Tiểu Luận Đồ Án Tốt Nghiệp: Mô Hình Nhà Vườn Tự Động Trồng Cây Nông Nghiệp Sử Dụng PLC

Khám phá tiểu luận về mô hình nhà vườn tự động trồng cây nông nghiệp sử dụng PLC điều khiển, ứng dụng công nghệ hiện đại trong nông nghiệp.

• Tác giả: Bùi Trần Linh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện, Điện Tử
• Đề tài: Mô Hình Nhà Vườn Tự Động Trồng Cây Nông Nghiệp Bằng PLC
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Tính hình nghiên cứu
• 1.3.1. Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của thế giới
• 1.3.2. Tình hình của nước ta
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÔ HÌNH
• 2.1. Giới thiệu về mô hình nhà kính
• 2.2. Lịch sử phát triển của mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp
• 2.3. Nhà kính là gì
• 2.4. Cơ sở lựa chọn vật liệu và cấu tạo nhà kính
• 2.5. Thiết kế mô hình
• 2.5.1. Lên ý tưởng và trình bày phương án thi công
• 2.5.2. Cấu tạo và kích thước mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH
• 3.1. Các thiết bị điều khiển sử dụng trong đề tài
• 3.1.1. Khối điều khiển trung tâm
• 3.1.2. CB đóng cắt
• 3.1.3. Thiết bị đóng cắt điện từ
• 3.2. Cảm biến và hệ thống
• 3.2.1. Cảm biến nhiệt độ
• 3.2.2. Cảm biến độ ẩm không khí
• 3.2.3. Cảm biến độ ẩm đất
• 3.2.4. Cảm biến bắt vị trí đóng mở rèm
• 3.2.5. Hệ thống bơm tưới
• 3.2.6. Hệ thống quạt thông gió
• 3.2.7. Mô tơ kéo hệ thống rèm
• 3.2.8. Hệ thống sưởi
• 3.3. Giải thuật điều khiển mô hình
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM VIẾT CHƯƠNG TRÌNH PLC VÀ GIAO DIỆN HMI ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH
• 4.1. Tổng quan về PLC S7-300
• 4.1.1. Giới thiệu về PLC S7-300
• 4.1.2. Lịch sử phát triển của PLC
• 4.1.3. So sánh PLC với các hệ thống khác
• 4.1.4. Ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC
• 4.1.5. Một số dòng sản phẩm PLC thông dụng
• 4.2. Cấu trúc hoạt động của PLC S7-300
• 4.2.1. Modul mở rộng
• 4.2.2. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modul mở rộng
• 4.3. Giới thiệu về phần mềm lập trình PLC Step 7 manager
• 4.3.1. Cách tạo một project
• 4.3.2. Nạp chương trình và giám sát việc thực hiện chương trình
• 4.4. Phần mềm viết giao diện HMI WinCC
• 4.4.1. Cách tạo project mới trong WinCC
• 4.4.2. Giám sát hệ thống qua Internet thông qua ứng dụng Web Navigator của WinCC
• 4.4.2.1. Cách cấu hình Web Navigator
• 5. CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH
• 5.1. Thi công mô hình
• 5.1.1. Hệ thống bơm tưới
• 5.1.2. Hệ thống ống dẫn nước và vòi phun tưới
• 5.1.3. Hệ thống quạt thông gió
• 5.1.4. Hệ thống rèm che
• 5.1.5. Hệ thống sưởi
• 5.1.6. Mạch điện điều khiển mô hình
• 5.2. Thực nghiệm mô hình
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 6.1. Những vấn đề đạt được
• 6.2. Những vấn đề còn hạn chế
• 6.3. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG TRA
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Mô hình nhà vườn tự động Tổng quan và tính cấp thiết

Đề tài nghiên cứu tập trung vào mô hình nhà vườn tự động trồng cây nông nghiệp bằng PLC. Nhu cầu phát triển nông nghiệp thông minh và nông nghiệp công nghệ cao ngày càng tăng. Việt Nam đang đối mặt với thách thức về năng suất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp, cạnh tranh quốc tế và vấn đề an toàn thực phẩm. Giải pháp tự động hóa bằng hệ thống điều khiển PLC là một hướng đi tiềm năng để giải quyết những vấn đề này. Đề tài hướng đến mục tiêu nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lao động, và đáp ứng nhu cầu thị trường về sản phẩm sạch, chất lượng cao. Đây là một giải pháp tự động hóa nông nghiệp thời sự, góp phần vào phát triển nông nghiệp bền vững. Ứng dụng PLC trong nông nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Sản xuất nông nghiệp Việt Nam gặp nhiều khó khăn do thời tiết, dịch bệnh, giá cả bấp bênh và cạnh tranh quốc tế. Nhu cầu về nông nghiệp công nghệ cao và sản phẩm sạch rất lớn. Mô hình nhà vườn tự động là giải pháp hữu hiệu để khắc phục những hạn chế này. Hệ thống PLC cho phép điều khiển chính xác các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, tưới tiêu, giúp tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của cây trồng. Điều này dẫn đến năng suất cao hơn, chất lượng sản phẩm tốt hơn, và giảm thiểu rủi ro. Trồng cây nông nghiệp tự động không chỉ tăng hiệu quả kinh tế mà còn đáp ứng nhu cầu thị trường về sản phẩm an toàn, chất lượng cao. Việc áp dụng công nghệ trồng cây hiện đại là rất cần thiết để thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp.

1.2 Tình hình nghiên cứu hiện tại

Các nước phát triển đã ứng dụng rộng rãi nhà kính tự động trong sản xuất nông nghiệp. Công nghệ trồng cây trong nhà kính đã được hoàn thiện, với nhiều hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động, phù hợp với điều kiện khí hậu của từng vùng. Ở Việt Nam, mô hình nhà kính cũng được áp dụng, tập trung chủ yếu ở các vùng trồng rau, hoa lớn. Tuy nhiên, mức độ tự động hóa và ứng dụng công nghệ thông tin còn hạn chế. Đề tài này đóng góp vào việc nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng PLC trong nhà kính tự động, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và xây dựng một mô hình nhà kính thông minh, sử dụng PLC S7-300 hoặc PLC S7-1200 để điều khiển các yếu tố môi trường.

II. Thiết kế cơ khí mô hình nhà vườn

Phần này trình bày về thiết kế cơ khí của mô hình nhà kính tự động. Cần lựa chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo độ bền, khả năng chịu lực, và chi phí xây dựng hợp lý. Cấu tạo nhà kính cần đáp ứng được các yêu cầu về ánh sáng, thông gió, nhiệt độ, độ ẩm. Thiết kế mô hình cần đảm bảo tính khả thi, dễ vận hành, bảo trì. Phần này sẽ bao gồm bản vẽ kỹ thuật, kích thước, vật liệu, và phương pháp thi công. Mô hình nhà màng hoặc nhà kính cần được thiết kế sao cho phù hợp với loại cây trồng và điều kiện khí hậu.

2.1 Lựa chọn vật liệu và cấu tạo

Việc lựa chọn vật liệu xây dựng nhà kính cần dựa trên các yếu tố như chi phí, độ bền, khả năng truyền sáng, khả năng cách nhiệt. Kính, nhựa polycarbonate, hoặc màng PE là những lựa chọn phổ biến. Cấu trúc khung có thể làm bằng sắt, nhôm, hoặc các vật liệu composite. Thiết kế nhà kính cần tính toán đến các yếu tố như hướng gió, ánh sáng mặt trời, để tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của cây trồng. Nhà vườn tự động cần có hệ thống thông gió, làm mát, sưởi ấm thích hợp. Quản lý môi trường nhà kính là một yếu tố quan trọng cần được tính toán kỹ lưỡng trong giai đoạn thiết kế.

2.2 Thiết kế và thi công mô hình

Phần này mô tả chi tiết về quy trình thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động. Bản vẽ kỹ thuật sẽ được trình bày cụ thể, bao gồm kích thước, vật liệu, và các chi tiết cấu tạo. Phương pháp thi công cần được lựa chọn sao cho đảm bảo chất lượng, tiến độ, và an toàn. Mô hình nhà vườn cần được thiết kế sao cho dễ dàng lắp đặt, vận hành, và bảo trì. Nhà vườn thủy canh tự động hoặc nhà vườn khí canh tự động có thể được xem xét tùy thuộc vào loại cây trồng và điều kiện cụ thể. Sự kết hợp giữa nhà vườn tự động và các công nghệ hiện đại sẽ tạo nên một hệ thống hiệu quả cao.

III. Thiết kế hệ thống điện điều khiển

Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống điện điều khiển của mô hình nhà vườn tự động sử dụng PLC. Các thiết bị cần thiết bao gồm: PLC, cảm biến, bộ truyền động, và các thiết bị điện khác. Cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến ánh sáng, và cảm biến mức nước sẽ được sử dụng để thu thập dữ liệu. PLC sẽ xử lý dữ liệu và điều khiển các bộ truyền động như bơm nước, quạt thông gió, hệ thống che nắng. Điều khiển PLC cần được lập trình sao cho phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Hệ thống điều khiển cần đảm bảo độ tin cậy, an toàn, và dễ sử dụng.

3.1 Lựa chọn thiết bị

Việc lựa chọn các thiết bị điện và điện tử cần dựa trên các yếu tố như độ chính xác, độ tin cậy, chi phí, và khả năng tích hợp. PLC S7-300 hoặc PLC S7-1500 là lựa chọn phù hợp cho hệ thống này. Cảm biến cần có độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Các bộ truyền động cần có công suất phù hợp với tải trọng và độ bền cao. HMI (Human Machine Interface) cũng là một phần quan trọng của hệ thống, cho phép người sử dụng giám sát và điều khiển hệ thống một cách dễ dàng. Sự lựa chọn hợp lý các thiết bị sẽ đảm bảo hiệu quả hoạt động của cả hệ thống nhà vườn tự động.

3.2 Giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển của hệ thống dựa trên dữ liệu thu thập được từ các cảm biến. PLC sẽ xử lý dữ liệu và đưa ra các quyết định điều khiển phù hợp. Ví dụ, nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép, PLC sẽ kích hoạt hệ thống làm mát. Nếu độ ẩm quá thấp, PLC sẽ kích hoạt hệ thống tưới. Lập trình PLC cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống. Điều khiển nhiệt độ và độ ẩm là hai yếu tố quan trọng cần được chú trọng trong giải thuật điều khiển. An ninh nhà kính cũng cần được xem xét trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển.

IV. Phần mềm điều khiển và giám sát

Phần này mô tả về phần mềm lập trình PLC và phần mềm giao diện người máy (HMI). Step 7 là phần mềm lập trình PLC thông dụng của Siemens. WinCC là một phần mềm HMI phổ biến, cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa. Lập trình PLC bao gồm việc thiết kế chương trình điều khiển, cấu hình các module I/O, và thiết lập các thông số hoạt động. Giao diện HMI cho phép người dùng dễ dàng theo dõi các thông số hoạt động của hệ thống và điều khiển các thiết bị. Việc sử dụng phần mềm điều khiển phù hợp sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và tính tiện dụng của hệ thống.

4.1 Lập trình PLC và cấu hình hệ thống

Phần này tập trung vào quá trình lập trình PLC để điều khiển hệ thống nhà vườn tự động. Step 7 sẽ được sử dụng để lập trình các logic điều khiển, xử lý dữ liệu từ các cảm biến, và điều khiển các thiết bị. Việc cấu hình các module I/O của PLC là rất quan trọng để đảm bảo dữ liệu được truyền đạt chính xác. Lập trình PLC yêu cầu kiến thức chuyên môn về ngôn ngữ lập trình PLC (ví dụ: LAD, FBD, STL). Việc kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình là cần thiết trước khi đưa vào vận hành. Việc sử dụng phần mềm lập trình PLC phù hợp sẽ giúp đơn giản hoá quá trình thiết kế và vận hành hệ thống nhà vườn tự động.

4.2 Thiết kế và cài đặt giao diện HMI

Phần này hướng dẫn cách thiết kế và cài đặt giao diện HMI sử dụng phần mềm WinCC. Giao diện HMI cho phép người dùng giám sát các thông số hoạt động của hệ thống và điều khiển các thiết bị một cách trực quan và dễ dàng. Việc thiết kế giao diện HMI cần đảm bảo tính trực quan, dễ sử dụng, và cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết. WinCC cung cấp nhiều công cụ để tạo các biểu đồ, bảng điều khiển, và các phần tử hiển thị khác. Việc tích hợp giám sát từ xa thông qua internet cũng cần được xem xét. Một giao diện HMI được thiết kế tốt sẽ làm tăng hiệu quả và tính tiện dụng của hệ thống nhà vườn tự động.

V. Thi công và thử nghiệm mô hình

Phần này trình bày về quá trình thi công mô hình nhà vườn tự động. Các bước thi công bao gồm lắp đặt cơ khí, lắp đặt điện, cài đặt phần mềm, và thử nghiệm hệ thống. Quá trình thử nghiệm nhằm kiểm tra tính năng hoạt động của hệ thống, đảm bảo mọi thiết bị hoạt động ổn định và chính xác. Việc ghi nhận và phân tích kết quả thử nghiệm là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Thu hoạch tự động có thể được xem xét trong các nghiên cứu phát triển sau này.

5.1 Quá trình thi công

Phần này mô tả chi tiết các bước thực hiện trong quá trình thi công mô hình nhà vườn tự động. Lắp đặt hệ thống cơ khí bao gồm khung nhà kính, hệ thống tưới tiêu, hệ thống thông gió. Lắp đặt hệ thống điện bao gồm dây dẫn, thiết bị điện, PLC, và các cảm biến. Cài đặt phần mềm bao gồm lập trình PLC và cấu hình HMI. Mỗi bước thi công cần được thực hiện cẩn thận và chính xác để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Thi công nhà vườn cần tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật và an toàn lao động.

5.2 Thử nghiệm và đánh giá

Sau khi hoàn thành thi công, hệ thống cần được thử nghiệm để kiểm tra tính năng hoạt động. Việc thử nghiệm bao gồm kiểm tra từng thiết bị, kiểm tra sự hoạt động đồng bộ của các thiết bị, và kiểm tra khả năng đáp ứng của hệ thống. Dữ liệu thu thập được trong quá trình thử nghiệm sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Việc hiệu chỉnh hệ thống dựa trên kết quả thử nghiệm là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Phân tích dữ liệu nông nghiệp thu thập được sẽ giúp tối ưu hoá hệ thống nhà vườn tự động.

VI. Kết luận và định hướng phát triển

Phần này tóm tắt các kết quả đạt được, những hạn chế của đề tài, và định hướng phát triển trong tương lai. Đề tài đã thiết kế và xây dựng thành công một mô hình nhà vườn tự động sử dụng PLC. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Định hướng phát triển tập trung vào việc nâng cao độ chính xác, độ tin cậy, và khả năng mở rộng của hệ thống. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp, Big Data trong nông nghiệp, và phân tích dữ liệu nông nghiệp có thể được tích hợp để nâng cao hiệu quả của hệ thống. Dự báo năng suất nông nghiệp cũng là một hướng nghiên cứu đáng quan tâm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án được thực hiện trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam đối mặt với nhiều áp lực đồng thời: thời tiết bất lợi, dịch bệnh, giá nông sản bấp bênh, cạnh tranh từ hàng nhập khẩu giá rẻ hơn, và nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về thực phẩm sạch chất lượng cao. Các tác giả chỉ ra rằng hầu hết nhà kính công nghệ cao tại Việt Nam đều phải nhập khẩu công nghệ từ Nhật Bản, Israel và các nước phát triển khác, trong khi chi phí đầu tư còn cao và chưa được điều chỉnh phù hợp với điều kiện khí hậu trong nước. Bối cảnh chính sách là Quyết định 176/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt Đề án phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đến năm 2020.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào hai hướng chính mà tác giả trình bày rõ trong lời mở đầu:

1. Điều khiển: hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu, hệ thống quạt thông gió, hệ thống mái che tự động.
2. Giám sát: các thông số môi trường cần thiết cho cây trồng gồm nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất, độ ẩm không khí và độ ẩm đất, nhằm tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng và phòng ngừa dịch bệnh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể:

1. Dùng PLC S7-300 kết hợp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng để thiết lập mô hình nhà kính điều khiển tự động và giám sát từ xa.
2. Nghiên cứu ứng dụng PLC Siemens vào điều khiển chu trình chăm sóc cây nông nghiệp.
3. Thiết kế giao diện người dùng trên WinCC cho hệ thống giám sát, đồng thời tìm hiểu giao thức kết nối giữa WinCC và PLC.
4. Tích hợp PLC Siemens làm bộ điều khiển và WinCC làm giao diện giao tiếp hoàn chỉnh.

Đối tượng và phạm vi: Mô hình nhà kính thu nhỏ quy mô phòng thí nghiệm với kích thước 1500 mm × 800 mm × 1300 mm, thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH), hoàn thành trong khoảng hơn 3 tháng, năm 2017.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ thống điều khiển logic khả lập trình (PLC — Programmable Logic Controller), với lịch sử xuất hiện từ năm 1969 như một giải pháp thay thế hệ thống điều khiển rơ-le truyền thống. Tác giả trình bày so sánh PLC với các hệ thống khác (lưu đồ điều khiển dùng rơ-le so với lưu đồ điều khiển bằng PLC) để luận giải lựa chọn công nghệ.

Các khái niệm kỹ thuật trọng tâm bao gồm: cấu trúc phần cứng PLC S7-300, nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa CPU và các mô đun mở rộng, giao thức truyền thông MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet, và cơ chế giám sát từ xa qua Internet thông qua Web Navigator của WinCC.

Về phía nông nghiệp, tác giả tham chiếu mô hình nhà kính (greenhouse / nhà màng / nhà lưới) và các thông số môi trường cần kiểm soát: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, oxy, CO₂ — theo tiêu chí nông nghiệp công nghệ cao đang được ứng dụng tại Lâm Đồng (Đà Lạt) và các địa phương khác.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng phương pháp mô hình hóa (modelling method) làm phương pháp chủ đạo: xây dựng mô hình vật chất thu nhỏ bảo toàn các tính chất cơ bản của đối tượng thực (nhà kính công nghệ cao), từ đó nghiên cứu và thực nghiệm trên mô hình thay cho đối tượng thực trong điều kiện khó triển khai quy mô thật. Cơ sở logic của phương pháp là phép loại suy.

Bổ sung cho phương pháp mô hình hóa, nhóm tác giả sử dụng phương pháp thu thập thông tin: tham khảo tài liệu trực tuyến, báo cáo khoa học trong và ngoài nước.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu kỹ thuật thu được từ: cảm biến nhiệt điện trở PT100 (nhiệt độ), cảm biến QFA 2060 (độ ẩm không khí), cảm biến độ ẩm đất, và cảm biến quang Baumer (vị trí rèm). Tín hiệu được đọc qua mô đun analog 6ES7331-7KF02-0AB0 của Siemens và mô đun I/O của Beckhoff, truyền về PLC S7-300 để xử lý.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài, tổng quan tình hình nghiên cứu và phát triển nông nghiệp công nghệ cao trên thế giới (Hoa Kỳ, Anh, Phần Lan, các nước châu Á) và tại Việt Nam (với trọng tâm là Lâm Đồng — tỉnh dẫn đầu về ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp từ những năm 1990). Chương xác định mục đích, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu, đồng thời liệt kê các kết quả kỳ vọng đạt được sau khi hoàn thành đề tài.

Chương 2: Thiết kế cơ khí của mô hình

Chương trình bày lịch sử phát triển của nhà kính (từ người La Mã cổ đại đến nay), định nghĩa nhà kính, cơ sở lựa chọn vật liệu, và quá trình thiết kế mô hình cơ khí. Ý tưởng ban đầu là mô hình có kích thước 3 m × 1,5 m × 2 m với động cơ 3 pha và hệ thống nước tuần hoàn, nhưng được thu gọn lại do điều kiện thực tế. Mô hình cuối cùng có kích thước 1500 mm × 800 mm × 1300 mm (phần mái cao 200 mm), khung thép hộp 20×20 mm và 30×30 mm, bao phủ bằng tấm lợp sáng polyethylene trong suốt, có bốn bánh xe để di chuyển, hệ thống thanh trượt, bánh răng và xích tải để đóng mở rèm tự động.

Chương 3: Thiết kế điện điều khiển mô hình

Chương mô tả chi tiết toàn bộ phần cứng điện — điều khiển. Các thiết bị chính gồm:

• Khối điều khiển trung tâm: PLC S7-300 CPU315 2PN/DP (bộ nhớ 384 kbyte, 1 cổng MPI/DP 12 Mbit/s, 2 cổng Ethernet PROFINET, nguồn 24 V DC); mô đun analog 6ES7331-7KF02-0AB0 (8 cổng vào, hỗ trợ tín hiệu 0–20 mA, 4–20 mA, 0–10 V).
• Mô đun I/O Beckhoff: Bus Coupler BK3120 (PROFIBUS, tốc độ đến 12 Mbaud, tối đa 255 mô đun K-bus, 128 byte input/output); mô đun ngõ vào số KL1104/KL1114 (4 kênh, 24 V DC); mô đun ngõ ra số KL2114/KL2134 (4 kênh, dòng ra tối đa 0,5 A/kênh).
• Bảo vệ mạch điện: CB chống dòng rò Siemens 5SM1 311-6 (16 A, 230 V, ngưỡng nhảy 30 mA); CB bảo vệ nguồn 24 V DC loại C60H-DC C3A của Schneider (3 A, 250 V DC).
• Cảm biến: PT100 (nhiệt điện trở Platinum, độ chính xác cao, dải đo rộng); QFA 2060 (độ ẩm không khí); cảm biến độ ẩm đất; cảm biến quang Baumer (vị trí rèm).
• Cơ cấu chấp hành: hệ thống bơm tưới, quạt thông gió, mô tơ kéo rèm, hệ thống đèn sưởi; điều khiển qua contactor (cuộn dây 220 V AC) phối hợp rơ le trung gian 24 V DC và rơ le cách ly (Opto).

Chương trình bày giải thuật điều khiển mô hình dưới dạng lưu đồ.

Chương 4: Tổng quan về PLC S7-300 và phần mềm lập trình PLC và giao diện HMI

Chương trình bày lý thuyết và hướng dẫn sử dụng phần mềm Step 7 Manager (lập trình PLC): cách tạo project, khai báo cấu hình cứng, soạn thảo chương trình trong các khối OB1, FC, FB, nạp và giám sát chương trình. Phần thứ hai đề cập phần mềm WinCC (Windows Control Center): tạo project, tạo Tag, thiết kế giao diện với nút nhấn, I/O field, cấu hình màu và thuộc tính. Phần cuối hướng dẫn cấu hình Web Navigator để giám sát hệ thống qua Internet thông qua trình duyệt Internet Explorer, bao gồm cấu hình địa chỉ IP máy chủ và quyền truy cập.

Chương 5: Thi công và thực nghiệm mô hình

Chương mô tả quá trình thi công thực tế từng hệ thống con: hệ thống bơm tưới, ống dẫn nước và vòi phun, quạt thông gió, rèm che và cơ cấu truyền động, đèn sưởi, mạch điện điều khiển. Chương kết thúc bằng phần thực nghiệm vận hành mô hình, trình bày kết quả đạt được khi chạy thử ở chế độ bằng tay và chế độ tự động, đồng thời minh họa giao diện WinCC trên màn hình máy chủ và giao diện điều khiển từ xa qua Internet.

Chương 6: Kết luận, nhận xét đánh giá và định hướng phát triển đề tài

Chương tổng kết những vấn đề đạt được, những hạn chế còn tồn tại và định hướng phát triển tiếp theo.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Hệ thống được tổ chức theo mô hình phân cấp điều khiển gồm ba lớp: lớp cảm biến/cơ cấu chấp hành (PT100, QFA 2060, cảm biến đất, cảm biến quang Baumer, bơm, quạt, mô tơ rèm, đèn sưởi) → lớp điều khiển (PLC S7-300 CPU315 2PN/DP kết hợp mô đun analog Siemens và mô đun I/O Beckhoff qua PROFIBUS) → lớp giám sát (WinCC trên máy tính, Web Navigator qua Internet Explorer). Giao tiếp giữa PLC và máy tính chủ qua Industrial Ethernet; giám sát từ xa thông qua địa chỉ IP máy chủ Web Navigator.

Công nghệ sử dụng

Thành phần	Chi tiết trong văn bản
Bộ điều khiển	PLC Siemens S7-300 CPU315 2PN/DP
Mô đun analog	6ES7331-7KF02-0AB0 (8 kênh vào)
Mô đun I/O	Beckhoff BK3120 (Bus Coupler PROFIBUS) + KL1104/KL1114 + KL2114/KL2134
Phần mềm lập trình PLC	Step 7 Manager (Siemens)
Phần mềm HMI	WinCC (Windows Control Center)
Giao diện giám sát từ xa	WinCC Web Navigator qua Internet Explorer
Giao thức truyền thông	MPI, PROFIBUS DP, Industrial Ethernet (PROFINET)
Cảm biến nhiệt độ	PT100 (nhiệt điện trở Platinum)
Cảm biến độ ẩm không khí	QFA 2060
Cảm biến vị trí	Cảm biến quang Baumer
Bảo vệ mạch	CB Siemens 5SM1 311-6; CB Schneider C60H-DC C3A

Lập trình và giao diện

Chương trình PLC được tổ chức theo cấu trúc khối: OB1 (khối tổ chức chính), FC (Function Block) và FB (Function). Giải thuật điều khiển được mô tả bằng lưu đồ và thực hiện bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Diagram) trong Step 7. Giao diện WinCC được cấu hình với nút nhấn, I/O field có liên kết Tag, hiển thị trạng thái bơm, quạt, rèm và các giá trị cảm biến theo thời gian thực. Web Navigator cho phép truy cập giao diện HMI qua trình duyệt từ bất kỳ máy tính nào có kết nối Internet với địa chỉ IP máy chủ đã cấu hình.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Nhóm tác giả hoàn thành mô hình nhà kính thu nhỏ hoạt động được với đầy đủ các chức năng đặt ra:

• Hệ thống tưới, thông gió, rèm che và đèn sưởi vận hành tự động theo tín hiệu cảm biến qua PLC S7-300.
• Giao diện WinCC trên máy tính hiển thị trạng thái hệ thống và cho phép điều khiển bằng tay.
• Giao diện điều khiển từ xa qua Internet thông qua Web Navigator của WinCC (truy cập bằng Internet Explorer với tài khoản người dùng).
• Mô hình vận hành được ở hai chế độ: chế độ tự động (theo giải thuật PLC) và chế độ bằng tay (qua bảng điều khiển vật lý hoặc giao diện WinCC).

Giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất

Tác giả đề xuất áp dụng kết hợp PLC S7-300 với WinCC và Web Navigator như một giải pháp nội địa hóa có thể thay thế một phần công nghệ nhập khẩu, đặc biệt phù hợp với quy mô thử nghiệm và đào tạo. Tác giả cũng nhấn mạnh khả năng kết nối Internet và hướng tới công nghệ I4.0, Internet of Things (IoT) thông qua 2 cổng Ethernet PROFINET tích hợp trên CPU315 2PN/DP.

Đóng góp

Đồ án đóng góp một mô hình vật lý vận hành thực tế tích hợp đồng thời ba lớp: phần cứng cơ khí — điện điều khiển — phần mềm HMI với giám sát từ xa qua mạng. Đây là đóng góp phân biệt đồ án với các nghiên cứu lý thuyết thuần túy về nhà kính hoặc các đề tài chỉ mô phỏng PLC không có mô hình vật chất.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả tự thừa nhận các hạn chế sau:

• Kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không đủ nhiều (hơn 3 tháng), dẫn đến đề tài không tránh khỏi những thiếu sót.
• Quy mô mô hình thu nhỏ: ý tưởng ban đầu (3 m × 1,5 m × 2 m, động cơ 3 pha, hệ thống nước tuần hoàn có lọc và bể lắng) phải được giản lược đáng kể do điều kiện thực tế.
• Không tích hợp cảm biến độ pH mặc dù được đề cập trong ý tưởng ban đầu.

Hướng phát triển tác giả đề cập:

• Phát triển theo hướng giám sát toàn diện hơn (Hình 6.1 trong văn bản: "Phát triển theo hướng giám sát toàn diện").
• Xây dựng mô hình nhà kính tương lai với khả năng điều khiển qua smartphone hoặc máy tính theo hướng IoT, phù hợp xu thế điều khiển không dây linh hoạt.
• Mở rộng khả năng kết nối và truyền dữ liệu qua Internet, sóng điện thoại, 3G.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo trực tiếp cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử và Điện công nghiệp đang học hoặc thực hiện đề tài về PLC Siemens S7-300, đặc biệt là cấu hình phần cứng, lập trình Step 7, xây dựng lưu đồ điều khiển và thiết kế giao diện HMI trên WinCC.
• Sinh viên tìm hiểu giao thức truyền thông công nghiệp: tài liệu trình bày chi tiết MPI, PROFIBUS, PROFINET, cách kết nối mạng Industrial Ethernet và cấu hình Web Navigator — hữu ích cho ai học về hệ thống SCADA quy mô nhỏ.
• Sinh viên ngành Tự động hóa hoặc Cơ điện tử muốn thiết kế hệ thống tích hợp phần cứng cơ khí — điện — phần mềm giám sát, với bài toán ứng dụng thực tế là nông nghiệp công nghệ cao.
• Người làm đề tài tương tự về nhà kính thông minh: phần Chương 2 (lựa chọn vật liệu, thiết kế cơ khí) và Chương 3 (lựa chọn cảm biến, sơ đồ điện, giải thuật điều khiển) là phần đáng đối chiếu nhất.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả chọn PLC S7-300 CPU315 2PN/DP thay vì dòng PLC khác? Tác giả giải thích trong Chương 3: CPU315 2PN/DP tích hợp 2 cổng Ethernet PROFINET, cho phép kết nối Internet phục vụ giám sát từ xa và hướng tới công nghệ I4.0 và IoT. Ngoài ra, PLC S7-300 tuân chuẩn IEC châu Âu, có độ tin cậy cao và là lựa chọn phổ biến trong các dây chuyền tự động hóa công nghiệp.

2. Mô đun I/O Beckhoff đóng vai trò gì trong hệ thống, và kết nối với PLC Siemens bằng giao thức nào? Mô đun I/O Beckhoff (Bus Coupler BK3120 + các terminal KL) đảm nhiệm việc thu nhận tín hiệu số từ cảm biến vị trí rèm và xuất tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành. Bus Coupler BK3120 kết nối với PLC S7-300 qua giao thức PROFIBUS DP với tốc độ truyền lên đến 12 Mbaud, tự động nhận diện tốc độ từ bus.

3. Hệ thống giám sát từ xa qua Internet được triển khai như thế nào? Tác giả sử dụng ứng dụng Web Navigator của WinCC, cấu hình máy chủ với địa chỉ IP xác định, đưa giao diện HMI lên server. Người dùng từ xa truy cập qua trình duyệt Internet Explorer bằng tài khoản người dùng đã cấu hình, với yêu cầu tắt chế độ bảo vệ của IE. Giao diện điều khiển hiển thị đầy đủ trạng thái mô hình như khi truy cập trực tiếp từ máy chủ.

4. Vì sao ý tưởng thiết kế mô hình ban đầu (3 m × 1,5 m × 2 m) bị thu nhỏ, và kích thước cuối cùng là bao nhiêu? Tác giả cho biết mô hình ban đầu có kích thước quá lớn, vượt điều kiện thực tế (không gian, chi phí, linh kiện). Mô hình được thu gọn xuống còn 1500 mm × 800 mm × 1300 mm (phần mái cao 200 mm), đồng thời lược bỏ động cơ 3 pha, hệ thống nước tuần hoàn có lọc và bể lắng, cũng như cảm biến pH — trong khi vẫn giữ đủ các hệ thống cốt lõi để nghiên cứu.

5. Cảm biến nhiệt độ PT100 được kết nối với mô đun analog theo cách nào, và có bao nhiêu kiểu nối dây? Văn bản trình bày ba kiểu nối dây cho cảm biến PT100 với mô đun analog SM331 (6ES7331-7KF02-0AB0): loại 2 dây, loại 3 dây và loại 4 dây. Việc chọn đúng kiểu nối phải đi kèm với việc đặt đúng jumper bên hông mô đun (vị trí A cho Pt100) và khai báo đúng loại tín hiệu trong cấu hình phần cứng Step 7, nếu không mô đun sẽ báo lỗi hoặc có thể bị cháy.

---

Kết luận

Đồ án "Mô hình nhà vườn tự động trồng cây nông nghiệp dùng PLC điều khiển" của nhóm sinh viên lớp 15HDC02, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH), năm 2017, trình bày quy trình thiết kế và thi công một mô hình nhà kính thu nhỏ tích hợp hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí, hệ thống điện — điều khiển đến giao diện HMI và giám sát từ xa qua Internet. Hệ thống sử dụng PLC Siemens S7-300 CPU315 2PN/DP làm bộ điều khiển trung tâm, phần mềm Step 7 để lập trình và WinCC kết hợp Web Navigator để giám sát, điều khiển qua mạng. Đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về cấu hình phần cứng, lựa chọn thiết bị, giải thuật điều khiển và hướng dẫn triển khai phần mềm, có giá trị tham khảo thực tế cho sinh viên và kỹ thuật viên làm việc với hệ thống tự động hóa công nghiệp ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Nguyễn Hùng tại Hoa Kỳ đã có hơn 100 khu khoa học công nghệ. Ở Anh quốc, đến năm 1988 đã có 38 khu vườn khoa học công nghệ với sự tham gia của hơn 800 doanh nghiệp. Phần Lan đến năm 1996 đã có 9 khu khoa học nông nghiệp công nghệ cao.

Phần lớn các khu này đều phân bố tại nơi tập trung các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ mới và kết hợp với kinh nghiệm kinh doanh của các doanh nghiệp để hình thành nên một khu khoa học với các chức năng cả nghiên cứu ứng dụng, sản xuất, tiêu thụ và dịch vụ. Bên cạnh các nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở Châu á cũng đã chuyển nền nông nghiệp theo hướng số lượng là chủ yếu sang nền nông nghiệp chất lượng, ứng dụng công nghệ sinh học, công nghệ tự động hoá, cơ giới hoá, tin học hoá… để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn, hiệu quả. Công nghệ trồng cây trong nhà kính: nay được gọi là nhà màng do việc sử dụng mái lớp bằng màng polyethylen thay thế cho kính (green house) hay nhà lưới (net house). Trên thế giới, công nghệ trồng cây trong nhà kính đã được hoàn thiện với trình độ cao để canh tác rau và hoa.

Ứng với mỗi vùng miền khác nhau những mẫu nhà kính và hệ thống điều khiển các yếu tố trong nhà kính cũng có sự thay đổi nhất định cho phù hợp với điều kiện khí hậu của từng vùng, trong đó hệ thống điều khiển có thể tự động hoặc bán tự động. Tuy nhiên đối với các vùng thường chịu nhiều tác động của thiên tai như bão lũ, động đất thì lại cần cân nhắc kỹ giữa lợi ích và chi phí do rủi ro.2 Tình hình của nước ta Trong những năm gần đây thực hiện Quyết định 176/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ Về việc phê duyệt Đề án phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đến năm 2020, các tỉnh, thành phố trong cả nước đang triển 4 0 0 Tieu luan Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Nguyễn Hùng khai xây dựng các khu nông nghiệp công nghệ cao; các vùng sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao và mô hình sản xuất nông nghiệp công nghệ cao. Có thể nói Lâm Đồng là một trong những địa phương tiên phong trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao và hiện tại là tỉnh dẫn đầu về mức độ ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất nông sản hàng hóa.

Từ những năm 1990, Lâm Đồng đã xác định nông nghiệp công nghệ cao là một trong những đột phá phát triển; nhiều mô hình nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đã được hình thành và hoạt động có hiệu quả. Nhà kính phù hợp với yêu cầu phát triển nông nghiệp bền vững , cho phép kiếm soát đầy đủ và chặt chẻ thông số của quá trình sản xuất như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,khí oxy,carbonic.,kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác để đáp ứng sự sinh trưởng phát triển của cây trồng và kiểm soát được tình hình sâu bệnh để đạt sản lượng cao nhất. Hiện nay ở Việt Nam, bà con nông dân và các doanh nghiệp nông nghiệp cũng đã áp dụng mô hình nhà kính để sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấp bằng công nghệ cao nhiều nhất là ở Đà Lạt , nơi được xem là vùng trồng rau hoa trọng điểm của cả nước.