hệ thống quản lý giám sát trang trại chăn nuôi s7 1200

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên Trường Đại học Sài Gòn nói chung, các thầy cô và sinh viên trong khoa Điện tử Viễn thông nói riêng đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ em.

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên Trường Đại học SàiGòn nói chung, các thầy cô và sinh viên trong khoa Điện tử Viễn thông nói riêng đãluôn hỗ trợ, giúp đỡ em về mặt kiến thức cũng như chuyên môn giúp em có được cơ sở

lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Em cũng xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến Th.S Trương Tấn người đã tận tìnhhướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điềukiện,quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tàinghiên cứu môn thiết kế, vận hành và mô phỏng hệ thống điện có nguồn phân tán.Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC SƠ ĐỒ vi

DANH MỤC LƯU ĐỒ vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài 2

1.2 Lý do chọn đề tài 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Đối tượng nghiên cứu 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về hệ thống theo dõi và giám sát trang trại chăn nuôi gà 4

2.2 Tổng Quan Về PLC Siemens S7-1200 Và Phần Mềm Tia Portal V17 5

2.2.1 PLC S7-1200 5

2.2.2 Phần mềm TIA PORTAL V17 6

2.3 Cảm Biến Nhiệt Độ, Độ Ẩm VELT-W-TH-V10 7

2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung autonics CR18-8DP 8

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 17

3.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống 17

3.2 Sơ đồ khối hệ thống 18

3.4 Sơ đồ giải thuật hệ thống 19

3.5 Thiết kế chương trình cho PLC Siemens S7-1200 21

3.5.1 Lưu đồ giải thuật 21

3.5.2 Giao diện WINCC tên Tia portal 24

3.6 Thiết kế mô hình thực tế 24

Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 26

5.1 Kết Quả 26

5.2 Nhận Xét 26

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27

6.1 Kết Luận 27

6.2 Hướng Phát Triển 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

13 Hình 2.13 Relay trung gian 8 chân điện áp 24V 13

20 Hình 3.1 Giao diện WINCC Advanced 24

21 Hình 3.2 Tủ điều khiển trung tâm 24

DANH MỤC SƠ ĐỒ

4 Sơ đồ 3.4 Kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

VELT-W-TH-V10 với PLC

20

DANH MỤC LƯU ĐỒ

1 Lưu đồ 3.1 Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay 21

2 Lưu đồ 3.2 Lưu đồ giải thuật chế độ tự động 22

3 Lưu đồ 3.3 Lưu đồ giải thuật chế độ tự động 23

DANH MỤC BẢNG

1 Bảng 2.1 Thông số cảm biến VELT-W-TH-V10 8

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PLC: Programmable Logic Controller

DI: Digital input

AI: Analog input

SB: Signal board

SM: signal module

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, mà trong đó ngành điềukhiển tự động ngày càng đóng vai trò hết sức quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sốngcũng như sản xuất khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đóchúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằmđóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự pháttriển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Từ đó cải thiện và nâng cao hiệu quảlao động, giúp con người thuận lợi hơn trong quá trình vận hành, điều khiển và bảo trìmáy móc, thiết bị

Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất hiệnđại, các trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm công nghiệp, em đã được thấy và trảinghiệm nhiều khâu tự động hóa trong qui trình chăn nuôi tạo ra các sản phẩm chănnuôi đạt chất lượng cao, giảm chi phí chăn nuôi một cách hiệu quả Một trong số đó làcác trang trại chăn nuôi gia cầm theo dõi, giám sát và chăm sóc vật nuôi tự động thôngqua sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens và hệ thống giám sát scada

Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, em đã quyết định

chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ GIÁM SÁT

TRANG TRẠI CHĂN NUÔI GIA CẦM”.

Với đề tài này, em hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu à vận dụng mô hình trên chocác công ty chăn nuôi cũng như các hộ chăn nuôi cá nhân Nếu được điều chỉnh tốt, ýtưởng này kết hợp với hệ thống làm sạch trang trại chăn nuôi, thu gom và xử lí chấtthải … sẽ tạo ra một hệ thống phân trang trại thông minh và hoàn thiện

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

Ở nước ta đã có nhiều mô hình trang trại cũng như đề tài nghiên cứu về quản lý,giám sát trang trại nhưng chỉ mới dừng lại ở dây chuyền phân phối cám tự động trongchuồng nuôi, hay điều khiển các thiết bị khác như quạt, đèn, theo nhiệt độ và độ ẩm.Tuy có hiệu quả hơn phương pháp chăn nuôi truyền thống nhưng vẫn chưa thể có mộtbước tiến vượt bậc về vấn đề theo dõi cũng như phân tích chi tiết về sự ảnh hưởng củamôi trường sống đối với sự phát triển và tăng trưởng của vật nuôi

1.2 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, với nhu cầu về thịt gia cầm ngày càng tăng cả trong nước và quốc tế, thìviệc mở rộng quy mô chăn nuôi, nâng cao chất lượng sản phẩm là một vấn đề vô cùngcấp thiết Tạo ra một môi trường sống phù hợp, ổn đinh trong tình hình khí hậu luôn có

sự thay đổi liên tục là điều vô cùng quan trọng với từng loại vật nuôi Việc giám sátnhiệt độ - độ ẩm, quản lý cung cấp thức ăn, nước uống và vệ sinh chuồng trại có thểthực hiện bởi con người nhưng như vậy đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhâncông và việc quản lí các số liệu về môi trường sống của gia cầm cũng trở nên khó khănhơn, vì thế một hệ thống quản lí thông tin và thu thâp số liệu về môi trường sống của

gà là vô cùng cần thiết Giúp người chăn nuôi dễ dàng hơn trong việc đảm bảo sứckhỏe cũng như tốc độ tăng trưởng của vật nuôi, giảm nguy cơ bệnh tật Từ đó làmgiảm lượng thuốc được đưa vào cơ thể vật nuôi, nâng cao chất lượng thịt đến tayngười tiêu dùng Vậy nên em đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và mô phỏng hệthống quản lý giám sát trang trại chăn nuôi gia cầm” để giải quyết những vấn đề nêutrên

1.3 Mục tiêu của đề tài

Xây dựng một hệ thống quản lý giám sát hoàn chỉnh, tự động sử dụng PLC SiemensS7-1200 kết hợp với các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, mực nước, cân nặng để điềukhiển các thiết bị có trong trang trại đồng thời thu thập dữ liệu về lượng cám, lượngnước mà vật nuôi đã tiêu thụ để đưa ra sự đánh giá chính xác về tốc độ tăng trưởng củavật nuôi Bên cạnh đó là điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình trên máy tínhthông qua giao diện WinCC Advanced

1.4 Phương pháp nghiên cứu

• Khảo sát thực tế các mô hình trang trại chăn nuôi gà hiện có tại huyện DầuTiếng tỉnh Bình Dương

• Thu thập thông tin, số liệu từ các bác sĩ thú y thuộc các công ty chăn nuôi đanghoạt động trên địa bàn

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Giống gà thịt Lương Phượng đang được chăn nuôi tại các trang trại gà ở tỉnh Bình

Dương.

1.6 Phạm vi nghiên cứu

Trang trại chăn nuôi gia cầm trên địa bàn huyện Dầu Tiếng, tỉnh Bình Dương

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về hệ thống theo dõi và giám sát trang trại chăn nuôi gà

Môi trường sống là vô cùng quan trọng với từng loại vật nuôi, việc giám sát nhiệt

độ - độ ẩm, cung cấp thức ăn nước uống và vệ sinh chuồng trại có thể thực hiện bởicon người nhưng như vậy đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhân công và việcquản lí các số liệu về nhiệt độ - độ ẩm cho môi trường sống của gà cũng trở nên khókhăn hơn, vì thế một hệ thống quản lí thông tin và số liệu về môi trường sống của gà là

vô cùng cần thiết

Quy mô trại Thực tế:

• Kích thước: Gồm 2 trại 80m x 7,5m

• Máy bơm nước: 1000W

• Máy phun sương: 0,5 kW

2.2 Tổng Quan Về PLC Siemens S7-1200 Và Phần Mềm Tia Portal V17

• 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB);

• 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP;

Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:

• Hệ thống băng tải, cân định lượng

• Điều khiển đèn chiếu sáng thông minh…

• Điều khiển bơm cao áp, bơm ổn định áp suất

2.2.2 Phần mềm TIA PORTAL V17

TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là một phần mềmtổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệthống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung 1môi trường/ nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống

Hình 2.3 Phần mềm TIA PortalTIA Portal được phát triển vào năm 1996 bởi các kỹ sư của Siemens, nó chophép người dùng phát triển và viết các phần mềm quản lý riêng lẻ một cách nhanhchóng, trên 1 nền tảng thống nhất Giải pháp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứngdụng riêng biệt để thống nhất tạo hệ thống

TIA Portal - Tích hợp tự động toàn diện là phần mềm cơ sở cho tất cả các phầnmềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặcđiểm TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng 1 cơ sở dữ liệu, tạo nên tínhthống nhất, toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành

• TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:

• Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng.

• Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát

• Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xácđịnh bệnh, lỗi hệ thống

• Tích hợp mô phỏng hệ thống

• Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens

• Hiện tại phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14,TIA PortalV15, TIA Portal V16 và mới nhất là TIA Portal V17 Tùy theo nhu cầu sử dụng

mà người dùng sẽ lựa chọn cài đặt TIA portal phiên bản tương ứng

Ưu - nhược điểm khi sử dụng TIA Portal

Ưu điểm:

• Tích hợp tất cả các phần mềm trong 1 nền tảng, chia sẻ cơ sở dữ liệu chung dễdàng quản lý, thống nhất cấu hình Giải pháp vận hành thiết bị nhanh chóng, hiệuquả, tìm kiếm khắc phục sự cố trong thời gian ngắn

• Tất cả các yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI được lập trình và cấu hìnhtrên TIA Portal, cho phép các chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác, thiết lậptruyền thông giữa các thiết bị Chỉ với 1 biến số của bộ lập trình PLC được thảvào màn hình HMI, kết nối được thiết lập mà không cần bất ký thao tác lập trìnhnào

Hạn chế:

Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu hệ thống lớn nên dung lượng bộ nhớkhổng lồ Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý, tốn nhiều thời gian

để làm quen sử dụng

2.3 Cảm Biến Nhiệt Độ, Độ Ẩm VELT-W-TH-V10

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm là cảm biến nhiệt độ độ ẩm công nghiệp (vỏ bọc chốngbụi, đất, chống sét), hỗ trợ giao tiếp 0-10V, Được sử dụng phổ biến trong các ứng dụnggiám sát điều khiển nhiệt độ, độ ẩm nhà kho, nhà máy, phòng thí nghiệm, nhà thuốc,kho lạnh, phòng server, phòng datacenter

Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm VELT-W-TH-V10Thông số kỹ thuật:

Bảng 2.1 Thông số cảm biến VELT-W-TH-V10

Phương pháp lắp đặt Trong nhà, ngoài trời, trần nhà

2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung autonics CR18-8DP

Hình 2.5 Cảm biến CR18-8DP

Thông số cảm biến

• Loại dây và nguồn : DC 3 dây 12-24VDC

• Đường kính cạnh phát hiện : M18

• Khoảng cách phát hiện : 8mm

• Khoảng cách phát hiện tiêu chuẩn : 50×50×1mm(sắt)

• Tần số đáp ứng : 50Hz

• Thông số dòng : Dòng tiêu thụ: Max.15mA

• Ngõ ra điều khiển : PNP Thường Mở

• Cấu trúc bảo vệ : IP66

2.5 Các thiết bị khác trong tủ điện

Hình 2.6 Tủ điều khiển PLC

Hình 2.7 Nguồn 24V cung cấp cho PLC và cảm biến

Hình 2.8 RCBO

Hình 2.9 Router wifi

Hình 2.10 Thanh trung tính

Hình 2.11 Nút nhấn

Hình 2.12 Nút dừng khẩn cấp

Hình 2.13 Relay trung gian 8 chân điện áp 24V

2.14 Cầu đấu terminal

Hình 2.15 bơm áp lực 12VDC

Hình 2.16 bơm chìm 220VAC

Hình 2.17 Quạt 220VAC

Hình 2.18 Động cơ giảm tốc

Hình 2.19 Bóng đèn

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

Quạt mát sẽ hoạt động khi nhiệt độ thực tế trên nhiệt độ MAX, dừng hoạt độngkhi nhiệt độ thực tế dưới nhiệt độ MAX

Quạt hút sẽ hoạt động khi nhiệt độ thực tế trên độ ẩm MAX, dừng hoạt động khinhiệt độ thực tế dưới nhiệt ẩm MAX

Đèn sẽ hoạt động khi thời gian thực lớn hơn hoặc bằng 17 giờ 30 phút, dừng hoạtđộng khi thời gian thực lớn hơn 20 giờ

Khối xử lý trung tâm PLC S7 12000

Khối nút nhấn (NO)

Khối cảm biến (cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến mực nước, cảm biến tiệm cận điện dung)

Khối thiết bị chấp hành (tải cám, bơm nước, quạt mát, quạt hút, đèn, phung sương)

Khối hiển thị HMI WINCC Advanced

Khối nguồn

24 VDC

Nguồn 220 VAC 50Hz

Khối xử lý trung tâm PLC: Có chức năng nhận, xử lý thông tin và điều khiển cáckhối khác

Khối hiện thị HMI WinCC Advance: điều khiển và giám sát hoạt động của môhình

Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho cả hệ thống

3.4 Sơ đồ giải thuật hệ thống

Sơ đồ 3.2 Sơ đồ chân PLC

L N

220VAC 24 VDC

VELT-W-TH-V10

0 VDC M

24 VDC L

Nhiệt Ẩm

Sơ đồ 3.3 Sơ đồ đấu nguồn

Sơ đồ 3.4 Kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm VELT-W-TH-V10 với PLC

Chế

độ bằng tay

C h o ă n

c hi ế

u sá n g   Cho uống

q u ạ

t h ú t

  Q u

ạt m át

Ph

un sư ơn g

Cung cấp thức ăn Bơm nước uống cho Hệ thống chiếu sáng

trang trại hệ thống quạt hút Hệ thống phun

3.5 Thiết kế chương trình cho PLC Siemens S7-1200

3.5.1 Lưu đồ giải thuật

Lưu đồ 3.1 Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay

Thực tế lớn hơn cài đặt Thực tế nhỏ hơn cài đặt Thực tế lớn hơn cài đặt Thực tế nhỏ hơn cài đặt

Bật quạt làm mát Tắt quạt làm mát Bật quạt hút , tắt chế độ phun sương Tắt quạt hút, bật chế độ phun sương

Lưu đồ 3.2 Lưu đồ giải thuật chế độ tự động

Nhập thời gian cho ăn Nhập thời gian báo lỗi Nhập thời gian bật đèn chiếu sáng

Thời gian cho ăn bằng thơi gian thực Cảm biến báo cạn Thời gian chiếu sáng bằng thơi gian thực

Động cơ vít tải thức ăn tự động

Đủ lượng thức ăn động cơ vít tắt

Bơm nước uống hoạt động

3.5.2 Giao diện WINCC tên Tia portal

Hình 3.1 Giao diện WINCC Advanced

3.6 Thiết kế mô hình thực tế

Hình 3.2 Tủ điều khiển trung tâm

Hình 3.3 Mô hình trại gà

Chương 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ

5.1 Kết Quả

Kết quả nghiên cứu:

Trong vòng 3 tháng làm đồ án, em đã nghiên cứu đã đạt được các kết quả như:

• Nghiên cứu sâu hơn về PLC Siemens S7 - 1200

• Nghiên cứu sử dụng được cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến tiệm cận điện dung, cảm biến mực nước và giao tiếp được PLC

• Nghiên cứu cách thiết kế, bố trí và thi công tủ điều khiển PLC

• Nghiên cứu được một số hệ thống trang trại chăn nuôi thực tế

• Nghiên cứu và thiết kế giao diện giám sát và điều khiển Scada thông qua WinCC Advanced

5.2 Nhận Xét.

Các nội dung đạt được so với yêu cầu đặt ra:

• Thiết kế hệ thống vận hành và quản lý trang trại một cách đơn giản, trực quan nhưng vẫn có độ chính xác cao và thời gian tác động nhanh

• Tạo được một giao diện quản lý SCADA để giám sát hệ thống trên laptop

• Giao diện đơn giản, dễ sử dụng

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1 Kết Luận

Các nội dung mà em đã thực hiện được đó là thiết kế và thi công được một mô hìnhcho ăn và cho uống, điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm dựa theo thông số đầu vào là giá trịnhiệt độ độ ẩm, để tiếp đó cân bằng lại môi trường sống cho trang trại luôn nằm trongtrạng thái ổn định, cũng như hệ thống có thế cung cấp lượng thức ăn nước uốngchuồng trại một cách kịp thời và liên tục Tuy nhiên em vẫn chưa thể tạo ra một hệthống chính xác hoàn toàn do phần tính toán thiết kế còn nhiều sai sót Nhìn chung đềtài chỉ mới hoàn thành ở mức khá

Trong quá trình thực hiện dự án, em đã rút ra được nhiều kinh nghiệm để tạo ra mộtsản phẩm hoàn thiện như: Đầu tư thời gian, linh kiện trên thị trường và hiểu biết về cácthiết bị, linh kiện, phần mềm

• Kết quả nêu trên chỉ thực hiện được khoảng 90% so với mục tiêu đặt ra vì cònmột số lỗi nhỏ trong quá trình hoạt động của hệ thống

6.2 Hướng Phát Triển

Một số hướng phát triển để hoàn thiện đề tài:

• Thiết kế thêm hệ thống bảo vệ thiết bị và thông báo sự cố qua SMS

• Thêm phần mềm theo dõi và điều khiển từ xa thông qua internet

• Thêm giải pháp ghi nhận thông tin nhiệt độ và độ ẩm để dễ dàng quản lý, theo dõi tốc độ tăng trưởng và phát triển của vật nuôi