Đề tài Nghiên cứu và thiết kế mô hình điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 1 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Mở đầu 1. đặt vấn đề B−ớc sang thế kỷ XXI kỷ nguyên của công nghệ thông tin và công nghệ sinh học nguồn tài nguyên của thế giới đang dần cạn kiệt do sự khai thác thiếu quy hoạch của con ng−ời, cùng với nó là nạn ô nhiễm môi tr−ờng và sự tàn phá của thiên nhiên diễn ra ở khắp mọi nơi trên thế giới do quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá. Làm cho diện tích đất canh tác nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp dần. Thế nh−ng dân số thế giới ngày càng tăng nhanh và nhu cầu h−ởng thụ của con ng−ời cũng ngày càng cao. Làm cho thế giới sẽ không đủ các sản phẩm nông nghiệp để cung cấp cho mọi ng−ời nếu hoạt động lao động chỉ thuần tuý là thủ công, nhỏ lẻ. Để giải quyết vấn đề này thì con đ−ờng duy nhất là ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất đặc biệt là ứng dụng tự động hoá vào sản xuất nông ngiệp. Trên thế giới đã có nhiều n−ớc sớm nhận biết đ−ợc điều này và họ đã ứng dụng thành công tự động hoá vào sản xuất nông nghiệp và họ đã đạt đ−ợc những kết quả rất cao về năng suất và chất l−ợng sản phẩm nông nghiệp, ngày nay họ vẫn đang là những c−ờng quốc về sản xuất nông nghiệp nh−: Hà Lan, Pháp, Israel, Trung Quốc, Nhật Bản.v.v… Còn với n−ớc ta, n−ớc ta thuộc nhóm n−ớc đang phát triển với một nền kinh tế nông nghiệp truyền thống, trải qua 20 năm đổi mới nhất là sau nghị quyết khoán 10 của Bộ chính trị (tháng 1 năm 1989) tới nay nền nông nghiệp n−ơc ta đã có những b−ớc phát triển mạnh mẽ và ngày càng vững chắc. Ngày nay với sự phát triển nh− vũ bão của khoa học công nghệ và xu h−ớng toàn cầu hoá nền kinh tế. Nền kinh tế thế giới và Việt Nam đang có xu h−ớng chuyển mạnh sang các ngành công nghiệp và dịch vụ, đặc biệt là công nghệ thông tin. Với Việt Nam nói riêng thì nông nghiệp vẫn là một ngành kinh tế quan trọng và có những đóng góp rất lớn vào tổng thu nhập quốc dân (Hiện nay trên 70% dân c− lao động trong ngành nông nghiệp và đóng góp khoảng 30% GDP). Chính vì vậy Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 2 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội mà nông nghiệp n−ớc ta luôn luôn đ−ợc sự quan tâm của Đảng và Nhà N−ớc, sau Đại hội Đại Biểu Toàn Quốc lần thứ VII của Đảng(tháng 6 năm 1991) với chủ tr−ơng đẩy nhanh và mạnh công nghiệp hoá_hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn Việt Nam, nền nông nghiệp n−ớc ta dã đạt đ−ợc kết quả vô cùng to lớn từ chỗ thiếu đói phải nhờ tới sự trợ giúp của cộng đồng quốc tế tới nay Việt Nam đã tự cung cấp đủ l−ơng thực cho ng−ời dân và v−ơn lên trở thành một n−ớc xuất khẩu gạo đứng đầu thế giới (Mỗi năm Việt Nam xuất khẩu khoảng trên 4.5 triệu tấn gạo). Mặc dù đã đạt đ−ợc những thành quả cao về mặt sản l−ợng nh−ng về mặt chất l−ợng sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết nh−: Tồn d− hoá chất trong sản phẩm còn nhiều do sử dụng thuốc bảo vệ thực vật bừa bãi thiếu khoa học của ng− ời nông dân. Vì vậy để đảm bảo cả về mặt năng suất cũng nh− chất l−ợng sản phẩm nông nghiệp để các sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam có thể cạnh đáp ứng đ−ợc nhu cầu của ng−ời dân trong n−ớc và có thể cạnh tranh đ−ợc trên thị tr−ờng quốc tế thì chúng ta nên lựa chọn giải pháp ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp, trong đó Tự Động Hoá đóng vai trò vô cùng quan trọng về mặt kỹ thuật phục vụ sản xuất nông nghiệp chất l−ợng cao, nó đảm bảo cho các khâu t−ới tiêu, điều tiết nhiệt độ, độ ẩm.v.v…Do tầm quan trọng của việc áp dụng tự động hoá vào sản xuất nông nghiệp mà chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:”Nghiên cứu và thiết kế mô hình điều khiển nhiệt độ trong nhà l−ới”. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi đã tiến hành khảo sát mô hình thực tế,nghiên cứu một số mô hình thực nghiệm với phần mềm điều khiển SIMATIC S7_200. Qua nhiều lần thí nghiệm và trên cơ sở tính toán lý thuyết chúng tôi khẳng định mô hình chúng tôi xây dựng đảm bảo tính thực tế và có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp ở n−ớc ta hiện nay. 2. mục đích của đề tài - Nghiên cứu mô hình điều tiết khí hậu tự động trong nhà l−ới phục vụ sản xuất rau an toàn, từ đó thiết kế mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong n−ớc. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 3 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội -Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên phần mềm lập trình SIMATIC S7-200. - ứng dụng phần mềm SIMATIC S7-200 để xây dựng ch−ơng trình điều khiển. 3. Nội dung đề tài. - Tổng quan đề tài. - Xây dựng thuật toán điều khiển mô hình. - Chọn thiết bị điều khiển, thiết bị nhập, xuất. Xây dựng mô hình thực nghiệm và lập trình điều khiển hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ trong nhà l−ới. 4. Ph−ơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đ−ợc nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành ph−ơng pháp nghiên cứu sau: • Các kết quả nghiên cứu kế thừa. - Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ tr−ớc về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình, cụ thể là phần mềm lập trình simatic S7-200. - Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn. • Định h−ớng nghiên cứu. - Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính. - Thay đổi ph−ơng pháp lập trình để tìm ra ph−ơng pháp đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả nhất. - Xây dựng ch−ơng trình điều khiển. • Ph−ơng pháp thực nghiệp kiểm chứng. - Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi của ch−ơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống. • Thiết bị thí nghiệm. - Máy tính PC. - Bộ điều khiển SIMATIC S7 - 200 với khối xử lý cpu224. - Bộ mô phỏng, hệ thống cáp, dây nối. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 4 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội ch−ơng i tổng quan 1.1. thực trạng sản xuất rau ở việt nam 1.1.1. Thực trạng Việt Nam nằm trong khu vực chịu ảnh h−ởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa do nằm trải dài trên nhiều vĩ độ, địa hình bị chia cắt nên có nhiều loại khí hậu. Vì vậy chủng loại cây trồng rất phong phú và đa dạng, điều đó tạo cho nông nghiệp Việt Nam rất nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển. Đến nay ngành nông nghiệp của n−ớc ta vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đ−ợc sự quan tâm của Đảng và Nhà N−ớc qua hơn 10 năm đổi mới chính sách nông nghiệp, ngành nông nghiệp n−ớc ta đã có những b−ớc phát triển vững chắc và đạt đ−ợc những thành tựu vô cùng to lớn từ chỗ thiếu l−ơng thực tới nay n−ớc ta không những đã đảm bảo đ−ợc an ninh l−ơng thực mà còn v−ơn lên trở thanh một trong những n−ớc xuất khẩu gạo đứng hàng đầu thế giới. Trong những năm gần đây do khoa học kỹ thuật phát triển các viện nghiên cứu, các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp đã tạo ra những giống cây trồng mới có năng suất và chất l−ợng cao hơn để thay thế cho các loại cây trồng truyền thống. Cùng với sự phát triển của đất n−ớc nhu cầu về rau của ng−ời dân cũng tăng lên, để đáp ứng những nhu cầu đó các vùng chuyên canh cây rau, cây hoa mầu ngắn ngày đã thay thế cách thức trồng rau truyền thống bằng cách áp dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật trồng rau theo ph−ơng thức đa canh, xen canh…, những thay đổi này cũng tạo điều kiện thuận lợi để cho nhiều loại sâu bệnh phát triển mạnh mẽ và có thể bùng phát thành dịch. Để đề phòng sâu bệnh hại cây trồng, để nâng cao năng suất chất l−ợng sản phẩm con ng−ời đã nghiên cứu và đ−a vào ứng dụng nhiều cách thức trồng cây, chăm sóc cây mà đặc biệt là công nghệ trồng cây không dùng đất trong nhà l−ới và Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 5 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội trong nhà kính đ−ợc tự động điều tiết tiểu khí hậu. Khi đời sống của nhân dân ngày càng đ−ợc nâng cao thì yêu cầu về chủng loại rau phải phong phú và đa dạng, đủ về số l−ợng, tốt về chất l−ợng và an toàn đối với sức khỏe con ng−ời. Trong ( Đề án phát triển rau, quả và hoa cây cảnh thời kỳ 1999 - 2010) của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn đ−ợc thủ t−ớng chính phủ phê duyệt ngày 03/09/1999. Có xác định mục tiêu cho ngành sản xuất rau hoa quả là:’’Đáp ứng nhu cầu rau có chất l−ợng cao cho nhu cầu tiêu dùng trong n−ớc, nhất là các khu dân c− tập chung (đô thị, khu công nghiệp) và xuất khẩu. Phấn đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu ng−ời 100 ữ 110kg rau/năm, giá trị kim ngạch suất khẩu đạt 690 triệu USD”.(Giáo trình CÂY RAU của tác giả Tạ Thu Cúc). Theo tác giả Tạ Thu Cúc dự tính tình hình sản xuất rau ở Việt Nam từ năm 2000 đến năm 2010. Bảng 1.1: Dự tính diện tích rau cho các vùng trong cả n−ớc (Đơn vị:1000ha) Tốc độ tăng tr−ởng Tên vùng Năm 2000 Năm 2005 Năm 2010 2000-2005 2005-2010 Cả n−ớc 437.0 574.0 729.0 5.31 5.14 Miền núi trung du BB 77.0 97.0 114.0 4.73 3.93 Đồng bằng Bắc Bộ 105.0 130.0 161.0 4.39 4.39 Khu 4 cũ 49.0 61.0 75.0 4.65 4.77 Duyên hải Trung Bộ 3.0 44.0 54.0 4.39 4.39 Tây Nguyên 32.0 39.0 58.0 3.71 5.97 Đông Nam Bộ 42.0 56.0 75.0 5.82 5.82 Đồng bằng sông CL 93.0 135.0 177.0 7.73 6.70 Bảng 1.2: Dự tính năng suất rau ở các vùng trong cả n−ớc (Đơn vị:tấn/ha) Tốc độ tăng tr−ởng Tên vùng Năm 2000 Năm 2005 Năm 2010 2000-2005 2005-2010 Cả n−ớc 13.7 14.8 15.8 1.4 1.4 Miền núi trung du BB 11.8 12.73 13.6 1.4 1.4 Đồng bằng Bắc Bộ 17.4 18.6 19.9 1.3 1.4 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 6 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Khu 4 cũ 9.1 9.7 10.4 2.1 2.1 Duyên hải Trung Bộ 11.1 11.9 12.8 1.4 1.4 Tây Nguyên 15.7 17.2 18.3 1.8 1.5 Đông Nam Bộ 14.4 15.4 16.6 1.4 1.4 Đồng bằng sông CL 14.5 15.6 16.8 1.4 1.4 Bảng 1.3: Dự tính sản l−ợng rau ở các vùng trong cả n−ớc (Đơn vị:1000 tấn) Tốc độ tăng tr−ởng Tên vùng Năm 2000 Năm 2005 Năm 2010 2000-2005 2005-2010 Cả n−ớc 6040 8424 11594 6.9 6.7 Miền núi trung du BB 911 1233 1545 6.2 5.4 Đồng bằng Bắc Bộ 1824 2408 3206 5.7 5.8 Khu 4 cũ 445 621 876 6.9 7.0 Duyên hải Trung Bộ 393 523 697 5.9 5.9 Tây Nguyên 510 670 1058 5.6 7.6 Đông Nam Bộ 610 869 1239 7.3 7.3 Đồng bằng sông CL 1347 2100 2973 9.3 8.2 Qua 3 bảng trên ta thấy vùng Đồng Bằng Bắc Bộ và vùng Đồng Bằng sông Cửu Long là vùng trồng rau lớn nhất n−ớc ta về cả diện tích gieo trồng và sản l−ợng rau. Cùng với vùng trồng rau Tây Nguyên ( chủ yếu là Đà Lạt _ Lâm Đồng) cả 3 vùng trồng rau trên là nơi cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu quan trọng nhất n−ớc ta. Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 38% ữ 40% diện tích và 45% ữ 50% sản l−ợng. Tại đây phục vụ cho tiêu dùng của dân c− tập trung là chủ yếu, chủng loại rau vùng này rất đa dạng phong phú và năng suất cao. • Hiện nay rau đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó có: - Ô nhiễm do hoá chất bảo vệ thực vật. Theo Viện Bảo Vệ Thực Vật (1998) hiện nay ở Việt Nam đã và đang sử dụng 270 loại thuốc trừ bệnh, 160 loại thuốc trừ cỏ, 12 loại thuốc diệt chuột, 26 loại thuốc kích thích sinh tr−ởng với số l−ợng ngày Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 7 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội càng tăng. Còn theo Giáo s−. Phạm Đình Quyền (Trung tâm nghiên cứu tài nguyên và môi tr−ờng Đại Học Quốc Gia Hà Nội (CRES)): Nếu cuối thập kỷ 80 l−ợng thuốc bảo vệ thực vật ở Việt Nam mới chỉ là 10.000 tấn/năm, thì thập kỷ 90 tăng gấp đôi 21.000 tấn/năm (1992), thậm chí gấp 3 lần-30.000 tấn/năm (1995). Ông cho rằng không d−ới 90% đất canh tác toàn quốc đ−ợc phun thuốc bảo vệ thực vật. Tuy chủng loại nhiều song do thói quen hoặc sợ rủi do cùng với sự thiếu hiểu biết hoặc hiểu biết còn hạn chế mức độ độc hại của hoá chất bảo vệ thực vật nên đa số hộ nông dân hay dùng một số loại thuốc quen có độc tố cao, thậm chí bị cấm nh−: monitor, wofatox, DDT. Dẫn tới ngày càng làm cho sản phẩm rau ngày càng ô nhiễm nặng. - Hàm l−ợng (NO3 -) trong rau quá cao. Theo fao/who thì hàm l−ợng (NO3 -) ở liều l−ợng 4g/ngày gây ngộ độc còn 8g/ngày thì có thể gây chết ng−ời. ở n−ớc ta việc sử dụng phân hoá học không cao so với các n−ớc trong khu vực nh−ng ảnh h−ởng của phân hoá học tới sự tích luỹ (NO3 -) trong rau là nguyên nhân làm rau không sạch. N−ớc ta quy định hàm l−ợng (NO3 -) trong rau nh− sau: cải bắp 500mg/kg, cà chua 150mg/kg, d−a chuột 150mg/kg. - Tồn d− kim loại nặng trong sản phẩm rau. Do sự lạm dụng hoá chất bảo vệ thực vật cùng với phân bón các loại đã làm một l−ợng N, P, K, và hoá chất bảo vệ thực vật rửa trôi xâm nhập vào mạch n−ớc làm ô nhiễm mạch n−ớc ngầm. Theo Phạm Bình Quân (1994) thì hàm l−ợng kim loại nặng, đặc biệt là asen (as) ở Mai Dịch trong các m−ơng t−ới cao hơn hẳn so với ruộng lúa n−ớc các kim loại nặng tiềm ẩn trong đất hoặc từ các nguồn n−ớc ô nhiễm qua n−ớc t−ới đ−ợc rau hấp thụ. - Vi sinh vật gây hại trong rau do sử dụng n−ớc t−ới có vi sinh vật gây hại ( ecoli, salmonella, trứng giun.) tuy ch−a đ−ợc thống kê, song tác hại của nó là rất lớn. - Do rau là nguồn thực phẩm quan trọng đối với đời sống con ng−ời nên giải pháp duy nhất đối với ngành trồng rau là nhanh chóng đ−a tiến bộ vào sản suất. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 8 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Đặc điểm chung của các cây rau là yêu cầu độ ẩm rất cao th−ờng từ 85-95%, nếu thiếu n−ớc cây rau sẽ không sinh tr−ởng và phát triển đ−ợc và chúng cần một nhiệt độ ổn định, do vậy đ−a cây rau vào sản xuất thuỷ canh không dùng đất và kết hợp với điều tiết tiểu khí hậu trong nhà l−ới và nhà kính là rất phù hợp. Ph−ơng pháp này sẽ nâng cao một cách đáng kể về năng xuất và cải thiện t−ơng đối về mặt ô nhiễm bảo đảm an toàn cho ng−ời sử dụng. Để thực hiện đ−ợc ph−ơng pháp thuỷ canh không dùng đất và kết hợp với điều tiết tiểu khí hậu này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây và có những ph−ơng pháp điều tiết khí hậu hợp lý, nên việc áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống t−ới tự động và hệ thống tự động điều tiết khí hậu sẽ tạo một b−ớc đột phá mới cho ngành sản xuất rau an toàn ở n−ớc ta hiện nay. 1.1.2. Trồng rau trong nhà l−ới ở Việt Nam và trên thế giới • ứng dụng sản xuất rau sạch trong nhà l−ới ở Việt Nam. Từ những năm 80 của thế kỷ XX n−ớc ta đã nhập kỹ thuật chăm sóc cây bằng màng che phủ, xây dựng một số nhà l−ới che phủ băng PE. Trong những năm qua, khi ch−ơng trình và các dự án sản xuất rau sạch đ−ợc mở rộng ở các thành phố lớn của n−ớc ta thì công nghệ sản xuất rau sạch trong nhà l−ới dần đ−ợc giới thiệu và đ−ợc sản xuất thử ở một số cơ sở sản xuất: Viện Nghiên Cứu Rau Quả, Tr−ờng Đại học Nông nghiệp I, vùng trồng rau lớn Đà Lạt.v.v… ở một số vùng này đang sản xuất rau sạch trong nhà l−ới theo công nghệ của Đài Loan, Ca Na Đa, Israel… Hiện nay ở Viện Nghiên Cứu Rau Quả, Tr−ờng Đại học Nông nghiệp I còn áp dụng công nghệ sản xuất rau sạch trồng rau trong dung dịch (trồng rau thủy canh hoặc trồng rau không dùng đất) theo công nghệ của Israel và của Ca Na Đa. Trồng cây trong nhà l−ới là một biện pháp kỹ thuật rất có triển vọng và phù hợp với điều kiện kinh tế của ng−ời nông dân Việt Nam hiện nay. Vì vậy cần đẩy mạnh nghiên cứu và tuyên truyền rộng rãi tới mọi ng−ời dân để công nghệ này d−ợc ứng dụng rộng rãi vào sản xuất rau sạch để phục vụ đời sống của ng−ời dân và Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 9 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội làm nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu. • ứng dụng sản xuất rau sạch trong nhà l−ới trên thế giới ở Mỹ, đến thời kỳ đầu những năm 80 của thế kỷ XX đã có hơn 1000 khu khoa học công nghệ đ−ợc phân bố trên các bang, với diện tích lên tới hàng trăm nghìn ha. ở Anh những khu v−ờn ứng dụng công nghệ sản xuất rau bằng màng che phủ PE đ−ợc xây dựng từ những năm 1930, đến năm 1998 đã có trên 400 khu, với diện tích hơn 20.000ha. ở Israel đến giữa thập kỷ 80 của thế kỷ XX đã xây dựng đ−ợc hàng trăm khu, với diện tích hàng ngàn ha. ở Nhật từ những năm đầu của thập kỷ 60 họ đã áp dụng công nghệ sản xuất rau này và tới ngày nay họ đã xây dựng đ−ợc nhiều khu v−ờn sản xuất rau sạch công nghệ cao với diện tích lớn và năng suất rất cao. ở Trung Quốc, theo thống kê của bộ nông nghiệp Trung Quốc tới năm 1997 đã có 450 khu ứng dụng công nghệ sản xuất rau sạch trong nhà l−ới của Hà Lan, Pháp, Israel, Đài Loan.v.v.. với diện tích mỗi khu từ 50 ha tới 165 ha. Ngoài ra còn có nhiều n−ớc khác cũng ứng dụng công nghệ sản xuất rau và hoa nh−:Hà Lan, Pháp, Đức… ở một số n−ớc nh−: Hà Lan, Pháp, Đức, Israel, Anh, Nga.v.v…ngoài công nghệ trồng cây trong nhà l−ới có điều tiết nhiệt độ, họ còn áp dụng công nghê sản xuất rau và hoa không dùng đất trong nhà kính và đã thu đ−ợc những kết quả rất cao, họ đã trở thành những n−ớc xuất khẩu công nghệ và xuất khẩu rau và hoa lớn nh−: Hà Lan, Mỹ, Trung Quốc.v.v… (Tài liệu: báo cáo tình hình sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới của Tác giả: Phạm Gia Trung và Vũ Quốc Hằng. Nhà xuất bản Nông nghiệp 2004). • Ưu điểm của ph−ơng pháp trồng cây trong nhà l−ới có điều tiết nhiệt độ. + Có thể chủ động đ−ợc thời vụ gieo trồng. + Hạn chế tác hại của thời tiết tiết khắc nhiệt. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 10 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội + ít bị cỏ dại, sâu bệnh hại cây trồng. + Năng suất cao hơn từ 20 đến 30% so với trồng ngoài đồng ruộng, sản phẩm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. + Không gây ô nhiễm môi tr−ờng do không sử dụng thuốc bảo vệ thực vật. • Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp trồng cây trong nhà l−ới có tự động điều tiết nhiệt độ. + Vốn đầu t− ban đầu lớn, chi phí sản xuất lớn. + Giá thành sản phẩm cao. + Kỹ thuật phức tạp. 1.2.Những ảnh h−ởng của điều kiện ngoại cảnh đến sản xuất rau. Ng−ời trồng rau muốn thành công trong sản xuất rau thì điều quan trọng đầu tiên là phải hiểu đ−ợc một cách sâu sắc và toàn diện các yếu tố môi tr−ờng, yêu cầu và khả năng thích nghi của cây rau đối với điều kiện ngoại cảnh trong quá trình sinh tr−ởng và phát triển. Một số yếu tố về môi tr−ờng nh− địa hình, khí hậu và thời tiết là những yếu tố cơ bản gây ra khó khăn, trở ngại không nhỏ trong quá trình sản xuất rau. 1.2.1. ảnh h−ởng của nhiệt độ Trong sản xuất rau nhiệt độ là yếu tố hạn chế rất lớn. ở 00C sẽ làm một số cây chết rét, ở nhiệt độ 400C sẽ làm cho nhiều cây bị khô héo và có thể bị chết. Đối với nhiều loại rau có thể tồn tại trong thời gian dài ở nhiệt độ 150C, thậm chí 100C. Hiệu suất quang hợo của hầu hết các loại rau ngừng ở 300C. Nhiều cây rau thực hiện chức năng quang hợp có hiệu quả từ 12 ữ 240C. Đối với một số loài khác thì quang hợp có hiệu quả ở nhiệt độ 18 ữ 210C hoặc là 240C. Tốc độ sinh tr−ởng cây rau phụ thuộc vào sự cung cấp đầy đủ các chất dinh d−ỡng, độ ẩm với điều kiện nhiệt độ thích hợp nhất. Khi nhiệt độ v−ợt quá giới hạn, khí khổng sẽ đóng lại ảnh h−ởng tới quá trình trao đổi khí CO2, quá trình quang hợp.v.v... dẫn đến cây sinh tr−ởng kém. Nếu tình trạng đó kéo dài cây có thể bị chết. Nhiệt độ thay đổi theo vĩ độ địa lý, theo mùa, theo ngày và giữa ngày - Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 11 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội đêm. Yêu cầu của cây rau đối với nhiệt độ phụ thuộc vào nguồn gốc , giống, kỹ thuật trồng trọt và sự thuần hóa bồi dục của con ng−ời.v.v... Đối với mỗi loại rau đều yêu cầu nhiệt độ thích hợp để sinh tr−ởng, phát triển. Khi v−ợt quá giới hạn nhiệt độ thích hợp cây rau sinh tr−ởng phát triển kém, làm giảm năng suất và chất l−ợng. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp sẽ làm cây ngừng sinh tr−ởng và chết. Thí dụ: Nhiệt độ thích hợp cho cây cà chua là 220 C ữ 240 C, nhiệt độ tối cao là 350C, nhiệt độ tối thấp là 100. Trên cùng một cây rau nh−ng ở thời kỳ khác nhau, yêu cầu đối với nhiệt độ cũng thay đổi. Thí dụ,cây khoai tây : Nẩy mầm tốt ở nhiệt độ : 18 ữ 200 C Sinh tr−ởng thân lá : 20 ữ 220 C Hình thành thân củ : 16 ữ 180 C Theo I.B.Libner Nonneck phân loại rau theo yêu cầu và khả năng thích nghi với nhiệt độ nh− sau : Bảng 1.4: Phân loại rau theo yêu cầu đối với nhiệt độ để sinh tr−ởng (0 C) Giới hạn trung bình Giới hạn rộng Tên rau Cao Thấp Tên rau Cao Thấp Cà 18ữ 30 -12 Súp lơ xanh 8ữ 27 -19 ớt 18ữ 30 -12 Đậu tầm 5ữ 25 -20 Cần Tây 10ữ 22 -12 Bixen 10ữ 30 -20 Spinach 12ữ 25 -13 Cải Bắp 10ữ 30 -20 Măng Tây 15ữ 30 -15 Tỏi Tây 10ữ 30 -20 D−a chuột 20ữ 30 -15 Hành Tây 10ữ 30 -20 Bí Ngô 15ữ 30 -15 Cà chua 15ữ 35 -20 Ngô Đ−ờng 15ữ 30 -15 Cà Rốt 8ữ 30 -22 Cải Củ 14ữ 30 -16 Củ Cải Đỏ 8ữ 30 -22 Đậu Bắp 18ữ 35 -17 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 12 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Chúng ta cần hiểu rõ yêu cầu của cây rau đối với nhiệt độ qua từng thời kỳ để có biện pháp kỹ thuật thích hợp thúc đẩy sự sinh tr−ởng, phát triển của cây theo h−ớng có lợi. • Thời kỳ hạt nảy mầm Hầu hết các hạt giống rau đều nảy mầm nhanh ở nhiệt độ 25 ữ 300 C. Loại rau chịu rét, hạt bắt đầu nảy mầm ở nhiệt độ 10 ữ 150 C, nhiệt độ thích hợp là 18 ữ 200 C. Nhiệt độ, n−ớc và oxy trong đất là điều kiện quan trọng cho quá trình nẩy mầm trong đó nhiệt độ là yếu tố quyết định nhất. Nếu nhiệt độ trong đất quá thấp hạt giống sẽ không hút đ−ợc n−ớc, thời gian nhiệt độ thấp kéo dài, hạt giống nằm lâu trong đất có thể do thiếu oxy hoặc do sự xâm nhiễm của sâu bệnh hại sẽ bị thối. • Thời kỳ cây con ở thời kỳ này cây đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ nảy mầm. Nhiệt độ thích hợp cho nhiều loại rau ở thời kỳ này là từ 18 ữ 200C. Nhiệt độ cao làm cho cây hô hấp mạnh, tiêu hao chất dự trữ, do đó cây nhỏ bé, còi cọc, cuối cùng cho cây giống xấu. • Thời kỳ sinh tr−ởng sinh d−ỡng ở thời kỳ này khối l−ợng thân lá tăng tr−ởng rất nhanh, nhiệt độ cao một chút có lợi cho quá trình quang hợp. Nhiệt độ cao còn thuận lợi cho cây thực hiện các nhiệm vụ khác nh− hô hấp,quá trình hút n−ớc của cây.v.v… Những cây −u thích khí hậu mát lạnh thì nhiệt độ thích hợp cho quá trình tích lũy chất dinh d−ỡng là 17 ữ 180C. Nếu nhiệt độ cao trên 250C thì sẽ gây trở ngại cho cải bắp, cải bẹ…nhiệt độ cao trên 300C thì nụ hoa súp lơ, thân củ khoai tây khó hính thành và phát triển. Những cây rau −u thích khí hậu ấm áp, chịu nhiệt độ cao nh− cà, ớt, cà chua… nhiệt độ thích hợp là 20 ữ 300C. Nhiệt độ thấp sẽ gây trở ngại cho loại rau này sinh tr−ởng và phát triển. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 13 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội • Thời kỳ sinh tr−ởng sinh thực Nhiệt độ thích hợp ở thời kỳ này là 20cC, nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp đều ảnh h−ởng không tốt đến quá trình thụ phấn, tinh dẫn đến rụng nụ, rụng hoa. Thí dụ khi nhiệt độ thấp tới (-10 ữ -20C)sẽ làm cho bầu quả của nhiều loại rau bị chết rét. Các cây thuộc họ cà, họ bầu bí khi ra hoa, kết hạt yêu cầu nhiệt độ từ 20 ữ 300C. Nếu nhiệt độ ban đêm cao hơn 220C hoặc thấp hơn 150C, cây cà chua dễ bị rụng nụ, rung hoa. 1.2.2. ảnh h−ởng của ánh sáng ánh sáng là yêu tố rất cần thiết đối với sản xuất rau vì ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp.Chúng ta đã biết 90 ữ 95% năng suất cây trồng là do quang hợp. Không có ánh sáng, cây xanh không thể tiến hành quang hợp. Vì ánh sáng thay đổi sẽ làm diễn biến các quá trình quan trọng nh−:quang tổng hợp, sự nảy mầm của hạt,sự lớn lên của lá, sự thoát hơi n−ớc và sự ra hoa.v.v… ánh sáng đầy đủ ssẽ làm tăng bề dầy của mô, tăng hàm l−ợng diệp lục, thúc đẩy quá trình quang hợp. Trái lại,trong điều kiện thiếu ánh sáng cây sinh tr−ởng khó khăn, hàm l−ợng diệp lục giảm,thịt lá mềm và xốp, gian bào chứa đầy n−ớc, do đó làm giảm khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi. Quá trình quang hợp của cây bị ngừng ở c−ờng độ ánh sáng 4,31 lux. Điểm bù sáng của nhiều loại rau là 1080 lux. 1.2.3.ảnh h−ởng của n−ớc N−ớc là nguyên nhân hạn chế lớn nhất đến năng suất vá chất l−ợng rau hơn bất kỳ một yếu tố nào khác. N−ớc đóng vai trò quan trong trong đới sống cây rau, hàm l−ợng n−ớc trong rau chiếm từ 75 ữ 95%.Theo I.B.Libner Nonneck thì hàm l−ợng n−ớc từ 85 ữ 95%. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 14 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Cung cấp đầy đủ n−ớc cho rau trong quá trình sinh tr−ởng là biện pháp cơ bản để đạt năng suất cao, chất l−ợng tốt (cây rau t−ơi, ngon và có h−ơng vị). N−ớc thiếu cây rau sinh tr−ởng kém,thấp bé , còi cọc, năng suất chất l−ợng giảm. N−ớc thừa trong quá trình sinh tr−ởng làm cho cây mềm yếu, nồng độ đ−ờng thấp, nồng độ các chất hòa tan giảm… dẫn đến chất l−ợng kém. N−ớc là yếu tố cơ bản để quang hợp,ảnh h−ởng đến quá trình trao đổi chất trong cây, đến trạng thái chất nguyên sinh.n−ớc còn có tác dụng quan trọng trong quá trình vận chuyển, điều chỉnh sự đóng mở khí khổng, sự giãn nở và sự lớn lên của lá. Vì vậy n−ớc co vai trò trong quyết định đến sự sinh tr−ởng phát triển của cây rau. Có n−ớc thì cây mới thực hiện đ−ợc các hoạt động sống, nên có thể nói không có n−ớc thì không có sự sống. N−ớc là thành phần cơ bản cấu tạo nên chất nguyên sinh. Các quá trình trao đỏi chất trong cây đều cần có n−ớc tham gia nh− tổng hợp và phân giải chất hữu cơ. N−ớc là nguyên liệutham gia vào quá trình quang hợp, n−ớc cần thiết cho sự vận chuyển vật chất trong cây, là dung môi hòa tan các chất, duy trì độ căng của tế bào, làm cho cây ở trạng thái cân bằng.v.v… Các trạng thái cân bằng n−ớc trong cây:thể hiện bằng tỷ số giữa l−ợng n−ớc bay hơi (T) và l−ợng n−ớc cây hút(A): + Cân bằng n−ớc d−ơng T/A=1. + Cân bằng n−ớc âm T/A>1. + Điều kiện tối thích T/A<1. Khi đầy đủ và cân bằng n−ớc (T/A=1) thì tất cả các hoạt động đều thực hiện tốt, cây sinh tr−ởng bình th−ờng. Khi trong đất thiếu ẩm hoặc sự thoát hơi n−ớc qua khí khổng quá mức cây không đ−ợc cung cấp n−ớc kịp thời, cây luôn ở tình trạng khủng hoảng n−ớc và sinh tr−ởng kém. Hầu hết các loại rau đều có những thời kỳ sinh tr−ởng tới hạn riêng. Nếu khủng hoảng n−ớc vào các thời kỳ sinh tr−ởng tới hạn đó thì sẽ ảnh h−ởng trực tiếp đến năng suất và chất l−ợng. 1.2.4 ảnh h−ởng của chất dinh d−ỡng và độ ph Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 15 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Nhìn chung trong quá trình sinh tr−ởng cây rau hấp thu 70%N, 20%P và 80%K bón vào đất trong suốt vụ trồng. Rau là cây trồng có thời gian sinh tr−ởng ngắn, chất dinh d−ỡng phong phú, năng suất cao. Thời vụ khẩn tr−ơng, vụ nọ tiếp vụ kia, một năm gieo trồng 2 ữ 3 vụ. Cây rau hút thu đ−ợc chất dinh d−ỡng trong đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ, oxy, và n−ớc trong đất. Yêu cầu của cây rau với chất dinh d−ỡng cũng thay đổi theo quá trình sinh tr−ởng.Thời kỳ nay mầm cây lớn lên nhờ chất dự trữ trong hạt,khi cây có 4 ữ 5 lá thật, khả năng quang hợp của cây yếu vì vậy cần có dinh d−ỡng từ môi tr−ờng đất. Thời kỳ này hệ dễ rất mẫn cảm với nồng độ dung dịch đất.Thời kỳ hình thành các cơ quan sử dụng(bắp, thân, củ,rễ, quả,…) là thời kỳ tốc độ sinh tr−ởng rất mạnh, cần cung cấp đầy đủ chất dinh d−ỡng, đặc biệt là các chất dinh d−ỡng hòa tan. Với các rau khác nhau yêu cầu với các nguyên tố đa l−ợng cũng thay đổi: Loại rau hút nhiều chất dinh d−ỡng nh− cải bắp giống trung và giống muộn; loại rau hút dinh d−ỡng trung bình nh− cà chua,cà…; loại rau hút ít chất dinh d−ỡng nh−: xà lách, rau diếp.v.v… Ngoài những yếu tố trên cây trồng còn chịu ảnh h−ởng của gió, của vật hại nh− cỏ dại, sâu hại.v.v… 1.3 ứng dụng tự động hóa vào thiết kế mô hình điều khiển nhiệt độ trong nhà l−ới 1.3.1. Khái quát về lịch sử phát triển của ngành tự động hoá Không chỉ ngày nay con ng−ời mới phát minh ra các loại máy móc tự động sản xuất làm việc thay thế con ng−ời mà ngay từ khi xã hội còn ch−a phát triển, công cụ lao động còn thô sơ con ng−ời đã mong muốn điều đó nên ngay từ tr−ớc công nguyên các máy tự động cơ học và đồng hồ n−ớc có phao điều chỉnh đã xuất hiện ở Ai cập cổ đại và Hy lạp. B−ớc sang thời kỳ trung cổ albert đã chế tạo ra máy tự động cơ khí thực hiện chức năng của ng−ời gác cổng. Tuy nhiên các loại máy móc thời kỳ này không có ảnh h−ởng gì đến các quá trình sản xuất thời đó. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 16 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Tự động hoá chỉ thực sự đ−ợc ứng dụng vào sản xuất khi một thợ cơ khí martop ng−ời Nga đã chế tạo thành công máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình vào năm 1712 và đến năm 1765, pônzulôp ng−ời Nga đã chế tạo đ−ợc hệ diều chỉnh mức đầu tiên, nó đ−ợc ứng dụng để giữ cố định mức n−ớc trong nồi hơi không phụ thuộc vào l−ợng tiêu hao hơi n−ớc. Năm 1784, james watt ng−ời Anh đã sử dụng bộ điều tốc ly tâm trong máy hơi n−ớc, dùng để điều chỉnh tốc độ của máy hơi n−ớc. Từ đó, tự động hoá đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong quá trình nghiên cứu phát triển sản xuất. B−ớc sang đầu thế kỷ XIX nhiều công trình có mục đích hoàn thiện các cơ cấu điều chỉnh tự động của máy hơi n−ớc đã đ−ợc thực hiện. Cho đến cuối thế kỷ này đã xuất hiện thêm các cơ cấu điều chỉnh tự động cho tuabin hơi n−ớc. Năm 1873, Spender đã chế tạo đ−ợc máy tiện tự động có ổ cấp phôi mang các cam. Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới nh− Pittler Luding Lower của Đức, hãng RSK của Anh… đã chế tạo đ−ợc máy tiện dùng phôi thép thanh. Năm 1887, Đ.G Stôleôp đã chế tạo đ−ợc phần tử cảm quang đầu tiên, một trong những phần tử hiện đại quan trong nhất trong kỹ thuật tự động hoá. Cũng trong thời gian này các cơ sở lý thuyết điều khiển và điều chỉnh tự động bắt đầu đ−ợc nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Năm 1876 - 1877, I.A V−snhegratxki đã cho đăng tải các công trình " lý thuyết cơ sở của các cơ cấu điều chỉnh" và "Các cơ cấu điều chỉnh tác động trực tiếp". Các ph−ơng pháp đánh giá ổn định và chất l−ợng của quá trình quá độ do ông đề xuất vẫn đ−ợc dùng cho đến ngày nay. Các thành tựu đạt đ−ợc trong lĩnh vực tự động hoá đã cho phép trong những thập kỷ đầu của thế kỷ XX xuất hiện nhiều loại máy tự động hiện đại. cũng trong thời gian này sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền tin đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của tự động hoá vào các quá trình sản xuất. Vào khoảng giữa thế kỷ XX, tự động hoá không chỉ áp dụng trong sản xuất Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 17 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội mà còn đ−ợc đ−a vào các cuộc chiến tranh vì mục đích cá nhân, nhiều n−ớc đã áp dụng thành tựu của tự động hoá vào chiến tranh để m−u lợi riêng do vậy mà tự động hoá càng đ−ợc họ thúc đẩy phát triển, từ yêu cầu nâng cao tỉ lệ bắn trúng của pháo phòng không, nguyên lý điều khiển phản hồi đã đ−ợc đề xuất đ−a kỹ thuật tự động hoá b−ớc sang một trang phát triển mới. Cuối thế kỷ XX, do nhu cầu về l−ơng thực của thế giới mà các n−ớc phát triển đã cho ra đời các máy tự động sản xuất trong nông nghiệp. Đầu những năm 80 ở Nga đã xuất hiện các máy sấy để bảo quản nông sản, ở Nhật cho ra đời các máy tự động nuôi cá… Trong những năm gần đây, các n−ớc có nền công nghiệp phát triển tiến hành rông rãi tự động hoá trong sản xuất loại nhỏ. Điều này phản ánh xu thế chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loại lớn và hàng khối sang sản xuất loại nhỏ và hàng khối thay đổi. Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những năm cuối cua thế kỷ XX đã có sự thay đổi sâu sắc. Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn nh− kỹ thuật linh hoạt( Agile Engineening) hệ điều hành sản xuất qua màn hình( Visual Manufacturing System) kỹ thuật tạo mẫu nhanh ( Rapid Prototyping) công nghệ Nanô đã cho phép tự động hoá toàn phần không chỉ trong sản xuất hàng khối mà còn trong san xuất loại nhỏ và đơn chiếc. Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới nh− các loại máy móc điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ tống điều khiển theo ch−ơng trình lôgic PLC ( Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS( Flexble Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM( Computer Integadted Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít, rút ngắn chu kỳ sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh cua sản phẩm hiện đại. Về mặt kỹ thuật, lý thuyết điều khiển tự động hoá phát triển qua 3 giai đoạn: • Giai đoạn 1: Cho đến những năm 1940. Trong giai đoạn này cơ sở lý Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 18 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội thuyết điều khiển tự đông đ−ợc hình thành. Khi đó các ph−ơng pháp khảo sát hệ “một đầu vào, một đầu ra – Siso” nh−: Hàm truyền và biểu đồ Bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn định; biểu đồ Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 ph−ơng pháp đồ thị thực nghiệm của Evans đã đ−ợc hoàn thiện. Giai đoạn này đ−ợc coi là “điều khiển cổ điển”. • Giai đoạn 2: Xung quanh những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển đ−ợc gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, có “nhiều đầu vào,nhiều đầu ra-MIMO”. Để mô hình hoá thuộc dạng này phải cần đến một tập các ph−ơng trình mô tả mối liên quan giữa các trạng thái của hệ. Và ph−ơng pháp điều khiển bằng biến trạng thái đ−ợc hình thành. Cũng trong thời gian này, lý thuyết điều khiển tối −u có những b−ớc phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực đại của POLTRYAGIN và lập trình động lực học của Bellman. Đồng thời, học thuyết Kalman đ−ợc hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, đ−ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực để −ớc l−ợng trang thái bên trong của hệ từ tập nhỏ tín hiệu đó đ−ợc. • Giai đoạn 3: Giai đoạn “điều khiển bền vững” đ−ợc bắt đầu từ những năm 1980. ứng dụng những thành tựu của toàn học, các nghiên cứu về điều khiển đã đ−a ra đ−ợc các ph−ơng pháp thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo đ−ợc kỹ năng sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai số. Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành, đó là: Thích nghi, phi tuyến, hôn hợp, mờ, neural. 1.3.2. Vai trò của Công nghệ thông tin trong tự động hoá mặc dù các nguyên lý và máy móc điều khiển tự động xuất hiện tr−ớc máy tính điện tử rất lâu nh−ng sự ra đời của máy tính điện tử nhất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã đ−a tự động hoá công nghiệp đến việc áp dụng tự động hoá trong mọi mặt của xã hội loài ng−ời. Công nghệ thông tin hiểu nôm na là công nghệ phần cứng và công nghệ phần Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 19 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội mềm của máy tính và mạng máy tính điện tử. Các hệ thống tự động hoá đã đ−ợc chế tạo trên nhiều công nghệ khác nhau. Ta có thể thấy các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí, các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thuỷ lực, rơle cơ điện, mạch điện tử t−ơng tự, mạch điện tử số... Các thiết bị hệ thống này có chức năng xử lý và mức tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại đ−ợc xây dựng trên nền tảng của công nghệ thông tin. Trong khi các hệ thống tin học sử dụng máy tính để hỗ trợ và tự động hoá quá trình quản lý, thì các hệ thống điều khiển tự động dùng máy tính để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ. Chính vì vậy các thành tựu của công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm của máy tính điện tử đ−ợc áp dụng và phát triển có chọn lọc và hiệu quả cho các hệ thống điều khiển tự động. Và sự phát triển nh− vũ bão của công nghệ thông tin kéo theo sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hoá. Ta có thể thấy quá trình công nghệ thông tin thâm nhập vào từng phần tử, thiết bị thuộc lĩnh vực tự động hoá nh− đầu đo, cơ cấu chấp hành, thiết bị giao diện với ng−ời vận hành thậm chí vào cả các rơle, contacto, nút bấm mà tr−ớc kia hoàn toàn làm bằng cơ khí. Tr−ớc kia đầu đo gồm phần tử biến đổi từ thâm số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc và mạch biến đổi sang chuẩn 4 ữ 20mA để truyền tín hiệu đo về trung tâm xử lý. Hiện nay đầu đo đã tích hợp cả chip vi xử lý, biến đổi adc, bộ truyền dữ liệu số với phần mền đo đạc, lọc số, tính toán và truyền kết quả trên mạng số về thẳng máy tính trung tâm. Nh− vậy đầu đo đã đ−ợc số hoá và ngày càng thông minh do các chức năng xử lý từ máy tính trung tâm tr−ớc kia nay đã chuyển xuống xử lý tại chỗ bằng ch−ơng trình nhúng trong đầu đo. T−ơng tự nh− vậy với cơ cấu chấp hành nh− mô-tơ đã đ−ợc chế tạo gắn kết hữu cơ với cả bộ Servo với các thuật toán điều chỉnh pid tại chỗ và khả năng nối Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 20 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Rơle Bán dẫn PLC Hệ ĐK phân cấp Hệ ĐK phân tần Hệ tự tổ chức 1930 40 50 60 70 80 90 2000 100 102 104 106 108 1010 Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn chức năng xử lý ở các hệ thống TĐH trong 70 năm qua mạng số tới máy tính chủ. Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn trong các phòng điều khiển này đ−ợc co gọn trong các PLC (programable logic Controller). Các bàn điều khiển với hàng loại các đồng hồ chỉ báo, các phím, các núm điều khiển, các bộ tự ghi trên giấy cồng kềnh nay đ−ợc thay thế bằng một vài PC ( Personal Computer ). Hệ thống cáp truyền tín hiệu analog 4 ữ 20mA, 10V từ các đầu đo, cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển nhằng nhịt tr−ớc đây đã đ−ợc thay thế bằng vài cáp đồng trục hoặc cáp quang truyền dữ liệu số. Có thể nói công nghệ thông tin đã "chiếm phần ngày càng nhiều'' vào các phần tử, hệ thống tự động hoá . Đồ thị d−ới đây cho ta thấy chức năng xử lý ở các hệ thống tự động hoá trong 70 năm qua phát triển nh− nào. Vào những năm 30 các hệ thống tự động bằng cam chốt cơ khí th−ờng hoạt động đơn lẻ với một chức năng xử lý. Các hệ thống tự động dùng rơle điện từ xuất hiện vào những năm 40 có mức xử lý khoảng 10n chức năng. Các hệ thống tự động Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 21 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội dùng bán dẫn hoạt động theo nguyên lý t−ơng tự (Analog) của thập kỷ 60 có mức xử lý khoảng 30 chức năng. Vào những năm 70 các thiết bị điều khiển khả trình PLC ra đời với mức độ xử lý lên hàng trăm và vào những năm 80 với sự tham gia của các máy tính điện tử main frame mini đã hình thành các hệ thống điều khiển phân cấp với số chức năng xử lý lên tới 105. Sang thập kỷ 90 với sự phát triển của công nghệ phần cứng cũng nh− phần mềm, các hệ thống điều khiển phân tán ra đời cho mức xử lý lên tới 107. Và sang thế kỷ 21, những hệ thống tự động có tính tổ chức, có t− duy hợp tác sẽ có mức xử lý lên tới 109. Tuy nhiên để đạt đ−ợc độ thông minh nh− nh−ng sinh vật sống còn cần nhiều thời gian hơn nữa và các hệ thống tự động hoá còn cần tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao khác nh− công nghệ cảm biến, công nghệ vật liệu mới, công nghệ quan và laser Đây là xu thế phát triển của các hệ thống tự động là ngày càng sử dung nhiều công nghệ mới hơn trong cấu trúc và hoạt động của mình. Tr−ớc kia các hệ thống tự động hoá thiết kế cad th−ờng là các hệ thống sử dụng máy tính lớn rất đắt tiền nên chỉ ở một số lĩnh vực quan trọng mới đ−ợc áp dụng. Ngày nay với chức năng sử lý đồ hoạ ngày càng nhanh và mạnh của PC, thêm vào đó giá thành của các hệ thống cad trên PC ngày càng rẻ nên cad đã đi sâu len lỏi vào tất cả các ngành nghề và tới mọi ngóc ngách của cuộc sống từ các bài tập thiết kế của sinh viên đến thiết kế các công trình xây dựng lớn... Trong điều khiển quá trình công nghệ, việc áp dụng công nghệ thông tin đã tạo ra khả năng tự động hoá toàn bộ dây truyền sản xuất. Kiến trúc hệ thống điều khiển tr−ớc kia tập trung xử lý tại một máy tính thì nay các đầu đo, cơ cấu chấp hành, giao diện với ng−ời vận hành đều đ−ợc thông minh hoá có nhiều chức năng xử lý tại các đầu đo, cơ cấu chấp hành, giao diện với ng−ời vận hành đều đ−ợc thông minh hoá có nhiều chức năng xử lý tại chỗ và khả năng nối mạng nhanh tạo thành hệ thống mạng máy điều khiển hoạt động theo chế độ thời gian thực. Ngoài các chức năng điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất hệ thống còn có nhiều cơ sở dữ liệu, khả năng tự xác định và khắc phục hỏng hóc, khả năng thống kê, báo cáo và kết hợp với mạng máy tính quản lý, lập kế Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 22 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội hoạch, thiết kế và kinh doanh tạo thành hệ thống tự động hoá sản xuất toàn cục. Trong lĩnh vực robot, với sự áp dụng các thành tựu của công nghệ thông tin robot đã có thị giác và xúc giác. Việc áp dụng trí khôn nhân tạo vào robot đã đ−a robot từ ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp sang các lĩnh vực dịch vụ và y tế. Kết hợp với các thành tựu của cơ điện tử, robot ngày càng uyển chuyển và thông minh hơn. Trong t−ơng lai robot không chỉ thay thế hoạt động cơ bắp của con ng−ời mà còn thay thế các công việc đòi hỏi hoạt động trí não của con ng−ời. Lúc này hệ thống điều khiển của robot không chỉ là các vi xử lý mạch mà con có sự hỗ trợ của máy tính mạng nơron nhân tạo, xử lý song song nhúng trong robot. 1.3.3. vai trò của tự động hoá trong quá trình sản xuất Lịch sử hoàn thiện của công cụ và ph−ơng tiện sản xuất trong xã hội văn minh phát triển trên cơ sở cơ giới hoá, điện khí hoá. Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội. Đó là mấu chốt của năng suất, chất l−ợng và giá thành. Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hoá vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ: cho phép giảm giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất nh− ổn định về giờ giấc, chất l−ợng gia công ..., đáp ứng c−ờng độ cao của sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất. Từ đó sẽ tăng cao khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất, tăng thị phần và khả năng bán hàng cho nhà sản xuất. Trong một t−ơng lai rất gần tự động hoá sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà nó còn đ−ợc ứng dụng để phục vụ đời sống con ng−ời. Trong sản xuất no sẽ thay thế con ng−ời trong nh−ng công việc cơ bắp nặng nhọc, những công việc nguy hiểm, độc hại hay cả những công việc tinh vi hiện đại…, còn trong đời sống con ng−ời những công nghệ này sẽ đ−ợc ứng dụng để phục vụ cho nhu cầu sống, nó sẽ là nh−ng ph−ơng tiện không thể thiếu trong đời sống của chúng ta. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 23 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội 1.3.4. ứng dụng của tự động hoá trong quá trình sản xuất Tự động hoá có mặt trong hầu hết tất cả các lĩnh vực của sản xuất và đời sống. Mỗi ứng dụng co một đặc điểm và tầm quan trọng riêng, sau đây chúng tôi xin giới thiệu ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực chính: • Tự động hoá sản xuất ( factory automation ), trong quá trình sản xuất của các ngành gang thép, dầu mỏ, hoá chất, nông nghiệp, ng− nghiệp, chăn nuôi, th−ờng dùng các loại đồng hồ tự động hoá và các thiết bị tự động hoá để điều khiển các thông số sản xuất, thực hiện tự động hoá quá trình sản xuất và thiết bị sản xuất. Trong những n−ớc kinh tế phát triển, tự động hoá sản xuất đã đạt đến trình độ rất cao, trong quá trình sản xuất họ đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển tự động. Từ những năm 1960 đến nay tự động hoá sản xuất đã phát triển nhanh chóng ở những mặt: Ng−ời máy công nghiệp, hệ thống sản xuất linh hoạt, hệ thống quản lý thông tin, kỹ thuật nhóm, tự động hoá kho tàng, nhà máy tự động hoá không cần công nhân, lắp ráp tự động và phụ trợ máy tính. • Tự động hoá quá trình ( process automation ), lĩnh vực này dùng trong các hệ thống phức tạp hơn, đo l−ờng và khống chế các đại l−ợng biến đổi liên tục nh− l−u l−ợng, áp suất, nhiệt độ, tốc độ, dòng điện, điện áp. Nó có mặt trong các ngành công nghiệp nặng và các công đoạn quan trọng của dây truyền công nghiệp nhẹ. • Quản lý cao ốc, Khách sạn, Trung tâm th−ơng mại ( building control, building management), trong các toà nhà cao ốc, ng−ời ta bố trí dày đặc khắp nơi cáp điện thông tin và do các thiết bị điều khiển điện tử tiến hành quản lý tự động hoá đối với hệ thống điều hoà nhiệt độ của mỗi phòng, hệ thống chiếu sáng và hệ thống phòng hoả, chống trộm, tự động điều khiển các thiết bị liên quan, chế tạo n−ớc lạnh cần dùng cho thiết bị khởi động điều hoà nhiệt độ. Trình độ tự động hoa của toà nhà rất cao, có thể hút n−ớc thải, dùng gió nóng sấy khô các vật ẩm... • Tự động hoá các khu vực công cộng, nhà ga, sân bay ( public system automation), tại các nhà ga, sân bay, việc quản lý bán vé và kiểm tra hành lý đều đ−ợc tự động hoá mặt khác tại các nơi này việc phòng cháy là cực kỳ quan trọng, Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 24 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội do đó hệ thống phòng cháy cũng đ−ợc tự động hoá ... • Tự động hoá văn phòng (office automation ), lợi dụng các thiết bị văn phòng tự động hoá, tự động hoàn thành các việc khởi thảo, sửa chữa, hiệu đính, phân phát, l−u trữ…, thực hiện tự động hoá toàn diện văn phòng. Mục tiêu chủ yếu tự động hoá văn phòng là tự động hoá quản lý xí nghiệp. • Tự động hoá gia đình ( home automation), khi máy tính tiến vào các gia đình, cuộc sống gia đình sẽ thay đổi toàn diện, con ng−ời sẽ đ−ợc giải phóng khỏi lao động công việc gia đình phiền toái, xuất hiện một cách sống mới mẻ có tính sáng tạo, gia đình càng thêm an ninh, cuộc sống càng thêm thuận tiện dễ chịu và đầy hứng thú. • D−ới sự điều khiển của máy tính sẽ có thể tự động khởi động điều chỉnh theo giờ giấc, các việc gia đình nh− đun n−ớc, nấu cơm… sẽ có thể điều khiển từ xa để thực hiện. Khi vắng nhà, có thể dùng điện thoại thông báo cho hệ thống điều khiển trong nhà làm tr−ớc các việc chuẩn bị. Nếu nh− liên kết máy tính gia đình với máy tính cửa hàng, ngành giao thông, ngân hàng và bệnh viện…, thì có thể ngồi tại nhà có thể tham gia các hoạt động nh− bình th−ờng. • Trong nông nghiệp: Công tr−ờng thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của công nghiệp hoá. Nhiệt độ, độ ẩm của công tr−ờng thực vật, thậm chí toàn bộ quá trình −ơm giống đều có thể sử dụng điều khiển tự động, để giảm bớt sức ng−ời nâng cao sản l−ợng. Do đó, trong nông nghiệp tự động hoá cũng đã đ−ợc ứng dụng từ rất lâu. Đầu những năm 80 Liên Xô (cũ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp. Khi làm việc loại máy này có thể tự động quan sát độ ẩm của thổ nh−ỡng nhiệt độ không khí và sức gió…, nó có thể xác định ph−ơng pháp t−ới và tiến hành t−ới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm m−a nhân tạo khác. Cũng cuối những năm 80 Nhật đã phát minh ra một loại máy tự động −ơm giống khoai tây và một loại máy sử dụng máy tính diều khiển ứng dụng vào việc nuôi cá n−ớc ngọt, loại máy này sẽ tự động kiểm tra nhiệt độ n−ớc, hàm l−ợng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 25 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội muối trong n−ớc và đình ra ph−ơng pháp cấp thức ăn cho cá. Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng co những loại máy ứng dụng trong công việc này, nh− loại máy tự động chăn nuôi do Liên Xô ( cũ) chế tạo loại máy này có thể chuẩn bị thức ăn gia súc, phân phát thức ăn gia súc, vắt sữa, đỡ đẻ cho lợn nái... Mặc dù tự động hoá trong nông nghiệp đã đ−ợc ứng dụng từ lâu, song nó chỉ phát triển ở một số n−ớc phát triển, còn đối với các n−ớc chậm phát triển, tuy co nền nông nghiệp chiếm tỷ lệ lớn nh−ng việc ứng dụng tự động hoá vào nông nghiệp vẫn còn rất chậm. Hiện nay, đ−ợc sự trợ giúp của n−ớc ngoài các n−ớc đang phát triển đã đ−a dần tự động hoá vào sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là các n−ớc Đông Nam á trong đó có Việt Nam. 1.3.5. thành tựu của tự động hoá trong quá trình sản xuất Thế giới đang ngày càng phát triển, cuộc sống con ng−ời ngày cáng thay đổi, hàng loạt các máy móc tự động đã và đang xuất hiện, robot đ−ợc chế tạo ra thay thế con ng−ời ở nhiều mặt…, đó là những thành tựu của ngành tự động hoá mang lại. Trong 40 năm qua nó đã mang lại những thành quả to lớn: • Dẫn h−ớng và điều khiển thiết bị trong không gian, bao gồm máy bay dân dụng, tên lửa, máy bay chiến đấu, tàu vận tải, vệ tinh.Hệ thống điều khiển này đã đảm bảo đ−ợc tính ổn định và chính xác d−ới tác động của nhiễu môi tr−ờng và của chính hệ thống. • Hệ thống điều khiển trong sản xuất công nghiệp, từ máy tự động đến mạch tích hợp.Những thiết bị điều khiển bằng máy tính đã có độ chính xác định vị và lắp ráp rất cao để tạo ra nhiều sản phẩm có chất l−ợng tốt. • Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, ví dụ trong quá trình sản xuất hydrocacbon và nhiều chất hoá học khác. Hệ điều khiển này đã xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến để điều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành : van, cấp nhiệt, bơm…, để cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật. • Điều khiển hệ thống truyền thông bao gồm: hệ thống điện thoại và internet. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 26 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức năng l−ợng ở đầu vào, đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo những sự cố đa dạng, phức tạp th−ờng xảy ra trong truyền thông. 1.3.6. Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế mô hình điều tiết khí hậu trong nhà l−ới Kỹ thuật trồng cây không dùng đất là kỹ thuật trồng cây tiên tiến và hiện đại, ngày nay kỹ thuật này đ−ợc kết hợp với tự động điều tiết tiểu khí hậu trong nhà l−ới và nhà kính đã và đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Trồng rau bằng ph−ơng thức không dùng đất kết hợp với tự động điều tiết tiểu khí hậu trong nhà l−ới và nhà kính là giải pháp có hiệu quả nhất hiện nay trong việc sản xuất rau an toàn mà không gây ô nhiễm môi tr−ờng, tận dụng đ−ợc mặt bằng không gian (ngay cả trên đất nghèo dinh d−ỡng, nhiễm độc, nhiễm mặn), hạn chế đ−ợc những tác hại của thời tiết khắc nghiệt, tiết kiệm đ−ợc công lao động, giải phóng đ−ợc sức lao động nặng nhọc khi trồng cây ngoài đất,chủ động trồng đ−ợc nhiều vụ trong năm, có thể tăng số vụ gấp 3 ữ 4 lần và năng suất có thể cao gấp 20 lần so với trồng trên đất. Chính vì những lợi ích to lớn đó mà vấn đề áp dụng tự động hóa vào điều tiết tiểu khí hậu trong nhà l−ới và nhà kính là vô cùng quan trọng, cùng với kỹ thuật trồng cây không dùng đất thì hai biện pháp kỹ thuật này sẽ là giải pháp mấu chốt đ−a nền nông nghiệp n−ớc ta vốn lạc hậu sang một giai đoạn mới, giai đoạn của nền nông nghiệp tiên tiến, hiện đại, góp phần chung trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn hiện nay. Nh− vậy chúng ta đã thấy rõ vai trò quan trọng của tự động hóa trong đời sống con ng−ờitrong mọi lĩnh vực: Từ y tế,vui chơi giải trí, đến công nghiệp, nông nghiệp… Do đó việc ứng dụng tự động hóa vào điều tiết tiểu khí hậu trong nhà l−ới và nhà kính này càng trở nên cấp thiết, cùng với kỹ thuật trồng cây không dùng đất thì hai biện pháp kỹ thuật này cần đ−ợc nghiên cứu kỹ l−ỡng để sớm đ−a vào ứng trong thực tiễn sản xuất nông nghiệp chất l−ợng cao ở Việt Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 27 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Nam. 1.4.kết luận ch−ơng I Ngày nay, trong mọi lĩnh vực, mọi công nghệ sản xuất cụ thể đều có sự góp mặt của tự động hoá. Ng−ời ta nói tự động hoá gắn với năng xuất, chất l−ợng sản phẩm, công nghệ tự động hoá đã góp phần lớn vào quá trình phát triển của xã hội, cải thiện đời sống con ng−ời. Từ đó mà chúng ta nên đề cao vai trò của nó để tiếp tục học tập và nghiên cứu để ứng dụng chúng một cách hiệu quả hơn và hữu ích hơn. Đối với n−ớc ta, theo chủ ch−ơng chính sách của Đảng và Nhà N−ớc, đẩy mạnh công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn để đến 2010 đ−a n−ớc ta thành một n−ớc công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Thì công nghệ tự động hoá càng trở nên quan trọng đối với chúng ta, và cần có nhiều công trình hơn nữa nghiên cứu về tự động hoá để có thể ứng dụng vào thực tế một cách đơn giản và hiệu quả nhất. Từ những phân tích trong ch−ơng I này cho thấy một triển vọng to lớn của hệ thống trồng rau sạch trong nhà l−ới có tự động điều tiết tiểu khí hậu, cùng với kỹ thuật trồng cây không dùng đất, trồng rau trong dung dịch hay trồng rau thủy canh. Sự kết hợp các biện pháp kỹ thuật này là rất hợp lý và kinh tế. Vì ph−ơng pháp điều tiết khí hậu trong nhà l−ới và nhà kính sẽ đảm bảo cho cây trồng sinh tr−ởng và phát triển ở một nhiệt độ phù hợp với sinh lý của cây. Còn ph−ơng pháp thủy canh, hệ thống t−ới nhỏ giọt không chỉ cung cấp n−ớc cho cây mà còn kèm theo cả chất dinh d−ỡng cần thiết cho cây, sử dụng ph−ơng pháp t−ới nhỏ giọt sẽ tiết kiệm đ−ợc dung dịch, cung cấp cho cây chính xác không lãng phí, hơn nữa theo ph−ơng pháp này cây sẽ đ−ợc trồng trong nhà l−ới, không tiếp xúc với đất sẽ tránh đ−ợc các mầm bệnh và không phải dùng thuốc bảo vệ thực vật, nông sản sẽ đ−ợc đảm bảo an toàn, môi tr−ờng không bị ô nhiễm, rút ngắn mùa vụ, giảm bớt công lao động, năng suất cao, hiệu quả kinh tế lớn, có thể áp dụng sản xuất đại trà. Đây sẽ là mũi nhọn của ngành nông nghiệp hiện đại. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 28 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Ch−ơng II giới thiệu về simatic s7-200 2.1. chọn thiết bị điều khiển Trong đề tài này chúng tôi chọn thiết bị điều khiển là thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7 - 200 với khối xử lý cpu 224. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 29 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội 2.1.1. Giới thiệu chung về S7 – 200. S7 - 200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens (CHLB Đức), có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng. Các module này đ−ợc sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 - 200 là khối vi xử lý trung tâm CPU. Hiện tại, nhờ tiến bộ của khoa học công nghệ đã cho ra đời các thế hệ S7 - 200 ứng với các CPU212, CPU214,… đến CPU221, CPU222, CPU224, CPU226 . Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau của các loại CPU này đ−ợc nhận biết nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. Ví dụ: - CPU212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng đ−ợc mở rộng bằng 2 module mở rộng. - CPU214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng đ−ợc mở rộng bằng 7 module mở rộng. S7 - 200 có nhiều loại module mở rộng khác nhau. Sau đây là hình ảnh một số S7 - 200 với các CPU t−ơng ứng: 2.2. nghiên cứu Phần mềm Simatic S7 – 200 2.2.1. Vòng quét PLC thực hiện ch−ơng trình theo một chu trình lặp mỗi vòng lặp là một vòng quét (scan cycle). Mỗi vòng quét đ−ợc bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đếm ảo, tiếp đến là giai đoạn thực hiện ch−ơng trình sau đó là 2.1a 2.1b Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 30 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi, kết thúc vòng quét là giai đoạn chuyển nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng.trong từng vòng quét ch−ơng trình đ−ợc thực hiện bằng lệnh đầu tiên và lệnh kết thúc tại lệnh kết thúc (MEND). Thời gian quét phụ thuộc độ dài của ch−ơng trình, không phải vòng quét nào thời gian quét cũng bằng nhau mà nó phụ thuộc các lệnh thoả mãn trong ch−ơng trình. Trong thời gian thực hiện vòng quét nếu có tín hiệu báo ngắt ch−ơng trình sẽ dừng lại để thực hiện xử lý ngắt, tín hiệu báo ngắt có thể thực hiện ở bất kỳ giai đoạn nào Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra. Thông th−ờng các lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào ra mà chỉ thông qua các bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn đầu và cuối do CPU đảm đ−ơng. Hình 2.2: Vòng quét 2.2.2. Ph−ơng pháp lập trình S7-200 là ngôn ngữ lập trình. Thông qua S7-200 mà ng−ời sử dụng thông tin đ−ợc với bộ diều khiển PLC bên ngoài. S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. - Cách lập trình cho S7 -200 nói riêng và cho bộ PLC của siemen nói chung dựa trên hai ph−ơng pháp cơ bản . - Ph−ơng pháp hình thang: (lader logic viết tắt là LAD) đây là ph−ơng pháp đồ hoạ thích hợp đối với những ng−ời quen thiết kế mạch điều khiển logic, những 2. Thực hiện ch−ơng trình 1. Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo 3. Truyền thông và tự kiểm tra lỗi 4. Truyền dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 31 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội kỹ s− ngành điện. - Ph−ơng pháp liệt kê: STL(Statement list) đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông th−ờng của máy tính. Bao gồm các câu lệnh đ−ợc ghép lại theo một thuật toán nhất định để tạo một ch−ơng trình. Ph−ơng pháp này phù hợp với các kỹ s− lập trình. Một ch−ơng trình đ−ợc viết theo ph−ơng pháp LAD có thể đ−ợc chuyển sang dạng STL tuy nhiên không phải ch−ơng trình nào viết theo dạng STL cũng có thể đ−ợc chuyển sang dạng LAD. Trong quá trình lập trình điều khiển chúng tôi viết theo ph−ơng pháp LAD do vậy khi chuyển sang STL thì bộ lệnh của STL có chức năng t−ơng ứng nh− các tiếp điểm, các cuộn dây và các hộp dây dùng trong LAD. Để làm quen và hiểu biết các thành phần cơ bản trong LAD và STL ta cần nắm vững các định nghĩa cơ bản sau. - Định nghĩa về LAD: LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thành phần dùng trong LAD t−ơng ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong ch−ơng trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic sau. +Tiếp điểm: là biểu t−ợng (symbol) mô tả các tiếp điểm của rơle. Các tiếp điểm đó có thể là th−ờng mở hoặc th−ờng đóng. +Cuộn dây (Coil): Là biểu t−ợng mô tả rơle đ−ợc mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle. +Hộp(Box): Là biểu t−ợng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm th−ờng biểu diễn bằng hộp là các bộ thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học.Cuộn dây và các hộp phải mắc theo đúng chiều dòng điện. Chiều dòng điện trong mạng LAD đi từ đ−ờng nguồn bên trái sang đ−ờng nguồn bên phải. Đ−ờng nguồn bên trái là dây nóng đ−ờng nguồn bên phải là dây trung hoà hay là đ−ờng trở về của nguồn cung cấp (Khi sử dụng ch−ơng trình tiện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 32 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội dùng Step 7 Micro / Dos hoặc Step 7 Micro / Win thì đ−ờng nguồn bên phải không đ−ợc thực hiện ). Dòng điện chạy từ trái qua các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về nguồn bên phải. - Định nghĩa về STL: Ph−ơng háp liệt kê lệnh là ph−ơng pháp thể hiện ch−ơng trình d−ới dạng tập hợp các câu lệnh. Mỗi câu lệnh trong ch−ơng trình kể cả các lệnh hình thức biểu diễn một chức năng của PLC . Để tạo ra ch−ơng trình STL, ng−ời lập trình cần phải hiểu rõ ph−ơng thức sử dụng 9 bit ngăn xếp logic của S7-200. Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều làm việc với bit đầu tiên hoặc với bit đầu và bit thứ hai của ngăn xếp. Giá trị logic mới đều có thể đ−ợc gửi ( hoặc đ−ợc nối thêm) vào ngăn xếp. Khi phối hợp hai bit đầu tiên của ngăn xếp, thì ngăn xếp sẽ đ−ợc kéo lên một bit. Ngăn xếp và từng bit của ngăn xếp đ−ợc biểu diễn nh− sau: S0 Stack 0 - bit đầu tiên của ngăn xếp (bit trên cùng) S1 Stack 1- bit thứ hai của ngăn xếp S2 Stack 2- bit thứ ba của ngăn xếp S3 Stack 3- bit thứ t− của ngăn xếp S4 Stack 4- bit thứ năm của ngăn xếp S5 Stack 5- bit thứ sáu của ngăn xếp S6 Stack 6- bit thứ bảy của ngăn xếp S7 Stack 7- bit thứ tám của ngăn xếp S8 Stack 8- bit thứ chín của ngăn xếp 2.2.3. Cú pháp lệnh S7-200 Trong S7-200 có một khối l−ợng lệnh t−ơng đối lớn chúng đ−ợc chia làm ba nhóm chính. - Nhóm các lệnh mà khi thực hiện thì làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trị logic của ngăn xếp. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 33 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội - Nhóm các lệnh chỉ thực hiện đ−ợc khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị bằng 1. - Nhóm các nhãn lệnh đánh dấu vị trí trong tập lệnh. Do các lệnh trong S7 – 200 là rất lớn nên chúng tôi chỉ đ−a ra một số lệnh cần thiết cho quá trình lập trình. 2.2.3.1. Lệnh vào/ra - Load (LD): Lệnh LD nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp, các giá trị logic cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bít. - Load Not (LDN): Là lệnh nạp giá trị logic nghịch đảo của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp, các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit . Khi biểu diễn LAD các lệnh đ−ợc thể hiện nh− sau: - Tiếp điểm th−ờng mở sẽ đ−ợc đóng nếu n=1. - Tiếp điểm th−ờng đóng sẽ mở nếu n=1. - Tiếp điểm th−ờng mở sẽ đóng tức thời khi n=1. - Tiếp điểm th−ờng đóng sẽ mở tức thời khi n=1. Các lệnh đ−ợc biểu diễn trong STL nh− sau: - LD n lệnh nạp giá trị logic của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp. - LDN n lệnh nạp giá logic nghịch đảo của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp. - LDI n lệnh nạp tức thời giá trị logic của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp. - LDNI n lệnh nạp giá trị nghịch đảo của điểm n vào bit đầu tiên của ngăn xếp. Trong đó n là toán hạng . Đối với các lệnh th−ờng mở, th−ờng đóng, LD, LDN thì n là toán hạng đầu vào, đầu ra, bộ nhớ, bộ đếm, bộ thời gian và miền . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 34 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Đối với các lệnh th−ờng mở đóng tức thời , th−ờng đóng mở tức thời, LDI, DNI thì n là toán hạng đầu vào. 2.2.3.2. Các lệnh ghi xoá giá trị cho tiếp điểm - SET (S): lệnh dùng để đóng các điểm gián đoạn đã đ−ợc thiết kế. - RESET (R): Lệnh dùng để ngắt các điểm gián đoạn đã đ−ợc thiết kế. Trong LAD, logic điều khiển dòng điện đóng hoặc ngắt các cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuộn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm (hoặc một dãy các tiếp điểm). Trong STL, lệnh truyền trạng thái bit đầu của ngăn xếp các điểm thiết kế. Nếu bit này có giá trị bằng 1, các lệnh S và R sẽ đóng ngắt tiếp điểm hoặc một dãy các tiếp điểm (giới hạn từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này. 2.2.3.3. Các lệnh logic đại số Boolean Là các lệnh mà khi thực hiện thì làm việc độc lập không phụ thuộc giá trị logic của ngăn xếp. Các lệnh tiếp điểm của đại số Boolean cho phép tạo lập đ−ợc các mạch logic (không có nhớ ). Khi thực hiện các lệnh tiếp điểm đại số Boolean trong LAD thì các lệnh này đ−ợc biểu diễn thông qua cấu trúc mạch , mắc nối tiếp hay song song các tiếp điểm th−ờng đóng và các tiếp điểm th−ờng mở. Còn trong STL các tiếp điểm đ−ợc thay bằng các lệnh A ( And ) và O ( Or ) cho các hàm hở hoặc các lệnh AN (And not), ON (Or not) cho các hàm kín. Giá trị của ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh . Ngoài những lệnh làm việc trực tiếp với tiếp điểm, S7-200 còn có 5 lệnh đặc biệt biểu diễn các phép tính của đại số Boolean cho các bit trong ngăn xếp, đ−ợc gọi là các lệnh Stack logic. Đó là các lệnh ALD (And load), OLD (Or load), LPS (Logic push), LRD (Logic read) và LPP (Logic pop). Lệnh Stack logic đ−ợc dùng để tổ hợp, sao chụp hoặc xoá các mệnh đề logic. LAD không có bộ đếm dành cho lệnh Stack logic. STL sử dụng các lệnh Stack logic để thực hiện ph−ơng trình tổng thể có nhiều biểu thức con. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 35 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Bảng lệnh logic đại số boolean Lệnh Chức năng Toán hạng O n A n Lệnh thực hiện toán tử ^ (A) và V (O) giữa giá trị logic của tiếp điểm n và giá trị bít đầu tiên trong ngăn xếp. Kết quả đ−ợc ghi vào bít đầu tiên của ngăn xếp. n: I,Q,M,SM, T,C,V AN n ON n Lệnh thực hiện toán tử ^ (A) và V (O) giữa giá trị logic nghịch đảo của tiếp điểm n và giá trị bít đầu tiên trong ngăn xếp. Kết quả đ−ợc ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp. AI n OI n Lệnh thực hiện tức thời toán tử ^ (A) và V (O) giữa giá trị logic của tiếp điểm n và giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp. Kết quả đ−ợc ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp. n: I (bit) ANI n ONI n Lệnh thực hiện toán tử ^ (A) và V(O) giữa giá trị lo gic nghịch đảo của tiếp điểm n và giá trị bít đầu tiên trong ngăn xếp. Kết quả đ−ợc ghi lai vào bít đầu tiên trong ngăn xếp. N: I (bit) Bảng 2.1: Bảng lệnh logic đại số boolean Các lệnh Stack logic nh− các lệnh: - Lệnh ALD ( And Load): Lệnh tổ hợp giá trị của bit đầu tiên và bit thứ hai của ngăn xếp bằng phép tính logic A. Kết quả ghi lại vào bit đầu tiên trong ngăn xếp giá trị còn lại của ngăn xếp đ−ợc kéo lên một bit. Ví dụ: Sơ đồ hình thang Liệt kê lệnh I1.0 I1.1 Q1.1 I1.2 LD I 1.0 LD I 1.1 O I 1.2 ADL = Q 1.1 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 36 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội - Lệnh OLD ( Or Load): Lệnh tổ hợp giá trị của bit đầu tiên và bit thứ hai trong ngăn xếp bằng phép tính logic O. Kết quả đ−ợc ghi lại vào bit đầu tiên trong ngăn xếp, giá trị còn lại của ngăn xếp đ−ợc kéo lên một bit. Ví dụ: Sơ đồ hình thang Liệt kê lệnh I0.1 I0.2 Q0.1 I0.3 I0.4 LD I0.1 LD I0.2 LD I0.3 A I0.4 OLD AND = Q0.1 Tuy nhiên trong nhiều tr−ờng hợp ta có thể dựa vào tính giao hoán của các phép tính A và O trong đại số Boolean có thể biến đổi mạch logic phức tạp thành mạch logic đơn giản sao cho khi lập trình Simatic S7-200 chúng ta không cần dùng các lệnh Stack logic nữa. 2.2.3.4. Các lệnh so sánh. Khi lập trình, nếu các quyết định về điều khiển đ−ợc thực hiện dựa trên kết quả của việc so sánh thì có thể sử dụng lệnh so sánh theo byte, từ hay từ kép của S7 - 200. LAD sử dụng lệnh so sánh để so sánh các giá trị của byte, từ và từ kép ( giá trị thực hoặc nguyên). Những lệnh so sánh th−ờng là: so sánh bằng (=), lớn hơn hoặc bằng (>=), nhỏ hơn hoặc bằng (<=). Kết quả của phép so sánh có giá trị bằng 0 (nếu đúng) và bằng 1 (nếu sai) do đó chúng đ−ợc kết hợp với các lệnh logic LD, A, O để tạo ra đ−ợc các phép so sánh nh−: khác (), lớn hơn (>), nhỏ hơn (<). Biểu diễn các lệnh so sánh trong LAD nh− sau: - Lệnh so sánh bằng. n1 n2 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 37 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội = = x Tiếp điểm đóng khi n1 = n2. Trong đó: x là B (byte); I (Integer); D (double Integer); R (Real). N toán hạng theo byte: VB, IB, QB, MB, SMB. - Lệnh so sánh > = n1 n2 > = x Tiếp điểm đóng khi n1>=n2. Trong đó n là toán hạng: VW, QW, IW, MW, SMW - Lệnh so sánh < = n1 n2 < = x Tiếp điểm đóng khi n1<=n2. Trong đó toán hạng n: VD, ID, QD, SMD, MD, hằng số. 2.2.3.5. Lệnh điều khiển Timer Timer là tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn th−ờng đ−ợc gọi là khâu trễ. Là nhóm lệnh chỉ thực hiện đ−ợc khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị logic bằng 1. S7-200 có 64 Timer (với CPU 212), 128 Timer (với CPU 214) đ−ợc chia làm hai loại khác nhau hoặc 256 Timer (với CPU224) đó là: Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On –Delay Timer) ký hiệu là TON. - Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On Delay Timer) ký hiệu là TONR. Hai loại TON và TONR sẽ làm việc để tạo thời gian trễ mong muốn khi tín hiệu tại thời điểm có s−ờn lên ở tín hiệu đầu vào, tức là khi tín hiệu đầu vào chuyển trạng thái logic từ 0 lên 1 đ−ợc gọi là thời điểm Timer đ−ợc kích. Đối với bộ timer kiểu TON nó sẽ tự động reset khi đầu vào có giá trị logic bằng 0, còn đối với bộ timer kiểu TONR thì nó không tự động reset mà việc reset lại chỉ đ−ợc thực hiện bằng lệnh R. Timer TON đ−ợc dùng để tạo thời gian trễ trong một khoảng thời gian Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 38 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội ( miền liên thông), còn đối với Timer TONR thời gian trễ sẽ đ−ợc tạo ra trong nhiều khoảng thời gian khác nhau. Khi sử dụng Timer TON hoặc Timer TONR chúng ta phải chú ý đến độ phân giải của chúng để đặt thời gian sao cho phù hợp. Timer TON và Timer TONR bao gồm ba loại với ba độ phân giải khác nhau: độ phân giải 1ms, 10ms và 100ms. Thời gian trễ  đ−ợc tạo ra chính là tích của độ phân giải của bộ Timer đ−ợc chọn và giá trị đặt tr−ớc cho Timer. Ví dụ: Khi ta cho bộ timer có độ phân giải 10ms và giá trị đặt tr−ớc là 60 thì thời gian trễ là: =60*10ms =600ms. Timer của S7-200 có những tính chất cơ bản sau: - Các bộ Timer đ−ợc điều khiển bởi một cổng vào và giá trị đếm tức thời. Giá trị đếm tức thời của Timer đ−ợc nhập trong thanh ghi 2 Byte (gọi là T-Word) của Timer, xác định khoảng thời gian trễ kể từ khi Timer đ−ợc kích. Giá trị đặt tr−ớc của các bộ Timer đ−ợc ký hiệu trong LAD và STL là PT. Giá trị đếm tức thời của thanh ghi T- Word th−ờng xuyên đ−ợc so sánh với giá trị đặt tr−ớc của Timer. - Mỗi bộ Timer ngoài thanh ghi 2 byte T-Word l−u giá trị đếm tức thời còn có một bit, ký hiệu là T- bit, chỉ trạng thái logic đầu ra. Giá trị logic của bit này phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời với giá trị đặt tr−ớc. - Trong khoảng thời gian tín hiệu x(t) có giá trị logic 1, giá trị đếm tức thời T-Word luôn đ−ợc cập nhật và thay đổi tăng dần cho đến khi nó đạt giá trị cực đại. Khi giá trị đếm tức thời lớn hơn hay bằng giá trị đặt tr−ớc thì T- bit có giá trị logic 1. ứng với mỗi loại CPU và độ phân giải chúng ta có giá trị giới hạn của bộ Timer và đ−ợc ký hiệu riêng, tuỳ theo ta sử dụng lệnh ton hay TONR. Bảng 2.2: Giá trị giới hạn của bộ timer nh− sau: Lệnh Độ phân giải Giá trị cực đại CPU212 CPU214 CPU224 1ms 32,767s T32 T32, T96 T32, T96 10ms 327,67s T33 ữT36 T33ữT36, T97 ữT100 T33ữT36, T97 ữT100 TON 100ms 3276,7s T37ữT63 T37ữT63, T101ữT127 T37ữT63, T101ữT255 TONR 1ms 32,767s T0 T0, T64 T0, T64 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 39 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội 10ms 327,67s T1ữT4 T1 ữ T4, T65 ữT68 T1ữT4, T65 ữT68 100ms 3276,7s T5ữT31 T5 ữT31, T69 ữT95 T5ữT31, T69ữT95 2.2.3.6. Lệnh điều khiển bộ đếm Counter Counter là bộ đếm thể hiện chức năng đếm theo s−ờn xung trong S7 – 200. Bộ đếm Counter đ−ợc chia làm hai loại: bộ đếm tiến, ký hiệu (CTU) và bộ đếm tiến lùi, ký hiệu (CTUD). Bộ đếm tiến CTU đếm số s−ờn lên của tín hiệu logic đầu vào tức là đếm số lần thay đổi trạng thái logic 0 lên 1 của tín hiệu. Số s−ờn xung đếm d−ợc ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm giọ là C_Word. C_Word đ−ợc gọi là giá trị đếm tứ thời của bộ đếm và nó luôn đ−ợc so sánh với giá trị đặt tr−ớc của bộ đếm d−ợc ký hiệu là PV. Khi giá trị đếm tức thời bằng hoặc lớn hơn giá trị đặt tr−ớc thì bộ đếm báo ra ngoài bằng cách đặt giá trị logic 1 vào bit đặc biệt C_bit. Bộ đếm tiến cũng nh− bộ đếm tiến lùi đều có phân lối với tín hiệu điều khiển xoá để thực hiện việc đặt lại chế đọ khởi phát ban đầu (Reset) cho bộ đếm đ−ợc ký hiệu bằng chữ cái đầu R trong LAD hoặc qui định là trạng thái logic bit đầu tiên của ngăn xếp trong STL. Bộ đếm đ−ợc Reset khi tín hiệu xoá có tín hiệu logic là 1 hoặc khi lệnh R đ−ợc thực hiện với C_bit. Với tính năng đa dạng, linh hoạt và dễ sử dụng của Simatic S7 – 200 chúng tôi ứng dụng nó để thành lập ch−ơng trình điều khiển. 2.2.4. Soạn thảo ch−ơng trình lập trình trên phần mềm S7 – 200 Phần mềm Step 7 - Micro/Win 32, ng−ời dùng tạo ra các ch−ơng trình và cấu hình d−ới dạng mà họ thích: biểu đồ thang LAD (Ladder diagram), danh sách lệnh STL (Statement list), biểu đồ các khối chức năng (Function block diagram). Một hoặc hai dự án có thể soạn thảo song song cùng một lúc. Việc lập trình đ−ợc đơn giản hoá một cách đáng kể nhờ chức năng “kéo và thả” (drag and drop), cắt, dán Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 40 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình 2.3: Lựa chọn cấu hình lập trình nhờ sử dụng bàn phím hoặc con chuột. Một số chức năng mới cho phép việc tìm và thay thế tự động, xem tr−ớc bản in (print preview), bảng thông tin về các biểu t−ợng có các địa chỉ, biểu t−ợng cũng nh− các địa chỉ đ−ợc hiển thị cho mỗi phần tử trong quá trình làm việc và giám sát tình trạng làm việc. 2.2.4.1. Định cấu hình lập trình Đây là b−ớc quan trọng đầu tiên cần thực hiện gồm có các b−ớc sau: - Lựa chọn trên thanh thực đơn Tools Options nh− trên hình ? - Hộp thoại Options xuất hiện cho phép ta lựa chọn ph−ơng thức lập trình thích hợp nh−: Lựa chọn cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình, ngôn ngữ viết ch−ơng trình….. - Để kết thúc ta nhấn nút ENTER hoặc kích vào nút “OK” để xác nhận những sự lựa chọn đó. 2.2.4.2. Tạo và l−u trữ một Project • Các thành phần của một Project Một Project bao gồm những thành phần sau: + Progam Block : Bao gồm các mã hóa có thể thực hiện đ−ợc và các lời chú thích. Mã hóa có thể thực hiện đ−ợc bao gồm ch−ơng trình chính hay các ngắt và Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 41 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội ch−ơng trình con. Mã hóa đ−ợc tải đến PLC còn các chú thích ch−ơng trình thì không. + Data Block: Khối dữ liệu bao gồm các dữ liệu ( những giá trị bộ nhớ ban đầu, những hằng số ) và các lời chú thích. Dữ liệu đ−ợc tải đến PLC , các lời chú thích thì không. + Symtem Block: Symtem Block chứa các thông tin về cấu hình nh− là các thông số truyền thông, các dải dữ liệu l−u giữ, các bộ lọc đầu vào số và t−ơng tự và thông tin mật khẩu. Các thông tin này đ−ợc tải đến PLC. + Symbol Table: Symbol Table cho phép ch−ơng trình sử dụng những địa chỉ t−ợng tr−ng. Những địa chỉ này đôi khi tiện ích hơn cho ng−ời lập trình và làm cho ch−ơng trình dễ theo dõi hơn . Ch−ơng trình biên dịch tải tới PLC sẽ chuyển các địa chỉ t−ợng tr−ng thành địa chỉ thực. Thông tin trong Symbol Table sẽ không đ−ợc tải tới PLC. + Status Chart : Status Chart cho phép theo dõi cách thức xử lý dữ liệu ảnh h−ởng tới việc thực hiện ch−ơng trình . Status Chart không đ−ợc tải đến PLC ,chúng đơn giản là cách thức quản lý hoạt động của PLC. + Cross Reference: Cửa sổ Cross Reference cho phép kiểm tra những bảng chứa xác toán hạng sử dụng trong ch−ơng trình và cũng là vùng nhớ đã đ−ợc gán (Bit Usage và Bye Usage) . Trong khi ch−ơng trình soạn thảo ở chế độ RUN, ta có thể kiểm tra những số (EU, ED) đang đ−ợc sử dụng trong ch−ơng trình. Thông tin trong Cross Reference và Usage không đ−ợc tải đến PLC. • Cách tạo ra một Project Để tạo một Project mới ta chỉ cần kích hoạt vào biểu t−ợng Step7 - Micro/ Win32 thì một Project mới sẽ đ−ợc tạo ra. Ta có thể tạo một Project mới sử dụng thanh thực đơn bằng cách lựa chọn File  New hoặc ấn tổ hợp phím Ctr+N. Để mở một Project có sẵn bằng cách lựa chọn File Open hoặc ấn tổ hợp phím Ctr+O và lựa chọn tên Project muốn mở. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 42 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội • L−u trữ một Project. Để l−u trữ một Project mới tạo ra, ta lựa chọn lệnh trên thanh thực đơn Project Save All hoặc kích vào biểu tr−ợng trên thanh công cụ hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl+S. 2.2.4.3. Soạn thảo ch−ơng trình Step7 - Micro/Win32 cho phép tạo một ch−ơng trình mà có thể sử dụng một trong 2 cửa sổ là: LAD hoặc STL. • Soạn thảo ch−ơng trình trong LAD. Cửa sổ để soạn thảo ch−ơng trình LAD có dạng nh− sau: Để soạn thảo ch−ơng trình, ta tiến hành theo những b−ớc sau: + Nhập tiêu đề cho vùng soạn thảo bằng cách kích đúp vào dòng chữ xanh các Network. + Để soạn thảo các phần tử thang, ta kích vào biểu t−ợng t−ơng ứng trên thanh chỉ dẫn hoặc lựa chọn trên dang sách chỉ dẫn. Hình 2.4: Cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình LAD Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 43 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình 2.5: Cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình STL + Nhập vào địa chỉ hoặc tham số trong mỗi vùng chữ và ấn ENTER. + Nhập tên, địa chỉ và giải thích cho từng địa chỉ bằng cách vào Viewsymbol Table. • Soạn thảo ch−ơng trình trong STL. Thông th−ờng quá trình soạn thảo đ−ợc viết bằng ch−ơng trình LAD, sau đó chuyển sang dạng STL, cửa sổ giao diện của STL đ−ợc minh họa nh− sau: - Các b−ớc để soạn thảo một ch−ơng trình trong STL: - Tr−ớc hết chia các đoạn ch−ơng trình này thành từng mảng, và mỗi mảng phải có từ khóa NETWORK. - Tr−ớc mỗi lời chú thích phải có một đ−ờng song đôi (//). Khi thêm mỗi dòng cú thích cũng phải bắt đầu bởi đ−ờng song đôi. - Các lệnh, toán hạng địa chỉ của lệnh và lời chú thích phải đ−ợc ngăn cách bởi một khoảng trống hoặc một Tab. - Giữa các toán hạng và địa chỉ không đ−ợc có khoảng cách. - Mỗi toán hạng riêng biệt đ−ợc tách rời bởi một dấu phẩy, một khoảng trống Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 44 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình 2.6: Cài đặt truyền thông giữa máy tính và CPU Cài đặt truyền thông Chọn cáp truyền thông hoặc một Tab. - Sử dụng các lời trích dẫn để thay cho việc soạn thảo tên ký hiệu. 2.2.4.4. Chạy ch−ơng trình Sau khi viết ch−ơng trình và l−u trữ vào bộ nhớ ta tiến hành kết nối và chạy ch−ơng trình theo các b−ớc nh− sau: • Cài đặt truyền thông. Quá trình cài đặt truyền thông để chọn cáp, cấu hình CPU, các địa chỉ truyền thông. Ta tiến hành nh− sau: + Từ thanh thực đơn ViewCommunications nh− hình vẽ: + Sau khi hộp thoại Communications Setup xuất hiện nháy đúp vào biểu t−ợng trên cùng bên phải. Hộp thoại Setting the PG/PC xuất hiện. Trong hộp thoại có nhiều ứng dụng khác nhau nh− là STEP 7 và Win CC, vì thế ta cần phải lựa chọn ứng dụng cần đặt tham số. Khi đã lựa chọn “Micro/WIN” và đã cài đặt trong phần cứng, ta cần đặt thuộc tính thực sự của việc kết nối phần cứng. Đầu tiên cần phải xác định giao thức định sử dụng trong mạng. Nên sử dụng loại PPI. Sau khi đã lựa chọn giao thức sử dụng phải lựa chọn tham số giao diện chính xác trong hộp thoại. Trong đó chứa sẵn các giao diện đă cài đặt cùng với loại giao thức trong ngoặc đơn. Chẳng hạn chọn “PC/PPI cable(PPI)”. Sau đó ta phải lựa chọn các tham số liên quan với cấu hình hiện có. Kích vào nút “Properties....” trong hộp thoại để lựa chọn. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 45 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình2.7: Hộp thoại Set PG/PC Interface • Nạp ch−ơng trình vào CPU. Sau khi cài đặt truyền thông ta nạp ch−ơng trình vào CPU bằng việc Download ch−ơng trình. 2.2.4.5. Cách Download một ch−ơng trình Nếu đã thiết lập thành công liên kết giữa PC và PLC ta có thể Download ch−ơng trình tới PLC đó. • Chú ý: Khi Download ch−ơng trình tới PLC nội dung của nó sẽ đ−ợc ghi đè lên nội dung hiện thời của PLC .Vì vậy phải chắc chắn là muốn ghi đè lên tr−ớc khi bắt đầu Download . Các b−ớc tiến hành: + Tr−ớc khi Download ta phải chắc chắn PLC ở chế độ STOP . Kiểm tra đèn báo hiệu của PLC, nếu ch−a ở trạng thái đó phải kích nut “STOP” trên thanh công cụ hoặc chọn PLCSTOP . + Kích nút trên thanh công cụ hay chọn PLC Download + Theo mặc định, hộp kiểm “Program Code Block”, “Data Block”, “CPU conguartion” đã đ−ợc đánh dấu . Nếu không muốn Download khối nào có thể xoá bỏ đánh dấu. - Kích vào “OK” để bắt đầu. - Nếu Download thành công hộp thoại “Download Successful” xuất hiện. - Chuyển trạng thái của PLC từ STOP sang RUN tr−ớc khi chạy ch−ơng trình trên PLC. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 46 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội - Nếu Download không thành công ta phải thiết lập lại truyền thông giữa PLC và PC và thực hiện lại các b−ớc nh− trên. 2.3. nghiên cứu Phần cứng Simatic S7 - 200 2.3.1. Khái quát chung về PLC Thiết bị điều khiển logic lập trình đ−ợc (PLC) hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi. Chức năng điều khiển của PLC có thể thay thế cả một mảng rơle, hơn thế nữa, PLC giống nh− một máy tính nên có thể lập trình đ−ợc. Ch−ơng trình của PLC có thể thay thế rất dễ dàng, các ch−ơng trình con cũng có thể đ−ợc sửa đổi nhanh chóng. Vì vậy không chỉ có các chuyên gia phần mềm mà ngay cả các kỹ thuật viên hay ng−ời vận hành cũng có thể lập trình đ−ợc cho PLC. Trong cạnh tranh công nghiệp thì hiệu quả của nền sản xuất nói chung là chìa khoá của thành công. Hiệu quả của nền sản xuất bao trùm những lĩnh vực nh−: - Tốc độ sản xuất ra một sản phẩm của thiết bị và của dây chuyền phải nhanh. - Giá nhân công và vật liệu làm ra sản phẩm phải hạ. - Chất l−ợng cao và ít phế phẩm. - Thời gian chết của máy móc là tối thiểu. - Máy sản xuất có giá rẻ. Các bộ điều khiển ch−ơng trình đáp ứng đ−ợc hầu hết các yêu cầu trên và nh− là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Tr−ớc đây thì việc tự động hoá chỉ đ−ợc áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao. Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau với số l−ợng không lớn, để nâng cao năng suất, chất l−ợng và nhằm cực tiểu hoá vốn đầu t− cho xí nghiệp. Các thế hệ PLC mới, các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) bao gồm các thiết bị nh− máy điều khiển số, robot công nghiệp, dây truyền tự động, máy tính hoá công nghiệp đã đáp ứng rất tốt các yêu cầu này. 2.3.2. Sự phát triển của PLC. Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật, tr−ớc đây ng−ời ta chỉ phân biệt hai phạm trù kỹ thuật điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện tử. Từ cuối thế kỷ XX ng−ời ta đã dùng nhiều chỉ tiêu chi tiết để phân biệt các Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 47 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội loại kỹ thuật điều khiển, vì trong thực tế sản xuất còn đòi hỏi tổng thể những hệ thống máy chứ không chỉ điều khiển từng máy đơn lẻ. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đ−ợc sáng tạo từ những ý t−ởng ban đầu của một nhóm kỹ s− thuộc hãng general motors vào những năm 1968-1970. Nó phát triển trên cơ sở máy tính và đã từng b−ớc phát triển tiếp cận theo các nhu cầu của công nghệ. Quy trình lập trình lúc ban đầu đ−ợc chuẩn bị để sử dụng trong các xí nghiệp điện tử mà rơle điện từ ở đó không đáp ứng đ−ợc những yêu cầu điều khiển cao. Ngày nay, do yêu cầu của nền sản xuất là cần phải một lúc có thể điều khiển đ−ợc nhiều quy trình công nghệ. Do đó PLC đã phát triển rất mạnh về số l−ợng đầu vào/ra và các bộ nhớ ch−ơng trình của nó. Loại PLC cỡ vừa mã hiệu CQM1H có tối đa 512 đầu vào/ra, bộ nhớ ch−ơng trình 15,2 kword, lớn hơn nhiều so với các bộ điều khiển PLC tr−ớc kia chỉ có vài chục đầu vào/ra và bộ nhớ ch−ơng trình chỉ tối đa là 1kword đến 2 kword. Để cho phép ng−ời sử dụng trao đổi thông tin giữa các môi tr−ờng làm việc, ng−ời ta con trang bị thêm cho PLC hệ thống thông tin, các bộ điều khiển khả trình loại nhỏ PLC S7-200 của siemens hiện đ−ợc thiết lập các chức năng công nghệ thông tin. Các chức năng này đ−ợc cung cấp bởi bộ xử lý truyền thông công nghiệp mạng ethernet. Các chức năng thông tin đặc biệt sẽ rất hữu ích trong các ứng dụng nh−: tự động hoá trong toà nhà, các trạm thuỷ điện, các trạm phát điện nhờ sức gió hay các hệ thống giao thông vận tải. Ngoài ra PLC hiện đại còn đ−ợc trang bị hại loại CS1 và CJ1 hội tụ những tiến bộ của ngành công nghệ tự động hoá. CJ1 chỉ có kích th−ớc rất khiêm tốn ch−a cao bằng chiếc card visit nh−ng có thể quản lý tới 2560 đầu vào/ra. Khi số đầu vào ra tăng lên, ch−ơng trình điều khiển cũng sẽ dài ra và phức tạp hơn, vì vậy dẫn tới thời gian quét thực thi ch−ơng trình sẽ chậm đi. CJ1 có thể xử lý nhanh hơn tới 30 lần so với thế hệ PLC tr−ớc, nó có thể thực thi 30.000 lệnh chỉ trong thời gian 1ms. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 48 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Loại PLC mới này mang lại những lợi ích đó là tính năng hỗ trợ nhiều ng−ời lập trình, thậm trí là cùng một lúc. Những ứng dụng đòi hỏi thời gian đáp ứng cao cũng th−ờng là những ứng dụng phức tạp, yêu cầu nhiều công sức. Tính hiệu quả của PLC này còn đ−ợc thể hiện khả năng phân tán các đầu vào ra trên nhiều khu vực khác nhau nh−ng vẫn đ−ợc quản lý tập trung. Ngoài khả năng giảm đáng kể dây dẫn kết nối, tăng độ tin cậy và giảm thời gian sửa lỗi, PLC còn có tính năng vào ra thông minh. Ví dụ: một đầu ra rơle có thể tự ghi lại số lần đóng mở tiếp điểm. cpu của PLC chính có thể đọc thông tin này và thông báo cho nhân viên bảo d−ỡng cần kiểm tra hay thay thế tiếp điểm khi tuổi thọ làm việc đến hạn. Loại CS1D là một loại PLC mới có tính năng dự phòng ở nhiều cấp độ: - Dự phòng nguồn. - Dự phòng cpu. - Dự phòng bus. Khi bất kỳ một thành phần nào của hệ thống có dự phòng bị sự cố, ng−ời vận hành có thể thay thế nó bằng một module mới mà không cần tắt nguồn. Sự phát triển của công nghệ đã giúp PLC ngày một mạnh hơn, thông minh hơn, nhỏ hơn, trong khi đó sự cạnh tranh của thị tr−ờng lai làm cho giá thành của nó ngay càng giảm đi dẫn đến khả năng ứng dụng của nó ngày càng cao và mang lại muôn vàn lợi ích cho nhân loại. 2.3.3. Vai trò của PLC. Trong một hệ thống thiết bị điều khiển tự động, bộ điều khiển PLC đ−ợc coi nh− bộ não có khả năng điều hành toàn bộ hệ thống. Với một ch−ơng trình ứng dụng điều khiển ( l−u giữ trong bộ nhớ PLC ) trong khâu chấp hành, PLC giám sát chặt chẽ, ổn định chính xác trạng thái của hệ thống thông qua tín hiệu của các thiết bị đầu vào. Sau đó nó sẽ căn cứ trên ch−ơng trình logic để xác định tiến trình hoạt động đồng thời truyền tín hiệu tới thiết bị đầu ra. PLC có thể đ−ợc sử dụng để điều khiển những thao tác ứng dụng đơn giản, lặp đi lặp lại hoặc một vài thiết bị trong số chúng có thể đ−ợc nối mạng cùng với hệ Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 49 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội thống điều khiển trung tâm hoặc những máy tính trung tâm thông qua một phần của mạng truyền dẫn. Với mục đích để tổ hợp việc điều khiển một quá trình xử lý phức tạp. Ngày nay, với những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ siêu nhỏ đem lại hiệu năng cao và tối thiểu hoá kích th−ớc, chúng đã mở ra thị tr−ờng mới cho PLC. Các phần cứng điều khiển hoặc các điều khiển dựa trên máy tính PC (Personal Computer ) đ−ợc mở rộng với các tính năng thực, nay đã có thể điều khiển các quá trình tự động hoá phức tạp. Nhiều loại PLC khác nhau bao trùm nhiều chức năng, từ các máy tính mạng nhỏ và các khối phân tán cho tới các PLC hiệu năng cao, ít lỗi, có tính modul. Chúng khác nhau về tốc độ xử lý, khả năng nối mạng hoặc các modul vào ra. Các PC hiện đại đã cho phép phát triển công cụ lập trình PLC nhanh chóng trong vòng 10 năm qua. Các ph−ơng pháp lập trình PLC truyền thống nh− danh sách lệnh, logic b−ớc hoặc sơ đồ hàm hệ thống điều khiển, cho tới nay đang đ−ợc áp dụng mạnh mẽ và đang trên con đ−ờng đạt tới đỉnh cao của nó. 2.3.4. Ưu điểm của PLC. Với khả năng lập trình đơn giản, cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính. Đến nay bộ điều khiển PLC đạt đ−ợc những −u thế cơ bản trong việc ứng dụng điều khiển các dây truyền công nghệ: • Chuẩn bị vào tác động nhanh. • Độ tin cậy cao và ngày càng tăng. • Dễ dàng thay đổi hoặc soạn thảo ch−ơng trình. • Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản. • Xử lý t− liệu tự động. • Khả năng tái tạo. • Tiết kiệm không gian. • Sự cải biến thuận tiện. • Thích ứng trong môi tr−ờng khắc nghiệt. • Có thể tính toán đ−ợc giá thành. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 50 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội • ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng. + So sánh với hệ thống điều khiển logic thông th−ờng (dạng kinh điển) thì hệ thống điều khiển dùng PLC có những chỉ tiêu −u việt hơn hẳn: Chỉ tiêu Điều khiển Logic kinh điển Điều khiển Logic khả trình Phần tử điều khiển (Phần cứng) Mục đích đặc biệt Mục đích chung Phạm vi điều khiển Nhỏ và trung bình Trung bình và lớn Thay đổi hoặc thêm bớt Khó Dễ Bảo trì bảo d−ỡng Khó thực hiện Dễ thực hiện Độ tin cậy Phụ thuộc vào thiết kế và chế tạo Cao Hiệu quả kinh tế Ưu điểm ở vùng hoạt động công suất nhỏ Ưu điểm với mọi vùng hoạt động 2.3.5. Hiệu quả kinh tế của PLC. Khi sử dụng một ph−ơng án nào trong điều khiển tự động thì ngoài yếu tố kỹ thuật chúng ta cũng phải xét đến tính kinh tế của ph−ơng án đó để xem ph−ơng án có thể khả thi hay không?. Nếu ph−ơng án đó khả thi thì cả hai yếu tố kinh tế kỹ thuật đều phải đảm bảo. Do PLC ra đời thay thế cho hệ rơle nên việc so sánh PLC và hệ rơle đã đ−ợc các nhà đầu t− tính toán và đ−a ra kết quả d−ới đây: Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 51 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Từ hình 2.3.5 có thể thấy rằng: Về mặt kinh tế, việc sử dụng PLC kinh tế hơn hệ Rơle rất nhiều ở quy mô sản xuất lớn, vì tổng chi phí của một hệ PLC thấp hơn so với tổng chi phí cho một hệ Rơle. Về mặt kỹ thuật, thì việc sử dụng bộ PLC có một hạn chế là phải dùng đội ngũ nhân viên kỹ thuật trình độ cao thì mới có thể thiết kế lập trình và thao tác bộ PLC. Tuy nhiên với tính năng hơn hẳn hệ rơle, ng−ời ta đã sử dụng PLC thay thế cho hệ rơle. D−ới đây chúng tôi đ−a ra một số −u, nh−ợc điểm về mặt kỹ thuật của hai hệ điều khiển này: Điều khiển bằng Rơ Le Điều khiển bằng PLC Ưu điểm + Nắm biết đ−ợc và độ tin cậy trong một thời gian dài. Ưu điểm + Độ tin cậy cao nhờ sử dụng các phần tử tiếp xúc. Hình 2.8: So sánh kinh tế Rơle và PLC Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 52 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội + Nắm biết đ−ơc độ tin cậy. + Nhiều bộ phận đã tiêu chuẩn hoá. + Rất ít nhạy cảm với nhiễu. + Kinh tế nhất đối với hệ thống nhỏ. + Thay đổi dễ dàng qua công nghệ phích cắm. + Lắp đặt đơn giản. + Thay đổi nhanh quy trình điều khiển mà không cần thay đổi phần cứng. + Kích th−ớc nhỏ. + Có thể nối với mạng máy tính. Nh−ợc điểm + Thời gian lắp đặt lâu ( nối dây, nối mạch). + Thay đổi quy trinh rất khó khăn do phải đổi lại phần cứng của hệ thống. + Khó theo dõi và kiểm tra các hệ thống lớn, phức tạp. + Có h− hao trong sử dụng, do đó cần bảo d−ỡng th−ờng xuyên. + Kích th−ớc lớn. Nh−ợc điểm + Giá thành tạo dựng cao. + Ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ "đóng", mỗi hãng sản xuất có một ngôn ngữ riêng, dẫn đến khó khăn cho việc trao đổi ngôn ngữ lập trình. Những −u điểm trên đây của bộ điều khiển PLC so với bộ điều khiển bằng rơle đã cho phép nó có mặt hầu hết trong quá trình điều khiển từng máy, thiết bị sản xuất độc lập hoặc cả một dây chuyền sản xuất lớn. Và đặc biệt bộ điều khiển PLC đã thay thế hoàn toàn bộ điều khiển bằng rơle trong những quá trình điều khiển quan trọng của quá trình sản xuất. 2.3.6. ứng dụng của PLC Đối với mỗi hệ thống điều khiển, PLC đều có những chức năng khác nhau để Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 53 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội ứng dụng vào hệ thống đó. D−ới đây chúng tôi xin trình bày chức năng của PLC đối với từng kiểu điều khiển. Kiểu điều khiển Chức năng Điều khiển chuyên gia giám sát + Thay cho điều khiển rơle. + Thời gian đếm. + Thay cho các panel điều khiển mạch in. + Điều khiển tự động, bán tự động, bằng. tay các máy và các quá trình. Điều khiển dãy + Thực hiện các phép toán số học. + Cung cấp thông tin. + Điều khiển liên tục (Nhiệt độ áp xuất). + Điều khiển động cơ chấp hành. + Điều khiển động cơ b−ớc. Điều khiển mềm dẻo + Điều hành quá trình và báo động. + Phát hiện lỗi và điều hành. + Ghép nối với máy tính (RS232/RS242). + Ghép nối với máy in. + Mạch tự động hoá xí nghiệp. Trong việc điều khiển, chức năng của PLC còn đ−ợc thể hiện ở chỗ: - thu nhận các tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi (Từ các cảm biến). - Liên kết ghép nối và đóng mở mạch phù hợp với ch−ơng trình. - Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu đ−ợc. - Phát triển các lệnh điều khiển đó đến các địa chỉ thích hợp. • Chúng tôi có thể liệt kê một số ứng dung thông dụng của PLC: - Hệ thống cấp nhiên liệu. - Hệ thống điều khiển băng truyền. - Điều khiển dây truyền đóng gói. - Điều khiển chuyển động của Robot. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 54 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội - Công nghệ giấy. - Chế tạo kính. - Sản xuất xi măng. - Công nghệ in. - Xử lý thực phẩm. - Các máy công cụ. - Sản xuất thuốc lá. - Công nghiệp giấy và nghiền. - Điều khiển quá trình tháo rót. - Thiết bị xử lý hoá chất. - Điều khiển thiết bị điều hoà không khí. - Điều khiển thiết bị xử lý giám sát. - Dây truyền chế tạo linh kiện điện - điện tử. - Nhà máy hoá dầu. - Hệ thống điều khiển đèn giao thông. - Hệ thống điều khiển ga xe lửa. - Nhà máy chế tạo Ôtô. - Hệ thống điều khiển an toàn. - Hệ thống điều khiển thang máy. - Hệ thống điều khiển nhà máy điện. - Luyện phôi chế tạo thép. - Tự động hoá trong xây dựng. - Điều khiển máy khoan. - Tự động hoá trong nông nghiệp. 2.3.7. Cấu trúc cơ bản của PLC. • Cấu trúc cơ bản của PLC nói chung. Thiết bị lập trình Bộ nhớ GiaoGiao Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 55 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội • Bộ sử lý trung tâm (CPU). Đ−ợc xây dựng từ các vi sử lý (8 bit, 12 bit hoặc 32 bit) có các bộ nhớ ch−ơng trình RAM, ROM. Thông th−ờng nó có 2 cổng giao diện với thiết bị ngoại vi là máy tính (PC) và bộ lập trình. Bộ xử lý trung tâm ghép nối vào - ra qua 3 BUS : BUS dữ liệu, BUS điều khiển và BUS địa chỉ. Chức năng của bộ vi xử lý trung tâm trong PLC là : Điều khiển và kiểm soát các ch−ơng trình đ−ợc l−u dữ trong bộ nhớ một cách tuần tự. Nó liên kết các tín hiệu lại với nhau theo quy định và từ đó đ−a ra các lệnh cho đầu ra. Sự thao tác tuần tự của ch−ơng trình dẫn đến 1 thời gian trễ, khi đó bộ đếm của ch−ơng trình quét qua 1 ch−ơng trình đầy đủ rồi sau đó lại lặp lại. Thời gian của chu kì này đ−ợc gọi là "thời gian quét" và phụ thuộc vào dung l−ợng của bộ nhớ. • Bộ nhớ ch−ơng trình. Th−ờng là các bộ phận l−u trữ điện tử nh− : RAM, PROM, hoặc EPROM. Ch−ơng trình điều khiển khi tải xuống từ thiết bị lập trình, chúng sẽ đ−ợc giữ lại trong các bộ nhớ này. Hình 2.9: Sơ đồ khối của PLC Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 56 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội Để duy trì ch−ơng trình trong tr−ờng hợp mất điện nguồn đột ngột, ta phải cung cáp 1 nguồn dự phòng cho các bộ nhớ này. Trong thiết kế ng−ời ta th−ờng chia bộ nhớ thành từng modul để cho phép điều khiển các ch−ơng trình có kích th−ờng khác nhau. Khi cần mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thêm các thẻ nhớ điện tử vào các panel của PLC. • Modul đầu vào. Chứa các bộ lọc và bộ thích ứng năng l−ợng. Nó có chức năng chuẩn bị các tín hiệu của phần tử đầu vào d−ới dạng tín hiệu t−ơng tự hoặc số, sau đó chuyển và CPU để xử lý. Để thuận tiện trong việc điều khiển, các modul đầu vào đ−ợc thiết kế để có thể nhận nhiều đầu vào và mỗi đầu vào th−ờng đ−ợc trang bị 1 điốt phát quang để kiểm tra h− hỏng. • Modul đầu ra. đ−ợc cấu tạo nh− modul đầu vào. Nó có chức năng truyền các thông tin đến các phần tử kích hoạt cho các thiết bị làm việc. Vì vậy modul đầu ra đ−ợc thiết kế để thích hợp với nhiều mạch phối ghép khác nhau. Việc kiểm tra, quan sát trực quan đ−ợc thể hiện qua các điot phát quang ở mỗi đầu ra. • Bộ nguồn cung cấp. thông th−ờng nguồn cung cấp cho PLC đ−ợc cấp từ nguồn 220V ~ hoặc 110V~ (tần số 50 ữ 60 Hz) hoặc 24V 1 chiều. Bộ nguồn sẽ cho ra các ngồn ổn định cao, cấp cho CPU, hoặc cho modul đầu vào và modul đầu ra. 2.3.8. Cấu trúc cơ bản của PLC S7 - 200 với khối xử lý CPU224. • Kết nối với máy tính: Để có thể lập trình điều khiển hệ thống và nạp S7-200 cần phải kết nối nó với máy tính theo sơ đồ nh− sau: Q0.0 ữ Q2.7 Module mở rộng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 57 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội • Cấu hình cứng CPU 224. Do thiết bị điều khiển chúng tôi sử dụng trong đề tài là CPU 224, vì vậy chúng tôi chỉ trình bày cấu trúc của CPU 224. CPU 224 có đầy đủ tính năng của các CPU phiên bản tr−ớc cùng với những cải tiến đáng kể về kỹ thuật. • Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224. Hình2.11: Mô hình phần cứng CPU224 Đèn báo Cổng truyền thông Đầu ra Đầu vào Nối Modul mở rộng Nguồn vào Hộp công tắc Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 58 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội - Bộ nhớ ch−ơng trình : 8KB. - Bộ nhớ dữ liệu: 5 KB. - Ngôn ngữ ch−ơng trình : LAD, FBD, STL. - Bảo vệ ch−ơng trình : 3 mức password bảo vệ. - 256 bộ đếm: 6 bộ đếm tốc độ cao(30 kHz), bộ đếm A/B(tối đa 20 kHz), có thể sử dụng đếm tiến, đếm lùi hoặc cả đếm tiến và lùi. - 128 bộ Timer chia làm 3 loại có độ phân giải khác nhau: 4 bộ Timer 1ms, 16 bộ Timer 10 ms, 236 Timer 100 ms. - Số đầu vào ra: có 14 đầu vào số, 10 đầu ra số. - Có tối đa 94 đầu vào số, 74 đầu ra số, 28 đầu vào t−ơng tự, 7 đầu ra t−ơng tự với 7 modul mở rộng t−ơng tự và số. - 2 bộ điều chỉnh t−ơng tự. - 2 đầu phát xung tốc độ cao, tần số 20 kHz cho dãy xung kiểu PTO hoặc PWM. Việc kết hợp đầu ra số tốc độ cao và bộ đếm tốc độ cao có thể sử dụng cho các ứng dụng cần điều khiển có phản hồi tốc độ. - Tốc độ xử lý logic 0.37 μs. - Các chế độ ngắt và xử lý ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo s−ờn lên hoặc s−ờn xuống của xung, ngắt của bộ đếm tốc độ cao, và ngắt truyền xung. • Mô tả các đèn báo trên CPU. - SP(đèn đỏ ): Đèn đỏ báo hiệu hệ thống bị hỏng. - RUN(đèn xanh): Đèn xanh chỉ định PLC làm việc và ch−ơng trình đ−ợc nạp vào máy. - STOP:(đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ dừng, dừng ch−ơng trình đang thực hiện lại. - Ix.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ trạng thái tức thời của cổng vào Ix.x. Đèn này báo tín hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng. - Qx.x(đèn xanh): Đèn này báo hiệu trạng thái tức thời của cổng ra Qx.x,trạng thái tín hiệu đầu ra theo giá trị logic của cổng. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 59 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội • Cổng truyền thông. S7 - 200 sử dụng cổng RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với trạm PLC khác.Tốc độ truyền cho máy lập trình (kiểu PPI) là 9600 baud. Tốc độ cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ 300 đến 38400 baud. S7 - 200 khi ghép nối với máy lập trình PG702 hoặc các máy lập trình thuộc họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI .Cáp đó kèm theo máy lập trình. Ghép nối máy tính PC qua cổng RS 232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232 /RS 485. • Công tắc chọn chế độ làm việc cho CPU 224. Công tắc chọn chế độ làm việc có ba vị trí cho phép lựa chọn các chế độ làm việc khác nhau cho CPU 224 - RUN cho phép PLC thực hiện ch−ơng trình.PLC S7 200 sẽ rời khỏi chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong ch−ơng trình gặp lệnh STOP ,thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN . Nên quan trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo. - STOP c−ỡng bức PLC dừng công việc thực hiện ch−ơng trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP. ở chế độ STOP PLC cho phép hiệu chỉnh lại ch−ơng trình hoặc nạp lại ch−ơng trình mới. - TERM cho phép máy lập trình quyết định một trong chế độ làm việc hoặc ở RUN hoặc ở STOP. • Cấu trúc bộ nhớ của CPU 224. Bộ nhớ của PLC S7 200 đ−ợc chia làm 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn.Bộ nhớ của S7 200 có tính năng động cao ,đọc và ghi trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt chỉ có thể truy cập để đọc. - Vùng ch−ơng trình: Là miền bộ nhớ đ−ợc sử dụng để l−u trữ các lệnh ch−ơng trình. Vùng này thuộc kiểu non- volatile đọc ghi đ−ợc. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 60 - Tr−ờng ĐHNNI_ Hà Nội - Vùng tham số: Là miền l−u giữ các tham số nh− : từ khóa, địa chỉ trạm....Cũng giống nh− vùng ch−ơng trình ,vùng tham số đọc /ghi đ−ợc. - Vùng dữ liệu: Đ−ợc sử dụng để cất các dữ liệu của ch−ơng trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số đ−ợc định nghĩa trong ch−ơng trình,bộ đệm truyền thông. - Vùng đối t−ợng: Bao gồm Timer, bộ đếm tốc độ cao và các đầu ra t−ơng tự.