nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun

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








NGUYỄN

PHÚC

DƯƠNG




NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN
ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY
PHUN DẠNG GIÀN PHUN



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2013



Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Tr−êng ®¹i häc n«ng nghiÖp hµ néi



NGUYỄN PHÚC DƯƠNG


NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN
ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY
PHUN DẠNG GIÀN PHUN



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ðIỆN
Mã số : 60.52.02.02
Người hướng dẫn khoa học : 1. TS. NGÔ TRÍ DƯƠNG
2. TS. LÊ VŨ QUÂN


Hà Nội – 2013

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật i

LỜI

CAM

ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình
khoa học nào trước ñây.
Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều
ñược chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả


Nguyễn Phúc Dương

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện ñề tài này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn,
chỉ bảo và giúp ñỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự ñộng hóa,
khoa Cơ ñiện, Viện ñào tạo sau ñại học và các thầy cô trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội. Nhân dịp này, cho phép tôi ñược bày tỏ lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất ñến quý thầy cô.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Ngô Trí Dương và thầy TS.
Lê Vũ Quân ñã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ từ việc ñịnh hướng

ban ñầu, giải quyết từng nội dung ñề tài, ñến sửa ñổi những sai sót trong suốt
quá trình học tập và quá trình hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường ðại học Hải Dương,
các ñồng nghiệp, bạn bè, gia ñình và người thân ñã tạo mọi ñiều kiện giúp ñỡ
tôi hoàn thành luận văn này.
Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả
những tập thể và cá nhân ñã dành cho tôi mọi sự giúp ñỡ quý báu trong quá
trình hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 11 tháng 12 năm 2013
Học viên

Nguyễn Phúc Dương

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC BẢNG vi
DANH MỤC HÌNH VẼ vii
MỞ ðẦU 1
1. ðặt vấn ñề 1
2. Mục ñích nghiên cứu 1
3. Phương pháp nghiên cứu 2
4. Nội dung nghiên cứu 2
Chương 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Giới thiệu về mô hình trồng cây 3
1.2. Các phương pháp phun cho loại cây trồng 3

1.2.1. Máy phun bằng tay 3
1.2.2. Máy phun bằng máy 4
1.2.3. Phun tự ñộng 5
1.3. Giải pháp thiết kế hệ thống chuyển ñộng ñầu vòi phun 5
1.3.1. Yêu cầu luận văn 5
1.3.2. Giải pháp thiết kế 6
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC TÙY
BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 8
2.1. Xây dựng mô hình phun 8
2.2. Thiết kế phần cứng 11
2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình 11
2.3.1. Tổng quan về ñiều khiển lập trình 11
2.3.2. Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC và lựa chọn 14
2.3.3. Cú pháp tập lệnh S7-200 (Phụ lục 1) 15

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật iv

2.4. Lựa chọn cảm biến 16
2.4.1. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16
2.4.2. Cấu hình ngõ ra của cảm biến 18
2.4.3. Lựa chọn cảm biến 18
2.5. Lựa chọn ñộng cơ bước 19
2.5.1. Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ bước 20
2.5.2. ðộng cơ từ trở thay ñổi 23
2.5.3. ðộng cơ ñơn cực 24
2.5.4. ðộng cơ lưỡng cực 26
2.5.5. ðộng cơ nhiều pha 27
2.5.6. Các mạch ñiều khiển ñộng cơ bước cơ bản 28
2.5.7. Lựa chọn ñộng cơ bước 34
2.6. Phần cơ khí 34

2.6.1. Bánh răng và thanh răng 34
2.6.2. Van ñiện từ 36
2.6.3. Vòi phun 37
Chương 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ BƯỚC
TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN 38
3.1. Sơ ñồ cấu trúc và chức năng các khối 38
3.2. Lựa chọn phần mềm ñiều khiển PLC 38
3.3. Sơ ñồ kết nối phần cứng 39
3.3.1. Lựa chọn các ñịa chỉ vào/ra 39
3.3.2. Sơ ñồ kết nối phần cứng 40
3.3.3 Chương trình ñiều khiển 41
3.4. Thuật toán hoạt ñộng 44
3.4.1. Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44
3.4.2. Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ bước CðB2 45
3.4.3. Thuật toán ñiều khiển chương trình chính 47

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật v

3.5. Chạy mô phỏng chương trình 50
3.5.1. Các bước chạy chương trình (Phụ lục 2) 50
3.5.2. Kết quả mô phỏng 50
3.6. Thiết kế giao diện 51
3.6.1. Các bước thiết kế giao diện Win CC. 52
3.6.2. Giới thiệu phần mềm S7-200 PC ACCESS 54
3.6.3 ðiều khiển vòi phun thuốc sâu trên Win CC. 58
KẾT LUẬN 60
1. Kêt luận 60
2. Hướng phát triển 60
3. Giới hạn ñề tài 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Tạng thái cấp ñiện cho các cuộn dây 22
Bảng 2.2. Bảng thông số vòi phun 37
Bảng 3.1. Bảng phân công tín hiệu 39
Bảng 3.2. Bảng ñiều khiển ñộng cơ bước CðB1 44



Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay 4
Hình 1.2. Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ 4
Hình 1.3. Ruộng trồng của một số loại cây hoa mầu trồng theo luống 5
Hình 1.4. Mô hình hóa mô hình trồng rau 6
Hình 1.5. Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí 7
Hình 2.1. Mô hình hóa mô hình trồng rau 8
Hình 2.2. Nguyên lý chung hệ thống 9
Hình 2.3. Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến 10
Hình 2.4. Mô hình hệ thống phun thuốc sâu 11
Hình 2.5 Quá trình hoạt ñộng của 1 vòng quét 12
Hình 2.6. Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224 14
Hình 2.7. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp 16

Hình 2.8. Cấu trúc cảm biến quang 17
Hình 2.9.Cảm biến E3F-DS10C4 17
Hình 2.10. Cảm biến màu BZJ- 211 19
Hình 2.11. ðộng cơ bước nam châm vĩnh cửu 6 ñầu dây ra 20
Hình 2.12. Cấu tạo ñộng cơ bước 23
Hình 2.13 ðộng cơ bước ñơn cực 24
Hình 2.14. ðộng cơ bước lưỡng cực 26
Hình 2.15. ðộng cơ bước nhiều pha 27


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 1

MỞ ðẦU
1. ðặt vấn ñề
ðưa tự ñộng hóa vào trong các máy canh tác sử dụng trong sản xuất nông
nghiệp, ñây là một lĩnh vực nghiên cứu ñã ñược nhiều nước nông nghiệp phát triển
trên thế giới quan tâm nhưng ở Việt Nam hiện nay còn tương ñối hạn chế.
Từ thực tế trên có thể nhận thấy nếu có thể chế tạo ra một mẫu máy phun thuốc
bảo vệ thực vật có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí cây trồng ñể phun thuốc sẽ góp
phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng làm việc của máy phun
thuốc trừ sâu. Nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu này, nhiệm vụ ñặt ra là tiến hành nghiên
cứu thiết kế và chế tạo một mẫu máy phun thuốc trừ sâu kiểu giàn phun (boom
sprayer) mà các vòi phun của nó có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí của ñối tượng cây
trồng, nhờ vậy máy có thể tiến hành phun thuốc chính xác trực tiếp lên cây trồng.
Trong luận văn thạc sỹ của mình, tôi sẽ thực hiện ñề tài: “
Nghiên cứu, thiết kế hệ
thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun
”.
Chính vì vậy tính cấp thiết của ñề tài tôi chọn ñề tài trên ñể giải quyết ứng dụng
kỹ thuật tự ñộng hóa vào quá trình ñiều khiển vị trí vòi phun, cho phép giảm lượng

thuốc bảo vệ thực vật phun thừa, tránh tác ñộng ñộc hại ñến con người, góp phần bảo
vệ môi trường hướng ñến một nền nông nghiệp an toàn và chính xác. Chính vì vậy tôi
chọn ñề tài trên ñể giải quyết các vấn ñề liên quan ñến tính cấp thiết của ñề tài.
2. Mục ñích nghiên cứu
- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun
dạng giàn phun.
- Thiết kế giao diện ñiều khiển và giám sát vòi phun.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 2

3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: ðiều tra, tìm hiểu tài liệu sử dụng trong
luận văn thông qua các kênh thông tin khác nhau.
- Kế thừa các công trình nghiên cứu về các kỹ thuật ñiều khiển, ñiều chỉnh tự
ñộng, thiết kế mạch, lập trình ñiều khiển
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lựa chọn phương pháp ñiều khiển vị trí vòi phun. Tìm hiểu một số
phương pháp ñiều khiển vị trí ñang ñược sử dụng trong thực tế. Từ các phương pháp
ñiều khiển ñã có, chọn ra phương pháp ñiều khiển bằng ñộng cơ bước.
- Nghiên cứu tổng quan về ñộng cơ bước, căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật ñặt ra ñối
với vị trí vòi phun, lựa chọn loại ñộng cơ bước phù hợp.
- Nghiên cứu các phương pháp ñiều khiển ñộng cơ bước dang tùy biến theo thời
gian, từ ñó chọn ra phương pháp ñiều khiển phù hợp.
- Nghiên cứu, thiết kế giao diện hệ thống ñiều khiển vị trí vòi phun.


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 3

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu về mô hình trồng cây
Ở Việt Nam có hơn 3000 loài sâu bệnh hại cây trồng, sâu bệnh hại là một
trong các nguyên nhân chính làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm nông
nghiệp. ðể ổn ñịnh sản xuất nông nghiệp, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm
nông nghiệp thì công tác phòng trừ sâu bệnh là một trong các nhiệm vụ hàng ñầu.
Hiện nay trong công tác bảo vệ thực vật, ñể bảo vệ môi trường việc sử dụng thuốc
bảo vệ thực vật (ñặc biệt là các loại thuốc hóa học) ñã ñược thay thế bằng nhiều
biện pháp phòng trừ dịch hại khác như: Phòng trừ thông qua kỹ thuật canh tác cây
trồng; Phòng trừ thông qua chọn giống, di truyền; Phòng trừ thông qua biện pháp
sinh học; Sử dụng các phương pháp vật lý ñể bắt và phòng trừ sâu bệnh; Áp dụng
phòng trừ dịch hại tổng hợp (IPM).
Tuy nhiên kết quả mang lại của các biện pháp thay thế vẫn chưa ñược như mong
muốn, nên việc phun các loại thuốc bảo vệ thực vật trực tiếp vào cây trồng ñể tiêu diệt và
phòng chống sâu bệnh vẫn ñược sử dụng, ñặc biệt khi phát sinh dịch hại thì biện pháp
này vẫn mang lại hiệu quả cao nhất.
1.2. Các phương pháp phun cho loại cây trồng
1.2.1. Máy phun bằng tay
Thiết bị phun sử dụng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là
các bình bơm tay hoặc các máy phun có ñộng cơ ñeo vai, có một số ít nơi sử dụng các
loại máy phun có ñộng cơ tự hành hoặc liên hợp với máy kéo. Trong quá trình sử dụng
các máy phun hiện có bộc lộ một số nhược ñiểm như: Năng suất, chất lượng làm việc
thấp, khó có thể ñáp ứng ñược nhu cầu thực tiễn khi hình thành vùng sản xuất tập chung,
chuyên canh quy mô lớn; Hiệu quả sử dụng thuốc thấp, mức ñộ hao phí thuốc cao gây
ảnh hưởng ñến môi trường sống; Ngoài ra với ñiều kiện về bảo hộ lao ñộng ở Việt Nam
như hiện nay có một thực tế ñang tồn tại là người vận hành máy phun bị mắc rất nhiều
bệnh nghề nghiệp do phải thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với thuốc phun, gây ra các ảnh
hưởng xấu trực tiếp ñến sức khỏe người lao ñộng và có di chứng tới cả thế hệ sau.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 4

Hình 1.1. Một số hình ảnh về sử dụng bình phun thuốc sâu bơm tay
1.2.2. Máy phun bằng máy
ðối với các thiết bị phun có ñộng cơ thì hầu hết hiện nay ñược thiết kế ñể trong
quá trình làm việc khi phun thuốc, lượng thuốc phun ra sẽ phủ kín toàn bộ vùng nằm
trong khả năng phun của máy, nhưng trong thực tế sản xuất vị trí có cây trồng chỉ là
một phần của bề rộng làm việc, phần còn lại là diện tích ñất không có cây trồng ñặc
biệt với các loại hoa mầu trồng theo luống, do khi phun, lượng thuốc phủ kín bề mặt
làm việc nên có tình trạng có một lượng thuốc không nhỏ ñã không ñược phun vào cây
trồng mà phun xuống ñất, ñây chính là một trong các tác nhân gây ra ảnh hưởng xấu
của thuốc bảo vệ thực vật tới môi trường.







Hình 1.2. Một số hình ảnh máy phun thuốc có ñộng cơ

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 5

1.2.3. Phun tự ñộng
Từ thực tế trên có thể nhận thấy nếu có thể chế tạo ra một mẫu máy phun

thuốc bảo vệ thực vật có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí cây trồng ñể phun thuốc sẽ
góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường, nâng cao chất lượng làm việc của máy
phun thuốc trừ sâu. Nhằm ñáp ứng ñược yêu cầu này, nhiệm vụ ñặt ra là tiến hành
nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mẫu máy phun thuốc trừ sâu, mà các vòi phun của
nó có khả năng tự ñộng xác ñịnh vị trí của ñối tượng cây trồng, nhờ vậy máy có thể tiến
hành phun thuốc chính xác trực tiếp lên cây trồng.






Hình 1.3. Ruộng trồng của một số loại cây hoa mầu trồng theo luống
1.3. Giải pháp thiết kế hệ thống chuyển ñộng ñầu vòi phun
1.3.1. Yêu cầu luận văn
Mô hình trồng rau công nghiệp, các cây sẽ ñược trồng thẳng hàng trên luống
với khoảng cách xác ñịnh (từ 0,05 m cho ñến 2 m), và các luống cách nhau bởi các
rãnh (0,2 m ñến 0,8 m), các rãnh ñể thoát nước và cũng là ñường ñi của máy phun
thuốc sâu.
ðể thực hiện ñược quá trình này thì cây trồng cần phải ñược tập chung canh tác
chuyên canh (Hình 1.3). Lúc này máy phun thuốc sâu sẽ di chuyển trên rãnh ñồng thời
giàn phun sẽ di chuyển ñến vị trí cây cần phun. Hành trình của vòi phun phụ thuộc vào
cách bố trí vị trí của cây trên ruộng hành trình của vòi phun sẽ ñược ñiều khiển sao cho
khi vòi phun di chuyển ñến vị trí của cây.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 6

Trong thực tế các cây trên cùng 1 luống dài 100 m có 2 hàng ñược trồng cây
cách cây là 0,5m và các luống cách nhau 0,5 m.

Hình 1.4. Mô hình hóa mô hình trồng rau
1.3.2. Giải pháp thiết kế
Với yêu cầu của luận văn là ñiều khiển vị trí vòi phun theo vị trí cho trước hoặc
bất kỳ, và vòi phun sẽ dừng lại ở vị trí cây và phun cho cây. Trong luận văn tôi sẽ sử
dụng giải pháp là dùng cảm biến hồng ngoại ñể xác ñịnh vị trí của cây. Lựa chọn PLC
ñể ñiều khiển vị trí vòi phun thông qua ñộng cơ bước.
Các cảm biến nói chung ñều có khả năng nhận biết tín hiệu và ñưa ra bộ ñiều
khiển lập trình như PLC, Vi xử lý.
ðể hệ thống phun thuốc sâu nhận biết ñược khoảng cách lớn hơn, ta sử dụng
cảm biến quang, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại. Với các cảm biến có khả
năng ño khoảng cách càng xa thì giá thành càng lớn. Muốn hệ thống phun ñược
khoảng cách cây lớn ta ñưa ra bài toán và một giải pháp tích hợp ñầu ño của cảm biến
trên một cơ cấu dịch chuyển có thể ñiều khiển ñược.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 7

Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí:

Hình 1.5. Sơ ñồ bài toán xác ñịnh vị trí
Cảm biến cảm nhận vị trí cây và tác ñộng thì ñộng cơ bước dừng hẳn và vòi sẽ
phun thuốc.
Từ yêu cầu của luận văn ta có ñược giải pháp thiết kế hệ thống ñiều khiển ðCB
tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, từ ñó ta có thể nghiên cứu, thiết kế hệ thống
ñiều khiển ñộng cơ bước tùy biến trong máy phun dạng giàn phun, nội dung này sẽ ñược
trình bày ở chương 2.


Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 8

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN ðỘNG

CƠ BƯỚC TÙY BIẾN TRONG MÁY PHUN DẠNG GIÀN PHUN


2.1. Xây dựng mô hình phun
Trong mô hình trồng cây, các cây trên cùng 1 luống dài 100m có 2 hàng ñược
trồng cây cách cây là 0,5 m và các luống cách nhau 0,5 m.

Hình 2.1. Mô hình hóa mô hình trồng rau
Nhưng trong thực tế thì vị trí cây không có khoảng cách ñều như trên hình vẽ,
mà vị trí cây có thể ñược trồng như trên hình 2.3. Tức là vòi phun có thể dịch chuyển
ñộng ñến và phun ở vị trí cây bất kỳ (tùy biến).
Từ sơ ñồ bài toán ñiều khiển vòi phun theo vị trí tùy biến, ta triển khai xây
dựng hệ thống với các sơ ñồ nguyên lý như sau:

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 9


Hình 2.2. Nguyên lý chung hệ thống
CðB 1: ðộng cơ bước 1;
CðB 2: ðộng cơ bước 2;
AB, CD: Trục ñỡ có thể chuyển ñộng tịnh tiến;
P: Vòi phun có gắn liền với cảm biến;
VT 1, VT 2, VT 3, VT 4, VT 5, VT 6: Vị trí câycần phun;
Mô tả quá trình phun:
Trục ñỡ AB có thể chuyển ñộng tịnh tiến theo chiều dọc luống AB và ñược ñiều
khiển bởi ñộng cơ bước CðB 1, Trục ñỡ CD có thể chuyển ñộng tịnh tiến theo chiều
ngang luống CD và ñược ñiều khiển bởi ñộng cơ bước CðB 2.
Hệ thống phun sẽ chuyển ñộng dọc luống, khi cảm biến tác ñộng (nhận ñược
cây ở VT 1) thì ñộng cơ bươc CðB 1 dừng, ñồng thời van mở ñể phun thuốc trong thời
gian giả sử là 10 giây, khi phun hết 10 giây thì van ñóng (ngừng phun) ðCB 2 làm việc

ñẩy vòi phun P chuyển ñộng theo phương ngang CD, khi cảm biến nhận biết cây ở VT
2 thì cảm biến tác ñộng thì ðCB 2 ngừng và van mở ñể phun thuốc (Giả sử là t
p
) thì
van ñóng ñể ngừng phun. Kết thúc quá trình này hệ thống ñã phun ñược vị trí cây 1, 2
theo hàng ngang.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
10
Tiếp theo hệ thống sẽ phun ở vị trí 3,4 và 5,6 theo chu trình như trên.
Phần cơ khí chính của thiết bị là cơ cấu ñể dịch chuyển ñầu cảm biến theo
phương ngang và chuyển ñộng theo phương dọc (chuyển ñộng tịnh tiến) dưới sự ñiều
khiển của PLC. Cơ cấu này gồm:
- Hai bánh răng quay gắn trên một ñộng cơ bước ñể xác ñịnh góc (số
bước) ñã quay.
- Hai thanh ray có gắn bánh răng khớp với bánh răng quay ñể chuyển từ
chuyển ñộng quay sang chuyển ñộng thẳng.

Hình 2.3. Hành trình dịch chuyển của vòi phun tùy biến
Vòi phun sẽ dịch chuyển từ VT1  VT2 VT3 VT4 VT5  VT6
…VTn. Khi cảm biến gặp cây thì sẽ tác ñộng, ðCB1 dừng ñồng thời vòi phun P sẽ
phun cho cây ở VT1 trong khoảng thời gian là tp, sau t
p
thì ðCB1 ngừng, ðCB2 sẽ
dịch chuyển vòi phun ñến VT3, tiếp theo sẽ lầ lượt là VT4, VT5, VT6…VTn.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
11
2.2. Thiết kế phần cứng
Phần truyền ñộng gồm có bánh răng và thanh răng chuyển ñộng dịch chuyển

so với nhau. Vòi phun và cảm biến ñược gắn trên thanh răng ñể di chuyển ñến vị trí
cần phun.

Hình 2.4. Mô hình hệ thống phun thuốc sâu
Phần cứng hệ thống: CðB1: ðộng cơ bước 1; CðB2: ðộng cơ bước 2;
AB, CD: Trục ñỡ có thể chuyển ñộng tịnh tiến; P: Vòi phun có gắn liền
với cảm biến.
2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển lập trình
2.3.1. Tổng quan về ñiều khiển lập trình
PLC thực hiện các công việc của mình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp còn
ñược gọi là 1 vòng quét. Mỗi vòng quét ñược bắt ñầu bằng việc chuyển dữ liệu từ
ñầu vào ñến miền nhớ I, sau ñó là giai ñoạn thực hiện chương trình. Trong từng
vòng quét, chương trình thực hiện từ lệnh ñầu tiên ñến lệnh cuối cùng của khối
OB1. Sau khi thực hiện xong giai ñoạn này, dữ liệu sẽ ñược chuyển từ miền nhớ Q
ra các ñầu ra số. Vòng quét sẽ kết thúc bằng giai ñoạn xử lý các yêu cầu truyền
thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
12

Hình 2.5 Quá trình hoạt ñộng của 1 vòng quét
Thời gian cần thiết ñể PLC thực hiện xong 1 vòng quét gọi là thời gian vòng
quét (scan time). Thời gian vòng quét không cố ñịnh mà phụ thuộc vào số lệnh phải
thực hiện trong chương trình và khối lượng dữ liệu truyền thông trong vòng quét ñó.
Như vậy, thời gian vòng quét quyết ñịnh tính thời gian thực của chương trình
ñiều khiển PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương
trình càng cao.
Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi ñộng, kiểm soát, xử lý và dừng
một quá trình theo yêu cầu hoặc ño ñếm các giá trị ñã ñạt ñược xác ñịnh nhằm ñạt
kết quả tốt nhất ở sản phẩm ñầu ra thì ñược gọi là Hệ thống ñiều khiển.

Trong kỹ thuật tự ñộng, các bộ ñiều khiển chia làm 2 loại:
- ðiều khiển nối cứng.
- ðiều khiển logic khả trình.
Một hệ thống ñiều khiển bất kỳ ñược tạo thành từ các thành phần sau:
Khối vào: Khối có nhiệm vụ chuyển ñổi các ñại lượng vật lý thành các tín
hiệu ñiện, các bộ chuyển ñổi có thể là: Nút nhấn, cảm biến … và tùy theo bộ chuyển
ñổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục (analog).
Khối xử lý: Khối có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào ñể tạo những tín
hiệu ra ñáp ứng yêu cầu ñiều khiển.
Khối ra: Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống ñiều khiển.
Các tín hiệu này ñược sử dụng tạo ra những hoạt ñộng ñáp ứng cho các thiết bị ở
ngõ ra. Các ngõ ra là: ðộng cơ ñiện, xy lanh, solenoid, van, role…

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật 1
3
Sơ lược về lịch sử của PLC
Ngày nay tự ñộng hóa ngày càng ñóng vai trò quan trọng ñời sống và công
nghiệp, tự ñộng hóa ñã phát triển ñến trình ñộ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết
ñiều khiển tự ñộng, tiến bộ của ngành ñiện tử, tin học… Chính vì vậy mà nhiều hệ
thống ñiều khiển ra ñời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ
ñiều khiển lập trình PLC.
Bộ ñiều khiển lập trình ñầu tiên (Programmable controller) ñã ñược những
nhà thiết kế cho ra ñời năm 1968 (Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ
thuật nhằm ñáp ứng các yêu cầu ñiều khiển:
Dễ lập trình và thay ñổi chương trình.
Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa.
ðảm bảo ñộ tin cậy trong môi trường sản xuất.
Tuy nhiên hệ thống còn khá ñơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều
khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước
cải tiến hệ thống ñơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. ðể ñơn giản hóa việc lập trình, hệ

thống ñiều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) ñầu tiên ñược
ra ñời vào năm 1969. ðiều này ñã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình.
Trong giai ñoạn này các hệ thống ñiều khiển lập trình (PLC) chỉ ñơn giản nhằm thay
thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống ñiều khiển cổ. Qua quá trình vận hành,
các nhà thiết kế ñã từng bước tạo ra ñược một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, ñó là tiêu
chuẩn: Dạng lập trình dùng giản ñồ hình thang.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho ñến nay ñã làm cho
hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng:
Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng ñiều khiển các ngõ vào,
ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
Bộ nhớ lớn hơn.
Nhiều loại Module chuyên dùng hơn.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
14
Trong những ñầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập
trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic ñơn giản mà còn có thêm các lệnh về
ñịnh thì, ñếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý
thời gian thực
Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng
lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc ñộ
của hệ thống ñược cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn. Bên cạnh ñó, PLC ñược chế
tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC
ñược mở rộng hơn.
2.3.2. Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC và lựa chọn
Giới thiệu một số bộ ñiều khiển lập trình PLC:
PLC của hãng SIEMMEN: S7-200, S7-300, S7-400.
PLC của hãng OMRON: CPM2A, CPM1E, CPM2E, CPM1L
Và PLC của các hãng khác.
Với nội dung yêu cầu trong luận văn thì tất cả các tín hiệu vào và ra ñều là

tín hiệu số không có tín hiệu tương tự và số lượng ñầu vào và ra ñiều khiển nhỏ nên
không sử dụng các mô ñun mở rộng.
Xét về 2 mặt là kinh tế và kỹ thuật thì tôi lựa chọn bộ lập trình ñiều khiển là
bộ PLC S7-200 CPU224 của hãng Siemmen.
-
Hình 2.6. Bộ ñiều khiển lập trình PLC S7-200 CPU224

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
15
Nguồn cung cấp: 24VDC.
- Các ñịa chỉ ngõ vào và ra.
+ Các ñịa chỉ ngõ vào: Có 14 ñịa chỉ (I0.0; I0.1; I0.2; I0.3; I0.4; I0.5; I0.6;
I0.7,;I1.0; I1.1; I1.2; I1.3; I1.4; I1.5)
+ Các ñịa chỉ ngõ ra: Có 10 ñịa chỉ (Q0.0; Q0.1;Q0.2; Q0.3; Q0.4; Q0.5;
Q0.6; Q0.7; Q1.0; Q1.1)
Bộ ñiều khiển PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RL. Kích thước: (rộng x cao x
sâu) 120.5mm x 80mm x 62mm, khối lượng 410g. Tính năng CPU: Số lượng ñầu
vào số:14; số lượng ñầu ra số: 10; số bộ ñếm tốc ñộ cao: 6; số module mở rộng: 7;
số lượng ñầu vào/ra số tối ña: 56; số lượng ñầu vào/ra tương tự tối ña: 32vào/ 32ra;
số timer: 256. ðộ phân giải 1ms: 4. ðộ phân giải 10ms: 16. ðộ phân giải 100ms:
236. Số counter: 256. Nguồn nuôi: Dải ñiện áp cho phép: 85÷264VAC ở 47÷63Hz;
dòng vào cho phép: 30/100mA ở 240VAC, 60/200mA ở 120VAC; dòng khởi ñộng:
20A ở 264VAC. Nguồn ra cấp cho thiết bị chấp hành: Dải áp: 20.4÷28.8VDC.
2.3.3. Cú pháp tập lệnh S7-200 (Phụ lục 1)
Trong S7-200 cho phép lựa chọn 3 ngôn ngữ lập trình:
Ngôn ngữ LADDER.
Ngôn ngữ STL.
Ngôn ngữ FBD.
Ba ngôn ngữ này về mặt hình thức có thể chuyển ñổi lẫn cho nhau. Việc lựa
chọn ngôn ngữ lập trình là tùy theo thói quen, sở thích cũng như kinh nghiệm của

người sử dụng.
Ngôn ngữ LADDER:
Là ngôn ngữ lập trình ñồ họa dựa trên cơ sở sơ ñồ trang bị ñiện, việc kết nối
lập trình ñồ họa giống với việc thiết lập các sơ ñồ relay- contactor. Một chương
trình nguồn viết bằng LAD ñược tổ chức thành các network, mỗi network thực hiện
một công việc nhỏ.

Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
16
S7-200 ñọc chương trình từ trên xuống dưới, từ trái qua phải, sau ñó lập lại ở
vòng quét tiếp theo.
Ví dụ: Ngôn ngữ LADDER:









2.4. Lựa chọn cảm biến
Lựa chọn cảm biến quang. Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng
tách riêng. Bộ phát truyền ánh sáng ñi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể chắn
nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến.
2.4.1. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp

Hình 2.7. Nguyên lý chung về cảm biến quang thu phát tích hợp
Với cảm biến quang loại thu phát tích hợp là bộ thu và bộ phát tích hợp trên
cùng một bộ, khi ñược cấp nguồn thì bộ phát phát ra ánh sáng nếu không có ñối
tượng thì ánh sáng từ bộ phát không tới ñược bộ thu do ñó cảm biến không có tín
hiệu. Khi có ñối tượng thì ánh sáng từ bộ phát tới ñập vào ñối tượng phản xạ tới bộ
thu lúc này ngõ ra out của cảm biến có tín hiệu.


Cảm biến

ðối
tượng
Nguồn
Bộ phát
Bộ thu
Out