Thiết kế và thi công hệ thống giám sát trang trại chăn nuôi sử dụng PLC S7 1200

giám sát trang trại chăn nuôi sử dụng plc s7 1200 ..........................................................................................................................................................................

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -

Tp Hồ Chí Minh - 12/2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nghiêm Sỹ Tú MSSV: 15141325

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông Mã ngành: 41

15141DT2C

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT

TRANG TRẠI CHĂN NUÔI

II NHIỆM VỤ

Nội dung thực hiện:

• Nội dung 1: Tìm hiểu PLC S7 – 1200

• Nội dung 2: Tìm hiểu cách kết nối của cảm biến nhiệt ẩm với PLC S7-1200

• Nội dung 3: Thiết kế mô hình hệ thống chuồng trại chăn nuối heo có giám sát

• Nội dung 4: Thiết kế mô hình toàn hệ thống

• Nội dung 5: Thi công mô hình hệ thống cơ khí, hệ thống điện

• Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho hệ thống

• Nội dung 7: Thiết kế giao diện giám sát SCADA, giao diện hiển thị dữ liệu cảm biến online

• Nội dung 8: Đánh giá kết quả thực hiện, cải tiến mô hình

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 26/08/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/12/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS Ts Nguyễn Minh Tâm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG

TRẠI CHĂN NUÔI

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình

Người thực hiện

LỜI CẢM ƠN 

Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM nói chung, các thầy cô và sinh viên trong khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, 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 PGS Ts Nguyễn Minh Tâm người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khoá luận

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Sinh viên thực hiện đồ án

Bùi Hải Phong Nghiêm Sỹ Tú

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

LIỆT KÊ HÌNH VẼ vii

LIỆT KÊ BẢNG ix

TÓM TẮT x

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI 4

2.2 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200 4

2.3 TRUYỀN THÔNG MODBUS TRÊN RS485 VỚI PLC S7-1200 13

2.4 BƠM CHÌM 220V 16

2.5 ARDUINO UNO R3 20

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 29

3.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 29

3.1.1 Giới thiệu về hệ thống 29

Chức năng từng phần 29

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 29

3.2.3 Sơ đồ kết nối PLC với toàn hệ thống 34

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 35

4.1 GIỚI THIỆU 35

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 35

4.2.1 Thi công phần khung của hệ thống 35

4.3 LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 37

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 37

4.2.3 Phần mềm lập trình cho PLC 41

Chương 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 49

5.1 KẾT QUẢ 49

5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 53

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

6.1 KẾT LUẬN 54

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHẦN PHỤ LỤC 56

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2 1 : Tổng quan PLC S7-1200 9

Hình 2 2: Bảng tín hiệu của PLC S7-1200 11

Hình 2 3: Các Module tín hiệu PLC S7- 1200 12

Hình 2 4: Các module truyền thông PLC S7- 1200 13

Hình 2 5: Sơ đồ kết nối RS485 14

Hình 2 6: Cảm biến SHT10 15

Hình 2 7: Bơm chìm 16

Hình 2 8: Động cơ DC 12V 16

Hình 2 9: Nút nhấn 17

Hình 2 10: Nút dừng khẩn cấp 17

Hình 2 11: Relay trung gian 24V 18

Hình 2 12: Vít tải 18

Hình 2 13: Quạt thổi 19

Hình 2 14: Đèn sợi tóc 19

Hình 2 15: Những phiên bản của Arduino 21

Hình 2 16: Arduino Uno 22

Hình 2 17: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn 24

Hình 2 18: Arduino đời đầu 25

Hình 2 19: Các lỗ vít giúp cố định vị trí Arduino 25

Hình 2 20: Các ngõ vào/ngõ ra của Arduino 26

Hình 2 21: Các shield xếp chồng lên Arduino 28

Hình 2 22: Một số shield thông dụng 28

Hình 3 1: Sơ đồ khối của hệ thống 30

Hình 3 2: Giao diện hệ thống scada 32

Hình 3 3: Giao diện web 33

Hình 3 4: Sơ đồ chân của PLC 34

Hình 4 1: Thiết kế phần khung hệ thống 35

Hình 4 2: Bên ngoài bảng điều khiển 36

Hình 4 3: Bên trong bảng điều khiển 36

Hình 4 5: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động 39

Hình 4 6: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động 40

Hình 4 7: Tia Portal V14 42

Hình 4 8: Giao diện bắt đầu của chương trình 42

Hình 4 9: Giao diện tạo dự án mới 42

Hình 4 10: Giao diện bắt đầu của dự án mới 43

Hình 4 11: Giao diện Devices & networks 43

Hình 4 12: Giao diện Add new device 44

Hình 4 13: Giao diện làm việc 44

Hình 4 14: Giao diện viết chương trình 44

Hình 4 15: Giao diện web cập nhật giá trị của nhiệt độ - độ ẩm 45

Hình 4 16: Giao diện SCADA quản lí hệ thống 45

Hình 4 17: Biểu tượng Visual studio 47

Hình 4 18: Giao diện tạo một project mới 47

Hình 4 19: Giao diện lựa chọn 48

Hình 4 20: Cấu hình cho web 48

Hình 5 1: Mặt trước của hệ thống 49

Hình 5 2: Mặt bên của hệ thống 50

Hình 5 3: Bên trong của hệ thống 50

Hình 5 4: Giao diện giới thiệu trường của trang web 51

Hình 5 5: Giao diện giới thiệu đồ án của trang web 51

Hình 5 6: Giao diện truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biển 52

Hình 5 7: Giao diện truy xuất dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến 53

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng Trang Bảng 2 1: Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200 9 Bảng 2 2: Bảng các module hỗ trợ PLC S7- 1200 11 Bảng 2 3: Một vài thông số của Arduino UNO R3……… 23

TÓM TẮT

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện

tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng

Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất, các trang trại chăn nuôi công nghiệp, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong qui trình chăn nuôi tạo ra các sản phẩm chăn nuôi chất lượng cao Một trong đó

là các trang trại chăn nuôi giám sát các nhu cầu cơ bản của vật nuôi sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens

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

định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT

TRANG TRẠI CHĂN NUÔI”

Với đề tài này, nhóm hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể mở rộng, phát triển nữa Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này kết hợp với hệ thống làm sạch trang trại chăn nuôi, thu gom và xử lí chất thải … sẽ tạo ra một hệ thống phân trang trại thông minh và hoàn thiện

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện

tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phải nắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng

Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những ứng dụng đó là áp dụng vào quy trình chăn nuôi bằng hệ thống cho ăn, uống

và giám sát các nhu cầu khác của heo một cách tự động sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens

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

định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT

TRANG TRẠI CHĂN NUÔI”

Đã có khá nhiều đề tài thực hiện việc chăm sóc các loại vật nuôi khác nhau như

cá, bò Nhưng với mỗi loại vật nuôi lại có những môi trường chăm sóc khác nhau thì lại cần có những mô hình khác nhau Vì vậy ta cần một hướng xử lí phù hợp hơn với từng loại vật nuôi mà ở đây đối tượng chăn nuôi là heo

Với hệ thống chăn nuôi theo mô hình truyền thống thì việc giám sát chưa chặt

sẽ vì môi trường sống của vật nuôi chưa được giám sát và theo dõi chặt chẽ Vì vậy chúng ta cần xây dựng việc giám sát hệ thống theo dõi nhiệt độ, độ ẩm để phù hợp với từng vật nuôi

1.2 MỤC TIÊU

Với đề tài này mục tiêu mà nhóm đề ra là tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn và PLC S7 – 1200 và các ứng dụng trong thực tế Từ đó thiết kế và thi công mô hình trang trại chăn nuôi tự động Bên cạnh đó là điều khiển và giám sát hoạt động của

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

• NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về PLC S7 -1200, cảm biến nhiệt độ-độ

ẩm, bơm điện để bơm nước và relay trung gian

• NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu nhiệt độ - độ ẩm thu thập được, tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình Kết nối các ngoại vi với PLC

• NỘI DUNG 3: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho PLC Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống, giao diện hiển thị dữ liệu web online

• NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm, phần cứng để mô hình được tối ưu, sử dụng dễ dàng Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực tế, hiệu suất hoạt động của hệ thống so với tính toán

• NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện

• NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện

1.4 GIỚI HẠN

• Mô hình quy mô còn nhỏ

• Mô hình còn chưa tối ưu, hình dáng còn thô kệch

• Độ chính xác tương đối

• Tốc độ còn chậm do là điều khiển tuần tự

1.5 BỐ CỤC

• Chương 1: Tổng Quan

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

• Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

• Chương 4: Thi Công Hệ Thống

• Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá

• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao thức

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá

Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI

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 bởi con người nhưng như vậy đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhân công và việc quản lí các số liệu về nhiệt độ - độ ẩm cho môi trường sống của heo cũng trở nên khó khăn hơn, vì thế một hệ thống quản lí thông tin và số liệu về môi trường sống của heo là vô cùng cần thiết

gì cần thiết cho ra đời một loạt sản phẩm đã tích hợp tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn

đó là PLC Hệ thống tự động này gần như tối ưu khi kết hợp với máy vi tính để điều khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn chỉ trên máy vi tính

Thật ra hệ thống điều khiển tự động này đã xuất hiện từ năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc sản xuất Nhưng ở Việt Nam, còn khá nhiều công ty hoàn toàn xa lạ với PLC Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn khá đắt nhưng chỉ với một công ty sản xuất thì giữa đầu tư ban đầu đó với những lợi ích nó đem lại thì giá thành không đáng quan tâm lắm Thật ra là do ngại thay đổi, do chưa hiểu nhiều về PLC nên khi vận hảnh, bảo trì, bảo dưỡng, thay đổi chương trình gặp không ít khó khăn cho người sử dụng Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt được rồi vấn đề chuyển giao công nghệ không còn đáng lo và PLC có thể hiện tính

ưu việt nhờ sự hiểu biết của người sử dụng Vậy PLC là gì? Hy vọng nội dung được

đề cập trong đồ án này giúp người đọc hiểu hơn về PLC

2.2.1.2 PLC là gì?

PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là thiết bị điều khiển logic khả trình Sự phát triển của PLC đã mang lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh), khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm, giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyển công nghiệp

➢ Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp:

− Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động

− Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được do chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình

2.2.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC

➢ Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau:

− Module nguồn

− Module đơn vị xử lý trung tâm

− Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu

− Module đầu vào

− Module đầu ra

− Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng)

− Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra Có rất nhiều sự kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao

• Vùng chứa tham số của hệ điều hành: chia thành miền khác nhau:

− I (Process Image Input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của công vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I

− Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra

mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q

− M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này dể lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MW)

− T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV- Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian

− C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu

ra của bộ đệm

• Vùng dữ liệu

Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ…

hình thức) Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối

➢ Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ Không phức tạp Khối được chọn phải là khối organization Block mà PLC luôn quét và thực hiện tổng các lệnh đó thường xuyên Từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối và quay lại lệnh đầu tiên

• Loại khối chương tình ngắt: là khối chương trình đặc biệt có khả năng trao đổi 1 lượng lớn với các khối chương trình khác Chương trình sẽ được thực thi mỗi khi

có sự kiện ngắt xảy ra

2.2.2 Giới thiệu về PLC S7- 1200

2.2.2.1 Khái niệm chung PLC S7- 1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-

200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-

1200 -S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC + Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là LAD, FBD và STL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens

- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

Chú thích:

1: Bộ phận kết nối nguồn

2: Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)

2: Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

3: Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

4: Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau

Bảng 2 1 Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200

Hình 2 1 : Tổng quan PLC S7-1200

Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

3 tại 20 kHz

Thời gian lưu giữ đồng hồ

Tốc độ thực thi tính toán

thực

18 μs/lệnh Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để

mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.[1]

16 x DC In / 16 x DC Out

16 x DC In / 16 x Relay Out

Kiểu tương

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU Người dùng

có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trước của CPU

• SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)

• SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự

Hình 2 2: Bảng tín hiệu của PLC S7-1200

3: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

2.2.2.4 Các module truyền thông

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485

• CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

• Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM khác)

Hình 2 4: Các module truyền thông PLC S7- 1200

Chú thích:

1: Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

2: Bộ phận kết nối truyền thông

2.3 TRUYỀN THÔNG MODBUS TRÊN RS485 VỚI PLC S7-1200

2.3.1 Giới thiệu về giao thức Modbus

MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm

1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop) MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa, và Modicon đã cho ra mắt công chúng như một protocol miễn phí

MODBUS là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều

“tớ” “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU “Tớ” MODBUS RTU thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình multi-drop Khi một chủ MODBUS RTU muốn có thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng

Các thiết bị trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản ứng Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới” Một số nhà sản xuất đang phát triển các thiết bị lai ghép hoạt động như các tớ MODBUS, tuy nhiên chúng cũng có “khả năng viết”, do đó làm cho chúng trở thành các thiết bị chủ ảo

2.3.2 Giao tiếp truyền thông RS485

Đây là các phượng thức truyền thông mới đang dần hình thành Phương thức truyền thông bằng modbus đang ngày càng phổ biến bởi tín tiên lợi và dễ sử dụng Ngày xưa để truyền tín hiệu của 1 cảm biến thì phải dùng hai dây Ngày nay truyền tín hiệu của 10 hoặc 20 cảm biến ta cũng cần dùng 2 dây Điểm khác biệt ở đây là ngày xưa dùng 4-20mA hoặc 0-0V thì ngày nay dùng tín hiệu Modbus RTU RS485

RS-485 sử dụng chênh lệch điện áp giữa 2 dây A và B để phân biệt logic 0 và

1 Khi truyền tín hiệu xa, nếu có sụt áp thì đồng thời sụt trên cả 2 dây nên tín hiệu vẫn đảm bảo, RS485 cho phép truyền tín hiệu xa hơn và tốc độ truyền cho phép cũng cao hơn, thêm nữa RS485 cho phép liên kết đa điểm, gồm nhiều thiết bị có thể truyền thông trong 1 mạng

2.3.3 Bộ cảm biến nhiệt ẩm SHT10

Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ không khi SHT10 có vỏ bảo vệ V1 được sử dụng trong các ứng dụng nông nghiệp đòi hỏi độ bên, độ chính xác và độ ổn đinh cao, cấu tạo gồm cảm biến SHT10 phía trong, bên ngoài là lớp vỏ bảo vệ cảm biến khỏi các tác động vật lý từ môi trường như bụi, nước

2.3.3.1 Thông số kĩ thuật

- Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ không khi SHT10 có vỏ bảo vệ V1

- Cảm biến phia trong: SHT10

- Điện áp sử dụng: 3 - 5VDC

- Khoảng nhiệt độ đo được: -40 ~ 120 độ C, sai sô 0.5 độ C

- Khoảng độ ẩm đo được: 0 ~100% RH, sai sô 4.5% RH

- VCC - Màu nâu - cấp nguồn 3 ~ 5VDC

- GND - Màu đen - cấp nguồn 0VDC ~ Mass

- DATA - Màu vàng

- CLK - Màu xanh dương

• Ấp lực nước tối đa 60cm

• Chiều dài dây điện 0.8m

• Lưu lượng tối đa 200l/H

2.4.4 Relay trung gian 8 chân điện áp 24V

Loại động cơ: Động cơ rotor bên ngoài không chổi than DC

2.4.7 Đèn sợi tóc

Hình 2 14: Đèn sợi tóc

2.5 ARDUINO UNO R3

2.5.1 Giới thiệu

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung trên một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các má tính cá nhân Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++

Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau

để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở một trong số các nhà nghiên cứu là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này

Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo

ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành

Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở) Người

ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức

đã được đưa tới tay người dùng

Phần cứng Arduino gốc được sản xuất bởi công ty Italy tên là Smart Projects Một vài board dẫn xuất từ Arduino cũng được thiết kế bởi công ty của Mỹ tên là

SparkFun Electronics Nhiều phiên bản của Arduino cũng đã được sản xuất phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng

Hình 2 15: Những phiên bản của Arduino

2.4.8 Arduino Uno

"Uno" có nghĩa là một bằng tiếng Ý và được đặt tên để đánh dấu việc phát hành sắp tới của Arduino 1.0 Uno và phiên bản 1.0 sẽ là phiên bản tài liệu tham khảo của Arduino Uno là mới nhất trong các loại board Arduino, và các mô hình tham chiếu cho các nền tảng Arduino

Arduino Uno là một “hội đồng quản trị” dựa trên ATmega328 Nó có 14 số chân đầu vào / đầu ra, 6 đầu vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp điện cho nó để bắt đầu

Hình 2 16: Arduino Uno

Uno khác với tất cả các phiên bản trước ở chỗ nó không sử dụng các FTDI chip điều khiển USB-to-serial Thay vào đó, nócó tính năng Atmega 16U2 lập trình như

là một công cụ chuyển đổi USB-to-serial

Phiên bản 2 (R2) của Uno sử dụng Atmega8U2 có một điện trở kéo dòng 8U2 HWB xuống đất, làm cho nó dễ dàng hơn để đưa vào chế độ DFU

Phiên bản 3 (R3) của Uno có các tính năng mới sau đây:

• Thêm SDA và SCL gần với pin Aref và hai chân mới được đặt gần với pin RESET, các IOREF cho phép thích ứng với điện áp cung cấp

• Đặt lại mạch khỏe mạnh hơn

• Atmega 16U2 thay thế 8U2

2.5.3 Cấu trúc, thông số

Bảng 2.3: Một vài thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng

bởi bootloader

EEPROM 1 KB (ATmega328)

a Vi điều khiển & bộ nhớ

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ

Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo

khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thìcàng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

1Kb cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào

mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Hình 2 17: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn

b Cấu tạo

Một board Arduino đời đầu gồm một cổng giao tiếp RS-232 (góc phía trên- bên trái) và một chip Atmel ATmega8 (màu đen, nằm góc phải-phía dưới); 14 chân I/O số nằm ở phía trên và 6 chân analog đầu vào ở phía đáy

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung)

và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10 -inch (2.5 mm) Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard

Chiều dài tối đa và chiều rộng của Uno PCB là 2,7 và 2,1 inch tương ứng, với kết nối USB và jack điện mở rộng vượt ra ngoài không gian cũ Bốn lỗ vít cho phép được gắn vào một bề mặt khác:

Hình 2 19: Các lỗ vít giúp cố định vị trí Arduino

c Vị trí & chức năng các chân

Nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB, có thể cấp nguồn cho Arduino UNO từ một bộ chuyển đổi AC→DC hoặc pin Các bộ chuyển đổi có thể được kết nối bằng một plug-2.1mm trung tâm tích cực vào jack cắm điện

Trường hợp cấp nguồn quá ngưỡng trên sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng:

• GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các

thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

• 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

• 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa ở chân này là 50mA

• Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, ta nối cực dương

của nguồn với chân này và cực âm với chân GND

• IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo

ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

• RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset v điều khiển tương đương với

việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Các chân Input/Output:

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng tối đa trên mỗi chân là 40mA

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX)

dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analog Write Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức

năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút

Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số

13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0

board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện

áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác