CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MƠ HÌNH, THÍ NGHIỆM
4.1. Cấu tạo chung
15
4.1.1. Kiểm soát lưu lượng nước.
- Động cơ bơm nước: động cơ được điều khiển khởi động, điều khiển thông qua biến tần. Động cơ thực hiện công tác bơm nước từ bể nước dự trữ qua bể ni chính.
- Biến tần: dùng điều khiển khởi động, tốc độ của động cơ. Biến tần thực hiện chức năng dựa trên tín hiệu của PLC.
- PLC: dùng để lập trình làm bộ điều khiển trung tâm của khu vực kiểm soát lưu lượng nước.
- Màn hình HMI: dùng để giao tiếp với người dùng.
4.1.2. Kiểm sốt số liệu mơi trường:
- Động cơ quạt nước: động cơ được điều khiển thơng qua tín hiệu đóng mở của relay dựa trên tín hiệu của Arduino. Động cơ quạt thực hiện chức năng làm mát cho nước ở ni chính đảm bảo nhiệt trong mức cho phép.
- Cảm biến nhiệt độ: được đặt chìm trong nước ở bể ni chính ni chính. Thực hiện đo đạc nhiệt độ nước ở bể ni chính và gửi tín hiệu về Arduino.
- Cảm biến pH: được đặt trên thanh đỡ chìm khoảng 2/3 thiết bị. Thực hiện đo đạc pH trong nước của bể ni chính và đồng thời gửi tín hiệu về Arduino.
- Cảm biến độ đục của nước: được đặt trên giá đỡ chìm qua khỏi mắt đọc của cảm biến. Thực hiện đo đạc chỉ số đục nước ở bể ni chính và gửi tín hiệu về Arduino. - Arduino: dùng lập trình dùng làm bộ điều khiển trung tâm.
- ESP8266: dùng để lập trình thực hiện gửi tín hiệu thơng qua mạng thực hiện giám sát từ xa.
- Màn hình HMI: dùng để giao tiếp với người dùng. 4.2. Danh sách các thao tác.
16
4.2.1. Kiểm soát lưu lượng nước.
STT Thao tác. Ý nghĩa. Đơn vị thực hiện.
1 Bơm nước.
Dùng để bơm nước từ bể nước dự trữ sang bể ni chính.
Động cơ bơm nước.
2 Cảm biến PH Để đo chất lượng nước tại bồn 3 trước khi xả ra hồ nuôi
Chạy đo liên tục khi có nước.
3 Cảm biến
mức nước.
Đo mức nước bằng sóng siêu âm.
Khi bơm nước cảm biến hoạt động trả tham số đo về máy chủ.
4 Can đo mực nước.
Báo tín hiệu mức cao mức thấp bằng phương pháp Binary. Cảm biến vật lý khi có tác động giữa nước và mặt hồ sẽ xuất tín hiệ về PLC ra bơm.
5 Biến tần. Điều khiển và khởi động mềm bơm 3 pha.
Khi can đo mực nước hoặc cảm biến siêu âm ở trạng thái thiếu nước.
6 Van.
Điều khiển đóng mở xả cho hồ chứa đi cùng một khóa tiết lưu áp suất để tránh xảy ra hiện tượng búa nước.
Khi nước trong hồ báo hụt nước hoặc cạn thì mở bơm vào , khi PH báo chưa chất lượng nước chưa đạt.
17
4.2.2. Kiểm sốt số liệu mơ trường.
Bảng 4.2. Danh sách thao tác kiểm sốt mơi trường mơ hình.
4.3. Các tín hiệu từ cảm biến.
STT Thao tác. Ý nghĩa. Đơn vị thực hiện. Địa chỉ trên Arduino. Trạng thái ban đầu. 1 Đóng mở động cơ quạt.
Điều hòa nhiệt độ của nước trong bể nuôi tôm. Cảm biến nhiệt độ vượt quá chỉ số cài đặt. Động cơ quạt chạy. Động cơ quạt 1: PIN 4. Động cơ quạt 2: PIN 5. Động cơ khơng hoạt động. 2 Đóng mở động cơ oxy. Cung cấp, điều hòa oxy trong bể nuôi tôm Động cơ chạy khi nhấn lần 1. Động cơ ngưng khi nhấn lần 2. Động cơ oxy. Động cơ oxy: PIN 6. Động cơ khơng hoạt động. 3 Đóng mở đèn chiếu sáng. Điều khiển và giám sát trong điều kiện tối.
Đèn sáng khi nhấn lần 1. Đèn tắt khi nhấn lần 2. Đèn chiếu sáng hoạt động. Đèn chiếu sáng: PIN 7. Đèn không hoạt động.
18
4.3.1. Kiểm soát lưu lượng nước.
Tên cảm biến Vị trí, chức năng Địa chỉ trên PLC
Cảm biến mức nước.
Cảm biến mức nước được gắn trên bên trong thành bể ni. Có chức năng dùng để đo lường lượng nước có trong bể ni.
V+: 24VDC OUT: A1 GND: GND Cảm biến pH Được gắn trên thành ở thành bể nước. Có chức năng đo nồng độ pH có trong bể xử lý nước. V+: 12VDC OUT: A0 GND: GND
Đồ hồ đo lưu lượng.
Có chức năng dùng để đo tổng lưu lượng nước chạy qua giữ các bồn.
Lắp đặt nối tiếp với ống dẫn nước.
Can báo cạn.
Có chức năng ngắt điện cho máy bơm khi ở tình trạng máy bơm không nước.
Được gắn ở đầu đẩy nước ra của máy bơm.
Bảng 4.3.Danh sách cảm biến của kiểm sốt lưu lượng nước mơ hình.
4.3.2. Kiểm sốt số liệu mơi trường.
Số thứ tự Tên cảm biến Vị trí, chức năng Địa chỉ trên Arduino
1 Cảm biến nhiệt độ nước.
Được thả chìm trong nước, có chức năng đo nhiệt độ của nước trong bể.
V+: 5V OUT: 2 GND: GND
19 2 Cảm biến pH của nước.
Được gắn trên giá đỡ ngập 2/3 thiết bị, có chức năng đo độ pH của nước trong bể.
V+: 5V P0: A0 GND: GND
3 Cảm biến độ đục của nước.
Được gắn trên giá đỡ cho nước ngập qua mắt đọc của cảm biến, có chức năng đo độ trong của nước trong bể.
V+: 5V OUT: A1 GND: GND
Bảng 4.4. Danh sách cảm biến kiểm sốt số liệu mơi trường mơ hình.
4.4. Quy trình thi cơng, lắp ráp.
4.4.1. Kiểm sốt lưu lượng nước.
4.4.1.1. Thiết kế mơ hình.
Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa
1 Thiết kế bồn nước. Chức năng dùng chứa nước.
2 Thiết kế giá đỡ cảm biến. Chức năng cố định vị trí của cảm biến trên bể.
3 Thiết kết ống dẫn nước. Chức năng dẫn nước giữa các bể trong mơ hình.
4 Thiết kế tủ điện. Chức năng dùng để lắp đặt các thiết bị điều khiển.
5 Thiết kế bệ cho động cơ. Chức năng dùng để cố định vị trí động cơ.
6 Thiết kế mạch bảo vệ. Chức năng bảo vệ trước các rủi ro như ngắt mạch, quá tải.
20 Van Cấp Nước Van Xả Chống Tràn Cảm biến mức Flow Meter
Hình 4.2. Cấu trúc của thiết kế bồn nước.
4.4.1.2. Lắp ráp mơ hình.
Số thứ tự Quy trình Thao tác
1 Lắp ráp bồn nước. Lắp bồn nước vào các cấu trúc phụ. 2 Lắp đặt cảm biến trên bể
nước.
Lắp các cảm biến vào các vị trí giá đỡ đã thiết kế.
3 Lắp đặt ống dẫn nước. Lắp ống nước vào sơ đồ thiết kế. 4 Lắp đặt động cơ bơm. Lắp động cơ vào bệ đỡ thiết kế. 5 Lắp đặt can báo cạn. Lắp can báo cạn vào động cơ bơm.
21
7 Lắp đặt biến tần. Lắp biến vào tủ điện.
8 Lắp đặt HMI. Lắp HMI vào tủ điện.
9 Lắp đặt đèn báo hiệu. Lắp đèn báo hiệu lên cửa tủ điện.
Bảng 4.6. Bảng quy trình lắp ráp kiểm sốt số liệu mơ trường.
4.4.1.3. Kết nối thiết bị.
Số thứ tự Quy trình Thao tác
1 Kết nối nguồn cho thiết bị. Kết nối nguồn cho các thiết bị theo điện áp định mức.
2 Kết nối cảm biến. Kết nối cảm biến với PLC nhằm xác định địa chỉ lập trình.
3 Kết nối động cơ. Kết nối động cơ với biến tần. 4 Kết nối biến tần. Kết nối biến tần với PLC.
5 Kết nối HMI. Kết nối HMI với PLC.
6 Kết nối đèn báo hiệu. Kết nối đèn báo vào cửa tủ điện
Bảng 4.7. Bảng quy trình kết nối kiểm sốt lưu lượng nước.
4.4.1.4. Thiết kế phần mềm.
Số thứ tự Quy trình Thao tác
1 Lập trình chương trình cho PLC.
Thực hiện chức năng thu thập dữ liệu cảm biến.
Truyền dữ liệu hiển thị lên cho HMI. Xuất tín hiệu điều khiển cho biến tần.
22 2 Lập trình giao diện cho
HMI.
Lập trình nút nhấn điều khiển.
Lập trình các hiển thị các chế độ của mơ hình.
Lập trình các thang đo mức nước. 3 Cài đặt biến tần. Cài đặt các thông số của động cơ cho
biến tần
Bảng 4.8. Quy trình thiết kế phần mềm kiểm sốt lưu lượng nước.
` PG/PC/ IPC SINAMICS OPERATOR CONTROL & MONITORING S7-1500
(*RUN SIMULATION PID*) S7-1200
PROFINET
INVERTER
PROFIBUS RS485
Hình 4.3. Giải pháp lập trình và kết nối Profinet và Profibus.
23 4.4.2.1. Thiết kế mơ hình.
Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa
1 Thiết kế quạt nước cho bể nuôi.
Lắp vào động cơ tạo thành cơ cấu quạt nước hoàn chỉnh.
2 Thiết kế giá đỡ cho các cảm biến.
Có chức năng cố định vị trí của các cảm biến.
3 Thiết kế phao cho động cơ quạt nước.
Chức năng cố định động cơ quạt trên mặt nước.
4 Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống.
Chức năng cố định vị trí, kết nối các linh kiện.
5 Thiết kế hệ đèn chiếu sáng. Giúp giám sát và điều khiển thiết bị trong tối.
6 Thiết kế mạch bảo vệ. Chức năng bảo vệ trước các rủi ro như ngắt mạch, quá tải.
Bảng 4.9. Bảng quy trình thiết kế kiểm sốt số liệu mơi trường.
4.4.2.2. Lắp ráp mơ hình.
Số thứ tự Quy Trình Ý nghĩa
1 Lắp đặt quạt nước cho bể nuôi.
Lắp quạt nước vào động cơ tạo nên cơ cấu quạt nước hoàn chỉnh.
2 Lắp đặt cảm biến cho bể nuôi.
Lắp các cảm biến vào các vị trí giá đỡ đã thiết kế.
3 Lắp đặt động cơ quạt nước. Lắp động cơ quạt vào vị trí phao nước. 4 Lắp đặt các thiết bị điều
khiển.
Lắp các linh kiện điều khiển vào mạch thiết kế.
5 Lắp đặt hệ thống chiếu sáng.
Lắp đèn chiếu sáng vào các vị trí thiết kế.
24 4.4.2.3. Kết nối thiết bị.
Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa
1 Kết nối các cảm biến với Arduino.
Kết nối cảm biến với Arduino nhằm xác định các địa chỉ cho lập trình chương trình điều khiển.
2 Kết nối Aduino với module ESP8266.
Thực hiện giao tiếp, truyền dữ liệu giữa Arduino với ESP8266 phục vụ cho việc kiểm soát từ xa qua mạng Internet.
3 Kết nối Arduino với module relay.
Chức năng làm cơ cấu tác động điều khiển đóng ngắt động cơ quạt và đèn chiếu sáng.
4 Kết nối Arduino với HMI.
Thực hiện đưa các số liệu cảm biến hiển thị lên màn hình.. Điều khiển đóng mở động cơ quạt và đèn chiếu sáng qua các nút nhấn cảm ứng.
Bảng 4.11. Bảng quy trình kết nối kiểm sốt số liệu mơi trường .
4.4.2.4. Thiết kế phần mềm.
Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa
1 Lập trình chương trình điều khiển cho Arduino.
Thực hiện chức năng thu thập dữ liệu cảm biến.
Truyền dữ liệu sang cho ESP8266. Truyền dữ liệu hiển thị lên cho HMI. Xuất tín hiệu điều khiển module relay.
25 2 Lập trình chương trình cho
ESP8266.
Thực hiện chức năng nhận dữ liệu của Arduino.
Truyền dữ liệu lên máy chủ qua mạng để giám sát từ xa.
Truyền lại tín hiệu cho Arduino để điều khiển đóng mở động cơ quạt và đèn chiếu sáng.
3 Lập trình giao diện cho HMI.
Lập trình bảng hiển thị các số liệu của cảm biến. Nút nhấn bật tắt các động cơ và đèn chiếu sáng. 4 Lập trình cho hệ thống giám sát từ xa sử dụng Blynk. Lập trình các bảng hiển thị số liệu cảm biến. Nút nhấn bật tắt động cơ và đèn chiếu sáng.
Bảng 4.12. Bảng quy trình thiết kế phần mềm kiểm sốt số liệu mơi trường.
4.5. Mơ tả mơ hình.
4.5.1. Sơ đồ các khu vực mơ hình.
KHU VỰC A KHU VỰC XỬ LÝ VÀ DỰ TRỮ NƯỚC. KHU VỰC B KHU VỰC BỂ NUÔI. KHU VỰC C KHU VỰC BỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI.
26
Vùng chức năng Thiết bị
A
Động cơ bơm, biến tần, van xả nước. Cảm biến mức nước, cảm biến pH. Can báo cạn, đồng hồ lưu lượng.
B
Động cơ quạt, động cơ oxy.
Cảm biến nhiệt, cảm biến pH, cảm biến đục, cảm biến mức nước.
Relay đóng ngắt, đèn chiếu sáng.
C Van xả nước.
Bảng 4.13. Bảng phân chia vùng chức năng và thiết bị của mơ hình.
4.5.2. Mơ tả các vùng chức năng.
4.5.2.1. Khu vực A
- Động cơ bơm nước từ bể dự trữ nước sang bể ni chính. Cơng suất: 0.75 KW
- Bơm được điều khiển: Khởi động qua biến tần.
Phím đóng mở cảm ứng trên HMI. - Điều kiện bơm chạy:
Phím đóng mở cảm ứng trên HMI được nhấn.
Tín hiệu cảm biến mức nước thấp hoặc cao hơn giá trị cài đặt. Van xả nước được mở.
Nút khẩn cấp không được nhấn. - Điều kiện bơm dừng:
Nút khẩn cấp được nhấn.
Tín hiệu cảm biến mức nước bằng giá trị cài đặt. 4.5.2.2. Khu vực B
27
- Động cơ oxy có chức năng điều hịa oxy trong nước. - Đèn chiếu sáng có chức năng chiếu sáng cho bể nuôi. - Thiết bị được điều khiển:
Động cơ quạt:
Phím cảm ứng trên HMI. Tín hiệu của cảm biến nhiệt. Động cơ oxy:
Phím cảm ứng trên HMI. Đèn chiếu sáng:
Phím cảm ứng trên HMI. - Điều kiện để thiết bị chạy:
Động cơ quạt:
Phím đóng mở trên HMI được nhấn. Không nhấn nút dừng khẩn cấp.
Tín hiệu cảm biến nhiệt vượt ngưỡng cài đặt. Động cơ oxy:
Phím đóng mở trên HMI được nhấn. Không nhấn nút dừng khẩn cấp. Đèn chiếu sáng:
Phím đóng mở trên HMI được nhấn. Không nhấn nút dừng khẩn cấp. - Điều kiện thiết bị dừng:
Động cơ quạt:
Phím đóng mở trên HMI được nhấn. Nút dừng khẩn cấp được nhấn.
Tín hiệu cảm biến nhiệt bằng giá trị cài đặt. Động cơ oxy:
28 Nút dừng khẩn cấp được nhấn. Đèn chiếu sáng:
Phím đóng mở trên HMI được nhấn. Nút dừng khẩn cấp được nhấn. 4.5.2.3. Khu vực C.
- Van xả nước mở:
Khi tín hiệu cảm biến mức nước cao hơn ngưỡng cài đặt. - Van xả nước đóng:
Khi tín hiệu cảm biến mức nước bằng ngưỡng cài đặt. 4.6. Sơ đồ giải thuật lập trình.
4.6.1. Kiểm sốt lưu lượng nước.
- Lưu đồ chế độ cài đặt: Start Input time LP = “int”. Mode Set up PH = “real”. System Button=1
2 Manual Mode Auto Mode 1
Hình 4.5. Lưu đồ điều khiển và xử lý nước lọc RO-RC (phần cài đặt).
29 Pump1 = On, Count Real Time. Pump2 = On. If CB1 Bể1 = 1. Pump3 = On. Pump3 = On. Pump1 = Off. Pump2 = Off. Pump3 = Off. Real PH >= Setup. Valve2 = On. If CB1 Bể4 =1. Pump4 = On. 1 2 Real Time = Time
LP. False True False True False True
30 2 PID Control. Flow Meter = “Real”. Feed Back = To Analog. Data Send To File Excel. Valve1 = On. If CB1 Bể3 =1. Valve1 = Off. 3 True False
31 - Lưu đồ chế độ tự động: Control Button. If BT Pump2 = 1. If BT Pump1 = 1. Pump 2 = On. Pump2 = Off. Pump1 = On. Pump1 = Off. If CB1 Bể1=1. Pump 1 & 2 = OFF. Pump3 = If BT 1. Pump3 = On. If CB1 Bể2=1. Pump3 = Off. 2 4 True False False True False True False False True
32 Pump3 = Off. If BT Valve 1 = 1. If BT Valve 2 = 1. Valve2 = On. If CB1 Bể4 = 1. Valve2 = Off. If BT Pump4 = 1. Pump4 = On. Valve2 = Off. Valve1 = Off. PID Control. Feed Back = To Analog. Data Send To File Excel Valve1 = On. Valve1 = Off. Valve2 = Off. 4 5 False False True True False False True False
33 - Lưu đồ kết thúc:
End.
5 3
Hình 4.10. Lưu đồ kiểm sốt và xử lý nước RO-RC (phần kết thúc).