Đồ án tốt nghiệp điện điện tử: Mô hình chăm sóc heo tự động với hệ thống SCADA

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp điện điện tử mô hình chăm sóc heo tự động có điều khiển và giám sát qua hệ thống scada, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn,

• Tác giả: Huỳnh Văn Sanh
• Người hướng dẫn: GVC, ThS. Hoàng Ngọc Văn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông
• Đề tài: Mô hình chăm sóc heo tự động có điều khiển và giám sát qua hệ thống SCADA trên máy tính
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHĂM SÓC HEO TỰ ĐỘNG
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200
• 2.2.1. Tổng quan về PLC
• 2.2.2. PLC là gì?
• 2.2.3. Giới thiệu về PLC S7-1200
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Hệ thống SCADA và ứng dụng trong chăm sóc heo tự động

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là công nghệ tiên tiến được sử dụng để giám sát và điều khiển các quy trình tự động. Trong đề tài này, hệ thống SCADA được áp dụng để quản lý và giám sát quá trình chăm sóc heo tự động. Hệ thống này cho phép theo dõi các thông số như nhiệt độ, lượng thức ăn, và nước uống thông qua các cảm biến heo và hệ thống điều khiển tự động. Công nghệ SCADA không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình chăm sóc mà còn giảm thiểu sự can thiệp của con người, nâng cao hiệu quả quản lý trang trại.

1.1. Quản lý heo và giám sát tự động

Quản lý heo là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong chăn nuôi. Với hệ thống SCADA, việc quản lý được thực hiện tự động thông qua các cảm biến heo và hệ thống điều khiển. Các cảm biến này đo lường các thông số như nhiệt độ chuồng, lượng thức ăn, và nước uống, sau đó truyền dữ liệu về hệ thống để phân tích. Giám sát heo tự động giúp đảm bảo sức khỏe của heo và tối ưu hóa quy trình chăm sóc.

1.2. Công nghệ SCADA trong nông nghiệp thông minh

Công nghệ SCADA đóng vai trò quan trọng trong giải pháp nông nghiệp thông minh. Hệ thống này không chỉ áp dụng trong chăn nuôi heo mà còn có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như trồng trọt và quản lý trang trại. Hệ thống thông tin nông nghiệp được tích hợp với SCADA giúp thu thập và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả, từ đó đưa ra các quyết định quản lý chính xác và kịp thời.

II. Thiết kế và triển khai hệ thống tự động hóa

Đề tài tập trung vào việc thiết kế và triển khai hệ thống tự động hóa để chăm sóc heo. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như PLC S7-1200, cảm biến loadcell, và biến tần Mitsubishi FR-E700. Hệ thống điều khiển được lập trình để tự động trộn thức ăn, điều chỉnh nhiệt độ chuồng, và cung cấp nước uống. Giao diện SCADA được thiết kế để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, giúp người quản lý dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số.

2.1. Thiết kế phần cứng và phần mềm

Phần cứng của hệ thống bao gồm các cảm biến heo, PLC S7-1200, và biến tần Mitsubishi FR-E700. Phần mềm được lập trình để điều khiển các thiết bị này, đồng thời tích hợp với giao diện SCADA để giám sát và quản lý. Phân tích dữ liệu heo được thực hiện thông qua các thuật toán được tích hợp trong phần mềm, giúp đưa ra các quyết định tự động dựa trên dữ liệu thu thập được.

2.2. Triển khai và đánh giá hệ thống

Sau khi thiết kế, hệ thống được triển khai và thử nghiệm trong môi trường thực tế. Các thông số như độ chính xác, tốc độ xử lý, và hiệu quả quản lý được đánh giá kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy hệ thống tự động hóa này có khả năng tối ưu hóa quy trình chăm sóc heo, giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả quản lý trang trại.

III. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Đề tài không chỉ dừng lại ở việc thiết kế và triển khai hệ thống SCADA mà còn hướng đến các ứng dụng thực tiễn trong quản lý trang trại và nông nghiệp thông minh. Hệ thống thông tin nông nghiệp được tích hợp với SCADA có thể mở rộng để quản lý các loại vật nuôi khác hoặc áp dụng trong các lĩnh vực khác như trồng trọt. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp thêm các công nghệ như IoT và AI để nâng cao hiệu quả quản lý và tự động hóa.

3.1. Ứng dụng trong quản lý trang trại

Hệ thống SCADA có thể được áp dụng rộng rãi trong quản lý trang trại, từ việc quản lý thức ăn, nước uống đến việc theo dõi sức khỏe vật nuôi. Tự động hóa nông nghiệp giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, tăng năng suất và hiệu quả quản lý.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống SCADA có thể được tích hợp thêm các công nghệ tiên tiến như IoT và AI để nâng cao khả năng tự động hóa và quản lý. Giải pháp nông nghiệp thông minh sẽ trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành nông nghiệp, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và quản lý.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động và tự động hóa công nghiệp, việc ứng dụng các bộ điều khiển khả trình (PLC) vào quy trình sản xuất và chăn nuôi công nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến. Thực tế tại các trang trại chăn nuôi quy mô lớn cho thấy, các công đoạn chăm sóc vật nuôi như chuẩn bị thức ăn, phối trộn dinh dưỡng, cấp nước uống và vệ sinh chuồng trại nếu thực hiện thủ công sẽ tiêu tốn nhiều nhân công, đồng thời khó kiểm soát chính xác khối lượng cũng như lưu trữ số liệu tiêu thụ hàng ngày.

Khác với các đối tượng vật nuôi như bò hay cá vốn đã có một số mô hình nghiên cứu chăm sóc riêng biệt, heo có những đặc thù riêng về nhu cầu dinh dưỡng, định lượng khẩu phần và chế độ sinh hoạt (uống nước, tắm mát theo thời gian). Mặt khác, nhiều mô hình chăn nuôi trước đây chỉ dừng lại ở việc đóng/cắt cấp thức ăn, nước uống đơn thuần mà chưa tích hợp hệ thống giám sát thời gian thực, lưu trữ dữ liệu tập trung và quản lý từ xa. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Mô hình chăm sóc heo tự động có điều khiển và giám sát qua hệ thống SCADA trên máy tính" được thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ khâu định lượng, phối trộn thức ăn đến giám sát và quản lý dữ liệu vận hành.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế của bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200, cảm biến lực loadcell, mạch khuếch đại tín hiệu RW-ST01A, biến tần Mitsubishi FR-E700, relay điện cực báo mức nước, relay trung gian và hệ thống van khí nén.
2. Xác định các thông số định lượng: đo khối lượng nguyên liệu thức ăn cần trộn cho mỗi lần ăn, nhu cầu nhiệt độ và các nhu cầu cơ bản của heo (tắm, uống nước).
3. Tính toán, lựa chọn giải pháp thiết kế cơ khí cho bồn nguyên liệu, bồn cân định lượng, bồn trộn, bồn chứa nước và máng ăn/uống.
4. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và kết nối toàn bộ hệ thống phần cứng (kết nối ngoại vi, cảm biến với PLC; kết nối động cơ 3 pha với biến tần; mạch động lực điện - khí nén).
5. Thi công mô hình cơ khí (khung sắt lỗ, vỏ bồn, cơ cấu chấp hành) và lắp ráp hoàn thiện tủ điện điều khiển.
6. Xây dựng thuật toán điều khiển và viết chương trình cho PLC S7-1200 trên nền tảng TIA Portal.
7. Thiết kế giao diện giám sát SCADA trên máy tính và giao diện web để quản lý, hiển thị và truy xuất dữ liệu cảm biến trực tuyến theo thời gian thực.
8. Vận hành thử nghiệm, hiệu chỉnh phần cứng/phần mềm, đánh giá sai số, hiệu suất hoạt động và đề xuất hướng cải tiến.

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chăm sóc heo tự động bao gồm cụm cơ cấu định lượng - trộn thức ăn, cụm cấp nước uống độc lập, cụm điều khiển tắm theo thời gian, cùng hệ thống điều khiển PLC S7-1200 và giao diện giám sát SCADA/Web.
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ được thiết kế, thi công và thử nghiệm tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ ngày 19/02/2019 đến ngày 05/07/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật đo lường cảm biến, truyền động điện - khí nén và công nghệ phần mềm giám sát công nghiệp:

Khối chức năng / Thiết bị	Thành phần lý thuyết & Tiêu chuẩn kỹ thuật sử dụng	Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình	Siemens PLC S7-1200 (CPU 1212C AC/DC/Rly kết hợp module mở rộng SM 1223 DC/DC). Quản lý chu kỳ quét (Scan cycle), vùng nhớ I, Q, M, T, C và các khối chương trình OB, FC, FB, Interrupt.	Nhận tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến analog; xử lý thuật toán logic và điều khiển các ngõ ra cơ cấu chấp hành.
Cảm biến lực & Mạch khuếch đại	02 Cảm biến loadcell thanh YZC-113 (tải trọng 20kg, mạch cầu điện trở Wheatstone) kết hợp module khuếch đại RW-ST01A (độ nhạy 2.0 mV/V, ngõ ra 0–10V, cấp bảo vệ IP65, độ chính xác 0.3%).	Chuyển đổi biến dạng cơ học của bồn cân thành tín hiệu điện áp tuyến tính 0–10VDC đưa về ngõ vào Analog Input của PLC.
Hệ thống truyền động khí nén	Máy nén khí, bình tích áp, xi lanh tròn khí nén tác động kép và van điện từ 5/2 hai đầu cuộn dây (solenoid 24VDC, 110mA).	Đóng/mở cửa xả bồn nguyên liệu, cửa xả bồn cân và cửa xả bồn trộn thức ăn.
Hệ thống truyền động điện	Động cơ không đồng bộ 3 pha Panasonic MX8M25G4Y (4 cực, công suất 25W, điện áp 220VAC 3 pha) kết hợp Biến tần Mitsubishi FR-E700 (nguyên lý nghịch lưu IGBT, điều chế độ rộng xung PWM).	Biến đổi nguồn 1 pha thành 3 pha, điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay cho cơ cấu trục khuấy trộn thức ăn.
Hệ thống giám sát mức chất lỏng	Relay điện cực báo mức nước (nguồn 110–220VAC, thời gian đáp ứng hoạt động max 80ms, phản hồi max 160ms, điện trở cách điện 100 MΩ).	Tự động điều khiển bơm cấp nước vào bồn chứa khi cạn và ngắt khi đầy, hoạt động độc lập với PLC.
Hệ thống van cấp nước sinh hoạt	Van điện từ nước 220VAC (dạng thường đóng - NC, kích thước cửa 16mm, ren 21mm / phi 1/2 inch, áp suất làm việc 0–1 MPa, vật liệu đồng thau).	Đóng/mở đường nước cấp vào máng uống tự động và hệ thống vòi phun tắm cho heo.

Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài là thiết kế và thực nghiệm kỹ thuật. Quá trình triển khai bao gồm mô hình hóa kết cấu 3D bằng phần mềm SolidWorks; tính toán công suất tải và phân bổ nguồn điện công nghiệp; lập trình điều khiển logic bằng ngôn ngữ LAD trên phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic); và xây dựng hệ thống thu thập, lưu trữ dữ liệu SCADA trên máy tính kết hợp ứng dụng Web được lập trình qua Microsoft Visual Studio.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc điều khiển phân tầng và module hóa phần cứng:

1. Tính toán và ghép nối phần cứng

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng CPU 1212C AC/DC/Rly (tích hợp 8 ngõ vào số DI, 6 ngõ ra relay DO, 2 ngõ vào tương tự AI) ghép nối với module mở rộng SM 1223 DC/DC (8 ngõ vào số DI, 8 ngõ ra transistor DO). Tổng số cổng I/O sử dụng thực tế là 9 ngõ vào và 8 ngõ ra.
• Khối nguồn: Nguồn lưới 220VAC cung cấp trực tiếp cho PLC, biến tần và máy nén khí. Nguồn tổ ong DC 24V – 5A được trang bị để cấp nguồn cho mạch khuếch đại RW-ST01A, 5 cuộn dây van điện từ 5/2 (dòng tiêu thụ 110mA/cuộn, tổng 550mA), 4 đèn báo trạng thái 24V (80mA) và các relay trung gian 8 chân 24V.
• Khối chấp hành khí nén: Hệ thống sử dụng 3 xi lanh tròn tác động kép kết hợp van đảo chiều 5/2 hai đầu cuộn dây để điều khiển cơ cấu cửa trượt xả liệu.
• Cấu hình tham số biến tần Mitsubishi FR-E700: Biến tần được thiết lập hoạt động ở chế độ điều khiển ngoài (External Mode), điều chỉnh tần số qua biến trở VR với các thông số cài đặt:
  • P.0: Cài đặt mô men khởi động ở mức 6% (giữ nguyên mặc định).
  • P.1: Giới hạn tần số trên là 100.0 Hz.
  • P.2: Giới hạn tần số dưới là 0.00 Hz.
  • P.3: Tần số cơ bản thiết lập 50.00 Hz.
  • P.7: Thời gian tăng tốc đặt 5.0 giây.
  • P.8: Thời gian giảm tốc đặt 8.0 giây.
  • P.9: Cài đặt dòng bảo vệ rơ le nhiệt ở mức 0.25 A (phù hợp dòng định mức động cơ 25W).
  • P.72: Cài đặt mức 4 (tần số sóng mang nhằm giảm độ ồn động cơ).
  • P.79: Thiết lập giá trị 2 (chế độ vận hành External).

2. Thiết kế cơ khí và tủ điện

Khung mô hình được gia công từ thép góc định hình (sắt lỗ), bố trí theo trục thẳng đứng gồm 3 tầng: tầng trên cùng đặt các bồn chứa nguyên liệu cám thô; tầng giữa bố trí bồn cân định lượng gắn trên 2 thanh loadcell YZC-113; tầng dưới là bồn trộn gắn cánh khuấy dẫn động bởi động cơ Panasonic. Bên cạnh là hệ thống bồn chứa nước và máng uống tự động. Tủ điện điều khiển được bố trí riêng, mặt ngoài gắn các nút ấn Start, Stop, Emergency Stop, chuyển mạch Auto/Manual và hệ thống đèn báo; bên trong lắp đặt PLC, module mở rộng, biến tần, bộ khuếch đại loadcell, relay trung gian và máng đi dây.

3. Triển khai phần mềm và giao diện giám sát

• Chương trình PLC: Được viết trên TIA Portal, xử lý hai chế độ:
  • Chế độ Manual: Cho phép người vận hành cưỡng bức đóng/mở từng xi lanh xả liệu, kích hoạt động cơ trộn và van nước thông qua nút nhấn cơ hoặc nút bấm trên màn hình.
  • Chế độ Auto: Thực hiện chu trình tuần tự: Mở xi lanh bồn nguyên liệu 1 -> Cân đủ khối lượng cài đặt -> Đóng cửa xả 1 -> Mở bồn nguyên liệu 2 -> Cân đủ -> Đóng cửa xả 2 -> Mở xi lanh xả bồn cân xuống bồn trộn -> Kích hoạt biến tần quay động cơ trộn trong khoảng thời gian định trước -> Mở xi lanh xả thức ăn ra máng cho heo.
• Giao diện SCADA trên máy tính: Hiển thị sơ đồ công nghệ mô phỏng thời gian thực, cho phép giám sát trạng thái ON/OFF của động cơ, vị trí xi lanh, khối lượng nguyên liệu tức thời, biểu đồ xu hướng tiêu thụ thức ăn và cài đặt thời gian phun tắm tự động.
• Giao diện Web: Xây dựng bằng Visual Studio, cho phép người quản trị đăng nhập, theo dõi dữ liệu online từ xa và truy xuất lịch sử dữ liệu cảm biến theo mốc thời gian.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài, thực trạng ứng dụng tự động hóa trong chăn nuôi công nghiệp, sự cần thiết của việc giám sát số liệu thức ăn và các nhu cầu cơ bản của heo. Tác giả xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, liệt kê 6 nội dung nghiên cứu chính, 4 điểm giới hạn của đề tài (mô hình quy mô nhỏ, kết cấu cơ khí còn thô, độ chính xác tương đối, tốc độ điều khiển tuần tự còn chậm) và tóm tắt bố cục 6 chương của khóa luận.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng chi tiết về các thiết bị sử dụng:

• Tổng quan về cấu trúc phần cứng, nguyên lý quét vòng lặp (Scan cycle) và tổ chức bộ nhớ (OB, FC, FB, vùng nhớ I, Q, M, T, C) của PLC họ S7-1200; bảng so sánh tính năng các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C và các module mở rộng tín hiệu (SM), bảng tín hiệu (SB), module truyền thông (CM).
• Đặc điểm của hệ thống điều khiển điện - khí nén, phân loại truyền động thẳng, cấu trúc trạm nguồn khí nén và van đảo chiều.
• Cấu tạo và nguyên lý đo biến dạng của cảm biến lực Strain Gauge Loadcell dựa trên mạch cầu điện trở cân bằng Wheatstone; thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi khuếch đại tín hiệu RW-ST01A.
• Nguyên lý biến đổi điện áp AC-DC-AC bằng cầu chỉnh lưu và nghịch lưu IGBT PWM trong biến tần; giới thiệu dải tính năng của dòng biến tần Mitsubishi FR-E700.
• Cấu tạo và thông số hoạt động của relay điện cực báo mức nước, van điện từ 220V thường đóng (NC), nút dừng khẩn cấp và relay trung gian 24V.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Tác giả trình bày sơ đồ khối tổng thể của hệ thống và đi sâu vào tính toán thiết kế chi tiết từng khối:

• Thiết kế khối cảm biến: Lựa chọn 02 loadcell YZC-113 tải trọng 20kg và cấu hình mạch khuếch đại RW-ST01A xuất tín hiệu analog 0–10V tuyến tính.
• Thiết kế khối chấp hành khí nén: Tính chọn xi lanh tròn và van điện từ 5/2 hai đầu cuộn dây 24VDC; xây dựng sơ đồ kết nối van với các ngõ ra PLC.
• Thiết kế khối động cơ và biến tần: Lựa chọn động cơ 3 pha Panasonic MX8M25G4Y công suất 25W và biến tần Mitsubishi FR-E700; xây dựng quy trình 8 bước cài đặt các tham số vận hành (P.0 đến P.79).
• Lựa chọn bộ xử lý trung tâm PLC Siemens S7-1212C AC/DC/Rly kết hợp module SM 1223; tính toán công suất nguồn DC 24V – 5A dựa trên tổng dòng tải của 5 cuộn van khí nén (550mA) và đèn báo (80mA).
• Thiết kế bản vẽ mô hình cơ khí 3D đa hướng (mặt trước, mặt sau, mặt bên) trên phần mềm SolidWorks.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình gia công thực tế:

• Thi công cơ khí: Cắt gọt, lắp ráp khung sắt định hình, lắp đặt 2 bồn chứa nguyên liệu, bồn cân treo loadcell, bồn trộn trục khuấy, bồn cấp nước và hệ thống máng ăn/uống.
• Thi công điện: Bố trí sắp xếp thiết bị trong tủ điện điều khiển, đấu nối dây động lực, dây điều khiển, mạch nguồn, rơ le trung gian và nối dây tín hiệu từ tủ điện ra mô hình.
• Phát triển phần mềm: Trình bày các bước tạo Project trên TIA Portal, cấu hình phần cứng (Hardware Configuration), lập bảng biến (PLC Tags), viết các khối hàm điều khiển theo lưu đồ giải thuật; thiết kế giao diện SCADA quản trị và xây dựng trang web giám sát dữ liệu trực tuyến bằng Visual Studio.

Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 tổng hợp các kết quả thực nghiệm đạt được của đồ án:

• Hình ảnh hoàn thiện của mô hình cơ khí thực tế và tủ điện điều khiển sau khi thi công.
• Kết quả chạy thử nghiệm hệ thống cân định lượng tự động: loadcell và mạch RW-ST01A phản hồi tín hiệu analog ổn định về PLC, hệ thống đóng cắt cửa xả khí nén chính xác theo ngưỡng khối lượng cài đặt.
• Kết quả vận hành động cơ khuấy trộn thông qua biến tần Mitsubishi FR-E700 đảm bảo êm ái, đúng chiều và đúng thời gian cài đặt.
• Hệ thống cấp nước uống tự động thông qua relay điện cực vận hành độc lập, duy trì mực nước ổn định trong thùng chứa.
• Các giao diện SCADA trên máy tính và giao diện Web (gồm trang Home, trang thông tin dự án, trang truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biến và trang tìm kiếm dữ liệu theo thời gian) hoạt động đồng bộ, hiển thị chính xác trạng thái thực tế của mô hình.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược các hạng mục công việc đã hoàn thành đúng tiến độ; chỉ ra những điểm còn tồn tại của hệ thống thực nghiệm và vạch ra các định hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện mô hình trang trại thông minh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng cơ khí và tủ điện điều khiển tích hợp PLC S7-1212C, module SM 1223, biến tần Mitsubishi FR-E700, 2 cảm biến loadcell YZC-113 20kg và hệ thống xi lanh khí nén.
• Xây dựng thành công thuật toán và chương trình điều khiển tự động hóa quy trình chăm sóc heo: cân định lượng chính xác 2 loại nguyên liệu thức ăn, tự động trộn bằng động cơ 3 pha 25W, tự động xả thức ăn ra máng, cấp nước uống tự động dựa trên relay điện cực và kích hoạt vòi phun tắm theo lịch trình cài đặt trên SCADA.
• Thiết kế hệ thống giám sát SCADA trên máy tính và hệ thống web server (Visual Studio) cho phép theo dõi trực quan trạng thái thiết bị và lưu trữ, truy xuất dữ liệu cảm biến theo thời gian.

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

• Kết hợp giải pháp chuẩn hóa tín hiệu analog từ cầu điện trở Wheatstone của loadcell qua bộ chuyển đổi RW-ST01A đưa về PLC với sai số 0.3%, giúp hệ thống điều khiển công nghiệp đọc trực tiếp giá trị khối lượng mà không cần vi điều khiển trung gian.
• Tách biệt cơ cấu cấp nước uống tự động (điều khiển bởi relay điện cực) hoạt động độc lập với PLC, giúp giảm tải thuật toán cho bộ điều khiển trung tâm và tăng độ tin cậy của hệ thống cấp nước.
• Đóng góp một mô hình học tập và nghiên cứu thực nghiệm có tính ứng dụng thực tế cao, làm cơ sở khoa học để mở rộng các nghiên cứu tự động hóa trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Quy mô hệ thống mới dừng lại ở mức mô hình thực nghiệm nhỏ trong phòng thí nghiệm, chưa triển khai thử nghiệm trên chuồng trại thực tế với số lượng heo lớn.
• Kết cấu khung cơ khí còn sử dụng sắt lỗ, hình dáng tổng thể còn thô và chưa tối ưu về mặt thẩm mỹ công nghiệp.
• Độ chính xác trong quá trình cân định lượng và đo lường mới đạt mức tương đối do ảnh hưởng rung động cơ học khi động cơ trộn và xi lanh hoạt động.
• Tốc độ đáp ứng của hệ thống còn chậm do quy trình vận hành được lập trình theo phương pháp điều khiển tuần tự từng bước.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp, tối ưu hóa kết cấu cơ khí, sử dụng vật liệu chống ăn mòn (như inox) phù hợp với môi trường chăn nuôi ẩm ướt.
• Tích hợp thêm hệ thống tự động làm sạch sàn chuồng trại, hệ thống thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi tự động để tạo thành chu trình khép kín hoàn chỉnh.
• Bổ sung cảm biến giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường chuồng nuôi và thuật toán điều khiển thông minh để tự động điều chỉnh quạt thông gió và chu kỳ tắm cho heo.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Nông nghiệp công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Sơ đồ nguyên lý ghép nối cảm biến loadcell analog với PLC Siemens S7-1200 qua bộ chuyển đổi RW-ST01A.
• Bảng tham số và quy trình 8 bước cài đặt biến tần Mitsubishi FR-E700 điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha chạy nguồn 1 pha.
• Sơ đồ mạch động lực và điều khiển điện - khí nén sử dụng van 5/2 hai đầu cuộn dây và xi lanh tác động kép.
• Phương pháp xây dựng hệ thống giám sát SCADA kết hợp lưu trữ và hiển thị dữ liệu cảm biến qua giao diện Web.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm nào và cấu hình ngõ vào/ra ra sao? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 gồm CPU 1212C AC/DC/Rly (tích hợp 8 ngõ vào số DI, 6 ngõ ra relay DO, 2 ngõ vào analog AI) kết hợp module mở rộng SM 1223 DC/DC (8 ngõ vào số DI, 8 ngõ ra transistor DO). Tổng số cổng phần cứng sử dụng thực tế trong đồ án là 9 ngõ vào và 8 ngõ ra.

2. Tín hiệu khối lượng từ cảm biến loadcell được xử lý như thế nào trước khi đưa vào PLC? Do cảm biến loadcell YZC-113 xuất tín hiệu điện áp rất nhỏ ở mức mili-Volt (từ 1 đến 3 mV/V qua cầu Wheatstone), hệ thống sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu RW-ST01A để chuẩn hóa và khuếch đại tín hiệu này thành dải điện áp tương tự 0–10V tuyến tính, tương thích trực tiếp với cổng Analog Input (AI) của PLC S7-1200.

3. Động cơ trộn thức ăn là loại nào và biến tần Mitsubishi FR-E700 được cài đặt các thông số chính nào? Động cơ trộn là loại động cơ 3 pha Panasonic MX8M25G4Y (4 cực, công suất 25W, điện áp 220V 3 pha). Biến tần Mitsubishi FR-E700 được cài đặt ở chế độ chạy ngoài (P.79 = 2), giới hạn tần số trên 100Hz (P.1), giới hạn dưới 0Hz (P.2), tần số cơ bản 50Hz (P.3), thời gian tăng tốc 5s (P.7), thời gian giảm tốc 8s (P.8), dòng bảo vệ nhiệt 0.25A (P.9) và tần số sóng mang mức 4 (P.72).

4. Hệ thống cấp nước uống tự động cho heo hoạt động theo nguyên lý nào? Hệ thống cấp nước uống hoạt động hoàn toàn độc lập với bộ điều khiển PLC trung tâm. Hệ thống sử dụng relay điện cực để giám sát mực nước trong bồn chứa: khi nước cạn, relay tự động kích hoạt máy bơm nước vào bồn chứa; khi bồn đầy, relay ngắt bơm. Khi thùng uống của heo hết nước, van xả sẽ tự động mở để cấp nước vào máng.

5. Khối phần mềm của đồ án bao gồm những công cụ nào và đảm nhiệm chức năng gì? Khối phần mềm gồm ba công cụ chính: SolidWorks dùng để thiết kế mô hình cơ khí 3D; TIA Portal (Step 7 Basic) dùng để cấu hình phần cứng và lập trình điều khiển logic cho PLC S7-1200 tích hợp thiết kế giao diện SCADA; và Microsoft Visual Studio dùng để xây dựng trang web quản trị, cho phép theo dõi và truy xuất dữ liệu cảm biến trực tuyến theo thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Huỳnh Văn Sanh và Võ Duy Tâm đã thiết kế và thi công thành công mô hình chăm sóc heo tự động ứng dụng PLC Siemens S7-1200, hệ thống điện - khí nén và biến tần Mitsubishi FR-E700. Hệ thống thực hiện đầy đủ các chức năng định lượng, phối trộn thức ăn, cấp nước uống và điều khiển tắm tự động kết hợp với giao diện giám sát SCADA và Web online. Mặc dù còn một số hạn chế về quy mô mô hình thực nghiệm và tính thẩm mỹ cơ khí, đồ án đã giải quyết tốt bài toán tích hợp điều khiển - giám sát công nghiệp và là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cho các nghiên cứu tự động hóa nông nghiệp tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao thức.

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế. Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHĂM SÓC HEO TỰ ĐỘNG. Nhu cầu ăn và uống là hai nhu cầu cơ bản và thiết yếu nhất đối với một trang trại nuôi heo, việc quản lí ăn uống này có thể thực hiện bởi con người nhưng như vậy đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhân công và việc quản lí các số liệu về lượng thức ăn cho heo cũng trở nên khó khăn, vì thế một hệ thống quản lí việc ăn uống và các số liệu về lượng thức ăn trong ngày là vô cùng cần thiết.

TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200 2. Tổng quan về PLC 2. Giới thiệu Kỹ thuật điện tử đã phát triển đến trình độ kỳ diệu và sẽ có những tiến bộ vượt bật trong tương lai. Nó góp phần không nhỏ và sản xuất công nghiệp.

Nhất là trong giai đoạn hội nhập hiện nay. Các doanh nghiệp không ngần ngại hạ giá thành sản phẩm tăng sức cạnh tranh với các công ty khác. Một trong những giải pháp về trang thiết bị hiện đại này là PLC. PLC có khả năng vận hành tự động theo một quy trình định sẵn mà không cần có sự tham gia của con người lúc vận hành.

Bởi tất cả những gì cần thiết cho ra đời một loạt sản phẩm đã tích hợp tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn đó là PLC. Hệ thống tự động này gần như tối ưu khi kết hợp với máy vi tính để điều khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn chỉ trên máy vi tính. Thật ra hệ thống điều khiển tự động này đã xuất hiện từ năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn cho việc sản xuất. Nhưng ở Việt Nam, còn khá nhiều công ty hoàn toàn xa lạ với PLC.

Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn khá đắt nhưng chỉ với một công ty sản xuất thì giữa đầu tư ban đầu đó với những lợi ích nó đem lại thì giá thành không đáng quan tâm lắm. Thật ra là do ngại thay đổi, do chưa hiểu nhiều về PLC nên khi vận hảnh, bảo trì, bảo dưỡng, thay đổi chương trình gặp không ít khó khăn cho người sử dụng. Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt được rồi vấn đề chuyển giao công nghệ không còn đáng lo và PLC có thể hiện tính ưu việt nhờ sự hiểu biết của người sử dụng. Vậy PLC là gì? Hy vọng nội dung được đề cập trong đồ án này giúp người đọc hiểu hơn về PLC.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 CHƯƠNG 2. PLC là gì? PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là thiết bị điều khiển logic khả trình. Sự phát triển của PLC đã mang lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay (loại thiết bị phức tạp và cồng kềnh); khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyển công nghiệp.

 Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích hợp trong môi trường công nghiệp:  Khả năng kháng nhiễu tốt.  Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp…  Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc qua mạng internet.  Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động. Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được do chương trình hoặc thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình.

Cấu trúc phần cứng của PLC  Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau:  Module nguồn.  Module đơn vị xử lý trung tâm.  Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu.  Module đầu vào.

 Module đầu ra. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Module phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ).  Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng).

Cấu trúc bộ nhớ PLC  Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính  Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm miền:  Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét.  Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính.  Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra.

Có rất nhiều sự kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao …  Vùng chứa tham số của hệ điều hành: chia thành miền khác nhau:  I (Process Image Input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của công vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.  Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số.

Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV- Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.  C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm.

 Vùng dữ liệu. Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ… 2. Xử lý chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp.

Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng bộ đệm ảo, tiếp theo giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông và kiểm tra lỗi, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyền các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra.

Cấu trúc chương trình Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau:  Lập trình có cấu trúc: chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi những nhiệm vụ riêng biệt của nó, từng phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiểu nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-1200 có 3 loại khối cơ bản sau:  Loại khối organization Block: khối tổ chức và quản lí chương tình điều khiển. khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét.

 Loại khối chương trình con: Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó.  Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ.

Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ. Không phức tạp. Khối được chọn phải là khối organization Block mà PLC luôn quét và thực hiện tổng các lệnh đó thường xuyên. Từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối và quay lại lệnh đầu tiên.

 Loại khối chương tình ngắt: là khối chương trình đặc biệt có khả năng trao đổi 1 lượng lớn với các khối chương trình khác. Chương trình sẽ được thực thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra. Giới thiệu về PLC S7- 1200 2. Khái niệm chung PLC S7- 1200 Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7- 200.

So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội: - S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa.