Hệ thống tưới và bón phân tự động trong nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI VÀ BĨN PHÂN TỰ ĐỘNG TRONG NƠNG NGHIỆP Ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Giảng viên hướng dẫn: Ts NGUYỄN HOÀI NHÂN Sinh viên thực hiện: TRẦN QUỐC GIANG Mã SV: 1811050022 Lớp: 18DTDA1 Tp.HCM, ngày 09 tháng năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TƯỚI VÀ BÓN PHÂN TỰ ĐỘNG TRONG NÔNG NGHIỆP Ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Giảng viên hướng dẫn: Ts NGUYỄN HOÀI NHÂN Sinh viên thực hiện: TRẦN QUỐC GIANG Mã SV: 1811050022 Lớp: 18DTDA1 Tp.HCM, ngày 09 tháng năm 2021 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202… (Ký tên ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM ƠN Đối với sinh viên, đồ án tốt nghiệp có lẽ minh chứng tốt cho kiến thức thành có sau tháng năm học tập Trong trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, cố gắng thân, em khơng thể hồn thành tốt cơng việc khơng có bảo hướng dẫn tận tình thầy Ts Nguyễn Hoài Nhân, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ngồi suốt q trình nghiên cứu hoàn thành đề tài em nhận được giúp đỡ, hỗ trợ tận tình anh, chị, thầy, cô công tác viện Kỹ Thuật trường đại học Công Nghệ HCM tạo điều kiện để em thực tốt đồ án tốt nghiệp Một lần em xin chân thành cảm ơn! iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH ẢNH vii LỜI MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Tình hình nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết đạt Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tóm tắt đề tài 1.2 Giới thiệu đề tài .3 1.3 Mô tả tổng quát đề tài Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan tưới tự động 2.1.1 Khái niệm tưới 2.1.2 Ý nghĩa tưới tiêu cho trồng 2.2 Lý sử dụng hệ thống tưới tự động 2.2.1 Tiết kiệm chi phí nhân cơng so với việc tưới tay 2.2.2 Chi phí đầu tư ban đầu không cao 2.2.3 Tiết kiệm tối đa nguồn nước .6 2.2.4 Cung cấp lượng nước đồng cho cối 2.3 Ưu nhược điểm 2.3.1 Ưu điểm 2.3.2 Nhược điểm Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 Phương pháp 3.2 Giới thiệu phương pháp tưới nhỏ giọt 3.2.1 Tưới nhỏ giọt giới 3.2.2 Tưới nhỏ giọt Việt Nam 11 3.2.3 Tổng quan thiết kế hệ thống tưới 12 3.2.4 Xu hướng khai thát hệ thống tưới 14 3.3 Giới thiệu hệ thống tưới tự động 16 3.3.1 Tính bật 16 3.3.2 Trong hệ thống tưới nhỏ giọt, thiết bị bao gồm 16 Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 17 4.1 Thiết bị phần cứng 17 4.1.1 Programmable logic controller (PLC) 17 4.1.2 Human – Machine – Interface (HMI) .20 4.1.3 Cáp kết nối 24 4.1.4 Nút nhấn, Công tắc 26 4.1.5 Đèn báo 26 4.1.6 Nguồn xung 27 4.1.7 Solenoid valve (Van điện từ) 28 v 4.1.8 Bơm Nước 30 4.1.9 Cảm Biến Độ Ẩm Đất 30 4.2 Phần mềm lập trình cho hệ thống 33 4.2.1 Phần mềm GX-Works2 33 4.2.2 Phần mềm EasyBuilder 8000 38 Chương 5: THI CÔNG 41 5.1 Sơ Đồ Khối Và Đi Dây Của Hệ Thống 41 5.1.1 Sơ đồ khối .41 5.1.2 Sơ đồ dây 42 5.1.3 Bảng vẽ khung hệ thống 43 5.2 Code vận hành hệ thống 44 5.2.1 Code PLC .44 5.2.2 Code HMI .47 5.2.3 Khai báo code PLC HMI 48 5.3 Chế Độ Vận Hành 48 5.3.1 Chế độ vận hành theo thời gian thực 48 5.3.2 Chế độ vận hành theo giá trị độ ẩm 49 5.4 Quy Trình Vận Hành .49 5.5 Mơ hình hồn hoàn thiện 50 Chương 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 51 6.1 Kết Quả Đạt Được 51 6.2 Hướng Phát Triển Tương Lai 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 53 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT PAO Food and Agriculture Organization of the United Nations IWMI International Water Management Institute PLC Programmable Logic Controller LAD Ladder logic FBD Function Block Diagram STL Statement List RAM Random Access Memory ROM Read-Only Memory HMI Human-Machine-Interface EPDM ethylene propylene diene monomer SCADA Supervisory Control And Data Acquisition NC Normally Closed NO Normally Open vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 4.1: Cấu trúc PLC 17 Hình 4.2: Kết cấu PLC 18 Hình 4.3: Board PLC mitsubishi fx3u 46mr 19 Hình 4.4: Màn HMI thực tế 21 Hình 4.5: Kết cấu HMI 21 Hình 4.6: HMI truyền thống 22 Hình 4.7: HMI đại 23 Hình 4.8: Màn HMI weintek tk6056i 24 Hình 4.9: Cáp USB to com HL340 25 Hình 4.10: Cáp USB-MT6000/ 8000 25 Hình 4.11: Cáp RS232 to RS232 26 Hình 4.12: Nút nhấn 26 Hình 4.13: Đèn báo 27 Hình 4.14: Nguồn xung 27 Hình 4.15: Cấu tạo van điện từ 28 Hình 4.16: Van điện từ 12V DC 30 Hình 4.17: Bơm nước 12V mini 30 Hình 4.18: Sơ đồ đấu nối cảm biến độ ẩm 31 Hình 4.19: Cảm biến độ ẩm đất điện dung 32 Hình 4.20: Cảm biến độ ẩm đất relay 32 Hình 4.21: Cảm biến độ ẩm đất 33 Hình 5.1: Sơ đồ khối 41 Hình 5.2: Sơ đồ dây 42 Hình 5.3: bảng vẽ khung mơ hình 43 Hình 5.4: Thiết kế màng hình HMI 47 Hình 5.5: Mơ hình hồn thiện 50 5.1.3 Bảng vẽ khung hệ thống Hình 5.3: Bản vẽ khung mơ hình 43 5.2 Code vận hành hệ thống 5.2.1 Code PLC 44 45 46 5.2.2 Code HMI Hình 5.4: Thiết kế hình HMI 47 5.2.3 Khai báo code PLC HMI ▪ X0: start (nút nhấn xanh) ▪ M100: start (HMI) ▪ X1: stop (nút nhấn đỏ) ▪ M101: stop (HMI) ▪ X2: tưới theo chế độ thời gian thực ▪ X3: tưới theo chế độ đọc giá trị cảm biến độ ẩm đất ▪ Y0: bơm nước ▪ Y1: van ▪ Y2: van ▪ Y3: van ▪ Y4: van ▪ Y5: van ▪ Y6: van ▪ D26: giới hạn độ ẩm đất ▪ D5: thời gian chuyển van ▪ D60: tưới ▪ D70: tưới ▪ D4: thời gian bơm ▪ D80: ngày tưới phân 5.3 Chế Độ Vận Hành 5.3.1 Chế độ vận hành theo thời gian thực ❖ Trình tự vận hành: Cấp nguồn cho hệ thống, cài đặt thời gian tưới, thời gian chuyển van, thời gian bơm nước vào bồn phân, thời gian tưới phân, chọn chế độ TIME, nhấn START Nếu thời gian thực tế thời gian đặc hệ thống bắt đầu vận hành • Chế độ tưới thường: Nếu thời gian thực tế thời gian tưới đặt trước Van mở, khoản thời gian delay bơm nước bắt đầu hoạt động, thông qua thời gian delay đặt sẵn Van 4, 5, bật tắc theo trình tự • Chế độ tưới phân: Nếu thời gian thực tế tưới ngày tưới phân Van mở khoản thời gian delay bơm nước bắt đầu hoạt động, khoản thời gian đặt 48 trước Van 2, mở, khóa Van thơng qua thời gian delay đặt sẵn Van 4, 5, bật tắc theo trình tự 5.3.2 Chế độ vận hành theo giá trị độ ẩm ❖ Trình tự vận hành: Cấp nguồn cho hệ thống, cài đặt thời gian tưới, thời gian chuyển van, thời gian bơm nước vào bồn phân, thời gian tưới phân, chọn chế độ Độ ẩm, nhấn START Nếu giá trị độ ẩm đất lớn giá trị đặt hệ thống bắt đầu vận hành • Chế độ tưới thường: Nếu giá trị độ ẩm đất lớn giá trị đặt Van mở khoản thời gian delay Bơm nước bắt đầu hoạt động, thông qua thời gian delay đặt sẵn Van 4, 5, bật tắc theo trình tự • Chế độ tưới phân: Nếu giá trị độ ẩm đất lớn giá trị đặt thời gian thực tế ngày tưới phân Van1 mở khoản thời gian delay Bơm nước bắt đầu hoạt động, khoảng thời gian đặt trước Van 2, mở, khóa Van thông qua thời gian delay đặt sẵn Van 4, 5, bật tắc theo trình tự 5.4 Quy Trình Vận Hành ❖ Chế độ vận hành theo giá trị độ ẩm đất (độ ẩm): • Bước 1: cấp nguồn, chuyển cơng tắc chế độ độ ẩm • Bước 2: đặt giới hạn độ ẩm đất (giới hận độ ẩm đất) • Bước 3: đặt thời gian chuyển van (thời gian chuyển van), đơn vị đặt giây ❖ Chế độ vận hành theo thời gian thực (time): • Bước 1: cấp nguồn, chuyển cơng tắc chế độ time • Bước 2: đặt tưới (giờ tưới 1, tưới 2), hệ thống đặt tưới lần ngày, tưới đặt thời gian thực tế hệ thống bắt đầu hoạt động • Bước 3: đặt thời gian chuyển van (thời gian chuyển van), thời gian đặt đơn vị (giây) ❖ Chế độ tưới phân: • Ở chế độ hệ thống hoạt động hai chế độ • Các bước thực hiện: 49 - Bước 1: đặt ngày tưới phân (ngày tưới phân) 1, 2, 3, 4, 5, 6, lần lược thứ2, thứ3, thứ4, thứ5, thứ6, thứ7, chủ nhật - Bước 2: đặt thời gian bơm nước vào bồn chứa phân (thời gian bơm), thời gian đặt đơn vị (giây) → Hệ thống sử dụng phân bón dạng lỏng dạng rắn pha loảng, thời gian bơm nước vào bồn chứa phân, đo thời gian bơm ngồi thực tế trước cài đặt trực tiếp vào hệ thống 5.5 Mơ hình hồn hồn thiện Hình 5.5: Mơ hình hồn thiện 50 Chương 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 6.1 Kết Quả Đạt Được Thông qua trình làm đồ án tốt nghiệp giúp em tích lũy lượng lớn kiến thức chuyên ngành lĩnh vực mà nghiên cứu, thơng qua q trình tìm tịi học hỏi kinh nghiệm từ giảng viên hướng dẫn bạn bè lớp Bên cạnh em gặp khơng ích khó khăn kiên trì giải nắm bắt vấn đề mà mắc phải em cảm thấy vững vàng khối kiến thức Những kiến thức phần hành trang, kinh nghiệm giúp em đỡ quanh co đường trải nghiệm thực tế mai 6.2 Hướng Phát Triển Tương Lai Mục tiêu mơ hình “Hệ Thống Tưới Và Bón Phân Tự Động Trong Nơng Nghiệp” hộ gia đình có diện tích đất nơng nghiệp vừa nhỏ có tính tập trung cao, khu vực gần biển nguồn nước tưới tiêu bị nhiễm mặn phải sử dụng nước ngầm Nên việt tính tốn thiết kế đơn giản nhằm phát triển phổ biến cho hộ nơng dân có thu nhập thấp dễ dàng tiếp cận sử dụng Để áp dụng cho mơ hình nơng trại cở lớn nông trại nhỏ phân tán gời gạc chúng em cần phải cải thiện nâng cấp mơ hình nhiều để giám sác số liệu, điều khiển từ xa liên kết nhiều mô hình nơng trại lại với để dễ dàng quản lý giúp giảm thiểu lao động chân tay nâng cao xuất chất lượng nông sản Gốp phần thúc đẩy kinh tế phát triển 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] xemtailieu, 9/2021 https://xemtailieu.com/tai-lieu/do-an-tot-nghiep-co-dien-tu-he-thong-tuoi-cay-tu-dongtheo-do-am-1284642.html [2] Hüseyin R Börklü, Sadik A Kalyon, 2017, ‘A Design Study of an Innovative Barrier System for Personal Parking Lots’, Gazi University Journal of Science, pp 113-123 [3] webdien, 9/2021 http://webdien.com/d/archive/index.php/f-118.html [4] Banuchandar, V Kaliraj, P Balasubramanian, S Deepa, N Thamilarasi, 2012 ‘Automated Unmanned Railway Level Crossing System’, Int Journal of Modern Engineering Research (IJMER) Vol 2, Iss.1, pp 458-463 [5] Acy M Kottalil, Abhijith S, Ajmal M M, Abhilash L J.,Ajith Babu., 2014 ‘Automatic railway gate control system,’ Int Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, Vol 3, Iss 52 PHỤ LỤC Nhu cầu sử dụng nước ngành nghề (theo dự án đánh giá ngành nước năm 2008) Tỷ lệ phân bố tài nguyên nước theo lưu vực sông Nguồn: Báo cáo Tài nguyên nước, vấn đề giải pháp quản lý khai thác, sử dụng nước, Bộ TN&MT 2009 53 Tình hình đăng ký sáng chế hệ thống tưới nhỏ giọt từ 1968-2014 Tình hình đăng ký sáng chế hệ thống tưới nhỏ giọt qua thập niên 10 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ hệ thống tưới nhỏ giọt 54 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ hệ thống tưới nhỏ giọt giai đoạn 1968-1979 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ hệ thống tưới nhỏ giọt giai đoạn 1980-1989 55 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ hệ thống tưới nhỏ giọt giai đoạn 1990-1999 quốc gia tập trung nhiều sáng chế đăng ký bảo hộ hệ thống tưới nhỏ giọt giai đoạn 2000-2014 56 Tình hình đăng ký sáng chế hệ thống tưới nhỏ giọt theo bảng phân loại sáng chế quốc tế quốc gia nhiều nhà sáng chế chọn để nộp đơn đăng ký bảo hộ hệ thống tưới nhỏ giọt 57