.Mơ hình hệ thống e-Aqua - (Luận văn thạc sĩ) Nghi- 123docz.net

Hệ thống đã được đăng ký sở hữu trí tuệ và đã có cơng văn cấp văn bằng bảo hộ số 15112/SHTT-SC3 của Cục Sở hữu trí tuệ.

Sơ đồ lắp đặt hệ thống và bố trí các điểm đo được trình bày trên Hình 7.

Một số hình ảnh về giao diện trên thiết bị di động để giám sát và điều khiển từ xa được trình bày ở các hình 3 và 4.

Hình 2. 6.Giao diện trên thiết bị di động để giám sát từ xa.

Mơ hình lắp đặt

Trong ao ni thủy sản nồng độ ơ xy hịa tan (DO) phân bố tăng dần từ trong ra ngồi theo đường kính, nên DO thấp nhất sẽ là giữa ao. Nên chọn điểm đo đầu tiên là điểm giữa ao (cách hố xi phông từ 1–2 m) nhằm mục đích xác định hàm lượng DO tại điểm thấp nhất lúc đó có thể ước tính được hàm lượng chất độc trong ao để lên phương án xử lý ao. Điểm thứ 2 là điểm cách góc ao 1/6 đường chéo ao (cách bờ từ 3–4 m) vì điểm này đại diện cho gần bờ nhất và cũng là khu vực tôm ăn và phát triển. Với những ao có diện tích nhỏ hơn 1.500 m2 thì có thể dùng hệ thống e-AQUA đo cho 8 ao.

Hình 2. 8.Sơ đồ lắp đặt hệ thống e-AQUA cho 8 ao nhỏ hơn 1.500 m2.

Với những ao có diện tích lớn hơn 2.000 m2 nên đo mỡi ao 2 điểm để có kết quả chính xác chất lượng nước trong ao.

Khoảng cách từ điểm cần đo cho đến máy không nên vượt quá 100m. Các đường ống dẫn nước đo phải được chôn cách mặt đất 0,2 mét, mục đích cách ly với nhiệt độ môi trường để không ảnh hưởng các chỉ tiêu trong quá trình máy đo lấy mẫu.

Ưu điểm của công nghệ. Hiệu quả kinh tế - Ưu điểm

+ Hệ thống e-AQUA hoạt động theo nguyên lý tập trung, 1 hệ thống e-AQUA đo được cho 8 điểm đo. Do đó sẽ đơn giản hơn trong q trình lắp đặt, vận hành và bảo trì hệ thống. Bên cạnh đó hệ thống e-AQUA sử dụng các cảm biến trong nhà (indoor) nên sẽ tăng tuổi thọ và độ ổn định của hệ thống so với các phương pháp đo tại ao. Bảng 1 thể hiện một số tính năng ưu việt của hệ thống e-AQUA so với các sản phẩm khác theo phương pháp đo tại ao.

Bảng 5. So sánh tính năng của hệ thống e-AQUA và các thiết bị khác theo phương pháp đo tại ao

Tính năng Phương pháp đo của e-AQUA Phương pháp đo tại ao

Một bộ cảm biến đo cho 8 điểm 1 điểm

Chi phí trên 1 điểm đo Thấp (chỉ bằng khoảng 1/3) Cao

Vệ sinh cảm biến Đơn giản (vệ sinh 1 bộ cảm biến) Phức tạp (vệ sinh 8 bộ cảm biến)

Bộ phận tự vệ sinh Có Đa số là khơng có

Chu kỳ vệ sinh 3 ngày < 1 ngày

Hiệu chuẩn Đơn giản (hiệu chuẩn 1 bộ cảm biến) Phức tạp (hiệu chuẩn 8 bộ cảm biến) Tuổi thọ cảm biến 2 năm (do để trong nhà) < 6 tháng (do ở ngoài trời)

Tuổi thọ các bộ phận khác 3-10 năm -

Cảnh báo cúp điện Có Khơng

Khả năng tích hợp cảm biến khác Có Có/Khơng có

Mở rộng chức năng điều khiển Dễ dàng Hạn chế

Giám sát và cảnh báo từ xa Có Có

Lưu trữ dữ liệu cho phân tích Có Có/Khơng có

- Hiệu quả kinh tế : Kết quả sử dụng thử nghiệm trên ao nuôi tôm tại HTX Hưng

Phú, Sóc Trăng cho thấy:

+ Tiết kiệm 2,5 triệu tiền điện cho 1 ao trong 1 vụ.

+ Tăng 8–10% năng suất nuôi, tương ứng 30 triệu đồng/ ao/vụ so với ao đối chứng. + Giảm chi phí thuốc và hóa chất.

+ Kịp thời cảnh báo các sự cố.

+ Giúp chủ trang trại theo dõi mọi lúc, mọi nơi từ xa qua điện thoại di động hay máy tính bảng.

Bảng 6. Hiệu quả kinh tế

TT Nội dung Giảm Tăng

1 Rủi ro xảy ra do tôm thiếu oxy nên chết

hay phát triển chậm x

2 Rủi ro tôm bệnh hay chết do chất lượng

môi trường nước không đảm bảo x

3 Chi phí điện năng x

4 Chi phí cơng đo chất lượng nước x

5 Chi phí KIT đo chất lượng nước Loại bỏ

6 Chi phí mua máy đo cầm tay Loại bỏ

7 Độ chính xác của kết quả đo x

Khả năng được cảnh báo qua điện thoại di động khi có chỉ tiêu chất lượng nước không đạt

9 Lo lắng về sự thay đổi bất thường của các

chỉ tiêu chất lượng nước x

2.2.2.3. Giới thiệu sơ bộ về sản phẩm của đề tài:

- Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

+ Bộ điều khiển trung tâm: Làm nhiệm vụ thu thập thông tin về chỉ tiêu chất lượng nguồn nước liên tục, suốt ngày đêm; Phát lệnh điều khiển các thiết bị động lực để duy trì thơng số chất lượng nguồn nước trong giới hạn cho phép; Lưu trữ các kết quả thu thập thông tin chỉ tiêu chất lượng nguồn nước, các biện pháp xử lý để duy trì chất lượng nguồn nước; Gửi thông tin cảnh báo khi một hoặc nhiều chỉ số vượt ngưỡng cho phép thông qua các thiết bị cố định tại ao nuôi hoặc thiết bị di động như điện thoại.

+ Màn hình cảm ứng: Hiển thị thơng tin về chỉ tiêu chất lượng nguồn nước liên tục, suốt ngày đêm; Hiển thị biện pháp xử lý để duy trì thơng số chất lượng nguồn nước trong giới hạn cho phép.

+ Thiết bị đo tại ao nuôi: Đo các thông số về chỉ tiêu chất lượng nguồn nước liên tục, suốt ngày đêm và gửi thông tin về bộ điều khiển trung tâm.

+ Bộ điều khiển thiết bị động lực: Nhận lệnh điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm để điều khiển việc cấp điện, dừng cấp điện, điều chỉnh tốc độ quay của thiết bị động lực như động cơ bơm, động cơ quạt, hệ thống sục ô xy, …

2.3. Phân tích, lựa chọn hệ thống tối ưu nhất

Hiện các hệ thống tự động giám sát mơi trường ao ni của nước ngồi và trong nước chế tạo đã được triển khai thực tế tại Việt Nam đều có tính tự động hóa cao tuy nhiên giá thành đầu tư cho các sản phẩm này cịn cao, chưa phù hợp với các hộ ni tơm; Đồng thời những hệ thống này sử dụng những bộ điều khiển mà những người khơng có chun mơn rất khó sử dụng. Vì vậy, những hệ thống điều khiển trên không mang lại hiệu quả cao khi ứng dụng trên thực tế.

2.4. Kết luận

Hệ thống có thế tự động kiểm sốt chất nước nước trong 2 ao ni tơm với mỗi ao một điểm đo thông số được đặt ở khu vực ao nuôi, với các chức năng chính như sau

+ Hiển thị tức thời các chỉ số chất lượng nước trong ao nuôi trên màn hình hiển thị, máy tính, điện thoại.

+ Lưu trữ dữ liệu chỉ số chất lượng môi trường nước theo các mốc thời gian: Dạng biểu đồ hoặc dạng dữ liệu Exel.

+ Các cảnh báo liên quan đến chất lượng nước trong ao nuôi.

+ Hiển thị các biện pháp xử lý chất lượng nước dựa theo thông số chất lượng nước ao nuôi

+ Điều khiển các thiết bị động lực như máy bơm, máy sục khí, quạt nước để điều chỉnh chỉ số chất lượng nước.

Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NGUỒN NƯỚC TRONG

NUÔI TRỒNG TÔM THẺ CHÂN TRẰNG

3.1. Đặc điểm, tình hình sản xuất, kinh doanh của doanh nghiệp nuôi trồng tôm thẻ chân trắng

Theo https://tepbac.com/tin-tuc/full/thai-binh-huong-di-dung-trong-nuoi-tom- the-chan-trang-29057.html

Những năm qua, huyện Tiền Hải đã có nhiều giải pháp phát triển ni trồng thủy sản, trong đó các mơ hình ni tơm thẻ chân trắng ứng dụng cơng nghệ cao đang là hướng đi tạo ra sự đột phá mới, mang về nguồn thu nhập khá cao cho người dân.

3.2. Tính toán thiết kế hệ thống.

Để đáp ứng yêu cầu của hệ thống, chúng tôi thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ thống như sau

Hình 3. 1. Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của hệ thống giám sát, điều khiển tự động

+ Tủ cảm biến và truyền tín hiệu: Tủ sẽ có các cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ mặn, cảm biến ơ xy hịa tan, cảm biến pH- nhiệt độ, cảm biến ơ xy hóa khử để đo các thông số môi trường trong ao nuôi. Các cảm biến được gắn với tủ cảm biến và lắp đặt trên phao nổi. Tín hiệu cảm biến sẽ được truyền về tủ điều khiển trung tâm.

+ Tủ điều khiển trung tâm và màn hình hiển thị: Gồm hệ thống xử lý trung tâm, màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển động lực (Gồm các rơ le, aptomat, cơng tắc tơ). Tủ điều khiển có chức năng thu nhận và hiển thị các thông số môi trường đo được từ các cảm biến; điều khiển các thiết bị động lực để duy trì các thơng số mơi trường trong ao nuôi; hiện thị cảnh báo trên màn hình khi các thơng số mơi trường vượt ngưỡng cho phép; đưa ra các chỉ dẫn cho người nuôi trên màn hình; gửi các thơng số mơi trường đo được từ các cảm biến đến máy tính/điện thoại.

+ Máy tính: được kết nối với tủ điều khiển trung thơng qua hệ thống kết nối có dây. + Các thiết bị động lực gồm

- 01 động cơ không đồng bộ 3 pha 5,5kw cho hệ thống sục khí cho 2 ao nuôi. - 04 động cơ không đồng bộ 3 pha 1,5kw của hệ thống quạt nước cho 2 ao nuôi - 02 bơm nước 1 pha 1 pha 2,2 kw cho hệ thống cấp nước vào cho 2 ao nuôi.

3.2.1. Lựa chọn thiết bị của hệ thống cảm biến và truyền tín hiệu 3.2.1.1. Các thiết bị trong tủ cảm biến và truyền tín hiệu 3.2.1.1. Các thiết bị trong tủ cảm biến và truyền tín hiệu

- Cảm biến đo pH và nhiệt độ : Yêu cầu của cảm biến pH và nhiệt + Giải đo pH: 0-14 pH

+ Giải đo nhiệt độ: 0-100 độ + Nguồn cấp: 12-24VDC

+ Tín hiệu ra: 4-20mA or RS485 - Cảm biến đo Oxy DO, nhiệt độ

+ Giải đo: 0-20 mg/L + Nguồn cấp: 12-24VDC

+ Tín hiệu ra: 4-20mA or RS485 - Cảm biến đo ơ xy hóa khử

+ Nguồn cấp: 12-24VDC

+ Tín hiệu ra: 4-20mA or RS485 - Cảm biến đo độ mặn

+ Giải đo: 0-0.15 mol/L + Nguồn cấp: 12-24VDC

+ Tín hiệu ra: 4-20mA or RS485

3.2.1.2. Vỏ tủ

- Chất liệu : Sử dụng chất liệu chịu được ăn mòn, chịu được mơi trường khi lắp ngồi trời

- Lựa chọn vỏ kích thước 200x300x150mm dầy 1mm

3.2.1.3. Phao nổi

- Chất liệu : Bằng xốp hoặc nhựa, có thể nổi lên trên bề mặt nước, chịu được môi trường nước ao hồ nuôi tôm, môi trường ngồi trời

- Chọn phao nổi có kích thước như sau: 1630x300x180mm

3.2.1.4.Nguồn điện cấp cho hệ thống

a. Nguồn điện lưới : Xây dựng hệ thống điện lưới truyền tải đến hệ thống

- Ưu điểm : Đảm bảo đủ điện cấp cho hệ thống - Nhược điểm :

+ Sử dụng hệ thống dây dẫn dài, khó lắp đặt (Do hệ thống đặt ở các vị trí trên mặt nước của ao)

+ Khơng đảm bảo khi điện lưới bị mất

b. Năng lượng mặt trời : Xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời tại hệ thống

- Ưu điểm : Nhỏ gọn, tính cơ động cao

- Nhược điểm : Hệ thống đắt tiền, khó khăn trong việc lắp đặt, bảo dưỡng

c. Năng lượng lưu điện (lưu điện chuyển từ acqui 12VDC, 24VDC lên 220AC

hoặc sử dụng trực tiếp 12VDC, 24VDC ) - Ưu điểm : Nhỏ gọn, tính cơ động cao - Nhược điểm :

+ Phải định kỳ kiểm tra, sạc lại bình acqui

+ Khi bình yếu sinh ra hiện tượng hệ thống bị chập chờn

3.2.2. Các thiết bị trong tủ điều khiển trung tâm 3.2.2.1. Bộ điều khiển trung tâm

a. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng Vi điều khiển họ 8051

- Ưu nhược điểm của hệ thống :

+ Ưu điểm : Rẻ tiền , dễ lập trình điều khiển + Nhược điểm :

Bị ảnh hưởng nhiễu của hệ thống sinh ra(bị rối loạn chương trình) Hạn chế trong việc kết nối với các hệ thống cảm biến hiện đại Hạn chế trong việc truyền thông dữ liệu

Hạn chế trong việc mở rộng

b. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng Vi điều khiển họ Pic

Ưu nhược điểm của hệ thống :

- Ưu điểm : Rẻ tiền , dễ lập trình điều khiển - Nhược điểm :

Hạn chế trong việc mở rộng

c. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng Vi điều khiển họ Arduino - Ưu nhược điểm của hệ thống :

+ Ưu điểm : Rẻ tiền , dễ lập trình điều khiển + Nhược điểm :

Hạn chế trong việc mở rộng

Plc là viết tắt của cụm từ program logic controller, tạm dịch có nghĩa là thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình được. Plc ra đời để thay thế những hệ thống điều khiển cũ sử dụng nhiều relay, tiếp điểm, nút nhấn để thực hiện nhiệm vụ, trong khi đó plc sử dụng các tiếp điểm ảo giúp người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi, lập trình và hiểu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong thực tế.

- Ứng dụng của PLC trong thực tế

+ Ứng dụng của plc hiện nay rất phổ biến trong công nghiệp cũng như đời sống. Những loại máy móc nhỏ như đóng gói, băng tải cũng có thể sử dụng một số dịng plc kinh tế có in/out ít, thiết kế nhỏ gọn với giá thành rất cạnh tranh. Đặc điểm chính của những loại plc này đó chính là tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết để linh hoạt sử dụng cho nhiều ứng dụng cơ bản.

+ Đối với những hệ thống lớn, điều khiển phức tạp như dây chuyền xử lý nước thải, nhà máy xi măng thì có những dịng plc thiết kế dạng module tùy theo nhu cầu mà có thể sử dụng nhiều loại module khác nhau. Khi sử dụng loại này thì chúng ta phải tính tốn loại CPU chính cũng như số lượng in/out, module analog, truyền thơng để có thể đáp ứng đúng và đủ yêu cầu kỹ thuật của dự án.

+ Trong đời sống thì plc có thể ứng dụng cho rất nhiều hệ thống đèn giao thông, nhà thông minh. Đặc biệt trong sự phát triển của nền nơng nghiệp thì plc đã và sẽ ứng dụng nhiều để giúp hiện đại hóa q trình sản xuất nơng nghiệp ở của nước ta hiện nay.

Kết luận :

Để đáp ứng yêu cầu của tủ điều khiển trung tâm, chúng tôi lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-1200

3.2.2.2.Bộ lập trình SIMATIC S7-1200, CPU 1212C, AC/DC/relay a. Mã : 6ES7212-1BE40-0XB0

+ Đầu vào số : 8 DI 24 V DC + Đầu ra Rơle 6 DO 2 A

+ Đầu vào tương tự: 2 AI 0-10 V DC, + Nguồn điện: AC 85-264 V AC ở 47-63 Hz

+ Bộ nhớ chương trình / dữ liệu 75 KB

b. Module đầu ra số: 6ES7222-1HF32-0XB0

- Nguồn cấp: 24 V DC

- Số lượng đầu ra số: DQ 8xRLY 30 V DC/250 V AC 2 A

- SM 1222 RLY, Supply 24 V DC,DQ 8xRLY 30 V DC/250 V AC 2 A

c. Module đầu vào tương tự 6ES7231-4HF32-0XB0

Tên sản phẩm Mơ đun 6ES7231-4HF32-0XB0 Siemens

Dịng SIMATIC S7-1200

Loại sản phẩm SM 1231 Nguồn điện 24 VDC Dòng tiêu thụ 65 mA Công suất tiêu thụ 1.8 W

Đầu vào Analog

- 8AI