Đồ án HCMUTE: Hệ thống tưới nước tự động cho hoa ly sử dụng PLC

Đồ án nghiên cứu hcmute hệ thống tưới nước tự động cho hoa ly dùng plc, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Phạm Trần Hoài Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Hệ Thống Tưới Nước Tự Động Cho Hoa Ly Dùng PLC
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH
• 5. CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống tưới nước tự động

Hệ thống tưới nước tự động cho hoa ly bằng PLC tại HCMUTE được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Việc áp dụng hệ thống tưới nước tự động giúp giảm thiểu công sức lao động và đảm bảo cung cấp nước đầy đủ cho cây trồng. Hệ thống này sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) để điều khiển quá trình tưới nước, từ đó giúp người nông dân dễ dàng quản lý và giám sát tình trạng cây trồng. Theo nghiên cứu, việc tưới nước tự động không chỉ tiết kiệm nước mà còn nâng cao năng suất hoa ly và cải thiện chất lượng hoa ly. Hệ thống này có khả năng hoạt động thông minh, tự động điều chỉnh lượng nước tưới dựa trên các thông số như độ ẩm đất và cường độ ánh sáng.

1.1. Lợi ích của hệ thống tưới nước tự động

Hệ thống tưới nước tự động mang lại nhiều lợi ích cho việc canh tác hoa ly. Đầu tiên, nó giúp tiết kiệm nước, một nguồn tài nguyên quý giá trong nông nghiệp. Thứ hai, hệ thống này giảm thiểu rủi ro cho cây trồng bằng cách đảm bảo độ ẩm ổn định, tránh tình trạng úng rễ. Hơn nữa, việc sử dụng PLC trong điều khiển tưới nước cho phép người nông dân dễ dàng lập trình và điều chỉnh theo nhu cầu cụ thể của từng giai đoạn phát triển của hoa ly. Cuối cùng, hệ thống này còn giúp giám sát từ xa qua Internet, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý vườn hoa ly một cách hiệu quả.

II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống tưới nước tự động cho hoa ly bao gồm nhiều thành phần chính như cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, máy bơm nước và PLC. Cảm biến độ ẩm đất sẽ theo dõi độ ẩm của đất và gửi tín hiệu về PLC. Dựa trên tín hiệu này, PLC sẽ quyết định khi nào cần tưới nước. Máy bơm nước sẽ được kích hoạt để cung cấp nước cho cây trồng. Hệ thống này không chỉ hoạt động dựa trên các thông số cảm biến mà còn có thể được lập trình để hoạt động theo lịch trình cố định. Điều này giúp đảm bảo rằng hoa ly luôn nhận được lượng nước cần thiết trong suốt quá trình sinh trưởng.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Các thành phần chính của hệ thống tưới nước tự động bao gồm: cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, máy bơm nước, và PLC. Cảm biến độ ẩm đất có nhiệm vụ đo lường độ ẩm của đất và gửi dữ liệu về PLC. Cảm biến ánh sáng giúp theo dõi cường độ ánh sáng, từ đó điều chỉnh lượng nước tưới phù hợp. Máy bơm nước được sử dụng để cung cấp nước cho cây trồng khi cần thiết. PLC là bộ não của hệ thống, điều khiển toàn bộ quá trình tưới nước dựa trên dữ liệu từ các cảm biến.

III. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Hệ thống tưới nước tự động cho hoa ly bằng PLC không chỉ có ứng dụng trong nông nghiệp mà còn có thể mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như trồng cây cảnh, vườn ươm và các mô hình nông nghiệp thông minh. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu chi phí lao động và tăng cường khả năng cạnh tranh cho nông sản. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ IoT, hệ thống có thể được tích hợp với các thiết bị thông minh khác, cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa qua điện thoại di động hoặc máy tính.

3.1. Triển vọng phát triển trong tương lai

Triển vọng phát triển của hệ thống tưới nước tự động rất lớn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc tích hợp các cảm biến thông minh và hệ thống giám sát qua Internet sẽ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Ngoài ra, việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển thông minh sẽ giúp tối ưu hóa quá trình tưới nước, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng hoa ly. Hệ thống này có thể trở thành một phần quan trọng trong mô hình nông nghiệp bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm tài nguyên.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật nông nghiệp hiện đại tại Việt Nam, nghề trồng hoa ly (lily) mang lại giá trị kinh tế cao do nhu cầu thị trường lớn, đặc biệt vào các dịp lễ Tết khi giá bán có thể đạt mức cao. Tuy nhiên, hoa ly là loài cây trồng đòi hỏi quy trình canh tác nghiêm ngặt, nhạy cảm với điều kiện môi trường sống như độ ẩm đất, ánh sáng và chế độ dinh dưỡng. Việc áp dụng các phương pháp tưới tiêu thủ công truyền thống thường dẫn đến tình trạng mất kiểm soát lượng nước tưới, gây úng rễ, thối củ hoặc khiến hoa nở không đúng thời vụ, làm giảm đáng kể hiệu quả kinh tế của người nông dân.

Nhằm khắc phục những hạn chế trên, đề tài "Hệ Thống Tưới Nước Tự Động Cho Hoa Ly Dùng PLC" được thực hiện bởi nhóm tác giả Phạm Trần Hoài Thiện và Lê Trung Thắng (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Minh Tâm). Đề tài tập trung ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động hóa công nghiệp và thu thập dữ liệu giám sát vào quy trình chăm sóc hoa ly.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng mô hình trồng hoa ly hoàn chỉnh, ứng dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC S7-1200 để điều khiển tự động quá trình tưới nước và che chắn ánh sáng theo đúng yêu cầu sinh trưởng của cây, đồng thời thiết lập hệ thống giám sát thời gian thực qua máy tính cục bộ và mạng Internet.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác định 6 nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Thu thập dữ liệu quy trình sinh trưởng, kỹ thuật trồng và tưới nước cho hoa ly.
2. Đề xuất các giải pháp thiết kế hệ thống và mô hình tưới hoa ly tự động.
3. Thiết kế hệ thống điều khiển: nghiên cứu PLC S7-1200 (Siemens) và giải thuật lập trình điều khiển.
4. Thiết kế hệ thống giám sát: nghiên cứu phần mềm SCADA WinCC, thiết kế giao diện vận hành trên máy tính và giao diện Webserver qua Internet.
5. Thi công phần cứng mô hình và nạp chương trình phần mềm.
6. Thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động và đề xuất hướng mở rộng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ tưới nước tự động và điều tiết ánh sáng cho cây hoa ly; thiết bị điều khiển PLC S7-1200, cảm biến môi trường, cơ cấu chấp hành và hệ thống SCADA.
• Phạm vi thông số: Độ ẩm đất được duy trì trong dải tối ưu từ 75% đến 85%; cường độ ánh sáng sinh trưởng thích hợp từ 12.000 đến 15.000 lux.
• Phạm vi phần cứng và phần mềm: Sử dụng PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, phần mềm TIA Portal V13, phần mềm WinCC Runtime Advanced và tiện ích Webserver tích hợp.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết nông học về hoa ly

Quy trình canh tác hoa ly (tập trung vào giống phổ biến như Sorbonne, Acapulco) đòi hỏi các thông số môi trường khắt khe:

• Thời gian sinh trưởng: Giống Sorbonne có thời gian sinh trưởng 95–100 ngày, chiều cao cây 85–100 cm, số hoa từ 3–7 hoa/cây.
• Thời vụ trồng thu hoạch Tết: Đồng bằng sông Hồng (20/9–27/9 âm lịch), Miền núi phía Bắc (5/9–12/9 âm lịch), Miền Trung (25/9–2/10 âm lịch).
• Yêu cầu giá thể/đất: Tơi xốp, thoát nước tốt; độ dẫn điện dung dịch đất $EC = 0,5 - 0,8\text{ mS/cm}$; độ pH đạt $5,5 - 6,5$ (nhóm lily thơm) và $6,0 - 7,0$ (nhóm lily không thơm).
• Chế độ tưới nước: Giữ độ ẩm đất liên tục ở mức 75–85%, áp dụng phương pháp tưới nhỏ giọt vào phần gốc với chu kỳ tiêu chuẩn 30 phút/ngày.
• Độ ẩm đất và công thức tính: $$W = \frac{m_w}{m_d} \times 100%$$ Trong đó: $W$ là độ ẩm của đất (%); $m_w$ là khối lượng nước trong mẫu đất bị mất đi khi sấy ở nhiệt độ $105^\circ\text{C}$; $m_d$ là khối lượng mẫu đất khô trước khi nung.
• Kỹ thuật bón phân thúc (NPK Đầu Trâu 13-13-13+TE): Gồm 6 đợt bón phân định kỳ kết hợp bổ sung phân Urê, Lân Lâm Thao, Kali Clorua và Canxi Nitrat tùy theo từng giai đoạn phát triển của thân, lá và nụ.

Đợt bón	Thời điểm thực hiện	Liều lượng phân bón cho $100\text{ m}^2$
Đợt 1	Sau trồng 3 tuần (cây cao 15–20 cm)	2 kg NPK Đầu Trâu (13-13-13+TE)
Đợt 2	Sau lần 1 từ 7–10 ngày	0,2 kg Urê + 3 kg NPK Đầu Trâu
Đợt 3	Khi cây sắp xuất hiện nụ	0,3 kg Urê + 4 kg NPK + 0,5 kg Lân Lâm Thao + 1 kg Canxi Nitrat
Đợt 4	Khi đang xuất hiện nụ hoa	0,2 kg Urê + 4 kg NPK + 0,5 kg Lân + 0,3 kg $\text{KCl}$ + 1 kg Canxi Nitrat
Đợt 5	Sau lần 4 từ 7–10 ngày	4 kg NPK Đầu Trâu + 0,5 kg Lân Lâm Thao + 0,3 kg $\text{KCl}$
Đợt 6	Sau lần 5 từ 7–10 ngày	4 kg NPK Đầu Trâu + 0,4 kg Lân Lâm Thao

Cơ sở kỹ thuật điều khiển và giám sát (SCADA - PLC)

• Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200: Cấu trúc gồm CPU xử lý trung tâm, bộ nhớ làm việc/bộ nhớ tải, khối nguồn công suất 24VDC, các cổng xuất/nhập số (Digital I/O) và tương tự (Analog I/O). Hỗ trợ chuẩn truyền thông công nghiệp PROFINET dựa trên nền Ethernet (vận hành ở Layer 2 của mô hình OSI, thời gian đáp ứng chu kỳ truyền thông đạt $1\text{ ms}$, chế độ PROFINET IRT đạt $250\text{ }\mu\text{s}$ với sai lệch Jitter $< 1\text{ }\mu\text{s}$).

Đặc tính kỹ thuật	CPU 1211C	CPU 1212C	CPU 1214C
Kích thước (mm)	$90 \times 100 \times 75$	$110 \times 100 \times 75$	$110 \times 100 \times 75$
Bộ nhớ làm việc	25 Kbytes	50 Kbytes (dòng S7-1200 tiêu chuẩn)	75 Kbytes
Ngõ vào/ra số tích hợp	6 DI / 4 DO	8 DI / 6 DO	14 DI / 10 DO
Khả năng mở rộng Module tín hiệu (SM)	Không hỗ trợ	2 Module	8 Module
Board tín hiệu mở rộng (SB)	1 Board	1 Board	1 Board
Module giao tiếp (CM)	3 Module	3 Module	3 Module
Bộ đếm tốc độ cao (HSC)	3 bộ	4 bộ	6 bộ
Cổng truyền thông	1 cổng PROFINET (Ethernet RJ45)	1 cổng PROFINET (Ethernet RJ45)	1 cổng PROFINET (Ethernet RJ45)

• Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Cấu trúc gồm khối điều khiển đầu cuối MTU (Master Terminal Unit), các trạm thu thập dữ liệu hiện trường RTU (Remote Terminal Unit) và hệ thống mạng truyền thông. Hệ thống SCADA hỗ trợ kiến trúc phân tán Client - Server với các module chức năng: module vào/ra (IOS), giao diện người - máy (HMI), module lưu trữ dữ liệu lịch sử (HDC), cổng liên mạng (GW) và module tính toán ứng dụng (APPS).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp thiết kế hệ thống kỹ thuật:

1. Khảo sát và tổng hợp yêu cầu kỹ thuật nông học về cây hoa ly từ tài liệu chuyên ngành.
2. Tính toán, thiết kế mạch điện tử công suất, chọn lựa thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành.
3. Xây dựng giải thuật điều khiển tự động theo lưu đồ logic; lập trình PLC trên phần mềm TIA Portal V13.
4. Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced và xây dựng trang Web HTML thông qua phần mềm EditPlus để nhúng vào Webserver của PLC.
5. Thi công lắp ráp mô hình thực tế, đấu nối bảng điện và tiến hành chạy thử nghiệm kiểm chứng giải thuật.

---

Thiết kế và triển khai

Thiết kế phần cứng hệ thống

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính:

• Khối nguồn: Nguồn xung tổ ong biến đổi điện áp từ 220VAC sang 24VDC (sai số đầu ra 1–3%, hiệu suất thực tế 82%, dải nhiệt độ làm việc $0 - 70^\circ\text{C}$) cung cấp nguồn hoạt động cho PLC, rơ-le và các thiết bị ngoại vi. Mạch nguồn hạ áp 5VDC (sử dụng IC ổn áp LM7805) cấp nguồn cho mạch điều khiển động cơ bước và cảm biến. CB bảo vệ hệ thống có thông số $230\text{V}/15\text{A}$.
• Khối xử lý trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, nhận tín hiệu từ các nút nhấn, công tắc chuyển mạch 3 trạng thái và các ngõ vào tương tự từ cảm biến.
• Khối cảm biến:
  • Cảm biến độ ẩm đất: Sử dụng mạch so sánh điện áp IC LM393, cung cấp ngõ ra số DOUT và ngõ ra tương tự AOUT đưa trực tiếp vào kênh Analog Input của PLC S7-1200 để đo lường liên tục điện áp tương ứng với độ ẩm đất.
  • Cảm biến cường độ ánh sáng: Sử dụng mạch quang trở (LDR) kết hợp IC so sánh LM393 để chuyển đổi tín hiệu quang thông và độ rọi (lux) thành tín hiệu điện áp.
• Khối cơ cấu chấp hành:
  • Máy bơm nước ly tâm: Đóng/ngắt nguồn thông qua Relay trung gian ($10\text{A}/24 - 28\text{VDC}$, tiếp điểm chịu tải $10\text{A}/240\text{VAC}$).
  • Động cơ bước và Mạch điều khiển Driver TB6560: Điều khiển cơ cấu mái che vườn hoa. Driver TB6560 có dải điện áp đầu vào 10–35VDC, dòng tải cực đại 3A, tích hợp cách ly quang tín hiệu tốc độ cao và bảo vệ quá dòng/quá áp. Các chân tín hiệu điều khiển gồm: EN+/EN- (cho phép module), CW+/CW- (chiều quay), CLK+/CLK- (xung bước). Mạch cho phép cấu hình các chế độ vi bước (Full step, Half step, 1/8 step, 1/16 step) và hạn dòng bảo vệ động cơ thông qua mạch dao động nội (tụ $330\text{ pF} \sim 130\text{ kHz}$ hoặc $100\text{ pF} \sim 400\text{ kHz}$).

Thiết kế phần mềm và giải thuật điều khiển

• Chương trình PLC (TIA Portal V13):
  • Khối chương trình chính (Main OB1) quản lý vòng quét và kiểm tra chế độ làm việc từ công tắc chọn trạng thái.
  • Chế độ Manual (Bằng tay): Người vận hành chủ động bật/tắt máy bơm, kích hoạt động cơ kéo mái che thông qua các nút nhấn trên bảng điều khiển hoặc các nút bấm trên giao diện WinCC.
  • Chế độ Auto (Tự động): PLC đọc tín hiệu Analog từ cảm biến độ ẩm đất và cảm biến ánh sáng, thực hiện các khối hàm chuyển đổi tỷ lệ (Scale/Normalize). Nếu độ ẩm đất giảm xuống dưới ngưỡng 75%, PLC kích hoạt ngõ ra điều khiển Relay bật máy bơm nước tưới nhỏ giọt; khi độ ẩm đạt ngưỡng 85%, máy bơm tự động tắt. Nếu cường độ ánh sáng vượt ngưỡng 15.000 lux hoặc thời tiết nắng gắt/mưa, PLC phát chuỗi xung CLK đến Driver TB6560 để điều khiển động cơ bước kéo lưới che.
• Giao diện giám sát SCADA WinCC: Thiết lập kết nối Ethernet/PROFINET giữa máy tính và PLC S7-1200 thông qua cấu hình địa chỉ IP tĩnh. Giao diện WinCC hiển thị trực quan trạng thái hoạt động của bơm, vị trí mái che, giá trị số liệu độ ẩm đất và cường độ sáng thời gian thực, đồng thời cung cấp các cảnh báo sự cố hệ thống.
• Giao diện Webserver giám sát qua Internet: Kích hoạt tính năng Webserver trên CPU 1212C, cấu hình quyền truy cập người dùng và cổng truyền thông. Trang web được lập trình bằng ngôn ngữ HTML thông qua phần mềm EditPlus, nhúng trực tiếp vào bộ nhớ PLC để người dùng có thể truy cập giám sát từ xa bằng trình duyệt web thông qua mạng Internet.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, phân tích thực trạng ngành trồng hoa ly tại Việt Nam, nêu bật tầm quan trọng của việc duy trì độ ẩm và ánh sáng thích hợp để hoa trổ đúng dịp Tết. Xác định mục tiêu tổng quát, liệt kê 6 nội dung nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của đề tài và trình bày cấu trúc bố cục 6 chương của báo cáo đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở dữ liệu toàn diện về hai mảng:

• Quy trình nông học trồng hoa ly: Chu trình sinh trưởng, thời vụ canh tác tại các vùng miền (Bắc, Trung), tiêu chuẩn củ giống giống Sorbonne (chu vi 14/16, 16/18, 18/20 cm), kỹ thuật chuẩn bị giá thể, công thức độ ẩm đất, định mức phân bón NPK 6 giai đoạn và các biện pháp điều khiển hoa nở sớm/muộn.
• Phần cứng và phần mềm kỹ thuật: Nguyên lý bộ nguồn xung 24VDC/5VDC; cấu tạo, thông số kỹ thuật, cách đấu dây và module mở rộng của PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C; chuẩn truyền thông PROFINET Ethernet công nghiệp; nguyên lý cảm biến độ ẩm đất LM393, quang trở LDR; cấu tạo máy bơm nước ly tâm; cấu trúc mạch Driver TB6560 điều khiển động cơ bước; tổng quan về hệ thống SCADA, phần mềm WinCC, TIA Portal V13, Webserver và EditPlus.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Tập trung vào việc tính toán, thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống:

• Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm và phối ghép ngoại vi.
• Tính toán chọn lựa linh kiện điện tử, rơ-le, nút nhấn, đèn báo, công tắc chuyển mạch 3 trạng thái và CB bảo vệ.
• Thiết kế mạch động lực cấp nguồn 220VAC/24VDC/5VDC.
• Thiết kế cơ khí mô hình: bố trí vị trí đặt bồn chứa nước, máy bơm, hệ thống ống dẫn tưới nhỏ giọt, chậu hoa ly và bảng điện điều khiển.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý nối dây chi tiết giữa PLC S7-1200 với cảm biến LM393, quang trở và Driver TB6560.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày các bước thực hiện triển khai thực tế:

• Thi công phần cứng: Lắp ráp khung cơ khí mô hình, gia công bảng điện, đấu nối nguồn tổ ong, PLC, Driver TB6560, relay và cắm que dò cảm biến độ ẩm vào chậu đất trồng ly.
• Thi công phần mềm: Viết chương trình điều khiển trên TIA Portal V13 cho các chế độ Manual/Auto theo lưu đồ thuật toán; thiết kế các trang giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced; thiết kế mã nguồn HTML trên EditPlus và cấu hình Webserver trong S7-1200.
• Quy trình vận hành, chạy thử nghiệm hệ thống và hướng dẫn thao tác sử dụng cho người vận hành.

Chương 5: Nhận xét và đánh giá

Đánh giá toàn diện hoạt động của mô hình thực tế sau khi thi công:

• Khả năng hoạt động ổn định của khối nguồn xung và bộ điều khiển PLC S7-1200.
• Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến độ ẩm đất và cảm biến ánh sáng khi so sánh với giá trị thực tế.
• Khả năng đáp ứng thời gian thực của cơ cấu chấp hành (bơm nước và động cơ bước điều khiển mái che).
• Tính ổn định của đường truyền PROFINET và giao diện giám sát trên WinCC cục bộ cũng như qua Webserver Internet.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu của đồ án, chỉ ra những điểm đã hoàn thành và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

• Về phần cứng: Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm hệ thống tưới nước tự động cho hoa ly với kết cấu bảng điện công nghiệp đạt chuẩn an toàn; tích hợp đầy đủ PLC S7-1200 CPU 1212C, bộ nguồn 24VDC/5VDC, Driver TB6560 điều khiển động cơ bước mái che và máy bơm nước ly tâm qua relay trung gian.
• Về điều khiển: Chương trình PLC thực thi chính xác giải thuật điều khiển ở cả 2 chế độ Manual và Auto. Hệ thống tự động kích hoạt tưới nhỏ giọt khi độ ẩm đất dưới 75% và ngắt bơm khi đạt ngưỡng 85%; tự động điều khiển mái che theo ngưỡng cường độ ánh sáng 12.000–15.000 lux.
• Về giám sát: Xây dựng thành công giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced hiển thị đầy đủ thông số môi trường và trạng thái thiết bị theo thời gian thực; kích hoạt và nhúng thành công trang HTML Webserver vào PLC S7-1200, cho phép người dùng đăng nhập giám sát trạng thái vườn hoa ly qua trình duyệt web trên Internet.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Ứng dụng thành công công nghệ tự động hóa công nghiệp (PLC S7-1200 và SCADA) vào bài toán nông nghiệp công nghệ cao, nâng cao độ tin cậy so với các mạch vi điều khiển đơn lẻ thông thường.
• Tận dụng hiệu quả tính năng Webserver nhúng của PLC Siemens kết hợp mã HTML tự thiết kế, mang lại giải pháp giám sát từ xa chi phí thấp mà không cần đầu tư máy chủ SCADA trung gian phức tạp.
• Cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa quy trình nông học chuyên sâu về cây hoa ly và quy trình kỹ thuật thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển - giám sát tự động.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm học thuật tại phòng thí nghiệm, chưa triển khai thực tế trên diện tích vườn ươm rộng lớn với nhiều luống hoa độc lập.
• Hệ thống chỉ mới tích hợp cảm biến đo độ ẩm đất và cường độ ánh sáng; chưa tích hợp các cảm biến đo trực tiếp độ dẫn điện ($EC$) và độ $pH$ của dung dịch đất theo đúng yêu cầu nông học đã nêu ở phần lý thuyết.
• Chưa tự động hóa hoàn toàn quy trình pha trộn và châm phân bón dinh dưỡng NPK theo 6 giai đoạn phát triển của hoa ly.

Hạn chế và hướng phát triển tiếp

• Mở rộng quy mô điều khiển ra vườn ươm thực địa, phân chia nhiều khu vực tưới độc lập với các van điện từ (Solenoid Valve).
• Tích hợp thêm các cảm biến đo nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí, cảm biến $pH$ và $EC$ để giám sát đầy đủ các chỉ số nông học.
• Thiết kế hệ thống bồn pha phân bón tự động điều khiển định lượng phân bón NPK và vi lượng theo từng chu kỳ sinh trưởng của cây.
• Ứng dụng các module truyền thông không dây công nghiệp (GPRS/3G/4G hoặc các giao thức IoT) để mở rộng phạm vi giám sát và điều khiển di động.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp thiết kế phần cứng bảng điện công nghiệp, kỹ thuật lập trình PLC Siemens S7-1200 trên nền TIA Portal V13, phương pháp ghép nối Driver TB6560 điều khiển động cơ bước và kỹ thuật kết nối truyền thông công nghiệp PROFINET.
• Kỹ sư và sinh viên làm đồ án ứng dụng SCADA: Học hỏi phương pháp thiết kế giao diện vận hành trên WinCC Runtime Advanced và quy trình xây dựng trang Web HTML tích hợp trực tiếp vào Webserver nhúng của PLC để giám sát qua Internet.
• Kỹ sư công nghệ nông nghiệp và kỹ thuật viên nông nghiệp công nghệ cao: Tham khảo quy trình kết hợp các thông số nông học thực tế của cây hoa ly (độ ẩm 75–85%, ánh sáng 12.000–15.000 lux, quy trình tưới nhỏ giọt và bón phân NPK) vào hệ thống điều khiển tự động hóa.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Ngưỡng độ ẩm đất và cường độ ánh sáng được cài đặt để hệ thống tự động vận hành tưới và che chắn cho hoa ly là bao nhiêu?

Theo tài liệu đồ án, độ ẩm đất thích hợp cho sự sinh trưởng của hoa ly được duy trì trong dải từ 75% đến 85% (kích hoạt bơm tưới khi độ ẩm $< 75%$ và ngắt bơm khi độ ẩm $\ge 85%$). Cường độ ánh sáng thích hợp cho cây hoa ly dao động từ 12.000 lux đến 15.000 lux; khi ánh sáng vượt quá ngưỡng này hoặc có nắng gắt, hệ thống sẽ điều khiển động cơ kéo lưới che.

2. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng trong đồ án là loại PLC nào và có cấu hình ngõ vào/ra ra sao?

Đề tài sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 với CPU 1212C DC/DC/DC. Cấu hình phần cứng tích hợp gồm 8 ngõ vào số (Digital Inputs - 24VDC), 6 ngõ ra số (Digital Outputs - Transistor 24VDC), 2 ngõ vào tương tự (Analog Inputs $0 - 10\text{V}$), 1 cổng truyền thông PROFINET (Ethernet) và khả năng mở rộng tối đa 2 Module tín hiệu (SM), 1 Board tín hiệu (SB) cùng 3 Module giao tiếp (CM).

3. Mạch Driver TB6560 trong hệ thống có thông số kỹ thuật và vai trò gì?

Driver TB6560 là module chuyên dụng điều khiển động cơ bước lưỡng cực để vận hành cơ cấu mái che. Module có điện áp ngõ vào 10–35VDC, dòng cấp tối đa 3A, tích hợp ngõ vào cách ly quang tốc độ cao và bảo vệ quá dòng/quá áp. Driver hỗ trợ các chế độ vi bước (Full step, Half step, 1/8 step, 1/16 step) và nhận các tín hiệu điều khiển EN (cho phép), CW (chiều quay), CLK (xung bước) từ PLC.

4. Hệ thống thực hiện việc giám sát từ xa qua Internet bằng giải pháp kỹ thuật nào?

Hệ thống sử dụng tính năng Webserver tích hợp sẵn trên CPU PLC S7-1200. Tác giả thiết kế mã nguồn giao diện trang web bằng ngôn ngữ HTML thông qua phần mềm EditPlus, sau đó cấu hình nạp vào bộ nhớ web của PLC trong TIA Portal. Người dùng từ xa chỉ cần nhập địa chỉ IP của PLC trên trình duyệt web là có thể đăng nhập giám sát các thông số và trạng thái của hệ thống.

5. Yêu cầu về độ dẫn điện ($EC$) và độ $pH$ của đất/giá thể trồng hoa ly theo tài liệu là bao nhiêu?

Theo cơ sở lý thuyết canh tác hoa ly được trình bày trong đồ án, đất/giá thể trồng hoa ly phải tơi xốp, thoát nước tốt với độ dẫn điện dung dịch đất $EC = 0,5 - 0,8\text{ mS/cm}$. Độ $pH$ thích hợp đối với nhóm lily thơm là $pH = 5,5 - 6,5$ và đối với nhóm lily không thơm là $pH = 6,0 - 7,0$.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ Thống Tưới Nước Tự Động Cho Hoa Ly Dùng PLC" đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa quy trình nông học trồng hoa ly và công nghệ điều khiển tự động hóa công nghiệp. Việc ứng dụng PLC Siemens S7-1200, giao thức truyền thông PROFINET, giao diện SCADA WinCC và Webserver nhúng giúp hệ thống duy trì chính xác các thông số môi trường sinh trưởng tối ưu (độ ẩm đất 75–85%, ánh sáng 12.000–15.000 lux) và cung cấp khả năng giám sát trực quan tại chỗ cũng như từ xa qua Internet. Công trình là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về phương pháp tích hợp hệ thống điều khiển logic lập trình với các bài toán nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này nói về cách thiết kế tính toán bố trí các thiết bị, lựa chọn và sử dụng linh kiện phù hợp với các mục tiêu trong mô hình. Thiết kế mạch động lực, xây dựng bảng điều khiển, mô tả cách hoạt động của các linh kiện.  Chương 4:Thi Công Mô Hình Chương này nói về việc trình tự thi công mô hình, chạy mô hình.

 Chương 5: Nhận Xét và Đánh Giá Nhận xét và đánh giá kết quả đạt được.  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Kết luận sau khi thực hiện mô hình, hướng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.

QUY TRÌNH TRỒNG HOA LY [2] 2. Chu trình trồng hoa ly Chọn giống: Hiện nay ở Việt Nam trồng phổ biến một số giống lily sau: -Giống Sorbonne (chu vi củ 14/16, 16/18, 18/20, >20cm): Cao 85-100cm, có 3-7 hoa, hoa màu hồng nhạt, lá nhỏ, thời gian sinh trưởng 95-100 ngày (giống được công nhận chính thức 5/2009). Giống Sorbonne Hình 2. Giống Acpulco Xác định thời vụ trồng: Việc xác định thời vụ trồng rất quan trọng để hoa trổ đúng dịp tết hoặc dịp lễ mới có thể bán chạy và lợi nhuận cao, và tùy vào từng loài có thời vụ trồng khác nhau, Ví dụ đối với giống Sorbonne, để thu hoa vào dịp tết thì thời điểm trồng thích hợp là: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Vùng đồng bằng sông Hồng (Hà Nội, Bắc Ninh…): 20/9-27/9 (âm lịch). - Vùng miền núi phía Bắc (Mộc Châu, Sa Pa, Bắc Cạn…): 5/9-12/9 (âm lịch). - Vùng miền Trung (từ Thanh Hóa trở vào Huế…): 25/9-2/10 (âm lịch). Thời vụ trồng cây Chuẩn bị nhà che: hạn chế ảnh hưởng từ các tác động từ thiên nhiên như mưa, gió hoặc nắng gắt.

Sử dụng nhà che còn có thể giúp người chăm sóc thuận tiện hơn cho việc giám sát vườn hoa. Chuẩn bị đất/giá thể trồng lily Yêu cầu chung của đất/giá thể trồng lily: - Tơi xốp, thoát nước tốt, không chứa mầm bệnh hại. - Độ dẫn điện dung dịch đất: EC=0,5-0,8mS/cm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - pH: Đối với nhóm lily thơm pH=5,5-6,5; Đối với nhóm lily không thơm pH=6,0-7,0. Kỹ thuật trồng, tưới nước, chăm sóc hoa ly Kích cỡ củ giống đem trồng: có chu vi là 14/16 cm, 16/18cm, 18/20cm hoặc >20cm. Củ có kích cỡ càng lớn thì càng nhiều hoa nhưng dễ bị bệnh cháy lá. Ví dụ: đối với giống Sorbonne: - Củ 14/16: cây cao 60-70cm, ít hoa (2-3 hoa/cây), không bị cháy lá.

- Củ 16/18: cây cao 80-90cm, ít hoa (3-5 hoa/cây), không bị cháy lá. - Củ 18/20: cây cao 90-100, nhiều hoa (5-7 hoa/cây), ít bị cháy lá. Kỹ thuật trồng: * Đối với trồng đất: - Lên luống: mặt luống rộng 1m rạch 5 hàng; rộng 1,2m rạch 6 hàng; rãnh sâu 10-12cm. - Mật độ trồng: căn cứ vào kích cỡ củ.

Ví dụ giống Sorbonne (18/20cm) trồng 25 củ/m2 (khoảng cách 20 x 20cm). - Trồng xong lấp đất dày 8-10cm, tưới đẫm nước (cho nước ngấm cả phần củ). * Đối với trồng chậu - Dùng chậu nhựa hoặc chậu sứ có kích thước, kiểu dáng khác nhau. Chậu có đường kính 26cm trồng 3 củ/chậu; đường kính 35cm trồng 5 củ/chậu; chiều cao chậu tối thiểu là 30cm.

- Cách trồng: + Cho giá thể vào chậu (dày tối thiểu 5cm), đặt mầm củ quay ra phía ngoài thành chậu để khi cây mọc lên sẽ thẳng và phân bố đều trên mặt chậu, sau đó phũ giá thể dày BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8-10cm (tính từ đỉnh củ). Khi trồng xong phải tưới nước đảm bảo độ ẩm cho củ và giá thể. + Xếp chậu với chậu cách nhau 10-15cm (tính từ mép chậu).

Kỹ thuật tưới nước - Luôn phải giữ ẩm cho đất trong suốt quá trình trồng (độ ẩm thích hợp từ 75- 85%) [1]. - Tưới cây ở phần gốc, tránh làm lá và nụ bị ướt. - Nên sử dụng hệ thống tưới nhỏ giọt cho lily với chế độ tưới 30 phút/ngày. - Kinh nghiệm kiểm tra lượng nước tưới vừa đủ: Bóp chặt 1 nắm đất sau khi tưới, không thấy nước rỉ ra ngoài tay, đất nắm thành cục, khi gõ nhẹ vào nắm đất sẽ bị vỡ ra.

Kỹ thuật chiếu sáng: Hoa ly thích hợp với cường độ ánh sáng từ 12 nghìn đến 15 nghìn lux [1]. Che phủ sau trồng - Che phủ mặt luống: sau khi trồng xong dùng trấu hoặc rơm dạ phủ lên mặt luống. - Che lưới đen: dùng 2 lớp lưới đen che cách mặt luống (chậu) từ 2,0-2,5m. Sau 15-20 ngày bỏ 1 lớp lưới đen ra.

Khi cây bắt đầu xuất hiện nụ thì kéo lớp lưới đen còn lại ra. Những ngày nắng nóng thì che lưới đen lại. Kỹ thuật bón phân Sau trồng 3 tuần (cây lily cao 15-20cm) tiến hành bón phân thúc. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Loại phân bón thúc chính thường dùng là NPK Đầu Trâu (13-13-13+TE), ở mỗi giai đoạn sinh trưởng của cây có bổ sung thêm phân đạm, lân, kali khác nhau, nên hòa phân với nước để tưới. - Lần 1: sau trồng 3 tuần: dùng NPK Đầu trâu (13-13-13+TE) lượng dùng 2kg/100m2. - Lần 2: bón sau lần 1 từ 7-10 ngày. Lượng bón cho 100m2: 0,2kg đạm Urê + 3kg NPK Đầu Trâu.

- Lần 3: khi cây sắp xuất hiện nụ. Lượng bón cho 100m2: 0,3kg đạm Urê + 4kg NPK Đầu Trâu + 0,5kg lân Lâm Thao + 1kg Canxi Nitrat. - Lần 4: khi đang xuất hiện nụ hoa. Lượng bón cho 100m2: 0,2kg đạm Urê + 4kg NPK Đầu Trâu + 0,5kg lân Lâm Thao + 0,3kg kali clorua + 1kg Canxi Nitrat.

- Lần 5: sau lần 4 từ 7-10 ngày. Lượng bón cho 100m2: 4kg NPK Đầu trâu + 0,5kg lân Lâm Thao+ 0,3kg kali clorua. - Lần 6: sau lần 5 từ 7-10 ngày. Lượng bón cho 100m2: 4kg NPK Đầu Trâu + 0,4kg lân Lâm Thao.

Điều khiển sinh trưởng cho lily Biện pháp rút ngắn thời gian sinh trưởng cho hoa nở sớm: Khi đã ấn định thời điểm thu hoạch, nếu trước khi thu hoạch 35 ngày, nhiệt độ dưới 180C, chiều dài nụ hoa vẫn nhỏ hơn 3cm, có thể dùng nilon quây kín và thắp điện vào ban đêm hoặc phun chế phẩm Đầu trâu 902 (có tác dụng rút ngắn thời gian sinh trưởng của lily từ 3-6 ngày). Biện pháp kéo dài thời gian sinh trưởng cho hoa nở muộn: muốn kéo dài thời gian sinh trưởng của lily cần tổng hợp các biện pháp hạ nhiệt độ, giảm ánh sáng bằng cách che nắng, hạn chế tưới nước. Nếu phát hiện hoa có khả năng nở sớm hơn so với BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT thời điểm tiêu thụ thì có thể xếp các chậu hoa vào trong kho lạnh (12-15oC) trước khi tiêu thụ.

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Bàn phím, nút nhấn, công tắc chuyển mạch 3 trạng thái, màn hình, cảm biến cường độ ánh sáng và cảm biến độ ẩm đất. Thiết bị đầu ra: đèn DC 24V, động cơ bước, relay, máy bơm nước. Thiết bị điều khiển trung tâm: PLC S7-1200 1212DC/DC/DC, máy tính. Các chuẩn truyền dữ liệu: USB, Ethernet, Internet, I2C.

Thiết bị lưu trữ:bộ nhớ RAM, ROM, thẻ nhớ, đĩa USB. Thiết bị thời gian thực:real-time trong PLC S7-1200. Thiết bị giao diện điều khiển: máy tính. Nguyên Lý Chuyển Đổi Điện Áp Bộ Nguồn 24VDC Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung.

Chúng ta biết rằng nguồn tuyến tính cổ điển sử dụng biến áp sắt từ để làm nhiệm vụ hạ áp rồi sau đó dùng chỉnh lưu kết hợp với IC nguồn tuyến tính tạo ra các cấp điện áp một chiều mong muốn như: 3. Những bộ nguồn như trên thường rất cồng kềnh và tốn vật liệu nên không còn được sử dụng nhiều. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Hình dạng một bộ nguồn xung trong thực tế. Nhìn vào board mạch trên ta thấy rằng một bo nguồn xung sẽ bao gồm những linh kiện cơ bản sau (một số kiểu sẽ có thêm những thành phần khác hoặc không có những linh kiện trên nhưng hầu hết là giống nhau): - Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lõi thép kỹ thuật điện. Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần. Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.

- Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch - Cuộn lọc nhiễu, tụ lọc sơ cấp, điode chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung - Sò công suất: đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch, đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ. Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra.

Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc thứ cấp để san phẳng điện áp. - IC quang và IC TL43: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn. Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu Một bộ nguồn xung nói chung thông thường sẽ có một sơ đồ khối như hình dưới đây: Hình 2. Sơ đồ khối một bộ nguồn xung Đầu tiên điện áp đầu vào sẽ từ 80V cho đến 220V xoay chiều qua các cuộn lọc nhiễu rồi vào đi ốt chỉnh lưu thành điện một chiều cỡ khoảng gần 130 -300V( tùy từng điện áp AC đầu vào) trên tụ lọc nguồn sơ cấp.