Mô hình tự hành hóa trong ao nuôi tôm công nghệ cao

Microsoft Word Do An Nuoi Tom Cong Nghe Cao (2) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH TỰ HÀNH HÓA TRONG AO NUÔI TÔM CÔNG NGHỆ CAO NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Võ Phúc Tường 1711050291 17DTDA2 Lê Thành Nhân 1711050194 17DTDA2 Phan Hữu Nghĩa 1711050248 17DTDA2 Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 9 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề

Nông nghiệp, đặc biệt là ngành nuôi trồng thủy sản, vẫn giữ vai trò chủ chốt trong nền kinh tế Việt Nam Sản lượng xuất khẩu thủy sản của Việt Nam đã đạt nhiều thành tựu ấn tượng trên cả khu vực và thế giới Trong đó, ngành nuôi tôm phát triển mạnh mẽ và được triển khai rộng rãi, đặc biệt tại các tỉnh thuộc Vùng Đồng bằng sông Cửu Long, mang lại lợi nhuận cao cho nền kinh tế.

Năm 2020, mặc dù ngành nuôi tôm trong nước phải đối mặt với những thách thức lớn từ dịch COVID-19 kéo dài và tình trạng xâm ngập mặn tại các vùng nuôi chủ lực, nhưng vẫn đạt được những kết quả khả quan.

Trong năm 2020, sản lượng tôm nuôi đạt 950.000 tấn, trong đó tôm sú đạt 267,7 nghìn tấn, tăng 1% so với năm trước Tôm thẻ chân trắng ghi nhận sản lượng 632,3 nghìn tấn, tăng 8,5% so với cùng kỳ, trong khi tôm khác đạt 50.000 tấn so với năm 2019.

Hình 1.1 Biểu đồ sản lượng tôm của Việt Nam (2000-2020)

Năm 2020, xuất khẩu tôm của Việt Nam đạt 3,85 tỷ USD, tăng 15% so với năm 2019, nhờ vào thành công trong việc kiểm soát COVID-19, tạo lợi thế cho hoạt động sản xuất và xuất khẩu so với các thị trường đối thủ.

Hình 1.2 Kim nghạch xuất khẩu tôm Việt Nam năm 2020 (tháng 1 – tháng 9)

Ngành nuôi tôm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, đặc biệt là trong việc thúc đẩy kim ngạch xuất khẩu của đất nước.

Ngành nuôi tôm hiện nay đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự ứng dụng công nghệ cao, yêu cầu đầu tư lớn và trình độ quản lý kỹ thuật, tài chính cao Tuy nhiên, tại Việt Nam, hoạt động nuôi tôm chủ yếu diễn ra theo hình thức nhỏ lẻ hộ gia đình, điều này gây khó khăn trong việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến để đạt được kết quả ổn định và bền vững Việc sản xuất nhỏ lẻ dẫn đến giám sát hồ nuôi chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, từ đó gia tăng rủi ro cho người nuôi tôm.

Năng suất nuôi phụ thuộc nhiều vào hình thức nuôi, nhưng hiện nay, việc áp dụng giám sát định lượng bằng phương pháp thủ công không đảm bảo chất lượng.

Các yếu tố tự nhiên như lưu lượng nước, nhiệt độ, pH và độ trong của nước có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của tôm Vì vậy, việc giám sát môi trường nuôi tôm chỉ dựa vào kinh nghiệm không đảm bảo an toàn và có thể dẫn đến giảm năng suất cũng như lợi ích cho người chăn nuôi.

Các vấn đề gây thiệt hại

- Lưu lượng nước trong có ảnh hưởng đến mật độ tôm trong ao nuôi:

Khi lượng nước trong ao nuôi tôm không đủ, mật độ tôm sẽ tăng cao, dẫn đến một số vấn đề nghiêm trọng như tôm chậm lớn, hệ số chuyển hóa thức ăn tăng cao và thiếu hụt oxy trong nước.

Ao nuôi có mật độ cao có thể dẫn đến sự phát sinh các khí độc như NH3 và NO2, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của tôm Tình trạng này không chỉ làm cho tôm chậm lớn mà còn làm tăng nguy cơ nhiễm bệnh, thậm chí có thể dẫn đến tình trạng chết hàng loạt.

- Theo khuyến cáo đối với mô hình nuôi tôm sú thâm canh:

 Giai đoạn 1: có thể thả ương với mật độ 30 đến 40 con/m 2 đối với ao đất hoặc

50 đến 70 con/m 2 đối với ao trải bạt có hệ thống ôxy đáy

Giai đoạn 2 của quá trình nuôi trồng diễn ra sau 60 ngày thả nuôi, trong đó mật độ nuôi được điều chỉnh là 10 đến 15 con/m² đối với ao đất và 20 đến 30 con/m² đối với ao trải bạt có hệ thống ôxy đáy.

Nhiệt độ ao nuôi đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến tỷ lệ sống, sự sinh trưởng và tốc độ phát triển của tôm, bao gồm các quá trình hô hấp, tiêu thụ thức ăn và đồng hóa thức ăn Ngoài ra, nhiệt độ còn tác động đến khả năng miễn dịch của tôm đối với các mầm bệnh.

Độ pH trong nước ảnh hưởng liên tục từ đầu đến cuối vụ nuôi, vì vậy việc kiểm soát pH trong ao nuôi là rất quan trọng để đảm bảo sức khỏe và sự phát triển của thủy sản.

- Ảnh hưởng của độ pH đối với hệ sinh thái:

Khi pH nước quá cao, mang tính bazo, sẽ gây khó khăn cho sự phát triển của thủy sinh vật đáy và tạo ra biến động pH lớn trong ngày Nguồn nước này không phù hợp cho nuôi tôm; do đó, cần hạ pH xuống mức 7,5-8 để tạo điều kiện tốt nhất cho tôm nuôi phát triển.

pH quá thấp, mang tính axit, có ảnh hưởng tiêu cực đến tảo và vi sinh vật trong nước Nguyên nhân dẫn đến pH thấp có thể bao gồm nước bị nhiễm phèn, sự sụp đổ của tảo và quá trình phân hủy chất hữu cơ trong môi trường nước.

Tảo quang hợp và phát triển mạnh mẽ dẫn đến sự dao động pH, cho thấy môi trường đang bị phú dưỡng Sự thay đổi này làm biến đổi thành phần loài của tảo theo hướng không tích cực, điển hình là ao có tảo lam thường có pH rất cao.

- Ảnh hưởng của độ pH đối với sức khỏe tôm:

 Khi pH vượt ngưỡng có ảnh hưởng bất lợi trên tôm như làm tôm chậm lột, suy giảm miễn dịch, stress

 Mất cân bằng áp suất thẩm thấu

Trong quá trình nuôi tôm, đặc biệt là trong giai đoạn lột vỏ, việc duy trì mức pH ổn định là rất quan trọng Nếu pH giảm quá thấp, tôm có thể gặp phải tình trạng dính chân và không thể lột vỏ Sự biến đổi pH không chỉ ảnh hưởng đến quá trình tiêu hóa của tôm mà còn dẫn đến tình trạng còi cọc, suy giảm hệ miễn dịch và làm tăng nguy cơ nhiễm bệnh từ các mầm bệnh có trong ao.

 Suy giảm khả năng trao đổi khí ở mang, làm tôm ngạt và nổi đầu

 Làm chậm hoặc không liên tục quá trình trao đổi chất, ảnh hưởng đến tiêu hóa

 Làm biến đổi độc tính của những chất khác trong nước, đặc biệt là các loại khí độc NH3, NO2, H2S,…dễ bùng phát và ảnh hưởng cho tôm

Khi pH trong nước tăng cao, nồng độ khí độc NH3 cũng sẽ tăng, trong khi pH giảm thấp sẽ dẫn đến sự bùng phát của khí độc H2S trong ao Cả hai loại khí độc này đều rất nguy hiểm và có ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự phát triển của tôm nuôi.

Độ đục cao sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh vật dưới nước và sức khỏe tổng thể của ao, dẫn đến giảm năng suất nuôi trồng thủy sản Điều này cũng làm giảm ánh sáng cần thiết cho sự phát triển của thực vật thủy sinh.

6 sáng mặt trời xâm nhập vào trong nước qua đó ức chế sự tăng trưởng của thực vật phù du, giảm sản xuất ôxy trong ao.

Mục tiêu mong muốn

- Trong đồ án tốt nghiệp mục tiêu mong muốn của mô hình:

 Điều khiển và giám sát được lưu lượng nước trong bể nuôi

 Giám sát độ pH của nước trong bể nuôi

 Giám sát được nhiệt độ của nước trong bể nuôi

 Giám sát được độ trong của nước trong bể nuôi.

Các khó khăn cần phải vượt qua

- Trong mô hình đồ án có những khó khăn cần phải vượt qua:

 Lựa chọn các giải pháp thiết kế phù hợp với thực tế

 Tính toán, lựa chọn công suất thiết bị cho phù hợp thực tế

 Thiết kế, lắp đặt mô hình hoạt động ổn định

 Thiết kế phải đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và cho con người

 Tránh được các rủi ro tai nạn như điện giật, cháy nổ,…

Phạm vi giới hạn đồ án

- Đề tài thực hiện đối tượng nuôi là tôm

- Đo được các thông số là lưu lượng nước, nhiệt độ, độ pH, độ trong của nước ở bể nuôi tôm

- Đề tài dừng lại ở việc điều khiển và giám sát, phát tín hiệu đèn báo, điều khiển xử lý khi các chỉ số vượt quá mức cho phép

- Điều khiển mô hình tại chỗ và từ xa

- Giám sát được các số liệu ở bể nuôi từ xa

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

Tìm hiểu về vấn đề

Thị trường nuôi tôm ứng dụng công nghệ cao tại Việt Nam tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, với tổng diện tích lên tới 600 nghìn ha Năm tỉnh nổi bật trong khu vực này bao gồm Bến Tre, Kiên Giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu và Cà Mau, cho thấy tiềm năng lớn cho các sản phẩm nuôi tôm công nghệ cao Điều này không chỉ tạo cơ hội hoàn thiện các mô hình hiện tại mà còn thúc đẩy sự phát triển của các mô hình nuôi trồng mới trong tương lai.

- Các công nghệ cơ bản trong việc giám sát môi trường bể nuôi tôm:

 Đo lường các số liệu môi trường trong bể nuôi

 Cảnh báo sự thay đổi các số liệu so với định mức

 Giám sát được các số liệu của môi trường tại điểm nuôi hay từ xa

- Các thiết bị cơ, điện, điều khiển ứng dụng phổ biến:

 PLC, Arduino: dùng để lập trình làm bộ điều khiển trung tâm

 Động cơ điện: dùng làm máy bơm, quạt nước,…

 Cảm biến: dùng để thu thập các số liệu môi trường trong bể nuôi

 Biến tần: dùng để dùng điều khiển, bảo vệ động cơ điện

 CB: dùng để bảo vệ hệ thống trước sự cố như ngắt mạch, quá tải,…

 HMI: dùng để giao tiếp với người dùng

Giới thiệu mô hình CPF-Combine

2.2.1 Tổng quan về mô hình

Mô hình nuôi tôm công nghệ cao CPF-Combine Model của Công ty cổ phần chăn nuôi C.P Việt Nam đang được phát triển tại nhiều vùng nuôi tôm trên cả nước như Quảng Ninh, Bến Tre, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên Giang Mô hình này giúp giảm thiểu bệnh tật cho tôm, cho phép người nuôi chủ động hơn trong thời gian thả tôm và không phụ thuộc vào thời tiết như phương pháp nuôi truyền thống Tỷ lệ sống và năng suất tôm cao hơn nhờ quy trình kỹ thuật mới với sự quản lý nghiêm ngặt và ứng dụng thiết bị hiện đại Tôm được cho ăn bằng máy, và các tiêu chuẩn ao nuôi như độ kiềm, pH, và oxygen được kiểm tra hàng ngày để đảm bảo sự phát triển ổn định của tôm.

2.2.2 Cấu trúc của mô hình CPF-Combine

- Các cấu trúc của mô hình CPF-Combine gồm 3 khu vực:

Khu vực xử lý nước đầu vào là nơi nước được lấy từ các nguồn như ao và kênh, sau đó chạy qua hệ thống xử lý nhanh và được bơm vào các bể sẵn sàng Nước từ đây sẽ được cung cấp cho các bể trong hệ thống nuôi Để đảm bảo chất lượng nước tốt nhất, toàn bộ khu xử lý phải được lót bạt đáy 100% và áp dụng đầy đủ các biện pháp an toàn sinh học.

Tôm được nuôi trong hệ thống bể lót bạt 100%, được trang bị mái che để bảo vệ khỏi thời tiết, đảm bảo điều kiện nuôi tốt nhất Các bể nuôi còn được trang bị thiết bị để lấy mẫu các tiêu chuẩn như pH, oxy và nhiệt độ, với tần suất kiểm tra hàng ngày.

Hệ thống Biogas được áp dụng trong khu vực xử lý nước thải để xử lý phân tôm và các chất thải từ hố Siphon, nhằm cung cấp nguồn nước sạch và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường Nguồn khí sinh ra từ quá trình này còn được sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất.

Lợi thế của nuôi tôm ứng dụng công nghệ cao

- Ứng dụng kỹ thuật trong nuôi tôm giúp việc kiểm soát nước và các yêu tố môi trường trong quá trình nuôi được tốt hơn

Kiểm soát lượng nước trong bể nuôi tôm là yếu tố quan trọng giúp duy trì mật độ ổn định, ngăn ngừa sự phát sinh chất độc và thiếu oxy Điều này không chỉ giảm thiểu các vấn đề tiềm ẩn mà còn đảm bảo sự phát triển đồng bộ cho tất cả tôm trong bể nuôi.

Việc kiểm soát các yếu tố môi trường trong nuôi tôm truyền thống thường dựa vào cảm quan và kinh nghiệm, dẫn đến sự không chính xác trong nhận định Để cải thiện tình hình, việc áp dụng thiết bị kỹ thuật trong kiểm soát môi trường sẽ giúp người nuôi tôm có được những đánh giá chính xác hơn, từ đó đưa ra các giải pháp phù hợp và hiệu quả hơn.

- Việc áp dụng kỹ thuật giúp người nuôi tiết kiệm thời gian, công suất, nhân công,…

Nuôi tôm theo phương pháp hiện đại giúp giảm thiểu rủi ro dịch bệnh so với nuôi tôm truyền thống Nguyên nhân chính là do nuôi tôm truyền thống thường diễn ra trên ao đất, dẫn đến việc xử lý ao nuôi không triệt để, tạo điều kiện cho dịch bệnh tích tụ và lây lan dễ dàng.

Nuôi tôm theo hướng công nghệ cao giúp xử lý nguồn nước và ao nuôi một cách kỹ lưỡng, từ đó giảm thiểu rủi ro về tôm chết và dịch bệnh.

Nuôi tôm theo hướng công nghệ cao mang lại sản lượng cao hơn so với phương pháp truyền thống, với sản lượng trung bình từ 20-25 kg so với 45-50 kg của cách nuôi truyền thống Tôm có kích cỡ lớn hơn sẽ có giá bán tốt hơn, do đó, đầu tư vào nuôi tôm công nghệ cao không chỉ giúp tăng sản lượng mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế nhờ giá bán cao hơn.

- Hạn chế của việc nuôi tôm áp dụng công nghệ cao:

Mô hình nuôi tôm công nghệ cao mang lại nhiều lợi ích, nhưng hạn chế lớn nhất là chi phí đầu tư ban đầu cao, khiến việc áp dụng trên quy mô lớn trở nên khó khăn cho người nuôi tôm.

Nuôi tôm truyền thống thường sử dụng thuốc và phân bón một cách không kiểm soát, dẫn đến việc tích tụ lớp bùn dưới đáy ao Lớp bùn này chứa nhiều chất cặn bã độc hại, gây ra dịch bệnh tôm chết tràn lan Chất thải không được xử lý đúng cách và bị xả thẳng ra sông, kênh rạch, trong khi hệ thống thủy lợi kém phát triển không thể tháo nước và tiêu độc kịp thời, khiến cho chất thải độc hại theo dòng nước thủy triều quay trở lại các ao đầm nuôi tôm.

Việc áp dụng công nghệ trong quá trình nuôi trồng không chỉ giúp giảm thiểu việc sử dụng thuốc mà còn tối ưu hóa quy trình xử lý nước vào ra, từ đó giảm nguy cơ ô nhiễm nguồn nước và bảo vệ môi trường kênh rạch.

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

Nhiệm vụ của mô hình nuôi tôm công nghệ cao

- Thiết kế và thi công mô hình nuôi tôm hoàn chỉnh

- Kiểm soát và điều khiển lưu lượng nước

- Kiểm soát độ pH trong nước

- Kiểm soát nhiệt độ của nước

- Kiểm soát không khí xung quanh

- Giám sát hệ thống tại chỗ và từ xa

- Điều khiển hệ thống tại chỗ và từ xa

- Chức năng điều khiển bảo vệ, giám sát và báo cáo

- Thực hiện các công tác giải pháp khi hệ thống có sự sai lệch (nhiệt độ, pH, độ đục, lượng nước,…).

Tính năng hoạt động của mô hình

- Chế độ chạy tự động và điều khiển bằng tay

- Các tính năng bảo vệ tôm và thiết bị như bơm, động cơ, biến tần, sự cố nguồn điện, nguồn nước,…

Quản lý và giám sát hoạt động hệ thống điều khiển thông qua Scada là rất quan trọng, bao gồm việc cài đặt và điều chỉnh các thông số hệ thống Điều này giúp theo dõi các thông số hoạt động chính của bể nuôi tôm và trạng thái hoạt động của các thiết bị như on/off và sự cố, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình nuôi trồng.

Các giải pháp vận hành, tự động trong mô hình

Chế độ vận hành tự động giúp giám sát liên tục lượng nước, nhiệt độ và độ pH, tự động thực hiện các tác vụ cần thiết khi phát hiện sai lệch trong các thông số này.

Trong quá trình nuôi tôm, chế độ vận hành bằng tay là cần thiết để đáp ứng các yếu tố môi trường khác nhau ở từng giai đoạn phát triển Việc giám sát bằng tay giúp đảm bảo tôm phát triển khỏe mạnh và đạt hiệu quả tối ưu trong nuôi trồng.

Việc điều chỉnh các thông số nuôi như pH và lượng nước là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định trong quá trình nuôi Hệ thống vận hành bằng tay có thể giúp khắc phục sự cố khi quá trình tự động gặp lỗi, từ đó nâng cao hiệu quả nuôi trồng.

Giám sát tại chỗ cho phép người nuôi theo dõi các thông số quan trọng được hiển thị trên màn hình HMI, từ đó giúp họ kiểm soát và điều chỉnh hiệu quả quá trình nuôi trồng.

Giám sát từ xa cho phép người nuôi theo dõi các thông số quan trọng qua mạng Internet, giúp họ quan sát hoạt động của hệ thống và biến động môi trường từ xa Điều này giúp người nuôi có thể điều chỉnh các tác vụ một cách hiệu quả mà không cần phải có mặt trực tiếp tại khu vực nuôi.

Giải pháp đề xuất trong mô hình

Giải pháp ứng dụng trong đồ án chú trọng vào các yếu tố kỹ thuật, vì vậy việc sử dụng các thiết bị kỹ thuật là điều cần thiết.

Giải pháp đo lường các thông số trong mô hình như pH, nhiệt độ và độ đục sẽ sử dụng cảm biến điện biến điện tử Các cảm biến này cần đáp ứng yêu cầu đo đạc trong khoảng cho phép, phù hợp với điều kiện sống của tôm.

Giải pháp điều khiển sử dụng PLC và vi điều khiển Arduino để nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các cơ cấu chấp hành khi có sai lệch Biến tần được áp dụng để điều khiển máy bơm, đảm bảo các thiết bị tương thích với công suất động cơ và nguồn điện cấp.

Giải pháp cho cơ cấu chấp hành bao gồm việc sử dụng máy bơm để bơm nước và động cơ một chiều để vận hành quạt nước cũng như điều khiển mái che Các máy bơm và động cơ cần đảm bảo công suất và mô-men xoắn phù hợp cho các tác vụ cụ thể.

Giải pháp hiển thị trạng thái hoạt động của mô hình bao gồm việc sử dụng màn hình HMI và đèn báo Những thiết bị này giúp người dùng dễ dàng theo dõi các trạng thái như bật/tắt, quá tải, và các thông tin quan trọng khác về hoạt động của hệ thống.

 Giải pháp bảo vệ: sử dụng CB để bảo hệ thống khi ngắt mạch, sụt áp, quá tải,… toàn hệ thống

Giải pháp kết nối và truyền thông giúp người dùng thu thập dữ liệu giám sát từ xa một cách hiệu quả, tiết kiệm thời gian và công sức so với việc giám sát hệ thống trực tiếp.

Hệ thống SCADA được thiết lập thông qua mạng truyền thông công nghiệp như Modbus, Profibus và Profinet (Ethernet), cho phép các thiết bị điều khiển như PLC và Arduino giao tiếp hiệu quả với máy chủ (host local).

Lựa chọn phương án thiết kế

- Dựa trên những giải pháp đề xuất, những hạn chế về mặt kỹ thuật trong mô hình sẽ có những phương án thiết kế như sau:

3.5.1 Kiểm soát lưu lượng nước

Điều khiển lưu lượng nước trong bể được thực hiện thông qua việc sử dụng PLC làm bộ điều khiển trung tâm PLC sẽ thu thập thông số mực nước từ que đo và xuất tín hiệu điều khiển biến tần để khởi động động cơ bơm nước hoặc điều khiển van điện từ nhằm xả nước, tất cả dựa trên các cài đặt ban đầu đã được thiết lập.

3.5.2 Kiểm soát số liệu môi trường

Sử dụng Arduino để thu thập tín hiệu môi trường từ các cảm biến như độ đục, nhiệt độ và pH của nước bể, sau đó hiển thị dữ liệu trên màn hình HMI Đồng thời, dữ liệu được gửi lên server mạng để kiểm soát từ xa, giúp quản lý và giám sát chất lượng nước hiệu quả.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH, THÍ NGHIỆM

Cấu tạo chung

Hình 4.1 Sơ đồ mạng điều khiển và giám sát của hệ thống

4.1.1 Kiểm soát lưu lượng nước

Động cơ bơm nước được điều khiển khởi động và điều chỉnh thông qua biến tần, thực hiện nhiệm vụ bơm nước từ bể dự trữ đến bể nuôi chính.

- Biến tần: dùng điều khiển khởi động, tốc độ của động cơ Biến tần thực hiện chức năng dựa trên tín hiệu của PLC

- PLC: dùng để lập trình làm bộ điều khiển trung tâm của khu vực kiểm soát lưu lượng nước

- Màn hình HMI: dùng để giao tiếp với người dùng

4.1.2 Kiểm soát số liệu môi trường:

Động cơ quạt nước được điều khiển bởi tín hiệu đóng mở từ relay, dựa trên tín hiệu từ Arduino Chức năng chính của động cơ quạt là làm mát nước trong nuôi chính, giúp duy trì nhiệt độ ở mức cho phép.

Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt chìm trong nước tại bể nuôi chính, có nhiệm vụ đo nhiệt độ nước và truyền tín hiệu về Arduino.

Cảm biến pH được lắp đặt trên thanh đỡ chìm, chiếm khoảng 2/3 chiều dài thiết bị, có chức năng đo độ pH trong nước của bể nuôi chính và truyền tín hiệu về Arduino.

Cảm biến độ đục của nước đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giám sát chất lượng nước Thiết bị này được đặt trên giá đỡ chìm, cho phép mắt đọc của cảm biến tiếp xúc trực tiếp với nước Khi đó, cảm biến sẽ thực hiện đo đạc chỉ số đục nước ở bể nuôi chính và gửi tín hiệu về Arduino, giúp người dùng theo dõi và kiểm soát chất lượng nước một cách hiệu quả.

- Arduino: dùng lập trình dùng làm bộ điều khiển trung tâm

- ESP8266: dùng để lập trình thực hiện gửi tín hiệu thông qua mạng thực hiện giám sát từ xa

- Màn hình HMI: dùng để giao tiếp với người dùng.

Danh sách các thao tác

4.2.1 Kiểm soát lưu lượng nước

STT Thao tác Ý nghĩa Đơn vị thực hiện

Dùng để bơm nước từ bể nước dự trữ sang bể nuôi chính Động cơ bơm nước

2 Cảm biến PH Để đo chất lượng nước tại bồn 3 trước khi xả ra hồ nuôi

Chạy đo liên tục khi có nước

3 Cảm biến mức nước Đo mức nước bằng sóng siêu âm

Khi bơm nước cảm biến hoạt động trả tham số đo về máy chủ

Báo tín hiệu mức cao mức thấp bằng phương pháp Binary

Cảm biến vật lý khi có tác động giữa nước và mặt hồ sẽ xuất tín hiệ về PLC ra bơm

5 Biến tần Điều khiển và khởi động mềm bơm 3 pha

Khi can đo mực nước hoặc cảm biến siêu âm ở trạng thái thiếu nước

6 Van Điều khiển đóng mở xả cho hồ chứa đi cùng một khóa tiết lưu áp suất để tránh xảy ra hiện tượng búa nước

Khi mức nước trong hồ giảm hoặc báo hụt, cần mở bơm để cấp nước Nếu chỉ số pH cho thấy chất lượng nước chưa đạt yêu cầu, cần thực hiện các biện pháp điều chỉnh Tham khảo Bảng 4.1 để biết danh sách các thao tác kiểm soát lưu lượng nước trong mô hình.

4.2.2 Kiểm soát số liệu mô trường

Bảng 4.2 Danh sách thao tác kiểm soát môi trường mô hình.

Các tín hiệu từ cảm biến

STT Thao tác Ý nghĩa Đơn vị thực hiện Địa chỉ trên Arduino

1 Đóng mở động cơ quạt Điều hòa nhiệt độ của nước trong bể nuôi tôm

Cảm biến nhiệt độ vượt quá chỉ số cài đặt Động cơ quạt chạy Động cơ quạt 1: PIN 4 Động cơ quạt 2: PIN 5 Động cơ không hoạt động

2 Đóng mở động cơ oxy

Cung cấp, điều hòa oxy trong bể nuôi tôm Động cơ chạy khi nhấn lần 1 Động cơ ngưng khi nhấn lần 2 Động cơ oxy Động cơ oxy:

PIN 6 Động cơ không hoạt động

Đèn chiếu sáng có thể được điều khiển và giám sát dễ dàng trong điều kiện tối Khi nhấn nút lần đầu, đèn sẽ sáng lên, và khi nhấn lần thứ hai, đèn sẽ tắt Đèn hoạt động bằng pin 7, và nếu không hoạt động, có thể cần kiểm tra nguồn pin.

4.3.1 Kiểm soát lưu lượng nước

Tên cảm biến Vị trí, chức năng Địa chỉ trên PLC

Cảm biến mức nước được gắn trên bên trong thành bể nuôi Có chức năng dùng để đo lường lượng nước có trong bể nuôi

Cảm biến pH Được gắn trên thành ở thành bể nước Có chức năng đo nồng độ pH có trong bể xử lý nước

V+: 12VDC OUT: A0 GND: GND Đồ hồ đo lưu lượng

Có chức năng dùng để đo tổng lưu lượng nước chạy qua giữ các bồn

Lắp đặt nối tiếp với ống dẫn nước

Có chức năng ngắt điện cho máy bơm khi ở tình trạng máy bơm không nước Được gắn ở đầu đẩy nước ra của máy bơm

Bảng 4.3.Danh sách cảm biến của kiểm soát lưu lượng nước mô hình 4.3.2 Kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Tên cảm biến Vị trí, chức năng Địa chỉ trên

1 Cảm biến nhiệt độ nước Được thả chìm trong nước, có chức năng đo nhiệt độ của nước trong bể

2 Cảm biến pH của nước Được gắn trên giá đỡ ngập 2/3 thiết bị, có chức năng đo độ pH của nước trong bể

Cảm biến độ đục của nước được lắp đặt trên giá đỡ, cho phép nước ngập qua mắt đọc của cảm biến để đo độ trong của nước trong bể.

Bảng 4.4 Danh sách cảm biến kiểm soát số liệu môi trường mô hình.

Quy trình thi công, lắp ráp

4.4.1 Kiểm soát lưu lượng nước

Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa

1 Thiết kế bồn nước Chức năng dùng chứa nước

2 Thiết kế giá đỡ cảm biến Chức năng cố định vị trí của cảm biến trên bể

3 Thiết kết ống dẫn nước Chức năng dẫn nước giữa các bể trong mô hình

4 Thiết kế tủ điện Chức năng dùng để lắp đặt các thiết bị điều khiển

5 Thiết kế bệ cho động cơ Chức năng dùng để cố định vị trí động cơ

6 Thiết kế mạch bảo vệ Chức năng bảo vệ trước các rủi ro như ngắt mạch, quá tải

Bảng 4.5 Bảng quy trình thiết kế kiểm soát lưu lượng nước

Cảm biến mức Flow Meter

Hình 4.2 Cấu trúc của thiết kế bồn nước

Số thứ tự Quy trình Thao tác

1 Lắp ráp bồn nước Lắp bồn nước vào các cấu trúc phụ

2 Lắp đặt cảm biến trên bể nước

Lắp các cảm biến vào các vị trí giá đỡ đã thiết kế

3 Lắp đặt ống dẫn nước Lắp ống nước vào sơ đồ thiết kế

4 Lắp đặt động cơ bơm Lắp động cơ vào bệ đỡ thiết kế

5 Lắp đặt can báo cạn Lắp can báo cạn vào động cơ bơm

6 Lắp đặt PLC Lắp PLC vào tủ điện

7 Lắp đặt biến tần Lắp biến vào tủ điện

8 Lắp đặt HMI Lắp HMI vào tủ điện

9 Lắp đặt đèn báo hiệu Lắp đèn báo hiệu lên cửa tủ điện

Bảng 4.6 Bảng quy trình lắp ráp kiểm soát số liệu mô trường

Số thứ tự Quy trình Thao tác

1 Kết nối nguồn cho thiết bị Kết nối nguồn cho các thiết bị theo điện áp định mức

2 Kết nối cảm biến Kết nối cảm biến với PLC nhằm xác định địa chỉ lập trình

3 Kết nối động cơ Kết nối động cơ với biến tần

4 Kết nối biến tần Kết nối biến tần với PLC

5 Kết nối HMI Kết nối HMI với PLC

6 Kết nối đèn báo hiệu Kết nối đèn báo vào cửa tủ điện

Bảng 4.7 Bảng quy trình kết nối kiểm soát lưu lượng nước

Số thứ tự Quy trình Thao tác

1 Lập trình chương trình cho

Thực hiện chức năng thu thập dữ liệu cảm biến

Truyền dữ liệu hiển thị lên cho HMI Xuất tín hiệu điều khiển cho biến tần

2 Lập trình giao diện cho

Lập trình nút nhấn điều khiển

Lập trình các hiển thị các chế độ của mô hình

Lập trình các thang đo mức nước

3 Cài đặt biến tần Cài đặt các thông số của động cơ cho biến tần Bảng 4.8 Quy trình thiết kế phần mềm kiểm soát lưu lượng nước

Hình 4.3 Giải pháp lập trình và kết nối Profinet và Profibus

4.4.2 Kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa

1 Thiết kế quạt nước cho bể nuôi

Lắp vào động cơ tạo thành cơ cấu quạt nước hoàn chỉnh

2 Thiết kế giá đỡ cho các cảm biến

Có chức năng cố định vị trí của các cảm biến

3 Thiết kế phao cho động cơ quạt nước

Chức năng cố định động cơ quạt trên mặt nước

4 Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống

Chức năng cố định vị trí, kết nối các linh kiện

5 Thiết kế hệ đèn chiếu sáng Giúp giám sát và điều khiển thiết bị trong tối

6 Thiết kế mạch bảo vệ Chức năng bảo vệ trước các rủi ro như ngắt mạch, quá tải

Bảng 4.9 Bảng quy trình thiết kế kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Quy Trình Ý nghĩa

1 Lắp đặt quạt nước cho bể nuôi

Lắp quạt nước vào động cơ tạo nên cơ cấu quạt nước hoàn chỉnh

2 Lắp đặt cảm biến cho bể nuôi

Lắp các cảm biến vào các vị trí giá đỡ đã thiết kế

3 Lắp đặt động cơ quạt nước Lắp động cơ quạt vào vị trí phao nước

4 Lắp đặt các thiết bị điều khiển

Lắp các linh kiện điều khiển vào mạch thiết kế

5 Lắp đặt hệ thống chiếu sáng

Lắp đèn chiếu sáng vào các vị trí thiết kế

Bảng 4.10 Bảng quy trình lắp ráp kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa

1 Kết nối các cảm biến với

Kết nối cảm biến với Arduino nhằm xác định các địa chỉ cho lập trình chương trình điều khiển

2 Kết nối Aduino với module

Thực hiện giao tiếp, truyền dữ liệu giữa Arduino với ESP8266 phục vụ cho việc kiểm soát từ xa qua mạng Internet

3 Kết nối Arduino với module relay

Chức năng làm cơ cấu tác động điều khiển đóng ngắt động cơ quạt và đèn chiếu sáng

4 Kết nối Arduino với HMI

Đưa các số liệu từ cảm biến lên màn hình giúp theo dõi hiệu quả Hệ thống cho phép điều khiển động cơ quạt và đèn chiếu sáng thông qua các nút nhấn cảm ứng, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc sử dụng.

Bảng 4.11 Bảng quy trình kết nối kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Quy trình Ý nghĩa

1 Lập trình chương trình điều khiển cho Arduino

Thực hiện chức năng thu thập dữ liệu cảm biến

Truyền dữ liệu sang cho ESP8266 Truyền dữ liệu hiển thị lên cho HMI Xuất tín hiệu điều khiển module relay

2 Lập trình chương trình cho

Thực hiện chức năng nhận dữ liệu của Arduino

Truyền dữ liệu lên máy chủ qua mạng để giám sát từ xa

Truyền lại tín hiệu cho Arduino để điều khiển đóng mở động cơ quạt và đèn chiếu sáng

3 Lập trình giao diện cho

Lập trình bảng hiển thị các số liệu của cảm biến

Nút nhấn bật tắt các động cơ và đèn chiếu sáng

4 Lập trình cho hệ thống giám sát từ xa sử dụng Blynk

Lập trình các bảng hiển thị số liệu cảm biến

Nút nhấn bật tắt động cơ và đèn chiếu sáng

Bảng 4.12 Bảng quy trình thiết kế phần mềm kiểm soát số liệu môi trường.

Mô tả mô hình

4.5.1 Sơ đồ các khu vực mô hình

KHU VỰC A KHU VỰC XỬ LÝ VÀ DỰ

KHU VỰC B KHU VỰC BỂ NUÔI.

KHU VỰC C KHU VỰC BỂ XỬ LÝ CHẤT

Hình 4.4 Các vùng chức năng của mô hình

Vùng chức năng Thiết bị

A Động cơ bơm, biến tần, van xả nước Cảm biến mức nước, cảm biến pH Can báo cạn, đồng hồ lưu lượng

B Động cơ quạt, động cơ oxy

Cảm biến nhiệt, cảm biến pH, cảm biến đục, cảm biến mức nước

Relay đóng ngắt, đèn chiếu sáng

Bảng 4.13 Bảng phân chia vùng chức năng và thiết bị của mô hình

4.5.2 Mô tả các vùng chức năng

- Động cơ bơm nước từ bể dự trữ nước sang bể nuôi chính

 Khởi động qua biến tần

 Phím đóng mở cảm ứng trên HMI

 Phím đóng mở cảm ứng trên HMI được nhấn

 Tín hiệu cảm biến mức nước thấp hoặc cao hơn giá trị cài đặt

 Van xả nước được mở

 Nút khẩn cấp không được nhấn

 Nút khẩn cấp được nhấn

 Tín hiệu cảm biến mức nước bằng giá trị cài đặt

- Động cơ quạt chức năng điều hòa nhiệt độ nước bể:

- Động cơ oxy có chức năng điều hòa oxy trong nước

- Đèn chiếu sáng có chức năng chiếu sáng cho bể nuôi

- Thiết bị được điều khiển:

 Phím cảm ứng trên HMI

 Tín hiệu của cảm biến nhiệt

 Phím cảm ứng trên HMI

 Phím cảm ứng trên HMI

- Điều kiện để thiết bị chạy:

 Phím đóng mở trên HMI được nhấn

 Không nhấn nút dừng khẩn cấp

 Tín hiệu cảm biến nhiệt vượt ngưỡng cài đặt

 Phím đóng mở trên HMI được nhấn

 Không nhấn nút dừng khẩn cấp

 Phím đóng mở trên HMI được nhấn

 Không nhấn nút dừng khẩn cấp

- Điều kiện thiết bị dừng:

 Phím đóng mở trên HMI được nhấn

 Nút dừng khẩn cấp được nhấn

 Tín hiệu cảm biến nhiệt bằng giá trị cài đặt

 Phím đóng mở trên HMI được nhấn

 Nút dừng khẩn cấp được nhấn

 Phím đóng mở trên HMI được nhấn

 Nút dừng khẩn cấp được nhấn

 Khi tín hiệu cảm biến mức nước cao hơn ngưỡng cài đặt

 Khi tín hiệu cảm biến mức nước bằng ngưỡng cài đặt.

Sơ đồ giải thuật lập trình

4.6.1 Kiểm soát lưu lượng nước

- Lưu đồ chế độ cài đặt:

Hình 4.5 Lưu đồ điều khiển và xử lý nước lọc RO-RC (phần cài đặt)

- Lưu đồ chế độ điều khiển:

Pump1 = On, Count Real Time.

Hình 4.6 Lưu đồ kiểm soát và xử lý nước RO-RC (phần chế độ tự động từ 1-2)

Hình 4.7 Lưu đồ kiểm soát và xử lý nước RO-RC (phần chế độ tự động từ 2-3)

- Lưu đồ chế độ tự động:

Hình 4.8 Lưu đồ kiểm soát và xử lý nước RO-RC (phần điều khiển tay từ 2-4)

Hình 4.9 Lưu đồ kiểm soát và xử lý nước RO-RC (phần điều khiển tay từ 4-5)

Hình 4.10 Lưu đồ kiểm soát và xử lý nước RO-RC (phần kết thúc)

4.6.2 Kiểm soát số liệu mô hình

Bắt Đầu. Đọc Giá Trị Đục Nước.

Kết Thúc. Đọc Giá Trị pH. Đọc Giá

Nước. Đọc Giá Trị HMI.

Hình 4.11 Lưu đồ kiểm soát số liệu môi trường (phần 1)

HMI. Đọc Giá Trị Từ HMI. Đọc Giá Trị Từ HMI.

Motor Oxy Hoạt Động. Đèn Chiếu Sáng Mở.

Motor Oxy Dừng. Đèn Chiếu Sáng Tắt 1

Hình 4.12 Lưu đồ kiểm soát số liệu môi trường (phần 2).

Bản vẽ sơ đồ kết nối

4.7.1 Kiểm soát lưu lượng nước

41 4.7.2 Kiểm soát số liệu môi trường

Tính toán, chọn các thiết bị cần thiết

 Mã động cơ: M2BAX 80MB 4

 Công suất định mức: 0,75 Kw

 Tốc độ định mức: 1446 vòng/phút

Hình 4.13 Catalogue động cơ ABB

4.8.2 Chọn biến tần cho động cơ

 Công suất biến tần ≥ công suất động cơ

 Công suất định mức: 0,75 Kw

4.8.3 Chọn CB cho mô hình

 Dòng điện định mức CB = 1,2 x tổng dòng điện tiêu thụ

- Chi tiết các thiết bị tiêu thụ:

 Điện áp định mức: 240 VAC

 Dòng điện định mức: 40 VAC

 Dòng cắt định mức: 10 KA

 Điện áp định mức ≥ 220 VAC

Hình 4.15 Catalogue đèn báo ABB.

Danh sách thiết bị

4.9.1 Kiểm soát lưu lượng nước

Số thứ tự Tên thiết bị Số lượng

4 Động cơ bơm nước ẵ HP 4

Bảng 4.14 Danh sách thiết bị kiểm soát lưu lượng nước

4.9.2 Kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Tên thiết bị Số lượng

6 Module cảm biến độ đục nước 1

7 Module cảm biến độ pH và nhiệt độ 1

9 Bộ vỏ, Jack DP 9 cái

Bảng 4.15 Danh sách thiết bị kiểm soát số liệu môi trường

Số thứ tự Tên thiết bị

5 Van nước cho máy bơm

Bảng 4.16 Danh sách các chi tiết mô hình

Số thứ tự Tên dụng cụ

Bảng 4.17 Danh sách các dụng cụ thi công

Lắp đặt và chạy thử lần đầu

- Mô hình sử dụng nguồn điện 1 pha, 220VAC, 50Hz Nguồn điện được cấp từ ngoài vào CB như bản thiết kế

 Nối đất các thiết bị động lực và điều khiển

 Trong máy còn sử dụng nguồn điện 24VDC Không được sử dụng điện áp xoay chiều nối vào các thiết bị sử dụng điện một chiều

Ống dẫn nước phải đảm bảo kín để ngăn chặn rò rỉ trong quá trình bơm Nếu phát hiện rò rỉ trong quá trình chạy thử, cần ngừng bơm ngay lập tức và thực hiện các biện pháp khắc phục.

- Khi chạy máy lần đầu sau khi lắp đặt hoặc sau thời gian dài không sử dụng tuyệt đối tuân thủ các thao tác:

 Kiểm tra sơ bộ và các cơ cấu về trạng thái ban đầu:

 Chú ý không được cấp điện

 Kiểm tra các cơ cấu của mô hình có thiếu sót linh kiện, thiết bị

 Kiểm tra các kết nối chắn chắn, không thiếu sót

 Kiểm tra các mạch điều khiển, mạch động lực có hư hỏng, thiếu sót

 Đảm bảo các thiết bị ở trạng thái ban đầu, đúng vị trí như thiết kế

 Đảm bảo các cơ cấu bảo vệ cho hệ thống và rò rỉ điện trong hệ thống

 Kiểm tra hoạt động và thao tác hệ thống

 Chú ý cấp điện cho hệ thống

 Kiểm tra các thao tác điều khiển trên HMI hoạt động bình thường

 Kiểm tra các thông số giám sát trên HMI của cảm biến có hoạt động

 Kiểm tra mức nước trong bể nuôi có đúng như cài đặt

 Kiểm tra các động cơ có hoạt động ổn định

THI CÔNG, THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH

Viết chương trình điều khiển và giám sát soát số liệu môi trường

5.1.2 Thiết kế màn hình giám sát

Hình 5.1 Màn hình giám sát kiểm soát lưu lượng nước

Hình 5.2 Màn hình giám sát kiểm soát lưu lượng nước bằng PID

Hình 5.3 Màn hình dữ liệu đồ thị lưu lượng nước bằng PID.

Viết chương trình điều khiển và giám sát soát số liệu môi trường

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); DallasTemperature sensors(&oneWire); unsigned long int avgValue;

Modbus slave(ID, 0, 0); int8_t state = 0; unsigned long tempus; uint16_t au16data[5]; void setup()

{ pinMode(4, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT); pinMode(7, OUTPUT); pinMode(13,OUTPUT);

Serial.println("Ready"); sensors.begin(); configuracionIO(); slave.begin(115200); tempus = millis() + 100;

{ int temp=buf[i]; buf[i]=buf[j]; buf[j]=temp;

} avgValue=0; for(int i=2;i