Đồ án trồng và chăm sóc rau tự động

Tính cấp thiết của đề tài: Trong những năm gần đây, đi kèm với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nóichung và cụ thể là lĩnh vực điều khiển tự động cùng với sự ra đời của các thiêt bị

Trang 1

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TRỒNG

VÀ CHĂM SÓC CÂY TỰ ĐỘNG

Hà Nội, tháng 4 năm 2018

Trang 2

TRÍCH YẾU ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC

1 Tên đề tài đồ án: “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát trồng và chăm sóc rau tự động”.

2 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong những năm gần đây, đi kèm với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nóichung và cụ thể là lĩnh vực điều khiển tự động cùng với sự ra đời của các thiêt bị

đo đạc và vận hành đại thì yêu cầu phải có một bộ điều khiển đủ mạnh để vận dụngđược hết khả năng vận hành của các thiết bị và tối ưu hóa chương trình điều khiển

là rất quan trọng Trong nhiều ngành công nghiệp hiện nay, bộ logic có thể lậptrình (Promamable Logic Controller-PLC ) là một thiết bị lập trình điều khiểnkhông thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa hiện đại vì các tínhnăng vượt trội của chúng trong lĩnh vực điều khiển tự động Với các lí do trên, đềtài nghiên cứu của đồ án được chọn là “Ứng dụng PLC Siemen trong điều khiển vàgiám sát hệ thống điều khiển vị trí”

3 Mục đích của đề tài: Tìm hiểu được các đặc điểm về cấu tạo, kĩ thuật và các

tập lệnh cơ bản của PLC Siemens Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình

để tiến hành thực hiện bài toán điều khiển vị trí Thông qua các nghiên cứu lýthuyết và các thử nghiệm số trên máy tính, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố bênngoài và các thiết bị

4 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng vào giải quyết bài toán

điều khiển với mô hình trong phòng thí nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lí thuyết kết hợp với thử nghiệm trên

máy tính

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội i

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình học tập và rèn luyện tại khoa Điện trường Đại Học Công Nghiệp

Hà Nội cùng với sự hướng dẫn và đôn đốc tận tình của thầy giáo Nguyễn Đăng Hảitôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học

Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy, người thầy đã động viên đãgiúp đỡ tôi nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để tôi vượt qua những ngàytháng khó khăn trong sự tìm tòi hiểu biết về lĩnh vực mới để rồi cuối cùng hoànthành được đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay Một lần nữa xin được gửi lời cảm ơnđến Thầy, chúc Thầy luôn mạnh khỏe có được những tháng năm công tác tốt nhưthầy mong đợi

Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện đã dìu dắt tôicho tôi kiến thức, cho tôi kiến thức chuyên nghành và những kinh nghiêm quýbáucùng với sự nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp hôm nay Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè và tất cả những người thân củatôi đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có kết quả đồ án như ngày hômnay

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội ii

Trang 4

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC i

MỤC LỤC iv

PHỤ LỤC ẢNH vii

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ix

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN x

LỜI NÓI ĐẦU xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung về mô hình 1

1.1.1 Khái niệm trồng cây, gieo hạt 1

1.1.2 Khái niệm về tưới nước 2

1.1.3 Ý nghĩa tưới tiêu cho cây trồng 3

1.2 Hướng giải quyết và nguyên lý hoạt động của mô hình 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 CỦA SIEMENS 5

2.1 Hình dạng bên ngoài 5

2.2 Cấu trúc bên trong 7

2.3 Sơ đồ đấu dây 8

2.4 Module mở rộng 9

2.5 Các ngôn ngữ lập trình 10

2.5.1 Ngôn ngữ lập trình LAD ( ladder logic ) 10

2.5.2 Ngôn ngữ lập trình FBD (Funtion Block Diagram) 12

2.6 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Protal STEP7 Basic 12

2.6.1 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển 13

2.6.2 Giao diện phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic 13

2.6.3 Các bước tạo một Project mới 14

2.6.4 Nạp chương trình xuống PLC 16

2.6.5 Giao tiếp giữ máy tính và PLC 16

2.6.6 Tập lệnh của PLC S7-1200 17

2.6.6.1 Công tắc, tiếp điểm 17

2.6.6.2 Lệnh đào bit, lệnh sườn 18

2.6.6.3 P_TRG và N_TRIG 19

2.6.6.4 Lệnh định thời 20

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

iii

Trang 5

2.6.6.5 Lệnh đếm (counter) 21

2.6.6.6 Lệnh so sánh 23

2.6.6.7 Lệnh cộng - trừ 24

2.6.6.8 Lệnh nhân chia 24

2.6.6.9 Lệnh NEG ( phủ định ) 25

2.6.6.10 MIN và MAX 25

2.6.6.11 Nhóm lệnh toán logic 26

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG ĐỒ ÁN 28

3.1 Cảm biến độ ẩm đất 28

3.1.1 Công dụng 28

3.1.2 Mô tả nguyên lý hoạt động 29

3.1.3 Ứng dụng 30

3.2 Rơ le trung gian 31

3.2.1 Các loại rơ le trung gian 31

3.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của rơ le trung gian 31

3.2.3 Công dụng của rơle trung gian 32

3.2.4 Ứng dụng của relay hiện nay 32

3.3 Động cơ bước 33

3.3.1 Giới thiệu động cơ bước 33

3.3.2 Cấu tạo động cơ bước 33

3.3.3 Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước 34

3.3.4 Mạch điều khiển động cơ bước 39

3.4 Máy bơm mini thổi và hút hai chiều đa năng 41

3.5 Nguồn nuôi 42

3.5.1 Các loại bộ nguồn 24VDC 43

3.5.2 Nguồn 12V 44

3.5.3 Nguồn 5V 45

3.6 Nút ấn 46

3.7 Công tắc hành trình 47

3.7.1 Cách đấu dây và sơ đồ công tắc hành trình 49

3.7.2 Nguyên lý công tắc hành trình 49

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN, LẬP TRÌNH VÀ KẾT NỐI CHO HỆ THỐNG 51

4.1 Lưu đồ thuật toán 51

4.1.1 Lưu đồ tổng quát 51

4.1.2 Lưu đồ khối 51

iv

Trang 6

Cài đặt: 53

4.2 Sơ đồ đấu dây 55

4.3 Địa chỉ đầu ra đầu vào 56

4.3.1 Input 56

4.3.2 Output 56

4.3.3 Data 57

4.4 Xây đựng chương trình 57

4.4.1 Chương trình main chính 57

4.4.2 Chương trình FC8 58

4.5 Màn hình giao diện điều khiển 61

4.5.1 Màn hình chính 61

4.5.2 Màn hình cài đặt 62

4.5.3 Màn hình chạy và kiểm tra 62

4.5.4 Giao diện giám sát lỗi và cảnh báo 63

4.5.5 Giao diện cảnh báo độ ẩm quá cao 63

KẾT LUẬN CHUNG 77

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội v

Trang 7

PHỤ LỤC ẢNH

Hình 2.1 Hình dạng bên ngoài 6

Hình 2.2 Cấu trúc bên trong 7

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây 8

Hình 2.4 Module mở rộng 9

Hình 2.5 Phương pháp lập trình điều khiển 10

Hình 2.6 Chương trình LAD 10

Hình 2.7 Chương trình FBD 12

Hình 2.8 Thiết kế chương trình điều khiển 13

Hình 2.9 Giao diện phần mềm 13

Hình 2.10 Biểu tượng Tia Portal 14

Hình 2.11 Create new project để tạo dự án 14

Hình 2.12 Nhập tên dự án vào Project name 15

Hình 2.13 Chọn configure a device 15

Hình 2.14 Chọn add new device 16

Hình 2.15 Project mới được tạo ra 16

Hình 2.16 Giao diện Menu 17

Hình 2.17 Giao diện giữa máy tính và PLC 18

Hình 3.1 Cảm biến độ ẩm 31

Hình 3.2 Rơ le trung gian 34

Hình 3.3 Động cơ bước 37

Hình 3.4 Cấu tạo động cơ bước 38

Hình 3.5 Xung điện áp cuộn Staror 39

Hình 3.6 Phương pháp cung cấp điện 39

Hình 3.7 Hệ thống sử dụng động cơ bước 41

Hình 3.8 Bảng tiêu chuẩn về bước góc 42

Hình 3.9 Mạch điều khiển động cơ bước 43

Hình 3.10 Bơm hút chân không mini 44

Hình 3.11 Bộ nguồn 12V 5A 47

Hình 3.12 Bộ nguồn 5V 5A 48

Hình 3.13 Nút ấn 49

Hình 3.14 Thông số kỹ thuật nút ấn 50

Hình 3.15 Công tắc hành trình 51

Hình 3.16 Cách đấu dây 52

Hình 3.17 Công tắc hành trình kiểu tế vi 53

Hình 3.18 Công tắc hành trình kiểu đòn 53

vi

Trang 8

Hình 4.1 Lưu đồ tổng quát 53

Hình 4.2 Lưu đồ khối 54

Hình 4.3 Lưu đồ lấy hạt 54

Hình 4.4 Lưu đồ tính toán vị trí 55

Hình 4.5 Lưu đồ tưới cây 56

Hình 4.6 Lưu đồ delay 56

Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây mạch nguồn 57

Hình 4.8 Sơ đồ đấu dây mạch điều khiển 57

Hình 4.9 Địa chỉ Input 58

Hình 4.10 Địa chỉ output 58

Hình 4.11 Danh sách data 59

Hình 4.12 Chương trình main chính 59

Hình 4.13 Chương trình Runstop 60

Hình 4.14 Chương trình WinCC 60

Hình 4.15 Chương trình Run Axic And Home 60

Hình 4.16 Chương trình lấy hạt 60

Hình 4.17 Chương trình Run vị trí 61

Hình 4.18 Chương trình tính toán vị trí 61

Hình 4.19 Chương trình trao đổi dữ liệu 61

Hình 4.20 Chương trình tưới cây theo giờ 62

Hình 4.21 Chương trình chạy tưới cây 62

Hình 4.22 Chương trình Run về vị trí nghỉ 62

Hình 4.23 Chương trình test 63

Hình 4.24 Giao diện màn hình chính 63

Hình 4.25 Màn hình cài đặt 64

Hình 4.26 Màn hình chạy và kiểm tra 64

Hình 4.27 Giao diện giám sát lỗi và cảnh báo 65

Hình 4.28 Giao diện cảnh báo độ ẩm quá cao 65

vii

Trang 9

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

- -1 Về thái độ, ý thức của sinh viên:

2 Về đạo đức, tác phong:

3 Về năng lực chuyên môn:

4 Kết luận

Nhận xét:

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2018

Giảng viên hướng dẫn

viii

Trang 10

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

- -

Hà Nội, ngày……tháng……năm 2018 Giảng viên phản biện Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

ix

Trang 11

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người.Làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại Kỹ thuậtđiện, điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thaythế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao

Kỹ thuật điện,điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiềulĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điềukhiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ khôngngừng của các lĩnh vực này

Tại các nước phát triển, những tiến bộ công nghệ hầu như được các nhà khoahọc áp dụng vào trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và trong sản xuất Chínhnhờ đó mà chúng đem lại năng suất hiệu quả cao trong công việc

Tuy nhiên ở Việt Nam, một nước có ngành sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọnglớn thì việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp nói riêng và và cây trồng nóichung còn rất hạn chế

Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên,

và với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năngsuất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao,đòi hỏi chất và lượng nâng cao Những trung tâm nghiên cứu và trồng cây giống,cây cảnh, rau quả siêu sạch trong nhà kính xuất hiện Do đó cần đến các thiết bị kỹthuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môi trườngnhư: nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giaiđoạn phát triển của cây trồng

Với những thành tựu phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật sẽ tạonên một nền nông nghiệp công nghệ cao, một nền nông nghiệp hoàn toàn không

lệ thuộc vào khí hậu tự nhiên Đây có thể là bước đột phá của nền nông nghiệp,

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội x

Trang 12

làm thay đổi phương thức sản xuất tăng năng suất sản phẩm, phù hợp với xu thếcông nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước

Là sinh viên chuyên ngành Điện sau khi được học tập và nghiên cứu nhiều họcphần liên quan đến lập trình, thiết kế, điều khiển tự động và đăng ký đồ án mônhọc tại trường Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, chúng em quyết định lựa

chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát trồng và chăm sóc rau tự

động” để làm đề tài cho học phần đồ án do thầy Nguyễn Đăng Hải hướng dẫn.

xi

Trang 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về mô hình

Việc đầu tư khoa học và công nghệ tiên tiến vào sản xuất nông nghiệp đem lạinăng suất và chất lượng cao là xu hướng tất yếu của nền nông nghiệp hiện đạitrong tương lai ở nước ta

Để đáp ứng nhu cầu trồng rau, cây ăn quả sạch hữu cơ trên quy mô lớn chúng

em đã nghiên cứu, triển khai và thực hiện chế tạo hoàn thiện hệ thống trồng và tướicây tự động với giá thành thấp, hiệu quả cao, dễ sử dụng Mỗi hệ thống bao gồmcác chi tiết là: cảm biến độ ẩm đất, van điện, động cơ bước,…

Mô hình trồng và tưới cây tự động là tự động chăm sóc từng cây một lần, chophép chúng ta nhanh chóng thiết kế và chạy các thí nghiệm để kiểm tra các phươngpháp phát triển khác nhau, số lượng đầu vào, thời gian và hơn thế nữa, tất cả chỉbằng một phần chi phí nhỏ So với các thử nghiệm truyền thống, mô hình cónhững ưu điểm khác biệt:

1.1.1 Khái niệm trồng cây, gieo hạt

Cùng với sự phát triển của rất nhiều loại máy móc phục vụ cho nhu cầu nângcao năng suất và sản lượng các loại cây nông nghiệp hiện nay, máy trồng cây gieohạt cũng là loại hình máy nông nghiệp được nhiều nước quan tâm nghiên cứu vàsản xuất nhờ ứng dụng của nó đối với ngành sản xuất nông nghiệp ngày càng đượcTrường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 1

Trang 14

coi trọng Chính vì thế việc nghiên cứu và chế tạo các loại máy móc tự động sẽđược đẩy mạnh để thay thế sức lao động của con người, góp phần cải thiện đờisống nhân dân, phát triển nền kinh tế.

Trong nông nghiệp, có rất nhiều loại cây trồng nông sản khác nhau nên cáchthức gieo trồng cũng khác nhau để đạt được sản lượng cao Do đó ta cần phải cókhoảng cách gieo trồng phù hợp đối với từng loại cây trồng Khác với các loại máytrồng cây gieo hạt khác đang có trên thị tường Máy giao hạt bán tự động của nhómchúng em, mô hình có cấu tạo đơn giản, người gieo hạt có thể dễ dàng điều chỉnhkhoảng cách và mật độ trên một diện tích trồng

Trên thị trường trong và ngoài nước có ba loại máy gieo hạt phổ biến là: máygieo kiểu khí động học ( kiểu chân không ), kiểu trục cuốn và máy gieo kiểu đĩa.Cân nhắc sự phù hợp và chi phí sản xuất, chúng em chọn phương án chế tạo loạimáy gieo chân không đơn giản, theo nguyên lý cơ học để áp dụng vào thực tiễn vớigiá thành giảm, kết cấu đơn giản

Nhờ động cơ dẫn động, người sử dụng có thể điều khiển để máy di chuyểntrên mặt ruộng Bộ phận hút và nhả hạt gồm bộ lấy và nhả hạt đặc biệt được thiết

kế gồm một thanh rỗng được gắn các kim nhỏ có khả năng nhặt hạt từ khay đựngbằng lực hút của động cơ hút, hút hạt vào đầu kim và nhả chính xác vào các ống bỏhạt nhờ một bộ phận ngắt lực hút Tuy nhiên, các bộ phận trên máy có thể dễ dàngtháo lắp, thay đổi kích cỡ và công suất để phù hợp với các loại hạt khác nhau

1.1.2 Khái niệm về tưới nước

Hệ thống tưới cây là một công cụ để chuyển tải một lượng nước như nhau từnguồn nước đến các điểm khác nhau của đồng ruộng với mật độ bao phủ đồng đềucao và cho phép sử dụng cung cấp nước, phần hòa tan trong nước phù hợp chotừng giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây trồng

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 2

Trang 15

Cây trồng luôn luôn cần nước để phát triển Khi đất bị do ít nước, bốc hơi lớn,khô nóng hạn hán, cây trồng có thể bị hại do ngập úng, lúc đó ta cần phải tiêu thoátnước.

1.1.3 Ý nghĩa tưới tiêu cho cây trồng

Nước là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn sự sinh trưởng và phát triểncủa cây trồng Trong sản xuất nông nghiệp, nước trên đồng ruộng luôn luôn thayđổi Sự thay đổi đó làm cho đất phát triển theo hai hướng trái ngược nhau – đấtngày càng tốt lên hay ngày càng xấu đi Nếu chúng ta nắm vững quy luật biến đổicủa chế độ nước và sử dụng hợp lý các nguồn nước ở từng vùng thì độ phì của đấtngày càng tăng lên hoặc hạn chế đến mức thấp nhất sự phát triển xấu đi của đấtđai Ngược lại nếu không nắm vững quy luật biến đổi của chế độ nước và sử dụngkhông hợp lý nguồn nước thì độ phì của đất giảm dần, đất bạc màu, một số nơi đất

có thể bị hóa mặn, thậm chí không sử dụng đất để trồng trọt được nữa Rõ ràngnước là yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành đất

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện đại, người ta đã biếnhàng triệu hecta đất khô cằn, đất lầy, đất mặn thành đất trồng trọt phì nhiêu Mộttrong những đối tượng chính của sản xuất nông nghiệp là cây trồng Muốn năngsuất cây trồng ngày càng cao và ổn định cần thỏa mãn các điều kiện sống của nó.Các điều kiện đó là: nước, chất dinh dưỡng , ánh sáng, nhiệt độ, không khí Cácđiều kiện sống của cây trồng liên quan mật thiết với nhau và tuân theo quy luậtkhông thay thế Tuy nhiên, chế độ nước có ảnh hưởng rõ rệt đến chế độ nhiệt,không khí, và dinh dưỡng trong đất Trong tự nhiên phân bố không đều cả vềkhông gian và thời gian, không phù hợp với nhu cầu nước của cây trồng Lượngnước đến ( nước mưa hoặc nước ngầm ) quá nhiều hay quá ít so với lượng nướctiêu hao thì cây trồng bị úng hoặc bị hạn Vì vậy, điều tiết chế độ nước phù hợp vớinhu cầu nước của cây trồng là một biện pháp kỹ thuật quan trọng đối với tăng vụtăng năng suất cây trồng và nâng cao độ phì nhiêu của đất Thực tiễn sản xuất ở

Trang 16

nhiều vùng khô hạn trên thế giới thấy rằng sản phẩm thu được trên diện tích đượctưới tăng từ 2 đến 3 lần sản phẩm thu được trên đất không được tưới.

1.2 Hướng giải quyết và nguyên lý hoạt động của mô hình

Để vận hành mô hình hoạt động, đầu tiên ta bật chế độ hoạt động Ta cần thiếtlập các khoảng cách như chiều dài, chiều rộng, khoảng cách chiều dài, khoảngcách chiều rộng giữa các cây, tốc độ của các trục, … Cài đặt thời gian tưới vàkhoảng cách thời gian giữa 2 lần tưới, nhập vị trí khay để hạt

Thuật toán tính toán vị trí làm nhiệm vụ tính toán tất cả các vị trí trồng trongkhung trồng đã có sẵn Sau đó lưu giá trị theo hàm, và các trục di chuyển lấy dữliệu từ hàm đã có sẵn và di chuyển đến các vị trí Quá trình di chuyển trục x và y dichuyển tới 1 vị trí cùng 1 lúc trong khung hoạt động

Quá trình tưới cây sẽ có thêm chức năng đo nhiệt độ để tính toán thời giantưới cho hợp lý Thời gian tưới sẽ đc nhập trên màn hình wincc

Khi độ ẩm đất trong khoảng 0~20% thì thời gian tưới sẽ bằng thời gian tưới nhập Nếu độ ẩm đất trong khoảng 20~40% thời gian tưới sẽ bằng 80% thời gian nhập.Nếu độ ẩm đất trong khoảng 40~60% thời gian tưới sẽ bằng 50% thời gian nhập.Nếu độ ẩm đất trong khoảng 60~80% thời gian tưới sẽ bằng 30% thời gian nhập.Nếu độ ẩm lớn hơn 80% thì sẽ dừng tưới, xuất hiện cảnh bảo và bỏ qua lần tưới đó

và chuẩn bị cho lần tưới tiếp theo

Để chạy thử mô hình hoạt động Ta có thêm chức năng “Test” để chạy dò vịtrí hạt, chạy thử các chức năng như hút hạt, nhả hạt và tưới nước

Bước cuối cùng là về home để các trục sẵn sàng hoạt động và bấm trồng cây

Hệ thống sẽ tự động hoạt động

Trang 17

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 CỦA SIEMENS

PLC S7-1200 là viết tắt của Programmable Logic Controller là những kếthợp I/O và các lựa chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC-hoặc VDC- các bộ nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay Các module tín hiệu

để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điềukhiển Tất cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêuchuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chi phí lắp đặt.Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8,16,

và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog Bên cạnh đó, bảng tín hiệutiên tiến có trong I/O số có 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điềukhiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian Thiết kế cóthể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, vớikhả năng tương thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khichuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn

Các đặc diểm khác: bộ nhớ trong của PLC 50 KB gồm bộ nhớ dữ liệu và bộnhớ chương trình, một đồng hồ thời giam thực, 16 vòng lặp PID với khả năngddiefu chienh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối

ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng Simatic S7-1200cũng có một cồng giao tiếp Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thứcProfinet cho lập trình, kết nối HMI/ SCADA hay nối mạng PLC với PLC đơn giản

và thuận tiện cho người sử dụng

2.1 Hình dạng bên ngoài

Hình 2.1 Hình dạng bên ngoàiTrường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 5

Trang 18

- CPU 1214C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu (SB) và 3 module giao tiếp (CM).

- Các đèn báo trên CPU 1212C:

STOP / RUN (cam/xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạpvào bộ nhớ

ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thức hiện chương trình đãxảy ra lỗi

MANIT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào haykhông

LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền Đèn cổng vào ra:Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổngIx.x đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc

Qx.x(đèn xanh): Đèn xanh ỏ cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổngQx.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

2.2 Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản:

bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất – nhập

Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý, biêndịch các tín hiệu nhập, và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trìnhđược lưu trong bộ nhớ PLC, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt độngđến các thiết bị xuất

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC 24V cầnthiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các modune giao tiếp nhập và xuất hoạtđộng

Trang 19

Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điềukhiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

Các thành phần nhập và xuất (input-output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từcác thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu nhập

có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến…Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dâycảu bộ khởi động động cơ, các van solenoid

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trìnhhay bằng máy vi tính

2.3 Sơ đồ đấu dây

Ở đây chọn CPU 1212C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:

Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC và các thông

số điện áp được thể hiện trong hình

Hình 2.2 Cấu trúc bên trong

Trang 20

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dâyNguồn cung cấp cho PLC là 100-230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz Điện

áp có thể thay đổi trong khoản từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêu thụ là 20A.Nguồn cung cấp là 24VAC Điện áp có thể tháy đổi trong khoảng20.4V – 28.8Vdong tiêu thụ 20A

Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC Các ngõ ra củaPLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC Ngõ vào ở mức 1 khi côngtắc đóng hay điện áp => 15VDC Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên “1” và từ “1”xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được

Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC Tùy theo cầu thực tế

mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó

Trang 21

2.4 Module mở rộng

Họ PLC

s7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng và một mạch tín hiệu cho bộ

xử lý có khả năng mở rộng Ngoài ra bạn có thể cài đặt thêm 3 module giao tiếpnhờ vào các giao thức truyền thông

Phương pháp lập chương trình điều khiển

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển lập trình,cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình

Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của 1máy tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điềukhiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây ben ngoài Qua đó ta thấy được ưuđiểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiểnphần cứng Do đó phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điềukhiển vì nó rất mềm dẻo

Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

Module mở rộng Hình 2 1 Module mở rộng

Hình 2.4 Module mở rộng

Trang 22

2.5 Các ngôn ngữ lập trình

2.5.1 Ngôn ngữ lập trình LAD ( ladder logic )

Chương trình LAD bao gồm cột dọc biểu diễn nguồn điện logic cùng với các

kí hiệu công tắc logic tạo thành một nhánh mách điện logic nằm ngang.Ở hình bên,logic điều khiển được được biểu diễn bằng 2 công tắc thường đóng và một ngõ rarelay logic

Các kí hiệu công tắc trên được dung để xây dựng lên bất kì mạch logic nào:

sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho một ứng dụngTrường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

10

Hình 2 2 Chương trình LAD Hình 2.5 Phương pháp lập trình điều khiển

Hình 2 Chương trình LAD

Trang 23

có logic điều khiển phức tạp ĐIều cần thiết cho công việc thiết kế chương trìnhladder là lập tài liệu về hệ thống mà mô tả hoạt động của chúng để người sử dụnghiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác.

Các quy ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được kết nốivới đường dây này

Mỗi lấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điềukhiển

Sơ đồ thang được đọc từ trái sáng phải và từ trên xuống Lấc ở đỉnh than đượcđọc từ trái sang phải lấc thức 2 tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế

đọ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lạinhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu trình quét

Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất mộtngõ ra

Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, côngtắc thường hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóngđước trình bày ở trạng thái đóng

Thiết bị bất kì có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một role đóngmột hoặc nhiều thiết bị

Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng Kí hiệu tùy hteo nhàsản xuất quy định

11

Trang 24

2.5.2 Ngôn ngữ lập trình FBD (Funtion Block Diagram)

Hình 2.6 Chương trình FBDPhương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ không tiếp điểmdùng các cổng logic (thường dùng theo ký tự của EU)

Theo phương pháp này các tiếp điểm ghép nối tiếp thay thế bằng cổng AND,các tiếp điểm ghép song song được thay thế bằng cổng OR, các tiếp điểm thườngđóng có cổng NOT Phương pháp này thích hợp cho người dùng sử dụng kiến thức

về điện tử mà đặc biệt là mạch số

2.6 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Protal STEP7 Basic

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một môi trường thânthiện với người dùng, từ hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điều chỉnh logic cần thiết đếnứng dụng điều khiển

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp công cụ cho quản lý và cấu hìnhtất cả các thiết bị trong project, ví dụ như: PLCs vá thiết bị HMI SIMATIC TIAPortal STEP7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và FBD), thích hợp váhiệu quả trong cải tiến lập trình điều khiển trong ứng dụng Ngoài ra SIMATICTIA Portal STEP7 Basic còn cung cấp bộ công cụ tạo và cáu hình thiết bị HMI.SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến

vá cung cấp 2 chế độ hiển thị khác nhau: a project-oriented view và a task-orientedset of portals

12

Trang 25

2.6.1 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển

2.6.2 Giao diện phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows,phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC

13

Hình 2.7 Thiết kế chương trình điều khiển

Hình 2.8 Giao diện phần mềm

Trang 26

2.6.3 Các bước tạo một Project mới

Để tạo một project mới ta thực hiện theo các bước sau:

Từ giao diện chính của phần mềm, chọn Start / Create new project / Create/ Creat aPLC program / Main Lúc này vùng soạn thảo chương trình dưới dạng Ladder hiệnra

Bước 1:Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal

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

14

Hình 2.9 Biểu tượng Tia Portal

Hình 2.10 Create new project để tạo dự án

Hình 2.11 Nhập tên dự án vào Project name

Trang 27

Bước 4 : Chọn configure a device

Bước 5 : Chọn add new device

Bước 6 : Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Bước 7 : Project mới được hiện ra

15

Hình 2.12 Chọn configure a device

Hình 2.13 Chọn add new device

Hình 2.14 Project mới được tạo ra

Trang 28

2.6.4 Nạp chương trình xuống PLC

Để nạp chương trình xuống PLC chúng ta thực hiện các bước sau:

Thiết lập PLC: Từ giao diện soạn thảo chính chọn Add new device / chọn loạiPLC Sau đó chọn Online access để lấy địa chỉ IP để kết nối PLC với máy tính.Chọn PLC ở chế độ STOP bằng cách từ menu chính chọn

Online / STOP hoặc click trái chuột lên biểu tượng JS trên thanh công cụ Lúc nàytrên giao diện xuất hiện hộp thoại thông báo xác nhận việc chọn PLC ở chế STOP,chọn yes

• Từ menu chính chọn Online / download to device hoặc click trái chuột lên biểutượng JJ từ thanh công cụ để nạp chương trinh xuống PLC

Hình 2.15 Giao diện Menu

2.6.5 Giao tiếp giữ máy tính và PLC

Do PLC có hỗ trợ sẵn dây cáp nối với máy tính nên ta chỉ cần nối PLC với máytính PC qua dây cáp

16

Trang 29

2.6.6 Tập lệnh của PLC S7-1200

2.6.6.1 Công tắc, tiếp điểm

Công tắc thường hở (Normally open, viết tắc là NO) vá công tắc thường đóng(Normally Closed, viết tắc là NC) Đối với PLC, mỗi công tắc đạidiện cho trạngthái một bit trong bộ nhớ dữ liệu hay vùng ảnh của các đầu vào, ra Công tắcthường hở (ON - nghĩa là cho dòng điện đi qua) khi bit bẳng 1 còn công tắc thườngđóng (ON - nghĩa là không cho dòng điện đi qua) khi bit bằng 0

Trong LAD, các lệnh này biểu diễn bẳng chính các công tắc thường hở và thườngđóng Trong FBD, các công tắc thường hở được biểu diễn như các đầu vòa hoặc racủa các khối chức nảng AND, OR hoặc XOR Công tắc thường đóng được biểudiễn them dấu đảo(vòng tròn nhỏ) ở đầu vào tương ứng

Các ví dụ minh họa:

Ladder (LAD):

Công tắc thường hở:

Q0.0 on thảo mãn điều kiện:

17

Hình 2.16 Giao diện giữa máy tính và PLC

Trang 30

18

Trang 31

đi qua trong khoảng thời gian bằng thời gian một vòng quét khi đầu vào của nó có

sự thay đổi mức từ 1 xuống 0

Trong LAD, các lệnh này được biểu diễn cũng như các công tắc

Trong FDB, các lệnh này được biểu diễn bằng các khối chức năng

Trang 32

COIL (côn dây)

Trang 35

 Bộ đếm lên/xuống ( counter up/down )

23

Trang 37

ADD: cộng hai số (IN1 + IN2 = OUT)

SUD: trừ hai số (IN1 – IN2 = OUT)

Thông số

2.6.6.8 Lệnh nhân chia

MUL: nhân 2 số ( IN1 * IN2 = OUT)

DIV: chia 2 số (IN1 / IN2 = OUT)

2.6.6.9 Lệnh NEG ( phủ định )

Dùng để đảo ngược các kí tự số học ở ngõ vaog IN và lưu trữ kết quả ở OUT

25

Trang 40

Gán một trong hai giá trị tham số vào cho tham số OUT, tùy thuộc vào giá trị củatham số G.

28

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	3,92 MB