Để xác định được các thiết bị phù hợp và cơ chế điều khiển các thiết bị này, trong bài này phân tích, đánh giá thực trạng về công nghệ và thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà kính
MÔ HÌNH NHÀ KÍNH
Trong bối cảnh đổi mới và xây dựng đất nước đầy thách thức, Đảng và Nhà nước đã nhấn mạnh đẩy nhanh công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông nghiệp Một hướng trọng tâm là áp dụng sản xuất kiểu công nghiệp với thâm canh hiệu quả cao và bền vững bằng công nghệ nông nghiệp hiện đại, sản xuất quanh năm không phụ thuộc vào điều kiện khí hậu Để đạt mục tiêu này, cây trồng cần được trồng ở khu vực có điều kiện tối ưu về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và hệ thống tưới, giúp người trồng làm chủ các thông số và giảm thiểu sự chịu ảnh hưởng của thời tiết; mô hình nhà kính ra đời để đáp ứng các yêu cầu này Bài viết phân tích và đánh giá thực trạng công nghệ và thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà kính đang sử dụng tại Việt Nam, từ đó đề xuất một số giải pháp nhằm lựa chọn, nâng cao chất lượng, giảm giá thành và sử dụng tối ưu các thiết bị, nhằm phát triển công nghiệp hóa nông nghiệp và công nghệ nhà kính ở nước ta.
1.1.2 Đặt vấn đề: Ở nước ta rau và hoa được trồng khắp các vùng sinh thái khác nhau Diện tích trồng rau và hoa của các tỉnh phía Bắc chiếm khoảng 56%, các tỉnh phía Nam chiếm khoảng 44% diện tích đất canh tác Trong đó diện tích trồng rau và hoa trong nhà kính, nhà lưới hiện nay khoảng > 1000ha và đang không ngừng được xây dựng mới hàng trăm các mô hình ở hầu khắp các tỉnh Việc ứng dụng kỹ thuật trồng cây trong nhà kính có hiệu quả hay không một phần rất quan trọng phụ thuộc vào điều kiện khí hậu trong nhà kính như thế nào Đối với trồng rau và hoa yêu cầu các thông số cơ bản như:
Hệ thống tưới đóng vai trò then chốt trong việc duy trì các thông số khí hậu cơ bản ở mức phù hợp với yêu cầu nông học của cây rau và hoa Nhờ thiết bị kiểm soát khí hậu trong nhà kính có thể vận hành linh hoạt và tự động, người trồng có thể điều chỉnh lượng nước tưới, độ ẩm và nhiệt độ theo từng giai đoạn sinh trưởng Mô hình tưới nhỏ giọt kết hợp với phun sương giúp cấp nước hiệu quả cho hệ thống rễ, đồng thời duy trì độ ẩm phù hợp và hạn chế lãng phí nước Các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng được tích hợp vào hệ thống điều khiển để tự động điều chỉnh thời gian tưới, lưu lượng nước và chế độ thông gió, giúp tối ưu hóa sự phát triển, tăng trưởng và chất lượng rau hoa trong nhà kính, đồng thời tiết kiệm chi phí vận hành.
Hệ thống thông gió giảm nhiệt độ: Mành ẩm giảm nhiệt, phun sương làm mát, quạt thông gió
Hệ thống gia nhiệt: Máy gia nhiệt áp dụng hình thức thổi gió trực tiếp hoặc thổi gió qua ống, hệ thống rèm che
Hệ thống bổ sung khí CO2: Máy phát sinh khí CO2
Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng: Hệ thống lưới cắt nắng, vật liệu che phủ mái, bổ sung cường độ ánh sáng (đèn natri)
Các hệ thống này có thể điều khiển bằng thủ công, điện + cơ khí, tự động và bán tự động
Nhà kính là không gian cho phép nông dân trồng nhiều loại cây, hoa và rau quả theo ý muốn trong một môi trường được kiểm soát Đây là nơi đặc biệt để gieo trồng với mọi loại cây ở bất cứ thời điểm nào, nhờ phương pháp và kỹ thuật riêng do người trồng lựa chọn Khi sử dụng nhà kính, nhiệt độ, độ ẩm, chế độ tưới và lượng thông gió có thể được điều chỉnh nhằm tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây trồng Nhờ kiểm soát môi trường, nhà kính đóng vai trò quan trọng trong tăng trưởng, năng suất và hiệu quả kinh tế của quá trình trồng trọt.
Nhà kính được cấu tạo bằng các hợp chất trong suốt cho phép ánh sáng chiếu tới vùng đất trồng, nhờ đó người ta có thể khống chế độ sáng bằng cách điều khiển bộ phận che chắn vào những ngày nắng to Đồng thời, dàn đèn trong nhà kính có thể cung cấp ánh sáng theo yêu cầu trong những thời điểm thiếu sáng Nhờ vậy, bất kể ngày đêm, ngày nắng hay ngày mưa, người nông dân vẫn duy trì được độ sáng thích hợp cho loại cây đang trồng.
Hình 1.1: Mô hình nhà kính
Có rất nhiều cách phân loại nhà kính, tuy nhiên đa số người ta chọn phân loại nhà kính theo nhiệt độ và cách sử dụng
Có thể chia thành 3 loại nhà kính dựa trên nhiệt độ cần thiết cho sự phát triển của cây trồng: nhà kính mát (the cool greenhouse), nhà kính ấm (the warm greenhouse) và nhà kính nóng (the hot greenhouse) Mỗi loại được thiết kế để duy trì mức nhiệt phù hợp với đặc tính sinh trưởng của từng loại cây, từ đó tối ưu hóa quang hợp, tăng trưởng và hiệu quả canh tác Nhà kính mát phù hợp với các cây ưa lạnh hoặc ở điều kiện nhiệt độ thấp; nhà kính ấm giữ nhiệt ở mức trung bình, phù hợp với nhiều loại cây trồng và mùa vụ; còn nhà kính nóng được tăng nhiệt độ cao hơn để phục vụ các cây ưa nhiệt và các giai đoạn sinh trưởng cần nhiệt độ nóng Việc lựa chọn đúng loại nhà kính dựa trên nhu cầu nhiệt độ của cây trồng giúp bảo vệ cây khỏi bất lợi của thời tiết và nâng cao năng suất.
Nhà kính nóng được thiết kế để duy trì nhiệt độ ổn định, với mức nhiệt độ tối thiểu khoảng 18°C để đảm bảo sự phát triển của cây trồng; người ta có thể điều chỉnh nhiệt độ cao tùy theo loài cây và điều kiện khí hậu, và loại nhà kính này thường được sử dụng để trồng các cây thuộc miền nhiệt đới.
Nhà kính ấm duy trì nhiệt độ ở mức ấm và ổn định, tạo điều kiện cho nhiều cây trồng ôn đới phát triển như ở môi trường tự nhiên Trong điều kiện nhiệt độ này, hầu hết cây trồng ôn đới có thể sinh trưởng và cho năng suất ổn định Để tối ưu hiệu quả, cần đảm bảo đủ ánh sáng và duy trì nhiệt độ phù hợp, đặc biệt trong mùa mưa hoặc mùa đông Các yếu tố ánh sáng và nhiệt độ được quản lý tốt sẽ giúp cây trồng ôn đới phát triển khỏe mạnh trong nhà kính ấm.
Nhà kính mát duy trì nhiệt độ từ 4°C đến 8°C, mức nhiệt này cần thiết cho nuôi cấy giống hoặc các giống cây trồng không đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để phát triển Để giữ môi trường này ổn định, cần giảm độ sáng cũng như nhiệt độ trong những tháng mùa nắng nóng (mùa hè).
1.1.5 Thực trạng công nghệ và thiết bị điều khiển trong nhà kính trồng rau và hoa ở Việt Nam:
Thực tế cho thấy các phương pháp canh tác theo tập quán ngoài đồng dần bị thay thế bằng các kỹ thuật canh tác hiện đại ở các vùng sản xuất Thông qua các chương trình khuyến nông, việc áp dụng trồng rau và hoa trong nhà kính, nhà lưới đã được hướng dẫn cho hộ nông dân trong những năm qua, giúp người sản xuất cải thiện căn bản kỹ thuật canh tác.
Việc ứng dụng kỹ thuật trồng cây trong nhà kính, nhà lưới mang lại hiệu quả thiết thực cho người sản xuất và nâng cao chất lượng cũng như năng suất nông sản Tuy nhiên, thông tin về kỹ thuật canh tác và các giải pháp điều khiển khí hậu trong nhà kính ở nước ta vẫn còn thiếu hệ thống và chưa được chuẩn hóa, khiến việc tối ưu ánh sáng, điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm gặp khó khăn Trên thực tế, điều kiện khí hậu Việt Nam đòi hỏi các giải pháp canh tác phù hợp để giảm bớt hoặc bổ sung ánh sáng, tăng hoặc giảm nhiệt độ một cách hiệu quả và đồng bộ với quản lý nước tưới Chính vì vậy, thực trạng ở nước ta cho thấy hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu phục vụ sản xuất rau và hoa vẫn ở mức lạc hậu, chắp vá và quản lý chưa đem lại hiệu quả như mong muốn.
Do trình độ kỹ thuật phát triển chậm nên hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà kính ở nước ta hiện nay phần lớn mới chỉ tập trung vào làm mát và sử dụng hệ thống lưới cắt nắng, được áp dụng cho diện tích lớn của các hộ nông dân ở các vùng sản xuất rau và hoa tập trung như Vân Nội – Đông Anh, Lĩnh Nam – Thanh Trì, Đà Lạt – Lâm Đồng, Củ Chi, với phương pháp điều khiển thủ công dùng vật liệu sẵn có của địa phương như tre, luồng để căng lưới Ưu điểm là chi phí đầu tư thấp và kỹ thuật đơn giản, tuy nhiên nó chỉ giảm được một phần cường độ ánh sáng và nhiệt độ và chưa mang lại hiệu quả đáng kể.
Các công ty và mô hình ứng dụng ở TP Hồ Chí Minh, Đà Lạt và một số tỉnh như Thanh Hóa, Vĩnh Phúc đã triển khai hệ thống làm mát kết hợp gồm lưới cắt nắng, phun sương giảm nhiệt và quạt thông gió, được điều khiển bằng hệ thống cơ khí Ở những vùng có khí hậu ổn định như Đà Lạt và Tam Đảo (Vĩnh Phúc), việc phối hợp các thiết bị này đã mang lại hiệu quả đáng kể, tối ưu hóa điều kiện làm việc và giảm thiểu chi phí vận hành.
Việc chưa lựa chọn và vận hành đúng các hệ thống thiết bị cho từng vùng khí hậu khiến các mô hình được sao chép từ vùng này sang vùng khác thường không đạt hiệu quả, đặc biệt ở những vùng khí hậu tương đối khắc nghiệt như TP.HCM, Thanh Hóa Hiện nay, một số cơ sở sản xuất rau và hoa trong nước đã nhập khẩu đồng bộ hệ thống điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng từ Pháp, Israel và Trung Quốc, điển hình như Công ty Golden Garden, Trang Food, Hasfarm (Đà Lạt) và các viện, trường liên quan như Viện Rau quả Hà Nội, Viện Di truyền, Trường Đại học Nông nghiệp I, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Trung tâm Giống cây trồng ở Thường Tín, Trung tâm Nghiên cứu cây ăn quả Long An, Đại học Nông Lâm TPHCM.
Ở Hasfarm và Trung tâm Kỹ thuật Rau quả Hà Nội, hệ thống điều khiển tiểu khí hậu nhà kính được lắp đặt đồng bộ với các thành phần chính là hệ thống quạt thông gió cưỡng bức, hệ thống làm mát bằng tấm đệm bay hơi nước, phun mù kết hợp che nắng bằng lưới Aluminet, cùng hệ thống kiểm soát CO2 và gia nhiệt bằng thổi hơi nóng qua hệ ống; việc tích hợp đầy đủ các thiết bị này cho phép trồng một số giống rau và hoa quả vụ, và kết quả cho thấy cà chua, dưa chuột, hoa cẩm tú cầu phát triển bình thường ngay cả khi nhiệt độ hè lên tới 36-37°C Các thiết bị được điều khiển bằng cơ khí hoặc tự động hoàn toàn, đòi hỏi người quản lý có trình độ nhất định; đồng thời chúng được nhập khẩu hoàn toàn nên chi phí cao và gây trở ngại trong việc ứng dụng công nghệ này vào sản xuất đại trà ở nước ta.
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐẾN ĐỜI SỐNG
Nhiệt độ đất và nhiệt độ không khí được quyết định bởi năng lượng bức xạ mặt trời mà mặt đất hấp thụ, nên sự biến động của nhiệt độ phụ thuộc vào điều kiện vĩ độ địa lý, mùa trong năm và đặc điểm vật chất hấp thụ bức xạ Chế độ nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống sinh vật vì đây là tác nhân môi trường trực tiếp, tác động đến nhịp sống và các quá trình sinh trưởng, phát triển của chúng Nhiệt độ còn đóng vai trò quan trọng đối với chu trình nước và sự phân bố khí áp trên bề mặt Trái đất Vì vậy, sự biến đổi nhiệt độ cũng là nguyên nhân gây ra mọi hiện tượng thời tiết phức tạp ở mỗi địa phương.
Các loại cây trồng và gia súc sống trong điều kiện khí hậu phù hợp sẽ sinh trưởng và phát triển tốt, cho năng suất cao và phẩm chất tốt Ngược lại, nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình sinh trưởng, làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm, vì vậy quản lý và duy trì nhiệt độ phù hợp là yếu tố then chốt cho hiệu quả sản xuất nông nghiệp.
Nhiệt độ đóng vai trò quyết định tốc độ phát dục của cây trồng; nhiệt độ càng cao thì thời gian sinh trưởng và phát dục càng được rút ngắn Thực tế sản xuất cho thấy các giống cây trồng gieo trồng trong vụ Đông Xuân có thời gian sinh trưởng dài hơn so với các vụ mùa khác, vì các tháng của vụ Đông Xuân có nhiệt độ thấp hơn so với mùa nóng Do nhiệt độ thấp làm chậm quá trình phát triển và trao đổi chất ở cây trồng nên thời gian cho quá trình sinh trưởng kéo dài hơn, ảnh hưởng đến thời điểm ra hoa và thu hoạch.
Các giống cây trồng và vật nuôi, tùy thuộc vào nguồn gốc và sức sống, sinh trưởng và phát triển tốt khi nằm trong các giới hạn nhiệt độ cho phép Người ta phân biệt những giới hạn về nhiệt độ sinh vật học thành các phạm vi tối thiểu và tối đa, cùng với ngưỡng tối ưu cho từng loài, nhằm xác định điều kiện sinh trưởng phù hợp và tối ưu hóa năng suất.
1.2.1.1 Nhiệt độ tối thấp sinh vật học:
Nhiệt độ tối thiểu sinh vật học là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó cây trồng bắt đầu ngừng sinh trưởng Trên thế giới, ở những vĩ độ cao có những loài thực vật và động vật có thể sống ở những nhiệt độ rất thấp Ở vùng ôn đới, lúa mì và mạch có thể chịu được nhiệt độ từ -8°C đến -10°C Ở vùng nhiệt đới, nhiều loại cây trồng đã bị chết khi nhiệt độ không khí xuống 3-4°C Theo nhiều tác giả, nhiệt độ tối thiểu sinh vật học của lúa ở miền Bắc Việt Nam là khoảng 10-13°C, riêng giai đoạn trổ bông là 18-20°C.
Mơ, đào -2 -3 Cà phê vối +5
Cam, quýt -2 -3 Cà phê chè +1
Mận, táo, lê -1 Hồ tiêu +9
Bảng 1.1 Giới hạn nhiệt độ tối thấp sinh vật học (BC) (FAO, Rome, 1991)
1.2.1.2 Nhiệt độ tối cao sinh vật học:
Nhiệt độ tối đa của sinh vật là nhiệt độ cao nhất tại đó các hoạt động sống có thể duy trì và sau đó ngừng lại Đối với hầu hết cây trồng, nhiệt độ tối đa sinh học ở khoảng 35–45°C Tuy nhiên, một số sinh vật có thể sống được ở nhiệt độ rất cao, lên tới 45–50°C ở vùng sa mạc hoặc nơi gió khô nóng Ảnh hưởng lâu dài của nhiệt độ cao khiến thời gian sinh trưởng của cây trồng rút ngắn, quá trình phát dục trở nên bất thường, từ đó làm giảm năng suất và chất lượng cây trồng.
Ở nhiệt độ cao, quá trình thoát hơi nước qua bề mặt lá diễn ra mạnh mẽ, gây thiếu nước và khô hạn ở cây trồng, có thể dẫn đến khô héo và chết khi nguồn nước bị hạn chế Nhiệt độ cao cũng đẩy nhanh quá trình hô hấp của thực vật, tiêu hao nhanh các chất dinh dưỡng tích lũy trong cơ thể và làm giảm sức sống của cây, từ đó tăng khả năng bị sâu bệnh tấn công.
1.2.1.3 Giới hại nhiệt độ thích hợp của thực vật:
Giới hạn nhiệt độ thích hợp của thực vật là khoảng nhiệt độ thuận lợi nhất đối với quá trình sinh trưởng và phát triển:
Cây trồng t nảy mầm t tối cao t ra hoa
Các loại dưa chuột 18 35 20-32 Đậu tương 18-35 35 24
Bảng 1.2 Một số giới hạn thích hợp của cây trồng (FAO, Rome, 1991)
1.2.2.1 Nhu cầu nước của thực vật:
Trong suốt quá trình sinh trưởng, cây cần lượng nước lớn để hòa tan các chất dinh dưỡng khoáng trong đất, giúp chúng thấm qua rễ và được vận chuyển bởi các mạch dẫn nuôi dưỡng các bộ phận của cây Nước thoát hơi qua bề mặt lá đóng vai trò điều hòa nhiệt độ và là động lực cho sự tuần hoàn nước và dinh dưỡng trong toàn cây Nước còn là nguyên liệu cho quá trình quang hợp, từ đó hình thành các chất hữu cơ cấu tạo nên cơ thể và các sản phẩm thu hoạch Do nguồn gốc tiến hóa của thực vật trên cạn bắt đầu từ môi trường nước, ngày nay thực vật dù đã thích nghi với đất vẫn rất cần nước để tồn tại và phát triển.
Trong mô thực vật, nước chiếm khoảng 70-90% trọng lượng và đóng vai trò như một thành phần cấu trúc thiết yếu cho sự sống và phát triển của thực vật Nhờ nước, thế vươn dài và tán lá mở rộng được duy trì, giúp thực vật dễ dàng tiếp xúc và hấp thu các yếu tố môi trường Người ta đã tính toán nhu cầu nước của cây trồng; nói chung, cây trồng đòi hỏi một lượng nước rất lớn so với trọng lượng chất khô của chúng Hệ số tiêu thụ nước của cây trồng mô tả số đơn vị nước cần để hình thành một đơn vị chất khô.
Bông 300-600 Rau 300-500 Đậu 250-300 Cây gỗ 400-600
Bảng 1.3 Hệ số tiêu thụ nước của một số cây trồng (FAO, 1991)
Nhu cầu nước của cây trồng thay đổi khá nhiều qua các giai đoạn sinh trưởng
Thời kỳ cần nước nhiều nhất là thời kỳ cây trồng hoạt động sinh trưởng và phát triển mạnh nhất Đối với lúa, đó là giai đoạn đẻ nhánh, trổ bông và phơi màu; đối với ngô, là giai đoạn trổ cờ, phun râu và chín sữa.
1.2.2.2 Ảnh hưởng của độ ẩm không khí đối với sinh vật: Độ ẩm không khí là đại lượng vậy lý biểu thị thành phần hơi nước trong không khí Độ ẩm không khí có ảnh hưởng nhiều mặt tới đời sống sinh vật
Độ ẩm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thoát hơi nước trên bề mặt da của động vật và bề mặt lá của thực vật; khi độ ẩm cao, quá trình thoát hơi nước bị hạn chế, làm nhiệt độ cơ thể tăng lên và ảnh hưởng tới nhiều quá trình sinh lý, ngược lại độ ẩm thấp kích thích thoát hơi nước mạnh, nếu bộ rễ không hút đủ nước cây sẽ bị héo và có thể chết; Độ ẩm không khí còn tác động đến khả năng nảy mầm của phấn hoa ở thời kỳ thụ phấn Ở miền Bắc, thời tiết ẩm ướt và mưa phùn kéo dài vào mùa xuân (tháng 2–3) có thể làm giảm thụ phấn, thụ tinh và từ đó giảm năng suất ở một số cây ăn quả như xoài, nhãn, vải Độ ẩm không khí đóng vai trò quan trọng trong bảo quản nông sản: độ ẩm cao làm nông sản giữ nước nhiều, kéo dài quá trình phơi khô, hạt dễ nảy mầm và các chất đường, chất béo bị phân giải, dẫn tới giảm chất lượng nông sản.
Độ ẩm tương đối từ 80-90% là điều kiện lý tưởng để bảo quản rau, hoa quả, giúp chúng giữ được độ tươi ngon và hạn chế mất nước Ngược lại, độ ẩm thấp khiến rau quả bị mất nước do bốc hơi mạnh, vàng úa và giảm chất lượng Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình chín của quả và hạt; độ ẩm thấp thường thúc đẩy quá trình chín Củ khoai tây sau thu hoạch cần được hong khô trong không khí một thời gian trước khi chín sinh lý Một số giống lúa mới sau thu hoạch cần xử lý kích thích để nảy mầm Độ ẩm không khí cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của sâu bệnh Đối với gia súc, độ ẩm cao và chuồng trại ẩm thấp có thể gây ra các bệnh như viêm phế quản, viêm phổi và nhiễm trùng da.
1.2.3 Ảnh hưởng của ánh sáng tới sinh vật: Độ dài chiếu sáng ảnh hưởng rất lớn tới đời sống cây trồng, vật nuôi, đặc biệt là tới sự phát dục của chúng Quan niệm đầu tiên về ánh sáng ảnh hưởng đế cây trồng được Garner và Alard (1920) phát hiện Các tác giả nhận thấy cây thuốc lá Mariland Mamooth không ra hoa vào mùa hè trong khi các cây trồng khác thì ra hoa được Tuy nhiên khi đưa cây thuốc lá vào nhà kính để tránh băng giá thì đến dịp Noel là thời gian có độ chiếu sáng thấp nhất chúng mới ra hoa Ngày nay, người ta đã phát hiện ra nhiều lọai cây trồng có phản ứng với ánh sang như: lúa mì, spinat, bắp cải… ra hoa trong điều kiện ngày dài Lúa nước, đậu tương, hoa cúc … ra hoa trong điều kiện ngày ngắn Người ta chia thực vật thành 3 nhóm cây có sự cảm ứng khác nhau với độ dài chiếu sáng như sau:
Nhóm cây ngắn ngày là các loài ra hoa khi nhận điều kiện ánh sáng ngắn và sẽ không ra hoa nếu gặp điều kiện ánh sáng dài Các thực vật này thường có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới, điển hình như lúa (nếp, tám, dự…), thuốc lá, đậu rồng, đay và mía Sự nhạy cảm với chu kỳ ánh sáng ngắn giúp chúng ra hoa đúng mùa vụ, ảnh hưởng đến thời vụ và năng suất canh tác ở vùng nhiệt đới.
ỨNG DỤNG VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1 Ứng dụng của đề tài:
Đầu tư và phát triển hệ thống nhà kính mang lại lợi ích lớn cho người nông dân và giúp tăng hiệu quả sản xuất Việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp sẽ nâng cao hiệu quả vận hành và chất lượng cây trồng, từ đó cải thiện thu nhập cho ngành nông nghiệp.
Việc ứng dụng PLC nói chung và VersaMax PLC của GE Fanuc nói riêng để điều khiển hệ thống nhà kính và nhà lưới hứa hẹn mang lại hiệu quả vận hành cao Khả năng tự động hóa, giám sát môi trường và tích hợp các chức năng tưới nước, thông gió, chiếu sáng giúp tối ưu điều kiện canh tác, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Đồng thời VersaMax PLC giúp giảm thiểu lãng phí năng lượng và chi phí bảo trì, đồng thời cho phép mở rộng quy mô hệ thống dễ dàng để phục vụ cho nông nghiệp công nghệ cao.
1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài “Thiết kế và thi công mô hình nhà kính”:
Tìm hiểu mô hình nhà kính
Tìm hiểu VersaMax PLC của hãng Gefanuc
Thiết kế và thi công mô hình nhà kính
Viết chương trình điều khiển
Tìm hiểu về phần mềm SCADA IFIX 4.0
Tạo giao diện giám sát hệ thống sử dụng IFIX 4.0.
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH Proficy Machine Edition
Phần mềm Proficy Machine Edition dùng để lập trình cho các họ PLC của hãng Gefanuc như: VersaMax Nano / Micro PLC, VersaMax PLC, Series 90-30 PLC… Proficy Machine Edition có giao diện trực quan với người sử dụng:
Hình 2.1: Giao diện chương trình Proficy Machine Edition
Proficy Machine Edition cũng giống như các chương trình viết PLC khác, cũng có các hàm cơ bản
Các lệnh lập trình nằm trong PLC LD Instructions (nếu người lập trình dạng LD)
Các địa chỉ của chương trình đều được đánh % ở trước
VERSAMAX PLC
Cấu trúc của VersaMax PLC bao gồm các thành phần sau: VersaMax PLC CPU, power supply, VersaMax Modules
Hình 2.3: VersaMax PLC CPU (IC200CPU001)
CPU IC200CPU001 có kích thước 2.63” (66.8mm) x 5.04” (128mm)
CPU IC200CPU001 được trang bị 34KB vùng nhớ Được thiết kế với 2 cổng Serial Port:
Các đèn Led trạng thái:
Ladder là ngôn ngữ lập trình truyền thống:
Hình 2.4: Ngôn ngữ lập trình Ladder
Vùng nhớ Word: CPU001 có 3 vùng nhớ Word là %AI, %AQ và %R
%AI có 128 Word : sử dụng cho ngõ vào analog
%AQ có 128 Word : sử dụng cho rõ ra analog
%R có 2048 Word : sử dụng để định dạng kiểu dữ liệu word trong chương trình
Vùng nhớ Bits: CPU001 có 6 vùng nhớ Bits
%I có 2048 Bits : sử dụng cho đầu vào rời rạc
%Q có 2048 Bits : sử dụng cho những đầu ra vật lý
%M có 1024 Bits : đại diện cho những biến nội
%T có 256 Bits : là vùng nhớ tạm
%S có 128 Bits : là các vùng nhớ đặc biệt
%G có 1280 Bits : sử dụng cho biến toàn cục
Bảng sau đây trình bày các tập lệnh chương trình của VersaMax PLC:
Bảng 2.1: Tập lệnh VersaMax PLC
2.2.1.3 1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm:
Ngõ ra phủ định: phủ định với ngõ ra thường đóng
Các Timer của VersaMax PLC có các thời gian: 1/10s (0.1s); 1/100s (0.01s); 1/1000s (0.001s)
Muốn Timer hoạt động sau 5s sử dụng Timer 1/10s (0.1s), địa chỉ là %R1:
2.2.1.3.2.1 ONDTR (On Delay Stopwatch Timer)
Enable: Là tín hiệu cho phép timer hoạt động
R : Giá trị hiện tại của timer sẽ Reset về 0 khi R nhận được tín hiệu
PV : Giá trị đặt cho timer
Address : Địa chỉ của timer
Enable: Là tín hiệu cho phép timer hoạt động
PV : Giá trị đặt cho timer
Address : Địa chỉ của timer
On Delay Timer không có chân Reset, muốn Reset timer phải sử dụng chương
Enable: Khi enable ở mức thấp Off Delay Timer bắt đầu cộng dồn thời gian
PV : Giá trị đặt cho timer
Address : Địa chỉ của timer
Tương tự như On Delay Timer không có chân Reset, muốn Reset timer phải sử dụng chương trình
Enable: Là tín hiệu cho phép counter hoạt động
PV : Giá trị đặt cho counter
Address : Địa chỉ của timer
Reset : Là tín hiệu reset cho counter
Các lệnh so sánh được thực hiện trên 3 kiểu dữ liệu: INT, DINT, REAL
2.2.1.3.4.1 EQ (Equal) so sánh bằng:
Thực hiện so sánh bằng với 2 ngõ vào ( IN1= IN2) ngõ ra Q sẽ tích cực
2.2.1.3.4.2 NE (Not Equal) so sánh không bằng:
Thực hiện so sánh 2 ngõ vào như sau khi ( IN1 ≠ IN2) ngõ ra Q sẽ tích cực
2.2.1.3.4.3 GT (Greater Than) so sánh lớn hơn:
Thực hiện so sánh như sau khi ( IN1>IN2) ngõ ra Q sẽ tích cực
2.2.1.3.4.4 GE (Greater Than or Equal) so sánh lớn hơn hoặc bằng:
Thực hiện so sánh như sau khi ( IN1>=IN2) ngõ ra Q sẽ tích cực
2.2.1.3.4.5 LT (Less Than) so sánh nhỏ hơn:
Thực hiện so sánh 2 ngõ vào như sau khi ( IN1< IN2) ngõ ra Q sẽ tích cực
2.2.1.3.4.6 LEQ (Less Than or Equation) so sánh nhỏ hơn hoặc bằng:
Thực hiện so sánh 2 ngõ vào như sau khi ( IN1=< IN2) ngõ ra Q sẽ tích cực
2.2.1.3.4.7 RANGE (Range) so sánh trong khoảng:
Thực hiện so sánh như sau khi () L1 =< IN =< L2 hay L2 =< IN =< L1) ngõ ra Q sẽ tích cực
Tương tự như các lệnh so sánh các lệnh toán học cũng được thực hiện trên 3 kiểu dữ liệu là : INT, DINT, REAL
Thực hiện phép cộng với 2 ngõ vào IN1 và IN2 (IN1 + IN2)
Thực hiện phép cộng với 2 ngõ vào IN1 và IN2 (IN1 - IN2)
Thực hiện phép cộng với 2 ngõ vào IN1 và IN2 (IN1 * IN2)
Thực hiện phép cộng với 2 ngõ vào IN1 và IN2 (IN1 / IN2)
2.2.1.3.5.5 SQRT (Square) lệnh lấy căn bậc hai:
Thực hiện lấy căn bậc 2 của ngõ vào IN
2.2.1.3.5.6 Các lệnh SIN, COS, TAN, ATAN, LOG, LN, EXP:
2.2.1.3.6.1 MOVE lệnh di chuyển dữ liệu:
2.2.1.3.6.2 Một số lệnh như AND, OR, XOR:
Là thiết bị cung cấp nguồn cho CPU và các I/O module Để sử dụng ta cấp (120/240 VAC) phụ thuộc vào đấu nối
2.2.3 Mudule vào/ra số IC200MDD844:
Hình 2.6: Module vào/ ra số IC200MDD844
Module IC200MDD844 có những đặc điểm sau:
CPU001 có thể kết nối tới 64 module với 2048 I/O nên các địa chỉ của các module phía sau sẽ bắt đầu từ địa chỉ cuối module trước cộng thêm 1
Sơ đồ chân và đấu nối của Module vào/ra số IC200MDD844:
Hình 2.7: Sơ đồ chân của module IC200MDD844
Hình 2.8: Sơ đồ đấu nối của module IC200MDD844
2.2.4 Mudule vào/ra analog IC200ALG430:
Hình 2.9: Module vào/ra analog IC200ALG430
Module IC200ALG430 có những đặc điểm sau:
Với các ngõ vào/ra dòng : 4-20mA
Sơ đồ chân và đấu nối của Module vào/ra số IC200ALG430:
Hình 2.10: Sơ đồ chân của module IC200ALG430
Hình 2.11: Sơ đồ đấu nối của module IC200ALG430.
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM IFIX 4.0
Ifix 4.0 cũng như các phần mềm SCADA khác như WINCC, RSVIEW 32…được sử dụng để tạo giao diện quản lý trên máy tính bao gồm nhiều công cụ đồ họa, tùy mục đích mà người sử dụng có thể tạo ra giao diện phức tạp hay đơn giản Ifix 4.0 kết nối với VersaMax PLC thông qua phần mềm KEPServerEx.
LÀM VIỆC VỚI MỘT PROJECT
Để làm việc với một project trong Ifix 4.0 bao gồm các bước sau:
Trước tiên ta khởi động Ifix 4.0 bằng cách nhấp đúp chuột trái vào biểu tượng ngoài màn hình hoặc bấm Start All Program Proficy HMI SCADA – IFIX 4.0 IFIX 4.0 màn hình Proficy Ifix WorkSpace hiện ra với hai lựa chọn là: tạo một dự án mới (New) hay mở (Open) một dự án đã có Để tạo một dự án mới chọn File New Picture
Hình 3.2: Màn hình làm việc Workspace
WorkSpace là khu vực làm việc chính của Ifix 4.0, chúng ta thực hiện tạo giao diện và các thuộc tính ở đây.
CÁC CÔNG CỤ TRÊN GIAO DIỆN IFIX 4.0
Toolbox và CADToolbar hiện diện trên màn hình chính, khu vực WorkSpace:
Hình 3.3: Công cụ Toolbox và CAD Toolbar
Làm việc với Toolbox và CADToolbar :
Tạo một số hình ảnh tùy theo ý muốn của người sử dụng bằng việc sử dụng các khối sau:
Tạo button và các text :
Tạo datalink stamper để hiển thị các giá trị I/O:
Hiển thị thời gian ( ngày và giờ) trên giao diện :
Ngoài ra còn một số tính năng khác như: group , ungroup ,
Chart … tùy mục đích người sử dụng
Bảng công cụ chính này nằm ở bên trái màn hình
Nơi đây tập trung hầu hết các tính năng mà người sử dụng cần:
Tạo Alarm cho hệ thống:
Database manager quản lý tất cả các tag thực thi
Thư viện của Ifix 4.0: Dynamo Sets
Hình 3.6: Thư viện của Ifix 4.0
Ifix quản lý một thư viện khá khiêm tốn, vì vậy để thiết kế được giao diện như mong muốn, người dùng cần sử dụng các công cụ được giới thiệu ở phần trước để vẽ Ngoài ra, người dùng cũng có thể chọn một số phần mềm hỗ trợ khác để thực hiện công việc của mình.
Phân cấp hoạt động hệ thống : Security
Cấu hình hệ thống : System Configuration
Hình 3.8: Cấu hình hệ thống Đây là nơi thiết lập các Tag được sử dụng trong hệ thống của chúng ta
Người thiết kế có thể chạy kiểm tra chương trình bằng việc sử dụng tổ hợp phím Ctrl + W hoặc sử dụng nút lệnh:
Bên cạnh đó người thiết kế có thể tạo thêm những ứng dụng cho giao diện của mình bằng VB với việc sử dụng nút lênh :
Trên đây là 2 nút lệnh thường sử dụng nhất, tùy mục đích của mình mà người sử dụng lựa chọn.
GIAO TIẾP GIỮA IFIX 4.0 VÀ VERSAMAX PLC
Như đã giới thiệu ở phần đầu Ifix 4.0 liên kết với VersaMax PLC thông qua KepserverEX v4.0
Hình 3.9: Màn hình làm việc KepserverEX
Với màn hình làm việc này người sử dụng sẽ tạo các tag để sử dụng trong chương trình
Quá trình tạo các tag bao gồm việc lựa chọn 1 số thông số như loại PLC, tốc độ đáp ứng…
Hình 3.10: Màn hình làm việc SCU – FIX
Sau khi thực hiện tạo tag ở KepserverEX người sử dụng sẽ thực hiện cấu hình hệ thống của mình bằng việc sử dụng SCU – IFIX
Với SCU – IFIX các tag sẽ được định dạng về loại : I/O Digital, I/O
Analog…và các tag này sau đó được links qua Database manager (đã được giới thiệu ở phần trên).
TẠO HIỆU ỨNG CHO CÁC SYMBOL
Chọn vào biểu tượng symbol nhấn Right-click -> Amination:
Hình 3.11: Màn hình làm việc Basic Animation Dialog
Foreground: đặt thuộc tính cho màu nền của Symbol
Edge: đặt thuộc tính cho đường viền của Symbol
Background: đặt thuộc tính cho màu nền của Symbol
Click: tạo sự kiện cho các Symbol tác động (nút nhấn…)
Position: tạo thuộc tính cho symbol duy chuyển từ vị trí A đến vị trí B
Scale: tạo thuộc tính về kích thướt cho Symbol
Rotate: tạo thuộc tính quay cho Symbol
Fill percentage: tạo thuộc tính đổ đầy cho Symbol (mực nước trong bồn nước…)
Visible: tạo thuộc tính ẩn hiện cho Symbol.
IFIX 4.0 và VBA
Visual Basic là ngôn ngữ lập trình được dùng để viết các chương trình ứng dụng chạy trên máy tính có hệ điều hành Windows Visual Basic cung cấp cho lập trình viên nhiều công cụ, phương tiện và thư viện để xây dựng giao diện người dùng trực quan, xử lý sự kiện, kết nối và quản lý cơ sở dữ liệu, và triển khai ứng dụng một cách nhanh chóng, dễ bảo trì và mở rộng.
Tạo một chương trình ứng dụng độc lập trên môi trường Windows
Kết nối cơ sở dữ liệu: Excel, Access, SQL Server, …
3.6.2 Làm việc với cửa sổ VBA:
3.6.2.1 Cửa sổ thuộc tính properties của windows
Hình 3.12: Cửa sổ properties Windows của VBA
Cửa sổ này liệt kê các thuộc tính của Form hay các đối tượng (Label, Textbox,
…) đã lựa chọn và cho phép sửa đổi các giá trị của thuộc tính theo yêu cầu thiết kế Một số thuộc tính thường dùng:
Names là cách dùng để xác định một đối tượng trong mã, và việc đặt tên sao cho dễ gợi nhớ sẽ giúp quản lý mã hiệu quả hơn; theo quy ước của Visual Basic (VB), tên không được bắt đầu bằng số (0–9), không chứa ký tự đặc biệt và không có khoảng trắng, nhằm tăng tính dễ đọc, dễ bảo trì và giảm thiểu sai sót khi biên dịch.
Caption: dùng gõ tiêu đề cho đối tượng
Back Color: chọn màu nền cho đối tượng
Font: chọn font cho đối tượng
Hình 3.13: Công cụ ToolBox của VBA
ToolBox: chứa các công cụ thiết kế một form
Một số đối tượng thường dùng:
Label (nhãn): dùng để xuất dữ liệu, người sử dụng không thể thay đổi nội dung văn bản
TextBox (hộp văn bản): dùng để nhập hay xuất dữ liệu, thường dùng nhận thông tin mà người sử dụng nhập vào
Command Button (nút lệnh): nười dùng có thể tạo sự kiện Click chuột lên nút (hay Enter) để thi hành một công việc.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Mô hình được thiết kế để giám sát và điều khiển các thông số:
Trong mô phỏng nồng độ CO2, mô hình phải thực hiện các chức năng điều khiển môi trường như đóng mở cửa thông gió để điều chỉnh luồng khí, tưới nước để duy trì điều kiện ẩm và ảnh hưởng đến sự phân bố CO2, đóng mở quạt để thông gió và tuần hoàn không khí, chắn sáng để quản lý nhiệt độ và chiếu sáng, và sưởi ấm (gia nhiệt) để ổn định nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi khí Việc tích hợp các chức năng này cho phép mô phỏng nồng độ CO2 một cách chính xác và hỗ trợ tối ưu hóa điều kiện bên trong không gian.
KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH
Mô hình được thiết kế theo hình chữ nhật có mái là hình tam giác với các thông số sau:
Hình 4.1: Mô hình nhà kính
4.2.1 Các thiết bị và chức năng được sử dụng trong mô hình:
Đóng, mở quạt thông gió:
Hai quạt vào và 2 quạt ra được đặt ở phía trước, sau và phía trên 2 đầu mô hình Quạt sử dụng là quạt 12V DC, nhỏ, gọn
Chức năng điều khiển được kích hoạt khi nhiệt độ tăng cao, khiến độ ẩm và nồng độ CO2 vượt ngưỡng giới hạn do người vận hành đặt ra Lúc này cần có sự điều chỉnh hệ thống để giải quyết vấn đề; đóng hoặc mở quạt được xem là biện pháp hợp lý để duy trì điều kiện môi trường, dù tiêu thụ năng lượng nhiều hơn.
Hệ thống gia nhiệt được cấu thành bởi một bộ làm nóng có quạt thổi nhằm tăng nhiệt độ khi có yêu cầu Bên ngoài hệ thống được gắn thêm một quạt 12VDC nhằm tăng lưu lượng khí nóng và tối ưu hóa hiệu suất làm nóng của toàn bộ chu trình gia nhiệt.
Hình 4.3: Hệ thống gia nhiệt
Chức năng này được kích hoạt khi nhiệt độ thực bên trong nhà kính thấp hơn nhiệt độ đặt (thông số do người vận hành thiết lập) Lúc đó, hệ thống gia nhiệt sẽ hoạt động với mục đích làm tăng nhiệt độ thực.
Hệ thống quản lý ánh sáng:
Hệ thống quản lý ánh sáng bao gồm:
- Hai đèn chiếu sáng 220VAC – 5W
Hình 4.4 : Đèn chiếu sáng 220VAC
Với chức năng cung cấp ánh sáng khi lượng ánh sáng đặt cao hơn ánh sáng thực tế
- Rèm chắn sáng hai bên hông mô hình:
Hệ thống rèm chắn sáng tự động điều chỉnh độ che phủ bằng cách đóng rèm khi lượng ánh sáng đặt (do người vận hành thiết lập) nhỏ hơn lượng ánh sáng thực tế, và mở rèm khi lượng ánh sáng đặt lớn hơn lượng ánh sáng thực tế Quá trình đóng mở được thực hiện bởi động cơ với chế độ chạy đảo chiều, giúp rèm vận hành mượt mà và bền bỉ, đồng thời tối ưu hóa ánh sáng và sự riêng tư cho không gian.
Hệ thống đóng mở cửa:
Hệ thống đóng mở cửa bao gồm 2 cửa trên mái, 2 mái này được đóng mở bằng động cơ thực hiện đảo chiều và các công tắc hành trình
Hệ thống sẽ thực hiện đóng cửa khi nhiệt độ đặt lớn hơn nhiệt độ thực và ngược lại nếu nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ thực
Hệ thống tưới bao gồm 1 motor bơm nước thực hiện tưới nước theo yêu cầu
Hệ thống quản lý độ ẩm bao gồm 1 máy phun sương 1lít/phút và hệ thống dây dẫn và vòi phun
Hình 4.7: Motor bơm nước và phun sương
Hình 4.8: Hệ thống dây dẫn và vòi phun
4.2.2 Tủ điện và Panel điều khiển:
Tủ điện được thiết kế với 16 Relay 24VDC và bộ nguồn 24VDC
Panel điều khiển bao gồm các nút nhấn start, stop, start_heating, stop_heating, start_pw, stop_pw, công tắc remote – local, các công tắc nguồn,
E_stop; các đèn hiển thị nguồn 220VAC, 24VDC, đèn start, đèn stop, đèn báo các thiết bị và đèn báo alarm…
4.2.3 Cảm biến sử dụng trong mô hình:
Mô hình sử dụng cảm biến TEMP & HUI TRANSMITTER model THD-R-C là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm của hãng Autonics với các thông số kỹ thuật như sau:
Hình 4.11: Sơ đồ đấu nối cảm biến
Cân chỉnh cảm biến nhiệt:
Hình 4.12: Cân chỉnh cảm biến nhiệt
Cân chỉnh cảm biến độ ẩm: t_min t_max analog_min analog_max t_display analog (AI2) t_display = analog - analog_min analog_max - analog_min * (t_max – t_min) + t_min
Hình 4.13: Cân chỉnh cảm biến độ ẩm.
SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI HỆ THỐNG
4.3.1 Sơ đồ đấu nối VersaMax PLC:
Hệ thống VersaMax PLC bao gồm:
Slot 0: VersaMax CPU IC200CPU001
Slot 1: Module Analog IC200ALG430
Slot 2: Module Digital IC200MDD844
Slot 3: Module Digital IC200MDD844 h_min h_max analog_min analog_max h_display analog (AI3) h_display = analog - analog_min analog_max - analog_min * (h_max – h_min) +h_min
Hình 4.14: Sơ đồ đấu nối VersaMax PLC
4.3.2 Sơ đồ đấu nối cảm biến với Module analog IC200ALG430:
Module analog IC200ALG430 có 4 ngõ vào và 2 ngõ ra 4–20 mA, cho phép thu nhận tín hiệu từ cảm biến và truyền tải tín hiệu điều khiển ở chuẩn 4–20 mA Để đấu nối với cảm biến, sử dụng hai ngõ vào AI2 và AI3 trên IC200ALG430, đảm bảo đo lường chính xác và truyền thông tin tới hệ thống giám sát trong tự động hóa.
Hình 4.15: Sơ đồ đấu nối Analog iput
4.3.3 Sơ đồ đấu nối Digital input:
Hình 4.16: Sơ đồ đấu nối digital input
4.3.4 Sơ đồ đấu nối digital output:
Hình 4.17: Sơ đồ đấu nối digital ouput
4.3.5 Sơ đồ đấu nối motor và thiết bị 220VAC:
Hình 4.18: Sơ đồ đấu nối motor và thiết bị 220VAC.
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH
Khi hệ thống được khởi động, hai quạt nhỏ đặt trên mái sẽ được kích hoạt trước để bắt đầu quá trình thông gió Trong suốt quá trình vận hành, hai quạt này sẽ duy trì hoạt động liên tục nhằm mục đích lưu thông không khí trong nhà kính, giúp không khí được tuần hoàn đều và duy trì điều kiện sinh trưởng tối ưu cho cây trồng.
Khi người dùng nhập giá trị nhiệt độ đặt mong muốn vào hệ thống, hệ thống tự động tính toán và so sánh giá trị đã đặt với nhiệt độ thực tế đang tồn tại Quá trình này nhằm đảm bảo sự đồng bộ giữa nhiệt độ thiết lập và nhiệt độ hiện tại, từ đó điều khiển và kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác, giúp duy trì mức nhiệt mong muốn và tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Giữ nguyên trạng thái nếu nhiệt độ đặt bằng nhiệt đô thực tế
Với nhiệt độ đặt lớn hơn nhiệt độ thực tế, bộ phận gia nhiệt sẽ được bật nếu đang ở trạng thái tắt và mái sẽ đóng nếu đang ở trạng thái mở, nhằm đảm bảo hệ thống điều khiển nhiệt độ hoạt động đúng thiết kế.
Ngược lại, khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ thực tế, bộ phận gia nhiệt sẽ được tắt (nếu đang ở trạng thái mở); mái sẽ được mở (nếu đang ở trạng thái đóng); đồng thời hai quạt lớn sẽ được bật và sau một thời gian nếu nhiệt độ thực tế vẫn còn lớn hơn nhiệt độ đặt, hệ thống phun sương sẽ được kích hoạt để làm mát trong một khoảng thời gian ngắn.
Khi người dùng nhập giá trị độ ẩm mong muốn vào hệ thống, hệ thống tự động tính toán và so sánh giá trị đặt với độ ẩm thực tế đang tồn tại nhằm phát hiện sự lệch và điều khiển quá trình Quá trình này cho phép cảnh báo sớm khi độ ẩm vượt ngưỡng, tự động điều chỉnh thiết bị cấp ẩm hoặc hút ẩm để duy trì độ ẩm ở mức mục tiêu, tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và hiệu suất, đồng thời lưu trữ dữ liệu so sánh để phân tích xu hướng và báo cáo hiệu quả.
Giữ nguyên trạng thái nếu độ ẩm đặt bằng độ ẩm thực tế
Trong hệ thống phun sương, khi độ ẩm đặt nhỏ hơn độ ẩm thực tế, hệ thống sẽ được kích hoạt để tăng độ ẩm cho không gian Khi độ ẩm đặt đúng bằng độ ẩm thực tế, hệ thống phun sương sẽ tự động tắt để duy trì mức ẩm mong muốn.
Ngược lại 2 quạt lớn sẽ được mở để giảm độ ẩm trong nhà kính và mái che được mở (nếu đang ở trạng thái đóng)
4.4.3 Quản lý ánh sáng (cảm biến ánh sáng được mô phỏng):
Khi nhập mức sáng mong muốn vào hệ thống, hệ thống tự động tính toán và so sánh giá trị này với mức sáng thực tế đang tồn tại nhằm mục đích điều chỉnh tự động, tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng và đảm bảo độ ổn định của hệ thống Quá trình so sánh giúp phát hiện chênh lệch và cảnh báo khi có sự cố, từ đó cung cấp dữ liệu để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí vận hành.
Giữ nguyên trạng thái nếu lượng ánh sáng đặt bằng lượng ánh sáng thực tế
Trong hệ thống rèm tự động, khi mức ánh sáng mong muốn thấp hơn lượng ánh sáng thực tế đang chiếu vào căn phòng, rèm sẽ tự động đóng để giảm thiểu lượng ánh sáng từ bên ngoài lọt vào Việc đóng rèm giúp kiểm soát độ sáng và sự thoải mái thị giác, đồng thời giảm nhiệt và bảo vệ nội thất khỏi tia UV Đây là giải pháp hiệu quả cho việc điều chỉnh ánh sáng tự nhiên, tăng sự riêng tư và tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng cho không gian sống hoặc làm việc.
Ngược lại rèm sẽ được mở (không che) và 2 đèn được mở
4.4.4 Quản lý nồng độ CO 2 (cảm biến CO 2 được mô phỏng):
Khi người dùng nhập giá trị nồng độ CO2 mong muốn vào hệ thống, hệ thống sẽ tự động tính toán và so sánh giá trị yêu cầu với nồng độ CO2 thực tế đang tồn tại Mục đích của quá trình này là kiểm soát và điều chỉnh nồng độ CO2 cho phù hợp với mục tiêu vận hành, đảm bảo an toàn và tối ưu hiệu suất Dữ liệu so sánh được dùng để kích hoạt các cơ chế điều khiển tự động, cảnh báo khi lệch quá ngưỡng cho phép và ghi nhận mọi giao động để phân tích xu hướng Việc tự động hóa quá trình này giúp phản hồi nhanh, giảm thiểu sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế, từ đó duy trì điều kiện khí quyển được kiểm soát chặt chẽ.
Giữ nguyên trạng thái nếu nồng độ CO2 đặt bằng nồng độ CO2 thực tế
Nếu nồng độ CO2 đặt nhỏ hơn nồng độ CO2 thực tế van CO2 (mô phỏng) sẽ được mở để cung cấp lượng CO2 vào nhà kính
Ngược lại 2 quạt lớn sẽ được chạy để làm giảm nồng độ CO 2 trong nhà kính
4.4.5 Quản lý chế độ tưới:
Với hệ thống quản lý chế độ tưới cho phép người sử dụng thiết lập thời gian tưới, hiển thị thời gian tưới…
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
Hình 5.1: Màn hình điều khiển trung tâm
Với màn hình điều khiển trung tâm này người điều khiển có thể giám sát và điều khiển các công việc như sau:
Hệ thống sẽ được khởi động bởi PANEL điều khiển:
Góc trên PANEL là các đèn báo trạng thái của các chế độ: AUTO,
MANUAL, REMOTE, đèn START, STOP Tiếp đến là các nút nhấn khởi động START và dừng STOP hệ thống
Góc dưới PANEL là khu vực hiển thị các giá trị thực tế của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2; các phím di chuyển tương ứng cho phép người dùng điều hướng nhanh tới màn hình hiển thị từng chỉ số dữ liệu, giúp theo dõi và cập nhật thông số một cách trực quan và hiệu quả.
Temperature chuyển đến trang màn hình điều khiển nhiệt độ
Humidity chuyển đến trang màn hình điều khiển độ ẩm
Light chuyển đến trang màn hình điều khiển ánh sáng
CO2 chuyển đến trang màn hình điều khiển nồng độ CO2
5.1.2 Chọn chế độ vận hành cho hệ thống: Để lựa chọn chế độ vận hành thì người sử dụng Click chuột vào
Khi đó màn hình nhỏ OPERATE xuất hiện:
Trên màn hình OPERATE, người dùng có thể chọn hai chế độ AUTO và MANUAL với các đèn báo tương ứng và nhấn OK để xác nhận Ở chế độ Auto, hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động bằng cách so sánh giá trị nhiệt độ, độ ẩm, lượng ánh sáng và nồng độ CO2 thực tế với các giá trị mong muốn, từ đó tự động mở hoặc đóng bộ gia nhiệt và động cơ bơm phun sương Ở chế độ Manual, người vận hành sẽ trực tiếp làm việc với hệ thống, đóng mở, kích hoạt hoặc tắt bộ gia nhiệt và động cơ bơm theo nhu cầu vận hành.
Click vào biểu tượng alarm trên màn hình trung tâm:
Sau khi Click vào biểu tượng alarm để xem, cập nhật… các vấn đề alarm của hệ thống
Click vào biểu tượng test device:
Hình 5.6 Biểu tượng test device Để test các thiết bị trong hệ thống, người vận hành có màn hình TEST
Hình 5.7 Màn hình TEST DEVICE
Màn hình TEST DEVICE cho phép người vận hành điều khiển việc bật/tắt các thiết bị tương ứng với các đèn trạng thái, giúp kiểm tra nhanh các thiết bị mong muốn Sau khi hoàn tất quá trình kiểm tra, người vận hành nhấn OK để xác nhận và lưu kết quả.
Click vào biểu tượng scales sensor:
Hình 5.8: Biểu tượng scales sensor
Màn hình nhỏ SCALES SENSOR hiện lên:
Hình 5.9: Màn hình SCALES SENSOR
Với màn hình ta có thể nhập các thông số của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
Người vận hành hệ thống có thể đặt thời gian tưới và biết được số lần đã tưới bằng cách nhấp vào biểu tượng motor bơm nước trên trang màn hình điều khiển trung tâm Giao diện này cho phép thiết lập lịch tưới tự động và theo dõi chi tiết số lần tưới, giúp tối ưu hoá hoạt động tưới tiêu và quản lý lượng nước một cách hiệu quả.
Hình 5.10: Màn hình PUMP _ WATER
5.1.7 Chức năng tắt – mở các thiết bị ở chế độ điều khiển
Trong chế độ MANUAL, người vận hành có thể cho phép thiết bị hoạt động hoặc ngừng hoạt động bằng cách nhấn vào thiết bị tương ứng Ngay sau đó, một màn hình nhỏ hiện ra sẽ hiển thị các thông tin liên quan để xác nhận và tiếp tục thao tác.
Hình 5.11: Màn hình MANUAL PD
Hình 5.12: Màn hình MANUAL HEATING
Tương tự với các thiết bị khác trong hệ thống.
MÀN HÌNH NHIỆT ĐỘ
Hình 5.13: Màn hình CONTROL TEMPERATURE
Trang màn hình này cho phép người vận hành giám sát giá trị nhiệt độ thực (CV) của hệ thống, điều chỉnh giá trị nhiệt độ đặt (PV) theo mong muốn, đồng thời quan sát và đánh giá quá trình làm việc qua đồ thị so sánh và các thông báo alarm Người vận hành có thể nhận biết trạng thái của các thiết bị trong hệ thống qua đèn trạng thái, theo dõi giá trị độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2, và mở hoặc tắt hệ thống thông qua các phím chức năng START.
MÀN HÌNH ĐỘ ẨM
Hình 5.14: Màn hình CONTROL HUMIDITY
Trên trang màn hình này, người vận hành có thể giám sát độ ẩm thực tế (CV) trong hệ thống, điều chỉnh giá trị độ ẩm đặt (PV) theo mong muốn, quan sát và đánh giá quá trình làm việc của hệ thống thông qua đồ thị so sánh và kiểm tra các thông báo alarm Người vận hành có thể nhận biết trạng thái của các thiết bị trong hệ thống qua đèn trạng thái, đồng thời giám sát giá trị nhiệt độ, ánh sáng và nồng độ để đảm bảo vận hành ổn định.
CO 2 , mở hoặc tắt hệ thống thông qua các phím chức năng START, STOP.
MÀN HÌNH QUẢN LÝ LƯỢNG ÁNH SÁNG
Hình 5.15: Màn hình CONTROL LIGHT
Do điều kiện kinh phí còn bị hạn chế nên trong hệ thống sẽ mô phỏng phần cảm biến ánh sáng và nồng độ CO 2
Trên trang màn hình này, người vận hành có thể giám sát lượng ánh sáng thực (mô phỏng) trong hệ thống CV và điều chỉnh lượng ánh sáng đặt (PV) theo mong muốn Người vận hành có thể nhận biết trạng thái của các thiết bị trong hệ thống qua đèn trạng thái và giám sát các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ để đánh giá tình hình hoạt động Các chức năng này giúp tối ưu hóa việc quản lý ánh sáng, nâng cao hiệu quả hệ thống và cho phép đưa ra quyết định nhanh chóng dựa trên dữ liệu thời gian thực.
CO2, mở hoặc tắt hệ thống thông qua các phím chức năng START, STOP.
MÀN HÌNH QUẢN LÝ NỒNG ĐỘ CO 2
Hình 5.16: Màn hình CONTROL CO 2
Giống như trang CONTROL LIGHT, trang màn hình này cho phép người vận hành giám sát nồng độ CO2 thực tế (mô phỏng) trong hệ thống điều khiển (CV) và điều chỉnh nồng độ CO2 đặt (PV) theo đúng mong muốn, nhận biết trạng thái thiết bị thông qua đèn trạng thái và theo dõi liên tục các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và lượng ánh sáng; người vận hành có thể mở hoặc tắt hệ thống bằng các phím chức năng START, STOP để quản lý quá trình một cách nhanh chóng và hiệu quả.
5.6 THOÁT KHỎI CHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC:
Sau khi đạ hoàn tất công việc quản lý, vận hành hệ thống, để kết thúc chương trình ta click vào biểu tượng exit để thoát khỏi chương trình:
5.7 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT HỆ THỐNG:
Hình 5.18: Sơ đồ giải thuật hệ thống
5.8 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT XỬ LÝ NHIỆT ĐỘ:
Hình 5.19: Sơ đồ giải thuật xử lý nhiệt độ
5.9 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT XỬ LÝ ĐỘ ẨM:
5.10 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT XỬ LÝ LƯỢNG ÁNH SÁNG:
Hình 5.21: Sơ đồ giải thuật xử lý lượng ánh sáng
5.11 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT XỬ LÝ NỒNG ĐỘ CO 2 :
5.12 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘ:
Hình 5.23: Sơ đồ giải thuật chương trình nhiệt độ
5.13 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT ĐỘ ẨM:
Hình 5.24: Sơ đồ giải thuật chương trình độ ẩm.
SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT XỬ LÝ NHIỆT ĐỘ
Hình 5.19: Sơ đồ giải thuật xử lý nhiệt độ.
SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT XỬ LÝ LƯỢNG ÁNH SÁNG
Hình 5.21: Sơ đồ giải thuật xử lý lượng ánh sáng.
SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘ
Hình 5.23: Sơ đồ giải thuật chương trình nhiệt độ.
SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH ĐỘ ẨM
Hình 5.24: Sơ đồ giải thuật chương trình độ ẩm.
KẾT LUẬN
Đề tài này tập trung vào ứng dụng kỹ thuật lập trình cho dòng VersaMax PLC của hãng Gefanuc vào thực tế sản xuất, nhằm tối ưu hóa quy trình tự động hóa và nâng cao hiệu quả sản xuất Mục tiêu là đóng góp trực tiếp vào sự phát triển công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước và thúc đẩy chuyển đổi công nghệ trong các ngành công nghiệp chủ chốt Thông qua phân tích, thiết kế và triển khai các giải pháp lập trình, đề tài sẽ tích hợp VersaMax PLC với các thiết bị cảm biến và hệ thống điều khiển để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và tính linh hoạt của dây chuyền sản xuất Việt Nam.
Với mô hình này được áp dụng vào thực tế, nó hứa hẹn mang lại nhiều thành công và lợi nhuận cho ngành nông nghiệp nước ta Mô hình giúp giảm sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và hạn chế tối đa sâu bệnh phá hoại mùa màng, mở ra khả năng sản xuất trái mùa với lợi nhuận cao Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót; kính mong quý thầy cô và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để xây dựng đề tài tốt hơn.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Trong tương lai, nếu có điều kiện, đề tài này sẽ được phát triển lên cao với những hướng mở rộng như sau:
Thực hiện mô hình liên kết mạng giữa nhiều PLC, nhiều PC
Ứng dụng giải thuật PID vào việc điều khiển các thông số của mô hình
Đưa vào mô hình các hình thức hỗ trợ quản lý thông số tốt hơn như: hệ thống thu thập lưu lượng mưa, kiểm tra hướng gió …