Mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp công nghệ cao dùng PLC điều khiển

Đềề Tài: Thiềết kềế và phát tri n m t b điềều khi n nhà ểộộểkính thông minh s d ng các thiềết b c m biềến và điềều ử ụị ảkhi n t xa qua đi n tho i s d ng PLC S7-1200ểừệạ ử ụ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Hoan Vi Anh Tú

Trịnh Văn Dũng Bùi Văn Tiến

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đát nước , Nhà nước ta đã và đang khuyến khích việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất nhằm nâng cao chất lượng cũng như số lượng hàng hóa, đem lại hiệu quả kinh tế góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội,nâng cao chất lượng cuộc sống người dân.

Với những định hướng rõ ràng đó, nhiều thành tựu khoa học đã được áp dụng vào tất cả các lĩnh vực, các ngành sản xuất Ngành nông nghiệp cũng không nằm ngoài xu hướng đó nhất là trong bối cảnh nước ta đã tham gia vào hiệp định tự do của kinh tế thế giới Bởi vì lẽ đó nếu không nhanh chóng áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật, không đổi mới phương thức sản xuất và canh tác truyền thống thì ngành nông nghiệp sẽ tụt hậu so với thế giới và khu vực.

Trước yêu cầu cấp thiết đó ngành nông nghiệp đã cũng với ngành tự động hóa đã đưa ra rất nhiều giải pháp trong nông nghiệp và đã được ứng dụng rộng rãi trên cả nước.

Trong đề tài đồ án tốt nghiệp “ Mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp công nghệ cao dùng PLC điều khiển” chúng em xin được giới thiều giải pháp dùng PLC để điều khiển và giám sát quá trình phát triển sinh trưởng của cây trồng trong nhà kính nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản lượng sản phẩm,giảm sức người và đưa những thành tựu của ngành tự động hóa vào phát triển nông nghiệp công nghệ cao

Đề tài xin được tập trung vào hai hướng chính là:Điều khiển và giám sát Điều khiển hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu,hệ thống quạt thông gió,hệ thống mái che.Giám sát các thông số cần thiết cho cây trồng trong nhà kính như : nhiệt độ không khí,nhiệt độ đất,độ ẩm không khí,đất.Qua đó nhắm tối ưu hóa những điều kiện lý tưởng nhất và phòng tránh được những dịch bệnh gây bất lợi cho cây trồng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thời gian qua,sản xuất nông nghiệp trên cả nước ta chịu rất nhiều khó khăn, bất lợi do thời tiết, dịch bệnh,suy thoái kinh tế, giá cả hàng nông sản bấp bênh, chịu sự cạnh tranh của hàng hóa nước ngoài giá rẻ hơn chất lượng tốt hơn, trong khi giá vật tư đầu vào không ổn định và đang có xu hướng tăng cao.Ngoài ra với tình hình thực phẩm bẩn,kém chất lượng trên thị trường như hiện nay người tiêu dùng rất cần những sản phẩm nông nghiệp sạch chất lượng cao mà không phải chi quá nhiều tiền để sử dụng sản phẩm nhập khẩu là một nha cầu bứt thiết,cấp bách Ỏ nước ta hiện nay ngành nông nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và khi kinh tế nước ta hội nhập quốc tế cũng đem lại nhiều thuận lợi như thị trường mở rộng, sản phẩm làm ra được xuất khẩu đi rất nhiều nơi trên thế giới.Nhưng cúng không ít khó khăn thách thức cho ngành nông nghiệp nước ta

Do đó việc cấp bách nhất để vực dậy nền nông nghiệp nước ta là tập trung vào việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm.Phát triển nông nghiệp bền vững nhằm tạo ra những sản phẩm nông nghiệp đạt chuẩn thế giới

Vì những lý do trên chúng em quyết định nghiên cứu để tài ‘phát triển nông nghiệp công nghệ cao’ cụ thể là “Mô hình trồng cây nông nghiệp trong nhà kính”

1.1.2 Tính hình nghiên cứu

1.1.2.1 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của thế giới

Công nghệ trồng cây trong nhà kính: nay được gọi là nhà màng do việc sử dụng mái lớp bằng màng polyethylen thay thế cho kính (green house) hay nhà lưới (net house) Trên thế giới, công nghệ trồng cây trong nhà kính đã được hoàn thiện với trình độ cao để canh tác rau và hoa Ứng với mỗi vùng miền khác nhau những mẫu nhà kính và hệ thống điều khiển các yếu tố trong nhà kính cũng có sự thay đổi nhất định cho phù hợp với điều kiện khí hậu của từng vùng, trong đó hệ thống điều

khiển có thể tự động hoặc bán tự động Tuy nhiên đối với các vùng thường chịu nhiều tác động của thiên tai như bão lũ, động đất thì lại cần cân nhắc kỹ giữa lợi ích và chi phí do rủi ro

1.1.2.2 Tình hình của nước ta

Hiện nay, trong nước đã có nghiên cứu của các trường, viện về thiết kế mẫu nhà kính như công trình “Nhà lưới trồng cây công nghệ cao” do Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật công nghiệp phối hợp với Viện Khoa học Sự sống thực hiện; công trình “Nghiên cứu xây dựng mô hình và kỹ thuật trồng rau năng suất cao cho quần đảo Trường Sa” do Trung tâm

Nhiệt đới Việt - Nga và Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam thực hiện… Bên cạnh đó, một số công ty trong nước cũng chủ động sản xuất được loại nhà kính áp dụng kỹ thuật, công nghệ nhà kính của nhiều nước phát triển trên thế giới, kết hợp những ưu điểm của các mô hình nhà kính đang ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời khắc phục những nhược điểm của các nhà kính đã được bà con nông dân và các doanh nghiệp triển khai ở trong những năm qua

Ngoài ra, với sự phát triển một cách nhanh chóng của ngành điện tử cũng như nhiều ngành khác thì ý tưởng về nhà vườn thông minh không còn vướng bởi rào cản công nghệ Việc điều khiển nhà vườn thông minh thông qua smartphone hoặc máy tính tạo nên bước ngoặc lớn trong việc điều khiển tự động, không dây một cách linh hoạt, có thể nói sự phát triển không ngừng của những chiếc smartphone đã làm cho công nghệ có thêm bước tiến, việc điều khiển dễ dàng hơn.

1.1.3 Mục đích nghiên cứu

Để chế tạo được một sản phẩm nhà kính công nghệ cao phục vụ cho nền nông nghiệp Việt Nam mà không phải đi nhập khẩu công nghệ của nước ngoài.Là nỗi trăn trở của biết bao nhiêu nhà khoa học,kỹ sư cả trong và ngoài nước…

Vấn đề chính để có thể phát triển các mô hình nhà kính ở nước ta là hạ giá thành đầu tư và cải tiến các đặt tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác và điều kiện khí hậu ở Việt Nam

Vì vậy qua đề tài tốt nghiệp này chúng em muốn góp một phần nhỏ công sức để làm phong phú thêm các phương pháp , một cách làm khác nhằm

góp phần vào sự phát triển chung của nghành nông nghiệp công nghệ cao

1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Dùng phần mềm PLC S7-1200 thông qua các cảm biến nhiệt độ,độ ẩm,ánh áng để thiết lập một mô hình nhà kính có thể điều khiển tự động, giám sát từ xa.

Nhằm mục đích đem lại một môi trường sinh trưởng tốt nhất cho cây trồng Nghiên cứu các ứng dụng của PLC Siemens vào điều khiển chu trình chăm sóc nuôi trồng cây nông nghiệp

Sử dụng bộ điều khiển PLC trong điều khiển chính

Sử dụng board ESP8266 trong kết nối mạng IoT cho tính năng điều khiển từ xa qua điện thoại

1.1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực.

Mô hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc ý niệm (tư duy) để biểu diễn, phản ánh hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trò đại diện, thay thế đối tượng thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin mới tương tự đối tượng thực

Dùng phương pháp mô hình hóa giúp người nghiên cứu dự báo, dự đoán, đánh giá các tác động của các biện pháp điều khiển, quản lý hệ thống.Ví dụ: sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc (đặc biệt là cấu trúc không gian, các bộ phận hợp thành có bản chất vật lý giống hệt đối tượng gốc) để phản ánh, suy ra cấu trúc của đối tượng gốc như: mô hình động cơ đốt trong, mô hình tế bào, sa bàn….

1.2 Các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu

Hiểu rõ hơn về việc thiết lập cài đặt thông số trong PLC

Nắm vững nguyên lý hoạt động của hệ thống kết nối và truyền dữ liệu giữa PLC và các cổng truyền thông nhằm giám sát hệ thống qua Internet,sóng điện thoại,3G…

Đưa ra được một giải pháp mới nhằm cải tiến mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp trong tương lai gần…

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÔ HÌNH 2.1 Tổng quan

2.1.1 Giới thiệu về mô hình nhà kính

Nhà kính là một thuật ngữ chung dùng để đề cập đến việc sử dụng một vật liệu trong suốt hoặc bán trong suốt được hỗ trợ trong một khung sương làm bằng thép(hoặc có thể bằng tre đặt ở Việt Nam) trong một khu vực xác định cho cây trồng sinh sống phát triển

Cụ thể ,ở đây vật liệu bao phủ là kính ,mica,hoặc tấm nhựa

2.1.2 Cơ sở lựa chọn vật liệu và cấu tạo nhà kính

Do tính ứng dụng vào thực tiễn rất cao của mô hình nên chúng em lựa chọn vật liệu khung sương là thép hộp,kết hợp với tấm nhựa PE trong suốt bao phủ xung quanh để có thể đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng của đề tài đưa ra

2.2 Thiết kế mô hình

Ý tưởng được đưa ra là làm một mô hình có kích thước khá lớn với (dài x rộng x cao )3mx1.5mx2m có cơ cấu rèm che tự động,sử dụng động cơ 3 pha để cung cấp nước cho hệ thống tưới phun,tưới nhỏ giọt và hệ thống phun sương tạo độ ẩm đất.Hệ thống nước tuần hoàn có qua hệ thống lọc và bể lắng.Hệ thống quạt thông gió,đèn sưởi cây trồng và sử dụng các cảm biến độ ẩm,nhiệt độ,độ PH điều khiển thông qua PLC

2.2.1 Cấu tạo và kích thước mô hình

Mô hình nhà kính được thiết kế theo hình chữ nhật với mái là hình tam giác và có các thông số như sau: Chiều dài mô hình : 1500mm Chiều , rộng mô hình :800mm Chiều cao mô hình: 1300mm Phần mái , , cao:200mm

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH3.1 Các thiết bị điều khiển sử dụng trong đề tài

3.1.1 Khối điều khiển trung tâm.3.1.1.1 Bộ điều khiển PLC S7-1200

PLC S7 - 1200 là một dòng PLC mới của SIEMENS, là thiết bị tự động

hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao Thiết bị PLC Siemens S7 -

1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho một

thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy

đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện.

Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, dòng sản phẩm SIMATIC

S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ

cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản.

Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:

- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.

- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển mô-đun trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm

- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau.

- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP - Bổ sung 4 cổng Ethernet.

- Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC.

Board tín hiệu – một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng tín hiệu ít.

Gồm các board:

1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (+- 10VDC, 0-20mA) 2 cổng tín hiệu vào + 2 cổng tín hiệu ra số, 0.5A.

PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to

3.1.2 Thiết bị đóng cắt điện từ

Ngoài các thiết bị đóng ngắt bảo vệ thì trong mô hình em còn sử dụng một số contactor và rơ le để đóng ngắt nguồn động lực và nguồn điều khiển cho mô hình

Trong thiết kế thì em sử dụng 3 contactor dùng để đóng nguồn động lực cho các thiết bị 220V, một contactor để cấp nguồn cho bơm nước và một contactor để cấp nguồn cho 2 quạt thông gió Contactor là thiết bị khá thông dụng, gồm có cuộn dây, mạch từ và cơ cấu đóng nhả tiếp điểm Contactor ở đây em dùng loại cuộn dây điều khiển đóng nhả contactor dùng diện 220VAC đo đó phải qua rờ le 24VDC điều khiển trung gian Tức là PLC sẽ xuất ra tín hiệu 24VDC điều khiển cho tiếp điểm rơ le đóng lại và tiếp điểm của rơ le được nối cấp nguồn 220VAC cho cuộn dây điều khiển của contactor Để đảm bảo tính an toàn đồng thời để bảo vệ tiếp điểm của PLC thì em sử dụng Opto ( một loại rơ le cách ly )

3.1.3 Cảm biến

3.1.3.1 Cảm biến nhiệt độ

Trên thị trừơng hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ Trong mô hình em lựa chọn cảm biến nhiệt điện trở ( RTD resistance temperature detector ) Cấu tạo: gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Niken, Patium,… được quấn theo hình dáng của đầu to Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định

Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện

3.1.3.2 Cảm biến độ ẩm không khí

Tuy đề tài chỉ là mô hình nhưng em vẫn chọn loại cảm biến công nghiệp, nhằm đảm bảo tính chính xác và thực tế hơn Ở đây em chọn cảm biến độ ẩm QFA 2060 của hãng Siemens.

Cảm biến được sử dụng trong hệ thống thông gió và điều hòa không khí trong các nhà máy, xí nghiệp, nơi mà cần độ chính xác rất cao và thời gian đáp ngắn nhằm để kiểm tra độ ẩm một cách nhanh chóng Thang đo độ ẩm của cảm biến từ 0-100% Một số vị trí ứng dụng cảm biến như :

 - Trong kho lưu trữ và sản xuất giấy, dược phẩm, hóa chất thực phẩm và ngành sản xuất linh kiện điện tử

Cảm biến độ ẩm đất SHT11 có vỏ bảo vệ thừơng đựơc sử dụng trong công nghiệp với các ứng dụng cần độ bền, độ chính xác và ổn định cao, cảm biến có cấu tạo gồm cảm biến SHT11 bên trong, bên ngoài là lớp vỏ bảo vệ cảm biến khỏi các tác động vật lý từ môi trường như bụi, nứơc,…

tuy nhiên vẫn đo đựơc chính xác Cảm biến độ ẩm đất SHT11 có vỏ bảo vệ sử dụng trong môi trường đất, tức là ta có thể đặt cảm biến dứơi mặt đất, tuy nhiên cần lưu ý đặt cảm biến ở khoảng cách hợp lý để không dẫn đến tính trạng nứơc ngập úng tràn vào làm hư cảm biến.

Nhằm đảm bảo tính thực tế cho mô hình em chọn bơm Panasonic GP-129JXK với đặc điểm thông số giống như trên Tuy nhiên đo mô hình nên cần lưu lựơng nứơc không nhiều nên em có thiết kế thêm bộ điều chỉnh điện áp để điều chỉnh tốc độ bơm sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng, nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị đồng thời linh động hơn.

3.1.5 Hệ thống quạt thông gió.

Hệ thống quạt thông gió đựơc thiết kế nhằm tạo sự thông thoáng cũng như điều tiết nhiệt độ và độ ẩm bên trong và bên ngoài nhà vừơn Giúp cây sinh trửơng tốt hơn

- Lưu lượng gió (m3/min) : 5.40 - Cường độ dòng điện : 0.22 (A) - Độ ồn :50( dbA )

- Kích thước: 200 X 200 mm Xuất xứ :Đài Loan

Trong mô hình em sử dụng 2 quạt thông gió đặt ngựơc nhau, một cái dùng để hút khí từ trong ra và một cái đựơc đẩy khí từ bên ngoài vào nh‘m cho dòng khí đối lưu tốt hơn.

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-12004.1 Tổng quan về PLC S7-1200.

4.1.1 Giới thiệu về PLC S7-1200.

4.1.1.1 Lịch sử phát triển của PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng rơ-le và thiết bị điều khiển rời rạc, cồng kềnh Đến những năm 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo chu k’ và theo bit trên nền tảng của CPU Lúc này phần cứng cũng được phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số lượng cổng vào ra nhiều hơn và có nhiều loại module chuyên dụng hơn Những năm 80, với sự chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự động hóa làm cho PLC có kích thước nhỏ hơn, có thể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì lập trình đầu cuối chuyên dụng hay lập trình bằng tay Từ những năm 90 tới nay, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và đổi mới những giao diện đã có Những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LADDER), sơ đồ khối (FBD)

Trong công nghiệp yêu cầu tự động hóa ngày càng tăng, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng được những yêu cầu đó Để giải quyết được nhiệm vụ điều khiển người ta có thể thực hiện bằng hai cách: thực hiện bằng Rơle, khởi động từ hoặc thực hiện bằng chương trình nhớ Hệ điều khiển bằng Rơle và hệ điều khiển bằng lập trình có nhớ khác nhau ở phần xử lý: thay vì dùng Rơle, tiếp điểm và dây nối trong phương pháp lập trình có nhớ chúng được thay bằng cách mạch điện tử Như vậy