Hệ thống được hoạt động hoàn toàn bằng tay dưới sự điều khiển của người dùng.
thiết bị trong hệ thống được điều khiển thông qua các nút nhấn. Các nút nhấn được thiết kế trên cả tủ điện lẫn giao diện wincc và webserver.
- Nút đóng/mở bơm 1 - Nút đóng/mở bơm 2 - Nút đóng/mở quạt 1 - Nút đóng/mở quạt 2 - Nút đóng/mở đèn - Nút mở rèm - Nút đóng rèm 3.1.2 Chế độ Auto
Toàn bộ hệ thống sẽ hoạt động dựa trên tín hiệu cảm biến trả về. Các cơ cấu chấp hành sẽ được hoạt động thông qua các cài đặt đã được lập trình sẵn. Khi nhiệt độ, độ ẩm nhằm ở mức cho phép thì các cơ cấu sẽ hoạt động theo yêu cầu của người sử dụng.
Nhiệt độ nhằm ở mức nhỏ hơn 15 độ thì đèn sẽ hoạt động, đèn này có tác dụng sưởi ấm hệ thống giúp giữ nhiệt độ phù hợp để cây dễ dàng phát triển ở thời tiết mùa đông khắc nghiệt.
Khi nhiệt độ ở mức lớn hơn 40 độ thì lập tức bơm 1, quạt 1 và rèm sẽ đóng lại để giảm nhiệt độ trong phòng tránh làm tổn hại đến các cây và bảo vệ chúng một cách tốt nhất.
Khi độ ẩm đất dưới 60 phần trăm thì bơm 2 hoạt động nhằm cung cấp độ ẩm phù hợp để cây sinh trưởng và phát triển 1 cách tốt nhất.
Khi độ ẩm đất trên 70 phần trăm thì quạt 2 và rèm mở ra nhằm giảm độ ẩm trong phòng về ở mức cho phép.
Ngoài ra khi ta chuyển sang chế độ auto ta có thể theo dõi được hoạt động của hệ thống trên web và có thể điều chỉnh cơ cấu chấp hành từ xa, đó là một ưu điểm của mô hình này.
Sơ đồ khối trong hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ gồm 4 khối chính: Khối nguồn, khối đầu vào, khối đầu ra, khối điều khiển trung tâm
- Khối nguồn:
Nguồn 24V cung cấp cho PLC và các cơ cấu chấp hành như quạt và rèm, nút nhấn, relay và các vật có liên quan khác
Nguồn 12V trong hệ thống này dùng để cung cấp cho bơm vì bơm trong hệ thống này bọn em chỉ dùng 12V nên phải thêm 1 bộ nguồn 12V để cung cấp cho nó.
- Khối đầu vào:
Nút nhấn: Gồm 7 nút nhấn On/Off 24V nhấn giữ để điều khiển hệ thống bằng tay và 1 công tắc switch để điều khiển chế độ hoạt động của hệ thống.
Công tắc hành trình: gồm 2 công tắc hành trình dùng để đóng ngắt đóng ngắt tiếp điểm điều khiển tín hiệu đầu vào PLC đóng mở rèm của hệ thống
Cảm biến: gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đất dùng để theo dõi và giám sát được tình trạng của hệ thống từ đó điều chỉnh cho phù hợp với thực tế
PLC S7 1200 CPU 1214c DC/DC/DC để lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống. Đây là một khối hết sức quan trọng của hệ thống, vì thế chúng ta luôn đảm bảo được nguồn cấp và các vấn đề có thể xảy ra với nó.
- Khối đầu ra:
Các cơ cấu chấp hành của hệ thống như: bơm, quạt, rèm, đèn hoạt động dựa vào tín hiệu của khối điều khiển trung tâm.
Phương thức chuyển đổi tín hiệu
3.3.1 Khái niệm về module analog
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số.
Analog input
Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
Analog output
Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.
3.3.2 Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trong công nghiệp trong công nghiệp
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp. Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
- Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, 5V…
- Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA.
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn. Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp.
Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo (bộ transducer).
(Trích dẫn: giáo trình PLC cơ bản)
Hình 3.2 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu vào và ra của module
PLC S7 1200 CPU 1214c DC/DC/DC có 2 cổng Analog input và sử dụng điện thế ở mức 0-10V, vì thế chúng ta nên chọn các loại cảm biến có mức điện áp theo thông số của PLC tránh trường hợp sử dụng sai và không đem lại kết quả tốt.
Sơ đồ đấu nối PLC
Sơ đồ đấu nối từ relay qua thiết bị
Hình 3.4 Sơ đồ đấu nối relay qua thiết bị
Cách bố trí thiết bị trong tủ điện
Việc thiết kế, cách bố trí thiết bị trong tủ điện hợp lý, đúng cách sẽ làm cho tủ điện giảm ảnh hưởng độ nhiễu giữa các thiết bị, tiết kiệm dây dẫn điện, tăng tính thẩm mỹ, tăng tuổi thọ các thiết bị và vận hành ổn định hơn… Sắp xếp thiết bị được phân thành từng nhóm như sau:
+ Nhóm thiết bị điều khiển hay đặt cùng nhau, góc phía trên (Các rơ le bảo vệ, rơ le trung gian, bộ điều khiển, cảm biến).
+ Nhóm khí cụ điện đóng cắt đặt cùng 1 hàng phía dưới (Aptomat, Contactor, khởi động từ.)
+ Aptomat tổng (Cấp nguồn cho hệ thống) đặt ở trung tâm tủ điện (hoặc đặt ở góc cao bên trái) sao cho thuận tiện trong quá trình vận hành, thao tác.
Cầu đấu đặt ở phía dưới cùng để thuận tiện cho quá trình đấu dây vào / ra tủ điện. 3.6.1 Kích thước tủ điện Kích thước tủ điện: Chiều cao: 650mm Chiều rộng: 450mm Chiều sâu: 250mm
Với các loại tủ điện thì kích thước cực kì đa dạng, tùy theo vào nhu cầu sử dụng mà chúng ta chọn kích thước sao cho phù hợp .
Hình 3.5 Kích thước tủ điện
Hình 3.6 Vị trí nút nhấn
Hình 3.7 Vị trí thiết bị trên tủ điện
Thi công hệ thống
CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
Bảng phân công đầu vào đầu ra
4.1.1 Bảng phân công đầu vào
Bảng đầu vào
Tên đầu vào Kiểu dữ liệu Địa chỉ Chú thích
Manual Bool %I0.0 Nút nhấn chế độ
bằng tay
Auto Bool %I0.1 Nút nhấn chế độ
tự động
On/Off_Pump1 Bool %I0.2 Đóng mở bơm 1
On/Off_Pump2 Bool %I0.3 Đóng mở bơm 2
On/Off_Fan1 Bool %I0.4 Đóng mở quạt 1
On/Off_Fan2 Bool %I0.5 Đóng mở quạt 2
On/Off_Light Bool %I0.6 Đóng mở đèn
On/Off_MotorThuận Bool %I0.7 Rèm mở
On/Off_MotorNghịch Bool %I1.0 Rèm đóng
CTHT1 Bool %I1.1 Công tắc hành
trình 1
CTHT2 Bool %I1.2 Công tắc hành
trình 2
In_Sensor1 Int %IW64 Giá trị đầu vào
cảm biến nhiệt độ
In_Sensor2 Int %IW66 Giá trị đầu vào cảm biến độ ẩm đất
Bảng 4.1 Phân chia đầu vào của hệ thống
4.1.2 Bảng phân công đầu ra
Bảng đầu ra
Tên đầu vào Kiểu dữ liệu Địa chỉ Chú thích Pump_1 Bool %Q0.0 Relay Bơm 1 Pump_2 Bool %Q0.1 Relay Bơm 2 Fan_1 Bool %Q0.2 Relay Quạt 1 Fan_2 Bool %Q0.3 Relay Quạt 2
Light Bool %Q0.4 Relay Đèn Motor_Thuận Bool %Q0.5 Relay Rèm mở Motor_Nghịch Bool %Q0.6 Relay Rèm đóng
Nguyên lý hoạt động
4.2.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống
4.2.2 Giản đồ thời gian cảm biến độ ẩm đất
Hình 4.2 Giản đồ thời gian cảm biến độ ẩm đất
4.2.3 Giản đồ thời gian cảm biến nhiệt độ
Thiết kế giao diện Wincc
4.3.1 Tạo giao diện HMI cho hệ thống
Bước 1: Đầu tiên vào phần Device configuration để kết nối PLC với WinCC RT Advanced.
Bước 3: Sau đó nhấn Add new screen mình tạo chương trình mới:
Bước 5:Giao diện HMI của hệ thống:
Hình 4.4 Giao diện HMI của hệ thống
Thiết kế Webserver cho hệ thống
4.4.1 Sử dụng trực tiếp bằng mạng Ethernet
Phương thức này giúp người dùng có thể điều khiển trực tiếp bằng máy tính sử dụng mạng Ethernet và đường truyền ổn định. Nhược điểm khoảng cách càng lớn chi phí sẽ càng cao và chỉ hoạt động trong phạm vi và máy tính có cắm mạng Ethernet.
4.4.2 Khái niệm Ethernet công nghiệp
Ethernet công nghiệp được áp dụng cho môi trường công nghiệp, thường đòi hỏi các đầu nối, dây cáp chắc chắn hơn và quan trọng nhất là tính xác định tốt hơn. Để đạt được tính xác định tốt hơn, Ethernet công nghiệp sử dụng các giao thức chuyên biệt kết hợp với Ethernet. Các giao thức Ethernet công nghiệp phổ biến hơn là PROFINET®, EtherNet / IP®, EtherCAT®, SERCOS III và POWERLINK®.
Với Ethernet công nghiệp, tốc độ truyền dữ liệu nằm trong khoảng từ 10 Mbps đến 1 Gbps. Tuy nhiên, 100 Mbps là tốc độ phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng Ethernet công nghiệp.
Hoạt động các giao thức Ethernet công nghiệp
Các giao thức Ethernet công nghiệp như PROFINET và EtherCAT sửa đổi Ethernet tiêu chuẩn để đảm bảo dữ liệu sản xuất cụ thể không chỉ được gửi và nhận một cách chính xác mà còn được gửi và nhận đúng lúc khi dữ liệu cần thiết để thực hiện một hoạt động cụ thể.
4.4.3 Các bước tiến hành kết nối hệ thống qua Ethernet
- Check địa chỉ cổng Ethernet của PLC - Đặt IP tĩnh cho máy tính
- Cài đặt IP PLC và IP PC sao cho phù hợp để kết nối với nhau - Chọn cấu hình cho PLC
4.4.4 Kết nối qua wifi internet
Ưu điểm của hình thức này là người dùng có thể điều khiển từ xa và không cần phải đến trực tiếp nhà kính. Chỉ cần có internet người dùng có thể truy cập và sử dụng
4.4.5 Các bước tiến hành kết nối hệ thống qua mạng không dây wifi
- Nat port cho Modem Router: Mở cổng của Modem Router để cho PLC kết nối được với Internet
- Xác định địa chỉ Ip của PLC
- Xác định Port cần Nat trên Modem Router
- Sau khi Nat xong ta tìm địa chỉ WAN IP cho Modem Router (WAN IP địa chỉ PLC kết nối với internet)
- WAN IP là địa chỉ do nhà mạng cung cấp dịch vụ internet ISP cấp cho mỗi modem router và thông thường là địa chỉ IP động.
- Gõ Ping.eu trên bất ký trình duyệt web nào sẽ hiện ra địa chỉ WAN IP của Modem Router ( PC và PLC phải cùng kết nối với 1 Modem router)
- Vào Check Port: kiểm tra xem Port mà ta vừa Nat.
- Sau khi xác định được WAN IP và check Port thành công ta có thể truy cập vào PLC thông qua mạng Internet từ bất cứ vị trí nào hoặc thiết bị nào có kết nối Internet bằng cách đánh địa chỉ WAN IP trên vào trình duyệt web
Cấu hình phần cứng kích hoạt web server trên PLC Bước 1: Xác định địa chỉ IP của PLC
Bước 2: Bật các bit hệ thống, các bit này sử dụng khi lập trình Webserver.
Bước 3: Bật chức năng PUT/GET từ PLC, bật chức năng này thì Webserver mới
Bước 4: Đảm bảo không được đặt pass cho PLC, PLC luôn ở chế độ full acess
Bước 6: Tại user của Webserver tích chọn tất cả option cho user
Tạo khối Database (DB) truyền thông dữ liệu giữa PLC và Webserver Bước 1: Tạo một khối Database theo các bước sau
Bước 3: Tạo một watch table và gọi tất cả các tag cần đưa lên Webserver vào
table vừa tạo
Bước 4: Tại phần cứng PLC mục Webserver > Watch table thêm watch table
Thiết kế website dùng phần mềm visual studio code Bước 1: Tạo ra 1 folder chứa các file của phần Webserver
Bước 3: Gọi các nút nhấn và biểu tượng trong Webserver
Bước 5: Gọi các tag kết nối giữa PLC và Webserver
Giao diện chương trình trên Webserver
4.8.1 Giao diện màn hình chế độ tự động hiển thị trên Webserver
Hình 4.7 Giao diện trên Webserver chế độ tự động
4.8.2 Giao diện màn hình chế độ bằng tay hiển thị trên Webserver
4.8.3 Giao diện hệ thống trên các thiết bị kết nối
TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Những vấn đề đạt được
Nghiên cứu và “thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống sản xuất nông nghiệp qua web server” và ý nghĩa thực tiễn của công nghệ này.
Tìm hiểu sơ lược về PLC S7 1200. Cụ thể phần cứng CPU 1214 DC/DC/DC. Phần mềm lập trình Tia Portal V16 để lập trình điều khiển hệ thống.
Tìm hiểu chung về hệ thống Web server và thiết kế giao diện điều khển của hệ thống. Áp dụng nó để thiết kế hình ảnh để điều khiển và giám sát hệ thống. Cụ thể cài đặt và giám sát thông số độ ẩm, nhiệt độ không khí,đất trong nhà kính.
Nắm vững và vận dụng được những kiến thức đã học về lập trình PLC, vi điều khiển, hệ thống cung cấp điện để áp dụng vào đề tài tốt nghiệp.
Ứng dụng thực tế: Đã thiết kế được mô hình nhà kính kiểm soát và điều khiển được các thông số qua PLC một cách khá hoàn chỉnh và sát với thực tế nhằm đáp ứng yêu cầu của đề tài đưa ra.
Ngoài ra chúng em cũng tập được cho bản thân tinh thần làm việc nhóm rất tốt. Chúng em đã giúp đỡ hỗ trợ nhau thực hiện tốt nhiệm vụ đươc giao nhằm đạt được kết quả nghiên cứu tốt nhất.
Những vấn đề chưa đạt được
Do điều kiện thực hiện đồ án còn hạn chế kinh nghiệm thực tiễn còn thiếu và yếu nên đề tài này còn rất nhiều thiếu sót. Rất kính mong các Thầy Cô trong bộ môn đóng góp ý kiến để mô hình này hoàn thiện hơn.
Để có thể đưa mô hình ra thực tiễn thì giá thành của công nghệ PLC còn tương khá cao.
Chưa áp dụng được công nghệ biến tần trong việc điều khiển tốc độ động cơ. Vì mô hình thực hiện đề tài còn hạn chế về kích thước và kinh phí nên chưa thể áp dụng được các công nghệ tiên tiến hơn như hệ thống kiểm soát độ ẩm không khí, hệ thống chăm sóc đặc biệt bằng thuốc bảo vệ thực vật.