TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Các biểu hiện bao gồm sự biến đổi thất thường của mùa xuân và mùa hạ, tăng cường của hiện tượng mưa lớn và cạn kiệt tài nguyên nước Điều này gây ra khó khăn lớn trong việc duy trì năng suất và sản lượng cây trồng.
Trong bối cảnh hiện nay, việc áp dụng mô hình nhà kính để trồng cây có thể giúp giảm thiểu tác động của khí hậu và bảo vệ năng suất cây trồng Các nông dân có thể kiểm soát được môi trường nuôi trồng của cây, tạo ra điều kiện tốt nhất cho sự phát triển của cây, đồng thời giảm nguy cơ mất mùa và thiệt hại do bất lợi thời tiết.
Hơn nữa, việc sử dụng nhà kính cũng có thể giúp tiết kiệm nước và tài nguyên,giảm bớt áp lực đối với môi trường Chính vì lẽ đó mà em quyết định nghiên cứu và triển khai đề tài giúp phát triển nông nghiệp cụ thể là “ Mô hình nhà kính trồng hoa cúc sử dụng PLC_S7-1200”, để đảm bảo cung cấp sản phẩm chất lượng và bền vững trong ngành nông nghiệp.
Mục đích
Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển và giám sát nhà kính ” nhằm mục đích:
-Củng cố lại kiến thức đã được học, vận dụng vào dự án thực tiễn, nâng cao kiến thức chuyên môn, tích lũy kinh nghiệm cho công việc tương lai.
-Tạo ra sản phẩm thiết kế sát với thực tế.
-Tạo ra một tài liệu tham khảo có giá trị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung vào những vấn đề sau:
- Tổng quan về mô hình nhà kính
- Thiết kế và thi công mô hình nhà kính
- Lập trình và điều khiển hệ mô hình nhà kính
- Giám sát hệ mô hình nhà kính.
Phương pháp nghiên cứu
Vấn đề cốt lõi trong đề tài này là việc tạo ra một mô hình nhà kính thông minh, tự động hóa để trồng hoa cúc Điều này đòi hỏi giải quyết vấn đề về khiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, thông gió, chất dinh dưỡng để đảm bảo môi trường phù hợp cho cây cúc phát triển Trong hệ thống sản suất thì hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc điều hành hoạt động của máy móc thiết bị, các thiết bị sản xuất thường rất phức tạp nhưng hiện nay nhờ sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì việc đó trở nên dễ dàng hơn, các thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC đã xuất hiện cùng với đó là sự ra đời của các phần mềm đã tạo ra các hệ thống hoàn hảo cho sinh hoạt cũng như sản xuất
Trong đề tài này, em đề xuất thiết kế và triển khai một hệ thống nhà kính sử dụng PLC_S7-1200 để kiểm soát môi trường Nội dung thực hiện bao gồm lập kế hoạch kiểm soát môi trường, thiết kế hệ thống cảm biến, phát triển chương trình điều khiển PLC, phát triển giao diện người dùng đơn giản để giám sát và tương tác với hệ thống, cài đặt và kiểm tra hệ thống
Dùng phầm mềm TIA portal lập trình cho khối PLC_S7-1200 , thông qua các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, ánh sáng để thiết lập một mô hình nhà kính có thể điều khiển tự động , giám sát từ xa, đem lại cho cây trồng một môi trường sinh trưởng tốt nhất, nghiên cứu các ứng dụng của PLC Siemens vào điều khiển chu trình chăm sóc nuôi cây trồng, thiết kế giao diện điều khiển đơn giản trên Web cho hệ thống nuôi trồng và chăm sóc cây đồng thời tìm hiểu giao thức kết nối giữa Web và PLC, dùng PLC điều khiển hệ thống và Web làm giao diện giao tiếp.
Kết nối các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để theo dõi điều kiện môi trường và điều chỉnh thông số sao cho hợp lý, sử dụng PLC để điều khiển hệ thống tưới nước, hệ thống tưới nước được thiết kế để cung cấp nước vào thời điểm cần thiết dựa trên thông tin cảm biến độ ẩm đất và nhu cầu thực tế của cây trồng Đối với độ ẩm, sử dụng cảm biến độ ẩm kết hợp với phun sương để duy trì độ ẩm tại mức tối ưu cho cây Ánh sáng cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển vì vậy điều chỉnh độ sáng trong nhà kính là điều cần thiết, mô phỏng điều kiện sáng và chu kỳ sáng gần giống tự nhiên Liên tục cải thiện chương trình PLC và các thông số để tối ưu hóa việc trồng cây đảm bảo hiệu suất tốt nhất Nghiên cứu về loại cây trồng được trồng trong nhà kính, nghiên cứu về điều kiện sống phù hợp của cây như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,chất dinh dưỡng, quá trình sinh trưởng phát triển của cây.
Kết quả đạt được
Hiểu rõ hơn về lập trình PLC, việc thiết lập cũng như lập trình thông số Nắm được nguyên lý hoạt động của hệ thống, cách kết nối và truyền dữ liệu giao tiếp giữa PLC với các thiết bị khác, cổng truyền thông nhằm giám sát hệ thống qua Internet, điện thoại, Đưa ra một giải pháp mới cho nền nông nghiệp trong tương lai, đem lại môi trường sinh trưởng tốt nhất cho cây trồng Tự động hóa quá trình quản lý cây trồng để giảm thiểu sự can thiệp của con người Tiết kiệm sức lao động, tiết kiệm tài nguyên môi trường, đem lại hiệu quả cao, năng suất đảm bảo
Bước đầu xây dựng được một hệ thống PLC hoàn chỉnh, thiết kế giao diện điều khiển và lập trình hệ thống tương đối linh hoạt, dễ sử dụng Sau đồ án này em hy vọng sẽ học tập được nhiều vấn đề liên quan đến PLC, xây dựng viết lưu đồ thuật toán, viết chương trình điều khiển và các giao thức kết nối giữa các phần mềm cũng như các thiết bị.
Biết cách lắp đặt thiết kế phần cơ khí, hàn khung sắt lắp tủ điện, nối đây điện kết nối PLC với các phần cứng khác như rơle, motor, đèn, quạt Chế tạo ra được một mô hình thực tế Phương pháp và kết quả này đã thể hiện tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng PLC_S7-1200 trong mô hình nhà kính.
Cấu trúc đồ án
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Phân tích thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị
Chương 4: Quy trình hoạt động và thi công mô hình nhà kính
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Nghiên cứu tổng quan
Hiện nay có nhiều hình thức canh tác để làm nông nghiệp theo hướng hiện đại , thân thiện với môi trường mang lại rau củ, hoa, quả sạch Phổ biến nhất là 2 phương pháp trồng cây trong nhà lưới và nhà kính Mỗi phương pháp sẽ có những ưu và nhược điểm riêng sau đây chúng ta hãy cùng tìm hiểu.
1.7.1 Phương pháp trồng cây trong nhà lưới
Nhà lưới là một kiểu cấu trúc nhà được xây dựng bằng các khung, cột đỡ bằng gỗ hoặc kim loại và được bao bọc xung quanh bằng các loại lưới che nắng hoặc lưới chắn côn trùng Nhà lưới chủ yếu được dùng để canh tác nông nghiệp với tác dụng che chắn nắng, mưa, gió lớn, ngăn côn trùng và giảm tác động của mặt trời đối với các loại cây trồng, vật nuôi.
Nhà lưới có hai dạng là nhà lưới kín và nhà lưới hở Nhà lưới kín được phủ lưới toàn bộ mái và xung quanh công trình với thiết kế kiểu mái bằng hoặc mái nghiêng, chiều cao chỉ từ 2m - 4m Trong khi đó nhà lưới hở được thiết kế đơn giản hơn chỉ che chủ yếu phần mái còn các phần xung quanh có thể có ít hoặc không có.
Hình 1.7.1 Nhà lưới trồng cây
1.7.2 Phương pháp trồng cây trong nhà kính
Nhà kính là một công trình được sử dụng trong nông nghiệp với kết cấu khung dàn vững chắc được làm bằng gỗ hoặc kim loại Phần mái và phần xung quanh nhà kính thường được lợp bằng hai vật liệu phổ biến là màng nhà kính và tấm lợp lây sáng polycarbonate Cả hai vật liệu này đều có khả năng lấy sáng tốt giúp cung cấp lượng ánh sáng đầy đủ cho cây trồng quang hợp và giúp bảo vệ cây trồng khỏi các yếu tố gây hại như thời tiết xấu, sâu bệnh, bụi bẩn, ô nhiễm,
Kết cấu nhà kính thường kín nhưng một số trường hợp vẫn để hở hai bên hông để giúp thông gió tốt hơn Các nhà kính hiện đại thường sẽ lắp đặt thêm các hệ thống tưới tiêu, quạt thông gió và máy điều hòa để hỗ trợ cho việc điều hòa không khí, độ ẩm và nhiệt độ cho không gian bên trong nhà kính Do có thể cách ly với môi trường bên ngoài nên mô hình nhà kính có thể áp dụng để trồng trọt tại những vùng có khí hậu khắc nghiệt hoặc nhưng nơi bị ô nhiễm bởi khí thải của các nhà máy hóa chất.
Hình 1.7.2 Nhà kính trồng cây
1.7.3 Ưu và nhược điểm của các phương pháp Ưu điểm Trồng cây trong nhà lưới Trồng cây trong nhà kính
- Che mưa, che nắng tốt, ngăn xói mòn đất
- Hạn chế tác động của gió đến cây trồng
- Chi phí đầu tư ban đầu không quá cao
- Việc lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng
- Không khí được thông thoáng, không bí bách
- Lưới lợp được phủ UV chống tia cực tím
- Hạn chế bụi bẩn và mầm bệnh từ môi trường
- Tạo môi trường tốt cho cây trồng phát triển
- Khả năng lấy sáng tốt và dễ thay đổi để hợp với từng cây trồng
- Ngăn chặn các loại mầm bệnh và sâu bệnh xâm nhập gây hại
- Hạn chế các loại động vật, chim chóc phá hoại
- Bề mặt vật liệu được phủ UV chống tia cực tím có hại
- Chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt
- Thời gian sử dụng lâu dài trong nhiều năm
- Có thể canh tác trái vụ giúp tăng giá trị sản phẩm thu hoạch
Nhược điểm - Việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm bị hạn chế
- Các mầm bệnh vẫn có thể xâm nhập vào bên trong nhà lưới
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
- Diện tích canh tác không quá lớn
1.7.4 Cây trồng phù hợp của các phương pháp
- Đối với mô hình nhà lưới :
+ Các loại rau ăn lá như rau cải xanh, xà lách, mồng tơi, bắp cải, xúp lơ, cải thảo,
+ Các loại rau ăn củ, quả như dưa leo, bí xanh, bí đỏ, cà chua, củ cải, cà rốt,
+ Các loại rau mùi, rau gia vị như hành, ngò, tỏi, ớt, rau thơm các loại, bạc hà,
- Đối với mô hình nhà kính:
+ Các loại rau màu, rau xanh phục vụ cho bữa ăn hằng ngày như rau xà lách, rau cải, mồng tơi, súp lơ,
+ Các loại rau lấy củ, quả như bầu bí, khổ qua, dưa leo, cà rốt, củ cải, bí đao, bí đỏ, cà chua,
+ Các loại cây hoa trang trí phổ biến như hoa hồng, hoa cúc, hoa hướng dương, hoa ly,
+ Các loại cây hoa, cây cảnh trưng bày như hoa lan, hoa sứ, cây bon sai,
+ Các loại cây ăn quả như dưa lưới, dâu tây, nho,
Tổng quan về loài hoa cúc
Do loài cây được trồng trong đề tài là hoa cúc nên chúng ta cần nghiên cứu một chút về loài hoa này, về cách trồng cách chăm sóc và các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây phát triển, sinh trưởng và đạt hiệu suất như mong muốn.
1.8.1 Đặc điểm thực vật học
- Rễ: Hoa cúc là cây có bộ rễ phụ phát triển, rễ cây ít ăn sâu mà phát triển theo chiều ngang Rễ có nhiều lông hút nên khả năng hút nước và dinh dưỡng mạnh.
- Thân: Hoa cúc thuộc loại thân thảo, khả năng phân nhánh mạnh, chiều cao của cây phụ thuộc vào đặc tính giống, khi tác động chế độ ánh sáng cây cúc có thể cao trên một mét.
- Lá: Lá cúc chia thùy, có răng cưa to, sâu, thường là lá đơn mọc so le nhau, mặt dưới lá bao phủ bởi một lớp lông tơ, mặt trên nhẵn, gân lá hình mạng lưới Mỗi nách lá thường phát sinh một mầm nhánh Phiến lá có thể to hay nhỏ, màu sắc xanh hay đậm, lá dày hoặc mỏng còn phụ thuộc vào đặc tính của từng giống.
- Hoa: Hoa cúc chính gồm nhiều hoa nhỏ gộp lại trên một cuống hoa, hình thành hoa tự đầu trạng mà mỗi cánh thực chất là một bông hoa Tràng hoa dính vào bầu như hình ống, trên ống phát sinh cánh hoa Hoa có thể lưỡng tính hay đơn tính Hoa kép nhiều hơn hoa đơn và thường mọc nhiều hoa trên một cành phát sinh từ các nách lá. Hoa và cánh hoa có nhiều hình dạng và màu sắc khác nhau tùy thuộc vào đặc tính từng giống.
- Quả: Quả là loại quả bế khô, chỉ chứa một hạt, hạt có phôi thẳng và không có nội nhũ.
1.8.2 Yêu cầu về điều kiện ngoại cảnh
- Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp cho cây phát triển từ 15-20 0 C, cây có thể sinh trưởng phát triển bình thường trong phạm vi nhiệt độ từ 10-35 0 C Nếu nhiệt độ thấp hơn
10 0 C và cao hơn 35 0 C cây sinh trưởng phát triển kém, nhiệt độ dưới 5 0 C cây ngừng sinh trưởng, nhiệt độ cao hơn 40 0 C cây cúc sẽ bị tổn thương sinh lý, lá cháy.
- Ánh sáng: Cây cúc là cây ngày ngắn, ưa ánh sáng Tuy nhiên ở mỗi thời kỳ sinh trưởng phát triển cây có yêu cầu ánh sáng khác nhau Thời gian chiếu sáng rất quan trọng và ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng bông Thời kỳ cây con cần ít ánh. Thời kỳ chuẩn bị phân cành cần tăng thời gian chiếu sáng (trên 14 giờ) để giúp cây sinh trưởng phát triển mạnh, giúp cho thân cao, lá to, hoa nở muộn nhưng chất lượng hoa tăng Nếu thắp điện thấp hơn 14h, cây sẽ bị thấp, ra nụ sớm, giảm chất lượng hoa.
- Ẩm độ: Ẩm độ đất thích hợp khoảng 70 - 80%, ẩm độ không khí thích hợp khoảng
65 - 70%, ẩm độ cao hơn 85% cây dễ bị nấm bệnh xâm nhập.
- Thổ nhưỡng: Do cây cúc có bộ rễ phát triển cạn, rễ chùm nên cần đất tơi xốp, giàu dinh dưỡng.
1.8.3 Yêu cầu về dinh dưỡng
Các nguyên tố N, P, K,Ca, Mg và vi lượng như Fe, Zn, Mn, Cu, Bo có vai trò quan trọng đối với sinh trưởng, phát triển, năng suất phẩm chất các loài hoa.
- Đạm (N): Có tác dụng thúc đẩy quá trình sinh trưởng của cúc và ảnh hưởng đến thời kỳ phát triển Thiếu đạm cây cằn cỗi, lá úa vàng, hoa nhỏ xấu Nếu thừa đạm cây sinh trưởng mạnh, thân mập, cành nhánh nhiều có thể không ra hoa, đạm nhiều sâu bệnh phát triển và ảnh hưởng đến chất lượng của hoa Cây cúc cần đạm vào thời kỳ chuẩn bị phân cành và thời kỳ phân hoá mầm hoa.
- Lân (P): Có tác dụng làm cho bộ rễ phát triển mạnh thân cứng, hoa bền, màu sắc đẹp chóng ra hoa, giúp cây hút đạm nhiều và tăng khả năng chống rét cho cây. Thiếu lân, bộ rễ kém phát triển cành nhánh ít, hoa chóng tàn, màu nhợt nhạt, hoa ra muộn Cúc yêu cầu lân đặc biệt mạnh vào thời kỳ phân hoá mầm hoa.
- Kali (K) giúp cho cây tổng hợp, vận chuyển các chất trong cây, giúp cây chịu hạn, chịu rét, chống chịu sâu bệnh Thiếu K màu sắc hoa không tươi thắm, mau tàn. Cúc cần K thời kỳ phân hoá mầm hoa.
- Các nguyên tố vi lượng: Cây cần ít nhưng không thể thiếu và không thể thay thế được như Fe, Zn, B, Mn, Cu…
Rút ra kết luận
Nhà kính sử dụng vật liệu bao phủ là màng PE nhà kính hoặc tấm nhựa polycarbonate với độ trong suốt cao nên sẽ cho lượng ánh nắng chiếu vào gần như bình thường Vì vậy, nhà kính thường được sử dụng để trồng những loại cây trồng cần lượng ánh sáng lớn để quang hợp, những loại cây ưa sáng cụ thể trong đồ án này là hoa cúc Khi thực hiện việc ướm giống cây trồng thì nhà kính sẽ là một lựa chọn hoàn hảo vì nhà kính có khả năng bảo vệ tốt các cây non, yếu ớt khỏi hầu hết các tác động xấu đến từ môi trường và các yếu tốt thời tiết xấu
Nhà kính sẽ phù hợp đối với những vùng có khí hậu lạnh, mát mẻ hơn là những vùng nóng vì nó có khả năng giữ nhiệt tốt, giúp sưởi ấm cho cây trồng Ngay cả vào ban đêm thì nhà kính vẫn giữ được lớp nhiệt này khá lâu, đủ để bảo vệ cho cây trồng không bị lạnh Đối với các loại cây trồng nhạy cảm với thời tiết và có giá trị kinh tế cao thì nên sử dụng nhà kính để trồng vì nó có thể thay đổi các yếu tố thời tiết phù hợp cho cây trồng bằng cách lắp đặt thêm các hệ thống tưới, làm mát và cả sưởi ấm
Nhà kính cũng sẽ thích hợp cho việc làm nông nghiệp tại những nơi gần biển với độ mặn trong không khí cao hoặc những nơi gần các nhà máy hóa chất để tránh bị nhiễm không khí độc hại vào rau màu Chính vì vậy việc sử dụng phương pháp trồng hoa cúc trong nhà kính là hoàn toàn hợp lý cho đề tài này.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về PLC S7-1200
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là LAD hoặc STL.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lí hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình trong bộ nhớ PLC
Những ưu điểm của PLC so với bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng relay):
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa những chương trình phức tạp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính và mạng.
- Phù hợp, đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp.
Bộ xử lý chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.
Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động.
Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển.
Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính.
Hình 2.1.2 Cấu trúc bên trong PLC
Hình 2.1.2 Cấu tạo bên trong PLC
Hình 2.1.2 Cấu tạo bên trong PLC
2.1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra.
Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU. Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module xuất ra các thiết bị được điều khiển.
Chương trình ở dạng STL (StatementList - dạng lệnh liệt kê) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gửi hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được thực hiện thông qua module xuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gửi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (scanning).
Hình 2.1.3 Một vòng quét của PLC
Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ phức tạp của chương trình và mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi
Bộ điều khiển PLC S7-1200 được sử dụng với sự linh động và khả năng mở rộng phù hợp đối với hệ thống tự động hoá nhỏ và vừa tương ứng với người dùng.
Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh đã làm cho PLC S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, chọn lựa phù hợp đối với nhiều ứng dụng khác nhau.
CPU của PLC S7-1200 được kết hợp với 1 vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các tín hiệu đầu vào/ra, thiết kế theo nền tảng Profinet, các bộ đếm/ phát xung tốc độ cao tích hợp trên than, điều khiển vị trí (motion control), và ngõ vào analog đã làm cho PLC S7-1200 trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ Sau khi download chương trình xuống CPU vẫn lưu giữ nhưng logic cần thiết để theo dõi và kiểm soát các thiết bị thông tin trong ứng dụng của người lập trình.
PLC S7-1200 được tích hợp sẵn một cổng Profinet để truyền thống mang Profinet Ngoài ra, PLC S7-1200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặc RS232 thông qua các module mở rộng.
2.1.5 Các loại CPU của PLC S7-1200
Bảng 2.1.5 Các loại CPU của PLC S7-1200
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu Không 2 8
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40 0 C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh
1 Bộ phận kết nối nguồn.
2 Các bộ phận kết nối - nối dây của người dùng (phía sau nắp che).
3 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
4 Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU).
Hình 2.1.5 Sơ đồ nối dây 1214 DC/DC/DC
2.1.6 Các loại Module mở rộng
PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác.
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất.
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
1 Module truyền thông (CM) 3 Board tín hiệu (SM).
2 CPU 4 Module tín hiệu (SB).
Bảng 2.1.6 Các đặc tính của Module mở rộng
Module Ngõ vào Ngõ ra Ngõ kết hợp
16 x DC In 16 x DC Out 16 x Relay Out
Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out
Kiểu tương tự _ 1 x Analog In _
Hình 2.1.6 Board tín hiệu (Signal board)
1 Các LED trạng thái trên SB.
2 Bộ phận kết nối dây.
Hình 2.1.6 Module tín hiệu (Signal module)
1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu.
2 Bộ phận kết nối đường dẫn.
3 Bộ phận kết nối nối dây.
Hình 2.1.6 Module truyền thông (Communication module)
Phần mềm TIA Portal
TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện.
Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ. Được thiết kế với giao diện thân thiện với người dùng, TIA Portal thích hợp cho cả những người mới, những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm.
Các tập lệnh
Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n bằng 1.
Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n là 0.
Giá trị của có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại.
Chỉ sử dụng một lệnh out cho 1 địa chỉ.
MOVE: sao chép một phần tử dữ liệu được lưu trữ tại một địa chỉ xác định đến một địa chỉ mới.
Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái.
Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
Mô hình tổng quan của hệ thống
Lịch sử phát triển của nhà kính trồng rau, trồng hoa có từ rất lâu Ngày nay , sự ứng dụng của chúng đã góp phần phát triển nhanh chóng của nền nông nghiệp Người
La Mã cổ đại đã phát triển nhà kính đầu tiên bằng chất liệu tương tự như kính và mica để trồng nhiều loại trái cây và rau quanh năm.
Nhà kính là công trình thường có khung sắt và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh Do tính ứng dụng và thực tiễn cao nên của mô hình nên em chọn vật liệu là khung sắt hộp, kết hợp với màng pe dẻo trong suốt bao phủ xung quanh để xây dựng mô hình.
Thiết kế mô hình
3.2.1 Lên ý tưởng thiết kế và phương án thi công Ý tưởng đưa ra là mô hình là một hình hộp chữ nhật có kích thước vừa phải với(dài, rộng,cao) 85cm x 60cm x 70cm, có rèm che, sử dụng moto 12v một chiều để cung cấp nước, tưới phân và phun sương tạo độ ẩm cho đất và không khí , quạt làm mát thông gió 12v, đèn chiếu và sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng điều khiển thông qua PLC Do là mô hình nên kích thước như vậy cũng là hợp lý phù hợp thực tế đáp ứng đủ các điều kiện và chức năng để phục vụ nghiên cứu đồ án.
3.2.2 Cấu tạo và kích thước mô hình
Hình 3.2.2 Hình chiếu nhìn từ trên xuống của mô hình
Mô hình nhà kính được thiết kế theo hình chữ nhật với mái xéo và có các thông số như sau:
Chiều dài mô hình : 85 cm
Chiều rộng mô hình: 60cm
Chiều cao mô hình: 70 cm
Do là mái xéo nên một bên sẽ cao 70 cm bên còn lại là 65 cm
Hình 3.2.2 Hình chiếu cạnh của mô hình
Vật liệu làm khung mô hình là sắt hộp 20x20mm và , 30x30mm được hàn chết với nhau để thêm phần chắc chắn Phần chân được gắn thêm 4 bánh xe để tiện di chuyển
Hình 3.2.2 Mô hình không gian của đề tài
Mô hình được bao phủ xung quanh bởi một lớp màng pe dẻo trong suốt lấy ánh sáng mặt trời và giữ cho nhiệt độ ổn định phù hợp với hoa đang trồng theo quan sát thực tế của nhà kính hiện nay Làm tăng tính ứng dụng cho mô hình Ngoài ra trên khung còn gắn thêm 2 quạt gió làm mát để thực hiện việc thông gió và làm mát cho mô hình.
Phần giới thiệu mô hình cơ khí em xin kết thúc tại đây và sẽ mô tả hoạt động ở phần sau.
Lựa chọn thiết bị cho hệ thống
3.3.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
DHT11 là một cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thường được sử dụng đi kèm với một NTC chuyên dụng để đo nhiệt độ và một bộ vi điều khiển 8 bit để xuất ra các giá trị nhiệt độ và độ ẩm dưới dạng dữ liệu nối tiếp Cảm biến cũng được hiệu chuẩn tại nhà máy và do đó dễ dàng giao tiếp với các bộ vi điều khiển khác.Cảm biến có thể đo nhiệt độ từ 0 ° C đến 50 ° C và độ ẩm từ 20% đến 90% với độ chính xác ± 1 ° C và ±1% Vì vậy, nếu bạn đang muốn đo trong phạm vi này thì cảm biến này có thể là lựa chọn phù hợp.
Hình 3.3.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Thông số kỹ thuật DHT11:
Điện áp hoạt động: 3.5V đến 5.5V
Dòng hoạt động: 0,3mA (đo) 60uA (chế độ chờ)
Đầu ra: Dữ liệu nối tiếp
Phạm vi nhiệt độ: 0 ° C đến 50 ° C
Phạm vi độ ẩm: 20% đến 90%
Độ phân giải: Nhiệt độ và Độ ẩm đều là 16-bit
Độ chính xác: ± 1 ° C và ± 1% Đối với mô-đun cảm biến DHT11
2Data Đầu ra cả Nhiệt độ và Độ ẩm thông qua Dữ liệu nối tiếp
3Ground Kết nối với mặt đất của mạch
3.3.2 Cảm biến cường độ sáng
Cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C Các chân SCL và SDA là chân của giao thứcI2C Không cần tính toán để biết giá trị LUX vì cảm biến trực tiếp đưa ra giá trị lux Trên thực tế, nó đo cường độ theo lượng ánh sáng chiếu vào nó.
Hình 3.3.2 Cảm biến ánh sáng Bh1750
Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng:
Trời nhiều mây trong nhà : 5 – 50 lux
Trời nhiều mây ngoài trời : 50 – 500 lux
Trời nắng trong nhà : 100 – 1000 lux
Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 – 60 lux
3.3.3 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước đầu ra sẽ mức cao Module có thể sử dụng để tưới nước tự động Đây là một công cụ cần thiết cho một khu vườn được kết nối Cảm biến này sử dụng hai đầu dò để truyền dòng điện qua đất, sau đó nó đọc điện trở đó để lấy độ ẩm Nhiều nước hơn làm cho đất dẫn điện dễ dàng hơn (ít điện trở hơn), trong khi đất khô dẫn điện kém hơn (nhiều điện trở hơn) Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được (Bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên board mạch).Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao.
Hình 3.3.3 Cảm biến độ ẩm đất YL-69
Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện
PCB có kích thước nhỏ 3.2 x 1.4 cm
Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc Đầu kết nối sử dụng 3 dây:
GND GND của nguồn ngoài
DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp), AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)
3.3.4 Động cơ bơm 12V- R385 Động cơ bơm 12V - R385 là 1 bơm có đáp ứng tốt nhu cầu cho những mô hình sinh viên hay nghiên cứu Với công suất 3W và thiết kế chắc chắn Động cơ bơm 12V - R385 cung cấp 1 sức mạnh vượt trội so với các loại bơm mô hình khác
Thông số kỹ thuật Động cơ bơm 12V - R385:
Thời gian làm việc liên tục tối đa: 120h
Hoạt động nhiệt độ môi trường: 5 - 40℃ ℃
Áp suất nước tạo ra: 0.3Mpa
3.3.5 Quạt thông gió, làm mát
Hệ thống quạt thông gió được thiết kế nhằm tạo sự thông thoáng cũng như điều tiết nhiệt độ và độ ẩm bên trong và bên ngoài nhà vườn Giúp cây sinh trưởng tốt hơn.
Hình 3.3.5 Quạt làm mát Đặc điểm:
Dùng làm mát máy móc thiết bị
Giúp mô hình thoáng mát
Điện áp hoạt động: DC12V
Công tắc hành trình Hanyoung HY-R704A
- Độ chính xác tuyệt đối và công suất đóng / mở 10A
- Loại tiêu chuẩn, khoảng cách lỗ của kích thước cắt lắp đặt: 25,4mm, cố định bằng bu lông M4
- 9 loại thiết bị truyền động cung cấp các công dụng rộng rãi
- Vỏ bảo vệ đầu cuối (tùy chọn)
Hình 3.3.6 Công tắc hành trình
Cấu trúc tiếp điểm Vít M4-5.5 siết chặt, tiếp điểm 1c
Vật liệu chống điện Dòng làm việc liên tục: 18A
Điện áp định mức (Ue) 250VAC
Chống rung Biên độ kép 1.5mm, tần số 10-55Hz, liên tục 2 giờ
Vật liệu tiếp điểm AgCdO
Relay kiếng 14 chân hay còn gọi là relay trung gian được ứng dụng rất rộng rãi trong các tủ điện công nghiệp và dân dụng relay trung gian là một loại mạch điện tử,chức năng tương tự với công tắc điện trong nhà bạn dạng on/off Relay trung gian đóng vai trò truyền tải điện, chuyển tín hiệu từ thiết bị có công suất nhỏ sang thiết bị công suất cao hơn trong sơ đồ điện Cuộn kích đóng ngắt relay có loại phổ biến là 12V - 24V hoặc 220V.
Dòng đóng cuộn kích: 40mA
Nhiệt độ hoạt động: -55°C to 70°C
Độ ẩm môi trường: 5% đến 85%
Dùng relay trung gian để đóng cắt mạch điện theo tín hiệu xuất ra từ PLC để điều khiển cho động cơ chạy hoặc dừng theo ý muốn.
3.3.8 Bộ nguồn cấp cho PLC
Nguồn tổ ong 24V 5A là bộ đổi nguồn từ điện xoay chiều sang một chiều DC 24V có kích thước nhỏ dễ dàng di chuyển đầu ra ổn định thích hợp sử dụng làm nguồn nuôi các module sử dụng điện 24V như: Camera, dây đèn led, bơm nước DC, khóa chốt điện từ, nam châm điện, van điện từ (solenoid) module relay, cảm biến…
Nguồn tổ ong 24V 5A này có đầu vào có bảo vệ quá áp, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá dòng phù hợp với các ứng dụng trung bình.
Dải điện áp đầu vào : AC110/220VAC ± 15%
Tần số đầu vào : 50-60Hz
Điện áp ra : 24VDC có thể điều chỉnh 5%
Bảo vệ quá tải : >25% công suất định mức
Nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 40 , 10% ~ 90% RH℃ ℃
3.3.9 Bộ nguồn cấp cho thiết bị vận hành
Cách sử dụng Nguồn tổ ong 12V 5A,mắc 2 dây L và N từ nguồn AC vào nguồn tổ ong, đầu ra nguồn 1 chiều được lấy từ 2 đầu còn lại, VADJ là chiết áp điều chỉnh điện áp đầu ra Chức năng của nguồn tổ ong 12V 5A chỉnh lưu điện lưới xoay chiều thành điện 1 chiều để cung cấp cho các thiết bị điện tử Được dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp trường hợp sụt áp.Đối với lĩnh vực đèn led, nguồn tổ ong 12V 20A dùng để làm các bảng quảng cáo, chạy chữ Ngoài ra nguồn tổ ong 12V20A có thể dùng làm nguồn chung cho camera quan sát.
Thông số kỹ thuật nguồn tổ ong 12V 20A
Điện áp đầu vào: 110/ 220V AC.
Điện áp đầu ra: 12V DC.
Nhiệt độ làm việc: Từ 0 – 60 độ C.
Bộ xử lý trung tâm
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên ATmega328 Nó có 20 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM và 6 chân có thể được sử dụng làm đầu vào tương tự), bộ cộng hưởng 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm nguồn, lập trình hệ thống trong mạch (ICSP)và một nút đặt lại.
Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển, chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi AC-to-DC hoặc pin để bắt đầu. Đây là phiên bản thứ 3 của Uno (R3), có một số thay đổi:
Chip điều khiển USB đã thay đổi từ ATmega8U2 (flash 8K) thành ATmega16U2 (flash 16K) Điều này không làm tăng flash hoặc RAM có sẵn cho các bản phác thảo.Ba chân mới đã được thêm vào, tất cả đều là bản sao của các chân trước đó Các chân I2C (A4, A5) cũng đã được đưa ra bên cạnh bảng gần AREF Có một chân IOREF bên cạnh chân đặt lại, là một bản sao của chân 5V.
Nút đặt lại hiện nằm bên cạnh đầu nối USB, giúp dễ tiếp cận hơn khi sử dụng tấm chắn.
Bộ vi điều khiển: ATmega328P
Dòng I / O của người dùng MHz20 Đầu ra PWM: 6 Đầu vào analog: 6
Thiết bị kết nối USB: NS Điện áp đầu vào được đề xuất : 7-12V
Hình 3.4.1 Sơ đồ chân Arduino Uno R3
Nguồn Cung cấp năng lượng cho Arduino :kết nối USB, nguồn điện bên ngoài (6 đến 20 volt) chủ yếu bao gồm pin hoặc bộ chuyển đổi AC sang DC.
Vin Điện áp đầu vào hoặc Vin vào Arduino khi nó đang sử dụng nguồn điện bên ngoài ngược với vôn từ kết nối USB hoặc RPS khác (nguồn điện được điều chỉnh) Bằng cách sử dụng chân này, người ta có thể cung cấp điện áp.
GND chân GND (nối đất)
Bộ nhớ Bộ nhớ của vi điều khiển ATmega328.
Serial Pins Các chân nối tiếp của bảng Arduino là chân TX (1) và RX (0) và các chân này có thể được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL
Các chân ngắt bên ngoài của bảng là 2 & 3.
Các chân SPI là 10, 11, 12, 13 là SS, MOSI, MISO, SCK và các chân này sẽ duy trì giao tiếp SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.
Interface) P in : Các chân TWI là SDA hoặc A4, & SCL hoặc A5, có thể hỗ trợ giao tiếp
TWI với sự trợ giúp của thư viện Wire.
QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Giới thiệu về quy trình công nghệ
Sau khi tìm hiểu công nghệ nhà kính kết hợp với kiến thức về S7-1200, đưa ra phương án thiết kế mô hình nhà kính với các đặc điểm kỹ thuật như sau:
+ Chương trình điều khiển, giám sát sẽ được chạy trên phầm mền TIA Portal kết hợp với mô hình phần cứng chạy thực tế.
+ Chương trình hoàn toàn tự động Người vận hành có thể khởi động hệ thống trực tiếp từ bản điều khiển hoặc có thể khởi động từ giao diện điều khiển trên máy tính.Quá trình hoạt động của hệ thống là liên tục từ khâu nhấn nút “Start” cho đến khi người điều khiển ấn nút “Stop”.
Thiết kế mô hình nhà kính
Mô hình gồm các thành phần chính và chức năng thành phần:
+ Bơm: bơm nước cho hệ thống.
+ Quạt: thông gió và làm mát cho hệ thống.
+ Đèn: chiếu sáng cho hệ thống.
+ Rèm: che nắng cho hệ thống.
+ Sensor: nhận tín hiệu độ ẩm, nhiệt độ, cường độ sáng trả ra tín hiệu dòng.
Quá trình điều khiển toàn hệ thống diễn ra trên hai giao diện chính, hệ thống vận hành hoàn toàn tự động sau khi người vận hành nhấn nút Start ở chế độ AUTO. Nhưng một yêu cầu đặt ra là, việc giám sát hoạt động của hệ thống cũng cần thực hiện tự động Điều này là thực sự cần thiết vì những lý do sau:
+ Trình điều khiển và giám sát gắn liền với nhau nhầm thực hiện một giải pháp hỗ trợ con người trong việc quan sát và điều khiển từ xa.
+ Đảm bảo tính ổn định và tăng tính tin cậy của hệ thống.
+ Theo dõi được mọi diễn biến của quá trình, trạng thái của hệ thống một cách nhanh chóng và chính xác.
+ Dễ dàng phát hiện sự cố để có những biện pháp khắc phục kịp thời.
- Vì vậy việc thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Quá trình vận hành thực hiện tự động.
+ Quá trình điều khiển phải đúng qui trình công nghệ, đảm bảo yêu cầu công nghệ. + Người vận hành dễ dàng giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, theo dõi diễn biến quá trình.
+ Giao diện thân thiện, linh hoạt và dễ dàng tiếp cận.
Hình 4.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống
Khối nguồn: cấp nguồn cho PLC và Arduino
Khối tương tác: các nút ấn để điều khiển thiết bị
Khối chấp hành: quạt, bơm, đèn
Khối hiển thị: màn hình laptop
Khối cảm biến: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng
Khối xử lý Arduino: nhận tín hiệu từ cảm biến sau đó truyền thông qua PLC thông qua giao thức TCP/IP
Khối xử lý trung tâm PLC: nhận tín hiệu từ Arduino sao đó phát lệnh cho khối chấp hành thực hiện
Enthernet: chuẩn truyền thông modbus TCP/IP
4.2.3 Lưu đồ thuật toán chế độ auto
T là nhiệt độ thực tế cảm biến đo được
Tmax là nhiệt độ cài đặt ở mức cao
Tmin là nhiệt độ cài đặt ở mức thấp
H đất là độ ẩm đất thực tế cảm biến đo được
H đất max là độ ẩm đất cài đặt ở mức cao
H đất min là độ ẩm đất cài đặt ở mức thấp
H kk là độ ẩm không khí thực tế cảm biến đo được
H kk max là độ ẩm không khí cài đặt ở mức cao
H kk min là độ ẩm không khí cài đặt ở mức thấp
L cường độ sáng thực tế cảm biến đo được
L max là cường độ ánh sáng cài đặt ở mức cao
L min là cường độ ánh sáng cài đặt ở mức thấp
Giải thích nguyên tắc hoạt động của mô hình: Đầu tiên nhấn Start và cấp nguồn cho hệ thống thì hệ thống hoạt động ở chế độ auto cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm sẽ đọc và gửi tín hiệu về arduino sau đó truyền thông sang PLC , nếu nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cài đặt T min thì lúc này đèn sẽ bật ,quạt sẽ tắt Nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ T max cài đặt thì đèn sẽ tắt quạt bật để thông gió và làm mát Quy trình cứ điều khiển liên tục như vậy nhằm đảm bảo cho môi trường tốt nhất cho hoa phát triển Tương tự với cảm biến độ ẩm và cảm biến ánh sáng cũng như vậy.
4.2.4 Lưu đồ thuật toán chế độ manual
Giải thích nguyên tắc hoạt động của mô hình:
Khi nhấn Manu thì hệ thống chạy ở chế độ manual Nhấn bơm bơm chạy
Nhấn mở rèm thì rèm kéo ra
Nhấn đóng thì rèm kéo lại
Thiết kế phần cứng thực tế
4.3.1 Motor bơm nước,phun sương, tưới phân
Hệ thống cần có moto bơm để tưới cây, phun sương, và tưới phân cho hoa.
Bình chứa dùng để chứa nước và chất dinh dưỡng để bơm tưới cho cây với thể tích 1.5L.
4.3.3 Cảm biến Để hệ thống nhận biết được lúc nào cần điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm đất hay độ ẩm không khí phù hợp với môi trường thì em đã gắn cảm biến ở những vị trí khác nhau phù hợp cho việc nhận tín hiệu.
Hình 4.3.3 Cảm biến nhiệt độ
Hình 4.3.3 Cảm biến độ ẩm
Hình 4.3.3 Cảm biến ánh sáng
4.3.4 Tủ điện Để hệ thống hoạt động an toàn ta thiết kế và lắp đặt tủ điện bảo vệ các thiết bị điều khiển khỏi các tác động bên ngoài.
4.3.5 Sơ đồ đấu dây và kết nối PLC
Hình 4.3.5 Sơ đồ dấu dây mạch điều khiển
Hình 4.3.5 Sơ đồ dấu dây mạch điều khiển
Ngõ vào input DI a của PLC được đấu nối với các nút ấn
Ngõ ra output của PLC được đấu nối từ 0.0 tới 0.6 lần lượt nối với relay 1 tới relay 7
Hình 4.3.5 Sơ đồ dấu dây mạch động lực
Mạch điều khiển bao gồm 2 quạt gió, 1 motor phun sương, 1 motor tưới nước ,
1 motor tưới phân, 1 motor rèm và 1 đèn Các motor và quạt được nối với nguồn 12V,chỉ có đèn là nối với nguồn 220V.
Viết chương trình PLC S7-1200
Để bắt đầu viết chương trình PLC ta làm tuần tự các bước tìm hiểu công nghệ. Phân công ngõ vào ra và viết chương trình.
4.4.1 Khai báo biến cho PLC Định rõ tên và địa chỉ cho từng biến vào bộ nhớ Khi viết chương trình, sử dụng các biến vào ra bằng tên thay vì sử dụng trực tiếp địa chỉ biến.
Hình 4.4.1 Các biến Input của chương trình
Các biến INPUT kết nối trực tiếp với ngõ vào của PLC để điều khiển chương trình.
Hình 4.4.1 Các biến Output của chương trình
Các biến OUTPUT kết nối trực tiếp với ngõ ra của PLC để xuất các giá trị ra relay điều khiển các thiết bị trong mô hình.
Hình 4.4.1 Các biến trung gian chương trình
Các biến TRUNG GIAN được khai báo bằng các bit nhớ M Các biến này dùng để làm trung gian điều khiển các ngõ ra OUTPUT bằng chế độ AUTO hoặc MANUAL.
Như yêu cầu công nghệ ở trên chương trình PLC gồm 6 phần lớn:
Main: Chương trình chính dùng để gọi các chương trình còn lại (thay đổi chế độ hoạt động ATUO hoặc MANUAL) và ON/OFF chương trình.
AUTO: Chương trình dùng để chạy chế độ AUTO tất cả các hoạt động trong chương trình này là tự động.
MANUAL: Chương trình dùng để chạy chế độ MANUAL Ở chế độ này ta cố thể điêu khiển các ngõ ra lên 1 hoặc xuống 0 bằng các SWITCH và nút nhấn trong giao diện điều khiển.
DATA_IN khối nhận dữ liệu từ web
MB_CONFIG khối nhận dữ liệu truyền thông từ Arduino
MB_DATA khối dữ liệu của cảm biến
Viết chương trình
Chương trình set up sẵn nhiệt độ min max, độ ẩm đất min max, độ ẩm không khí min max, cường độ sáng min max ở khi chế độ auto.
Điều khiển hệ thống
Nhấn Start I0.0 hệ thống hoạt động chạy ở chế độ AUTO
Khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ set min 1 thì đèn sẽ bật và khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ set max 1 thì đèn sẽ bật.
Khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ set min 2 thì quạt sẽ dừng và khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ set max 2 thì quạt sẽ chạy.
Khi độ ẩm không khí nhỏ hơn độ ẩm set min thì phun sương sẽ chạy và khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng độ ẩm set max thì phun sương dừng.
Khi độ ẩm không đất nhỏ hơn độ ẩm đất set min thì bơm nước chạy và khi độ ẩm đất lớn hơn hoặc độ ẩm đất set max thì bơm nước dừng.
Khi cường độ sáng nhỏ hơn 50 lux thì rèm mở và khi cường độ sáng lớn hơn hoặc bằng 80 lux thì rèm đóng.
Khi cường độ sáng nhỏ hơn cường độ sáng set min rèm mở và khi cường độ sáng lớn hơn hoặc bằng cường độ sáng set max rèm đóng.
Nhấn Start I0.2 hệ thống hoạt động chạy ở chế độ MANU.
Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên web
Chúng ta vào google và truy cập vào địa chỉ
Giao diện giao diện làm việc trên web xuất hiện:
Sau đó ta chọn các công cụ để thiết kế giao diện: Ấn vào dấu 3 gạch góc phải trên của màn hình, chọn vào mục settings đề cài đặt một số công cụ.
Sau khi ấn settings một cửa sổ mới sẽ nhảy ra, chọn mục Palette để cài đặt thư viện một số công cụ cần thiết.
Chọn vào Install tìm kiếm thư viện dashboard và tiến hành cài đặt thư viện dashboard – evi.
Sau khi cài đặt ta được một số công cụ từ thư viện dashboard.
Tương tự như trên ta tìm kiếm với từ khóa là Contrib – S7 và cài thêm thư viện node-red-contrib-s7 của PLC để tiến hành thiết kế.
Một số thư viện của PLC sau khi cài đặt.
Tạo một dự án mới.
Kích đúp chuột vào Flow và đặt tên cho dự án ở đây em sẽ đặt tên là giám sát S7-1200.
Lấy các công cụ từ thư viện vừa tải và tiến hành kết nối chúng lại với nhau.
Nháy đúp chuột vào s7 out.
Một cửa sổ mới xuất hiện, tại đâu chúng ta ấn chọn biểu tượng hình cây bút chì.
Nhập địa chỉ IP của PLC vào mục Address để kết nối PLC với web.
Sau khi nhập địa chỉ xong ta chọn mục Variables và tiến hành tạo một list Variable.
Address tức là địa chỉ ngõ vào ra, các biến dữ liệu của thiết bị chúng ta đã tạo bên phần lập trình của PLC Name chúng ta sẽ đặt theo tên đã tạo bên PLC để tránh nhầm lẫn. Địa chỉ ngõ ra Địa chỉ ngõ vào
Kích đúp chuột và công cụ switch mà khi nảy đã kéo ra, chọn vào mục Label để đặt tên cho nút.
Có bao nhiêu ngõ vào thì tạo bấy nhiêu nút điều khiển, và kết nối chúng vào s7 out
Kích đúp chuột vào s7-1200 tại đây chọn mục Variable và tiến hành gán các địa chỉ mà chúng ta vừa tạo cho list variable.
Sau khi hoàn thành chúng ta sẽ được các nút điều khiển như thế này, vậy là xong phần điều khiển Tiếp theo là phần giám sát hệ thống.
Tương tự với hệ thống điều khiển, hệ thống giám sát chúng ta sẽ dùng 2 công cụ là s7 in và gauge, s7 in là địa chỉ vào của PLC và gauge là đồng hồ hiển thị.
Kích đúp vào s7-in chọn mục PLC chọn S7-1200 chính là mục lúc nảy chúng ta đã nhập địa chỉ IP của PLC cho web Sau khi xong thì chọn vào biểu tượng cây bút chì.
Chọn mục Variable và thêm vào các địa chỉ dữ liệu của nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, cường độ sáng Sau khi xong bấm update.
Tại mục mode chọn Single variable, và mục Variable, ta sẽ gán địa chỉ dữ liệu vừa thêm ở list variable.
Bao nhiêu biến dữ liệu thì ta chọn bấy nhiêu s7-in, sau khi xong ta sẽ được kết quả như trên, phần giám sát hệ thống đã hoàn thành.Tiếp theo sẽ đến phần cài đặt thông số cho hệ thống.
Chọn công cụ numeric và s7 out, kết nối chúng lại với nhau.
Kích đúp và s7 out tại mục PLC chúng ta chọn S7-1200 chính là mục lúc nảy chúng ta đã nhập địa chỉ IP của PLC cho web Sau khi xong thì chọn vào biểu tượng cây bút chì.
Chọn mục Variable và thêm vào các địa chỉ dữ liệu cần cài đặt của hệ thống Sau khi xong bấm update.
Tại mục mode chọn Single variable, và mục Variable, ta sẽ gán địa chỉ dữ liệu vừa thêm ở list variable.
Bao nhiêu biến dữ liệu thì ta chọn bấy nhiêu s7-out, sau khi xong ta sẽ được kết quả như trên, phần cài đặt hệ thống đã hoàn thành.
Nhấn Deploy để nạp chương trình và kết nối với PLC Tiếp theo ấn và dấu mũi tên xuống trên góc phải màn hình.
Chọn Dashboard, tiếp theo chọn dấu mũi tên đi lên trên góc phải màn hình và xem giao diện web khi hoàn thành.
Hình 4.7 Giao diện điều khiển
Khi ấn nút start trên tủ điện thì chúng ta sẽ quan sát được cá thông số nhiệt độ,cường độ sáng, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cài đặt các giá trị min max sao cho phù hợp với điều kiện thực tế Khi nhấn Manual trên tủ điện thì chúng ta có thể điều khiển được các thiết bị đã lắp đặt.