Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ nhà kính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NHÀ KÍNH Sinh viên thực hiện: Lớp: HỒNG QUỐC TRÍ 54K2 KTĐK - TĐH Giảng viên hướng dẫn: ThS TẠ HÙNG CƯỜNG Nghệ An, 05-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NHÀ KÍNH Sinh viên thực hiện: Lớp: HỒNG QUỐC TRÍ 54K2 KTĐK - TĐH Giảng viên hướng dẫn: ThS TẠ HÙNG CƯỜNG Cán phản biện: ThS HỒ SỸ PHƯƠNG Nghệ An, 05-2018 LỜI NÓI ĐẦU Xuất phát từ mong muốn áp dụng kiến thức học để giải tốn thực tế, chúng tơi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính” phục vụ cho nơng nghiệp cơng nghệ cao Việt Nam Bước đầu nghiên cứu em thu kết định việc nắm bắt kiến thức cơng nghệ nhà kính, bước sâu nghiên cứu thiết kế mơ hình nhà kính, hệ thống điều khiển tự động hóa nhà kính Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu này, em giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình việc tạo điều kiện tối đa thầy giáo hướng dẫn để chúng em hồn thành tốt đồ án Mặc dù vậy, kiến thức hạn chế thời gian có hạn, quy mơ cấu trúc nhà kính trồng rau thực tế lớn phức tạp, nội dung mà em đạt đồ án đáp ứng phần nhỏ yêu cầu đặt để xây dựng nhà kính trồng rau thương mại Hy vọng em tiếp tục nghiên cứu sau đồ án kết thúc để bước nắm bắt hoàn tồn cấu trúc cơng nghệ nhà kính thương mại, hợp tác với chuyên gia lĩnh vực khác sinh học, xây dựng để hồn thiện phát triển mơ hình nhà kính thương mại phù hợp với loại trồng khác Việt Nam Em mong nhận góp ý kiến từ Q thầy để em kịp thời khắc phục sửa chữa sai sót mắc phải Một lần em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy Tạ Hùng Cường dành cho em, chúc quý thầy cô sức khoẻ, đạt nhiều thành công đường nghiệp Sinh viên thực Hồng Quốc Trí TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày q trình phân tích, thiết kế chế tạo mơ hình giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính để phục vụ cho nhu cầu cấp thiết sống Đồ án nghiên cứu tổng quan PLC siemen S7 300, giải tốn lập trình Đồng thời thiết kế mơ hình giám sát điều khiển nhiệt độ sở PLC siemen S7 300 WinCC Kết đồ án thiết kế mơ hình giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính sử dụng cảm biến đo nhiệt độ PT100 chuyển đổi tín hiệu T120 ABSTRACT This program is present the parse, design and creating the monitor model and the screen temperature control for the server for the level of the level For the lesson of the research of PLC siemen S7 300, extract the programming codes Watch monitor model and the temperature on the PLC siemen S7 300 and WinCC database Result of the given map that the monitor model and the screen temperature control using PT100 coupler sensor with the T120 signaling switch MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH 1.1 Tổng quan mơ hình trồng rau nhà kính 1.1.1 Nhà kính giới 1.1.2 Nhà kính Việt Nam 1.2 Cơng nghệ nhà kính 1.2.1 Khái niệm nhà kính 1.2.2 Cấu trúc phân loại nhà kính 1.3 Các thông số điều khiển nhà kính thơng minh đặc trưng 10 1.3.1 Các yêu tố để trồng sinh trưởng phát triển 10 1.3.2 Kiểm sốt thơng số nhà kính 13 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NHÀ KÍNH 21 2.1 Thiết bị sử dụng đề tài 21 2.1.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Seneca T120 21 2.1.2 Đầu dò nhiệt độ PT100 loại dây RBA 22 2.1.3 Relay trung gian 23 2.1.4 Động chiều có giảm tốc 23 2.1.5 Bơm mini chiều 25 2.1.6 Nút nhấn 26 2.2 Bộ điều khiển PLC Siemen S7 – 300 26 2.2.1 Giới thiệu 26 2.2.2 Địa gán địa 29 2.2.3 Các lệnh lập trình step 31 2.3 Thết kế phần cứng lắp ráp mô hình 37 2.3.1 Chi tiết phần kéo che nắng 37 2.3.2 Chi tiết quạt thơng gió 37 2.3.3 Chi tiết bơm phun sương 38 2.3.4 Hệ thống bóng chiếu sáng 38 2.3.5 Chi tiết cảm biến đo nhiệt độ 39 2.3.6 Bản vẽ điện 39 2.3.7 Lắp ráp mơ hình hồn chỉnh 43 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 45 3.1 Tổng quan WinCC 45 3.1.1 Giới thiệu WinCC 45 3.1.2 Các thành phần WinCC 46 3.2 Thiết kế, mô giao diện điều khiển giám sát 49 3.2.1 Tạo Project Wincc 49 3.2.2 Thiết kế giao diện 50 3.2.3 Thiết lập thuộc tính hình ảnh 52 3.3 Kết đề tài 53 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 Kết luận 57 Định hướng phát triển mơ hình nhà kính 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Một nơng trang sa mạc Israel Hình 1.2: Nhà kính trồng rau theo cơng nghệ Úc Hình 1.3: Nhà kính trống rau Việt Nam Hình 1.4: Các cấu trúc nhà kính thương mại Hình 1.5: Thiết kế mái mở thơng gió 14 Hình 1.6: Quạt thơng gió cưỡng 15 Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống làm mát nhà kính nơng nghiệp 15 Hình 1.8: Hệ thống lưới che nắng đặt bên đóng mở motor 16 Hình 1.9: Hệ thống phun sương làm mát nhà kính 16 Hình 1.10: Cây hấp thụ mạnh ánh sáng đèn led xanh đỏ 17 Hình 1.11: Hệ thống tưới nhỏ giọt Netafim Vũng Tàu 19 Hình 2.1: Bộ chuyển đổi Seneca T120 21 Hình 2.2: Đầu dò nhiệt PT100 22 Hình 2.3: Sơ đồ chân cảm biến 22 Hình 2.4: Relay trung gian 23 Hình 2.5: Động chiều có giảm tốc 25 Hình 2.6: Bơm mini 25 Hình 2.7: Nút nhấn 26 Hình 2.8: PLC Siemen S7 – 300 27 Hình 2.9: Các khối module PLC S7 – 300 27 Hình 2.10: Địa khe kênh module số 29 Hình 2.11: Địa khe kênh module tương tự 30 Hình 2.12: Tấm che nắng 37 Hình 2.13: Quạt thơng khí 37 Hình 2.14: Bơm đầu phun sương 38 Hình 2.15: Hệ thống bóng chiếu sáng 38 Hình 2.16: Đầu đo cảm biến nhiệt độ PT100 RBA 39 Hình 2.17: Sơ đồ đấu nối vào PLC siemen S7 300 39 Hình 2.18: Kết nối cảm biến PT100 RBA, chuyển đổi T120 vào module fanalog PLC siemen S7 300 40 Hình 2.19: Sơ đồ mạch động lực mơ hình 40 Hình 2.20: Sơ đồ mạch động lực mơ hình 41 Hình 2.21: Thiết kế tủ điều khiển mơ hình 41 Hình 2.22: Mặt trước tủ điều khiển 42 Hình 2.23: Chú thích vẽ 42 Hình 2.24: Hình ảnh thực tế tủ điện 43 Hình 2.25: Mơ hình sau lắp ráp 43 Hình 3.1: Hộp thoại Wincc Explorer Create New Project 49 Hình 3.2: Màn hình Wincc Explorer 49 Hình 3.3: Hộp thoại Wincc Configuration Studio 50 Hình 3.4: Cửa sổ giao diện thiết kế đồ họa Graphics 50 Hình 3.5: Thư viện Libary 51 Hình 3.6: Tạo phần tử cần sử dụng vào hình 51 Hình 3.7: Gán Tag cho đối tượng 52 Hình 3.8: Chọn,thay đổi thuộc tính đối tượng 52 Hình 3.9: Code tạo giọt nước dịch chuyển theo chiều dọc 53 Hình 3.10: Cửa sổ giao diện I/O 53 Hình 3.11: Mơ hình nhà kính trồng rau 54 Hình 3.12: Màn hình bắt đầu 54 Hình 3.13: Khi hệ thống chưa hoạt động 55 Hình 3.14: Hệ thống chế độ Auto 55 Hình 3.15: Hệ thống chế độ Manual 55 Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn chọn chế độ Auto hay Manual 60 Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán chế độ Auto 60 Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán chế độ Manual 61 Hình 4.4: Lưu đồ thuật tốn chế độ Manual 61 Hình 4.5: Chương trình điều khiển 67 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng vùng nhớ PLC 30 Bảng 3.1: Các soạn thảo trung tâm điều khiển (Control Certer) 47 Bảng 4.1: Phân công đầu PLC 59 Bảng 4.2: Bảng phân công đầu vào PLC 59 MỞ ĐẦU Hiện giới, việc ứng dụng công nghệ điều khiển vào sản xuất nhiều cần thiết ngành nghề kể nông nghiệp Với công nghệ trồng rau nhà kính có hỗ trợ thiết bị điều khiển cho kết mong đợi suất cao, chất lượng tốt, sạch, an tồn mà cịn trồng loại mà từ trước truyền thống vùng miền Ở Việt Nam, việc trồng rau nhà kính phát triển nhanh chóng, đem lại lợi ích cao cho người nông dân Tuy nhiên, chi phí đầu tư cao nên việc ứng dụng hạn chế nơng trang lớn có khả kinh tế điều khiển dạng bán tự động nên cần nhiều nhân công việc điều khiển hầu hết trang thiết bị điều khiển phải nhập từ nước nên giá thành cao Vì lí em chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính” Nội dung đồ án trình bày chương sau: Chương 1: Giới thiệu chung hệ thống nhà kính Chương 2: Thiết kế, chế tạo mơ hình giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính Chương 3: Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống kết đạt Phần kết luận tài liệu tham khảo; Sau nội dung chi tiết đồ án + Tạo chuyển động giao diện chuyển động giọt nước cách chỉnh sửa code Global Actions từ cửa sổ Wincc Explorer Hình 3.9: Code tạo giọt nước dịch chuyển theo chiều dọc Tạo khung thị số: Các giá trị Tag dạng Bit dạng Word thị hình Runtime dạng Demical để tiện quan sát thông số trình Từ đối tượng Object Palette nhấp vào dấu “+” trước mục Smart Object chọn I/O field Sau di chuyển trỏ hình thiết kế, nhấn chuột vẽ kích thước thị thích hợp cửa sổ sau: Hình 3.10: Cửa sổ giao diện I/O 3.3 Kết đề tài Sau thời gian thực thiết kế thành cơng mơ hình nhà kính trồng rau 53 Hình 3.11: Mơ hình nhà kính trồng rau Hệ thống chạy với quy trình cơng nghệ đặt từ trước, giải vấn đề đo nhiệt độ nhà kính, đóng mở chắn nắng, hệ thống bơm phun sương làm mát, quạt thống khí cho nhà kính bật tắt hệ thống đèn chiếu sáng Tuy nhiên vấn đề thời gian, kinh tế kinh nghiệm khí cịn hạn chế nên phần cấu kéo mở che nắng chưa xác Giao diện giám sát điều khiển: Hình 3.12: Màn hình bắt đầu 54 Hình 3.13: Khi hệ thống chưa hoạt động Hình 3.14: Hệ thống chế độ Auto Hình 3.15: Hệ thống chế độ Manual 55 Kết luận chương Trong chương trình bày tổng quan phần mềm Wincc, cách thiết kế, xây dựng giao diện giám sát nhiệt độ nhà kính phầm mềm Wincc 56 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Sau thời gian nỗ lực tìm tịi, nghiên cứu, em thu kết định việc nắm bắt kiến thức cơng nghệ nhà kính, bước sâu nghiên cứu thiết kế mơ hình nhà kính, hệ thống điều khiển tự động hóa nhà kính.Cụ thể sau: + Thiết kế cấu trúc nhà kính trồng rau + Thiết kế hệ thống phun sương + Thiết kế hệ thống thông gió làm mát + Thiết kế hệ thống mái che nắng cho nhà kính + Thiết kế hệ thống chiếu sáng nhân tạo + Lắp đặt mơ hình thu nhỏ để mơ q trình điều khiển kiểm sốt nhiệt độ nhà kính + Chạy thử mơ hình, xây dựng giao diện điều khiển giám sát máy tính Mặc dù chưa hồn thành cách xuất sắc mục tiêu đề ra, tơi cảm thấy hài lịng với nỗ lực nghiên cứu kinh nghiệm đạt suốt thời gian thực đề tài Định hướng phát triển mơ hình nhà kính + Sử dụng thêm cảm biến đo độ ẩm, cảm biến ánh sáng để điều khiển hoạt động hệ thống tốt đảm bảo cho sinh trưởng tốt + Kết hợp bón phân tự động vào hệ thống tưới nhỏ giọt, tự động định lượng phân bón, thời gian bón phân + Mở rộng quy mơ, kết nối nhiều nhà kính trồng lại thành mạng truyền thông để thuận lợi việc điều khiển giám sát + Tích hợp giải pháp IoT (Internet of Things) vào mơ hình nhà kính thơng minh 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu sách [1] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Tự động hoá với S7-300, NXB KHKT, 2000 [2] Nguyễn Xuân Quang, Giáo trình PLC S7 - 300: Lý thuyết ứng dụng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật T.P Hồ Chí Minh, 2006 [3] Hồng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB KHKT 2005  Tài liệu Internet [1] Trang Web www.webdien.com truy cập ngày 3/4/2018 [2] Trang Web http://www codientu.org truy cập ngày 10/4/2018 [3] Trang Web http://www.dientuvietnam.net truy cập ngày 15/4/2018 58 PHỤ LỤC Bảng 4.1: Phân công đầu PLC STT Tên Địa Kiểu liệu Ghi DongMC Q124.0 BOOL Đóng che nắng MoMC Q124.1 BOOL Mở che nắng Bom Q124.2 BOOL Bơm phun sương Quat Q124.3 BOOL Quạt thơng gió BaoRun Q124.4 BOOL Đèn báo hệ thống hoạt động CDAuto Q124.5 BOOL Đèn báo chế độ Auto CDMan Q124.6 BOOL Đèn báo chế độ Man DenOff Q124.7 BOOL Đèn báo hệ thống không hoạt động BongDen Q125.0 BOOL Bóng đèn quang hợp Bảng 4.2: Bảng phân cơng đầu vào PLC STT Tên Địa Kiểu Ghi liệu Start I124.0 BOOL Nút nhấn khởi động hệ thống Stop I124.1 BOOL Nút nhấn dừng khởi động Auto I124.2 BOOL Nút nhấn chuyển chế độ Auto Man I124.3 BOOL Nút nhấn chuyển chế độ Manual DKDongMC I124.4 BOOL Nút nhấn điều khiển đóng mái che DKMoMC I124.5 BOOL Nút nhấn điều khiển mở mái che DKBom I124.6 BOOL Nút nhấn điều khiển bơm phun sương DKQuat I124.7 BOOL Nút nhấn điều khiển quạt thơng khí CTHTDong I125.0 BOOL Cơng tắc hạn chế hành trình lúc đóng 10 CTHTMo I125.1 BOOL Cơng tắc hạn chế hình trình mở 11 DKBongDen I125.2 BOOL Nút nhấn điều khiển bóng đèn 59 Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán chọn chế độ Auto hay Manual Hình 4.2: Lưu đồ thuật tốn chế độ Auto 60 Hình 4.3: Lưu đồ thuật tốn chế độ Manual Hình 4.4: Lưu đồ thuật tốn chế độ Manual 61 62 63 64 65 66 Hình 4.5: Chương trình điều khiển 67 ... Chương 1: Giới thiệu chung hệ thống nhà kính Chương 2: Thiết kế, chế tạo mơ hình giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính Chương 3: Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống kết đạt Phần kết... công việc điều khiển hầu hết trang thiết bị điều khiển phải nhập từ nước nên giá thành cao Vì lí em chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điều khiển nhiệt độ nhà kính? ?? Nội...TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NHÀ KÍNH Sinh viên thực hiện: Lớp: HỒNG