Đồ án Thiết kế hệ thống tưới cây tự động PLC S1200 TIA portal V15 ( có sẵn file và giải thích mô phỏng phia dưới )

Thiết kế hệ thống tưới cây tự động PLC S1200 TIA portal V15 ( có sẵn file và giải thích mô phỏng phia dưới )Tưsới rãnh (Furrow irrigation) thường áp dụng tưới cho câytrồng cạn hoặc cây ăn trái. Rãnh là các đường trũng hẹp, đào xen kẽvới các liếp và chạy song song với nhau. Thông thường, người ra đào các rãnh hẹp này và lấp đất đắp hai bên thành liếp. Nước được cho vào các rãnh và thấm dần 2 bên cho cây trồng. Phương pháp này còn gọi là tưới thấm,khác với kiểu tưới ngập tự do, chỉ có một phần ba hoặc một nửa diện tích bị ngập nước, do vậy sự bốc hơi tự do bị giảm đi đáng kể. Kênh dẫn nước vào ruộng trong phương pháp này cao hơn mặt ruộng.+ Ưu điểm của phương pháp tưới rãnh là tiết kiệm nước hơn tưới ngập và tưới dải, giảm được lượng tổn thất nước do bốc hơi nên cho hiệu quả tưới cao hơn. Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, không gây xói mòn đất và không làm chèn chặt đất. Nước đi vào cây qua hệ thống rễ, không làm ướt lá nên có thể tránh được một số bệnh cho cây.+ Nhược điểm của tưới rãnh là phải tốn nhân lực để chuẩn bị đất làm rãnh. Người quản lý nước phải biết kiểm soát mực nước vừa phải.

ĐẠI HỌC SPKT HỒ CHÍ MINH

Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động

Giáo viên hướng dẫn: Thái Hữu Nguyên

Sinh viên thực hiện :

Lớp: : DHTDHCK13B

HCM, 6/2021

CHƯƠNG I : TÌM HIỂU YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 1.5 Các phương pháp tưới và lựa chọn phương pháp tưới

1.5.1 Các phương pháp tưới

Các phương pháp tưới.

a.Tưới mặt

Tưới mặt được xem là một trong các phương pháp tưới cổ điển đã được áp dụng từ lâuđời và tại nhiều quốc gia Tưới mặt là biện pháp kỹ thuật dùng các đường dẫn tự nhiên(sông, rạch) hay nhân tạo (kênh, mương, rãnh) để đưa nước vào ruộng và ngấm vào đất cungcấp cho cây trồng

Tưới mặt đất có thể chia thành 3 phương thức tưới là tưới ngập, tưới dải và tưới rãnh.Tưới mặt có các ưu và nhược điểm sau:

+ Ưu điểm:Gần như không cần phải bơm nếu có hệ thống dẫn nước tự chảy theo trọnglực Nhờ nước tràn trên mặt nên nước được ngấm sâu xuống đất một cách đồng đều Kỹthuật tưới này có thể giúp ích nhiều cho việc rửa mặn hoặc giảm phèn trong đất Tưới ngập

có thể hạn chế một phần cỏ dại nếu mặt ruộng được nước ngập trân mặt một thời gian dài.+ Nhược điểm: Đây là kiểu tưới sử dụng khá nhiều nước Khi áp dụng tưới mặt, ruộngphải được chuẩn bị san phẳng kỹ theo một độ dốc nhất định, bờ bao phải tốt để kiểm soátnước Do vậy, khi áp dụng tưới mặt, công sức đầu tư ban đầu

b Tưới ngập

Tưới ngập (Flooding irrigation) là phương thức cung cấp nước cho một vùng đất có bờbao chung quanh nhằm duy trì một lớp nước trên mặt đất trong một thời gian nhất định chomột mảnh ruộng hoặc vườn có các bờ bao xung quanh và duy trì lớp nước này trong mộtthời kỳ sinh trưởng nào đó của cây trồng

+ Ưu điểm: Tưới ngập, nếu thực hiện tốt, có thể giúp hạn chế cỏ dại trong ruộng, làmgiảm nồng độ các độc chất trong đất và góp phần làm điều hòa vi khí hậu khu vực Kỹ thuậttưới ngập thích hợp cho những loại cây trồng sống trong điều kiện ngập nước như lúa, một

số loại cỏ, cây ăn trái,…

+ Nhược điểm: phù thuộc vào địa hình đất

+ Nhược điểm: phải có ruộng thật bằng phẳng, do vậy chi phí đầu tư trang bằng mặtruộng lúc đầu cao và phải có nguồn nước dồi dào.

d Tưới rãnh

Tưsới rãnh (Furrow irrigation) thường áp dụng tưới cho câytrồng cạn hoặc cây ăn trái.Rãnh là các đường trũng hẹp, đào xen kẽvới các liếp và chạy song song với nhau Thôngthường, người ra đào các rãnh hẹp này và lấp đất đắp hai bên thành liếp Nước được cho vàocác rãnh và thấm dần 2 bên cho cây trồng Phương pháp này còn gọi là tưới thấm,khác vớikiểu tưới ngập tự do, chỉ có một phần ba hoặc một nửa diện tích bị ngập nước, do vậy sự bốchơi tự do bị giảm đi đáng kể Kênh dẫn nước vào ruộng trong phương pháp này cao hơn mặtruộng

+ Ưu điểm của phương pháp tưới rãnh là tiết kiệm nước hơn tưới ngập và tưới dải,giảm được lượng tổn thất nước do bốc hơi nên cho hiệu quả tưới cao hơn Phương pháp này

có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, không gây xói mòn đất và không làm chèn chặtđất Nước đi vào cây qua hệ thống rễ, không làm ướt lá nên có thể tránh được một số bệnhcho cây

+ Nhược điểm của tưới rãnh là phải tốn nhân lực để chuẩn bị đất làm rãnh Người quản

lý nước phải biết kiểm soát mực nước vừa phải

e Tưới nhỏ giọt

Tưới nhỏ giọt (drip irrigation) là hình thức tưới qua đường ống đặt sát mặt đất hoặcchôn ngầm tưới nhỏ giọt dưới đất (subsurface drip irrigation - SDI), có gắn các vòi nhỏ giọt(emitter) Nước nhiểu ra từng giọt hoặc với một tia rất nhỏ đều đặn với lưu lượng có kiểmsoát (vàilít/giờ) để cung cấp cho bộ rễ cây trồng Nước cung cấp cho hệ thống nhỏ giọt phảiđược lọc kỹ để tránh các hạt cặn lơ lửng làm tắt nghẽn đầu thoát nước Đây là phương pháptưới rất hiệu quả và tiên tiến thường được áp dụng cho những vùng khô hạn hoặc bán khôhạn, nguồn nước hạn chế và có gió mạnh Phương pháp này có thể phối hợp với biện phápbón phân và kiểm soát một phần cỏ dại

+ Ưu điểm: tiết kiệm nước, hiệu suất tưới có thể trên 90% Diện tích sử dụng để lắp đặt

hệ thống rất nhỏ so với diện tích tưới Phương pháp này có thể khống chế tối đa độ sâu tạo

ẩm Nhờ tưới vừa phải và dưới đất nên sâu bệnh và cỏ dại bị hạn chế phát triển Nước tưới

có thể hòa tan them phân bón và thuốc bảo vệ thực vật Áp dụng phương pháp này có thểgiảm lao động tưới nhờ khả năng tự động của hệ thống cao.

+ Nhược điểm: các đầu tạo giọt thường dễ bị nghẽn do việc xử lý cặn trong nướckhông hoàn toàn tốt Nhiều nơi khó áp dụng phương pháp này do b ịchuột và một số loàigặm nhấm khác phá hoại Phải tốn nhiều công sức và thời gian để kiểm tra và bảo trì hệthống tưới Chi phí đầu tư cho hệ thống kiểu này cũng khá cao

f Tưới phun

Tưới phun mưa (sprinkler irrigation) là hình thức đưa nước tưới lên cao khỏi mặt đất

và để nước rơi tự do xuống kiểu mưa rơi Hình thức tưới này có thể áp dụng cho hầu hết cácloại đất khác nhau hoặc các địa hình từ bằng phẳng đến thay đổi phức tạp nơi mà các hìnhthức tưới mặt đất khác khó áp dụng hoặc áp dụng không hiệu quả Tưới phun thường được

áp dụng cho tưới hoa màu, cây cảnh, cây công nghiệp, đồng cỏ, vườn ươm cây lâm nghiệp,

…

+ Tưới phun mưa có ưu điểm chính là tiết kiệm được nhiều lượng nước tưới, các tổnthất do thấm sâu và chảy tràn được giảm thiểu khá nhiều Do vậy, hiệu quả sử dụng nướctưới là cao Phương pháp tưới này có thể áp dụng cho hầu hết mọi dạng địa hình cao thấpkhác nhau, không cần phải làm phẳng mặt ruộng Tưới phun còn giảm thiểu chi phí xâydựng kênh mương nội đồng, do vậy có thể gia tăng diện tích canh tác Cách tưới này có thểkết hợp với việc bón phân và phòng trừ sâu bệnh bằng cách hoà tan các chất này vào nước.Tưới phun mưa còn tạo cảnh quan đẹp, góp phần gia tăng độ ẩm và giảm nhiệt độ không khíkhu vực Năng suất cây trồng trong phạm vi tưới thường cao

+ Tuy nhiên, nhược điểm của tưới phun mưa là chi phí lắp đặt thiết bị tưới ban đầuthường lớn Người vận hành hệ thống tưới phải có kỹ thuật điều khiển hoạt động Hệ thốngphải thường xuyên được theo dõi, điều chỉnh tốc độ phun hoặc di chuyển theo hướng gió.Gió mạnh gây khó khăn trong điều chỉnh lưu lượng phun mưa Các đầu phun thường hay bịnghẽn nếu nguồn nước có nhiều chất bùn cặn Ngoài ra, việc bố trí đường ống có thể làmhạn chế cơ giới hóa và một số hoạt động canh tác khác

1.5.2 Phương pháp tưới

Phương pháp tưới phun có nhiều ưu điểm có thể áp dụng ở nhiều dạng địa hình nên ta lựachọn phương pháp tưới phun.

Tính năng nổi bật:

- Kỹ thuật tưới chủ động theo: ngày, mùa vụ, tháng, năm, nhiệt độ, độ ẩm đất trồng

- Số lần tưới (0÷4) lần/1buổi (sáng và chiều), thời gian mỗi lần tưới (5 ÷ 15) phút

- Nhiệt độ môi trường không khí của nhà trồng duy trì nhỏ hơn (27 ÷ 29)0C

- Độ ẩm của đất trồng luôn duy trì nhỏ hơn 85%

- Tự động hóa trong công tác tưới 100%

- Tiết kiệm nước tưới (89 ÷ 92)% so với tưới bơm phun bằng vòi thủ công

- Giảm rửa trôi chất dinh dưỡng, hạn chế xói mòn đất Hạn chế hiện tượng đông kết,đóng lớp đất trồng; giữ độ rỗng, không gian trống trong đất, lớn hơn so với phương pháptưới rãnh, tưới một lần ngập nước, tưới phun mưa

- Giảm sức lao động và ngày công lao động

- Rút ngắn thời gian tưới

Các loại đầu phun:

Hiện nay có nhiều loại đầu phun quay trong thị trường Có 2 kiểu vòi phun chính là:vòi phun khuếch tán và vòi phun tia Nhà sản xuất đầu phun thường cho bảng tra các thông

số kỹ thuật của từng loại vòi phun để lựa chọn Tùy theo loại cây trồng và kỹ thuật tưới mà

ta có thể chọn đầu phun qua các thông số như áp suất hoạt động, lưu lượng phun và tầmphun mưa

1.6 Một số hệ thống tưới tự động trong nước

Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động vào trong cuộc sống Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống bán tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu quả cao nhất có thể Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật

đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục Hệ thống tưới phun tự động đa năng- một công trình khoa học của 2 giảng viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng này gồm có 1 cảm

biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên PLC-S7- 1200 Khi các cảm biến cho thông số độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ không khí tại nhà màng báo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp điều khiển PLC Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để nhận nước và đưa tưới tự động tưới phun theo các vòi phun lắp đặt, và sẽ tự ngừng trong đúng 6 phút, khi cảm biến báo độ ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu Hệ thống tưới phun tự động đa năng là sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính ứng thiết thực và đã được thử nghiệm có hiệu quả thực tế - Ngoài ra còn có một số hệ thống tưới tự động được áp dụng cho tưới cây hoa màu tại Vịnh Bắc Bộ.

1.7 Yêu cầu công nghệ của hệ thống tưới cây tự động

Khi độ ẩm của đất cao (>90%) thì hệ thống gửi cảnh báo bằng đèn nháy và bơm sẽngừng hoạt động và ngược lại độ ẩm của đất thấp(<90%) thì bơm hoạt động như sau:

+ Bơm nước hoạt động theo chu kỳ bơm 10 phút nghỉ 2h và lặp lại tuần tự

+ Hệ thống tạm ngừng hoạt động từ 9h sáng đến 16h hằng ngày

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 Sơ đồ cấu trúc

2.2 Sơ đồ mạch lực

CB

Sơ đồ mạch lực.

CHƯƠNG III : MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Giới thiệu PLC

3.1.1 Khái niệm PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được.Cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lậptrình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.Các sự kiệnnày được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạtđộng có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạtthật sự,nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý.Một bộđiều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình đó “người sử dụng lập ra chờ tínhiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằngRelay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thoả mãn những yêu cầu sau:

• Lập trình dễ dàng,ngôn ngự lập trình dễ học

• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được nhựng chương trình phức tạp

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như:máy tính,nối mạng,các Modul

mở rộng

Giá cả có thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay, dây nối và các logicthời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàngcho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả Chính điều này đã gây ra sự quantâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ cáclệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … Sau đó là các chức nănglàm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC

Có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiểnhoặc xử lý hệ thống.Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi mộtchương trình Chương trình được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,PLC sẽ thực hiện việc điềukhiển dựa vào chương trình này.Như vậy muốn thay đổi chức năng của quy trình công nghệ,

ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chứcnăng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so vớicác bộ dây nối hay các Relay

3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC

máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết đọc và kiểm tr chương trình.Các đơn vị lập trình nối vớiPLC qua cổng RS232, RS422, RS458 …

b Nguyên lý hoạt động của PLC

+ Đơn vị xử lý trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chươngtrình được chứa trong bộ nhớ,sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hayngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Vàtoàn bộ các bộ phận thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong

bộ nhớ

+ Hệ thống bus

Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu songsong:

Address Bus: bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các Modul khác nhau

Data Bus: bus dùng để truyền dữ liệu

Control Bus: bus điều khiển dùng để truyền các các tín hiệu định thì và điều khiểnđồng bộ trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các Modul vào ra thông quaData Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bítcủa 1 byte một cách đồng thời hoặc song song

Nếu một Modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, Modul đầu ratương ứng sẽ nhận được địa dữ liệu từ địa chỉ Data Bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệuvào theo dõi chu trình hoạt động của PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các bus tương ứng trong một thời gian hạn chế

Hệ thống bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạnh

đó, CPU được cấp một xung Clock có tần số từ 1 -:- 8 MHZ Xung này quyết định tốc độhoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống

+ Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

Làm bộ đệm trạng thái trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộnhớ đều được đánh số, nhựng số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ

Địa chỉ của tường ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử

lý Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với mộtđịa chỉ mới, nội dung của địa chỉ ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này đượcgọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năngchứa từ 2000-:-16000 dòng lệnh, tuỳ theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ RAM,EPROM đều được sử dụng

RAM(Random Access Memory) có thể nạp chương trình thay đổi hay xoá bỏ nội dungbất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn nuôi bị mất Để tránh những tìnhtrạng này các PLC được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp ngăng lượng dự trữ choRAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm trachương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổithọ lớn

EPROM(Electricall Programmble Read Only Memory) bộ nhớ mà người sử dụng bìnhthường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung của EPROM không bịmất khi mất nguồn nuôi, nó được gắn sắn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chữa hệđiều hành sắn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROMgắn bên trong PLC Trên PG(progammer) có sắn chố ghi và xoá EPROM

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm được sử dụng trong máy lậptrình Đĩa cứng hoặc địa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu trữ nhữngchương trình lớn trong một thời gian dài

+ Kích thước bộ nhớ:

• Các PLC loại nhỏ có thể chứa 300-:-1000 dòng lệnh tuỳ vào công nghệ chế tạo

• Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K-:-16K, có khả năng chứa từ 2000-:-16000dòng lệnh

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM