Đồ Án tự Động hóa thiết bị Điện tìm hiểu, thiết kế và mô phỏng hệ thống Điều khiển nhiệt Độ trong máy Ấp trứng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT BỊ ĐIỆN Tìm hiểu, thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ trong máy ấp trứng Giả

TỔNG QUAN VỀ LÒ ẤP TRỨNG

Đặt vấn đề

Việc sử dụng lò ấp, máy ấp đã trở nên phổ biến gần đây, phù hợp với sự phát triển nhanh chóng của ngành chăn nuôi trong nước Các loại lò ấp được thiết kế với đa dạng công suất và yêu cầu kỹ thuật phù hợp với từng giống gia cầm và quy mô ấp nở Đối với những giống gia cầm cần yêu cầu kỹ thuật cao như gà trắng (gà công nghiệp), việc xây dựng lò ấp phải tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về giữ nhiệt, phân phối nhiệt đều, tạo điều kiện ẩm phù hợp Trong khi đó, các giống gia cầm dễ ấp như gà ta có yêu cầu kỹ thuật đơn giản hơn, phù hợp với quy mô và mục đích chăn nuôi.

Trong các lò ấp trứng, việc cung cấp nhiệt đầy đủ và liên tục là yếu tố then chốt để đảm bảo năng suất cao Mất nhiệt trong quá trình ấp dễ làm trứng hỏng, do đó, hệ thống kiểm soát nhiệt chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định Hệ thống này giúp dễ dàng phát hiện những trứng không được cung cấp đủ nhiệt để kịp thời sửa chữa, góp phần nâng cao hiệu quả ấp trứng và giảm thiểu rủi ro thất bại.

Giới thiệu về lò ấp trứng

Lò ấp trứng là thiết bị thay thế chức năng của gia cầm mái trong quá trình ấp nở trứng, giúp tăng hiệu quả và tiết kiệm thời gian Các lò ấp trứng được thiết kế để ấp được số lượng lớn trứng trong một khoảng thời gian cố định, từ đó nâng cao tỷ lệ nở thành công Nhờ đó, hoạt động ấp trứng trở nên hiệu quả hơn về mặt kinh tế, giảm thiểu rủi ro thất thoát và tối ưu hóa năng suất chăn nuôi gia cầm.

Thông thường, các lò ấp trứng được sử dụng để ấp trứng gia cầm với thời gian nở khác nhau, như gà khoảng 21 ngày, vịt khoảng 28 ngày, và ngan khoảng 35 ngày Ấp trứng gia cầm nhân tạo đã giúp tập trung ngành chăn nuôi gia cầm, nâng cao năng suất và giảm giá thành sản phẩm Nhờ đó, ngành chăn nuôi gia cầm trở thành ngành sản xuất chính trong lĩnh vực nông nghiệp.

Trong những năm gần đây, công nghệ ấp trứng gia cầm đã đạt tới mức đỉnh cao với sự phát triển của các loại máy ấp tự động Các thiết bị này tự điều chỉnh các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm để đảm bảo điều kiện tối ưu cho quá trình nở trứng Nhờ đó, hiệu suất ấp trứng ngày càng được nâng cao, giúp nâng cao tỷ lệ nở thành công và đáp ứng nhu cầu sản xuất gia cầm ngày càng tăng Công nghệ ấp tự động không ngừng cải tiến nhằm thỏa mãn các yêu cầu khắt khe nhất của ngành chăn nuôi gia cầm hiện đại.

2 Trong giai đoạn ấp (1-18 ngày) độ ẩm thích hợp khoảng 55-65% Giai đoạn nở (19-21 ngày) độ ẩm 80-85%

3 Đảo trứng từ 1-3 lần/ngày Từ ngày 18 trở đi thì thôi

4 Luôn tạo được độ thoáng gió

Các loại máy ấp tự động đã được điều chỉnh hoàn hảo các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, thông thoáng và đảo trứng, giúp ấp với công suất từ 19.200 đến 57.800 quả mỗi mẻ, đạt tỷ lệ nở cao từ 82-85% Nhờ vậy, người chăn nuôi có thể thực hiện nở trứng bất cứ thời điểm nào trong năm mà không phụ thuộc vào mùa vụ, đồng thời giảm số lần bổ sung đàn mới Công nghệ ấp trứng nhân tạo không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất thịt và trứng đều đặn quanh năm mà còn làm tăng năng suất lợn nhiều lần trên cùng một chuồng nuôi Hơn nữa, việc ấp trứng theo cá thể và nhóm giúp theo dõi huyết thống chính xác của từng con gia cầm giống, góp phần quan trọng vào công tác giống và nâng cao chất lượng giống vật nuôi.

Trong các trang trại quy mô lớn, hầu hết sử dụng lò ấp trứng công nghiệp tự động hiện đại, tuy nhiên chi phí đầu tư lại rất cao Trong khi đó, các cơ sở nhỏ thường dùng lò bán tự động với công suất ấp trứng hạn chế, gây khó khăn trong vận hành và tỉ lệ nở trứng thấp, dẫn đến thiệt hại kinh tế Ngoài ra, các lò ấp thủ công tại hộ gia đình cũng gặp phải nhiều bất cập, ảnh hưởng đến hiệu quả chăn nuôi.

Giới thiệu các mô hình lò ấp trứng

trứng Lò ấp trứng thủ công

Thực chất là việc sắp các kệ trứng xen kẽ giữa các bóng đèn, trong một không gian rộng Ưu điểm:

• Giá rẻ, dễ áp dụng

• Chi phí ban đầu thấp

• Có thể thay đổi quy mô tùy ý theo người sử dụng

• Làm việc được ở điện áp

• Hoàn toàn không có khả năng tự động

• Khả năng trứng nở phụ thuộc vào kinh nghiệm người làm việc

• Sử dụng nhiều nhân công khi ấp trứng

Lò ấp trứng bán thủ công

Biên độ nhiệt của hệ thống dao động trong khoảng từ tăng 0,1°C đến giảm 0,1°C, đảm bảo điều kiện nhiệt độ ổn định và chính xác Nhiệt độ được tự động điều chỉnh và duy trì nhờ vào vi xử lý hiện đại, giúp ổn định môi trường ấp trứng Hệ thống còn tự động tạo độ ẩm phù hợp và đảo trứng theo chu kỳ giúp tăng tỷ lệ nở thành công Có khả năng vận hành theo chế độ đa kỳ, ấp trứng mỗi tuần một lần hoặc chế độ đơn kỳ, ấp theo chu kỳ duy nhất, phù hợp với nhiều mục đích nuôi nhốt khác nhau Điều này mang lại nhiều ưu điểm như đảm bảo độ chính xác của nhiệt độ, tiết kiệm công sức và nâng cao hiệu quả ấp trứng.

• Hệ thống nhỏ gọn dễ lắp đặt

• Giá thành rẻ, dễ chế tạo

• Làm việc liên tục nhiều ngày

• Làm việc được ở điện áp 220V

• Công suất tiêu thụ thấp, giảm được một lượng lớn nhân công

• Có khả năng tự động hóa 1 phần

- Không có khả năng báo lỗi và hoạt động khi mất điện

- Hoạt động trong một một quy mô nhỏ khoảng 1000 trứng

- Cần người giám sát khi hệ thống hoạt đông

Lò ấp trứng công nghiệp là hệ thống hoàn toàn tự động, giúp tối ưu hóa quá trình ấp trứng nhờ vào việc nhập một lần các thông số và tự điều chỉnh trong suốt quá trình vận hành Ưu điểm của hệ thống này bao gồm khả năng kiểm soát chính xác các điều kiện ấp, nâng cao tỷ lệ nở thành công, giảm thiểu công sức và thời gian cần thiết cho người vận hành, đồng thời tăng năng suất và hiệu quả kinh tế trong công việc ấp trứng quy mô lớn.

- Hệ thống tự động hoàn toàn

- Có thông báo khi có xự cố

- Khả năng tự xử lý xự cố

- Khả năng chống bị phá hoại cao

- Hệ thống bền, tái xử dụng cao

- Sử dụng ở quy mô sản xuất lớn.

Yêu cầu thiết kế cho hệ thống

Từ những tiêu chí và thiết kế trên, em đã rút ra những yêu cầu thiết kế hệ thống:

Mạch ổn định nhiệt độ cho lò ấp trứng cần đảm bảo các yêu cầu bắt buộc về nhiệt độ chính xác, độ ẩm phù hợp và khả năng thoáng khí hiệu quả để đảm bảo quá trình nở trứng thành công Hệ thống phải duy trì nhiệt độ ổn định, không dao động lớn để đảm bảo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của phôi trứng Đặc biệt, khả năng kiểm soát độ ẩm và thông gió phải được thiết kế hợp lý nhằm đảm bảo môi trường trong lò luôn phù hợp, tăng tỷ lệ nở thành công và giảm thiểu rủi ro Khi xây dựng mạch ổn định nhiệt độ, cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và đảm bảo tính linh hoạt, dễ dàng kiểm soát để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của quá trình ấp trứng.

• Nhiệt độ ổn định trong khoảng từ 37 0 C - 38 0 C sẽ được bộ gia nhiệt kết hợp với quạt tản nhiệt

• Đảo trứng từ 2 lần/ngày mỗi lần cách nhau 12 tiếng

• Độ ẩm ổn định của máy ấp trứng là 60 - 70% do bơm phun sương để tăng độ ẩm

- Nhấn start hệ thống hoạt động, động cơ quạt tản nhiệt chạy

- Khi nhiệt độ < 30 độ C, bộ gia nhiệt sử dụng với 100% công suất gia nhiệt để tăng nhiệt độ buồng ấp

- Khi nhiệt độ từ 35-38 độ bộ gia nhiệt sử dụng với 50% công suất gia nhiệt để luôn duy trì nhiệt độ trong dải yêu cầu

- Khi nhiệt độ vượt quá 40 độc C bộ gia nhiệt sử dụng 20% công suất gia nhiệt để hạ nhiệt độ xuống với dải yêu cầu

- Độ ẩm > 70% bơm phun sương dừng hoạt động

- Độ ẩm 60 - 70% bơm phun sương hoạt động 3s

- Độ ẩm < 60 % bơm phun sương hoạt động 6s

- Động cơ đảo trứng hoạt động trong vòng 5s để đảo khay trứng, hoạt động cách nhau 12h trong 1 ngày

Nhấn stop hệ thống dừng.

TÍNH TOÁN LÒ ẤP TRỨNG

Cấu tạo lò ấp trứng thiết kế

Hình 2 1 Cấu tạo lò ấp trứng

2 - Bộ phận phân phối khí nóng

6 - Độ phận đốt khí gas

9 - Bộ phận xử lý không khí

10 - Thiết bị trao đổi nhiệt

Về cấu tạo, máy ấp trứng gồm các bộ phận chính như sau:

Tủ ấp có dạng hình hộp, được làm khung từ các tấm panel cách nhiệt gồm hai lớp thép tấm bên ngoài và xốp ở giữa, giúp giữ nhiệt hiệu quả Phần trên của tủ chứa giàn và khay ấp, trong khi phần dưới đặt khay nở, thuận tiện cho quá trình vận hành Giàn khay trứng ấp theo kiểu giàn trống, tựa trên hai gối đỡ bên thành tủ, tạo điều kiện dễ dàng quay đảo trứng Khay ấp hình chữ nhật, khung gỗ được căng sợi ni lông theo chiều dọc và ngang, tạo các ô tiện lợi để xếp trứng Khay nở chuyên dụng bằng nhựa, có kích thước chuẩn quốc tế, phù hợp cho việc ấp trứng Máy ấp trứng được lắp đặt 12 khay ấp, mỗi khay chứa tối đa 162 trứng gà, cùng với 10 khay nở, mỗi khay có thể chứa từ 80 đến 100 trứng gà, đảm bảo năng suất cao.

Việc tạo ẩm trong buồng ấp hoạt động dựa trên nguyên tắc phun sương mù để duy trì độ ẩm phù hợp cho quá trình ấp trứng Hệ thống tự động điều chỉnh độ ẩm bằng cách đóng mở dòng điện vào động cơ bơm nước, đảm bảo môi trường ấp luôn thoáng mát và tối ưu Công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả ấp trứng, giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm năng lượng.

Việc thông gió trong tủ ấp được thực hiện bằng quạt điện kết hợp các lỗ thông gió nhằm duy trì lưu thông khí liên tục trong buồng ấp Ở thành sau của máy, có lắp đặt cửa hút gió nóng phía dưới và cửa thoát khí ở phía trên để đảm bảo không khí được tuần hoàn hiệu quả Việc điều chỉnh lưu lượng không khí vào và ra khỏi buồng ấp được thực hiện dễ dàng bằng cách đóng mở cửa hút và cửa thoát theo nhu cầu, giúp kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm phù hợp cho quá trình ấp trứng.

Việc đảo trứng được thực hiện bằng động cơ liên hệ với bộ truyền động trục vít

Bánh vít dùng để quay đảo các giàn khay trứng, tự động hoạt động mỗi 1-2 giờ để đảm bảo trứng được đảo đều Hệ thống truyền động đai chuyển động của bộ truyền động trục vít-bánh vít, giúp giàn khay trứng nghiêng vào trong hoặc ra ngoài ở góc 40-45 độ so với mặt phẳng ngang Động cơ điện tự ngắt khi đạt đến góc nghiêng quy định, đảm bảo quá trình đảo trứng diễn ra chính xác Để thực hiện ấp và nở trong cùng một máy, hệ thống cấp nhiệt, khay nước tạo ẩm và quạt thông gió được bố trí hợp lý nhằm điều chỉnh sự chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm phù hợp với từng giai đoạn của quá trình ấp và nở theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Thông số tính toán

Lò ấp trứng có cấu tạo phức tạp với nhiều bộ phận nhỏ, do đó nhóm em tập trung vào việc tính toán các bộ phận chính nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động và độ bền của thiết kế Việc phân tích kỹ các thành phần quan trọng giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu rủi ro hỏng hóc trong quá trình sử dụng Chúng em chú trọng đến các yếu tố kỹ thuật như kích thước, vật liệu và kết cấu của các bộ phận chủ chốt để nâng cao năng suất và tính khả thi của dự án.

- Bộ phận quạt tản nhiệt

- Khối lượng trứng đưa vào ấp: Gtr = 1944 quả x 0,06 kg/quả = 116,64 kg

- Hệ số thoát ẩm của trứng trong quá trình ấp: Kta = 0,004 kg/ngày = 1,67.10 - 4 kg/h

- Số lượng khay ấp: 12 cái

- Khối lượng khay ấp: 2,56kg

- Độ ẩm của không khí ngoài trời: φ = 80%

- Nhiệt độ của không khí ngoài trời: to = 10 0 C

- Áp suất không khí ngoài trời: B = 760 (mmHg)

- Nhiệt độ của không khí trong buồng ấp: ta = 38 0 C

- Nhiệt độ của không khí thải: tư = 36 0 C

- Thời gian ấp nở trứng gà: t = 21 ngày x 24h/ngày = 504 h.

Tính nhiệt cho quá trình ấp

Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho quá trình ấp Qct

Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho máy ấp QCT từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ ấp đạt theo yêu cầu công nghệ đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành Việc xác định chính xác lượng nhiệt này giúp đảm bảo quá trình ấp diễn ra hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và đạt kết quả tối ưu Công thức tính nhiệt lượng cần cung cấp phản ánh chính xác các yếu tố môi trường cũng như yêu cầu kỹ thuật, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ấp.

Nhiệt cung cấp cho buồng ấp Qa Để nâng nhiệt độ buồng ấp từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ ấp được xác định theo công thức:

Qtr: nhiệt cung cấp cho trứng ấp:

Qtr = Gtr Ctr (ta − to )

• Gtr, Gg, Gkt - khối lượng của trứng ấp, giàn dặt khay và khay ấp, kg

• Khối lượng trứng dưa vào ấp Gtr = 116,64kg

• Khối lượng giàn đặt khay trứng theo kết cấu thép làm giàn Gg = 125,5kg

• Khối lượng khay ấp Gka = 12.2,560,72kg

• ctr, cg, ckt - nhiệt dung riêng của trứng ấp, giàn đặt khay và khay ấp, kcal/kg.oC Theo tài liệu: ctr = 1560,5 kJ/kg.độ

• ta - nhiệt độ ấp theo yêu cầu công nghệ, ta = 38 o C;

Nhiệt độ ban đầu của trứng ấp, giàn ủ và khay ấp được xác định dựa trên nhiệt độ môi trường không khí, thường dao động quanh 20°C vào mùa đông Việc duy trì nhiệt độ phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình ấp trứng diễn ra thuận lợi và tỷ lệ nở cao Trong điều kiện mùa đông, nhiệt độ thấp hơn cần được cân nhắc kỹ lưỡng để bảo đảm trứng không bị sốc nhiệt và phát triển tốt nhất.

Thay giá trị Qtr và Qgk vào công thức ta được:

Nhiệt tổn thất ra môi trường Qm :

Nhiệt truyền qua vỏ máy ra môi trường bên ngoài:

Fvm - tổng diện tích vỏ thùng ấp m 2 Với máy ấp trứng đã thiết kế ta có: Kích thước phủ bì buồng ấp:

Sxq=1, 2 x 1,6 x 4 = 7,68 m2 Diện tích nắp và đáy: Snd =1,2 x 1,2 x 2 = 2,88 m2

Vậy tổng diện tích của vỏ thùng ấp là:

• to - nhiệt độ môi trường ngoài máy, o C

• ta - nhiệt độ ấp bên trong máy, o C

• βvm - hệ số truyền nhiệt của vỏ thùng máy (kcal/m2.h o C)

Qvm = 10, 56.(38 −10).91, 05 + 0, 0073).28 = 8753, 43 kJ Qlth - Nhiệt mất mát do thoát khí qua các lỗ thông gió và các khe hở không kín sát:

Qlth = Ck (ta − to ).Lth kJ

• Lth- lưu lượng khí thoát ra qua lỗ thông gió, kg/h

• Ck - nhiệt dung riêng của không khí, Ck = 0,24 kcal/kg.oC= 1,003 kJ/

• Flth - diện tích các lỗ thông gió, m2

• vk - vận tốc của không khí qua các lỗ thông gió, chọn vk = 0,05 m/s;

• γk - khối lượng riêng của không khí (γk = 1,02 kg/m3)

Theo kết cấu của máy, có 2 lỗ thông gió, đường kính lỗ dltg = 0,1 m Vậy diện tích lỗ thông gió:

Lth - lưu lượng khí thoát ra qua lỗ thông gió:

Qlth - Nhiệt truyền qua các đầu trục và ổ đỡ (bằng kim loại) ra ngoài:

Qtrm = Fhtm (ta − to ).ktr (kJ)

• Fhtr - diện tích mặt trụ của các đầu trục ở phía ngoài máy, m2

• βktr - hệ số truyền nhiệt của các kim loại làm trục, βktr = 1,69 kJ/m2.h o C

Từ kết quả tính toán trên, ta xác định được nhiệt tổn thất ra môi trường:

Từ đó ta tính được nhiệt lượng cần thiết Qct là:

Tính toán độ ẩm trong quá trình ấp

Lượng ẩm cần thiết của không khí trong buồng ấp ứng Wa với nhiệt độ ấp ta có dạng tổng quát sau:

• Wkk - Lượng ẩm của khụng khớ núng ủưa vào buồng ấp, kg/h

• Wtr - Lượng ẩm do trứng bốc hơi vào không khí trong buồng ấp, kg/h

• Wkn - Lượng ẩm từ khay nước bốc hơi vào không khí trong buồng ấp, kg/h

• Wth - Lượng ẩm thoát ra ngoài qua lỗ thông gió, kg/h

Xác định được lượng ẩm cần bổ sung vào trong buồng ấp:

Các đại lượng trong phương trình được xác định như sau:

Lượng ẩm cần thiết của không khí trong buồng ấp Wa

Lượng ẩm cần thiết của không khí trong buồng ấp Wa phụ thuộc vào nhiệt độ ấp là 38°C và độ ẩm tương đối của không khí tối đa theo yêu cầu công nghệ ấp trứng, là φta = 80% Lượng ẩm này chính là lượng ẩm thoát ra ngoài qua lỗ thông gió và được tính theo công thức phù hợp để duy trì điều kiện lý tưởng cho quá trình ấp trứng Việc kiểm soát đúng lượng ẩm giúp đảm bảo sự phát triển tối ưu của trứng trong quá trình ấp.

Wa = Lv dta (kg/h) Ứng với nhiệt dộ ấp ta = 38 o C phân áp suất hơi nước là:

Độ chứa ẩm của không khí trong buồng ấp, với nhiệt độ ủ là 38°C và độ ẩm tương đối 80%, đạt giá trị d = 0,182 kg/kg Áp suất hơi nước trong không khí (Pta) là 0,051 mmHg, phản ánh mức độ ẩm của không khí trong quá trình ủ, giúp tối ưu hóa điều kiện môi trường cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng hoặc sản phẩm ấp.

Lượng ẩm cần thiết của không khí trong buồng ấp ứng Wa là:

Wa = 1, 729.0,181 = 0, 315 (kg/h) Lượng ẩm của không khí nóng đưa vào buồng ấp Wkk từ buồng hòa trộn khí:

• Lv - lượng không khí đưa vào buồng ấp theo yêu cầu công nghệ, kg/h

Bạn có thể điều chỉnh lượng không khí và khí thoát ra qua lỗ thông gió để duy trì áp suất không khí trong buồng ấp, đảm bảo tránh tình trạng tăng áp suất Việc lấy trị số lượng không khí vào bằng lưu lượng khí thoát ra giúp duy trì môi trường ổn định cho quá trình ấp trứng Đặt mục tiêu cân bằng lượng không khí vào ra trong buồng ấp để đảm bảo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của trứng nhất quán và hiệu quả.

• do - độ chứa ẩm của không khí ddưa vào buồng ấp do= 0,145 kg/kg kk

Lượng ẩm do trứng bốc hơi vào không khí trong buồng ấp Wtr:

Khi đưa trứng vào phòng ấp, hơi nước bay hơi vào không khí trong buồng ấp gây giảm độ ẩm của trứng Lượng ẩm tỏa ra không khí được tính theo công thức chính xác, giúp kiểm soát độ ẩm tối ưu cho quá trình ấp nở Việc duy trì độ ẩm phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo tỷ lệ nở thành công cao.

Wtr = Gtr kta (kg/h) kta - hệ số thoát ẩm của trứng trong quá trình ấp, kta = 1,67.10 -4 kg/h

Lượng ẩm từ khay nước bốc hơi vào không khí trong buồng ấp

• kbh - hệ số bay hơi từ mặt thoáng của khay nước tạo ẩm, k 0,006kg/m2.h o C

• Fkn - diện tích khay nước tạo ẩm, m 2

• ta - nhiệt độ không khí trong buồng ấp, o C;

• tư - nhiệt độ nhiệt kế ướt tương ứng trạng thái nhiệt độ ấp ta và độ ẩm φta 80%, tư

Xác định diện tích khay nước tạo ẩm bổ sung:

F kn = Wa −Wkk −Wtr k (t − t ) bh a u

0, 06.938 − 36) Để đảm bảo diện tích bốc hơi ta chọn khay nước có kích thước D x R = 0,8 x 0,5 m tương ứng với diện tích 0,4 m 2

Do lượng ẩm cần bù < 0,5 kg/h đến lựa chọn bộ tạo ẩm dùng các loại máy phun sương loại công suất nhỏ.

Lựa chọn bơm phun sương

Do lượng ẩm cần bù < 0,5 kg/h đến lựa chọn bộ tạo ẩm dùng các loại máy phun sương loại công suất nhỏ

Hình 2.2 Động cơ bơm phun sương Bảng 2.1 Thông số động cơ bơm phun sương

Mã sản phẩm QYFM-220 Điện áp sử dụng 220 VAC

Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 75KB

Lựa chọn bộ gia nhiệt

Trong máy ấp trứng gia cầm, việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn bằng thép là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả Không khí từ môi trường được hút vào bên trong ống xoắn, nơi nó được làm nóng lên theo nhiệt độ yêu cầu của quy trình ấp nhờ sự ảnh hưởng của khói từ quá trình nung đốt Quạt hút sau đó thổi không khí đã được gia nhiệt vào buồng ấp, giúp duy trì nhiệt độ tối ưu cho quá trình nở của trứng.

Với thiết bị trao đổi nhiệt này có những ưu nhược điểm sau: Ưu điểm:

Không khí di chuyển theo đường dích zắc giúp tăng thời gian tiếp xúc với khói lò, từ đó nâng cao hiệu quả truyền nhiệt Nhờ đó, thiết bị trao đổi nhiệt có thể được thu nhỏ kích thước mà vẫn đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu Điều này góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống và giảm chi phí lắp đặt.

Bề mặt trao đổi nhiệt ít bị bám bẩn, dễ làm sạch

Kết cấu đơn giản, giá thành hạ, dễ lắp đặt, bảo trì và sửa chữa

Trở kháng của dòng khí nóng trong ống xoắn lớn do không khí phải đi qua nhiều đoạn uốn cong

Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn

Các thông số của không khí trong ống xoắn

Lưu lượng khí vào trong ống xoắn Lx bằng lưu lượng không khí cần thiết cho quá trình ấp Lx = Lv = 1,729kg/h

Nhiệt độ khí vào lấy theo nhiệt độ môi trường không khí ngoài trời là 10°C, trong khi nhiệt độ khí ra đạt 50°C, phản ánh nhiệt độ không khí trong buồng hòa trộn đã được tính toán chính xác.

• Hệ số dẫn nhiệt của khí: λ=2,83.10 -1 W/m 0 K

• Đường kính ngoài của ống thép: d1 = 100 mm

• Đường kính trong của ống thép: d2 = 96 mm;

• Tốc độ trung bình không khí trong ống: v2 (m/s)

Vận tốc khí v2 trong ống được lựa chọn sao cho đảm bảo đủ lưu lượng không khí tươi cần thiết đưa vào buồng ấp Việc tính toán vận tốc khí này có thể thực hiện theo công thức: v2 = Lv, giúp xác định tốc độ khí phù hợp nhằm duy trì quy trình khí thấm tối ưu trong hệ thống Chọn vận tốc khí đúng không những nâng cao hiệu quả cung cấp không khí mà còn giúp đảm bảo điều kiện sinh trưởng tốt nhất cho cây trồng trong buồng ấp.

• Tính toán quá trình trao đổi nhiệt giữa khói và khí

• Nhiệt độ trung bình của khí:

• t2 = 0, 5.(t ' + t '' ) = 0, 5.(10 + 50) = 30 o C Ở nhiệt độ này các thông số của khí như sau:

.1, 005.(50 −10) = 0,19 kW k 3600 Vậy lựa chọn bộ gia nhiệt có công suất 500 W để gia nhiệt cho lò ấp trứng

Thông số bộ gia nhiệt:

Hình 2.3 Bộ gia nhiệt Bảng 2.2 Thông số bộ gia nhiệt

Mã sản phẩm QU-32 Điện áp sử dụng 220 VAC

Nhiệt độ sử dụng 300 độ C

Lựa chọn động cơ đảo trứng

- Khối lượng trứng là mmax = 117 kg

- Động cơ sử dụng bánh đai, lựa chọn bánh đai có đường kính 30 cm Công suất làm việc:

Plv = F.v= 117.9,8 x 0,12= 129 W Công suất làm việc của động cơ đề phòng trường hợp quá tải:

Plvqt = Plv.kqt= 129 x 2 = 260 (w) Momen động cơ điện M:

Mbd=r.P=0,15 × 260= 39 N.m Thông số động cơ:

Hình 2.4 Động cơ giảm tốc Bảng 2.3 Thông số động cơ giảm tốc

Mã sản phẩm QU-32 Điện áp sử dụng 220VAC

Lựa chọn động cơ quạt tản nhiệt

Công suất cần thiết của quạt gió được xác định theo công thức:

Vth - lưu lượng thể tích của không khí, Vth = 0,33 m3/s; q

∆p - trở lực toàn phần của quạt, ∆p = 37,63 mmH2O kdp - hệ số dự phòng kdp = 1,1 - 1,2 chọn kdp = 1,1 ηq - hiệu suất quạt, ηq= 0,4-0,6; chọn ηq =0,5

Thay các giá trị vào công thức ta tính được công suất cần thiết của quạt là:

N = 1,1 0, 33.37, 63 = 0, 268(kW ) q 102.0, 5 Để đảm bảo vừa hút thổi gió vừa làm đều không khí trong buồng ấp nhóm em chọn quạt có công suất 400W, lưu lượng mỗi quạt gió 400 (m3/h)

Hình 2.5 Quạt tản nhiệt Bảng 2.4 Thông số quạt làm mát

Mã sản phẩm DP-200 Điện áp sử dụng 220VAC

Mạch động lực hệ thống

Hình 2 6 Mạch động lực thiết kế

LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LÒ ẤP TRỨNG

Các thành phần trong hệ thống

- Là trung tâm, là bộ não của toàn bộ hệ thống

- Module này điều khiển mọi hoạt động của hệ thống

- Đầu vào là dạng tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

- Đầu ra điều khiển động cơ quạt tản nhiệt, động cơ đảo trứng, bộ gia nhiệt

Giới thiệu về CPU 1214C DC/DC/DC

Với CPU 1214C DC/DC/DC:

✓ Đối với đầu vào là Sink, kết nối cổng M với chân âm (-)

✓ Đối với đầu vào là Source, kết nối cổng M với chân dương (+)

✓ Đầu vào là nguồn điện 24V DC

Hình 3.1 PLC S7 1200 CPU 1214 DC DC DC

Bảng 3 1 Thông số kĩ thuật PLC

Mã sản phẩm 6ES7212-1BE40-0XB0

Số lượng đầu vào/ra 14/10 Đầu vào/đầu ra 24/24V DC

Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 75KB

Hình 3 2 Module analog SM1232 AQ

Bảng 3 2 Thông số module AQ

Ngõ ra 2 ngõ ra tương tự

3.1.2 Module đo nhiệt độ và độ ẩm

Cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi

Hình 3 3 Cảm biến nhiệt độ

Bảng 3 3 Thông số cảm biến nhiệt độ

Model LCB01 Điện áp 24 VDC

Hình 3.4 Cảm biến độ ẩm

Cảm biến nhiệt ẩm là cảm biến điện tử hoàn toàn, sử dụng ẩm kế để đo độ ẩm tương đối

Hai thành phần chính tạo nên cảm biến nhiệt ẩm này gồm có nhiệt kế PT100 hạng A đảm bảo độ chính xác và chất lượng vượt trội, cùng với ẩm kế sử dụng tụ điện có chất điện môi polymer màng mỏng, có khả năng thay đổi công suất điện tỷ lệ thuận với độ ẩm tương đối của không khí, giúp đo lường chính xác và ổn định trong các ứng dụng công nghiệp và thiết bị điện tử.

Vỏ cảm biến được làm từ 6 đĩa ABS, thiết kế để bảo vệ khỏi tác động của bức xạ mặt trời và đảm bảo hệ thống thông gió hiệu quả, tránh biến dạng do quá nhiệt Bề mặt đĩa phía dưới được sơn màu đen nhằm tăng độ chính xác của cảm biến trong môi trường có ánh sáng phản xạ từ bên dưới.

Bảng 3 4 Thông số cảm biến độ ẩm

3.1.4 Module điều khiển bộ gia nhiệt

- Module cấp nhiệt tạo ra nhiệt cho hệ thống để ấp trứng

- Đầu vào của module này là dòng điện

- Đầu ra của module là điều khiển cấp nhiệt cho hệ thống thông qua điều chỉnh điện áp

Relay bán dẫn hoạt động giống như relay cơ khí truyền thống, giúp điều khiển dòng điện lớn hơn bằng cách sử dụng dòng điện nhỏ hơn Đây là thành phần quan trọng trong hệ thống điện tử, giúp tăng hiệu quả và độ an toàn cho các thiết bị điện Với cấu tạo đặc biệt, relay bán dẫn giúp cách ly và kiểm soát dòng điện dễ dàng hơn, phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa và điều khiển tự động.

Bảng 3 5 Thông số relay bán dẫn

Nguồn cấp đầu vào 4 – 20 mA Dải nhiệt độ đo được 0-400 độ C Đầu ra 250 – 380 VAC

- Hệ thống muốn hoạt động được phải có module này, từ đó đó cũng nói lên vai trò quan trọng của nó

- Đầu vào của module là điện áp

- Đầu ra của hệ thống cũng là điện áp để cấp cho toàn bộ hệ thống hoạt động

Nguồn tổ ong, còn gọi là nguồn xung, có hình dạng các lỗ thông hơi hình lục giác giống như tổ ong, giúp thoát nhiệt hiệu quả Loại nguồn này không sử dụng quạt tản nhiệt, nhờ đó kết cấu trở nên gọn nhẹ hơn và phù hợp cho các không gian nhỏ hẹp Chính đặc điểm này giúp nguồn tổ ong dễ dàng nhận biết và phân biệt trong thị trường linh kiện điện tử.

Nguồn tổ ong được sử dụng với mục đích biến đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện 1 chiều

Hình 3 6 Nguồn tổ ong Bảng 3 6 Thông số nguồn tổ ong

Loại sản phẩm Nguồn tổ ong CR-120W Điện áp đầu vào 110V/ 220V AC Điện áp đầu ra 24 VDC

Mạch đấu nối module đo nhiệt độ và độ ẩm với bộ điều khiển

Hình 3 7 Mạch đấu nối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Mạch đấu nối module điều khiển bộ gia nhiệt

Hình 3 8 Sơ đồ đấu nối bộ gia nhiệt

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Nguyên lý hoạt động

- Nhấn start hệ thống hoạt động, động cơ quạt tản nhiệt chạy

- Khi nhiệt độ < 35 độ C, bộ gia nhiệt sử dụng với 100% công suất gia nhiệt để tăng nhiệt độ buồng ấp

- Khi nhiệt độ từ 35 - 40 độ C bộ gia nhiệt sử dụng với 50% công suất gia nhiệt để luôn duy trì nhiệt độ trong dải yêu cầu

- Khi nhiệt độ vượt quá 40 độc C bộ gia nhiệt sử dụng 20% công suất gia nhiệt để hạ nhiệt độ xuống với dải yêu cầu

- Độ ẩm > 70% bơm phun sương dừng hoạt động

- Độ ẩm 60 - 70% bơm phun sương hoạt động 3s

- Độ ẩm < 60 % bơm phun sương hoạt động 6s

- Động cơ đảo trứng hoạt động trong vòng 5s để đảo khay trứng, hoạt động cách nhau 12h trong 1 ngày

Nhấn stop hệ thống dừng.

Lưu đồ thuật toán

Hình 4 1 Lưu đồ thuật toán

Phần mềm sử dụng để lập trình

Hình 4 2 Phần mềm lập trình tia portal V17 a, Tổng quan về phần mềm lập trình

TIA Portal là phần mềm tổng hợp tích hợp nhiều công cụ điều hành và quản lý tự động hóa, vận hành hệ thống điện một cách toàn diện Đây là nền tảng phần mềm tự động hóa mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống tự động trong các nhà máy và nhà xưởng hiện đại.

S S Đ đầu tiên, có sử dụng chung môi trường nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống

TIA Portal, được phát triển vào năm 1996 bởi các kỹ sư của Siemens, là nền tảng giúp người dùng phát triển và lập trình các phần mềm quản lý riêng lẻ một cách nhanh chóng và dễ dàng Giải pháp này tối ưu hóa quá trình tích hợp các ứng dụng riêng biệt, giảm thiểu thời gian và công sức để tạo thành hệ thống thống nhất Với TIA Portal, việc xây dựng hệ thống tự động hóa trở nên nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

TIA Portal là phần mềm nền tảng tích hợp tự động toàn diện, dùng để phát triển các phần mềm lập trình và cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm tự động hóa công nghiệp Với đặc điểm nổi bật, TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, từ đó đảm bảo tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành Việc sử dụng TIA Portal giúp tối ưu hoá quy trình vận hành, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu lỗi trong quá trình triển khai hệ thống tự động hóa.

TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác

• Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng

• Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát

• Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống

• Tích hợp mô phỏng hệ thống

• Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens

Các thành phần trong bộ cài TIA Portal

Phần mềm TIA Portal của Siemens là công cụ tích hợp, cung cấp các thành phần mạnh mẽ giúp người dùng quản lý và lập trình PLC, HMI một cách hiệu quả Bộ TIA Portal bao gồm các thành phần đa dạng, tối ưu hóa quá trình kỹ thuật số hóa và tự động hóa trong lĩnh vực công nghiệp.

Simatic Step 7 professional và Simatic step 7 PLCSIM: Giải pháp lập trình và mô phỏng PLC S7-300, S&-400, Simatic S7-1200, Simatic S7-1500…

Simatic WinCC Professional: Được dùng để lập trình màn hình HMI, và giao diện SCADA

Simatic Start Driver: Được lập trình cấu hình Siemens

Sirius và Simocode là giải pháp tối ưu cho việc thiết lập cấu hình và chuẩn đoán lỗi linh hoạt trong hệ thống điều khiển Hỗ trợ điều khiển chuyển động đơn trục và đa trục cùng với Scout TIA giúp nâng cao hiệu suất vận hành Thư viện Simatic Robot đầy đủ dữ liệu giúp người dùng dễ dàng thiết lập cấu hình và hệ thống một cách nhanh chóng, tối ưu hóa quá trình tự động hóa và giảm thiểu thời gian chết của hệ thống.

Bảo mật lập trình PLC với TIA Portal hiệu quả

Bảo mật project trong lập trình PLC S7 với TIA thực hiện các thao tác: Vào phần

“Security settings”, chọn “setting” chọn “Protech project” để thiết lập password cho Project

To secure a PLC using TIA Portal, start by configuring the hardware settings within the PLC configuration Navigate to the "Protection & Security" section, then select "Access Level" to establish appropriate security measures This ensures that the PLC is protected against unauthorized access and enhances overall system security.

Full access: Ứng với khối bảo mật mà ai cũng có thể đọc và viết mà không cần password

Read Access: Bảo mật phần viết cho PLC, cần có password HMI và SCADA hay user đọc được chương trình không cần password

HMI access: Bảo mật phần read và write của PLC cần có Password HMI và SCADA đọc không cần Password

No Access: Tất cả các ứng dụng truy xuất vào PLC đều cần Password b, Ngôn ngữ lập trình và các khối chương trình

Ladder Logic, hay còn gọi là sơ đồ bậc thang hay LD/LAD, là ngôn ngữ lập trình đồ họa dùng để lập trình PLC (Programmable Logic Controller) Nó thể hiện các hoạt động logic bằng ký hiệu tượng trưng, giúp dễ hiểu và dễ thiết kế Các nấc thang logic trong Ladder Logic tạo thành hình dạng giống như một chiếc thang, chính vì vậy nó được gọi là “Ladder Logic” Đây là ngôn ngữ phổ biến trong tự động hóa điều khiển công nghiệp.

Lý do Ladder Logic được chọn làm ngôn ngữ lập trình PLC là do các nhà thiết kế và kỹ sư hệ thống điều khiển ban đầu quen thuộc với các mạch điều khiển Relay Ladder Logic là ngôn ngữ đồ họa mô phỏng rất giống với sơ đồ mạch relay, giúp nhân viên bảo trì dễ dàng đọc hiểu và thao tác Việc sử dụng sơ đồ bậc thang để lập trình PLC giúp quá trình bảo trì và khắc phục sự cố hệ thống trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn.

Phân công vào ra trên phần mềm

AI0: cảm biến nhiệt độ Q0.2: Động cơ đảo trứng

AI1: cảm biến độ ẩm AQ0: Relay bán dẫn

Mô phỏng hệ thống thiết kế

Hình 4.3 Giao diện thiết kế

Nhiệt độ 76°C, độ ẩm 26%, và công suất gia nhiệt 20% đều không phù hợp cho quá trình ấp trứng Nhiệt độ quá cao kết hợp với độ ẩm thấp có thể gây hại và tiêu diệt phôi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự phát triển của trứng Việc duy trì các mức nhiệt độ và độ ẩm phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo thành công trong ấp trứng.

Hình 4.4 Mô phỏng nhiệt độ và độ ẩm trường hợp 1

Nhiệt độ 76°C, độ ẩm 26%, và công suất gia nhiệt 20% đều không phù hợp cho quá trình ấp trứng Nhiệt độ quá cao và độ ẩm quá thấp có thể gây hại, thậm chí giết chết phôi trong quá trình ấp trứng Để đảm bảo thành công, cần duy trì các thông số phù hợp nhằm tránh ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của phôi.

Hình 4.5 Mô phỏng nhiệt độ độ ẩm trường hợp 2

Nhiệt độ 76°C, độ ẩm 26%, và công suất gia nhiệt 20% là những thông số không phù hợp cho quá trình ấp trứng Việc duy trì nhiệt độ quá cao và độ ẩm quá thấp có thể gây hại cho phôi, thậm chí làm chết phôi trong quá trình nở Để đảm bảo thành công, cần điều chỉnh các chỉ số này phù hợp với yêu cầu của quá trình ấp trứng.

Hình 4.6 Mô phỏng nhiệt độ độ ẩm trường hợp 3

Nhiệt độ 76°C, độ ẩm 26% và công suất gia nhiệt 20% đều không phù hợp cho quá trình ấp trứng Nhiệt độ quá cao kết hợp với độ ẩm thấp sẽ gây tổn hại nghiêm trọng đến phôi, thậm chí làm chết phôi Việc duy trì các thông số này ở mức phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo thành công trong quá trình ấp trứng.