Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động điều khiển bằng PLC S7 – 300

Điều khiển và giám sát. Điều khiển hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu,hệ thống quạt thông gió,hệ thống mái che.Giám sát các thông số cần thiết cho cây trồng trong nhà kính như : nhiệt độ không khí,nhiệt độ đất,độ ẩm không khí,đất.Qua đó nhắm tối ưu hóa những điều kiện lý tưởng nhất và phòng tránh được những dịch bệnh gây bất lợi cho cây trồng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

VIỆN KỸ THUẬT HUTECH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH NHÀ VƯỜN TỰ ĐỘNG TRỒNG CÂY NÔNG

NGHIỆP DÙNG PLC ĐIỀU KHIỂN

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hùng

Sinh viên thực hiện : 1 Bùi Trần Linh 2 Huỳnh Văn Thương MSSV : 1515021035 1515021057

Lớp : 15HDC02

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao cho sinh viên nộp chung với ĐA/KLTN

sau khi hoàn tất đề tài)

1 Tên đề tài:

2 Giảng viên hướng dẫn:

3 Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong nhóm……):

(1) MSSV: ……… Lớp:

(2) MSSV: ……… Lớp:

(3) MSSV: ……… Lớp:

Ngành :

Chuyên ngành :

Tuần

1

2

3

4

5

6

7

Kiểm tra ngày: Đánh giá công việc hoàn thành: ………… %

Được tiếp tục: Không tiếp tục:

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện)

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……):

(1) MSSV: ……… Lớp:

(2) MSSV: ……… Lớp:

(3) MSSV: ……… Lớp:

Ngành :

Chuyên ngành :

2 Tên đề tài:

3 Tổng quát về ĐA/KLTN: Số trang: Số chương:

Số bảng số liệu: Số hình vẽ:

Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán:

Số bản vẽ kèm theo: Hình thức bản vẽ:

Hiện vật (sản phẩm) kèm theo:

4 Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:

b) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:

c) Những hạn chế của ĐA/KLTN:

5 Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm) Không được bảo vệ TP HCM, ngày … tháng … năm ………

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(GVPB nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện)

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……):

(1) MSSV: ……… Lớp:

(2) MSSV: ……… Lớp:

(3) MSSV: ……… Lớp:

2 Tên đề tài:

3 Nhận xét: a) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:

b) Những hạn chế của ĐA/KLTN:

4 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 5 Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1)

(2)

(3)

TP HCM, ngày … tháng … năm ………

Giảng viên phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Sau hơn 3 tháng làm việc cuối cùng chúng em cũng hoàn thành xong đề tài được giao, 3 tháng là một khoảng thời gian cũng không dài vì trong lúc thực hiện đề tài cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, khó khăn về tìm vật liệu linh kiện

để làm đồ án, khó khăn về thời gian vì mỗi người có những phát sinh trong cuộc sống nên cũng không dành hết trọn thời gian để làm Hơn nữa chúng em cũng đang đi làm nên thời gian càng quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết Tuy nhiên với sự nỗ lực của cả 2 cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy

TS Nguyễn Hùng đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này

Mặc dù khó khăn là vậy nhưng em xin cam đoan rằng tất cả những gì em làm trong đề tài là hoàn toàn chính bản thân chúng em làm chứ không thuê, mướn bất cứ ai khác làm thay hộ Vì tụi em biết sự quan trọng của đồ án này Đây không đơn thuần là đồ án tốt nghiệp mà qua đó giúp chúng em có thêm cái nhìn về thực tế, về kinh nghiệm và kiến thức học được trong cả quá trình làm

Chữ ký sinh viên thực hiện :

Bùi Trần Linh Huỳnh Văn Thương

Sau một thời gian nghiên cứu, tìm tòi, tính toán dưới sự chỉ dẫn tận tình

của Thầy TS Nguyễn Hùng chúng em đã hoàn thành đề tài “ Thiết kế và thi

công mô hình nhà vườn tự động điều khiển bằng PLC S7-300”

Trong quá trình thực hiện, em đã học hỏi được rất nhiều điều lý thú và bổ ích: Giúp em có khả năng tìm tòi, sáng tạo, tự lập phương pháp tìm kiếm tài liệu từ các nguồn khác nhau

Qua việc thực hiện đề tài này, chúng em đã có thêm nhiều kinh nghiệm cho các lần sau Đặc biệt là phương pháp trình bày ý tưởng của chính mình

Thời gian thực hiện đề tài cũng không đủ nhiều cũng như kiến thức còn hạn hẹp

vì thế cho nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu xót Mong các thày cô tiếp tục giúp đỡ để em hoàn thiện kỹ năng của bản thân Từ đó áp dụng vào các

đề tài sau này

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để chúng em hoàn thành đề tài này

Hiện nay trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đát nước , Nhà nước ta đã và đang khuyến khích việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất nhằm nâng cao chất lượng cũng như số lượng hàng hóa, đem lại hiệu quả kinh tế góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội,nâng cao chất lượng cuộc sống người dân

Với những định hướng rõ ràng đó, nhiều thành tựu khoa học đã được

áp dụng vào tất cả các lĩnh vực, các ngành sản xuất Ngành nông nghiệp cũng không nằm ngoài xu hướng đó nhất là trong bối cảnh nước ta đã tham gia vào hiệp định tự do của kinh tế thế giới Bởi vì lẽ đó nếu không nhanh chóng áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật, không đổi mới phương thức sản xuất và canh tác truyền thống thì ngành nông nghiệp sẽ tụt hậu so với thế giới và khu vực

Trước yêu cầu cấp thiết đó ngành nông nghiệp đã cũng với ngành tự động hóa đã đưa ra rất nhiều giải pháp trong nông nghiệp và đã được ứng dụng rộng rãi trên cả nước

Trong đề tài đồ án tốt nghiệp “ Mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp công nghệ cao dùng PLC điều khiển” chúng em xin được giới thiều giải pháp dùng PLC để điều khiển và giám sát quá trình phát triển sinh trưởng của cây trồng trong nhà kính nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản lượng sản phẩm,giảm sức người và đưa những thành tựu của ngành tự động hóa vào phát triển nông nghiệp công nghệ cao

Đề tài xin được tập trung vào hai hướng chính là:Điều khiển và giám sát Điều khiển hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu,hệ thống quạt thông gió,hệ thống mái che.Giám sát các thông số cần thiết cho cây trồng trong nhà kính như : nhiệt độ không khí,nhiệt độ đất,độ ẩm không khí,đất.Qua đó nhắm tối ưu hóa những điều kiện lý tưởng nhất và phòng tránh được những dịch

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 CB Circuit Breaker : Thiết bị đóng ngắt dòng điện

2 PLC Programmable Logic Controller: Bộ điều khiển có khả

năng lập trình đựơc

3 CPU Central Processing Unit: Bộ xử lý trung tâm

4 HMI Human Machine Interface: Giao diện ngừơi và máy

5 WinCC Windows Control Center: Giao diện điều khiển trung tâm

6 IP Internet Protocol: Giao thức truyền thông mạng Internet

7 ADC Analog to Digital Converter: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự sang tín hiệu số

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu 2

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.1.2 Tính hình nghiên cứu 3

1.1.2.1 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của thế giới 3

1.1.2.2 Tình hình của nước ta 4

1.1.3 Mục đích nghiên cứu 6

1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 7

1.1.5 Phương pháp nghiên cứu 8

1.2 Các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÔ HÌNH 11

2.1 Tổng quan 11

2.1.1 Giới thiệu về mô hình nhà kính 11

2.1.1.1 Lịch sử phát triển của mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp 11

2.1.1.2 Nhà kính là gì 11

2.1.2 Cơ sở lựa chọn vật liệu và cấu tạo nhà kính 11

2.2 Thiết kế mô hình 11

2.2.1.Lên ý tưởng và trình bày phương án thi công: 11

2.2.2.Cấu tạo và kích thước mô hình 12

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH 15

3.1 Các thiết bị điều khiển sử dụng trong đề tài 15

3.1.1 Khối điều khiển trung tâm 15

3.1.2 CB đóng cắt 30

3.1.3 Thiết bị đóng cắt điện từ 32

3.1.4 Cảm biến 33

3.1.4.1 Cảm biến nhiệt độ 33

3.1.4.2 Cảm biến độ ẩm không khí 34

3.1.4.3 Cảm biến độ ẩm đất 36

3.1.4.4 Cảm biến bắt vị trí đóng mở rèm 37

3.1.5 Hệ thống bơm tưới 39

3.1.6 Hệ thống quạt thông gió 40

3.1.7 Mô tơ kéo hệ thống rèm 41

3.1.8 Hệ thống sưởi 42

3.2 Giải thuật điều khiển mô hình 43

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM VIẾT CHƯƠNG TRÌNH PLC VÀ GIAO DIỆN HMI ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH 45

4.1 Tổng quan về PLC S7-300 45

4.1.1 Giới thiệu về PLC S7-300 45

4.1.1.1 Lịch sử phát triển của PLC 45

4.1.1.2 So sánh PLC với các hệ thống khác 48

4.1.1.3 Ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC 51

4.1.1.4 Một số dòng sản phẩm PLC thông dụng 52

4.1.2 Cấu trúc hoạt động của PLC S7-300 54

4.1.2.1 Modul CPU 55

4.1.2.2 Modul mở rộng 57

4.1.2.3 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng 62

4.2 Giới thiệu về phần mềm lập trình PLC Step 7 manager 66

4.2.1 Giới thiệu 66

4.2.2 Cách tạo một project 67

4.2.3 Nạp chương trình và giám sát việc thực hiện chương trình 84

4.3 Phần mềm viết giao diện HMI WinCC 88

4.3.1 Khái niệm 88

4.3.2 Cách tạo project mới trong WinCC 88

4.3.3 Giám sát hệ thống qua Internet thông qua ứng dụng Web Navigator của WinCC 98

4.3.1 Khái niệm 98

4.3.2 Cách cấu hình Web Navigator 98

CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH 106

5.1 Thi công mô hình 106

5.1.1Hệ thống bơm tứơi 106

5.1.2 Hệ thống ống dẫn nước và vòi phun tứơi 107

5.1.3 Hệ thống quạt thông gió 107

5.1.4 Hệ thống rèm che 109

5.1.5 Hệ thống sửoi 111

5.1.6 Mạch điện điều khiển mô hình 111

5.2 Thực nghiệm mô hình 113

5.3 Kết luận 116

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH HỨƠNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 117

6.1 Kết luận 117

6.1.1.Những vấn đề đạt được 117

6.1.2.Những vấn đề còn hạn chế 117

6.2.Hướng phát triển của đề tài 118

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của bus coupler BK3120 24 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mô đun ngõ vào số 26 Bảng 3.3 Thông số mô đun tín hiệu ngõ ra số 29

Hình 1.1: Mô hình nhà kính trồng cà rốt sạch ở Đà Lạt 6

Hình 1.2: Mô hình nhà kính trồng hoa có hệ thống thông gió ở Đà Lạt 7

Hình 1.3 Phương pháp mô hình hoá, nguồn internet 8

Hình 1.4 Mô hình nhà kính thông minh, nguồn internet 10

Hình 2.1 Hình chiếu nhìn từ trên xuống của mô hình 12

Hình 2.2 Hình chiếu cạnh của mô hình 13

Hình 2.3 Mô hình không gian của đề tài 14

Hình 3.1 PLC S7-300 2PN/DP thực tế 15

Hình 3.2 Mô đun đọc tín hiệu analog 6ES7331-7KF02-0AB0 17

Hình 3.3 Chú ý khi sử dụng mô đun đọc tín hiệu analog 6ES7331-7KF02-0AB0 18

Hình 3.4 Cách nối dây cảm biến nhiệt độ loại 2 dây 19

Hình 3.5 Cách nối cảm biến nhiệt độ loại 3 dây 19

Hình 3.6 Cách nối cảm biến nhiệt độ loại 4 dây 20

Hình 3.7 Lưu ý khi đọc tín hiệu dạng điện áp 20

Hình 3.8 Mô đun tín hiệu vào, ra của Beckhoff 21

Hình 3.9 Mô đun bus coupler của hãng Beckhoff 21

Hình 3.10 Mô đun ngõ vào số ( module digital input ) 25

Hình 3.11 Mô đun ngõ ra số 27

Hình 3.12 Mô đun kết thúc KL 9010 29

Hình 3.13 CB chống dòng rò 30

Hình 3.14 CB bảo vệ ngắn mạch nguồn một chiều 24V 31

Hình 3.15 Contactor 32

Hình 3.16 Rơ le cách ly ( Opto ) 33

Hình 3.17 Cảm biến nhiệt độ ( PT 100 ) 34

Hình 3.20 Cảm biến đo độ ẩm đất đựơc sử dụng trong mô hình 36

Hình 3.21 Cảm biến quang Baumer bắt vị trí rèm 38

Hình 3.22 Hệ thống bơm tứơi trong mô hình 39

Hình 3.23 Quạt thông gió cho mô hình 40

Hình 3.24 Động cơ kéo hệ thống rèm của mô hinh 41

Hình 4.1: Lưu đồ điều khiển dùng Rơle 46

Hình 4.2 Lưu đồ điều khiển bằng PLC 46

Hình 4.3 Mô hình hệ thống điều khiển PLC 47

Hình 4.4 Hình PLC của hãng OMRON 53

Hình 4.5 Hình PLC của hãng Mitsubishi 53

Hình 4.6 Hình PLC của hãng Siemens 54

Hình 4.7 Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7-300 55

Hình 4.8 Modul CPU 56

Hình 4.9A Sơ đồ bố trí một trạm PLC( S7-300) 57

Hình 4.9B Modul ghép nối IM360 và IM361 60

Hình 4.10 Thanh Rack 61

Hình 4.11 Sơ đồ tổng quát của một trạm PLC S7-300 61

Hình 4.12 Truyền thông giữa máy tính, PLC và cơ cấu chấp hành 63

Hình 4.13 Sơ đồ kết nối mạng MPI 63

Hình 4.14 Sơ đồ kết nối mạng PROFIBUS 64

Hình 4.15 Mô hình một mạng AS-I công nghiệp 65

Hình 4.16 Sơ đồ kết nối mạng P-to-P Link 65

Hình 4.17 Sơ đồ kết nối mạng Industrial Ethernet công nghiệp 66

Hình 4.18 Mở một Project mới 67

Hình 4.19 Đặt tên cho một Project mới 68

Hình 4.22 Khai báo cấu hình cứng cho trạm PLC 70

Hình 2.23 Màn hình khai báo cấu hình cứng cho tạm PLC 71

Hình 4.24 Thư viện để lấy các Modul 71

Hình 4.25 Đặt tham số cho Modul CPU 72

Hình 4.26 Đặt chế độ cho Modul Analog 73

Hình 4.27: Soạn thảo chương trình trong OB1 74

Hình 4.28 Mở một khối logic khác 74

Hình 4.29 Tạo một khối logic mới 76

Hình 4.30 Đặt tên và chọn chế độ làm việc cho khối logic mới 77

Hình 4.31 Gọi màn hình soạn thảo 77

Hình 4.32 Màn hình soạn thảo của khối Logic FC2 78

Hình 4.33 Nhập dữ liệu vào khối Lokal block của khối FC 78

Hình 4.34 Soạn thảo chương trình trong khối logic FC1 79

Hình 4.35 Tạo khối FB 79

Hình 4.36 Chọn ngôn ngữ viết chương trình trong khối FB1 80

Hình 4.37 Gọi khối FB1 81

Hình 4.39 Màn hình soạn thảo trong khối FBs 82

Hình 4.40 Sử dụng biến hình thức 83

Hình 4.41 Ghi các ký hiệu biến hình thức vào bảng Symbol 83

Hình 4.42 Màn hình soạn thảo với các tên biến hình thức 84

Hình 4.43 Kết nối CP và PLC để nạp chương trình 85

Hình 4.44 Xóa chương trình đã có sẵn trong CPU 86

Hình 4.45 Quan sát quá trình hoạt động 87

Hình 4.46 Quan sát nội dung của ô nhớ 87

Hình 4.47 Giao diện phần mêm WinCC 88

Hình 4.50 Chọn liên kết Tag cho WinCC 90

Hình 4.51Vị trí tạo Tag cho WinCC 91

Hình 4.52 Tạo Tag cho WinCC 91

Hình 4.53 Tạo giao diện cho WinCC 92

Hình 4.54 Vùng tạo giao diện cho WinCC 92

Hình 4.55 Tạo nút nhấn và cấu hình thuộc tính cho nút nhấn 93

Hình 4.56 Cấu hình thuộc tính màu cho nút nhấn 93

Hình 4.57 Chỉnh chế độ thuộc tính màu cho nút nhấn 94

Hình 4.58 Cấu hình thuộc tính màu cho nút nhấn 94

Hình 4.59 Chọn Tag liên kết và màu cho nút nhấn 95

Hình 4.60 Kết quả khi cấu hình thuộc tính màu cho nút nhấn 96

Hình 4.61A Cấu hình Tag cho I/O field 97

Hình 4.61B Cấu hình thuộc tính màu cho I/O field 97

Hình 4.62 Chọn tốc độ thực thi của I/O field 98

Hình 4.63 Cấu hình máy chủ Web Navigator 99

Hình 4.64 Cấu hình Web Navigator 100

Hình 4.65 Chọn địa chỉ IP máy chủ Web Navigator 100

Hình 4.66 Hoàn thành cấu hình Web Navigator 101

Hình 4.67A Cấu hình đưa giao diện lên server 102

Hình 4.67B Chọn file HMI muốn lưu lên sever 102

Hình 4.68 Cấu hình Web Navigator hoàn thành 103

Hình 4.69 Cách vào tắt chế độ bảo vệ của Internet Explore 103

Hình 4.70 Tắt chế độ bảo vệ và nhập user lên Internet Explore 104

Hình 4.71 Kết quả khi đã truy cập vào máy chủ từ Internet Explore 105

Hình 5.1 Bơm tứơi cho mô hình 106

Hình 5.4 Hệ thống rèm che 109

Hình 5.5 Hệ thống truyền động cho màn che 110

Hình 5.6 Hệ thống đèn sửơi 111

Hình 5.7 Bảng điện điều khiển mô hình 112

Hình 5.8 Bảng điều khiển ở chế độ bằng tay 112

Hình 5.9 Tổng quan mô hình thực tế 113

Hình 5.10 Đèn hiển thị chế độ chạy bằng tay 114

Hình 5.11 Giao diện màn hình điều khiển mô hình từ máy chủ 114

Hình 5.12 Giao diện màn hình điều khiển mô hình từ xa qua internet 116

Hình 6.1 Phát triển theo hướng giám sát toàn diện 119

Hình 6.2 Mô hình nhà kính tương lai 120

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thời gian qua,sản xuất nông nghiệp trên cả nước ta chịu rất nhiều khó khăn, bất lợi do thời tiết, dịch bệnh,suy thoái kinh tế, giá cả hàng nông sản bấp bênh, chịu sự cạnh tranh của hàng hóa nước ngoài giá rẻ hơn chất lượng tốt hơn, trong khi giá vật tư đầu vào không ổn định và đang có xu hướng tăng cao.Ngoài ra với tình hình thực phẩm bẩn,kém chất lượng trên thị trường như hiện nay người tiêu dùng rất cần những sản phẩm nông nghiệp sạch chất lượng cao mà không phải chi quá nhiều tiền để sử dụng sản phẩm nhập khẩu

là một nha cầu bứt thiết,cấp bách Ỏ nước ta hiện nay ngành nông nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và khi kinh tế nước ta hội nhập quốc tế cũng đem lại nhiều thuận lợi như thị trường mở rộng, sản phẩm làm ra được xuất khẩu đi rất nhiều nơi trên thế giới.Nhưng cúng không ít khó khăn thách thức cho ngành nông nghiệp nước ta

Do đó việc cấp bách nhất để vực dậy nền nông nghiệp nước ta là tập trung vào việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm.Phát triển nông nghiệp bền vững nhằm tạo ra những sản phẩm nông nghiệp đạt chuẩn thế giới

Vì những lý do trên chúng em quyết định nghiên cứu để tài ‘phát triển nông nghiệp công nghệ cao’ cụ thể là “Mô hình trồng cây nông nghiệp trong nhà kính”

Trong các hệ thống sản xuất, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc và

thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có rất nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn Trước đây, các hệ thống điều khiển logic được sử dụng là hệ thống logic rơ-le Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện vào năm 1969 đã dần thay thế các hệ thống điều khiển rơ-le

Đồng thời, với sự phát triển chưa từng thấy của khoa học công nghệ,

đã cho ra đời các phần mềm kết hợp với các phần cứng vật lý như PLC tạo ra các hệ thống hoàn hảo cho sinh hoạt cũng như trong sản xuất Phần mềm WinCC là một ứng dụng cụ thể

Chính vì thế mà hiện nay, sự kết hợp giữa PLC và WinCC được nhiều chuyên gia, kỹ sư thiết kế, kỹ thuật viên, chuyên viên, công nhân bậc cao tham gia nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như muốn làm quen với việc điều khiển hệ thống nuôi trồng cây nông nghiệp bằng PLC kết hợp với tạo giao diện giao tiếp dùng WinCC, đồng thời dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy

TS Nguyễn Hùng, chúng em đã chọn thực hiện đề tài “Mô hình trồng cây nông nghiệp sử dụng PLC điều khiển” cho đề tài tốt nghiệp, nhằm lĩnh hội

những tri thức cần thiết và cơ bản về PLC và thiết kết giao tiếp trên máy tính trong việc tự động hóa hệ thống nuôi trồng cây nông nghiệp công nghệ cao

1.1.2 Tính hình nghiên cứu

1.1.2.1 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của thế giới

Từ những năm giữa thế kỷ XX, các nước phát triển đã quan tâm đến việc xây dựng các khu nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao nhằm thúc đẩy sáng tạo khoa học công nghệ giúp cho kinh tế phát triển Đầu những năm 80,

tại Hoa Kỳ đã có hơn 100 khu khoa học công nghệ Ở Anh quốc, đến năm

1988 đã có 38 khu vườn khoa học công nghệ với sự tham gia của hơn 800 doanh nghiệp Phần Lan đến năm 1996 đã có 9 khu khoa học nông nghiệp công nghệ cao Phần lớn các khu này đều phân bố tại nơi tập trung các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ mới và kết hợp với kinh nghiệm kinh doanh của các doanh nghiệp

để hình thành nên một khu khoa học với các chức năng cả nghiên cứu ứng dụng, sản xuất, tiêu thụ và dịch vụ

Bên cạnh các nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở Châu á cũng đã chuyển nền nông nghiệp theo hướng số lượng là chủ yếu sang nền nông nghiệp chất lượng, ứng dụng công nghệ sinh học, công nghệ tự động hoá, cơ giới hoá, tin học hoá… để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn, hiệu quả

Công nghệ trồng cây trong nhà kính: nay được gọi là nhà màng do việc

sử dụng mái lớp bằng màng polyethylen thay thế cho kính (green house) hay nhà lưới (net house) Trên thế giới, công nghệ trồng cây trong nhà kính đã được hoàn thiện với trình độ cao để canh tác rau và hoa Ứng với mỗi vùng miền khác nhau những mẫu nhà kính và hệ thống điều khiển các yếu tố trong nhà kính cũng có sự thay đổi nhất định cho phù hợp với điều kiện khí hậu của từng vùng, trong đó hệ thống điều khiển có thể tự động hoặc bán tự động Tuy nhiên đối với các vùng thường chịu nhiều tác động của thiên tai như bão lũ, động đất thì lại cần cân nhắc kỹ giữa lợi ích và chi phí do rủi ro

1.1.2.2 Tình hình của nước ta

Trong những năm gần đây thực hiện Quyết định 176/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ Về việc phê duyệt Đề án phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đến năm 2020, các tỉnh, thành phố trong cả nước đang triển

khai xây dựng các khu nông nghiệp công nghệ cao; các vùng sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao và mô hình sản xuất nông nghiệp công nghệ cao

Có thể nói Lâm Đồng là một trong những địa phương tiên phong trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao và hiện tại là tỉnh dẫn đầu về mức độ ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất nông sản hàng hóa Từ những năm

1990, Lâm Đồng đã xác định nông nghiệp công nghệ cao là một trong những đột phá phát triển; nhiều mô hình nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đã được hình thành và hoạt động có hiệu quả

Nhà kính phù hợp với yêu cầu phát triển nông nghiệp bền vững , cho phép kiếm soát đầy đủ và chặt chẻ thông số của quá trình sản xuất như nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng,khí oxy,carbonic ,kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác

để đáp ứng sự sinh trưởng phát triển của cây trồng và kiểm soát được tình hình sâu bệnh để đạt sản lượng cao nhất

Hiện nay ở Việt Nam, bà con nông dân và các doanh nghiệp nông nghiệp cũng đã áp dụng mô hình nhà kính để sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấp bằng công nghệ cao nhiều nhất là ở Đà Lạt , nơi được xem là vùng trồng rau hoa trọng điểm của cả nước

Hiện nay hầu hết các loại nhà kính công nghệ cao ở Việt Nam đều được nhập công nghệ trực tiếp hoặc mô hình chuyển dao công nghệ từ các nước có nền nông nghiệp công nghệ cao phát triển như Nhật Bản,Israel…

Hiện nay, trong nước đã có nghiên cứu của các trường, viện về thiết

kế mẫu nhà kính như công trình “Nhà lưới trồng cây công nghệ cao” do Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật công nghiệp phối hợp với Viện Khoa học Sự sống thực hiện; công trình “Nghiên cứu xây dựng mô hình

và kỹ thuật trồng rau năng suất cao cho quần đảo Trường Sa” do Trung tâm

Nhiệt đới Việt - Nga và Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam thực hiện… Bên cạnh đó, một số công ty trong nước cũng chủ động sản xuất được loại nhà kính áp dụng kỹ thuật, công nghệ nhà kính của nhiều nước phát triển trên thế giới, kết hợp những ưu điểm của các mô hình nhà kính đang ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời khắc phục những nhược điểm của các nhà kính

đã được bà con nông dân và các doanh nghiệp triển khai ở trong những năm qua

Ngoài ra, với sự phát triển một cách nhanh chóng của ngành điện tử cũng như nhiều ngành khác thì ý tưởng về nhà vườn thông minh không còn vướng bởi rào cản công nghệ Việc điều khiển nhà vườn thông minh thông qua smartphone hoặc máy tính tạo nên bước ngoặc lớn trong việc điều khiển tự động, không dây một cách linh hoạt, có thể nói sự phát triển không ngừng của những chiếc smartphone đã làm cho công nghệ có thêm bước tiến, việc điều khiển dễ dàng hơn

Hình 1.1: Mô hình nhà kính trồng cà rốt sạch ở Đà Lạt

1.1.3 Mục đích nghiên cứu

Để chế tạo được một sản phẩm nhà kính công nghệ cao phục vụ cho nền nông nghiệp Việt Nam mà không phải đi nhập khẩu công nghệ của nước

ngoài.Là nỗi trăn trở của biết bao nhiêu nhà khoa học,kỹ sư cả trong và ngoài nước…

Vấn đề chính để có thể phát triển các mô hình nhà kính ở nước ta là hạ giá thành đầu tư và cải tiến các đặt tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác và điều kiện khí hậu ở Việt Nam

Vì vậy qua đề tài tốt nghiệp này chúng em muốn góp một phần nhỏ công sức

để làm phong phú thêm các phương pháp , một cách làm khác nhằm góp phần vào sự phát triển chung của nghành nông nghiệp công nghệ cao

Hình 1.2: Mô hình nhà kính trồng hoa có hệ thống thông gió ở Đà Lạt

1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Dùng phần mềm PLC S7-300 thông qua các cảm biến nhiệt độ,độ ẩm,ánh áng để thiết lập một mô hình nhà kính có thể điều khiển tự động, giám sát từ xa

Nhằm mục đích đem lại một môi trường sinh trưởng tốt nhất cho cây trồng Nghiên cứu các ứng dụng của PLC Siemens vào điều khiển chu trình chăm sóc nuôi trồng cây nông nghiệp

Thiết kế giao diện người dùng trên WinCC cho hệ thống giám sát nuôi trồng chăm sóc cây nông nghiệp đồng thời tìm hiểu giao thức kết nối giữa WinCC

và PLC

Dùng PLC Siemens điều khiển hệ thống và WinCC làm giao diện giao tiếp

1.1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực

Mô hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc ý niệm (tư duy) để biểu diễn, phản ánh hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trò đại diện, thay thế đối tượng thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin mới tương tự đối tượng thực

Hình 1.3 Phương pháp mô hình hoá, nguồn internet

Cơ sở logic của phương pháp mô hình hóa là phép loại suy Phương pháp mô hình hóa cho phép tiến hành nghiên cứu trên những mô hình (vật chất hay ý

niệm (tư duy)) do người nghiên cứu tạo ra (lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn đối tượng thực) để thay thế việc nghiên cứu đối tượng thực Điều này thường xảy

ra khi người nghiên cứu không thể hoặc rất khó nghiên cứu đối tượng thực trong điều kiện thực tế

Phương pháp mô hình hóa xem xét đối tượng nghiên cứu như một hệ thống (tổng thể), song tách ra từ hệ thống (đối tượng) các mối quan hệ, liên hệ có tính quy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh được các mối quan hệ, liên hệ đó của các yếu tố cấu thành hệ thống – đó là sự trừu tượng hóa hệ thống thực

Dùng phương pháp mô hình hóa giúp người nghiên cứu dự báo, dự đoán, đánh giá các tác động của các biện pháp điều khiển, quản lý hệ thống.Ví dụ:

sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc (đặc biệt là cấu trúc không gian, các

bộ phận hợp thành có bản chất vật lý giống hệt đối tượng gốc) để phản ánh, suy ra cấu trúc của đối tượng gốc như: mô hình động cơ đốt trong, mô hình tế bào, sa bàn…

Cụ thể ở đây chúng em dùng phương pháp nghiên cứu trên mô hình nhà kính

mi ni sẽ đề cập cụ thể ở chương 2

Ngoài ra chúng em còn sử dụng phương pháp thu thập thông tin từ nhiều nguồn như: tham khảo tài liệu trên mạng, những báo cáo khoa học trong và ngoài nước để làm cho thông tin nghiên cứu thêm phong phú, khách quan

1.2 Các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu

Hiểu rõ hơn về việc thiết lập cài đặt thông số trong PLC

Nắm vững nguyên lý hoạt động của hệ thống kết nối và truyền dữ liệu giữa PLC và các cổng truyền thông nhằm giám sát hệ thống qua Internet,sóng điện thoại,3G…

Đưa ra được một giải pháp mới nhằm cải tiến mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp trong tương lai gần…

Bước đầu biết xây dựng một hệ thống PLC tương đối hoàn chỉnh,

điều khiển lập trình PLC và thiết kế giao diện WinCC mang tính mềm dẻo và linh hoạt, điều khiển dựa vào chương trình và thực hiện lệnh logic.Chúng em

hy vọng sau khi nghiên cứu đề tài này sẽ lĩnh hội nhiều hơn về các vấn đề liên quan đến PLC và phần mềm WinCC như: cấu hình phần cứng, tập lệnh của PLC, WinCC, xây dựng lưu đồ và viết chương trình điều khiển hệ thống cũng như các giao thức kết nối giữa chúng

Hình 1.4 Mô hình nhà kính thông minh, nguồn internet

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÔ HÌNH

2.1 Tổng quan

2.1.1 Giới thiệu về mô hình nhà kính

2.1.1.1 Lịch sử phát triển của mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp;

Lịch sử phát triển của nhà kính trồng rau hoa đã có từ rất lâu đời Ngày nay , sự ứng dụng của chúng đã mang lại sự phát triển rất nhanh cho ngành nông nghiệp.Người La Mã cổ đại đã phát triển nhà kính đầu tiên bằng chất liệu tương tự như kính và mica sử dụng để trồng nhiều loại trái cây và rau quanh năm

2.1.1.2 Nhà kính là gì;

Nhà kính là một thuật ngữ chung dùng để đề cập đến việc sử dụng một vật liệu trong suốt hoặc bán trong suốt được hỗ trợ trong một khung sương làm bằng thép(hoặc có thể bằng tre đặt ở Việt Nam) trong một khu vực xác định cho cây trồng sinh sống phát triển

Cụ thể ,ở đây vật liệu bao phủ là kính ,mica,hoặc tấm nhựa

2.1.2 Cơ sở lựa chọn vật liệu và cấu tạo nhà kính:

Do tính ứng dụng vào thực tiễn rất cao của mô hình nên chúng em lựa chọn vật liệu khung sương là thép hộp,kết hợp với tấm nhựa PE trong suốt bao phủ xung quanh để có thể đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng của đề tài đưa ra

2.2 Thiết kế mô hình:

2.2.1.Lên ý tưởng và trình bày phương án thi công:

Ý tưởng ban đầu được đưa ra là làm một mô hình có kích thước khá lớn với (dài x rộng x cao )3mx1.5mx2m có cơ cấu rèm che tự động,sử dụng động cơ 3 pha để cung cấp nước cho hệ thống tưới phun,tưới nhỏ giọt và hệ thống phun sương tạo độ ẩm đất.Hệ thống nước tuần hoàn có qua hệ thống lọc

và bể lắng.Hệ thống quạt thông gió,đèn sưởi cây trồng và sử dụng các cảm biến độ ẩm,nhiệt độ,độ PH điều khiển thông qua PLC

Nhưng do mô hình ban đầu đưa ra có kích thước quá lớn nên ý tưởng ban đầu nhanh chóng được thu gọn lại để phù hợp với điều kiện thực tế mà vẫn không mất đi những công cụ cần thiết để nghiên cứu một cách gần nhất với thực tiễn của ngành nông nghiệp công nghệ cao ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung

2.2.2.Cấu tạo và kích thước mô hình:

Hình 2.1 Hình chiếu nhìn từ trên xuống của mô hình

Mô hình nhà kính được thiết kế theo hình chữ nhật với mái là hình tam giác và có các thông số như sau:

Chiều dài mô hình : 1500mm

Chiều rộng mô hình :800mm

Chiều cao mô hình: 1300mm

Phần mái cao:200mm

Hình 2.1 Hình chiếu cạnh của mô hình

Vật liệu sử dụng làm khung mô hình là thép hộp 20x20mm,30x30mm được hàn cố định thành từng modul và modul được lắp ghép với nhau bằng bulong để tiện duy chuyển và tháo rời sau này.Phần chân được gắn thêm bốn bánh xe để tiện di chuyển.Bên cạnh mô hình được hàn thêm một khung đỡ hệ thống bơm và bồn đụng nước tưới cho cây trồng,được tích hợp luôn lên mô hình để tăng tính tiện lợi nhỏ gọn

Hình 2.3 Mô hình không gian của đề tài

Mô hình được bao phủ xung quanh bởi tấm lợp sáng lấy ánh sáng mặt trời và để giữ cho nhiệt độ được ổn định phù hợp với hầu hết các loại cây trồng theo sát thực tiễn nhà kính hiện nay.Làm tăng tính ứng dụng của mô hình sau này

Ngoài ra mô hình còn có hệ thống thanh trượt,cơ cấu bánh răng ,xích tải để thực hiện viện đóng mở rèm che mát tự động

Phần giới thiệu mô hình cơ khí chúng em xin được kết thúc tại đây và

sẻ mô tả hoạt động vào phần sau

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH

3.1 Các thiết bị sử dụng trong đề tài

3.1.1 Khối điều khiển trung tâm

3.1.1.1 Bộ điều khiển PLC S7-300 315 2PN/DP

Hình 3.1 PLC S7-300 2PN/DP thực tế

PLC S7-300 với bộ xử lý bên trong là CPU315 là một trong những dòng PLC mạnh mẽ của Siemens, một hãng nổi tiếng trên thế giới của Đức, PLC đựơc thiết kế theo chuẩn công nghiệp với chuẩn IEC là chuẩn của châu âu, độ tin cậy cao, tính ổn định và chính xác, có khả năng thích nghi với môi trừơng

lựa chọn hàng đầu của các dây chuyền sản xuất tự động hóa PLC tích hợp 2 cổng Ethernet, giúp mở rộng mạng lứơi điều khiển tự động đựơc rộng hơn, đồng thời nâng cao tốc độ truyền và xử lý tín hiệu Đặc biệt giúp hệ thống có thể dễ dàng kết nối Internet đáp ứng công nghệ I4.0, Internet Of Thing đang dần lan rộng hiện nay

Đặc điểm kỹ thuật

- Bộ nhớ bên trong 384 kbyte

- 1 cổng giao tiếp MPI/DP tốc độ 12Mbit/s

- 2 cổng giao tiếp ethernet profinet

- Khe cắm card mở rộng nếu cần

- Nguồn hoạt động 24Vdc

- PLC đựơc lập trình và cấu hình thông qua phần mêm Step7 của

Siemens

3.1.1.2 Mô đun dọc tín hiệu analog

Trong đề tài ta sử dụng mô đun analog 6ES7331 – 7KF02 – 0AB0 của Siemens Đây là mô đun dùng để đọc tín hiệu analog từ cảm biến độ ẩm đất,

độ ẩm không khí và nhiệt độ không khí từ đó chuyển đổi thành giá trị thực đề điều khiển bơm, quạt thông gió và đèn sưởi nhằm đảm bảo môi trừơng cho cây trồng phát triển tốt hơn

Hình 3.2 Mô đun đọc tín hiệu analog 6ES7331-7KF02-0AB0

khác nhau Mỗi miếng sẽ đựơc sử dụng cho 2 kênh Có 4 chế độ là A,

B, C, D Với :

• A : 80/250/500/1000mV/Pt100

• B :2.5/5/1…5/10V

• C : đo dòng điện 4 dây

• D : đo dòng điện 2 dây

Hình 3.3 Chú ý khi sử dụng mô đun đọc tín hiệu analog

6ES7331-7KF02-0AB0 Lưu ý phải đặt đúng vị trí nếu không có thể gây nguy hại cho mô đun cũng có thể gây cháy mô đun

- Phải khai báo đúng loại trong cấu hình phần cứng PLC nếu không đèn lỗi mô đun sẽ báo

- Một số cách nối đối với dạng cảm biến đo nhiệt độ với từng loại 2 dây,

3 dây, 4 dây như sau :

• Loại 2 dây :

Chú ý để đúng chế độ tương ứng với dạng tín hiệu cần đo

Hình 3.4 Cách nối dây cảm biến nhiệt độ loại 2 dây

• Loại 3 dây :

Hình 3.5 Cách nối cảm biến nhiệt độ loại 3 dây

• Loại 4 dây :

Hình 3.6 Cách nối cảm biến nhiệt độ loại 4 dây

- Lưu ý đặc biệt khi ta đo tín hiệu dạng điện áp thì cần phải kết nối chân

âm của tín hiệu với chân Mana như hình 3.7

Hình 3.7 Lưu ý khi đọc tín hiệu dạng điện áp 3.1.1.3 Mô đun tín hiệu số vào và ra

Trong đề tài này em sử dụng mô đun I/O của beckhoff Đặc điểm của

mô đun rất tiện lợi và kết nối nhanh chóng dễ dàng

Để liên kết giữa PLC và các modul IO trong mạng của hệ thống Beckhoff thì phải dùng modul gọi là Bus Coupler

Có nhiều dạng kết nối như Ethernet IP, Profibus, Profinet, Mudbus…

Do đó sẽ có những modul Bus Coupler khác nhau

Hình 3.8 Mô đun tín hiệu vào, ra của Beckhoff

Hình 3.9 Mô đun bus coupler của hãng Beckhoff

Phiên bản thuộc dòng sản phẩm "siêu tiết kiệm" giúp mở rộng khả năng kết nối các khối Bus Coupler PROFIBUS thuộc mã BK3xx0 một cách tối đa Công nghệ mới này cho phép gia tăng không gian kết nối, có thể lên đến 255 khối mô- đun mở rộng K-bus ghép sau một khối Bus Coupler Bộ kết nối BK3120 được thiết kế để phù hợp với các thiết bị tự động hóa Chuẩn PROFIBUS bỏ quả công đoạn FS để có thể truyền tải nhiều dữ liệu trong chế

độ DP hơn Với 1 bộ kết nối Bus Coupler nó có thể truyền tải 128 byte tín hiệu input và 128 byte tín hiệu output Bộ kết nối BK3120 được gắn vào các thiết bị PROFIBUS DP V1 Những thiết bị này cho phép kết nối trực tiếp với

bộ cài đặt Bus Coupler và các mô- đun phức tạp để phục vụ nhiều mục đích khác nhau, ví dụ, để thay đổi các tham số hay để cài đặt/điều chỉnh giá trị tới hạn của các khối mô- đun analog

Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 12 Mbaud tự động nhận diện các dữ liệu từ Bus Coupler, cho phép tốc độ truyền có thể thích ứng được với yêu cầu của các quy trình công nghệ đặc biệt

Thông số hệ thống PROFIBUS | BK3120

Số trạm I/O 100 với bộ lặp

Số điểm I/O Xấp xỉ 6000, phụ thuộc vào máy chủ

Phương tiện kết nối Cáp mạ đồng, 2 x 0.25 mm2

187.5 kbaud

500 kbaud

1,500 kbaud

3,6,12 kbaud

Thời gian truyền dữ Xấp xỉ 3ms (10 trạm dừng cho mỗi Xấp xỉ 0.5ms

liệu 32 bit tín hiệu input và output)

liệu Tự động dò tìm, tốc độ lên đến 12 Mbaud

Kiểu ngõ giao tiếp 1 x D-sub chân cắm 9 chân với nắp che

Nguồn cung cấp 24 V DC (-15 %/+20 %)

Dòng cung cấp 70 mA + (bao gồm dòng điện K-bus)/4, 500 mA max

Dòng cung cấp

Dòng tối đa tiếp

điểm kết nối 24 V DC max./10 A max

Áp cách điện 500 V (Dòng tối đa tiếp điểm kết nối/áp cung cấp Bus

rung động Phù hợp tiêu chuẩn EN 60068-2-6/EN 60068-2-27

Độ miễn nhiễu EMI Phù hợp tiêu chuẩn EN 61000-6-2/EN 61000-6-4

Khả năng chống IP 20