Đồ án Xây dựng hệ thống giám sát một vài thông số môi trường trong nông nghiệp trên máy tính.docx

Xây dựng hệ thống giám sát một vài thông số môi trường trong nông nghiệp trên máy tính

NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐIỀU KIỆN ẢNH HƯỞNG ĐẾN SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÂY TRỒNG

Tất cả các loài cây trồng đều có yêu cầu ánh sáng , nhiệt độ không khí, đất, nước, phân bón thích hợp và không có sâu bệnh gây hại xâm nhiễm Đương nhiên mỗi loài cây có những điều kiện khác nhau, cho nên người nông dân phải tìm hiểu tập tính riêng của từng loài cây theo các điều kiện thích nghi Nếu đánh đều tất cả các cây có cùng điều kiện ánh sáng, nhiệt độ, phân bón,… hoặc không phận biết cây đã nhiễm sâu bệnh thì người đó sẽ không thể trồng cây kết quả tốt được.

1.1.1 Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây. Ánh sáng có tác dụng vô cùng quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Bất cứ một loài thực vật nào cung phải dựa vào lá để hấp thu ánh sáng, tiến hành quang hợp, tạo ra dinh dưỡng vần thiết Ánh sáng đầy đủ, tác dụng quang hợp mạnh, cây trồng sẽ sinh trưởng khỏe, cho sản phẩm tốt, ngược lại thiếu ánh sáng cây trồng sẽ sinh trưởng chậm Mỗi loài cây yêu cầu ánh sáng không như nhau, cho nên người ta chia ra cây ưa sáng, cây ưa bóng, cây ưa nửa bóng nửa sáng.

Một số loài cây có đặc tính ra hoa liên quan mật thiết đến thời gian chiếu sáng; căn cứ vào yêu cầu khác nhau về thời gian chiếu sáng người ta cũng có thế chia ra cây ưa chiếu sáng dài, cây ưa chiếu sáng ngắn và cây ưa chiếu sáng vừa.

Cây ưa chiếu sáng dài thường ở vùng nhiệt đới và thường ra hoa vào mùa hè Loài cây này mỗi ngày cần 12-14 giờ chiếu sáng mới có thế cho ra hoa.Cây ưa chiếu sáng ngắn thường mỗi ngày cần tới 8 - 10 giờ chiếu sáng mới có thể nở hoa.

Cây ưa chiếu sáng vừa yêu cầu thời gian chiếu sáng không rõ, nói chung mỗi ngày chiếu sáng 10-12 giờ là có thể nở hoa.

1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng và phát triển của cây

Nhiệt độ bao gồm nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất và nhiệt độ nước, là điều kiện sống rất quan trọng của cây trồng Các loài cây trồng nguyên sản ở vùng phía Nam có đặc tính ưa ấm áp, nếu trồng ở miền Bắc thì phải có biện pháp bảo quản ấm nếu không sẽ chết cóng Ngược lại những cây nguyên sản ở phía Bắc muốn di chuyển xuống phía Nam phải để trong điều kiện mát mẻ nếu không sẽ rất khó sống Dựa vào tính thích ứng với nhiệt độ, người ta chia ra cây không chịu rét, cây chịu rét, cây nửa chịu rét.

 Cây trong nhà kính nhiệt độ thấp yêu cầu nhiệt độ 8-15 °C

 Cây trong nhà kính nhiệt độ vừa yêu cầu nhiệt độ 12-21°C

 Cây trong nhà kính nhiệt độ cao yêu cầu nhiệt độ 17-29 °C

Một số cây trong nhà kính không chịu rét thường phải sưởi ấm để đảm bảo cho chúng qua mùa đông.

1.1.3 Ảnh hưởng của nước đến sự sinh trưởng và phát triền của cây

Nước là một điều kiện quan trọng ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển của cây Nước trong đất và độ ẩm không khí thích hợp với cây trồng là một nhân tố mấu chốt làm cho cây mọc khoẻ Hàm lượng nước trong cây thường trên 80%, cho nên nước là một yếu tố quan trọng của cây.

Nước còn là nguyên liệu để tiến hành quang hợp, chất dinh dưỡng mà cây hấp thụ phải được tan trong nước mới có thể hút vào cây được, các hoạt động sinh lý của cây đều được tiến hành khi có nước Ngoài ra nước còn đảm bảo cho tế bào cầy trao đổi chất bình thường, không có nước thì cây không sống được.Tuy nước quan trọng như vậy nhưng nếu hấp thu vượt quá mức tiêu hao,lượng nước trong cây quá nhiều thì cây sinh trưởng yếu ớt, khả năng chống rét kém, sức đề kháng giảm, dễ gây ra thối rễ, rụng lá và có thể làm cho cây chết.

Khi tưới nước phải chú ý tới chất lượng nước và phải nắm vững thời gian tưới nước Thời gian tưới nước cần căn cứ vào mùa, vào nhiệt độ và độ ẩm của không khí Ngoài ra khi tưới nước phải căn cứ vào đặc tính và tình hình sinh trưởng của cây mà xác định lượng nước tưới.

Như vậy, điều mấu chốt của việc tưới nước là tưới vừa phải; tưới nhiều hay ít đều ảnh hưởng tới sinh trưởng của cây Tưới quá nhiều làm cho đất bị nén chặt, không khí khó thông gây ra thiếu ôxy làm ức chế hô hấp của rễ, khi thiếu ôxy các loài vi khuẩn yếm khí hoạt động mạnh, dễ làm cho bộ rễ bị thối Nếu tưới nước không đủ cũng gây ra bệnh khô héo lá, thậm chí làm cho cây chết.

1.1.4 Ảnh hưởng của phân bón đến sự sinh trưởng và phát triển của cây:

Bón phân cho cây trồng là một trong những biện pháp quan trọng của việc trồng cây Vấn đề mấu chốt của việc bón phân là bón đúng lúc cây yêu cầu, và lượng bón thích hợp Bón đúng liều lượng là cần nắm vững bón bao nhiêu phân, nếu bón ít thì không có tác dụng, nếu bón quá nhiều không những không đạt yêu cầu mà còn làm cho cành hoa bị khô Ta còn chú ý đến mùa bón phân, mùa xuân hè cây sinh trưởng nhanh có thể bón nhiều phân, mùa thu cây sinh trưởng chậm nên bón ít, sang mùa đông thì không cần bón phân.

Thường bón phân vào lúc chiều tối, đặc biệt chú ý đến mùa nóng nực, không nên bón vào buổi trưa, vì nhiệt độ cao phân dễ gây tổn thương cho rễ.

Tóm lại, để xây dựng được hệ thống nhà kính thì ta phải chú trọng việc đảm bảo các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng một cách ổn định và thích hợp cho cây trồng phát triển.

1.2 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI HÌNH NHÀ KÍNH

Kỹ thuật trồng cây trong nhà có mái che cũng giống như trồng ngoài trời,trồng ngoài trời đầu tư ít, yêu cầu kỹ thuật thấp nhưng sản lượng, chất lượng và hiệu quả kinh tế cũng thấp Trồng trong “nhà kính” đảm bảo sinh trưởng quanh năm, tránh được những bất lợi về thời tiết, sâu bệnh Tuy đầu tư lớn nhưng sản lượng và hiệu quả kinh tế cao Hình thức này chỉ cần một diện tích đất không nhiều và thích họp với những hộ gia đình có khả năng vốn đầu tư.

“Nhà kính” là kiểu nhà quan trọng nhất với nghề làm vườn và được ứng dụng rộng rãi ở các nước sản xuất hoa công nghiệp hiện đại “Nhà kính” (greenhouse) là công trình thường có cạnh (vách bao che xung quanh) và mái làm bằng nilon (film), bằng màng nhựa (plastic), hoặc bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau hoa quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh và sự thâm nhập của côn trùng gây hại “Nhà kính” sử dụng các thiết bị tăng, giảm nhiệt bằng nước nóng, hơi đốt, bàn điện Kiểu nhà vườn này đảm bảo hoàn toàn chủ động về điều kiện tự nhiên, có thể trồng trọt quanh năm Hiện nay sẽ tiến tới tiêu chuấn hoá, điều khiển tự động, chăm sóc cơ giới hoá và áp dụng các biện pháp trồng trọt khoa học tiên tiến “Nhà kính” có thiết bị điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, do vậy có thể sản xuất quanh năm.

“Nhà kính” là một khu sản xuất bậc cao của vườn ươm Nước ta cần có nhà kính để sản xuất cây hoa nhiệt đới và sản xuất cây cảnh cắt hoa mùa đông ”Nhà kính” có nhiều loại, thông thường dựa vào yêu cầu sử dụng, nhiệt độ, kết cấu kiến trúc để phân loại.

NHỮNG PHƯƠNG PHÁP TƯỚI CÂY HIỆN NAY

1.3.1 Phương pháp tưới ngập nước

Tưới ngập là phương pháp tưới lâu đời nhất, chủ yếu dùng để tưới cho lúa nước trong suốt thời kỳ sinh trưởng Cũng có thể tưới ngập cho một số cây trồng khác trong từng giai đoạn nhất định Cũng có thể dùng tưới ngập để cải tạo đất như rửa mặn, hoặc giữ ẩm cho đất trong thời kỳ khô hạn chưa canh tác.

- Tưới ngập thích hợp khi mặt đất canh tác bằng phẳng độ dốc không lớn, tính thấm nước của đất yếu và mức tưới lớn Vì vậy năng suất lao động của người tưới cao, một người có thể tưới cho 30-40 ha.

- Hệ số sử dụng ruộng đất cao, vì có thể xây dựng hệ thống tưới tiêu cho những thửa có diện tích lớn.

- Lớp nước trên đất (ruộng) tạo điều kiện cho bộ rễ của cây phát triển tốt,hấp thụ các loại phân bón được thuận lợi, hạn chế được nhiều loại cỏ dại.

- Lớp nước có tác dụng cân bằng nhiệt độ của đất tốt hơn, nhất là ở những vùng có độ chênh nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm lớn.

Tuy nhiên, tưới ngập có nhược điểm và hạn chế như tưới ngập không ứng dụng được để tưới cho các loại cây trồng cạn, nhu cầu về nước ít, hoặc ở các đất có độ dốc lớn Tưới ngập làm cho độ thoáng khí trong đất kém quá trình phân giải các chất hữu cơ bị hạn chế Nếu chế độ tưới không thích hợp, tổ chức quản lý tưới kém sẽ làm ảnh hưởng xấu đến phát triển của cây trồng, gây lãng phí nước, làm xói mòn đất và rửa trôi phân bón.

Phương pháp tưới rãnh được phổ biến nhất để tưới cho hầu hết các loại cây trồng Khi tưới rãnh, nước không chảy vào khắp mặt đất trồng mà chỉ vào trong rãnh tưới giữa các hàng cây trồng Yêu cầu của tưới rãnh là xác định đúng đắn các yếu tố kỹ thuật tưới chủ yếu, như lưu lượng nước trong rãnh tưới, chiều dài rãnh tưới thời gian tưới để đảm bảo tiêu chuẩn tưới định trước theo yêu cầu sinh lý của cây trồng, phù hợp với các điều kiện đất đai, địa hình và thời tiết khí hậu. Tùy theo cách tưới nước vào rãnh và cho thấm vào đất mà chia ra hai loại rãnh tưới: rãnh thoát và rãnh ngập. Ưu điểm của tưới rãnh là xây dựng đồng ruộng dễ dàng thích ứng vớitừng điều kiện cụ thể về đất đai, khí hậu và cây trồng Đảm bảo đất được tơixốp, không phá vỡ lớp kết cấu trên mặt ruộng, vẫn giữ được thoáng khí làm cho cây trồng phát triển thuận lợi Đảm bảo đúng lượng nước theo nhu cầu của cây trồng Tiết kiệm nước, ít hao phí do bốc hơi và ngấm xuống sâu.

Tưới dải dùng để tưới cho các loại cây trồng gieo dầy hoặc hàng hẹp Cũng dùng để tưới cho ngô và các vườn câ ở vùng khô hạn, có thể tưới làm ẩm đất trước khi gieo.

* Nhược điểm của phương pháp tưới này là làm ẩm đất không đều và tốn nước do ngấm sâu xuống rãnh tưới Mặc dù vậy tùy thuộc vào điều kiện địa hình, phương pháp canh tác và cây trồng người ta vấn dùng phương pháp tưới này.

1.3.4 Phương pháp tưới phun sương

Phương pháp tưới phun sương là phương pháp tưới mới được phát triển rộng rãi trong ngành nông nghiệp hiện đại Nguyên tắc chính của phương pháp này là dùng hệ thống máy bơm phun sương, ống dẫn nước và béc phun sương để tưới và tạo độ ẩm cho các loại cây trồng. Ưu điểm nổi bật của phương pháp tưới phun mưa là có thể tưới trong những điều kiện:

- Giảm khô héo của cây trong giai đoạn thu hoạch và mùa nóng.

- Khả năng tạo và duy trì độ ẩm cho một cây khỏe mạnh.

- Nâng cao khả năng thẩm thấu của đất, giảm tạo vũng.

- Chống sự phá vỡ kết cấu đất.

- Kiểm soát mội trường: làm mát và ngăn bụi.

- Nâng cao hiệu quả ứng dụng phân bón, thuốc trừ sâu bệnh.

Tuy nhiên, tưới phun mưa không thích hợp ở vùng có gió mạnh Việc phục vụ kỹ thuật và tổ chức phục vụ các hệ thống máy phun sương phức tạp, cần có đội ngũ công nhân có trình độ kỹ thuật Các thiết bị phun mưa do công nghiệp chế tạo hiện nay có năng suất chưa cao, chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất, chưa phù hợp với điều kiện sinh lý trong từng giai đoạn phát triển của cây trồng và thích ứng với các loại đất đai địa hình khác nhau Nhìn chung giá thành tưới trên một đơn vị sản phẩm còn cao Hình 1.3 là mô hình nông nghiệp sử dụng hình thức tưới phun sương để cung cấp nước, độ ẩm cho cây trồng.

Hình 1 3: Phương pháp tưới phun sương [Trích tài liệu: The Greenhouse Environment, John W Mastalerz]

1.3.5 Phương pháp tưới nhỏ giọt

Tưới nhỏ giọt là một phương pháp mới đang được ứng dụng nhiều ở Israel,

Mỹ, úc và một số nước khác có khí hậu khô cằn, nguồn nước ít.

Nguyên tắc của tưới nhỏ giọt là dùng một hệ thống ống dẫn bằng cao su hoặc chất dẻo có đường kính từ 1,5 - 2cm, để dẫn nước từ đường ống có áp, do trạm bơm cung cấp chạy dọc theo các hàng cây ở các gốc cây có lắp các vòi có thể điều chỉnh được lượng nước chảy ra Nước do cấu tạo của vòi sẽ nhỏ giọt xuống gốc cây làm ẩm đất. Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm được nhiều nước tưới so với tưới rãnh và tưới phun mưa vì ít tiêu hao lượng nước do bốc hơi và thấm xuống sâu Hiệu suất sử dụng nước tưới được tăng lên và đảm bảo đúng chế độ nước của đất theo nhu cầu của từng cây trồng Phạm vi tưới nước trên mặt đất nhỏ nên trên mặt đất phần lớn vẫn giữ được khô, các loại cỏ dại không đủ độ ẩm để phát triển và vẫn giữ được thoáng khí Hình 1.4 là mô hình tưới nhỏ giọt cho hoa cúc.

Hình 1 4: Mô hình tưới nhỏ giọt [Trích tài liệu: The Greenhouse Environment, John W Mastalerz]

Nguyên tắc là dùng hệ thống đường ống đẫn nước trong đất và nước sẽ thấm làm ẩm đất Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo độ ẩm cần thiết trong suốt thời gian sinh trưởng của cây trồng, làm tăng năng suất cây trồng so với các phương pháp tưới khác Lớp đất trên mặt vẫn giữ được khô hoặc ẩm ít do đó giữ được thoáng làm cho vi sinh vật hoạt động tốt, làm tăng độ phì của đất Cho phép dụng phân hóa học hòa lẫn với nước tưới, trực tiếp bón vào hệ thống rễ cây trồng, làm tăng thêm hiệu quả của phân bón Hệ thống tưới không làm trở ngại các khâu sản xuất băng cơ khí trên đồng ruộng, thuận tiện cho việc tự động hóa việc tưới nước và tăng năng suất lao động tưới.

Tuy nhiên, việc mở rộng tưới ngầm trong sản xuất còn hạn chế, chưa phát triển rộng rãi vì xây dựng hệ thống tưới phức tạp, giá thành đầu tư trang thiết bị và xây dựng cơ bản cao.

CƠ SỞ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TƯỚI TỰ ĐỘNG PHUN SƯƠNG TRONG NHÀ KÍNH

Trong quá trình trồng hoa lan, yếu tố nước tưới và thời điểm tưới cho hoa lan là cực kì quan trọng Hai yếu tố này đòi hỏi người lao động phải nắm vững phương pháp canh tác để tưới làm sao cho cây đủ nước không thừa cũng không thiếu Kết hợp với thời điểm tưới là lúc nào, theo chu kì nào phù hợp với cây trồng nào là đạt hiêu quả cao nhất.

Lượng nước cấp cho hoa lan được gọi là đủ khi vùng đất (hoặc chậu) trồng nhận đủ nước từ trên xuống dưới với chiều sâu mặt đất thấm nước tùy vào từng loại hoa lan cụ thể Lượng nước tưới liên quan đến thời điểm tưới vì tùy vào từng loại đất và giống hoa lan mà ta có chu kỳ tưới thích hợp đảm bảo tại một thời điểm tưới nào đó trong giai đoạn sinh trưởng và phát triển của hoa lan cần được cung cấp nước thích hợp để hoa lan sinh trưởng và phát triển tốt nhất.

Xu hướng hiện nay, việc sử dụng nước tưới như thế nào để đạt kết quả tốt nhất, tiết kiệm nước giảm hao tổn trong quá trình như rò rỉ, bốc hơi đáp ứng đầy đủ nhu cầu về nước tưới cho hoa lan Trong các phương pháp nêu trên không đáp ứng được các yêu cầu đó ngoại trừ phương pháp tưới nhỏ giọt hay tưới phun sương Hai phương pháp này đạt hiệu quả cao trong việc cung cấp nước tưới cho hoa lan, giảm tổn thất rò rỉ cũng như bốc hơi, phương pháp này còn có ưu điểm hơn các phương pháp khác là con người có thể kiểm soát được lượng nước tưới cũng như chế độ tưới một cách chính xác thông qua bộ điều khiển tưới Bởi vì phương pháp này được thực hiện thông qua cơ cấu thiết bị tưới tự động Trong mô hình nhà kính thì hai phương pháp này tỏ rõ sự ưu việt của chúng hơn các phương pháp khác vì dễ dàng kiểm soát về tiết kiệm nước cũng như về chế độ tưới, cũng như phù hợp với yêu cầu và đặc điểm của nhà kính. Đặc điểm của phương pháp này là:

- Phương pháp trồng trong nhà kính cho phép hoa lan không chịu được bất cứ yếu tố bất lợi nào của thời tiết Các yếu tố quan trọng được đảm bảo một các tương đối chính xác tạo điều kiện thuận lợi cho cây hoa lan phát triển.

- Năng suất sản lượng tăng cao, có thể lên đến 230%; Tiết kiệm nước đến 70% so với tưới truyền thống.

- Chi phí phân bón giảm đáng kể, hiệu quả sử dụng tăng 30%

- Có thể canh tác trên mọi địa hình khó khăn, mà các hệ thống thông thường không làm được.

- Hoa lan phát triển khỏe mạnh và trưởng thành nhanh chóng, do vậy mau thu được lợi nhuận, thu hồi vốn nhanh chóng.

- Cải thiện môi trường; Ngăn ngừa các yếu tố bên ngoài như cỏ dại, sâu bệnh, theo các đường nước,không khí, gió, từ bên ngoài.

- Tạo ra các sản phẩm theo ý muốn của nhà sản xuất phụ thuộc vào nhu cầu của thị trường, không theo qui luật của mùa vụ Chủ động trong công tác chăm bón, chế độ tưới nước, thời điểm thu hoạch, diệt trừ sâu bệnh.

- Tiết kiệm diện tích gieo trồng, cũng như tăng khả năng thâm canh cây trồng để tạo ra giá trị kinh tế và hiệu quả cao trên cùng đơn vị diện tích từ đó tăng cao giá trị thu nhập cho người lao động.

- Giá thành tương đối cao nên giá trị đầu tư ban đầu khá lớn Ước tính giá trị ban đầu cho một nhà kính 200 m 2 là khoảng 15-20 triệu đồng

- Yêu cầu thiết bị đi kèm khá phức tạp.

- Hệ thống tưới tiêu trong nhà kính tới tận gốc gốc hoa lan cũng phải đáp ứng những yêu cầu khá cao, phức tạp nếu không nắm rõ kỹ thuật.

BỘ ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG

CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TƯỚI HOA LAN THÔNG

THIẾT BỊ ĐẦU HỆ THỐNG

1.5 CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TƯỚI HOA LAN THÔNG MINH TRONG NHÀ KÍNH HIỆN NAY

Hệ thống tưới thường bao gồm: nguồn nước, thiết bị đầu hệ thống, hệ thống đường ống và béc tưới, và bộ điều khiển hoạt động hệ thống như hình 1.5

Có thể là sông, hồ, giếng khoan Chất lượng nước phải thoả mãn yêu cầu (thông qua bộ lọc). Để sử dụng có hiệu quả nguồn nước, cần phải xây dựng công trình dẫn, trữ và bơm nước Đây gọi là công trình nguồn nước.

 Thiết bị đầu hệ thống

Hình 1 5:Cấu tạo chung của hệ thống tưới hoa lan thông minh

[Trích tài liệu: Một số yêu cầu cần thiết khi thiết thế nhà kính trồng rau, hoa ở Việt Nam, KS.Nguyễn Viết Long, KS.Nguyễn Văn Hiệu]

Thiết bị đầu hệ thống gồm máy bơm, động cơ, van khống chế, thiết bị lọc nước, và thiết bị bảo dưỡng Thiết bị đầu hệ thống làm nhiệm vụ điều tiết, khống chế của hệ thống.

 Hệ thống ống dẫn và phân phối

Hệ thống này bao gồm: ống chính, ống nhánh, ống tưới làm nhiệm vụ dẫn và phân phối nước, được chôn dưới mặt đất ở một độ sâu nhất định Do quy mô khu tưới mà số cấp đường ống khác nhau.

 Bộ điều khiển hoạt động hệ thống

Bộ điều khiển hoạt động hệ thống gồm có các thiết bị điều khiển như PLC hoặc các vi điều khiển có khả năng tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển khống chế hệ thống.

 Nhận xét và kết luận chương 1 Ở chương này, đã nghiên cứu được thực trạng về nuôi trồng hoa lan trong nhà kính cùng các phương pháp tưới tiêu thông dụng hiện nay Qua đó nhóm thực hiện đã lựa chọn được phương pháp tưới ưu việt cho hệ thống là tưới phun mưa Bên cạnh đó, đã tìm hiểu cấu tạo chung của một hệ thống tưới hoa lan thông minh trong nhà kính, làm cơ sở nghiên cứu tiếp theo ở những chương sau.

TỔNG QUAN VỀ PLC

PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét. Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian(Timer)và những khối hàm chuyên dụng (hình 2.1).

Hình 2 1:Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình PLC [Trích tài liệu:Giáo trình PLC S7-300 Lý thuyết và ứng dụng, Nguyễn Xuân

Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các module Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu phải có một module chính là module CPU Các module còn lại là các module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như các module PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung là module mở rộng Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack) Hình 2.2 cho thấy các module của PLC S7-300.

Hình 2 2:Các khối module của PLC S7-300 [Trích: S7-300 Programmable Controller System Manual, Siemens AG 1999]

+ Đèn SF: báo lỗi CPU.

+ Đèn BAF: Báo nguồn ắc qui.

+ Đèn RUN: Báo chế độ PLC đang làm việc.

+ Đèn STOP: Báo PLC đang ở chế độ dừng.

(*) Công tắc chuyển đổi chế độ

+ RUN-P: Chế độ vừa chạy vừa sửa chương trình.

+ RUN: Đưa PLC vào chế độ làm việc.

+ STOP: Để PLC ở chế độ nghỉ.

+ MRES: Vị trí chỉ định chế độ xoá chương trình trong CPU

Muốn xoá chương trình thì giữ nút bấm về vị trí MRES để đèn STOP nhấp nháy, khi thôi không nhấp nháy thì nhả tay Làm lại nhanh một lần nữa (không để ý đèn STOP) nếu đèn vàng nháy nhiều lần là xong, nếu không thì phải làm lại Hình 2.3 cho thấy các chức năng điều khiển ở mặt ngoài module CPU

Hình 2 3:Các chức năng phần cứng của PLC S7-300 [Trích: S7-300 Programmable Controller System Manual, Siemens AG 1999]

Modul CPU là module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) và có thể còn có một vài cổng vào/ra số Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314,modul 315 Hình 2.4: Hình ảnh module CPU 312C trong thực tế.

Hình 2 4:Hình ảnh module CPU 312C [Trích: S7-300 Programmable Controller System Manual, Siemens AG 1999]

Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ module 312 IFM, module 314 IFM Ngoài ra còn có các loại module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU được phân biệt với những module CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP

Module mở rộng được chia thành 5 loại chính là module nguồn, module tín hiệu SM, module ghép nối IM, module chức năng FM, module truyền thông CP như hình 2.5

Hình 2 5: Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300

[Trích: S7-300 Programmable Controller System Manual, Siemens AG 1999]

 Module nguồn – PS ( Power supply)

Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300. Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A

 PS 307 2A dòng ra 2A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)

 PS 307 5A dòng ra 5A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)

 PS 307 10A dòng ra 10A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)

 Module tín hiệu SM (Signal module)

SM (Signal modul): module mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:

+ DI (digital input): module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.

+ DO (digital output): module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module

+ DI/DO (digital input/digital output): module mở rộng các cổng vào/ra số.

Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng loại module.

+ AI (analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự Về bản chất chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit.

Số các cổng vào tương tự có thể là 2,4 hoặc 8 tuỳ từng loại module.

+ AO (analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự Về bản chất chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA) Số các cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại module.

+ AI/AO (analog input/analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ từng loại module.

 Module ghép nối IM (Interface module)

Module ghép nối đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi module CPU Thông thường các module mở rộng được gắn liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Racks và các Racks này phải được nối với nhau bằng module IM

 Module chức năng FM ( Function module)

Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I

4 Truyền thông và kiểm tra

3 Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra

Modul có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vòng kín.

 Module truyền thông CP ( Communication module)

Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.

2.1.2 Cách thức PLC thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan), mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo Q tới các cổng ra số, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm soát lỗi như hình 2.6.

Hình 2 6:Vòng quét chương trình [Trích tài liệu:Giáo trình PLC S7-300 Lý thuyết và ứng dụng, Nguyễn Xuân

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định tức là không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong khoảng thời gian như nhau Có vòng quét thực hiện lâu có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới các đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao.

Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số

Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.

Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.

Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến.

Analog Input ( A/D) Các giá trị

Analog Output ( D/A) Các giá trị Đầu đo Thiết bị chuyển đổi

Tín hiệu vào không điện

Tín hiệu ra tương tự

TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM WINCC

Phần mềm WinCC của hãng SIEMENS là một phần mềm IHMI(Integrated Human Machine Interface) đầu tiên trên thể giới, với version 5.1 được sử dụng ữên nền Microsoft Windows NT 4.0 hay Windows 2000

Việc thông tin liên lạc giữa người quản lý vận hành với phần mềm và giữa phần mềm với quy trình tự động trở nên dễ dàng và hiện thực hơn.

+ Các trình ứng dụng thân thiện với người dùng của WinCC cho phép sự kết họp không gặp sự cố giữa các trình ứng dụng mới và các trình ứng dụng hiện nay.

+ Với WinCC, một hình ảnh mô tả qui trình được tạo ra dễ dàng, cho phép quan sát tất cả các mặt của quỉ trình tự động.

+ WinCC kết hợp các chức năng quản lý mới của Windows NT cộng với một chương trình thiết kế đồ hoạ đơn giản.

+ WinCC gồm có thư viện các thiết bị cần thiết để giải quyết việc kiểm soát qui trinh và nhiệm vụ điều khiển.

WinCC được dùng để mô tả quá trinh và phát triển thành giao điện bằng đồ họa cho người quản lý vận hành:

+ WinCC cho phép người vận hành quan sát quá trình.

Vỉ dụ: xảc định lại một điểm cài đặt hoặc mở một van từ giao diện hình ảnh.

+ Một cảnh báo sẽ báo hiệu một cách tự động trong trường hợp một quá trình đang ở tình trạng tới hạn.

Ví dụ, một giá trị giới hạn được xác định vượt ngưỡng, thì một thông báo sẽ hiện ra trên màn hỉnh.

+ Khi làm việc với WinCC, các giá trị quá trình có thể được in ra hoặc được lưu trữ Điều này tạo điều kiện cho việc quản lý và cho phép truy cập đén các dữ liệu của trước đó.

+ WinCC sử dụng khái niệm Tag dùng cho các khai báo biển

Hình 2.10 giới thiệu về một hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA điển hình.

Hình 2 10: Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA điển hình

[Trích: Lập trình với S7&WinCC giao diện người máy(HMI), TS.Trần Thu Hà]

2.2.2 Môi trường làm việc của WinCC a) Cấu trúc của WinCC

WinCC là một hệ thống theo module Các thành phần cơ bản của nó là phần mềm định cấu hình (Configuration Software (CS)) và phần mềm thời gian thực (Runtime Software (RT)). b) Configuration software;

WinCC Explorer là cốt lối của Configuration software Toàn bộ cấu trúc project được hiển thị trong WinCC Explorer Các trình soạn thảo chuyên biệt, có thể được gọi từ WinCC Explorer được cung cấp cho các mục đích thiết lập cấu hình và tạo giao diện.

Phần lớn các subsystem WinCC quan trọng là :

+ Trình soạn thảo Graphics System, được dùng để tạo ra các hình ảnh được gọi là Graphics Designer.

+ Việc cài đặt các thông báo được thực hiện bằng trình soạn thảo Alarm Logging.

+ Trình soạn thảo Tag Logging và Archieve System được dùng để xác định dữ liệu nào được lưu trữ.

+ Trình soạn thảo Report System được dùng để tạo các lớp báo cáo được gọi là Report Designer.

+ Trình soạn thảo quản lý người dùng, được sử dụng để quản lý các người sử dụng, được gọi là User Administrator.

+ Việc truyền thông được thiết lập trực tiếp trong WinCC Explorer. c) Runtime software:

Chương trình Runtime cho phép người dùng vận hành và theo dõi quy trình. Chương trình được dùng chủ yểu để thực thi các nhiệm vụ sau :

+ Đọc dữ liệu được lưu trữ trong database.

+ Hiển thị các hình ảnh trên màn hình.

+ Truyền thông tin với các hệ thống tự động.

+ Lưu trữ dữ liệu Runtime hiện hành, ví dụ các giá trị quá trình và các sự kiện thông báo.

+ Điều khiển các qui trình, ví dụ thông qua điểm thiết lập ngõ vào hoặc bật đóng ngắt.

2.2.3 Các bước thiết lập một Project trong WinCC

3 Cài đặt một bộ phận điều khiển và kết nối PLC.

4 Định nghĩa các tag sử dụng.

5 Tạo và soạn thảo giao diện người dùng.

6 Thiết lập các đặc tính cho WinCC Runtime.

7 Kích hoạt chương trình Active WinCC Runtime.

8 Dùng chương trình mô phỏng các tag để theo dõi qui trình

2.2.4 Kết nối Win CC với PLC S7-300 a Kết nối truyền thông giữa WinCC với PLC.

Có rất nhiều cách truyền thông giữa PLC và WinCC: Như MPI, Profibus, Ethernet Internet, hoặc sử dụng card CP5611A2 cũng truyền thông được(dạng này cũng thuộc kiểu profibus).

- MPI: sử dụng cáp truyền MPI tốc độ truyền tối đa là 12mbit/s, cái này thì đơn giản nhất trong truyền thông giữa Wincc và PLC.

- Profibus: Cũng sử dụng cáp Profibus, cái này chỉ việc thiết lập trong cấu hình PLC và wincc là truyền thông được thôi, trong wincc lựa chọn giao thức là Simatic s7 Protocol suite.

- Ethernet: Hơi phức tạp hơn 2 cái trên một tí thôi nhưng không có gì, cũng phải thiết lập cấu hình phần cứng cho PLC và wincc cũng chọn phương thức là Simatic s7 Protocol suite. b Kết nối giữa WinCC với S7-300.

Trong WinCC ta vào Tag Management/Industrial Ethernet rồi thêm vào New Driver Connection.

Trong Simatic manager phần HW Config ngoài PS, CPU ta thêm vào Slot

4 module CP443-1. Để chạy chương trình trên S7-PLCSIM thì tùy vào Version bao nhiêu ta sẽ phải thay đổi bằng cách chọn AS khi mở ứng dụng PLCSIM hoặc vào Simatic manager/ Options/ Set PG.PC Interface/ chọn PLCSIM(ISO) ->OK sau đó download chương trình đã viết vào PLCSIm và chạy Runtime WinCC.

Nhận xét và kết luận chương 2: Qua chương này ta tìm hiểu được về cấu tạo và phương thức hoạt động của PLC S7-300 của Siemens và Module AnalogSM334 Ta cũng tìm hiểu được cơ bản phần mềm mô phỏng Win CC về cách thức lập trình và cách thức kết nối giữa PLC và Win CC

PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ

3.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ a Điều kiện sinh trưởng tiêu chuẩn của cây hoa lan

1 Nhiệt độ : Không giống với một số loài hoa khác, phong lan được chia thành nhiều loại khác nhau theo từng vùng địa lý là lan nhiệt đới, á đới và ôn đới, mỗi loại lan này có đặc điểm sinh trưởng khác nhau tuy nhiên trong thời kỳ nảy mầm, lên cây con thì người trồng lan cũng phải đảm bảo được nhiệt độ cuối xuân đến đầu thu vào ban ngày là 18-30°C, còn ban đêm là 16 đến 20°C, trường hợp bạn để môi trường sống của lan dưới 5°C hay trên 35°C thì lan đều phát triển chậm hoặc không phát triển Lan nhiệt đới và lan ôn đới có nhiệt độ trong thời kỳ sinh trưởng khá giống nhau tuy nhiên vào mùa đông yêu cầu nhiệt độ của hai loại lan này lại khác xa nhau Đối với lan nhiệt đới yêu cầu nhiệt độ của hai loại lan này lại khác xa nhau Đối với lan nhiệt đới yêu cầu nhiệt độ vào mùa đông là 16 đến 18°C ban ngày và 14°C ban đêm, còn đối với lan á nhiệt đới thì yêu cầu nhiệt độ ban ngày là 13đến 15°C và ban đêm là 10 đến 11°C.

2 Ánh sáng : Để phong lan có thể quang hợp được thì ánh sáng cũng là một yếu tố vô cùng quan trọng, nó có tác động đến các giai đoạn mọc nhánh, sinh trưởng, ra hoa và nở hoa của lan tuy nhiên đối với các loại lan có đặc tính sống trong rừng, ở những nơi hoang dã, cây cối rậm rạp, um tùm thì nó không có điều kiện ánh sáng đầy đủ như những loài lan khác Vì vậy dựa trên đặc điểm này người ta phân lan ra thành 3 loại để đáp ứng được yêu cầu về ánh sáng của nó đó chính là lan ưa nắng, không ưa nắng, và loại sống ở môi trường râm mát.Đối với loại lan ưa nắng bạn không nhiều hoặc chỉ cần cung cấp một lượng nhỏ ánh sáng ví dụ như lan trúc là 30 đến 40%, lan bán âm (Vanda, Thạch hộc) là 50 đến 70%, lan tính âm (các loại lan truyền thống) là 85% đến 90% yêu cầu ánh sáng của lan có điểm bão hòa vì vậy đến một lúc nào đó việc cung cấp ánh sáng không còn có tác dụng gì đối với lan Theo kết luận của các nhà chuyên môn thì ánh sáng thích hợp nhất dành cho lan chỉ khoảng chừng 4.000 đến 5.000lux như tỷ lệ nảy chồi, ra hoa và màu sắc lá sẽ đạt đến mức tốt nhất.

3 Độ ẩm: Hầu hết các loại phong lan hiện nay đều được sống trong môi trường nhiệt đới có độ ẩm của không khí từ 70% đến 90 % và á nhiệt đới như ở trung quốc với độ ẩm không khí là 60-80%, vào mùa đông độ ẩm này có thể giảm xuống còn 40-50% chính vì vậy trong thời kì sinh trưởng người trồng buộc phải đảm bảo độ ẩm không khí cho lan là 70%, không được để quá khô hoặc quá ẩm làm ảnh hưởng đến sự phát triển của cây Ngoài ra độ ẩm không khí của lan còn phụ thuộc vào từng chủng loại, thời tiết, mùa, thời kỳ sinh trưởng khác nhau, Nếu là lan truyền thống mọc ở vùng núi cao hay các thung lung thì độ ẩm của nó khá thấp vào tầm tháng 2 và tháng 3 vì vậy bạn phải đảm bảo độ ẩm cho cây là 70-80% Thời điểm cuối xuân đến cuối thu là lúc mưa nhiều, trong rừng còn thường xuyên đọng sương mù nên độ ẩm khá cao, khoảng từ 80% trở lên.

4.Nước :Mặc dù có tính ưa ẩm ướt nhưng phong lan lại rất dễ bị ngập úng điều đó lí giải vì sao các loài lan sinh trưởng trong rừng đều mọc ở khe núi, thung lũng, vách đá , các tầng đất mòng trong rừng trúc… những nơi này có hàm lượng dinh dưỡng trong đất cao đồng thời chúng có địa hình dốc nen không xảy ra tình trạng ngập úng Ở giai đoạn mọc rễ, mọc chồi hay sinh trưởng là lúc mà lan cần nhiều nước nhất vì vậy người trồng lan cần phải đảm bảo đáp ứng được lượng nước cho cây đủ trong thời gian này Còn đối với những thời điểm khác lượng tiêu hao nước của chúng không nhiều nên việc điều tiết lượng nước là vô cùng quan trọng, nếu bạn cung cấp quá nhiều nước sẽ dẫn đến tình trạng ngập úng, thối rễ… b Yêu cầu công nghệ của hệ thống

Từ các yếu tố sinh trưởng tiêu chuẩn của cây hoa lan, suy ra yêu cầu công nghệ của hệ thống:

- Nhiệt độ tiêu chuẩn của nhà kính trồng hoa lan là từ 18 – 35 độ C

+ Nếu nhỏ hơn 18 o : Bật thiết bị sưởi (đèn sưởi).

+ Nếu lớn hơn 35 o : Mở mái che + bật quạt

- Độ ẩm tiêu chuẩn trong nhà kính trồng hoa lan là từ RH = 40% - 80% + Nếu nhỏ hơn 40 %: Bơm phun sương

+ Nếu lớn hơn 80%: Bật quạt hút ẩm

- Ánh sáng tiêu chuẩn trong nhà kính trồng hoa lan từ 3000-5000 (lux) +Nếu nhỏ hơn 3000 (Lux):Bật đèn chiếu sáng

3.1.2 Thiết kế hệ thống tưới hoa lan tự động trong nhà kính a Sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống tưới hoa lan thông minh, có sơ đồ gồm các khối sau: (như hình 3.1)

 Màn hình giao diện giữa người và máy:có nhiệm vụ giám sát quá trình làm việc của hệ thống.

 Bộ điều khiển PLC: gồm khối xử lý trung tâm, bộ nhớ, các đầu vào ra dùng để thực thi chương trình điều khiển.

 Cảm biến: Tiếp nhận thông số vật lý như độ ẩm hoặc nhiệt độ của nhà kính biến đổi thành tín hiệu hiệu để chuyển đến PLC

 Mái che, bơm nhỏ giọt, bơm phun sương, quạt thông gió, hệ thống đèn sưởi: hoạt động khi độ ẩm hoặc nhiệt độ không đạt tiêu chuẩn

Hình 3 1: Sơ đồ khối của hệ thống tưới hoa lan thông minh

LỰA CHỌN THIẾT BỊ

STT Tên thiết bị Ảnh mô tả Chức năng Chú thích

Cảm biến đo nhiệt độ

LM35 Đo nhiệt độ trong nhà kính và đưa tín hiệu về PLC xử lý.

- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

-Công suất tiêu thụ là 60uA -Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/ ° C

2 Cảm biến độ ẩm EE220 Đo độ ẩm trong không khí và đưa tín hiệu về PLC xử lý

-Điện áp đầu vào:15-35V DC

RHKF - U Đo cường độ ánh sáng và đưa tín hiệu về PLC xử lý

4 PLC S7 - 300 Điều khiển hệ thống tưới và chăm sóc cây thông minh

Cung cấp ánh sáng cho cây trồng trong điều kiện thiếu sáng

Quạt hút gió công nghiệp

Thông gió, hút nhiệt , làm mát nhà kính

Máy hút ẩm công nghiệp

Hút ẩm trong nhà kính Số lượng: 4

Giúp tăng nhiệt độ khi nhiệt thấp hơn mức đặt

0731 Đầu ra PLC được kết nối để đóng cắt thiết bị chấp hành

10 Contacter 3 pha MC - 6a Đầu ra PLC được kết nối để đóng cắt thiết bị chấp hành

Bảng 3 1:Các thiết bị được sử dụng

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG

Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn dưới hình 3.2:

 E: Độ rọi ánh sáng hiện tại

 Tyc, Hyc,Eyc: Nhiệt độ, độ rọi và độ ẩm yêu cầu của hệ thống Đ S Đ

Lấy mẫu giá trị độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng

S Đèn sưởi Quạt hút ẩm Đèn chiếu sáng

Mở mái cheBật quạt thông gió Đ

Hình 3 2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống

CÁC BƯỚC THIẾT LẬP PROJECT TRONG PLC S7-300

Giao diện nơi viết code điều khiển cho PLC S7-300 như hình 3.3:

Hình 3 3: Nơi viết code điều khiển [Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Khai báo phần cứng cho S7-300 như hình 3.3:

Tắt các thiết bị đang chạy

Hình 3 4: Khai báo phần cứng [Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Viết chương trình và mô phỏng dùng simulink Chọn OB1 và loại ngôn ngữ phù hợp để lập trình như hình 3.5 Ta chọn ngôn ngữ lập trình là LAD.

Hình 3 5: Chọn loại biến ngôn ngữ lập trình [Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Hình 3 6: Khai các biến sử dụng [Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Chú ý : phải khai báo lại phần cứng cho đúng với thực tế trước khi download.

Chọn giao tiếp giữa PC là PLC theo chuẩn MPI, Profibus hay Ethernet (tùy thuộc vào kết nối thực tế giữa PC và PLC như hình 3.7 và 3.8.Ta chọn MPI.

Hình 3 7: Download chương trình và chạy trên PLC thật

[Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Hình 3 8: Chọn giao tiếp giữa PC và PLC qua MPI [Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Hình 3 9: Chọn giao tiếp giữa PC và PLC qua chuẩn Ethernet

[Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

Lưu ý : Các CP phải được đặt địa chỉ IP trước. Đặt địa chỉ IP cho các CP, download qua MPI như hình 3.10.

Hình 3 10: Đặt địa chỉ IP cho các CP [Trích:Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC S7-300, Châu Đức Chí]

TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG VÀ THÔNG GIÓ

Tính toán cho mô hình nhà kính 100m 2

 Sơ đồ mặt bằng nhà kính

Hình 3 11: Sơ đồ mặt bằng nhà kính a) Tính toán chiếu sáng chung

Giới hạn thiết kế trong không gian kín Thiết kế được chia làm 2 giai đoạn:

 Thiết kế sơ bộ giải pháp về hình học và quang học có thể có.

 Kiểm tra các độ rọi theo yêu cầu và mục đích sử dụng, tức là kiểm tra độ tiện nghi của thiết bị.

1) Chọn độ rọi yêu cầu

Có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính kinh tế, kỹ thuật của chiếu sáng, được chọn căn cứ vào:

 Đặc điểm sử dụng và đặc điểm không gian nội thất.

 Tính chất hoạt động của nội thất: văn phòng, xưởng vẽ, phòng học,

 Nhiệt độ màu: theo biểu đồ Kruithof

 Chỉ số hoàn màu IRC

 Hiệu suất sáng và tuổi thọ bóng đèn.

Bảng 3.2 là đặc tính một số loại đèn chiếu sáng để ta lựa chọn

Loại đèn Hiệu suất phát quang ɳ lm/W

Cảm ứng tích hợp 60-70 3000-4000 85 60000

Bảng 3 2: Đặc tính 1 số loại đèn chiếu sáng [Trích: Giáo trình kỹ thuật chiếu sáng, Vũ Hùng Cường ]

3) Chọn kiểu chiếu sáng và kiểu đèn

Cần cân nhắc kỹ vì có ảnh hưởng đến cả thẩm mỹ Có thể có 1 số kiểu:

 Kiểu chiếu sáng trực tiếp thường dùng cho các nhà cao, kiểu này cho hiệu suất chiếu sáng cao nhưng tường và trần hơi bị tối.

 Kiểu bán trực tiếp cho phép tạo môi trường chiếu sáng tiện nghi hơn nhưng hiệu suất chiếu sáng không cao.

 Kiểu gián tiếp thường áp dụng cho các nơi công cộng như nhà ga, đại sảnh,

4) Bố trí các đèn và xác định số lượng đèn tối thiểu để đảm bảo độ đồng đều của chiếu sáng Độ đồng đều của chiếu sáng phụ thuộc các yếu tố sau:

 Khoảng cách giữa các đèn L

 Hệ số phản xạ của tường, trần và nền

 Loại đèn. Độ đồng đều của chiếu sáng phụ thuộc vào tỷ số L/h mà giá trị cực đại của nó được cho ứng với từng loại đèn do các hãng sản xuất xung cấp.(Bảng 3) Đèn A B C D E+H I,J K+S T

Bảng 3 3:Tỷ số L/h của một số loại đèn [Trích: Giáo trình kỹ thuật chiếu sáng, Vũ Hùng Cường]

5) Xác định tổng quang thông của các đèn chiếu sáng

Tổng quang thông được xác định bởi công thức (1) :

 Eyc: Độ rọi yêu cầu (lux)

 S: diện tích bề mặt chiếu sáng m 2

 η kld :hệ số lợi dụng quang thông của đèn

 k dt : hệ số dự trữ

6) Xác định số lượng đèn cần thiết

Số lượng đèn được xác định bởi công thức (2):

 Fd là quang thông của đèn b) Tính toán thông gió

Với các cơ sở sản xuất các yếu tố khí hậu được xác định giá trị tối ưu và giá trị cho phép, phụ thuộc vào:

 Thời gian trong năm (nóng hay lạnh).

 Thời gian sinh trưởng (mạnh hay trung bình).

Việc cải thiện vi khí hậu được thực hiện bằng phương pháp làm mát và thông thoáng:

 Khi lạnh thì dùng các vật liệu cách nhiệt và hệ thống sưởi ấm.

 Khi nóng: sử dụng hệ thống làm mát, thông thoáng điều hoà nhiệt độ.Việc làm mát và thông thoáng được thực hiện theo các phương thức: nhân tạo, tự nhiên và kết hợp.

Nhận xét và kết luận chương 3: Sau chương này ta đã xác định được yêu cầu thiết kế và yêu cầu công nghệ để xây dựng mô hình nhà kính cơ bản Ta đã xác định được sơ đồ nguyên lí để bắt đầu lập trình mô phỏng và lựa chọn được các thiết bị phù hợp để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh.

Thống kê các đầu vào-ra của hệ thống

Giải thích Symbol Bit Symbol M Bit M

1 Nút nhấn chế độ bằng tay

2 Nút nhấn chế độ tự động

3 Nút nhấn Start BI_START I0.2 BM_START M0.2

4 Nút nhấn Stop BI_STOP I0.3 BM_STOP M0.3

IW_NHIET_DO IW64 MW_NHIET_DO MW64

IW_ANH_SANG IW66 MW_ANH_SANG MW66

IW_DO_AM IW68 MW_DO_AM MW68

8 Bít mô phỏng BM_SIMULATION M 1.0

Bảng 4 1: Địa chỉ các biến đầu vào

TT Giải thích Symbol Bit

1 Đèn làm việc Q_DEN_LV Q0.0

5 Hệ thống đèn sưởi Q_GN1 Q0.4

9 Điều khiển mái Q_MC_OPEN Q0.6

Bảng 4 2:Địa chỉ các biến đầu ra

TT Giải thích Symbol MN

1 Nhiệt độ TT_NHIET_DO MD100

2 Ánh sáng TT_ANH_SANG MD104

3 Độ ẩm TT_DO_AM MD108

6 Đặt nhiệt độ Max SET_MAX_ND MD112

7 Đặt nhiệt độ Min SET_MIN_ND MD116

8 Đặt ánh sáng Max SET_MAX_AS MD120

9 Đặt ánh sáng Min SET_MIN_AS MD124

10 Đặt độ ẩm Max SET_MAX_DO_AM MD128

11 Đặt độ ẩm Min SET_MIN_DO_AM MD132

29 Cài đặt nhiệt độ yêu cầu SET_ND_YC MD216

30 Cài đặt độ ẩm yêu cầu SET_DO_AM_YC MD220

31 Cài đặt ánh sáng yêu cầu SET_AS_YC MD228

Bảng 4 3:Địa chỉ các biến thời gian

Giao diện mô phỏng hệ thống trên WINCC

Giao diện giám sát công nghệ nhà kính thông minh như Hình 4.1.

Hình 4 1:Hệ thống khi chưa khởi động Để hệ thống giám sát làm việc một cách tự động ta nhấn nút START ,AUTO và SIMULATION để bật khối mô phỏng giá trị cho cảm biến Lúc này ta cài đặt các thống số yêu cầu của nhà kính về nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng:

 Nhiệt độ trong khoảng 18 ℃ → 35 ℃ và nhiệt độ yêu cầu là 25 ℃

 Độ ẩm trong khoảng 40% → 80% và độ ẩm yêu cầu là 60%

 Độ rọi ánh sáng trong khoảng 3000 lux → 5000 lux và độ rọi ánh sáng yêu cầu là 4000 lux

Khi đèn làm việc bật là thông báo hệ thống bắt đầu khởi động như hình 4.2

Hình 4 2:Hệ thống bắt đầu khởi động

Khi giá trị nhiệt độ trên thanh mô phỏng giá trị thực tế hay nói cách khác là giá trị của cảm biến thấp hơn nhiệt độ MIN cho phép( dưới 18 ℃ ) thì lúc này hệ thống đèn sưởi sẽ được bật lên để tăng nhiệt độ về mức nhiệt độ yêu cầu(25 ℃ ),khi đạt đến giá trị nhiệt độ yêu cầu thì hệ thống đèn sưởi sẽ tự tắt như hình 4.3.

Hình 4 3: Hệ thống đèn sưởi hoạt động

Khi giá trị nhiệt độ trên thanh mô phỏng giá trị thực tế hay nói cách khác là giá trị của cảm biến cao hơn nhiệt độ MAX cho phép( trên 35 ℃ ) thì lúc này hệ thống quạt thông gió sẽ được bật lên và mái sẽ được mở ra để giảm nhiệt độ về mức nhiệt độ yêu cầu(25 ℃ ) như hình 4.4.

Hình 4 4: Hệ thống quạt thông gió và mái hoạt động

Khi giá trị của cảm biến độ ẩm thấp hơn giá trị độ ẩm MIN cho chép( dưới 40%) thì hệ thống bơm phun sương sẽ được bật để đưa giá trị độ ẩm đạt mức yêu cầu là 60% như hình 4.5.

Hình 4 5: Hệ thống bơm phun sương hoạt động

Khi giá trị của cảm biến độ ẩm cao hơn giá trị độ ẩm MAX cho chép( trên 80%) thì hệ thống quạt hút ẩm sẽ được bật để hạ giá trị độ ẩm về mức yêu cầu là 60% như hình 4.6.

Hình 4 6:Hệ thống quạt hút ẩm hoạt động

Trong điều thiếu ánh sáng, khi giá trị cảm biến ánh sáng thấp hơn mức cho phép( dưới 3000 lux) thì hệ thống đèn chiếu sáng sẽ được bật để cây quang hợp và đưa độ rọi về mức yêu cầu là 4000 lux như hình 4.7.

Hình 4 7: Hệ thống đèn chiếu sáng hoạt động

Kết luận chương 4

Qua chương này, nhóm đã xác định được yêu cầu công nghệ của hệ thống, từ đó lựa chọn được các thiết bị cần thiết cho hệ thống và xây dựng được chương trình điều khiển hệ thống tưới hoa lan thông minh Đồng thời xây dựng giao diện giám sát và điều khiển trên winCC.