Mô hình nhà kính tự động hóa trong ngành công nghiệp trồng hoa cúc

Những kiến thức và sự hỗ trợkhông ngừng từ thầy đã là động lực quan trọng, giúp chúng tơi vượt qua những tháchthức và hồn thành đồ án một cách thành công.Sau thời gian nghiên cứu và tìm

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tính cấp thiết của đề tài

Thời gian qua, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp trên cả nước ta chịu rất nhiều khó khăn, bất lợi do thời tiết, dịch bệnh, suy thoái kinh tế, giá cả hàng hóa bấp bênh, chịu sự cạnh tranh của hàng hóa nước ngoài rẽ hơn chất lượng chất lượng tốt hơn, trong khi giá vật tư đầu vào không ổn định và đang có xu hướng tăng cao. Ở nước ta hiện nay ngành nông nghiệp và công nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và khi kinh tế nước ta hội nhập quốc tế cũng đem lại nhiều thuận lợi như thị trường mở rộng, sản phẩm làm ra được xuất khẩu đi rất nhiều nơi trên thế giới nhưng cũng không ít khó khăn thách thức cho ngành công nghiệp và nông nghiệp nước ta.

Ngành công nghiệp trồng hoa cúc cũng đang đối mặt với nhiều thách thức do tăng cường nhu cầu và yêu cầu chất lượng cao Do đó việc cấp bách nhất để vực dậy nền công nghiệp và nông nghiệp nước ta là tập trung vào việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm Phát triển công, nông nghiệp bền vững nhằm tạo ra những sản phẩm đạt chuẩn thế giới. Để đáp ứng những thử thách này, nghiên cứu này tập trung vào phát triển một mô hình nhà kính tự động hóa, cụ thể là “Mô hình nhà kính tự động hóa trong ngành công nghiệp trồng hoa cúc”, để đảm bảo cung cấp sản phẩm chất lượng và bền vững trong ngành nông, công nghiệp.

Mục đích

Đề tài “Mô hình nhà kính tự động hóa trong ngành công nghiệp trồng hoa cúc ” 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.

Nhiệm vụ nghiên cứu

- Xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình nhà kính

- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC

- Truyền thông dữ liệu từ Arduino sang PLC

- Thiết kế và chế tạo mô hình hoàn chỉnh

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình… bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực.

Mô hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc ý niệm (tư duy) để biểu diễn, phản ánh hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trò đại diện, thay thế đối tượng thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin mới tương tự đối tượng thực.

Hình 1.1 Phương pháp mô hình hóa, nguồn internet

Cơ sở logic cuả phương pháp mô hình hóa là phép loại suy Phương pháp mô hình hóa cho phép tiến hành nghiên cứu trên những mô hình ( vật chất hay ý niệm (tư duy)) do người nghiên cứu tao ra ( lớn hơn hoặc bằng hoặc nhỏ hơn đối tượng thực) để thay thế việc nghiên cứu đối tượng thực Điều này thường xảy ra khi người nghiên cứu không thể hoặc rất khó để nghiên cứu đối tượng thực trong điều kiện thực tế.

Phương pháp mô hình hóa xem xét đối tượng nghiên cứu như một hệ thống ( tổng thể), song tách ra từ hệ thống ( đối tượng) các mối quan hệ, liên hệ có tính quy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh được các mối quan hệ, liên hệ đó của các yếu tố cấu thành hệ thống, đó là sự trừu tượng hóa hệ thống thực.

Dùng phương pháp mô hình hóa giúp người nghiên cứu dự báo, dự đoán, đánh giá các tác động của các biện pháp điều khiển, quản lý hệ thống Ví dụ: sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc (đặc biệt là cấu trúc không gian, các bộ phận hợp thành có bản chất vật lý giống hệt đối tượng gốc) để phản ánh, suy ra cấu trúc của đối tượng gốc như: mô hình động cơ đốt trong, mô hình tế bào,… Cụ thể ở đây em dùng phương pháp nghiên cứu trên mô hình nhà kính mini.

Ngoài ra em còn sử dụng phương pháp thu thập thông tin từ nhiều nguồn như:tham khảo tài liệu trên mạng, những báo cáo khoa học trong và ngoài nước để làm cho thông tin nghiên cứu thêm phong phú, khách quan.

Kết quả đạt được sau khi nghiên cứu

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 và WinCC , 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_S71200 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.

1.8.1 Giới thiệu mô hình nhà kính

Nhà kính là một thuật ngữ chung dùng để đề cập đến việc sử dụng một vật liệu trong suốt hoặc bán trong suốt được hỗ trợ trong một khung xương làm bằng thép (hoặc bằng tre,…) trong một khu vực xác định để cây trồng phát triển.

Mô hình nhà kính thường được sử dụng trong nông nghiệp để tạo ra môi trường ổn định cho sự phát triển của cây trồng, tăng cường năng suất và chất lượng sản phẩm.

Nhà kính cũng được sử dụng trong lĩnh vực nghiên cứu để nghiên cứu về sự ảnh hưởng của điều kiện môi trường đối với cây trồng và thực vật.

1.8.2 Phương pháp trồng cây trong nhà kính

Nhà kính là một kiểu cấu trúc nhà kính thường được xây dựng bằng các khung,cột đỡ bằng thép, nhôm hoặc kim loại khác và được bao bọc xung quanh bằng kính hay nhựa trong suốt, vật liệu trong suốt này giúp truyền ánh sáng mặt trời mà giữ lại nhiệt độ bên trong.

Các 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,

Ngoài ra nhà kính còn có màn chắn và lướt bảo vệ để ngăn chặn sự xâm nhập của sâu bệnh.

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 và dịch bệnh từ bên ngoài.

Nhà kính 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.

Hình 1.2 Mô hình nhà kính trồng hoa có hệ thống thông gió ở Đà Lạt

- Kiểm soát Môi Trường: Nhà kính cung cấp một môi trường kiểm soát được, giúp duy trì nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng ổn định, tối ưu hóa điều kiện cho sự phát triển của cây trồng.

- Mở Rộng Mùa Vụ: Nhờ vào môi trường kiểm soát, nhà kính cho phép trồng cây quanh năm và mở rộng mùa vụ, giúp tăng cường năng suất và cung cấp sản phẩm nông nghiệp quanh năm.

- Bảo vệ Cây Trồng: Nhà kính bảo vệ cây trồng khỏi yếu tố thời tiết bất lợi như gió mạnh, tuyết, mưa lớn, giảm nguy cơ hư hại và mất mát.

- Tiết Kiệm Nước: Hệ thống tưới nước thông minh trong nhà kính có thể giúp tiết kiệm nước bằng cách cung cấp nước theo nhu cầu cụ thể của cây trồng.

- Quản lý Dễ Dàng: Có thể dễ dàng quản lý môi trường trong nhà kính thông qua hệ thống kiểm soát tự động, giảm công sức và tăng hiệu quả.

- Chống Sâu Bệnh và Dịch Bệnh: Các biện pháp kiểm soát sinh học và hóa học có thể được thực hiện dễ dàng để ngăn chặn sự lây lan của sâu bệnh và dịch bệnh.

- Tiết Kiệm Nước: Hệ thống tưới nước thông minh trong nhà kính có thể giúp tiết kiệm nước bằng cách cung cấp nước theo nhu cầu cụ thể của cây trồng.

Tổng quan về loài hoa cúc

Do loài cây được trồng trong mô hình đề tài là hoa cúc nên chúng ta cần nghiên cứu một số thông tin cơ bản 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.

1.9.1 Đặc điểm thực vật học

Cúc (danh pháp khoa học: Asteraceae) là một họ thực vật có hoa phổ biến và đa dạng, bao gồm nhiều loài cây hoa đẹp và quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp và làm đẹp Dưới đây là một tổng quan về họ hoa cúc:

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 và Lá : Lá của cây cúc thường có hình dạng và kích thước đa dạng, từ lá mảnh đến lá lớn và hình thù phức tạp Thân cây cúc có thể từ mảnh đến hình ống, thân có thể là cây cỏ hoặc cây bụi.

Cấu trúc hoa: Hoa cúc thường có cấu trúc hoa đặc biệt gọi là đầu hoa (head), trong đó có nhiều bông hoa nhỏ đặt trên một đĩa hoa chung Mỗi đầu hoa có thể bao gồm các loại hoa khác nhau, bao gồm hoa gốc, hoa nữ và hoa cái.

Quả và Hạt: Quả là loại quả bế khô, chỉ chứa một hạt, hạt có phôi thẳng và không có nội nhũ Quả của hoa cúc thường là một hạt đơn, thường có cánh để giúp quả được gió mang đi Hạt cúc thường nhỏ, nhẹ, giúp chúng dễ dàng lan truyền và phát tán qua khoảng cách.

1.9.2 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.

1.9.3 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…

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 S71200

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 2.3 Cấu trúc 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).

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

2.1.4 Ứng dụng của hệ thống PLC

Hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:

- Hệ thống nâng vận chuyển

- Các ROBOT lắp giáp sản phẩm

- Dây chuyền lắp giáp Tivi

- Điều khiển hệ thống đèn giao thông

- Quản lý tự động bãi đậu xe

- Dây truyền may công nghiệp

- Dây chuyền sản xuất xe oto

Bộ điều khiển PLC S71200 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 S71200 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 S71200 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 ânlog đã làm cho PLCS71200 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 S71200 được tích hợp sẵn một cổng Profinet để truyền thống mang Profinet. Ngoài ra, PLC S71200 có thể truyền thông Profibus, GPRS, RS485 hoặc RS232 thông qua các module mở rộng.

2.1.6 Tính năng và dung lượng các loại CPU của PLC S7 1200

Bộ lập trình S7-1200 có một số loại CPU sau:

- Kích thước(dài x rộng x cao)(mm) : 90x75x100

- Bộ nhớ làm việc : 25KB

- Bộ nhớ giữ lại : 2KB

- Kích thước ảnh tiến trình: 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

- Độ mở rộng các module tín hiệu : Không

- 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 : Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C PROFINET : 1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán thực : 18 μs/lệnhs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean : 0,1 μs/lệnhs/lệnh

Kích thước(dài x rộng x cao)(mm) : 90x75x100

- Bộ nhớ làm việc : 25KB

- Bộ nhớ giữ lại : 2KB

- Kích thước ảnh tiến trình: 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

- Độ mở rộng các module tín hiệu : 2

- Các module truyền thông : 3 (mở rộng về bên trái)

- Các bộ đếm tốc độ cao :

- Đơn pha : 3 tại 100kHz, 1 tại 30kHz

- Vuông pha : 3 tại 80kHz, 1 tại 20kHz

Thẻ nhớ : Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ : Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C PROFINET : 1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán thực : 18 μs/lệnhs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean : 0,1 μs/lệnhs/lệnh

Kích thước(dài x rộng x cao)(mm) : 110x75x100

- Bộ nhớ làm việc : 50KB

- Bộ nhớ giữ lại : 2KB

- Kích thước ảnh tiến trình: 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

- Độ mở rộng các module tín hiệu : 8

- Các module truyền thông : 3 (mở rộng về bên trái)

- Các bộ đếm tốc độ cao :

- Đơn pha : 3 tại 100kHz, 3 tại 30kHz

- Vuông pha : 3 tại 80kHz, 3 tại 20kHz

Thẻ nhớ : Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ : Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C PROFINET : 1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán thực : 18 μs/lệnhs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean : 0,1 μs/lệnhs/lệnh

1 Bộ phận kết nối nguồn

2 Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)

3 Các led trạng thái dành cho I/O tích hợp

4 Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của cpu)

Hình 2.5 Sơ đồ nối dây 1214 DCDCDC

Phần mềm TIA Portal

Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống.

Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung 1 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, nó cho phép người dùng phát triển và viết các phần mềm quản lý riêng lẻ một cách nhanh chóng, trên 1 nền tảng thống nhất Giải pháp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng riêng biệt để thống nhất tạo hệ thống.

TIA Portal Tích hợp tự động toàn diện là phần mềm cơ sở cho tất cả các phần mềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặc điểm TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng 1 cơ sở dữ liệu, tạo nên tính thống nhất, toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành.

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

2.2.1 Ưu nhược điểm của TIA PORTAL

TIA Portal là thuật quen thuộc được ứng dụng trong các lĩnh vực tự động hóa, tích hợp nhiều phần mềm phổ thông khác như: HMI, PLC, Inverter của Siemens Phần mềm TIA Portal có những ưu và nhược điểm trong vận hành hệ thống tự động hóa.

Tích hợp tất cả các phần mềm trong 1 nền tảng, chia sẻ cơ sở dữ liệu chung dễ dàng quản lý, thống nhất cấu hình Giải pháp vận hành thiết bị nhanh chóng, hiệu quả, tìm kiếm khắc phục sự cố trong thời gian ngắn.

Tất cả các yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI được lập trình và cấu hình trên TIA Portal, cho phép các chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác, thiết lập truyền thông giữa các thiết bị Chỉ với 1 biến số của bộ lập trình PLC được thả vào màn hình HMI, kết nối được thiết lập mà không cần bất ký thao tác lập trình nào.

Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu của hệ thống lớn nên dung lượng bộ nhớ khổng lồ Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý, tốn nhiều thời gian để làm quen sử dụng.

Lập Trình PLC (Programmable Logic Controller): STEP 7 là môi trường lập trình chính cho các bộ điều khiển của Siemens, đặc biệt là các dòng S7-1200 và S7-1500. Bạn có thể tạo chương trình điều khiển, cấu hình bộ điều khiển và giám sát chúng thông qua STEP 7.

Tích Hợp TIA Portal: STEP 7V16 là một phần của TIA Portal (Totally IntegratedAutomation), một môi trường tích hợp cho việc lập trình, cấu hình và kiểm soát tự động hóa TIA Portal giúp tối ưu hóa quy trình làm việc bằng cách kết hợp các công cụ nhưSIMATIC Manager, WinCC, và STEP 7 vào một môi trường làm việc duy nhất

STEP 7 V15 cung cấp khả năng tính toán trực tiếp trên bộ điều khiển thông qua các ngôn ngữ lập trình như SCL (Structured Control Language) và STL (Statement List).

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.

Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 0 và ngược lại.

Chỉ sử dụng một lệnh out not cho 1 địa chỉ.

Lệnh đảo trạng thái ngõ vào/ra.

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.

Giá trị của các bit có địa chỉ đầu tiên là OUT sẽ bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Trong đó số bit là giá trị của n.

Toán hạng OUT: Q, M, L, D n: là hằng số

Giá trị của các bit có địa chỉ đầu tiên là OUT sẽ bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Trong đó số bit là giá trị của n

Toán hạng OUT: Q, M, L, D n: là hằng số

 Tiếp điểm phát hiện xung cạnh lên

Thay đổi trạng thái tín hiệu phía trước không ảnh hưởng đến “IN” Phát hiện sự thay đổi trạng thái của 1 tín hiệu

“IN” từ 0 lên 1 Trạng thái của tín hiệu IN được lưu lại vào “M_BIT” Độ rộng của xung này bằng thời gian của một chu kì quét.

 Tiếp điểm phát hiện xung cạnh xuống

Thay đổi trạng thái tín hiệu phía trước không ảnh hưởng đến “IN”

Phát hiện sự thay đổi trạng thái của 1 tín hiệu “IN” từ 1 xuống 0

Trạng thái của tín hiệu IN được lưu lại vào

“M_BIT” Độ rộng của xung này bằng thời gian của một chu kì quét.

Giới thiệu về WinCC

Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa.

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.

WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing

Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống của Siemens được tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức.

 Các ứng dụng của WinCC:

Tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát quy trình sản xuất Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển và thu thập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi sự kiện WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo bằng đồ họa, xử lí thông tin đo lường, các tham số công thức, các bảng ghi báo cáo,… đáp ứng yêu cầu công nghệ và là một trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện người máy (HMI).

Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện HMI và mạng SCADA, WinCC sử dụng các chức năng sau:

- Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động của các đối tượng đồ họa của chương trình WinCC OLE, I/O,… với thuộc tính động (Dynamic).

- Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáo trong khi hệ thống vận hành Đảm trách về các thông báo nhận được và lưu trữ Nó chứa các chức năng để nhận các thông báo từ các quá trình, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng Ngoài ra, Alarm Logging còn giúp ta tìm nguyên nhân lỗi của hệ thống.

- Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều dạng khác nhau Tag Longging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống.

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ.23 3.1 Mô hình tổng quan của hệ thống

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 24v một chiều để cung cấp nước, tưới phân và phun sương tạo độ ẩm cho đất và không khí , quạt làm mát thông gió 24v, 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 3.6 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 3.7 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 3.8 Mô hình không gian của đề tài

Mô hình được bao phủ xung quanh bởi một lớp nilog 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 sẻ 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

Hình 3.9 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

2 Data Đầu ra cả Nhiệt độ và Độ ẩm thông qua Dữ liệu nối tiếp

3 Ground Kết nối với mặt đất của mạch

Nơi sử dụng Cảm biến DHT11:

DHT11 là một cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thường được sử dụng Cảm biến đi kèm với một NTC chuyên dụng để đo nhiệt độ và một bộ vi điều khiển 8 bit để xuất 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.

3.3.2 Cảm biến cường độ sáng

Hình 3.10 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750

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

Cảm biến BH1750 là một cảm biến ánh sáng, thường được sử dụng để đo độ sáng trong môi trường Dưới đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến BH1750: Nguyên tắc đo ánh sáng:

Cảm biến BH1750 sử dụng nguyên tắc đo ánh sáng dựa trên hiệu ứng ánh sáng giao thoa và phản xạ.

Một dãy diode phát sáng và cảm biến nhận sáng được tích hợp trong cảm biến để đo lượng ánh sáng môi trường.

Nguyên tắc giao thoa và phản xạ:

Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của cảm biến, một phần ánh sáng sẽ được giao thoa hoặc phản xạ.

Dựa trên mức độ ánh sáng được giao thoa hoặc phản xạ, cảm biến sẽ tạo ra một dấu hiệu điện tương ứng.

Chuyển đổi kỹ thuật số:

Dấu hiệu điện tạo ra từ cảm biến được chuyển đổi thành dạng kỹ thuật số.

Cảm biến BH1750 thường truyền dữ liệu kỹ thuật số qua giao diện I2C (Inter Integrated Circuit) hoặc giao diện SPI (Serial Peripheral Interface). Độ chính xác và độ nhạy:

Cảm biến BH1750 có độ nhạy cao và độ chính xác khá tốt trong việc đo độ sáng.

Nó thường có thể đo trong khoảng độ sáng rất rộng, từ môi trường tối nhất đến môi trường rất sáng.

Tự động điều chỉnh độ nhạy:

Một số mô hình BH1750 có khả năng tự động điều chỉnh độ nhạy dựa trên điều kiện ánh sáng xung quanh. Điều này giúp cảm biến hoạt động tốt trong nhiều điều kiện ánh sáng khác nhau mà không cần sự can thiệp của người dùng. Điện áp hoạt động:

BH1750 thường hoạt động ở điện áp thấp như 2.4V, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng di động và năng lượng ít. Ưu điểm của cảm biến BH1750: Độ chính xác và độ nhạy:

BH1750 có độ chính xác cao và độ nhạy tốt, cho phép nó đo được độ sáng ở nhiều mức độ khác nhau.

Cảm biến này thường có khả năng đo độ sáng trong một dải rộng, từ môi trường tối đến môi trường sáng.

Tích hợp giao diện I2C và SPI:

BH1750 thường có khả năng truyền dữ liệu kỹ thuật số qua giao diện I2C hoặc SPI, giúp nó tích hợp dễ dàng với nhiều loại vi điều khiển và bo mạch.

Cảm biến này thường hoạt động ở điện áp thấp và tiêu thụ ít năng lượng, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng di động và năng lượng ít.

Với kích thước nhỏ, BH1750 thuận tiện cho việc tích hợp trong các không gian hạn chế.

Nhược điểm của cảm biến BH1750:

So với một số cảm biến ánh sáng giá thấp hơn, BH1750 có thể đắt hơn, làm cho nó không phải là lựa chọn phù hợp cho mọi người trong trường hợp ngân sách hạn chế. Khả năng chống nước hạn chế:

Một số mô hình BH1750 không có khả năng chống nước đầy đủ, điều này có thể hạn chế khả năng sử dụng trong môi trường nước hoặc các điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Thời gian đáp ứng có thể chậm:

Trong một số trường hợp, BH1750 có thể có thời gian đáp ứng chậm hơn so với một số cảm biến độ sáng nhanh hơn, điều này có thể là quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu đo lường nhanh chóng.

Như nhiều cảm biến khác, BH1750 có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu ánh sáng từ các nguồn khác, điều này cần được xem xét khi triển khai trong môi trường có nhiều nguồn sáng.60 lux

3.3.3 Cảm biến độ ẩm đất

Hình 3.11 Cảm biến độ ẩm đất YL-69

Trong mô hình đề tài em sử dụng cảm biến HL 69 là một cảm biến độ ẩm đất thường được sử dụng trong các dự án nông nghiệp và giám sát đất.

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến dựa trên khả năng dẫn điện của đất, đo độ ẩm dựa trên sự thay đổi của điện trở.

Cảm biến độ ẩm đất YL 69 là một cảm biến dựa trên sự thay đổi của điện trở đất khi đất ẩm Dưới đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến YL 69:

Cảm biến YL 69 bao gồm hai đầu cảm biến và một lớp chất lỏng dẫn điện được làm từ vật liệu như sứ hoặc nhựa dẫn điện.

Bộ xử lý trung tâm

Arduino uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Hình 3.17 Hình ảnh Arduino Uno

3.4.2 Đặc điểm nổi bật của Arduino Uno

Arduino Uno là một board điều khiển vi điều khiển (microcontroller) phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các dự án điện tử và làm DIY

Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật của Arduino Uno:

Vi điều khiển (Microcontroller): Arduino Uno sử dụng vi điều khiển ATmega328P, cung cấp 14 chân đầu vào/ra kỹ thuật số (trong đó có 6 chân có thể sử dụng làm đầu ra PWM), 6 chân đầu vào tương tự, một tinh thể quartz 16 MHz, cổng USB, cổng nguồn, cổng ICSP, và nút reset. Đầu vào/ra Kỹ thuật số và Tương tự (Digital and Analog I/O): Board có 14 chân đầu vào/ra kỹ thuật số, trong đó 6 chân có thể sử dụng làm đầu ra PWM Ngoài ra, có 6 chân đầu vào tương tự.

Kết nối USB: Arduino Uno có thể kết nối dễ dàng với máy tính thông qua cổng USB, giúp thuận tiện cho việc lập trình và cung cấp nguồn điện.

Nguồn điện: Board có thể được cung cấp điện thông qua kết nối USB hoặc nguồn điện bên ngoài Nguồn điện được chọn tự động.

Regulator Điện áp: Board có bộ điều tiết điện áp tích hợp, cho phép nó hoạt động với điện áp từ 7V đến 12V.

Tốc độ Đồng hồ (Clock Speed): Vi điều khiển ATmega328P hoạt động ở tốc độ

16 MHz, cung cấp khả năng xử lý nhanh cho nhiều ứng dụng.

Lập trình: Arduino Uno có thể được lập trình bằng môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE, giúp đơn giản hóa quá trình viết mã và tải mã lên board.

Mã nguồn Mở: Arduino Uno là một phần của cộng đồng phần cứng mã nguồn mở Điều này có nghĩa là các tệp thiết kế và phần mềm là miễn phí, cho phép người dùng sửa đổi và phân phối phiên bản của họ.

Khả năng Mở rộng: Arduino Uno được thiết kế để dễ dàng mở rộng, cho phép người dùng kết nối nhiều "shields" (board mở rộng) để mở rộng chức năng của nó. Nút Reset: Board có nút reset giúp bạn khởi động lại chương trình hoặc làm mới board.

Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động: 5 VDC

Tần số hoạt động : 16 MHz

Dòng tiêu thụ: 30 mA Điện áp khuyên dùng: 7 12 VDC Điện áp giới hạn: 6 20 VDC

Số chân Digital I/O: 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog: 6 (Độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

Dòng ra tối đa 5V: 500 mA

Dòng ra tối đa 3.3V: 50 mA

Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

Hình 3.18 Sơ đồ Arduino Uno

Mỗi chân trên mạch Arduino Uno có chức năng cụ thể trên các chân đó

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28 1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit

(0 → 210 1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác.

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 điễn 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 lí 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 dể dàng giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, theo dõi diễn biến quá trình.

Giao diện thân thiện, linh hoạt và dể dàng tiếp cận

Hình 4.19 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 hiện 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

4.2.3 Lưu đồ thuật toán chế độ auto

Hình 4.20 Sơ 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 và phun sương cũng 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 , phun sương bật để giảm nhiệt độ 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

Hình 4.21 Sơ đồ thuật toán chế độ manu

Nút ấn 1: nút ấn tưới phân

Nút ấn 2: nút ấn phun sương

Nút ấn 3: nút ấn tưới nước

Nút ấn 4: nút ấn đèn

Nút ấn 5: nút ấn rèm

Nút ấn 6: nút ấn quạt

Giải thích nguyên tắc hoạt động của mô hình:

Khi nhấn Manu thì hệ thống chạy ở chế độ manual

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 moto bơm để tưới cây, phun sương, và tưới phân cho hoa

Hình 4.22 Hình hệ thống bơm thực tế

Bình chứa dùng để chứa nước và chất dinh dưỡng để bơm tưới cho cây với thể tích 2,5L

Hình 4.23 Hình bình chứa nước thực tế

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 4.24 Hình cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí thực tế

Hình 4.25 Hình que cảm biến độ ẩm đất thực tế

Hình 4.26 Hình cảm biến cường độ ánh sáng thực tế

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

Hình 4.27 Hình tủ điện thực tế

4.3.5 Sơ đồ đấu dây và kết nối PLC

Hình 4.28 Sơ đồ đấu dây

Viết chương trình PLC cho mô hình thực tế

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 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 4.29 Khai báo biến Input cho chương trình

Hình 4.30 Khai báo biến Output cho chương trình

Hình 4.31 Khai báo biến trung gian cho chương trình

4.4.2 Các khối chương trình PLC

Hình 4.32 Các khối chương trình PLC

Startup: 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 chế độ auto

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.

OUTPUT: Chương trình này dùng để điều khiển các ngõ ra Q của PLC

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

Nhấn Start I0.0 hệ thống hoạt động chạy ở chế độ AUTO

Khi nhiệt độ nhỏ hơn 26 độ C thì quạt sẽ ngưng chạy và khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng 31 độ C quạt sẽ chạy.

Khi độ ẩm không khí nhỏ hơn 70% thì phun sương chạy và khi độ ẩm không khí lớn hoặc bằng 80% sẽ dừng phung sương

Khi nhiệt độ nhỏ hơn 20 độ C thì đèn sẽ bật và khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng 26 độ

Khi độ ẩm không đất nhỏ hơn 70% thì bơm nước chạy và khi độ ẩm đất lớn hơn hoặc bằng 80% 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 50 lux thì rèm mở và khi cường độ sáng lớn hơn hoặc bằng 80 lux thì rèm đóng.

Nhấn Start I0.2 hệ thống hoạt động chạy ở chế độ MANU

Thiết kế giao diện giám sát trên WinCC

Ta chọn PC-System_1 [SIMATIC PC station] → HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced]

→ Screens → Add new screen để tạo một giao diện.

Giao diện WinCC sẽ xuất hiện

Sau đó ta chọn các công cụ để thiết kế giao diện:

Sau khi thiết kế các thiết bị xong ta tiến hành gán địa chỉ Trước tiên ta cần chọn thiết bị để gán địa chỉ, ví dụ trong hệ thống này ta chọn quạt thì ta kích chuột phải vào quạt chọn Properties:

Sau đó ta chọn Animations → Display → Appearance → gán biến địa chỉ vào Name.

Giao diện win CC sau khi hoàn thành