Thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn

Thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn

Luận văn tốt nghiệp

giọt tự động phục vụ sản xuất rau

an toàn

Mở đầu

1 đặt vấn đề

Từ xa xưa con người chỉ sinh sống với dụng cụ rất thô sơ như rìu, búa bằng đá, dùng các dụng cụ tự nhiên, nhưng khi đó là dân số con người còn thấp, tài nguyên thiên nhiên còn dồi dào Nhưng khi xã hội phát triển thì nhu cầu sống của con người ngày càng tăng, nhưng tài nguyên thiên nhiên thì ngày càng cạn kiệt, chính điều đó thúc đẩy con người phải lao động để tạo ra của cải vật chất phục vụ đời sống Thế nhưng ngày nay thế giới đã bước vào thế kỷ XXI tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt môi trường ô nhiễm khắp nơi, nhưng nhu cầu sống và hưởng thụ của con người lại ngày càng cao, dân số thế giới vẫn tăng vọt, làm cho thế giới sẽ không đủ các sản phẩm để cung cấp cho mọi người nếu hoạt động lao động chỉ là thủ công Để giải quyết vấn đề đó chỉ

có con đường duy nhất là ứng dụng tự động hoá vào sản xuất

Các nước trên thế giới đã sớm nhận biết điều này và đã ứng dụng tự

động hoá vào sản xuất từ rất sớm, kết quả là họ sớm có một nền sản suất đại công nghiệp đưa ra thị trường hàng loạt sản phẩm số lượng lớn, chất lượng cao tăng thu nhập cho quốc gia, như Anh, Pháp, Mỹ… chính công nghệ tự động hoá cao ứng dụng vào sản xuất đã đưa các quốc gia này trở thành các cường quốc giàu mạnh có vị thế cao trên trường quốc tế

Nước ta thuộc nhóm các nước đang phát triển với một nền kinh tế nông nghiệp truyền thống, qua nhiều thập niên trở lại đây nền nông nghiệp của việt nam ngày càng phát triển vững mạnh, và đến nay nền kinh tế thế giới đang chuyển mạnh sang các ngành công nghiệp và dịch vụ đặc biệt là công nghệ thông tin, với việt Nam nông nghiệp vẫn là một ngành có đóng góp đáng kể vào tổng thu nhập quốc dân Chính vì vậy mà nền nông nghiệp nước ta luôn

được sự quan tâm của đảng và của nhà nước , nhờ đó mà ngành nông nghiệp

đã có nhiều bước phát triển vượt bậc, sản lượng thu hoạch được từ các loại nông sản qua các mùa vụ ngày càng được nâng cao

Tuy nhiên ngày nay nhu cầu về sản phẩm nông nghiệp không chỉ đơn giản là số lượng mà phải đảm bảo cả về số lượng và chất lượng, nhất là khi môi trường ô nhiễm trầm trọng, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật bừa bãi làm ô nhiễm vào các loại sản phẩm nông nghiệp, đây là vấn đề bức xúc của toàn thể xã hội Để giả quyết vấn trên con đường lựa chọn tôi ưu là ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp trong đó tự động hoá đóng vai trò vô cùng quan trọng về mặt kỹ thuật phục vụ sản xuất nông nghiệp chất lượng cao, tưới tiêu, thu hoạch và bảo quản ….Nhất là hiện nay Đảng và nhà nước ta

đang đẩy nhanh công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông

thôn Do đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài "Thiết kế hệ thống tưới

nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn"

Trong quả trình thực hiện đề tài chúng tôi đã tiến hành khảo sát mô hình thực tế, nghiên cứu một số phần mềm trên cơ sở lý thuyết rồi từ đó xây dựng mô hình thực nghiệm với phần mềm điều khiển simatic S7-200 Qua nhiều lần thí nghiệm và trên cơ sở tính toán lý thuyết chùng tôi khẳng định mô hình chúng tôi xây dựng đảm bảo tinh thực tế và có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày nay

2 mục đích của đề tài

- Nghiên cứu mô hình tưới nước tự động sản xuất rau an toàn trong thực tiễn từ đó thiết kế mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn

3 Nội dung đề tài

- Tổng quan đề tài

- Xây dựng thuật toán điều khiển mô hình

- Chọn thiết bị điều khiển, thiết bị nhập xuất Xây dựng mô hình thực nghiệm và lập trình điều khiển hệ thống tưới tự động phục vụ sản xuất rau an toàn

4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:

* Các kết quả nghiên cứu kế thừa:

- Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình, cụ thể là phần mềm lập trình simatic S7-200

- Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn

* Định hướng nghiên cứu

- Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính

- Thay đổi phương pháp lập trình để tìm ra phương pháp đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả nhất

- Xây dựng chương trình điều khiển

Phần I Tổng quan

1.1.Thực trạng về sản xuất rau ở Việt Nam

1.1.1 Thực trạng

Nông nghiệp nước ta chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế Quốc dân và đã đạt được những thành tựu vô cùng to lớn, từ chỗ thiếu lương thực tới nay đã trở thành một trong những nước xuất khẩu gạo đứng hàng đấu thế giới Hàng loạt các cây trồng mới có năng suất cao, ngắn ngày đã thay thế những giống cổ truyền, năng suất thấp Các vùng chuyên canh rau và cây công nghiệp ngắn ngày đã được hình thành thay thế cho công thức đa canh, xen canh Tất cả các thay đổi đó tạo điều kiện cho nhiều loại sâu, bệnh phát triển

và có thể bùng phát thành dịch

Để đề phòng sâu hại, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, con người đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công thức trồng cây mà đặc biệt là công nghệ sản suất rau an toàn không dùng đất trong nhà lưới.Với sự phát triến của nền kinh tế nước ta đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện nhu câu dinh dưỡng ngày càng cao, trong các bữa ăn hằng ngày rau chiếm một

vị trí quan trọng vì trong rau có chứa các hợp chất như: protein, lipit, axit hữu cơ, chất khoáng, vitamin Con người yêu cầu về rau ngày càng cao thì chủng loại rau ngày càng phong phú, đa dạng, đủ về số lượng, tốt về chất lượng và nhất là phải an toàn vệ sinh thực phẩm

Trong (Đề án phát triển rau, quả và hoa cây cảnh thời kỳ 1999 - 2010)

của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn được thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 03/09/1999 Có xác định mục tiêu cho ngành sản xuất rau hoa quả là:’’Đáp ứng nhu cầu rau có chất lượng cao cho nhu cầu tiêu dùng trong nước, nhất là các khu dân cư tập chung(đô thị, khu công nghiệp) và suất khẩu Phấn

đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu người 85kg rau/năm, giá trị kim ngạch suất khẩu đạt 690 triệu USD”

Trong những năm gần đây sản suất nông nghiệp được Đảng và nhà nước quan tâm nên đã giải quyết được vần đề an ninh lương thực, thực phẩm Trong sự phát triển chung của ngành Nông nghiệp, ngành sản xuất rau cũng

được quan tâm và phát triển mạnh, theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000

là 450.000 ha tăng 70% so với năm 1990 Trong đó các tỉnh phía Bắc có 249.000 ha, chiếm 56% diện tích cả nước, các tỉnh phía Nam có 196.000 ha chiếm 44% diện tích canh tác Sản lượng rau trên đất nông nghiệp được hình thành từ hai vùng sản xuất chính

Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 38 - 40% diện tích và 45 - 50% sản lượng Tại đây phục vụ cho tiêu dùng của dân cư tập trung là chủ yếu, chủng loại rau vùng này rất đa dạng phong phú và năng suất cao

Vùng sản xuất luân canh với cây trồng khác chủ yếu trong vụ Đông - xuân tại các tỉnh phía Bắc, miền Đông Nam Bộ Đây là vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu

* Hiện nay rau đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó có:

- Ô nhiễm do hoá chất bảo vệ thực vật Theo Viện Bảo Vệ Thực Vật (1998) hiện nay ở Việt Nam đã và đang sử dụng 270 loại thuốc trừ bệnh, 160 loại thuốc trừ cỏ, 12 loại thuốc diệt chuột, 26 loại thuốc kích thích sinh trưởng với số lượng ngày càng tăng Tuy chủng loại nhiều song do thói quen hoặc sợ rủi do cùng với ít hiểu biết mức độ độc hại của hoá chất bảo vệ thực vật nên đa

số hộ nông dân hay dùng một số loại thuốc quen có độc tố cao, thậm chí bị cấm như: monitor, wofatox, DDT.Dẫn tới ngày càng làm cho sản phẩm rau ngày càng ô nhiễm nặng

- Hàm lượng (NO3-) trong rau quá cao Theo fao/who thì hàm lượng (NO3-) ở liều lượng 4g/ngày gây ngộ độc còn 8g/ngày thì có thể gây chết người ở nước ta việc sử dụng phân hoá học không cao so với các nước trong khu vực nhưng ảnh hưởng của phân hoá học tới sự tích luỹ (NO3-) trong rau là nguyên nhân làm rau không sạch Nước ta quy định hàm lượng (NO3-) trong rau như sau: cải bắp 500mg/kg, cà chua 150mg/kg, dưa chuột 150mg/kg

- Tồn dư kim loại nặng trong sản phẩm rau Do sự lạm dụng hoá chất bảo vệ thực vật cùng với phân bón các loại đã làm một lượng N, P, K, và hoá chất bảo vệ thực vật rửa trôi xâm nhập vào mạch nước làm ô nhiễm mạch nước ngầm Theo Phạm Bình Quân (1994) thì hàm lượng kim loại nặng, đặc biệt là asen (as) ở Mai Dịch trong các mương tưới cao hơn hẳn so với ruộng lúa nước các kim loại nặng tiềm ẩn trong đất hoặc từ các nguồn nước ô nhiễm qua nước tưới được rau hấp thụ

- Vi sinh vật gây hại trong rau do sử dụng nước tưới có vi sinh vật gây hại ( ecoli, salmonella, trứng giun.) tuy chưa được thống kê, song tác hại của

85-Để thực hiện được phương pháp thuỷ canh này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây, nên việc áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống tưới tự động sẽ tạo một bước đột phá mới cho ngành sản xuất rau an toan ở nước ta hiện nay

1.1.2 Trồng cây không dùng đất ở Việt Nam và trên thế giới – phương pháp thủy canh

* Lịch sử trồng không dùng đất

Thuỷ canh (Hydroponics) là hình thức canh tác không dùng đất Cây

được trồng trong dung dịch dinh dưỡng hoặc trên các giá thể trơ (cát sỏi, than bùn ) được tưới dinh dưỡng cần thiết

Van Helmont (1577-1644), là người đầu tiên tiên tiến hành thí nghiệm về dinh dưỡng thực vật Ông cân cành liễu và đất để trồng cành liễu đó trước thí nghiệm, sau thí nghiệm ông cân lại và thấy khối lượng đất hầu như không đổi,

ông kết luận: thực vật lớn lên nhờ nước Năm 1699 John Woodward trồng cây trong nước có độ tinh khiết khác nhau, kết quả là cây trồng trong dung dịch

đất tốt nhất, thứ đến là nước tự nhiên và cuối cùng là nước cất, ông kết luận: cây lớn lên nhờ lấy các chất trong đất

Năm 1804, Desaussure đề xuất rằng: cây hấp thụ các nguyên tố hoá học

từ đất, nước và không khí Sau đó Boussin gault (1851) đã làm thay đổi nhận

định trên bằng các thí nghiệm trồng trên cát, thạch anh, than củi được tưới dinh dưỡng đã biết Ông kết luận: nước là yếu tố cần thiết cho sinh trưởng và cung cấp hyđro Cây sử dụng hyđro, oxy, nitơ của không khí và một số nguyên tố khoáng khác

Những năm 60 của thế kỷ XIX, hai nhà khoa học Đức là Shachs (1860)

và Knop (1861) đã đề xuất phương pháp trồng cây trong dung dịch và Knop

đã sản xuất ra dung dịch nuôi cây đầu tiên

Đầu năm 1930, WF Georicke ở trường đại học Canifornia (Mỹ) trồng cây trong dung dịch có thành phần và tỷ lệ khoáng mà cây cần Thuật ngữ " Hyđroponic" ra đời từ đây

* Các hệ thống trồng cây không dùng đất trên thế giới

- Hệ thống Gricke: trồng cây trong nước sâu, rễ cây toàn phần hoặc một phần được nhúng vào dung dịch dinh dưỡng

- Hệ thống thuỷ canh nổi: cây trồng trên các bè vật liệu chất dẻo nhẹ nằm trên mặt dinh dưỡng chảy tuần hoàn và được sục khí

-Hệ thống trồng cây trong nước sâu tuần hoàn: rễ cây hoàn toàn chìm sâu trong dung dịch dinh dưỡng lưu chuyển được thông khí liên tục

- Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng NFT: rễ cây tạo thành lớp nệm mỏng trên đáy máng và chỉ dùng một dòng dung dịch rất nông chảy qua

-Màn sương dinh dưỡng: rễ cây được đặt trong môi trường bão hoà với các giọt dinh dưỡng liên tục hay gián đoạn dưới dạng sương mù

-Hệ thống thuỷ canh phổ biến: vật đựng dung dịch là hộp xốp, chậu nhựa, thùng gỗ giá thể là chấu cát, than đá

- Hệ thống thuỷ canh của AVRDC: vật chứa dung dịch là hộp xốp, giá thể chấu hun được đựng trong các rọ nhựa

* Ưu nhược điểm của phương pháp trồng không dùng đất

- Ưu điểm:

+ Không phải làm đất, không có cỏ dại

+ Trồng dược nhiều vụ trong năm, có thể trồng trái vụ

+ Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh, thuốc trừ cỏ

+ Năng suất cao hơn từ 25-50%

+ Sản phẩm hoàn toàn sạch và đồng nhất

+ Người già yếu, trẻ em có thể tham gia có hiệu quả

+ Không tích luỹ chất độc, không gây ô nhiễm môi trường

- Nhược điểm:

+ Đầu tư ban đầu lớn

+Yêu cầu kỹ thuật phức tạp

* ứng dụng thuỷ canh trên Thế giới

Kỹ thuật trồng không dùng đất đã và đang được áp dụng trên thế giới đặc biệt là các nước phát triển

Sau chiến tranh Thế giới thứ II, quân đội Mỹ đã ứng dụng kỹ thuật thuỷ canh trồng 22ha Chofu ( Nhật Bản) Trong 10 năm đã sản xuất được 31800 tấn rau quả

ở Pháp, từ 1975 đến nay trồng không dùng đất được phát triển mạnh Hiện nay diện tích trồng không dùng đất tối thiểu là 300 ha

Tại Nhật Bản, kỹ thuật thuỷ canh chủ yếu để trồng rau Cà chua đạt

130-140 tấn/ha/năm, dưa leo 250 tấn/ha/năm

Tại Anh, xây dựng hệ thống NFT sử dụng nhiệt thừa của nhà máy điện

để trồng cà chua với diện tích 8,1 ha

Tại Đài Loan, sử dụng hệ thống thuỷ canh không tuần hoàn của AVRDC

để trồng rau và các loại dưa

Tại Singapore, ứng dụng kỹ thuật màn sương dinh dưỡng để trồng một số loại rau ôn đới mà trước đây sản xuất khó khăn như: rau diếp, bắp cải, cà chua, su hào

Theo Lê Đình Lương: Hà Lan có tới 3000 ha, Nam Phi có 400 ha, Pháp, Anh, ý, Đài Loan, mỗi nước có hàng trăm ha cây trồng trong dung dịch

ở Nam Phi, trên mỗi khoang trồng 18m2 thu hoạch được 450 kg cà chua ( tương đương với 250 tấn/ha), 378 kg khoai tây (ứng với 210 tấn/ha)

ở Châu Âu, kỹ thuật này cũng đang được áp dụng mạnh, riêng Bắc Âu đã

có tới 400 ha

Các quốc gia khác cũng đang sử dụng hệ thống thuỷ canh như: Australia, Newzealand, Bahamasisland, Trung và Đông Phi, Kuwait, Brazil, Ba Lan, Malaysia, Iran

* ứng dụng thuỷ canh ở Việt Nam

ở Việt Nam kỹ thuật này còn mới mẻ, đang ở giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm

Đầu năm 1993, ông Grahan Warburtop- giám đốc R and D Hồng Kông

làm việc với lãnh đạo đại hội quốc gia Hà Nội đã đề xuất việc nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật thuỷ canh vào nước ta

Tháng 6-1995, kỹ thuật trồng cây trong dung dịch bắt đầu được triển khai

ở Việt Nam và cơ quan được giao tiến hành thử nghiệm là Đại học Nông nghiệp I- Hà Nội Đến nay nước ta đã hoàn thành một mạng lưới đồng bộ các cơ sở nghiên cứu và triển khai rộng

Trong vài năm gần đây, tại trung tâm sinh học và Bộ môn Sinh lý thực vật của tưởng Đại học Nông nghiệp I- Hà Nội đang trồng thử nghiệm một số loại rau ăn lá và ăn quả bằng các dung dịch dinh dưỡng tự pha chế thay thế dần cho nguyên liệu pha chế dung dịch nhập từ Đài Loan

Theo các tác giả Vũ Quang Sáng, Nguyễn Thị Lý Anh, Nguyễn Xuân Trường thì có thể hoàn toàn chủ động pha chế dung dịch để trồng mà không phải điều chỉnh pH và bổ sung dinh dưỡng mà năng suất rau vẫn đạt 70-90%

so với cùng loại rau trồng bằng dung dịch nhập nội của AVRDC, chất lượng rau tương đương, hàm lương kim loại nặng và Nitrat dưới ngưỡng cho phép, giá dung dịch lại rẻ hơn nhiều so với dung dịch của AVRDC

Hiện nay, xí nghiệp dinh dưỡng cây trông Thăng Long-Từ Liêm, Hà Nội

đang thực hiện " Chương trình rau sạch- Thuỷ canh", đưa vào sản xuất phục vụ

đời sống

Từ năm 2003 đến nay tại trường Đại học Nông nghiệp I- Hà Nội, nhóm các nhà khoa học của trường đang nghiên cứu và thử nghiệm phương pháp trồng không dùng đất trên đối tượng cà chua, dưa chuột, xà lách, sup lơ xanh với dung dịch dinh dưỡng do các nhà khoa học tự pha chế Công trình nghiên cứu này đã và đang được nhiều tầng lớp xã hôi hưởng ứng

Trồng không dùng đất là kỹ thuật rất có triển vọng ở Việt Nam Vì vậy cần đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng ra sản xuất phục vụ đời sống

1.2 Các phương pháp tưới

Phương pháp và kỹ thuật tưới là một trong những biện pháp chủ yếu để

sử dụng nước hợp lý, thích hợp với từng loại đất đai, theo nhu cầu sinh lý về nước của các loại cây trồng, nhằm tăng năng suất lao động và tăng năng suất cây trồng

Hiện nay ở nước ta và trên thế giới, đang áp dụng các phương pháp chủ yếu: tưới ngập, tưới rãnh, tưới dải và tưới phun mưa Ngoài ra phương pháp tưới nhỏ giọt và tưới ngầm cũng đang được nghiên cứu ứng dụng ở một số nước

1.2.1 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 ngô, cói đay và một số cây thức ăn chăn nuôi cũng có thể dùng tưới ngập để cải tạo đất như thau chua rửa mặn, hoặc giữ ẩm cho đất trong thời kỳ khô hạn chưa canh tác Phương pháp này có những ưu điểm như:

Tưới ngập thích hợp khi mặt ruộng bằng phẳng độ dốc không lớn hơn 0,001, 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 thông tưới tiêu cho những thửa có diện tích lớn

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

Lớp nước trên ruộng, con làm chế độ nhiệt của ruộng lúa 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 sau: 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 chê Nếu chế độ tưới không thích hợp,

việc tổ chức quản lý tưới kém sẽ làm ảnh hưởng sấu đến phát triển của cây trồng, gây lãng phí nước, làm xói mòn đất và rửa trôi phân bón

Vì vậy khi áp dụng phương pháp tưới ngập cần đảm bảo các khâu kỹ thuật sau:

Qui hoạch xây dựng đồng ruộng, xác định hệ thống kênh tưới tiêu Đây

là khâu đầu tiên và ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sản xuất lúa

Có hai phương pháp tưới tiêu riêng biệt và tưới tiêu kết hợp:

Tưới tiêu riêng biệt là ở môi khoảnh ruộng có kênh tưới và kênh tiêu riêng Mỗi kênh tưới bên hoặc hai bên, tùy hình, và cách bố trí kênh tiêu cũng

có thể tiêu một bên hoặc hai bên

Dùng phương pháp tưới tiêu riêng biệt, ta chu động tưới tiêu, áp dụng

được tưới tiêu khoa học, đáp ứng đúng yêu cầu sinh lý của lúa và có thể dùng biện pháp tưới tiêu để cải tạo đất nhất là ở những vùng chua mặn, tăng được năng suất cây trồng và tạo điều kiện thuận lợi cho cơ khí hóa các khâu canh tác Nhược điểm là tốn nhiều đất và nhiều công trình, hệ số sử dụng đất thấp Phương pháp tưới tiêu kết hợp là có một hệ thống kênh vừa làm nhiệm

vụ tưới nước vừa tiêu nước Ưu điểm là diện tích chiếm đất của hệ thống kênh

ít và khối lượng công trình nhỏ Nhược điểm là không chủ động tưới tiêu cho từng khoảnh từng thửa được, để thực hiện các biện pháp cải tạo đất, thâm canh tăng năng suất cây trồng

1.2.2 Phương pháp tưới rãnh

Phương pháp tưới rãnh được phổ biến nhất để tưới cho hầu hết các loại cây trồng như bông, nho, mía, các loại cây có củ, quả như khoai sắn, củ đậu,

cà chua và các loại rau, như bắp cải, su hào…

Khi tưới rãnh nước không chảy vào khắp mặt ruộng 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

và 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

Rãnh thoát là loại rãnh, nước vừa từ kênh tưới chảy vào rãnh, vừa thấm hai bên rãnh làm ẩm đất Tùy theo điều kiện địa hình, đất đai mà lưu lượng nước chảy trong rãnh từ 0,05-2 l/s và chiều dài rãnh từ 50-500m, thời gian tưới

từ 1-2 giờ đến 2-3 ngày

Khi tưới rãnh thoát, nước vừa chảy trong rãnh vừa ngấm hai bên rãnh, làm ẩm đất, nên thướng có lượng nước chảy đi ở cuối rãnh khoảng từ 20-60% lượng nước tưới Để giảm lượng nước chảy đi đó, thì khi nước đã chảy đến cuối rãnh người ta giảm lưu lượng nước vào rãnh từ 1,5-3 lần Như thế, vận tốc nước chảy trong rãnh đã thấm ướt được giảm xuống, không làm xói mòn rãnh,

đất vẫn được làm ẩm đều, mà ít có nước thừa chảy đi ở cuối rãnh

Rãnh ngập là loại rãnh tưới làm ẩm đất hai bên rãnh chủ yếu bằng lượng nước trữ trong rãnh sau khi thôi dẫn nước vào rãnh Loại rãnh ngập

được ứng dụng chủ yếu trên ruộng phẳng hay có độ dốc rất nhỏ (nhỏ hơn 0,002) Rãnh ngập sâu 20-25cm chiều rộng trên mặt 50-60cm và chiều dài rãnh 40-80m

Để làm ẩm đất đều, chiều dài rãnh làm sao để khi ở đầu rãnh nước ngập 1/3 độ sâu rãnh thì ở cuối rãnh nước không ngập quá ắ rãnh

Ưu điểm của tưới rãnh là xây dựng đồng ruộng dễ dàng thích ứng với từng điều kiện cụ thể về đất đai, khí hậu và cây trồng Đảm bảo đất được tơi xốp, 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

1.2.3 Phương pháp tưới dải

Tưới dải dùng để tưới cho các loại cây trồng gieo dầy hoặc hàng hẹp như đay, vừng, lạc, đỗ, các thức ăn cho chăn nuôi Cũng dùng để tưới cho ngô

và các vườn cây ở vùng khô hạn, có thể tưới làm ẩm đất trước khi gieo

Những yếu tố kỹ thuật tưới dải là chiều dài và chiều rộng dải, lưu lượng riêng của nước chảy ở đầu dải tính bằng lit/s/m, thời gian tưới và chiều cao giới hạn của bờ dải

Những yếu tố kỹ thuật của tưới dải cũng phụ thuộc vào những điều kiện như tưới rãnh nhưng chủ yếu vào độ dốc ngang của mặt ruộng

Tưới dải thích hợp nhất với độ dốc mặt ruộng từ 0,002-0,008 Nếu độ dốc lớn hơn 0,02 thì không tưới dải được vì tốc độ chảy trên mặt ruộng lớn, nước không kịp ngấm làm ẩm đất lượng nước chảy đi sẽ nhiều, lãng phí nước

và gây bào mòn lớp đất trên mặt ruộng

Có hai cách tưới dải: tưới từ đầu dải và tưới từ bên cạnh dải

Nếu tưới từ đầu dải thì chia ruộng ra từng dải theo hướng dốc nhất Nếu

hệ thống kênh tưới bố trí theo sơ đồ dọc thì phải đào các mương dẫn nước theo chiều ngang dải Nếu hệ thống kênh tưới bố trí theo sơ đồ ngang thì lấy nước trực tiếp từ kênh tưới tạm thời

Tưới từ bên cạnh dải được áp dụng trong các trường hợp địa hình trên ruộng phức tạp gồ ghề và dốc theo hướng ngang dải

Khác với tưới đầu dải là ở giữa các dải không có bờ giữ nước, mà các rãnh tưới sâu từ 25-30cm Chiều rộng dải khi tưới bên thường là 8-12m tùy theo chiều rộng làm việc của các loại máy gieo và máy thu hoạch

Nước từ kênh tưới chảy vào rãnh tưới ở rãnh tưới khoảng 10-15m có một chỗ lấy nước vào dải Nên chọn chỗ lấy nước ở vị trí cao của dải nước từ rãnh tưới chay vào một dải (tưới một bên) hay tưới cho cả hai dải bên rãnh tưới (tưới hai bên) tuy theo địa hình và cách bố trí rãnh

Nhược điểm của phương tưới nay 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

1.2.4 Phương pháp tưới phun mưa

Phương pháp tưới phun mưa là phương pháp tưới mới được phát triển rộng rãi trong vòng 40 năm nay Nguyên tắc chính của phương pháp này là dùng hệ thống máy bơm, ống dẫn nước và vòi phun để tạo thành mưa tưới nước cho các loại cây trồng

Ưu điểm nổi bật của phương pháp tưới phun mưa là có thể tưới trong những điều kiện sau:

- Khi tiêu chuẩn tưới nhỏ, có thể điều chỉnh trong phạm vi lớn 900m3/ha)

(30 Tưới trên đất xốp như đất cát và cát pha, có độ thấm nước lớn

- Tưới trên mọi địa hình phức tạp: như dốc không, không bằng phẳng…

và tiết kiệm nước tưới (đối với vùng nguồn nước tưới hạn chế)

Tưới phun mưa là nâng cao hệ số sử dụng hữu ích của hệ thống tưới và

sử dụng nước trên đồng ruộng ở Mỹ hệ số sử dụng hữu ích khi tưới phun mưa

là 0,67, còn phương pháp tưới khác là 0,56; ở Nhật là 0,75-0,80 còn các phương pháp tưới khác là 0,65-0,7

Tưới phun mưa thuận tiện cho việc phòng trừ sâu bệnh và chống cỏ dại

Có thể hòa lẫn các loại thuốc cùng với nước tưới cho cây trồng

Tưới phun mưa còn làm tăng năng suất các loại sản phẩm các loại cây trồng ở Italia khi tưới phun mưa cho nho, người ta đã nhận thấy chất lượng nho tốt hơn, hàm lượng đường trong nho tăng 2% ở Việt Nam, qua thí nghiệm tưới phun mưa tại đồi chè 66- Hợp tác xã Tiên Phú- Phù Ninh- Vĩnh Phúc cho thấy năng suất chè tăng được 50% so với đối chứng không tưới

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 mưa phức tạp, cân

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

Tuy có những nhược điểm trên, như do những ưu điểm của tưới phun mưa nên phương pháp tưới này đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước và phát triển với tốc độ cao

Theo tài liệu của Tritrexốp năm 1970 ở Tiệp Khắc 97% tưới bằng phương pháp phun mưa; ở Đức 79%; ở itsaren 90%; Anh 80%; Hungari 72%

ở Việt Nam hiện nay đang được áp dụng rất phổ biến phương pháp tưới phun mưa cho các vùng chuyên canh rau ở Hà Nội, Hải Phòng, Đà lạt… các vùng trồng cây công nghiệp như Cà phê, chè, cao su… ở Tây Nguyên, Lâm

Đồng… đã mang lại hiệu quả kinh tế đáng khích lệ

1.2.5 Tưới nhỏ giọt

Tưới nhỏ giọt là một phương pháp mới đang được ứng dụng nhiều ở Itsaren, Mỹ, úc và một số nước khác có khí hậu khô cằn, nguồn nước ít, dùng

để tưới cho các loại cây ăn quả, rau…

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 kiểm 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

1.2.6 Tưới ngầm

Phương pháp tưới này được nghiên cứu ứng dụng ở Liên Xô cũ từ năm

1935 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

1.3 ứng dụng tự động hoá vào thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt

1.3.1 Khái quát về lịch sử phát triển của ngành tự động hoá

Không chỉ ngày nay con người mới phát minh ra các loại máy móc tự

động sản xuất làm việc thay thế con người mà ngay từ khi xã hội còn chưa phát triển, công cụ lao động còn thô sơ con người đã mong muốn điều đó nên ngay từ trước công nguyên các máy tự động cơ học và đồng hồ nước có phao

điều chỉnh đã xuất hiện ở Ai cập cổ đại và Hy lạp Bước sang thời kỳ trung cổ albert đã chế tạo ra máy tự động cơ khí thực hiện chức năng của người gác cổng Tuy nhiên các loại máy móc thời kỳ này không có ảnh hưởng gì đến các quá trình sản xuất thời đó

Tự động hoá chỉ thực sự được ứng dụng vào sản xuất khi một thợ cơ khí martop người Nga đã chế tạo thành công máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình vào năm 1712 và đến năm 1765, pônzulôp người Nga đã chế tạo

được hệ diều chỉnh mức đầu tiên, nó được ứng dụng để giữ cố định mức nước trong nồi hơi không phụ thuộc vào lượng tiêu hao hơi nước

Năm 1784, james watt người Anh đã sử dụng bộ điều tốc ly tâm trong máy hơi nước, dùng để điều chỉnh tốc độ của máy hơi nước Từ đó, tự động hoá đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong quá trình nghiên cứu phát triển sản xuất

Bước sang đầu thế kỷ XIX nhiều công trình có mục đích hoàn thiện các cơ cấu điều chỉnh tự động của máy hơi nước đã được thực hiện Cho đến cuối thế kỷ này đã xuất hiện thêm các cơ cấu điều chỉnh tự động cho tuabin hơi nước

Năm 1873, Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ cấp phôi mang các cam

Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như Pittler Luding Lower của Đức, hãng RSK của Anh… đã chế tạo được máy tiện dùng phôi thép thanh

Năm 1887, Đ.G Stôleôp đã chế tạo được phần tử cảm quang đầu tiên, một trong những phần tử hiện đại quan trong nhất trong kỹ thuật tự động hoá Cũng trong thời gian này các cơ sở lý thuyết điều khiển và điều chỉnh tự động bắt đầu được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ

Năm 1876 - 1877, I.A Vưsnhegratxki đã cho đăng tải các công trình "

lý thuyết cơ sở của các cơ cấu điều chỉnh" và "Các cơ cấu điều chỉnh tác động trực tiếp" Các phương pháp đánh giá ổn định và chất lượng của quá trình quá

độ do ông đề xuất vẫn được dùng cho đến ngày nay

Các thành tựu đạt được trong lĩnh vực tự động hoá đã cho phép trong những thập kỷ đầu của thế kỷ XX xuất hiện nhiều loại máy tự động hiện đại cũng trong thời gian này sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền tin đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của tự động hoá vào các quá trình sản xuất

Vào khoảng giữa thế kỷ XX, tự động hoá không chỉ áp dụng trong sản xuất mà còn được đưa vào các cuộc chiến tranh vì mục đích cá nhân, nhiều nước đã áp dụng thành tựu của tự động hoá vào chiến tranh để mưu lợi riêng

do vậy mà tự động hoá càng được họ thúc đẩy phát triển, từ yêu cầu nâng cao

tỉ lệ bắn trúng của pháo phòng không, nguyên lý điều khiển phản hồi đã được

đề xuất đưa kỹ thuật tự động hoá bước sang một trang phát triển mới

Cuối thế kỷ XX, do nhu cầu về lương thực của thế giới mà các nước phát triển đã cho ra đời các máy tự động sản xuất trong nông nghiệp Đầu những năm 80 ở Nga đã xuất hiện các máy sấy để bảo quản nông sản, ở Nhật cho ra đời các máy tự động nuôi cá…

Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển tiến hành rông rãi tự động hoá trong sản xuất loại nhỏ Điều này phản ánh xu thế chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loại lớn và hàng khối sang sản xuất loại nhỏ và hàng khối thay đổi Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những năm cuối cua thế kỷ XX đã có sự thay đổi sâu sắc Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt( Agile Engineening) hệ điều hành sản xuất qua màn hình( Visual Manufacturing System) kỹ thuật tạo mẫu nhanh ( Rapid Prototyping) công nghệ Nanô đã cho phép tự động hoá toàn phần không chỉ trong sản xuất hàng khối mà còn trong san xuất loại nhỏ và đơn chiếc Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới như các loại máy

móc điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ tống điều khiển theo chương trình lôgic PLC ( Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS( Flexble Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM( Computer Integadted Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít, rút ngắn chu kỳ sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh cua sản phẩm hiện đại

Về mặt kỹ thuật, lý thuyết điều khiển tự động hoá phát triển qua 3 giai đoạn:

thuyết điều khiển tự đông được hình thành Khi đó các phương pháp khảo sát

hệ “một đầu vào, một đầu ra – Siso” như: Hàm truyền và biểu đồ Bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn định; biểu đồ Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phương pháp đồ thị thực nghiệm của Evans đã được hoàn thiện Giai đoạn này được coi là “điều khiển cổ điển”

Giai đoạn 2: Xung quanh những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ

thuật điều khiển được gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern control) Hệ kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, có “nhiều đầu vào,nhiều đầu ra-MIMO” Để mô hình hoá thuộc dạng này phải cần đến một tập các phương trình mô tả mối liên quan giữa các trạng thái của hệ Và phương pháp điều khiển bằng biến trạng thái được hình thành Cũng trong thời gian này, lý thuyết điều khiển tối ưu có những bước phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực đại của POLTRYAGIN và lập trình động lực học của Bellman Đồng thời, học thuyết Kalman được hoàn thiện

và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để

ước lượng trang thái bên trong của hệ từ tập nhỏ tín hiệu đó được

năm 1980 ứng dụng những thành tựu của toàn học, các nghiên cứu về điều khiển đã đưa ra được các phương pháp thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo được kỹ năng sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai số

Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành, đó là: Thích nghi, phi tuyến, hôn hợp, mờ, neural

1.3.2 Vai trò của Công nghệ thông tin trong tự động hoá

mặc dù các nguyên lý và máy móc điều khiển tự động xuất hiện trước máy tính điện tử rất lâu nhưng sự ra đời của máy tính điện tử nhất là sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã đưa tự động hoá công nghiệp đến việc áp dụng tự

động hoá trong mọi mặt của xã hội loài người

Công nghệ thông tin hiểu nôm na là công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm của máy tính và mạng máy tính điện tử

Các hệ thống tự động hoá đã được chế tạo trên nhiều công nghệ khác nhau Ta có thể thấy các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí, các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thuỷ lực, rơle cơ

điện, mạch điện tử tương tự, mạch điện tử số…

Các thiết bị hệ thống này có chức năng xử lý và mức tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dưng trên nền tảng của công nghệ thông tin

Trong khi các hệ thống tin học sử dụng máy tính để hỗ trợ và tự động hoá quá trình quản lý, thì các hệ thống điều khiển tự động dùng máy tính để

điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ Chính vì vậy các thành tựu của công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm của máy tính điện tử được áp dụng và phát triển có chọn lọc và hiệu quả cho các hệ thống điều khiển tự

động Và sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin kéo theo sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hoá

Ta có thể thấy quá trình công nghệ thông tin thâm nhập vào từng phần

tử, thiết bị thuộc lĩnh vực tự động hoá như đầu đo, cơ cấu chấp hành, thiết bị giao diện với người vận hành thậm chí vào cả các rơle, contacto, nút bấm mà trước kia hoàn toàn làm bằng cơ khí

Trước kia đầu đo gồm phần tử biến đổi từ thâm số đo sang tín hiệu điện, mạch khuyếch đại, mạch lọc và mạch biến đổi sang chuẩn 4-20mA để truyền

tín hiệu đo về trung tâm xử lý Hiện nay đầu đo đã tích hợp cả chip vi xử lý, biến đổi adc, bộ truyền dữ liệu số với phần mền đo đạc, lọc số, tính toán va truyền kết quả trên mạng số về thẳng máy tính trung tâm Như vậy đầu đo đã

được số hoá và ngày càng thông minh do các chức năng xử lý từ máy tính trung tâm trước kia nay đã chuyển xuống xử lý tại chỗ bằng chương trình nhúng trong đầu đo

Tương tự như vậy với cơ cấu chấp hành như mô-tơ đã được chế tạo gắn kết hữu cơ với cả bộ servo với các thuật toán điều chỉnh pid tại chỗ và khả năng nối mạng số tới máy tính chủ

Các tủ rơle điều khiển chiếm diện tích lớn trong các phòng điều khiển nay được co gọn trong các PLC (programable logic Controller)

Các bàn điều khiển với hàng loại các đồng hồ chỉ báo, các phím, các núm điều khiển, các bộ tự ghi trên giấy cồng kềnh nay được thay thế bằng một vài PC ( Personal Computer )

Hệ thống cáp truyền tín hiệu analog 4-20mA, 10V từ các đầu đo, cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển nhằng nhịt trước đây đã được thay thế bằng vài cáp đồng trục hoặc cáp quang truyền dữ liệu số

Có thể nói công nghệ thông tin đã "chiếm phần ngày càng nhiều'' vào các phần tử, hệ thống tự động hoá

đồ thị dưới đây cho ta thấy chức năng xử lý ở các hệ thống tự động hoá trong

70 năm qua phát triển như nào

Bán dẫn PLC

điện từ xuất hiện vào những năm 40 có mức xử lý khoảng 10n chức năng Các

hệ thống tự động dùng bán dẫn hoạt động theo nguyên lý tương tự (Analog) của thập kỷ 60 có mức xử lý khoảng 30 chức năng Vào những năm 70 các thiết bị điều khiển khả trình PLC ra đời với mức độ xử lý lên hang trăm và vào những năm 80 với sự tham gia của các may tính điện tử main frame mini đã hình thành các hệ thống điều khiển phân cấp với số chức năng xử lý lên tới

105 Sang thập kỷ 90 với sự phát triển của công nghệ phần cứng cũng như phần mềm, các hệ thống điều khiển phân tán ra đời cho mức xử lý lên tới 107

Và sang thế kỷ 21, những hệ thống tự động có tính tổ chức, có tư duy hợp tác

sẽ có mức xử lý lên tới 109 Tuy nhiên để đạt được độ thông minh như nhưng sinh vật sống còn cần nhiều thời gian hơn nữa và các hệ thống tự động hoá còn cần tích hợp trong nó nhiều công nghệ cao khác như công nghệ cảm biến, công nghệ vật liệu mới, công nghệ quan và laser… Đây là xu thế phát triển của các hệ thống tự động là ngày càng sử dung nhiều công nghệ mới hơn trong cấu trúc và hoạt động của mình

Trước kia các hệ thống tự động hoá thiết kế cad thường là các hệ thống

sử dụng máy tính lớn rất đắt tiền nên chỉ ở một số lĩnh vực quan trọng mới được

áp dụng Ngày nay với chức năng sử lý đồ hoạ ngày càng nhanh và mạnh của

PC, thêm vào đó giá thành của các hệ thống cad trên PC ngày càng rẻ nên cad

đã đi sâu len lỏi vào tất cả các ngành nghề và tới mọi ngóc ngách của cuộc sống

từ các bài tập thiết kế của sinh viên đến thiết kế các công trình xây dựng lớn…

Trong điều khiển quá trình công nghệ, việc áp dụng công nghệ thông tin đã tạo ra khả năng tự động hoá toàn bộ dây truyền sản xuất Kiến trúc

hệ thống điều khiển trước kia tập trung xử lý tại một máy tính thì nay các

đầu đo, cơ cấu chấp hành, giao diện với người vận hành đều được thông minh hoá có nhiều chức năng xử lý tại các đầu đo, cơ cấu chấp hành, giao diện với người vận hành đều được thông minh hoá có nhiều chức năng xử lý tại chỗ và khả năng nối mạng nhanh tạo thành hệ thống mạng máy điều khiển hoạt động theo chế độ thời gian thực Ngoài các chức năng điều khiển

và giám sát dây chuyền sản xuất hệ thống còn có nhiều cơ sở dữ liệu, khả năng tự xác định và khắc phục hỏng hóc, khả năng thống kê, báo cáo và kết hợp với mạng máy tính quản lý, lập kế hoạch, thiết kế và kinh doanh tạo thành hệ thống tự động hoá sản xuất toang cục

Trong lĩnh vực robot, với sự áp dụng các thành tựu của công nghệ thông tin robot đã có thị giác và xúc giác Việc áp dụng trí khôn nhân tạo vào robot

đã đưa robot từ ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp sang các lĩnh vực dịch vụ

và y tế Kết hợp với các thành tựu của cơ điện tử, robot ngày càng uyển chuyển và thông minh hơn Trong tương lai robot không chỉ thay thế hoạt

động cơ bắp của con người mà còn thay thế các công việc đòi hỏi hoạt động trí não của con người Lúc này hệ thống điều khiển của robot không chỉ là các

vi xử lý mạch mà con có sự hỗ trợ của máy tính mạng nơron nhân tạo, xử lý song song nhúng trong robot

1.3.3 vai trò của tự động hoá trong quá trình sản xuất

Lịch sử hoàn thiện của công cụ và phương tiện sản xuất trong xã hội văn minh phát triển trên cơ sở cơ giới hoá, điện khí hoá Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó là mấu chốt của năng suất, chất lượng và giá thành

Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hoá vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ: cho phép giảm giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất như ổn định về giờ giấc, chất lượng gia công … , đáp ứng cường độ cao của sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất Từ đó sẽ tăng cao khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất, tăng thị phần và khả năng bán hàng cho nhà sản xuất

Trong một tương lai rất gần tự động hoá sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà

nó còn được ứng dụng để phục vụ đời sống con người Trong sản xuất no sẽ thay thế con người trong nhưng công việc cơ bắp nặng nhọc, những công việc nguy hiểm, độc hại hay cả những công việc tinh vi hiện đại…, còn trong đời sống con người những công nghệ này sẽ được ứng dụng để phục vụ cho nhu cầu sống, nó sẽ là nhưng phương tiện không thể thiếu trong đời sống của chúng ta

1.3.4 ứng dụng của tự động hoá trong quá trình sản xuất

Tự động hoá có mặt trong hầu hết tất cả các lĩnh vực của sản xuất và

đời sống Mỗi ứng dụng co một đặc điểm và tầm quan trọng riêng, sau đây chúng tôi xin giới thiệu ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực chính:

Tự động hoá sản xuất ( factory automation ), trong quá trình sản xuất của các ngành gang thép, dầu mỏ, hoá chất, nông nghiệp, ngư nghiệp, chăn nuôi, thường dùng các loại đồng hồ tự động hoá và các thiết bị tự động hoá để điều khiển các thông số sản xuất, thực hiện tự động hoá quá trình sản xuất và thiết bị sản xuất Trong những nước kinh tế phát triển, tự động hoá sản xuất đã đạt đến

trình độ rất cao, trong quá trình sản xuất họ đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển tự động Từ những năm 1960 đến nay tự động hoá sản xuất đã phát triển nhanh chóng ở những mặt: Người máy công nghiệp, hệ thống sản xuất linh hoạt, hệ thống quản lý thông tin, kỹ thuật nhóm, tự động hoá kho tàng, nhà máy

tự động hoá không cần công nhân, lắp ráp tự động và phụ trợ máy tính

Tự động hoá quá trình ( process automation ), lĩnh vực này dùng trong các hệ thống phức tạp hơn, đo lường và khống chế các đại lượng biến đổi liên tục như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, tốc độ, dòng điện, điện áp Nó có mặt trong các ngành công nghiệp nặng và các công đoạn quan trọng của dây truyền công nghiệp nhẹ

Quản lý cao ốc, Khách sạn, Trung tâm thương mại ( building control, building management), trong các toà nhà cao ốc, người ta bố trí dày đặc khắp nơi cáp điện thông tin và do các thiết bị điều khiển điện tử tiến hành quản lý

tự động hoá đối với hệ thống điều hoà nhiệt độ của mỗi phòng, hệ thống chiếu sáng và hệ thống phòng hoả, chống trộm, tự động điều khiển các thiết bị liên quan, chế tạo nước lạnh cần dùng cho thiết bị khởi động điều hoà nhiệt độ Trình độ tự động hoa của toà nhà rất cao, có thể hút nước thải, dùng gió nóng sấy khô các vật ẩm…

Tự động hoá các khu vực công cộng, nhà ga, sân bay ( public system automation), tại các nhà ga, sân bay, việc quản lý bán vé và kiểm tra hành lý

đều được tự động hoá mặt khác tại các nơi này việc phòng cháy là cực kỳ quan trọng, do đó hệ thống phòng cháy cũng được tự động hoá …

Tự động hoá văn phòng (office automation ), lợi dụng các thiết bị văn phòng tự động hoá, tự động hoàn thành các việc khởi thảo, sửa chữa, hiệu

đính, phân phát, lưu trữ…, thực hiện tự động hoá toàn diện văn phòng Mục tiêu chủ yếu tự động hoá văn phòng là tự động hoá quản lý xi nghiệp

Tự động hoá gia đình ( home automation), khi máy tính tiến vào các gia

đình, cuộc sống gia đình sẽ thay đổi toàn diện, con người sẽ được giải phóng

khỏi lao động công việc gia đình phiền toái, xuất hiện một cách sống mới mẻ

có tính sáng tạo, gia đình càng thêm an ninh, cuộc sống càng thêm thuận tiện

dễ chịu và đầy hứng thú.Dưới sự điều khiển của máy tính sẽ có thể tự động khởi động điều chỉnh theo giờ giấc, các việc gia đình như đun nước, nấu cơm… sẽ có thể điều khiển từ sa để thực hiện Khi vắng nhà, có thể dùng điện thoại thông báo cho hệ thống điều khiển trong nhà làm trước các việc chuẩn

bị Nếu như liên kết máy tính gia đình với máy tính cửa hàng, ngành giao thông, ngân hàng và bệnh viện…, thì có thể ngồi tại nhà có thể tham gia các hoạt động như bình thường

* Trong nông nghiệp:

Công trường thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của công nghiệp hoá Nhiệt độ, độ ẩm của công trường thực vật, thậm chí toàn bộ quá trình ươm giống đều có thể sử dụng điều khiển tự động, để giảm bớt sức người nâng cao sản lượng Do đó, trong nông nghiệp tự động hoá cũng đã được ứng dụng từ rất lâu

Đầu những năm 80 Liên Xô (cũ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp Khi làm việc loại máy này có thể tự động quan sát độ ẩm của thổ nhưỡng nhiệt độ không khí và sức gió…, nó có thể xác định phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm mưa nhân tạo khác

Cũng cuối những năm 80 Nhật đã phát minh ra một loại máy tự động

ươm giống khoai tây và một loại máy sử dụng máy tính diều khiển ứng dụng vào việc nuôi cá nước ngọt, loại máy này sẽ tự động kiểm tra nhiệt độ nước, hàm lượng muối trong nước và đình ra phương pháp cấp thức ăn cho cá

Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng co những loại máy ứng dụng trong công việc này, như loại máy tự động chăn nuôi do Liên Xô ( cũ) chế tạo loại máy này có thể chuẩn bị thức ăn gia súc, phân phát thức ăn gia súc, vắt sữa, đỡ đẻ cho lợn nái

Mặc dù tự động hoá trong nông nghiệp đã được ứng dụng từ lâu, song

nó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển, tuy co nền nông nghiệp chiếm tỷ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hoá vào nông nghiệp vẫn còn rất chậm Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dần tự động hoá vào sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là các nước Đông Nam á trong đó có Việt Nam

1.3.5 thành tựu của tự động hoá trong quá trình sản xuất

Thế giới đang ngày càng phát triển, cuộc sống con người ngày cáng thay đổi, hàng loạt các máy móc tự động đã và đang xuất hiện, robot được chế tạo ra thay thế con người ở nhiều mặt…., đó là những thành tựu của ngành tự

động hoá mang lại Trong 40 băm qua nó đã mang lại nhưng thành quả to lớn:

Dẫn hướng và điều khiển thiết bị trong không gian, bao gồm máy bay dân dụng, tên lửa, máy bay chiến đấu, tàu vận tải, vệ tinh.Hệ thống điều khiển này đã đảm bảo được tính ổn định và chính xác dưới tác động của nhiễu môi trường và của chính hệ thống

Hệ thống điều khiển trong sản xuất công nghiệp, từ máy tự động đến mạch tích hợp.Những thiết bị điều khiển bằng máy tính đã có độ chính xác

định vị và lắp ráp rất cao để tạo ra nhiều sản phẩm có chất lượng tốt

Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, ví dụ trong quá trình sản xuất hydrocacbon và nhiều chất hoá học khác Hệ điều khiển này đã xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến để điều khiển hang trăm cơ cấu chấp hành : van, cấp nhiệt, bơm…, để cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật

Điều khiển hệ thống truyền thông bao gồm: hệ thống điện thoại và internet Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức năng lượng ở đầu vào, đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo những sự cố đa dạng, phức tạp thường xảy ra trong truyền thông

1.3.6 Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế mô hình tưới nhỏ giọt tự động

Kỹ thuật trồng cây không dùng đất là kỹ thuật trồng cây tiên tiến và hiện đại Trồng rau bằng phương thức không dùng đất là giải pháp có hiệu quả nhất hiện nay trong việc sản xuất rau an toàn mà không gây ô nhiễm môi trường, tận dụng được mặt bằng không gian (ngay cả trên đất nghèo dinh dưỡng, nhiễm độc, nhiễm mặn), tiết kiệm được công lao động, giải phóng được sức lao động nặng nhọc khi trồng cây ngoài đất, trồng được nhiều vụ trong năm, có thể tăng số vụ gấp 3-4 lần và năng suất có thể cao gấp 20 lần so với trồng trên đất

Chính vì những lợi ích to lớn đó mà vấn đề áp dụng tự động hóa vào hệ thống tưới là vô cùng quan trọng, nó sẽ là mấu chốt đưa nền nông nghiệp nước

ta vốn lạc hậu sang một giai đoạn mới, giai đoạn của nền nông nghiệp tiên tiến, hiện đại góp phần chung trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn

Như vậy chúng ta đã thấy rõ vai trò quan trọng của tự động hóa trong đời sống con người, trong công nghiệp, trong nông nghiệp Do đó việc ứng dụng tự động hóa vào nông nghiệp ở nước ta cung như cụ thể vào

hệ thống tưới nhỏ giọt này càng trở nên cấp thiết cần được nghiên cứu để sớm đưa vào thực tiễn

1.4.kết luận chương i

Ngày nay, trong mọi lĩnh vực, mọi công nghệ sản xuất cụ thể đều có sự góp mặt của tự động hoá Người ta nói tự động hoá gắn với năng xuất, chất lượng sản phẩm, công nghệ tự động hoá đã góp phần lớn vào quá trình phát triển của xã hội, cải thiện đời sống con người Từ đó mà chúng ta nên đề cao vai trò của nó để tiếp tục học tập và nghiên cứu để ứng dụng chúng một cách hiệu quả hơn và hữu ích hơn

Đối với nước ta, theo chủ chương chính sách của Đảng và Nhà Nước,

đẩy mạnh công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn để đến

2010 đưa nước ta thành một nước công nghiệp hoá, hiện đại hoá Thì công nghệ tự động hoá càng trở nên quan trọng đối với chúng ta, và cần có nhiều công trình hơn nữa nghiên cứu về tự động hoá để có thể vào thực tế một cách đơn giản và hiệu quả nhất

Từ những phân tích trong chương I này cho thấy một triển vọng to lớn của hệ thống trồng rau thủy canh, trong phương pháp này việc ứng dụng hệ thống tưới nhở giọt là rất hợp lý và kinh tế Vì phương pháp thủy canh, hệ thống tưới không chỉ cung cấp nước cho cây mà còn kèm theo cả chất dinh dưỡng, sử dụng phương pháp tưới nhỏ giọt sẽ tiết kiệm được dung dịch, cung cấp cho cây chính xác không lãng phí, hơn nữa theo phương pháp này cây sẽ

được trồng trong nhà lưới, không tiếp xúc với đất sẽ tránh được các mầm bệnh

và không phải dùng thuốc bảo vệ thực vật, nông sản sẽ được đảm bảo an toàn, môi trường không bị ô nhiễm, rút ngắn mùa vụ, giảm bớt công lao động, năng suất cao, hiệu quả kinh tế lớn, có thể áp dụng sản xuất đại trà Đây sẽ là mũi nhọn của ngành nông nghiệp hiện đại

Chương II xây dựng thuật toán điều khiển

2.1 Công nghệ sản xuất rau an toàn

Chúng tôi đã nghiên cứu một hệ thống tưới nhỏ giọt cho rau an toàn trong nhà lưới thực tế, hệ thống này còn hoạt động bán tự động, một số khâu chưa được tự động hóa do yêu cầu phức tạp và độ chính xác của nó nên con người còn đang phải đảm nhiệm Sau đây là sơ đồ và hoạt động của hệ thống

2.1.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống

2.1.2 Hoạt động của hệ thống

* Hệ thống bình tưới:

Gồm 3 bình nhỏ đựng dung dịch gốc, dung dịch này dược pha trộn với

tỷ lệ đặc biệt các chất dinh dưỡng nuôi cây, dung dịch trong 3 binh này được trộn bằng tay và được đo rất chính xác trước khi đổ vào bình trộn Bình trộn lớn gồm hai bình, một bình dùng để trộn dung dịch, một bình để chứa hỗn hợp

đã trộn để tưới Bình trộn được trộn bằng bơm tuần hoàn

* Quy trình tưới:

Các dung dịch gốc được trộn bằng tay trong các bình nhỏ, sau đó được

đổ vào bình chính, ở đây dung dịch gốc sẽ được trộn với nước với tỷ lệ phù hợp với từng loại cây trồng, dung dịch trong bình trộn được trộn nhờ một máy bơm MB1, máy bơm này được nhân viện trực cho chạy để bơm tuần hoàn dung dịch trong bình trộn, thời gian chạy của MB1 phụ thuộc vào lượng dung dịch trong bình Sau khi dung dịch được trộn đều, nó sẽ được chuyển sang Bình tưới, dung dịch được dự trữ ở đây và được tưới cho cây nhờ máy bơm MB2 và Hệ thống ống tưới MB2 được nối với bộ Timer được lập trình chạy theo thời gian tưới 2 phút nghỉ 15 phút, thời gian này có thể được thay đổi tùy thuộc vào từng loại cầy, từng thời kỳ sinh trưởng của cây Các van điện cũng

được nối với bộ Timer lập trình, hệ thống tự động hóa này sẽ tự động tưới nước cho cây theo thời gian đã định Lưu lượng dung dịch cung cấp cho cây

được điều chỉnh chủ yếu ở Bộ điều áp, bộ điều áp sẽ quyết định áp suất ở đầu

ra của MB2, tạo ra dòng chảy nhỏ dẫn đến các gốc cây, với hệ thống đường ống dẫn được thiết kế nhỏ cùng với sự điều chỉnh của bộ điều áp thì dung dịch dẫn đến nhỏ giọt vào các gốc cây

2.1.3 Yêu cầu công nghệ của một số loại rau: Cà chua, Dưa chuột, Súp lơ

Yêu cầu kỹ thuật tưới và năng xuất của một số cây rau được trồng theo phương pháp thuỷ canh không dùng đất như sau:

- Cây cà chua: yêu cầu tưới một ngày phải cung cấp cho một cây 3lít

dung dịch, sau 15 phút nghỉ lại cung cấp dung dịch cho cây trong 2 phút

- Cây dưa chuột: yêu cầu tưới một ngày phải cung cấp cho một cây 2lít dung dịch, sau 15 phút nghỉ lại cung cấp dung dịch cho cây trong 2 phút

- Cây súp lơ xanh: yêu cầu tưới một ngày phải cung cấp cho một cây 0.8lít dung dịch, sau 15 phút nghỉ lại cung cấp dung dịch cho cây trong 1 phút

2.2 Thuật toán điều khiển mô hình

2.2.1 Giới hạn của mô hình

* Việc cung cấp dung dịch từ các bình dung dịch gốc sang bình trộn sẽ

được thực hiện bằng các máy bơm MB1, MB2, MB3, các máy bơm này được

2.2.2 Sơ đồ công nghệ của mô hình

2.2.3 Hoạt động của mô hình

Để làm sáng tỏ khả năng điều khiển của PLC S7 – 200 chúng tôi phân hoạt động của mô hình ra thành 3 thuật toán riêng

* Trộn dung dịch

Khi người điều khiển bấm nút Start, các máy bơm B1, B2, B3 sẽ hoạt

động ( nếu có tín hiệu báo mức cao MC1, MC2, MC3 trong 3 bình chứa dung dịch gốc) Các máy bơm này chuyển dung dịch gốc từ 3 bình vào bình trộn với

tỷ lệ sẽ được quyết định bằng cách đặt thời gian hoạt động cho máy bơm

Khi trong bình trộn đã có dung dịch mức thấp trong bình sẽ tắt, khi đó máy bơm B4 sẽ hoạt động cùng với các van V1, V2 mở, các van

V3,V4,V5,V6 đóng, dung dịch sẽ được bơm tuần hoàn và trộn đều, sau một thời gian trộn B4 ngừng hoạt động, chương trình kết thúc

* Tưới

Việc điều khiển tưới dùng S7 – 200 với bộ xử lý CPU 224 sẽ trở nên vô cùng đơn giản, việc điều khiển không chỉ là vài ống tưới mà có thể điều khiển cùng lúc nhiều hệ thống khác nhau

Trong đề tài này chúng tôi tượng chưng 3 ống tưới là 3 hệ thống tưới khác nhau được cúng điều khiển trên một hệ thống Do đó chúng tôi xây dựng

2 thuật toán gồm: cả 3 hệ thống tưới cùng lúc và 3 hệ thống tưới riêng rẽ

- Ba hệ thống cùng tưới: Khi người điều khiển bấm nút Start, chương trình sẽ mở các van V1, V3,V4,V5,V6, sau đó máy bơm tưới B4 hoạt động đưa dung dịch ra tưới, B4 sẽ tưới theo chu kỳ là tưới 2 phút nghỉ 15 phút ( thời gian này hoàn toàn có thể thay đổi dễ dàng trong chương trình điêu khiển) Khi mức thấp bình trộn MT4 báo thì máy bơm B4 dừng và chương trình kết thúc

- Ba hệ thống tưới riêng rẽ: Khi người điều khiển bấm nút Start các van V1,V3, V4 mở, các van V2, V5, V6 đóng, sau đó máy bơm B4 hoạt động tưới dung dịch với chu kỳ tưới 2 phút nghỉ 15 phút ( thời gian này hoàn toàn có thể thay đổi dễ dàng trong chương trình điêu khiển) Sau khi van V4 tưới 1 thời gian thì V5 mở tưới sau đó V6 lại

mở tưới ( thời gian tưới của các hệ thống là tuỳ thuộc và yêu cầu công nghệ, thời gian này có thể đặt dễ dàng trong chương trình lập trình Khi mức thấp bình trộn MT4 báo thì máy bơm B4 dừng và chương trình kết thúc

T5 T4

MT4 T2

T1

10s T3

2.3 Kết luận chương II

Thông qua nghiên cứu tình hình sản xuất thực tế và lý thuyết chúng tôi thấy cần thiết phải phát triển công nghệ tự động hóa nhằm xây dựng một nền nông nghiệp vững mạnh chuẩn bị xu thế hội nhập khu vực

Trên cơ sở đó đề tài đã xây dựng một hệ thống tưới nhỏ giọt hoàn toàn

tự động, con người chỉ còn nhiệm vụ theo dõi và kiểm tra hệ thống

ở chương II này chúng tôi đã xây dựng được thuật toán điều khiển của mô hình là cơ sở quan trọng cho khâu tiếp theo là lập trình điều khiển hệ thống

Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên mô hình chưa hoàn toàn như thực

tế, nhưng đây sẽ là phần không thể thiếu để có thể xây dựng được hệ thống tưới nhỏ giọt trong thực tế