›

Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát trang trại chăn nuôi

pdf 76 trang phuongvu95 17692
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát trang trại chăn nuôi", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_thiet_ke_va_thi_cong_he_thong_giam_sat_trang_trai_chan.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát trang trại chăn nuôi

  1. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI GVHD: PGS Ts. Nguyễn Minh Tâm SVTH: Nghiêm Sỹ Tú MSSV: 15141325 SVTH: Bùi Hải Phong MSSV: 13141235 Tp. Hồ Chí Minh - 12/2019
  2. TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o Tp. HCM, ngày tháng năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Bùi Hải Phong MSSV: 13141235 Nghiêm Sỹ Tú MSSV: 15141325 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 13141DT1B 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 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i
  3. TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o Tp. HCM, ngày tháng năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Bùi Hải Phong Lớp: 13141DT1B MSSV: 13141235 Họ tên sinh viên 2: Nghiêm Sỹ Tú Lớp: 15141DT2C MSSV: 15141325 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (26/08/2019- Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài 01/09/2019) Tuần 2 (02/09/2019- Tìm hiểu nội dung và hướng làm đề tài của 08/09/2019) việc điều khiển một hệ thống bằng PLC. Tuần 3 Tìm hiểu PLC S7 – 1200 (09/092019- 15/09/2019) Tuần 4 Tìm hiểu cách kết nối truyền nhận dữ liệu (16/09/2019- giữa cảm biến và PLC S7-1200 22/09/2019) Tuần 5,6 Tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn hệ (23/09/201- thống. 06/10/2019) Tuần 7,8 Tiến hành thiết kế và thi công hệ thống (07/10/2019- điện. 20/10/2019) Tuần 9,10,11,12 (21/10/2019 - Tiến hành lập trình cho hệ thống. 17/11/2019) Tuần 13,14 (18/11/2019- Thiết kế giao diện giám sát SCADA, giao 01/12/2019) diện hiển thị dữ liệu cảm biến trên web. Tuần 15 (02/12 - Viết báo cáo, kiểm tra các phần cứng, hiệu 08/12/2019) chỉnh. 20/12/2019 Hoàn thành nhiệm vụ đồ án. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ii
  4. • 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 Bùi Hải Phong Nghiêm Sỹ Tú iii
  5. 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 iv
  6. 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 3.1.2. Chức năng từng phần 29 v
  7. 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 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 vi
  8. 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. 4: Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay 38 vii
  9. 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 vii
  10. 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 vii
  11. 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. x
  12. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 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 mô hình trên máy tính. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 1
  13. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 2
  14. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3
  15. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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. 2.2. TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200 2.2.1. Tổng quan về PLC 2.2.1.1. Giới thiệu Kỹ thuật điện tử đã phát triển đến trình độ kỳ diệu và sẽ có những tiến bộ vượt bật trong tương lai. Nó góp phần không nhỏ và sản xuất công nghiệp. Nhất là trong giai đoạn hội nhập hiện nay. Các doanh nghiệp không ngần ngại hạ giá thành sản phẩm tăng sức cạnh tranh với các công ty khác. Một trong những giải pháp về trang thiết bị hiện đại này là PLC. PLC có khả năng vận hành tự động theo một quy trình định sẵn mà không cần có sự tham gia của con người lúc vận hành. Bởi tất cả những 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4
  16. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 kháng nhiễu tốt. − Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp. − Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet. − 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5
  17. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT − Module đầu vào. − Module đầu ra. − Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng). 2.2.1.4. Cấu trúc bộ nhớ PLC ➢ Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính • Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền: − Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét. − Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính. − 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). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6
  18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT − 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 2.2.1.5. Xử lý chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng bộ đệm ảo, tiếp theo giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông và kiểm tra lỗi, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyền các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra. 2.2.1.6. Cấu trúc chương trình Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau: ➢ Lập trình có cấu trúc: chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi những nhiệm vụ riêng biệt của nó, từng phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiểu nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-1200 có 3 loại khối cơ bản sau: Loại khối organization Block: khối tổ chức và quản lí chương tình điều khiển. khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét. hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7
  19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ➢ 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 8
  20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 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. Hình 2. 1 : Tổng quan PLC S7-1200 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. Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 9
  21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ nhớ người dùng: • Bộ nhớ làm việc • 25 kB • 50 kB • Bộ nhớ nạp • 1 MB • 2 MB • Bộ nhớ giữ lại • 2 kB • 2 kB I/O tích hợp cục bộ • 6 ngõ vào • 8 ngõ vào / 6 • 14 ngõ vào / • Kiểu số / 4 ngõ ra ngõ ra 10 ngõ ra • Kiểu tương tự • 2 ngõ ra • 2 ngõ ra • 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q) Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module Không 2 8 tín hiệu Bảng tín hiệu 1 Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái) Các bộ đếm tốc độ cao 3 4 6 • Đơn pha • 3 tại 100 • 3 tại 100 kHz • 3 tại 100 kHz 1 tại 30 kHz kHz 3 tại 30 • 3 tại 80 kHz kHz • Vuông pha • 3 tại 80 kHz • 3 tại 80 kHz 1 tại 20 kHz 3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2 Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn) Thời gian lưu giữ đồng hồ Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C thời gian thực PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet Tốc độ thực thi tính toán 18 μs/lệnh thực 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] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 10
  22. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2. 2. Bảng các module hỗ trợ PLC S7- 1200. Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out 8 x DC In 8 x DC Out 8 x DC In / 8 x DC Out 8 x Relay Out 8 x DC In / 8 x Relay Out Module Kiểu 16 x DC In / 16 x DC Out số 16 x DC In 16 x DC Out tín hiệu 16 x DC In / 16 x Relay 16 x Relay (SM) Out Out Kiểu 4 x Analog In 2 x Analog In 4 x Analog In / 2 x Analog Out tương 8 x Analog In 4 x Analog In tự Kiểu _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out Bảng tín hiệu số Kiểu (SB) _ 1 x Analog In _ tương tự Module truyền thông (CM) • RS485 • RS232 2.2.2.2. Các bảng tín hiệu 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 11
  23. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chú thích: 1: Các LED trạng thái. 2: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra. 2.2.2.3. Các module tín hiệu Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU. Hình 2. 3: Các Module tín hiệu PLC S7- 1200 Chú thích: 1: Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu. 2: Bộ phận kết nối đường dẫn. 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). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 12
  24. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 13
  25. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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. Hình 2. 5: Sơ đồ kết nối RS485 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 14
  26. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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. Hình 2. 6: Cảm biến SHT10 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 - Có sẵn trở treo 10K. - Độ dài: 70mm - Đường kinh: 16mm - Dây dẫn: 1m 2.3.3.2. Sơ đồ dây - VCC - Màu nâu - cấp nguồn 3 ~ 5VDC. - GND - Màu đen - cấp nguồn 0VDC ~ Mass. - DATA - Màu vàng. - CLK - Màu xanh dương. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 15
  27. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.4 BƠM CHÌM 220V Hình 2. 7: Bơm chìm Thông số kĩ thuật • Kích thước 46*44*32mm • Điện áp 220V AC • Công suất 4W • Ấp lực nước tối đa 60cm • Chiều dài dây điện 0.8m • Lưu lượng tối đa 200l/H • Trọng lượng 117g 2.4.1. Động cơ DC 12V Hình 2. 8: Động cơ DC 12V BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 16
  28. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.4.2. Nút nhấn Hình 2. 9: Nút nhấn 2.4.3. Nút dừng khẩn cấp Hình 2. 10: Nút dừng khẩn cấp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 17
  29. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.4.4. Relay trung gian 8 chân điện áp 24V Hình 2. 11: Relay trung gian 24V. 2.4.5. Vít tải Hình 2. 12: Vít tải BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 18
  30. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.4.6. Quạt thổi Hình 2. 13: Quạt thổi 2.4.6.1. Thông số kĩ thuật Điện áp định mức: 24VDC Kích thước của cánh quạt: ∅120mm Tốc độ định mức: 2400 Rpm Lưu lượng không khí: 317M3 / H Loại động cơ: Động cơ rotor bên ngoài không chổi than DC 2.4.7. Đèn sợi tóc Hình 2. 14: Đèn sợi tóc BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 19
  31. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 20
  32. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 21
  33. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 22
  34. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 30 mA I/O Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng Bộ nhớ flash bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 23
  35. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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. Hình 2. 17: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 24
  36. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT b. Cấu tạo Hình 2. 18: Arduino đời đầu 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 25
  37. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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: Hình 2. 20: Các ngõ vào/ngõ ra của Arduino 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: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 26
  38. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • 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 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 27
  39. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT d. Extension shield Hình 2. 21: Các shield xếp chồng lên Arduino Arduino cũng sử dụng chip AVR của Atmel làm nền tảng, thế nê n hầu hết cái gì PIC/AVR làm được thì Arduino làm được. Nếu muốn điều khiển động cơ, sẽ có các mạch công suất tương thích hoàn toàn với Arduino. Nếu muốn điều khiển qua mạng Internet, cũng có một mạch Ethernet/Wifi tương thích hoàn toàn với Arduino. Và còn rất nhiều thứ khác nữa. Những mạch được đề cập như trên được gọi là các extension shield (mạch mở rộng). Các shield này giúp tăng tính linh hoạt của Arduino. Hình 2. 22: Một số shield thông dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 28
  40. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1.1. Giới thiệu về hệ thống Hệ thống sẽ thực hiện cân đo khối lượng từng nguyên liêu liệu thức ăn đã được đặt trước và trộn lại. Những số liệu về khối lượng thức ăn trong ngày sẽ được hiển thị tức thời trên màn hình SCADA để người quản lí có thể đọc trực tiếp. Ngoài ra những dữ liệu về lượng thức ăn cũng có thể xuất ra ở dạng biểu đồ để người quản lí có thể đánh giá lượng thức ăn trong nhiều ngày bằng biểu đồ lượng thức ăn. Bên cạnh đó khối lượng thức ăn cũng như các thành phần thức ăn cũng được lưu trữ thành một cơ sở dữ liệu và đưa lên quản lí trên web. Ngoài ra còn có thể tắm cho heo vào đúng thời gian trong ngày mà chúng ta đã cài đặt trước, thời gian tắm ngắn hay dài là do người sử dụng cài đặt trên màn hình hệ thống SCADA. Hệ thống cho heo uống tự động hoạt động độc lập với bộ xử lí trung tâm, chỉ cần hết nước bơm sẽ tự động bơm bồn chứa, thùng uống hết van sẽ tự động xả nước vào thùng uống. 3.1.2. Chức năng từng phần Xử lý: Xử lý tín hiệu nhận được từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và tạo ra tín hiệu đưa về PLC để thực hiện các tác vụ khác. Giao diện điều khiển, giám sát: thực hiện việc điều khiển tắt mở hệ thống và xử lý và hiển thị dữ liệu, hiển thị hoạt động của hệ thống. 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống Với giới hạn và yêu cầu mà đề tài đưa ra, nhóm tiến hành thiết kế sơ đồ khối hệ thống như sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 29
  41. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3. 1: Sơ đồ khối của hệ thống Chức năng các khối: • Khối cảm biến nhiệt độ - độ ẩm: Có chức năng thu nhận dữ liệu về nhiệt độ - độ ẩm hiện tại của môi trường nuôi và gửi tới PLC. • Khối nút nhấn: Có chức năng dùng để bật/tắt hệ thống, chọn chế độ hoạt động cho hệ thống Manual và Auto, điều khiển các động cơ ở chế độ Manual. • Khối hệ thiết bị chấp hành: Có chức điều khiển động cơ trộn thức ăn, vít tải cung cấp thức ăn, mở bơm nước cung cấp nước uống và rửa chuồng. Bên cạnh đó điều khiển quạt đèn cùng bộ phun sương để đưa nhiệt độ - độ ẩm về điều kiện thích hợp. • Khối xử lý trung tâm: Có chức năng nhận, xử lý thông tin và điều khiển các khối khác. • Khối giao diện Scada: điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình. • Khối web hiển thị dữ liệu: hiển thị, tìm kiếm dữ liệu thông số giá trị cảm biến của hệ thống • Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho cả hệ thống. Tính toán và thiết kế các khối: Tổng công suất theo tính toán của hệ thống sẽ bằng tổng công suất của các thiết bị, giá trị công suất tổng được tính là 47W. a. Khối cảm biến nhiệt độ - độ ẩm ❖ Thu nhận nhiệt độ - độ ẩm của môi trường chăn nuôi: Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ - độ ẩm dung trong công nghiệp với giá thành cao và chất lượng tốt phù hợp với yêu cầu chuồng trại BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 30
  42. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ thực tế. Để phù hợp với yêu cầu mô hình, nhóm quyết định chọn cảm biến SHT10 kết nối với Arduino để tạo thành module đo giá trị nhiệt độ - độ ẩm cập nhật cho PLC. Sử dụng module nhiệt ẩm SHT10 để thu thập nhiệt độ - độ ẩm của môi trường chăn nuôi. Cảm biến SHT10 được kết nối với Arduino, Arduino sẽ chuyển dữ liệu từ cảm biến sang chuẩn 485 sau đó kết nối và chuyển dữ liệu qua PLC theo chuẩn 485. b. Khối thiết bị chấp hành ❖ Đèn sưởi – quạt thổi – phun sương Giá trị của cảm biến nhiệt độ - độ ẩm được gửi về PLC sẽ được so sánh với giá trị nhiệt độ - độ ẩm cài đặt theo yêu cầu của môi trường sống của vật nuôi. Nếu giá trị thực tế vượt với ngưỡng cài đặt giới hạn trên thì phun sương được kích hoạt để giảm nhiệt độ với mục đích làm mát môi trường cho vật nuôi và đưa nhiệt độ môi trường sống của vật nuôi về với giá trị trong ngưỡng cho phép. Nếu giá trị thực tế thấp hơn ngưỡng cài đặt dưới thì quạt và đèn sưởi được kích hoạt để tăng nhiệt độ cho môi trường với mục đích giữ ấm cho vật nuôi. Với quy mô chuồng trại chăn nuôi trong thực tế sẽ cần những thiết bị sưởi và làm mát công nghiệp, nhưng ở đây yêu cầu của đề tài chỉ dừng lại với mức mô hình nhỏ nên nhóm quyết định chọn những thiết bị nhỏ với mục đích mô phỏng lại môi trường chăn nuôi. ❖ Bơm nước Bơm được sử dụng là bơm chìm của hang Ronma. Bơm được thả trực tiếp vào nước, hút nước và bơm trực tiếp để rửa chuồng, ❖ Động cơ trộn và vít tải Được làm từ ống nhựa pvc và vít tải, đề đi chuyển thức ăn, vào vị trí cho ăn, động cơ 12vdc, để tải thức ăn. c. Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm sẽ thực hiện lấy tín hiện từ khối cảm biến nhiệt độ- độ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 31
  43. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ẩm để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển ra quạt, đèn để điều chỉnh nhiệt độ - độ ẩm của môi trường nuôi, điều khiển vít tải để cho ăn, điều khiển bơm để phun rửa chuồng. Ở đây khối xử lý trung tâm chính là PLC S7 – 1200. d. Khối giao diện Scada Là khối điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình, thông qua giao diện được thiết lập, có thể cài đặt điều chỉnh các thông số để phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Hình 3. 2: Giao diện hệ thống scada e. Khối web hiển thị dữ liệu Là khối hiển thị dữ liệu cảm biến, và thông tin liên quan đến hệ thống, có thể truy xuất dữ liệu cảm biến, theo dõi nhiệt độ đồ ẩm, từng giây từng phút một. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 32
  44. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3. 3: Giao diện web f. Khối nguồn Đối với khối nguồn do ở đây chúng ta vừa cần dùng nguồn AC và DC nên nguồn AC 220V chúng ta sẽ lấy trực tiếp từ lưới điện để cấp cho khối xử lý trung tâm. Riêng về nguồn DC chúng ta sử dụng cho khối chấp hành và khối cảm biến các ngoại vi của PLC. Nhóm sử dụng nguồn DC 24V – 5A để cấp cho các cuộn dây. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 33
  45. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.2.3. Sơ đồ kết nối PLC với toàn hệ thống Hình 3. 4: Sơ đồ chân của PLC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 34
  46. Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1. GIỚI THIỆU Sau khi tính toán và thiết kế dựa trên sơ đồ khối, nhóm đã thi công phần mô hình toàn hệ thống bao gồm khối cảm biến nhiệt ẩm, hệ thống vít tải, hệ thống phun sương, lắp ráp hệ thống điện cho hệ thống, tạo giao diện web, viết chương trình và tạo giao diện giám sát SCADA. 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1. Thi công phần khung của hệ thống Hình 4. 1: Thiết kế phần khung hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 35
  47. Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.2. Thi công bảng điều khiển Hình 4. 2: Bên ngoài bảng điều khiển Hình 4. 3: Bên trong bảng điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 36
  48. Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3 LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 4.3.1. Lưu đồ giải thuật Lưu đồ là một loại sơ đồ biểu diễn một thuật toán hoặc một quá trình, biểu hiện các bước công việc dưới dạng các loại hình hộp khác nhau theo thứ tự được biểu diễn bởi các mũi tên. Sơ đồ này có thể thể hiện giải pháp cho vấn đề cần giải quyết từng bước từng bước một. Ở chương trình chính ta sẽ chọn chế sẽ kiểm tra nút Dừng khẩn cấp có được kích hoạt hay không, nếu không thì ta sẽ chọn chế độ Tự động hoặc chế độ Bằng tay. Nếu chế độ Bằng tay được lựa chọn thì mọi chức năng sẽ được kiểm tra và thực hiện bằng từng nút nhấn tương ứng. Điều này được biểu diễn bằng Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay (Hình 4.4). Nếu chế độ Tự động được lựa chọn, đầu tiên chúng ta cần nhập ngưỡng nhiệt độ - độ ẩm, thời gian cho ăn, thời gian cho uống và thời gian rửa chuồng (Hình 4.5). Sau khi nhập ngưỡng nhiệt độ - độ ẩm, nhiệt độ - độ ẩm thực tế sẽ được so sánh với hai mốc cài đặt và đưa ra những biện pháp xử lý bằng cách điều khiển những thiết bị chấp hành như thiết bị sưởi và phun sương với mục đích đưa nhiệt độ - độ ẩm về với ngưỡng ta đã cài đặt. Sau khi nhập ngưỡng nhiệt độ - độ ẩm, chúng ta sẽ nhập thời gian để cho ăn, cho uống và rửa chuồng (Hình 4.6). Thời gian thực tế sẽ được so sánh với thời gian cài đặt, nếu thời gian thực tế đúng với thời gian cài đặt thì những thiết bị chấp hành như vít tải đồ ăn, bơm nước, mô tơ trộn sẽ được kích hoạt để cho ăn uống và rửa chuồng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 37
  49. Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Begin 4 NÚT DỪNG KHẨN CẤP S S Chế độ bằng tay 1 Đ S S S S S S S Cho ăn chuông 1 Cho ăn chuồng 2 Cho uống nước Vệ sinh chuồng Quạt Đèn sưởi Trộn thức ăn Đ Đ Đ Đ Đ Đ Đ Cung cấp thức ăn Cung cấp thức ăn Bơm nước uống cho Bơm nước vệ sinh Hệ thống quạt làm Hệ thống làm ấm , Hệ thống trộn thức cho chuồng 1 cho chuồng 2 trang trại chuồng mát sưởi ăn END Hình 4. 4: Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 38
  50. Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 1 S CHẾ ĐỘ TỰ ĐỘNG Đ CÀI ĐẶT NGƯỠNG NHIỆT ĐỘ 3 NHIỆT ĐỘ THỰC TẾ ĐỘ ẨM THỰC TẾ S S NHIỆT ĐỘ THỰC TẾ NHIỆT ĐỘ THỰC TẾ BÉ ĐỘ ẨM THỰC TẾ LỚN HƠN ĐỘ ẨM THỰC TẾ BÉ HƠN ĐỘ LỚN HƠN NHIỆT CÀI HƠN NHIỆT CÀI ĐỘ ẨM CÀI ẨM CÀI Đ Đ Đ Đ BẬT QUẠT LÀM BẬT ĐÈN SƯỞI , VÀ BẬT QUẠT VÀ ĐÈN BẬT CHẾ ĐỘ PHUN MÁT, TẮT QUẠT VÀ QUẠT, TẮT QUẠT SƯỞI, TẮT CHẾ ĐỘ SƯƠNG, TẮT QUẠT ĐÈN SƯỞI LÀM MÁT PHUN SƯƠNG VÀ ĐÈN SƯỞI Hình 4. 5: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 39
  51. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 3 NHẬP THỜI NHẬP THỜI GIAN NHẬP THỜI GIAN GIAN CHO ĂN CHO UỐNG RỬA CHUỒNG S S THỜI GIAN RỬA S THỜI GIAN CHO ĂN THỜI GIAN CHO UỐNG CHUỒNG BĂNG THƠI BẲNG THỜI GIAN THỰC BẰNG THỜI GIAN THỰC GIAN THƯC Đ Đ Đ BƠM NƯỚC UỐNG BƠM NƯỚC RỬA NGỪNG TRỌN THỨC ĂN ĐƯỢC HOẠT ĐỘNG CHUỒNG HOẠT ĐỘNG BƠM NƯỚC VỆ SINH ĐỦ LƯỢNG NƯỚC CHUỒNG TẮT KHI ĐÃ ĐỘNG CƠ VÍT TẢI THỨC ĐỘNG CƠ NGĂT ĂN HOẠT ĐỘNG XONG ĐỦ LƯỢNG THỨC ĂN ĐÔNG CƠ VIT TẢI NGẮT 4 Hình 4. 6: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 40
  52. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Ở chương trình chính hệ thống sẽ đợi người dùng tác động vào nút AUTO, MANUAL để chọn chế độ vận hành bằng tay hoặc tự động cho hệ thống. Nếu chế độ MANUAL được chọn thì hệ thống sẽ được thực hiện ở chế độ bằng tay, người sử dụng có thể điều khiển bằng các nút nhấn trên bảng điều khiển hoặc trên giao diện Scada. Nếu chế độ AUTO được chọn thì hệ thống sẽ hoạt động tự động theo từng thông số được cài đặt trước trên giao diện Scada. 4.2.3. Phần mềm lập trình cho PLC a) Giới thiệu phần mềm lập trình cho PLC Để thực hiện viết code cho PLC S7 – 1200 ta cần có phần mềm chuyên dụng là TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal). Phần mềm lập trình mới này giúp người sử dụng phát triển, tích hợp các hệ thống tự động hóa một cách nhanh chóng, do giảm thiểu thời gian trong việc tích hợp, xây dựng ứng dụng từ những phần mềm riêng rẽ. Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa. Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm. Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens. Ví dụ như phầm mềm mới Simatic Step 7 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic WinCC để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính. Để thiết kế TIA portal, Siemens đã nghiên cứu rất nhiều các phần mềm ứng dụng điển hình trong tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhu cầu của khách hàng trên toàn thế giới. Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng. Ví dụ, tất cả các thiết bị và mạng truyền thông bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ. Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi, các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng chung cơ sở dữ liệu TIA Portal. Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens đều được lập trình, cấu hình trên BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 41
  53. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG TIA portal. Việc này giúp giảm thời gian, công sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này. Ở đây nhóm sử dụng TIA Portal V14 để thực hiện viết code cho PLC S7 – 1200. Cách tạo một Project: Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V14. Hình 4. 7: Tia Portal V14 Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án mới. Bước 3: Nhập tên dự án vào phần Project name sau đó Click create. Hình 4. 8: Giao diện bắt đầu của chương trình Hình 4. 9: Giao diện tạo dự án mới. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 42
  54. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bước 4: Click chọn configure a device. Hình 4. 10: Giao diện bắt đầu của dự án mới Bước 5: Click chọn add new device. Hình 4. 11: Giao diện Devices & networks Bước 6: Chọn loại CPU trong PLC, sau đó chọn add hoặc kích đúp vào nó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 43
  55. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4. 12: Giao diện Add new device. Bước 7: Project mới được hiện ra Hình 4. 13: Giao diện làm việc. Bước 8: Viết chương trình cho PLC: >>Program Blocks >> Main [OB1]. Hình 4. 14: Giao diện viết chương trình. Như vậy, với tám bước cơ bản đã có thể làm việc và lập trình cho PLC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 44
  56. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG b) Khối web hiển thị Hình 4. 15: Giao diện web cập nhật giá trị của nhiệt độ - độ ẩm Hiển thị dữ liệu cảm biến, và thông tin liên quan đến hệ thống, có thể truy xuất dữ liệu cảm biến, theo dõi nhiệt độ đồ ẩm, từng giây từng phút một. Hình 4. 16: Giao diện SCADA quản lí hệ thống. . BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 45
  57. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Ở giao diện giám sát hệ thống ta có các nút để chọn chế độ auto hoặc manual. Ta có ô nhập liệu để cài đặt giới hạn nhiệt độ - độ ẩm phù hợp với môi trường sống của vật nuôi, cài đặt thời gian cho ăn, uống và rửa chuồng. Bên cạnh đó ta có những nút nhấn điều khiển từng thiết bị cho chế độ manual. c) Giới thiệu phần mềm Visual studio community 2019 và thư viện smarty Visual Studio Community 2019 là phiên bản nâng cao của Visual Studio Express, mang đến cho các lập trình viên một bộ công cụ toàn diện phát triển nền tảng chéo ấn tượng. Phần mềm này cho phép các nhà phát triển cá nhân, các nhà nghiên cứu, người đóng góp mã nguồn mở và môi trường học thuật được hưởng lợi từ gói phần mềm toàn diện được phiên bản Professional của Visual Studio cung cấp miễn phí. Smarty là một hệ thống tạo mẫu web (web template system) được viết trên nền PHP. Smarty được giới thiệu như là một công cụ cho việc chia nhỏ các quá trình thiết kế trang web. Đây là chiến lược thiết kế cho các ứng dụng web hiện đại. Smarty tạo ra các nội dung web từ các vị trí đặc biệt được gọi là smarty tag. Các tag này sẽ được xử lý và chèn vào với các code khác nhau. Các tag này là chỉ thị cho smarty mà có thể được bao đóng bởi các tag mở và tag khóa. Những hướng dẫn này có thể là biến, và được định nghĩa bởi các dấu dollar ($), các chức năng, hàm logic hoặc các luồng điều khiển. Smarty cho phép các lập trình viên có thể tự định nghĩa các chức năng và truy cập sử dụng cả smarty tags. Smarty là kết quả cho việc tối ưu hóa và phân luồng công việc, cho phép trình diễn các trang web bằng cách chia nhỏ chúng ở đầu cuối(back- end). Ý tưởng đó đã giúp giảm thiểu rất giá thành và sự đồ sộ của một phần mềm. Dưới mỗi một ứng dụng thành công thì luôn phân chia thành hai mảng là người thiết kế chính là lá chắn bảo vệ mã nguồn sau (back-end coding) và người lập trình php được bảo vệ bởi mã trình diễn. Smarty hỗ trợ một vài ngôn ngữ lập trình bậc cao, bao gồm: + Điều khiển luồng dữ liệu, foreach. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 46
  58. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bên cạnh dó, thì một trong những chức năng nổi bật của các Template Engine là hệ thống tạo mẫu cho phép thay đổi từ mẫu tới mẫu. Thông thường khi lập trình php bạn hay viết lẫn cả phần HTML với mã lệnh php trên một trang. Điều này sẽ dẫn đến rắc rối nhất là khi bảo trì. Bạn là người viết ra cũng là người bảo trì thì không sao nhưng nếu bạn viết ra còn người khác bảo trì. Chắc họ nhìn vào code của bạn họ sẽ ngất mất vì quá rối. mặt khác khi làm nhiều trang web có chức năng như nhau. Chỉ khác giao diện nên nếu lập trình theo kiểu như vậy bạn phải viết lại hoàn toàn. Ngoài ra muốn code được bạn phải chờ người thiết kế giao diện cho bạn sau đó cắt ra file HTML rồi mới code. Tất cả những điều này sẽ làm giảm năng suất công việc của bạn đi rất nhiều smarty ra đời đã giải quyết được các vấn đề như trên. Cách tạo một project: Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V14. Hình 4. 17: Biểu tượng Visual studio Bước 2: Click chuột vào New > Web Site để tạo dự án mới. Hình 4. 18: Giao diện tạo một project mới BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 47
  59. CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bước 3: Chọn Web form để bắt đầu thiết kế giao diện. Hình 4. 19: . Giao diện lựa chọn Bước 4: Cấu hình web là kết nối với SQL Hình 4. 20: Cấu hình cho web. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 48
  60. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 5.1. KẾT QUẢ Kết quả nghiên cứu: Trong vòng 4 tháng làm đồ án, nhóm nghiên cứu đã đạt được các kết quả như sau: ❖ Nghiên cứu sâu hơn về các dòng PLC đặc biệt là dòng S7 - 1200. ❖ Nghiên cứu sử dụng được cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và giao tiếp được PLC. ❖ Nghiên cứu cách thiết kế, bố trí và thi công bảng điều khiển PLC. ❖ Nghiên cứu được một số hệ thống trang trại chăn nuôi thực tế. ❖ Nghiên cứu và thiết kế giao diện giám sát và điều khiển Scada. ❖ Nghiên cứu được cách thiết kế một giao diện web localhost. 5.1.1. Kết quả thi công Kết quả phần cứng Qua quá trình thiết kế phần cứng, chọn lựa linh kiện, nhóm đã tiến hành kiểm tra các kết nối các module, linh kiện với nhau và cho ra được mô hình giám sát trang trại chăn nuôi thông qua PLC. Hình 5. 1: Mặt trước của hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 49
  61. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Hình 5. 2: Mặt bên của hệ thống. Hình 5. 3: Bên trong của hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 50
  62. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Kết quả thi công web Hình 5. 4: Giao diện giới thiệu trường của trang web. Hình 5. 5: Giao diện giới thiệu đồ án của trang web BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 51
  63. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Hình 5. 6: Giao diện truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biển . BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 52
  64. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ Hình 5. 7: Giao diện truy xuất dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến 5.2. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ. Các nội dung đạt được so với yêu cầu đặt ra: − Trong 100 lần thử đã có 87 lần hệ thống xử lý đúng yêu cầu. Suy ra hiệu suất của hệ thống nằm trong khoảng 87% ± 3%. − Tạo được một giao diện quản lý SCADA để giám sát hệ thống. − Giao diện SCADA đơn giản, dễ sử dụng. − Web online giám sát được các dữ liệu của cảm biến. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 53
  65. CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1. KẾT LUẬN Các nội dung mà nhóm đã thực hiện được đó là thiết kế và thi công được một mô hình trộn thức ăn và cho uống, dựa theo thông số đầu vào là giá trị nhiệt độ độ ẩm, để tiếp đó cân bằng lại môi trường sống cho trang trại luôn nằm trong trạng thái ổn đinh, cũng như hệ thống có thế cung cấp lượng thức ăn nước uống, vệ sinh chuồng trại một cách kịp thời và liên tục. Tuy nhiên nhóm vẫn chưa thể tạo ra một hệ thống chính xác hoàn toàn do phần tính toán thiết kế còn nhiều sai sót. Nhìn chung đề tài chỉ mới hoàn thành ở mức khá. Trong quá trình làm đồ án, sinh viên đã rút ra được nhiều kinh nghiệm để tạo ra một sản phẩm hoàn thiện như: Đầu tư thời gian, linh kiện trên thị trường và hiểu biết về các linh kiện Nhận xét và đánh giá: • Giao diện quản lý trực quan, dễ giám sát và sử dụng thuận tiện hơn trong việc giám sát và điều khiển hệ thống. • Mô hình phần cứng được bố trí phù hợp, gọn gàng, dễ chỉnh sửa. Độ sai số của cảm biến trong mô hình nằm trong phạm vi cho phép là 5% theo thông số kĩ thuật của cảm biến. • Kết quả nêu trên chỉ thực hiện được khoảng 70% so với mục tiêu đặt ra vì còn một số lỗi nhỏ trong quá trình hoạt động của hệ thống. 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN Một số hướng phát triển để hoàn thiện đề tài: - Mở rộng thêm các khâu khác trong hệ thống như: Quản lí lượng thức ăn, nước uống, giám sát khối lượng, mở rộng hơn nữa thì sẽ kết nối với hệ tử lý phân nữa. - Sử dụng thêm camera để giám sát hoạt động của heo. - Mở rộng hệ thống để có thể chăm sóc nhiều loại vật nuôi khác nhau cùng lúc. Tăng hiệu suất cũng như tốc độ của hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 54
  66. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S7-1200 Programmable controller - System Manual – SIEMENS, 2016. [2] [3] website-bang-html-va-css-tren-visual-studio-2015-286.html [4] [5] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 55
  67. PHẦN PHỤ LỤC Code PLC hệ thống: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 56
  68. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 57
  69. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 58
  70. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 59
  71. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 60
  72. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 61
  73. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 62
  74. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 63
  75. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 64