Nghiên cứu, thiết kế, hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nguồn nước để nâng cao năng suất, chất lượng nuôi tôm thẻ chân trắng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KY THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HỒNG SƠN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC ĐỂ NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG NUÔI TÔM THẺ CHÂN TRẮNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KY THUẬT ĐIỆN TỬ Thái Nguyên – Năm 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KY THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HỒNG SƠN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC ĐỂ NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG NUÔI TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NGÀNH KY THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: …… LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KY THUẬT ĐIỆN TỬ KHOA ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Thái Nguyên – Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Hồng Sơn Sinh ngày: 01 tháng 08 năm 1985 Học viên Cao học Khoá 21 – Lớp Kỹ thuật Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nguồn nước để nâng cao suất, chất lượng nuôi tôm thẻ chân trắng ” giáo TS Trần Thị Hịa thầy giáo PGS.TS Đào Huy Du hướng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu cô giáo, thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Phạm Hồng Sơn năm ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ giáo TS Trần Thị Hòa thầy giáo PGS.TS Đào Huy Du, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nguồn nước để nâng cao suất, chất lượng nuôi tôm thẻ chân trắng” hTàinxitnhàbnàhy tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: Cơ giáo TS Trần Thị Hịa thầy giáo PGS.TS Đào Huy tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Các thầy giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên bạn bè đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bTèôiđxồinngcnhgâhniệthpà nh cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm Học viên Phạm Hồng Sơn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: THỰC TRẠNG NUÔI TRỒNG TÔM THẺ CHÂN TRẮNG 1.1 Tình hình chung thực trạng ni tơm thẻ chân trắng 1.1.1 Tình hình chung giới 1.1.2 Tình hình chung Việt Nam 1.2 Các vấn đề xảy q trình ni trồng tơm thẻ chân trắng 1.2.1 Đặc tính tơm thẻ chân trắng 1.2.2 Các vấn đề xảy q trình ni trồng tôm thẻ chân trắng 1.3 Phương hướng khắc phục 13 1.3.1 Đối với bệnh môi trường thả nuôi cần ý : 13 1.3.2 Đối với chất lượng tôm q trình ni cần ý : 18 1.4 Kết luận 22 Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG NƯỚC 23 VÀ TỰ ĐỘNG CẢNH BÁO 23 2.1 Yêu cầu số môi trường nước nuôi trồng tôm thẻ chân trắng 23 2.1.1 Điều kiện ao nuôi 23 2.1.2 Quy trình ni 24 2.1.3 Tổng quan biện pháp quản lý chất lượng nước ao nuôi trồng thủy sản 2.2 Giới thiệu chung hệ thống giám sát có .28 2.2.1 Nước ngồi 28 2.2.2 Trong nước 29 2.3 Phân tích, lựa chọn hệ thống tối ưu 37 2.4 Kết luận 37 Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG KIỂM SỐT NGUỒN NƯỚC TRONG NI TRỒNG TÔM THẺ CHÂN TRẰNG 39 3.1 Đặc điểm, tình hình sản xuất, kinh doanh doanh nghiệp nuôi trồng tôm thẻ chân trắng 39 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 39 3.2.1 Lựa chọn thiết bị hệ thống cảm biến truyền tín hiệu 40 3.2.2 Các thiết bị tủ điều khiển trung tâm 42 3.2.3 Các thiết bị động lực 46 3.2.4 Màn hình HMI 50 3.2.5 Thiết kế sơ đồ nối dây 50 3.2.5.1 Sơ đồ mạch động lực 50 3.2.6 Nghiên cứu thiết kế điều khiển smartphone 55 3.2.7 Nghiên cứu thiết kế điều khiển máy tính xách tay 56 3.2.8 Hệ thống cảm biến 57 3.3 Kết thử nghiệm 63 3.3.1 Thử nghiệm hệ thống tự động kiểm sốt chất lượng nước ao ni tơm 63 3.3.2 Hiệu chỉnh hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nước ao nuôi tôm 67 3.3.3 Hướng dẫn vận hành hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nước ao nuôi tôm 71 3.4 Kết luận chương 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ cơng nghệ hệ thống kiểm sốt nguồn nước cho ao ni tơm thẻ chân trắng 19 Hình Sơ đồ điều khiển hệ thống 20 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống .21 Hình Sơ đồ cơng nghệ hệ thống kiểm sốt nguồn nước cho ao ni tơm thẻ chân trắng ………………………………………………………………………….28 Hình 2 Thực tế hồ nuôi tôm 29 Hình 3.Hệ thống quan trắc chất lượng nước ao nuôi 30 Hình 4.Mơ hình hệ thống e-Aqua 32 Hình Sơ đồ bố trí điểm đo 32 Hình 6.Giao diện thiết bị di động để giám sát từ xa 33 Hình Giao diện smartphone để điều khiển từ xa 33 Hình 8.Sơ đồ lắp đặt hệ thống e-AQUA cho ao nhỏ 1.500 m2 34 Hình 9.Sơ đồ lắp đặt hệ thống e-AQUA cho ao lớn 2.000 m2 34 Hình 10 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống .35 Hình Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống giám sát, điều khiển tự động…………………………………………………………………………… 39 Hình Sơ đồ khối chip ARM core ARM7 .50 Hình 3 Board mạch Arduino Mega 2560 51 Hình Cấu trúc PLC 52 Hình Một số hãng plc thông dụng .52 Hình Module đầu số: 6ES7222-1HF32-0XB0 53 Hình Module đầu vào tương tự 6ES7231-4HF32-0XB0 53 Hình Nguồn tổ ong DC 24 .54 Hình Áp tô mát 55 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Các yếu tố môi trường phù hợp để thả tôm thẻ chân trắng 16 Bảng 2.Các yếu tố môi trường phù hợp q trình ni tơm thẻ chân trắng 17 Bảng Tỷ lệ sửdụng Formalin hồ có độ mặn khác .17 Bảng Số lượng máy quạt nước 26 Bảng Điều chỉnh lượng thức ăn 28 Bảng Các thơng số thủy hóa tối ưu, giúp tôm phát triển tốt 30 Bảng Chất lượng nước cấp vào ao nuôi nước ao nuôi tôm 32 Bảng So sánh tính hệ thống e-AQUA thiết bị khác theo phương pháp đo ao 35 Bảng Hiệu kinh tế 36 Bảng 10 Thông số kĩ thuật .38 LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, tôm thẻ chân trắng nuôi trồng phổ biến nước Trong q trình ni tơm thẻ chân trắng xử lý mơi trường nước ni tơm công việc quan trọng Để nuôi tôm thành công, cần đảm bảo hàng loạt tiêu chất lượng nước như: nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH, NH3, NO2, H2S, độ kiềm, độ mặn, nồng độ khoáng chất, nồng độ Nitrat, nồng độ phốt pho, mật độ vi khuẩn, mật độ tảo, … phải nằm ngưỡng cho phép Chỉ cần tiêu vượt ngưỡng cho phép tơm bị ảnh hưởng, chậm lớn, giảm sức đề kháng, nhiễm bệnh chết Trong số tiêu chất lượng nước, có tiêu biến đổi nhanh (thay đổi liên tục ngày) như: nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH cần phải theo dõi, giám sát suốt ngày đêm Các tiêu liên quan đến lượng khí độc NH3, NO2, H2S ảnh hưởng lớn đến sức khỏe tôm nên cần phải giám sát liên tục Trong thực tế nay, nhiều trang trại nuôi tôm theo dõi tiêu chất lượng nước biến đổi nhanh (nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH) KIT hay máy đo cầm tay với tần suất 1-3 lần/ngày Phương pháp có nhược điểm: - Khơng thể đo đêm (thời gian ban đêm dễ xảy rủi ro ban ngày) - Chỉ giám sát vài tiêu chất lượng nước nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH - Tốn nhiều cơng, khó kiểm tra xem nhân viên thực có giám sát đầy đủ xác hay khơng - Việc lưu trữ liệu để tổng hợp, phân tích, cải tiến quy trình gần khơng thể thực - Không thể thực chế giám sát kép (giám sát lại người giao nhiệm vụ giám sát) hạn chế việc cảnh báo - Không thể khắc phục kịp thời cố bất thường Chính nhược điểm phương pháp theo dõi thủ công mà 40% - 45% trang trại, gia trại gặp thất bại q trình ni tôm chưa xử lý kịp thời môi trường nước ni tơm thời gian vừa qua Vì vấn đề cấp thiết đặt cần phải có hệ thống tự động kiểm tra, giám sát nhiều số chất lượng nguồn nước liên tục để đưa cảnh báo, dẫn biện pháp kiểm soát chất lượng nguồn nước nhằm xử lý kịp thời xác vấn đề phát sinh chất lượng nguồn nước để trì chất lượng nguồn nước ln đảm bảo u cầu, từ đem lại thành cơng cho trình gia tăng suất chất lượng, hiệu nuôi tôm thẻ chân trắng Doanh nghiệp nuôi trồng thủy sản lớn khó khăn nội dung nêu Cơng ty TNHH Long Hải (GĐ Trương Văn Trị) Công ty TNHH Phương Nam (GĐ Đô Quang Bốn) địa huyện Tiền Hải tỉnh Thái Bình Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết nêu trên, em chọn đề tài cho luận văn là: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nguồn nước để nâng cao suất, chất lượng nuôi tôm thẻ chân trắng” 2.Mục tiêu nghiên cứu - Đo số môi trường nước hồ nuôi tôm thẻ chân trắng như: nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH, NH3, NO2, H2S, độ kiềm, độ mặn, nồng độ khoáng chất, liên tục, suốt ngày đêm - Xây dựng hệ thống giám sát từ xa - Thu thập, lưu trữ liệu trình sản xuất nhằm giúp thống kê, phân tích cải tiến quy trình cơng nghệ Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Thực trạng nuôi tôm thẻ chân trắng - Hệ thống giám sát số môi trường nước tự động cảnh báo, kiểm soát nguồn nước hồ nuôi tôm Ý nghĩa luận văn - Các giải pháp xác định số môi trường nước hồ nuôi tôm + Nồng độ ô xy nằm ngưỡng tối ưu 3.3.3 Hướng dẫn vận hành hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nước ao nuôi tôm 3.3.3.1 Hướng dẫn vận hành tủ điều khiển trung tâm Bước 1: Kiểm tra tình trạng thiết bị động lực tủ điều khiển + Kiếm tra tình trạng thiết bị động lực: Động sục khí, động quạt nước, động bơm + Kiểm tra tủ điều khiển trung tâm: Nguồn cấp điện pha, kiểm tra đầu đầu thiết bị động lực, tình trạng hình HMI + Kiếm tra tủ cảm biến: Trạng thái đấu nối tín hiệu tủ cảm biến Bước 2: Khởi động tủ điều khiển trung tâm + Bật áp tô mát cấp nguồn pha: ATM00 + Bật áp tô mát cấp nguồn pha: ATM01 + Bật áp tô mát cấp nguồn cho PLC: ATM02 + Bật áp tô mát cấp nguồn pha cho cuộn dây công tắc tơ : ATM03 + Bật áp tô mát cấp nguồn cho thiết bị động lực: ATM1�ATM7 Bước 3: Thiết lập thông số ngưỡng thơng số + Kích vào phần tên thơng số mơi trường hình cảm ứng + Nhập thông số ngưỡng vào ô tương ứng Bước 4: Lựa chọn chế độ hoạt động cho hệ thống Cơng tắc xoay lựa chọn chế độ có vị trí: Tại chơ từ xa Bước 5: Chế độ vận hành tay Khi công tắc xoay để vị trí chơ: Muốn bật thiết bị động lực nào, ta chọn thiết bị động lực hình HMI + Khi chọn hoạt động, biếu tượng thiết bị chuyển từ mầu đỏ sang mầu xanh + Khi muốn tắt thiết bị động lực, ta chọn vào biểu tượng thiết bị động lực, biếu tượng thiết bị chuyển từ mầu xanh sang mâu đỏ Bước 6: Chạy tự động hệ thống Chuyển công tắc xoay từ phần tay sang phần tự động Các thiết bị động lực tự động chạy dựa thông số môi trường 3.3.3.2 Hướng dẫn vận hành thơng qua máy tính Bước 1: Khởi động tủ điều khiển trung tâm Bước 2: Bật máy tính mở trình duyệt web Bước 3: Truy cập vào địa http://tomtb.ddns.net/ Bước 4: Theo dõi số môi trường nước Bước 5: Can thiệp vào hệ thống tự động kiểm sốt chất lượng nước ao ni tơm Truy cập vào địa http://tomtb.ddns.net/admin Nhập Id mật Hệ thống giao diện đăng nhập vào hệ thống Cho thiết bị động lực chạy cách kích vào biểu tượng thiết bị động lực 3.3.3.3 Hướng dẫn vận hành thông qua điện thoại Bước 1: Khởi động tủ điều khiển trung tâm Bước 2: Bật điện thoại mở trình duyệt web Bước 3: Truy cập vào địa http://tomtb.ddns.net/ Bước 4: Theo dõi số môi trường nước Bước 5: Can thiệp vào hệ thống tự động kiểm sốt chất lượng nước ao ni tôm Truy cập vào địa http://tomtb.ddns.net/admin Nhập Id mật Hệ thống giao diện đăng nhập vào hệ thống Cho thiết bị động lực chạy cách kích vào biểu tượng thiết bị động lực 3.4 Kết luận chương Sau xây dựng hệ thống áp dụng vào thực tế thấy kết đạt - Hệ thống đáp ứng yêu cầu đề : Các thông số môi trường nước đưa hệ thống xử lý trung tâm Và hệ thống điều khiển phụ tải cấp nước, sục oxxi - Các thông số hiển thị hình HMI giúp cho người vận hành dễ dàng việc quản lý - Thông số báo qua hệ thống Website điện thoại di động thông minh - Các ngưỡng cảnh báo, điều khiển cài đặt theo yêu cầu kỹ thuật nuôi tôm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt được: Luận văn trình bày sở lý thuyết điều kiện môi trường nuôi tôm thẻ chân trắng Các yếu tố tác động đến chất lượng q trình ni tơm Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát số môi trường nước tự động cảnh báo, kiểm sốt nguồn nước hồ ni tơm Hạn chế đề tài: Thiết kế đề xuất thể nhiều ưu điểm nêu, nhiên bên cạnh cịn thể nhược điểm sau: Chưa phân tích kỹ lưỡng mơi trường sống tôm theo vùng địa lý, khu vực vùng Mới nghiên cứu khu vực Tỉnh Thái Bình Chưa có so sánh mơ hình ni đơn lẻ mơ hình ni tập trung Hệ thống thiết kế sử dụng hệ điều khiển hãng PLC S7-1200 Chưa nghiên cứu hệ khác Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo: Để giúp cho tốn hồn thiện hơn, nghiên cứu tới cần quan tâm vấn đề sau: - Xây dựng hệ thống thông số điều kiện sống tôm theo vùng địa lý, theo mùa năm - Phân tích hệ điều khiển khác, so sánh với hệ điều khiển PLC S7-1200 để tìm hệ thống ưu việt - Tiến hành áp dụng vào mơ hình thực tế sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh, "Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển", NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 [2] Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thành, Hồng Sỹ Hồng, “Giáo trình đo lường cảm biến đo lường”, NXB Giáo dục, 2005 [3] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, "Cảm biến", NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000 [4] Quy trình ni tơm thẻ chân trắng siêu thâm canh 02 giai đoạn thay nước theo cơng nghệ trúc anh (Ban hành kèm theo Quyết định số 502/QĐ-TCTSKHCN&HTQT ngày 03/5/2017 Tổng cục trưởng Tổng cục Thủy sản) [5] Một số bệnh thường gặp tôm chân trắng cách phòng trị - chuyên ngành thủy sản – Khoa Nông lâm – ĐHQB ngày 25/3/2015 [6] Bai Giang- Quan Ly CLH Trong NTTS (Truong Quoc Phu) – Khoa thủy sản – ĐH Cần thơ [7] Kỹ thuật nuôi tôm thẻ chân trắng không sử dụng kháng sinh hạn chế hóa chất - Tài liệu tập huấn khuyến nơng năm 2018 [8] Sổ tay an tồn tiết kiệm điện nuôi tôm – Dự án “ Phát triển chuỗi giá trị sản xuất tôm bền vững công Việt nam – susv [9] http://www.binhlan.com/Chat-luong-nuoc-nuoi-tom-ca.html [10] http://www.nakawin.com/tin-tuc/mot-so-bien-phap-xu-ly-khi-cac-chi- tieu-moi-truong-nuoc-nuoi-ao-tom-bi-vuot.html [11] https://eplusi.net/eplusi-e-sensor [12] https://google.com.vn/ PHỤ LỤC Kết lập trình sau MỌT SỐ HÌNH ẢNH CHUYỂN GIAO CƠNG NGHỆ Hình ảnh lắp tủ cảm biến Lắp đặt tủ cảm biến ao số Lắp đặt tủ cảm biến ao số Lắp đặt tủ điều khiển trung tâm ... nước ao nuôi tôm thẻ chân trắng, cụ thể sau * Hệ thống kiểm soát chất lượng nguồn nước cho tôm thẻ chân trắng Indonesia Hệ thống kiểm soát chất lượng nguồn nước cho ao nuôi tôm thẻ chân trắng. .. cấp thiết nêu trên, em chọn đề tài cho luận văn là: ? ?Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động kiểm soát chất lượng nguồn nước để nâng cao suất, chất lượng nuôi tôm thẻ chân trắng? ?? 2.Mục tiêu nghiên. .. THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HỒNG SƠN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC ĐỂ NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG NUÔI TÔM THẺ CHÂN TRẮNG NGÀNH KY THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ