Nghiên cứu và chế tạo mô hình trồng rau nuôi cá tự động tuần hoàn, khép kín trong gia đình

MỤC LỤC Trang Danh mục các bảng 3 Danh mục các hình ảnh 3 Lời nói đầu 5 Chương 1: Tổng quan chung 1.1 Lịch sử nghiên cứu 6 1.2 Mô tả hiện tượng quá trình 7 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài 7 1.4 Phương pháp nghiên cứu 8 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Khái quát chung về hệ thống tự động trồng rau nuôi cá 10 2.1.1 Khái niệm 10 2.1.2 Ưu điểm của hệ thống trồng rau nuôi cá 10 2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống 11 2.3 Phương pháp trồng cây 11 2.4 Phương pháp điều khiển tự động hệ thống 12 Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống 3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí 14 3.1.1 Yêu cầu 14 3.1.2 Thành phần chính của hệ thống 14 3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển 22 3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển 22 3.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển 22 3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ 22 3.2.2.2 Cảm biến độ ẩm 27 3.2.2.3 Module Analog EM235 28 3.2.2.4 Bộ logic khả trình PLC 35 3.2.2.5 Khối hiển thị 47 Chương 4: Thiết kế, chế tạo, tích hợp hệ thống 4.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 53 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 58 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: 58 4.2.2 Kết nối và lập trình cảm biến đo nhiệt độ 58 4.2.3 Kết nối và lập trình điều khiển cảm biến đo độ ẩm 62 4.2.4 Cài đặt thời gian thực cho PLC 64 4.2.5 Cài đặt thời gian hẹn giờ bật đèn và giờ tắt đèn chiếu sáng 66 4.2.6 Cài đặt thời gian bật bơm và tắt bơm 66 4.2.7 Kết nối PLC với module analog 68 4.2.8 Kết nối PLC với màn hình HMI 68 4.2.9 Thiết kế giao diện cho màn HMI 69 4.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển 72 4.4 Tính toán chọn máy bơm 74 4.5 Tính toán chọn đường kính ống và lưu lượng nước 75 4.5.1 Tính toán chọn đường kính ống 75 4.5.2 Tính toán lưu lượng nước 76 4.6 Bài toán về hiệu quả kinh tế 76 4.6.1 Chi phí cho mô hình 76 4.6.2 Các bài toán kinh tế từ việc xây dựng hệ thống 77 4.7 Các chương trình điều khiển tự động 78 4.8 Các lỗi có thể xảy ra trong hệ thống 79 Chương 5: Kết quả và bàn luận Tài liệu tham khảo 82

Trang 1

Trang

Danh mục các bảng 3

Danh mục các hình ảnh 3

Lời nói đầu 5

Chương 1: Tổng quan chung 1.1 Lịch sử nghiên cứu 6

1.2 Mô tả hiện tượng quá trình 7

1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu 8

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Khái quát chung về hệ thống tự động trồng rau nuôi cá 10

2.1.1 Khái niệm 10

2.1.2 Ưu điểm của hệ thống trồng rau nuôi cá 10

2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống 11

2.3 Phương pháp trồng cây 11

2.4 Phương pháp điều khiển tự động hệ thống 12

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống 3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí 14

3.1.1 Yêu cầu 14

3.1.2 Thành phần chính của hệ thống 14

3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển 22

3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển 22

3.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển 22

3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ 22

3.2.2.2 Cảm biến độ ẩm 27

3.2.2.3 Module Analog EM235 28

Trang 2

3.2.2.4 Bộ logic khả trình PLC 35

3.2.2.5 Khối hiển thị 47

Chương 4: Thiết kế, chế tạo, tích hợp hệ thống 4.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 53

4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 58

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: 58

4.2.2 Kết nối và lập trình cảm biến đo nhiệt độ 58

4.2.3 Kết nối và lập trình điều khiển cảm biến đo độ ẩm 62

4.2.4 Cài đặt thời gian thực cho PLC 64

4.2.5 Cài đặt thời gian hẹn giờ bật đèn và giờ tắt đèn chiếu sáng 66

4.2.6 Cài đặt thời gian bật bơm và tắt bơm 66

4.2.7 Kết nối PLC với module analog 68

4.2.8 Kết nối PLC với màn hình HMI 68

4.2.9 Thiết kế giao diện cho màn HMI 69

4.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển 72

4.4 Tính toán chọn máy bơm 74

4.5 Tính toán chọn đường kính ống và lưu lượng nước 75

4.5.1 Tính toán chọn đường kính ống 75

4.5.2 Tính toán lưu lượng nước 76

4.6 Bài toán về hiệu quả kinh tế 76

4.6.1 Chi phí cho mô hình 76

4.6.2 Các bài toán kinh tế từ việc xây dựng hệ thống 77

4.7 Các chương trình điều khiển tự động 78

4.8 Các lỗi có thể xảy ra trong hệ thống 79

Chương 5: Kết quả và bàn luận Tài liệu tham khảo 82

Trang 3

Bảng 3-1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100

Bảng 3-2: Thành phần chính của module analog

Bảng 3-3: Bảng cấu hình cho module EM 235

Bảng 3-4: Sơ đồ chân của cáp nối PLC

Bảng 3-5: Đặc điểm kỹ thuật của module mở rộng CPU226

Bảng 3-6: Thông số kỹ thuật của màn hình HMI

Bảng 4-1: Bảng khai báo địa chỉ trong PLC

Danh mục các hình ảnh

Hình 2-1: Nguyên tắc tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng

Hình 2-2: Phương pháp tưới ngập xả cạn

Hình 3-1: Mô phỏng hệ thống cơ khí

Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng cây

Hình 3-5: Mô phỏng thùng nuôi cá

Hình 3-6: Mô phỏng ống chữ L

Hình 3-7: Mô phỏng ống chữ T

Hình 3-8: Mô phỏng ống chụp

Hình 3-9: Mô phỏng thép chữ L

Hình 3-10: Cảm biến nhiệt PT100

Hình 3-11: Bộ chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ Pt100

Hình 3-12: Cảm biến độ ẩm AM2301

Trang 4

Hình 3-13: Module analog EM235

Hình 3-14: Phần mềm step 7 microwin

Hình 3-15: Module mở rộng CPU 226

Hình 3-16: Màn hình HMI

Hình 3-17 Kích thước và hình vẽ của màn hình HMI

Hình 4-1 : Thiết kế cơ khí cho hệ thống

Hình 4-2 : Ống chụp cho hệ thống thoát nước

Hình 4-3: Đường ống dẫn nước tưới rau

Hình 4-4: Ống dẫn nước xả

Hình 4-5: Máy bơm nước

Hình 4-6: Máy bơm phun sương mini 12V 60W

Hình 4-7: Kết nối cảm biến nhiệt với bộ convert

Hình 4-8: Kết nối cảm biến độ ẩm với module analog

Hình 4-9: Kết nối PLC với module analog

Hình 4-10: Kết nối PLC với màn hình HMI

Trang 5

Trong tình trạng khan hiếm nước sạch và tình trạng ngộ độc thực phẩm bởi rau phunthuốc nhiễm hóa chất Nên nhu cầu thực phẩm về rau sạch được nhiều người quan tâmvà chú ý Và chúng ta đã nghiên cứu và nuôi trồng rau sạch để phục vụ nhu cầu củacuộc sống bằng các mô hình cũng như trang trại rau sạch, không hóa chất và chất bảoquản thực phẩm Để giúp cho cuộc sống của chúng ta trở an toàn và mạnh khỏe hơn.Là sinh viên theo học khối kĩ thuật nói chung và ngành Cơ Điện Tử nói riêng, đượchọc và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ trước đã để lại, ngoài việcphải nắm vững các kiến thức có sẵn thông qua việc học lý thuyết, các sinh viên kĩthuật còn phải đưa các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo ra các mô hìnhkhoa học có khả năng ứng dụng vào thực tiễn Vì vậy đồ án chính là cơ hội tốt nhấtcho chúng em sử dụng các kiến thức học được ở trường.

Từ đó chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu và chế tạo mô hình trồng rau nuôi cá tựđộng tuần hoàn, khép kín trong gia đình” cho tốt nghiệp của mình

Tuy đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu và sử dụng các kiến thức bản thân nhưng do sự hạnchế về mặt kiến thức mà kiến thức lại rộng lớn nên chúng em không thể tránh đượcnhững thiếu sót hay mặt công nghệ còn có thể lạc hậu Vì vậy chúng em mong nhậnđược sự chỉ bảo tận tình của các thầy trong khoa giúp chúng em bổ sung và nắm vữngkiến thức của mình

Chúng em chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Ths Bùi Thanh Lâm đã giúpchúng em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Văn Thành

2 Phạm Văn Hưng

3 Nguyễn Trung Thành

Trang 6

Chương 1 : Tổng quan chung

1.1 Lịch sử nghiên cứu

Các công trình nghiên cứu

 Ở nước ngoài:

Với đề tài “ Trồng cà và nuôi cá trong một hệ thống khép kín” của các nhà khoa học ởBerlin đang nghiên cứu làm sao để có thể trồng cà chua và nuôi cá trong một hệ thốngkhép kín có tính bền vững cao, góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm thực phẩmhiện nay với chi phí thấp

Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Leibniz về sinh thái nước ngọt và nuôi cá nội địa(IGB) thực hiện dự án này tại một cái hồ lớn ở Berlin. “Aquaponik” có nghĩa là sựphối hợp giữa nuôi trồng thuỷ sản (Aquakultur) và trồng cây không cần đất(Hydroponik)

Phòng thí nghiệm là một vườn ươm, tại đây có bể nuôi cá cao bằng đầu người, ở giữacó hàng cây cà chua trồng trong chậu Những chậu này kết nối với nhau bằng các ốngvà dây, phía đằng sau là hệ thống xử lý nước thải sinh học và phễu lọc vi khuẩn Nhàkính ấm áp đến mức hơi nước ngưng tụ trên trần bằng kính – đây cũng là một bộ phậncủa chu trình tuần hoàn

 Ở trong nước:

Với việc nghiên cứu và kế thừa từ các công trình nghiên cứu từ nước ngoài Đã có rấtnhiều ý tưởng cho sự phát triển của hệ aquaponic, điển hình là chị Nguyễn PhươngLan đã cho ra mắt hệ thống ‘’ ENJOY AQUAPONICS’’

Enjoy Aquaponics là sự kết hợp của cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh.Sự kết hợp này mang lại lợi ích thiết thực và tính độc đáo của Enjoy Aquaponics Thayvì bổ sung phân bón và các hóa chất để trồng cây, Enjoy Aquaponics sử dụng chất thảitừ cá nhờ sự chuyển hóa từ các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầyđủ cho sự phát triển của cây Ngược lại thay vì xả nước ra môi trường, Enjoy

Trang 7

được tái sử dụng vô thời hạn và chỉ cần thay thế khi nó bị mất do bay hơi Đây là mộthệ thống tuần hoàn khép kín hoàn hảo.

1.2 Mô tả hiện tượng, quá trình

Đây là hệ thống tự động hóa quá trình khép kín độc đáo và hoàn hảo, kết hợp nuôitrồng thủy sản và trồng rau sạch, mang lại lợi ích thiết thực: thay vì bổ sung phân bónvà các hóa chất để trồng cây, hệ thống sử dụng chất thải từ cá, nhờ sự chuyển hóa từcác loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy đủ cho sự phát triển củacây Ngược lại, hệ thống này dùng cây trồng làm sạch nước nuôi cá và trả lại cho bể cáthay vì phải xử lý rồi xả ra môi trường Nước có thể tái sử dụng vô thời hạn, chỉ cần bổsung lượng thất thoát do bay hơi

Nguyên tắc hoạt động: Cá sử dụng thức ăn và bài tiết chất thải, với 50% ở dạngamoniac từ nước tiểu, phần còn lại là phân sẽ trải qua quá trình khoáng hóa Trong quátrình dị dưỡng, vi khuẩn tiêu thụ chất thải của cá, các vật chất thực vật và thực phẩmthừa rồi chuyển đổi thành các hợp chất amoniac và các chất khác

Yếu tố giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống là vi sinh vật Vi khuẩn cho hệthống sẽ tự phát triển và giúp hệ thống vận hành ổn định mà không cần bổ sung Vikhuẩn phát triển mạnh trong các bể cạn trồng cây, giúp chuyển hóa chất thải từ bể nuôicá thành dạng dinh dưỡng phù hợp cho cây trồng phát triển mà không cần phải cungcấp nhiều phân bón Các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa chất thải từcá thành chất dinh dưỡng cho cây trồng là Nitrosomonas chuyển hóa amoniac thànhnitrit Nitrit sau đó sẽ được chuyển hóa thành nitrate nhờ Nitrobacter, các loài thực vậtsau đó có thể tiêu thụ nitrate để phát triển

Hệ thống trồng rau nuôi cá trong gia đình hoạt động khép kín, nước từ bồn nuôi cá sẽđược bơm lên các bồn trồng rau, dinh dưỡng trong nước sẽ được rễ cây hấp thụ vànước sẽ theo các van xả chảy ngược về bồn nuôi cá, chu trình này được lặp lại liên tụcbằng hệ thống tưới hẹn giờ tự động

1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trang 8

Tự động hóa hệ thống trồng rau nuôi cá hộ gia đình.

- Sử dụng các thiết bị điện như bóng đèn, máy bơm

- Xây dựng hệ thống bao gồm: cảm biến nhiệt, cảm biến đo độ ẩm, cảm biếnquang, bộ điều chỉnh thời gian, hẹn giờ … để tự động hóa quá trình điểu khiển cũngnhư nuôi trồng

- Điều khiển các thiết bị để tự động hóa hệ thống

Mục đích để tận dụng lợi ích của việc trồng cây và nuôi cá Và tiết kiệm chi phí vậnhành cũng như công sức quản lý hệ thống Tiết kiệm được nguồn nước so với sản xuấttruyền thống, tiết kiệm diện tích Tiết kiệm sức lao động cũng như thời gian của conngười

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

 Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu tổng hợp về hệ thống aquaponics và quá trình tuần hoàn của nước và chấtdinh dưỡng

- Nghiên cứu tổng hợp việc thiết kế, gia công, lắp ráp các chi tiết để cho ra mô hìnhtrồng rau nuôi cá

- Xây dựng hệ thống điều khiển và các chương trình tự động theo từng loại cây trồngphù hợp với nhu cầu của cây để cây có thể phát triển tốt nhất

 Nghiên cứu thực nghiệm

- Chế tạo hệ thống tự động trồng rau nuôi cá để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lýthuyết

- Xây dựng bộ điều khiển để điều khiển tự động hệ thống

- Viết các chương trình tự động mở với các chế độ tự động điều khiển hệ thống

- Các chương trình tự động là các chế độ hoạt động của hệ thống tự động Dựa trên yêucầu của từng nhóm cây mà ta có các chế độ chiếu sáng cũng như điều chỉnh nhiệt độ,nhu cầu nước và độ ẩm để chăm sóc cây trồng

Kết luận chương: Sau khi nghiên cứu lịch sử phát triển của hệ thống trồng rau nuôi cá

kết hợp với việc tìm hiểu các hiện tượng quá trình diễn ra bọn em đã làm rõ vấn đề về

Trang 9

nghiên cứu lý thuyết.

Trang 10

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái quát chung về hệ thống tự động trồng rau nuôi cá

2.1.1 Khái niệm

Hệ thống tự động trồng rau nuôi cá là một hệ thống trồng rau nuôi cá khép kín Đượcứng dụng công nghệ kĩ thuật cũng như các thiết bị hiện đại để điều khiển vận hành tựđộng hệ thống mà không cần đến sự can thiệp của con người Giúp nâng cao năng suấtlao động và tiết kiệm thời gian và công sức quản lý của con người mà vẫn đạt đượchiệu quả cao

2.1.2 Ưu điểm hệ thống trồng rau nuôi cá

Các lợi ích chính của sản xuất lương thực hệ thống trồng rau nuôi cá

- Hệ thống sản xuất lương thực bền vững và chuyên sâu

- Hai sản phẩm nông nghiệp (cá và rau) được sản xuất từ một nguồn nitơ (thức ăn chocá)

- Cực kỳ tiết kiệm nước (chỉ mất nước do cây hấp thụ – bay hơi)

- Không đòi hỏi đất

- Không sử dụng phân bón hay thuốc trừ sâu hóa học

- Cho Sản lượng và Năng suất cao hơn

- Quản lý sản xuất theo phương pháp hữu cơ

- Một mức cao hơn về an toàn sinh học và rủi ro thấp hơn từ các chất ô nhiễm bênngoài

- Khả năng kiểm soát cao hơn vào sản xuất hàng đầu để giảm tổn thất

- Có thể được sử dụng trên diện tích đất phi nông nghiệp như (nhà phố – bê tông, samạc, đất bị suy thoái hay nhiểm mặn, đảo cát…)

- Tạo ra rất ít chất thải

- Tiết kiệm lao động, phù hợp cho mọi lứa tuổi và giới tính – nhiệm vụ hàng ngày chỉlà gieo trồng và thu hoạch

Trang 11

hoặc trồng thương mại.

- Vật liệu xây dựng và tài liệu hướng dẫn được phổ biến rộng rãi

2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống

Nước giàu Amoniac (NH3 – chất thải cá, thức ăn thừa) từ hồ cá qua hệ thống lọc cơhọc ở đây các chất thải rắn sẽ bị giữ lại – và sẽ bị loại bỏ ra ngoài hệ thống (thông quamột valve xã nằm ở đáy bể lọc) Nước tiếp tục đi vào bộ lọc vi sinh (nơi chứa rất nhiều

vi sinh vật hiếu khí (có lợi) như là Nitrosomonas và Nitrobacter) các vi sinh vật này sẽphân giải Amoniac (NH3) thành Nitrite (NO2-) sau đó thành Nitrate (NO3-) đây làchất dinh dưỡng cần thiết và để tiếp cận cho cây trồng Nước tiếp tục được đưa vào cácphương tiện trồng cây, tại đây rễ cây sẽ hấp thụ các chất dinh dưỡng cần thiết để pháttriển (ở đây chủ yếu là Nitrate) và góp phần lọc sạch nước Nước sạch sau đó được trảvề cho bể cá. Quy trình cứ thể lặp lại tạo nên một hệ sản xuất lương thực bền vững.Hệ thống sẽ được hoạt động tự động hóa theo chu trình khép kín và tuần hoàn theonhư hình:

Hình 2-1: Nguyên tắc tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng

2.3 Phương pháp trồng cây

Sử dụng phương pháp tưới ngập xả cạn

Trang 12

Hình 2-2: Phương pháp tưới ngập xả cạnĐây là loại hình cơ bản nhất và thích ứng với hầu hết các loại cây trồng trong hệ thốngtrồng rau nuôi cá.

- Trong loại hình này cây được trồng trong một khay chứa đầy giá thể (độ sâu khoản30cm), đáy khay có khoét lỗ thoát nước và lắp vào nó một bộ ngắt nước (shiphonbell)

- Nước từ hồ cá thông qua bộ lọc và hệ thống bơm cung cấp cho khay, khi lượng nướcđạt mức xã của shiphon (do chúng ta quy định – thường thấp hơn 3cm so với bề mặtgiá thể) nước sẽ được xã hoàn toàn đến điểm ngắt của siphon (do chúng ta quy định –thường cao hơn 3cm so với đáy khay) nước sạch được đưa ngược về hồ cá và quátrình cứ thế tiếp diễn

- Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp cho hầu hết các loại cây – tạo được điểmbám vững chắc cho các cây có thân cao, quá trình nước dâng lên – rút xuống vừacung cấp đủ nước cho cây vừa cung cấp được oxy cho rễ cây hô hấp Giá thể cũngđóng vai trò là nơi cu trú của các vi sinh vật – góp phần chuyển hóa Amoniac (NH3)thànhNitrit (NO2) sau đó thành Nitrate (NO3) cung cấp cho cây

- Nhược điểm dễ bị tụ khí ở những góc khuất, Thời gian dài chất thải rắn và tàn dư từ

rễ, lá, thân cây tích tụ trong khay làm cản trở lưu thông của nước – ảnh hưởng đến hệthống

2.4 Phương pháp điều khiển tự động hệ thống

Bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử hiện đại như cảm biến nhiệt, cảm biến đo độẩm, đóng ngắt hẹn giờ và các bộ gia nhiệt (bóng sợi đốt), bộ tăng cường ánh sáng (cácbóng đèn compact) Dưới sự điều khiển của PLC các linh kiện sẽ được kết nối với

Trang 13

trình bơm nước, phun sương tự động.

- Sử dụng PLC để điều khiển hẹn giờ chiếu sáng, các bóng đèn sẽ được bật tắt phụthuộc vào khoảng thời gian cài đặt phù hợp với điều kiện sinh trưởng của rau và cá

- Sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ môi trường trong hệthống giảm xuống dưới mức nhiệt độ cho phép được đặt ra với mỗi nhóm, loại câytrồng thì cảm biến nhiệt sẽ đo nhiệt độ và phản hồi về mạch điều khiển PLC PLC sẽđiểu khiển tín hiệu ra tác động lên bộ gia nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp(tức các bóng đèn sợi đốt sẽ được bật sáng)

- Sử dụng cảm biến để đo độ ẩm giúp duy trì độ ẩm trong hệ thống luôn đạt ở một mứcphù hợp nhất định Khi độ ẩm trong môi trường trong hệ thống dưới mức đặt ra thìcảm biến sẽ đo và gửi tín hiệu về PLC PLC sẽ xử lý tín hiệu và điều khiển tín hiệu ratác động lên bộ phun sương để điều chỉnh độ ẩm trong môi trường cho phù hợp vớimức đặt ra

Kết luận chương :

- Chương 2 giúp chúng ta hiểu rõ hơn về phương pháp trồng rau nuôi cá tuần hoàn,khép kín

- Đã đưa ra nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống cũng như là phươngpháp trồng trồng cây

- Từ đó đưa ra được phương pháp điều khiển phù hợp cho hệ thống để hệ thống hoạtđộng hiệu quả nhất

- Giúp chúng ta hiểu rõ hơn hệ thống để có thể mô hình hóa mô phỏng hệ thống

Trang 14

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí

3.1.1 Yêu cầu

Mô hình cơ khí phải đảm bảo được chắc chắn, gọn, bền và vững chắc

- Thiết kế mô hình đảm bảo vị trí các cơ cấu chấp hành và vị trí để tủ điều khiển là hợplý nhất

- Mô hình phải có tính thẩm mỹ cao

- Thiết kế tủ điều khiển dễ dàng cho người sử dụng

- Đảm bảo giá rẻ, giảm tối đa chi phí

3.1.2 Thành phần chính của hệ thống

Thành phần chính của hệ thống bao gồm:

- Phần cơ khí: khung thép, bể cá, các chậu trồng rau, các ống dẫn nước, các ống chụptrên cơ cấu thoát nước

- Phần điện - điện tử: các cơ cấu chấp hành như máy bơm và các bóng đèn, tủ điểukhiển có gắn màn hình điều khiển

Bằng cách sử dụng phần mềm Solidwork chúng em đã vẽ mô phỏng hệ thống như hình

Trang 15

 Mô phỏng chậu trồng rau :

Chậu trồng rau được làm từ nhựa đặc Dưới mỗi chậu có khoét lỗ thoát nước và lắp bộngắt nước shiphon bell Chậu có chiều dài 58cm, rộng 37.5 cm, cao 20 cm Có sẵn trên

Trang 16

thị trường nên rất dễ tìm kiếm và mua Thích hợp cho việc sử dụng để trồng rau vàođây.

Dưới đây là hình ảnh mô phỏng của chậu trồng rau :

Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng cây

Trang 17

Bể nuôi cá được làm từ nhôm có kích thước như bản vẽ Dùng để nuôi cá và chứanước để dùng nước làm nước tưới cho rau ở phía trên Có thể chứa tối đa 480 lít nước.

Hình 3-5: Mô phỏng thùng nuôi cá

Trang 18

 Mô phỏng các ống nước chữ L :

Ống chữ L được làm từ vật liệu nhựa Dùng để nối những chỗ ống nước gấp khúc đểđảm bảo cho ống nước không bị cong, không bị gãy

Trang 19

 Mô phỏng các ống nước chữ T :

Ống nước chữ T được làm bằng vật liệu nhựa PVC dùng để khi phải chia dòng nướcđể dẫn nước đi hai phía khác nhau

Trang 20

Hình 3-7: Mô phỏng ống chữ T

 Mô phỏng ống chụp

Ống chụp được làm bằng vật liệu nhựa PVC dùng để chụp lỗ khoét dưới đáy chậutrồng rau Để ngăn không cho đất có thể lọt được xuống gây tắc hệ thống thoát nước

Trang 21

Hình 3-8: Mô phỏng ống chụp

Trang 22

Hình 3-9: Mô phỏng thép chữ L

3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển

3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển :

Khối điều khiển (PLC)

Động cơ bơmtưới nước

Khối gia nhiệt

Khối tăng cườngánh sángPhun sương

Cảm biến

nguồn 24VBộ nguồn 220V

Trang 23

3.2.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển

3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ

Với yêu cầu độ chính xác càng cao thì việc đo nhiệt độ bằng các loại đồng hồ cơ khíđã không còn khả thi nữa Chính vì vậy các thiết bị đo nhiệt độ ngày càng được cảitiến hơn chính xác hơn Trong đó phải kể đến Cảm biến nhiệt độ PT100

Cảm biến nhiệt độ Pt100: Loại củ hành loại này phổ biến nhất trên thị trường có mộtđầu là cảm biến, một đầu là kết nối dây vào các bộ đọc hay các thiết bị hỗ trợ Loại củhành có loại có 2 dây, loại 3 dây, loại 4 dây, trong đó loại 3 dây là phổ biến nhất Loại

3,4 dây cho thông số nhiệt độ chính xác nhất. Cảm biến nhiệt độ Pt100 loại củ hành có

dãy đo rộng tối thiểu là -200 C và cao nhất là +400 C Can nhiệt Pt100 củ hành có các

Trang 24

chiều dài thông dụng như 50mm, 100mm, 150mm, 200mm, 300mm, 500mm, cóđường kính 6mm, 8mm, 10mm, 12mm

Hình 3-10: Cảm biến nhiệt PT100

Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim Vì Bạchkim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nênchúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở Pt100 là một đầu dò cảm biếnnhiệt bên trong có các lõi được làm bằng Bạch kim Bên ngoài có bọc một số lớp bảovệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi

Cấu tạo cảm biến nhiệt độ Pt100: cảm biến nhiệt độ Pt100 không phải hoàn toàn bằngBạch kim Việc chế tạo bằng Bạch kim là khá tốn kém cho một thiết bị đo thông dụng.Vì thế chỉ có thành phần cảm biến nhiệt mới thật sự là Bạch kim Nhằm giảm thiều chiphí sản suất các thành phần khác của cảm biến nhiệt độ Pt100 có thể được làm bằngthép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, tấm thủy tinh siêu mỏng…

Cấu tạo của đầu cảm biến nhiệt độ Pt100:

Nguyên lý hoạt động của Pt100 Nguyên lý hoạt động của Pt100 đơn giản dựa trên mốiquan hệ mật thiết giữa kim loại và nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loạicũng tăng Bạch kim cũng tương tự như vậy Theo tiêu chuẩn thì khi nhiệt độ là 00Cđiện trở của Pt100 sẽ là 100Ω Bạch kim được sử dụng rộng rãi là do các yếu tố sau trơvề mặt hóa học có nghĩa là nó rất ít hoặc không tác dụng với những chất ăn mòn hayphá hủy Điện trở có quan hệ gần như tuyến tính với nhiệt độ Hệ số tăng nhiệt độ của

điện trở đủ lớn để cho việc lấy kết quả đo dễ dàng Có độ ổn định cao Độ tuyến tínhcủa điện trở Bạch kim theo nhiệt độ kết nối và sử dụng vì Pt100 chỉ là một loại điệntrở biến đổi theo nhiệt độ nên ta không thể đọc nhiệt độ trực tiếp trên chúng Do vậy

Trang 25

với các bộ chuyền đổi tín hiệu qua 2, 3 hoặc 4 sợi dây dẫn Nhưng vì dây dẫn đượclàm bằng đồng, và chúng cũng có điện trở riêng nên dây càng dài thì kết quả đo càngkhông chính xác Vì thế các bộ chuyền đổi tín hiệu thường kết nối với cảm biến saocho khoảng cách giữa chúng càng ngắn càng tốt Khi sử dụng thì đầu dò phải tiếp xúctrực tiếp với môi trường cần đo để có kết quả chính xác Các kiểu lắp thiết bị trênđường ống.

Cảm biến nhiệt độ Pt100 thường dùng chung với bộ chuyển đổi tín hiệu điện trởPt100 sang dòng 4-20mA, 0-10V, vì một số nhà máy cần điều khiển nhiệt độ nên họphải chuyển về dòng 4-20ma để đưa vào PLC hay các bộ controller

Hình 3-11: Bộ chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ Pt100

Cảm biến đo nhiệt độ Pt100 có điện trở là 100 ohm tương ứng với chữ Pt100 tại 0 độ

C Phần lớn cảm biến do nhiệt độ Pt100 đều có 03 dây tuy nhiên có một cảm biến đonhiệt độ chỉ có 02 dây Nếu trong lần đầu tiên gặp trường hợp này thì ta sẽ bối rối khilắp đặt vì các bộ nhận tín hiệu từ Pt100 đều nhận ba dây hoặc bốn dây Khi gặp trườnghợp này hãy đấu dây như sơ đồ dưới dây :

Hình 3-12: Cách lắp đặt Pt100 2 dây – 3 dây – 4 dây

Trang 26

Theo sơ đồ trên ta thấy cảm biến đo nhiệt độ Pt100 gần như là một biến trở Thực tếchính xác là như vậy nhiệt độ khi đo làm thay đổi giá trị điện trở bên trong Các bộ đọctín hiệu Pt100 hoăc chuyển đổi tín hiệu Pt100 đều hoạt động trên nguyên tắc thay đổiđiện trở.

Bảng 3-1 thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100

Trang 27

Bảng 3-1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100

Sơ đồ kết nối giữa cảm biến nhiệt độ PT100 cùng bộ convert và module analog EM 235

Tín hiệu đo được từ cảm biến PT100 được đưa qua bộ chuyển đổi của nó, chuyển từ tín hiệu điện trở sang 4-20mA Rồi từ bộ chuyển đổi đưa vào module Analog qua chân

Ra Tín hiệu sẽ được đưa vào PLC để xử lý và đưa ra các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành

3.2.2.2 Cảm biến độ ẩm

Trang 28

Hình 3-12: Cảm biến độ ẩm AM2301Giới thiệu về cảm biến độ ẩm AM2301

AM2301 là module tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung và cảm biến nhiệt độ có độchính xác cao, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiểu mạnh, giao tiếp duy nhất 1 dây.Kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn, điệnnăng tiêu thụ cực thấp, hiệu chuẩn hoàn toàn tự động, sử dụng các cảm biến độ ẩmđiện dung, hoàn toàn hoán đổi cho nhau, tiêu chuẩn kỹ thuật số đầu ra duy nhất - mộtbust, ổn định lâu dài tuyệt vời, thiết bị đo nhiệt độ chính xác cao

Thông số kỹ thuật

Model: AM2301

Độ phân giải chính xác: 0.1

Khoảng đo: 0-100% RH

Khoảng đo nhiệt độ: -40 ℃ ~ 80 ℃

Đo lường chính xác độ ẩm: ± 3% RH

Đo lường chính xác nhiệt độ: ± 0.5 ℃

Sơ đồ kết nối cảm biến độ ẩm với EM235:

Cảm biến độ ẩm AM2301 có 3 chân được nối với 3 chân RB, B+, B- của EM235 nhưhình dưới

Trang 29

3.2.2.3 Module Analog EM235

Hình 3-13: Module analog EM235Với việc cần điều khiển cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Module analog EM235cho phép

đo nhiệt độ, độ ẩm về và xử lí tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm đó

 Khái niệm về module analog :

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

 Analog input:

Trang 30

Module analog là một công cụ để xử lý cá tín hiệu tương tự – số (A/D) nó chuyển tínhiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Dùng để kết nối các thiết bị đo vớibộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.

 Analog output:

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

Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và cá tín hiệu đo chuẩn trong côngnghiệp:

Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện.Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện nhưđộ ẩm, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, khối lượng… Vì vậy người ta cần phải có mộtthiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hay dòng điện - thiếtbị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vàocủa module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tínhiệu của công nghiệp Có hai loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điệnĐiện áp : 0-10V, 0-5V, ±5V… - Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, ± 10mA Trong khiđó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn Vì vậyngười ta cần phảidùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp Kết hợp các đầucảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường gọitắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer)

Trang 31

EM235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1 AO 12 bit (có tích hợp bộ chuyển đổiA/D và D/A 12 bit bên trong)

Các thành phần chính của module analog EM235

Bảng 3-2: Thành phần chính của module analog

 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu analog ngõ vào của EM235

Trang 32

 Sơ đồ khối mạch xử lý tín hiệu ngõ ra analog của EM235

 Cách nối dây

Bộ biến đổi Điện áp – dòng điện

Dữ liệu số

Bộ biến đổi

Digital -Analog

Bộ đệm điện áp

Trang 33

- Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp :

- Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện :

 Đầu ra tương tự :

Cấp nguồn cho module :

Trang 34

Tổng quát cách nối dây :

 Cài đặt tín hiệu vào:

Module EM 235 cho phép cài đặt tín hiệu và độ phân giải đầu vào bằng switch

Sau đây là bảng cấu hình:

Trang 35

 Trình tự thiết lập và căn chỉnh cho module Analog

- Hãy tắt nguồn cung cấp cho module

- Gạt switch để chọn dải đo đầu vào

- Bật nguồn cho CPU và module Để module ổn định trong vòng 15 phút

- Sử dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp giá trị 0 đến một trong

những đầu vào

- Đọc giá trị nhận được trong CPU

- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh OFFSET để đưa giá trị về 0 (căn chỉnh điểm 0), hoặcgiá trị số cần thiết kế

- Sau đó nối một trong những đầu vào với giá trị lớn nhất của dải đo

- Đọc giá trị nhận được trong CPU

- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh GAIN để đọc được giá trị là 32000, hoặc giá trị sốcần thiết kế

- Lặp lại các bước chỉnh OFFSET và GAIN nếu cần thiết

Chú ý :

Phải chắc chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải được loại bỏ nhiễu và phải ổn định.Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu

Các đầu vào Analog không sử dụng phải được nối ngắn mạch ( ví dụ A+ nối với A- )

3.2.2.4 Bộ logic khả trình PLC

PLC viết tắt của (Progammble Logic Control), hình thành từ các nhóm kĩ sưhãng general Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏamãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

- Dễ dàng sửa chũa thay thế

- Ổn định trong môi trường công nghiệp

- Giá cả cạnh tranh

Trang 36

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các Modulmở rộng

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như làyếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp Trướcđây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao Hiệnnay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để nâng caonăng suất và chất lượng

Để thực hiện một trương trình điều khiển thì PLC phải có tính năng như một máy tính,hay phải có bộ vi xử lý( CPU ), một hệ điều hành, bộ nhớ lưu chương trình điều khiển,dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với nhiều đối tượng điều khiển và trao đổithong tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài tán điều khiểnsố, PLC còn cần có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm( Counter ), bộđịnh thời( timer)… và những khối hàm chuyên dụng khác

Cấu trúc phần cứng:

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENS (CHLB Đức)có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng Các modul này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-226

CPU 226 có các đặc điểm sau:

module

Memory

In put modul

Link

Cấu trúc cơ bản của PLC

Trang 37

- 6ES7216-2AD23-0XB0

- Nguồn cung cấp: 24 VDC

- Ngõ ra số : 16 DO DC

- Bộ nhớ chương trình: 24KB

- Bộ nhớ dữ liệu: 10KB 2 PPI/FREEPORT PORTS

- Điều khiển PID: Có

- Phần mềm: Step 7 Micro/WIN

- Thời gian xử lý 1024 lệnh nhị phân : 0.37ms

- Bit memory/Counter/Timer : 256/256/256

- Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 Khz

- Bộ đếm lên/xuống: Có

- Ngắt phần cứng: 4

- Sốđầuvào/racósẵn:24DI/16DO

- Số đầu vào/ra số cực đại (nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng): DI/DO/MAX: 128 /

120 / 248

- Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 196 x 80 x 62

- Loại AC/DC/Rơle: CPU 226: Mã 6ES7 216-2BD23-0XB0

- Nguồn: 100 tới 230 VAC; đầu vào: 24 VDC; đầu ra: Rơle

- Số đầu ra được tích hợp sẵn: 16 (Rơle)

- Thực hiện trọn gói những công việc kỹ thuật phức tạp

Thêm cổng PPI làm tăng tính linh hoạt và lựa chọn truyền thông

Ngoài ra, CPU 226 XM có bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được nâng caoToàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLCbị mất nguồn cung cấp

Các cổng vào ra

Trang 38

Cổng truyền thông:

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụcho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền chomáy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự dolà 38.400 baud

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với bộchuyển đổi RS232/RS485

Chân Giải thích

3 Truyền và nhận dữ liệu

Trang 39

8 Truyền và nhận dữ liệu

Bảng 3-4: Sơ đồ chân của cáp nối PLC

Chế độ làm việc:

PLC có 3 chế độ làm việc:

- RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUNsang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP

- STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP

- TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc RUNhoặc STOP

Cấp nguồn cho PLC :

 Ngõ vào:

Giả sử cần kết nối 1 công tắc, hoặc 1 nút nhấn cho ngõ vào PLC

- - Chân 1M, 2M nối chung với chân M

Trang 40

- Chân L+ nối vào 1 đầu của tiếp điểm, đầu còn lại của tiếp điểm nối vào các ngõ vào Itrên PLC.

 Ngõ ra:

- Kết nối PLC điều khiển đèn Light, điều khiển Relay, các cơ cấu chấp hành khác…

- - Chân 1L, 2L nối vào nguồn dương

- Từng ngõ ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vào nguồn âm

Thực hiện chương trình.

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đếm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiên chương trình Trong từng vòng quét,

chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc

(MEND) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	7,28 MB