PHẦN 1: DẪN NHẬP1. Đặt vấn đềTrong những năm gần đây kỹ thuật lạnh đã có những bước phát triển đáng kể, và thâm nhập vào nhiều ngành nghề khác nhau, đã hỗ trợ cho các ngành nghề đó phát triển. Đặc biệt là ngành công nghiệp thực phẩm, chế biến thịt cá, rau quả, rượu bia, nước giải khác, đánh bắt và xuất khẩu thuỷ hải sản, sinh học, hoá chất, hoá lỏng tách khí, sợi dệt may mặc, thuốc lá, chè, in ấn, điện tư, thông tin, y tế, văn hoá

Trước sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, kéo theo sự phát triển của tất cả các ngành, nghề và đòi hỏi tất cả các ngành các lĩnh vực phải hỗ trợ lẫn nhau cùng phát triển. Các ngành tự động hóa, kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin cũng có những bước phát triển nhảy vọt theo, các ứng dụng của các ngành này vào các ngành khác ngày càng nhiều, trong đó có ngành kỹ thuật lạnh. Nó đã góp phần tích cực vào nâng cao năng suất lao động cho con người, tăng chất lượng của hàng hoá đặt biệt là trong lĩnh vực xuất khẩu, đáp ứng được các tiêu chuẩn về chất lượng và an toàn thực phẩm của quốc tế.

Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị. Các hệ thống máy móc và thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có rất nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn. Từng đại lượng vật lý đơn lẻ có thể được điều khiển bằng một mạch điều khiển cơ sở dạng tương tự hay gián đoạn. Điều khiển nhiều đại lượng vật lý đồng thời chúng ta không thể dùng các mạch điều khiển tương tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển lô gíc. Trước đây các hệ thống điều khiển lô gíc được sự dụng là hệ thống lô gíc rơ le. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện vào năm 1969 đã dần thay thế các hệ thống điều khiển rơ le. Càng ngày PLC càng trở nên hoàn thiện và đa năng. Các PLC ngày nay không những có khả năng thay thể hoàn toàn các thiết bị điều khiển lo gíc cổ điển, mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tương tự. Các PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

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. Các ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự như sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển lô gíc, nên các kỹ sư đã làm quen với sơ đồ thang, dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua một quá trình đào tạo nào.

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. Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệ thống quản lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở.

Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các hệ thống công nghiệp. 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 do một số lý do sau:

[*]Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một 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.

[*]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.

Trong kỹ thuật điều khiển theo phương pháp cũ, để thực hiện một dây chuyền sản xuất, một hệ thống hay một thiết bị hoạt động theo yêu cầu người ta thực hiện chúng bằng cách kết nối các thiết bị rời lại với nhau như relay, contactor, timer theo yêu cầu để tạo thành một hệ thống điều khiển. Để thực hiện được điều đó phải có kiến thức nhất định và tốn nhiều thời gian, công sức để thiết kế, đồng thời việc bảo trì,lắp đặt, sửa chữa gặp nhiều khó khăn và giá thành cho một hệ thống khá cao. Khi muốn thay đổi sự hoạt động của hệ thống, đôi khi phải thay thế và thiết kế lại toàn bộ hệ thống, công việc này rất tốn kém. Vì vậy ngày nay hầu hết các nhà máy xí nghiệp thay thế các hệ thống điều khiển nối cứng bằng điều khiển lập trình được.

Với chính sách mở cửa, tự do cạnh tranh lành mạnh nhằm hòa nhập nền kinh tế quốc gia với kinh tế các nước trên thế giới, tấc cả các ngành nghề phải đủ mạnh để cùng hợp tác và cạnh tranh với các đối tác trong và ngoài nước. Hưởng ứng lời kêu gọi của Đảng và Chính phủ: nâng cao trình độ tư duy và tay nghề, cống hiến một phần nhỏ bé vào sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước.

Một trong những thiết bị được thế kế dùng trong tự động hoá là thiết bị điều khiển logic khả trình_PLC (Programmable Logic Control). Với một PLC ta có thể thay đổi chương trình vận hành theo ý muốn. Điều này thực hiện khá dễ dàng nhờ sự điều khiển mềm dẻo và linh hoạt của PLC. Ngày nay PLC được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động và chiếm vị trí vững chắc trong kỹ thuật điều khiển tiên tiến.

Chính vì thế mà hiện nay PLC được nhiều chuyên gia, kỹ sư thiết kế, kỹ thuật viên,chuyên viên, công nhân bậc cao tham gia nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như muốn làm quen với việc điều khiển hệ thống lạnh bằng PLC, nhóm thực hiện đề tài chọn PLC S7-200 của hãng Siemens sản xuất để nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp, nhằm lĩnh hội những tri thức cần thiết và cơ bản về PLC trong việc tự động hoá hệ thống lạnh.

2. Nhiệm vụ đề tài

[*]Nghiên cứu các ứng dụng của PLC Siemens vào điều khiển, bảo vệ các thiết bị trong hệ thống lạnh.

[*]Xây dựng mô hình thực tế dùng PLC Siemens điều khiển hệ thống lạnh.

Đặc điểm, yêu cầu điều khiển hệ thống lạnh.

Hệ thống lạnh cần điều khiển gồm có 1 kho trữ đông với một dàn lạnh, 1 máy nén một cấp, 1 dàn nóng được làm mát bằng không khí. Tiết lưu hệ thống bằng van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài kèm 1 van điện từ. Hệ thống xả băng bằng điện trở.

Những thiết bị cần điều khiển: Quạt dàn lạnh, Quạt dàn nóng, Van điện từ, Điện trở xả băng và Máy nén.

Các thông số cần theo dõi và khống chế: nhiệt độ kho lạnh (Tp), nhiệt độ môi chất ở đầu đẩy máy nén (T2), áp suất thấp (Po), áp suất cao (Pk) và độ bám tuyết của dàn lạnh khi kho hoạt động ở nhiệt độ âm dựa vào độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ vào dàn lạnh và nhiệt độ ra khỏi dàn lạnh.

3. Mục tiêu nghiên cứuĐiều khiển lập trình PLC mang tính mềm dẻo và linh hoạt, điều khiển dựa vào chương trình và thực hiện lệnh logic. Nhóm thực hiện đề tài hy vọng sau khi nghiên cứu đề tài này sẽ lĩnh hội nhiều hơn về các vấn đề liên quan đến PLC như: cấu hình phần cứng, tập lệnh của PLC, xây dựng lưu đồ và viết chương trình điều khiển hệ thống lạnh sử dụng PLC Siemems.

Để đảm bảo cho chương trình viết ra có khả năng hoạt động ổn định nhóm thực hiện đề tài đã chọn mô hình điều hòa không khí 2 cục để thí nghiệm.

4. Đối tượng nghiên cứuĐối tượng nghiên cứu là hệ thống lạnh, nguyên lý hoạt động của PLC, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, ngôn ngữ lập trình hình thang (LAD), cách truyền dữ liệu giữa chúng. Từ đó xây dựng chương trình điều khiển hệ thống lạnh bằng PLC Siemens.

5. Nội dung nghiên cứuSiemens là một tập đoàn Điện và điện tử lớn, chuyên sản xuất các thiết bị tự động hoá. PLC S7-300 là thế hệ sau được cải biến từ PLC S5 và PLC S7-200 của hãng Siemens. Nhóm thực hiện đề tài tiến hành nghiên cứu sơ lược các nội dung cơ bản của PLC S7 – 200, cụ thể gồm các nội dung sau:

- Giới thiệu tổng quát về PLC.

- Giới thiệu về thiết bị logic khả trình S7-200.

- Giới thiệu sơ lược các tập lệnh cơ bản của Step7.

- Kỹ thuật lập trình cho PLC S7-200.

- Giới thiệu và làm việc với phần mềm Step7.

- Viết chương trình ứng dụng điều khiển hệ thống lạnh trữ đông.

- Xây dựng mô hình thực tế dùng PLC S7 – 200 điều khiển máy điều hòa 2 cục