Giới thiệu chung hệ thống điều khiển thông gió
Lịch sử nghiên cứu
1.1.1 Định nghĩa về thông gió
Sự thông gió là quá trình chuyển động có chủ ý của không khí từ bên ngoài vào trong tòa nhà, nhằm cải thiện chất lượng không khí Theo định nghĩa của Hiệp hội các kỹ sư nhiệt, lạnh và điều hòa không khí của Mỹ, quy định này được nêu trong Tiêu chuẩn ASHRAE 62.1.
Dòng không khí được sử dụng để cung cấp không khí bên trong với chất lượng chấp nhận được, theo tiêu chuẩn của ASHRAE, không nên nhầm lẫn với lỗ thông hơi hoặc ống khói Những lỗ thông hơi hoặc ống khói này có nhiệm vụ đưa các sản phẩm thải ra từ quá trình đốt cháy, như khí thải từ máy sấy quần áo và các thiết bị làm nóng, ra khỏi tòa nhà một cách an toàn, nhằm bảo vệ sức khỏe của người ở bên trong Chuyển động của không khí giữa các không gian trong nhà là yếu tố quan trọng trong việc duy trì chất lượng không khí trong nhà.
1.1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống thông gió
Sự phát triển của thông gió ép buộc vào thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX được thúc đẩy bởi niềm tin rằng không khí tù đọng là nguồn lây lan bệnh tật Phương pháp thông gió đầu tiên sử dụng ngọn lửa thông thoáng gần lỗ thông hơi để ép không khí lưu thông trong tòa nhà Kỹ sư John Theophilus Desaguliers đã chứng minh ứng dụng đầu tiên của phương pháp này bằng cách đặt các ngọn lửa thông gió trong ống gió trên mái nhà của Hạ viện Tại Nhà hát Covent Garden, các đèn chùm đốt bằng khí trên trần nhà được thiết kế đặc biệt để thực hiện chức năng thông gió.
1 ANSI/ASHRAE Standard 62.1, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, ASHRAE, Inc., Atlanta,
2 The ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, USA
Vào giữa thế kỷ XVIII, kỹ sư Stephen Hales đã thiết kế một hệ thống thông gió cơ bản cho nhà tù Newgate và các tòa nhà xa trung tâm, sử dụng các ống thổi Tuy nhiên, các thiết bị ban đầu này yêu cầu nhân lực liên tục để hoạt động hiệu quả Sau đó, David Boswell Reid đã được mời làm chứng trước một ủy ban nghị viện về bản thiết kế kiến trúc mới cho Hạ viện, sau khi một khu viện cũ bị thiêu rụi trong vụ cháy năm 1834.
Vào tháng 1 năm 1840, Reid được ủy ban Thượng viện chỉ định phụ trách xây dựng phần thay thế cho Tòa Nhà Quốc hội, một nhiệm vụ phù hợp với kỹ năng của ông trong lĩnh vực hệ thống thông gió Tuy nhiên, sự chỉ định này đã khởi đầu cho một loạt tranh cãi kéo dài giữa Reid và kiến trúc sư Charles Barry.
Ông ủng hộ việc lắp đặt hệ thống thông gió tiên tiến tại khu viện mới, với thiết kế cho phép không khí được hút vào một căn hầm ngầm Tại đây, không khí sẽ trải qua quá trình sưởi ấm hoặc làm mát trước khi được đẩy lên qua hàng ngàn lỗ nhỏ trên sàn nhà Cuối cùng, không khí sẽ được xử lý qua trần bằng một ngọn lửa thông gió đặc biệt trong ống khói lớn.
Danh tiếng của Reid nổi bật nhờ công trình của ông tại Westminster Năm 1837, ông được công ty đường sắt Leeds và Selby ủy thác thực hiện khảo sát chất lượng không khí trong các đường hầm Các bồn hơi nước được xây dựng cho các cuộc thám hiểm Niger vào năm 1841 đã được trang bị hệ thống thông gió dựa trên mô hình của Reid tại Westminster, trong đó không khí được sấy khô, lọc và đi qua than củi.
Phương pháp thông gió của Reid đã được áp dụng một cách toàn diện tại đại sảnh St George ở Liverpool, nơi kiến trúc sư Harvey Lonsdale Elmes thực hiện thiết kế.
3 Porter, Dale H (1998) The Life and Times of Sir Goldsworthy Gurney: Gentleman scientist and inventor, 1793-1875 Associated University Presses, Inc tr 177–179 ISBN 0-934223-50-5
4 Alfred Barry “The life and works of Sir Charles Barry, R.A., F.R.S., &c &c” Archive.org Truy cập ngày 29 tháng 12 năm 2011
Reid nhấn mạnh rằng có 15 cầu cần được xem xét trong thiết kế hệ thống thông gió Ông cho rằng đây là tòa nhà duy nhất mà hệ thống của mình đã được triển khai một cách hoàn chỉnh.
1.1.3 Tầm quan trọng của việc thông gió tầng hầm
Hệ thống thông gió ngày nay đóng vai trò quan trọng trong các xí nghiệp, nhà máy và công trình xây dựng, giúp điều hòa không khí và loại bỏ khí độc, mang lại môi trường sống và làm việc trong lành Việc xây dựng hệ thống thông gió không chỉ cải thiện không khí trong nhà máy mà còn bảo vệ sức khỏe con người và môi trường xung quanh Đặc biệt, tại các tầng hầm của chung cư và trung tâm thương mại, không khí thường bị ô nhiễm bởi khí thải xe cộ, bao gồm khí radon, có thể gây hại cho sức khỏe, tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư phổi Nếu không khí trong tầng hầm ngột ngạt, thiếu oxy có thể dẫn đến khó thở và thậm chí là ngất xỉu.
Hình 1.1 Hệ thống thông gió hầm chung cư
Khi xây dựng tầng hầm, việc lắp đặt hệ thống đối lưu và quạt thông gió là rất quan trọng để đảm bảo không khí luôn thoáng đãng Nên chọn quạt hút gió và quạt thông gió có công suất lớn để loại bỏ không khí ô nhiễm ra ngoài và đưa không khí sạch vào, giúp giảm thiểu ô nhiễm trong không gian này Bên cạnh đó, quạt cần hoạt động êm ái để hạn chế tiếng ồn, vì tầng hầm thường vang hơn so với các tầng trên Quạt cũng phải có khả năng hoạt động liên tục nhiều giờ trong ngày để đảm bảo quá trình thoát khí hiệu quả.
1.1.4 Mục đích của việc thông gió tầng hầm
Loại bỏ khí độc hại như CO2 và SO2, cùng với các khí bẩn khác, đồng thời cung cấp khí tươi từ bên ngoài, giúp cải thiện chất lượng không khí, mang lại không gian trong lành và thoáng mát hơn.
- Tạo bầu không khí trong lành trong môi trường làm việc, tăng cường sức khỏe cho người lao động
Phòng chống hỏa hoạn và kiểm soát cháy là rất quan trọng, giúp nhanh chóng hút khói và mùi khi xảy ra hỏa hoạn, từ đó hỗ trợ con người di tản đến nơi an toàn.
Sử dụng quạt hút gió không chỉ giúp tiết kiệm chi phí so với hệ thống điều hòa hay quạt làm mát, mà còn có độ ồn thấp, tiện dụng và phù hợp với tiêu chuẩn sử dụng cũng như điều kiện khí hậu và kinh tế của Việt Nam.
1.1.5 Phân loại các phương pháp thông gió
Theo hướng chuyển động của gió người ta chia ra các loại sau:
Thổi không khí sạch vào phòng và không khí trong phòng thải ra bên ngoài qua các khe hở của phòng nhờ chênh lệch cột áp
Phương pháp thông gió kiểu thổi có ưu điểm trong việc cung cấp gió đến các khu vực cần thiết, như nơi tập trung đông người hoặc có nhiều nhiệt và độ ẩm thừa, với tốc độ gió luân chuyển lớn Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tạo ra áp suất dương trong phòng, dẫn đến hiện tượng gió có thể tràn ra mọi hướng, xâm nhập vào các khu vực không mong muốn.
Các vấn đề đặt ra
Tầng hầm thường được sử dụng làm bãi đỗ xe, kho chứa đồ và nơi thu gom rác, nhưng không gian này thường ẩm thấp và ngột ngạt Với thiết kế khép kín và diện tích hạn chế, tầng hầm dễ bị ô nhiễm bởi mùi xăng xe, khói, bụi bẩn, khí thải, nấm mốc và vi khuẩn độc hại Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người mà còn là nguyên nhân tiềm ẩn gây ra hỏa hoạn.
Vì vậy, việc thông gió tầng hầm được đánh giá là vô cùng cần thiết
Đối tượng nghiên cứu
Mô hình nghiên cứu được chế tạo từ các chi tiết đơn giản, dễ thực hiện, với độ chính xác chưa cao, chủ yếu nhằm phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu.
- Các thiết bị đã được đạt chuẩn công nghiệp: PLC, HMI, rơle trung gian, quạt công nghiệp, contactor, aptomat và DC KDB3P
- Giám sát hệ thống và thực hiện các chế độ trên màn hình HMI
- Hệ thống được điều khiển bởi PLC Delta DVP20SX211T.
Phương pháp thực hiện
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Vận dụng kiến thức đã học và thông tin từ các nguồn tài liệu, chúng tôi tiến hành tổng hợp và lựa chọn các yếu tố quan trọng cho nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt thông gió trong hầm chung cư.
Khối lượng kiến thức cần tổng hợp bao gồm:
- Tìm hiểu tài liệu về cảm biến khí COx,NOx
- Tìm hiểu tài liệu về màn hình HMI
- Tìm hiểu tài liệu về PLC Delta DVP20SX211T
- Tìm hiểu tài liệu về contactor và aptomat
- Tìm hiểu tài liệu về rơle trung gian và động cơ không đồng bộ 3 pha Phương pháp nghiên cứu mô phỏng:
Trong quá trình thực hiện đồ án, nghiên cứu và mô phỏng hệ thống quạt thông gió hầm chung cư trên phần mềm winCC
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
Trong quá trình thực hiện đồ án, việc nghiên cứu và quan sát các hệ thống thông gió tầng hầm của các tòa chung cư là rất quan trọng, giúp tối ưu hóa quá trình thi công mô hình về thời gian và chi phí.
Dự kiến kết quả đạt được
- Xây dựng bộ bản vẽ chế tạo cơ khí bằng phần mềm Solidwork
- Xây dựng sơ đồ, bản vẽ hệ thống điều khiển
- Viết chương trình điều khiển hệ thống quạt thông gió dựa trên phần mềm điều khiển PLC của hãng delta
- Mô phỏng được hệ thống quạt thông gió trên phần mềm winCC
- Chế tạo mô hình thực tế sử dụng các thiết bị chuẩn công nghiệp để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha
Tổng quan hệ thống điều khiển thông gió
Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ
2.1.1 Hệ thống thông gió hoạt động như thế nào
Hệ thống quạt hút khói tầng hầm hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, với nhiệm vụ chính là hút khói, bụi, bẩn và các khí độc hại Sau khi thu gom, các khí thải này sẽ được dẫn ra ngoài thông qua hệ thống ống dẫn.
Quá trình hút khí độc hại ra ngoài diễn ra song song với việc xả khí tươi vào bên trong tầng hầm Không khí từ bên ngoài được đưa vào qua các đầu xả, đã được làm mát và khử độc, đảm bảo chất lượng không khí an toàn cho những người thường xuyên di chuyển trong khu vực này.
Quá trình hút và xả của hệ thống thông gió tầng hầm diễn ra liên tục, giúp duy trì chất lượng không khí tốt nhất Nhờ vào hệ thống này, không khí trong các tầng hầm luôn sạch sẽ, không bị ô nhiễm bởi bụi bẩn và các chất độc hại, vì những tác nhân nguy hiểm đã được loại bỏ trước khi không khí được xả ra ngoài.
Hình 2.1 Nguyên lý làm việc hệ thống thông gió tầng hầm
2.1.2 Yêu cầu đối với hệ thống thông gió tầng hầm
Hệ thống thông gió là một cấu trúc phức tạp bao gồm nhiều yếu tố, và để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần hiểu rằng nó là một hệ thống hoàn chỉnh Các bộ phận của hệ thống này phải được cách điện và cách nhiệt đúng cách, đồng thời tầng hầm thi công cần tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn cho con người.
Hệ thống thông gió đúng cần đảm bảo:
- Loại bỏ được hơi ẩm, khí COx,NOx, bụi có hại trong không khí
- Cung cấp không khí sạch và phân phối đồng đều trong tầng hầm
- Kiểm soát được lượng khí hút xả để điều chỉnh vào các khung giờ trong ngày
2.1.3 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quạt thông gió hầm chung cư
1 Khối nguồn: Là bộ phận cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động Theo điện áp sử dụng thì hệ thống có thể chia các thiết bị ra làm 3 loại:
Bảng 2.1 Bảng phân chia thiết bị theo điện áp Điện áp sử dụng Thiết bị
24VDC PLC, relay trung gian, HMI, cảm biến 220VAC-1 pha Cuộn hút contactor, nguồn hạ áp 380VAC-3 pha Quạt thông gió,contactor,aptomat
2 Cảm biến khí CO: dùng để đo nồng độ khí CO, NO ở môi trường bên trong tầng hầm
3 Màn hình HMI: Là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị Là một hệ thống để người dùng giao tiếp, thông tin qua lại với hệ thống điều khiển thông qua mọi hình thức HMI cho phép người dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển cho toàn bộ hệ thống HMI có giao diện đồ họa, giúp cho người dùng có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống
4 Bộ điều khiển PLC: là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiến logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Hiện nay PLC là một thiết bị không thể thiếu trong các hoạt động sản xuất, nhà máy, xí nghiệp…
5 Relay trung gian: được sử dụng nhiều trong các thiết bị công nghiệp với nhiệm vụ trung gian để chuyển tiếp mạch điện đến với các thiết bị khác
6 Aptomat: là thiết bị có chức năng bảo vệ hệ thống tránh hiện tượng quá tải hoặc ngắn mạch Một số loại còn có thêm nhiều chức năng tiên tiến như chống rò rỉ điện hoặc chống giật
7 Khởi động từ(contactor): là thiết bị thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực
8 Động cơ: là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ
2.1.4 Tính toán quạt thông gió phù hợp cho tầng hầm
Mỗi nhà xưởng và hầm chung cư có thiết kế và xây dựng khác nhau về diện tích và quy mô, do đó việc lắp đặt hệ thống thông gió cần phù hợp với đặc thù của từng vị trí và không gian Mục đích sử dụng hệ thống thông gió cũng sẽ khác nhau ở mỗi nơi.
Khi chọn quạt hút gió công nghiệp, cần chú ý đến kích thước và lưu lượng gió phù hợp, đồng thời xác định số lượng quạt cần thiết để đảm bảo hiệu quả thông gió và làm mát cho nhà xưởng và hầm chung cư Đặc biệt, quạt thông gió trong hầm chung cư phải đáp ứng các tiêu chí khắt khe để đảm bảo an toàn và hiệu suất tối ưu.
• Tạo sự thoáng mát cho tầng hầm
• Đảm bảo an toàn cho những người làm việc và sinh sống tại chung cư
• Tránh những rủi ro đáng tiết xảy ra a) Quy trình thiết kế, lắp đặt hệ thống quạt thông gió tầng hầm
Bước 1: Thăm dò mặt bằng
Các kỹ sư của công ty bạn đã ký hợp đồng sẽ thực hiện khảo sát thực địa, tiến hành đo đạc và tính toán không gian của tầng hầm Điều này giúp họ xác định chính xác yêu cầu về đường ống và hệ thống quạt hút gió cần lắp đặt.
Bước 2: Vẽ bản thiết kế hệ thống thông gió
Sau khi thu thập thông số đo đạt chính xác, các kỹ sư sẽ tiến hành thiết kế bản vẽ cho hệ thống thông gió Việc này đảm bảo quá trình lắp đặt diễn ra nhanh chóng và chính xác, giúp tránh sai sót và tiết kiệm thời gian cũng như chi phí.
Bước 3:Lựa chọn các loại quạt hút gió phù hợp với không gian của tầng hầm
Dựa vào kích thước và không gian của tầng hầm, người thợ sẽ lựa chọn loại quạt phù hợp nhằm đảm bảo tiêu chí kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu suất sử dụng, tránh lãng phí.
Bước 4: Thi công và lắp đặt hệ thống
Trong bước cuối cùng của quá trình lắp đặt hệ thống quạt thông gió tầng hầm cho nhà chung cư, các thợ và kỹ sư sẽ thực hiện lắp đặt theo bản vẽ và cam kết đã đề ra, sau đó tiến hành nghiệm thu với khách hàng Việc nắm rõ quy trình này giúp mọi người có thể giám sát hiệu quả quá trình làm việc của đội ngũ, từ đó đôn đốc và phát hiện sai sót kịp thời.
- Hoạch định những công việc cơ bản cần thực hiện khi thiết kế hệ thống thông gió
- Chọn quạt thông gió phù hợp
- Chọn vị trí bố trí quạt hợp lý
- Chú ý đến nguồn điện c) Tính toán thiết kế hệ thống thông gió tầng hầm chung cư
Bảng 2.2 Bội số tuần hoàn không khí theo TCVN 5687:2010
Loại phòng, công trình Số lần (bội số) trao đổi không khí, lần/h
* Áp dụng đối với chiều cao phòng 2,5m Khi chiều cao phòng trên 2,5m phải tính theo tỷ lệ tăng của chiều cao;
** Sảnh diện tích dưới 10m 2 không đòi hỏi phải có thông gió cơ khí
Phòng ăn khách sạn, căng tin 10
Xí nghiệp, nhà công nghiệp 6
Nhà hát, rạp chiếu bóng 8
Sảnh, hành lang, cầu thang, lối ra**
Phòng tắm, phòng vệ sinh 10
Phòng bếp (thương nghiệp, ký túc xá, xí nghiệp)
Phòng máy bơm cấp thoát nước
Với tầng hầm có diện tích 1000m 2 và chiều cao 6m ta chọn được bội số tuần hoàn theo TCVN 5687:2010
• X: bội số tuần hoàn không khí trong tầng hầm chung cư (lần/h)
• X1: bội số tuần hoàn không khí theo tiêu chuẩn (lần/h)
• h1: chiều cao hầm chung cư (m)
• h2: chiều cao hầm chung cư theo tiêu chuẩn (m)
X = 2,5= (lần/h) Vậy tầng hầm diện tích 1000m 2 và chiều cao 6m có bội số tuần hoàn là 15 lần/h
Lưu lượng của quạt hút công nghiệp cần thiết tối thiểu là:
• Tg: lưu lượng không khí cần hút (m 3 /h)
• V: thể tính khí trong tầng hầm (m 3 )
• X: bội số tuần hoàn không khí trong tầng hầm (lần/h)
Lưu lượng tính được tương đương:
Số lượng quạt thông gió cần sử dụng:
• Tg: lưu lượng không khí cần hút (m 3 /h)
• N: số quạt cần dùng cho nhà xưởng
• Q: lưu lượng gió của quạt (m 3 /h) (Qe60 m 3 /h với quạt komasu KM- 50T)
N = Vậy số quạt cần sử dụng là 14 quạt
Tốc độ hút gió của cửa là 1,5m/s ta tính được lưu lượng gió hút của 1 cửa là:
• Gc: lưu lượng gió hút qua 1 cửa (m 3 /s)
• v: tốc độ gió hút qua cửa (m/s)
• Sc: tiết diện cửa hút gió (m 2 )
Số cửa gió cần có trên nhánh gió hút sẽ được tính theo công thức:
NC: Số cửa gió cần có trên nhánh gió hút
Tg: Lưu lượng không khí cần hút (m 3 /h)
GC: Lưu lượng gió hút qua 1 cửa (m 3 /s)
Nc= Vậy số cửa cần có trên nhánh gió hút cần thực tế là 18 cửa.
Hệ thống điều khiển
2.2.1 Bộ điều khiển PLC a) Giới thiệu chung về PLC
PLC viết tắt của “Programmable Logic Controller”, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
PLC (Bộ điều khiển lập trình được) cho phép người sử dụng lập trình một loạt trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích như ngõ vào hoặc các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì và sự kiện đếm PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch relay truyền thống, hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu vào và đầu ra Khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ tự động điều chỉnh theo.
Popular programming languages include Ladder Logic (LAD), Function Block Diagram (FBD), and Statement List (STL), with Ladder Logic being the most favored programming language for PLCs (Programmable Logic Controllers).
PLC, ra đời vào năm 1968, lần đầu tiên được ứng dụng trong ngành sản xuất ô tô và mở rộng sang các ngành sản xuất khác vào năm 1971 Kể từ đó, PLC đã trải qua nhiều cải tiến vượt bậc với những ưu điểm thông minh và tiện lợi mà hệ relay truyền thống không thể sánh kịp Hiện nay, nhiều thương hiệu nổi tiếng như Mitsubishi, Omron, Delta và Siemens cung cấp đa dạng các loại PLC, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau, và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất.
Hình 2.3 Các loại PLC phổ biến
33 b) Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC
❖ Cấu trúc chung của PLC
Trong một PLC được chia thành 4 khối chính:
• Bộ xử lý trung tâm
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chung của PLC
1 Khối đầu vào: Các ngõ vào của khối này sẽ được kết nối với các bộ chuyển đổi tín hiệu và biến đổi các tín hiệu này thành tín hiệu phù hợp với tín hiệu xử lý của CPU Có 2 loại ngõ vào gồm đầu vào số (DI: digital input) và đầu vào tương tự (AI: analog input) Dựa vào loại tín hiệu vào sẽ có các khối ngõ vào tương ứng
Khối vào số (DI) là các ngõ vào được kết nối với bộ chuyển đổi, cho phép tạo ra tín hiệu nhị phân từ các thiết bị như nút nhấn, công tắc và cảm biến.
AI: Khối vào tương tự (analog input) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Các ngõ vào của khối này được kết nối với các thiết bị để thu thập dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả.
34 bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, cảm biến khí
2 Bộ nhớ: Các phần tử nhớ là các linh kiện mà thông tin có thể được lưu trữ trong nó ở dạng nhị phân Trong PLC các bộ nhớ bán dẫn được sử dụng làm bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ RAM (Random-Access Memory) là loại bộ nhớ đọc-ghi với một số lượng ô nhớ xác định, mỗi ô có dung lượng cố định và chỉ tiếp nhận một lượng thông tin nhất định Các ô nhớ này được xác định qua địa chỉ riêng, cho phép bộ nhớ lưu trữ các chương trình đang sửa đổi cũng như dữ liệu và kết quả tạm thời trong quá trình tính toán và lập trình.
Bộ nhớ ROM (Read-Only Memory) là loại bộ nhớ cố định chứa thông tin không thể xóa hoặc thay đổi Những dữ liệu này được ghi bởi các nhà sản xuất và giữ nguyên trong suốt quá trình sử dụng.
Chương trình trong bộ nhớ ROM có các nhiệm vụ sau:
- Điều hành và kiểm tra các chức năng hoạt động của CPU
- Dịch ngôn ngữ lập trình sang ngôn ngữ máy
Bộ nhớ ROM (Read-Only Memory) bao gồm EPROM, một loại bộ nhớ cố định có khả năng lập trình và xóa EPROM cho phép xóa nội dung bằng tia cực tím và có thể được lập trình lại, mang lại tính linh hoạt cho việc lưu trữ dữ liệu.
EEPROM, or Electrically Erasable Read-Only Memory, is a type of non-volatile memory that can be electrically programmed and erased Each memory cell within EEPROM allows for both programming and erasing through electrical means, making it a versatile option for data storage.
3 Khối xử lý trung tâm (CPU): Trong khối xử lý trung tâm gồm: hệ điều hành, bit nhớ, bộ đếm, bộ nhớ trung gian, counter, timer, hệ thống bus
Hình 2.6 Khối xử lý trung tâm
Sau khi khởi động bộ điều khiển, hệ điều hành sẽ thiết lập các bộ đếm, bộ hẹn giờ, dữ liệu và bit nhớ với thuộc tính không được ghi nhớ, đồng thời đặt bộ nhớ trung gian về 0 Để thực hiện chương trình, hệ điều hành sẽ đọc và thực thi từng dòng lệnh theo thứ tự từ đầu đến cuối.
• Bit nhớ: là các phần tử nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ trạng thái tín hiệu
• Bộ đệm: là một vùng nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở các ngõ vào ra nhị phân
• Accumulator: là một bộ nhớ trung gian mà qua nó timer hay counter được nạp vào hay thực hiện các phép toán số học
• Counter, Timer: là các vùng nhớ, hệ điều hành ghi nhớ các giá trị đếm trong nó
Hệ thống Bus trong PLC bao gồm bộ nhớ chương trình, hệ điều hành và các module ngoại vi được kết nối thông qua các dây dẫn Các dây dẫn này tạo thành một bus, cho phép trao đổi dữ liệu hiệu quả Hệ điều hành đóng vai trò quan trọng trong việc tổ chức và quản lý quá trình truyền dữ liệu trên các dây dẫn này.
4 Khối đầu ra: Khối này có nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu sau xử lý của
CPU cung cấp tín hiệu cho đối tượng điều khiển thông qua hai loại ngõ ra: đầu ra số (DO) và đầu ra tương tự (AO) Loại ngõ ra được sử dụng sẽ phụ thuộc vào dạng tín hiệu mà đối tượng điều khiển cần nhận.
Khối ra số (DO: Digital Output) là phần thiết bị kết nối với đối tượng điều khiển, nhận tín hiệu nhị phân Các ngõ ra này đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin đến các thiết bị điều khiển khác.
Hệ thống cảm biến
Cảm biến là thiết bị có khả năng nhận diện các đại lượng cần đo, có thể là điện hoặc phi điện, và chuyển đổi chúng thành đại lượng điện S có thể đo được, như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Đại lượng điện S này phụ thuộc vào đại lượng cần đo m.
• S – đại lượng ở đầu ra hoặc đáp ứng của cảm biến
• m – đại lượng đầu vào hay kích thích – đại lượng cần đo
Từ biểu thức (2.1), thông tin được xử lý để rút ra các tham số định tính và định lượng của môi trường, hỗ trợ cho quá trình đo đạc và xử lý thông tin, đồng thời góp phần vào quá trình điều khiển tự động.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nên để phân loại cảm biến chúng ta cũng có rất nhiều cách:
- Theo nguyên lý tạo tín hiệu: cảm biến thụ động, cảm biến tích cực
- Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích: vật lý (nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện,….), hóa học (hóa điện,…), sinh học (sinh điện,…)
- Theo dạng kích thích: âm thanh, điện, từ, nhiệt, lực,…
- Theo phạm vi sử dụng: công nghiệp, khoa học, môi trường, thông tin, nông nghiệp,…
- Theo đặc trưng: độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ tuyến tính,…
2.3.2 Cảm biến khí CO a) Khái niệm
Cảm biến khí CO, hay cảm biến đo nồng độ khí CO, là thiết bị chuyên dụng dùng để đo nồng độ khí CO trong không khí, thường được lắp đặt trong các không gian kín có nguy cơ tích tụ khí độc Thiết bị này không chỉ đo lường nồng độ khí mà còn giám sát nhiệt độ môi trường, xuất ra tín hiệu analog 4-20mA hoặc 0-10V, giúp dễ dàng kết nối với bộ hiển thị từ xa hoặc các PLC điều khiển.
Theo nguyên lý phản ứng của cảm biến carbon monoxide chủ yếu được chia thành các loại sau:
Cảm biến bán dẫn hoạt động dựa vào độ nhạy với khí, phụ thuộc vào nhiệt độ của phần tử nhạy được đốt nóng Để phát hiện carbon monoxide, nhiệt độ tối ưu cần duy trì dưới 100 o C, thấp hơn so với các khí khác như butan, metan và hydro Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp, tốc độ phản ứng của carbon monoxide giảm, và độ nhạy có thể bị ảnh hưởng bởi hơi nước trong không khí Cảm biến này có ưu điểm là giá thành rẻ và hiệu quả tốt.
Những nhược điểm của thiết bị này bao gồm việc tiêu thụ nhiều điện năng, không thích hợp với nguồn điện ắc quy, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm và gió Hơn nữa, khả năng chống nhiễu của nó kém và tỷ lệ báo giả cũng tương đối cao.
❖ Nguyên lý đốt cháy xúc tác Ưu điểm: đo lường chính xác, phản hồi nhanh và tuổi thọ cao
Nhược điểm của sản phẩm này là nằm trong khu vực có khí dễ cháy, thiếu tính chọn lọc và có nguy cơ bắt lửa cao, dễ xảy ra cháy nổ Hầu hết các hợp chất hữu cơ nguyên tố đều có khả năng gây hại cho cảm biến.
Hình 2.11 Sơ đồ guyên lý làm việc được của cảm biến khí carbon monoxide
Khi áp dụng một hiệu điện thế cố định cho các điện cực âm và dương trong tế bào điện phân, phản ứng hóa học sẽ diễn ra tại điện cực làm việc và điện cực ngược.
Cảm biến carbon monoxide điện hóa hoạt động dựa trên phản ứng oxy hóa carbon monoxide thành carbon dioxide, tạo ra dòng điện bên ngoài và duy trì sự cân bằng điện tích qua các hạt tải điện trong chất điện phân Dòng điện sản sinh hoàn toàn tỷ lệ với nồng độ carbon monoxide, cho phép tín hiệu đầu ra có mối quan hệ tuyến tính tốt với nồng độ khí, giúp việc xử lý và hiển thị tín hiệu trở nên dễ dàng Đặc biệt, phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng mà không cần gia nhiệt, cho phép sử dụng pin giữa hai điện cực, thuận tiện cho việc lắp đặt Các ưu điểm nổi bật của cảm biến này bao gồm kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, độ nhạy cao, ổn định tốt, tuyến tính và độ lặp lại tốt, cùng với tốc độ phản hồi nhanh và tuổi thọ cao.
Nhược điểm: Giá cả, hiệu suất, quy trình, hiệu suất chống nhiễu, sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm giữa các hãng khá khác nhau
❖ Nguyên tắc NDIR hồng ngoại
Các phân tử khí gồm hai nguyên tử khác nhau tạo ra mômen lưỡng cực, là tích của chiều dài lưỡng cực và điện tích Khi chất khí tiếp xúc với ánh sáng hồng ngoại, chúng sẽ hấp thụ năng lượng từ ánh sáng này Phương pháp này có nhiều ưu điểm như phạm vi đo rộng, độ chính xác và tính chọn lọc cao, đồng thời cũng rất đáng tin cậy Hơn nữa, nó không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng hấp phụ và ít bị tác động bởi các yếu tố gây nhiễu từ môi trường, cùng với tuổi thọ cao của thiết bị.
Nhược điểm: giá thành khá cao, khó bảo trì, kích thước lớn, không phù hợp với các dụng cụ cầm tay, không phù hợp với nguồn điện lâu dài.
Cơ cấu chấp hành
2.4.1 Quạt thông gió tầng hầm a) Khái niệm về động cơ điện 3 pha(DCKĐB3P)
Máy điện không đồng bộ, hay còn gọi là động cơ điện không đồng bộ, là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Trong máy này, tốc độ của rotor (ký hiệu n) khác với tốc độ của từ trường quay (ký hiệu n1) Máy điện không đồng bộ có khả năng hoạt động ở hai chế độ: động cơ và máy phát điện.
Hình 2.12 Động cơ điện không đồng bộ là 1 loại máy điện xoay chiều
Động cơ không đồng bộ (KĐB) được ưa chuộng trong sản xuất và đời sống nhờ vào thiết kế đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao Với phương pháp vận hành dễ dàng, động cơ KĐB mang lại hiệu suất cao và hầu như không cần bảo trì, mặc dù máy phát điện không đồng bộ ít được sử dụng do đặc tính làm việc không tốt.
Động cơ không đồng bộ (KĐB) hiện nay được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của kỹ thuật điện tử, đáp ứng tốt các yêu cầu phức tạp về điều chỉnh tốc độ Động cơ KĐB có dải công suất đa dạng, từ vài watt đến hàng ngàn kilowatt, chủ yếu là động cơ 3 pha, bên cạnh một số ít động cơ 1 pha có công suất nhỏ Cấu tạo của động cơ KĐB bao gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, cùng với các thành phần khác như vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục máy được chế tạo từ thép, gắn với rotor và ổ bi, đồng thời có quạt gió ở cuối trục để làm mát Các bộ phận chính của động cơ KĐB bao gồm lõi thép stato, dây quấn stato, nắp máy, ổ bi, lõi thép rôto, thân máy, trục máy, hộp dầu cực, quạt gió làm mát và hộp quạt.
❖ Stator (còn gọi là phần tĩnh)
Stator bao gồm 2 bộ phận chủ yếu là lõi thép và phần dây quấn, ngoài ra còn có bộ phận vỏ máy và nắp máy
Lõi thép stato có hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và có rãnh dập bên trong Sau khi ghép lại, các lá thép tạo thành các rãnh chạy theo hướng trục và được ép vào trong vỏ máy.
Dây quấn stato là bộ phận chính của máy điện, được làm từ dây đồng bọc lớp cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép Khi dòng điện xoay chiều 3 pha chạy qua dây quấn 3 pha stato, nó sẽ tạo ra từ trường quay cần thiết cho hoạt động của máy Phần vỏ máy, bao gồm thân và nắp, thường được chế tạo từ gang để đảm bảo độ bền và ổn định.
Hình 2.13 Các bộ phận chủ yếu của động cơ không đồng bộ
❖ Rotor (còn gọi là phần quay)
Rotor là thành phần chính của động cơ, bao gồm lõi thép, dây quấn và trục máy Lõi thép rotor được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, lấy từ lõi thép stator, với bề mặt ngoài có dập rãnh để đặt dây quấn Ở giữa lõi thép có các lỗ dập để lắp trục.
Trục của máy điện không đồng bộ (KĐB) được chế tạo từ thép, với lõi thép rotor được gắn trên trục này Dây quấn rotor của máy điện KĐB có hai loại chính: rotor ngắn mạch, hay còn gọi là rotor lồng sóc, và rotor dây quấn.
Rotor lồng sóc là một thành phần quan trọng trong động cơ điện, bao gồm các thanh đồng hoặc nhôm được đặt trong rãnh và kết nối với hai vành ngắn mạch ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor thường được đúc nguyên khối, bao gồm các bộ phận như vành ngắn mạch, thanh dẫn, cánh tản nhiệt và cánh quạt để làm mát Đối với các động cơ KĐB có công suất trên 100kW, thanh dẫn bằng đồng được đặt giữa các rãnh rotor và gắn chặt vào phần vành ngắn mạch, giúp tăng hiệu suất hoạt động.
Rotor dây quấn được thiết kế với dây quấn giống như dây quấn 3 pha của stator và có cùng số cực từ Loại dây quấn này luôn được kết nối theo hình sao (Y) và có ba đầu ra được đấu vào ba vành trượt.
Các phần trên sẽ được kết nối với trục quay của rotor, nhưng được cách điện với trục Ba chổi than được cố định và luôn tiếp xúc với vành trượt để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, cần kết nối 50 mục đích dẫn điện vào một biến trở nằm ở phía ngoài động cơ Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ dựa trên sự tương tác giữa từ trường và dòng điện.
Động cơ điện không đồng bộ ba pha hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra từ trường quay khi dòng điện ba pha tần số f được cung cấp cho dây quấn stato Tốc độ của từ trường quay được tính bằng n1 = 60f/p Khi từ trường này cắt qua các thanh dẫn của dây quấn rotor, nó sẽ cảm ứng ra sức điện động Sức điện động này sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn của rotor nhờ vào việc dây quấn rotor được nối kín mạch Lực tác dụng giữa từ trường quay và dòng điện trong thanh dẫn rotor sẽ kéo rotor quay với tốc độ n nhỏ hơn n1 và cùng chiều với từ trường quay.
Hình 2.14 Sơ đồ thể hiện nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ
Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 Nếu tốc độ này bằng nhau, sẽ không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor, dẫn đến lực điện từ trở thành 0.
Hệ số trượt của tốc độ: 1
Tốc độ của động cơ:
• n1: tốc độ từ trưởng quay
• p: số cặp cực của dây cuốn stator
2.4.2 Khởi động từ (contactor) a) Khái niệm
Contactor, hay còn gọi là "khởi động từ", là thiết bị điện hạ áp quan trọng, thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực Nhờ vào contactor, người dùng có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù và hệ thống chiếu sáng thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa.
Hình 2.15 Một số dòng khởi động từ (contactor) b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Contactor bao gồm 3 bộ phận chính:
Nam châm điện bao gồm các thành phần chính như cuộn dây, lõi sắt và lò xo Cuộn dây có nhiệm vụ tạo ra lực hút từ tính, trong khi lõi sắt giúp tăng cường sức mạnh của nam châm Lò xo đảm bảo rằng phần nắp sẽ trở về vị trí ban đầu sau khi không còn lực hút.
Khối nguồn
2.5.1 Bộ chuyển đổi điện năng
Bộ nguồn là thiết bị chuyển đổi điện năng, biến đổi dòng điện xoay chiều 220VAC-50Hz thành dòng điện một chiều định mức, cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong hệ thống hoạt động hiệu quả.
Bộ nguồn tổ ong có vai trò quan trọng trong việc chỉnh lưu, biến tần và nắn dòng, giúp duy trì dòng điện, điện áp và tần số ổn định Thiết bị này thường được sử dụng trong các mạch ổn áp để cung cấp dòng điện đủ, ngăn ngừa sụt áp và nâng cao tuổi thọ cho các thiết bị điện Với giá thành phải chăng, kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao, bộ nguồn tổ ong rất được ưa chuộng Tuy nhiên, việc chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao và thiết kế phức tạp, đồng thời sửa chữa cũng khó khăn đối với người mới học, và tuổi thọ của nó thường không cao do sử dụng linh kiện bán dẫn.
Trong hệ thống, có ba bộ nguồn được sử dụng: một bộ nguồn 24V DC cung cấp năng lượng cho các cảm biến và công tắc đầu vào PLC, một bộ nguồn 220VAC cho các cơ cấu chấp hành như cuộn hút contactor và rơ le trung gian, và một bộ nguồn 380VAC-3 pha để cấp điện cho contactor và động cơ.
Bộ nguồn DPS-240S-24 được sử dụng với mục đích để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều
Một số chân cơ bản:
• L và N là 2 đầu dây nóng và trung tính của nguồn xoay chiều (AC) 220V Nối các đầu nối theo đúng ký hiệu trên thiết bị
Nguồn điện được thiết kế với nhiều cổng điện áp, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng Đối với nguồn công suất lớn, thường có 2 cổng điện áp vào 220VAC cho 2 pha L-N, cùng với 3 cổng 0V, 3 cổng điện áp dương (+) và cổng đất cho các thiết bị cần thiết.
