Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động hóa trong điều khiển tưới tiêu thủy lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ MINH QUANG HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Hưng i LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Vũ Minh Quang, Tổ trưởng tổ Điện – Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi, thầy dành nhiều thời gian tận tình bảo, hướng dẫn em suốt trình tìm hiểu, triển khai nghiên cứu đề tài Thầy người định hướng đưa nhiều góp ý q báu q trình em thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới tồn thể thầy giáo, giáo khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi dạy bảo tận tình, trang bị cho em kiến thức quý báu, bổ ích tạo điều kiện thuận lợi suốt trình em học tập nghiên cứu trường Em xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ln bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em suốt trình học tập thực luận văn Do có nhiều hạn chế thời gian kiến thức nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô bạn quan tâm Cuối em xin gửi lời chúc sức khỏe thành đạt tới tất quý thầy cô, quý đồng nghiệp tồn thể gia đình bạn bè Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU x Tính cấp thiết Đề tài: .x Mục đích Đề tài: .xi Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: xi Kết dự kiến đạt được: xi CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi 1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu: 1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu: 1.2 Sơ đồ phổ biến hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1.2.1 Nguồn nước 1.2.2 Bể hút nguồn hút 1.2.3 Trạm bơm .3 1.2.4 Máy bơm .4 1.2.5 Đặc điểm máy bơm nước 1.2.6 Bể xả .7 1.2.7 Ruộng .7 1.3 Vai trò hệ thống tưới – tiêu thủy lợi CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI ĐIỂN HÌNH 10 2.1 Khái niệm đại hóa hệ thống tưới 10 2.2 Hệ thống tưới truyền thống hệ thống tưới đại hóa 12 2.2.1 Hệ thống tưới truyền thống 12 2.2.2 Hệ thống tưới đại 14 2.3 Vai trò đại hóa hệ thống tưới .16 iii 2.4 Lựa chọn giải pháp điều khiển hệ thống bơm tưới tiêu thủy lợi 17 2.5 Sơ đồ hệ thống tưới cho nhiều đồng ruộng 22 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 TRONG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 26 3.1 Tổng quan thiết bị 26 3.2 Cấu trúc 30 3.3 Ngơn ngữ lập trình 31 3.4 Lựa chọn cấu hình PLC S7 – 1200 35 3.5 Lập trình ứng dụng 36 3.5.1 Sơ đồ chức 36 3.5.2 Khai báo biến ngõ Vào/Ra toán .41 3.5.3 Viết chương trình 45 CHƯƠNG GIẢI PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU TỪ XA VỀ PLC S7 - 1200 .46 4.1 Khái quát 46 4.2 Tổng quan mạng truyền thông MODBUS 47 4.2.1 Tầm quan trọng mạng MODBUS 47 4.2.2 Các dạng MODBUS phổ biến .48 4.2.3 Truyền thông RS485 50 4.3 Profibus 53 4.4 Profinet 56 4.3.1 Lớp thời gian thực 56 4.3.2 Các chế độ PROFINET 57 4.5 Module truyền thông GPRS/GSM CP1242-7 PLC S7 – 1200/1500 59 4.5.1 Ứng dụng Telecontrol 59 4.5.2 Cấu hình chế độ làm việc .60 CHƯƠNG THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT .65 5.1 Tổng quan giao diện giám sát HMI 65 5.2 Giới thiệu WinCC Professional: .69 5.3 Thiết kế giao diện HMI .70 5.3.1 Gán biến 70 5.3.2 Thiết kế giao diện 72 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .82 iv 6.1 Giới thiệu chương trình mơ PLCSIM 82 6.2 Mô chương trình hệ thống 84 6.3 Mô giao diện HMI 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu thủy lợi .4 Hình 2.1: Hệ thống ĐK & GS .18 Hình 2.2: Hệ thống SCADA 19 Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu 22 Hình 3.1: CPU PLC S7-1200 26 Hình 3.2: Vị trí module mở rộng 29 Hình 3.3: Sơ đồ kết nối PLC S7-1200, CPU 1214C-DC/DC/Relay .30 Hình 3.4: Cấu trúc PLC S7-1200 .31 Hình 3.5: Giao diện chương trình 32 Hình 3.6: Đặt tên dự án 33 Hình 3.7: Chọn chương trình làm việc 33 Hình 3.8: Chọn cấu hình PLC .34 Hình 3.9: CPU PLC S7-1200 chọn 35 Hình 3.10: Cấu hình PLC S7 - 1200 35 Hình 3.11: Sơ đồ chức hệ thống tưới tiêu thủy lợi .36 Hình 3.12: Sơ đồ tưới 38 Hình 3.13: Sơ đồ tiêu .40 Hình 4.1: PLC S7-1200 kết nối với module mở rộng .48 Hình 4.2: Mạng MODBUS RTU 48 Hình 4.3: Kết nối Modbus 49 Hình 4.4: ASCII .49 Hình 4.5: Truyền liệu 50 Hình 4.6: Mudbus TCP/IP ADU 50 Hình 4.7: Chuẩn giao tiếp RS485 51 Hình 4.8: Kết nối RS485 52 Hình 4.9: Hệ thống mạng dùng PROFIBUS DP 54 Hình 4.10: Mạng truyền thông PROFIBUS-PA 55 Hình 4.11: Hệ thống truyền thơng Ethernet Profibus .56 Hình 4.12: Profinet I/O 57 Hình 4.13: Hệ thống Profinet 58 Hình 4.14: Mạng truyền thơng khơng dây kết nối PLC với PC 59 Hình 4.15: Ứng dụng Telecontrol 60 Hình 4.16: Sơ đồ trình bày thành phần quan trọng module truyền thông PRS/GSM CP1242-7 .61 Hình 4.17: Quy trình làm việc module CP1242-7 61 Hình 4.18: Kết nối MODBUS chủ - tớ 64 Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống SCADA 67 Hình 5.2: Chọn hình HMI 73 Hình 5.3: Chọn Graphics 73 vi Hình 5.4: Đổi màu Graphics 74 Hình 5.5: Chọn graphics Categories 74 Hình 5.6: Tạo nút nhấn hiển thị mức nước 75 Hình 5.7: Màn hình HMI hồn chỉnh 75 Hình 6.1: Cửa sổ chương trình PLCSIM .82 Hình 6.2: Kết nối PLCSIM 83 Hình 6.3: Tải chương trình vào PLC .83 Hình 6.4: Ví dụ thêm biến mơ 84 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Mơ hình cơng nghệ SCADA 20 Bảng 3.1: So sánh dòng CPU S7-1200 27 Bảng 3.2: Các Module mở rộng 28 Bảng 3.3: Khai báo biến ngõ vào/ra 41 Bảng 4.1: So sánh RS422 với RS485 51 Bảng 5.1: Gán biến ngõ vào/ra toán 70 Bảng 5.2: Thêm số biến 72 viii 99 100 101 102 103 104 105 R s t count r để hiển thị mực nước dâng 106 107 108 Bộ s nsor 109 110 111 112 113 ... trò hệ thống tưới – tiêu thủy lợi CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI ĐIỂN HÌNH 10 2.1 Khái niệm đại hóa hệ thống tưới 10 2.2 Hệ thống tưới. .. pháp nghiên cứu: xi Kết dự kiến đạt được: xi CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới. .. cao ruộng để xả nước tưới tiêu dễ dàng 1.3 Vai trò hệ thống tưới – tiêu thủy lợi Tự động hóa xu tất yếu bối cảnh kinh tế hội nhập Các hệ thống tự động hóa lĩnh vực Thủy lợi - Thủy điện có vai trị