ lớn, và nhiệt độ sấy thường khơng ổn định.
Chính vì vậy, trong các hệ thống sấy có u cầu tính ổn định của nhiệt độ cao,
sai số nhỏ, phương pháp thường được sử dụng chính là điều khiển bằng thuật
tốn PID.

Hình 1.5. Hệ thống các phương pháp điều khiển nhiệt độ

1.4. Tổng quan về nghiên cứu ổn định nhiệt trong q trình sấy
Tính đến thời điểm hiện tại, đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu liên quan đến
việc điều khiển và ổn định nhiệt độ.Các bộ điều khiển nhiệt độ sử dụng trong
các đề tài nghiên cứu thường sử dụng vi điều khiển[3] hoặc PLC[1] làm bộ
điều khiển trung tâm. Với những đề tài nghiên cứu sử dụng PLC trong bộ điều
khiển trung tâm thì thường sử dụng dịng S7-200 hoặc S7-300 của hãng
Siemens, hầu như khơng sử dụng dịng S7-1200 mới ra đời của Siemens.
Một số đề tài nghiên cứu thuộc lĩnh vực này như:
[1]. Trần Công Danh (2013), Điều khiển nhiệt độ dùng PLC S7-200 và
EM231, Đại học Cần Thơ.
[2]. Lê Tiến Lộc, Lâm Thanh Hiển (2010), Nghiên cứu ba chế độ điều khiển
On/Off, PID, Fuzzy và ứng dụng trong điều khiển mơ hình lị nhiệt, Đại học Lạc
Hồng.
[3]. Nguyễn Thị Hoài Sơn, Nguyễn Văn Hồng, Ứng dụng vi điều
khiểnATMEGA 8535 họ AVR trong tự động điều khiển khí sấy nơng sản và
hiển thị kết quả trên máy tính.
Các cơng trình nghiên cứu [1], [2], [3] đều sử dụng phương pháp điều
7

8

khiển PID, với ngưỡng nhiệt độ đặt khoảng 500 C đều cho sai số lớn nhất
khơng dưới 10 C.
Có thể hệ thống hóa tình hình nghiên cứu của các cơng trình có liên quan đến
lĩnh vực điều khiển và ổn định nhiệt độ như ở hình 1.6 dưới đây:

Hình 1.6. Tổng quan về tình hình nghiên cứu

1.5. Định hướng nghiên cứu của khóa luận
Qua việc tổng kết các cơng trình nghiên cứu có nội dung liên quan đến
vấn đề điều khiển và ổn định nhiệt độ. Các cơng trình này chủ yếu sử dụng
điện trở đốt làm tác nhân sấy, hệ thống điều khiển nhiệt độ thường sử dụng
những dòng PLC đã có từ lâu của hãng Siemens, chưa xem xét đến việc ứng
dụng những thiết bị mới ra đời như S7-1200, bên cạnh đó, các cơng trình này
cũng chưa đề cập đến việc ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp song song
cùng với năng lượng cung cấp từ điện lưới phục vụ cho q trình sấy. Chính
vì thế, khóa luận sẽ tập trung nghiên cứu vào việc khai thác và sử dụng thiết
bị mới của hãng Siemens, cụ thể là dòng PLC S7-1200 làm bộ điều khiển
trung tâm điều khiển tồn bộ q trình sấy, khóa luận tiến hành thiết kế, thi
công hệ thống tự động ổn định nhiệt độ buồng sấy nông sản sử dụng đồng
thời nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với nguồn năng lượng lấy từ điện lưới
cung cấp cho quá trình sấy.
8


9

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận bao gồm:
 Bộ điều khiển nhiệt độ buồng sấy
 Hệ thống cơ khí của buồng sấy
 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ buồng sấy
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
 Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của PLC S7-1200
 Hệ thống cơ khí buồng sấy sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng thiết
bị sấy gián tiếp có bộ phận dẫn nhiệt cưỡng bức
 Nghiên cứu ổn định nhiệt độ buồng sấy bằng phương pháp điều khiển
PID
2.2. Nội dung nghiên cứu
+ Nội dung 1: Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp điều khiển PID
+ Nội dung 2: Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200
+ Nội dung 3: Hệ thống buồng sấy sử dụng năng lượng mặt trời
+ Nội dung 4: Xây dựng hệ thống cơ khí buồng sấy
+ Nội dung 5: Xây dựng hệ thống cấp điện và điều khiển sấy
+ Nội dung 6: Thi công hệ thống sấy
+ Nội dung 7: Hoàn thiện,chạy thử, đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Tiến trình thực hiện nghiên cứu
Tiến trình nghiên cứu được chia thành 5 bước
 Bước 1: Tìm hiểu cơng nghệ lị sấy và các phương pháp điều khiển
nhiệt độ, các vấn đề thực tế liên quan đến điều khiển nhiệt độ buồng
sấy.
9

10

 Bước 2: Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ buồng sấy.
 Bước 3: Xây dựng và thi công mơ hình phần cứng hệ thống.
 Bước 4: Thiết kế, thi công phần mềm của hệ thống.


Bước 5: Chạy thử, đánh giá sự ổn định của hệ thống

2.3.2. Phương pháp thực hiện nội dung 1: Điều khiển nhiệt độ bằng phương
pháp điều khiển PID
Phương pháp điều khiển nhiệt độ dựa trên việc sử dụng bộ điều khiển
PID được mô tả bằng mơ hình tốn học như sau:

Hình 2.1. Mơ hình toán học hệ thống dùng bộ điều khiển PID

Giá trị sai lệch ek được trích ra từ việc so sánh giá trị đặt so với giá trị hiện tại
được đưa đến đầu vào của bộ điều khiển PID, thuật toán PID sau khi được
thực hiện sẽ cho ra một giá trị uk tại đầu ra và được đưa tới khâu lưu giữ bậc
0, và sau khi qua khâu truyền đạt W( hàm truyền) sẽ cho ra giá trị tại đầu ra
của hệ thống.
Đối với một hệ thống xác định thì hàm truyền của hệ thống là xác định, vì
thế thuật toán của bộ điều khiển PID sẽ quyết định đến mức độ chính xác và
sự ổn định nhiệt độ của hệ thống. Biểu thức giải thuật PID được miêu tả bằng
phương trình như sau:

Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: giá
trị tỉ lệ, giá trị tích phân và giá trị vi phân đặc trưng cho 3 khâu: khâu tỉ lệ,
khâu tích phân và khâu đạo hàm. Giá trị tỉ lệ P phụ thuộc vào sai số hiện tại,

giá trị tích phân I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và giá trị vi phân
10


11

D dự đoán các sai số tương lại dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Có thể miêu tả
thuật tốn của bộ điều khiển PID số bằng hình ảnh sau:

Hình 2.2. Thuật tốn bộ điều khiển PID số

Bằng cách điều chỉnh ba tham số trong thuật toán của bộ điều khiển
PID, thì đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhậy sai
số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao
động của hệ thống.
Ảnh hưởng của bộ ba tham số KP , KI , KD đối với các chỉ tiêu chất lượng
được thể hiện qua bảng sau:
Bảng 1. Ảnh hưởng của việc thay đổi các tham số PID

11


12

Như vậy, đối với phương pháp điều khiển PID thì việc lựa chọn giá trị
của bộ ba tham số KP , KI , KD sẽ quyết định đến chất lượng của quá trình điều
khiển. Đối với mỗi hệ thống cụ thể sử dụng bộ điều khiển PID, để hệ thống có
thể hoạt động tối ưu thì việc lựa chọn chính xác bộ ba tham số PID đóng vai
trị quyết định.
2.3.3. Phương pháp nội dung 2: Bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200

a. Tổng quát về PLC S7-1200
PLC S7-1200 là một bộ điều khiển logic khả trình được kết hợp bởi
một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp cùng với các mạch ngõ vào và mạch
ngõ ra trong một kết cấu thu gọn. Sau khi người dùng tải xuống một chương
trình điều khiển, mạch logic trong CPU sẽ giám sát và điều khiển các thiết bị
nằm trong ứng dụng. CPU sẽ giám sát ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo
logic của chương trình người dùng. Ngồi ra, CPU còn được trang bị một
cổng giao tiếp PROFINET giúp PLC có thể giao tiếp qua một mạng
PROFINET.

Hình 2.3. PLC S7-1200

1. Bộ phận kết nối nguồn
12


13

2. Các ngõ vào ra
3. Hệ thống đèn LED báo trạng thái các ngõ vào/ra
4. Cổng Profinet
PLC S7-1200 được phân ra thành các dòng CPU khác nhau, mỗi dòng CPU
khác nhau về cấu hình và số lượng các ngõ vào ra
Bảng 2. Cấu hình CPU và số lượng ngõ vào ra của PLC S7-1200

Họ S7-1200 còn được cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu,
module truyền thơng mở rộng và board tín hiệu mở rộng đi kèm giúp mở rộng
dung lượng của CPU. Với CPU 1214C V3.0, bộ nhớ làm việc có dung lượng
50Kb, với V4.0 dung lượng được mở rộng lên 75Kb và đặc biệt, với V4.1
mới nhất hiện nay, dung lượng làm việc được hỗ trợ lên đến 100Kb. Việc S71200 hỗ trợ cho bộ nhớ làm việc có dung lượng lớn giúp người sử dụng có thể

thoải mái lập trình với những dự án lớn, phức tạp mà không phải sử dụng đến
thẻ nhớ hỗ trợ bên ngoài.

13


14

Bảng 3. Thông số các module mở rộng

Cách kết nối module mở rộng, board tín hiệu mở rộng với PLC S71200: Số module truyền thơng tối đa có thể kết nối với một PLC là 3, được
chèn vào phía bên trái PLC ở các khe: 101, 102 và 103. Board tín hiệu(SB) tối
đa là 1 được chèn vào CPU. Số module mở rộng (SM) tối đa có thể kết nối
được với PLC là 8, được chèn vào phía bên phải của PLC, được chèn vào các
khe từ 2 đến 9.

Hình 2.4. Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200

14


15

1. CM
2. PLC S7-1200
3. Cổng giao tiếp Profinet
4. SB
5. SM
Công cụ lập trình cho S7-1200 là phần mềm Step7 Professional được tích hợp
trong phần mềm TIA Portal của Siemens.

Hình 2.5. Giao diện phầm mềm TIA Portal 13

b. Bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200
PLC S7-1200 có bộ điều khiển PID số hỗ trợ cho người sử dụng rất
mạnh, nếu như ở S7-200, khi sử dụng bộ điều khiển PID, người dùng phải tự
dò bộ ba tham số KP , KI , KD thì với S7-1200, người dùng khơng phải mất
thời gian để tự dò các tham số này nữa. Điều này giúp người sử dụng tốn ít
thời gian hơn để hoàn thành hệ thống. Hàm PID trong S7-1200 hoạt động
theo cấu trúc của một chương trình ngắt, khơng phụ thuộc vào chu kỳ quét
của PLC và được đều đặn gọi ra sau mỗi một khoảng thời gian định trước,
khoảng thời gian này có thể thay đổi được trong phần mềm lập trình, và được
thiết lập trong phần cấu hình bộ PID trước khi sử dụng.
15