Đồ án Thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn

đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 1 Mở đầu 1. đặt vấn đề Từ xa x−a con ng−ời chỉ sinh sống với dụng cụ rất thô sơ nh− rìu, búa bằng đá, dùng các dụng cụ tự nhiên, nh−ng khi đó là dân số con ng−ời còn thấp, tài nguyên thiên nhiên còn dồi dào. Nh−ng khi xã hội phát triển thì nhu cầu sống của con ng−ời ngày càng tăng, nh−ng tài nguyên thiên nhiên thì ngày càng cạn kiệt, chính điều đó thúc đẩy con ng−ời phải lao động để tạo ra của cải vật chất phục vụ đời sống. Thế nh−ng ngày nay thế giới đã b−ớc vào thế kỷ XXI tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt môi tr−ờng ô nhiễm khắp nơi, nh−ng nhu cầu sống và h−ởng thụ của con ng−ời lại ngày càng cao, dân số thế giới vẫn tăng vọt, làm cho thế giới sẽ không đủ các sản phẩm để cung cấp cho mọi ng−ời nếu hoạt động lao động chỉ là thủ công. Để giải quyết vấn đề đó chỉ có con đ−ờng duy nhất là ứng dụng tự động hoá vào sản xuất . Các n−ớc trên thế giới đã sớm nhận biết điều này và đã ứng dụng tự động hoá vào sản xuất từ rất sớm, kết quả là họ sớm có một nền sản suất đại công nghiệp đ−a ra thị tr−ờng hàng loạt sản phẩm số l−ợng lớn, chất l−ợng cao tăng thu nhập cho quốc gia, nh− Anh, Pháp, Mỹ…. chính công nghệ tự động hoá cao ứng dụng vào sản xuất đã đ−a các quốc gia này trở thành các c−ờng quốc giàu mạnh có vị thế cao trên tr−ờng quốc tế. N−ớc ta thuộc nhóm các n−ớc đang phát triển với một nền kinh tế nông nghiệp truyền thống, qua nhiều thập niên trở lại đây nền nông nghiệp của việt nam ngày càng phát triển vững mạnh, và đến nay nền kinh tế thế giới đang chuyển mạnh sang các ngành công nghiệp và dịch vụ đặc biệt là công nghệ thông tin, với việt Nam nông nghiệp vẫn là một ngành có đóng góp đáng kể vào tổng thu nhập quốc dân. Chính vì vậy mà nền nông nghiệp n−ớc ta luôn đ−ợc sự quan tâm của đảng và của nhà n−ớc , nhờ đó mà ngành nông nghiệp đã có nhiều b−ớc phát triển v−ợt bậc, sản l−ợng thu hoạch đ−ợc từ các loại nông sản qua các mùa vụ ngày càng đ−ợc nâng cao. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 2 Tuy nhiên ngày nay nhu cầu về sản phẩm nông nghiệp không chỉ đơn giản là số l−ợng mà phải đảm bảo cả về số l−ợng và chất l−ợng, nhất là khi môi tr−ờng ô nhiễm trầm trọng, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật bừa bãi làm ô nhiễm vào các loại sản phẩm nông nghiệp, đây là vấn đề bức xúc của toàn thể xã hội. Để giả quyết vấn trên con đ−ờng lựa chọn tôi −u là 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, t−ới tiêu, thu hoạch và bảo quản ….Nhất là hiện nay Đảng và nhà n−ớc ta đang đẩy nhanh công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn. Do đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài "Thiết kế hệ thống t−ới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn" Trong quả trình thực hiện đề tài chúng tôi đã tiến hành khảo sát mô hình thực tế, nghiên cứu một số phần mềm trên cơ sở lý thuyết rồi từ đó xây dựng 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 chùng tôi khẳng định mô hình chúng tôi xây dựng đảm bảo tinh thực tế và có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày nay. 2. mục đích của đề tài - Nghiên cứu mô hình t−ới n−ớc tự động sản xuất rau an toàn trong thực tiễn từ đó thiết kế mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong n−ớc. - 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 hệ thống. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 3 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 t−ới tự động phục vụ sản xuất rau an toàn. 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 S7 - 200 cpu - Bộ mô phỏng, hệ thống cáp, dây nối… đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 4 Phần I Tổng quan 1.1.Thực trạng về sản xuất rau ở Việt Nam 1.1.1. Thực trạng Nông nghiệp n−ớc ta chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế Quốc dân và đã đạt đ−ợc những thành tựu vô cùng to lớn, từ chỗ thiếu l−ơng thực tới nay đã trở thành một trong những n−ớc xuất khẩu gạo đứng hàng đấu thế giới. Hàng loạt các cây trồng mới có năng suất cao, ngắn ngày đã thay thế những giống cổ truyền, năng suất thấp. Các vùng chuyên canh rau và cây công nghiệp ngắn ngày đã đ−ợc hình thành thay thế cho công thức đa canh, xen canh. Tất cả các thay đổi đó tạo điều kiện cho nhiều loại sâu, bệnh phát triển và có thể bùng phát thành dịch. Để đề phòng sâu hại, nâng cao năng suất, chất l−ợng sản phẩm, con ng−ời đã nghiên cứu và đ−a vào ứng dụng nhiều công thức trồng cây mà đặc biệt là công nghệ sản suất rau an toàn không dùng đất trong nhà l−ới.Với sự phát triến của nền kinh tế n−ớc ta đời sống nhân dân ngày càng đ−ợc cải thiện nhu câu dinh d−ỡng ngày càng cao, trong các bữa ăn hằng ngày rau chiếm một vị trí quan trọng vì trong rau có chứa các hợp chất nh−: protein, lipit, axit hữu cơ, chất khoáng, vitamin..Con ng−ời yêu cầu về rau ngày càng cao thì chủng loại rau ngày càng phong phú, đa dạng, đủ về số l−ợng, tốt về chất l−ợng và nhất là phải an toàn vệ sinh thực phẩm. 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 suất khẩu. Phấn đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 5 đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu ng−ời 85kg rau/năm, giá trị kim ngạch suất khẩu đạt 690 triệu USD”. Trong những năm gần đây sản suất nông nghiệp đ−ợc Đảng và nhà n−ớc quan tâm nên đã giải quyết đ−ợc vần đề an ninh l−ơng thực, thực phẩm. Trong sự phát triển chung của ngành Nông nghiệp, ngành sản xuất rau cũng đ−ợc quan tâm và phát triển mạnh, theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000 là 450.000 ha tăng 70% so với năm 1990. Trong đó các tỉnh phía Bắc có 249.000 ha, chiếm 56% diện tích cả n−ớc, các tỉnh phía Nam có 196.000 ha chiếm 44% diện tích canh tác. Sản l−ợng rau trên đất nông nghiệp đ−ợc hình thành từ hai vùng sản xuất chính. Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 38 - 40% diện tích và 45 - 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. Vùng sản xuất luân canh với cây trồng khác chủ yếu trong vụ Đông - xuân tại các tỉnh phía Bắc, miền Đông Nam Bộ. Đây là vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu. * 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 càng tăng. Tuy chủng loại nhiều song do thói quen hoặc sợ rủi do cùng với ít hiểu biết 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 6 - 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. 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 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. Để thực hiện đ−ợc ph−ơng pháp thuỷ canh này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây, nên việc áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống t−ới tự động sẽ tạo một b−ớc đột phá mới cho ngành sản xuất rau an toan ở n−ớc ta hiện nay. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 7 1.1.2. Trồng cây không dùng đất ở Việt Nam và trên thế giới – ph−ơng pháp thủy canh. * Lịch sử trồng không dùng đất. Thuỷ canh (Hydroponics) là hình thức canh tác không dùng đất. Cây đ−ợc trồng trong dung dịch dinh d−ỡng hoặc trên các giá thể trơ (cát sỏi, than bùn...) đ−ợc t−ới dinh d−ỡng cần thiết. Van Helmont (1577-1644), là ng−ời đầu tiên tiên tiến hành thí nghiệm về dinh d−ỡng thực vật. Ông cân cành liễu và đất để trồng cành liễu đó tr−ớc thí nghiệm, sau thí nghiệm ông cân lại và thấy khối l−ợng đất hầu nh− không đổi, ông kết luận: thực vật lớn lên nhờ n−ớc. Năm 1699 John Woodward trồng cây trong n−ớc có độ tinh khiết khác nhau, kết quả là cây trồng trong dung dịch đất tốt nhất, thứ đến là n−ớc tự nhiên và cuối cùng là n−ớc cất, ông kết luận: cây lớn lên nhờ lấy các chất trong đất . Năm 1804, Desaussure đề xuất rằng: cây hấp thụ các nguyên tố hoá học từ đất, n−ớc và không khí. Sau đó Boussin gault (1851) đã làm thay đổi nhận định trên bằng các thí nghiệm trồng trên cát, thạch anh, than củi đ−ợc t−ới dinh d−ỡng đã biết. Ông kết luận: n−ớc là yếu tố cần thiết cho sinh tr−ởng và cung cấp hyđro. Cây sử dụng hyđro, oxy, nitơ của không khí và một số nguyên tố khoáng khác . Những năm 60 của thế kỷ XIX, hai nhà khoa học Đức là Shachs (1860) và Knop (1861) đã đề xuất ph−ơng pháp trồng cây trong dung dịch và Knop đã sản xuất ra dung dịch nuôi cây đầu tiên . Đầu năm 1930, WF Georicke ở tr−ờng đại học Canifornia (Mỹ) trồng cây trong dung dịch có thành phần và tỷ lệ khoáng mà cây cần. Thuật ngữ " Hyđroponic" ra đời từ đây . * Các hệ thống trồng cây không dùng đất trên thế giới. - Hệ thống Gricke: trồng cây trong n−ớc sâu, rễ cây toàn phần hoặc một phần đ−ợc nhúng vào dung dịch dinh d−ỡng. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 8 - Hệ thống thuỷ canh nổi: cây trồng trên các bè vật liệu chất dẻo nhẹ nằm trên mặt dinh d−ỡng chảy tuần hoàn và đ−ợc sục khí. -Hệ thống trồng cây trong n−ớc sâu tuần hoàn: rễ cây hoàn toàn chìm sâu trong dung dịch dinh d−ỡng l−u chuyển đ−ợc thông khí liên tục. - Kỹ thuật màng mỏng dinh d−ỡng NFT: rễ cây tạo thành lớp nệm mỏng trên đáy máng và chỉ dùng một dòng dung dịch rất nông chảy qua. -Màn s−ơng dinh d−ỡng: rễ cây đ−ợc đặt trong môi tr−ờng bão hoà với các giọt dinh d−ỡng liên tục hay gián đoạn d−ới dạng s−ơng mù. -Hệ thống thuỷ canh phổ biến: vật đựng dung dịch là hộp xốp, chậu nhựa, thùng gỗ... giá thể là chấu cát, than đá... - Hệ thống thuỷ canh của AVRDC: vật chứa dung dịch là hộp xốp, giá thể chấu hun đ−ợc đựng trong các rọ nhựa. * Ưu nh−ợc điểm của ph−ơng pháp trồng không dùng đất. - Ưu điểm: + Không phải làm đất, không có cỏ dại. + Trồng d−ợc nhiều vụ trong năm, có thể trồng trái vụ. + Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh, thuốc trừ cỏ. + Năng suất cao hơn từ 25-50%. + Sản phẩm hoàn toàn sạch và đồng nhất. + Ng−ời già yếu, trẻ em có thể tham gia có hiệu quả. + Không tích luỹ chất độc, không gây ô nhiễm môi tr−ờng. - Nh−ợc điểm: + Đầu t− ban đầu lớn. +Yêu cầu kỹ thuật phức tạp. * ứng dụng thuỷ canh trên Thế giới. Kỹ thuật trồng không dùng đất đã và đang đ−ợc áp dụng trên thế giới đặc biệt là các n−ớc phát triển. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 9 Sau chiến tranh Thế giới thứ II, quân đội Mỹ đã ứng dụng kỹ thuật thuỷ canh trồng 22ha Chofu ( Nhật Bản). Trong 10 năm đã sản xuất đ−ợc 31800 tấn rau quả . ở Pháp, từ 1975 đến nay trồng không dùng đất đ−ợc phát triển mạnh. Hiện nay diện tích trồng không dùng đất tối thiểu là 300 ha . Tại Nhật Bản, kỹ thuật thuỷ canh chủ yếu để trồng rau. Cà chua đạt 130- 140 tấn/ha/năm, d−a leo 250 tấn/ha/năm . Tại Anh, xây dựng hệ thống NFT sử dụng nhiệt thừa của nhà máy điện để trồng cà chua với diện tích 8,1 ha . Tại Đài Loan, sử dụng hệ thống thuỷ canh không tuần hoàn của AVRDC để trồng rau và các loại d−a . Tại Singapore, ứng dụng kỹ thuật màn s−ơng dinh d−ỡng để trồng một số loại rau ôn đới mà tr−ớc đây sản xuất khó khăn nh−: rau diếp, bắp cải, cà chua, su hào.... Theo Lê Đình L−ơng: Hà Lan có tới 3000 ha, Nam Phi có 400 ha, Pháp, Anh, ý, Đài Loan, mỗi n−ớc có hàng trăm ha cây trồng trong dung dịch . ở Nam Phi, trên mỗi khoang trồng 18m2 thu hoạch đ−ợc 450 kg cà chua ( t−ơng đ−ơng với 250 tấn/ha), 378 kg khoai tây (ứng với 210 tấn/ha) . ở Châu Âu, kỹ thuật này cũng đang đ−ợc áp dụng mạnh, riêng Bắc Âu đã có tới 400 ha . Các quốc gia khác cũng đang sử dụng hệ thống thuỷ canh nh−: Australia, Newzealand, Bahamasisland, Trung và Đông Phi, Kuwait, Brazil, Ba Lan, Malaysia, Iran . * ứng dụng thuỷ canh ở Việt Nam. ở Việt Nam kỹ thuật này còn mới mẻ, đang ở giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Đầu năm 1993, ông Grahan Warburtop- giám đốc R and D Hồng Kông đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 10 làm việc với lãnh đạo đại hội quốc gia Hà Nội đã đề xuất việc nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật thuỷ canh vào n−ớc ta . Tháng 6-1995, kỹ thuật trồng cây trong dung dịch bắt đầu đ−ợc triển khai ở Việt Nam và cơ quan đ−ợc giao tiến hành thử nghiệm là Đại học Nông nghiệp I- Hà Nội. Đến nay n−ớc ta đã hoàn thành một mạng l−ới đồng bộ các cơ sở nghiên cứu và triển khai rộng. Trong vài năm gần đây, tại trung tâm sinh học và Bộ môn Sinh lý thực vật của t−ởng Đại học Nông nghiệp I- Hà Nội đang trồng thử nghiệm một số loại rau ăn lá và ăn quả bằng các dung dịch dinh d−ỡng tự pha chế thay thế dần cho nguyên liệu pha chế dung dịch nhập từ Đài Loan . Theo các tác giả Vũ Quang Sáng, Nguyễn Thị Lý Anh, Nguyễn Xuân Tr−ờng thì có thể hoàn toàn chủ động pha chế dung dịch để trồng mà không phải điều chỉnh pH và bổ sung dinh d−ỡng mà năng suất rau vẫn đạt 70-90% so với cùng loại rau trồng bằng dung dịch nhập nội của AVRDC, chất l−ợng rau t−ơng đ−ơng, hàm l−ơng kim loại nặng và Nitrat d−ới ng−ỡng cho phép, giá dung dịch lại rẻ hơn nhiều so với dung dịch của AVRDC . Hiện nay, xí nghiệp dinh d−ỡng cây trông Thăng Long-Từ Liêm, Hà Nội đang thực hiện " Ch−ơng trình rau sạch- Thuỷ canh", đ−a vào sản xuất phục vụ đời sống. Từ năm 2003 đến nay tại tr−ờng Đại học Nông nghiệp I- Hà Nội, nhóm các nhà khoa học của tr−ờng đang nghiên cứu và thử nghiệm ph−ơng pháp trồng không dùng đất trên đối t−ợng cà chua, d−a chuột, xà lách, sup lơ xanh với dung dịch dinh d−ỡng do các nhà khoa học tự pha chế. Công trình nghiên cứu này đã và đang đ−ợc nhiều tầng lớp xã hôi h−ởng ứng. Trồng không dùng đất là kỹ thuật rất có triển vọng ở Việt Nam. Vì vậy cần đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng ra sản xuất phục vụ đời sống. 1.2. Các ph−ơng pháp t−ới đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 11 Ph−ơng pháp và kỹ thuật t−ới là một trong những biện pháp chủ yếu để sử dụng n−ớc hợp lý, thích hợp với từng loại đất đai, theo nhu cầu sinh lý về n−ớc của các loại cây trồng, nhằm tăng năng suất lao động và tăng năng suất cây trồng. Hiện nay ở n−ớc ta và trên thế giới, đang áp dụng các ph−ơng pháp chủ yếu: t−ới ngập, t−ới rãnh, t−ới dải và t−ới phun m−a. Ngoài ra ph−ơng pháp t−ới nhỏ giọt và t−ới ngầm cũng đang đ−ợc nghiên cứu ứng dụng ở một số n−ớc. 1.2.1. Ph−ơng pháp t−ới ngập n−ớc T−ới ngập là ph−ơng pháp t−ới lâu đời nhất, chủ yếu dùng để t−ới cho lúa n−ớc trong suốt thời kỳ sinh tr−ởng. Cũng có thể t−ới ngập cho một số cây trồng khác trong từng giai đoạn nhất định ngô, cói đay và một số cây thức ăn chăn nuôi. cũng có thể dùng t−ới ngập để cải tạo đất nh− thau chua rửa mặn, hoặc giữ ẩm cho đất trong thời kỳ khô hạn ch−a canh tác. Ph−ơng pháp này có những −u điểm nh−: T−ới ngập thích hợp khi mặt ruộng bằng phẳng độ dốc không lớn hơn 0,001, tính thấm n−ớc của đất yếu và mức t−ới lớn. Vì vậy năng suất lao động của ng−ời t−ới cao ; một ng−ời có thể t−ới cho 30-40 ha. Hệ số sử dụng ruộng đất cao, vì có thể xây dựng hệ thông t−ới tiêu cho những thửa có diện tích lớn. Lớp n−ớc trên ruộng tạo điều kiện cho bộ rễ của lúa phát triển tốt, hấp thụ các loại phân bón đ−ợc thuận lợi, hạn chế đ−ợc nhiều loại cỏ dại. Lớp n−ớc trên ruộng, con làm chế độ nhiệt của ruộng lúa tốt hơn, nhất là ở những vùng có độ chênh nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm lớn. Tuy nhiên, t−ới ngập có nh−ợc điểm và hạn chế sau: t−ới ngập không ứng dụng đ−ợc để t−ới cho các loại cây trồng cạn, nhu cầu về n−ớc ít, hoặc ở các đất có độ dốc lớn. T−ới ngập làm cho độ thoáng khí trong đất kém quá trình phân giải các chất hữu cơ bị hạn chê. Nếu chế độ t−ới không thích hợp, đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 12 việc tổ chức quản lý t−ới kém sẽ làm ảnh h−ởng sấu đến phát triển của cây trồng, gây lãng phí n−ớc, làm xói mòn đất và rửa trôi phân bón. Vì vậy khi áp dụng ph−ơng pháp t−ới ngập cần đảm bảo các khâu kỹ thuật sau: Qui hoạch xây dựng đồng ruộng, xác định hệ thống kênh t−ới tiêu. Đây là khâu đầu tiên và ảnh h−ởng đến toàn bộ quá trình sản xuất lúa. Có hai ph−ơng pháp t−ới tiêu riêng biệt và t−ới tiêu kết hợp: T−ới tiêu riêng biệt là ở môi khoảnh ruộng có kênh t−ới và kênh tiêu riêng. Mỗi kênh t−ới bên hoặc hai bên, tùy hình, và cách bố trí kênh tiêu cũng có thể tiêu một bên hoặc hai bên. Dùng ph−ơng pháp t−ới tiêu riêng biệt, ta chu động t−ới tiêu, áp dụng đ−ợc t−ới tiêu khoa học, đáp ứng đúng yêu cầu sinh lý của lúa và có thể dùng biện pháp t−ới tiêu để cải tạo đất nhất là ở những vùng chua mặn, tăng đ−ợc năng suất cây trồng và tạo điều kiện thuận lợi cho cơ khí hóa các khâu canh tác. Nh−ợc điểm là tốn nhiều đất và nhiều công trình, hệ số sử dụng đất thấp. Ph−ơng pháp t−ới tiêu kết hợp là có một hệ thống kênh vừa làm nhiệm vụ t−ới n−ớc vừa tiêu n−ớc. Ưu điểm là diện tích chiếm đất của hệ thống kênh ít và khối l−ợng công trình nhỏ. Nh−ợc điểm là không chủ động t−ới tiêu cho từng khoảnh từng thửa đ−ợc, để thực hiện các biện pháp cải tạo đất, thâm canh tăng năng suất cây trồng. 1.2.2. Ph−ơng pháp t−ới rãnh Ph−ơng pháp t−ới rãnh đ−ợc phổ biến nhất để t−ới cho hầu hết các loại cây trồng nh− bông, nho, mía, các loại cây có củ, quả nh− khoai sắn, củ đậu, cà chua và các loại rau, nh− bắp cải, su hào… Khi t−ới rãnh n−ớc không chảy vào khắp mặt ruộng mà chỉ vào trong rãnh t−ới giữa các hàng cây trồng. Yêu cầu của t−ới rãnh là xác định đúng đắn các yếu tố kỹ thuật t−ới chủ yếu, nh− l−u l−ợng n−ớc trong rãnh t−ới, chiều dài rãnh t−ới đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 13 và thời gian t−ới để đảm bảo tiêu chuẩn t−ới định tr−ớc theo yêu cầu sinh lý của cây trồng, phù hợp với các điều kiện đất đai, địa hình và thời tiết khí hậu. Tùy theo cách t−ới n−ớc vào rãnh và cho thấm vào đất mà chia ra hai loại rãnh t−ới: rãnh thoát và rãnh ngập. Rãnh thoát là loại rãnh, n−ớc vừa từ kênh t−ới chảy vào rãnh, vừa thấm hai bên rãnh làm ẩm đất. Tùy theo điều kiện địa hình, đất đai mà l−u l−ợng n−ớc chảy trong rãnh từ 0,05-2 l/s và chiều dài rãnh từ 50-500m, thời gian t−ới từ 1-2 giờ đến 2-3 ngày. Khi t−ới rãnh thoát, n−ớc vừa chảy trong rãnh vừa ngấm hai bên rãnh, làm ẩm đất, nên th−ớng có l−ợng n−ớc chảy đi ở cuối rãnh khoảng từ 20-60% l−ợng n−ớc t−ới. Để giảm l−ợng n−ớc chảy đi đó, thì khi n−ớc đã chảy đến cuối rãnh ng−ời ta giảm l−u l−ợng n−ớc vào rãnh từ 1,5-3 lần. Nh− thế, vận tốc n−ớc chảy trong rãnh đã thấm −ớt đ−ợc giảm xuống, không làm xói mòn rãnh, đất vẫn đ−ợc làm ẩm đều, mà ít có n−ớc thừa chảy đi ở cuối rãnh. Rãnh ngập là loại rãnh t−ới làm ẩm đất hai bên rãnh chủ yếu bằng l−ợng n−ớc trữ trong rãnh sau khi thôi dẫn n−ớc vào rãnh. Loại rãnh ngập đ−ợc ứng dụng chủ yếu trên ruộng phẳng hay có độ dốc rất nhỏ (nhỏ hơn 0,002). Rãnh ngập sâu 20-25cm chiều rộng trên mặt 50-60cm và chiều dài rãnh 40-80m. Để làm ẩm đất đều, chiều dài rãnh làm sao để khi ở đầu rãnh n−ớc ngập 1/3 độ sâu rãnh thì ở cuối rãnh n−ớc không ngập quá ắ rãnh. Ưu điểm của t−ới rãnh là xây dựng đồng ruộng dễ dàng thích ứng với từng điều kiện cụ thể về đất đai, khí hậu và cây trồng. Đảm bảo đất đ−ợc tơi xốp, không phá vỡ lớp kết cấu trên mặt ruộng, vẫn giữ đ−ợc thoáng khí làm cho cây trồng phát triển thuận lợi. Đảm bảo đúng l−ợng n−ớc theo nhu cầu của cây trồng. Tiết kiệm n−ớc, ít hao phí do bốc hơi và ngấm xuống sâu. 1.2.3. Ph−ơng pháp t−ới dải đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 14 T−ới dải dùng để t−ới cho các loại cây trồng gieo dầy hoặc hàng hẹp nh− đay, vừng, lạc, đỗ, các thức ăn cho chăn nuôi. Cũng dùng để t−ới cho ngô và các v−ờn cây. ở vùng khô hạn, có thể t−ới làm ẩm đất tr−ớc khi gieo. Những yếu tố kỹ thuật t−ới dải là chiều dài và chiều rộng dải, l−u l−ợng riêng của n−ớc chảy ở đầu dải tính bằng lit/s/m, thời gian t−ới và chiều cao giới hạn của bờ dải. Những yếu tố kỹ thuật của t−ới dải cũng phụ thuộc vào những điều kiện nh− t−ới rãnh nh−ng chủ yếu vào độ dốc ngang của mặt ruộng. T−ới dải thích hợp nhất với độ dốc mặt ruộng từ 0,002-0,008. Nếu độ dốc lớn hơn 0,02 thì không t−ới dải đ−ợc vì tốc độ chảy trên mặt ruộng lớn, n−ớc không kịp ngấm làm ẩm đất l−ợng n−ớc chảy đi sẽ nhiều, lãng phí n−ớc và gây bào mòn lớp đất trên mặt ruộng. Có hai cách t−ới dải: t−ới từ đầu dải và t−ới từ bên cạnh dải. Nếu t−ới từ đầu dải thì chia ruộng ra từng dải theo h−ớng dốc nhất. Nếu hệ thống kênh t−ới bố trí theo sơ đồ dọc thì phải đào các m−ơng dẫn n−ớc theo chiều ngang dải. Nếu hệ thống kênh t−ới bố trí theo sơ đồ ngang thì lấy n−ớc trực tiếp từ kênh t−ới tạm thời. T−ới từ bên cạnh dải đ−ợc áp dụng trong các tr−ờng hợp địa hình trên ruộng phức tạp gồ ghề và dốc theo h−ớng ngang dải. Khác với t−ới đầu dải là ở giữa các dải không có bờ giữ n−ớc, mà các rãnh t−ới sâu từ 25-30cm. Chiều rộng dải khi t−ới bên th−ờng là 8-12m tùy theo chiều rộng làm việc của các loại máy gieo và máy thu hoạch. N−ớc từ kênh t−ới chảy vào rãnh t−ới. ở rãnh t−ới khoảng 10-15m có một chỗ lấy n−ớc vào dải. Nên chọn chỗ lấy n−ớc ở vị trí cao của dải. n−ớc từ rãnh t−ới chay vào một dải (t−ới một bên) hay t−ới cho cả hai dải bên rãnh t−ới (t−ới hai bên) tuy theo địa hình và cách bố trí rãnh. Nh−ợc điểm của ph−ơng t−ới nay là làm ẩm đất không đều và tốn n−ớc đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 15 do ngấm sâu xuống rãnh t−ới. Mặc dù vậy tùy thuộc vào điều kiện địa hình, ph−ơng pháp canh tác và cây trồng ng−ời ta vấn dùng ph−ơng pháp t−ới này. 1.2.4. Ph−ơng pháp t−ới phun m−a Ph−ơng pháp t−ới phun m−a là ph−ơng pháp t−ới mới đ−ợc phát triển rộng rãi trong vòng 40 năm nay. Nguyên tắc chính của ph−ơng pháp này là dùng hệ thống máy bơm, ống dẫn n−ớc và vòi phun để tạo thành m−a t−ới n−ớc cho các loại cây trồng. Ưu điểm nổi bật của ph−ơng pháp t−ới phun m−a là có thể t−ới trong những điều kiện sau: - Khi tiêu chuẩn t−ới nhỏ, có thể điều chỉnh trong phạm vi lớn (30- 900m3/ha). - T−ới trên đất xốp nh− đất cát và cát pha, có độ thấm n−ớc lớn. - T−ới trên mọi địa hình phức tạp: nh− dốc không, không bằng phẳng… và tiết kiệm n−ớc t−ới (đối với vùng nguồn n−ớc t−ới hạn chế). T−ới phun m−a là nâng cao hệ số sử dụng hữu ích của hệ thống t−ới và sử dụng n−ớc trên đồng ruộng. ở Mỹ hệ số sử dụng hữu ích khi t−ới phun m−a là 0,67, còn ph−ơng pháp t−ới khác là 0,56; ở Nhật là 0,75-0,80 còn các ph−ơng pháp t−ới khác là 0,65-0,7. T−ới phun m−a thuận tiện cho việc phòng trừ sâu bệnh và chống cỏ dại. Có thể hòa lẫn các loại thuốc cùng với n−ớc t−ới cho cây trồng. T−ới phun m−a còn làm tăng năng suất các loại sản phẩm các loại cây trồng. ở Italia khi t−ới phun m−a cho nho, ng−ời ta đã nhận thấy chất l−ợng nho tốt hơn, hàm l−ợng đ−ờng trong nho tăng 2%. ở Việt Nam, qua thí nghiệm t−ới phun m−a tại đồi chè 66- Hợp tác xã Tiên Phú- Phù Ninh- Vĩnh Phúc cho thấy năng suất chè tăng đ−ợc 50% so với đối chứng không t−ới. Tuy nhiên, t−ới phun m−a không thích hợp ở vùng có gió mạnh. Việc đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 16 phục vụ kỹ thuật và tổ chức phục vụ các hệ thống máy phun m−a phức tạp, cân có đội ngũ công nhân có trình độ kỹ thuật. Các thiết bị phun m−a do công nghiệp chế tạo hiện nay có năng suất ch−a cao, ch−a đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất, ch−a phù hợp với điều kiện sinh lý trong từng giai đoạn phát triển của cây trồng và thích ứng với các loại đất đai địa hình khác nhau. Nhìn chung giá thành t−ới trên một đơn vị sản phẩm còn cao. Tuy có những nh−ợc điểm trên, nh− do những −u điểm của t−ới phun m−a nên ph−ơng pháp t−ới này đang đ−ợc áp dụng rộng rãi ở nhiều n−ớc và phát triển với tốc độ cao. Theo tài liệu của Tritrexốp năm 1970 ở Tiệp Khắc 97% t−ới bằng ph−ơng pháp phun m−a; ở Đức 79%; ở itsaren 90%; Anh 80%; Hungari 72%... ở Việt Nam hiện nay đang đ−ợc áp dụng rất phổ biến ph−ơng pháp t−ới phun m−a cho các vùng chuyên canh rau ở Hà Nội, Hải Phòng, Đà lạt… các vùng trồng cây công nghiệp nh− Cà phê, chè, cao su… ở Tây Nguyên, Lâm Đồng… đã mang lại hiệu quả kinh tế đáng khích lệ. 1.2.5. T−ới nhỏ giọt T−ới nhỏ giọt là một ph−ơng pháp mới đang đ−ợc ứng dụng nhiều ở Itsaren, Mỹ, úc và một số n−ớc khác có khí hậu khô cằn, nguồn n−ớc ít, dùng để t−ới cho các loại cây ăn quả, rau…. Nguyên tắc của t−ới nhỏ giọt là dùng một hệ thống ống dẫn bằng cao su hoặc chất dẻo có đ−ờng kính từ 1,5 – 2cm, để dẫn n−ớc từ đ−ờng ống có áp, do trạm bơm cung cấp chạy dọc theo các hàng cây. ở các gốc cây có lắp các vòi có thể điều chỉnh đ−ợc l−ợng n−ớc chảy ra. N−ớc do cấu tạo của vòi sẽ nhỏ giọt xuống gốc cây làm ẩm đất. −u điểm của ph−ơng pháp này là tiết kiểm đ−ợc nhiều n−ớc t−ới so với t−ới rãnh và t−ới phun m−a vì ít tiêu hao l−ợng n−ớc do bốc hơi và thấm xuống sâu. Hiệu suất sử dụng n−ớc t−ới đ−ợc tăng lên và đảm bảo đúng chế độ đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 17 n−ớc của đất theo nhu cầu của từng cây trồng. Phạm vi t−ới n−ớc trên mặt đất nhỏ nên trên mặt đất phần lớn vẫn giữ đ−ợc khô, các loại cỏ dại không đủ độ ẩm để phát triển và vẫn giữ đ−ợc thoáng khí. 1.2.6. T−ới ngầm Ph−ơng pháp t−ới này đ−ợc nghiên cứu ứng dụng ở Liên Xô cũ từ năm 1935. Nguyên tắc là dùng hệ thống đ−ờng ống đẫn n−ớc trong đất và n−ớc sẽ thấm làm ẩm đất. −u điểm của ph−ơng pháp này là đảm bảo độ ẩm cần thiết trong suốt thời gian sinh tr−ởng của cây trồng, làm tăng năng suất cây trồng so với các ph−ơng pháp t−ới khác. Lớp đất trên mặt vẫn giữ đ−ợc khô hoặc ẩm ít do đó giữ đ−ợc thoáng làm cho vi sinh vật hoạt động tốt, làm tăng độ phì của đất. Cho phép dụng phân hóa học hòa lẫn với n−ớc t−ới, trực tiếp bón vào hệ thống rễ cây trồng, làm tăng thêm hiệu quả của phân bón. Hệ thống t−ới không làm trở ngại các khâu sản xuất băng cơ khí trên đồng ruộng, thuận tiện cho việc tự động hóa việc t−ới n−ớc và tăng năng suất lao động t−ới. Tuy nhiên, việc mở rộng t−ới ngầm trong sản xuất còn hạn chế, ch−a phát triển rộng rãi vì xây dựng hệ thống t−ới phức tạp, giá thành đầu t− trang thiết bị và xây dựng cơ bản cao. 1.3. ứng dụng tự động hoá vào thiết kế hệ thống t−ới nhỏ giọt 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 18 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. 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 19 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 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 20 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 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 21 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 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 d−ng 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 4-20mA để truyền đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 22 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 va 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 mạng số tới máy tính chủ. Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn trong các phòng điều khiển nay 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 4-20mA, 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 23 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:Đồ thị biểu diễn chức năng xử lý ở các hệ thống TĐH trong 70 năm qua 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 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 hang trăm và vào những năm 80 với sự tham gia của các may 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 24 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 hoạch, thiết kế và kinh doanh tạo thành hệ thống tự động hoá sản xuất toang 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 25 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. 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 26 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, 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 xi 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 27 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 sa 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 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... đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 28 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 băm qua nó đã mang lại nh−ng 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 hang 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. 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 29 1.3.6. Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế mô hình t−ới nhỏ giọt tự động Kỹ thuật trồng cây không dùng đất là kỹ thuật trồng cây tiên tiến và hiện đại. Trồng rau bằng ph−ơng thức không dùng đất 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), tiết kiệm đ−ợc công lao động, giải phóng đ−ợc sức lao động nặng nhọc khi trồng cây ngoài đất, trồng đ−ợc nhiều vụ trong năm, có thể tăng số vụ gấp 3-4 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 hệ thống t−ới là vô cùng quan trọng, nó sẽ là 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. Nh− vậy chúng ta đã thấy rõ vai trò quan trọng của tự động hóa trong đời sống con ng−ời, trong công nghiệp, trong nông nghiệp. Do đó việc ứng dụng tự động hóa vào nông nghiệp ở n−ớc ta cung nh− cụ thể vào hệ thống t−ới nhỏ giọt này càng trở nên cấp thiết cần đ−ợc nghiên cứu để sớm đ−a vào thực tiễn. 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, đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 30 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 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 thủy canh, trong ph−ơng pháp này việc ứng dụng hệ thống t−ới nhở giọt là rất hợp lý và kinh tế. Vì ph−ơng pháp thủy canh, hệ thống t−ới không chỉ cung cấp n−ớc cho cây mà còn kèm theo cả chất dinh d−ỡng, 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 sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 31 Ch−ơng II xây dựng thuật toán điều khiển 2.1. Công nghệ sản xuất rau an toàn Chúng tôi đã nghiên cứu một hệ thống t−ới nhỏ giọt cho rau an toàn trong nhà l−ới thực tế, hệ thống này còn hoạt động bán tự động, một số khâu ch−a đ−ợc tự động hóa do yêu cầu phức tạp và độ chính xác của nó nên con ng−ời còn đang phải đảm nhiệm. Sau đây là sơ đồ và hoạt động của hệ thống. 2.1.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 32 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 33 2.1.2. Hoạt động của hệ thống * Hệ thống bình t−ới: Gồm 3 bình nhỏ đựng dung dịch gốc, dung dịch này d−ợc pha trộn với tỷ lệ đặc biệt các chất dinh d−ỡng nuôi cây, dung dịch trong 3 binh này đ−ợc trộn bằng tay và đ−ợc đo rất chính xác tr−ớc khi đổ vào bình trộn. Bình trộn lớn gồm hai bình, một bình dùng để trộn dung dịch, một bình để chứa hỗn hợp đã trộn để t−ới. Bình trộn đ−ợc trộn bằng bơm tuần hoàn * Quy trình t−ới: Các dung dịch gốc đ−ợc trộn bằng tay trong các bình nhỏ, sau đó đ−ợc đổ vào bình chính, ở đây dung dịch gốc sẽ đ−ợc trộn với n−ớc với tỷ lệ phù hợp với từng loại cây trồng, dung dịch trong bình trộn đ−ợc trộn nhờ một máy bơm MB1, máy bơm này đ−ợc nhân viện trực cho chạy để bơm tuần hoàn dung dịch trong bình trộn, thời gian chạy của MB1 phụ thuộc vào l−ợng dung dịch trong bình. Sau khi dung dịch đ−ợc trộn đều, nó sẽ đ−ợc chuyển sang Bình t−ới, dung dịch đ−ợc dự trữ ở đây và đ−ợc t−ới cho cây nhờ máy bơm MB2 và Hệ thống ống t−ới. MB2 đ−ợc nối với bộ Timer đ−ợc lập trình chạy theo thời gian t−ới 2 phút nghỉ 15 phút, thời gian này có thể đ−ợc thay đổi tùy thuộc vào từng loại cầy, từng thời kỳ sinh tr−ởng của cây. Các van điện cũng đ−ợc nối với bộ Timer lập trình, hệ thống tự động hóa này sẽ tự động t−ới n−ớc cho cây theo thời gian đã định. L−u l−ợng dung dịch cung cấp cho cây đ−ợc điều chỉnh chủ yếu ở Bộ điều áp, bộ điều áp sẽ quyết định áp suất ở đầu ra của MB2, tạo ra dòng chảy nhỏ dẫn đến các gốc cây, với hệ thống đ−ờng ống dẫn đ−ợc thiết kế nhỏ cùng với sự điều chỉnh của bộ điều áp thì dung dịch dẫn đến nhỏ giọt vào các gốc cây. 2.1.3. Yêu cầu công nghệ của một số loại rau: Cà chua, D−a chuột, Súp lơ Yêu cầu kỹ thuật t−ới và năng xuất của một số cây rau đ−ợc trồng theo ph−ơng pháp thuỷ canh không dùng đất nh− sau: - Cây cà chua: yêu cầu t−ới một ngày phải cung cấp cho một cây 3lít đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 34 dung dịch, sau 15 phút nghỉ lại cung cấp dung dịch cho cây trong 2 phút. - Cây d−a chuột: yêu cầu t−ới một ngày phải cung cấp cho một cây 2lít dung dịch, sau 15 phút nghỉ lại cung cấp dung dịch cho cây trong 2 phút. - Cây súp lơ xanh: yêu cầu t−ới một ngày phải cung cấp cho một cây 0.8lít dung dịch, sau 15 phút nghỉ lại cung cấp dung dịch cho cây trong 1 phút. 2.2. Thuật toán điều khiển mô hình 2.2.1. Giới hạn của mô hình * Việc cung cấp dung dịch từ các bình dung dịch gốc sang bình trộn sẽ đ−ợc thực hiện bằng các máy bơm MB1, MB2, MB3, các máy bơm này đ−ợc điều khiển bằng PLC S7 – 200. * Do quy mô của đề tài nên chúng tôi chỉ thiết kế một bình chính thực hiện cả hai chức năng: trộn và làm bình chứa, và trong mô hình ch−a trang bị đ−ợc bộ điều áp, mô hình còn mới chỉ trang bị đ−ợc 3 van điện, con một số van khác dùng van th−ờng, mô hình cũng không trang bị đ−ợc nhiều máy bơm nên chúng tôi sử dụng một máy bơm MB4 thực hiện cả hai chức năng bơm trộn và bơm t−ới. 2.2.2. Sơ đồ công nghệ của mô hình đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 35 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 36 2.2.3. Hoạt động của mô hình Để làm sáng tỏ khả năng điều khiển của PLC S7 – 200 chúng tôi phân hoạt động của mô hình ra thành 3 thuật toán riêng. * Trộn dung dịch. Khi ng−ời điều khiển bấm nút Start, các máy bơm B1, B2, B3 sẽ hoạt động ( nếu có tín hiệu báo mức cao MC1, MC2, MC3 trong 3 bình chứa dung dịch gốc). Các máy bơm này chuyển dung dịch gốc từ 3 bình vào bình trộn với tỷ lệ sẽ đ−ợc quyết định bằng cách đặt thời gian hoạt động cho máy bơm. Khi trong bình trộn đã có dung dịch mức thấp trong bình sẽ tắt, khi đó máy bơm B4 sẽ hoạt động cùng với các van V1, V2 mở, các van V3,V4,V5,V6 đóng, dung dịch sẽ đ−ợc bơm tuần hoàn và trộn đều, sau một thời gian trộn B4 ngừng hoạt động, ch−ơng trình kết thúc. * T−ới. Việc điều khiển t−ới dùng S7 – 200 với bộ xử lý CPU 224 sẽ trở nên vô cùng đơn giản, việc điều khiển không chỉ là vài ống t−ới mà có thể điều khiển cùng lúc nhiều hệ thống khác nhau. Trong đề tài này chúng tôi t−ợng ch−ng 3 ống t−ới là 3 hệ thống t−ới khác nhau đ−ợc cúng điều khiển trên một hệ thống. Do đó chúng tôi xây dựng 2 thuật toán gồm: cả 3 hệ thống t−ới cùng lúc và 3 hệ thống t−ới riêng rẽ. - Ba hệ thống cùng t−ới: Khi ng−ời điều khiển bấm nút Start, ch−ơng trình sẽ mở các van V1, V3,V4,V5,V6, sau đó máy bơm t−ới B4 hoạt động đ−a dung dịch ra t−ới, B4 sẽ t−ới theo chu kỳ là t−ới 2 phút nghỉ 15 phút ( thời gian này hoàn toàn có thể thay đổi dễ dàng trong ch−ơng trình điêu khiển). Khi mức thấp bình trộn MT4 báo thì máy bơm B4 dừng và ch−ơng trình kết thúc. - Ba hệ thống t−ới riêng rẽ: Khi ng−ời điều khiển bấm nút Start các van V1,V3, V4 mở, các van V2, V5, V6 đóng, sau đó máy bơm B4 hoạt động t−ới dung dịch với chu kỳ t−ới 2 phút nghỉ 15 phút ( thời gian này hoàn toàn có thể thay đổi dễ dàng trong ch−ơng trình điêu khiển). Sau khi van V4 t−ới 1 thời gian thì V5 mở t−ới sau đó V6 lại mở t−ới ( thời gian t−ới của các hệ thống là tuỳ thuộc và yêu cầu công nghệ, thời gian này có thể đặt dễ dàng trong ch−ơng trình lập trình. Khi mức thấp bình trộn MT4 báo thì máy bơm B4 dừng và ch−ơng trình kết thúc. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 37 T5 T4 MC1 MC2 MC3 MC2 T2 T3 10s 2.2.4. Sơ đồ thuật toán của mô hình * Trộn Start MB1 hoạt động B4 hoạt động B3 hoạt động V1,V2 mở Stop B4 dừng B2 hoạt động đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 38 MT4 T2 T1 10s T3 MT4 T1 10s T2 T3 T4 * T−ới 1 * T−ới 2 Start B4 hoạt động Stop B4 dừng V1,V3,V4, V5,V6 Mở Start B4 hoạt động Stop B4 dừng V1,V3,V4, Mở V6 Mở V5 Mở đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 39 2.3. Kết luận ch−ơng II Thông qua nghiên cứu tình hình sản xuất thực tế và lý thuyết chúng tôi thấy cần thiết phải phát triển công nghệ tự động hóa nhằm xây dựng một nền nông nghiệp vững mạnh chuẩn bị xu thế hội nhập khu vực. Trên cơ sở đó đề tài đã xây dựng một hệ thống t−ới nhỏ giọt hoàn toàn tự động, con ng−ời chỉ còn nhiệm vụ theo dõi và kiểm tra hệ thống. ở ch−ơng II này chúng tôi đã xây dựng đ−ợc thuật toán điều khiển của mô hình là cơ sở quan trọng cho khâu tiếp theo là lập trình điều khiển hệ thống. Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên mô hình ch−a hoàn toàn nh− thực tế, nh−ng đây sẽ là phần không thể thiếu để có thể xây dựng đ−ợc hệ thống t−ới nhỏ giọt trong thực tế. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 40 Ch−ơng III Thiết kế mô hình hệ thống t−ới nhỏ giọt tự động 3.1. Chọn thiết bị điều khiển 3.1.1. Phần mềm Simatic S7 - 200 3.1.1.1. 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 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 41 Hình 5: Vòng quét 3.1.1.2. 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 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. 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 sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 42 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 đay nóng đ−ờng nguồn bên phải là đây trung hoà hay là đ−ờng trở về của nguồn cung cấp (Khi sử dụng ch−ơng trình tiện 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 43 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 3.1.1.3. 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 (Ladder diagram), danh sách lệnh (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 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. 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 ? đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 44 Hình 6: Lựa chọn cấu hình lập trình - 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. 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 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 45 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. - 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 46 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. + Nhập vào địa chỉ hoặc tham số trong mỗi vùng chữ và ấn ENTER. Hình 7: Cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình LAD đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 47 Hình 8: Cửa sổ soạn thảo ch−ơng trình STL + 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 chú 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 48 Hình 9: Cài đặt truyền thông giữa máy tính và CPU Cài đặt truyền thông Chọn cáp truyền thông - 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 hoặc một Tab. - Sử dụng các lời trích dẫn để thay cho việc soạn thảo tên ký hiệu. 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 49 Hình10: Hộp thoại Set PG/PC Interface 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. - 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. 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 . đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 50 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. - 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. 3.1.2. Phần cứng PLC Simatic S7 - 200 3.1.2.1. Chọn hệ thống cảm biến Trong mô hình có sử dụng hệ thống cảm biến mức là các phao, hệ thống các phao này có tác dụng báo mức dung dịch trong bình về bộ điều khiển trung tâm. Do không có thiết bị chuyên dụng nên hệ thống cảm biến mức đ−ợc chúng tôi thiết kế: từ các công tắc hành trình và các phao nổi, các phao đ−ợc nối cứng với các cần gạt của công tắc hành trình, khi có dung dịch phao sẽ nổi và đóng tiếp điểm lại đ−a tín hiệu digital về bộ điều khiển PLC S7 – 200, tại đây PLC sẽ xử lý tín hiệu và đ−a ra lệnh điều chỉnh cơ cấu chấp hành. 3.1.2.2. 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 51 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. 3.1.2.3. 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 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 52 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. Loại PLC mới này mang lại những lợi ích đó là tính năng hỗ trợ nhiều đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 53 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: Trên rack của CS1d có thể lắp 2 bộ nguồn, mỗi khi một trong hai bộ bị hỏng , lập tức sẽ có bộ dự phòng thay thế vào, đảm bảo hệ thống không bị ảnh h−ởng. - Dự phòng cpu: CS1D hỗ trợ 2 cpu chạy song song với cơ chế đồng bộ dữ liệu và trạng thái với nhau. Khi module giám sát có sự cố ở một trong hai cpu này thì cpu còn lại sẽ trở thành cpu chính tích cực. - Dự phòng bus: Thông tin giữa các PLC sẽ đ−ợc đảm bảo thông suốt cả khi một đ−ờng cáp bị hỏng thông qua cơ chế đ−ờng vòng. 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. 3.1.2.4 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 thình ứng dụng điều khiển ( l−u giữ trong bộ nhớ PLC ) trong khâu chấp hành, đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 54 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 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. Tr−ớc kia bộ PLC giá rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình rất phức tạp. Vì những lý do đó mà nó chỉ đ−ợc dùng cho những máy và thiết bị đặc biệt có sự thay đổi thiết kế cần phải tiến hành ngay cả trong giai đoạn lập bảng nhiệm vụ và lập luận chứng. 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. 3.1.2.5. 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: đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 55 * Chuẩn bị vào tác động nhanh: Thiết kế modul cho phép thích nghi đơn giản với bất kỳ mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các bộ phụ kiện đã đ−ợc lắp ghép thì bộ PLC vào t− thế sẵn sàng làm việc ngay. * Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: Các thành phần điện tử có tuổi thọ dài hơn so với các thiết bị cơ. Độ tin cậy của PLC ngày càng cao và tuổi thọ ngày càng tăng. Việc bảo d−ỡng định kỳ th−ờng là cần thiết đối với điều khiển Rơle nh−ng với PLC việc này đ−ợc loại bỏ. * Dễ dàng thay đổi hoặc soạn thảo ch−ơng trình: Những thay đổi cần thiết cả khi bắt đầu khởi động hoặc những lúc tiếp theo đều có thể thực hiện dễ dàng mà không cần bất cứ một thao tác nao ở phần cứng. Mặt khác có thể thay đổi mà không tổn thất gì về mặt kinh tế. * Sự đánh giá các nhu cầu la đơn giản: Nếu biết chính xác số đầu vào và đầu ra cần thiết thì có thể đánh giá kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ ( độ dài của ch−ơng trình) tối đa là bao nhiêu. Do đó có thể dễ dàng, nhanh chóng lựa chon loại PLC phù hợp với yêu cầu đề ra. * Xử lý t− liệu tự động: Trong nhiều bộ điều khiển PLC việc xử lý t− liệu đ−ợc tiến hành tự động làm cho việc thiết kế tự động trở nên đơn giản. * Khả năng tái tạo: Ng−ời ta −a dung các bộ PLC hơn các bộ điều khiển khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các máy đã làm việc ổn định mà còn vì nó có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà ng−ời ta có thể thay đổi cải tiến trong quá trình vận hành. * Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với điều khiển bằng rơle t−ơng ứng. Trong nhiều tr−ờng hợp không gian đ−ợc thu hẹp vì có nhiều bộ phận đ−ợc giảm bớt. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 56 Sự cải biến thuận tiện: Những bộ điều khiển nếu chỉ muốn cải biến một bộ phận nhỏ trong dãy chức năng, có thể cải tạo một cách đơn giản bằng cách sao chép, cải biến hoặc thêm vào phần mới. So với kỹ thuật điều khiển bằng rơle ở đây có thể giảm phần lớn tổng thời gian lắp ráp, do có thể lập trình các chức năng điều khiển tr−ớc hoặc trong khi lắp ráp bẳng điều khiển. * So với bộ điều khiển bằng Rơle thì việc lắp đặt bộ PLC đơn giản hơn nhiều so với việc lắp đặt một bộ điều khiển bằng Rơle. * Thích ứng trong môi tr−ờng khắc nghiệt: Các PLC có thể làm việc trong môi tr−ờng nhiệt độ cao, độ ẩm cho phép, sự dao động của điện áp lớn… * Có thể tính toán đ−ợc giá thành: Khi điều khiển một hệ thống nào đó ta lập ch−ơng trình điều khiển và chon thiết bị điều khiển. Nh− vậy với yêu cầu của công nghệ ta có thể lựa chọn đ−ợc thiết bị và tính toán đ−ợc chi phí của một hệ thống điều khiển. * So sánh với hệ thống điều khiển logic thông th−ờng (dạng kinh điển) thì hệ thống điều khiển dung 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 57 * ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng: Ngày nay, với nhiều chức năng, PLC cho phép ta ứng dụng chúng vào rất nhiều hệ thống điều khiển. 3.1.2.6 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: Từ hình 2.1 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 Gi á tiền Số luợng đầu vào/ra So sánh giữa hệ kinh tế Rơle và PLC Lập trình PLC Tổng gi átrị của Rơle Tổng gi átrị của PLC Logic mạch cứng hệ Rơle Phần cứng PLC Phần cứng hệ Rơle - cuộn từ Hình 11: So sành kinh tế Rơle và PLC đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 58 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 Rơle Điều khiển bằng PLC Ưu điểm * Nắm biết đ−ợc và độ tin cậy trong một thời gian dài. * 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. Ưu điểm * Độ tin cậy cao nhờ sử dụng các phần tử tiếp xúc. * 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. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 59 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. 3.1.2.7. ứng dụng của PLC Đối với mỗi hệ thống điều khiển, PLC đều có những chức năng khác nhau để 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 60 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. Trong sản xuất, bộ điều khiển lập trình PLC đ−ợc ứng dụng rất phổ biến. D−ới đây chúng tôi đ−a ra một số ứng dụng của nó. * Hệ thống bơm cấp n−ớc: trong sản xuất, trong sinh hoạt hay trong lĩnh vực chăm sóc cây trồng trong nhà kính, có những yêu cầu tự động bơm n−ớc với những ch−ơng trình khác nhau: + Hệ thống bơm n−ớc cung cấp cho sản xuất và sinh hoạt: trong các xí nghiệp công nghiệp hay các khu nhà ở cao tầng, th−ờng đ−ợc thiết kế có hồ chứa n−ớc phục vụ cho sản suất và sinh hoạt. Động cơ bơm n−ớc của hồ chứa theo nguyên tắc: - Khi mức n−ớc trong hồ giảm xuống d−ới mức thấp thì động cơ đ−ợc cấp điện để bơm n−ớc từ giếng hay từ hệ thống n−ớc thuỷ cục vào hồ chứa - Khi mực n−ớc trong hồ tăng lên đến mức cao thì động cơ bị ngắt điện và ngừng bơm. - Động cơ bơm có thể hoạt động ở chế độ tự động hay chế độ điều khiển bằng tay. + Hệ thống bơm n−ớc thải công nghiệp: Trong công nghiệp, một số nhà máy, xí nghiệp trong n−ớc thải có mang theo hoá chất độc hại nên không trực tiếp thải ra môi tr−ờng mà phải cho vào một hồ chứa. Sau khi sử lý các loại hoá chất độc hại mới đ−ợc bơm n−ớc đã xử lý ra môi tr−ờng bên ngoài. Đối với hệ thống loại này, khi mực n−ớc trong hồ lên đến mức cao thì điều khiển động cơ bơm n−ớc phải thải đi, khi mực n−ớc xuống mức thấp thì điểu khiển động cơ ngừng lại. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 61 + Hệ thống bơm n−ớc, phun s−ơng cho nhà kính, hoạt động theo giờ tong ngày và ngày trong tuần: Một số loại cây trồng đ−ợc t−ới n−ớc trong mỗi ngày hai lần vào buổi sáng và buổi tối, mỗi lần t−ới trong thời gian 5 phút. Một số loại cây khác có yêu cầu t−ới n−ớc cách ngày, hai ngày t−ới một lần vào buổi tối, thời gian t−ới 5 phút. PLC hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu tự động điều khiển trên rất đơn giản và ít hao tốn thiết bị điện hơn so với sơ đồ điểu khiển có tiếp điểm dùng khí cụ điện từ. * Hệ thống tự động đóng mở cửa: trong các xí nghiệp công nghiệp, các nhà hàng khách sạn cao cấp, hay trong các hoạt động phục vụ cho đời sống, cho sinh hoạt khác, ng−ời ta cần một hệ thống cửa tự động mở khi có ng−ời hay xe vào ra và tự đóng lại khi ng−ời hay xe đã qua khỏi cửa. Đối với các hệ thống đóng mở cửa tự động nh− đã nêu trên, th−ờng đ−ợc thiết kế có hai bộ cảm biến là loại thu phát hồng ngoại đ−ợc đặt ở bên ngoài và bên trong cửa. Khi có ng−ời hay xe đến tr−ớc cửa thì tia hồng ngoại từ bộ phát sẽ phản chiếu về bộ thu và cho ra tín hiệu điều khiển đóng hay mở cửa. Thông th−ờng, ng−ời ta đặt tiếp điểm hành trình để giới hạn chu trình mở hay đóng cửa. Khi mở hết cửa thì tiếp điểm hành trình sẽ tác động ngắt mạch, đóng hết cửa thì tiếp điểm hành trình cũng sẽ tác động để ngắt mạch. Hệ thống tự động điều khiển động cơ : trong lĩnh vực trang thiết bị diện cho các nhà máy công nghệ hay các máy công cụ hoặc phụ trợ cho sản xuất, các nguyên tắc điều khiển tự dộng điều khiển th−ờng gặp nh−: - Điều khiển động cơ chạy tuần tự hay dừng tuần tự. - Động cơ khởi động kiểu sao - tam giác để giới hạn dòng - Động cơ đấu kiểu tam giác-sao để đổi tốc độ - Điều khiển động cơ máy nén khí. - Điều khiển tự động hệ thống lạnh công nghiệp Với bộ PLC, việc thực hiện các nguyên tắc tự động điều khiển trên sẽ trở thành rất đơn giản. đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 62 - Nhà sản xuất Thụy sĩ mikron chọn PLC của Siemens sử dựng trong x−ởng chế tạo của họ. PLC đối thoại qua hệ thống máy tính công nghiệp chạy phần mềm HMI là chìa khoá để làm cho hệ thống lớn này đẽ thiết lập và sử dụng. - Nhà sản xuất Ôtô Jaguar (Anh) sử dụng các PLC và bộ truyền động để đảm bảo hoạt động của dây chuyền sản xuất với các tính năng mosbus Ethernet TCP/IP và Web cho phép các kỹ s− kiểm tra tình trạng thiết bị từ mọi vị trí trong nhà máy. 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 * 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 63 * 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…. 3.1.2.8. Cấu trúc cơ bản của PLC. * Cấu trúc cơ bản của PLC nói chung. Thiết bị lập trình Bộ nhớ Bộ xử lí Giao diện xuất Giao diện nhập Nguồn công suất Hệ thống PLC Hình 12: So sành kinh tế Rơle và PLC đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 64 *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 sử 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. 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 đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn kiên Tr−ờng dhnni – hà nội điện 45a – khoa cơ điện 65 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. 3.1.2.9. 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 Modul mở rộng RS-232 RS-485 I0.0 ữ I0.7 Q0.0 ữ Q2.7 Module mở rộng Hình13: Sơ đồ kết nối tổng thể đồ án tốt nghiệp sv. L−ơng văn ki