THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG NHÀ KÍNH TRỒNG HOA PHONG LAN

Thiết kế và thi công hệ thống nhà kính trồng hoa phong lan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

***

TP Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 1 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Bùi Tá Đỉnh MSSV: 17151066

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Lớp: 17151CL2B

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Trường Tài MSSV: 17151123

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Lớp: 17151CL2B

Chuyên ngành: CNKT Điều khiển và Tự động hóa

Mã ngành: 151 Khóa: 2017

Giảng viên hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Tấn Đời

Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài:

1 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH TRỒNG HOA LAN

2 Các số liệu tài liệu ban đầu

 Thông tin số liệu về các nhà kính tại Việt Nam

 Mô hình các nhà kính hiện nay

 Các tài liệu manual sử dụng của các thiết bị

3 Nội dung thực hiên đề tài

 Thiết kế thi công mô hình

 Xây dựng chương trình điều khiển giao tiếp giữa các thiết bị với PLC

 Thiết kế màn hình điều khiển và giám sát trên SCADA

 Viết báo cáo

4 Sản phẩm: Mô hình nhà kính

Nguyễn Tấn Đời

***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Bùi Tá Đỉnh MSSV: 17151066

Nguyễn Trường Tài MSSV: 17151123 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng hoa lan

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Tấn Đời

1 Về nội dung và khối lượng công việc

Nhóm sinh viên đã thực hiện hoàn chỉnh mô hình nhà kính trồng hoa lan Bao gốm thiết kế và thi công hoàn chỉnh phần cứng mô hình, lập trình PLC điều khiển các thiết bị, thiết kế giao diện điều khiển và giám sát mô hình trên máy tính

2 Ưu điểm

 Đề tài thực hiện được các yếu cầu đề ra ban đầu

 Thiết kế truyền thông modbus giữa PLC và các cảm biến

 Quản lí được các thông số cơ bản của một nhà kính

 Thi công hoàn chỉnh mô hình

3 Khuyết điểm

 Một số cơ cấu hoạt động của nhà kính chưa đúng thực tế

 Cần quản lí thêm các yếu tố về dinh dưỡng, kiểm soát qua internet

4 Đề nghị bảo vệ hay không

 Đề nghị cho phép nhóm sinh viên được bảo vệ đề tài

5 Ý kiến khác

 Do ảnh hưởng dịch bệnh nên việc thi mô hình của sinh viên gặp nhiều khó khăn

TP.Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 1 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Tấn Đời

*** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Bùi Tá Đỉnh MSSV: 17151066

Nguyễn Trường Tài MSSV: 17151123 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng hoa lan

Họ và tên Giáo viên phản biện: Ths Phùng Sơn Thanh

NHẬN XÉT:

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

 Nội dung và khối lượng đề tài phù hợp với một đồ án tốt nghiệp Mô hình được hoàn thành kèm giao diện điều khiển giám sát mô hình trên máy tính

2 Ưu điểm:

 Thiết kế truyền thông modbus giữa PLC và các cảm biến

 Quản lí được các thông số cơ bản của một nhà kính

3 Khuyết điểm:

 Một số cơ cấu hoạt động của nhà kính chưa đúng thực tế

 Cần quản lí thêm các yếu tố về dinh dưỡng, kiểm soát qua internet

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Được bảo vệ

5.Đánh giá loại:

……….….….….…

6 Điểm:……8/10………(Bằng chữ……Tám điểm………)

TP.Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 1 năm 2022

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

Phùng Sơn Thanh

Trong thời gian thực hiện đề tài này, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô và bạn bè, vậy nên nhóm em xin chân thành cảm ơn:

 Ban giám hiệu nhà trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho sinh viên học tập và nghiên cứu

 Quý thầy cô trong trường đã tận tình giảng dạy những kiến thức từ cơ bản đến chuyên sâu để nhóm có thể thực hiện và hoàn tất đồ án này

 Thư viện trường đã cung cấp giáo trình và tài liệu tham khảo trong suốt quá trình học tập của sinh viên

 Đặc biệt là sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Tấn Đời đã chỉ dạy, giúp đỡ và phân tích rõ về những vấn đề sinh viên còn khúc mắc Mặc dù nhóm đã cố gắng trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài nhưng do kiến thức còn hạn chế nên trong đồ án này chúng em còn nhiều thiếu sót về nội dung

và hình thức Nhóm em hi vọng quý Thầy Cô thông cảm và tận tình đóng góp ý kiến quý báu để chúng em có thể hoàn thiện mô hình và bài báo cáo tốt hơn

Một lần nữa nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài

Bùi Tá Đỉnh – Nguyễn Trường Tài

Với đề tài “Thiết kế và Thi công Mô hình nhà kính trồng hoa lan” nhằm tạo

ra một hệ thống có thể giúp đỡ người nông dân tăng năng suất và chất lượng sản phẩm đồng thời hạn chế chi phí ở mức thấp nhất Đặc biệt tình hình nhu cầu thị trường ngày càng tăng nhưng diện tích đất canh tác ngày càng giảm lại thêm thời tiết thay biến đổi gây rất nhiều khó khăn cho người nông dân Hệ thống khi được sử dụng sẽ quản lí và điều khiển tất cả các yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng

và phát triển của cây trồng nhằm tạo ra môi trường sống tôt nhất cho cây trồng Thiết kế và thực hiện đề tài được tham khảo dựa, trên các hệ thống Nhà kính thực

tế đang có trên thị trường nhằm mang lại tính thực tế cao nhất đối với đề tài

Đề tài sử dụng hệ thống nhiều cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, ) để kiểm soát mô trường Ngoài ra hệ thống có tích hợp chu trì chăm sóc cây trồng theo từng giai đoạn phát triển riêng biệt của cây trồng Bên cạnh đó, hệ thống còn có thể được giám sát thông qua màn hình SCADA tại máy tính và có thể truy suất dữ liệu để kiểm tra quá trình hoạt động của hệ thống

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT ĐỀ TÀI v

MỤC LỤC vi

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH ix

PHỤ LỤC BẢNG xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài và giới hạn đề tài 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Giới thiệu hệ thống nhà kính 3

2.1.1 Nhà kính tại Israel 3

2.1.2 Nhà kính tại một số quốc gia khác 5

2.2 Tình hình sử dụng nhà che phủ nông nghiệp ở Việt Nam 6

2.2.1 Tại Hà Nội và khu vực phía Bắc 6

2.2.2 Tại thành phố Hồ Chí Minh và khu vực phía Nam 8

2.2.3 Tình hình sử dụng nhà che phủ nông nghiệp tại tỉnh Lâm Đồng 9

2.3 Nhu cầu của thị trường hoa phong lan 12

2.5 PLC (Programmable Logic Controller) 14

2.5.1 Giới thiệu về PLC 14

2.5.2 Cấu trúc của PLC 16

2.5.3 Nguyên lý hoạt động của PLC 17

2.5.4 Ứng dụng của PLC 18

2.6 Giao thức Modbus RTU 18

2.6.1 Giới thiệu về Modbus RTU 18

2.6.2 Cấu tạo của giao thức Modbus RTU 19

2.6.3 Nguyên lý hoạt động của Modbus RTU 20

2.6.4 Ứng dụng của giao thức Modbus RTU 21

2.7.1 Vào/ra tập trung 24

2.7.2 Vào/ra phân tán 25

2.8 Tổng quan và tính năng của SCADA 26

2.8.1 Tổng quan về SCADA 26

2.8.2 Nguyên tắc thiết kế SACDA 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.1 Thiết kế phần cứng 28

3.1.1 Yêu cầu thiết kế và quy trình vận hành của hệ thống 28

3.1.2 Thiết kế cơ khí 29

3.2 Thiết kế kết cấu điện 30

3.2.1 Yêu cầu thiết kế 30

3.2.2 Sơ đồ khối và chức năng từng khối 30

3.2.3 Lựa chọn thiết bị cho từng khối 31

3.2.4 Sơ đồ nối đây 44

3.2.5 Kết cấu tủ điện 46

3.3 Thiết kế chương trình điều khiển 47

3.3.1 Yêu cầu thiết kế 47

3.3.2 Mô tả chương trình điều khiển 47

3.3.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 48

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 52

4.1 Thi công hệ thống 52

4.1.1 Thi công tủ điện 52

4.1.2 Thi công cơ khí 53

4.2 Thiết kế giao diện SCADA 54

4.2.1 Yêu cầu thiết kế 54

4.2.2 Các bước thiết kế giao diện SCADA 54

4.2.3 Thiết kế màn hình đăng nhập 60

4.2.4 Thiết kế màn hình điều khiển 60

4.2.5 Thiết kế màn hình giám sát 61

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 62

5.1 Kết quả phần cứng 62

5.2.2 Kết quả trên tủ điện 66

5.2.3 Nhận xét và đánh giá 66

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

6.1 Kết luận 67

6.1.1 Khối lượng công việc đã thực hiện 67

6.1.2 Hạn chế của mô hình 67

6.2 Hướng phát triển của đề tài 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

Hình 2.1 Nhà kính tại Đà Lạt 3

Hình 2.2 Các loại PLC của hãng Siemens (a) và hãng Mitsubishi (b) 15

Hình 2.3 Cấu trúc của PLC 16

Hình 2.4 Sơ đồ vòng quét thực hiện chương trình của PLC 17

Hình 2.13 Một Master có thể điều khiển 247 Slave 19

Hình 2.14 Cấu tạo của giao thức Modbus RTU 20

Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của Modbus RTU 21

Hình 2.16 Chuẩn truyền thông RS485 ( kiểu nối 2 dây) 23

Hình 2.17 Cấu trúc điều khiển vào/ra tập trung 24

Hình 2.18 Cấu trúc điều khiển vào/ra phân tán 25

Hình 2.19 Giao diện của SCADA giám sát hệ thống nhà kính 26

Hình 3.1 Quy trình vận hành của hệ thống 28

Hình 3.2 Hình chiếu cạnh của mô hình 29

Hình 3.3 Hình chiếu bằng của mô hình 29

Hình 3.4 Tổng quan phần cứng trên Solidworks 30

Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống 30

Hình 3 6 PLC S7-1200, CPU 1214 DC/DC/DC 31

Hình 3.7 Module truyền thông CM 1241 33

Hình 3.8 Cảm biến nhiệt độ Pt100 Rtd 2m 98 mm 3 Wires - 50~400 C 34

Hình 3.9 Đồng hồ nhiệt VX4 Hanyoung 35

Hình 3.10 Sơ đồ nối dây VX4 Hanyoung 37

Hình 3.11 Thông tin các kiểu cảnh báo 37

Hình 3.12 Các loại đầu dò Input type 38

Hình 3.13 Cảm biến độ ẩm SHT20 38

Hình 3.14 Cảm biến ánh sáng ES-ALS-02 RS485 40

Hình 3.15 Máy bơm phun sương MPS GFP-50 41

Hình 3.16 Đèn sấy hồng ngoại 1000W 35cm 42

Hình 3.17 Quạt tản nhiệt, hút ẩm 43

Hình 3.18 Sơ đồ kết nối mạch PLC 45

Hình 3.21 Bên ngoài tủ điện 47

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát của hệ thống 48

Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển của chế độ Auto 49

Hình 4 3 Lưu đồ giải thuật giám sát nhiệt độ của chế độ Auto 49

Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật giám sát độ ẩm của chế độ Auto 50

Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật giám sát cường độ ánh sáng của chế độ Auto 50

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật của chế độ Manual 51

Hình 4.7 Phần khung mô hình 54

Hình 4.8 Khởi tạo project mới 55

Hình 4.9 Giao diện sau khi khởi tạo project 55

Hình 4.10 Lựa chọn phần cứng PLC cho project 56

Hình 4.11 Giao diện sau khi lựa chọn xong PLC 56

Hình 4.12 Khởi tạo WinCC RT Advanced 57

Hình 4.13 Kết nối WinCC RT Advanced với PLC 57

Hình 4.14 Tạo màn hình mới để thiết kế SCADA 58

Hình 4.15 Các công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế giao diện SCADA 58

Hình 4.16 Một màn hình sau khi được thiết hoàn thiện 59

Hình 4.17 Gắn PLC Tags cho nút nhấn Manual 59

Hình 4.18 Màn hình đăng nhập vào hệ thống SCADA 60

Hình 4.19 Màn hình điều khiển hệ thống của SCADA 60

Hình 4.20 Màn hình giám sát hệ thống của SCADA 61

Hình 5.1 Mô hình hoàn thiện 62

Hình 5.2 Màn hình điều khiển ở chế độ Auto 63

Hình 5.3 Màn hình điều khiển ở chế độ Manual 63

Hình 5.4 Màn hình giám sát hệ thống 64

Hình 5.5 Màn hình hiện trạng thái cảnh báo quá tải 64

Hình 5.6 Giai đoạn sinh trưởng nhỏ trên SCADA 65

Hình 5.7 Giai đoạn sinh trưởng vừa trên SCADA 65

Hình 5.8 Giai đoạn sinh trưởng lớn trên SCADA 65

Bảng 2.1 Tình hình sản xuất hoa tại Đà Lạt qua các năm 10

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của PLC 32

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của Module truyền thông CM 1241 33

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ Pt100 Rtd…[12] 34

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật đồng hồ nhiệt VX4 Series Hanyoung 36

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cảm biến độ ẩm SHT20 39

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của cảm biến ánh sáng ES-ALS-02 RS485 40

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của máy phun sương MPS GFP-50 41

Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật của đèn sấy hồng ngoại 1000W 35cm 42

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của quạt tản nhiệt, hút ẩm 43

KHKT: Khoa học kỹ thuật

ODA (Official Development Assistance): Hỗ trợ phát triển tài chính

Khu NNCNC: Khu Nông nghiệp công nghệ cao

Sở NN – PTNT: Sở Nông nghiệp – Phát triển công thôn

PLC (Programmable Logic Controller): Bộ điều khiển logic khả trình

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Hệ thống điều khiển giám

sát và thu thập dữ liệu

CPU (Central Processing Unit): Bộ xử lý trung tâm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Nông nghiệp là một trong những ngành phát triển nhất Việt Nam Những năm qua, việc ứng dụng khoa học - kỹ thuật (KHKT) vào sản xuất nông nghiệp đã mang lại những thay đổi tích cực trong nhận thức của người dân Từ phương thức sản xuất truyền thống, người dân đã mạnh dạn chuyển đổi sang sản xuất theo hướng tập trung, quy mô lớn; đưa các thiết bị máy móc và hệ thống giám sát thông minh áp dụng vào

mô hình sản xuất, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế trên từng đơn vị diện tích canh tác, tăng thu nhập cho người dân Hoa phong lan là cây lưu niên hoa bền, đẹp,

có hương thơm, là giống hoa có giá trị thẩm mĩ cao, rất được ưa thích và có giá trị cao trên thị trường Việt Nam và cả thị trường thế giới Tuy nhiên, hoa phong lan có rất nhiều loại, mỗi loại có đặc tính sinh trưởng và yêu cầu cao về môi trường, dinh dưỡng trong quá trình sinh trưởng Việc trồng hoa và chăm sóc hoa với quy mô lớn rất tốn nhân lực và vật lực nhưng đem lại hiệu quả kinh tế không cao Tại các nước

có nền nông nghiệp phát triển việc áp dụng mô hình “Nhà kính trồng hoa phong lan “đã đem lại hiệu quả cao về tính kĩ thuật và kinh tế Tại Đài Loan (Nước sản xuất hoa lan được đánh giá hiện đại bậc nhất thế giới) họ đã áp dụng rất thành công “Nhà

kính trồng phong lan “vào sản xuất đem lại giá trị lợi nhuận cao từ hoa phong lan và đặc biệt từ việc xuất khẩu các mô hình đến các nước trên thế giới

Từ những nhu cầu và tính cần thiết của một hệ thống tự động trong lĩnh vực trồng hoa phong lan với giá trị hằng năm lên đến hàng nghìn tỉ đồng Cũng như muốn làm quen với việc điều khiển hệ thống nuôi trồng hoa phong lan bằng PLC kết hợp với

giao diện WinCC Đồng thời, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Ths Nguyễn Tấn Đời, nhóm thực hiện đồ án đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng hoa lan “ Đề tài xây dựng một hệ thống chăm sóc và giám sát

hoàn chỉnh có thể ứng dụng trong ngành nông nghiệp

1.2 Mục tiêu đề tài và giới hạn đề tài

Các mục tiêu và giới hạn thực hiện đề tài được đặt ra trước khi tiến hành

Mục tiêu đề tài

Đề tài được thực hiện với những mục tiêu cụ thể như sau:

 Nghiên cứu ứng dụng PLC điều khiển một hệ thống thực tế

 Thực hiện được mô hình nhà kính trồng hoa lan

 Điều khiển và giám sát được các thông số của nhà kính trên máy tính Giới hạn đề tài

Các giá trị cần lưu ý như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, … sẽ được điều khiển và giám sát thông qua hệ thống cảm biến và các thiết bị điện Bên cạnh đó, hệ thống được điều khiển và giám sát bởi hệ thống SCADA trên máy tính

Mô hình sử dụng biến trở để thay cảm biến ánh sáng sự thay đổi của điện trở sẽ làm thay đổi giá trị của 2 relay (relay được giả lập là 2 động cơ kéo rèm)

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu và tham khảo hệ thống cụ thể là hệ thống nhà kính trồng hoa phong lan công nghệ cao Địa Mỹ - Bắc Ninh (một trong những nơi cung trồng và cung cấp giống hoa lan lớn nhất nhì miền Bắc), để có thể thực hiện đề tài một cách gần thực tế nhất Đề tài được thực hiện dựa trên ý tưởng từ đề tài Nghiên Cứu Khoa Học, sau đó phát triển thêm một số thiết bị mới như (cảm biến ánh sáng…) để mô hình đạt được yêu cầu cao nhất Thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển dựa trên những tính năng

có sẵn của bộ điều khiển

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu hệ thống nhà kính

Mô hình hệ thống nhà kính là một thiết kế áp dụng những kĩ thuật về điện, cơ khí, lập trình…để tạo ra một mỗi trường chăm sóc nông nghiệp khép kín và hiện đại Hệ thống áp dụng các kĩ thuật lập trình PLC để điều khiển và giám sát các thiết

bị điện thông qua hệ thống cảm biến nhằm tạo ra một mỗi trường phát triển hoàn hảo cho nông sản Hệ thống nhà kính đã rất thành công ở các nước có nền nông nghiệp phát triển trên thế giới, nó đã thay đồi nền nông nghiệp đem lại sản lượng lớn, chất lượng tốt mà chi phí bỏ ra rất thấp so với mô hình nông nghiệp truyền thống Hiện tại ở Việt Nam cũng có nhiều mô hình đã được áp dụng nhưng chưa phổ biến và đem lại nhiều lợi ích cho nền nông nghiệp Dưới đây là các mô hình

hệ thống nhà kính trên thế giới và trong nước…[1]

Hình 2.1 Nhà kính tại Đà Lạt

2.1.1 Nhà kính tại Israel

Nhà kính sử dụng để trồng cây trong nông nghiệp đã tăng trưởng nhanh trong những năm gần đây cả về số lượng và chất lượng Bởi vì các đầu tư và kinh doanh trong lĩnh vực này đã quan tâm rất nhiều đến việc xây dựng và bảo trì nhà kính, chúng được sử dụng rộng rãi cho các loại cây trồng có giá trị gia tăng cao Phát triển nhà kính đặc biệt phù hợp với trang trại gia đình nhỏ, nơi có khó khăn về đất đai và nước Ví dụ như trung bình có thể thu được là 300 tấn cà chua được

trồng/ha/mùa, lợi nhuận cao gấp bốn lần so với thu nhập ở các lĩnh vực khác với mức đầu tư tương tự

Nhà kính ở Israel chủ yếu được sử dụng cho trồng hoa, rau, cây cảnh và gia vị Gần đây, các thí nghiệm đã được thực hiện để điều tra tính khả thi của trồng cây ăn quả được trồng trong nhà kính như xuân đào, đào, nho và chuối cho mục đích thương mại, chủ yếu là để xuất khẩu

 Cấu trúc nhà kính

Cấu trúc của các nhà kính là một hệ thống vững chắc và có đủ độ bền để phòng trường hợp bị phá hủy bởi gió mạnh Đó là hệ thống nhà kính đã được cải tiến theo công nghệ cao mà hiện nay đang sử dụng tại Israel Đặc biệt hệ thống màn cửa và

hệ thống thông gió trên mái nhà, ngoài ra lớp lưới tự động di chuyển theo sự phản ứng với ánh sáng mặt trời Các nhà kính mới là có chiều cao hơn, đạt đến độ cao 5 mét, điều này giúp cho việc thông gió tốt hơn Nó cũng cho phép cho các nhà che phủ sử dụng lưới mắt cáo như nhà kính trồng cà chua và dưa chuột

Những tiêu chuẩn của các hệ thống nhà kính Israel là có thể chịu được sức gió lên đến 150km/h, và cho đến nay các nhà kính thực sự đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe này đã được xuất khẩu sang nhiều nước có điều kiện khí hậu khắc nghiệt

 Kiểm soát khí hậu thông minh

Công nghệ phát triển ở Israel cho phép làm mát nhà kính bằng cách làm mát ngày và làm nóng ban đêm với một lượng tối thiểu năng lượng Điều này được thực hiện thông qua một hệ thống vòi sen phun thống nhất kích thước giọt và được cài đặt ở một đầu của nhà kính với thiết kế rất thông minh

Suốt quá trình trong ngày, những giọt hấp thụ sức nóng dư thừa từ nhà kính và lưu giữ nó cho đến khi ban đêm, khi nhiệt được phát tán Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho cây cảnh, đòi hỏi một mức độ cao của độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ nhỏ

 Các nhà kính điều khiển bằng máy vi tính

Phần cứng máy tính và phần mềm đã được phát triển ở Israel, cho phép điều khiển

tự động của nước tưới trong nhà kính cũng như bón phân và duy trì hệ thống khí hậu

Phát triển phần mềm liên lạc chặt chẽ với người nhằm duy trì sự phát triển mới nhất trong các hệ thống nông nghiệp và để cung cấp hiệu quả cao nhất các giải pháp tiên tiến [2]

2.1.2 Nhà kính tại một số quốc gia khác

Tại Kenya: Kenya là một quốc gia thuộc miền Đông châu Phi đã bắt đầu sản

xuất cà chua trong nhà kính nhằm nâng cao hy vọng rằng các loại rau phổ biến sẽ trở nên có sẵn trong suốt cả năm với giá cả phải chăng

Dự án cà chua nhà kính, một trong những hoạt động của chương trình là hỗ trợ

để giúp tăng thu nhập của hộ gia đình nông thôn, nguồn vay mượn là từ Israel - nơi

mà nước này đã phát triển ngành nông nghiệp rất tốt và chuyên nghiệp trong điều kiện khan kiếm đất và nước

Theo Peter Randa, người quản lý tiếp thị và dự án cố vấn kỹ thuật, cây trồng trong các nhà kính có nhiều thuận lợi, trong đó có khả năng sản xuất số lượng lớn trên một mảnh đất nhỏ và liên tục thu hoạch

Chỉ mất một thời gian ngắn hơn hai tháng cho việc sản xuất cà chua trong nhà kính, trong khi phải mất tối thiểu là ba tháng khi sản xuất cà chua ngoài trời Do kiểm soát được thủy lợi và nhiệt độ, sản lượng cà chua liên tục tăng qua các vụ Một cây ban đầu thu hoạch chỉ được khoảng 15kg sau đó thì có thể thu hoạch lên đến 60kg Dây leo cà chua trồng trong nhà kính được hỗ trợ bằng dây và cọc có thể lớn đến 50m chiều cao Nếu chăm sóc tốt thì năng suất cà chua trồng trong nhà kính có thể lên đến 25.000 tấn cho mỗi lô đất trong một năm

Cà chua nói chung là rất dễ mắc bệnh đòi hỏi phải sử dụng rất nhiều thuốc bảo

vệ thực vật như thuốc trừ sâu, thuốc trừ bệnh Nhưng khi trồng cà chua trong nhà kính với việc vệ sinh tốt và hệ thống lưới chống côn trùng, vì vậy hầu hết các bệnh nhiễm trùng thông thường không dễ dàng xâm nhập Ngoài ra có thể hạn chế được

sự xâm nhập của côn trùng và dịch hại khác cũng như sự phát triển của cỏ dại Như vậy, ngoài việc tiết kiệm rất lớn về hóa chất bảo vệ thực vật, trong đó chiếm một phần rất lớn của chi phí sản xuất, lao động ít hơn là trồng cà chua ngoài nhà kính Đồng thời cũng hạn chế sự tiếp xúc với chất độc hóa học giúp bảo vệ môi

trường…[3]

Tại Hoa Kỳ: Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ đưa ra dự án 135 với 38 nhà nghiên cứu

đầu năm 2006 nhằm xác minh việc trồng rau, hoa trong các nhà lưới nhà kính công nghệ cao, điều khiển tự động đạt được hiệu quả cao vì giảm sử dụng thuốc trừ sâu, lưu giữ chất dinh dưỡng thiết yếu trong đất, mở rộng mùa trồng và sản lượng ngày càng tăng

Ngoài ra, vào mùa đông giá lạnh khi nhiệt độ bên ngoài lạnh thì nhiệt độ bên trong nhà kính vẫn được duy trì ổn định cho cây sinh trưởng và phát triển tốt Vì vậy mùa đông ở đây còn còn bị hiếm rau, hoa như những năm trước nữa Nông dân

ở đây còn cho biết, năm ngoái mưa nhiều quá, gió mạnh và mưa đá làm cho một số loại cây trồng không được thu hoạch…[4]

2.2 Tình hình sử dụng nhà che phủ nông nghiệp ở Việt Nam

2.2.1 Tại Hà Nội và khu vực phía Bắc

Cùng với sự phát triển của thế giới, nghành Nông nghiệp nước ta hiện nay cũng

đã có những chuyển biến rõ rệt trong thời gian gần đây Chúng ta đã áp dụng cơ giới hoá Nông nghiệp, điều này đã làm cho nền nông nghiệp của chúng ta phát triển một cách mạnh mẽ, không những đáp ứng cho nhu cầu lương thực, thực phẩm trong nước mà còn xuất khẩu với một lượng lớn Bên cạnh việc cơ giới hoá Nông nghiệp thì ngày nay nền Nông nghiệp nước ta đã có những đột phá mới khi áp dụng công nghệ cao vào sản xuất

Tại Hà Nội: Trung tâm kỹ thuật rau quả Hà Nội đã xây dựng và đưa vào sử dụng khu nông nghiệp công nghệ cao đầu tiên tại Hà Nội nhằm tiếp cận và ứng dụng công nghệ khoa học tiên tiến của thế giới để sản xuất và cung ứng cho thị trường những nông sản chất lượng cao

Hiện ở trung tâm có một số chuyên gia Isreal trực tiếp hướng dẫn, chuyển giao công nghệ cho 80 công nhân lao động kỹ thuật Nhờ được trang bị hiện đại như hệ thống xử lý nước xung quanh, hệ thống tưới tiêu, thông gió, hàng năm trung tâm

có khả năng cung cấp cho thị trường Hà Nội khoảng 360 tấn rau sạch, 6-7 triệu bông hoa các loại Đặc biệt trung tâm đã nhân giống thành công các loại ớt cho

năng suất từ 200-300 tấn/ha/năm; dưa chuột năng suất từ 250-300 tấn/ha/năm và

cà chua năng suất 300-400 tấn/ha/năm

Sau khi nghiên cứu thành công mô hình trồng rau, hoa chất lượng cao bằng công nghệ nhà lưới, nhà kính cho khu vực miền Bắc, từ tháng 9- 2003 Viện Nghiên cứu rau quả trung ương đã bắt đầu sản xuất thử nghiệm tại xã Đình Bảng (Từ Sơn, Bắc Ninh) Kết quả vụ thu hoạch đầu tiên cho thấy, công nghệ này đã đem lại giá trị kinh tế rất cao, với rau có thể đạt 300- 900 triệu đồng/ha/năm, còn với hoa cao nhất có thể đạt tới 1,2 tỷ đồng/ha/năm

Lần đầu tiên một mô hình trồng rau quả trong nhà kính với sự hỗ trợ của máy tính trong hầu hết các công đoạn tưới tiêu, chăm sóc đã được áp dụng tại Hà nội Người trồng cây có thể thiết đặt giờ tưới nước đối với từng khu vực cây trồng, hay yêu cầu hệ thống bón phân cho một nhóm cây theo ngày, theo tuần, theo tháng Trong giai đoạn đầu, trung tâm mới thí điểm trồng cà chua bi, cà chua quả to, ớt ngọt, hoa hồng và hoa lan Ngoài hoa, các loại rau, quả đều là giống F1 của Israel,

có thể trồng và thu hoạch tối đa trong vòng 11 tháng (trong khi đó các loại cà chua hữu hạn ở VN chỉ có thể trồng trong tối đa là 5 tháng) và năng suất cao hơn nhiều Dưa chuột chỉ trồng sau 21 ngày cho thu hoạch (bình thường là 3 tháng) Với mỗi loại cây chỉ cần trồng 1 lần và cho thu hoạch kéo dài quanh năm với năng suất trung bình của các loại quả như ớt, dưa chuột, tăng gấp 15- 20 lần (điều kiện trồng bình thường chỉ 20-30 tấn/ha), riêng hoa hồng đạt mật độ hàng trăm bông/m2

Tại Thái Nguyên: Nhằm đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và học tập của các cán

bộ nghiên cứu khoa học và sinh viên, tháng 12/2009 một nhà kính hiện đại nhất được lắp ráp cho Đại học Nông lâm Thái Nguyên do nguồn vốn tín dụng ưu đãi (ODA) của Chính phủ Italia tài trợ

Nhà kính bao gồm 2 phòng thí nghiệm hoá sinh và lý sinh, nằm độc lập trên diện tích 187 m2, có tổng trị giá 1.251.844 Euro thuộc dự án “ Tăng cường năng lực nghiên cứu và đào tạo cho trường Đại học Nông Lâm thuộc Đại học Thái Nguyên”

Nhà kính có chức năng nghiên cứu nhân giống cây trồng ở giai đoạn vườn ươm

sau khi tạo phôi trong phòng kín và những phân tích về sinh lý, sinh hoá, đồng thời tăng cường khả năng sản xuất các giống cây rau quả để phân phát cho nông dân thông qua các dịch vụ khuyến nông Nhờ máy móc hiện đại và cấu trúc khoa học,

hệ thống nhà kính tự động tạo ra được môi trường, hoàn cảnh như tự nhiên với các nhân tố ánh sáng, nhiệt độ, ẩm độ, khí CO2, hàm lượng phân bón… Đặc biệt, trong môi trường vô khuẩn, cho phép tạo những cây giống sạch bệnh…[5]

2.2.2 Tại thành phố Hồ Chí Minh và khu vực phía Nam

Ngày 18/03/2005, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn TP.HCM phối hợp với Công ty S Lahat và Công ty cổ phần Xuất nhập khẩu Bảo Trân tổ chức Hội thảo giới thiệu về nhà kính đồng bộ của Israel và chuyển giao công nghệ trồng trọt trong nhà kính

Cấu trúc các nhà kính tiên tiến ngày nay được dùng phổ biến ở Israel Nhà bao gồm các loại rèm và cửa che nắng và hệ thống lưới cắt nắng có thể vận hành tự động tuỳ thuộc vào ánh sáng mặt trời Các nhà kính kiểu mới có chiều cao hơn, đạt tới hơn 5m kể từ sàn nhà, giúp thông gió tự nhiên tốt hơn cũng như cho phép lắp thêm các phụ kiện như lưới cắt nắng và các màn nhiệt Nhà cũng cho phép lắp đặt

hệ thống treo đỡ cây như với cà chua, dưa chuột và một số loại cây khác

Khu Nông nghiệp công nghệ cao (NNCNC) nằm ở phía Tây Bắc TP.HCM, thuộc huyện Củ Chi, có tổng diện tích 88,17 ha Tại thời điểm năm 2003 khu NNCNC có những khu nhà lưới, nhà kính (nhà màng) hoành tráng vừa mọc lên; đồng thời các khu nhà mới cũng đang được các nhà đầu tư khẩn trương lắp ráp, các

hệ thống đường điện, giao thông “nội đồng” được gấp rút hoàn thành để sớm đưa vào sử dụng Bên cạnh đó, những khu đất trồng các loại rau, củ, quả thử nghiệm bằng công nghệ cao của các đơn vị đầu tư đều đang phát triển tốt

Khu nhà kính có thể tự động đóng mở mái che mỗi khi thừa, thiếu ánh sáng hay độ ẩm, điều này sẽ giúp cho cây trồng luôn đảm bảo điều kiện phát triển tốt nhất để cho năng suất cao và chất lượng rau, hoa quả được đảm bảo tương đối sạch Tại Quảng Ngãi: Sáng 20/04/2009, Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Quảng Ngãi phối hợp với trường Đại học Nông lâm TP HCM tổ chức Hội thảo báo cáo đề

tài khoa học và công nghệ cấp tỉnh: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm

mô hình hệ thống nhà lưới, nhà kính phục vụ canh tác nông nghiệp công nghệ cao tại Quảng Ngãi”

Việc xây dựng mô hình hệ thống nhà lưới, nhà kính với giá thành rẻ, tiện ích cao phục vụ sản xuất rau sạch, các loại cây cảnh giá trị cao, đặc biệt để thử nghiệm giống là rất cần thiết, cấp bách đáp ứng nhu cầu của sản xuất nông nghiệp tỉnh Quảng Ngãi và phù hợp với chủ trương của nhà nước về canh tác nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao…[6]

2.2.3 Tình hình sử dụng nhà che phủ nông nghiệp tại tỉnh Lâm Đồng

Lâm Đồng là một trong những tỉnh đầu tiên của cả nước từng được ghi nhận

về ứng dụng nhà lưới, nhà kính trong sản xuất nông nghiệp Từ đầu năm 2004 đã khởi động chương trình trọng điểm trong đó có chương trình phát triển trồng rau

và các loại cây cảnh có hiệu quả kinh tế cao trong nhà lưới, nhà kính

Nhà kính, nhà lưới đang được ngành Nông Nghiệp – Phát Triển Nông Thôn (NN- PTNT) Lâm Đồng xác định như là bước đột phá trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao (NNCNC) Ngoài việc điều tiết nhiệt độ, ánh sáng nhà lưới, nhà kính còn có tác dụng cao trong phòng chống sâu bệnh để cây trồng phát triển cả về năng suất và chất lượng, quay nhanh vòng sử dụng và hạn chế rửa trôi đất

Các cơ quan quản lý nghành đã xác nhận hiệu quả đầu tư, hiệu quả sản xuất, tín dụng cho phát triển nhà lưới, nhà kính và các mô hình nhà lưới, nhà kính thích hợp với điều kiện khí hậu thổ nhưỡng của từng địa phương Đây là những điều kiện

“tiên quyết” để diện tích nhà lưới, nhà kính trong sản xuất NNCNC được nhân rộng Theo số liệu của Phòng Trồng trọt (Sở NN - PTNT), do có hiệu quả cao, nông dân vùng sản xuất rau hoa như Đà Lạt, Đơn Dương, Đức Trọng… đã mạnh dạn đầu tư xây dựng nhà lưới, nhà kính không chỉ trong vùng quy hoạch rau hoa NNCNC của tỉnh Nhờ vậy, ở thời điểm hiện tại, toàn tỉnh đã có khoảng 240 ha rau, 707 ha hoa, 0.5 ha dâu tây và 32 ha vườn ươm cây giống được trồng trong 1.000 ha nhà kính và 123.3 ha hoa, 114.5 ha rau… được trồng trong 242 ha nhà lưới Hầu hết diện tích nhà kính, nhà lưới này đều được đầu tư công nghệ tưới phun

So sánh hiệu quả sản xuất cho thấy, năm 2008 vừa qua, nếu doanh thu sản xuất rau hoa trong nhà kính, nhà lưới đạt từ 500 – 1,000 triệu đồng/ ha, thì sản xuất rau hoa ngoài trời chỉ đạt dưới 150 triệu đồng/ ha

Trên 10%( tương ứng 1.235 ha) diện tích rau hoa của tỉnh được sản xuất trong nhà lưới, nhà kính và khoảng 2.000 cần ha cây trồng khác được sản xuất theo quy trình NNCNC đã góp phần quan trọng đưa hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp của tỉnh năm 2008 đạt trên 45 triệu đồng/ha/năm - tăng 28% so với năm 2007 Với định hướng mở rộng diện tích nhà kính, nhà màng và việc thực hiện chính sách tín dụng cho nông dân vay vốn làm nhà kính nhà màng, Chương trình NNCNC sẽ có bước đột phá trong các năm tới…[7]

 Đối với tình hình sử dụng nhà che phủ tại Đà Lạt

Năm Diện tích gieo

trồng Sản lượng (tấn )

Diện tích gieo trồng hoa cắt cành

Sản lượng

Giai đoạn 2001-2005 là giai đoạn nông nghiệp Đà Lạt bắt đầu có những sự thay đổi Sản xuất nông nghiệp phát triển theo định hướng ứng dụng công nghệ cao trên các vùng nông nghiệp của Đà Lạt đã hình thành những mô hình kinh tế nông nghiệp

có hiệu quả Các chương trình, dự án đầu tư hỗ trợ phát triển kinh tế nông nghiệp được đầu tư trực tiếp vào nông hộ đã góp phần kích thích sản xuất phát triển

Đà Lạt không chỉ là thành phố nông nghiệp - thành phố vườn mà còn là thành phố của du lịch du lịch - với gần 10.000 ha đất nông nghiệp, trong đó có trên dưới 3.941 ha chuyên trồng rau hoa từ 3-4 vụ/năm, mỗi năm cung ứng cho thị trường trong và ngoài nước từ 180-200 ngàn tấn rau và 440 triệu cành hoa thương phẩm

Để nâng cao giá trị của nông sản và đẩy mạnh xuất khẩu, những năm gần đây, ngành nông nghiệp và nhà vườn Đà Lạt đang mạnh dạn đầu tư cơ sở vật chất, áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào thâm canh các loại cây có ưu thế cạnh tranh cao của thành phố như rau hoa, chè và cà phê

Thống kê của Trung tâm Nông nghiệp Đà Lạt, tới thời điểm hiện nay thành phố

đã có 800 ha nhà kính và 50 ha nhà lưới; từ 35-40% diện tích đất nông nghiệp được tưới nước tự động, trong đó có 700 ha rau hoa đã được tưới phun mưa

Nông sản được sản xuất trong nhà kính, nhà lưới đem lại hiệu quả rõ nét về mặt năng suất cũng như chất lượng sản phẩm Nhu cầu ứng dụng nhà kính, nhà lưới vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao là thiết thực với tiềm năng phát triển của sản phẩm sạch và an toàn Nhìn chung nhà lưới, nhà kính tại các địa phương tỉnh Lâm Đồng còn mang tính tự phát, thiếu căn cứ khoa học, chưa thực sự tạo hiệu quả do đầu

tư nhà lưới nhà kính mang lại

Trong xu thế phát triển của nền kinh tế, nông nghiệp công nghệ cao được xem là

sự lựa chọn tất yếu của các cấp lãnh đạo và nông dân Lâm Đồng Sản xuất hoa cao cấp và rau sạch đã trở thành thương hiệu làm nên niềm tự hào của nền nông nghiệp tỉnh nhà trong cả nước Trong thời điểm hiện nay thu nhập rau hoa đạt trung bình trên

300 triệu/1 ha/ năm và có điển hình đạt được 1.5 đến 2 tỷ/1ha trồng trọt Thành phẩm của nông nghiệp công nghệ cao là sự tổng hòa của rất nhiều tiến bộ khoa học công nghệ mới được ứng dụng vào quá trình sản xuất như công nghệ giống, trang thiết bị

hạ tầng cơ sở, quy trình chăm sóc, quản lý dịch bệnh…Trong đó công nghệ nhà lưới, nhà kính là công nghệ tiên quyết để sản xuất nông sản sạch, tiếp cận được những ngưỡng sản phẩm chất lượng cao, tăng cường sức cạnh tranh cho sản phẩm

2.3 Nhu cầu của thị trường hoa phong lan

Hiện nay thu nhập của người dân nước ta đã tăng lên đáng kể Nhu cầu của họ không chỉ là “ăn no mặc ấm” nữa mà đã nâng lên một mức mới đó là “ăn ngon mặc đẹp” và các nhu cầu về vui chơi giải trí, thăm quan du lịch trở nên rất cần thiết Chính những nhu cầu đó đã làm phát sinh và thúc đẩy cho ngành hoa tươi Việt Nam trong những năm gần đây phát triển mạnh Quy mô hiện nay không chỉ giới hạn ở những

hộ gia đình trồng hoa nhỏ lẻ với mục đích vui chơi nữa mà ngày nay nó đã trở thành một ngành kinh doanh chính thức và có mức lợi nhuận tương đối cao nên đã xuất hiện những công ty, tập đoàn, khu vực trồng hoa chuyên canh với quy mô lớn như:

Hà Nội, Đà L ạt…

Hoa tươi không chỉ cung cấp cho nhu cầu trong nước đặc biệt là những ngày lễ lớn như: ngày Valentine, ngày 8 tháng 3, ngày 20 tháng 10… mà nó còn mở rộng sang lĩnh vực xuất khẩu ra nước ngoài như: thị trường Trung Quốc, Nhật Bản…Việc xuất khẩu này không chỉ làm tăng GDP của quốc gia mà còn giải quyết được công ăn việc làm và góp phần cải thiện mức sống của người dân nước ta

Hiện nay người trồng lan có thu nhập cao gấp nhiều lần so với người trồng lúa, gấp 4 - 5 lần so với người trồng rau cải, cỏ cho chăn nuôi Theo số liệu thống kê của

vụ kế hoạch thuộc Bộ NN & PTNT nếu trồng lan cắt cành Dendrobium và Mokara 1ha có thể cho doanh thu 500 triệu - 1 tỉ đồng/ha/năm

Các cơ sở kinh doanh hoa lan, cây kiểng tăng nhanh kể từ năm 2003 từ 264 điểm đến nay đã trên 1.000 cơ sở lớn nhỏ trên địa bàn TP HCM Riêng trên toàn quốc, số lượng các cửa hàng hoa tăng gấp nhiều lần so với năm 2000 cho thấy nhu cầu tiêu dùng hoa của người dân tăng nhanh Theo thống kê của Sở NN & PTNT TP HCM trong năm 2003 doanh số kinh doanh hoa lan cây kiểng chỉ đạt 200 - 300 tỉ đồng nhưng đến năm 2005 đã tăng đến 600 - 700 tỉ đồng và ngay từ đầu năm 2006 doanh

số đạt được là 400 tỉ đồng…[8]

Nếu nhiệt độ nhận được cao hơn nhiệt độ đã cài đặt, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu

để hệ thống bớm phun tưới mát hạ nhiệt cho mô hình

Nếu nhiệt độ nhận được thấp hơn nhiệt độ đã cài đặt, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu

để hệ thống đèn sưởi hoạt động cân bằng lại nhiệt độ của mô hình

Bước 4 Kiểm tra lại

Cảm biến sẽ đo lại giá trị sau khi hệ thống đã sử lí nếu giá trị đã cân bằng sẽ dừng các cơ cấu cháp hành còn không sẽ tiếp tục thực hiện

Nếu độ ẩm nhận được cao hơn độ ẩm đã cài đặt, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để

hệ thống quạt hút làm giảm lại độ ẩm cho mô hình

Nếu độ ẩm nhận được thấp hơn độ ẩm đã cài đặt, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để

hệ thống tắt quạt bật bơm cung cấp lượng nước để cân bằng lại độ ẩm của mô hình

Bước 4 Kiểm tra lại

Cảm biến sẽ đo lại giá trị sau khi hệ thống đã sử lí nếu giá trị đã cân bằng sẽ dừng các cơ cấu cháp hành còn không sẽ tiếp tục thực hiện

2.4.3 Quy trình đo lượng ánh sáng

Nếu lượng ánh sáng nhận được cao hơn lượng ánh sáng đã cài đặt, bộ điều khiển

sẽ gửi tín hiệu để hệ thống rem che hạ xuống làm giảm bớt lượng ánh sáng mô hình phải nhận

Nếu lượng ánh sáng nhận được thấp hơn lượng ánh sáng đã cài đặt, bộ điều khiển

sẽ gửi tín hiệu để hệ thống rèm che kéo lên tạo diện tích lớn nhất để mô hình nhận ánh sáng

Bước 4 Kiểm tra lại

Cảm biến sẽ đo lại giá trị sau khi hệ thống đã sử lí nếu giá trị đã cân bằng sẽ dừng

các cơ cấu cháp hành còn không sẽ tiếp tục thực hiện

2.5 PLC (Programmable Logic Controller)

và logic cùng với các thành phần cấu thành hệ như bộ nhớ, các cổng vào/ra,

Những ưu điểm của PLC so với các bộ điều khiển khác:

 Khả năng thay đổi chương trình điều khiển linh hoạt

 Số lượng timer và counter của PLC rất lớn, cùng nhiều hàm chức năng chuyên dụng như: phát và đếm xung tốc độ cao, bộ điều khiển PID, …

 Tiết kiệm dây nối và các thiết bị đóng cắt

 Nhiều lựa chọn cho người dùng tùy nào nhu cầu thực tế

 Khả năng truyền thông với máy tính hoặc với PLC khác Giúp mở rộng hệ thống khi cần thiết hoặc xây dựng hệ thống SCADA

 Độ tin cây cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp Với nhiều ưu điểm nổi bật nhưng PLC vẫn có một vài nhược điểm như:

 Phạm vi ứng dụng của PLC hạn chế do giá thành cao không đáp ứng yêu cầu điều khiển đơn giản

 Yêu cầu người lắp đặt, lập trình phải có hiểu biết và chuyên môn về PLC Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng với chất lượng tốt như Siemens, Mitsubishi, Omron, ABB, … Nhưng hai hãng cung cấp PLC được

sử dụng phổ biến nhất là Siemens (Hình 2.2) và Mitsubishi (Hình 2.3)…[9]

Hai hãng PLC này có những điểm mạnh khác nhau cũng như phương pháp lập trình cũng khác nhau

Ưu điểm của PLC Siemens:

 PLC Siemens mạnh về điều khiển quá trình và khả năng truyền thông

 Các module analog của PLC Siemens có giá thành rẻ và sử dụng đơn giản

 Truyền thông đối với PLC Siemens khá dễ dàng để thực hiện bởi Siemens đã lập trình tạo ra sẵn các khối hàm chức năng chuyên dụng để hỗ trợ tối đa cho người lập trình

Hình 2.2 Các loại PLC của hãng Siemens (a) và hãng Mitsubishi (b)

Ưu điểm của PLC Mitsubishi:

 PLC của Mitsubishi có thế mạnh về điều khiển rời rạc và chuyển động

 Số lượng câu lệnh dùng cho PLC Mitsubishi vô cùng phong phú, có những câu lệnh chuyên dùng cho điều khiển vị trí hay bộ đếm tốc độ cao

2.5.2 Cấu trúc của PLC

Hình 2.3 Cấu trúc của PLC

 Phần đầu vào/đầu ra: Phần đầu vào hoặc mô-đun đầu vào bao gồm các thiết bị ngoại vi như cảm biến, công tắc và nhiều nguồn đầu vào khác Đầu vào từ các nguồn được kết nối với PLC thông qua đường dây đầu nối vào đầu vào thế giới thực khác Phần đầu ra hoặc mô-đun đầu ra có thể là một động cơ hoặc một solenoid hoặc một đèn hoặc một lò sưởi, có chức năng được điều khiển bằng cách thay đổi các tín hiệu đầu vào

 CPU (Central Processing Unit) là đơn vị xử lý trung tâm Nó là một bộ vi xử

lý mà có thể kết hợp với các hoạt động của hệ thống PLC CPU thi hành chương trình xử lý các tín hiệu I/O và được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O thông qua các tuyến đường dây tích hợp bên trong PLC

 Thiết bị lập trình: Đây là nền tảng mà chương trình hoặc logic điều khiển được viết Nó có thể là một thiết bị cầm tay hoặc một máy tính xách tay hoặc một máy tính chuyên dụng

 Nguồn cung cấp: Nó thường hoạt động trên một nguồn cung cấp điện khoảng

24 V, được sử dụng để cung cấp năng lượng đầu vào và các đầu ra

 Bộ nhớ: Bộ nhớ được chia thành hai phần: Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình Thông tin chương trình hoặc logic điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng hoặc bộ nhớ chương trình từ nơi CPU tìm nạp các lệnh chương trình Tín hiệu đầu vào và đầu ra và tín hiệu bộ định thời và bộ đếm được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh đầu vào và đầu ra tương ứng

2.5.3 Nguyên lý hoạt động của PLC

PLC hoạt động theo nguyên tắc quét vòng (Scan) Mỗi vòng quét (Scan Cycle) bao gồm ba giai đoạn cơ bản được trình bày trên hình dưới

Hình 2.4 Sơ đồ vòng quét thực hiện chương trình của PLC

Ở giai đoạn thứ nhất, PLC đọc trạng thái tín hiệu ở các module vào, gửi vào vùng đầu vào để làm dữ liệu thực hiện chương trình

Giai đoạn thứ hai là thực hiện chương trình trong bộ nhớ Kết quả thực hiện chương trình là dữ liệu và các quyết định được lưu giữ trong bộ nhớ dùng cho vòng quét sau hay đưa module ra

Giai đoạn thứ ba, PLC gửi dữ liệu đến vùng đầu ra và biến đổi thành tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành nối với module ra khi đó, một vòng quét được hoàn thành, vòng quét tiếp theo bắt đầu và quá trình được thực hiện liên tục không ngừng

Quá trình đọc tín hiệu vào và gửi tín hiệu ra gọi là quá trình quét vào/ra Quá trình thực hiện chương trình gọi là quét chương trình

Thời gian để thực hiện một vòng quét gọi là chu kỳ quét Chu kì quét có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý của PLC và ảnh hưởng đến khả năng xử lý thời gian thực của PLC Nói cách khác, việc sử dụng PLC trong các bài toán điều khiển chỉ được chấp nhận khi chu kì quét của PLC đủ nhỏ so với hằng số thời gian của hệ điều khiển Khi

đó, có thể chấp nhận xử lý đồng thời (thời gian thực) được thay thế bằng xử lý tuần

tự Nguyên tắc hoạt động quét vòng của CPU hạn chế khản năng xử lý tức thời của PLC Vì vậy, PLC chủ yếu được sử dụng trong các hệ điều khiển quá trình biến thiên chậm Tuy nhiên, các PLC hiện đại đã được trang bị và tăng cường các tính năng xử

lý ngắt ngày càng hoàn thiện để xử lý nhanh và kịp thời

2.5.4 Ứng dụng của PLC

Hiện nay, có thể nhận thấy PLC đang có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp cũng như trong đời sống Với những loại máy móc, thiết bị nhỏ như thiết bị đóng gói hay băng tải thì đều có thể áp dụng PLC vào trong việc điều khiển Những dòng PLC được sử dụng trong các thiết bị này thường có tính kinh tế, tiện lợi, nhỏ gọn và giá thành có khả năng cạnh tranh Đặc điểm thường thấy ở những PLC trong thiết bị như thế này thường tích hợp đầy đủ được tất cả các tính năng cần thiết để có thể sử dụng linh hoạt những ứng dụng cơ bản

Với các máy móc, thiết bị có hệ thống lớn hay cấu trúc điều khiển phức tạp, ví

dụ như hệ thống xử lý nước thải, Các PLC được sử dụng trong các trường hợp này thường được thiết kế theo các module theo nhu cầu sử dụng Với các nhu cầu sử dụng khác nhau thì PLC được thiết kế với các module có ứng dụng phù hợp Việc sử dụng loại PLC trong trường hợp này thì người lập trình sẽ phải tính toán việc sử dụng loại CPU chính, số lượng module, có thể đáp ứng đúng và đủ các yêu cầu kỹ thuật cần thiết

Hiện tại, trong đời sống thì PLC đang có ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống đèn giao thông, những ngôi nhà thông minh hay các thiết bị, máy móc sử dụng trong nông nghiệp để hiện đại hóa quy trình sản xuất nền nông nghiệp nước ta

Có thể thấy ứng dụng của PLC đang rất lớn và hầu hết tất cả các thiết bị, máy móc đêỳ có sự xuất hiện của PLC

2.6 Giao thức Modbus RTU

2.6.1 Giới thiệu về Modbus RTU

Modbus là một giao thức truyền thông nối tiếp ban đầu được Modicon (nay là Schneider Electric) trình làng năm 1979 để sử dụng với các bộ điều khiển logic lập

trình PLC Modbus đã trở thành một giao thức truyền thông tiêu chuẩn thực tế và hiện

là phương tiện phổ biến để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý

RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Một Master có thể điều khiển 247 Slave trên mạng lưới…[10]

Hình 2.5 Một Master có thể điều khiển 247 Slave

Modbus trở thành một chuẩn truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn bởi nó: ổn định – đơn giản – dễ sử dụng và miễn phí Điều này có nghĩa rằng các nhà sản xuất có thể

tự tích hợp chuẩn Modbus vào sản phẩm của họ mà không cần trả tiền bản quyền Chỉ cần các thiết bị cùng chung một chuẩn với nhau thì có thể giao tiếp với nhau mà không cần quan tâm nó là thiết bị gì của hãng nào Đây chính là ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền thông khác như: Profibus, Canopen, Manchester

Modbus RTU tương đối dễ triển khai và bảo trì so với các tiêu chuẩn khác và đặt

ra một vài hạn chế ngoài kích thước trên định dạng của dữ liệu được truyền

Modbus được sử dụng để kết nối với máy tính với các thiết bị đầu cuối (RTU) hay hệ thống SCADA Có nhiều loại Modbus: Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Modbus ASCII

2.6.2 Cấu tạo của giao thức Modbus RTU

Thông thường thì một frame truyền Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ – 1 byte mã hàm – n byte dữ liệu – 2 byte CRC được mô tả như hình ở dưới:

Hình 2.6 Cấu tạo của giao thức Modbus RTU

 Byte địa chỉ: để xác định thiết bị mạng địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với

Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quy định từ 0 – 254

 Byte mã hàm: được quy định từ Master, dùng để xác định yêu cầu dữ liệu từ

thiết bị Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave,…

 Byte dữ liệu: dùng để xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave

 Đọc dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu đọc được

 Ghi dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu cần ghi

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

 Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền

2.6.3 Nguyên lý hoạt động của Modbus RTU

Modbus RTU hoạt động dựa trên nguyên tắc Master – Slave tức là một bên nhận ( Master ) và một bên truyền tín hiệu ( Slave ) thông qua địa chỉ thanh ghi Phương thức truyền của Modbus RTU bằng đường truyền vật lý RS232 hoặc RS485, Modbus TCP/IP thì truyền trên địa chỉ ID thông qua Internet

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của Modbus RTU

2.6.4 Ứng dụng của giao thức Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU được sử dụng rất nhiều trong đời sống hiện nay Đơn giản nhất mà chúng ta có thể thấy đó chính là hệ thống nhà thông minh smarthome Chỉ cần 1 chiếc điện thoại có kết nối internet, ta có thể điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà, kể cả khi chúng ta không có mặt ở nhà

Còn trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa, chúng ta có thể hình dung là có thể ngồi ở 1 nơi rất rất xa các thiết bị trong nhà máy, chỉ cần có kết nối internet, ta vẫn biết được thông tin về tình hình hoạt động trong nhà máy: nhiệt độ ra sao, áp suất thế nào?

Việc sử dụng chuẩn truyền thông Modbus RTU giúp kết nối tất cả các thiết bị (max 128 địa chỉ) trên 2 dây tín hiệu RS485 Như vậy tất cả các tín hiệu chỉ truyền đi trên 2 dây cho rất nhiều loại tín hiệu khác nhau thông qua các Modul Modbus RTU PLC hay các thiết bị có chuẩn Moddbus có thể giao tiếp với các thiết bị đo tại bất kỳ nơi nào thông qua Modbus TCP hay còn gọi là Modbus IP

2.6.5 Chuẩn truyền thông RS232 và RS485

 Chuẩn truyền thông RS232

RS232 là một chuẩn truyền thông được phát triển bởi “Electronic Industry Association” và “Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA) RS232 là chuẩn truyền thông phổ biến nhất một thời, thường được gọi tắt là RS232 hoặc RS-

232 thay vì EIA/TIA-232-E Chuẩn này chỉ đề cập đến việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi (DCE-Data Circuit-Terminating Equipment)

 Thông số kỹ thuật

• Tiêu chuẩn: TIA/EIA-422

• Khoảng cách truyền tối đa: 15m

• Tốc độ truyền tối đa: 20Kps

• Mức điện áp: – 12V đến + 6V (điện áp chênh lệch cực)

• Tín hiệu khả dụng: Tx +, Tx-, Rx +, Rx- (Full duplex)

• Số lượng thiết bị tối đa: 1 bộ phát, 1 bộ thu

 Ưu điểm của RS232

• Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

• Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

• Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

 Nhược điểm của RS232

• Một là tốc độ truyền dữ liệu Dữ liệu có thể được chuyển ở mức khoảng

20 kbyte/s Đó là khá chậm so với những gì mọi người đang sử dụng cho đến nay

• Một vấn đề khác với RS232 là chiều dài tối đa của cáp là khoảng 15 mét Điện trở dây và sụt điện áp trở thành một vấn đề với cáp dài hơn thế này Đây là một lý do khiến RS232 không được sử dụng nhiều để kéo đi xa

 Chuẩn truyền thông RS485

RS485 là một chuẩn truyền thông được xây dựng trên nền tảng chuẩn RS422 Điểm khác biệt chính là RS485 cho phép tối đa 32 cặp thu phát có mặt trên đường truyền cùng lúc Tương tự, RS485 cũng cần một trở kháng 120 Ohm ở cuối đường truyền để ngăn chặn tín hiệu phản xạ và giao thua Nếu có nhiều hơn một thiết bị cần truyền dữ liệu, thì đường RTS được sử dụng như một đường điều khiển, cho phép truyền dữ liệu

Hình 2.8 Chuẩn truyền thông RS485 ( kiểu nối 2 dây)

 Thông số kỹ thuật

• Tiêu chuẩn: TIA/EIA-422

• Khoảng cách truyền tối đa: 4000ft (1200m)

• Tốc độ truyền tối đa: 100KBS -10MBS

• Mức điện áp: – 6V đến + 6V (điện áp chênh lệch cực)

• Tín hiệu khả dụng: Tx +, Tx-, Rx +, Rx- (Full duplex)

• Số lượng thiết bị tối đa: 32 bộ phát, 32 bộ thu

 Ưu điểm của RS485

• RS485 là sản phẩm kế thừa của RS232, chúng ra đời nhằm để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại trên chuẩn giao tiếp RS232 trước đó

• RS485 so với các chuẩn giao tiếp khác có lẽ là chuẩn duy nhất có khả năng kết nối nhiều máy phát và máy thu trong cùng một mạng

• Những máy thu có điện trở đầu vào lên đến 12kΩ thì RS485 vẫn có thể kết nối lên 32 thiết bị Ngoài ra, với các đầu vào khác, RS485 có thể kết nối tối đa lên 256 thiết bị

• Khi kết nối các thiết bị với khoảng cách xa, chúng ta dùng thêm bộ lặp

để tăng thêm số lượng thiết bị kết nối vào đường mạng và giúp tín hiệu

ổn định, tránh nhiễu

• RS485 có lắp đặt hai dây cho mỗi tín hiệu nên tín hiệu có thể được truyền nhanh hơn trên khoảng cách lớn

2.7 Cấu hình hệ thu thập thông tin và điều khiển

Việc lựa chọn cấu hình dựa vào một vài yếu tố khách quan như điều kiện môi trường làm việc, số lượng cảm biến và cơ cấu chấp hành yêu cầu, vị trí so với máy chủ, hình thức xử lý tín hiệu yêu cầu, độ khắc nghiệt của môi trường làm việc Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ gồm có vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC, vào/ra phân tán và các bộ thu thập dữ liệu độc lập hoặc phân tán

Trong các nhà máy công nghiệp (không yêu cầu tính linh động cao) thường sử dụng 2 loại cấu hình cho hệ SCADA là vào/ra tập trung và vào/ra phân tán

2.7.1 Vào/ra tập trung

Hệ thống điều khiển vào ra tập trung có thể hiểu là cơ cấu chấp hành nằm gần với hệ thống hoạt động Ưu điểm của vào/ra tập trung là kết quả phép đo trả về cơ cấu chấp hành chính xác, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu Giá thành thấp, số lượng dây nối

ít Nhược điểm của vào/ ra tập trung là mở rộng hệ thống khó khăn Cấu trúc tiêu biểu

của một hệ điều khiển tập trung được minh hoạ theo như Hình 2.9

Hình 2.9 Cấu trúc điều khiển vào/ra tập trung

2.7.2 Vào/ra phân tán

Trong môi trường sản xuất công nghiệp, cảm biến và cơ cấu chấp hành thường ở

xa máy chủ, ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong một diện tích rộng, cách xa máy chủ hàng trăm mét Do đó, khó có thể nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm biến như cặp nhiệt, cảm biến điện trở (strain gauge) qua đường truyền dài đồng thời dây nối từ cảm biến về máy chủ dài và tốn kém, giải pháp thực hiện đó là:

Module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi cảm biến tương ứng cũng như mỗi cảm biến cần có một module xử lý tín hiệu vào/ra phân tán

Giải pháp này có thể tốn kém nếu có nhiều cảm biến nhưng chất lượng tín hiệu

và độ chính xác cao

Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số, bộ phát số này thực hiện tất

cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết, có bộ vi điều khiển và chuyển đổi tương tự

- số (ADC) để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số Tín hiệu dạng số này được truyền

về máy chủ bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485

RS-232 khoảng cách truyền gần

RS-485 (Multi-drop) giảm số lượng cáp truyền, có thể kết nối đến 32 modules, khoảng cách truyền có thể lên đến 10km nếu dùng multi-drop network (RS-232 khoảng tối đa 15m)

Cần bộ chuyển đổi từ RS-232 sang RS-485 do hầu hết các máy chủ không hỗ trợ chuẩn RS-485 Cấu trúc một hệ điều khiển vào ra phân tán được minh hoạ theo như

Hình 2.10

Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển vào/ra phân tán

2.8 Tổng quan và tính năng của SCADA

2.8.1 Tổng quan về SCADA

SCADA, là viết tắt của cụm từ Tiếng Anh Supervisory Control And Data Acquisition Được hiểu là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu theo nghĩa truyền thống Hệ thống này nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa Các hệ thống SCADA rất quan trọng đối với các tổ chức công nghiệp Bởi chúng giúp duy trì hiệu quả, xử lý dữ liệu cho các quyết định thông minh hơn Và truyền đạt các vấn đề của hệ thống để giúp giảm thiểu downtime

Hình 2.11 Giao diện của SCADA giám sát hệ thống nhà kính

Kiến trúc phần mềm SCADA cơ bản bắt đầu bằng các bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc các thiết bị đầu cuối từ xa (RTUs) PLC và RTU là các máy vi tính giao tiếp với một loạt các đối tượng như máy nhà máy, HMI, cảm biến và thiết bị đầu cuối Sau đó định tuyến thông tin từ các đối tượng đó đến máy tính có phần mềm SCADA Và phần mềm này sẽ xử lý, phân phối và hiển thị dữ liệu, giúp các nhà khai thác và các nhân viên khác phân tích dữ liệu và đưa ra các quyết định quan trọng Các tính năng của một hệ thống SCADA:

 Quản lý điện năng giúp nhà quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng một cách

tự động, liên tục và chính xác để thực hiện tiết kiệm chi phí và năng lượng

 Hệ thống quản lý điện năng giúp giám sát chất lượng nguồn điện để làm giảm bớt nguy cơ rủi ro

 Là công cụ chẩn đoán chính xác, giảm tối thiểu thời gian chết của các thiết bị, máy móc

 Giúp nâng cao độ tin cậy và tính liên tục của hệ thống

 Nâng cao hiệu quả hoạt động, giảm chi phí sản xuất, chi phí quản lý

 Hệ thống giúp tiết kiệm, giảm thiểu điện năng dư thừa

 Scada giúp tăng độ an toàn cho thiết bị, cho hệ thống, cho người vận hành

2.8.2 Nguyên tắc thiết kế SACDA

Giao diện SCADA khi thiết kế phải tuân thủ các nguyên tắc thiết kế đồ họa, bố cục, màu sắc và phân cấp màn hình để đảm bảo dễ dàng sử dụng đối với người vận hành Màu sắc sử dụng cho nền của màn hình SCADA không thiết kế quá nổi bật, không dùng quá nhiều màu sắc sáng và nên sử dụng gam màu tối Có một số màu sắc được quy ước khi thiết kế như sau:

 Màu đỏ thể hiện hoạt động dừng lại, khẩn cấp hoặc cấm

 Màu xanh lá thể hiện việc bắt đầu hoặc điều kiện an toàn

 Màu vàng thể hiện cảnh báo