Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt áp dụng trồng cây trong nhà lưới, nhà kính pptx

Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt áp dụng trồng cây trong nhà lưới , nhà kính Designing drip irrigation control system for crop cultivation in nethouse and greenhouse

Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt

áp dụng trồng cây trong nhà lưới , nhà kính Designing drip irrigation control system for crop cultivation in nethouse and

greenhouse

Ngô Trí Dương

SUMMARY The paper presents a method for designing a drip irrgation control system applied to nethouse or greenhouse conditions The irrigation control device for 200 square meters nethouse was designed and computed by using Bernulli equation for determining the pipeline loss and the pressure at proximal end, from which appropriate type of pump and control device can be selected Pumping control is achieved through programming using SIMATIC S7 200 Software based on water requirements of specific plant growth stages The control device, pipeline and drippers irrigation equipment are domestically available and, therefore, the cost may be reduced and is much lower than the imported device

Key words: Drip irrigation, nethouse, irrigation model

1, Đặt vấn đề

Nước có ý nghĩa quan trọng trong đời sống cây trồng nói chung và cây rau nói riêng, nước thừa

và thiếu đều ảnh hưởng không tốt đến sinh trưởng, năng suất và phẩm chất của cây Nước nhiều làm cho nồng độ đường, nồng độ các chất hoà tan giảm, khả năng chống chịu sâu bệnh kém, vận chuyển

và cất giữ gặp khó khăn Nước thiếu sinh trưởng kém, năng suất và phẩm chất giảm, mặt khác việc cung cấp nước phải đảm bảo theo từng thời kỳ sinh trưởng của cây trồng Hiện nay trên thế giới đối với những nước có nền nông nghiệp phát triển như Israel, Hà lan, Mỹ, úc… trên những cánh đồng, trong nhà kính và nhà lưới đều có những hệ thống điều khiển quá trình tưới ở nước ta hầu hết các

hệ thống điều khiển quá trình tưới trong nhà lưới, nhà kính đều nhập ngoại giá thành cao, cho nên chưa phổ biến đối với nhu cầu sử dụng Để giải quyết vấn đề nêu trên chúng tôi đưa ra mô hình điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt áp dụng trồng cây trong nhà lưới, nhà kính nhằm mục đích giảm giá thành so với nhập ngoại và thiết bị được lựa chọn ở trong nước

2, Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Tưới nhỏ giọt là một dạng cơ bản của kỹ thuật tưới hiện đại tiết kiệm nước, là hình thức đưa nước trực tiếp đến vùng gốc cây trồng một cách liên tục dưới dạng từng giọt Vì vậy, các vòi tạo giọt phải được cấp nước bởi hệ thống đường ống dẫn nước áp lực, được trình bày với sơ đồ tổng thể hình H1

a) Yêu cầu

Thiết kế mô hình điều khiển tưới cho nhà lưới, nhà kính có diện tích trồng cây là 200 mP

2

cụ thể như sau:

- Trong nhà lưới có 5 luống trồng cây, chiều dài mỗi luống là 16 m Khoảng cách giữa các luống trồng cây là 1 m Mỗi luống trồng được 45 gốc, khoảng cách giữa các gốc là 0,35m

- Các luống trồng cây có thể trồng cây khác nhau, tuỳ theo kế hoạch của nhà trồng cây,

- Thực hiện quá trình điều khiển tưới nhỏ giọt 2 luống tưới cùng 1 lần sau 5 phút tưới 2 luống tiếp theo Quá trình tưới trong 2 phút và nghỉ 15 phút Theo Vũ Hữu Tuấn và Nguyễn Thị Lan

Thanh (2005) đối với cây cà chua lưu lượng tưới mỗi vòi bằng 0,3 10P P [mP P/s]

Hệ thống đường ống của một luống trồng cây được mô tả bởi hình 2

Vật liệu đường ống chính được chọn ống nhựa PVC của Tiền phong với đường kính Φ21 mm, ống nhánh được chọn bằng nhựa dẻo đường kính Φ4 mm, cụ thể như sau:

- Chiều dài từng đoạn ống:

l (khoảng cách giữa các gốc) = 35 cm = 0,35 m

L (độ dài nhánh) = 50 cm = 0,5 m

- Đường kính các loại ống:

QB

V

L

B

10

8 9 7

6 5

4

3

2

1

47

46 45

Hình 2 Hệ thống đường ống dẫn có 45 gốc tưới

Đường ống chính

l

Máy bơm

Bể nuớc

Bộ điều áp

Bộ ĐK PLC S7 - 200

CPU 224

Van điện

Hình1 Sơ đồ tổng thể mô hình điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt

Chọn đường ống nhánh có đường kính d = 4 mm = 0,004 m

Chọn đường ống chính có D = 2,1 cm = 0,021 m

- Vòi tạo giọt: có nhiệm vụ lấy nước áp lực từ ống tưới đưa tới gốc cây trồng dưới dạng từng giọt Các tác giả Vũ Hữu Tuấn, Nguyễn Thị Lan Thanh (2005) và Lương Văn Kiên (2005) đã chọn vòi tạo giọt là dạng một vòi gắn với ống tải nước hay dạng một lỗ nhỏ ở ống tải nước

- QB v B là tổng lưu lượng nước cần tưới của một luống trồng cây

b) Tính toán đường ống chính

Tính toán đường ống chính dựa theo các công thức được đưa ra trong giáo trình Thủy lực và cấp thoát nước của các tác giả Hoàng Đức Liên và Nguyễn Thanh Nam (2001), cụ thể như sau:

- Công thức tính tổn thất trên đoạn ống:

(1)

Trong đó:

HB w B : hao tổn trên đoạn ống, m B

∑ ξ : Tổng hệ số tổn thất, tra bảng theo tính tổn thất cho chạc ba phân nhánh, λ: hệ số ma sát, tra bảng (λ = 0,066 ứng ống lớn; λ = 0,070 ứng ống nhỏ),

l : chiều dài đoạn ống, m

D : đường kính ống, m

Q : lưu lượng vào ống, mP

3

/s

g : Gia tốc trọng trường

áp dụng công thức (1) tính lần lượt các đoạn ống cụ thể như sau:

- Tổn thất trên đoạn đường ống 44 - 45 là:

Tỷ số lưu lượng tra bảng phụ lục 1- 4 , xác định được

và λ=0,066; D = 0,021m; π=3,14; QB 45 B = 0,6 10P

-6

[mP

3

/s],

Từ đó xác định HB 44; 45 B = 0,25,10P

-6

m Tương tự cách tính trên xác định được tổn thất trên một luống là: H∑ = 0,008m,

Kết quả tính toán được trình bày ở bảng 1

Như vậy, với chiều dài đường ống là 16 m tổn thất trên toàn đường ống không đáng kể, do đó một cách gần đúng có thể coi áp suất tại mọi điểm nhỏ giọt đều như nhau Mặt khác đối với đường ống nhánh chiều dài mỗi nhánh là 0,5 m đường kính d = 4 mm áp dụng cách tính tổn thất đường ống thu được rất nhỏ, coi tổn thất không đáng kể.B

Tính áp suất đầu đường ống sử dụng phương trình Becnuli

(2)

2 45 4 2 45

;

44

8

Q g D D

l H

π λ

⎢⎣

5 , 0

44

45 =

Q Q

2 4 2

8

Q g D D

l

H W

π λ

⎢⎣

ab b

b b a a

g

V p Z g

V p

2 2

2 2

γ γ

Trong đó Z ;a Zb- độ cao hình học tại vị trí a và b

- độ cao đo áp tại vị trí a và b

- độ cao vận tốc tại vị trí a và b

3

/s] Tổn thất H [m]

44-45 0,50 0,55 0,00000060 0,0000002529 43-44 0,67 0,49 0,00000120 0,0000009747 42-43 0,75 0,55 0,00000180 0,0000022759 41-42 0,80 0,55 0,00000240 0,0000040461 40-41 0,83 0,55 0,00000300 0,0000063220 39-40 0,86 0,62 0,00000360 0,0000094899 38-39 0,88 0,62 0,00000420 0,0000129168 37-38 0,89 0,62 0,00000480 0,0000168709 36-37 0,90 0,62 0,00000540 0,0000213522 35-36 0,91 0,62 0,00000600 0,0000263608 34-35 0,92 0,62 0,00000660 0,0000318966 33-34 0,92 0,62 0,00000720 0,0000379595 32-33 0,93 0,62 0,00000780 0,0000445497 31-32 0,93 0,62 0,00000840 0,0000516671 30-31 0,94 0,62 0,00000900 0,0000593118 29-30 0,94 0,62 0,00000960 0,0000674836 28-29 0,94 0,62 0,00001020 0,0000761827 27-28 0,95 0,67 0,00001080 0,0000878918 26-27 0,95 0,67 0,00001140 0,0000979288 25-26 0,95 0,67 0,00001200 0,0001085084 24-25 0,95 0,67 0,00001260 0,0001196305 23-24 0,96 0,67 0,00001320 0,0001312951 22-23 0,96 0,67 0,00001380 0,0001435023 21-22 0,96 0,67 0,00001440 0,0001562520 20-21 0,96 0,67 0,00001500 0,0001695443 19-20 0,96 0,67 0,00001560 0,0001833791 18-19 0,96 0,67 0,00001620 0,0001977565 17-18 0,97 0,67 0,00001680 0,0002126764 16-17 0,97 0,67 0,00001740 0,0002281388 15-16 0,97 0,67 0,00001800 0,0002441438 14-15 0,97 0,67 0,00001860 0,0002606913 13-14 0,97 0,67 0,00001920 0,0002777814 12-13 0,97 0,67 0,00001980 0,0002954140 11-12 0,97 0,67 0,00002040 0,0003135892 10-11 0,97 0,67 0,00002100 0,0003323068

γ

p p

;

g

V g

V a b

2

; 2

2 2

1-2 0,98 0,67 0,00002640 0,0005251805

∑

áp dụng công thức (2) viết cho hai mặt cắt ngang tại vị trí 46 và 47 , Do đoạn ống ngắn nên bỏ qua hao tổn và coi gần đúng vận tốc tại 46 và 47 như nhau:

từ đó xác định được áp suất của ống vị trí 46 là 114000 [N/mP

3

] và PB 46 B ≈ PB 45 B, Tương tự viết cho hai mặt cắt 1 và 45,

từ đó xác định được áp suất đầu đường ống là 114600 [N/mP

3

], khi đó bộ điều áp suất sẽ được lập trình điều khiển để đạt được giá trị này,

c) Lựa chọn thiết bị điều khiển và phần mềm điều khiển

- Lựa chọn máy bơm (bơm một lúc 2 luống)

thay các số liệu vào ta được N = 0,365 KW/h

- Lựa chọn van đóng mở các đường ống của các luống, xuất xứ từ Trung Quốc loại Model 2W-200 – 20 (theo Vũ Hữu Tuấn, Nguyễn Thị Lan Thanh ; 2005),

- Lựa chọn thiết bị điều áp bao gồm đồng hồ đo áp và van điều khiển

- Lựa chọn Rơle loại MY2DC24 của OMRON, rơle này có điện áp vào cuộn dòng là 24V,

- Lựa chọn bộ điều khiển khả lập trình PLC S7 200 với CPU 224 của hãng Siemens (Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phước, 1997),

Phần mềm điều khiển SIMATIC S7 200 được chọn bởi các đặt thời gian và các lệnh so sánh, Tiến hành khảo sát tính toán và viết chương trình điều khiển cho mô hình điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt trong phòng thí nghiệm tự động hoá thuộc bộ môn Điện kỹ thuật khoa Cơ Điện (hình 3),

H3 Mô hình điều khiển quá trình tưói nhỏ giọt

47 46

2 47 47 47

2 46 46 46

2

+

g

V p Z g

V p Z

γ γ

∑

+ + +

= +

g

V p Z g

V p

Z

2 2

2 45 45 45

2 1 1

η

γ

1000

2 Q V H V

N =

d) Tính toán giá thành cho hệ thống điều khiển quá trình tưới

Giá thành thiết bị của hệ thống điều khiển quá trình tưới cho 200 mP

2

được trình bày ở bảng 2,

Bảng 2 Giá thành thiết bị của hệ thống điều khiển quá trình tưới

STT Thiết bị Đơn vị Số lượng Đơn giá Thành tiền

3, Kết luận

Mô hình điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt đã được kiểm tra, chạy thử trong một hệ thống điều khiển và giám sát thiết kế trên cơ sở thiết kế bộ điều khiển khả trình PLC S7-200, CPU 224 của hãng Siemens, Mô hình được thiết kế hoàn toàn đảm bảo quá trình tưới cho các loại cây trồng trong nhà lưới, nhà kính, Giá thành của sản phẩm từ 9-10 triệu/ 1 bộ tưới cho diện tích 200mP

2

trong nhà kính hoặ nhà lưới,

Tài liệu tham khảo

Vũ Hữu Tuấn, Nguyễn Thị Lan Thanh, 2005, Thiết kế hệ thống tự động hóa tưới nhỏ giọt cho công nghệ trồng rau không cần đất, Đồ án tốt nghiệp - chuyên ngành Điều khiển tự động - Đại học

Bách khoa Hà nội, 102 trang,

Lương Văn Kiên, 2005, Thiết kế mô hình hệ thống tưới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn, Đồ án tốt nghiệp - chuyên ngành Điện Nông nghiệp, 90 trang,

Hoàng Đức Liên, Nguyễn Thanh Nam, 2001, Thuỷ lực và cấp thoát nước trong nông nghiệp, nhà xuất bản Giáo dục, 200 trang,

Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, 1997, Tự động hoá với SIMATIC S7 - 200, nhà xuất bản Nông nghiệp, 191 trang,