Tài liệu Mô hình nhà vườn tự động trồng cây nông nghiệp dùng plc điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN KỸ THUẬT HUTECH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH NHÀ VƯỜN TỰ ĐỘNG TRỒNG CÂY NÔNG NGHIỆP DÙNG PLC ĐIỀU KHIỂN Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng Sinh viên thực hiện : 1. Bùi Trần Linh MSSV : 1515021035 Lớp : 15HDC02 TP. Hồ Chí Minh, 2017 2. Huỳnh Văn Thương 1515021057 BM03/QT05/ĐT-KT Viện Kỹ thuật Hutech PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao cho sinh viên nộp chung với ĐA/KLTN sau khi hoàn tất đề tài) 1. Tên đề tài: ................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 2. Giảng viên hướng dẫn: .............................................................................................. 3. Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong nhóm……): (1)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... (2)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... (3)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... Ngành Chuyên ngành Tuần lễ 1 Ngày : .......................................................................................................... : .......................................................................................................... Nội dung Nhận xét của GVHD (Ký tên) 2 3 4 5 6 1 BM03/QT05/ĐT-KT Tuần lễ 7 Ngày Kiểm tra ngày: Nội dung Nhận xét của GVHD (Ký tên) Đánh giá công việc hoàn thành: …………..% Được tiếp tục: Không tiếp tục: 9 10 11 12 13 14 15 Giảng viên hướng dẫn phụ (nếu có) (Ký và ghi rõ họ tên) TP. HCM, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên hướng dẫn chính (Ký và ghi rõ họ tên) 2 BM04/QT05/ĐT-KT Viện Kỹ thuật Hutech BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……): (1)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... (2)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... (3)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... Ngành : .......................................................................................................... 2. 3. 4. 5. Chuyên ngành : .......................................................................................................... Tên đề tài: ................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Tổng quát về ĐA/KLTN: Số trang: ...................... Số chương: ...................................... Số bảng số liệu: ...................... Số hình vẽ: ...................................... Số tài liệu tham khảo: ...................... Phần mềm tính toán: ...................................... Số bản vẽ kèm theo: ...................... Hình thức bản vẽ: ...................................... Hiện vật (sản phẩm) kèm theo: .................................................................................... Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... b) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... c) Những hạn chế của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm) Không được bảo vệ TP. HCM, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN. BM05/QT05/ĐT-KT Viện kỹ thuật Hutech BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVPB nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……): (1)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... (2)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... (3)........................................................... MSSV: ………………… Lớp: ............... 2. Tên đề tài: ............................................................................................................................. ............................................................................................................................................... 3. Nhận xét: a) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... b) Những hạn chế của ĐA/KLTN: ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 4. Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 5. Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1) ...................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... (2) ...................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... (3) ...................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... TP. HCM, ngày … tháng … năm ………. Giảng viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN. LỜI CAM ĐOAN Sau hơn 3 tháng làm việc cuối cùng chúng em cũng hoàn thành xong đề tài được giao, 3 tháng là một khoảng thời gian cũng không dài vì trong lúc thực hiện đề tài cũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, khó khăn về tìm vật liệu linh kiện để làm đồ án, khó khăn về thời gian vì mỗi người có những phát sinh trong cuộc sống nên cũng không dành hết trọn thời gian để làm. Hơn nữa chúng em cũng đang đi làm nên thời gian càng quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết. Tuy nhiên với sự nỗ lực của cả 2 cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS. Nguyễn Hùng đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này. Mặc dù khó khăn là vậy nhưng em xin cam đoan rằng tất cả những gì em làm trong đề tài là hoàn toàn chính bản thân chúng em làm chứ không thuê, mướn bất cứ ai khác làm thay hộ. Vì tụi em biết sự quan trọng của đồ án này. Đây không đơn thuần là đồ án tốt nghiệp mà qua đó giúp chúng em có thêm cái nhìn về thực tế, về kinh nghiệm và kiến thức học được trong cả quá trình làm đề tài. Chúng em xin cam đoan sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm về đồ án tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn ! TP. HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2017. Chữ ký sinh viên thực hiện : Bùi Trần Linh Huỳnh Văn Thương LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, tìm tòi, tính toán dưới sự chỉ dẫn tận tình của Thầy TS. Nguyễn Hùng chúng em đã hoàn thành đề tài “ Thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động điều khiển bằng PLC S7-300” Trong quá trình thực hiện, em đã học hỏi được rất nhiều điều lý thú và bổ ích: Giúp em có khả năng tìm tòi, sáng tạo, tự lập phương pháp tìm kiếm tài liệu từ các nguồn khác nhau. Qua việc thực hiện đề tài này, chúng em đã có thêm nhiều kinh nghiệm cho các lần sau. Đặc biệt là phương pháp trình bày ý tưởng của chính mình. Thời gian thực hiện đề tài cũng không đủ nhiều cũng như kiến thức còn hạn hẹp vì thế cho nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu xót. Mong các thày cô tiếp tục giúp đỡ để em hoàn thiện kỹ năng của bản thân. Từ đó áp dụng vào các đề tài sau này. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ để chúng em hoàn thành đề tài này. LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đát nước , Nhà nước ta đã và đang khuyến khích việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất nhằm nâng cao chất lượng cũng như số lượng hàng hóa, đem lại hiệu quả kinh tế góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội,nâng cao chất lượng cuộc sống người dân. Với những định hướng rõ ràng đó, nhiều thành tựu khoa học đã được áp dụng vào tất cả các lĩnh vực, các ngành sản xuất. Ngành nông nghiệp cũng không nằm ngoài xu hướng đó nhất là trong bối cảnh nước ta đã tham gia vào hiệp định tự do của kinh tế thế giới. Bởi vì lẽ đó nếu không nhanh chóng áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật, không đổi mới phương thức sản xuất và canh tác truyền thống thì ngành nông nghiệp sẽ tụt hậu so với thế giới và khu vực. Trước yêu cầu cấp thiết đó ngành nông nghiệp đã cũng với ngành tự động hóa đã đưa ra rất nhiều giải pháp trong nông nghiệp và đã được ứng dụng rộng rãi trên cả nước. Trong đề tài đồ án tốt nghiệp “ Mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp công nghệ cao dùng PLC điều khiển” chúng em xin được giới thiều giải pháp dùng PLC để điều khiển và giám sát quá trình phát triển sinh trưởng của cây trồng trong nhà kính nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản lượng sản phẩm,giảm sức người và đưa những thành tựu của ngành tự động hóa vào phát triển nông nghiệp công nghệ cao. Đề tài xin được tập trung vào hai hướng chính là:Điều khiển và giám sát. Điều khiển hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu,hệ thống quạt thông gió,hệ thống mái che.Giám sát các thông số cần thiết cho cây trồng trong nhà kính như : nhiệt độ không khí,nhiệt độ đất,độ ẩm không khí,đất.Qua đó nhắm tối ưu hóa những điều kiện lý tưởng nhất và phòng tránh được những dịch bệnh gây bất lợi cho cây trồng. 1 1. CB DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Circuit Breaker : Thiết bị đóng ngắt dòng điện 2. PLC Programmable Logic Controller: Bộ điều khiển có khả năng lập trình đựơc 3. CPU Central Processing Unit: Bộ xử lý trung tâm 4. HMI Human Machine Interface: Giao diện ngừơi và máy 5. WinCC Windows Control Center: Giao diện điều khiển trung tâm 6. IP Internet Protocol: Giao thức truyền thông mạng Internet 7. ADC Analog to Digital Converter: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số iv MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................................2 1.1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu.......................................................................................2 1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................................2 1.1.2 Tính hình nghiên cứu..........................................................................................................3 1.1.2.1 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của thế giới...............3 1.1.2.2 Tình hình của nước ta.....................................................................................................4 1.1.3 Mục đích nghiên cứu..........................................................................................................6 1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu.........................................................................................................7 1.1.5 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................8 1.2. Các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu..................................................................9 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÔ HÌNH.........................................11 2.1. Tổng quan..................................................................................................................................11 2.1.1. Giới thiệu về mô hình nhà kính................................................................................11 2.1.1.1 Lịch sử phát triển của mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp......11 2.1.1.2 Nhà kính là gì...................................................................................................................11 2.1.2. Cơ sở lựa chọn vật liệu và cấu tạo nhà kính.....................................................11 2.2. Thiết kế mô hình....................................................................................................................11 2.2.1.Lên ý tưởng và trình bày phương án thi công:.................................................11 2.2.2.Cấu tạo và kích thước mô hình..................................................................................12 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH.........................15 3.1 Các thiết bị điều khiển sử dụng trong đề tài..........................................................15 3.1.1 Khối điều khiển trung tâm............................................................................................15 3.1.2 CB đóng cắt...........................................................................................................................30 3.1.3 Thiết bị đóng cắt điện từ................................................................................................32 3.1.4 Cảm biến..................................................................................................................................33 3.1.4.1 Cảm biến nhiệt độ..........................................................................................................33 i 3.1.4.2 Cảm biến độ ẩm không khí......................................................................................34 3.1.4.3 Cảm biến độ ẩm đất......................................................................................................36 3.1.4.4 Cảm biến bắt vị trí đóng mở rèm..........................................................................37 3.1.5 Hệ thống bơm tưới.............................................................................................................39 3.1.6 Hệ thống quạt thông gió.................................................................................................40 3.1.7 Mô tơ kéo hệ thống rèm.................................................................................................41 3.1.8 Hệ thống sưởi.......................................................................................................................42 3.2 Giải thuật điều khiển mô hình........................................................................................43 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM VIẾT CHƯƠNG TRÌNH PLC VÀ GIAO DIỆN HMI ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH 45 4.1 Tổng quan về PLC S7-300...............................................................................................45 4.1.1 Giới thiệu về PLC S7-300.............................................................................................45 4.1.1.1 Lịch sử phát triển của PLC.......................................................................................45 4.1.1.2 So sánh PLC với các hệ thống khác...................................................................48 4.1.1.3 Ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC..........................................................51 4.1.1.4 Một số dòng sản phẩm PLC thông dụng..........................................................52 4.1.2 Cấu trúc hoạt động của PLC S7-300......................................................................54 4.1.2.1 Modul CPU........................................................................................................................55 4.1.2.2 Modul mở rộng................................................................................................................57 4.1.2.3 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng....................................62 4.2 Giới thiệu về phần mềm lập trình PLC Step 7 manager.................................66 4.2.1 Giới thiệu.................................................................................................................................66 4.2.2 Cách tạo một project........................................................................................................67 4.2.3 Nạp chương trình và giám sát việc thực hiện chương trình.....................84 4.3 Phần mềm viết giao diện HMI WinCC.....................................................................88 4.3.1 Khái niệm................................................................................................................................88 ii 4.3.2 Cách tạo project mới trong WinCC.........................................................................88 4.3.3 Giám sát hệ thống qua Internet thông qua ứng dụng Web Navigator của WinCC...................................................................................................................................................98 4.3.1 Khái niệm................................................................................................................................98 4.3.2 Cách cấu hình Web Navigator....................................................................................98 CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH...................106 5.1 Thi công mô hình.................................................................................................................106 5.1.1Hệ thống bơm tứơi...........................................................................................................106 5.1.2 Hệ thống ống dẫn nước và vòi phun tứơi.........................................................107 5.1.3 Hệ thống quạt thông gió..............................................................................................107 5.1.4 Hệ thống rèm che.............................................................................................................109 5.1.5 Hệ thống sửoi.....................................................................................................................111 5.1.6 Mạch điện điều khiển mô hình................................................................................111 5.2 Thực nghiệm mô hình.......................................................................................................113 5.3 Kết luận......................................................................................................................................116 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH HỨƠNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI..........................................................................................................117 6.1. Kết luận....................................................................................................................................117 6.1.1.Những vấn đề đạt được................................................................................................117 6.1.2.Những vấn đề còn hạn chế.........................................................................................117 6.2.Hướng phát triển của đề tài............................................................................................118 iii DANH MỤC BẢNG TRA Bảng 3.1 Thông số cơ bản của bus coupler BK3120 .................................................................................................................................................................... 24 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mô đun ngõ vào số .................................................................................................................................................................... 26 Bảng 3.3 Thông số mô đun tín hiệu ngõ ra số .................................................................................................................................................................... 29 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình nhà kính trồng cà rốt sạch ở Đà Lạt. ....................................................................................................................................................................... 6 Hình 1.2: Mô hình nhà kính trồng hoa có hệ thống thông gió ở Đà Lạt. ....................................................................................................................................................................... 7 Hình 1.3 Phương pháp mô hình hoá, nguồn internet ....................................................................................................................................................................... 8 Hình 1.4 Mô hình nhà kính thông minh, nguồn internet .................................................................................................................................................................... 10 Hình 2.1 Hình chiếu nhìn từ trên xuống của mô hình .................................................................................................................................................................... 12 Hình 2.2 Hình chiếu cạnh của mô hình .................................................................................................................................................................... 13 Hình 2.3 Mô hình không gian của đề tài .................................................................................................................................................................... 14 Hình 3.1 PLC S7-300 2PN/DP thực tế .................................................................................................................................................................... 15 Hình 3.2 Mô đun đọc tín hiệu analog 6ES7331-7KF02-0AB0 .................................................................................................................................................................... 17 Hình 3.3 Chú ý khi sử dụng mô đun đọc tín hiệu analog 6ES7331-7KF020AB0 .................................................................................................................................................................... 18 Hình 3.4 Cách nối dây cảm biến nhiệt độ loại 2 dây .................................................................................................................................................................... 19 Hình 3.5 Cách nối cảm biến nhiệt độ loại 3 dây .................................................................................................................................................................... 19 Hình 3.6 Cách nối cảm biến nhiệt độ loại 4 dây .................................................................................................................................................................... 20 Hình 3.7 Lưu ý khi đọc tín hiệu dạng điện áp .................................................................................................................................................................... 20 Hình 3.8 Mô đun tín hiệu vào, ra của Beckhoff .................................................................................................................................................................... 21 Hình 3.9 Mô đun bus coupler của hãng Beckhoff .................................................................................................................................................................... 21 Hình 3.10 Mô đun ngõ vào số ( module digital input ) .................................................................................................................................................................... 25 Hình 3.11 Mô đun ngõ ra số .................................................................................................................................................................... 27 Hình 3.12 Mô đun kết thúc KL 9010 .................................................................................................................................................................... 29 Hình 3.13 CB chống dòng rò .................................................................................................................................................................... 30 Hình 3.14 CB bảo vệ ngắn mạch nguồn một chiều 24V .................................................................................................................................................................... 31 Hình 3.15 Contactor .................................................................................................................................................................... 32 Hình 3.16 Rơ le cách ly ( Opto ) .................................................................................................................................................................... 33 Hình 3.17 Cảm biến nhiệt độ ( PT 100 ) .................................................................................................................................................................... 34 vi Hình 3.18 Cảm biến đo độ ẩm không khí QFA 2060 .................................................................................................................................................................... 35 Hình 3.19 Cảm biến đo độ ẩm đất thông dụng ở Việt Nam .................................................................................................................................................................... 35 Hình 3.20 Cảm biến đo độ ẩm đất đựơc sử dụng trong mô hình .................................................................................................................................................................... 36 Hình 3.21 Cảm biến quang Baumer bắt vị trí rèm .................................................................................................................................................................... 38 Hình 3.22 Hệ thống bơm tứơi trong mô hình .................................................................................................................................................................... 39 Hình 3.23 Quạt thông gió cho mô hình .................................................................................................................................................................... 40 Hình 3.24 Động cơ kéo hệ thống rèm của mô hinh .................................................................................................................................................................... 41 Hình 4.1: Lưu đồ điều khiển dùng Rơle .................................................................................................................................................................... 46 Hình 4.2 Lưu đồ điều khiển bằng PLC .................................................................................................................................................................... 46 Hình 4.3 Mô hình hệ thống điều khiển PLC .................................................................................................................................................................... 47 Hình 4.4 Hình PLC của hãng OMRON .................................................................................................................................................................... 53 Hình 4.5 Hình PLC của hãng Mitsubishi .................................................................................................................................................................... 53 Hình 4.6 Hình PLC của hãng Siemens .................................................................................................................................................................... 54 Hình 4.7 Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7-300 .................................................................................................................................................................... 55 Hình 4.8 Modul CPU .................................................................................................................................................................... 56 Hình 4.9A Sơ đồ bố trí một trạm PLC( S7-300). .................................................................................................................................................................... 57 Hình 4.9B Modul ghép nối IM360 và IM361 .................................................................................................................................................................... 60 Hình 4.10 Thanh Rack .................................................................................................................................................................... 61 Hình 4.11 Sơ đồ tổng quát của một trạm PLC S7-300 .................................................................................................................................................................... 61 Hình 4.12 Truyền thông giữa máy tính, PLC và cơ cấu chấp hành .................................................................................................................................................................... 63 Hình 4.13 Sơ đồ kết nối mạng MPI .................................................................................................................................................................... 63 Hình 4.14 Sơ đồ kết nối mạng PROFIBUS .................................................................................................................................................................... 64 Hình 4.15 Mô hình một mạng AS-I công nghiệp .................................................................................................................................................................... 65 Hình 4.16 Sơ đồ kết nối mạng P-to-P Link .................................................................................................................................................................... 65 Hình 4.17 Sơ đồ kết nối mạng Industrial Ethernet công nghiệp .................................................................................................................................................................... 66 Hình 4.18 Mở một Project mới .................................................................................................................................................................... 67 Hình 4.19 Đặt tên cho một Project mới .................................................................................................................................................................... 68 vii Hình 4.20 Mở một Project đã có. .................................................................................................................................................................... 69 Hình 4.21 Biểu tượng một Project mới. .................................................................................................................................................................... 69 Hình 4.22 Khai báo cấu hình cứng cho trạm PLC .................................................................................................................................................................... 70 Hình 2.23 Màn hình khai báo cấu hình cứng cho tạm PLC .................................................................................................................................................................... 71 Hình 4.24 Thư viện để lấy các Modul .................................................................................................................................................................... 71 Hình 4.25 Đặt tham số cho Modul CPU .................................................................................................................................................................... 72 Hình 4.26 Đặt chế độ cho Modul Analog .................................................................................................................................................................... 73 Hình 4.27: Soạn thảo chương trình trong OB1 .................................................................................................................................................................... 74 Hình 4.28 Mở một khối logic khác. .................................................................................................................................................................... 74 Hình 4.29 Tạo một khối logic mới .................................................................................................................................................................... 76 Hình 4.30 Đặt tên và chọn chế độ làm việc cho khối logic mới. .................................................................................................................................................................... 77 Hình 4.31 Gọi màn hình soạn thảo. .................................................................................................................................................................... 77 Hình 4.32 Màn hình soạn thảo của khối Logic FC2. .................................................................................................................................................................... 78 Hình 4.33 Nhập dữ liệu vào khối Lokal block của khối FC