Luận văn nghiên cứu, thiết kế hệ thống pha chế, cung cấp dung dịch tự động cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thuỷ canh

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-o0o -

NGUYỄN THÁI HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHA CHẾ, CUNG CẤP DUNG DỊCH TỰ ðỘNG CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT RAU AN TOÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn

Mã số : 60.52.54

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS PHAN XUÂN MINH

TS NGÔ TRÍ DƯƠNG

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các tài liệu, số liệu ñược nêu trong luận văn là trung thực Các luận ñiểm và các kết quả nghiên cứu chưa từng ñược công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 17 tháng 10 năm 2010 Tác giả luận văn

Nguyễn Thái Học

Nhân dịp này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới

PGS.TS PHAN XUÂN MINH và TS NGÔ TRÍ DƯƠNG ñã trực tiếp

hướng dẫn khoa học,cùng các tập thể, cá nhân, các nhà khoa học và các bạn

bè ñồng nghiệp về những ñóng góp quý báu trong quá trình thực hiện luận văn

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình ñộ có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp chân thành của quý Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp

Hà Nội, ngày 17 tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Thái Học

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

MỞ ðẦU vii

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI 1

II MỤC ðÍCH CỦA ðỀ TÀI 2

III ðỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

IV NHIỆM VỤ CỦA ðỀ TÀI 2

V NỘI DUNG ðỀ TÀI 3

VI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

VII Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3

VIII CƠ SỞ DỮ LIỆU 4

IX CẤU TRÚC CỦA ðỀ TÀI 4

CHƯƠNG I ðÁNH GIÁ TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAO VÀO SẢN XUẤT RAU AN TOÀN 5

1.1.Tình hình sản xuất rau ứng dụng công nghệ cao ở Việt Nam 5

1.2 Tình hình sản xuất rau ứng dụng công nghệ cao trên thế giới 5

1.2.1 Mô hình giao di ện ñiều khiển của Jack Ross 7

1.2.2 Mô hình giao di ện ñiều khiển của Garzoli Keith 8

1.2.3 Giao di ện của phần mềm ñiều khiển ECOS [14] 9

1.3 Quy trình sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh 10

1.4 Hệ thống tự ñộng hóa sản xuất rau an toàn cho nhiều loại rau 13

1.5 Cách pha chế dung dịch trong quá trình sinh trưởng và phát triển của rau trồng thủy canh 15

1.6 Lựa chọn phương pháp trộn 16

1.7 Kết luận 17

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SIMATIC Manager PHẦN MỀM GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN WinCC CỦA HÃNG

SIEMENS 19

2.1 Hệ SIMATIC S7 -300 [6] 19

2.1.1 C ấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị ñiều khiển logic khả trình (PLC) 19

2.1.2 Các module c ủa hệ PLC S7-300 19

a) Module CPU: 19

b) Module m ở rộng: 20

2.1.3 C ấu hình hệ thống ñiều khiển trên nền PLC S7-300 20

2.2 Phần mềm STEP 7 21

2.2.1 Các ch ức năng cơ bản của STEP 7 21

2.2.2 Ph ương pháp tổ chức chương trình ñiều khiển 22

2.2.2.1 L ập trình tuyến tính 22

2.2.2.2 L ập trình có cấu trúc 22

2.2.2.2.1 Các kh ối tổ chức OB 22

2.2.2.2.2 Các hàm và các kh ối hàm 24

2.2.2.2.3 Module ñiều khiển mềm trong SIMATIC Manager[19] 25

2.2.3 M ạng PLC dùng Profibus DP 30

2.2.3.1 Phân lo ại mạng Profibus 30

a M ạng Profibus – FMS (Field Message Specification) 31

b) M ạng Profibus PA ( Process Automation) 32

2.2.3.2 Các thi ết bị thường dùng trong mạng Profibus– DP 32

2.2.3.3 Thi ết bị master sử dụng trong mạng PLC 34

2.2.3.4 Thi ết bị slave sử dụng trong mạng PLC 35

2.3 Phần mềm thiết kế giao diện giám sát, ñiều khiển hệ thống WinCC 36 2.4 Kết luận 37

CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHA CHẾ,

CUNG CẤP DUNG DỊCH TỰ ðỘNG 39

3.1 Quy trình công nghệ và các tham số ñiều khiển 39

3.2 Bài toán ñiều khiển nhiệt ñộ dung dịch bình trộn 41

3.2.1 Quy trình công nghệ 41

3.2.2 Mô hình hóa ñối tượng nhiệt ñộ buồng trộn 42

3.2.2.1 Mô hình hóa ñối tượng trong SIT của Matlab 42

A) T ổng quan về công cụ SIT trong Matlab 42

a) ðịnh nghĩa mô hình (Definition of Model) 42

b) M ột số mô hình ñược hỗ trợ trong SIT 43

c) ðịnh nghĩa Model object 44

d) T ổng quan về ước lượng mô hình (Estimating Models) 45

e) Mô hình ñược hỗ trợ cho dữ liệu trong miền thời gian, miền tần số 45

f) Các thu ật toán ñược hỗ trợ ñể ước lượng tham số cho mô hình 46

B Làm vi ệc với SIT GUI 46

a) Nhập mô hình vào System Identification Tool 47

b) Nh ập dữ liệu vào System Identification Tool 48

c) Ước lượng tham số mô hình không tham số tuyến tính và mô hình tham số 51

3.2.2.2 Thi ết kế bộ ñiều khiển dựa trên cơ sở thực nghiệm 63

3.3 Bài toán ñiều khiển tỷ lệ trộn dung dịch theo nồng ñộ EC 65

3.4 Bài toán ñiều khiển mức các bình dung dịch thành phần 66

3.5 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật 66

3.5.1 C ấu trúc hệ thống ñiều khiển và giám sát 66

3.5.2 Ki ểm chứng giải pháp kỹ thuật trên một nhà trồng 67

3.5.2.1 Gi ải pháp phần cứng 67

3.5.2.2 Thi ết kế phần mềm ñiều khiển 69

a Bài toán ñiều khiển mức và trộn dung dịch 71

b Bài toán ổn ñịnh biến EC trong dung dịch 71

c Bài toán ñiều khiển nhiệt ñộ dung dịch bình trộn 72

3.5.2.3 Thi ết kế giao diện giám sát, ñiều khiển hệ thống 74

3.5 Thiết kế bản vẽ thi công 76

3.6 Lập trình ñiều khiển, vận hành chạy thử mô hình thông qua giao diện ñiều khiển 83

3.7 Kết quả và thảo luận 87

3.8 Kết luận 93

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 95

1 KẾT LUẬN 95

2 ðỀ NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Sản xuất cà chua trong nhà plastic theo phương pháp bán

Hình 1.2 Sản xuất xà lách trong nông trại có mái che theo phương

Hình 1.3 Sản xuất rau ăn lá trong nhà kính theo phương pháp thuỷ

Hình 1.4 Sản xuất dâu tây trong nhà plastic theo phương pháp thuỷ

Hình 1.6 Mô hình giao diện ñiều khiển của Garzoli Keith 8

Hình 1.9 Mô hình hệ thống thủy canh không hồi lưu kiểu RtW 12

Hình 2.6 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển PID trong khối OB35 29

Hình 3.1 Quy trình công nghệ của hệ thống pha chế cung cấp dung

dịch tự ñộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng

Hình 3.2 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống ổn ñịnh nhiệt ñộ dung dịch

Hình 3.7.a Nhập dữ liệu vào SIT trong Matlab 47 Hình 3.7.b Nhập dữ liệu vào SIT bằng cách chọn Import data 47 Hình 3.8 Cửa sổ ước lượng tham số trong SIT của Matlab 50 Hình 3.9 Cửa sổ sau khi ước lượng tham số trong SIT của Matlab 53 Hình 3.10 So sánh ñồ thị ñặc tính của ñối tượng thực với ñặc tính của

Hình 3.11 Cửa sổ hiển thị kết quả các giá trị trong hàm truyền của

Hình 3.12 So sánh ñồ thị ñặc tính của ñối tượng thực với ñặc tính của

Hình 3.13 Cửa sổ hiển thị kết quả các giá trị trong hàm truyền của

Hình 3.14 So sánh ñồ thị ñặc tính của ñối tượng thực với ñặc tính của

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng với bộ ñiều khiển PI và Km = 0.5; TI =

Hình 3.23 Thuật toán ñiều khiển tỷ lệ phối trộn theo nồng ñộ EC 66 Hình 3.24 Thuật toán ñiều khiển nhiệt ñộ dung dịch trộn 67

Hình 3.26 Lập trình giao diện giám sát, ñiều khiển bằng phần mềm

Hình 3.30 Mạch tạo nguồn một chiều cho mạch ñiều khiển 72

Hình 3.34 Sơ ñồ ñấu dây ñầu vào và ñầu ra bộ ñiều khiển PLC 76 Hình 3.35 Giao diện ñiều khiển hệ thống pha chế và trộn dung dịch 77 Hình 3.36 Cửa sổ lựa chọn thông số cho giao diện ñiều khiển 78 Hình 3.37 Cửa sổ giám sát các thông số vận hành của hệ thống 78

0

0

Hình 3.38 Cửa sổ giám sát, ñiều khiển hệ thống 79 Hình 3.39 Cửa sổ vận hành chế ñộ ñiều khiển cưỡng bức hệ thống

Hình 3.40 Cửa sổ theo dõi quá trình hoạt ñộng của các cơ cấu trong

Hình 3.40 Mô hình hệ thống pha chế và trộn dung dịch tự ñộng phục

vụ cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3 1 Giá trị nhiệt ñộ dung dịch trộn trong thời gian 5.5 giờ 45

Bảng 3.5 Kết quả khảo nghiệm bộ ñiều chỉnh cho ñối tượng 82 Bảng 3.6 Kết qủa tỷ lệ phối trộn khi chạy mô hình với loại cây cà

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Trang

EC Electrical Conductivity – ðộ dẫn ñiện trong dung dịch 1

SIT System Identification Tool – Công cụ nhận dạng hệ thống 40

MỞ ðẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI

Trong khẩu phần ăn của người Việt Nam cũng như trên toàn thế giới từ sưa tới nay thì rau là một trong những món ăn không thể thiếu Tuy nhiên

trong công cuộc Công nghiệp hóa – Hiện ñại hóa của nước ta hiện nay ñã và

ñang làm diện tích ñất nông nghiệp bị thu hẹp ðể khắc phục tình trạng mất diện tích sản xuất mà sản lượng rau vẫn tăng người trồng rau ñã tìm mọi cách

ñể thâm canh tăng năng suất Tuy nhiên do lạm dụng quá nhiều hóa chất như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, phân ñạm và ảnh hưởng bởi ô nhiễm ñất, nước, không khí do quá trình công nghiệp hóa gây lên Làm hàm lượng ñộc tố trong rau tăng quá mức cho phép, ñây là nguyên nhân chính dẫn ñến các vụ ngộ ñộc thực phẩm gây lên các các bệnh nguy hiểm Trước tình hình ñó giải pháp tối

ưu là mô hình sản xuất rau an toàn bằng công nghệ không dùng ñất Với công nghệ này chỉ bằng một bộ ñiều khiển trung tâm ta có thể ñiều khiển nhiều thông số trong nhiều nhà lưới như nhiệt ñộ, ánh sáng, ñộ PH, ñộ EC, tỷ lệ phối trộn các chất dinh dưỡng trong dung dịch trồng cây Khi ñó hoàn toàn kiểm soát ñược hàm lượng các chất dinh dưỡng trong dung dịch, ñiều khiển

tự ñộng các thông số trong nhà lưới như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, ánh sáng…giúp chúng ta tiết kiệm diện tích sản xuất có thể áp dụng ngay trên mái nhà trong khu ñô thị, cung cấp tới tay người tiêu dùng những sản phẩm rau an toàn Với

hệ thống trồng rau bằng công nghệ thủy canh thì khâu cơ bản, quan trọng mang tính sống còn cho toàn hệ thống ñó chính là hệ thống phối trộn các dung dịch thành phần, ñể ñảm bảo sao cho dung dịch cung cấp cho cây trồng luôn bảo ñảm tỷ lệ phối trộn, các giá trị nhiệt ñộ, ñộ PH, EC… luôn phải nằm trong giới hạn cho phép Trước thực trạng ñó tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài:

“Nghiên c ứu, thiết kế hệ thống pha chế, cung cấp dung dịch tự ñộng cho

dây chuy ền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thuỷ canh”

Với ñề tài này sẽ tạo ra hệ thống pha chế, cung cấp dung dịch tự ñộng phục vụ cho dây chuyền sản xuất rau an toàn Trong quá trình thực hiện ñề tài chúng tôi khảo sát mô hình thực tế, nghiên cứu các giải pháp ñiều khiển tự ñộng trên cơ sở ñó xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng PLC S7-300 của hãng Siemens (ðức) làm bộ ñiều khiển, kết hợp với phần mềm lập trình SIMATIC Manager và phần mềm thiết kế giao diện ñiều khiển Win CC (cùng hãng)

Qua nhiều lần thử nghiệm và trên cơ sở tính toán chúng tôi khẳng ñịnh

ñề tài ñảm bảo tính thực tế, có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày nay ở Việt Nam

II MỤC ðÍCH CỦA ðỀ TÀI

- Nghiên cứu mô hình sản xuất rau an toàn trong thực tiễn từ ñó thiết kế

mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong nước, có

khả năng làm chủ công nghệ cao

- Xây dựng hệ thống ñiều khiển, giao diện giám sát trên các phần mềm

SIMATIC Manger và WinCC

III ðỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Hệ thống ñiều khiển và giao diện giám sát ñiều khiển mô hình pha trộn và cung cấp dung dịch tự ñộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh

IV NHIỆM VỤ CỦA ðỀ TÀI

- ðể thực hiện ñược mục ñích nêu trên, ñề tài cần giải quyết các nhiệm

+ Nghiên cứu thiết kế hệ thống ựiều khiển mô hình pha trộn và cung cấp dung dịch tự ựộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh bằng PLC

+ Xây dựng giao diện giám sát ựiều khiển mô hình pha trộn và cung cấp dung dịch tự ựộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh bằng phần mềm WinCC

V NỘI DUNG đỀ TÀI

- đánh giá tổng quan hiện trạng vận dụng công nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp

- Xây dựng bài toán công nghệ cho mô hình pha trộn và cung cấp dung

dịch tự ựộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy

canh

- Xây dựng thuật toán ựiều khiển mô hình

- Chọn giải pháp, thiết bị ựiều khiển ựể xây dựng mô hình thực nghiệm, vận hành và kiểm chứng lại kết quả

VI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Kế thừa và sử dụng kết quả của các công trình nghiên cứu trước

- Kế thừa kinh nghiệm thực tế của các mô hình sản xuất ựã và ựang vận

VII Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- đánh giá hiện trạng vận dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp trong và ngoài nước, nghiên cứu, ựưa ra các giải pháp, thiết kế hệ thống ựiều khiển mô hình pha trộn và cung cấp dung dịch tự ựộng cho dây

chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh bằng PLC và WinCC Nâng cao chất lượng ñiều khiển có thể áp dụng vào sản xuất thực, vì vậy ñề tài có mang tính khoa học và thực tiễn

VIII CƠ SỞ DỮ LIỆU

- Luận văn ñược thực hiện dựa trên cơ sở các tài liệu sau:

+ Căn cứ vào hiện trạng vận dụng công nghệ cao vào sản xuất rau an toàn trong và ngoài nước

+ Căn cứ vào quy hoạch phát triển xuất khẩu các mặt hàng nông sản nói chung và sản xuất rau an toàn nói riêng của Việt Nam

IX CẤU TRÚC CỦA ðỀ TÀI

CHƯƠNG I ðÁNH GIÁ TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAO VÀO SẢN XUẤT RAU AN TOÀN

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SIMATIC Manager PHẦN MỀM GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN WinCC CỦA HÃNG SIEMENS

CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHA CHẾ, CUNG CẤP DUNG DỊCH TỰ ðỘNG

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ

CHƯƠNG I ðÁNH GIÁ TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ CAO VÀO SẢN XUẤT RAU AN TOÀN

1.1.Tình hình sản xuất rau ứng dụng công nghệ cao ở Việt Nam

Trong những năm gần ñây, khoa học và công nghệ cũng ñã góp phần tích cực ñưa năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam lên cao và trở thành nước xuất khẩu nông sản Song trước tiến trình hội nhập, nông nghiệp Việt Nam còn gặp không ít khó khăn bởi phần lớn vẫn sản xuất theo kiểu truyền thống Chính vì vậy, các sản phẩm xuất khẩu rất khó cạnh tranh về chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm

Như vậy, mở rộng việc ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp là xu thế chung Xác ñịnh hình thức và quy mô ñầu tư, cần thiết phải xây dựng khu công nghệ cao “Made-in-Vietnam”, lấy hiệu quả làm thước ño

ñể có thể mở rộng quy mô trong tương lai

1.2 Tình hình sản xuất rau ứng dụng công nghệ cao trên thế giới

Kỹ thuật công nghệ cao trong nông nghiệp ñang diễn ra mạnh mẽ trên thế giới, ñặc biệt ở những nước tiên tiến như Hà Lan, Hoa kỳ, Israel, Nhật, Úc v.v ðây là kỹ thuật kết hợp ứng dụng các công nghệ cao như công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học, công nghệ nano ñể tạo

ra nông sản có năng suất cao, chất lượng tốt, giá thành thấp Dựa vào công nghệ chuyển gien, các nước tiên tiến ñã tạo ra ñược các giống cây trồng có năng suất siêu cao, chống bệnh tốt và ñặc biệt là mang những vitamin, chất chống oxit-hoá có lợi cho sức khoẻ của con người

Hình 1.1: Sản xuất cà chua trong nhà plastic theo phương pháp bán thuỷ

canh không hồi lưu RtW ở Úc

Hình 1.2: Sản xuất xà lách trong nông trại có mái che theo phương pháp

thuỷ canh hồi lưu NFT ở Úc

Hình 1.3: Sản xuất rau ăn lá trong nhà kính theo phương pháp thuỷ canh ở

Nhật bản

Hình 1.4: Sản xuất dâu tây trong nhà plastic theo phương pháp thuỷ canh ở

Nhật bản

Trên cơ sở khảo sát thực tế thì trên thế giới việc ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất rau an toàn ñược thực hiện qua một số mô hình sau:

1.2.1 Mô hình giao di ện ñiều khiển của Jack Ross

Mô hình giao diện của Jack Ross ñược mô tả trong hình 1.5 dưới ñây là

lược ñồ tổng quan các thành phần cơ bản mà máy tính giám sát, ñiều khiển hệ thống canh tác rau thủy canh [12] Những thành phần cơ bản giao tiếp với hệ thống máy tính gồm các yêu cầu dữ liệu ñầu vào, ñầu ra

+ Giao diện dữ liệu ñầu vào (Input interface equipment): Liên quan ñến việc ño các thông số như nhiệt ñộ môi trường, ñộ ẩm, nồng ñộ CO2 , cường ñộ ánh sáng, EC, pH, nhiệt ñộ dung dịch dinh dưỡng

+ Giao diện dữ liệu ñầu ra (Output interface equipment) gồm bật/tắt các bơm, quạt, hệ thống làm ấm (heaters), phun sương, làm mát (coolers) và mối tương quan EC và pH trong dung dịch dinh dưỡng ñối với từng loại cây ở từng giai ñoạn sinh trưởng [12]

Hình 1.5 Mô hình giao diện ñiều khiển của Jack Ros [12]

1.2.2 Mô hình giao di ện ựiều khiển của Garzoli Keith

Với mô hình giao diện ựiều khiển của Garzoli Keith ngoài việc kết nối giữa hệ thống ựiều khiển trung tâm với các cơ cấu ựầu vào/ra thì hệ thống còn liên kết mạng ựể ựiều khiển từ xa, có thể cảnh báo chế ựộ làm việc của hệ thống từ xa

Các tắn hiệu ựầu vào gồm

+ Các nhân tố bên trong: Nhiệt ựộ, ựộ ẩm, EC, pH, nhiệt ựộ dung dịch,

ựộ ẩm ựất

+ Các nhân tố bên ngoài (External factor): Nhiệt ựộ, ựộ ẩm xung quanh, cường ựộ ánh sáng, tốc ựộ và hướng gió, tỉ lệ lượng mưa

Các tắn hiệu ựầu ra Ờ tắn hiệu ựiều khiển

đóng/mở màn che, ựiều chỉnh hệ thống thông gió Bật/tắt (hệ thống làm ấm, làm mát, quạt, bơm, vũi phun, van ựiện), ựiều chỉnh ánh sáng điều khiển tưới theo chu kỳ

Hình 1.6 Mô hình giao diện ựiều khiển của Garzoli Keith [13]

ðây là module giúp máy tính làm nhiệm vụ tự ñộng ghi lại những ñiều kiện môi trường hàng giờ (hoặc hàng phút), giám sát các hoạt ñộng của các tín hiệu ñiều khiển, từ ñó xác ñịnh những dấu hiệu bất thường ñối với cây (như phát triển chậm, phát sinh mầm bệnh), và ñối với cả hệ thống ñiều khiển

ñể từ ñó bảo dưỡng hệ thống kịp thời

1.2.3 Giao di ện của phần mềm ñiều khiển ECOS [14]

Hình 1.7 là giao diện kết nối giữa máy tính với hệ thống ñiều khiển canh tác thủy canh trong nhà có mái che của phần mềm ECOS mà ñang ñược

sử dụng ở phổ biến trong canh tác nông nghiệp Úc

ECOS giám sát nồng ñộ pH, EC trong dung dịch dinh dưỡng, ñiều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống làm ấm, hệ thống thông gió, hệ thống phun sương và nồng ñộ CO2 trong nhà có mái che

Phần mềm ñược thiết kế bởi công ty Harford Greenhouse hợp tác với Autogrow System

Môi trường khí hậu bên trong nhà có mái che (Inside Enviroment) gồm: Nhiệt ñộ, ñộ ẩm, cường ñộ ánh sáng (Solar PAR) CO2

Hình 1.7 Giao diện của phần mềm ñiều khiển Ecos [14]

Môi trường khí hậu bên ngoài (Outside environment) gồm: Nhiệt ñộ,

ñộ ẩm, cường ñộ ánh sáng, hướng mưa, máy ño lượng mưa, cường ñộ gió và hướng gió

Các mô hình nêu trên ñã ñáp ứng ñầy ñủ các bài toán ñiều khiển các thông số trong hệ thống sản xuất nông sản bằng phương pháp thuỷ canh Tuy

nhiên nếu nhập các mô hình trên vào sản xuất nông nghiệp Việt Nam vẫn còn

nhiều bất cập ñó là: Cơ sở vật chất của chúng ta còn thiếu và chưa ñồng bộ không ñáp ứng ñược, ngoài ra do chi phí các mô hình là rất lớn do ñó sẽ làm giá thành sản phẩm tăng cao không thể cạnh tranh Mặt khác khi nhập khẩu chúng ta hoàn toàn phải phụ thuộc vào công nghệ, gây khó khăn trong quá trình vận hành và sửa chữa Rất cần một mô hình ñựơc thiết kế tại Việt Nam

1.3 Quy trình sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh

Có nhiều kỹ thuật cung cấp dinh dưỡng cho rau trong nhà có mái che (greenhhouse) Nhưng hiện nay trên thế giới phổ biến 2 kiểu ñó là kiểu hồi lưu (NFT: Nutrient Film Technique) và bán thuỷ canh dùng giá thể với hệ thống tưới dinh dưỡng nhỏ giọt kiểu RTW (Run to Waste)

Nguyên lý hoạt ñộng của mô hình ở hình 1.8: Dung dịch sau khi cung cấp cho cây sẽ ñược thu hồi tại bồn nhỏ (Transfer tank), và ñược bơm qua thiết bị lọc ( ñể lọc lấy chất hữu cơ còn lại) tới bồn chứa (Drain tank) Sau ñó dinh dưỡng ñược bơm tới bồn tiếp theo (Recycle tank) qua hệ thống khử trùng ( Disinfection system) Nước sau khi xử lý, khử trùng, ñược ñưa vào bơm 1 (pump 1) qua van 3 chiều ( The three – way valve) ñặt tỷ lệ ñể ñiều chỉnh cho EC là 1.0 Van 3 chiều có thể ñược ñiều chỉnh thủ công hoặc tự ñộng theo yêu cầu thiết lập (setpoint) của bơm 1 Trong mô hình là ví dụ về

EC của cà chua chỉ ra cho thấy lượng dinh dưỡng thêm vào chu trình mới là 1.6 ñể ñạt ñược yêu cầu về EC =2.6 ở bồn chứa dung dịch cung cấp cho hệ thống cây ( Daily Batch Tank) qua bơm (pump 2) vì ( 1.0 ở dung dịch tái chế cộng với 1.6 bằng 2.6 ) Trong hệ thống này người trồng ñiều chỉnh ñể ñầu ra

là 40% nhưng không bị thất thoát ra môi trường Kết quả là tiết kiệm ñược 40% phân bón, 40% nước và không làm ô nhiễm môi trường [8]

Mô hình ki ểu hồi lưu NFT (Nutrient Film Technique)

Hình 1.8: Mô hình hệ thống thuỷ canh hồi lưu kiểu NFT

Nguyên lý hoạt ñộng của mô hình ở hình 1.9 như sau: Mô hình này chỉ

ra là nước sạch ñược bơm từ bồn chứa (Raw water tank) vào bồn chứa dung dịch (Daily Batch Tank) ñặt trước giá trị EC và pH theo nhu cầu của cây ( trong mô hình này lấy ví dụ ñặt EC của cà chua, EC=2.6) Trước khi và bồn này, dung dịch ñó phải ñược ñiều chỉnh EC và pH bởi các bình A, B và Axit

Sau ñó dung dịch này ñược bơm tới hệ thống luống cây trồng Dung dịch sau khi cung cấp cho cây trồng ( khoảng 20 -30% ) sẽ ñược thu hồi và xử lý hoặc

Qua hai mô hình sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh

chúng ta thấy hệ thống phối trộn các dung dịch thành phần cũng như ñảm bảo ổn ñịnh một số thông số cho dung dịch sau phối trộn là khâu quan trọng nhất Nó quyết ñịnh ñến chất lượng cho toàn hệ thống sản xuất rau an

toàn Bởi nếu tỷ lệ phối trộn các dung dịch thành phần mà sai khác so với ñiều kiện chuẩn của từng loại rau theo từng chu kỳ sinh trưởng sẽ làm cho khả năng sinh trưởng của cây kém ñi, thậm chí gây lụi và chết cây Hoặc nếu nhiệt

ñộ dung dịch bình trộn quá cao làm cho các chất thành phần sẽ kết tủa và mất dinh dưỡng ảnh hưởng ñến quá trình sinh trưởng của cây Chính vì những ñiều ñó, trong giới hạn luận văn chúng tôi tiến hành nghiên cứu thiết kế hệ

thống pha trộn dung dịch tự ñộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh

1.4 Hệ thống tự ñộng hóa sản xuất rau an toàn cho nhiều loại rau

Căn cứ vào công nghệ và mô hình của hệ thống sản xuất rau an toàn ñược áp dụng trên thế giới Trong quá trình thiết kế xây dựng hệ thống ñiều khiển và giao diện giám sát ñiều khiển sử dụng PLC S7 – 300 làm bộ ñiều khiển trung tâm cho một khu trồng rau với nhiều nhà lưới Mỗi nhà lưới trồng nhiều loại rau ở nhiều thời kỳ sinh trưởng khác nhau vì vậy bộ ñiều khiển PLC S7 – 300 sẽ phải xuất ra các tín hiệu ñiều khiển tỷ lệ phối trộn và ñảm bảo ổn ñịnh nhiệt ñộ dung dịch cho mỗi nhà lưới là khác nhau sao cho phù hợp với chủng loại và thời kỳ sinh trưởng của các loại rau trong nhà lưới ñó

Với sơ ñồ hình 1.10 cho ta thấy với một trung tâm ñiều khiển ñược trang bị bởi bộ ñiều khiển master là CPU 315 – 2DP ñược ghép nối với giao diện giám sát ñiều khiển HMI qua cáp MPI Bộ ñiều khiển master ñược ghép nối với nhiều module mở rộng loại ET200M-IM153 ñược ñặt trong các nhà lưới thành phần 1,2, 3 Do trong một khu sản xuất rau an toàn sẽ có nhiều nhà lưới Trong mỗi nhà lưới sẽ có thể trồng nhiều loại rau ở các thời kỳ sinh trưởng khác nhau Vì vậy với bộ ñiều khiển trung tâm phải ñưa ra các câu lệnh ñể ñiều khiển các thông số như ñộ PH, EC, nhiệt ñộ dung dịch trộn, tỷ lệ phối trộn các dung dịch thành phần tùy thuộc vào loại rau và thời kỳ sinh trưởng của từng loại rau ñược trồng trong các nhà lưới

Hình 1.10 Mô hình hệ thống sản xuất rau an toàn

Trong quy trình sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh thì việc ñiều chỉnh tự ñộng các thông số nhà lưới như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, ánh sáng,

ñộ PH, ñộ EC, tỷ lệ phối trộn các chất thành phần trong dung dịch trộn là khâu hết sức quan trọng Nó có thể ảnh hưởng ñến chất lượng của toàn hệ

thống

1.5 Cách pha chế dung dịch trong quá trình sinh trưởng và phát triển

của rau trồng thủy canh

Hệ thống gồm 4 bình:

Bình 1: Bình chứa nước sạch

Bình 2: Bình dung dịch các nguyên tố ña lượng – Dung dịch A

Bình 3: Bình dung dịch các nguyên tố vi lượng – Dung dịch B

Bình 4: Bình trộn tổng hợp các dung dịch cho cây trồng

Các bình này ñược ñiều chỉnh lưu lượng bằng các van ñiều chỉnh

Thực hiện các bước như sau:

Bước 1: Từ giao diện ñiều khiển người vận hành nhập từ bàn phím các thông số: Loại cây ñược tưới và thời kỳ sinh trưởng của chúng từ ñó hệ thống

sẽ tự ñộng tính toán ñưa ra các thông số chuẩn của dung dịch tưới ñó là ñộ

PH, ñộ dẫn ñiện EC, tỷ lệ các chất trong dung dịch, và nhiệt ñộ cho phép của dung dịch tưới

Bước 2: Hệ thống sẽ tự ñộng cập nhật thông số của dung dịch bình trộn

là ñộ PH, nồng ñộ EC, tỷ lệ dinh dưỡng và nhiệt ñộ dung dịch bình trộn qua

hệ thống cảm biến

Bước 3: Các thông số thu ñược từ cảm biến sẽ ñược so sánh với các giá trị chuẩn ñặt trước Từ ñó hệ thống sẽ ñưa ra các câu lệnh ñiều chỉnh các bơm

và van phù hợp sao cho trong dung dịch trộn trước khi xả ñi tưới cây thì các

thông số PH, EC và nhiệt ñộ luôn phải trong giới hạn cho phép

Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện ñại hóa của ñất nước ta ngày nay khi mà diện tích ñất nông nghiệp ñang bị co hẹp, hàm lượng ñộc tố trong các sản phẩm nông nghiệp rất cao là nguyên nhân chính của rất nhiều vụ ngộ ñộc và các chứng bệnh nguy hiểm cho nhân dân Vì thế việc ứng dụng kỹ thuật cao vào sản xuất nông nghiệp ñang là xu thế tất yếu ðể xây dựng thành công hệ thống trồng rau an toàn thì thành phần phối trộn các chất dinh dưỡng trong dung dịch là yếu tố quan trọng nhất của cả hệ thống

*Nhóm máy trộn tự do:

Các cánh trộn ñược gắn trực tiếp vào thùng trộn, khi thùng trộn quay các cánh trộn sẽ quay theo và nâng một phần các cốt liệu lên cao, sau ñó ñể chúng rơi tự do xuống phía dưới thùng trộn ñều với nhau tạo thành hỗn hợp trộn Loại máy này có cấu tạo ñơn giản, tiêu hao năng lượng ít nhưng thời gian trộn lâu và chất lượng hỗn hợp không ñồng ñều bằng phương pháp trộn cưỡng bức

* Trộn dung dịch bằng cánh khuấy trộn

Với phương pháp này người ta nối ñồng trục của ñộng cơ với cánh khuấy trộn Khi ñó chúng ta chỉ cần quay ñộng cơ sẽ làm khuấy trộn dung dịch ðối với phương pháp này chúng ta có thể dùng ñể trộn các chất có trọng lượng riêng lớn, khi khuấy trộn các chất thành phần có khả năng tạo ra các chất kết tủa ðối với dung dịch dùng trong các dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh thì các chất thành phần là các nhóm phân

ña vi lượng rất dễ bị kết tủa vì vậy trong mô hình thiết kế của ñề tài hệ thống khuấy trộn ñược sử dụng theo phương pháp này

1.7 Kết luận

Sản xuất rau an toàn bằng công nghệ thủy canh ñã ñược ứng dụng hiệu quả rộng rãi trên toàn thế giới Tuy nhiên ñể vận dụng công nghệ này vào ngành nông nghiệp Việt Nam một cách hiệu quả thì chúng ta không thể nhập khẩu ồ ạt công nghệ và thiết bị từ nước ngoài Khi ñó chúng ta cần tự chế tạo

và làm chủ công nghệ thiết bị

Trong quy trình sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh thì khâu trộn dung dịch là một trong những khâu quan trọng nhất quyết ñịnh ñến

toàn hệ thống Vì vậy trong giới hạn ñề tài chúng tôi tiến hành Nghiên cứu, thiết kế hệ thống pha chế, cung cấp dung dịch tự ñộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thuỷ canh

Dung dịch cung cấp cho cây trồng phải luôn ñảm bảo các thông số như

ñộ PH, ñộ EC, nhệt ñộ dung dịch trộn tùy thuộc vào từng loại cây và từng thời

kỳ sinh trưởng Sau khi khảo sát công nghệ sản xuất rau an toàn trong và ngoài nước với giới hạn của ñề tài chúng tôi xin ñược nghiên cứu 3 loại rau là cây dưa chuột, cây cà chua, cây rau diếp với 3 thời kỳ sinh trưởng ñược cho trong các bảng kết quả sau:

Bảng 1.1 Các thông số cơ bản trong dung dịch trộn

ðộ EC trong dung dịch

Giai ñoạn sinh trưởng

Nhiệt ñộ trong dung dịch

Giai ñoạn sinh trưởng

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SIMATIC Manager PHẦN MỀM GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN WinCC CỦA HÃNG

SIEMENS 2.1 Hệ SIMATIC S7 -300 [6]

2.1.1 C ấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị ñiều khiển logic khả trình

(PLC)

Thiết bị ñiều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán ñiều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán ñó bằng mạch số

Toàn bộ chương trình ñiều khiển ñược lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC, FB) và ñược thực hiện lặp theo chu

kỳ của vòng quét (scan)

ðể thực hiện ñược môt chương trình ñiều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ ñiều hành, bộ nhớ ñể lưu chương trình ñiều khiển, dữ liệu và tất nhiên là phải

có các cổng vào/ra ñể giao tiếp ñược với ñối tượng ñiều khiển và ñể trao ñổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh ñó, nhằm phục vụ bài toán ñiều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng ñặc biệt khác như bộ ñếm (Counter), bộ thời gian (Timer)… và những khối hàm chuyên dụng

2.1.2 Các module c ủa hệ PLC S7-300

ðể tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở ñó phần lớn các ñối tượng ñiều khiển có số tín hiệu ñầu vào, ñầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ ñiều khiển PLC ñược thiết kế không bị cứng hóa

về cấu hình Chúng ñược chia nhỏ thành các module

a) Module CPU:

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ ñiều hành, bộ nhớ, các bộ ñịnh thời, bộ ñếm, cổng truyền thông và có thể có một vài cổng vào

ra số Các cổng vào ra số có trên module CPU ñược gọi là cổng vào ra onboard

b) Module m ở rộng:

Module mở rộng có 5 loại chính:

có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối

và ñược quản lý chung bởi một module CPU Các module mở rộng ñược gá

trên một thanh rack Trên mỗi rack có thể gá ñược tối ña 8 module mở rộng

(không kể module CPU và module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp ñược với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải ñược nối với nhau bằng module IM

module ñiều khiển ñộng cơ bước, module ñiều khiển ñộng cơ servo, module PID, module ñiều khiển vòng kín,

giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

2.1.3 C ấu hình hệ thống ñiều khiển trên nền PLC S7-300

Căn cứ vào yêu cầu của bài toán công nghệ ñể thiết kế bộ ñiều khiển trên nền PLC S7-300 của hãng Siemens thì chúng tôi xin ñưa ra cấu hình phần cứng của hệ thống ñiều khiển trên nền PLC S7-300 như sau:

- Module PS307 là module nguồn loại 5A cấp cho CPU loại ñiện áp một chiều 24VDC

- CPU 315 - 2DP ñể có thể nối mạng ñiều khiển cho các nhà lưới thành phần

- ðể ñiều khiển các thông số tương tự như ñộ EC, nhiệt ñộ thì module

mở rộng loại SM331, AI 8 * 12 bit

2.2 Phần mềm STEP 7

2.2.1 Các ch ức năng cơ bản của STEP 7

Bộ STEP7 chuẩn hỗ trợ cho tất cả các thao tác của một quá trình ñiều khiển tự ñộng

- Tạo một Project mới

- Khai báo cấu hình phần cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic S7 – 300/400

- Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7 – 300/400 cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng

- Soạn thảo và cài ñặt chương trình ñiều khiển cho một trạm hay nhiều trạm

- Quan sát và thực hiện chương trình ñiều khiển trong một trạm PLC

và gỡ rối chương trình

- Ngoài ra STEP 7 còn có thư viện ñầy ñủ với các hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online rất mạnh giúp cho người sử dụng

2.2.2 Ph ương pháp tổ chức chương trình ñiều khiển

2.2.2.1 Lập trình tuyến tính

Toàn bộ chương trình ñiều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự ñộng nhỏ, không phức tạp Khối ñược chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét

và thực hiện các lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh ñầu tiên ñến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh ñầu tiên theo hình 2.1

Mỗi CPU S7 chứa một bộ các OB (mỗi CPU khác nhau) mà ta có thể lập trình Các OB khác nhau thực hiện các chức năng nhất ñịnh:

OB1: lặp vòng chương trình chính

Lệnh 1 Lệnh 2

OB10 (Time of Day Interrupt): ngắt thời gian trong ngày, bắt ñầu chạy ở thời

ñiểm (ñược lập trình nhất ñịnh) ñặc biệt

OB20 (Time Delay Interrupt): ngắt trì hoãn, chương trình trong khối này

ñược thực hiện sau một khoảng thời gian delay cố ñịnh

OB35 (Cyclic Interrupt): ngắt tuần hoàn, lặp lại sau khoảng thời gian cách

ñều nhau ñược ñịnh trước (1ms ñến 1 phút)

OB40 (Hardware Interrupt): ngắt cứng, chạy khi phát hiện có lỗi trong

module ngoại vi

OB80 (Cycle Time Fault): lỗi thời gian chu trình, thực hiện khi thời gian

vòng quét vượt quá thời gian cực ñại ñã ñịnh

OB81 (Power Supply Fault): thực hiện khi CPU phát hiện thấy có lỗi nguồn

nuôi

OB82 (Diagnostic Interrupt): chương trình trong khối này ñược gọi khi CPU

phát hiện có sự cố từ module I/O mở rộng

OB85 (Not Load Fault): ñược gọi khi CPU thấy chương trình ứng dụng có sử

dụng chế ñộ ngắt nhưng chương trình xử lý tín hiệu ngắt lại không có trong khối OB tương ứng

OB87 (Communication Fault): thực hiện khi có lỗi truyền thông

OB100 Thực hiện một lần khi CPU chuyển trạng thái từ STOP sang RUN OB101 (Cold Start Up Information_chỉ có ở CPU S7-400): thực hiện một lần

khi ñang RUN mất nguồn của CPU xong lại có ñiện

OB121 ( Synchronous Error): ñược gọi khi có lỗi logic trong chương trình OB122 (Synchronous Error): ñược gọi khi có lỗi module trong chương trình

Hệ ñiều hành ghi thông tin cụ thể vào 20 bytes ñầu của các biến tạm (temp) với mỗi OB STEP7 cung cấp các biến tạm này trong bảng khai báo biến cho OB Chương trình có thể ñọc thông tin này ñể ñáp ứng các sự kiện khác nhau trong CPU Ta có thể ñổi tên các biến tạm này nếu ta muốn, nhung

không nên ghi bất cứ dữ liệu nào vào các biến tạm này: STEP7 ghi vào các biến này mỗi lần OB bắt ñầu chạy, và bất cứ dữ liệu nào mà ta cất ở ñó sẽ bị mất Ta có thể thêm các biến khác cho OB sau 20 bytes ñầu này

2.2.2.2.2 Các hàm và các khối hàm

Ta có thể ñể toàn bộ chương trình trong OB1 Nhưng ñể có thể viết chương trình có cấu trúc, ta sử dụng các khối logic STEP7 cho thêm 2 loại khối logic:

- Khối hàm FB (function block): là khối logic mà có vùng nhớ kết hợp với nó FB cần có thêm bộ nhớ ở dạng khối dữ liệu tình huống “instance” Các tham số mà ñưa vào FB và một số dữ liệu cục bộ (các biến “tĩnh”) ñược cất trong DB tình huống; dữ liệu cục bộ khác (các biến tạm) ñược cất trong “L stack” Dữ liệu cất trong DB tình huống ñược giữ nguyên khi FB hoàn tất thực thi; dữ liệu trong “L stack” không ñược giữ lại khi FB hoàn tất

- Hàm (FC): là khối logic mà không có vùng nhớ kết hợp: FC không cần DB tình huống Các biến cục bộ của FC ñược cất trong “L stack”; những

dữ liệu này không ñược giữ lại khi FC hoàn tất thực thi

- Khối hàm hệ thống SFB (System function block): là khối hàm ñược tích hợp trong CPU S7 Ta có thể gọi SFB từ chương trình; vì những SFB là một phần của hệ ñiều hành, ta không cần phải nạp chúng vào như một phần của chương trình Tương tự với FB, SFB cần DB tình huống Ta phải tải DB này xuống CPU như một phần của chương trình

- Hàm hệ thống SFC (System function): hàm ñược lập trình trước mà tích hợp sẵn trong CPU S7 Ta có thể gọi SFC từ chương trình; vì những SFC

là một phần của hệ ñiều hành, ta không cần phải nạp chúng vào như một phần của chương trình

- Khối dữ liệu hệ thống SDB (system data block): vùng nhớ của chương trình ñược tạo bởi các ứng dụng STEP7 khác nhau ñể chứa dữ liệu

cần ñể ñiều hành PLC Thí dụ: ứng dụng “S7 Configuration” cất dữ liệu cấu hình và các tham số làm việc khác trong các SDB, và ứng dụng

“Communication Configuration” tạo các SDB mà cất dữ liệu thông tin toàn cục ñược chia xẻ giữa các CPU khác nhau

2.2.2.2.3 Module ñiều khiển mềm trong SIMATIC Manager[19]

Phần mềm SIMATIC Manager cung cấp các module ñiều khiển mềm PID ñể ñiều khiển các ñối tượng có mô hình liên tục như lò nhiệt, ñộng cơ, mức…ðầu ra của ñối tượng ñược ñưa vào bộ ñiều khiển qua các cổng vào tương tự (Analog Input – AI) Sau khi bộ ñiều khiển phân tích, tính toán và ñưa ra các câu lệnh ñiều khiển tới các cơ cấu chấp hành thông qua những module khác nhau:

- Qua cổng ra tương tự (Analog Output – AO)

- Qua cổng ra số (Digital Output – DO)

- Qua cổng phát xung ra tốc ñộ cao

Tùy thuộc vào từng ñối tượng ñiều khiển cụ thể mà ta có thể chọn bộ ñiều khiển PID sao cho phù hợp ðể phục vụ các lựa chọn ñó trong phần mềm SIMATIC Manager ñã tích hợp sẵn ba khối hàm ñó là:

- ðiều khiển liên tục với khối hàm FB41(CONT_C)

- ðiều khiển liên tục với khối hàm FB42(CONT_S)

- ðiều khiển phát xung với khối hàm FB43(FULSEGEN)

Trong ñiều khiển hệ thống thì chất lượng ñiều khiển tùy thuộc rất nhiều vào

sự lựa chọn các thông số của bộ ñiều khiển Do ñó ta phải xác ñịnh chính xác

mô hình của ñối tượng ñiều khiển

FB41( CONT_C) ñược sử dụng ñể ñiều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến ñầu vào và ñầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình simatic Trong khi thiết lập tham số có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ ñiều khiển PID cho phù hợp với ñối tượng

Có thể sử dụng module mềm PID như một bộ ñiều khiển với tín hiệu chủ ñạo ñặt cứng hoặc thiết kế một hệ thống ñiều khiển nhiều mạch vòng ñiều khiển theo kiểu cascade

Hình 2.2 Sơ ñồ cấu trúc của khối FB41

Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ ñạo SP_INT, tín hiệu ra của ñối tượng PV_PER, tín hiệu giả ñể mô phỏng tín hiệu ra của ñối tượng PV_IN các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật toán ñiều khiển PID như: PVPER_ON; P_SEL…

Tín hiệu chủ ñạo SP_INT ñược nhập dưới dạng dấu phẩy ñộng

Thông qua hàm nội CRP_IN tín hiệu ra của ñối tượng có thể nhập dưới dạng

số nguyên có dấu hoặc số thực có dấu phẩy ñộng Chức năng CRP_IN là chuyển ñổi kiểu biểu diễn của PV_PER từ dạng số nguyên sang dạng số thực

có dấu phẩy ñộng có giá trị nằm trong khoảng từ -100% ñến 100% theo công thức:

Tín hiệu ra của CRP_IN = PV_PER x

27468

100 (2.1) Chuẩn hóa: Chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN

Hình 2.3 Sơ ñồ cấu trúc chức năng của khối FB 41

Ngoài ra còn nhiều chức năng khác như lọc nhiễu, chọn luật ñiều khiển, ñặt giá trị thay thông báo lỗi

- Tham biến hình thức ñầu vào, ñầu ra của FB 41

Khối FB 41 có 24 tham số ñầu vào và 9 tham số ñầu ra

- Khai báo tham số cho bộ ñiều khiển PID

Phần mềm STEP cung cấp một giao diện hỗ trợ cho người sử dụng trong việc khai báo tham số cho bộ ñiều khiển PID Sau khi ñã tạo một Project

có chứa FB 41 ta bắt ñầu tạo khối DB( Data Block) cho bộ ñiều khiển sử dụng giao diện của module ñiều khiển PID bằng cách gõ lệnh:

Start/ simatic/step7/ PID control Paramester Assignment

Ví dụ: Ta sẽ tạo một Data Block mới tên là DB41

Trong hộp thoại ñược hiển thị sau khi bắt ñầu, ta có thể tắt chức năng ñiều khiển on hay off và có thể nhập vào tham số ñiều khiển tương ứng Giá trị mặc ñịnh sẽ còn nếu tham số không bị thay ñổi Giá trị ngoài khoảng cho phép không ñược nhập vào

Ta có thể ñặt biến quá trình theo hai dạng “ bên trong” hay “ ngoại vi”

LMN_PER DISV

FB41

- Cơ cấu chấp hành

- ðối tượng ñiều khiển

Hình 2.4 Giao diện tạo khối DB mới

Biến qua trình bên trong( Process Value, Internal). Biến quá trình dưới dạng số thực dấu phẩy ñộng ñược nối tới bộ ñiều khiển tại cổng PV_IN của

bộ ñiều khiển

Hình 2.5 Gán tham số cho khối FB 41

Kiểu dữ liệu: REAL

Giá trị mặc ñịnh: tùy thuộc vào khoảng kỹ thuật ( kích cỡ vật lý)