Tự động điều khiển độ ẩm máy ấp trứng gia cầm bằng bộ điều chỉnh PID số S7-200

Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 1 -
Đặt vấn đề
Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nớc ta có nhiều những thành
tựu vợt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lơng thực, thực phẩm cho đất
nớc mà còn xuất khẩu ra thị trờng thế giới. Với thành tựu to lớn đó, chúng
ta phải kể đến ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh
tế quốc dân. Sự phát triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi
gia cầm nói riêng đã đem lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bớc
xoá đói giảm nghèo và ngày càng có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất
của mình nhờ vào kinh tế trang trại. Ngày nay, nền kinh tế trang trại đợc phát
triển rộng rãi trên cả nớc với quy mô vừa và lớn do đó vấn đề con giống là
hết sức bức xúc.
ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phơng pháp tối u để
sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp
đợc một số lợng trứng lớn, và chất lợng con giống đợc nâng cao.
Trong quá trình ấp trứng, ẩm độ là một trong những thông số rất quan
trọng nó ảnh hởng rất lớn đến quá trình ấp nở. Vì vậy việc đảm bảo lợng ẩm
cần thiết cho quá trình ấp nở là hết sức quan trọng cho từng giai đoạn ấp.
Ngày nay, việc đa PLC vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp đã
đáp ứng tốt các yêu cầu trong điều khiển tự động hoá, nó đã trở thành yếu tố
chính để nâng cao hơn nữa hiệu quả của sản xuất trong công nghiệp nớc ta.
Việc đa PLC vào điều khiển cho máy ấp trứng công nghiệp là rất cần thiết, vì
nó đảm bảo điều khiển chính xác các thông số cho quá trình ấp nở và cho hiệu
quả ấp nở cao, hệ thống điều khiển ngọn nhẹ, dễ dàng thao tác, mang lại hiệu
quả kinh tế cao cho ngời nông dân. Do vậy chúng tôi sử dụng PLC S7- 200 với
CPU 224 để thực hiện tự động điều khiển độ ẩm cho máy ấp trứng gia cầm.
Đợc sự phân công của bộ môn Điện, với sự h
ớng dẫn của thầy giáo
Nguyễn Văn Đờng, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài:

"Tự động điều khiển độ ẩm máy ấp trứng gia cầm bằng bộ điều chỉnh PID
số S7 - 200" đã đạt đợc những thành công đáng kể.
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 2 -
Nội dung chi tiết của đề tài đã đợc trình bày trong báo cáo chính, bao
gồm các phần sau:
Mở đầu
Chơng 1: Tổng quan về ấp trứng gia cầm và đIều khiển độ ẩm
trong máy ấp trứng gia cầm
Chơng 2: PLC S7 - 200 và các module mở rộng
Chơng 3: phần mềm Step7- Micro Win32 và chơng trình điều
khiển PID số
Chơng4: Chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu
Chơng 5: Thiết kế mạch điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia
cầm
Kết luận và kiến nghị
Sau đây là tóm tắt nội dung chính của đề tài:










Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 3 -
Chơng 1
Tổng quan về ấp trứng gia cầm và đIều khiển độ ẩm trong máy ấp
trứng gia cầm

Trong máy ấp trứng công nghiệp, có hai chế độ ấp là ấp đơn kỳ và ấp đa
kỳ, tơng ứng với hai chế độ ấp này ta có máy ấp đơn kỳ và máy ấp đa kỳ. Các
chế độ ấp khác nhau thì yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm là khác nhau.
ấp đơn kỳ là chế độ ấp mà tất cả số trứng trong máy đều đợc đa vào
cùng một lúc nên chúng có tuổi ấp và tuổi nở giống nhau.
ấp đa kỳ là là chế độ ấp mà trứng đợc đa vào buồng ấp theo từng đợt,
thông thờng là 3 đợt, mỗi đợt cách nhau là một tuần.
1.1 Yêu cầu về độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm.
Độ ẩm là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình ấp. Yêu
cầu cụ thể đợc xác định theo các bảng dới đây:
* Yêu cầu ẩm đối với máy ấp đơn kỳ
Bảng 1.1: Bảng thông số về độ ẩm của từng giai đoạn ấp
trong máy ấp đơn kỳ (đối với trứng gà)
Các giai đoạn ấp Độ ẩm tơng đối (%) Nhiệt độ nhiệt kế ớt
1 ữ 5 ngày 60 ữ 61% 30 ữ 31
0
C
6 ữ 11 ngày 55 ữ 57% 29 ữ 29,5
0
C
12 ữ 18 ngày 50 ữ 53% 28 ữ 28,5
0
C
19 ngày 60% 30
0

C
20 ữ 21 ngày 70 ữ 75% 32 ữ 33
0
C


Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 4 -
* Yêu ẩm đối với máy ấp đa kỳ
Bảng 1.2: Bảng thông số về độ ẩm của từng giai đoạn trong máy ấp đa kỳ
(đối với trứng gà)
Các giai đoạn ấp Độ ẩm tơng đối (%) Nhiệt độ nhiệt kế ớt
1 ữ 15 ngày 55 ữ 57% 29 ữ29,5
0
C
16 ữ21 ngày 68 ữ 75% 30 ữ 32,5
0
C

1.2 Hệ thống điều khiển độ ẩm trong máy ấp trứng gia cầm
* Phơng pháp điều chỉnh độ ẩm
Trong các máy ấp thế hệ cũ, phơng pháp điều chỉnh đóng ngắt thờng
đợc sử dụng nhiều. Ngày nay, trong các máy ấp hiện đại ít đợc sử dụng.
Trong cách tạo ẩm bằng phơng pháp vung nớc qua cánh quạt trong máy,
ngời ta sử dụng phơng pháp đóng ngắt để điều chỉnh ẩm độ. Trong đề tài
này, chúng tôi sử dụng phơng pháp điều chỉnh độ ẩm liên tục. Nguyên lý của
phơng pháp điều chỉnh liên tục là sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất lớn
để điều khiển quay động cơ cấp ẩm cho máy ấp trứng gia cầm.

Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 5 -
* Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ trong máy ấp trứng gia cầm
Hệ thống điều chỉnh tự động thông thờng đợc phân thành hai loại: hệ
thống điều chỉnh kiểu hở và hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín. Trong giới
hạn của đề tài ta sử dụng phơng pháp điều chỉnh tự động mạch vòng kín.







Đây là sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ ở dạng đơn giản nhất,
làm việc theo sơ đồ mạch vòng kín, có vòng phản hồi là bộ cảm biến tín hiệu
ẩm đợc chuyển đổi và khuếch đại thành tín hiệu điện áp U

Pv
. Tín hiệu phản
hồi đợc so sánh với tín hiệu đặt trớc U

Sv
đa ra độ sai lệch e (e= U

Sv
-
U

Pv
). Bộ điều khiển sẽ điều khiển bộ tạo ẩm làm việc theo tín hiệu sai lệch e.
* Quy luật điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID)
Bộ điều khiển PID đợc thực hiện bởi khối PLC S7- 200- CPU 224. Giá trị
tác động điều chỉnh của quy luật điều khiển tỷ lệ vi tích phân đợc xác định bởi:
U = K
P
.e + K
I

e.d
t
+ K
D
dt
de
= K
m

++
dt
de
.Te.dt
T
1
e
d
I
(1.1)
Nhận xét: Việc tính toán xác định các hệ số K
P
, T
I
, T
d
là vấn đề rất khó trong
phạm vi của đề tài.
Bộ điều
khiển
PID
Bộ tạo

ẩm
U

Sv
e

U

Pv
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển ẩm độ
CĐ và KĐ
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 6 -
* Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng phơng pháp điều chế độ rộng xung
PWM
Tốc độ của quạt thổi đợc điều khiển bởi phơng pháp điều chế độ rộng
xung. Nội dung của phơng pháp đợc trình bày dới hình sau:

Trong đó: U
T
, U
đk
lần lợt là điện áp tựa và điện áp điều khiển.




U
đk
U
T
+E
-E
U
ra
OA
a)
a)

Khâu so sánh điều chế độ rộng xung
b)

Giản đồ thời gian xung đầu vào và đầu ra
U
ra
Hình 1.3: Phơng pháp điều chế độ rộng xung
0
U
0

t
U
T
U
đk
t
b)
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 7 -
Chơng 2
PLC S7 - 200 và các module mở rộng
2.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC S7 200
* Sơ đồ khối hệ thống PLC S7- 200

* Nguyên lý làm việc của PLC S7- 200
PLC thực hiện chơng trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp đợc gọi
là vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét đợc bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ
các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chơng trình.
Trong từng vòng quét, chơng trình đợc thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết
thúc bằng lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chơng trình là giai
đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét đợc kết thúc bằng giai đoạn
chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra.





Thiết bị
lập trình
Bộ nhớ
CPU
Giao diện
nhập

Giao diện
xuất
Nguồn
công suất
Hình2.1: Sơ đồ khối hệ thống PLC S7 - 200
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 8 -
Hình 2.3: Sơ đồ nối vào ra CPU 224 kiểu AC/DC/RELAY






* Sơ đồ nối thiết bị vào ra















2.2 Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC
1. Xác định quy trình điều khiển.
2. Xác định tín hiệu vào ra.
3. Soạn thảo chơng trình.
4. Nạp chơng trình vào bộ nhớ.
5. Chạy chơng trình.

Chuyển dữ
liệu từ bộ đệm
ảo ra ngoại vi
Truyền thông
và tự kiểm tra
lỗi
Nhập dữ liệu từ
ngoại vi vào bộ đệm
ảo
Thực hiện
chơng trình
Hình 2.2: Sơ đồ vòng quét trong PLC S7 - 200
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 9 -


2.3 Khối mở rộng analog EM 235
* Đặc tính chung
Modul vào/ra EM 235 là loại modul mở rộng với đầu vào analog tốc độ
cao. Nó có khả năng chuyển đổi một tín hiệu vào analog thành giá trị số tơng
đơng trong 171 s đối với CPU 212 và 139 s đối với tất cả các CPU S7- 200
khác. Việc chuyển đổi tín hiệu vào analog đợc thực hiện mỗi khi đầu vào
đợc truy cập bởi chơng trình.

-

Số đầu vào/ra: 4 đầu vào analog, 1 đầu ra analog.
-

Dải tín hiệu: Điện áp 10 V, Dòng điện 0 ữ 20 mA.
-

Kiểu dữ liệu lỡng cực: -32000 ữ 32000.
Đơn cực: 0 ữ 32000.
- Điện áp cung cấp: 24 V.
- Độ phân giải: Bộ chuyển đổi A/D 12 bits.
Hình 2.4: Sơ đồ khối và sơ đồ nối thiết bị vào/ra Module EM235

EM235
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 10 -
* Điều chỉnh đầu vào
Bảng2.1: Các giá trị đầu vào EM235
Đơn cực
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6
Dải điện áp Độ phân giải

ON OFF OFF ON OFF ON 0-50 mV
12,5 V
OFF ON OFF ON OFF ON 0-100 mV
25 V
ON OFF OFF OFF ON ON 0-500 mV
125 V
OFF ON OFF OFF ON ON 0-1 V
250 V
ON OFF OFF OFF OFF ON 0-5 V
1,25 V
ON OFF OFF OFF OFF ON 0-20 mA
5 A
OFF ON OFF OFF OFF ON 0-10 V
2,5 V
Lỡng cực
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6
Dải điện áp Độ phân giải
ON OFF OFF ON OFF OFF
25 mV 12,5 V
OFF ON OFF ON OFF OFF
50 mV 25 V
OFF OFF ON ON OFF OFF
100 mV 50 V
ON OFF OFF OFF ON OFF
250 mV 125 V
OFF ON OFF OFF ON OFF
500 mV 250 V
OFF OFF ON OFF ON OFF
1 V 500 V
ON OFF OFF OFF OFF OFF

2,5 V
1,25 mV
OFF ON OFF OFF OFF OFF
5 V
2,5 mV
OFF OFF ON OFF OFF OFF
10 V
5 mV


2.4 Kết nối PLC S7- 200 với máy tính PC







Hình 2.5: Sử dụng cáp PC/PPI kết nối với một CPU S7- 200
Báo cáo tóm tắt Nguyễn Văn Trí - Điện 45A

- 11 -
Chơng 3
phần mềm Step7 - Micro Win32 và chơng trình điều khiển pid số

3.1 Giới thiệu phần mềm Step7 - Micro Win32
Phần mềm Step7 - Micro Win32 có 3 dạng soạn thảo chơng trình:
LAD, STL, FBD. Trong số này LAD là ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa dễ
hiểu nhất. Những thành phần cơ bản của chơng trình trong LAD tơng ứng
với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơ le. Các thành phần cơ bản

biểu diễn các lệnh logic nh sau: tiếp điểm, cuộn dây, hộp.
3.2
Chơng trình điều khiển PID số và điều chế phát xung tốc độ cao
PWM
* Phơng pháp điều khiển PID số
- Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển PID dựa vào biểu thức (1.1).
Trong máy tính số, hàm số đầu ra ở dạng liên tục phải đợc chuyển tơng
đơng thành gián đoạn theo chu kỳ trích mẫu có dạng:
U
n
= K
c
.e
n
+

+
n
1
.K
0
Ue
n
I
+
K
D
.(e
n
- e

n-1
) (3.1)
CPU của PLC tính toán các giá trị đầu ra theo mô hình cải biến:
U
n
= UP
n
+ UI
n
+ UD
n
(3.2)
Phơng trình thành phần tỉ lệ trong CPU là:
UP
n
= K
c
.(Sv
n
- Pv
n
) = K
c
.e
n
(3.3)
Phơng trình của thành phần tích phân:
UI
n
= K

c
.T
s
/ T
i
.(Sv
n
- Pv
n
) + UX = K
c
.T
s
/ T
i
.e
n
+ UX (3.4)
Phơng trình biểu diễn thành phần vi phân:
UD
n
= K
c
.T
D
/T
S
.(Pv
n-1
- Pv

n
) (3.5)
* Điều chế phát xung tốc độ cao PWM
Trong CPU 224 hai cổng ra Q0.0 và Q0.1 có thể đợc sử dụng phát dãy
xung tốc độ cao PTO (pulse train output) và tín hiệu điều chế độ rộng xung
PWM (pulse with modulation). PWM là một dãy xung kiểu tuần hoàn, có chu