GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Cơ sở lựa chọn vật liệu và cấu tạo nhà kính
Chúng tôi đã chọn vật liệu khung sương là thép hộp kết hợp với tấm hình nhà kính do tính ứng dụng thực tiễn cao của mô hình này.
Ngày nay, việc ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng cho ngành này Người La Mã cổ đại là những người đầu tiên phát triển nhà kính bằng các vật liệu tương tự như hiện nay.
Nhựa PE trong suốt bao phủ xung quanh để có thể đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng của đề tài đưa ra
Hình 2 1 Mô hình nông trại nhà kính
[2] PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt:
Bộ điều khiển Logic có thể lập trình (PLC) khác với các bộ điều khiển thông thường nhờ khả năng thay đổi thuật toán điều khiển theo nhu cầu người dùng thông qua ngôn ngữ lập trình Điều này giúp PLC thực hiện linh hoạt nhiều bài toán điều khiển khác nhau.
PLC sử dụng tín hiệu đầu vào và các thuật toán điều khiển được lập trình sẵn để phát tín hiệu đầu ra, từ đó điều khiển các thiết bị khác một cách hiệu quả.
Cấu trúc cơ bản của PLC
PLC là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, với toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của nó Tương tự như máy tính, PLC có bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu, cùng với các cổng ra/vào để kết nối với các đối tượng điều khiển Cấu trúc cơ bản của một PLC bao gồm các thành phần thiết yếu như vậy.
+ Mô đun xử lý tín hiệu
Ngoài các mô đun chính, PLC còn bao gồm các mô đun phụ trợ như mô đun giao tiếp mạng và truyền thông Các mô đun này giúp kết nối và xử lý tín hiệu, bao gồm mô đun kết nối với cảm biến nhiệt độ, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun kết nối với encoder, và mô đun đếm xung vào.
Tổng quan về PLC S7-1200
Dòng PLC Siemens S7 1200 là thiết bị tự động hóa với độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh, được thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
PLC S7-1200 của Siemens sở hữu giao diện truyền thông mạnh mẽ, đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất trong ngành công nghiệp Với các tính năng công nghệ tiên tiến được tích hợp sẵn, sản phẩm này mang đến giải pháp tự động hóa toàn diện và hoàn chỉnh.
Nguyên lý hoạt động của PLC S7 1200
Các PLC hoạt động dựa trên nguyên lý mà CPU điều khiển các hoạt động bên trong Bộ xử lý đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ, sau đó thực hiện từng lệnh theo thứ tự, đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra này được gửi đến các thiết bị liên kết để thực thi, và toàn bộ hoạt động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển lưu trữ trong bộ nhớ.
Một số dòng CPU S7-1200
S7-1200 có 5 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
+ PLC S7-1200 CPU 1211C có bộ nhớ làm việc 50KB work memory
+ PLC S7-1200 CPU 1212C có bộ nhớ làm việc 75KB work memory
PLC S7-1200 cung cấp nhiều tùy chọn CPU với dung lượng bộ nhớ làm việc khác nhau Cụ thể, CPU 1214C có bộ nhớ làm việc 100KB, CPU 1215C có bộ nhớ 125KB, và CPU 1217C có bộ nhớ 150KB Những thông số này giúp người dùng lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu ứng dụng tự động hóa của mình.
PLC 1214 DC/DC/DC
Bộ điều khiển PLC SIMATIC S7-1200 1214 DC/DC/DC của Siemens là giải pháp lý tưởng cho tự động hóa nhỏ gọn, cung cấp tùy chọn mở rộng truyền thông và chức năng tương thích Sản phẩm có nhiều phiên bản, bao gồm tiêu chuẩn và an toàn, với thiết kế nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian.
Hình 2 2 Nguyên lý hoạt động của PLC
Hình 2 3 PLC S7 1200 1214C DC/DC/DC
Bộ điều khiển S7-1200 1214 DC/DC/DC mang lại sự linh hoạt và hiệu suất mạnh mẽ, giúp bạn kiểm soát đa dạng thiết bị, đáp ứng hiệu quả nhu cầu tự động hóa của bạn.
S7-1200 với thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và bộ hướng dẫn mạnh mẽ là giải pháp lý tưởng cho việc kiểm soát đa dạng ứng dụng.
CPU S7-1200 1214 DC/DC/DC tích hợp bộ vi xử lý, mạch cấp nguồn, đầu vào và đầu ra, cùng với PROFINET và I/O điều khiển chuyển động tốc độ cao trong một thiết kế nhỏ gọn, tạo nên một bộ điều khiển mạnh mẽ Thiết bị này cung cấp cổng PROFINET để hỗ trợ truyền thông hiệu quả qua mạng PROFINET.
Các mô-đun bổ sung có sẵn để liên lạc qua các mạng PROFIBUS, GPRS, RS485 hoặc RS232
Các phần mềm hệ thống sử dụng để lập trình
Tổng quan về Web Server
Web Server là một máy chủ mạnh mẽ với dung lượng lớn và tốc độ cao, được sử dụng để lưu trữ thông tin giống như một ngân hàng dữ liệu Nó chứa các website đã được thiết kế cùng với những thông tin liên quan khác, bao gồm mã Script, chương trình và các file Multimedia.
Web Server có khả năng truyền tải các trang Web đến máy khách qua Internet bằng giao thức HTTP, được thiết kế để gửi tệp tin đến trình duyệt Web và các giao thức khác.
Mỗi Web Server đều sở hữu một địa chỉ IP hoặc một tên miền (Domain Name) Khi người dùng nhập vào thanh địa chỉ trình duyệt dòng ‘http://www.xyz.com’ và nhấn Enter, họ đã gửi yêu cầu đến một Server có tên miền tương ứng.
‘www.xyz.com’ Server này sẽ tìm trang Web có tên là index.htm rồi gửi nó đến trình duyệt của người sử dụng
Bất kỳ máy tính nào cũng có thể trở thành Web Server bằng cách cài đặt phần mềm máy chủ và kết nối internet.
Khi máy tính kết nối với Web Server và gửi yêu cầu truy cập thông tin từ một trang web, phần mềm máy chủ web sẽ tiếp nhận yêu cầu đó và trả về những thông tin mà người dùng mong muốn.
Cách thức hoạt động của một wed server
Hình 2 4 Hoạt động của webserver
[2] Người dùng Internet sẽ truy cập một website bất kỳ thông qua một trình duyêt web được cài trên máy tính hoặc thiết bị di động
Lúc này, trình duyệt web mà bạn đang sử dụng (Chrome, Cốc Cốc, Firefox
Khi người dùng gửi yêu cầu truy cập một tên miền, hệ thống sẽ chuyển đổi tên miền đó thành địa chỉ IP thông qua máy chủ DNS Tiếp theo, trình duyệt sử dụng giao thức HTTP để gửi yêu cầu đến máy chủ web, thông báo rằng có một người dùng đang cần truy xuất thông tin tại địa chỉ đó và yêu cầu máy chủ trả về kết quả.
Khi trình duyệt gửi yêu cầu, máy chủ web sẽ kiểm tra hệ thống để xác định xem có tài nguyên nào liên quan đến địa chỉ người dùng tìm kiếm hay không Nếu có, máy chủ sẽ trả lại thông tin qua giao thức HTTP để trình duyệt hiển thị cho người dùng Ngược lại, nếu không tìm thấy, sẽ xuất hiện thông báo lỗi hoặc nội dung không tìm thấy Quy trình này lặp đi lặp lại.
Tổng quan về phần mềm TIA Portal của Siemens
TIA Portal, viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là phần mềm tổng hợp cho quản lý tự động hóa và vận hành hệ thống điện Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên cho phép thực hiện các tác vụ và điều khiển hệ thống trong một môi trường chung.
TIA Portal, được phát triển bởi các kỹ sư Siemens vào năm 1996, cho phép người dùng nhanh chóng phát triển và viết phần mềm quản lý trên một nền tảng thống nhất Giải pháp này giúp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng riêng lẻ, từ đó tạo ra một hệ thống đồng bộ và hiệu quả.
TIA Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, phục vụ cho việc lập trình và cấu hình thiết bị trong các sản phẩm khác nhau Với khả năng chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, TIA Portal đảm bảo tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành Phần mềm này cung cấp môi trường lập trình dễ dàng, hỗ trợ thực hiện các thao tác một cách hiệu quả.
+ 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
Phần mềm TIA Portal hiện có nhiều phiên bản, bao gồm TIA Portal V14, V15, V16 và phiên bản mới nhất là TIA Portal V17 Người dùng có thể lựa chọn phiên bản phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình.
Hình 2 6 Cấu tạo cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, một sức điện động V được phát sinh tại đầu lạnh, trong khi nhiệt độ ở đầu lạnh cần phải ổn định và đo được, phụ thuộc vào chất liệu Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt dựa vào mối quan hệ giữa vật liệu kim loại và nhiệt độ; cụ thể, tại nhiệt độ 0, điện trở đạt 100Ω và tăng lên khi nhiệt độ tăng Việc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc của cảm biến nhiệt mà còn giúp việc vận hành và lắp đặt trở nên dễ dàng hơn.
Cảm biến độ ẩm đất
Hình 2 7 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ hơi nước, làm thay đổi tính chất của thành phần cảm nhận và điện trở của cảm biến Đối với cảm biến điện dung, độ ẩm không khí ảnh hưởng đến điện dung giữa hai tấm kim loại Trong khi đó, cảm biến điện trở sử dụng polymer hoặc sứ để hấp thụ độ ẩm, từ đó tác động đến điện trở suất và được kết nối với mạch điện Sự biến đổi điện trở cho phép đo lường độ ẩm tương đối dựa trên thay đổi dòng điện.
Cầu dao tự động ngắt (Aptomat)
+ Cầu dao tự động ngắt (Aptomat) 2 cực SINO - CB 2 cực SINO Tên gọi khác: Át Sino, CB 2 tép Sino, Cầu dao tự ngắt Sino
+ Bảo vệ mạch điện chống quá tải và ngắn mạch (chập điện)
Vật liệu nhựa chống cháy chất lượng cao với mẫu mã đẹp và độ bền vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp Sản phẩm PS45N có tính năng tự động ngắt khi gặp tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Hình 2 8 Cầu dao tự động ngắt
Dòng cắt: 4,5KA Dòng chịu tải 10A, 16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, 63A
+ Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp cho các thiết bị điện tử
+ Dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch
+ Điện áp ra: 12V + Công suất: 600W
+ Ứng dụng: Nguồn tổ ong 12V 5A sử dụng cấp nguồn cho sản phẩm như đèn led trong nghành quảng cáo, camera, thiết bị ngoại vi, điều khiển tự động
Nguồn Tổ Ong 24V 20A, hay còn gọi là bộ nguồn một chiều, có chức năng chuyển đổi điện áp từ 220VAC sang 24VDC, cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động Sản phẩm này được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện và dân dụng, đồng thời cũng được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để cấp nguồn cho các thiết bị trong tủ điện.
+ Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp cho các thiết bị điện tử
+ Dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch
+ Hiệu quả cao, giá thành thấp, độ tin cậy cao
+ Ứng dụng: Nguồn tổ ong 12V 5A sử dụng cấp nguồn cho sản phẩm như đèn led trong nghành quảng cáo, camera, thiết bị ngoại vi, điều khiển tự động
Rơ le kiếng, hay còn gọi là relay trung gian, được thiết kế với đèn báo nguồn màu xanh cho điện áp DC và màu đỏ cho điện áp AC, giúp dễ dàng kiểm tra và bảo trì Đèn LED báo trạng thái cấp nguồn cho biết rơ le đang hoạt động Relay trung gian có đế cắm chắc chắn, ôm chặt các chân của relay, đảm bảo không bị rung động trong quá trình hoạt động cũng như trong môi trường máy móc.
+ Điện áp: Relay kiếng loại 220VAC, 220VDC, 110VDC, 110VAC, 48VDC, 48VAC, 24VDC, 12VDC
Hình 2 11 Rơ le trung gian 24V
+ Nhiệt độ: -40-55 độ C Số lần đóng cắt: 100.000 lần
Chân rèm có nhiều kiểu dáng, bao gồm chân tròn và chân dẹp với các kích thước khác nhau như chân dẹp nhỏ 5A, chân dẹp lớn 10A, và chân tròn 10A Số lượng chân được phân bố như sau: 14 chân dẹp nhỏ 5A, 14 chân dẹp lớn 10A, 8 chân dẹp nhỏ, 8 chân dẹp lớn 10A, 11 chân tròn và 8 chân tròn 10A Động cơ kéo rèm hoạt động với điện áp 24V DC.
Motor giảm tốc 24v còn gọi là động cơ giảm tốc 24v, dòng sản phẩm điện 1 chiều DC này có công dụng vô cùng quan trọng
Động cơ kéo rèm 12VDC chuyên dùng cho các cơ cấu nâng, kẹp và trượt, phù hợp cho robot tự động với tốc độ không cao Với nguồn điện 24VDC, tốc độ 220 vòng/phút và công suất 15W, động cơ này có momen xoắn cực đại 2.0N.m, trọng lượng 250g và đường kính trục 6mm, cùng hệ số giảm tốc 20:1 và nhông bằng thép Bên cạnh đó, động cơ bơm nước P385 12VDC có kích thước nhỏ gọn, áp lực mạnh, cho khả năng bơm tối đa 1~2L/phút, lý tưởng cho các ứng dụng như bơm hồ cá, tưới cây, hoặc gắn với đầu phun để tạo máy rửa tay và các ứng dụng phun xịt khác.
+ Điện áp sử dụng: 6~12VDC
+ Thời gian chạy liên tục: < 1h
Hình 2 13 Động cơ bơm nước
+ Đường kính đầu bơm: đường kính trong 6mm, đường kính ngoài 8.5mm
+ Kích thước: 90 x 40 x 35 mm Đèn sợi đốt
Đèn sợi đốt Wolfram tiêu chuẩn có nhiều dạng khác nhau như trong suốt, mờ, trắng đục và màu sắc Hiện nay, loại trắng đục với công suất từ 15 đến 1000 watts, sử dụng đui xoáy hoặc đui ngạnh, là phổ biến nhất Một số bóng đèn này có hình dạng trang trí như ngọn nến hoặc chữ nhỏ, nhưng hiệu suất của chúng chỉ đạt khoảng 11-19 lm/W Thời gian sử dụng của đèn sợi đốt thường ngắn, khoảng 1000 giờ, mặc dù chi phí ban đầu thấp Với sự phát triển của đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt halogen, việc sử dụng đèn sợi đốt thông thường ngày càng trở nên khó chấp nhận.
Quạt tản nhiệt 12V 12x12, hay còn gọi là quạt thông gió, hiện đang có mặt trên thị trường với nhiều loại khác nhau, được thiết kế riêng cho từng lĩnh vực Các sản phẩm quạt thông gió bao gồm quạt trong nhà, hệ thống ống khí nén, quạt hút bụi cho nhà xưởng, quạt hút khói, quạt làm mát và quạt CPU Tất cả đều hoạt động với điện áp 12VDC.
Nút nhấn và nút Switch
Khi nhấn nút nhấn, tiếp điểm sẽ đóng hoặc mở tùy thuộc vào loại nút thường mở hay thường đóng Khi tay thả ra, cơ cấu tự giữ của nút nhấn sẽ gài lại, giúp tiếp điểm duy trì trạng thái đã chọn Để thay đổi trạng thái của nút nhấn, người dùng chỉ cần nhấn thêm một lần nữa, lúc này cơ cấu gài sẽ được mở ra và lò xo bên trong sẽ đẩy nút nhấn trở về vị trí ban đầu.
Hình 2 16 Nút nhấn điều khiển
Tương đương khi đó đèn của nút nhấn sẽ sáng để hiển thị đang đóng hoặc đang mở
Số tiếp điểm: 1 NO + 1 NC
Dòng định mức: 10A Điện áp định mức: 380VAC 50hz, 220VDC Điện áp đèn báo: 24V
Công tắc xoay 2 vị trí là thiết bị điện quan trọng, cho phép bật/tắt ở hai vị trí khác nhau, thường được sử dụng trong các tủ điện công nghiệp, tủ điện máy CNC và nhiều loại máy móc khác Sản phẩm này có thiết kế chắc chắn, chịu được dòng tải cao, với núm xoay dễ dàng cầm nắm và thao tác Việc tháo lắp tiếp điểm để bảo trì cũng rất đơn giản, và người dùng có thể thay thế tiếp điểm khi cần Đặc biệt, công tắc 2 chế độ này cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ hoạt động: bằng tay và tự động.
Số tiếp điểm: 1 cặp thường đóng, 1 cặp thường mở (1 NO , 1 NC)
Chất liệu: nhựa không cháy ở nhiệt độ cao
Dòng định mức: 10A Điện áp định mức: 380VAC 50hz / 220VDC
Phương pháp kết nối: vặn vít
Kích thước ốc vặn: 3.5 mm
Kích thước lỗ lắp đặt: 22mm
Hình 2 17 Nút nhấn Switch 2 vị trí
Module chuyển đổi tín hiệu PT100
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Chế độ Manual
Hệ thống hoạt động hoàn toàn bằng tay, cho phép người dùng kiểm soát thông qua các nút nhấn Những nút nhấn này được thiết kế trên cả tủ điện và giao diện wincc cũng như webserver, mang lại sự tiện lợi trong việc điều khiển thiết bị.
Chế độ Auto
Hệ thống hoạt động dựa trên tín hiệu từ cảm biến, với các cơ cấu chấp hành được điều khiển theo cài đặt lập trình sẵn Khi nhiệt độ và độ ẩm đạt mức cho phép, các cơ cấu sẽ hoạt động theo yêu cầu của người sử dụng.
Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 15 độ, đèn sưởi sẽ hoạt động, giúp duy trì nhiệt độ lý tưởng cho cây trồng phát triển tốt trong mùa đông khắc nghiệt.
Khi nhiệt độ vượt quá 40 độ, cần ngay lập tức kích hoạt bơm 1, quạt 1 và đóng rèm để hạ nhiệt độ trong phòng, nhằm bảo vệ cây trồng khỏi tổn hại và đảm bảo sức khỏe cho chúng.
Khi độ ẩm đất dưới 60 phần trăm thì bơm 2 hoạt động nhằm cung cấp độ ẩm phù hợp để cây sinh trưởng và phát triển 1 cách tốt nhất
Khi độ ẩm đất trên 70 phần trăm thì quạt 2 và rèm mở ra nhằm giảm độ ẩm trong phòng về ở mức cho phép
Chuyển sang chế độ tự động cho phép theo dõi hoạt động của hệ thống trên web và điều chỉnh cơ cấu chấp hành từ xa, mang lại ưu điểm nổi bật cho mô hình này.
Sơ đồ khối trong hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ gồm 4 khối chính: Khối nguồn, khối đầu vào, khối đầu ra, khối điều khiển trung tâm
Nguồn 24V cung cấp cho PLC và các cơ cấu chấp hành như quạt và rèm, nút nhấn, relay và các vật có liên quan khác
Trong hệ thống này, nguồn 12V được sử dụng để cung cấp năng lượng cho bơm, vì bơm chỉ hoạt động với điện áp 12V Do đó, cần bổ sung một bộ nguồn 12V để đảm bảo bơm hoạt động hiệu quả.
Nút nhấn bao gồm 7 nút On/Off 24V có chức năng nhấn giữ để điều khiển hệ thống bằng tay, cùng với 1 công tắc switch để điều chỉnh chế độ hoạt động của hệ thống.
Công tắc hành trình là thiết bị bao gồm hai công tắc, có chức năng đóng ngắt tiếp điểm điều khiển tín hiệu đầu vào PLC, giúp điều khiển việc mở và đóng rèm trong hệ thống.
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đất đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và giám sát tình trạng của hệ thống, từ đó giúp điều chỉnh các yếu tố phù hợp với thực tế.
- Khối điều khiển trung tâm:
PLC S7 1200 CPU 1214c DC/DC/DC là thành phần quan trọng trong việc lập trình và điều khiển toàn bộ hệ thống Để đảm bảo hoạt động ổn định, cần chú ý đến nguồn cấp điện và các sự cố có thể phát sinh liên quan đến thiết bị này.
Các cơ cấu chấp hành của hệ thống như: bơm, quạt, rèm, đèn hoạt động dựa vào tín hiệu của khối điều khiển trung tâm
Phương thức chuyển đổi tín hiệu
Khái niệm về module analog
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số
Bộ biến đổi tương tự - số (A/D) chuyển đổi tín hiệu tương tự thành các con số, cho phép kết nối thiết bị đo với bộ điều khiển, ví dụ như trong việc đo nhiệt độ.
Analog output là một thành phần quan trọng trong module analog, thực chất là bộ chuyển đổi số sang tương tự (D/A) Nó có chức năng chuyển đổi tín hiệu số đầu vào thành tín hiệu tương tự đầu ra, giúp điều khiển các thiết bị trong dải đo tương tự Ví dụ, analog output có thể được sử dụng để điều khiển van mở với góc từ 0-100% hoặc điều chỉnh tốc độ biến tần từ 0-50Hz.
Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn
Các module analog thường tiếp nhận tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, trong khi tín hiệu cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, và khối lượng Do đó, cần một thiết bị trung gian để chuyển đổi các tín hiệu này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, gọi là đầu đo hoặc cảm biến Để đảm bảo tính tiện dụng và đơn giản, tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu công nghiệp.
2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện
- Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA
Các tín hiệu từ cảm biến thường không đạt chuẩn, do đó cần sử dụng thiết bị chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp.
Kết hợp các đầu cảm biến với thiết bị chuyển đổi tạo thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường được gọi là thiết bị cảm biến, hay chính xác hơn là thiết bị đo và chuyển đổi (bộ transducer).
(Trích dẫn: giáo trình PLC cơ bản)
Hình 3.2 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu vào và ra của module
PLC S7 1200 CPU 1214c DC/DC/DC được trang bị 2 cổng đầu vào Analog với điện áp hoạt động từ 0-10V Do đó, việc lựa chọn cảm biến phù hợp với thông số điện áp của PLC là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu và tránh sai sót trong quá trình sử dụng.
Sơ đồ đấu nối PLC
Hình 3.3 Sơ đồ đấu nối thiết bị
Sơ đồ đấu nối từ relay qua thiết bị
Hình 3.4 Sơ đồ đấu nối relay qua thiết bị
Cách bố trí thiết bị trong tủ điện
Việc thiết kế và bố trí thiết bị trong tủ điện một cách hợp lý không chỉ giảm thiểu ảnh hưởng của độ nhiễu giữa các thiết bị mà còn giúp tiết kiệm dây dẫn điện, nâng cao tính thẩm mỹ và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị Sắp xếp thiết bị cần được phân thành từng nhóm để đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả.
+ Nhóm thiết bị điều khiển hay đặt cùng nhau, góc phía trên (Các rơ le bảo vệ, rơ le trung gian, bộ điều khiển, cảm biến)
+ Nhóm khí cụ điện đóng cắt đặt cùng 1 hàng phía dưới (Aptomat, Contactor, khởi động từ.)
+ Aptomat tổng (Cấp nguồn cho hệ thống) đặt ở trung tâm tủ điện (hoặc đặt ở góc cao bên trái) sao cho thuận tiện trong quá trình vận hành, thao tác
Cầu đấu đặt ở phía dưới cùng để thuận tiện cho quá trình đấu dây vào / ra tủ điện.
Kích thước tủ điện
Với các loại tủ điện thì kích thước cực kì đa dạng, tùy theo vào nhu cầu sử dụng mà chúng ta chọn kích thước sao cho phù hợp
Hình 3.5 Kích thước tủ điện
Bố trí thiết bị tủ điện
Hình 3.7 Vị trí thiết bị trên tủ điện
Hình 3.8 Bố trí các cơ cấu chấp hành vào mô hình
Hình 3.9 Nạp chương trình và thử nghiệm hệ thống
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
Bảng phân công đầu vào
Tên đầu vào Kiểu dữ liệu Địa chỉ Chú thích
Manual Bool %I0.0 Nút nhấn chế độ bằng tay
Auto Bool %I0.1 Nút nhấn chế độ tự động
On/Off_Pump1 Bool %I0.2 Đóng mở bơm 1
On/Off_Pump2 Bool %I0.3 Đóng mở bơm 2
On/Off_Fan1 Bool %I0.4 Đóng mở quạt 1
On/Off_Fan2 Bool %I0.5 Đóng mở quạt 2
On/Off_Light Bool %I0.6 Đóng mở đèn
On/Off_MotorThuận Bool %I0.7 Rèm mở
On/Off_MotorNghịch Bool %I1.0 Rèm đóng
CTHT1 Bool %I1.1 Công tắc hành trình 1
CTHT2 Bool %I1.2 Công tắc hành trình 2
In_Sensor1 Int %IW64 Giá trị đầu vào cảm biến nhiệt độ
In_Sensor2 Int %IW66 Giá trị đầu vào cảm biến độ ẩm đất
Bảng phân công đầu ra
Tên đầu vào Kiểu dữ liệu Địa chỉ Chú thích
Motor_Thuận Bool %Q0.5 Relay Rèm mở
Motor_Nghịch Bool %Q0.6 Relay Rèm đóng
Bảng 4.2 Phân chia đầu ra của hệ thống
Lưu đồ thuật toán hệ thống
Hình 4.1 Thuật toán chọn chế độ
Giản đồ thời gian cảm biến nhiệt độ
Hình 4.3 Giản đồ thời gian cảm biến nhiệt độ
Thiết kế giao diện Wincc
Tạo giao diện HMI cho hệ thống
Bước 1: Đầu tiên vào phần Device configuration để kết nối PLC với WinCC RT
Bước 2: Sau khi tạo kết nối mình tiếp tục vào thiết kết HMI Chọn phần Screens:
Bước 3: Sau đó nhấn Add new screen mình tạo chương trình mới:
Bước 4: Sau khi hoàn thành mình sẽ có được giao diện như hình:
Bước 5:Giao diện HMI của hệ thống:
Hình 4.4 Giao diện HMI của hệ thống
Thiết kế Webserver cho hệ thống
Sử dụng trực tiếp bằng mạng Ethernet
Phương thức này cho phép người dùng điều khiển trực tiếp qua máy tính thông qua mạng Ethernet với đường truyền ổn định Tuy nhiên, nhược điểm là chi phí tăng lên khi khoảng cách lớn và chỉ hoạt động trong phạm vi có kết nối mạng Ethernet.
Hình 4.5 Kết nối với hệ thống bằng Ethernet
Khái niệm Ethernet công nghiệp
Ethernet công nghiệp được thiết kế cho môi trường công nghiệp, yêu cầu đầu nối và dây cáp chắc chắn hơn, đồng thời cung cấp tính xác định tốt hơn Để đạt được điều này, Ethernet công nghiệp sử dụng các giao thức chuyên biệt kết hợp với công nghệ Ethernet Một số giao thức phổ biến trong Ethernet công nghiệp bao gồm PROFINET®, EtherNet/IP®, EtherCAT®, SERCOS III và POWERLINK®.
Ethernet công nghiệp cung cấp tốc độ truyền dữ liệu từ 10 Mbps đến 1 Gbps, trong đó 100 Mbps là tốc độ phổ biến nhất được áp dụng trong các ứng dụng Ethernet công nghiệp.
Hoạt động các giao thức Ethernet công nghiệp
Các giao thức Ethernet công nghiệp như PROFINET và EtherCAT đã điều chỉnh Ethernet tiêu chuẩn nhằm đảm bảo rằng dữ liệu sản xuất không chỉ được truyền tải chính xác mà còn được gửi và nhận đúng thời điểm cần thiết để thực hiện các hoạt động cụ thể.
Các bước tiến hành kết nối hệ thống qua Ethernet
- Check địa chỉ cổng Ethernet của PLC
- Đặt IP tĩnh cho máy tính
- Cài đặt IP PLC và IP PC sao cho phù hợp để kết nối với nhau
- Chọn cấu hình cho PLC
Kết nối qua wifi internet
Hình thức này mang lại lợi ích lớn cho người dùng, cho phép họ điều khiển từ xa mà không cần phải đến trực tiếp nhà kính Chỉ cần có kết nối internet, người dùng có thể dễ dàng truy cập và sử dụng hệ thống mọi lúc, mọi nơi.
Hình 4.6 Kết nối với hệ thống bằng mạng không dây wifi
Các bước tiến hành kết nối hệ thống qua mạng không dây wifi
- Nat port cho Modem Router: Mở cổng của Modem Router để cho PLC kết nối được với Internet
- Xác định địa chỉ Ip của PLC
- Xác định Port cần Nat trên Modem Router
- Sau khi Nat xong ta tìm địa chỉ WAN IP cho Modem Router (WAN IP địa chỉ PLC kết nối với internet)
- WAN IP là địa chỉ do nhà mạng cung cấp dịch vụ internet ISP cấp cho mỗi modem router và thông thường là địa chỉ IP động
Gõ Ping.eu trên bất kỳ trình duyệt web nào sẽ hiển thị địa chỉ WAN IP của Modem Router, miễn là PC và PLC được kết nối cùng một Modem Router.
- Vào Check Port: kiểm tra xem Port mà ta vừa Nat
Sau khi xác định WAN IP và kiểm tra port thành công, người dùng có thể truy cập PLC qua Internet từ bất kỳ vị trí hoặc thiết bị nào có kết nối Internet Chỉ cần nhập địa chỉ WAN IP vào trình duyệt web là có thể thực hiện truy cập.
Cấu hình phần cứng kích hoạt web server trên PLC
Bước 1: Xác định địa chỉ IP của PLC Địa chỉ IP của PLC chính là địa chỉ truy cập vào Webserver
Bước 2: Bật các bit hệ thống, các bit này sử dụng khi lập trình Webserver
Bước 3: Bật chức năng PUT/GET từ PLC, bật chức năng này thì Webserver mới có thể truy cập được vào PLC
Bước 4: Đảm bảo không được đặt pass cho PLC, PLC luôn ở chế độ full acess
Bước 5: Bật chức năng Webserver
Bước 6: Tại user của Webserver tích chọn tất cả option cho user
Bước 7: Trong chương trình tạo khôi liên kết PLC với Webserver
Tạo khối Database (DB) truyền thông dữ liệu giữa PLC và Webserver Bước 1: Tạo một khối Database theo các bước sau
Bước 2: Tạo các tag với các định dạng khác nhau như sau
Bước 3: Tạo một watch table và gọi tất cả các tag cần đưa lên Webserver vào table vừa tạo
Bước 4: Tại phần cứng PLC mục Webserver > Watch table thêm watch table vừa tạo vào
Thiết kế website dùng phần mềm visual studio code
Bước 1: Tạo ra 1 folder chứa các file của phần Webserver
Bước 2: Viết phần thân của hệ thống
Bước 3: Gọi các nút nhấn và biểu tượng trong Webserver
Bước 4: Tạo các CSS tạo kích thước, màu sắc, vị trí của các symbol
Bước 5: Gọi các tag kết nối giữa PLC và Webserver
Bước 6: Update web vừa tạo lên PLC
Giao diện chương trình trên Webserver
Giao diện màn hình chế độ bằng tay hiển thị trên Webserver
Hình 4.8 Giao diện trên Webserver chế độ bằng tay
4.8.3 Giao diện hệ thống trên các thiết bị kết nối
Hình 4.9 Giao hệ thống trên các thiết bị kết nối
TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Những vấn đề đạt được
Nghiên cứu và “thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống sản xuất nông nghiệp qua web server” và ý nghĩa thực tiễn của công nghệ này
Tìm hiểu sơ lược về PLC S7 1200 Cụ thể phần cứng CPU 1214 DC/DC/DC Phần mềm lập trình Tia Portal V16 để lập trình điều khiển hệ thống
Tìm hiểu về hệ thống Web server và thiết kế giao diện điều khiển giúp tạo ra hình ảnh cho việc giám sát và điều khiển hệ thống Cụ thể, hệ thống này cho phép cài đặt và theo dõi các thông số như độ ẩm, nhiệt độ không khí và đất trong nhà kính.
Nắm vững kiến thức về lập trình PLC, vi điều khiển và hệ thống cung cấp điện, tôi đã áp dụng vào đề tài tốt nghiệp Cụ thể, tôi đã thiết kế mô hình nhà kính với khả năng kiểm soát và điều khiển các thông số qua PLC, đáp ứng yêu cầu thực tế một cách hoàn chỉnh.
Chúng em đã phát triển tinh thần làm việc nhóm hiệu quả, hỗ trợ lẫn nhau trong việc hoàn thành nhiệm vụ được giao, từ đó đạt được kết quả nghiên cứu tối ưu.
Những vấn đề chưa đạt được
Do hạn chế về kinh nghiệm thực tiễn, đề tài này còn nhiều thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các Thầy Cô trong bộ môn để hoàn thiện mô hình Để áp dụng mô hình vào thực tiễn, giá thành của công nghệ PLC hiện tại vẫn còn khá cao.
Chưa áp dụng được công nghệ biến tần trong việc điều khiển tốc độ động cơ
Mô hình thực hiện đề tài hiện tại còn gặp hạn chế về kích thước và kinh phí, do đó chưa thể áp dụng các công nghệ tiên tiến như hệ thống kiểm soát độ ẩm không khí và hệ thống chăm sóc đặc biệt bằng thuốc bảo vệ thực vật.
Hệ thống web server chưa điều khiển mượt mà, do nhiều yếu tố khách quan như Laptop không đủ chất lượng, song wifi quá yếu… Định hướng phát triển
Công nghệ biến tần cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ bơm, phù hợp với các điều kiện sản xuất cụ thể Việc này giúp tiết kiệm năng lượng tối đa và nâng cao hiệu quả tưới tiêu.
Hệ thống chiếu sáng có thể được phát triển để tiết kiệm năng lượng và điều chỉnh cường độ ánh sáng phù hợp với từng loại cây trồng Việc sử dụng đèn LED cho chiếu sáng và xây dựng hệ thống chiếu sáng nhà kính tận dụng năng lượng mặt trời là giải pháp hiệu quả.
Có nhiều phương pháp tưới phù hợp với từng loại cây trồng Việc phát triển hệ thống điều hòa không chỉ cải thiện thông gió mà còn cung cấp khí cho nhà kính Xây dựng nhà kính như một trạm khí tượng mini sẽ hỗ trợ trồng cây nông nghiệp, từ đó nâng cao giá trị kinh tế.
Ngoài tự động hóa, nhiều yếu tố khác như độ dinh dưỡng và độ pH của đất cũng ảnh hưởng đến sự phát triển và năng suất cây trồng Phương pháp bón phân truyền thống, đặc biệt là việc sử dụng phân hóa học, vẫn còn nhiều hạn chế Do đó, cần nghiên cứu thêm về nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng để cải thiện hiệu quả canh tác.
Tưới tiêu trong nông nghiệp hiện nay chưa đạt hiệu quả tối ưu, vì vậy cần nghiên cứu kết hợp hệ thống tưới tự động để quản lý độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng và dinh dưỡng Đồng thời, việc phòng ngừa cỏ dại và sâu bệnh cũng cần được xem xét dựa trên khu vực, điều kiện thời tiết và đặc điểm sâu bệnh theo mùa, giúp người nông dân chủ động hơn trong việc bảo vệ mùa màng.
Với nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng, nhà nước khuyến khích phát triển nông nghiệp bền vững như một giải pháp lâu dài cho ngành nông nghiệp Một trong những hướng đi quan trọng là ứng dụng năng lượng tái tạo, như tấm pin năng lượng mặt trời và tua bin gió, để cung cấp điện cho hệ thống bơm quạt và điều khiển nhà kính.
Tác động đến môi trường
Hiện nay, việc sử dụng vật liệu không đảm bảo chất lượng cho nhà kính đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là từ bao ni lông và vật liệu nhựa Những tác động tiêu cực này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường xung quanh mà còn đe dọa sức khỏe con người trong dài hạn Các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển các vật liệu thân thiện với môi trường để ứng dụng vào nhà kính, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến con người Trong tương lai, sẽ có những giải pháp thay thế cho vật liệu nhựa, đảm bảo an toàn và bền vững cho môi trường.
[1] Trần Văn Hiếu (2018) Tự động hoá PLC S7-1200 với Tia portal NXB khoa học và kỹ thuật
[2] Ngọc Automation (2018) Wedserver scada system internet PLC control
[3] Trần Văn Hiếu (2018) Thiết kế hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với Tia Portal NXB khoa học và kỹ thuật
[4] Ts Lê Ngọc Bích Vi Xử Lý Và Vi Điều Khiển NXB thanh niên
[5] Hoàng Minh Sơn Mạng truyền thông công nghiệp NXB khoa học và công nghiệp
[6] Bộ xây dựng (2008) Giáo trình điện công nghiệp NXB xây dựng
[7] TS Trần Quang Khánh Bảo vệ role và tự động hóa hệ thống điện NXB giáo dục
[8] TS Ngô Hồng Quang (2004) Giáo trình cung cấp điện NXB giáo dục Việt Nam
Bộ Giáo dục và Đào tạo đã phát hành giáo trình khí cụ điện cho Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, được xuất bản bởi NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh.
[10] Nguyễn Thị Phương Hà-Huỳnh Thái Hoàng Lý thuyết điều khiển tự động NXB đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh
PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: Chương trình điều khiển hệ thống trên TIA PORTAL
1 Lập trình chọn chế độ cho hệ thống và các chương trình con
2 Chương trình chế độ bằng tay
3 Chương trình chế độ tự động và điều khiển trên web
4 Điều khiển On/Off trên Web
5 Chương trình hiển thị symbol
PHỤ LỤC 2: Chương trình visual studio code điều khiển web server
