Luận văn nghiên cứu, thiết kế hệ thống pha chế, cung cấp dung dịch tự động cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thuỷ canh

luận văn

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . i BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI -------------o0o------------- NGUYỄN THÁI HỌC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHA CHẾ, CUNG CẤP DUNG DỊCH TỰ ðỘNG CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT RAU AN TOÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số : 60.52.54 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS. PHAN XUÂN MINH TS. NGÔ TRÍ DƯƠNG HÀ NỘI - 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các tài liệu, số liệu ñược nêu trong luận văn là trung thực. Các luận ñiểm và các kết quả nghiên cứu chưa từng ñược công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 17 tháng 10 năm 2010 Tác giả luận văn Nguyễn Thái Học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . ii LỜI CẢM ƠN Luận văn ñược hoàn thành tại Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa Cơ ðiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của: PGS.TS. PHAN XUÂN MINH TS. NGÔ TRÍ DƯƠNG Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả ñã nhận ñược sự giúp ñỡ chân thành và nhiệt tình của các Thầy (Cô) Bộ môn ðiều khiển tự ñộng – Khoa ðiện – ðại học Bách khoa Hà Nội, các Thầy (Cô) Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa Cơ ðiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, các Thầy (Cô) trong Viện ñào tạo sau ñại học – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội và cùng toàn thể bạn bè, ñồng nghiệp. Nhân dịp này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. PHAN XUÂN MINH và TS. NGÔ TRÍ DƯƠNG ñã trực tiếp hướng dẫn khoa học,cùng các tập thể, cá nhân, các nhà khoa học và các bạn bè ñồng nghiệp về những ñóng góp quý báu trong quá trình thực hiện luận văn. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình ñộ có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp chân thành của quý Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp. Hà Nội, ngày 17 tháng 10 năm 2010 Tác giả luận văn Nguyễn Thái Học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii MỞ ðẦU .vii I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI .1 II. MỤC ðÍCH CỦA ðỀ TÀI 2 III. ðỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .2 IV. NHIỆM VỤ CỦA ðỀ TÀI .2 V. NỘI DUNG ðỀ TÀI 3 VI. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 VII. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3 VIII CƠ SỞ DỮ LIỆU .4 IX. CẤU TRÚC CỦA ðỀ TÀI .4 CHƯƠNG I ðÁNH GIÁ TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAO VÀO SẢN XUẤT RAU AN TOÀN .5 1.1.Tình hình sản xuất rau ứng dụng công nghệ cao ở Việt Nam 5 1.2. Tình hình sản xuất rau ứng dụng công nghệ cao trên thế giới 5 1.2.1. Mô hình giao diện ñiều khiển của Jack Ross 7 1.2.2. Mô hình giao diện ñiều khiển của Garzoli Keith 8 1.2.3. Giao diện của phần mềm ñiều khiển ECOS [14] 9 1.3. Quy trình sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh .10 1.4. Hệ thống tự ñộng hóa sản xuất rau an toàn cho nhiều loại rau 13 1.5. Cách pha chế dung dịch trong quá trình sinh trưởng và phát triển của rau trồng thủy canh .15 1.6. Lựa chọn phương pháp trộn .16 1.7. Kết luận 17 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . iv CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SIMATIC Manager PHẦN MỀM GIAO DIỆN ðIỀU KHIỂN WinCC CỦA HÃNG SIEMENS 19 2.1. Hệ SIMATIC S7 -300 [6] .19 2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị ñiều khiển logic khả trình (PLC) .19 2.1.2 Các module của hệ PLC S7-300 .19 a). Module CPU: 19 b). Module mở rộng: 20 2.1.3 Cấu hình hệ thống ñiều khiển trên nền PLC S7-300 .20 2.2 Phần mềm STEP 7 21 2.2.1 Các chức năng cơ bản của STEP 7 21 2.2.2 Phương pháp tổ chức chương trình ñiều khiển .22 2.2.2.1 Lập trình tuyến tính .22 2.2.2.2 Lập trình có cấu trúc .22 2.2.2.2.1 Các khối tổ chức OB .22 2.2.2.2.2 Các hàm và các khối hàm .24 2.2.2.2.3. Module ñiều khiển mềm trong SIMATIC Manager[19] 25 2.2.3. Mạng PLC dùng Profibus DP .30 2.2.3.1 Phân loại mạng Profibus .30 a. Mạng Profibus – FMS (Field Message Specification) 31 b). Mạng Profibus PA ( Process Automation) 32 2.2.3.2. Các thiết bị thường dùng trong mạng Profibus– DP .32 2.2.3.3. Thiết bị master sử dụng trong mạng PLC 34 2.2.3.4. Thiết bị slave sử dụng trong mạng PLC .35 2.3. Phần mềm thiết kế giao diện giám sát, ñiều khiển hệ thống WinCC 36 2.4. Kết luận 37 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . v CHƯƠNG III. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH PHA CHẾ, CUNG CẤP DUNG DỊCH TỰ ðỘNG 39 3.1. Quy trình công nghệ và các tham số ñiều khiển 39 3.2. Bài toán ñiều khiển nhiệt ñộ dung dịch bình trộn .41 3.2.1. Quy trình công nghệ 41 3.2.2. Mô hình hóa ñối tượng nhiệt ñộ buồng trộn .42 3.2.2.1. Mô hình hóa ñối tượng trong SIT của Matlab .42 A). Tổng quan về công cụ SIT trong Matlab .42 a). ðịnh nghĩa mô hình (Definition of Model) 42 b) Một số mô hình ñược hỗ trợ trong SIT .43 c) ðịnh nghĩa Model object .44 d) Tổng quan về ước lượng mô hình (Estimating Models) .45 e) Mô hình ñược hỗ trợ cho dữ liệu trong miền thời gian, miền tần số 45 f) Các thuật toán ñược hỗ trợ ñể ước lượng tham số cho mô hình .46 B. Làm việc với SIT GUI .46 a) Nhập mô hình vào System Identification Tool 47 b) Nhập dữ liệu vào System Identification Tool 48 c). Ước lượng tham số mô hình không tham số tuyến tính và mô hình tham số 51 3.2.2.2. Thiết kế bộ ñiều khiển dựa trên cơ sở thực nghiệm .63 3.3. Bài toán ñiều khiển tỷ lệ trộn dung dịch theo nồng ñộ EC 65 3.4. Bài toán ñiều khiển mức các bình dung dịch thành phần .66 3.5. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật .66 3.5.1 Cấu trúc hệ thống ñiều khiển và giám sát 66 3.5.2. Kiểm chứng giải pháp kỹ thuật trên một nhà trồng 67 3.5.2.1. Giải pháp phần cứng 67 3.5.2.2. Thiết kế phần mềm ñiều khiển 69 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . vi a. Bài toán ñiều khiển mức và trộn dung dịch 71 b. Bài toán ổn ñịnh biến EC trong dung dịch 71 c. Bài toán ñiều khiển nhiệt ñộ dung dịch bình trộn .72 3.5.2.3. Thiết kế giao diện giám sát, ñiều khiển hệ thống .74 3.5. Thiết kế bản vẽ thi công 76 3.6. Lập trình ñiều khiển, vận hành chạy thử mô hình thông qua giao diện ñiều khiển 83 3.7. Kết quả và thảo luận 87 3.8. Kết luận 93 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ .95 1. KẾT LUẬN 95 2. ðỀ NGHỊ 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . vii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sản xuất cà chua trong nhà plastic theo phương pháp bán thuỷ canh không hồi lưu RtW ở Úc. 5 Hình 1.2 Sản xuất xà lách trong nông trại có mái che theo phương pháp thuỷ canh hồi lưu NFT ở Úc. 6 Hình 1.3 Sản xuất rau ăn lá trong nhà kính theo phương pháp thuỷ canh ở Nhật bản. 6 Hình 1.4 Sản xuất dâu tây trong nhà plastic theo phương pháp thuỷ canh ở Nhật bản. 6 Hình 1.5 Mô hình giao diện ñiều khiển của Jack Ros 7 Hình 1.6 Mô hình giao diện ñiều khiển của Garzoli Keith 8 Hình 1.7 Giao diện của phần mềm ñiều khiển Ecos 9 Hình 1.8 Mô hình hệ thống thuỷ canh hồi lưu kiểu NF 11 Hình 1.9 Mô hình hệ thống thủy canh không hồi lưu kiểu RtW 12 Hình 1.10 Mô hình hệ thống sản xuất rau an toàn 14 Hình 2.1 Lập trình tuyến tính 22 Hình 2.2 Sơ ñồ cấu trúc của khối FB41 25 Hình 2.3 Sơ ñồ cấu trúc chức năng của khối FB 41 26 Hình 2.4 Giao diện tạo khối DB mới 27 Hình 2.5 Gán tham số cho khối FB 41 27 Hình 2.6 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển PID trong khối OB35 29 Hình 2.7 Phân cấp trong một mạng 29 Hình 2.8 Mạng Profibus FMS 30 Hình 2.9 Mạng Profibus DP 30 Hình 2.10 Nối Bus connector 32 Hình 2.11 ET 200M 34 Hình 2.12 ET 200B 34 Hình 3.1 Quy trình công nghệ của hệ thống pha chế cung cấp dung dịch tự ñộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh 38 Hình 3.2 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống ổn ñịnh nhiệt ñộ dung dịch bình trộn 39 Hình 3.3 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống ñiều khiển 40 Hình 3.4 Giao diện của SIT GUI 43 Hình 3.5.a Nhập mô hình vào SIT trong Matlab 44 Hình 3.5.b Nhập mô hình vào SIT trong Matlab 45 Hình 3.6 ðặc tính nhiệt ñộ dung dịch trộn 46 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . viii Hình 3.7.a Nhập dữ liệu vào SIT trong Matlab 47 Hình 3.7.b Nhập dữ liệu vào SIT bằng cách chọn Import data 47 Hình 3.8 Cửa sổ ước lượng tham số trong SIT của Matlab 50 Hình 3.9 Cửa sổ sau khi ước lượng tham số trong SIT của Matlab 53 Hình 3.10 So sánh ñồ thị ñặc tính của ñối tượng thực với ñặc tính của khâu quán tính bậc nhất có trễ 54 Hình 3.11 Cửa sổ hiển thị kết quả các giá trị trong hàm truyền của khâu quán tính bậc nhất có trễ 54 Hình 3.12 So sánh ñồ thị ñặc tính của ñối tượng thực với ñặc tính của khâu quán tính bậc hai có trễ 55 Hình 3.13 Cửa sổ hiển thị kết quả các giá trị trong hàm truyền của khâu quán tính bậc hai có trễ 56 Hình 3.14 So sánh ñồ thị ñặc tính của ñối tượng thực với ñặc tính của khâu quán tính bậc ba có trễ 57 Hình 3.16 Sơ ñồ mô phỏng hệ thống ñiều khiển 59 Hình. 3.17 Kết quả mô phỏng với bộ ñiều khiển PI và Km = 0.5; T I = 1/255.8936 59 Hình 3.18 Cấu trúc hệ thống ñiều khiển và giám sát 62 Hình 3.19 Giải pháp phần cứng cho một nhà trồng 63 Hình 3.20 Cấu trúc chương trình trong khối OB35 64 Hình 3.21 Cấu trúc chương trình trong khối OB1 65 Hình 3.22 Thuật toán ñiều khiển mức dung dịch 65 Hình 3.23 Thuật toán ñiều khiển tỷ lệ phối trộn theo nồng ñộ EC 66 Hình 3.24 Thuật toán ñiều khiển nhiệt ñộ dung dịch trộn 67 Hình 3.25 Lập trình ñiều khiển trên phần mềm STEP7 67 Hình 3.26 Lập trình giao diện giám sát, ñiều khiển bằng phần mềm Wincc 68 Hình 3.27 Sơ ñồ cấp ñiện tổng 70 Hình 3.28 Sơ ñồ mạch lực 71 Hình 3.29 Mạch cấp nguồn cho hệ thống ñiều khiển 72 Hình 3.30 Mạch tạo nguồn một chiều cho mạch ñiều khiển 72 Hình 3.31 Mạch ñiều khiển 73 Hình 3.32 Mạch ñiều khiển van ñiện 74 Hình 3.33 Sơ ñồ ñiều khiển cảm biến mức 75 Hình 3.34 Sơ ñồ ñấu dây ñầu vào và ñầu ra bộ ñiều khiển PLC 76 Hình. 3.35 Giao diện ñiều khiển hệ thống pha chế và trộn dung dịch 77 Hình. 3.36 Cửa sổ lựa chọn thông số cho giao diện ñiều khiển 78 Hình. 3.37 Cửa sổ giám sát các thông số vận hành của hệ thống 78 0 0 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật . ix Hình. 3.38 Cửa sổ giám sát, ñiều khiển hệ thống 79 Hình. 3.39 Cửa sổ vận hành chế ñộ ñiều khiển cưỡng bức hệ thống theo thời gian thực 80 Hình. 3.40 Cửa sổ theo dõi quá trình hoạt ñộng của các cơ cấu trong hệ thống 81 Hình. 3.40 Mô hình hệ thống pha chế và trộn dung dịch tự ñộng phục vụ cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thủy canh 85 . hành nghiên cứu ñề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống pha chế, cung cấp dung dịch tự ñộng cho dây chuyền sản xuất rau an toàn bằng phương pháp thuỷ canh .. THÁI HỌC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHA CHẾ, CUNG CẤP DUNG DỊCH TỰ ðỘNG CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT RAU AN TOÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH LUẬN VĂN THẠC SĨ