Mô hình trồng cây thông minh sử dụng PLC S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm. Đọc thông tin analog input từ cảm biến nhiệt độ Pt100, điều khiển bóng đèn dây tóc tăng nhiệt độ hoặc giảm nhiệt độ thông qua tín hiệu analog output truyền từ plc đến relay bán dẫn SSR.
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nông nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Tuy nhiên, sự bùng nổ của công nghệ thông tin; quá trình hội nhập quốc tế đòi hỏi chất lượng nông sản càng cao; cùng với diện tích đất bị thu hẹp do đô thị hóa, do biến đổi khí hậu trong khi dân số tăng nên nhu cầu lương thực không ngừng tăng lên…là những thách thức rất lớn đối với sản xuất nông nghiệp
Nông nghiệp công nghệ cao là một nền nông nghiệp ứng dụng hợp lý những công nghệ mới, tiên tiến vào sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả, tạo bước đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của xã hội và bảo đảm sự phát triển nông nghiệp bền vững Phát triển nông nghiệp công nghệ cao, đổi mới khoa học công nghệ được coi là một trong những giải pháp then chốt, trọng tâm Ứng dụng khoa học công nghệ giải quyết các thách thức trong phát triển nông nghiệp bằng các ưu việt của các công nghệ như: Công nghệ sinh học, công nghệ nhà kính, công nghệ tưới nhỏ giọt, công nghệ cảm biến, tự động hóa, internet vạn vật… giúp sản xuất nông nghiệp tiết kiệm chi phí, tăng năng suất, hạ giá thành và nâng cao chất lượng nông sản, bảo vệ môi trường Mặt khác, nông nghiệp công nghệ cao giúp nông dân chủ động trong sản xuất, khắc phục được tính mùa vụ, giảm sự lệ thuộc vào thời tiết, khí hậu, đáp ứng nhu cầu thị trường về chất lượng nông sản
Theo báo cáo, các tiến bộ về khoa học công nghệ đóng góp trên 30% giá trị gia tăng trong sản xuất nông nghiệp, 38% trong sản xuất giống cây trồng, vật nuôi Mức độ tổn thất của nông sản đã giảm đáng kể (lúa gạo còn dưới 10%, ) Mức độ cơ giới hóa ở khâu làm đất đối với các loại cây hàng năm (lúa, mía, ngô, rau màu) đạt khoảng 94%; khâu thu hoạch lúa đạt 50% (các tỉnh đồng bằng đạt 90%) (Trích dẫn từ: Phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao của ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH THÁI NGHUYÊN)
Từ phân tích trên ta có thể thấy được một phần quan trọng của tự dộng hóa đối với nông nghiệp nói riêng cũng như đối với các ngành nghề khác nói chung Chính vì nguyên nhân đó nhóm em đã quyết định thực hiện nghiên cứu và tiến hành xây dụng mô hình
“Trồng cây thông minh” Với mục đích có thể góp phần vào quá trình phát triển nông nghiệp nhờ ứng dụng công nghệ cao
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nhóm đề ra trong quá trình nghiên cứu
• Xây dựng mô hình phần cứng bao gồm: mạch điều khiển, hệ thống cảm biến, hệ thống chiếu sáng, hệ thống tưới cây,…
• Ứng dụng của hệ thống vào nông nghiệp
Đối tượng nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu: giá đỗ
• Mạch điều khiển với PLC S7-1200 làm trung tâm xử lý
• Hệ thống chiếu sáng, hệ thống tưới, hệ thống cảm biến
• Đối tượng nghiên cứu chính là giá, không nghiên cứu các loại cây trồng khác.
Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nêu ra một số hệ thống trồng, chăm sóc cây trồng trong công nghiệp, đưa ra nhận xét; Tổng hợp, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến hệ thống cây trồng; Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu về chuyển đổi nguồn DPS-50S-24, về bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter, cảm biến PT100 và PLC S7-1200;
• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng phần cứng bao gồm: mạch xử lý trung tâm, hệ thống cảm biến, hệ thống chức năng; Tiến hành thực nghiệm nhiều lần, ghi số liệu, kiểm tra kết quả và nêu nhận xét;
• Phương pháp trao đổi khoa học: Thảo luận và lấy ý kiến từ cán bộ hướng dẫn
Bố cục báo cáo đồ án kỹ thuật điều khiển
Đề tài được trình bài trong 5 chương :
Phần này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, bố cục đồ án;
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bài hệ thống điều khiển tự động và ứng dụng, các linh kiện được sử dụng trong hệ thống
• Chương 3: Nội dung thực hiện
Thiết kế hệ thống điện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống tưới, hệ thống cảm biến
• Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá Đưa ra kết quả đạt được của đồ án, hình ảnh hệ thống Nêu nhận xét, đánh giá về mô hình;
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Kết luận đề tài nghiên cứu đã hoàn thành mục tiêu nào rồi và mục tiêu nào chưa đạt được Đồng thời, nêu hướng phát triển cho hệ thống
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động
Khái niệm: Điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động
Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,
Về cơ bản, có hai loại vòng điều khiển: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín: Trong điều khiển vòng hở, hành động điều khiển từ bộ điều khiển độc lập với “đầu ra của quá trình” (hoặc “biến quá trình được điều khiển”)
Một ví dụ điển hình về điều này là lò hơi sưởi trung tâm chỉ được điều khiển bằng bộ hẹn giờ, do đó nhiệt được cấp vào một thời gian không đổi, bất kể nhiệt độ của tòa nhà là bao nhiêu (Hành động điều khiển là tắt và bật lò hơi Đầu ra của quá trình là nhiệt độ tòa nhà)
Trong điều khiển vòng kín, hành động điều khiển từ bộ điều khiển phụ thuộc vào đầu ra của quá trình Trong trường hợp tương tự lò hơi, điều này sẽ bao gồm một cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ của tòa nhà và do đó cung cấp tín hiệu trở lại bộ điều khiển để đảm bảo nó duy trì tòa nhà ở nhiệt độ được đặt trên bộ điều nhiệt
Do đó, bộ điều khiển vòng kín có một vòng phản hồi đảm bảo bộ điều khiển thực hiện hành động điều khiển để đưa ra đầu ra quá trình bằng “đầu vào tham chiếu” hoặc “điểm đặt” Vì lý do này, bộ điều khiển vòng kín còn được gọi là bộ điều khiển phản hồi
Các ứng dụng phổ biến nhất của hệ thống tự động hóa là: Lắp ráp, phay, cắt, khoan, phân luồng, rèn, bao bì, sắp xếp, đo lường, điều tra, kiểm soát quy trình
Mục tiêu chính của hệ thống tự động hóa là giảm sự can thiệp của con người Người vận hành dễ bị sai sót và mệt mỏi có thể dẫn đến nhiều vấn đề khác nhau Thích ứng một hệ thống tự động hóa sẽ tạo ra những lợi ích đáng kể về lợi nhuận, tốc độ sản xuất, an toàn và chất lượng
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
Hình 2.2 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tự động
Các ký hiệu viết tắt:
• r(t): tín hiệu đặt hay tín hiệu tham chiếu (Setpoint)
• u(t): tín hiệu vào (input) của đối tượng điều khiển hay tín hiệu điều khiển (Control Signal, Controller Output )
• y(t): tín hiệu ra của đối tượng điều khiển hay biến được điều khiển (Controlled Variable)
• yht(t): tín hiệu hồi tiếp (Feedback signal, Measured Signal) • e(t): sai số hay sai lệch (Error)
Là hệ thống vật lý cần điều khiển để có đáp ứng mong muốn Đối tượng điều khiển bao gồm đa dạng các loại máy, thiết bị kỹ thuật, quá trình công nghệ Đối tượng điều khiển là máy, thiết bị thường được đặc trưng bằng các cơ cấu chấp hành như động cơ, xylanh, hệ bàn trượt với tín hiệu ra liên quan đến chuyển động như vận tốc, vị trí, góc quay, lực Các quá trình công nghệ thường có tín hiệu ra là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nồng độ, mức chất lỏng
Hình 2.3 Thành phần đối tượng trong hệ thống điều khiển
Thực hiện chức năng đo và chuyển đổi đại lượng ra của hệ thống thành dạng tín hiệu phù hợp để thuận tiện so sánh, xử lý, hiển thị Tín hiệu ra của hệ có thể là vận tốc, vị trí, nhiệt độ, lực trong khi tín hiệu vào đa phần là tín hiệu điện Nguyên tắc chung để đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện áp, dòng điện (cảm biến tương tự) hoặc số xung (cảm biến số)
Một số thiết bị đo điển hình là:
• Đo vận tốc: bộ phát tốc (DC tachometer, AC tachometer, optical tacho.)
• Đo lượng dịch chuyển: chiết áp (potentiometer), thước mã hoá (linear encoder)
• Đo góc quay: chiết áp xoay, bộ mã hóa góc quay (rotary encoder)
• Đo nhiệt độ: cặp nhiệt điện (thermocouple), đi ện trở nhiệt (RTD, thermistor), các IC c ảm biến nhiệt AD590, LX5700, LM35
• Đo lưu lượng, áp suất : các bộ chuyển đổi lưu lượng, áp suất
• Đo lực: cảm biến lực (loadcell, )
Hình 2.4 Thành phần cảm biến trong hệ thống điều khiển
Hình 2.5 Các loại module phổ biến
Dùng thông tin về độ sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u thích hợp, từ đó tác động lên đối tượng Thuật toán xác định hàm u(t) gọi là thuật toán điều khiển hay luật điều khiển
Bộ điều khiển liên tục có thể thực hiện bằng cơ cấu cơ khí, thiết bị khí nén, mạch op-amp
Bộ điều khiển số thực chất là các chương trình phần mềm chạy trên PLC, vi xử lý hay máy tính
Hình 2.6 Các loại vi điều khiển
Hình 2.7 Bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng mạng máy tính
Nhiệt độ trong lò là đại lượng liên tục Nhiệt độ này được đo bằng cảm biến, sau đó chuyển thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi liên tục/số (A/D converter, ADC) và đưa vào máy tính thông qua mạch giao tiếp Nhiệt độ yêu cầu cũng là dạng tín hiệu số và được cài đặt bằng chương trình phần mềm Máy tính so sánh nhiệt độ hồi tiếp với nhiệt độ đặt và nếu có sai lệch thì máy tính sẽ xuất tín hiệu điều khiển mạch nung thông qua giao tiếp, khuếch đại, rơle cấp điện cho điện trở nung hoặc quạt làm mát trong lò
Dựa trên cơ sở này nhóm sẽ xây dựng hệ thống trồng cây.
Cơ sở lý thuyết phần cứng được sử dụng trong hệ thống
2.4.1 Bộ chuyển đổi nguồn DPS-50S-24
Bộ nguồn DPS-50S-24 có thể được sử dụng để chuyển đổi nguồn AC (220V) thành
24 VDC trong mạch điều khiển, cung cấp nguồn 24 VDC cho một số thiết bị trong hệ thống,…
Hình 2.9 Bộ chuyển đổi nguồn DPS-50S-24
▪ Điện áp ngõ vào : 100-240VAC~ 50/60Hz
▪ Ngõ ra_Điện áp : 24VDC
Hình 2.10 Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi
Kích thước bộ chuyển đổi:
Hình 2.11 Kích thước bộ chuyển đổi
Hình 2.12 Sơ đồ nối dây bộ chuyển đổi
2.4.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter
Hình 2.13 Bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter
• Đầu vào: Cặp nhiệt điện loại K,J,E,T
• Thời gian phản hồi: ≤ 500msec
• Nguồn cung cấp: AC 85~265V/DC 100~300V, 50/60Hz
• Nhiệt độ làm việc: 0~60 ºC
Hình 2.14 Các model và chân ngõ ra của bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal
Trong hệ thống chúng ta có cảm biến PT100 nên chúng ta sẽ sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu loại AT-TR
Ta sẽ chú ý vào model AT-TR, ta có 2 ngõ ra analog Ta sử dụng 1 trong 2 để kết nối với PT100.Hình 2.15 Chân kết nối chi tiết bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter loại AT-TR
Hình 2.16 Chi tiết các cổng kết nối tín hiệu đầu vào (PT100)
Hình 2.17 Tín hiệu đầu vào của Bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter với cảm biến PT100
Hình 2.18 Sơ đồ nối dây giữa bộ chuyển đổi với PT100 và PLC S7-1200
Hình 2.19 Cảm biến nhiệt độ PT100
Nói chung, điện trở của bất kỳ dây dẫn kim loại nào thay đổi tùy theo sự thay đổi nhiệt độ Cảm biến cho Đo nhiệt độ bằng cách sử dụng hiện tượng này được gọi là "Nhiệt kế điện trở"hoặc"RTD" và có thể đo nhiệt độ chính xác hơn nhiệt độ khác
Các tính năng của nó
16 Máy dò nhiệt độ điện trở cho các ứng dụng công nghiệp có các tính năng sau
• Độ ổn định tuyệt vời và khả năng tái tạo
Hình 2.20 Các loại cảm biến PT100
Cấu trúc và phương pháp đo lường
Dây kim loại thay đổi điện trở của nó đối với những thay đổi trong nhiệt độ được sử dụng được gọi là "Dây điện trở" Này dây điện trở, thường là bạch kim, được sử dụng để sản xuất một cảm biến nhiệt độ được gọi là "Điện trở Máy dò nhiệt độ (RTD) Phần tử " Nói chung RTD bao gồm phần tử RTD, dây dẫn, bảo vệ ống và thiết bị đầu cuối
Phần tử RTD được kết nối với hai dây dẫn tương ứng Mặc dù nó rẻ hơn các loại khác, nhưng nó không được khuyến nghị để đo nhiệt độ chính xác cao vì nó dễ bị nhiễm chì và tạo ra lỗi
Một đầu của phần tử RTD được kết nối với hai dây dẫn và đầu kia kết nối với dây dẫn đơn để loại bỏ hiệu ứng từ điện trở chì Loại này được sử dụng rộng rãi nhất như một phương pháp đáng tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp
Phần tử RTD được kết nối với hai dây dẫn tương ứng đến loại bỏ hiệu ứng khỏi điện trở chì Kết nối này hủy bỏ hiệu ứng kháng chì và đặc biệt làcho phép đo độ chính xác cao của nhiệt độ nhưng hơi đắt so với các loại khác
Hình 2.21 Cách nối dây các lọai PT100
Hình 2.22 Relay bán dẫn SSR
AC rơ le trạng thái rắn
• Chuyển mạch analog (điều khiển góc pha) cho các ứng dụng tải điện trở và cảm ứng nhẹ
• Ngõ vào điều khiển 4-20 mA hoặc 0 -10 V
• Dòng hoạt động định mức: 25, 50, 75, 100 và 125 AACrms
• Điện áp hoạt động định mức: Lên đến 600 VACrms
• Chỉ báo LED cường độ thay đổi theo dòng điện đầu vào
• Đầu nối điều khiển có thể khóa phân cực để kết nối an toàn cho phiên bản điều khiển điện áp
Rơ le chuyển mạch analog hoạt động theo nguyên tắc điều khiển góc pha, tức là điểm chuyển mạch đầu ra trong sóng hình sin AC phụ thuộc vào đầu vào điều khiển có thể là 4-
20 mA hoặc 0-10 VDC 4 mA hoặc 0 VDC tương ứng với công suất đầu ra bằng không trong khi 20 mA hoặc 10 VDC tương ứng với công suất đầu ra đầy đủ (đáp ứng công suất gần tuyến tính) Rơ le sẽ tắt mỗi khi dòng điện đầu ra vượt qua 0 và chuyển sang BẬT theo đầu vào điều khiển được áp dụng
Hình 2.23 Thông số kỹ thuật chung Hình 2.24 Thông số kỹ thuật đầu vào
Hình 2.25 Tiêu tán công suất đầu ra 2.4.5 Relay trung gian
• Điện áp: Relay kiếng loại 220VAC, 220VDC, 110VDC, 110VAC, 48VDC, 48VAC, 24VDC, 12VDC
• Số lần đóng cắt: 100.000 lần
• Kiểu chân: Chân tròn, chân dẹp nhỏ, chân dẹp lớn 10A
• Số chân: 14 chân dẹp nhỏ 5A, 14 chân dẹp lớn 10A, 8 chân dẹp nhỏ, 8 chân dẹp lớn 10A, 11 chân tròn, 8 chân tròn 10A
Hình 2.26 Relay trung gian 2.4.6 Cảm biến độ ẩm đất
Bộ sản phẩm gồm một cảm biến độ ẩm đất và một module chuyển đổi với ngõ ra Analog - Digital Cảm biến độ ẩm đất được hoạt động với 2 chế độ ngõ ra (Analog & Digital), trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V)
Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi
Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một biến trở , 4 điện trở dán 100 ohm và 2 tụ dán Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393 Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0)
Hình 2.28 Mạch chuyển đổi I2C Đặc điểm Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
Led xanh báo mức độ ẩm ở pin DO
Mô tả các pin trên module
Hình 2.29 Mô tả các pin trên module Ứng dụng:
Cảm biến độ ẩm đất có thể được sử dụng cho các ứng dụng nông nghiêp, tưới nước tự động cho các vườn cây khi đất khô, hoặc dùng trong các ứng dụng của hệ thống nhà thông minh
Sử dụng cơ bản Đọc giá trị analog từ pin A0 của module và hiển thị dữ liệu độ ẩm lên Serial Monitor
• Điện áp sử dụng: 5VDC
• Kích thước tấm cảm biến mưa: 54 x 40mm
• Kích thước board PCB: 30 x 16mm
• Tín hiệu đầu ra: Digital TTL (0VDC / 5VDC) và đầu ra Analog A0 trả giá trị điện áp tuyến tính theo lượng nước tiếp xúc với cảm biến
• Lỗ cố định bu lông dễ dàng để cài đặt
• Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra
• Độ nhạy có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp
• LED sáng lên khi không có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt
• D0: Đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi
• A0: Đầu ra tín hiệu Analog
• D0 : Đầu ra tín hiệu Digital
Module Relay 5V 10A cấu tạo đơn giản, không có opto cách ly, kích thước khá nhỏ gọn so với các loại khác Module relay 5V 10A là Module kích hoạt relay gồm 1 rơ le hoạt động tại điện áp 5VDC, kích trạng thái đóng mở ở múc cao
+ Tiếp điểm relay 220V 10A ( Lưu ý tiếp điểm , không phải điện áp ra)
+ VCC, GND là nguồn nuôi Relay
+ In là chân tín hiệu điều khiển
LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển? Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề này cho bạn, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD
2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay Ưu điểm
• Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
• Dễ dàng kết nối với LCD
• Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
• Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
• Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
• Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
• Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Bộ điều khiển tích hợp, phù hợp cho các ứng dụng từ thấp đến trung bình
Tất cả thu gọn trong một bộ xử lý, tiết kiệm không gian và năng lượng
Kết nối thời gian thực với chuẩn giao tiếp Profinet
Các CPU có thể được sử dụng trong chế độ độc lập hay kết nối thành một mạng lưới nhất định
Cài đặt, lập trình và vận hành cực kì đơn giản
Tích hợp web-server với những trang web tiêu chuẩn dễ dàng cho người sử dụng
Có khả năng ghi dữ liệu để lưu trữ khi chạy chương trình
Tích hợp các chức năng mạnh mẽ như đếm, đo, điều khiển vòng kín, điều khiển chuyển động
Có các đầu vào/ra tín hiệu số và tín hiệu tương tự
Khả năng mở rộng linh hoạt:
• Signal board gắn trực tiếp lên CPU
• Những signal module kết nối với CPU để mở rộng I/O
• Những phụ kiện như nguồn cấp CPU, module chuyển đổi, thẻ nhớ simatic Ứng dụng
SIMATIC S7-1200 thực hiện nhiệm vụ điều khiển cho các ứng dụng vòng hở và vòng kín trong các thiết bị sản xuất và hệ thống nhà máy Do thiết kế nhỏ gọn với khả năng kết hợp nhiều module cùng một lúc, S7-1200 có thể đa dạng hóa các tác vụ từ việc thay thế các rơle và contactor đến các tác vụ tự động hoàn toàn cho các mạng lưới có cấu trúc phân tán phức tạp
Những lĩnh vực ứng dụng của s7_1200 bao gồm:
• Thang máy và thang cuốn
• Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu
• Nhà máy xử lý nước ngọt
• Nhà máy xử lý nước thải
• Điều khiển nhiệt độ phòng
• Kiểm soát hệ thống sưởi ấm / làm mát
• Hệ thống phòng cháy chữa cháy
Hệ thống S7-1200 bao gồm các bộ phận sau:
• Bộ điều khiển CPU kết hợp với ba loại khác nhau như DC/DC/DC, AC/DC/RL, DC/DC/RL
Truyền thông Modbus TCP/IP
2.5.1 Giao thức Modbus là gì?
Modbus do Modicon phát triển năm 1979 Nay thuộc cty Schneider Electric Modbus là một giao thức truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn Ban đầu, ngành công nghiệp sử dụng các chuẩn RS232, RS485 để truyền thông Modbus được sử dụng trên RS485 để đạt tốc độ cao hơn Khoảng cách truyền xa hơn Do đó, nó đã nhanh chóng được sử dụng trong ngành tự động hóa Và công ty này cho ra mắt nó hoàn toàn miễn phí
Modbus có mô hình dạng Master – Slave Mỗi thiết bị trong mạng modbus được cung cấp một địa chỉ duy nhất Như các thiết bị đo, cảm biến: Cảm biến Pt100, Cảm biến áp suất, cảm biến báo mức sử dụng sóng Radar Trong frame truyền từ Master đến các Slave có chứa ID định danh của thiết bị Slave
Modbus TCP truyền thông trên nền Ethernet Thông tin từ Slave truyền về PLC, hệ thống SCADA quản lý tập trung
2.5.3 Các loại truyền thông Modbus
Có 3 loại Modbus phổ biến hiện nay:
32 Mọi thông điệp truyền thông trong mạng giữa Master và Slave được mã hóa bằng Hexadeci-mal Theo ASCII 4 bit Để truyền 1 byte thông tin có ích, nó cần đến 2 byte để truyền Ưu điểm có thể kể đến là thiết bị nhận sẽ hạn chế nhận thông tin sai lệch Nhược điểm là tốn tài nguyên truyền và chậm
Xem thêm: Khái niệm, cấu trúc, phương thức truyền thông Modbus RTU
Thông tin được mã hóa theo hệ nhị phân Truyền 1 byte truyền thông cho mỗi 1 byte thông tin Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS 232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến 19200 baud Có thể nói Modbus RTU hiện đang là giao thức truyền thông phổ biến nhất trong ngành tự động hiện nay
Modbus TCP/IP Đơn giản là Modbus RTU truyền thông qua Ethernet trên nền sử dụng IP cho mỗi thiết bị Slave Với Modbus TCP/IP, dữ liệu Modbus được đóng gói trong 1 gói tin TCP/IP
Do đó, bất cứ mạng Ethernet đều có thể hỗ trợ truyền thông Modbus TCP/IP Hiện tại, ngành công nghiệp tự động đã và đang ứng dụng giao thức này rất nhiều
2.5.4 Modbus TCP/IP là gì
Modbus-TCP/IP là giao thức Modbus được sử dụng trên đường truyền Ethernet, sử dụng mô hình TCP/IP để truyền thông
Modbus-TCP là 1 mạng Ethernet công nghiệp mở được nhận diện bởi Modbus-IDA User Organization
2.5.5 Phương thức truyền thông Modbus TCP/IP
Cũng như các loại modbus khác, Modbus TCP/IP cũng sử dụng mô hình Master-Slave để truyền thông Tuy nhiên, được triển khai trên nền Ethernet, sử dụng bộ giao thức TCP trên nền IP
Modbus TCP làm cho định nghĩa Master-Slave truyền thống thay đổi Vì Ethernet cho phép giao tiếp ngang hàng Trong mạng TCP, các Slave có thể chủ động truyền thông tin về các thiết bị quản lý trung tâm – Master Sử dụng địa chỉ IP trên các Master để quản lý tập trung từ phần mềm
Modbus TCP/IP được sử dụng trên các mạng TCP/ IP hiện đại, có 2 loại triển khai Modbus TCP:
• Modbus RTU qua TCP, đơn giản chỉ là sử dụng TCP làm lớp vận chuyển cho các thông điệp RTU
• Modbus TCP bình thường và có một số thay đổi trong định dạng tin nhắn
Vì được truyền trên nền TCP/IP nên tốc độ truyền của Modbus TCP/IP cao, đáp ứng realtime Cao hơn hẳn Modbus RTU
Có thể kết hợp modbus TCP/IP với modbus RTU Được gọi là Hybird Modbus Như hình dưới
Hình 2.38 Kết hợp các phương thức kết nối truyền thông Modbus
Tổng quan về phần mềm TIA Portal của Siemens
Hệ thống tự động hóa hiện nay là 1 phần của sản xuất, công nghiệp và cuộc sống hiện đại Phần mềm được ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa, tạo chương trình, điều khiển các thiết bị, máy móc hoạt động chủ động, hiệu quả Nhiều phần mềm được nghiên cứu, phát triển nâng cao hiệu suất và tối ưu hệ thống
Phần mềm TIA Portal là một giải pháp được phát triển mang đến hiệu quả điều hành các tác vụ một cách chính xác và tối ưu Bạn đã hiểu về phần mềm TIA Portal là gì? Đặc điểm của TIA Portal và ứng dụng thực tế Thông tin Batiea chia sẻ dưới đây sẽ cung cấp thông tin hữu ích về TIA Portal
TIA 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
Hiện tại phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14,TIA Portal V15, TIA Portal V16 và mới nhất là TIA Portal V17 Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng sẽ lựa chọn cài đặt TIA portal phiên bản tương ứng
Hình 2.39 Phần mềm TIA Portal V15 2.6.2 Ưu - nhược điểm khi sử dụng TIA Portal
TIA Portal là thuật ngữ 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 Ưu điểm:
• 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 Hạn chế: Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu 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
2.6.3 Các thành phần trong bộ cài TIA Portal
Phần mềm TIA Portal được Siemens phát triển với nhiều thành phần giúp người dùng quản lý, lập trình PLC, HMI hiệu quả Các thành phần có trong bộ TIA Portal:
Simatic Step 7 professional và Simatic step 7 PLCSIM: Giải pháp lập trình và mô phỏng PLC S7-300, S&-400, Simatic S7-1200, Simatic S7-1500…
Simatic WinCC Professional: Được dùng để lập trình màn hình HMI, và giao diện SCADA
Simatic Start Driver: Được lập trình cấu hình Siemens
Sirius và Simocode: Thiết lập cấu hình và chuẩn đoán lỗi linh hoạt Điều khiển chuyển động đơn trục và đa trục với hỗ trợ Scout TIA Thư viện Simatic Robot đầy đủ dữ liệu cho phép người dùng thiết lập cấu hình và hệ thống nhanh chóng
Hình 2.40 Các thành phần trong bộ cài TIA Portal V15 2.6.4 Bảo mật lập trình PLC với TIA Portal hiệu quả
Bảo mật project trong lập trình PLC S7 với TIA thực hiện các thao tác: Vào phần
“Security settings”, chọn “setting” chọn “Protech project” để thiết lập password cho Project
Thiết lập bảo mật cho PLC với TIA Portal: Thực cài đặt trong cấu hình Hardware của PLC Người dùng chọn Protection & security, tiếp tục chọn Access Level Trong đó:
• Full access: Ứng với khối bảo mật mà ai cũng có thể đọc và viết mà không cần password
• Read Access: Bảo mật phần viết cho PLC, cần có password HMI và SCADA hay user đọc được chương trình không cần password
• HMI access: Bảo mật phần read và write của PLC cần có Password HMI và SCADA đọc không cần Password
• No Access: Tất cả các ứng dụng truy xuất vào PLC đều cần Password.
Hướng dẫn kết nối PLC S7-1200 với máy tính
2.7.1 Thay đổi địa chỉ IP của máy tính và PLC S7-1200 trên TIA Portal V15
Thay đổi địa chỉ IP trên máy tính
Vào Control Panel>Network and Internet>Network and Sharing Center>Change adapter settings>Ethernet>Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv4)>Properties>Use the following IP address Đổi IP address thành 192.168.0.x ( x tùy thuộc vào các bạn đặt ) Nhưng x phải khác với x địa chỉ Ip của PLC Đổi Subnet mask thành 255.255 255.0 ( Subnet mask của cả hai phải giống nhau)
38 Hình 2.41 Các bước thay đổi địa chỉ IP trên máy tính
Thay đổi địa chỉ IP PLC S7-1200 trên TIA Portal V15
Sau khi các bạn đã tạo xong project trên TIA Protal V15 Các bạn làm theo hướng dẫn như hình bên dưới
Hình 2.42 Các bước thay đổi địa chỉ IP của PLC
2.7.2 Kết nối máy tính với PLC
Sau khi đã đổi địa chỉ IP, các bạn hãy thực hiện việc compile> harware and sofware (only changes) Việc này nhầm đảm bảo những thay đổi sẽ được cập nhật lại trên phần mềm TIA Protal V15
Hình 2.43 Cập nhật những thay dổi trên TIA Protal
Sau khi các bạn đã compile xong, các bạn vào phần accessible devices để thực hiện việc kết nối
Hình 2.44 Thực hiện kết nối
41 Các bạn hãy chọn loại kết nối là PN/IE, còn phần PG/PC interface phải trùng với Ethernet
Vậy là sau những bước thiết lập cơ bản, chúng ta đã thành công trong việc kết nối máy tính với PLC và dễ dàng thực hiện việc tải chương trình từ TIA Protal vào PLC, phần mềm sẽ không bị lỗi
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Kết nối phần cứng
Trong hệ thống này, nhóm sẽ dùng cảm biến đất, cảm biến mưa, module relay 5v, mạch chuyển đổi tín hiệu I2C Sử dụng nguồn 5V DC để cấp nguồn cho hai cảm biến hoạt động
Trước tiên, kết nối hai cảm biến đất và mưa vào mạch mạch chuyển đổi I2C:
• Tín hiệu ra của cảm biến đất: A0
• Tín hiệu ra của cảm biến mưa: D0
Hình 3.1 Sơ đồ nối dây cảm biến đất với I2C
Hình 3.2 Sơ đồ nối dây cảm biến mưa với I2C
Nối dây như vậy với lý do:
• Tín hiệu liên tục từ cảm biến đất để đo, kiểm tra độ ẩm của đất Tín hiệu liên tục như vậy sẽ giúp kiểm soát hệ thống tưới một cách dễ dàng
• Tín hiệu số từ cảm biến mưa để kiểm tra xem có mưa hay không Nếu trời không mưa hệ thống hoạt động, còn khi trời mưa hệ thống tưới sẽ không hoạt động
Hình 3.3 Cấp nguồn cho hai cảm biến
Vì cảm biến mưa không thể truyền tín hiệu vào PLC cho nên phải cần thêm một module relay 5v để truyền tín hiệu vào PLC
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống cảm biến vào PLC S7-1200
Như vậy là kết nối hệ thống cảm biến vào PLC S7-1200 PLC có thể nhận được tín hiệu từ các cảm biến
Trong hệ thống tưới sẽ nhận tín hiệu từ hệ thống cảm biến để thực hiện việc tưới nước cho cây trồng
Tín hiệu điều khiển: A0.1 và I0.2 Điều khiển: Q0.0
• Nếu độ ẩm của đất thấp hơn độ ẩm cài đặt và trời không mưa, hệ thống sẽ hoạt động
• Nếu độ ẩm của đất thấp độ ẩm cài đặt và trời mưa, hệ thống không hoạt động
• Nếu độ ẩm của đất cao độ ẩm cài đặt và trời mưa hay không, hệ thống không hoạt động
Hệ thống tưới sử dụng relay trung gian 24V DC để kích cho điện từ nguồn 12V DC vào động cơ hoạt động Có thể sử dụng nguồn 24V DC từ PLC để cấp nguồn cho relay
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối hệ thống tưới vào PLC S7-1200
Trong hệ thống chiếu sáng, sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100 đo nhiệt độ môi trường, đưa tín hiệu về bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter cuối cùng là đưa tín hiệu đã chuyển về PLC PLC xử lý tín hiệu nhận được và điều chỉnh PID độ sáng của bóng đèn, từ đó có thể tăng nhiệt độ đến mức nhiêt độ đã cài đặt thông qua relay SSR
Hình 3.6 Sơ đồ nối dây hệ thống chiếu sáng vào PLC
Xây dựng code chương trình
3.2.1 Nút nhấn bật tắt toàn bộ hệ thống
Sử dụng hai nút nhấn xanh và đỏ kết nối vào I0.0 và I0.1 của PLC Nút nhấn xanh là start, còn nút nhấn đỏ là stop rKhi nhấn nút sẽ tác động lên hai biến trung gian là M10.0 và M10.3 đê chạy hệ thống
Hình 3.7 Network 1: Start/Stop 3.2.2 Code chương trình hệ thống cảm biến
Trước tiên là viết chương trình chuyển đổi tín hiệu cảm biến nhiệt Ta sử dụng hàm NORN_X và SCALE_X để chuyển đổi tín hiệu điện trở từ cảm biến PT100
Trong hàm NORN_X: tín hiệu analog, nhỏ nhất là 0 và cao nhất là 27648 (ở dạng Int) và đầu ra là một biến nhớ tạm ( dạng real)
Trong hàm SCALE_X : nhận tín hiệu từ biến nhớ tạm trong hàm NORN_X Giá trị nhiệt độ tương ứng 0 độ C là 0, 400 độ C là 27648 Và sau đó hàm SCALE_X sẽ cho tín hiệu ra là nhiệt độ đo của cảm biến PT100
Hình 3.8 Network 1: chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ
Trong TIA Portal ta sẽ tạo một functon block là cảm biến nhiệt độ
Hình 3.9 Function block cảm biến nhiệt độ
Ta sẽ khai báo trong function như hình bên dưới:
Hình 3.10 Khai báo trong function
Kết quả cuối cùng sau khi đã hoàn tất thiết lập và hai báo ta được :
Hình 3.11 Function block cảm biến nhiệt độ hoàn thiện
Sau khi đã hoàn thành chương trình chuyển đổi tín hiệu Ta sẽ bắt đầu xây dựng chương trình cho hệt thống chiếu sáng
Nhận tín hiệu từ biến trung gian M10.0 Khi nhấn nút start PLC cấp điện cho chân
AI 0 (analog input) và trong TIA Portal địa chỉ của chân AI 0 là IW 64 Tín hiệu ra của function cam biến nhiệt độ sẽ là MD4
Hình 3.12 Function cảm biến nhiệt độ trong Network 2: cảm biến nhiệt độ 3.2.3 Code chương trình hệ thống tưới
Ta làm tương tự giống như hàm chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ
Tạo function block cảm biến đất
Hình 3.13 Function block cảm biến đất
Hình 3.14 Khai báo trong function
Kết quả cuối cùng sau khi đã hoàn thành thiết lập và khai báo ta được :
Hình 3.15 Function block cảm biến đất hoàn thiện
Hệ thống nhận tin hiệu analog từ chân A0.1 và trong TIA Portal là địa chỉ IW66 Tín hiệu ra của function block cảm biến đất là MD14 Ta dùng tín hiệu MD14 để sử dụng hẻ thống tưới
Hình 3.17 Máy bom hoạt động 2 giây
Hình 3.18 Ngắt máy bom và reset lại hệ thống tưới
Ta sẽ đặt cảm biến mưa là thường đóng trước toàn bộ code chương trình hệ thống tưới
Nếu cảm biến mưa thay đổi tín hiệu:
• Khi trời mưa thì chân I0.2 sẽ ngắt và hệ thống tưới sẽ không hoạt động
• Khi trời không mưa thì chân I0.2 sẽ đóng và hệ thống tưới sẽ hoạt động
3.2.4 Code chương trình hệ thống chiếu sáng
Ta sẽ tạo một organization block để cài hàm PID cho hệ thống chiếu sáng
Hình 3.19 Tạo organization block để cài hàm PID
Ta sử dụng MD4 từ tín hiệu ra của function cảm biến nhiệt độ để làm tín hiệu đầu vào cho hàm PID Tín hiệu ra của PID_Compact là QW 80 điều khiển bóng đèn
Hình 3.20 PID điều khiển bóng đèn
Cài đặt cho PID_Compact
Ta chuyển về mode automatic
Hình 3.21 Chuyển chế độ cho PID
Ta cài đặt tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra cho PID
Hình 3.22 Cài đặt tín hiệu đầu vào và tín hiệu đàu ra
Ta điều thôn số PID cho PID_Compact
Hình 3.23 Điền thông số PID
Sau khi đã cài đặt xong ta sẽ được
Hình 3.24 Hoàn thiện toàn bộ PID_Compact
3.2.5 Tạo và kết nối với màn hình HMI
Kết nối PLC với màn hình HMI ảo
Hình 3.26 Kết nối PLC với HMI
56 Tạo giao diện cho màn hình HMI
Bật màn hình HMI ảo
Hình 3.28 Bật màn hình HMI
Hình 3.29 Màn hình HMI đã hoạt động
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả đạt được
Sau quá trình nghiên cứu và chế tạo mô hình, nhóm thu được kết quả như sau :
• Nghiên cứu được nguyên lý hoạt động
• Lắp đặt mạch điện và hệ thống ánh sáng, tưới, cảm biến
• Xây dựng được chương trình điều khiển cho hệ thống
• Tải được chương trình từ máy tính xuống PLC
• Kết nối và hiển thị được các giá trị lên màn hình HMI ảo
Hình 4.1 Hình ảnh thực tế mô hình trồng cây thông minh
Hình 4.2 Mô hình thực tế khi nhiệt độ đạt đến giá trị nhiệt độ cài đặt
Hình 4.3 PID_Compact hoạt động 100% đế nhiệt độ tăng lên mức cài đặt là 35 độ C
Hình 4.4 Đầu ra của PID_Compact giảm khi gần đạt được giá trị cài đặt
Hình 4.5 Khi đầu ra tiếp tục giảm vì nhiệt độ đã vượt qua nhiệt độ cài đặt
Và sau khi đã vượt hẳn giá trị cài đặt và 35 độ đầu ra của PIC_Compact sẽ trở về 0 Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống mức thấp hơn nhiệt độ cài đặt thì PIC_Compact tiếp tục hoạt động
Hình 4.6 Biểu đồ hoạt động trong PIC_Compact
Hình 4.7 Biểu đồ hoạt động trong màn hình HMI
61 Trong mhột tuần chạy thực nghiệm mô hình, nhóm thu được kết quá:
Hình 4.8 Chiều cao giá 5 cm Hình 4.9 Chiều cao giá 6.2 cm
Hình 4.10 Chiều cao giá 6.5 cm Hình 4.11 Chiều cao giá 6 cm
Nhận xét
Bảng 1 Giá trị nhiệt độ các ngày từ ngày 18 đến 27 tháng 12 năm 2022
Hình 4.12 Biểu đồ nhiệt độ trong 10 ngày
Từ bảng 1 và hình 4.12 t có thể thấy :
Nhiệt độ vào buổi sáng từ ngày 18 đến 27 là rất thấp có thể nói là thời tiết lạnh nên hệ thống sẽ hoạt động một cách tối đa (từ 8 độ C đến 13 độ C)
Khi thời tiết gần về lúc 4h chiều thì ấm lên nên hệ thống sẽ giảm công suất xuống ( 5 đến 7 độ C) Nhưng từ ngày 24 thì nhiệt độ có giảm nhưng không ảnh hưởng gì nhiều đến hệ thống
63 Nhiệt độ giao động trung bình trong 10 ngày là 22,5 đến 29,2 độ C nên hệ thống cũng hoạt động ở mức ổn định giảm dần từ 12,5 đến 5,8 độ C.
Đánh giá
Qua những kết quả và những nhận xét trên, nhóm có đánh giá như sau :
• Hệ thống hoạt động ổn định
• Sản phẩm là giá sinh trưởng tốt
