THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VƯỜN CÂY THANH LONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 3
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
VÀ GIÁM SÁT VƯỜN CÂY THANH LONG
GVHD: TS. Vũ Văn Phong
Sinh viên thực hiện:
Trần Lê Minh Huy – 17151082
Nguyễn Phát Huy – 17151081

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 1/2021


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1. Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát vườn cây thanh long”
2. Nội dung thực hiện:
- Nghiên cứu đặc tính thổ nhưỡng của cây thanh long.
- Lên ý tưởng thiết kế và phát thảo tổng quan hệ thống.
- Chọn cấu hình phù hợp với hệ thống (vào ra phân tán, vào ra tập trung,…)
- Chọn thiết bị phù hợp với hệ thống.
- Viết chương trình và mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm Tia Portal.
- Thiết kế SCADA cho hệ thống.
- Truy xuất lỗi và ổn định hệ thống.
- Viết báo cáo.


LỊCH TRÌNH
TUẦ
N

CƠNG VIỆC

1

Tìm hiểu đặt tính thổ nhưỡng và điều kiện khí hậu thích hợp với cây thanh long.

2

Xác định quy mô của hệ thống để hệ thống hoạt động chính xác.

3

Tìm hiểu một khó khăn và thách thức khi thực hiện đề tài.

4

Thiết kế phần cứng, vẽ mạch nguyên lí phần cứng.

5

Thiết kế phần cứng, vẽ mạch nguyên lí phần cứng.

6

Lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống.

7

Lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống.

8

Viết chương trình PLC, mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Tia Portal.

9

Viết chương trình PLC, mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm Tia Portal.

10

Viết chương trình PLC, mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm Tia Portal.

11

Thiết kế SCADA.

12

Thiết kế SCADA.

13

Kiểm tra lỗi và hoàn thiện hệ thống để hệ thống ổn định.

14

Viết báo cáo.

15

Chỉnh sửa hoàn thiện báo cáo.


CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đồ án môn học 3 – điều khiển lập trình với đề tài “thiết kế hệ thống
điều khiển và giám sát vườn cây thanh long” là ý tưởng và là cơng trình nghiên cứu
của cả nhóm em thực hiện. Những số liệu và dẫn chứng được đề cập bên dưới báo cáo em
xin cam kết đúng với thực tế. Nếu có bất kì sai phạm hay tranh chấp xảy ra, nhóm em xin
chịu hồn tồn trách nhiệm.


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tai trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM em
đã
được
các
thầy cô giáo giảng dạy tận tình, truyền đạt cho em những kiến thức rất
bổ ích để cho em có được những vốn kiến thức rất quan trong cho
chuyên ngành của em sau này. Em xin chân thành cảm ơn ban giám
hiệu nhà trường cùng quý thầy cô đã tận tâm giảng dạy cho em để
giúp em hồn thành tốt đồ án mơn học.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Vũ Văn Phong – người đã trực tiếp hướng
dẫn em thực hiện đề tài này trong học kì vừa qua, cảm ơn Thầy giúp đỡ em hoàn thành
tốt bài báo cáo đồ án này. Em xin chúc sức khỏe đến Thầy.
Bài báo cáo này khơng thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong
nhận
được
sự
chỉ

bảo, đóng góp ý kiến của các quý thầy cơ để em có điều kiện bổ sung ,
nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn cơng việc thực tế sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
LỊCH TRÌNH

iii

CAM ĐOAN

iv

ii

LỜI CẢM ƠN v
MỤC LỤC

vi

TÓM TẮT

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

2

1.1 Đặt vấn đề...........................................................................................................................................2
1.2 Mục tiêu..............................................................................................................................................2
1.3 Giới hạn...............................................................................................................................................2
1.4 Nội dung nghiêm cứu..........................................................................................................................2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4

2.1 Tổng quan cảm biến............................................................................................................................4
2.1.1 Cảm biến đo nhiệt độ..............................................................................................................4
2.2 Giới thiệu về PLC và các module.....................................................................................................11
2.2.1 Giới thiệu PLC S7-1200.......................................................................................................11
2.2.2 Module mở rộng cho PLC S7-1200......................................................................................12
2.3 Bộ điều hòa tín hiệu (Two-wire Transmitter)...................................................................................13
2.4 Phần mềm TIA PORTAL V16..........................................................................................................14
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

16

3.1 Tính tốn quy mơ của hệ thống.........................................................................................................16
3.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống..............................................................................................................16
3.3 Khả năng của hệ thống......................................................................................................................17
3.4 Tính tốn khoảng cách giữa cảm biến và PLC.................................................................................18
3.5 Lựa chọn ngõ ra tín hiệu cảm biến....................................................................................................18
3.6 Tính tốn thơng số analog:................................................................................................................18
3.7 Xử lý tín hiệu Analog trên phần mềm TIA PORTAL.......................................................................19


3.8 Xử lí nhiễu........................................................................................................................................20
CHƯƠNG 4: THI CƠNG HỆ THỐNG

21

4.1 Chọn thiết bị......................................................................................................................................21
4.1.1 Chọn cảm biến......................................................................................................................21
4.1.2 Chọn bộ điều hịa tín hiệu.....................................................................................................23
4.1.3 Chọn PLC S7-1200...............................................................................................................24
4.1.4 Chọn HMI.............................................................................................................................24
4.1.5 Chọn các cơ cấu chấp hành...................................................................................................25
Bảng 4.1 Tóm tắt thơng số thiết bị.................................................................................................26
4.2 Mạch động lực..................................................................................................................................27
4.3 Mạch điều khiển................................................................................................................................27
4.4 Nguyên lí làm việc............................................................................................................................29
4.5 Lưu đồ giải thuật...............................................................................................................................30
4.6 Thiết kế SCADA...............................................................................................................................31
4.6.1 Phân quyền cho hệ thống......................................................................................................31
4.6.2 Alarm và thông báo của hệ thống.........................................................................................32
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ

33

5.1 Mô phỏng giao diện đăng nhập.........................................................................................................33
5.2 Mơ phỏng màn hình điều khiển........................................................................................................34
5.3 Mơ phỏng chế độ AUTO...................................................................................................................35
5.4 Mô phỏng chế độ MANUAL............................................................................................................37
5.5 Mô phỏng màn hình giám sát cảm biến............................................................................................38
5.6 Mơ phỏng Alarm...............................................................................................................................39
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

41

6.1 Kết luận.............................................................................................................................................41
6.2 Huớng phát triển...............................................................................................................................41
LỜI CẢM ƠN 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
PHỤ LỤC

44


TÓM TẮT
Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật. Việc ứng dụng những thành tựu công
nghệ vào nông nghiệp ngày càng trở nên phổ biến mà cụ thể ở đây là áp dụng công nghệ
vào việc chăm sóc cây thanh long. Việc áp dụng những thành tựu này giúp giải quyết
những khó khăn trong khâu chăm sóc do ảnh hưởng bởi khí hậu và mơi trường.
Việc áp dụng “hệ thống điều khiển và giám sát bằng HMI và PLC” đã giải quyết được
những trở ngại kể trên ngồi cịn giúp tăng năng suất, cho quả ngon và nâng cao tuổi thọ
của cây. Một số tính năng chính của hệ thống:
-

Sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để giám sát nhiệt độ độ ẩm ngồi mơi trường và
hiển thị trên màn hình HMI

-

Sử dụng cảm biến siêu âm để giám sát mực trong bồn chứa, nếu bồn gần cạn nước
thì bật bơm nước để bơm nước vào bồn.

-

Hệ thống đèn được bật vào ban đêm để tăng nhiệt độ mơi trường nhằm kích thích
ra quả trái vụ.

-

Có nhiều chế độ làm việc giúp người dùng dễ dàng lựa chọn tùy theo từng thời
điểm.

Ngồi ra cịn một số tính năng khác sẽ được nhắc đến ở phần sau báo cáo, kèm với kết
quả mô phỏng để minh chứng.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Thanh long là một loại cây ăn quả thuộc họ xương rồng. Nên đặc điểm thổ nhưỡng của
cây thanh long chỉ phù hợp với khí hậu nóng và đất đai khơ cằn. Đó là thách thức lớn đối
với người trồng thanh long. Cây thanh long chỉ đạt năng suất cao nếu được chăm sóc kĩ
càng và đúng quy trình. Việc bón phân, tưới nước cho cây dưới thời tiết nắng nóng và
hanh khơ là cực kì khó khăn. Ngồi ra những đánh giá của người trồng về chất lượng đất,
nhiệt độ, độ ẩm chỉ mang tính ước lượng dễ sai lệch với thực tế. Do đó năng suất của cây
và tuổi thọ cũng bị giảm đi đáng kể. Vào mùa đông, người trồng thường chơng đèn để
sửu ấm cho cây nhằm kích thích ra quả trái vụ. Tuy nhiên việc chông đèn cần được thực
hiện sao cho phù hợp với điều kiện thời tiết.
1.2 Mục tiêu
Chính vì những khó khăn mà người trồng thanh long gặp phải. Việc ứng dụng điều
khiển bằng PLC và giám sát bằng SCADA là vơ cùng hợp lí và thiết thực. Dựa vào điều
kiện thực tế, hệ thống được thiết kế có quy mơ 0.5ha. Có thể áp dụng ở quy mơ lớn tuy
nhiên khuyến khích trong phạm vi từ 0.5-1ha. Bởi vì tính chất của vườn cây phụ thuộc

nhiều vào yếu tố thời tiết, khí hậu, thổ nhưỡng nên chỉ áp dụng vào những quy mô vừa đủ
để người vận hành kịp thời xử lí những tình huống bất trắc có thể xảy ra đồng thời đảm
bảo độ chính xác của các thơng số mà cảm biến ghi nhận được.
1.3 Giới hạn
Nội dung chính của đề tài này sẽ tập trung vào việc thiết kế, lựa chọn thiết bị và mô
phỏng hệ thống. Nêu ưu điểm và chứng minh những ưu điểm đó.
Các thơng số và nhiệt độ môi trường được thu thập, đo lường 100% từ môi trường.
1.4 Nội dung nghiêm cứu
Nội dung chính sẽ được thực hiện trong đề tài:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
2


CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan cảm biến
2.1.1 Cảm biến đo nhiệt độ
Trong cơng nghiệp có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ như: Cặp nhiệt điện
(Thermocouple), nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector), thermistor, bán dẫn
(Diode, IC ,…). Ngồi ra cịn có loại đo nhiệt khơng tiếp xúc (hỏa kế - Pyrometer). Dùng
hồng ngoại hay lazer.
-

Thermocouples: Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu
nóng (hay đầu đo), hai đầu cịn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự
chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V
tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh,
điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp
nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu
ý điều này để chọn đầu dị và bộ điều khiển cho thích hợp.
+ Dây của cặp nhiệt điện thì khơng dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến
khơng chính xác là chỗ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó
(offset trên bộ điều khiển).
+ Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV)
.
+ Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
.
+ Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khơng cao
.
+ Thường dùng: Lị nhiệt, mơi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
.
+ Tầm đo: -100 - 1400 0C

4


Hình 2.1a: Thermocouples 2 dây
-

RTD: Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…
được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai
đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính

trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt,
được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao,
dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C.
Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
+ RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
+ Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay
đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất
định.
+ Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây
không hạn chế.
.
+ Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện.
+ Thường dùng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp mơi trường hay
gia cơng vật liệu, hóa chất,…
.
0
+ Tầm đo: -200 – 700 C

5


Hình 2.1b: Cảm biến nhiệt độ RTD
-

Thermistor: được cấu tạo từ hỗn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn
theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và
mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
+ Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ
số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.
+ Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy

người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích
bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng
có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.

Hình 2.1c: Cảm biến nhiệt độ Thermistor

-

Bán dẫn: Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những
chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa
trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ mơi trường. Ngày
nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại
cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu
tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền,….
+ Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự
Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ
thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp
chuẩn có trong mạch.
+ Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
+ Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
6


+ Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn
giản.
+ Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
+ Thường dùng: Đo nhiệt độ khơng khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các
mạch điện tử.
+ Tầm đo: -50 - 150 0C.

HÌnh 2.1d: Cảm biến nhiệt độ sử dụng bán dẫn LM35
2.1.2 Cảm biến đo độ ẩm
Cảm biến độ ẩm là một thiết bị điện tử đo độ ẩm trong môi trường của nó và chuyển
đổi các phát hiện của nó thành tín hiệu điện tương ứng.

7


Hình 2.1e: Module cảm biến độ ẩm DHT21
Phân loại: Cảm biến độ ẩm có thể được chia thành hai nhóm, vì mỗi loại sử dụng một

phương pháp khác nhau để tính tốn độ ẩm: Cảm biến độ ẩm tương đối (RH) và cảm biến
độ ẩm tuyệt đối (AH).
+ Cảm biến RH phổ biến nhất là cảm biến độ ẩm điện dung và điện trở
+ Cảm biến AH phổ biến là cảm biến độ ẩm nhiệt.
+Nguyên lí: Độ ẩm tương đối được tính bằng cách so sánh chỉ số độ ẩm sống ở nhiệt độ
nhất định với độ ẩm tối đa cho khơng khí ở cùng nhiệt độ. Do đó, cảm biến RH phải đo
nhiệt độ để xác định độ ẩm tương đối. Ngược lại, độ ẩm tuyệt đối được đo mà không cần
tham khảo nhiệt độ.
2.1.3 Cảm biến đo mực nước
Các loại cảm biến đo mực nước phổ biến trong công nghiệp là: cảm biến đo mực nước
bằng siêu âm, cảm biến đo mực nước dạng phao, cảm biến đo mực nước dạng radar

-

Cảm biến siêu âm

Đo mức dạng siêu âm sử dụng cơng nghệ phát sóng từ cảm biến tới chất lỏng cần
đo,sóng âm này sẽ bị phản hồi lại khi gặp mặt nước. Cảm biến siêu vừa phát sóng ra đồng
thời cũng nhận sóng phản hồi lại, dựa vào sự thay đổi tần số mà cảm biến đo được

khoảng cách từ cảm biến tới mặt nước.
Cảm biến siêu âm phù hợp với các ứng dụng đo mức nước u cầu khơng được tiếp
xúc với chất lỏng. Tín hiệu ngõ ra tuyến tính dạng analog 4-20mA hoặc 0-10V.
+ Ưu điểm của cảm biến siêu âm







Đo mức chất lỏng như nước và các loại chất lỏng khác với độ chính xác cao
Thời gian đáp ứng nhanh.
Tín hiệu ngõ ra chuẩn analog 4-20ma.
Có thể cài đặt được thang đo khi cần điều chỉnh khoảng cách cho chính xác.
Giá thành tương đối phù hợp với các loại đo mức khác.
Đo được cho cả chất rắn và chất lỏng.

+ Nhược điểm của cảm biến siêu âm





Cảm biến có điểm mù tại điểm cao nhất của cảm biến hay còn gọi Dead zone.
Khoảng cách đo tối đa 20m.
Giá thành cao hơn các loại cảm biến đo mức khác.
Khoảng cách đo giảm phân nữa khi đo cho chất rắn.
8

Sử dụng cảm biến siêu âm để đo mực nước là một lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng
cần đo khoảng cách hoặc thể tích bồn chứa với độ chính xác khơng q cao. Với các ứng
dụng cần độ chính xác cao phải chọn phương pháp đo mức khác phù hợp hơn.

Hình 2.1f : Cảm biến mực nước siêu âm

-

Cảm biến đo mực nước dạng phao

Phương pháp đo mức nước dạng phao cũng thuộc TOP thiết bị đo mức nước cổ điển
với hiệu suất đáng tin cậy. Hai loại cảm biến loại phap hay dùng nhất :
+ Cảm biến báo mức dạng phao ON-OFF
+ Cảm biến báo mức nước dạng phao tuyến tính
Đo mức nước dạng phao ON-OFF dủng để báo đầy hoặc báo cạn trong giới hạn của
phao. Phao báo đầy : khi mức nước tới giới hạn trên thì sẽ cho ra Relay OFF, khi nước
xuống giới hạn dưới thì sẽ cho ra Relay ON.
Phao báo cạn : tương tự khi mức nước ở dưới cùng thì ON và khi mức nước lên tới
giới hạn trên OFF.
Cả hai mức giới hạn ON – OFF này tương ứng NO/ NC bên trong của cảm biến đo
mức nước dạng phao.
Phao inox sẽ trượt từ đầu đến cuối thanh kim loại khi mức nước dâng lên hoặc hạ
xuống. Tại vị trí mức nước thấp nhất cảm biến phao sẽ cho ra giá trị 4mA, cịn tại vị trí
mức nước cao nhất sẽ cho ra giá trị 20mA. Bên trong đầu cảm biến sẽ có một bộ chuyển
đổi giá trị điễn trở thành giá trị 4-20mA.

9

+ Ưu điểm cảm biến phao:
 Giá thành tương đối thấp so với các loại cảm biến đo khác.
 Dùng được cho tất cả các loại chất lỏng ngoại trừ các chất kết dính , dạng sệt.
 Lắp đặt và sử dụng đơn giản.
+ Nhược điểm:
 Công nghệ lỗi thời.
 Dể hư hỏng sau thời gian ngắn sử dụng do phao từ dể bị kẹt gây báo sai tín hiệu.

Hình 2.1g: Cảm biến mực nước dạng phao

-

Cảm biến đo mực nước bằng Radar

Với nguyên tắc hoạt động tương tự như cảm biến siêu âm; cảm biến đo mức liên tục
bằng radar dạng phát sóng sử dụng sóng radar để đo mức trong bồn chứa.
Sử dụng nguyên lý phát sóng và phản xạ sóng. Sóng radar sẽ được thiết bị phát ra và
truyền xuống bề mặt tiếp xúc. Khi gặp bề mặt tiếp xúc, sóng radar sẽ phản xạ ngược lại;
lúc này bộ phát tín hiệu sẽ đóng vai trị là bộ thu tín hiệu để tiếp nhận tín hiệu sóng.
10


Tiếp theo, bộ xử lý sẽ dựa trên thời gian sóng phản xạ lại và vận tốc của sóng radar để
tính ra được qng đường sóng đi; thì qng đường này sẽ tương ứng với mức vật chất
trong bồn.

Hình 2.1h: Cảm biến mực nước dùng Radar
 Kết luận: Trong ba phương pháp đo này thì cảm biến siêu âm và cảm biến sử
dụng phao được sử dụng khá nhiều do giá thành cạnh tranh hơn so với
Radar.

2.2 Giới thiệu về PLC và các module
2.2.1 Giới thiệu PLC S7-1200
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt
và
sức
mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều
khiển
tự
động.
Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh
mẽ
đã
khiến
cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều
khiển
nhiều
ứng
dụng
đa
dạng
khác
nhau.
11


.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào
và
mạch

ngõ
ra
trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh
mẽ.
Sau
khi
người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được
yêu
cầu
để
giám
sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám sát các
ngõ
vào
và
làm
thay
đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các
hoạt
động
như
logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép tốn phức hợp và việc
truyền
thơng
với
các
thiết
bị
thơng
minh

khác..
.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều
khiển:
- Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc
truy xuất đến các chức năng của CPU.
.
- Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một
khối xác định
.
CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET.
Các module truyền thơng là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay
RS485.

Hình 2.2a: PLC S7-1200
12


2.2.2 Module mở rộng cho PLC S7-1200
PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngồi để mở rộng
chức năng của CPU. Ngồi ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao
thức truyền thông khác.
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thơng số và quy định
của nhà sản xuất. S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
- Communication module (CP).
- Signal board (SB).
- Signal Module (SM).

Hình 2.2b: Module Signal Board
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên

phải của
CPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp
linh hoạt trong
sử dụng S7-1200

13


Hình 2.2c Module mở rộng tín hiệu vào/ra
2.3 Bộ điều hịa tín hiệu (Two-wire Transmitter)
Với sự khắc nghiệt của mơi trường các tín hiệu từ cảm biến rất dễ hay nhiễm dẫn đến
khơng cịn chính xác. Ngồi ra tín hiệu giữa cảm biến và PLC không đồng nhất với nhau.
Bộ điều hịa tín hiệu sẽ giải quyết tất cả các vấn đề trên.
-

Bộ điều hịa tín hiệu có rất nhiều loại có thể chuyển đổi tín hiệu khác nhau như :
Bộ chuyển đổi tín hiệu analog từ 4-20mA sang 0-10V hay ngược lại từ 0-10V sang
4-20mA.
Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang 4-20mA.
Chuyển đổi tín hiệu xung sang analog 4-20mA hoặc 0-10V.
Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang Modbus.
Ngược lại, bộ chuyển đổi tín hiệu Modbus sang Analog.
Bộ chuyển đổi tín hiệu Digital sang Modbus
Bộ chuyển đổi và chia tín hiệu 4-20mA.
Chuyển đổi tín hiệu Loadcell sang Analog 4-20mA hoặc 0-10V.
Bộ chuyển đổi tín hiệu Pt100 sang Modbus.

14

Hình 2.3a: Minh họa bộ điều hịa tín hiệu từ dòng điện sang điện áp
2.4 Phần mềm TIA PORTAL V16
TIA Portal là phần mềm lập trình điều khiển trực quan, hiệu quả và xác thực, giúp
người sử dụng thiết kế tồn bộ chương trình tự động hóa một cách tối ưu chỉ trong một
giao diện phần mềm duy nhất
Chương trình và giao diện hệ thống sẽ được lập trình và thiết kế trên phần mềm này.

15


Hình 2.4a: Giao diện bắt đầu của phần mềm TIA Portal V16

16


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
Việc tính tốn và thiết kế phải đảm bảo độ chính xác và phải tuân thủ các quy định của
nhà sản xuất đề ra đối với thiết bị. Các thông tin liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm phải có sai
số nhỏ nhất có thể để đảm bảo cây có điều kiện sống tốt nhất
3.1 Tính tốn quy mơ của hệ thống
Hệ thống được thiết kế trong bài báo này có quy mơ 0.5ha. Có thể áp dụng ở quy mơ
lớn tuy nhiên khuyến khích trong phạm vi từ 0.5-1ha. Bởi vì tính chất của vườn cây phụ
thuộc nhiều vào yếu tố thời tiết, khí hậu, thổ nhưỡng nên chỉ áp dụng vào những quy mô
vừa đủ để người vận hành kịp thời xử lí những tình huống bất trắc có thể xảy ra đồng thời
đảm bảo độ chính xác của các thơng số mà cảm biến ghi nhận được.
3.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, có nhiều cấu hình để lựa chọn sao cho phù hợp
với quy mô của hệ thống như: vào/ra tập trung, vào/ra phân tán, bộ thu thập dữ liệu,
IEE488,...
Vào/ra tập trung nghĩa là các cơ cấu chấp hành hay cảm biết nằm gần bộ điều khiển

trung tâm. Ưu điểm của cấu hình này là phù hợp với hệ thống vừa và nhỏ, ít cơ cấu chấp
hành, cảm biến và đối tượng cần điều khiển, ngồi ra cịn tiết kiệm chi phí thi cơng.
Nhược điểm là khơng ổn định, tín hiệu dễ nhiễu bởi các yếu tố ngoại vi.
Vào/ra phân tán nghĩa là các thiết bị phản hồi tính hiệu và thiết bị cần điều khiển nằm
xa nhau và xa bộ xử lí trung tâm. Được kết nối với nhau qua hệ thống mạng như:
Ethernet, RS-232, RS-485,...Ưu điểm của cấu hình này phù hợp với hệ thống có quy mơ
lớn hay nhiều hệ thống riêng lẻ đặt cách xa nhau, độ chính xác của hệ thống là rất đảm
bảo bởi không chịu ảnh hưởng của các tác nhân gây nhiễu.
Bộ thu thập dữ liệu về cơ có chức năng tương tự cấu hình vào/ra phân tán nhưng có
chức năng vận hành độc lập, thu thập dữ liệu và đưa ra quyết định xử lý mà không cần
kết nối liên tục với máy tính hay CPU. Một số ứng dụng cụ thể như điều khiển và giám
sát nhiệt độ, độ ẩm cho xe đông lạnh.
IEE488 là một đặt điểm kỹ thuật bus giao diện đa đường song song 8-bit với 16 đường
tín hiệu truyền đi có thể là tuyến tính hoặc rẻ nhánh. Tiêu chuẩn cho phép tối đa 15 thiết
bị chia sẻ một bus vật lý duy nhất có tổng chiều dài cáp lên tới 20 mét. Chuẩn cấu hình
này đã cũ và không phù hợp với các chuẩn kết nối hiện đại ngày nay.
Qua những ưu nhược điểm của các cấu hình kể trên. Việc lựa chọn cấu hình vào/ra tập
trung là phù hợp nhất với hệ thống vườn cây quy mơ vừa và nhỏ. Ngồi ra, hệ thống ít cơ
17


cấu chấp hành và đối tượng cần điều khiển nên lựa chọn vào/ra tập trung giúp tiết kiệm
chi phí thi cơng và bảo trì.
Hệ thống thiết kế cho quy mơ nhỏ chỉ 0.5ha sử dụng 4 cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm
và mực nước trong bồn chứa và phát hiện ánh sáng. Cấu hình vào/ra tập trung được lựa
chọn tuy nhiên phải sử dụng thêm bộ điều hòa tín hiệu (two-wire transmitter) trước khi
kết nối với module analog như là một phương pháp hiệu quả để lọc nhiễu và điều hịa tín
hiệu từ cảm biến nhằm đạt được độ ổn định cao. Về lý thuyết ta cũng có thể nối trực tiếp
cảm biến với mdule analog nhưng thực tế thì khơng phù hợp bởi chịu sử tác động bởi các
yếu tố khắc nghiệt từ môi trường cũng như các yếu tố khách quan khác.

Trong trường hợp muốn mở rộng hệ thống khi quy mô vườn cây được mở rộng. Khi đó
cấu hình vào/ra tập trung khơng cịn phù hợp. Thay vào đó cấu hình vào/ra phân tán được
xây dựng lại cho hệ thống.

Hình 3.2: Sơ đồ cơ bản của vào/ra phân tán
3.3 Khả năng của hệ thống
Hệ thống được giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu qua màn hình HMI. Các cảm
biến nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng được bố trí ở khắp vườn cây và gửi tín hiệu về cho bộ
điều khiển trung tâm PLC. PLC sẽ được lập trình riêng biệt để phù hợp với đặc điểm của
vườn cây cũng như yêu cầu của người vận hành. Mọi thông tin thu thập được từ thực tế
sẽ được hiển thị đầy đủ trên màn hình HMI. Ngồi ra, thơng qua HMI ta có thể điều
khiển được máy bơm tưới nước hay giám sát được hệ thống đèn sửi ấm khi cần kích thích
ra quả. Toàn bộ hệ thống sẽ được đặt ở trung tâm của vườn cây để thuận tiện cho việc
giám sát cũng như đảm bảo tín hiệu trả về từ cảm biến chính xác nhất. Thơng tin chi tiết
thiết và quy trình vận hành sẽ được nói đến bên dưới.
18