ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH CHĂN NUÔI GIA CẦM HIỆN NAY
Tính cấp thiết
Chăn nuôi gia cầm đang là một trong những nghề sản xuất truyền thống lâu đời và mang lại hiệu quả thu nhập cao đối với người nông dân Việt Nam hiện nay Hàng năm lượng gia cầm thịt được cung cấp lên đến 450 nghìn tấn và khoảng 3,5 tỷ quả trứng, mặc dù tình trạng chăn nuôi gia cầm trong nước còn đang ở mức nhỏ, phân tán và còn tương đối lạc hậu, năng xuất không cao
Thị trường chăn nuôi và tiêu thụ gia cầm thịt tại Việt Nam cũng không ngừng phát triển, lượng thịt gia cầm hàng năm trong chăn nuôi chiến khoảng 14 - 15% trong tổng khối lượng thịt hơn các loại (thịt lợn chiếm 75-70%) Theo số liệu của Tổng Cục thống kê, năm 2019 sản lượng thịt, trứng gà đạt cao nhất; khối lượng thịt là 471,7 ngàn tấn và số lượng trứng là 3,5 tỷ quả Những điều này cho thấy khả năng phát triển và chăn nuôi gia cầm là rất tốt [1]
Hình 1.1 Trang trại nuôi gà hiện nay
− Tuy nhiên, hiện nay phần lớn nguồn cung đến từ các trang trại kinh doanh hộ gia đình với hình thức chăn nuôi còn khá thủ công, quy mô nhỏ năng suất không cao và còn nhiều bất cập như dễ bị dịch bệnh
− Khí hậu không ổn định ảnh hưởng đến chất lượng nuôi
− Cần nhiều nhân công nếu tăng quy mô lớn
− Khó kiểm soát được dịch bệnh
Trong đó vấn đề về khí hậu và môi trường xung quanh là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng chăn nuôi Để khắc phục những hạn chế này cũng như góp phần nâng cao năng suất, chất lượng chăn nuôi tụi em đưa ra ý tưởng là áp dụng kỹ thuật tự động để cân bằng môi trường xung quanh chuồng nuôi ở một điều kiện tốt cho sinh lý gia cầm, giúp chúng phát triển tốt hơn và giảm khả năng dịch bệnh [2]
Hình 1.2 Trang trại nuôi gà thực tế
Mục tiêu và ý nghĩa thực tiễn đề tài
❖ Giữ được điều kiện phát triển tốt cho gia cầm
❖ Giảm thiểu sự tiếp xúc của con người (đây là một trong những lý do lây bệnh)
❖ Xây dựng cơ cấu tự động
❖ Điều khiển từ xa, tránh tiếp xúc gây stress cho gia cầm
- Thiết kế và chế tạo mô hình thành công giúp người nuôi gia cầm bớt mệt nhọc trong công việc và tạo điều kiện thuận lợi nhất để gia cầm phát triển
- Nâng cao năng suất cho các trang trại nuôi gia cầm lấy trứng, lấy thịt cho thị trường
- Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống tự động hóa đối với sản xuất trứng, năng suất lao động và chất lượng sản phẩm
- Xem xét các vấn đề liên quan đến việc áp dụng công nghệ mới vào môi trường chăn nuôi truyền thống và vai trò của người lao động trong quá trình này
- Các hệ thống tự động hóa giúp tối ưu hóa các quy trình chăn nuôi , giảm thiểu lãng phí năng lượng và nhiên liệu, từ đó giảm phát thải khí CO2 và các nhà kính khí khác.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.3.1 Tổng quan về mô hình chăn nuôi gia cầm tự động hiện nay
❖ Mô hình trang trại thông minh
Mô hình trại thông minh (Trang trại gia cầm thông minh) là một giải pháp hợp pháp công nghệ cao trong chăn nuôi gia cầm, nhắm tối ưu hóa quá trình sản xuất, quản lý và chăm sóc gia cầm Trại trại được thiết kế sao cho đảm bảo thông thoáng, ánh sáng và nhiệt độ phù hợp với sự phát triển của gia cầm Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, ánh sáng và độ ồn được đặt để theo dõi và điều chỉnh môi trường Đeo cảm biến trên gà để theo dõi sức khỏe, phát hiện sớm các dấu hiệu bệnh tật, lượng thức ăn và nước tiêu thụ Thức ăn được tự động phân phối đều và chính xác theo nhu cầu của gà Trứng được thu thập tự động từ các khu vực sinh trứng và chuyển đến khu vực tập trung để kiểm tra và đóng gói Sử dụng robot để làm sạch các khu vực khó tiếp cận Ứng dụng quản lý gia cầm để theo dõi và điều khiển toàn bộ hệ thống từ xa qua máy tính hoặc thiết bị di động Tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lãng phí thức ăn và nước uống
Hình 1.3 Mô hình trang trại thông minh
Là mô hình chăn nuôi khép kín, an toàn dịch bệnh, thúc đẩy năng suất, chất lượng nuôi gia cầm mang lại hiệu quả cao Khu chăn nuôi được lắp đặt hệ thống cảnh báo sớm, hệ thống giám sát và điều khiển vi khí hậu tự động và hệ thống cho ăn, uống tự động Hệ thống cảm biến nhiệt độ trong trại sẽ tự động điều chỉnh tốc độ quay hoặc số lượng quạt hút gió hoạt động, đảm bảo cho nhiệt độ, độ ẩm không khí của chuồng luôn ổn định ở ngưỡng (đã cài đặt trước) phù hợp với từng giai đoạn phát triển của gia cầm Với hệ thống thiết bị quản lý thông minh, có thể theo dõi gia cầm đẻ mọi lúc, mọi nơi Những lúc không có mặt ở trang trại hoặc ở xa, vẫn điều khiển việc ăn, uống, theo dõi sức khỏe qua màn hình điện thoại thông minh mà không phải trực tiếp vào chuồng Ứng dụng công nghệ tự động hóa vào giảm bớt nhân lực lao động, lượng thức ăn, điện năng sử dụng, thời gian quản lí [4]
Hình 1.4 Mô hình chăn nuôi gia cầm tự động hiện nay
1.3.2 Các giải pháp cho đề tài
❖ Giải pháp 1: Có 2 chế độ thủ công và tự động
• Chế độ tự động: Sử dụng PLC S7-1200 thực hiện các chức năng tự động cho ăn, bật quạt , sưởi, đèn chiếu sáng, đếm số lượng trứng mỗi chuồng, đèn cảnh cáo mỗi chuồng phát hiện gia cầm bệnh, đếm số lượng trứng cho vào hộp, hiển thị và giám sát qua mà hình WINCC
• Chế độ thủ công: Điều khiển các chức năng bật/tắt quạt, sưởi, đèn chiếu sáng bằng các nút nhấn
- Cảm biến nhiệt độ chính xác
- Dễ dàng mở rộng các module đầu vào/ra
- Dễ dàng nâng cấp và cải tiến thêm
- Giữ được thể trang tốt nhất cho gia cầm và nhanh chóng phát hiện gia cầm bệnh kịp thời xử lí
❖ Giải pháp 2: Sử dụng ESP32 thực hiện các chức năng tự động cho ăn, bật/tắt quạt, sưởi, đèn chiếu sáng, đếm số lượng trứng và giám sát từ xa qua app mobile
- Giám sát qua app từ xa mọi lúc, mọi nơi
- Dễ xử lý tín hiệu đầu vào từ các cảm biến thông qua các module trung gian
- Tín hiệu đầu vào/ra dễ bị nhiễu
- Tính ổn định không cao
- Khó phát hiện gà bệnh kịp thời, dễ lây lan bệnh dịch
1.3.3 Tiêu chí chọn đề tài
• Độ ổn định và tin cậy của hệ thống
• Độ chính xác cao trong việc cảm biến nhiệt độ và đếm số lượng
• Tốc độ xử lí nhanh chóng và hiệu quả
• Dễ dàng sử dụng, bảo trì và sửa chữa
• Không gây ô nhiễm môi trường, giữ gìn vệ sinh an toàn
1.3.4 Lựa chọn giải pháp cho đề tài
Dựa vào các ưu điểm, nhược điểm của hai giải pháp trên, nhóm chúng em đã lựa chọn giải pháp 1 Vì đã đáp ứng đủ các tiêu chí và các yếu tố quan trọng như độ ổn định và chính xác cao, tốc độ xử lí nhanh chóng, dễ dàng sửa dụng và sữa chữa, không gây ô nhiễm môi trường Việc đếm số lượng trứng mỗi chuồng và có đèn cảnh cáo mỗi chuồng hiển thị trên màn hình WinCC giúp con người dễ dàng quan sát và phát hiện gia cầm bệnh để kịp thời xử lí tránh lây lan bệnh dịch
- Phạm vi: nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình chăn nuôi gia cầm lấy trứng tự động
- Áp dụng các kiến thức đã học để hoàn thành đề tài, cụ thể:
+ Tìm kiếm tài liệu qua sách vở, mạng xã hội, hỏi và tham khảo người có chuyên môn
+ Tiến hành viết chương trình mô phỏng và thực nghiệp dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn
- Thiết kế và chế tạo thành công mô hình chăn nuôi gia cầm lấy trứng tự động
- Hiệu suất: Mục tiêu đặt ra là tăng cường hiệu suất thu thập trứng, giảm thiểu thời gian cần thiết và tăng cường năng suất sản xuất trứng
- Độ tin cậy: Hệ thống tự động hóa cần đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy cao trong quá trình hoạt động, tránh tình trạng sự cố gây gián đoạn trong quá trình lấy trứng
- Tính ứng dụng trong môi trường chăn nuôi thực tế: Mục tiêu cuối cùng là phát triển một mô hình có thể dễ dàng triển khai và áp dụng trong môi trường chăn nuôi thực tế, đáp ứng được nhu cầu và điều kiện cụ thể của từng trang trại chăn nuôi.
Phương hướng phát triển của hệ thống
Trên thị trường Việt Nam hiện nay, đa số các trang trại nuôi gia cầm còn theo hình thức bán tự động Nhiều khâu vẫn còn do con người thực hiện Do đó, hướng hướng triển của mô hình là tự động hóa hoàn toàn, từ việc đảm bảo dinh dưỡng, đảm bảo độ sáng, độ ẩm, định hình giờ giấc sinh hoạt phù hợp nhất để gia cầm phát triển tốt nhất
Hình 1.5 Cung cấp ánh sáng cho gà vào ban đêm
Tính mới của đề tài
Mô hình chăn nuôi gia cầm lấy trứng tự động đang trở nên phổ biến trong ngành chăn nuôi hiện đại Mô hình này kết hợp sự tiện lợi của công nghệ tự động hóa với các phương pháp chăm sóc gia cầm hiệu quả
❖ Một số tính mới của mô hình chăn nuôi gia cầm lấy trứng tự động bao gồm:
- Hệ thống tự động hóa: Mô hình sử dụng các hệ thống tự động hoá để giúp quản lý chuồng trại, cung cấp thức ăn cho gia cầm, cung cấp quạt, sưởi giữ cho thể trạng gia cầm tốt nhất, đếm số lượng trứng mỗi chuồng, cảnh báo khi phát hiện gia cầm không đẻ trứng giúp giám sát gia cầm một cách hiệu quả tăng sản lượng trứng
- Tiết kiệm thời gian và lao động: Tính năng tự động giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc quản lý và chăm sóc gia cầm, giúp người chăn nuôi tập trung vào các công việc quan trọng khác
- Kiểm soát chất lượng sản phẩm: Mô hình này cho phép người chăn nuôi kiểm soát số lượng trứng sản xuất, từ việc giữ vệ sinh chuồng trại đến việc quản lý dinh dưỡng và điều kiện môi trường
- Tối ưu hóa hiệu suất sản xuất: Bằng cách sử dụng công nghệ tự động, mô hình chăn nuôi này giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất trứng, từ việc tăng cường sản lượng trứng đến việc giảm tỷ lệ trứng bị hỏng
- Bảo vệ môi trường xung quang: Hệ thống chuồng nuôi khép kín, dễ dàng phát hiện gia cầm bệnh tránh lây lan dịch bệnh ảnh hưởng đến môi trường Bảo vệ hệ sinh thái
- Các hệ thống tự động hóa: Giúp tối ưu hóa các quy trình chăn nuôi , giảm thiểu lãng phí năng lượng và nhiên liệu, từ đó giảm phát thải khí CO2 và các nhà kính khí khác
Nhờ những ưu điểm trên, mô hình chăn nuôi gia cầm lấy trứng tự động đang ngày càng trở thành lựa chọn phổ biến của người chăn nuôi hiện đại, giúp mang lại hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường trong quá trình chăm sóc gia cầm.
TỔNG QUAN VỀ PLC S7_1200 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH TIA
Khái quát chung về PLC
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, công ty Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã đưa ra trình bày đầu tiên Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller, viết tắt là PC, sau này khi máy tính cá nhân PC (Personal Computer) trở nên phổ biến từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn [5]
2.1.2 Các loại PLC thông dụng
Bảng 2.1 Các loại PLC thông dụng
S7 – 400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416… S7 – 1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C Dòng CQM1
Dòng CP1E Dòng CP1L Dòng CP1H Dòng CJ1/M
Dòng FX: FX1N, FX1S, FX2N, FX3G…
Dòng A PLC: A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU Dòng Q PLC
Dòng DVP – SA Dòng DVP – SC Dòng DVP – SX Dòng DVP – SV Dòng DVP – ES
Các ngôn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131–3 bao gồm:
- Ngôn ngữ lập trình cơ bản:
- Instruction List (IL): dạng hợp ngữ
- Structured Text (ST): giống Pascal Các ngôn ngữ đồ họa
- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le
- Function Block Diagram (FBD): giống mạch nguyên lý
- Sequential Function Charts (SFC): xuất xứ từ mạng Petri/Grafcet
2.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện PLC a Cấu trúc
Hình 2.1 Sơ đồ khối PLC
Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống
Các kênh truyền (các BUS): bus dữ liệu (thường là 8 bit), đường dẫn các thông tin dữ liệu, mỗi dây truyền 1 bit dạng số nhị phân Bus địa chỉ (thường là 8 hoặc 16 bit), tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ Bus điều khiển, truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận Bus hệ thống, trao đổi thông tin giữa các cổng nhập xuất và thiết bị nhập xuất
Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồn một chiều (12, 24V…)
Các thành phần vào/ra: đóng vai trò là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly giữa các thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU Đầu vào số (DI: Digital Input): các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút ấn, công tắc, cảm biến tạo tín hiệu nhị phân Dải điện áp đầu vào có thể là 5 VDC, 12 – 24 VDC/VAC, 48 VDC, 100 – 120 VAC,
200 – 240 VAC… Đầu vào tương tự (AI: Analog Input): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Các ngõ vào của khối này thường được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, hay ngõ ra analog của biến tần Các chuẩn tín hiệu tương tự thường gặp là 4 – 20mA, 0 – 5V, 0 – 10V Đầu ra tương tự (AO: Analog Output): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệu tương tự Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu tương tự như ngõ vào analog của biến tần, van điện từ… Đầu ra số (DO: Digital Output): Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo, cuộn hút Relay… Có 3 loại đầu ra số là dạng Trans (1 chiều), Triac (xoay chiều) và Relay với các dải điện áp 5 VDC,
24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC, 230 VDC b Phương thức thực hiện chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình
Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh kết thúc Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu truyền thông… trong vòng quét đó
✓ Điều khiển các dây truyền đóng gói bao bì, tự động mạ tráng kẽm, sản xuất bia, sản xuất xi măng…
✓ Hệ thống rửa ô tô tự động
✓ Điều khiển máy sấy, máy ép nhựa…
PLC S7_1200
- S7 – 1200 là một dòng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7 – 1200 [6]
- S7 – 1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào vào/ra (DI/DO)
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển
- S7 – 1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7 – 1200 là Step 7 Basic Step 7 basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens [7]
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau PLC S7 – 1200 có các loại sau :
Tính năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C CPU 1215C Kích thước vật lý (mm) 90x100x75 90x100x75 110x100x75 130x100x75
Work 30 Kbytes 50 Kbytes 75 Kbytes 100 Kbytes
Load 1 Mbyte 1 Mbyte 4 Mbyte 4 Mbyte
Retentive 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes 10 Kbytes
10 Out Kiểu tương tự 2 inputs 2 inputs 2 inputs 2 inputs / 2 outputs Kích thước bộ đệm
Inputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Outputs 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes 1024 bytes Bit nhớ (M) 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes 4096 bytes
Tính năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C CPU 1215C Module mở rộng vào ra (SM) None 2 8 8
Board pin (BB) Board truyền thông (CB)
Bộ đếm tốc độ cao
3 at 100kHz SB: 2 at 30kHz
PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và Retentive Memory:
✓ Load memory chứa bộ nhớ của chương trình khi down xuống
✓ Work memory là bộ nhớ lúc làm việc
✓ System memory thì có thể setup vùng này trong Hardware config, chỉ cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây
Bảng 2.3 Phân vùng bộ nhớ
Bộ nhớ CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
2.2.3 Tập lệnh S7_1200 a) Xử lý bit
Bảng 2.4 Tập lệnh xử lý bit Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ là n = 1 Toán hạng n: I, Q, M, L, D
Tiếp điểm thường đóng sẽ đóng khi giá trị của bit có địa chỉ n là
Giá trị của bit 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
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 bit này vẫn giữ nguyên trạng thái
Toán hạng n: Q, M, L, D b) Timer và Counter
Bảng 2.5 Tập lệnh Timer, Counter
Timer trễ không nhớ – TON Khi ngõ vào IN ngừng tác động thì reset và dừng hoạt động Timer Thay đổi PT khi Timer vận hành không có ảnh hưởng gì
Giá trị bộ đếm CV được tăng lên 1 Khi tín hiệu ngõ vào CU chuyển từ 0 lên 1 Ngõ ra Q được tác động lên 1 khi CV >= PV Nếu trạng thái R = Reset được tác động thì bộ đếm CV = 0 c) Lệnh toán học
Bảng 2.6 Tập lệnh toán học Lệnh so sánh dùng để so sánh hai giá trị IN1 và IN2 bao gồm IN1 IN2, IN1>= IN2, IN1 IN2, IN1 IN2
So sánh 2 kiểu dữ liệu giống nhau, nếu lệnh so sánh thỏa mãn thì ngõ ra sẽ là mức 1 = TRUE( tác động mức cao) và ngược lại Kiểu dữ liệu so sánh là: SInt, Int, Dint, USInt, UDInt, Real, Lreal, String, Time, DTL, Constant
Lệnh cộng ADD: OUT = IN1 + IN2 Lệnh trừ SUB : OUT = IN1
Tham số IN1, IN2 phải cùng kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal, Constant
Tham số OUT có kiểu dữ liệu: Sint, Int, Dint, USInt, Uint, UDInt, Real, Lreal
Tham số ENO = 1 nếu không có lỗi xảy ra trong quá trình thực thi Ngược lại ENO = 0 khi có lỗi, một số lỗi xảy ra khi thực thi lệnh này:
Kết quả toán học nằm ngoài phạm vi của kiểu dữ liệu
Real/Lreal: Nếu một trong những giá trị đầu vào là NaN sau đó được trả về NaN
ADD Real/Lreal: Nếu cả hai giá trị IN là INF có dấu khác nhau, đây là một khai báo không hợp lệ và được trả về NaN
Bảng 2.7 Tập lệnh di chuyển
Lệnh Move di chuyển nội dung ngõ vào IN đến ngõ ra OUT mà không làm thay đổi giá trị ngõ IN
EN: cho phép ngõ vào
ENO: cho phép ngõ ra IN: nguồn giá trị đến OUT1: nơi chuyển đến
2.2.4 PLC S7_1200 CPU 1214 DC/DC/DC
Hình 2.2 PLC S7_1200 1214 DC/DC/DC
+ Bộ nhớ chương trinh tích hợp trong CPU : 4 Mb
+ Bộ nhớ làm việc 100 kbyte
+ Ngõ vào ra: 10 In/ 8 OUT
+ Truyền thông : PROFINET IO, PROFIBUS, AS-Interface, Ethernet
+ Ngôn ngữ lập trình : LAD, FBD, SCL
Giới thiệu hệ SCADA
SCADA ( S upervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa Hệ thống SCADA thu thập dữ liệu từ các trạm giám sát và các điểm kiểm soát khác nhau
- Kiểm soát các quy tình công nghiệp tại chỗ hoặc từ xa
- Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực
- Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ và hơn thế nữa thông qua các phần mềm giao diện người – máy (HMI)
- Ghi lại sự kiện vào tệp nhật ký
2.3.2 Cấu trúc hệ thống SCADA
➢ Mọi hệ thống Scada đều có 3 mức thành phần chính:
- Cấp cơ cấu chấp hành
+ Bao gồm cảm biến và các thiết bị đo lường khác, bộ chuyển đổi tín hiệu đo, bộ truyền đo lường và cơ cấu chấp hành như động cơ, bộ biến tần, van và bộ điều khiển van
+ Chức năng: Thiết bị có nhiệm vụ đo thông số và điều khiển trực tiếp
+ Thiết bị trạm điều khiển từ xa RTU (Remote Terminal Unit) và thiết bị điều khiển logic PLC + HMI
+ Chức năng: Nhận tín hiệu của thiết bị đo và lệnh của trung tâm điều khiển, điều khiển trực tiếp cơ cấu chấp hành
- Cấp giám sát và thu thập dữ liệu
+ Bao gồm hệ thống máy chủ và hiển thị giao diện HMI
+ Chức năng: Giám sát hoạt động của hệ thống, gửi lệnh điều khiển trực tiếp đến lớp điều khiển, thu thập dữ liệu hệ thống
- Cấu trúc hệ thống Scada cơ bản bắt đầu với bộ điều khiển logic PLC hoặc thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) PLC và RTU giao tiếp với các đối tượng khác nhau (chẳng hạn như máy móc trong nhà máy, HMI, cảm biến và thiết bị đầu cuối) Sau đó sử dụng phần mềm Scada để định tuyến thông tin từ các đối tượng này đến máy tính
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA
Phần mềm TIA- Portal
2.4.1 Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic
Step 7 Basic hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, lập trình, chuẩn đoán và nhiều hơn nữa Trực quan dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động
2.4.2 Các bước tạo một project
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal
Hình 2.4 Biểu tượng phần mềm TIA - Portal V15.1
Bước 2: Click chuột vào “Create new project” để tạo dự án
Bước 3: Nhập tên dự án vào “Project name” sau đó nhấn “Create”
Hình 2.6 Đặt tên cho dự án
Bước 5: Chọn “add new device”
Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn “add”
Bước 7: Project mới được hiện ra
Hình 2.10 Một project mới được tạo ra
WinCC
WinCC (chữ viết tắt của Windows Control Center) đây là chương trình ứng dụng dùng để giam sát, thu thập dữ liệu và điều khiển tự động quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹp winCC là chương trình HMI (Human Machine Interface) hỗ trợ thiết kế giao diện người – máy Với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hoá một cách dễ dàng Phần mềm WinCC được tích hợp trong TIA Portal giúp ta dễ dàng trao đổi dữ liệu trực tiếp với PLC
Trong màn hình giao diện của TIA Portal ta nhấn “Add new device”
Hình 2.11 Khởi tạo màn hình WinCC_1
Xuất hiện cửa sổ, ta chọn “PC systerms” “SIMATIC HMI application” “ WinCC
Kết nối WinCC với PLC: Sau khi tạo project sẽ xuất hiện giao diện thiết bị (Devica view), chúng ta cần chọn mạng giao tiếp truyền thông của thiết bị: Nhấn “Comunications module” “PROFINET/Ethernet” “IE general”
Hình 2.13 Kết nối WinCC với PLC
Tiếp theo, nhấn “Network view” “Connections” , và Kéo thả chuột từ module PLC sang module WinCC để kết nối
Hình 2.14 Kết nối WinCC với PLC Tạo giao diện giám sát, điều khiển trên WinCC: Nhấn “PC-System_1” và
“HMI_RT_1” và “Add new creen” Màn hình giao diện chính xuất hiện
Hình 2.15 Giao diện chính của WinCC
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Tính chọn động cơ
3.1.1 Tính chọn động cơ băng tải
➢ Tính tải trọng của băng tải
• Tổng số lượng hàng trên băng tải M = 5kg (40 trứng)
• Khối lượng dây belt 15kg => Tải trong của băng tải W = 17kg
• Hệ số ma sát puly 0,9
• Tốc độ băng tải 10m/phút = 0,167m/s
➢ Tính công suất động cơ Để tính công thức động cơ băng tải, chúng ta sẽ sử dụng công thức:
• F là lực cản cần thiết để vận chuyển hàng hóa
• v là vận tốc của băng tải (m/s)
• η là hiệu suất tổng của hệ thống (được tính bằng tích của hệ số ma sát) Trước hết chúng ta cần tính lực cần thiết để vận cuyển hàng hóa trên băng tải [8] o Lực để vượt qua ma sát tại bề mặt của băng tải:
• m là khối lượng hàng hóa hoặc khối lương dây belt (kg)
• g là gia tốc trọng lượng (m/s 2 ), có giá trị trung bnhf là 9,81 m/s 2
• à là hệ số ma sỏt o Lực cần để nâng hàng hóa:
Sau đó, chúng ta cần tính tổng lực cần thiết:
𝐹 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐹 𝐹𝑟𝑖𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 + 𝐹 𝐿𝑖𝑓𝑡𝑖𝑛𝑔 Sau khi tính dược lực cần thiết, ta có thể tính công suất bằng cách sử dụng công thức đã đề cập o Lực để vượt qua ma sát tại bề mặt của băng tải:
𝐹 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = (5 + 10) × 9,81 × 0,17 = 25,0155𝑁 o Lực cần để nâng hàng hóa:
𝐹 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25,0155 + 49,05 = 74,0655 Vậy công suất của động cơ là:
3.1.2 Tính toán chọn role trung gian
➢ Công thức tính công suất tiếp điểm
➢ Tính toán công suất chọn role trung gian
• Điện áp điều khiển cuộn dây: 220V AC
• Dòng điện điều khiển cuộn dây: 5A
➢ Tính công suất tiếp điểm:
➢ Trong đó: o P là công suất cần thiết chho đèn sưởi (walt) o S là diện tích trang trại (m 2 ) o ∆T là chênh lệch giữa nhiệt độ mong và nhiệt độ môi trường (C) o k là hệ số cách nhiệt ( thường dùng giá trị trung bình là 0,05)
Diện tích trang trại ở mục 3.1.1 là 450m 2
3.1.4 Tính toán chọn đèn chiếu sáng:
➢ Công thức tính chọn công suất cho đèn chiếu sáng:
• P là công suất đèn chiếu sáng (W)
• S là diện tích trang trại (m 2 )
• 20 là mức ánh sáng cần thiết cho trại (lux)
Vậy công suất của đèn chiếu sáng là:
Lựa chọn thiết bị sử dụng cho đề tài
3.2.1 PLC Siemem S7_1200 CPU 1214 DC/DC/DC
Hình 3.1 PLC Siemem S7_1200 CPU 1214 DC/DC/DC
- Bộ nhớ chương trinh tích hợp trong CPU : 4 Mb
- Bộ nhớ làm việc 100 kbyte
- Ngõ vào ra: 10 In/ 8 OUT
- Truyền thông : PROFINET IO, PROFIBUS, AS-Interface, Ethernet
- Ngôn ngữ lập trình : LAD, FBD, SCL
- Điện áp đầu vào: 220VAC/50Hz
- Điện áp đàu ra : 24VDC
3.2.3 Lựa chọn băng tải PVC
Băng tải là thiết bị truyền tải có tính kinh tế cao nhất trong ứng dụng vận chuyển hàng hóa, vật liệu, sản phẩm với mọi khoảng cách [10]
Sử dụng băng tải để vận chuyển sản phẩm giúp nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao
Hình 3.3 Băng tải cao su PVC
Khả năng kháng hóa chất tốt
- Chịu được nước và chống hơi nước tốt
- Dây băng tải PVC có khả năng chống phóng xạ, chống cháy và chống tĩnh điện tốt
- Hoạt động trong nhiều nghành nghề khác nhau, môi trường khắc nghiệt, khí hậu ẩm ướt và nhiệt độ thấp
- Có khả năng chống dầu mỡ, dung môi, chống mài mòn tốt
- Chống rách, co dãn , bong tróc
- Dễ dàng vệ sinh, thay thế, sữa chữa, bảo trì khi có sự cố
- Một số hệ thống khó vận chuyển, không vận chuyển các sản phẩm có kích thước lớn
- Đối với các sản phẩm hạt, vụn… Có thế bị hao hụt, rơi vãi trong quá trình vận chuyển
- Khi vận chuyển xa và địa hình không thẳng đồi hỏi cần có nhiều hệ thống kết hợp với nhau
3.2.4 Lựa chọn khung băng tải nhôm
Khung băng tải có nhiều loại: khung sắt, khung nhôm, khung inox,
Khung băng tải được thiết kế đơn giản đến phức tạp,tùy thuộc vào nhu cầu sản xuất và yêu cầu của khách hàng
Khung băng tải có nhìu kích thước khác nhau và chia làm 2 loại: khung băng tải di động và khung băng tải cố định
- Khung băng tải cố định được thiết kế kiên cố và có khả năng chịu tải lớn
- Khung băng tải di động được thiết kế vững chắc và có trang bị bánh xe, giúp băng tải dễ dàng di chuyển Ngoài ra, còn có loại khung băng tải nâng hạ với thiết kế đặt biệt giúp băng tải nâng hạ một linh hoạt theo nhu cầu sử dụng Hiện nay, nhôm định hình đươc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như băng tải, dây chuyền lắp ráp,….[10]
Hình 3.4 Băng tải khung nhôm định hình
- Độ bền cao, do đươc sản xuất theo phương pháp đùn ép, nguyên liệu là nhôm
6063 với chất lượng cao,đảm bảo cho nhom định hình công nghiệp có độ bền cao
- Băng tải khung nhôm định hình được chế tạo bằng tấm nhôm anodized hóa sang bóng bề mặt, chống xướt, chịu lực tốt
- Khả năng chống tĩnh điện tốt: Nhôm có hệ số dẫn điện cao so với các vật liệu khác ( như sắt,inox, ) giúp giải phóng lượng điện dung sinh ra trong quá trình ma sát, giảm tối đa ảnh hưởng của dòng điện tích tụ, tránh gây ảnh hưởng đến sản phẩm đặt biện là sản phẩm điện tử
- Với trọng lượng nhẹ có thể tháo lắp, di chuyển dễ dàng
- Tính linh hoạt khi tháo lắp: băng tải bằng khung nhôm định hình sử dụng các phụ kiện nhôm định hình như con trượt, ke góc để lắp ráp vì thế có tính linh hoạt cao, tái sử dụng nhiều lần
- Nhôm dễ bị rỉ sét,bị ăn mòn bởi hóa chất và tác động của thời tiết
- Thanh nhôm dễ bị cong vênh khi chịu lực tác động lớn và đột ngột
- Chi phí giá thành đầu tư khung nhôm sẽ cao hơn nhiều so với khung thép
3.2.5 Lựa chọn mặt băng tải PVC
- Mặt băng tải PVC được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền lắp ráp trong các lĩnh vực chế biến thực phẩm, dược phẩm, điện tử, thuốc lá, in ấn…
- Bề mặt dây PVC chống nước chịu nhiệt từ (-10 ° C – 80 ° C) có thể chịu được
- Khả năng chống rách, bong tróc và tác động trọng lượng dây PVC nhẹ, linh hoạt
- Băng tải PVC (Mặt trên trơn láng hoặc carô – mặt dưới là lớp bố dệt), có độ dày 1mm, 2mm, 3mm, 4,5mm và 5mm [10]
Hình 3.5 Mặt băng tải PVC
3.2.6 Lựa chọn động cơ băng tải
Hình 3.6 Động cơ giảm tốc
- Tỷ số truyền lớn, thiết kế gọn nhẹ, cấu tạo đơn giản
- Giá thành thấp, dễ lắp đặt, thay thế nhanh
- Hiệu suất thấp, độ bền không cao
- Điện áp sử dụng: 12VDC
- Tỉ số truyền 150:1 (động cơ quay 150 vòng trục chính hộp giảm tốc quay 1 vòng)
- Dòng chịu đựng tối đa khi có tải: 1.3A
- Tốc độ không tải: 40RPM (40 vòng 1 phút)
- Tốc độ chịu đựng tối đa khi có tải: 30RPM (30 vòng 1 phút)
- Lực kéo Moment định mức: 5.6KG.CM
- Lực léo Moment tối đa: 24KG.CM
- Cặp tiếp điểm thường mở: 23-24
- Cặp tiếp điểm thường đóng: 11-12
Hình 3.8 Cảm biến hồng ngoại
- Kích thước đường kính ngoài: 18mm (mm)
- Khoảng cách phát hiện: 10-30cm có thể điều chỉnh
- Điện áp làm việc: DC 6-36VDC • NPN
3.2.9 Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 3.9 Cảm biến nhiệt độ LM35
LM35 có độ chuẩn xác hơn kém 0,4°C ở nhiệt độ phòng bình thường và hơn kém 0,8°C trong khoảng 0°C đến +100°C Một đặc tính quan trọng hơn của cảm biến này là nó chỉ thu được 60 microamps từ nguồn cung ứng và có khả năng tự sưởi ấm thấp Một số tính chất của cảm biến LM35:
- Đầu ra của cảm biến này thay đổi diễn tả tuyến tính
- Điện áp ra của cảm biến IC này tỉ lệ với nhiệt độ Celsius
- Điện áp hoạt động từ -55˚ đến + 150˚C
- Được vận hành dưới 4 tới 30V
- Xử lý tín hiệu LM35 bằng mạch điện tử để đưa vào bộ điều khiển
Hình 3.10 Động cơ Servo Động cơ servo có tốc độ quay và góc quay có thể điều chỉnh để sử dụng đẩy sản phẩm tương thích vơi tốc độ chạy của băng tải và tốc độ xử lý của bộ xử lý Có giá thành rẻ hơn so với cơ cấu đẩy sử dụng khí nén
- Khối lượng tịnh của sản phẩm: 55g Kích thước sản phẩm: 40.7*19.7*42.9mm
- Lực căng sản phẩm: 9.4kg/cm (4.8V), 11kg /cm (6V)
- Tốc độ phản ứng: 0,17 giây/60 độ(4,8v) 0,14 giây/60 độ(6v)
- Điện áp làm việc: 4.8-7.2V Nhiệt độ hoạt động: 0°C-55°C
- Dạng bánh răng: Vùng chết làm việc của bánh răng kim loại: 5us (micro giây)
- Loại chuẩn chân: DPDT (có 2 cặp tiếp điểm, chịu được 5A mỗi cặp)
- Dòng đóng cuộn kích: 40mA
- Nhiệt độ hoạt động: -55°C to 70°C
- Độ ẩm môi trường: 5% đến 85%
- Loại bóng: Sợi đốt (dây tóc)
- Đặc tính: Ánh sáng vàng ẩm, tỏa nhiệt, có thể sử dụng úm, sưởi ấm gà, vịt
Hình 3.13 Đèn led chiếu sáng
- Thời gian làm việc: >20000 giờ
Quy trình công nghệ
Hệ thống được điều khiển bởi PLC S7-1200, chức năng chính là trung tâm xử lý Khi hệ thống được khởi động, các thiết bị như cảm biến nhiệt độ và số lượng trứng mỗi chuồng sẽ bắt đầu hoạt động để đo lường các thông số từ các cảm biến sau đó truyền thông dữ liệu qua PLC S7-1200
Khi nhận được dữ liệu thì bộ xử lý trung tâm thực hiện các chức năng điều khiển các thiêt bị
Nếu 20°C