Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các dây chuyền sản xuất tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao năng suất và giảm thiểu nhân công. Các hệ thống điều khiển tự động truyền thống thường sử dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp với các giao diện giám sát tại chỗ như màn hình HMI hoặc hệ thống phần mềm SCADA/WinCC. Tuy nhiên, các giải pháp giám sát truyền thống này bộc lộ một số bất tiện: đòi hỏi cấu hình thiết bị và hệ thống dây nối phức tạp, phụ thuộc vào phần mềm chuyên dụng cài đặt trên máy tính cố định và chưa hỗ trợ linh hoạt khả năng thu thập dữ liệu cũng như điều khiển từ xa qua môi trường mạng khi người quản lý phải thường xuyên di chuyển.

Song song với sự phát triển công nghiệp, nghề trồng hoa lan tại Việt Nam đang có xu hướng mở rộng và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hoa lan, đặc biệt là giống lan Ngọc Điểm (Rhynchostylis gigantea), là loài thực vật có giá trị thương phẩm lớn nhưng đòi hỏi quy trình chăm sóc khắt khe về nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa và kết nối mạng vào nông nghiệp nhằm tạo ra mô hình quản lý thông minh là nhu cầu thực tế cần được giải quyết.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát vườn lan qua Internet" do sinh viên Phạm Quốc Tuân và Trần Minh Thành thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Minh Tâm tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 01/2016) được xây dựng nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động của dòng PLC S7-1200 và CPU 1212C của hãng Siemens.
  2. Tìm hiểu và sử dụng phần mềm lập trình TIA Portal (V11/V13) cùng công cụ soạn thảo giao diện web Notepad++.
  3. Nghiên cứu công nghệ Web Server tích hợp trên PLC S7-1200 của Siemens (bao gồm trang web tiêu chuẩn Standard Web Pages và trang web do người dùng tự thiết kế User-defined Web Pages thông qua các lệnh AWP).
  4. Xây dựng mô hình thực nghiệm giám sát và điều khiển các thiết bị trong vườn lan thông qua mạng Internet/LAN sử dụng PLC S7-1200.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển và giám sát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, tốc độ gió) phục vụ chăm sóc vườn lan thông qua Web Server tích hợp trên PLC S7-1200.
  • Phạm vi và giới hạn: Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu cấu tạo phần cứng PLC, giải thuật điều khiển, kỹ thuật xây dựng trang web cá nhân hóa và phương thức truyền nhận dữ liệu giữa PLC và giao diện web qua mạng nội bộ/Internet. Đề tài dừng lại ở mức độ xây dựng mô hình tham khảo để kiểm nghiệm nguyên lý hoạt động, không đi sâu vào việc tối ưu hóa mô hình thương mại hay giải quyết bài toán kinh tế toàn diện trong sản xuất quy mô lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động hóa công nghiệp và công nghệ mạng truyền thông, kết hợp với các chỉ số sinh thái nông nghiệp:

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

  • Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 (Siemens): Dòng PLC nhỏ gọn tích hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn, các đầu vào/ra số (DI/DO), đầu vào tương tự (AI) và cổng truyền thông PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và giao thức TCP/IP. Hệ thống cung cấp các cơ chế bảo mật như bảo vệ bằng mật khẩu truy cập CPU và tính năng Know-how protection để bảo vệ các khối chương trình.
  • Cấu trúc phần mềm và kỹ thuật lập trình PLC:
    • Vòng quét chương trình (Scan cycle): Gồm 4 giai đoạn nối tiếp: (1) Chuyển dữ liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I; (2) Thực thi tuần tự các lệnh trong khối chương trình chính (OB1); (3) Chuyển nội dung từ vùng đệm ảo Q tới cổng ra số; (4) Truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Các cổng vào/ra tương tự (Analog) được truy xuất trực tiếp với cổng vật lý mà không thông qua bộ đệm.
    • Khối tổ chức OB (Organization Blocks): Giao diện giữa hệ điều hành và chương trình người dùng (Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB, Diagnosis OB, Process Alarm OB, Time Interrupt OB, Time Delay Interrupt OB).
    • Hàm FC (Function) và khối hàm FB (Function Block): FC là khối mã không có vùng nhớ riêng, dùng biến tạm thời; FB gắn liền với khối dữ liệu mẫu (Instance Data Block) để lưu trữ tham số tĩnh.
    • Khối dữ liệu DB (Data Block): Gồm Global DB (dữ liệu dùng chung cho toàn bộ chương trình) và Instance DB (gắn riêng cho từng khối FB).
    • Phân loại Tag: Tag PLC (toàn cục, đặt trong dấu ngoặc kép "...") và Tag Local (cục bộ trong khối, có tiền tố #).
  • Kiến trúc Web Server tích hợp trên PLC:
    • Standard Web Pages: Trang web mặc định của Siemens cung cấp các tính năng: Introduction, Start Page, Identification (số Serial, mã phần cứng), Diagnostic Buffer (nhật ký chẩn đoán lỗi từ 1-25 hoặc 26-50 sự kiện), Module Information, Communication (thông số địa chỉ MAC, IP, thống kê truyền/nhận), Variable Status (giám sát và chỉnh sửa tối đa 50 biến/trang, giới hạn 2083 ký tự/trang) và Data Logs (truy xuất dữ liệu định dạng CSV khi có thẻ nhớ SIMATIC).
    • User-defined Web Pages: Trang web do người dùng tự thiết kế bằng HTML, CSS, JavaScript, kết hợp các chỉ thị đặc biệt AWP (Advanced Web Publishing) của Siemens để giao tiếp trực tiếp với vùng nhớ PLC.
    • Lệnh WWW (SFC99): Khối hàm trong STEP 7 thực hiện nhiệm vụ đồng bộ và liên kết chương trình điều khiển với khối dữ liệu điều khiển Web Control DB (mặc định DB333) và các khối phân đoạn DB (từ DB334 trở đi).
  • Yêu cầu sinh thái học của hoa lan Ngọc Điểm (Rhynchostylis gigantea):
    • Nhiệt độ: Mùa hè ban ngày từ 29–32°C (yêu cầu biên độ chênh lệch nhiệt độ ngày - đêm tối thiểu là 10°C để kích thích phân hóa mầm hoa); mùa đông ban ngày duy trì 20–23°C, ban đêm không thấp hơn 16°C.
    • Ánh sáng: Cường độ thích hợp từ 3000–4000 lux, yêu cầu ánh sáng tán xạ, không chịu được ánh nắng chiếu trực tiếp gây cháy lá.
    • Độ ẩm: Độ ẩm môi trường tối ưu từ 80–100%.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thiết kế, chế tạo thực nghiệm:

  1. Phân tích tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens về dòng PLC S7-1200 và giao thức máy chủ web.
  2. Thu thập và chuẩn hóa dữ liệu sinh học về điều kiện môi trường tối ưu cho lan Ngọc Điểm.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, tích hợp các cảm biến công nghiệp và cơ cấu chấp hành vào CPU 1212C.
  4. Lập trình giải thuật điều khiển trên TIA Portal, lập trình giao diện giám sát web trên Notepad++, nhúng lệnh AWP và biên dịch nạp xuống bộ nhớ PLC để đánh giá khả năng vận hành qua mạng LAN/Ethernet.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Dẫn nhập

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa trong quản lý dây chuyền công nghiệp và sản xuất nông nghiệp kỹ thuật cao. Tác giả chỉ ra nhược điểm của các hệ thống giám sát SCADA/HMI cục bộ và nêu bật ưu thế của giải pháp Web Server tích hợp trên PLC Siemens. Chương này công bố rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, giới hạn phạm vi đề tài, tình hình ứng dụng công nghệ Web PLC trên thế giới và tại Việt Nam, cùng ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình.

Chương 2: Giới thiệu

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở kỹ thuật và lý thuyết liên quan đến hệ thống:

  • Cấu hình phần cứng PLC S7-1200: Trình bày chi tiết thông số kỹ thuật của các dòng CPU (1211C, 1212C, 1214C), các module truyền thông mở rộng CM 1241 (RS232, RS485), các module mở rộng tín hiệu số/tương tự (SM 1221, SM 1222, SM 1223, SM 1231, SM 1234) và module cấp nguồn PM 1207 (nguồn vào 120/230VAC 50/60Hz).
Thông số kỹ thuật CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 110 x 100 x 75
Bộ nhớ làm việc (Work Memory) 25 kB 50 kB 50 kB
Bộ nhớ nạp (Load Memory) 1 MB 1 MB 2 MB
Bộ nhớ giữ lại (Retentive Memory) 2 kB 2 kB 2 kB
I/O tích hợp cục bộ 6 DI / 4 DO, 2 AI 8 DI / 6 DO, 2 AI 14 DI / 10 DO, 2 AI
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte (I) / 1024 byte (Q) 1024 byte (I) / 1024 byte (Q) 1024 byte (I) / 1024 byte (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 4096 byte 8192 byte
Khả năng mở rộng module tín hiệu Không hỗ trợ Tối đa 2 module Tối đa 8 module
Bảng tín hiệu (Signal Board) 1 1 1
Module truyền thông (mở rộng bên trái) 3 3 3
Bộ đếm tốc độ cao (HSC) 3 đơn pha (100 kHz) / 3 vuông pha (80 kHz) 4 (3 tại 100 kHz, 1 tại 30 kHz đơn pha / 3 tại 80 kHz, 1 tại 20 kHz vuông pha) 6 (3 tại 100 kHz, 3 tại 30 kHz đơn pha / 3 tại 80 kHz, 3 tại 20 kHz vuông pha)
Tốc độ thực thi lệnh Boolean 0,1 μs/lệnh 0,1 μs/lệnh 0,1 μs/lệnh
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh 18 μs/lệnh 18 μs/lệnh
  • Môi trường phần mềm và cấu trúc lập trình: Hướng dẫn làm việc với SIMATIC STEP 7 Basic trong TIA Portal V13, quản lý bảng Tag PLC, vòng quét CPU và chức năng các khối OB, FC, FB, DB.
  • Nguyên lý Web Server và kỹ thuật thiết kế User-defined Web Pages: Phân tích các giao diện Standard Web Pages; trình bày cú pháp HTML, CSS, JavaScript; cơ chế tự động làm mới dữ liệu và các lệnh AWP đọc/ghi dữ liệu PLC (:=<Varname>:, <!-- AWP_In_Variable Name='...' -->); cấu trúc hàm WWW (SFC99) và các mã trạng thái ngõ ra RET_VAL (mã 0: không lỗi; mã 16#803a: DB điều khiển chưa được nạp; mã 16#9081: sai định dạng DB; mã 16#80C1: không đủ tài nguyên hệ thống).
  • Tổng quan về sinh thái hoa lan Ngọc Điểm: Nguồn gốc phân bố tự nhiên của loài Rhynchostylis gigantea tại Việt Nam và Đông Nam Á, các yêu cầu kỹ thuật về ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và tiềm năng thương mại trong nông nghiệp.

Chương 3: Lựa chọn thiết bị

Chương 3 trình bày các tính toán, lựa chọn phần cứng cảm biến và cơ cấu chấp hành cho mô hình:

  • Cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến nhiệt điện trở bạch kim PT100 (3 dây, $R_0 = 100,\Omega$ tại $0^\circ\text{C}$, hệ số nhiệt trở $\alpha = 0{,}00391$, dải đo $0–150^\circ\text{C}$) kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng ABA 6PT212 (nguồn cấp 24VDC, cung cấp dòng kích $2,\text{mA}$, ngõ ra áp tương tự $0–10,\text{VDC}$ tương ứng dải đo $0–500^\circ\text{C}$).
  • Cảm biến độ ẩm: Cảm biến HWX2XCX có dải đo từ $0–100%,\text{RH}$, dải nhiệt độ chịu đựng từ $0–60^\circ\text{C}$.
  • Cảm biến đo tốc độ gió: Nguồn cấp $11–30,\text{VDC}$, tín hiệu ngõ ra analog $0–5,\text{VDC}$ tương ứng với dải đo tốc độ gió từ $0–1000,\text{fpm}$ ($0–5{,}05,\text{m/s}$), thời gian đáp ứng $0{,}2,\text{s}$.
  • Cảm biến quang (quang trở CdS): Cấu tạo từ lớp bán dẫn Cadimi Sunfua mỏng, điện trở trong bóng tối đạt xấp xỉ $1,\text{M}\Omega$ và giảm mạnh khi có ánh sáng kích thích thích hợp.
  • Cơ cấu chấp hành và thiết bị đóng cắt:
    • Động cơ DC kéo mái che: Động cơ $24,\text{VDC}$ kết hợp mạch đảo chiều động cơ sử dụng 2 rơ-le trung gian $24,\text{VDC}$ kết nối điều khiển trực tiếp từ 2 ngõ ra số (Q) của PLC.
    • Béc phun sương và bơm áp lực: Đầu béc phun tạo hạt sương mịn kết hợp máy bơm áp lực $24,\text{VDC}$ để bù ẩm và làm mát.
    • Đèn gia nhiệt: Đèn công suất $220,\text{V} - 40,\text{W}$ dùng để tăng nhiệt độ không khí khi môi trường xuống quá thấp.
    • Hệ thống chiếu sáng và tủ điện: Đèn chiếu sáng bổ sung quang năng khi trời tối hoặc thiếu sáng, toàn bộ thiết bị điều khiển và nguồn được bố trí trong tủ điện công nghiệp.

Chương 4: Thiết kế và thi công

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình trên môi trường phần mềm và phần cứng:

  • Hướng dẫn các bước tạo lập và cấu hình dự án trên TIA Portal (gồm 5 bước: Khởi động TIA Portal $\rightarrow$ Create new project $\rightarrow$ Configure a device $\rightarrow$ Add new device $\rightarrow$ Chọn mã CPU S7-1200 tương ứng).
  • Thiết lập trạm PLC và cấu hình tham số địa chỉ mạng IP cho CPU để chuẩn bị cho quá trình kết nối máy chủ web.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc điều khiển phân tầng gồm 3 khối chức năng chính: khối thu thập dữ liệu (cảm biến), khối xử lý trung tâm (PLC S7-1200 CPU 1212C) và khối giao diện người dùng (Web Server qua Ethernet/LAN).

+-------------------------------------------------------------+
|                     TRÌNH DUYỆT WEB                         |
|     (Giao diện HTML / CSS / JavaScript / Lệnh AWP)          |
+------------------------------+------------------------------+
                               | Giao thức HTTP/HTTPS (Ethernet TCP/IP)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                    PLC SIEMENS S7-1200                      |
|                        (CPU 1212C)                          |
|  - Web Control DB (DB333) & Fragment DBs (DB334)             |
|  - Khối hàm WWW (SFC99) trong STEP 7                        |
|  - Khối điều khiển chương trình (OB1, FC, FB)               |
+---------------+-----------------------------+---------------+
                |                             |
      (Tín hiệu đầu vào)             (Tín hiệu đầu ra)
                |                             |
                v                             v
+-------------------------------+ +---------------------------+
|        KHỐI CẢM BIẾN          | |     CƠ CẤU CHẤP HÀNH      |
| - PT100 + Bộ đổi ABA 6PT212   | | - Máy bơm phun sương 24V  |
| - Độ ẩm HWX2XCX               | | - Động cơ kéo mái che 24V |
| - Cảm biến gió (0-5VDC)       | |   (Mạch đảo chiều Rơ-le)  |
| - Quang trở CdS               | | - Đèn gia nhiệt (220V/40W)|
|                               | | - Đèn chiếu sáng          |
+-------------------------------+ +---------------------------+

1. Kiến trúc phần cứng và sơ đồ kết nối

  • Bộ điều khiển trung tâm: CPU 1212C tích hợp sẵn 8 ngõ vào số DI (24VDC), 6 ngõ ra số DO, 2 ngõ vào tương tự AI ($0–10,\text{VDC}$) và cổng mạng PROFINET.
  • Ghép nối cảm biến:
    • Cảm biến nhiệt PT100 nối 3 dây vào bộ chuyển đổi tín hiệu ABA 6PT212; bộ chuyển đổi nhận nguồn $24,\text{VDC}$ và xuất tín hiệu điện áp tuyến tính $0–10,\text{VDC}$ đưa trực tiếp vào ngõ vào AI của CPU.
    • Tín hiệu điện áp từ cảm biến tốc độ gió ($0–5,\text{VDC}$), cảm biến độ ẩm HWX2XCX và mạch cầu phân áp quang trở CdS được kết nối vào các kênh đầu vào tương tự và số của trạm điều khiển.
  • Ghép nối cơ cấu chấp hành:
    • Mạch đảo chiều động cơ DC: 2 ngõ ra số (Q) của PLC kích đóng/ngắt cuộn hút của 2 rơ-le trung gian $24,\text{VDC}$. Sự phối hợp đóng cắt các tiếp điểm NO/NC của 2 rơ-le cho phép đảo cực tính cấp nguồn cho động cơ DC $24,\text{VDC}$, từ đó thực hiện thao tác kéo đóng hoặc mở mái che tự động theo điều kiện độ ẩm và nhiệt độ.
    • Các ngõ ra số khác của PLC điều khiển đóng ngắt máy bơm phun sương $24,\text{VDC}$, đèn sưởi ấm gia nhiệt $220,\text{V} - 40,\text{W}$ và hệ thống đèn chiếu sáng thông qua các rơ-le cách ly trung gian.

2. Thiết kế và tích hợp Web Server

Quy trình xây dựng trang web giám sát người dùng (User-defined Web Pages) được thực hiện qua các bước kỹ thuật:

  • Biên soạn mã nguồn giao diện: Sử dụng phần mềm Notepad++ để tạo các tệp giao diện HTML, định dạng CSS và kịch bản tương tác JavaScript.
  • Nhúng chỉ thị AWP để liên kết dữ liệu:
    • Khai báo biến đọc trạng thái từ PLC lên giao diện web: 
      :="Conveyor_speed":
:="My_Data_Block".VarName:
:=MW100:
    • Khai báo biến ghi dữ liệu điều khiển từ web xuống PLC thông qua phương thức POST và mẫu form: 
      <!-- AWP_In_Variable Name='"Target_Level"' -->
<form method="post">
  <p>Input Target Level: <input name='"Target_Level"' type="text"></p>
</form>
  • Cấu hình trên STEP 7 (TIA Portal):
    • Kích hoạt tính năng Web Server trong mục Device Configuration của CPU, tạo tài khoản quản trị admin có quyền đọc/ghi và chỉnh sửa biến.
    • Khai báo đường dẫn thư mục chứa tệp HTML/CSS vào phần User-defined Web Pages trong thuộc tính CPU, hệ thống tự động tạo các khối dữ liệu Web Control DB (mặc định DB333) và các fragment DB (từ DB334 trở đi).
  • Lập trình đồng bộ: Gọi lệnh hàm WWW (SFC99) trong chương trình STEP 7 (ngôn ngữ LAD hoặc SCL) với tham số CTRL_DB := 333 để liên kết xử lý các yêu cầu truyền thông giữa CPU và trình duyệt web.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xây dựng thành công mô hình phần cứng điều khiển và giám sát vườn lan sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C) kết hợp đầy đủ các khối cảm biến (nhiệt độ PT100, độ ẩm HWX2XCX, tốc độ gió, quang trở CdS) và cơ cấu chấp hành (động cơ đảo chiều kéo mái che, bơm sương, đèn sưởi, đèn chiếu sáng).
  • Cấu hình và triển khai thành công tính năng Web Server trên PLC S7-1200:
    • Khai thác hiệu quả các trang tiêu chuẩn (Standard Web Pages) để chẩn đoán trạng thái CPU (Diagnostic Buffer), theo dõi thông số truyền thông IP/MAC và kiểm soát bảng biến (Variable Status).
    • Thiết kế hoàn chỉnh trang web người dùng (User-defined Web Pages) bằng HTML/CSS/JavaScript, nhúng cú pháp AWP để đọc/ghi biến thời gian thực mà không cần cài đặt phần mềm chuyên dụng trên thiết bị đầu cuối.
  • Hiện thực hóa thuật toán điều khiển tự động chăm sóc hoa lan: tự động kích hoạt bơm phun sương khi độ ẩm thấp, tự động kéo mở mái che khi độ ẩm/nhiệt độ thay đổi, tự động bật đèn gia nhiệt khi nhiệt độ môi trường xuống thấp và bật đèn chiếu sáng khi trời tối.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng Web Server của Siemens là giải pháp thay thế hiệu quả cho các hệ thống giám sát SCADA/HMI cồng kềnh trong các bài toán điều khiển vừa và nhỏ, giúp nhà quản lý theo dõi và vận hành hệ thống linh hoạt qua trình duyệt web trên máy tính hoặc thiết bị di động kết nối mạng.
  • Tận dụng hạ tầng mạng nội bộ sẵn có của đơn vị/nhà máy để giám sát hệ thống mà không cần bổ sung thêm các phần cứng hiển thị đắt tiền.

Đóng góp tự nêu

  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết và quy trình từng bước về cách cấu hình, lập trình hệ thống Web Server nhúng trên dòng PLC S7-1200 tại thời điểm công nghệ này còn mới mẻ và chưa phổ biến tại Việt Nam.
  • Bước đầu ứng dụng giải pháp điều khiển tự động hóa qua mạng Internet vào lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao, cụ thể là mô hình chăm sóc hoa lan Ngọc Điểm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Hệ thống xây dựng ở mức độ mô hình thí nghiệm nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động, giải thuật điều khiển và phương thức kết nối PLC với Web Server; chưa được tối ưu hóa cho mô hình nhà kính thương mại quy mô lớn ngoài thực địa.
  • Đề tài chưa đi sâu giải quyết bài toán phân tích hiệu quả kinh tế (chi phí đầu tư, khấu hao thiết bị, lợi nhuận thực tế) khi triển khai lắp đặt đại trà.
  • Ứng dụng Web Server tồn tại độ trễ truyền nhận dữ liệu phụ thuộc vào tốc độ đường truyền mạng và cơ chế làm mới trang web; do đó Web Server đóng vai trò hỗ trợ giám sát từ xa, không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống HMI/SCADA chuyên dụng trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi đáp ứng thời gian thực nghiêm ngặt và tần suất cập nhật liên tục.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển tự động nâng cao (như thuật toán điều khiển PID với tính năng Autotuning có sẵn trên CPU 1212C) để ổn định chính xác nhiệt độ và độ ẩm cho các giống cây trồng phức tạp hơn.
  • Nâng cấp giao diện Web người dùng, tối ưu hóa kịch bản JavaScript để tăng tốc độ làm mới dữ liệu động và mở rộng khả năng kết nối điều khiển qua mạng diện rộng (WAN/Internet công cộng) với các lớp bảo mật nâng cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các đối tượng và phạm vi ứng dụng sau:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Công nghệ Nông nghiệp kỹ thuật cao.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Tài liệu thực hành TIA Portal và PLC S7-1200: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu trúc phần cứng CPU 1212C, các module mở rộng SM/CM, cấu trúc vòng quét, kỹ thuật tổ chức khối OB/FC/FB/DB và bảng Tag PLC.
    • Cẩm nang cấu hình Web Server nhúng trên PLC Siemens: Quy trình từng bước tạo trang User-defined Web Pages, kỹ thuật nhúng tập lệnh AWP (:=<Varname>:, <!-- AWP_In_Variable -->), cách cấu hình tạo Web Control DB (DB333) và sử dụng khối hàm WWW (SFC99) trong STEP 7.
    • Mạch ghép nối cảm biến và chấp hành công nghiệp: Sơ đồ kết nối bộ chuyển đổi ABA 6PT212 cho cảm biến PT100 và sơ đồ đấu nối mạch rơ-le trung gian đảo chiều động cơ DC 24V.
    • Thông số kỹ thuật nông học: Các giá trị chuẩn về nhiệt độ ($29–32^\circ\text{C}$ mùa hè, $20–23^\circ\text{C}$ mùa đông), độ ẩm ($80–100%$) và cường độ ánh sáng ($3000–4000,\text{lux}$) cho giống lan Ngọc Điểm (Rhynchostylis gigantea).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng phiên bản phần cứng PLC và CPU cụ thể nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 với mã CPU 1212C. CPU này sở hữu bộ nhớ làm việc $50,\text{kB}$, bộ nhớ nạp $1,\text{MB}$, bộ nhớ giữ lại $2,\text{kB}$, tích hợp sẵn 8 ngõ vào số, 6 ngõ ra số, 2 ngõ vào tương tự, 4 bộ đếm tốc độ cao (HSC), 2 ngõ ra xung PTO/PWM và 1 cổng truyền thông PROFINET/Ethernet.

2. Làm thế nào để trang web người dùng (User-defined Web) đọc và ghi dữ liệu trực tiếp vào biến trong PLC S7-1200?

Để liên kết dữ liệu, người lập trình sử dụng các câu lệnh AWP do Siemens cung cấp:

  • Đọc giá trị biến: Sử dụng cú pháp :=<Varname>: (ví dụ :=MW100: hoặc :="Conveyor_speed":).
  • Ghi giá trị biến từ web xuống PLC: Khai báo chỉ thị <!-- AWP_In_Variable Name='<Varname>' --> ở đầu tệp HTML và sử dụng phương thức method="post" trong thẻ <form> với tên trường input trùng với tên biến PLC. Sau đó, STEP 7 sẽ biên dịch trang web thành các khối DB (DB333, DB334) và đồng bộ qua lệnh WWW (SFC99).

3. Cảm biến nhiệt độ PT100 được ghép nối với PLC S7-1200 thông qua thiết bị nào và thông số kỹ thuật ra sao?

Cảm biến nhiệt độ PT100 (loại 3 dây, dải đo $0–150^\circ\text{C}$) không nối trực tiếp mà được ghép nối qua bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng ABA 6PT212. Bộ chuyển đổi này nhận nguồn cấp $24,\text{VDC}$, cung cấp nguồn dòng ổn định $2,\text{mA}$ cho cảm biến PT100 và chuyển đổi giá trị nhiệt độ ($0–500^\circ\text{C}$) thành tín hiệu điện áp tương tự $0–10,\text{VDC}$ để đưa vào ngõ vào Analog Input của CPU 1212C.

4. Yêu cầu môi trường chuẩn cho sự sinh trưởng của hoa lan Ngọc Điểm (Rhynchostylis gigantea) trong đồ án là gì?

Lan Ngọc Điểm đòi hỏi các điều kiện môi trường nghiêm ngặt gồm: nhiệt độ ban ngày mùa hè từ $29–32^\circ\text{C}$ (chênh lệch ngày - đêm tối thiểu $10^\circ\text{C}$ để kích thích ra hoa); nhiệt độ mùa đông ban ngày từ $20–23^\circ\text{C}$ và ban đêm không dưới $16^\circ\text{C}$; độ ẩm không khí duy trì từ $80–100%$; cường độ ánh sáng tán xạ từ $3000–4000,\text{lux}$ và không để ánh nắng chiếu trực tiếp.

5. Cơ chế đảo chiều động cơ DC kéo mái che được thiết kế như thế nào?

Cơ cấu kéo mái che sử dụng động cơ $24,\text{VDC}$. Mạch đảo chiều được thực hiện bằng cách kết nối 2 ngõ ra số (Q) của PLC S7-1200 tới 2 rơ-le trung gian $24,\text{VDC}$. Việc điều khiển đóng/ngắt logic giữa 2 rơ-le này sẽ hoán đổi cực tính nguồn điện cung cấp cho động cơ DC, cho phép hệ thống tự động kéo đóng mái che khi độ ẩm thấp/nhiệt độ cao hoặc mở mái che khi độ ẩm tăng cao.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát vườn lan qua Internet" của nhóm tác giả Phạm Quốc Tuân và Trần Minh Thành đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ Web Server tích hợp trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C để giám sát và điều khiển các thông số môi trường sinh trưởng của hoa lan Ngọc Điểm qua mạng LAN/Ethernet. Công trình làm rõ quy trình tích hợp giữa phần cứng cảm biến - chấp hành công nghiệp với kỹ thuật lập trình PLC trên TIA Portal và kỹ thuật thiết kế giao diện web nhúng thông qua các chỉ thị AWP cùng hàm hệ thống WWW. Mô hình mang giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao, cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho việc triển khai các hệ thống tự động hóa nông nghiệp thông minh và các giải pháp điều khiển giám sát từ xa không phụ thuộc phần mềm SCADA truyền thống.