Điều khiển giám sát hệ thống trồng rau thủy canh động

- Thiết kế và phối hợp sản xuất các nguyên liệu dùng cho thủy canh.- Nghiên cứu trồng các lọai cây khác nhau, cấy truyền từ nuôi cấy mô vào hệ thủycanh trước khi đưa vào đất một số cây ă

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN 

BÀI TẬP LỚN Môn: HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỒNG RAU THỦY CANH

ĐỘNG

Hà Nội - 2018

Mở đầu

 Đặt vấn đề

Hiện nay nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, thời kỳ công nghiệp hóa-hiện đạihóa Ngành tự động hóa là một phần tất yếu không thể không kể đến đã góp phần thúcđẩy sự phát triển công nghiệp hóa nói chung và đặc biệt ở đất nước với đặc thù chính lànền nông nghiệp của chúng ta nói riêng

Thủy canh là kỹ thuật trồng cây không dùng đất mà trồng trực tiếp vào dung dịchdinh dưỡng hoặc các giá thể mà không phải đất Các giá thể có thể là cát, trấu, rán,vỏ xơdừa, than bùn, vermiculite pertile…

Việc áp dụng tự động hóa vào trồng cây thủy canh vừa giảm được nhân công, vừakhoa học lại đảm bảo được chất lượng cây thủy canh

Từ những yêu cầu thực tế và sự phát triển mạnh mẽ của tự động hóa chúng emchọn đề tài để tăng năng suất cũng như tính ổn định trong trồng rau thủy canh

 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống trồng rau thủy canh

- Lựa chọn các thiết bị cảm biến để giám sát hệ thống trồng rau thủy canh

- Xây dựng phương pháp điều chỉnh tối ưu với chất dinh dưỡng và nhiệt độcủa cây trồng

 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Kỹ thuật thủy canh là một trong những nghề làm vườn hiện đại, chọn lựa môitrường tự nhiên cần thiết cho cây phát triển là chọn sử dụng những chất thích hợp cho sựsinh trưởng và phát triển của cây, tránh được sự phát triển của côn trùng, cỏ dại và cácbệnh tật từ đất

Nền nông nghiệp hiện đại trong tương lai cần nhân rộng và phát triển nhiều môhình trồng rau thủy canh vì những ưu điểm nổi bật như: ít tốn diện tích, thích hợp trồng ởnhiều nơi; không phải làm đất, không có cỏ dại, không cần tưới; trồng được

Việc đưa tự động hóa vào để điều khiển, giám sát có ý nghĩa hết sức quan trọngtrong việc nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công Đồng thời nó cũng là một điều tấtyếu để bắt kịp thời đại công ngiệp 4.0 với xu hướng IOT internet kết nối vạn vật

CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Lịch sử phát triển và nghiên cứu ky thuật thủy canh

Kỹ thuật thủy canh đã có từ lâu Nhưng khoa học hiện đại về thủy canh thực tế đãxuất hiện vào khoảng năm 1936 khi những thử nghiệm của tiến sỹ W.E.Gericke ở trườngđại học California dược công bố Ông đã trồng những loại cây trong nước trong đó có cây

cà chua trong 12 tháng có chiều cao 7,5m Gericke công bố khả năng thương mại củangành thủy canh và dặt tên cho nó là “hydroponics” trong tiếng Hy Lạp là nước và

“ponics” có nghĩa là lao động Vì vậy thủy canh hiểu theo nghĩa đen là làm việc vớinước

Ở Singapore liên doanh Areo green Technology là công ty đầu tiên ở châu Á ápdụng kỹ thuật thủy canh trồng rau trong dung dịch dinh dưỡng, không cần đất và khôngphải dùng phân hóa học có hại để sản xuất rau với quy mô lớn Hàng năm Singapore tiêuthụ lượng rau trị giá 260 triệu USD Vì đất có giới hạn nên hơn 90% rau xanh được nhậpkhẩu, hiện tại nông trại Areo Green ở Lim Chu Kang trị giá 5 triệu USD đang được thuhoạch khoảng 900kg rau mỗi ngày

Đến tháng 10 năm 1995 mạng lưới nghiên cứu và phát triển ở Hà Nội, TP.Hồ ChíMinh, Côn Đảo, Sở khoa học công nghệ và môi trường ở một số tỉnh thành Công tyGolden Garden & Gino, nhóm sinh viên Đại học Khoa học Tự nhiên Thành Phố Hồ ChíMinh với phương pháp thủy canh vài loại rau thông dụng, cải xanh, cải ngọt, xà lách…Phân viện công nghệ sau thu hoạch, Viện Sinh học nhiệt đới cũng nghiên cứu và sảnxuất

Nội dung chủ yếu là:

- Thiết kế và phối hợp sản xuất các nguyên liệu dùng cho thủy canh.

- Nghiên cứu trồng các lọai cây khác nhau, cấy truyền từ nuôi cấy mô vào hệ thủycanh trước khi đưa vào đất một số cây ăn quả khó trồng trực tiếp vào đất

- Triển khai thủy canh ở quy mô gia đình, thành thị và nông thôn Kết hợp thủycanh với dự án rau sạch của thành phố

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật thủy canh

1.2.1 Ưu điểm của kỹ thuật thủy canh

Kiểm soát dinh dưỡng cây trồng là ưu điểm lớn nhất trong thủy canh vì môitrường dinh dưỡng đã được nghiên cứu kỹ trước khi trồng Mọi chất dinh dưỡng trongthủy canh cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển cây trồng đều nhất thiết phải đượckiểm soát ở nồng độ thích hợp cho từng loại cây trồng và từng loại môi trường Hơn nữa,một số nguyên tố gây hại cho cây ở mức dư lượng được khống chế ở giới hạn an toànhoặc dùng nguyên tố khác loại bỏ

Không cần đất, chỉ cần không gian đặt hộp dụng cụ trồng, do vậy có thể triển khai

ở những vùng đất cằn cỗi như hải đảo, vùng núi xa xôi, cũng như tại gia đình trên sânthượng, balcon

- Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ

- Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh và các hóa chất độc hại khác

- Năng suất cao vì có thể trồng liên tục

- Sản phẩm hoàn toàn sạch, giàu dinh dưỡng, đồng nhất và hoàn toàn tươi ngon

- Không tích lũy chất độc và gây ô nhiễm môi trường

- Không đòi hỏi lao động nặng nhọc

- Dễ dàng tưới tiêu là ưu điểm lớn nhất so với phương pháp trồng trọt truyền thốngđược áp dụng trong kỹ thuật màng dinh dưỡng và trồng cây trong nước nhờ sử dụng

hệ thống ống phun và ống đục lỗ

1.2.2 Nhược điểm của kỹ thuật thủy canh

Chỉ trồng các loại cây rau, quả ngắn ngày

Giá thành sản xuất còn cao

Vốn đầu tư ban đầu cao do chi phí về trang thiết bị Các máy móc được tái sửdụng nhiều lần nên chỉ tốn chi phí đầu tư ban đầu

Đòi hỏi trình độ chuyên môn kỹ thuật cao để sản xuất có hiệu quả Điều này gâycản trở cho việc mở rộng phương pháp thủy canh đại trà.

Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ dung dịch, độ dẫn điện thay đổi Độdẫn điện thể hiện độ đậm đặc của dung dịch dinh dưỡng Giá trị độ dẫn điện tốt nhấtkhoảng 1,5-2,5 dS/m Giá trị độ dẫn điện cao sẽ ngăn cản sự hấp thu dung dịch dinhdưỡng do áp suất thẩm thấu thấp Giá trị độ dẫn điện của dung dịch thấp sẽ ảnh hưởngđến sức khỏe và sản lượng của cây

Ngoài ra, những thay đổi đột ngột các yếu tố môi trường cũng như việc cung cấpdinh dưỡng và tưới nước không đúng có thể gây ra những rối loạn sinh lý ở cây

1.3 Môi trường thủy canh

1.3.1 Sự pha chế dung dịch dinh dưỡng

Một khi giá thể không đóng vai trò gì vào sự sinh trưởng và sản lượng thu hoạch,thì tất cả các chất dinh dưỡng đều thêm vào trong nước Bản thân nước cung cấp cho câycũng có một vài chất khoáng hòa tan có ích cho cây Các chất khoáng được sử dụng trongmôi trường bắt buộc phải được hoà tan hoàn toàn trong nước, nếu thêm bất kì chất nào

mà không tan trong nước thì không có tác dụng gì đối với cây

Trong thuỷ canh tất cả các chất cần thiết cung cấp cho cây đều được sử dụng dướidạng các muối khoáng vô cơ được hoà tan trong dung môi là nước

Môi trường dinh dưỡng đạt yêu cầu cao khi có sự cân bằng về nồng độ ion khoáng

sử dụng trong môi trường để đảm bảo độ pH ổn định từ 5.5-6.0 là độ pH mà đa số câytrồng sinh trưởng phát triển tốt

Sự thành công hay thất bại của việc trồng thuỷ canh phụ thuộc vào việc xử lý chấtdinh dưỡng, điều này có thể đạt được tuỳ thuộc độ pH, nhiệt độ và độ dẫn điện của môitrường …

1.4 Thông số về độ dẫn điện và TDS trong canh tác thủy canh

1.4.1 Khái quát về độ dẫn điện và TDS

Độ dẫn điện: electro\conductivity – mS/cm: Độ dẫn điện được định nghĩa là là khảnăng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lựctác động vào các hạt, ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường Sự di chuyển có thể tạothành dòng điện

Sự phân huỷ của muối khoáng (TDS: Total disolved salfs) – ppm: tổng hàm lượngchất rắn hòa tan trong một đơn vị thể tích nước

Tổng lượng chất rắn hòa tan là tổng lượng các ion trong nước, bao gồm cáckhoáng chất, muối, kim loại hòa tan trong một khối lượng nước nhất định

1.4.2 Mối quan hệ giữa độ dẫn điện và TDS

Độ dẫn điện: electro\conductivity – mS/cm: Độ dẫn điện được định nghĩa là là khảnăng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lựctác động vào các hạt, ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường Sự di chuyển có thể tạothành dòng điện

Sự phân huỷ của muối khoáng (TDS: Total disolved salfs) – ppm: tổng hàm lượngchất rắn hòa tan trong một đơn vị thể tích nước

Tổng lượng chất rắn hòa tan là tổng lượng các ion trong nước, bao gồm cáckhoáng chất, muối, kim loại hòa tan trong một khối lượng nước nhất định

1.4.3 Ảnh hưởng của thông số độ dẫn điện và TDS đến sự sinh trưởng của cây trồng thủy canh

Trong nghiên cứu người ta có thể dựa vào độ dẫn điện và TDS của các máy đo đểđiều chỉnh bổ sung chất dinh dưỡng vào môi trường thuỷ canh

Trong suốt quá trình tăng trưởng, cây hấp thụ khoáng chất mà chúng cần, do vậyduy trì độ dẫn điện ở một mức là ổn định là rất quan trọng

Nếu dung dịch có chỉ số độ dẫn điện cao thì sự hấp thu nước của cây diễn ranhanh hơn sự hấp thu khoáng chất, hậu quả là nồng độ dung dịch sẽ rất cao và gây độccho cây Khi đó ta phải bổ sung thêm nước vào môi trường Ngược lại, nếu độ dẫn điệnthấp, cây sẽ hấp thu khoáng chất nhanh hơn hấp thu nước và khi đó ta phải bổ sung thêmkhoáng chất vào dung dịch

Chỉ số độ dẫn điện (mS) chỉ diễn tả độ dẫn điện của ion hoà tan trong dung dịch.Giá trị độ dẫn điện tốt nhất là trong khoảng 1,5 – 2,5 mS/cm Tùy vào đối tượng rau ănlá: độ dẫn điện thích hợp trong khoảng 1,6 – 1,8 mS/cm; rau ăn trái là 2 – 2,2 mS/cm.

Theo tài liệu của Viện paster TP.HCM, tổng chất rắn hòa tan TDS cho cây ăn lá là545ppm và cây ăn trái là 1.500 – 2.000ppm

Loại cây trồng Độ dẫn điện (mS/cm) TDS (ppm)

1.5 Các loại hình thủy canh

Hiện nay có nhiều loại hình thủy canh, nhưng quy tụ lại có 3 hệ thống thủy canhchủ yếu đang được sử dụng trên thế giới

1.5.1 Hệ thống thủy canh không hồi lưu

Là hệ thống có dung dịch dinh dưỡng đặt trong hộp xốp hoặc các vật chứa cáchnhiệt khác, dung dịch nằm nguyên trong hộp chứa từ lúc trồng cây đến khi thu hoạch

Hệ thống này thích hợp với quy mô gia đình ở các nước kém phát triển, đòi hỏiphải có chất dinh dưỡng tự điều chỉnh được độ axit (pH) của dung dịch

Kỹ thuật thuỷ canh đơn giản hiện đang triển khai tại nước ta là loại này

Hình 1 1: Phương pháp thủy canh không hồi lưu

1.5.2 Hệ thống thủy canh hồi lưu

Đây là hệ thống thủy canh được sử dụng trong nhà lưới của Học viện Nông nghiệpViệt Nam Phần thiết kế mạch và các phần cứng cũng sẽ được nghiên cứu và lắp đặt trựctiếp trong hệ thống nhà lưới này

Là hệ thống có dung dịch dinh dưỡng bơm tuần hoàn từ một bình chứa có lắp đặtthiết bị điều chỉnh tự động các thông số của dung dịch để đưa tới các bộ rễ cây, sau đóquay lại bình chứa để điều chỉnh các thông số

Hệ thống này có hiệu quả kinh tế cao hơn, không đòi hỏi chất dinh dưỡng có cơchế tự điều chỉnh độ axit, thích hợp với quy mô sản xuất lớn ở những nơi có nguồn điện

Hình 1 2: Phương pháp thủy canh hồi lưu

1.6 Yêu cầu đối với hệ thống

Yêu cầu đo và điều chỉnh các thông số ảnh hưởng đến cây trồng như nhiệt độ,nồng độ chất dinh dưỡng hòa tan TDS

Thiết kế bộ châm dung dịch dinh dưỡng tự động

CHƯƠNG 2.HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU

THẬP DỮ LIỆU SCADA 2.1 Khái niệm

SCADA (Supervisory Control And Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu,giám sát và điều khiển các quá trình từ xa Người vận hành có thể nhận biết và điều khiểnhoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, SCADAthường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chứcnăng sau:

 Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

 Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

 Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị củanhà máy

 Xử lý các lệnh điều khiển tự đông hoặc bằng tay một cách kịp thời và chínhxác

2.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần cơ bản chính là: MTU, RTU vàthành phần truyền thông

Hình 2 1: Một hệ thống SCADA cơ bản

2.2.1 MTU (Master Terminal Unit)

MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ

máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyềnthông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và

có thể kết nối với mạng truyền thông

Nhiệm vụ của MTU bao gồm:

 Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành

 Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

 Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng thái của cácthiết bị lên màn hình giúp cho người điều hành giám sát và điều khiển

 Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác.

2.2.2 RTU (Remote Terminal Unit)

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu vàthông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửiđến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của cácthiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạtđộng của các thiết bị theo yêu cầu

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó vàđợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện đại có cácmáy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ xa mà khôngcần định hướng của MTU

Là môi trường truyền thông giữa các khối thiết bị với nhau, bao gồm phần cứng vàphần mềm

Phần cứng: Là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết bịthu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây_wireless), các trạm lặp (trong trường hợptruyền đi xa)

Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trìnhđược dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau

CPU và RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giaothức có thể là giao thức mở như TCP/IP (Transmission Control Protocol and InternetProtocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình 7lớp ISO/OSI Mô hình OSI để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giaothức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong

dữ liệu truyền Dữ liệu này được biên dịch và được CPU điều khiển thích hợp tác độngtại chỗ

Hệ thống SCADA hiện đại

Cùng với sự phát triển vượt bậc cảu công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin.Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trênphạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênh

Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào giao thức mở và các mạngtruyền thông như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHERNET và cả mạngINTERNET Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet.Mặt khác, trong hệ thống SCADA ngày nay có các PLC có khả năng đảm nhận việc giámsát và điều khiển tại các điểm cục bộ Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệthống SCADA.

2.2.4 Cấu trúc hệ thống

Hình 2 2: Cấu trúc hệ thống SCADA

Trạm điều khiển giám sát trung tâm: Là một hay nhiều máy chủ trung tâm (

central host computer server).

Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa

RTU ( Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC ( Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành

( cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành )

Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị

viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trườngđến các khối điều khiển và máy chủ

Giao diện người – máy HMI ( Human – Machine Interface) : Là các thiết bị hiển

thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệthống

2.2.5 Cơ chế thu thập dữ liệu

Hình 2 3: Cơ chế thu thập dữ liệu

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trìnhcác RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian đểthực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quét các RTU(với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó chophép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thinhiệm vụ.

2.2.7 Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục

(analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse).

Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA thể hiện chỉ dưới dạng số gọi là trường Dữliệu (data field) Dữ liệu dạng số này được hình thành từ các dạng tín hiệu logic (on/off),tín hiệu analog dòng/áp, tín hiệu xung tốc độ cao,

Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ

họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám

sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạnghình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADAthường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dướidạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thốngxảy ra sự cố Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử

2.2.8 Các cấp của một hệ SCADA

Hình 2 4: Các cấp của một hệ thống SCADA

Một hệ SCADA thường được chia ra làm 3 cấp chính:

 Cấp vận hành (Cấp trường): Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành,

theo dõi hoạt động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ đặt ra

 Cấp điều khiển ( Tại phòng điều khiển):

Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tìnhtrạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thaotác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm(HMI-Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel).

 Cấp giám sát, quản lý:

 Giám sát tại nhà máy ( Tại nhà vận hành):

Nhà quản lý sẽ theo dõi các thông số, tình trạng thiết bị và toàn bộ hoạt động củadây truyền sản xuất theo yêu cầu qua giao diện máy tính được kết nối trực tiếp với phòngđiều khiển qua đó có thể nắm được tình hình sản xuất, tình trạng vật tư thiết bị, lên kếhoạch sản xuất ,truyền tải,…

 Giám sát từ xa (Tại trung tâm):

Tại trung tâm của tổng công ty, nhà quản lý tại đây có thể theo dõi, giám sát mọihọat động của nhà máy thông qua máy tính được kết nối từ xa qua mạng Từ đó có kếhoạch sản xuất, điều độ, bán hàng và nhập hàng

2.2.9 Các thiết bị của hệ thống SCADA:

Để xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy cần các phần cứng sau:

- Máy tính công nghiệp (IPC)

- Bộ tích hợp thiết bị (kết nối và thu thập dữ liệu lên máy tính)

- Thiết bị mạng (Switch, Router,…)

Phần mềm cho giám sát điều khiển:

Tạo ra giao diện hiển thị các thông số, điều khiển qua giao diện hiển thị, lưu trữ dữliệu vào cơ sở dữ liệu (Mỗi máy có 1 license và theo số điểm tích hợp điều khiển I/Opoint)

Là kênh thuê bao riêng của bưu điện cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao bằngcác thiết bị đầu cuối bằng modem truyền thông, tốc độ tối đa cho phép 19.2 kbit/s.

 Đường truyền cáp quang:

Dùng cáp quang để truyền dữ liệu từ nhà máy về trung tâm (có thể thuê của bưuđiện hoặc tự kéo cáp nếu khoảng cách gần) với khoảng cách xa, băng thông rộng, tin cậy,tốc độ cao Tại mỗi đầu phải có thiết bị chuyển đổi quang để kết nối với máy tính

 Đường truyền ADSL:

Là đường truyền internet băng thông rộng, cho phép dữ liệu truyền với tốc độ cao,

dễ kết nối (Là mạng công cộng)

2.3 Mạng truyền thông công nghiệp SIMATIC NET

SIMATIC NET là mạng truyền thông cho phép kết nối với các bộ điều khiển củaSIEMENS, các máy tính chủ, các trạm làm việc SIMATIC NET bao gồm các mạngtruyền thông, các thiết bị truyền dữ liệu, các phương pháp truyền thông dữ liệu, các giaothức và dịch vụ truyền dữ liệu giữa các thiết bị, các module cho phép kết nối mạng LAN(CP – Communication Processor hoặc IM – Interface Module)

Theo các yêu cầu về chức năng các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý sản xuấtthì mạng công nghiệp được chia thành nhiều cấp bao gồm: cấp điều hành quản lý, cấpphân xưởng, cấp trường và cấp cơ cấu chấp hành – cảm biến - đối tượng Theo phươngpháp tổ chức hệ thống như trên SIMATIC cung cấp các loại sub-net như:

PPI có những tính chất đặc trưng sau đây:

- Ghép nối giữa hai thiết bị truyền thông một cách trực tiếp hay thông qua driver đặc biệt

- Có thể sử dụng các thủ tục riêng được định nghĩa truyền kiểu ASCII.

Thông số kỹ thuật của PPI:

- Số lượng trạm 2 cổng vật lý RS 232C(V24)20mA, (TTY) RS 422/485

- Tốc độ truyền 300 bit/s, 76,8 Kbit/s cho cổng RS232C; 300 bit?s/ 19,2Kbit/s cho cổng RS 422/485

- Khoảng cách truyền 10 m cho cổng RS232; 1000 m cho cổng RS422/485

- Dịch vụ truyền thông ASCII – Driver 3964 (R), RK 512, Printdriver và cácloại Driver đặc biệt khác

Hình 2 5: Mạng PPI

MPI (Multi Point Interface) là một subnet của SIMATIC Mạng MPI được sửdụng cho cấp trường hay cấp phân xưởng với yêu cầu về khoảng cách giữa các trạmkhông lớn Mạng chỉ cho phép liên kết với một số thiết bị của SIMATIC như S7/M7 vàC7 Thiết lập mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số lượng hạn chế các trạm(không quá 32 trạm) và dung lượng truyền thông nhỏ với tốc độ truyền tối đa là 187,5Kbps Phương pháp thâm nhập đường dẫn được chọn cho mạng MPI là Token Passing

Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau:

- Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phépthiết lập mạng đơn giản

- Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khảnăng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ

- Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data).Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trongmạng trước khi thực hiện truyền thông.

- Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau

Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:

- Chuẩn SIEMENS

- Số trạm cho phép Max 32

- Phương pháp thâm nhập đường dẫn Token Passing

- Tốc độ truyền thông Max 187,5 Kbit/s

- Môi trường truyền dẫn đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp quang(thủy tinh hoặc chất dẻo)

- Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100m, với cáp quang quaOLM>100km

- Cấu trúc mạng (Topology) đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

- Dịch vụ truyền thông các hàm chức năng của S7, bảng dữ liệu truyền thôngtoàn cụ (GD)

Hình 2 6: Mạng MPI

AS-i (Actuator Sensor Interface) giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành, mạng chỉ

có một chủ duy nhất Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp Master – Slave,một phương pháp hoàn toàn tối ưu cho những mạng chỉ có duy nhất một thiết bị là chủ.AS-i sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu như các cơ cấu chấp hành và các cảm biến đều làcác thiết bị kiểu số (Digital Input/Digital Output – DI/DO), khi thiết bị kiểu analog phải

sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn của SIEMENS Trong mạng chỉ có trạm chủ cóquyền điều khiển quá trình trao đổi thông tin Trạm chủ (Master) gọi tuần tự từng trạm tớ(Slave) tới một và đòi hỏi các trạm này gửi dữ liệu lên trên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từtrạm chủ

Những tính chất đặc trưng của AS-i:

- AS-i là mạng tối ưu cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số Quá trìnhtrao đổi dữ liệu được thực hiện thông qua đường dẫn từ cơ cấu chấp hành/cảmbiến với trạm chủ, đường dẫn này đồng thời là đường cung cấp nguồn cho các cảmbiến

- AS-i có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích thước 1 bit đến 8 bittheo tiêu chuẩn IP 65 và liên kết trực tiếp với quá trình

- Hoạt động của AS-i không cần thiết lập cấu hình trước

Các thông số kỹ thuật của AS-i:

- Chuẩn: AS-I theo chuẩn IEC TG 178

- Số lượng trạm cho phép: 1 Master và max 31 Slave

- Phương pháp thâm nhập đường dẫn: Master – Slave

- Tốc độ truyền: 167 Kbit/s

- Môi trường truyền thông: Dây dẫn thẳng không bọc

- Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng: 300 m với Repeater

- Kiểu nối: Đường thẳng, cây, sao

- Dịch vụ truyền thông: AS-I Function

Hình 2 7: Mạng truyền thông AS-i

2.3.4 Mạng Ethernet công nghiệp

IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản

lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự độnghoá Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên một phạm

vi rộng Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xem đường dẫn có bịchiếm dụng không Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi điện tín đi, khixảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừng ngay lại và quá trình gửi điện tínđược thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời gian này được xác định theo luật toánhọc ngẫu nhiên

Mạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau:

- Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

- Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì các trạm không phảicủa SIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernetcông nghiệp là mạng truyền thông mở

Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp:

- Chuẩn truyền thông : IEEE 802.3

- Số lượng trạm : MAX 1024 trạm

Phương pháp thâm nhập đường dẫn: CSMA/CD (Carrier Sensen Multiple Accesswith Collision Detection)

Môi trường truyền thông:

- Dây dẫn:

 Cáp đồng

 Cáp đôi dây xoắn

 Cáp quang: Cáp thủy tinh hoặc chất dẻo

Kiểu nối: Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

Hình 2 8: Mạng truyền thông Ethernet

2.3.5 Mạng PROFIBUS

PROFIBUS - Process Field Bus Đây là một chuẩn truyền thông được SIEMENS

phát triển từ năm 1987 trong DIN 19245 PROFIBUS được thiết lập theo phương pháp hệtruyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network)phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN

50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lậptrình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác. 

Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại tương thích nhau:

PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thông tin nhỏ

nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh Việc trao đổi chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo

cơ chế Master/Slave Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, PROFIBUS – DP chophép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master).Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s.

PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) trao đổi lượng thông tin

trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng. 

PROFIBUS – PA (Process Automation) được thiết kế riêng cho những khu vực

nguy hiểm PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phương pháptruyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2. 

Hình 2 9: Mạng truyền thông PROFIBUS

CHƯƠNG 3.THIẾT LẬP CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ

MÔ PHỎNG 3.1 Các thiết bị trong hệ thống

3.1.1 Thiết bị cấp điều khiển

 Điện áp cấp là nguồn xoay chiều 85 – 264 VAC, 47 – 63 Hz

Hình 3 1: PLC SIMENS S7 - 1200 CPU 1214C - AC/DC/Rly

3.1.2 Thiết bị cấp chấp hành

 Cảm biến đo nồng độ chất rắn hòa tan TDS

• Kiểm tra chất lượng nước

• Phạm vi đo: 0 → 3000ppm

• Điện áp hoạt động: 3,3→ 5V

• Điện áp đầu ra: 0→ 2,3V

• Dòng điện làm việc: 3→6mA

• Độ chính xác: ± 10%

Hình 3 2: Cảm biến đo nồng độ dung dịch TDS

Hình 3 3: Cảm biến đo nhiệt độ PT 100

 Cảm biến phao MH83I

 Phát hiện nước đầy hoặc hết dựa vào cảm biến từ

 Chiều dài cảm biến: 9cm

 Chiều dài dây: 33cm

 Điện áp: 24VDC

Hình 3 4: Cảm biến phao MH83I

 Bơm dung dịch Mini MB385

3.2 Thuật toán điều khiển