THIẾT kế hệ THỐNG GIÁM sát NUÔI TRỒNG HOA LAN DÙNG PLC và PHẦN mền WINCC

Luận Văn Tốt Nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong năm gần nghề trồng hoa lan có bước phát triển đáng kể, thâm nhập vào ngành nông nghiệp cách mạnh mẽ, hoa lan trở thành mặt hàng có giá trị kinh doanh, xuất giới Hiện nay, nghề trồng hoa lan phát triển khắp nước, không nông dân khấm nhờ trồng lan Thuận lợi trồng lan không cần diện tích đất lớn, chăm sóc tốt thu nhập mang lại cao Tuy nhiên, lan loại trồng đòi hỏi cao kỹ thuật, người trồng phải tuân thủ kỹ biện pháp trồng chăm sóc Trước phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật, kéo theo phát triển tất ngành, nghề đòi hỏi tất ngành lĩnh vực phải hỗ trợ lẫn phát triển Các ngành tự động hóa, kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin có bước phát triển nhảy vọt theo, ứng dụng ngành vào ngành khác ngày nhiều việc ứng dụng vào nuôi trồng hoa không xa lạ Nó góp phần tích cực vào nâng cao suất lao động cho người, đặt biệt lĩnh vực xuất khẩu, giúp đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng quốc tế Trong hệ thống sản xuất, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn hoạt động máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc thiết bị sản xuất thường phức tạp, có nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để hoạt động đồng theo trình tự công nghệ định nhằm tạo sản phẩm mong muốn Từng đại lượng vật lý đơn lẻ điều khiển mạch điều khiển sở dạng tương tự hay gián đoạn Điều khiển nhiều đại lượng vật lý đồng thời dùng mạch điều khiển tương tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển lô gíc Trước hệ thống điều khiển lô gíc dụng hệ thống lô gíc rơ le Nhờ Trang Luận Văn Tốt Nghiệp phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) xuất vào năm 1969 dần thay hệ thống điều khiển rơ le Đồng thời, với phát triển chưa thấy công nghệ tin học, cho đời phần mền kết hợp với phần vật lý PLC tạo hệ thống hoàn hảo cho sinh hoạt sản xuất Phần mền WinCC ứng dụng cụ Chính mà kết hợp PLC WinCC nhiều chuyên gia, kỹ sư thiết kế, kỹ thuật viên,chuyên viên, công nhân bậc cao… tham gia nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế Xuất phát từ nhu cầu thực tế muốn làm quen với việc điều khiển hệ thống nuôi trồng hoa lan PLC kết hợp với tạo giao diện giao tiếp dùng WinCC, em thực đề tài Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Nuôi Trồng Hoa Lan dùng PLC phần mền WinCC để nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp, nhằm lĩnh hội tri thức cần thiết PLC thiết kế giao tiếp tren máy tính việc tự động hoá hệ thống nuôi trồng hoa lan Nhiệm vụ đề tài  Nghiên cứu ứng dụng PLC Siemens vào điều khiển chu trình chăm sóc nuôi trồng hoa lan  Thiết kế giao diện người dùng WInCC cho hệ thống giám sát nuôi trồng chăm sóc hoa lan đồng thời tìm hiểu giao thức kết nối WinCC PLC  Xây dựng mô hình thực tế dùng PLC Siemens điều khiển hệ thống WinCC làm giao diện giao tiếp Trang Luận Văn Tốt Nghiệp Đặc điểm, yêu cầu điều khiển hệ thống nuôi trồng chăm sóc hoa lan Hệ thống gồm có máy bơm ,1 hệ thống đèn sưởi ấm, hệ thống quạt làm mát, làm khô không khí, điện trở mô nhiệt độ độ ẩm Ngoài hệ trống có ống dẫn, van, mô hình nhà kính Hệ thống điều khiển role cho máy bơm hệ thống đèn sưởi ấm quạt làm mát, làm khô Đồng thời nhận tín hiệu từ điện trở nhằm tính xử lý tưới nước, sưởi ấm hay làm mát, làm khô Hệ thống hoạt động theo hai chế độ: thời gian thực [ tự dộng ] chế độ điều khiển riêng biệt Mục tiêu nghiên cứu Điều khiển lập trình PLC thiết kế giao diện WinCC mang tính mềm dẻo linh hoạt, điều khiển dựa vào chương trình thực lệnh logic Em hy vọng sau nghiên cứu đề tài lĩnh hội nhiều vấn đề liên quan đến PLC phần mền WinCC như: cấu hình phần cứng, tập lệnh PLC, WinCC, xây dựng lưu đồ viết chương trình điều khiển hệ thống giao thức kết nối chúng Để đảm bảo cho chương trình viết có khả hoạt động ổn định nhóm thực đề tài chọn PLC S7200 để điều khiển, phần mền Step7 Micro Win V4.0 để viết chương trình nạp, phần mền WinCC V7.0 để thiết kế giao diện người dùng phần mền PC Access để kết nối PLC với WinCC Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hệ thống nuôi trồng chăm sóc hoa lan, nguyên lý hoạt động PLC, phần mền WinCC, ngôn ngữ lập trình hình thang (LAD), Trang Luận Văn Tốt Nghiệp cách truyền liệu chúng Từ xây dựng chương trình điều khiển hệ thống PLC Siemens phần mền WinCC Nội dung nghiên cứu Siemens tập đoàn Điện điện tử lớn, chuyên sản xuất thiết bị tự động hoá Khi thực đề tài tiến hành nghiên cứu sơ lược nội dung PLC S7 – 200 phần mền WinCC, cụ thể gồm nội dung sau:  Giới thiệu tổng quát PLC Kỹ thuật lập trình cho PLC S7-200  Giới thiệu làm việc với phần mềm Step7 Micro Win v4.0  Viết chương trình ứng dụng điều khiển hệ thống nuôi trồng chăm sóc hoa lan  Thiết kế giao diên giao tiếp người dùng WinCC  Xây dựng mô hình thực tế  Hướng phát triển hệ thống Trang Luận Văn Tốt Nghiệp CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KỸ THUẬT LẬP TRÌNH CHO PLC S7-200 1.1 TỔNG QUAN Trong hệ thống sản xuất, thiết bị tự động bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn hoạt động máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc thiết bị sản xuất thường phức tạp, có nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để hoạt động đồng theo trình tự công nghệ định nhằm tạo sản phẩm mong muốn Từng đại lượng vật lý đơn lẻ điều khiển mạch điều khiển sở dạng tương tự hay gián đoạn Điều khiển nhiều đại lượng vật lý đồng thời dùng mạch điều khiển tương tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển lô gíc Trước hệ thống điều khiển lô gíc dụng hệ thống lô gíc rơ le Nhờ phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) xuất vào năm 1969 thay hệ thống điều khiển rơ le Càng ngày PLC trở nên hoàn thiện đa Các PLC ngày có khả thay thể hoàn toàn thiết bị điều khiển logíc cổ điển, mà có khả thay thiêt bị điều khiển tương tự Các PLC sử dụng rộng rãi công nghiệp Chức PLC kiểm tra trạng thái đầu vào điều khiển trình hệ thống máy móc thông qua tín hiệu đầu PLC Tổ hợp lô gíc đầu vào để tạo hay nhiều tín hiệu gọi điều khiển lôgíc Các tổ hợp lô gíc thường thực theo trình tự điều khiển hay gọi chương trình điều khiển Chương trình điều khiển lưu nhớ PLC cách lập trình thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC lập trình máy tính cá Trang Luận Văn Tốt Nghiệp nhân nhờ phần mềm chuyên dụng truyền vào PLC qua mạng hay qua cáp truyền liệu Bộ xử lý tín hiệu, thường vi xử lý tốc độ cao, thực chương trình điều khiển theo chu kỳ Khoảng thời gian thực chu trình điều khiển từ lúc kiểm tra tín hiệu vào, thực phép tính lo gíc đại số để có tín hiệu điều khiển, cho đén phát tín hiệu đến đầu goi chu kỳ thời gian quét 1.2 PLC S7-200 1.2.1 cđ n o + SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF (System Falu báo hiệu hệ thống bị hỏng + RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN ch định PLC chế độ làm việc thực chương trình nạp vào máy + STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP ch định PLC chế độ dừng chương trình thực lại 1.2.2 Đầu vào + Kiểu đầu vào IEC 1131-2 + Tầm điện áp mức logic 1: 15-30 VDC, dòng nhỏ mA; 35VDC thời gian tức thời 500ms + Trạng thái mức logic chuẩn: 24 VDC, 7mA + Trạng thái mức logic 0: Tối đa VDC, 1mA + Đáp ứng thời gian lớn chân I0.0 đến I1.5: ch nh từ 0,2 đến 8,7 ms mặc định 0,2 ms + Sự cách ly quang 500VAC 1.2.3 Đầu + Kiểu đầu ra: Relay Transistor + Tầm điện áp: 24.4 đến 28.8 VDC + Dòng tải tối đa: 2A điểm; 8A common Trang Luận Văn Tốt Nghiệp + Quá dòng: 7A với contact đóng + Điện trở cách ly: nhỏ 100 M + Thời gian chuyển mạch: tối đa 10 ms + Thời gian sử dụng: 10.000.000 với công tắc khí; 100.000 với tốc độ tải + Điện trở công tắc: tối đa 200 m + Chế độ bảo vệ ngắn mạch: 1.2.4 Nguồn cung cấp + Điện áp cấp nguồn: 20.4 đến 24.8 VDC + Dòng vào max load: 900mA 24 VDC + Cách ly điện ng vào: Không có + Thời gian trì nguồn: 10ms 24 VDC + Cầu chì bên trong: 2A, 250V  Nguồn cấp cho sensor: + Tầm điện áp ra: 15.4 đến 28.8 VDC + Dòng tối đa: 280mA + Độ gợn sóng: Giống nguồn cấp vào + Cách ly:  Chế độ làm việc: PLC có chế độ làm việc: + RUN: cho phép PLC thực chương trình nhớ, PLC chuyển từ RUN sang STOP máy có cố chương trình gặp lệnh STOP + STOP: Cư ng PLC dừng chương trình chạy chuyển sang chế độ STOP Trang Luận Văn Tốt Nghiệp + TERM: Cho phép máy lập trình tự định chế độ hoạt động cho PLC chế độ RUN STOP 1.2.5 ng truyền thông S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình với trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI (Point to Point Interface) 9600 bauds Tốc độ truyền cung cấp PLC theo kiểu tự 300 38.400 bauds Bảng 1.1: Chân chức cổng truyền thông Chân Ch n n GND 24 VDC Tín hiệu A RS485 (RxD/TxD+) RTS ( theo mức TTL) GND +5 VDC Nguồn cấp 24 VDC 120mA max Tín B RS485 (RxD/TxD-) Hình 1.1: Sơ đồ chân Chọn lựa cách giao tiếp cổng truyền thông Để ghép S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC PPI với chuyển dổi RS232/RS485, theo Hình 1.2: Trang Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 1.2: Gh p nối S7- v i máy t nh qua cổng RS 1.2.6 Mở rộng c ng vào Có thể mở rộng ng vào PLC cách ghép nối thêm vào PLC module mở rộng phía bên phải CPU CPU 224 ghép nhiều module theo Bảng 1.2: Bảng 1.2 Định địa cho module mở rộng Trang Luận Văn Tốt Nghiệp Các module mở rộng Digital hay Analog chiếm chổ đệm, tương ứng với số đầu vào module Các module dùng để kết nối mạng Profibus AS-Interface 1.2.7 Mô đun tương tự vào/ra (i/o)  Thiết bị đầu vào tương tự: + Cảm biến lưu lượng + Cảm biến áp suất + Cảm biến nhiệt + Cảm biến phân tích + Cảm biến vị trí + Biến trở + Cảm biến mực chất lỏng + Thiết bị đo tốc độ  PLC S7-200 có module analog mở rộng sau: + EM231: ng vào analog + EM232: ng analog + EM235: ng vào ng analog  Đặc tính chung + Trở kháng vào input >= 10 MΩ + Bộ lọc đầu vào input 3db 3.1Khz + Điện áp cực đại cung cấp cho module: 30 VDC + Dòng điện cực đại cung cấp cho module: 32mA + Có LED báo trạng thái + Có núm ch nh OFFSET ch nh độ lợi (GAIN) Trang 10 Luận Văn Tốt Nghiệp 3.6 Chạy Mô Phỏn Sau thiết lập xong thuộc tính cho đối tượng mô hình, trở lại giao diện Graphic Designer Trên thuộc tính chọn biểu tượng Runtime (Hình 52)để tiến hành mô giám sát Hình 52 Màn hình mô Runtime xuất hiện, ta tiến hành mô giám hình Hình : Màn hình Runtime Tiến hành kết nối với mô hình thực tế bên Trang 86 Luận Văn Tốt Nghiệp CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHĂM SÓC LAN THỰC TẾ TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN DỰ ÁN Thiết kế mô hình 4.1 Trước xây dựng mô hình có tính toán thông số linh kiện phù hợp phần cứng khác 4.2.1 c thiết bị dùng mô hình  Máy bơm: Hệ thống bơm chia làm hai cấp hệ thống bơm cấp II đảm trách nhiệm vụ phun ưới tước cho hoa lan, cần tính toán thống số để chọn máy bơm phù hợp Hệ thống dự trù có van nhỏ đường ống, van thay mô hình đoạn dây điện dài khoảng 1cm dường kính 1mm yêu cầu lưu lượng nước van 10ml s Việc chọn bơm theo công thức: F max  10   252000ml / h  252l / h 3600 Hình 4.1: Máy bơm SOBO Wp- Trang 87 v i F.Max= LH Luận Văn Tốt Nghiệp  Relay: Vì hệ thống dùng máy bơm điện áp 220 VAC ng PLC điện áp 24 VDC ta dùng relay Omron MY2 24 VDC Hình 4.2: Relay omron MY2 24 VDC Hình4.3: Sơ đồ chân Relay Omron MY Trang 88 VDC Luận Văn Tốt Nghiệp Đế chân Relay (Hình 4.4) Hình 4.4 Trên thực tế mô hình không sử dụng tiếp điểm thường đóng Relay kết nối nguồn với ng PLC, chân số số bốn Relay đề trống Hình 4.5: Tiếp điểm thường đóng số không sử dụng Trang 89 Luận Văn Tốt Nghiệp  Hệ thống quạt: Hệ thống quạt mô hình tượng trưng cho hệ thống làm mát đồng thời hệ thống làm giàm độ ẩm hệ thống nuôi trồng hoa lan thực tế Mô hình lắp đặt nối tiếp hai cánh quạt 12 VDC: Hình 4.6: Quạt cm điện áp12 VDC  Hệ thống đèn: Hệ thống đèn mô hình tượng trưng cho hệ thống sưởi ấm cho hoa hệ thống thực Mô hình lắp đặt nối tiếp hai bóng đèn sợi tóc điện áp 12 VDC: Hình 4.7: Hai bóng đèn sợi tóc VDC công suất bóng W Trang 90 Luận Văn Tốt Nghiệp  Hệ thống báo động dến thời gian bón phân: Hệ thống chuông báo động thực tế thay mạch đổ chuông mô hình Trong mô hình gắn hai mạch reo chuông điện tử dành cho hệ thống báo động bón phân cho hai loại hoa Oncidium Dendrobium Mạch báo hoạt động điện áp 1.5VDC Hình 4.8: Mạch báo Vì ng PLC có điện áp 24 VDC mạch báo lắp đặt với điện trở hạn áp theo nguyên lý cầu phân áp  Công tắc hành trình: Ở hệ thống thưc tế đươc sử dụng cảm biến để xác định mực nước cho hoạt động máy bơm cấp I II Tuy nhiên điều kiện giới hạn nên mô hình xây dựng với hai công tắc hành trình: Trang 91 Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 4.9: Công tắc hành trình Hình 4.10: Công tắc hành trình phao  Biến trở nguồn : Để thay cảm biến nhiệt độ độ ẩm hệ thống thực tế mô hình thay hai biến trở nguồn điện theo nguyên lý cầu phân áp biến thiên giá trị điện áp ng vào analog Input khối EM235 Mô Trang 92 Luận Văn Tốt Nghiệp hình sử dụng biến trờ 10KΩ nguồn 10VDC để mô cảm biến nhiệt độ, sử dụng biến trở 100 KΩ nguồn để mô cảm biến độ ẩm Hình 4.11: Sơ đồ kết nối biến trở v i nguồn 4.1.2 Kết nối c c thiết ị Thiết lập hệ thống điện cho mô hình: Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mô hình Trang 93 Luận Văn Tốt Nghiệp Dựa sơ đồ ta biết khóa K khối điều kiện viết chương trình điều kiện thỏa mãn khóa K đóng lại thiết bị hoạt động Đồng thời dựa vào số lượng khóa K ta liệt kê sơ đồ ng PLC để tiến hành lắp đặt nút ng tương ứng mô hình Hình 4.13: Sơ đồ kết nối cá thiết bị ngoại vi v i PLC Trang 94 Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 4.14: Mô hình thực tế hoàn thành Giám sát kết nối WinCC, PLC Vì hệ thống giám sát Laptop cổng Com để kết nối với PLC nên cần phải có Converter Cable chuyển từ cổng USB sang cổng RS232 Hình 4.15: Cable chuyển từ cổng USB sang cổng RS Trang 95 Luận Văn Tốt Nghiệp Khi thực chạy hệ thống, tốc độ kết nối hình Run time WinCC với PLC mức 9,6 Kbps ( mức kết nối tối đa cho phép cable dùng hệ thống ) việc hiển thị thực có tượng không đồng bộ, hiệu ứng tren WinCC thị chậm khoảng 0,5s Và tìm hiểu, việc kết nối với hệ thống thực có cable hỗ trợ biệt cho việc kết nối ( lên tới 187,5 Kbps), việt đồng hóa trở nên đơn giản nhiều Hình 4.16: Máy bơm cấp I hoa Oncidium hoạt động đồng v i Q PLC Trang 96 Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 4.17: Máy bơm ch nh hoa oncidium hoạt động đồng v i Q0.0 PLC 4.2 Tổn Kết Chương trình thực chạy ổn định, theo ý tưởng người lập trình Hệ thống hoạt động cho sai số không đáng kể Tốc độ truyền tải từ máy tính với PLC hạn chế với hệ thống thực tế khác phục Ngoài chức đủ cho hệ tưới tiêu đơn giản hoạt động Ta điều khiển hệ thống hai cách: điều khiển nút nhấn máy tính chế độ ByHanh hay để hệ thống tự vận hành theo ngày tháng chế độ Auto Trong WinCC, ta kết nối lấy liệu từ ô nhớ, trạng thái bits…để thực điều khiển, giám sát thu thập liệu Tuy hệ thống chăm sóc giám sát nuôi trồng hoa lan không so với giới để đưa gần gũi với người dùng Việt Trang 97 Luận Văn Tốt Nghiệp điều khó khăn Vì đề tài nhằm đề cập đến tiện dụng , với mức chi phí hợp lý sử dụng PLC WinCC tạo nên mô hình chăm sóc hoa sử dụng sức người để làm tiền đề cho công đại hóa “ngành công nghiệp” hái tiền thúc đẩy khoa học kỹ thuật nước nhà phát triển Cũng thông qua đề tài này, em có hiểu biết sâu PLC thấy tiện dụng phần mền kèm Thế giới phát triển theo xu hướng 4.3 Hƣớn phát triển 4.3.1 Ph t Triển Theo Quy Mô Hệ thống thiết kế kế phần mền xây dựng phần cứng nhằm vào nhu cầu thực tế có khả áp dụng với thực tế cao Thiết kế mô hình phần cứng ch áp dụng cho hai loai hoa tương đồng yếu tố sinh trưởng hệ thống cảm biến ch chế độ giả lập đồng thời chương trình viết PLC ch dừng lại ngôn ngữ LADDER nhằm phù hợp với khả dễ khảo sát thực tế cho đề tài Do hướng phát triển hệ thống trước hết nhắm vào đa dạng loài hoa cho việc chăm sóc với quy mô công nghiệp diện rộng hoàn toàn tự động Hình 4.18: Một mô hình nhà k nh tương lai Trang 98 Luận Văn Tốt Nghiệp Đồng thời hệ thống nâng cấp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng…các hệ thống làm mát, làm khô, sưởi ấm hay hệ thống quan sát hệ thống thông báo cố thiết lập Nói chúng Đề tài phát triển theo mô hình nhà kính thông minh Greenhouse 4.3.2 Ph t Triển Theo Sự Tiện Dụng Và Bảo Mật Như nói Hệ thống phát triển quy mô tự động hóa cao việc giám sát trở nên phức tạp khó khăn Nắm r khía cạnh đó, việc phát triển đề tài nghiên cứu theo hướng bảo mật đặt Ta biết, WinCC (Windows Control Center) phần mềm tích hợp giao diện người máy IHMI (Integrated Human Machine Interface) cho phép kết hợp phần mềm điều khiển với trình tự động hoá Những thành phần dễ sữ dụng WinCC giúp tích hợp ứng dụng có sẵn mà không gặp trở ngại Nó cài đặt máy tính giao tiếp với PLC thông qua cổng COM1 COM2 (chuẩn RS-232) máy tính Do đó, cần phải có chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS 485 PLC Ngoài WinCC điều khiển giám sát Option “WinCC WebNavigator” - cho phép đưa giao diện lên Web Bằng cách ta giám sát điều khiển Interrnet đâu với điều kiện máy tính server phải kết nối internet Và hướng tới hệ thống kiểm soát hoàn toàn chiệc máy tính bảng Trang 99 Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 4.19: Phát triển theo hư ng giám sát toàn diện Trang 100