Thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động vườn thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG- VƯỜN THƠNG MINH Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Giảng viên hướng dẫn: THS HUỲNH PHÁT HUY Sinh viên thực hiện: Họ tên MSSV Lớp Phan Tuấn Đạt 1811020154 18DDCA1 Huỳnh Nguyễn Tuấn Huy 1811020182 18DDCA1 Nguyễn Hoàng Bửu Long 1811020038 18DDCA1 TP Hồ Chí Minh, Ngày 28 tháng 08 năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng báo cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2022 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) Phan Tuấn Đạt Nguyễn Hoàng Bửu Long Huỳnh Nguyễn Tuấn Huy ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất Quý Thầy/ Cô trường Đại học Công nghệ TPHCM Quý Thầy Cô thuộc Viện Kỹ thuật Hutech hết lòng giúp đỡ truyền đạt kiến thức vơ hữu ích cho em suốt khoảng thời gian em theo học trường Đồng thời em xin cảm ơn giúp đỡ tận tình từ Thầy Huỳnh Phát Huy giảng viên hướng dẫn em thực môn Đồ án tốt nghiệp Khi thực đồ án kiến thức chun mơn hiểu biết cịn hạn chế nên cịn mắc nhiều sai sót việc trình bày lẫn tìm hiểu nội dung Với mong muốn tìm tịi, học hỏi phát huy niềm đam mê với ngành Kỹ thuật Điện nói chung chun ngành Điện Cơng Nghiêp nói riêng, em mong nhận ý kiến đóng góp chân thành hỗ trợ quý báo từ thầy cô giảng viên để giúp em hồn thiện kỹ thân vững vàng kiến thức đỡ bỡ ngỡ cho môn đồ án Em xin chân thành cảm ơn Q Thầy Cơ Tp Hồ Chí Minh, Ngày 28 tháng năm 2022 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) Phan Tuấn Đạt Nguyễn Hoàng Bửu Long Huỳnh Nguyễn Tuấn Huy iii TĨM TẮT Nền nơng nghiệp nước ta nơng nghiệp cịn lạc hậu chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tiến hành cách chủ quan không đảm bảo yêu cầu Có thể nói nói nơng nghiệp ngồi kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tưới nước khâu quan trọng trồng trọt, để đảm bảo sinh trưởng phát triển bình thường, tưới tưới đủ theo yêu cầu nông học trồng không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt suất, hiệu cao Mặt khác nước ta giai đoạn công nghiệp hố đại hố thiết bị máy móc tự động đưa vào phục vụ thay sức lao động người Vì vậy, thiết bị cần nghiên cứu để tự động vận hành, nhằm phục vụ người lao động từ góp phần cắt giảm nguồn nhân lực đáng kể Trong đồ án này, hệ thống tưới nước tự động sử dụng điều khiển logic (PLC) Siemen S7-1200 Các tín hiệu đầu vào cảm biến, có cảm biến độ ẩm, nhiệt độ để nhận biết môi trường xung quanh Các bét phun bố trí theo mơ hình nhà kính thực tế Hai động bơm cơng 125W 0,75kW tích hợp để thực việc bơm nước sau có tín hiệu điều khiển PLC Hệ thống lập trình theo hai chế độ, chế độ điều khiển tự động (automation) điều khiển tay (manual) Tất điều kiện đưa vào hệ thống tính tốn đưa thời gian xác để tưới nước Người lao động khơng cịn phải quan tâm đến việc tưới cây, sinh trưởng phát triển tốt nhờ việc tưới phù hợp xác iv ABSTRACT Our country's agriculture is still backward and there are not many scientific and technical applications applied to reality Many technical processes of cultivation and care are conducted subjectively and not guarantee the correct requirements It can be said that in agriculture, in addition to cultivation and care techniques, watering is one of the most important stages in cultivation, to ensure normal growth and development, correct and adequate irrigation agronomic requirements of plants that not cause pests and diseases, limit pesticides for safe products, achieve high productivity and efficiency On the other hand, our country is currently in the process of industrialization and modernization of automatic machinery and equipment to replace human labor Therefore, the equipment needs to be researched to be able to operate automatically, in order to serve employees, thereby contributing to a significant reduction of human resources In this project, an automatic watering system uses Siemens S7-1200 logic controller (PLC) The input signals are sensors, including humidity and temperature sensors to be able to perceive the surrounding environment The spray nozzles are arranged according to the actual greenhouse models Two 125W and 0.75kW power pump motors are integrated to perform water pumping after PLC control signal The system is programmed in two modes, automatic control mode and manual control mode All those conditions will be entered into the system to calculate and give the most accurate time to water Workers will no longer have to worry about watering plants, plants will grow and develop better thanks to more appropriate and accurate water v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v DANH MỤC BẢNG xiv LỜI MỞ ĐẦU xv Đặt vấn đề xv Mục đích đề tài xvi Cấu trúc đồ án .xvi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1.Thực trạng sản xuất rau việt nam 1.1.1 Thực trạng 1.1.2 Các giải pháp trước 1.2 Các phương pháp tưới 1.2.1 Phương pháp tưới ngập nước 1.2.2 Phương pháp tưới rãnh 1.2.3 Phương pháp tưới dải 1.2.4 Phương pháp tưới phun mưa 1.2.5 Tưới nhỏ giọt 1.2.6 Tưới ngầm 1.3 Ứng dụng tự động hoá vào thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt 1.3.1 Khái quát lịch sử phát triển ngành tự động hoá 1.3.2 Thành tựu tự động hoá trình sản xuất 12 1.3.3 Mục đích ý nghĩa việc thiết kế hệ thống tưới tự động 12 CHƯƠNG 14 vi CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Tổng quan hệ thống tưới tự động 14 2.1.1 Tưới tự động gì? 14 2.1.2 Ý nghĩa lợi ích Hệ thống tưới tự động 14 2.2 Cơ sở lý thuyết thiết bị lý thuyết sử dụng đề tài 15 2.2.1 Giới thiệu sơ lược PLC S7-1200 15 2.2.2 Tổng quan PLC S7-1200 17 2.2.2 Giới thiệu phần mềm lập trình Tia Portal 27 2.2.3 Khái niệm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 30 2.2.4 Khái niệm van điện từ 34 2.2.5 Contactor gì? 39 2.2.6 Sơ lược rơ-le 44 2.2.7 Nút nhấn, công tắc, đèn báo 47 2.2.8 Tủ điện 49 2.2.9 CB – Circuit Breaker 51 CHƯƠNG 54 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 54 3.1 Tổng quan q trình tính tốn, thiết kế 54 3.2 Xây dựng tủ điều khiển 55 3.2.1 Thiết kế vẽ mạch điều khiển 55 3.2.2 Thiết kế vẽ mạch động lực 57 3.2.3 Thiết kế vẽ bố trí thiết bị tủ điện 57 3.2.4 Chọn thiết bị đấu nối tủ điện 58 3.3 Tính tốn chọn thiết bị 63 3.3.1 Tính toán chọn PLC: 63 3.3.2 Tính tốn dây dẫn cho mạch điều khiển 63 3.3.3 Tính tốn chọn biến tần: 64 3.3.4 Tính toán chọn Contactor cho bơm: 64 3.3.5 Tính tốn chọn dây dẫn: 64 vii 3.3.6 Tính tốn chọn CB cho mạch: 65 3.4 Lập trình chương trình hệ thống tưới tự động 65 3.4.1 Lập trình chương trình Auto cho hệ thống 65 3.4.2 Lập trình chương trình Man cho hệ thống 65 3.4.3 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống 65 3.5 Chọn thiết bị điều khiển 69 3.5.1 Chọn PLC S7-1200 CPU 1214C 69 3.5.2 Chọn nodule Analog SM 1232 2AO 70 3.5.4 Chọn cảm biến nhiệt độ ẩm 73 3.6 Thiết kế giao diện Scada WinCC 74 3.6.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 74 3.6.2 Lập trình giao diện Scdada WinCC 74 3.6.3 Các bước thiết lập 75 3.7 Chọn thiết bị phần cứng 77 3.7.1 Bồn chứa nước cho hệ thống 77 3.7.2 Ống nhựa PVC, phụ kiện keo dán, cao su non 78 3.8 Chọn bơm cho hệ thống 80 3.8.1 Bơm nước pha cho hệ thống 80 3.8.2 Bơm nước pha cho hệ thống 81 3.9 Chọn van điện từ UNID UW-15 phi 21mm 82 3.10 Bóng đèn sợi tóc Điện Quang 83 3.11 Chọn quạt cho hệ thống 84 CHƯƠNG 85 THI CƠNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH 85 4.1 Viết chương trình cho PLC S7-1200 AC/DC/RL 85 4.1.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm TIA Portal V16 85 4.1.2 Viết chương trình phần mềm TIA Portal V16 89 4.1.2.4 Khối Datablock 96 4.2 Giao diện Scada WinCC cho hệ thống 97 viii CHƯƠNG 98 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 98 5.1 Đánh giá kết 98 5.1.1 Những vấn đề đạt 98 5.1.2 Những vấn đề hạn chế 98 5.2 Kết luận 99 5.2.1 Kết luận đề tài 99 5.2.2 Hướng phát triển đề tài 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 102 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết đầy đủ Từ viết tắt PLC Programmable Logic Controller Tia Portal Totally Integrated Automation Portal SCADA Suppervisory Control And Data Acquisition WinCC Windown Control Center HMI Human Machine Interface CB Circuit Breaker DI Digital Input DO Digital Output AI Analog Input AO Analog Output x Hình 12 Chương trình Main Network 1: Ở network hệ thống gọi chương trình Scale, chương trình tính tốn giá trị cảm biến đưa từ liệu Analog sang liệu 0-3 bar Hình 13 Chương trình main lấy giá trị thời gian Network 2: Ở network chương trình tính tốn điều kiện thời gian cho hệ thống 91 Hình 14 Chương trình main lấy giá trị thời gian Network 3: Ở network chương trình tính tốn điều kiện thời gian cho bơm tưới vịng Hình 15 Chương trình main tính tốn điều kiện thời gian Network 4: Ở network chương trình tính toán điều kiện thời gian cho bơm tưới nước tưới phân thời gian cài đặt 92 Hình 16 Chương trình main tính tốn điều kiện nhiệt độ Network 5: Ở network chương trình tính tốn điều kiện nhiệt độ để điều khiển quạt Khi điều kiện nhiệt độ cài đặt mức phù hợp cho phát triển tốt, có trường hợp sau:  Nếu cảm biến nhiệt độ phát nhiệt độ cao mức cài đặt phát tín hiệu điều khiển quạt hạ nhiệt độ đến mức nhiệt độ cài đăt  Nếu cảm biến nhiệt độ phát nhiệt độ mức cài đặt phát tín hiệu điều khiển cho quạt khơng hoạt động 93 Hình 17 Chương trình main tính tốn điều kiện độ ẩm Network 6: Ở network chương trình tính tốn điều kiện độ ẩm để điều khiển đèn Khi điều kiện độ ẩm cài đặt mức phù hợp cho phát triển tốt, có trường hợp sau:  Nếu cảm biến độ ẩm phát độ ẩm cao mức cài đặt phát tín hiệu điều khiển đèn hạ độ ẩm đến mức độ ẩm cài đăt  Nếu cảm biến độ ẩm phát độ ẩm mức cài đặt phát tín hiệu điều khiển cho đèn khơng hoạt động Hình 18 Chương trình điều khiển bơm số 94 Network 7: Ở network chương trình tính tốn điều kiện thời gian để điều khiển bơm số hoạt động tưới Hình 19 Chương trình điều khiển bơm số Network 8: Ở network chương trình tính tốn điều kiện thời gian để điều khiển bơm số hoạt động tưới Hình 20 Chương trình điều khiển đèn 95 Network Network 10: Ở hai network chương trình tính tốn điều khiển đèn quạt 4.1.2.3 Chương trình Scale cảm biến Hình 21 Chương trình Scale cảm biến Network 1: Ở network chương trình scale cho cảm biến nhiệt độ Network 2: Ở network chương trình scale cho cảm biến độ ẩm 4.1.2.4 Khối Datablock Hình 22 Hình Khối datablock Các thống số liên kết với HMI 96 4.2 Giao diện Scada WinCC cho hệ thống  Giao diện giám sát hệ thống tưới Hình 23 Giao diện Scada thiết kế Hình 24 Giao diện SCADA hoạt động chế độ Man 97 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 5.1 Đánh giá kết 5.1.1 Những vấn đề đạt Nghiên cứu thiết kế hệ thống tưới tự động cho nhà kính trồng rau ý nghĩa thực tiễn công nghệ Tìm hiểu sơ lược PLC S7-1200 Cụ thể phần cứng CPU 1214 AC/DC/RLY Phần mềm lập trình, phần mềm lập trình điều khiển hệ thống Tìm hiểu sử dụng Tia portal V16 để thiết kế hình ảnh để điều khiển giám sát hệ thống Cụ thể cài đặt giám sát nhiệt độ độ ẩm, tốc độ tưới thời tưới… Nắm vững vận dụng kiến thức học lập trình PLC để áp dụng vào đề tài tốt nghiệp 5.1.2 Những vấn đề cịn hạn chế Trong q trình thực đề tài em gặp nhiều khó khăn việc tìm nguồn tài liệu (vì nguồn tài liệu chủ yếu tiếng anh nên hạn chế với sinh viên kỹ thuật), nguồn vật tư để chế tạo mơ hình, điều quan trọng chúng em thiếu kinh nghiệm thực tế Với kiến thức hạn chế kinh nghiệm non thời gian có hạn nên em chưa hoàn thiện đề tài cách hoàn thiện chưa tận dụng hết khả biến tần PLC chưa thiết kế phần giám sát điều khiển hệ thống thông qua PC, điện thoại thông minh Đề tài nhóm chúng em chưa phát huy hết điều cần thiết thực tế, đề tài dừng lại mức độ tưới tự động cài đặt thời gian, điều khiển quạt thông qua nhiệt độ cài đặt, điều khiển đèn thông qua độ ẩm cài đặt Vì thời gian có hạn kiến thức nhóm chúng em cịn hạn chế nên việc thiết kế hệ thống an toàn cho đề tài nhóm chúng em báo cháy, phát cố cho hệ thống, phát mầm bệnh có hại cho rau,…, chưa thể thực đáp ứng cho nhu cầu thực tế 98 5.2 Kết luận 5.2.1 Kết luận đề tài Ứng dụng thực tế: Đã thiết kế mơ hình tưới tự động điều khiển thông số qua PLC cách hoàn chỉnh sát với thực tế nhằm đáp ứng yêu cầu đề tài đưa Ngoài chúng em tập cho thân tinh thần làm việc nhóm tốt Chúng em giúp đỡ hỗ trợ thực tốt nhiệm vụ đươc giao nhằm đạt kết nghiên cứu tốt 5.2.2 Hướng phát triển đề tài Có thể phát triển đồ án thành hệ thống tưới tự động kết hợp với thu hoạch tự động không người lao động giúp cho việc tiết kiệm nguồn chi phí th nhân cơng lại đạt suất cao Nghiên cứu phát triển thêm việc cần thiết cho hệ thống thiết kế thêm hệ thống báo cháy, phát cố cho hệ thống, phát mầm bệnh có hại cho rau… Có hệ thống giúp cho việc giám sát thuận tiện phù hợp với phát triển nông nghiệp nước nhà 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hùng cộng sự, “Máy điện 1,2”, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh, 2015 [2] Nguyễn Quý, “Khí cụ điện”, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh, 2017 [3] Trần Dỗn Tiến, “Tạp chí Tự động hố”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 [4] Trần Văn Hiếu, “Tự động hoá PLC S7-1200 với TIA Portal”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2011 [5] Zhan Sheng cộng sự, “Application of Siemens PLC and WinCC in the MonitoringControl System of Bulk Grain Silo”, 2018 Chinese Control And Decision Conference (CCDC), Shenyang, China, 2018 [6] Bai Yan and Zhang Hongwei, "Application of siemens S7 - 200 series PLC on fullautomatic dishwasher," World Automation Congress 2012, 2012, pp 1-4 [7] Yaxian Liu and Xiwu He, "Design of automatic control system for waterworks based on PLC," 2011 2nd International Conference on Artificial Intelligence, Management Science and Electronic Commerce (AIMSEC), 2011, pp 4996-4998, doi: 10.1109/AIMSEC.2011.6011304 [8] Y M K Ali, O A Zargelin, F Lashhab and A Alaribi, "Water Level Control System using Programmable Logic Controller (PLC): Rujban Water Supply System," 2021 IEEE International IOT, Electronics and Mechatronics Conference (IEMTRONICS), 2021, pp 1-9, doi: 10.1109/IEMTRONICS52119.2021.9422619 [9] X Li, F Meng and X Zheng, "Automatic Control System of Sluice Based on PLC, MCGS and MODBUS Communication," 2021 7th Annual International Conference on Network and Information Systems for Computers (ICNISC), 2021, pp 716-720, doi: 10.1109/ICNISC54316.2021.00133 [10] A H Abbas, M M Mohammed, G M Ahmed, E A Ahmed and R A A A Abul Seoud, "Smart watering system for gardens using wireless sensor networks," 2014 International Conference on Engineering and Technology (ICET), 2014, pp 1-5, doi: 10.1109/ICEngTechnol.2014.7016780 [11] K N Siva, R Kumar G., A Bagubali and K V Krishnan, "Smart watering of plants," 2019 International Conference on Vision Towards Emerging Trends in 100 Communication and Networking 10.1109/ViTECoN.2019.8899371 (ViTECoN), 2019, pp 1-4, doi: [12] Trần Văn Hiếu, Tự động hóa PLC S7 - 1200 với TIA Portal https://www.ebookbkmt.com/2019/07/sach-tu-ong-hoa-plc-s7-1200-voitia.html [13] PLCTECH Tài liệu PLC SIEMENS S7-1200 tiếng Việt https://plctech.com.vn/tailieu-plc-siemens-s7-1200-tieng-viet/ [14] Ngọc Automation Hướng dẫn cài đặt phần mềm lập trình Tia Portal V16 https://ngocautomation.com/tai-phan-mem-tia-v16-full-key/ [15] 3S Automation training Lập trình https://www.youtube.com/watch?v=K19vOU3C1oc 101 giao diện HMI Siemens PHỤ LỤC Một số hình ảnh trình thi cơng Q trình hàn khung sắt cho hệ thống Khung sắt sau hàn xong 102 Gia công ván gỗ lót sàn để máy bơm bình nước Thi cơng ống nước máy bơm bình đựng nước 103 Thi cơng đấu nối tủ điện Hệ thống tủ điện hệ thống 104 Mơ hình hồn thiện 105 ... quan hệ thống tưới tự động 2.1.1 Tưới tự động gì? Tưới tự động phương pháp tưới cung cấp nước cách tự động cho trồng Bao gồm số hình thức như: tưới nhỏ giọt, tưới phun sương, tưới phun mưa Hệ thống. .. thống tưới tự động hóa điều khiển điện tử hẹn tưới tưới, hoạt động xác theo chương trình cài đặt Đồng thời điều khiển kết hợp với thiết bị cảm biến, tăng tính hiệu hệ thống tưới tự động Tưới tự động. .. đích ý nghĩa việc thiết kế hệ thống tưới tự động 12 CHƯƠNG 14 vi CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Tổng quan hệ thống tưới tự động 14 2.1.1 Tưới tự động gì?