BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        NGUYỄN VĂN NHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ SÁNG TRONG PHÒNG SỬ DỤNG PLC S7 - 200 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Điện khí hóa SX Nông nghiệp và Nông thôn Mã số: 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH HÀ NỘI - 2012 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2012 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Văn Nhương Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội. Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cùng quý thầy cô trong khoa Cơ điện đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành khóa học. Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn tới gia đình, ban bè cùng khóa học và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, khích lệ tôi để tôi có thể học tập, nghiên cứu và trưởng thành như ngày hôm nay. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng vi Danh mục hình vii MỞ ĐẦU 1 1 Mục tiêu, nội dung nghiên cứu đề tài 1 2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2 2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2 2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 2 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP TRÌNH PLC S7-200 7 1.1 Nghiên cứu về PLC 7 1.1.1 Giới thiệu chung 7 1.1.2 Ưu điểm của PLC trong tự động hóa 8 1.1.3 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 8 1.2 Ngôn ngữ lập trình của Simatic S7 – 200 14 1.3 Một số lệnh cơ bản của S7-200 17 1.3.1 Các lệnh vào ra 17 1.3.2 Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm 18 1.3.3 Các lệnh logic đại số Boolean 19 1.3.4 Các lệnh so sánh 19 1.3.5 Các lệnh điều khiển Timer 19 1.3.6 Các lệnh điều khiển counter 21 1.4 Phương pháp lập trình trên phần mềm Step 7 – Micro/Win32 22 1.4.1 Các thành phần quan trọng 23 1.4.2 Phương pháp lập trình 24 1.4.3 Soạn thảo chương trình 24 1.4.4 Download chương trình xuống PLC 26 1.4.5 Trình tự thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC 26 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. iv 1.5 Kết luận chương 1 29 CHƯƠNG 2. ÁNH SÁNG VÀ THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG 30 2.1 Khái niệm cơ bản về chiếu sáng 30 2.1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng 30 2.1.2 Bản chất của ánh sáng 31 2.1.3 Các đại lượng đo sáng 32 2.1.4 Các loại nguồn sáng 36 2.2 Các loại đèn chiếu sáng 36 2.2.1 Đèn nung sáng 36 2.2.2 Đèn phóng điện 37 2.2.3 Những loại bóng đèn mới 38 2.3 Kết luận chương 2. 39 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ SÁNG TRONG PHÒNG 41 3.1 Phân tích bài toán 41 3.1.1 Phân tích xây dựng cấu hình hệ thống 41 3.1.2 Các tính năng đặt ra cho sản phẩm của đề tài 44 3.1.3 Lựa chọn linh kiện 45 3.2 Thiết kế chi tiết 59 3.2.1 Thiết kế đầu đo độ rọi 59 3.2.2 Thiết kế thiết bị điều khiển 62 3.2.3 Xây dựng mối liên hệ giữa độ rọi với rèm và góc mở đèn 70 3.2.4 Thiết kế phần mềm hệ thống điều khiển dùng PLC 74 3.3 Kết luận chương 3 75 CHƯƠNG 4. CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 76 4.1 Các kết quả thực hiện 76 4.1.1 Phần cứng 76 4.1.2 Phần mềm 77 4.2 Các thử nghiệm và đánh giá 78 CHƯƠNG .: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83 PHỤ LỤC 85 Tài liệu tham khảo 90 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. v Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. vi DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Các loại Timer của S7-200 (đối với CPU 214) theo TON, TONR 20 2.1 Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng 32 2.2 cường độ sáng của một số nguồn sáng thông dụng 33 2.3 Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp 34 2.4 Dải nhiệt độ màu với ánh sáng trắng 35 2.5 Đặc tính của đèn nung sáng 37 3.1 Các mức độ rọi đặc trưng cho các khu vực, công việc hoặc các hoạt động khác nhau 41 3.2 Các thông số của quang điện trở LDR 46 3.3 Bảng mô tả các thông số kỹ thuật của động cơ rèm 53 3.4 Một số dạng và phân loại về cảm biến tiệm cân 57 3.5 Mô tả thông số kỹ thuật các loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ 57 3.6 Mô tả địa chỉ ngõ vào/ra của PLC với các thiết bị 70 4.1 Bảng liệt kê các thiết bị cần dùng 76 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. vii DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Mặt bằng sơ đồ phòng học 5 1.2 Cấu trúc của một PLC 9 1.3 Kết nối CPU với module mở rộng 12 1.4 Giao tiếp giữa PLC với PC và cấu tạo cáp PC/PPI 12 1.5 Cấu trúc các chương trình trong PLC 15 1.6 Thực hiện chương trình trong PLC 15 1.7 Trạng thái ngăn xếp trước và sau khi thực hiện lệnh LD 18 1.8 Trạng thái ngăn xếp trước và sau khi thực hiện lệnh LDN 18 1.9 Timer của S7-200 21 1.10 Bộ đếm tiến CTU 21 1.11 Bộ đếm CTUD của S7-200 22 1.12 Cửa sổ soạn thảo Ladder 23 1.13 Cửa sổ soạn thảo chương trình trong STL 25 1.14 Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC 29 2.1 Giới hạn phổ màu của ánh nhìn thấy 31 2.2 Bề mặt chiếu sáng vuông góc 34 2.3 Quan hệ độ rọi, cường độ sáng và khoảng cách 34 3.1 Cổng truyền thông RS485 42 3.2 Truyền thông giữa PLC với máy tính 43 3.3 Cáp truyền thông PC/PPI 43 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống đèn, rèm 44 3.5 Sơ đồ cấu tạo điện trở quang 45 3.6 Sơ đồ ứng dụng quang điện trở đóng mở mạch theo ánh sáng 47 3.7 Kích thước thực của PLC S7-200 CPU224 47 3.8 Hình dáng bên ngoài của PLC S7-200 CPU224 48 3.9 Giao thức MODBUS 50 3.10 Cấu tạo chung của PLC S7-200 50 3.11 Bộ đèn huỳnh quang âm trần 2 bóng x 1.2m 52 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. viii 3.12 Rèm cuốn bằng motor điện 52 3.13 Cấu tạo rèm cuốn bằng motor điện 53 3.14 Rơle điện từ loại RXM2LB1P7 của Schneider 56 3.15 Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ CR18-8DN 56 3.16 Sơ đồ khối đầu đo độ rọi 59 3.17 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển đầu đo độ rọi 60 3.18 Sơ đồ nguyên lý tạo tín hiệu điện áp điều khiểnError! Bookmark not defined. 3.19 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển transistor 1 mở khi độ rọi >500lux 61 3.20 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển transistor 2 mở khi độ rọi < 400lux 62 3.21 Thiết kế mạch in nguyên lý tạo tín hiệu điện áp điều khiển 62 3.22 Sơ đồ khối các thiết bị điều khiển 63 3.23 Thiết bị đo độ rọi ánh sáng chuyên nghiệp PCE-172 64 3.24 Sơ đồ khối thuật toán cảm biến khống chế hành trình điều khiển rèm 65 3.25 Sơ đồ module 224AC/DC/RLY 67 3.26 Sơ đồ bố trí thiết bị trên bảng điều khiển 63 3.27 Sơ đồ kết nối các thiết bị vào/ra với PLC 69 3.28 Thực nghiệm để lấy góc kích của transistor với thiết bị đo ánh sáng PCL-172 71 3.29 Hình ảnh thực nghiệm lấy ngưỡng độ rọi dưới 72 3.30 Sơ đồ khối thuật toán thực nghiệm tác động khi đầu đo độ rọi <400lux 72 3.31 Sơ đồ khối thuật toán thực nghiệm tác động khi đầu đo độ rọi >500lux 73 3.32 Hình ảnh thực nghiệm lấy ngưỡng độ rọi trên 73 3.33 Sơ đồ khối thuật toán mối liên hệ giữa độ rọi với rèm và góc mở đèn 74 4.1 Hình ảnh quá trình download cho PLC 77 4.2 Hình ảnh quá trình chạy thử cho PLC 78 4.3 Sơ đồ mặt bằng hệ thống điện phòng học 79 4.4 Mô phỏng trạng thái khi ngoài trời tối và bắt đầu bật đèn 80 4.5 Mô phỏng trạng thái khi ngoài trời tối và bắt đầu bật đèn 81 4.6 Mô phỏng trạng thái khi ngoài trời sáng vừa phải và bắt đầu bật đèn 81 4.7 Mô phỏng trạng thái khi ngoài trời sáng, bật lên rèm kéo lên vừa đủ độ rọi 82 Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………. 1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu đề tài Chiếu sáng hiện nay đang là một mối quan tâm chung của rất nhiều các kỹ sư điện, các nhà vậy lý nghiên cứu quang và các phổ quang học, các kỹ thuật viên của các công ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị, các nhà kiến trúc, xây dựng và mỹ thuật …. Trong thời gian gần đây, với sự ra đời của các nguồn sáng hiệu suất cao, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng tiện ích. Chiếu sáng tiện ích là chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng. Đây là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng bằng việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao. Các loại đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp được thay thế bằng đèn compact, các đèn huỳnh quang thế hệ mới cùng với chấn lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưu điện từ. Hiệu quả của ánh sáng tự nhiên được sử dụng tối đa. Kết quả của chiếu sáng tiện ích là ánh sáng được điều chỉnh theo mục đích và yêu cầu sử dụng nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường. Hiểu rõ được về chiếu sáng tiện ích, được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng sử dụng PLC S7-200 với: – Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Hiệu ứng sáng đối với môi trường sống. Các linh kiện điện tử quang học phát triển mạnh. – Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được): Môi trường thông minh về ánh sáng Thiết kế thiết bị đo độ rọi, điều khiển hệ thống đèn, rèm – Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: Tìm hiểu, nghiên cứu hiệu ứng ánh sáng với môi trường sống. Thiết kế thử nghiệm thiết bị và hệ thống điều khiển đèn, rèm trong phòng thông minh. [...]... về ánh sáng và các loại thiết bị chiếu sáng Sau đó là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình PLC S7 -200 trong việc điều khiển tự động, các thiết bị vào/ra, từ đó ứng dụng vào thiết kế mạch điều khiển tự động cho hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng Mạch sẽ hoạt động theo nguyên tắc chung như sau: – Độ sáng trong phòng và ngoài phòng được xác định bằng cảm biến ước lượng mức độ rọi... có thể kết hợp việc sử dụng nguồn sáng tự nhiên và chiếu sáng của đèn với nhau để có thể đảm bảo được độ sáng ổn định trong phòng Hệ thống sẽ sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7 -200 làm thiết bị điều khiển tự động giữa hệ thống đèn chiếu sáng trong phòng với rèm đóng mở để đưa ánh sáng tự nhiên vào phòng sao cho đạt được những yêu cầu đề xuất sau: – Độ sáng trong phòng phải đảm bảo được độ rọi như... các đề xuất thiết kế một hệ thống tự động điều chỉnh ánh sáng trong phòng học để đảm bảo độ sáng luôn đạt được độ rọi trong phòng từ 400lux đến 500lux phù hợp với chiếu sáng cho phòng học (theo tiêu chuẩn TCVN 7114 :2002 ) Với diện tích phòng 7,2m x 12m, cao 3,85m, đã được lắp đặt hệ thống đèn huỳnh quang được điều khiển đóng/mở bằng công tắc, có 2 cửa sổ lớn bằng kính 4m x 2,5m/1 cửa với độ sáng chiếu... độ sáng trong phòng không đủ và nhỏ hơn độ sáng ngoài phòng thì các rèm sẽ được điều chỉnh nâng dần lên để tăng độ sáng cho đến khi đạt ngưỡng cho trước Nếu độ sáng phòng đã đạt ngưỡng và rèm chưa kéo hết thì các rèm sẽ được tiếp tục kéo lên và các đèn trong phòng sẽ được tự động tắt bớt để tiết kiệm điện – Khi các đèn đã tắt hết nhưng trong phòng có độ sáng vẫn vượt ngưỡng thì các rèm sẽ được tự động. .. giảm độ sáng trong phòng Hình 1.1: Mặt bằng sơ đồ phòng học Với mô hình như trên, sau phần mở đầu này, luận văn có cấu trúc như sau: 1 Chương 1: Nghiên cứu bộ điều khiển logic khả lập trình PLC S7 -200 2 Chương 2: Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………… 5 3 Chương 3: Phân tích thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng. .. học ban đầu được điều khiển trực tiếp bằng hệ thống công tắc điều khiển đèn chiếu sáng thụ động với đề xuất trên khi hoàn thành chúng ta sẽ có một hệ thống chiếu sáng tự động sử dụng tối đa nguồn sáng tự nhiên sẽ tiết kiệm năng lượng điện đáng kể cho người sử dụng điện • Dự kiến phương pháp: Trên cơ sở kế thừa các thành quả nghiên cứu về chiếu sáng tự động và phong trào tiết kiệm năng lượng hiện nay... bộ điều khiển trung tâm có thể điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng lập lịch hoạt động, thời gian mặt trời mọc - mặt trời lặn, điều khiển theo ngày ngày trong tuần Người dùng có thể điều khiển hệ thống chiếu sáng, rèm và phụ tải khác bằng màn hình cảm ứng, smartphone, máy tính kết nối Internet v.v mặc dù hệ thống linh động và thông minh như vậy, nhưng cũng như các hệ thống khác nó không được ứng dụng. .. trí trong phòng o 2 nút ấn ON/OFF để bật tắt hệ thống o Nguồn 220VAC • Đầu ra: o Hệ thống đèn huỳnh quang chiếu sáng có độ rọi trong phòng từ 400lux đến 500lux o 10 rơ le điện từ để điều khiển gián tiếp: 2 rơ le điều khiển 2 động cơ, 8 rơ le điều khiển đèn huỳnh quang o Có 2 động cơ để điều khiển 4 rèm cho 2 cửa sổ (rèm đôi liên hoàn) Như vậy, từ một phòng học ban đầu được điều khiển trực tiếp bằng hệ. .. từng nhu cầu chiếu sáng Đặc biệt đối với chiếu sáng ở các phòng học, phòng họp, nhà hàng, khách sạn v.v thường sử dụng khoảng không thoáng, sáng sủa xung quanh phòng Nhưng những ánh sáng đó còn chưa được sử dụng hiệu quả, thậm chí còn phải sử dụng rèm để che chắn lại, v.v bên cạnh đó tại Việt Nam, đã có rất nhiều công ty về tự động hóa đã coi phần tự động hóa cho nhà thông minh là một trong Trường Đại... giao công nghệ trong hướng phát triển này Có không nhiều công ty, tổ chức đầu tư vào nghiên cứu, xây dựng hẳn một hệ thống điều khiển nhà thông minh nói chung, điều khiển chiếu sáng trong nhà nói riêng, do họ chế tạo ra để tung ra thị trường như: hệ thống điều khiển chiếu sáng linh động mềm deo (Solutions Lighting Control (SLC)), hệ thống này có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp với bộ điều khiển . thiết kế mạch điều khiển tự động cho hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng . Mạch sẽ hoạt động theo nguyên tắc chung như sau: – Độ sáng trong phòng và ngoài phòng được xác định bằng. các đề xuất thiết kế một hệ thống tự động điều chỉnh ánh sáng trong phòng học để đảm bảo độ sáng luôn đạt được độ rọi trong phòng từ 400lux đến 500lux phù hợp với chiếu sáng cho phòng học (theo. thể kết hợp việc sử dụng nguồn sáng tự nhiên và chiếu sáng của đèn với nhau để có thể đảm bảo được độ sáng ổn định trong phòng. Hệ thống sẽ sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 làm thiết