Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phan Xuân Minh

PGS.TS Hồ Hữu An

Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Phản biện 2: PGS.TS Đào Văn Tân

Phản biện 3: PGS.TS Lại Khắc Lãi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại phòng 318 C1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

vào hồi 8 giờ 30 ngày 10 tháng 4 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

1 Ngô Trí Dương và cộng sự, Thiết kế hệ thống tưới tự động phục vụ sản

xuất rau sạch trên cơ sở điều khiển mờ, Tuyển tập thông báo khoa học tự động hoá

toàn quốc, VICA 5, 2002, Hà nội

2 Ngô Trí Dương, Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt áp

dụng trồng cây trong nhà lưới, nhà kính, tạp chí khoa học kỹ thuật Nông nghiệp,

tập III số 4, trang 321 – 326, năm 2005

3 Ngô Trí Dương, Thiết kế bộ điều khiển phục vụ rau an toàn theo công

nghệ thuỷ canh, tạp chí khoa học kỹ thuật Nông nghiệp, tập V số 3, trang 56 – 66,

năm 2007

4 Ngô Trí Dương, Thiết kế phần mềm hệ thống điều khiển vận hành và giám

sát phục vụ sản xuất rau an toàn theo phương pháp thuỷ canh, tạp chí khoa học và

công nghệ, Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn, số 17, trang 8 - 14, năm 2007

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Đất nước ta đang ở giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá Trong công cuộc này, tự động hoá đóng một vai trò then chốt Có thể nói điều khiển tự động là một lĩnh vực kỹ thuật không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, nông nghiệp tiên tiến Hiện nay, nhu cầu đổi mới công nghệ tự động hoá cho các dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao năng lực cạnh tranh trong các cơ sở sản xuất công nghiệp và nông nghiệp là rất lớn Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu về tự động hoá trong nước Với phương pháp trồng rau sạch không dùng đất được trồng trên các giá thể thì việc ứng dụng tự động hoá mới đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ từ đó giúp cho các nhà trồng kiểm soát được các thông số sản xuất rau sạch

Những phân tích trên cho thấy nghiên cứu quy trình công nghệ để nắm vững đối tượng cần điều khiển từ đó thiết kế hệ thống tự động hoá trong sản xuất là một vấn đề nghiên cứu vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính thực tiễn cấp bách Đó chính là động lực để tác giả thực hiện luận án này

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất với mô đun diện tích mặt bằng 200

m2 Một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch chế tạo trên nền vi điều

khiển công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) là sản phẩm trông đợi

của đề tài

Toàn bộ hệ thống sản phẩm của luận án được chạy thử trong nhà lưới trồng rau, để kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của loại cây rau sạch bằng phương pháp không dùng đất, qui trình phát triển của một số loại cây rau và qui trình công nghệ chăm sóc các loại cây rau này (theo đề xuất của các nhà nông học) Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch

Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật điều khiển, điện, điện tử và kỹ thuật lập trình Đó là nền tảng để thiết kế hệ thống chăm sóc rau sạch, hệ thống điều khiển và tự động hóa quá trình trồng rau sạch

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa theo công nghệ trồng rau sạch không dùng đất trong nhà lưới có mái che trên giá thể nhằm thay thế cho các thiết bị nhập ngoại Nghiên cứu các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến nhất phục vụ cho việc chế tạo sản phẩm nhằm tạo ra một sản phẩm có chất lượng tương đương hệ thống thiết bị nhập ngoại

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Về ý nghĩa khoa học: Luận án là một trong những công trình đầu tiên

nghiên cứu về việc ứng dụng tự động hoá vào sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất tại Việt Nam Sản phẩm của luận án góp phần thúc đẩy công cuộc

tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp Luận án đã xây dựng thành công qui trình thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa bằng vi điều khiển công nghệ PSoC, một trong nhũng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay Phần mềm điều khiển quá trình sản xuất rau sạch được trình bày trong luận án thuận tiện cho người sử dụng với hai giao diện người máy (HMI): giao diện HMI thông qua các nút ấn và giao diện HMI trên nền máy tính cá nhân (PC) Sản phẩm phần mềm của luận án cho thấy khả năng ứng dụng của công nghệ thông tin trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp Đó cũng là một minh chứng về khả năng chế tạo các sản phẩm công nghệ cao trong nước phục vụ sản xuất nông nghiệp

Ý nghĩa thực tiễn và phạm vi ứng dụng: Luận án nhằm đáp ứng nhu cầu

thực tế, đó là thiết kế hệ thống tự động hoá cho quá trình sản xuất rau sạch Từ những đòi hỏi của quy trình công nghệ trồng rau sạch thì chỉ có hệ thống tự động hoá mới đáp ứng được, do đó kết quả luận án có ý nghĩa ứng dụng vào thực tế nông nghiệp ở Việt Nam Với kết quả chạy thử hệ thống thành công trong phòng thí nghiệm, hệ thống được lắp đặt và tiến hành trồng thử nghiệm trong nhà trồng rau đơn giản, bước đầu cho kết quả tốt Sản phẩm của luận án là tiền đề cho việc thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa trồng rau sạch theo kiểu mô đun hóa, một công nghệ chế tạo thiết bị hiện đại ngày nay Mô đun hóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, mở rộng và khả năng thay thế nhanh gọn, linh hoạt

5 Kết cấu của luận án

Luận án gồm 4 chương và 2 phụ lục, nội dung chính của luận án như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất rau sạch

Chương 2: Nghiên cứu và phân tích quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất

Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất

Chương 4: Triển khai, lắp đặt hệ thống tự động hoá

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RAU SẠCH 1.1 Khái niệm chung

1.2 Các phương pháp trồng rau sạch

Sản xuất rau sạch ngoài đồng ruộng và sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất

1.3 Ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh đến sản xuất rau sạch

Đó là ảnh hưởng của các đại lượng vật lý như nhiệt độ, cường độ ánh sáng,

độ ẩm; hàm lượng chất dinh dưỡng, độ pH, lưu lượng gió và ảnh hưởng của những tác nhân có hại

1.4 Các công trình liên quan

Các công trình trong nước và các công trình nước ngoài

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

TRỒNG RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT 2.1 Quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất ở nước ngoài

Tìm hiểu công nghệ trồng rau không dùng đất và các thiết bị phục vụ công nghệ, bao gồm: nhà trồng, các thiết bị chăm sóc và hệ thống thiết bị phụ trợ cho công nghệ

2.2 Quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất trong nước

Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất rau sạch trong nước bằng phương pháp không dùng đất và thiết bị phục vụ công nghệ này So sánh công nghệ trồng rau theo hai phương pháp: phương pháp trồng thủy canh và trồng trên giá thể

Nghiên cứu các các thông số ảnh hưởng đến quá trình trồng rau cần phải được kiểm soát và lựa chọn phương pháp đo các thông số đó

2.3 Đề xuất bài toán về quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất với mô đun 200 m 2

2.3.1 Mô hình nhà trồng rau sạch với mô đun 200 m 2

Sản xuất ở Việt Nam là sản xuất nhỏ, do hệ thống bảo vệ và tiêu thụ rau sạch sau thu hoạch chưa phát triển do vậy mô đun nhà lưới 200 m2 là hợp lý về mặt sản xuất, chi phí ban đầu Mô đun này cũng được nhiều nước trên thế giới sử dụng vì

nó có mang lại hiệu quả kinh tế cao

Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất: Để thực hiện được quy trình

sản xuất rau sạch kiểu công nghệ trồng rau không dùng đất ở nước ta hiện nay phải kết hợp giữa công nghệ trồng rau và thiết bị phục vụ cho công nghệ Đối với thiết

bị phục vụ cho công nghệ được chia thành ba loại: Nhà trồng, thiết bị chăm sóc và thiết bị điều khiển, cụ thể trình bày hình 2.9

Sơ đồ mô hình nhà trồng: Nhà trồng được thiết kế bằng thép hoặc bằng tre,

gỗ, nhà có thể phủ bằng Polyethylen hoặc bằng hợp chất cacbonát để chống mưa, bão, tránh dập nát rau, chống tia cực tím Phía trên mái có hệ thống mái cắt nắng được thiết kế bởi động cơ điện có thể cuốn mái và đảo chiều quay để thả mái tuỳ thuộc vào chế độ đặt cường độ ánh sáng được nhận từ cảm biến đo được trình bày hình 2.10

Hình 2.9 Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất

Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất

Thiết bị chăm sóc

Thiết bị điều khiển

Kiểm soát các thông

số ảnh hưởng đến quá

trình trồng rau

Không hồi lưu

Thiết bị được sản xuất chế tạo trong

nước

Hệ thống luống trồng rau: Với diện tớch nhà trồng rau 200 m2 (8 x 25m) được

chia thành 5 luống, mỗi luống chia thành 45 gốc cú thể trồng được 90 cõy rau

Hệ thống phun sương: Hệ thống phun sương được thiết kế bởi cỏc đường

ống kim loại nhỏ phớa đầu phun sương được treo lờn phớa trờn nhà trồng hỡnh 2.12

Hỡnh 2.10 Mụ hỡnh nhà lưới cú mỏi che trồng rau khụng dựng đất

Quạt thông gió

Phun sương

Phun sương Đo nhiệt độ,

4 m

8 m

Hỡnh 2.11 Sơ đồ tổng thể hệ thống luống trồng rau trong nhà lưới

Bơm 5 (tưới)

4 m

4 m

Vòi phun sưong

Vòi phun sưong Vòi phun sưong

Vòi phun sưong

8 m

Hệ thống quạt thông gió: giúp cho không khí trong nhà trồng lưu thông

được với không khí ở phía ngoài nhà trồng Hệ thống này thường được lắp ở phía trên so với sự phát triển của cây rau hình 2.10 theo chiều dọc của nhà trồng

Hệ thống cuốn mái và thả mái: được thiết kế bởi hệ thống mái cắt nắng và

dùng động cơ điện có thể cuốn mái hoặc thả mái tự động Hệ thống này dùng động

cơ điện có thể đổi chiều quay của động cơ

Hệ thống trộn dung dịch: Hệ thống trộn dung dịch là khâu quan trọng

trong việc cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây trồng nhằm đảm bảo độ chính

xác về khối lượng và nồng độ chất dinh dưỡng

Hệ thống tưới nhỏ giọt: là hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho

cây rau theo từng thời kỳ sinh trưởng dưới dạng giọt nước Vì vậy việc thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt là khâu quan trọng cho công nghệ trồng rau sạch bằng phương pháp không dùng đất

2.3.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống

Về hệ thống tưới nhỏ giọt: là phải đảm bảo lượng nước và chất dinh dưỡng

cho cây rau theo từng giai đoạn phát triển Vì vậy, chúng ta cần xác định lượng nước cần tưới cho cây rau Khi xác định được lượng nước và dinh dưỡng cần tưới, chúng ta tiến hành chia khoảng thời gian tưới mỗi lần và thời gian nghỉ từng lần

Về hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng: là phải đảm bảo lượng nước

và các chất dinh dưỡng cung cấp cho cây rau theo quy trình công nghệ trồng rau

Hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng được thiết kế bởi hệ thống tưới nhỏ giọt,

vì vậy phải đảm bảo sự đồng đều khi tưới cho các gốc

Về hệ thống điều khiển nhiệt độ và cường độ ánh sáng: Căn cứ vào quy

trình công nghệ trồng rau để đưa ra chế độ đặt nhiệt độ trong nhà trồng và cường

độ ánh sáng từ đó điều khiển hệ thống phun sương hay quạt thông gió và thả mái hay cuốn mái (các giá trị đặt có thể thay đổi trong chương trình)

Về thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển phải được thiết kế trên cơ sở đảm bảo qui trình hoạt động của thiết bị phục vụ cho quá trình công nghệ trồng rau đã được đặt trước Hệ thống điều khiển phải đảm bảo dễ dàng thay thế khi hư hỏng, quá trình vận hành

và sử dụng đơn giản cho người vận hành Nhà sản xuất có khả năng can thiệp vào

hệ thống như chọn loại cây trồng, đặt các thông số quá trình, các tham của bộ điều khiển v.v

Kết luận chương 2: Xác định các thông số cần kiểm soát đối với công nghệ

trồng rau sạch không dùng đất Tìm hiểu thiết bị các thiết bị công nghệ và đề xuất bài toán tự động hóa quy trình công nghệ trồng rau sạch phương pháp không dùng đất cho mô đun nhà trồng 200 m2

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ SẢN XUẤT RAU

SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán thứ nhất đã nêu trong chương 2 Đó

là thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống trộn dung dịch, hệ thống điều khiển nhiệt độ, ánh sáng và hệ thống điều khiển quá trình và giao diện người máy (giao diện HMI) phục vụ công nghệ sản xuất rau sạch không dùng đất

3.1 Hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt

3.1.1 Hệ thống tưới nhỏ giọt

Hệ thống tưới nhỏ giọt được thiết kế cho nhà trồng rau có mô đun 200 m2được chia thành 5 luống trồng rau, chiều dài mỗi luống 16 m, với 45 gốc được trồng 90 cây rau Hệ thống đường ống của một luống trồng cây được mô tả bởi hình 3.1

Cách tính toán tổn thất trên đường ống chính phụ thuộc vào chiều dài của từng đoạn ống dẫn chính, khoảng cách trồng, vòi tưới, đường kính ống dẫn chính cũng như vòi tưới v.v mà lưu lượng tưới đối với mỗi loại cây có khác nhau

Công thức tính toán tổn thất đường ống và bảng số liệu được trình bày trong báo cáo chính, ta xác định được tổn thất trên một luống là 0,008 m theo chiều cao cộc nước và tính được áp suất đầu đường ống là là 114600 [N/m2], khi đó bộ điều

áp suất sẽ được lập trình điều khiển để đạt được giá trị này

Hình 3.1 Hệ thống một đường ống tưới nhỏ giọt thiết kế theo công nghệ trồng rau của PGS.TS Hồ Hữu An, 2003

Q V

10

7 6 5

4

3 2

1

47 46 45

Đường ống chính

Khảo sát làm việc của hệ thống tưới nhỏ giọt: 3 luống; 2 luống và 1 luống

Bảng 3.2 Kết quả khảo nghiệm khi tưới 3 luống

Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s)

360 30 86 0.349

540 30 70 0.429

720 30 67 0.448

1260 30 64 0.469

Bảng 3.3 Kết quả khảo nghiệm khi tưới 2 luống

Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s)

Bảng 3.4 Kết quả khảo nghiệm khi tưới 1 luống

Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s)

khiển cho hệ thống tưới khi tưới 1 luống, 2 luống và 3 luống theo yêu cầu của công

nghệ trồng rau sạch Nếu có n luống thì trong quá trình điều khiển chúng ta chia 2

luống hoặc 3 luống tưới sau đó lại tiếp tục tưới các luống tiếp theo

3.1.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt

Bắt đầu

Đọc các giá trị Nhập các thông số

i: = i +1

i = N Sai

t = t nghingay

Tắt bơm 5

j: = j +1

j = M Đúng

Đúng

Sai

Bắt đầu

Đọc các giá trị Nhập các thông số

t = t 5

Đúng

Sai

Đúng

Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển

quá trình tưới bằng tay

i: = i +1

i = N Sai

3.1.3 Điều khiển lưu lượng máy bơm nước

Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới được thể hiện trên hình 3.4

Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới theo cấu trúc truyền thẳng, tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển bằng cách lựa chọn chế độ các luống cần tưới, tín hiệu ra của bộ điều khiển được điều khiển làm việc của động cơ bước Đồng thời động cơ bước được gắn với van điều tiết lưu lượng để được lưu lượng theo chế độ đặt ban đầu Giả sử căn cứ bảng 3.2 kết quả khảo nghiệm khi tưới 3 luống thì khi mở tay van điều tiết góc 3600 thì lưu lượng ra của bơm là 0,349 (l/s)

3.2 Hệ thống điều khiển quá trình trộn dung dịch

3.2.1 Hệ thống trộn dung dịch

Bình trộn D được cung cấp bởi lượng nước bình A, dung dịch B và dung dịch C thông qua bơm 1, bơm 2 và bơm 3 Hệ thống trộn được sử dụng bơm 4 với phương pháp đối lưu, sơ đồ hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu trình bày trên hình 3.5

Bộ điều khiển lưu lượng

Động cơ bước

Van điều tiết lưu lượng

Lưu lượng

cần tưới

Lưu lượngtưới

Hinh 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới

HÖ thèng luèng c©y trång

B×nh chøa n−íc s¹ch

B×nh chøa dung dÞch dinh d−ìng

B¬m 1

B¬m 5

B¬m 3 B¬m 2

B¬m 4 Trén dung dÞch

Van ®iÒu khiÓn ¸p suÊt

A

D GHD

GHA

Hình 3.5 Hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu