Tự động hóa trong hệ thống trồng cây nhà kính sử dụng s7 300

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG TRỒNG CÂY NHÀ KÍNH SỬ DỤNG S7-300 Giáo viên hướng dẫn: Th

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG TRỒNG CÂY NHÀ KÍNH SỬ DỤNG S7-300

Giáo viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Ngọc Anh Tuấn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Hoàng

Lời cảm ơn

Báo cáo này được hoàn thành bởi sinh viên thuộc Khoa CN Điện – Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh Trong quá trình thực hiện báo cáo tốt nghiệp, em đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ của các thầy trong bộ môn Điều khiển tự động của trường Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh và toàn thể bạn bè, anh chị sinh viên khóa trên Nhân dịp này, em xin gửi lòng biết ơn chân thành tới GVHD đã trực tiếp hướng dẫn cho tụi em, cùng các giáo viên bộ môn, bạn bè đã giúp em có những đóng góp quý báu trong thời gian qua

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện báo cáo này, do trình độ và thời gian có hạn, nên không thể nào tránh khỏi những thiếu sót Vì thế em rất mong nhận được sự thông cảm và nhận xét quý báu từ các quý thầy cô

Và một lần nữa, em thật sự chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Thực trạng về sản xuất rau ở Việt Nam 1

1.1.1 Thực trạng 1

1.1.2 Trồng cây sử dụng công nghệ ở Việt Nam và trên thế giới 2

1.1.3 Vai trò của tự động hóa trong sản xuất 3

1.2 Phương pháp trồng cây nhà kính 3

1.3 Tự động hóa trong công nghiệp 5

1.4 Khái niệm Hệ thống thời gian thực 7

1.5 Máy tính cho tự động hóa công nghiệp 8

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG 9

2.1 Tổng quan về PLC và giới thiệu về PLC s7 300 9

2.1.1 Giới thiệu chung về PLC 9

2.1.2 Giới thiệu chung về PLC Siemens Simatic S7 300 10

2.2 Phần mềm STEP7 15

2.2.1 Sơ lược về phần mềm STEP7 15

2.2.2 Cách tạo một chương trình ứng dụng với STEP7 17

2.3 Làm quen với WinCC 19

2.3.1 Giới thiệu WinCC 19

2.3.2 Dự án WinCC (WinCC project) 20

2.4.1 Module Analog 24

2.4.2 Module analog SM331 24

2.5 Cảm biến nhiệt độ Pt100( đầu dò nhiệt Pt100) 26

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 29

ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Công nghệ sản xuất rau an toàn 29

3.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống 29

3.4.1 Giới hạn của mô hình 30

3.4.2 Hoạt động của mô hình 30

3.5 Lưu đồ thuật toán của mô hình 31

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 35

4.1 Thiết bị cho mô hình 35

4.2 Cấu hình PLC và viết chương trình 38

4.2.1 Cấu hình PLC 38

4.2.3 Ngôn ngữ lập trình 39

4.3 Thiết kế giao diện WinCC 40

4.4 Download chương trình và chạy trên PLC thực 44

Chương trình PLC: 46

KẾT LUẬN 63

Tài liệu tham khảo 64

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Nhà kính trồng rau công nghệ từ Israel 2

Hình 1.2: Ví dụ về mẫu nhà kính dạng hở 5

Hình 1.3: Hệ thống tự động hóa trong công nghiệp 6

Hình 2.1: Ví dụ dụ về PLC S-300 9

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển sữ dụng PLC 10

Hình 2.3: Ứng dụng PLC trong ngành công nghiệp ô tô 11

Hình 2.4: Ứng dụng trong ngành thực phẩm và nước giải khát (điều khiển các dây chuyền rót nước, đóng nắp chai, đóng gói,…) 12

Hình 2.5: Các khối chức năng bên ngoài CPU S7-300 13

Hình 2.6: Ví dụ ảnh các module mở rộng thực tế 13

Hình 2.7: Thứ tự sắp xếp trong một thanh Rack 14

Hình 2.8: Một ví dụ về ngôn ngữ LAD 15

Hình 2.9: Set giao diện PG/PC 16

Hình 2.10: Biểu tượng SIMATIC Manager 17

Hình 2.11: Tạo một project mới 17

Hình 2.12: Chọn Finish để hoàn tất đặt tên 18

Hình 2.13: Chèn 1 trạm SIMATIC mới 18

Hình 2.14: Chọn Hardware để bắt đầu cấu hình phần cứng 19

Hình 2.15: Vị trí của mỗi Slot 19

Hình 2.16: Biểu tượng WinCc 20

Hình 2.17: Cửa sổ WInCC 22

Hình 2.18: Hộp thoại TagManager 23

Hình 2.19: Dự án WinCC, tạo kết nối mới 23

Hình 2.20: Nguyên lí hoạt động của cảm biến trong công nghiệp 24

Hình 2.21: Module SM331 25

Hình 2.22: Bốn kênh đo của SM331 26

Hình 2.23: Nguyên tắc đi dây của bộ chuyển đổi hai dòng 26

Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ hệ thống 29

Hình 3.2: Lưu đồ thuật thoán điều khiển theo nhiệt độ 32

Hình 3.3: Lưu đồ thuật thoán điều khiển theo độ ẩm 33

Hình 3.4: Lưu đồ thuật thoán điều khiển theo ánh sáng 34

Hình 4.1: Tổng thể mô hình 36

Hình 4.2: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ và đầu dò nhiệt độ Pt100 36

Hình 4.3: Bảng nút nhấn điều khiển và đèn làm viêc 37

Hình 4.4: Toàn bộ hệ thống điều khiển và nguồn 37

Hình 4.5: Đèn chiếu sáng, thiết bị gia nhiệt( đèn đỏ) và 2 quạt thông gió của hệ thống 38

Hình 4.6: Cấu hình trạm PLC S7-300 cho dự án 38

Hình 4.7: Thiết lập để đo nhiệt độ 39

Hình 4.8: Thiết lập để đo độ ẩm và ánh sáng 39

Hình 4.9: Giao diện Hệ thống trồng cây nhà kính được thể hiện trên WinCC 40

Hình 4.10: Chọn biểu tượng Simulation On/Off 41

Hình 4.11: Hộp thoại mô phổng PLC 41

Hình 4.12: Nhấn Dowload để đổ chương trình và mô phổng 42

Hình 4.13: Chọn chạy mô phổng PLC 42

Hình 4.14: Nháy chọn Runtime 43

Hình 4.15: Chạy chương trình trên WinCC 43

Hình 4.16: Hộp thoại Set PG/PC… 44

Hình 4.17: Chọn cổng giao tiếp MPI 44

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Rau quả mang lại nhiều lợi ích đối với con người Tuy nhiên, để trồng được rau quả chúng ta phải mất khá nhiều thời gian chăm sóc (tưới nước, bón

phân, ) Nếu áp dụng công nghệ cao vào nông nghiệp sẽ là một bước tiến quan

trọng đối với một Quốc gia nông nghiệp như nước ta

Thu nhập bình quân đầu người, Việt Nam đi sau Hàn Quốc khoảng 30-35 năm, sau Malaysia khoảng 25 năm, Thái Lan 20 năm, sau Indonesia và

Philippines khoảng 5-7 năm Với yếu điểm về khả năng tài chính đó, việc sở hữu

công nghệ - tiến bộ khoa học kỹ thuật của các nước phát triển là một hạn chế

Với sự phát triển hiện đại hóa, nhiều máy móc, thiết bị nối tiếp nhau ra đời Chúng kế thừa, phát huy, tích hợp nhiều tính năng mới; mẫu mã đa dạng

hơn, kích thước nhỏ gọn, giá cả cạnh tranh Để hiểu và vận dụng tối đa các ứng

dụng trong nhiều trường hợp khác nhau mà nhà sản xuất mang đến là cả một quá

trình học tập

2 Mục đích đề tài

 Đối với các trang trại, nông trại chuyên sản xuất thực phẩm sạch quy mô lớn sẽ phải cần một nguồn lực lao động dồi dào hơn nữa cho tất cả

các công đoạn, điều đó đồng nghĩa với việc chi sản xuất sẽ tăng lên, sức

cạnh tranh của sản phẩm giảm đi Muốn giảm thiểu chi phí và tăng tính

cạnh tranh chúng ta cần áp dụng tự động hóa vào quá trình chăm sóc cây

xanh, chỉ cần bàn tay con người can thiệp vào đầu vào và đầu ra sản phẩm

 Học hỏi, tiếp cận công nghệ, sáng tạo; nội địa hóa dây chuyền, hệ thống nhằm giảm chi phí đầu tư ban đầu tăng hiệu quả kinh tế

 Hiểu nguyên lí và cách thức làm việc của các thiết bị sử dụng trong

đề tài, có thể áp dụng-ứng dụng trong những trường hợp khác

3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, em đã tiến hành các phương pháp nghiên cứu sau:

Commented [nt1]: PHẦN NÀY VIẾT QUÁ DÀI DÒNG NÊN

VIẾT CHỈ KHOẢNG 5 HÀNG

- Kế thừa các công trình nghiên cứu của các thế hệ đi trước về cơ sở lý thuyết phần mềm lập trình PLC S7 300

- Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn

 Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng

Chạy thử mô phỏng nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi, từ đó hoàn thiện hệ thống

4 Đối tượng nghiên cứu:

Các mô hình nhà kính quy mô lớn ở Việt Nam

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng về sản xuất rau ở Việt Nam

1.1.1 Thực trạng

Theo Cục Trồng trọt, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, những

năm gần đây, ĐBSCL có diện tích rau tăng nhanh Tính đến 2015, toàn vùng có

khoảng 246,240 ha trồng rau, chiếm 30% diện tích trồng rau cả nước Một số

khu vực có diện tích trồng rau lớn như: Tiền Giang 46.600 ha, Sóc Trăng 37.700

ha Trong đó diện tích rau ăn lá 106.154 ha, rau ăn trái 77.068 ha và còn lại một

số loại rau ăn củ và rau khác Năng suất trung bình ở ĐBSCL cao hơ 4,7 % năng

suất của các tỉnh phía Nam, sản lượng rau an toàn 4.400 tấn/năm (Viện khoa học

kỹ thuật miền Nam)

Do diện tích 2015 so với 2014 tăng khoảng 2.240 ha, sản lượng tăng

khoảng 500.000 tấn/năm, tốc độ bình quân 7,9%/năm nên năng suất cũng tăng

khoảng 0,75 tấn/ha Nguyên nhân chủ yếu là do trong năm 2015, rau an toàn

hướng tới sản xuất theo công nghệ cao, mô hình hiện đại, đặc biệt mô hình nhà

kính, nhà lưới sử dụng hệ thống tưới nhỏ giọt đã áp dụng phổ biến

Tuy vậy, để đề phòng sâu hại, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm,

con người đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công thức trồng rau Con

người yêu cầu về rau ngày càng cao nên chủng loại rau cũng ngày càng trở nên

phong phú, đa dạng đủ về số lượng, tốt về chất lượng và nhất là phải vệ sinh an

toàn thực phẩm

Đặc điểm chung của các loại rau là yêu cầu độ ẩm rất cao thường từ 85 –

95%, nếu thiếu nước câu sẽ không sinh trưởng và phát triển được và chúng cần

một nhiệt độ ổn định, do vậy đưa rau vào sản xuất thủy canh sử dụng công nghệ

sẽ giải quyết rất tốt về vấn đề này

Commented [nt4]: SAI CHÍNH TẢ

Commented [nt5]: KHOẢNG CÁCH DƯ NHIỀU

Commented [nt6]: KHOẢNG CÁCH DƯ NHIỀU

1.1.2 Trồng cây sử dụng công nghệ ở Việt Nam và trên thế giới

* Trồng cây sử dụng công nghệ cao trên thế giới

- Nông nghiệp công nghệ cao trên thế giới phát triển mạnh mẽ

- Ở Mỹ: Khu công nghệ cao xuất hiện đầu tiên vào năm 1939

- Ở Anh: năm 1988 đã có 38 khu vườn khoa học

- Trung Quốc: năm 2002 đã xây dựng 400 khu công nghệ cao, giá trị sản xuất

nông nghiệp tăng42%, gấp 40-50 lần so với mô hình cũ

- Nông nghiệp Israel có năng suất và chất lượng cao nhờ ứng dụng thành công

và hiệu quả công nghệ tưới và công nghệ nhà kính, nhà lưới Nông nghiệp công

nghệ cao đã và đang trở thành điển hình cho nền nông nghiệp tri thức của thế kỷ

XXI

* Tại Việt Nam:

- Hiện nay sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ở Việt Nam đang được triển

khai ở nhiều địa phương ứng dụng công nghệ của nước ngoài như Hà Nội, thành

phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Bà Rịa Vũng Tàu, Đà Lạt…

- Tại Trung Tâm kĩ thuật RHQ Hà nội, đã bắt đầu đi vào hoạt động từ năm 2004

với vốn đầu tư 24 tỉ đồng Được xây dựng trên diện tích đất gần 16 ha, với các

khu nhà kính, nhà điều khiển vi tính trung tâm, trạm xử lý nước, hệ thống

mương máng, đường nội bộ Với thiết bị, công nghệ nhập từ Israel

Hình 1.1 : Nhà kính trồng rau công nghệ từ Israel Commented [nt7]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY VÍ DỤ:

HÌNH 1.1 ( TỨC LÀ HÌNH 1 TRONG CHƯƠNG 1

1.1.3 Vai trò của tự động hóa trong sản xuất

Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóa vào sản xuất sẽ mang lại hiệu

quả không nhỏ: cho phép giảm giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất lao

động, cải thiện điều kiện sản xuất như ổn định về giờ giấc, chất lượng gia

công…., đáp ứng cường độ cao của sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hóa

và hoán đổi sản xuất Từ đó tăng cao khả năng cạnh tranh, tăng thị phần và khả

năng bán hàng cho nhà sản xuất

Trong một tương lai rất gần, tự động hóa sẽ đóng một vai trò vô cùng

quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà

nó còn ứng dụng để phục vụ đời sống con người Trong sản xuất nó sẽ thay thế

con người trong những công việc cơ bắp nặng nhọc, những công việc nguy

hiểm, độc hại hay những công việc tinh vi hiện đại…

1.1.4 Thành tựu của tự động hóa trong quá trình sản xuất

Trong gần 50 năm qua, tự động hóa trong sản xuất đã mang lại nhiều

thành tựu to lớn: tự động hóa trong sản xuất công-nông nghiệp, từ máy tự động

đến mạng tích hợp Những thiết bị máy tính đã có độ chính xác cao để tạo ra

nhiều sản phẩm chất lượng tốt

Điều khiển hệ thống truyền thông bao gồm: hệ thống điện thoại và

internet Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức năng lượng ở đầu vào,

đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo những dạng sự cố đa dạng, phức tạp thường

xảy ra trong truyền thông

1.2 Phương pháp trồng cây nhà kính

Một trong những biện pháp canh tác rau an toàn được triển khai là trồng

rau trong nhà màng nhà kính Các mô hình nhà màng nhà kính trồng rau ở

ngoại thành TP Hồ Chí Minh được bắt đầu thực hiện từ năm 2001 Cho đến

nay hàng trăm mô hình nhà màng nhà kính đã được triển khai, một phần là các

mô hình trình diễn khuyến nông do Trung Tâm Khuyến Nông, một số quận

huyện đầu tư hỗ trợ, phần còn lại là do người trồng rau tự đầu tư Commented [nt8]: KHOẢNG CÁCH CỦA CÁC DÒNG TỪ

Đối với vùng khí hậu quanh năm nóng ẩm, chỉ có hai mùa mưa và nắng,

mô hình trồng rau trong nhà màng nhà kính ở ngoại thành TP Hồ Chí Minh

cũng đã góp phần giúp cho một số hộ trồng rau ăn lá làm ăn có hiệu quả, tăng

được vòng quay của thời vụ trồng rau

Các kiểu nhà kính trồng rau hiện nay:

Loại nhà kính kín: Là loại nhà kính được phủ hoàn toàn bằng lưới or nilon

cả trên mái cũng như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới

Được sử dụng để che chắn ngăn ngừa côn trùng thâm nhập ( chủ yếu là các loại

bướm, bọ cánh cứng, nhóm côn trùng bay được) Về thiết kế với kiểu mái bằng

và mái nghiêng hai bên Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung

sắt hàn hoặc bắt ốc vít Độ cao chỉ từ 2,0 - 3,9 m Quy mô diện tích: từ 500 -

1.000 m2 theo từng hộ gia đình sử dụng canh tác

+ Ưu điểm: Do nhà kính kín ngăn ngừa được côn trùng phá hoại nên giảm được

tối đa lượng thuốc trừ sâu sử dụng, sản phẩm rau an toàn hơn Tăng được số

vòng quay thời vụ cho rau ăn lá do trồng được cả mùa mưa mà chất lượng mẫu

mã rau vẫn đảm bảo Do diện tích ít, người trồng rau tập trung đầu tư thâm canh

nên năng suất vẫn đảm bảo, thậm chí năng suất rau mùa mưa còn cao hơn so với

trồng ngoài đồng ruộng Bên cạnh đó ta có thể dễ dàng diều khiển nhiệt độ, độ

ẩm, ánh sáng theo từng loại cây khác nhau

+ Nhược điểm: Do việc thâm canh tăng vụ liên tục trên một diện tích nhỏ hẹp

nên phát sinh một số loại bệnh trên rau nhiều: héo rũ, thối cổ rễ… Hoặc một số

loại côn trùng sống trong đất: bọ nhảy … có thể phát sinh mật độ cao Lưới che

chất lượng không đảm bảo, mau hư rách dẫn đến côn trùng dễ dàng thâm nhập

vào nhà màng nhà kính nếu không bảo dưỡng thường xuyên

Commented [nt9]: FONT CHỮ SAI

Commented [nt10]: CHƯA CANH LỀ TRANG NÀY

Loại nhà kính hở: là loại “nhà kính ” chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc

một phần bao xung quanh

Hình 1.2: Ví dụ về mẫu nhà kính dạng hở

+ Ưu điểm: do chỉ làm mái che phần trên nên thông thoáng, có thể trồng rau

quanh năm cả về mùa mưa, vòng quay các vụ rau cao đối với rau ăn lá Thiết kế

đơn giản, chỉ có cột chống, căng dây kẽm và kéo lưới nên chi phí giá thành nhà

màng nhà kính thấp hơn nhiều so với nhà màng nhà kính kín, giảm hơn 50% chi

phí Quy mô diện tích có thể mở rộng, nhiều hộ liên kết lại với nhau, thuận tiện

cho việc canh tác và phân công lao động

+ Nhược điểm: màng kính này không có tác dụng ngăn ngừa côn trùng Bị ảnh

hưởng nhiều vào môi trường bên ngoài

1.3 Tự động hóa trong công nghiệp

Tự động hóa công nghiệp là tự động hóa các quá trình kỹ thuật

Commented [nt11]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Commented [nt12]: CHƯA CANH LỀ

 Hệ thống tự động hóa công nghiệp:

Hình 1.3: Hệ thống tự động hóa trong công nghiệp

Con người (người điều khiển quá trình)

Để quản lí và điều hành các quy trình kỹ thuật cũng như can thiệp vào các tình huống đặc biệt

Tín hiệu điều

khiển

Tín hiệu hồi tiếp

Máy tính và hệ thống thông tin liên lạc bao gồm

ví dụ như bộ điều khiển logic lập trình (PLC),

máy tính công nghiệp (IPC), vi điều khiển (MC),

hệ thống sơ đồ kết nối,v.v

Hệ thống kỹ thuật (sản phẩm kỹ thuật hoặc nhà máy

kỹ thuật), trong đó một quy trình kỹ thuật diễn ra

Ảnh hưởng của

quá trình

Kết quả của quá trình

• Mục tiêu là tự động hóa các hoạt động trong quá trình kỹ thuật với sự giúp đỡ của các đơn vị xử lý thông tin phù hợp

• Con người chỉ phải cung cấp giá trị mong muốn và phương thức hoạt động

 Hệ thống điều khiển quá trình:

• Mục tiêu là quản lý các thủ tục quy trình kỹ thuật của

người vận hành, được hỗ trợ bởi sự tự động hóa

• Quản lý đề cập đến việc kiểm soát và điều tiết các hoạt động trong các vấn đề xung quanh

 Khoa học máy tính của quá trình

• Mục tiêu là một hệ thống phần mềm tự động hóa

• Hệ thống thời gian thực và mạng truyền thông

1.4 Khái niệm Hệ thống thời gian thực

Hệ thống máy tính tương tác với hệ thống kỹ thuật bên ngoài và phải đồng bộ hoá việc xử lý các chương trình với thời gian thực của những hệ thống bên ngoài được gọi hệ thống thời gian thực

Hoạt động theo thời gian thực là hoạt động của một hệ thống máy tính, trong đó các chương trình cần thiết cho việc xử lý dữ liệu đến những hoạt động liên tục để các kết quả xử lý có sẵn trong một thời gian nhất định

Những thông tin này có thể xuất hiện theo một phân bố thời gian ngẫu nhiên hoặc định kỳ

Các tính năng của một hệ thống thời gian thực:

1.5 Máy tính cho tự động hóa công nghiệp

Đặc điểm:

• Máy tính phải thực hiện đầy đủ theo nhu cầu hoạt động thời gian thực Chúng phải có khả năng có được dữ liệu trong quá trình và dữ liệu đầu ra của quá trình

• Máy tính phải có khả năng kết nối chặt chẽ tới quá trình tín hiệu như, tín hiệu điện, hoặc tín hiệu vào ra thông qua một hệ thống giao tiếp để nhận dạng những kết nối đến quá trình kỹ thuật

Ngoài khả năng xử lý chữ số và ký tự thông thường của máy tính Chúng cũng phải có khả năng xử lý các bit riêng lẻ để truy vấn vị trí tiếp xúc và đóng ngắt cơ cấu chấp hành

Bốn xu hướng phát triển dựa trên máy tính đang vận hành trong hệ thống tự động hóa công nghiệp có thể được phân biệt như sau:

• Thiết bị điều khiển lập trình logic (PLC–programmable logic controllers)

• Vi xử lý (Micro controllers)

• Máy tính cá nhân (PC – personal computers)

• Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system)

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG CHO HỆ THỐNG

2.1 Tổng quan về PLC và giới thiệu về PLC s7 300

2.1.1 Giới thiệu chung về PLC

Khái niệm:

- PLC là bộ điều khiển lập trình “ Programmable Logic Controller”

- Bộ điều khiển lập trình là một thiết bị mà người sử dụng có thể lập trình

để thực hiện một loạt hay trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt

bởi tác nhân kích thích “ngõ vào” tác động vào PC hoặc qua các hoạt động trễ

như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích

hoạt, nó ở trạng thái ON hoặc OF Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp”

trong chương trình do “người sử dụng lập trình ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và

xuất tín hiệu ở ngõ ra tại thời điểm đã lập trình

- Cấu trúc của bộ điều khiển lập trình có thể được phân thành các thành

phần Bộ phận mà chương trình được nạp vào lưu trữ và xử lý thường được gọi

là Main processing hay còn gọi là CPU

Vậy, lập trình cho một PLC là đi tìm điều kiện tín hiệu ngõ vào tác động

lên đối tượng điều khiển cho tín hiệu ngõ ra tương ứng

Hình 2.1: Ví dụ dụ về PLC S-300

Commented [nt13]: CHƯƠNG NÀY QUÁ DÀI 29 TRANG

.TUY NHIÊN ĐÂY KHÔNG PHẢI LÀ PHẦN TRỌNG TÂM CỦA

ĐỒ ÁN NÊN EM CẦN RÚT GỌN LẠI

Commented [nt16]: TẠI SAO LẠI CHỪA KHỎANG TRỐNG

NHIỀU QUÁ!!!

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển sữ dụng PLC

2.1.2 Giới thiệu chung về PLC Siemens Simatic S7 300

PLC Siemens Simatic S7 300 là một dòng PLC mạnh của Siemens

S7-300 phù hợp chó các ứng dụng lớn và vừa với các yêu cầu cao về các chức năng

đặc biệt như truyền thông mạng công nghiệp, chức năng công nghệ, và các chức

năng an toàn yêu cầu độ tin cậy cao PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic

khả trình cỡ trung bình, thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung

các tính năng mới, có kết cấu theo kiểu các module sắp xếp trên các thanh rack

Ưu điểm:

- Tốc độ xử lý nhanh

- Cấu hình các tín hiệu I/O đơn giản

- Có nhiều loại module mở rộng cho CPU và cả cho các trạm remote

I/O

- Cổng truyền thông Ethernet được tích hợp trên CPU, hổ trợ cấu hình

mạng và truyền dữ liệu đơn giản

- Kích thước CPU và Module nhỏ giúp cho việc thiết kế tủ điện nhỏ

hơn

Commented [nt14]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY Commented [nt15]: TẠI SAO LẠI CHỪA KHOẢNG TRỐNG

Ở ĐÂY???

- Có các loại CPU hiệu suất cao tích hợp cổng profinet, tích hợp các

chức năng công nghệ, và chức năng an toàn (fail-safe) cho các ứng

dụng cao

- Bao gồm 7 loại CPU tiêu chuẩn, 7 loại CPU tích hợp I/O, 5 loại CPU

fail-safe cho chức năng an toàn, 3 loại CPU công nghệ

Ứng dụng:

- Sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau đặc biệt

trong ngành công nghiệp tự động ví dụ như ngành công nghiệp thực

phẩm và nước giải khát, công nghiệp đóng gói, công nghiệp nhựa,

thép,…

- Ngoài ra, đối với các môi trường hoạt động đặc biệt như nhiệt độ, độ

ẩm cao, hay nông độ hóa chất cao thì S7-300 có dòng sản phẩm

SIPLUS cho các môi trường đặc biệt

- Các ngành công nghiệp tiêu biểu: công nghiệp oto, công nghiệp kỹ

thuật cơ khí, máy móc trong xây dựng, các nhà chế tạo máy, ngành

nhựa, Đóng gói, thực phẩm và nước giải khát, công nghiệp xử lý,…

Hình 2.3: Ứng dụng PLC trong ngành công nghiệp ô tô

Commented [nt17]: CHƯA CANH LỀ

Commented [nt18]: TẠI SAO LẠI CHỪA KHỎANG TRỐNG

NHIỀU QUÁ!!!

Commented [nt19]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Hình 2.4: Ứng dụng trong ngành thực phẩm và nước giải khát (điều khiển các

dây chuyền rót nước, đóng nắp chai, đóng gói,…)

a) Dòng CPU-S7 300:

- Chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian, bộ đếm,

cổng truyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào/ra số onboard

- PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử lý

có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…

- Với các CPU có hai cổng truyền thông, cổng thứ hai có chức năng chính

là phục vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được

cài đặt sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU này được phân biệt với các CPU

khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP Ví dụ Module CPU 314C-2DP…

Commented [nt20]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Hình 2.5: Các khối chức năng bên ngoài CPU S7-300

b) Các module mở rộng

Các module mở rộng của PLC S7-300 chia làm 5 loại:

- Power Supply (PS): module nguồn nuôi, có 3 loại là 2A, 5A và 10A

- Signal Module (SM): module tín hiệu vào ra số, tương tự

- Interface Module (IM): module ghép nối, ghép nối các thành phần mở

rộng lại với nhau Một CPU có thể làm việc trực tiếp nhiều nhất 4 rack, mỗi rack

tối đa 8 Module mở rộng và các rack được nối với nhau bằng Module IM

- Function Module (FM): module chức năng điều khiển riêng Ví dụ

module điều khiển động cơ bước, module điều khiển PID

- Communication Processor (CP): Module phục vụ truyền thông trong

mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

Commented [nt21]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Hình 2.7: Thứ tự sắp xếp trong một thanh Rack

có cấu trúc chung gồm “tên lệnh + toán hạng”

Dạng FBD: Phương pháp hình khối Là kiểu ngôn ngữ đồ họa dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số

Dạng SCL: Có cấu trúc gần giống với ngôn ngữ dạng STL nhưng được phát triển nhiều hơn Nó gần giống với các ngôn ngữ bậc cao như Pascal để người lập trình dễ thao tác

Hình 2.8: Một ví dụ về ngôn ngữ LAD

2.2 Phần mềm STEP7

2.2.1 Sơ lược về phần mềm STEP7

STEP7 là một phần mềm dùng để phục vụ cho việc cài đặt cấu hình là lập

trình cho các bộ điều khiển lập trình được (PLC) Đây là một phần mềm do hãng

Siemens thiết kế, bao gồm các version cơ bản sau:

- STEP 7 Micro/Dos và STEP 7 Micro/Win dành cho các ứng dụng

chuẩn, đơn giản như SIMATIC s7-200

- STEP7 Mini dành cho các ứng dụng chuẩn, đơn giản trên S7-300 và

C7-620

- STEP7 dành cho các ứng dụng trên SIMATIC S7-300/ S7-400,

SIMATIC M7-300/M7-400 và C7 với các chức năng rộng hơn:

 Có khả năng gán các thông số cho các module hàm và các bộ xử lý

truyền thông

 Có thế hoạt động ở chế độ nhiều máy tính

 Truyền thông dữ liệu toàn cục

 Truyền dữ liệu theo sự kiện sử dụng các khối hàm truyền thông (

Commented [nt23]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Các công việc khi làm việc với phần mềm STEP7

- Lập kế hoạch cho bộ điều khiển

- Thiết kế cấu trúc chương trình

- Đối với S7: tạo và đánh giá các dữ liệu tham chiếu

- Đặt cấu hình các thông điệp

- Đặt cấu hình các biến điều khiển

- Download chương trình xuống bộ điều khiển

- Kiểm tra chương trình

- Quan sát hoạt động và chuẩn đoán lỗi

Set giao diện PG/PC

Đối với việc thiết lập này, giúp bạn thiết kiểu kết nối giao tiếp giữa các

thiết bị lập trình (PC) và bộ điều khiển logic khả trình (PLC)

- Khi Ste PG/PC Interfaces lần đầu tiên, ta phải cài đặt module giao tiếp

như sau:

Hình 2.9: Set giao diện PG/PC Commented [nt24]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

- Trong hộp thoại Set PG/PC Interfaces ta chọn loại card phù hợp chuẩn

giao tiếp hệ thống mạng và click vào nút Properties…

- Hộp thoại Properties – PC Adapter hiện ra, ta thiết lập các thông số

giao tiếp như: địa chỉ, tốc độ truyền,…

2.2.2 Cách tạo một chương trình ứng dụng với STEP7

Thiết lập phần cứng cho trạm

Bước 1 Khởi động phần mềm SIMATIC Manager

Start → SIMATIC Manager hoặc nhấp Double lick vào biểu tượng:

Hình 2.10: Biểu tượng SIMATIC Manager

Bước 2 Tạo một project mới

File → New Project Wizard

Hình 2.11: Tạo một project mới

Commented [nt25]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Commented [nt26]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Bước 3 Đặt tên cho project sau đó nhấn Finish là ta đã hoàn thành

Hình 2.12: Chọn Finish để hoàn tất đặt tên

Bước 4 Chèn Simatic S7-300 Station : Insert → Station →SIMATIC 300

Station

Hình 2.13: Chèn 1 trạm SIMATIC mới Commented [nt27]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Bước 5 Chọn SIMATIC 300(1), Sau đó Click doule vào Hardwave

Hình 2.14: Chọn Hardware để bắt đầu cấu hình phần cứng

Bước 6 Lấy thanh Rail ở Slot 0 nằm dưới dấu + của RACK:

SIMATIC 300 → RACK 300→ doub click Rail

Hình 2.15: Vị trí của mỗi Slot

2.3 Làm quen với WinCC

2.3.1 Giới thiệu WinCC

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm tích hợp giao diện người

Commented [nt28]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

của WinCC giúp tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kì trở ngại nào

Đặc biệt, với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát hoạt động của quá trình tự động hóa một cách dễ dàng Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng thích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn cầu như việc tích hợp những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System – Hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP ( Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sữ dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt trên khắp thế giới

2.3.2 Dự án WinCC (WinCC project)

Bước 1: Khởi động WinCC

Để khởi động WinCC, nhấn doub lick vào biểu tượng :

Hình 2.16: Biểu tượng WinCc

Bước 2: Tạo dự án mới: Ngay sau khi khởi động WinCC, hộp thoại tạo dự án

xuất hiện Bạn có ba lực chọn để tạo một dự án mới : “Single-User project”,

“Multi-User project”, “ Multi-Client project” hoặc chọn “Open” để mở một

dự án có sẵn

Ta chọn “Single-User project” và nhấn OK để xác nhận Sẽ xuất hiện cửa sổ:

Ở phần Project name, ta nhập tên dự án và chọn đường dẫn ở mục Project path

Để mở một dự án có sẵn, tại hộp thoại “Open”, bạn tìm kiếm những tập

tin có đuôi mở rộng là “.mcp” Nếu một dự án được thực thi khi bạn thoát WinCC, nó sẽ tự động mở lại khi bạn kích hoạt WinCC lần tiếp theo

Hình bên dưới chính là cửa sổ chính của WinCC, nó cho phép bạn quan sát toàn bộ các thành phần của dự án

Hình 2.17: Cửa sổ WInCC

Cửa sổ con bên trái cho thấy cầu trúc của dự án Nhấn vào kí hiệu “+” để

xem những phần ẩn của tác vụ

Cửa sổ bên phải sẽ hiện nội dung của tác vụ được chọn

Nhấp chuột vào biểu tượng “Computer” trong cửa sổ bên trái Ở cửa sổ

bên phải, bạn sẽ thấy một sever với tên là tên máy tính của bạn Nhấp chuột vào

biểu tưỡng “Sever” và chọn “ Properties” Trong hộp thoại tiếp theo, bạn thiết

lập thuộc tính thời gian thực thi cho hệ thống (bao gồm: những chương trình sẽ

được thực thi, ngôn ngữ sữ dụng, nhũng thành phần không hoạt động

(deactivated))

Bước 3: Cài đặt bộ điều khiển cho PLC

Trong bước tiếp theo, chúng ta sẽ cấu hình cho hệ thống để hệ thống tự

động (AS) có thể giao tiếp với WinCC thông qua bộ điều khiển giao tiếp Việc

chọn bộ điều khiển (Driver) phụ thuộc vào PLC sử dụng Với dòng SIMATIC

PLC của Siemens, có khoảng vài trăm đến vài nghìn điểm nhập xuất I/O

Commented [nt29]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY Commented [nt30]: CHỪA NHIỀU KHOẢNG TRỐNG

QUÁ!!!!!

Trong cửa sổ con bên trái, ta nhấp chọn “TagManager” và chọn “Add

New Driver”

Hình 2.18: Hộp thoại TagManager

Trong hộp thoại “Add New driver”, ta chọn Driver thích hợp (VD:

“SIMATIC S7 Protocol Suite”) và nhấn Open để xác nhận Bạn sẽ thấy biểu

tượng của Driver sẽ xuất hiện bên dưới biểu tượng “TagManager”

Để tạo một kết nối, nhấp chuột lên kí hiệu “+” phía trước Driver, tất cả

các kênh có thể kết nói được sẽ được hiển thị Nhấp phải chuột lên kênh MPI và

chọn “New Connection”

Trong hộp thoại “Connection properties” xuất hiện sau đó, đánh

“PLC1” vào ô điền tên Sau đó nhấn “OK”

2.4 Giới thiệu chung về module Analog và tìm hiểu về SM331

2.4.1 Module Analog

Khái niệm: Module analog là một công cụ để xử lí tín hiệu tương tự

thông qua việc xử lí tín hiệu số

Nguyên lí hoạt động chung của các cảm biến và tín hiệu đo chuẩn trong

công nghiệp

Điện áp: 0 - 10V, 0 -5 V, 5V…

Dòng điện: 4 – 20mA, 0 – 20mA, 10mA…

Hình 2.20: Nguyên lí hoạt động của cảm biến trong công nghiệp

2.4.2 Module analog SM331

Giới thiệu: SM331 là một module đầu vào tương tự có: hai kênh đầu vào

tương tự, tạo thành nhóm Nó hỗ trợ bạn trong việc cài đặt và cấu hình phần

cứng của cảm biến 4-20mA và cấu hình với SIMATIC S7 Manager

Thành phần: Một mô-đun tương tự chức năng bao gồm các thành phần sau:

ANALOG OUTPUT(D/A)

<- các con số

0 -10V

4 -20mA

TÍN HIỆU RA TƯƠNG TỰ 0-10V 4-20mA THIẾT BỊ CẢM BIẾN

Commented [nt32]: CHỪA NHIỀU KHOẢNG TRỐNG

Commented [nt33]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

- Mô-đun SM331 (trong ví dụ của chúng tôi 6ES7331-7KF02-0AB0)

- Đầu nối phía trước 20 chân Có hai loại đầu nối trước khác nhau:

 Với địa chỉ liên lạc mùa xuân (số thứ tự 6ES7392-1BJ00-0AA0) -

 Với các tiếp điểm vít (số thứ tự 6ES7392-1AJ00-0AA0)

Hình 2.21: Module SM331

Đặc điểm:

- 8 đầu vào trong 4 nhóm kênh (mỗi nhóm có hai đầu vào cùng loại)

- Độ phân giải đo có thể điều chỉnh cho từng nhóm kênh

- Chế độ đo được xác định bởi người dùng cho mỗi nhóm kênh:

 Bị cô lập điện theo điện áp tải (ngoại lệ: ít nhất một mô-đun được đặt ở vị

trí D) Mô-đun là mô-đun tương tự phổ dụng được thiết kế cho các ứng

Commented [nt34]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Phạm vi đo: Module SM331 có 4 mô-đun phạm vi đo (một mô-đun cho mỗi

nhóm kênh) Mô-đun phạm vi đo có thể được đặt thành 4 vị trí khác nhau (A, B,

C hoặc D)

Hình 2.22: Bốn kênh đo của SM331

Nguyên tắc dây của bộ chuyển đổi hai dòng

Loại đầu dò này được cung cấp nguồn điện từ mô đun đầu vào tương tự

Hình 2.23: Nguyên tắc đi dây của bộ chuyển đổi hai dòng

2.5 Cảm biến nhiệt độ Pt100( đầu dò nhiệt Pt100)

Với yêu cầu độ chính xác càng cao thì việc đo nhiệt độ bằng các loại đồng

Commented [nt35]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

Commented [nt36]: CẦN GHI CỤ THỂ HÌNH SỐ MẤY

càng được cải tiến hơn chính xác hơn Trong đó phải kể đến Cảm biến nhiệt độ

Pt100

Hình 2.24: Cảm biến nhiệt độ PT100

Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim

Vì bạch kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại

khác nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở Pt100 là một đầu

dò cảm biến nhiệt bên trong có các lõi được làm bằng bạch kim Bên ngoài có

bọc một số lớp bảo vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho

phần lõi

Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của Pt100 đơn giản dựa trên

mối quan hệ mật thiết giữa kim loại và nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở của

kim loại cũng tăng Bạch kim cũng tương tự như vậy Theo tiêu chuẩn thì khi

nhiệt độ là 00C điện trở của Pt-100 sẽ là 100Ω Bạch kim được sử dụng rộng rãi

là do các yếu tố sau:

- Trơ về mặt hóa học có nghĩa là nó rất ít hoặc không tác dụng với những

chất ăn mòn hay phá hủy

- Điện trở có quan hệ gần như tuyến tính với nhiệt độ

- Hệ số tăng nhiệt độ của điện trở đủ lớn để cho việc lấy kết quả đo dễ

dàng

Commented [nt37]: