đồ án hệ thống tưới rau nhỏ giọt sử dụng plc s7 200

đồ án :dùng plc s7200 cho hệ thống tưới nhỏ giọt đồ án tự động hóa quá trình. mong sẽ giúp đỡ được các bạn Cuộc sống gắn liền với sự tiện lợi, được sử dụng các dịch vụ tốt nhất,nhanh nhất. Đối với các nước phát triển công nghệ tự động hóa được áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó có thể kể đến những ứng dụng thực tế trong cuộc sống hằng ngày là:”

CHƯƠNG 2: Xây Dựng Thuật Toán Điều Khiển

2.1 Công nghệ sản xuất rau an toàn

2.2 Hoạt động của hệ thống

2.3.Yêu cầu công nghệ của một số loại rau

2.4 Thuật toán điều khiển mô hình

2.5 Sơ đồ thuật toán mô hình

2.6 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3: Thiết kế và mô phỏng hệ thống

3.1 Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PLC.

3.2 Cấu trúc cơ bản của PLC S7 -200 với khối xử lý CPU224.

3.3 Hướng dẫn lắp đặt mạng lưới đường ống trong hệ thống tưới nhỏ giọt

Lời 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, dung,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 ngàycàng 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

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

Do đótôi chọn và nghiên cứu đề tài "Thiết kế hệ thống tự động tưới phục vụ sản xuất rau sạch " vì tính thực tế và cấp thiết của nó với xã hội hiện đại ngày nay Nhờ

các kiến thức đã học cũng như tìm hiểu trên internet và sự giúp đỡ tận tình của cô

giáo Ngô Thị Lê đã giúp tôi thực hiện được đề tài này

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 ở trong nước.-Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên phần mềm lập trình Simatic s7-200

-Ứng dụng phần mềm Simatic s7-200 để xây dựng chương trình điều khiển hệ thống

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 và lập trình điều khiển hệ thống tưới tự động phục vụ sản xuất rau an toàn

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 nghiệpđược đảng và nhà nước quan tâm nên đã giải quyết được vần đề an ninh lương thực,

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 ư 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 (N03 ) 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 (N03 ) trong rau là nguyên nhân làm rau không sạch Nước ta quy định hàm lượng (N03 ) 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 vậtcùng 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 mươngtưới 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 nó là rất lớn ư do rau là nguồn thực phẩm quan trọng đối với đời sống con người nên giải pháp duy nhất đối với ngành trồng rau là nhanh chóng đưa tiến bộ vào sản suất đặc điểm chung của các cây rau là yêu cầu độ ẩm rất cao thường từ 85-95%, nếu thiếu nước cây rau sẽ không sinh trưởng và phát triển được và chúng cần một nhiệt độ ổn định,

do vậy đưa cây rau vào sản xuất thuỷ canh không dùng đất là rất phù hợp Phương pháp này sẽ nâng cao một cách đáng kể về năng xuất và cải thiện tương đối về mặt ô nhiễm 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

1.2 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 cóthể 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 bịhạn 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

+ Quy 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 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 0,002ư0,008 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 bênthường 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 10ư15m 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 đấtkhông đều và tốn 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 (30-900m3 /

- 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 nướctrên đồng ruộng Ở Mỹ hệ số sử dụng hữu ích khi tưới phun mưa là 0,67, còn phươngpháp 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 lượngđường 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 củacây 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% ỞViệt 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

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 Hiệusuất sử dụng nước tưới được tăng lên và đảm bảo đúng chế độ nước của đất theo nhucầu 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 Nguyêntắc 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 haohơi 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 sựphát 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 xuấtqua 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 sảnxuất 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, làmxuất 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:

Giai đoạn 1: cho đến những năm 1940 Trong giai đoạn này cơ sở lý 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 ổnđịnh; 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 raưmimo” 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 trongthời 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

Giai đoạn 3: giai đoạn “điều khiển bền vững” được bắt đầu từ những 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 sốtrong 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 Thành tựu của tự động hoá trong quá trình sản xuất

Thế giới đang ngày càng phát triển, cuộc sống con người ngày càng 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 ngànthông 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

1.3.3 Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế hệ thống 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 3ư4 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 1

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 1 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 2 Xây Dựng Thuật Toán Điều Khiển

2.1 Công nghệ sản xuất rau an toàn

Hệ thống tưới nhỏ giọt cho rau an toàn trong nhà lưới Sau đây là sơ đồ và hoạt động của hệ thống

CHÚ THÍCH :B1 ,B2,B3,B4 :kí hiệu của bơm 1 ,bơm 2,bơm 3,bơm 4.

MT (mo tơ ) BĐB : bơm dùng để bơm nước từ nguồn nước

E1: bình trộn dung dịch ,E2 : bình chứa dung dịch sau đã trộn E3: khu vực trồng các loại rau

2.2 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,hỗn hợp 3 bình sẽ được đưa 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 tự động hoàn toàn :

Các dung dịch gốc trong các bình nhỏ , sau đó được đổ vào các bình chính gồm bình

1 ,2,3, Ở đây các bơm B1 ,B2,B3 (được nối với bộ timer được lập trình chạy theo thời gian khác nhau nhằm các chất khi đưa vào bình trộn với tỷ lệ chuẩn ) sẽ đảm nhận nhiệm

vụ đưa dung dịch đến bình trộn Dung dịch khi đưa vào bình trộn sẽ được mô tơ khuấy trộn ,Cùng thời gian đó nước sẽ được đưa từ nguồn nước vào trong bình trộn nhờ bơm

ĐB ( được nối với bộ timer) Dung dịch sẽ được trộn với nước đúng tỷ lệ nhất định mà không cần tác động bằng tay như cách bán tự động Sau khi lượng dung dịch trong bình trộn đã đủ ,dung dịch sẽ được đưa vào bình chứa dung dịch thành phẩm Bơm 4 được nốivới bộ timer được lập trình chạy theo thời gian tưới nhất định ( hoặc thay đổi tuỳ theo thời kì sinh trưởng của cây ,Ở đây ví dụ cho thời gian khi mới mọc mầm thời gian tưới là

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 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 Các van điện trong hệ thống cũng sẽ được nối với bộ timer lập trình Tất cả sẽ tạo nên hệ thống tưới tự động hoàn toàn trong quá trình tưới

2.3 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

2.4 Thuật toán điều khiển mô hình:

Sơ đồ công nghệ của mô hình:

CHÚ THÍCH : B1 ,B2,B3,B4 :kí hiệu của bơm 1 ,bơm 2,bơm 3,bơm 4.

MT (mo tơ ) BĐB : bơm dùng để bơm nước từ nguồn nước

E1: bình trộn dung dịch ,E2 : bình chứa dung dịch sau đã trộn

E3: khu vực trồng các loại rau MTB2 mức thấp binh dung dịch sau trộn

MC1,MC2,MC3 : mức cao bình 1,2,3.MC4,MT4 mức cao,thấp bình trộn

Để làm sáng tỏ khả năng điều khiển của PLC S7 – 200 tôi phân

hoạt động của mô hình ra thành 3 thuật toán riêng

* Trộn dung dịch.

Ban đầu V1,V2,V3 sẽ đóng 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,đồng thời V1,V2,V3 sẽ được mở) Các máy bơm này chuyển dung dịch gốc từ 3bình vào bình trộn với tỷ lệ sẽ được quyết định bằng cách đặt thời gian hoạt động khác nhau cho máy bơm Khi trong bình trộn đã có dung dịch mức thấp trong bình dung dịch

sẽ được Mo tơ MT khấy trộn sẽ hoạt động đồng thời V4 sẽ đóng đồng thời bơm ĐB bơm nước từ nguồn nước sẽ được hoạt động trong thời gian nhất định Sau một thời gian trộn

MT ngừng hoạt động, đồng thời van 4 (V4) sẽ mở ,dung dịch sẽ được chuyển xuống bình chứ dung dịch sau thành phẩm quấy trộn 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 tôi tượng chưng 4 ống tưới là 4 hệ thống tưới khác nhau được điều khiển trên một hệ thống Do đó tôi xây dựng 2 thuật toán gồm: cả 4 hệ thống tưới cùng lúc và 4 hệ thống tưới riêng rẽ

+ Bốn hệ thống cùng tưới:sau khi người điều khiển bấm nút Start, sau khi dung dịch đã

được chuyển xuống bơm 4(B4) Bơm 4 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).Các van

5,6,7,8 sẽ được mở Khi mức thấp bình chứa dung dịch MTB2 báo thì máy bơm B4 dừng và chương trình kết thúc Trong quá trình tưới nước đầu ra bơm 4 sẽ được nuối với van giảm áp nhằm giảm áp lực nước

+ Bốn hệ thống tưới riêng rẽ: sau khi người điều khiển bấm nút Start, sau khi dung dịch

đã được chuyển xuống bơm 4(B4) Bơm 4 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) Van 5 tưới 1 thời gian thì V6 mở tưới sau đó V7 lạimở tưới,sau đó sẽ là van 8 mở ( thời gian tưới của các hệ thống là tuỳ thuộc và yêu cầucông 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 vàchương trình kết thúc Trong quá trình tưới nước đầu ra bơm 4 sẽ được nuối với van giảm áp nhằm giảm áp lực nước

+ Vấn đề gặp phải trong quá trình điều khiển về bốn hệ thống riêng rẽ : không giống như

trường hợp tưới cùng lúc ,trường hợp tưới riêng rẽ phải lập trình thời gian cho các van điện từ mở trong khoảng thời gian khác nhau Để tiết kiệm đầu vào của PLC mà không cần dùng modun mở rộng khiến giá thành phải tăng lên tôi dùng luôn cảm biến mức cao bình 3 áp dụng cho V5 ,V6 van 7 V7 sẽ được mở bởi mức thấp trong bình chứa dung dịch bình thứ 2 MTB2 Van 8 sẽ mở dựa theo mức cao trong bình 2

2.5 Sơ đồ thuật toán mô hình :

* Sơ đồ thuật toán trộn dung dịch.

Sơ đồ thuật toán tưới cùng lúc :