Thiết kế thi công mô hình tưới rau tự động dùng plc và cc link

Thay vì sử dụng sức người và kinh nghiệm bản thân thì khi áp dụng các hệ thống tự động sẽ góp phần tang khả năng sản xuất cũng như chất lượng cây trồng.. Với mô hình đồ án này sẽ được ho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH TƯỚI RAU

TỰ ĐỘNG DÙNG PLC VÀ CC-LINK

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TH.S HUỲNH PHÁT HUY

Sinh viên thực hiện : MSSV: Lớp:

Trần Hữu Thắng 1811020063 18DDCA1 Phạm Hoài Phúc 1811020113 18DDCA1 Đinh Anh Tuấn 1811020077 18DDCA1

Tp Hồ Chí Minh , ngày 09 tháng 08 năm 2022

VIỆN KỸ THUẬT HUTECH

2 Tên đề tài đăng ký : THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI

RAU TỰ ĐỘNG DÙNG PLC VÀ CC-LINK ……… ……

………

………Sinh viên đã hiểu rõ yêu cầu của đề tài và cam kết thực hiện đề tài theo tiến độ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 08 năm 2022

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên, nhóm chúng em xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Quý thầy

cô trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh đã hỗ trợ chúng em trong suốt 4 năm theo học tại trường

Giờ đây là những ngày tháng cuối cùng được được theo học tại trường Đồ án tốt nghiệp THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH TƯƠI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK đánh dấu bước ngoặc trưởng thành của sinh viên chúng em Để có thể hoàn thành tốt

đồ án lần này thì không thể thiếu sự giúp đỡ của thầy Huỳnh Phát Huy, một người thầy tận tâm và luôn luôn giúp đỡ cho sinh viên

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn

Trân trọng

TÓM TẮT

Việc đưa các công nghệ hiện đại như tự động hóa vào trong lĩnh vực sản xuất

từ lâu đã rất phổ biến ở nước ta, đăc biệt là các ngành trồng trọt Thay vì sử dụng sức người và kinh nghiệm bản thân thì khi áp dụng các hệ thống tự động sẽ góp phần tang khả năng sản xuất cũng như chất lượng cây trồng Hệ thống tưới rau sử dụng PLC và CC-Link là điển hình rõ nhất cho việc áp dụng hệ thống tự động vào trồng trọt Ngoài việc giảm thiểu sức người thì hệ thống còn giúp kiểm soát chất lượng đầu vào như nồng độ pH, các chất dinh dưỡng trong đất và nước tưới, Tuy nhiên để có thể áp dụng các công nghệ này thì người trồng cần phải xác định được các phương thức tưới tiêu phù hợp cũng như điều kiện kinh tế

Đối với mô hình sử dụng giao thức truyên thông CC-Link thì sẽ phù hợp với các loại

mô hình tưới tiêu quy mô vừa và lớn Vì CC-Link là giao thức có thể kiểm soát toàn

bộ các khu vực được thiết lập hệ thống, từ đó chỉ cần chúng ta có các thiết bị giám sát từ xa như Scada hay chỉ với một màn hình HMI thì sẽ có thể điều khiển tưới rau một cách dễ dàng và nhanh chóng Với mô hình đồ án này sẽ được hoạt động theo các công đoạn sau:

Công đoạn 1: Thiết bị đo nồng độ pH sẽ hoạt động và tiến hành đo chất lượng nước Công đoạn 2: Máy bơm nước sẽ bơm nước từ bồn chứa nước lên các ống trồng rau Công đoạn 3: Hệ thống phun sương sẽ hoạt động và làm ẩm không khí

Công đoạn 4: Các công đoạn sẽ được lặp lại sau khoảng thời gian được cài đặt sẵn

ABSTRACT

The introduction of modern technologies such as automation into the production field has long been very popular in our country, especially the cropping industries Instead of using human effort and personal experience, the application of automatic systems will contribute to increasing production capacity as well as crop quality The vegetable irrigation system using PLC and CC-Link is the clearest example for the application of automatic systems in cultivation In addition to minimizing human effort, the system also helps control input quality such as pH, soil nutrients and irrigation water, etc However, to be able to apply these technologies, growers need to appropriate irrigation methods as well as economic conditions must

be determined

For the model using CC-Link communication protocol, it will be suitable for medium and large scale irrigation models Because CC-Link is a protocol that can control all areas where the system is set up, as long as we have remote monitoring devices like Scada or just one HMI screen, we can control it Control watering vegetables easily and quickly With this project will operate in the following stages:

Stage 1: The pH meter will work and measure the water quality

Stage 2: The water pump will pump water from the water tank to the vegetable growing pipes

Stage 3: The misting system will operate and humidify the air

Stage 4: The stages will be repeated after a preset period of time

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

LỜI MỞ ĐẦU v

Chương 1: GIỚI THIỆU 18

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. 18

1.1.1 Định nghĩa 18

1.2 TỔNG QUAN VÊ HỆ THỐNG TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC-Link. 18 1.2.1 Lý do chọn đề tài 18

1.2.2 Giới hạn đề tài 18

Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 19

2.1 TIẾN ĐỘ KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU KHÁCH THỂ VÀ THI CÔNG. 19

2.1.1 Tính khả thi của đề tài 19

2.1.2 Kế hoạch khảo sát, nghiên cứu khách thể 19

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 21

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

3.1.1 Phương tiện nghiên cứu 21

3.1.2 Xử lý thông tin 22

Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 23

4.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 23

4.1.1 Xác định phương pháp tưới rau 23

4.1.2 Khảo sát các mô hô hình có sẵn 24

4.1.3 Tổng hợp 25

4.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 26

4.2.1 Lựa chọn chất liệu, vật liệu làm khung mô hình 26

4.2.1.1 Nhôm định hình 26

4.2.1.2 Mica trong suốt, trắng đục 26

4.2.1.2 Ống nhựa trồng rau 27

4.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 27

4.3.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển trung tâm 27

4.3.1.2 Master Fx3U 16CCL – M V2.0 28

4.3.1.3 I/O Remote AJ65SBT1-32T 30

4.3.2 Tính toán chọn thiết bị đầu cuối 31

4.3.2.2 Xi lanh khí nén 32

4.3.2.3 Đầu Coil xi lanh khí nén 32

4.3.2.4 Máy bơm khí nén 33

4.3.2.5 Đầu dò tạo sương siêu âm 34

4.3.2.6 Quạt 34

4.3.3 Tính toán thiết bị đo lường 35

4.3.3.2 Mạch nguồn Ardruino 36

4.3.4 Tính toán điện áp đầu vào 37

4.3.4.2 Nguồn 24VDC 37

4.3.4.3 Nguồn 12VDC 38

4.3.4.4 Nguồn 5VDC 38

4.3.5 Tính toán lựa chọn thiết bị bảo vệ, đóng cắt 39

4.3.5.1 Rơ le trung gian 40

4.3.6 Tính toán lựa chọn dây dẫn 40

4.3.7 Lựa chọn thiết bị phụ trợ khác 41

4.3.7.3 Màn hình HMI Weinview TK6070iP 41

4.4 PHẦN MỀM THIẾT KẾ 42

4.4.1 GX Works2 42

4.4.2 Ardruino 43

4.4.3 EB800 43

4.4.4 Autocad 44

Chương 5: THI CÔNG 45

5.1 PHẦN CƠ KHÍ. 45

5.1.1 Thiết kế phần cơ khí bằng phần mềm Autocad 45

5.1.2 Lắp ráp cơ khí 47

5.2 PHẦN ĐIỆN. 49

5.2.1 Sơ đồ nguyên lý 49

5.2.2 Thiết kế tủ điện bằng phần mềm Autocad. 50

5.2.3 Lắp ráp tủ điện 51

5.3 LẬP TRÌNH PLC. 53

5.3.1 Master CC – Link điều khiển I/O Remote AJ65SBTB1 – 32T 53

5.3.2 I/O Remote AJ65SBTB1 – 32T điều khiển thiết bị đầu cuối 56

5.3.3 Sơ đồ kết nối hệ thống 59

5.3.4 Lưu đồ giải thuật hệ thống 60

5.4 LẬP TRÌNH ARDRUINO. 61

5.4.1 Thiết lặp phần cứng 61

5.4.2 Viết chương trình điều khiển cảm biến đo nồng độ pH 61

5.5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN MÀN HÌNH HMI 65

5.5.1 Giao diện màn hình Auto và Manual 65

Chương 6: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 66

6.1 ĐÁNH GIÁ 66

6.1.1 Kết quả đạt được của đề tài 66

6.1.2 Những điểm chưa đạt được của đề tài 66

6.2 KẾT LUẬN. 67

6.3 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC ……… 70

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.2: Dàn phun sương tưới tiêu quy mô vừa và nhỏ 20

Hình 2.1: Thang đo nồng độ pH 20

Hình 3 1 Tài liệu User’s Manual FX3U-16CCL-M 21

Hình 3 2 Sơ đồ CC-Link 22

Hình 3 3 Các phần mềm hỗ trợ thiết kế và lập trình 22

Hình 4 1 Ruộng bậc thang 23

Hình 4 2 tưới rau theo lô hàng ngang 24

Hình 4 3 Tưới rau theo dạng bậc thang tam giác 24

Hình 4 4 Nhôm định hình và kích thước 26

Hình 4 5 FX3U-16MR-ES 27

Hình 4 6 Master block FX3u-16CCL-M 28

Hình 4 7 Tốc độ truyền tải dữ liệu với điện trở tương ứng 29

Hình 4 8 I/O Remote AJ65SBTB1-32T 30

Hình 4 9 Sơ đồ đấu dây 30

Hình 4 10 Máy bơm nước 60W 31

Hình 4 11 Xi lanh khí nén giữ bút đo pH 32

Hình 4 12 Máy bơm khí nén 33

Hình 4 13 Đầu dò tạo sương 34

Hình 4 14 Quạt thông gió 34

Hình 4 15 Bút đo cảm biến pH 35

Hình 4 16 Mạch cảm biến do pH 35

Hình 4 17 Mạch Ardruino 36

Hình 4 18 Nguồn tổ ong 24VDC 5A 37

Hình 4 19 Mạch hạ áp 24VDC – 12VDC 38

Hình 4 20 Mạch hạ áp 24VDC – 5VDC 38

Hình 4 21 MCB LS 1P+N 20A 6kA 39

Hình 4 22 Rơ le trung gian 40

Hình 4 23 Màn hình LCD 16x2 41

Hình 4 24 Màn hình điều khiển HMI Weinview TK6070iP 41

Hình 4 25 Giao diện lập trình PLC trên GX Works2 42

Hình 4 26 Giao diện lập trình Ardruino 43

Hình 4 27 Giao diện thiêt kế HMI 44

Hình 4 28 Giao diện thiết kế Autocad 44

Hình 4 29 Giao diện thiết kế Autocad 44

Hình 5 1: Thiết kế mô hình cơ khí bằng phần mềm Autocad 45

Hình 5 2: Bản vẽ 3D mô hình dàn khung hệ thống 46

Hình 5 3: Bản vẽ 2D mô hình dàn khung hệ thống 47

Hình 5 6 Lắp ráp mô hình 48

Hình 5 4 Chế tạo máy thổi sương 49

Hình 5 5 Lắp ráp nhôm định hình 50

Hình 5 6 Lắp ráp mô hình 50

Hình 5 8 Sơ đồ nguyên lý 51

Hình 5 9 Bảng vẽ chi tết thiết bị trong tủ điện 52

Hình 5 10 lắp ráp thiết bị 52

Hình 5 11 Lắp ráp tủ điện 53

Hình 5 12 Lắp ráp các thiết bị theo bảng vẽ thiết kế 53

Hình 5 13 Bảng vẽ chi tiết các thiết bị trong tủ điện theo danh mục thiết bị 54

Hình 5 14 Thiết lặp phần cứng PLC CC - Link 55

Hình 5 15 Khai báo Parameter 55

Hình 5 16 Khai báo dữ liệu đầu vào và chương trình con 56

Hình 5 17 Điều khiển quạt thông gió và xi lanh khí nén 56

Hình 5 18 Điều khiển máy bơm nước 57

Hình 5 19 Điều khiển hệ thống phun sương 57

Hình 5 20 Reset chương trình 58

Hình 5 21 Sơ đồ kết nối hệ thống 58

Hình 5 22 Lưu đồ giải thuật hệ thống 58

Hình 5 23 Khai báo biến cho màn hình LCD và cảm biến đo pH 59

Hình 5 24 Chạy chương cho màn hình LCD và cảm biến đo pH 60

Hình 5 25 In giá trị đo pH bằng LCD 61

Hình 5 26 Khai báo biến và tính toán các giá trị đo đạc 62

Hình 5 27 Giao diện điều khiển Auto trên màn hình HMI 63

Hình 5 28 Giao diện điều khiển Manual trên màn hình HMI……… ……… 63

Hình 6 1 Mô hình hoàn chỉnh 67

Tình hình nghiên cứu

Khái niệm: Thủy canh là hình thức canh tác không dùng đất Cây được trồng trên hoặc trong dung dịch dinh dưỡng, sử dụng dinh dưỡng hòa tan trong nước dưới dạng dung dịch và tùy theo từng kỹ thuật mà toàn bộ hoặc một phần rễ cây được ngâm trong dung dịch dinh dưỡng (theo Vũ Quang Sáng, 2007)

Phân loại hệ thống thủy canh: Căn cứ vào đặc điểm dung dịch dinh dưỡng có thể chia

hệ thống thủy canh làm 2 loại ( theo FAO, 1992)

Hệ thống thủy canh tĩnh và hệ thống thủy canh động:

Ưu điểm của trồng cây bằng phương pháp thủy canh đó là có thể chủ động điều chỉnh dinh dưỡng cho cây, có thể loại bỏ các chất gây hại cho cây và không có các chất tồn

dư từ vụ trước Tiết kiệm nước, giảm chi phí công lao động, hạn chế sử dụng thuốc bảo thực vật và điều chỉnh được hàm lượng dinh dưỡng nên tạo ra sản phẩm ray an toàn đối với người sử dụng, nâng cao năng suất và chất lượng rau

Nhược điểm: giá thành cao do đầu tư ban đầu lớn Yêu cầu kỹ thuật cao, sự lan truyền bệnh nhanh, đòi hỏi nguồn nước đảm bảo tiêu chuẩn nhất định

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Với mục đích nâng cao chất lượng sản xuất rau sạch và đảm bảo được tính tối ưu khi

áp dụng các công nghệ tự động vào sản xuất, giảm thiểu sức người, thay thế hoàn toàn bằng tự động hóa, thay đổi thói quen thâm canh vốn dĩ đã lạc hậu và không đem lại hiệu quả Ngoài ra, kiểm soát chất lượng nước tưới tiêu giúp hạn chế được các mầm bệnh, các vấn đề ô nhiễm môi trường tạo ra trong quá trình tưới tiêu

Kết quả

Sau khi áp dụng các kiến thức tự động hóa của PLC đặc biệt là giao thức truyền thông CC-Link của Mitsubishi, một công cụ với nhiều tính năng hay, truyền thông dữ liệu với tốc độ cao giúp chúng ta có thể điều khiển các khu vực tưới tiêu một cách thuận tiện, nhanh chóng và hiệu quả khi chỉ cần điều khiển thông qua nút nhấn, dễ dàng quan sát các chỉ số quan trọng như pH, TDS trên màn hình mà ta có thể đánh giá được chất lượng của nước tưới

Hệ thống thông gió 1 chiều giúp thông thoáng cho mô hình nhà kính, đảm bảo việc trao đổi không khí được diễn ra một cách ổn định Hệ thống lọc nước bằng đá nham thạch và bông lọc chất bẩn được áp dụng từ việc nuôi các cảnh rất phù hợp với việc tưới rau, giúp giảm các vấn đề về chi phí và môi trường

Kết cấu của đề tài

Đề tài THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC – LINK được miêu tả rất cụ thể cách để có thể hoàn toàn tạo ra được một mô hình tương

tự và vận hành chúng một cách đơn giản nhất

Chương 1: GIỚI THIỆU

Ở chương này sẽ định nghĩa về đề tài THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC – LINK là gì và sơ lược một vài lý do chọn đề tài cũng như giới hạn mà đề tài này có thể thực hiện

Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

Tổng quan giải pháp là chương khá quan trọng vi đây là cơ sở để ta có thể nắm được các thông tin cũng như những vấn đề mà chúng ta cần giải quyết như: phương pháp tưới rau, nghiên cứu các khách thể để có thể nắm được các thông số cần thiết và quan trọng của nước như nồng độ pH, tọa độ ẩm, bể lọc nước thải

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

Sau khi khảo sát các khách thể của đề tài thì để có thể thực thi những vấn đề đó thì ở chương 3 này sẽ giới thiệu các công cụ giúp ta thiết kế chương trình, các tài liệu cần thiết để có thể tạo các kết nối của CC -Link và màn hình HMI, LCD

Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ

Ở chương này, các thiết bị được liệt kê để sử dụng trong mô hình Ngoài ra, các phép tính toán được thể hiện ở trong chương được giải thích cụ thể lựa chọn các thiết bị khác phù hợp hơn

Chương 5: THI CÔNG

Các ngôn ngữ lập trình như LAD của PLC, ngôn ngữ C của Ardruino, kỹ thuật vẽ CAD và thiết kế giao diện màn hình HMI được hướng dẫn giải thích chi tiết trong chương cách khai báo đầu vào và tạo các biến, thư viện trong phần mềm

Chương 6: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN

Chương cuối này sẽ đánh giá toàn bộ quá trình nghiên cứu và thi công của đề tài, những điều làm được và chưa làm được Từ đó có thể đưa ra các hướng phát triển mới của đề tài

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1.1 Định nghĩa

THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK là

mô hình tự động hóa, được tích hợp các thiết bị tự động như PLC FX3U và các module hỗ trợ khác nhằm tối ưu hóa các chức năng của thiết bị đâu cuối Ngoài ra các thiết bị điều khiển tự động, mô hình còn sử dụng các thiết bị đo đạc dữ liệu như cảm biến pH và cảm biến đo tổng lượng chất rắn hòa tan TDS để thể hiện giá trị chất lượng nước một cách nhanh nhất

1.2 TỔNG QUAN VÊ HỆ THỐNG TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC-Link 1.2.1 Lý do chọn đề tài

Đề tài THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯƠI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK được lấy ý tưởng từ những chiếc ruộng bậc thang ở vùng Tây Bắc Với mong muốn nâng cao chất lượng chất lượng trong ngành trồng trọt, Mô hình được thiết kế với mục đích áp dụng những kỹ thuật tự động vào hệ thống tưới tiêu để

có thể kiểm soát tốt nhất các các thông số cần thiết, giảm thiểu sức người, thúc đẩy quá trình thâm canh chuyên nghiệp và hiệu quả Với mô hình tưới rau bằng phương pháp nhà kính giúp chất lượng rau được đảm bảo sạch theo tiêu chuẩn Vietgap và nâng cao kỹ thuật trồng trọt và tưới tiêu

1.2.2 Giới hạn đề tài

Đề tài được lựa chọn không hoàn toàn thuộc lĩnh vực kỹ thuật điệt hay điện tự động hóa Các kiến thức của ngành trồng trọt vẫn còn rất mới Vì thế, đề tài chỉ dừng lại ở mức thực hiện được các chức năng cần thiết của việc tưới tiêu để đảm bảo chất lượng rau được trồng đạt yêu cầu xanh và sạch

Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1 TIẾN ĐỘ KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU KHÁCH THỂ VÀ THI CÔNG 2.1.1 Tí nh khả thi của đề tài

Ngày nay, việc trồng và tưới rau theo quy mô công nghiệp vẫn còn nhiều hạn chế trong kỹ thuật, đa phần sẽ sử dụng rất ít các thiết bị tự động mà chỉ dựa vào kinh nghiệm thâm canh và sức người Tuy nhiên, vấn đề này cũng có nhiều điều rất tốt mà máy móc khó có thể làm tốt được Với những kiến thức tìm hiểu được về ngành trồng trọt thì đề tài THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯƠI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK rất có khả năng áp dụng vào thực tế vì mô hình được tích hợp nhiều tính năng giúp giảm bớt sức người và các dữ liệu đo đạc chuẩn xác đến từ các thiết bị chuyên dụng

2.1.2 Kế hoạch khảo sát, nghiên cứu khách thể

Các khách thể được nghiên cứu trong mô hình bao gồm: nồng đọ pH trong nước, tổng lượng chất rắn hòa tan TDS, phương thức giảm nồng độ pH, các tính năng cần thiết trong việc tạo độ ẩm cho không khí

Đối với các thiết bị đo, việc tìm hiểu một vấn đề rất khó và cần phải có thời gian nghiên cứu lâu dài Đa số các lại rau trồng thủy canh đều có phạm vi pH từ 5.0 – 7.0, trong đó ngưỡng 5.8 – 6.5 phát triển tốt nhất, cũng có nghĩa là dung dịch thủy canh nên có tính axit nhẹ Mỗi ngày nên đo độ pH2 lần vì độ pH sẽ thay đổi theo sự tác động của ánh sáng và nhiệt độ

Phương thức giảm thiểu nồng độ pH tự nhiên đó là sử dụng đá nham thạch và bông lọc chất bẩn sau một khoảng thời gian tưới tiêu Với việc sử dụng đá nham thạch giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, an toàn với cấy trồng vì đã được áp dụng rất nhiều trong việc nuôi cá cảnh

Một trong những thông số cực kì quan trọng trong việc giúp rau phát triển tốt nhất đó

là độ ẩm của không khí Độ ẩm giúp đảm bảo rau được cấp đủ nước, giảm thiểu tình trạng khô héo

Hình 2.2: Thang đo nồng độ pH

Hình 2.1: Dàn phun sương tưới tiêu quy mô vừa và nhỏ

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1.1 Phương tiện nghiên cứu

Với sự bùng nổ của Internet, việc tìm kiếm thông tin của một vấn đề không quá khó khăn Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu tài liệu trồng trọt và ngành điện tự động phải đòi hỏi người có kiến thức chuyên môn để có thể hiểu rõ cặn kẽ các thông số

Riêng đối với các thiết bị điện và truyền thông: CC-Link là một giao thức được Mitsubishi tạo ra dành riêng cho các thiết bị của họ Các thiết bị kết hợp với nhau phải theo một quy chuẩn với nhau như module Master Block CC-Link 16CCL M V2 được miêu tả và giải thích rất cụ thể cách kết nối và khai báo trong tài liệu User’s Manual của họ

Hình 3 1 Tài liệu User’s Manual FX3U-16CCL-M

Các tài liệu hỗ trợ tính toán đặc thù trong kỹ thuật điện là một phần không thể thiếu, Tuy quy mô đề tài khá nhỏ nhưng để đảm bảo các thiết bị được chọn phải phù hợp đặc tính điện thì tính khả thi của đề tài mới được phát triển

Khi nói đến lĩnh vực điều khiển tự động thì phần mềm hỗ trợ thiết kế quan trọng nhất Trong đề tài sử dụng GX Works2, Adruino, EB8000, Autocad là các phần mềm hỗ trợ lập trình, điều khiển, nạp và khai báo chương trình

3.1.2 Xử lý thông tin

Để có thể điều khiển được mô hình thì các thiết bị phải tương thích với nhau Đối với PLC và Master Block Chúng ta cần biết được module CC-Link V2 hỗ trợ được từ các dòng PLC nào và PLC FX3U có thể truyển thông CC-Link được hay không Tính toán chọn các thiết bị phải được chọn lựa kỹ để phù hợp với quy mô mô hình và điều kiện kinh tế

Hình 3 2 Sơ đồ CC-Link

Hình 3 3 Các phần mềm hỗ trợ thiết kế và lập trình

Chương 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ

4.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ

4.1.1 Xác định phương pháp tưới rau

Được lấy cảm hứng từ những chiếc ruộng bậc thang của ở vùng Tây Bắc của Việt Nam Từ đó đã tạo nên ý tưởng trồng và tưới rau theo phương thức thủy canh cùng với phương pháp xả tràn như cách ruộng bậc thang đang hoạt động

Ưu điểm của phương pháp này đó là tiết kiệm được diện tích trồng cây, tưới tiêu dễ dàng Ngoài ra còn kết hợp với xả tràn giúp các chất dinh dưỡng mới nhất được bơm liên tục giúp rau phát triển tốt nhất

Đối với phương pháp xả tràn, mô hình còn tích hợp thêm bể lọc nước giúp cân bằng

độ pH và xử lý nước đã bơm giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, để rau tránh đươc sâu bệnh và kiểm soát được sự phát triển của rau thì hệ thống phun sương sẽ là yếu tố góp phần cân bằng độ ẩm trong nhà kính

Hình 4 1Ruộng bậc thang

4.1.2 Khảo sát các mô hô hì nh có sẵn

4.1.2.1 Theo lô hàng ngang

Đối với phương pháp trồng và tưới rau thủy canh này được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nơi trồng theo quy mô vừa và nhỏ Với ưu điểm dễ dàng kiểm soát, thay thế, tuy nhiên khá tốn diện tích

Hình 4 2 Tưới rau theo lô hàng ngang

Hình 4 3 Tưới rau theo dạng bậc thang tam giác

Điểm giúp hình thức này được ưa chuộng hơn ở những có quy mô nhỏ và gia đình chính là tiết kiệm diện tích trồng, tang được năng suất và sản lượng của rau

4.1.3 Tổng hợp

Chung quy, tất cả các hình thức trồng và tưới rau đã nêu ở mục 4.1.2 đều theo phương pháp bơm nước xả tràn, theo quy mô nhà kính, hạn chế được sâu bệnh Với mục đích nâng nâng cấp hệ thống tưới rau ở quy mô công nghệ cao, kiểm soát chặt chẽ hơn thì

đề tài Hệ thống tưới rau truyền thông CC – Link được xem như mô hình mang tính

tự động hóa toàn bộ, kiểm soát đươc toàn bộ chất lương đầu vào, đo đạc được các thông số cần thiết cho cây trồng như nồng độ pH, chất rắn hòa tan TDS, chất lượng

độ ẩm không khí, nhiệt độ phòng,…

4.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Cơ khí đóng vai trò khá quan trọng trong mô hình này, nhằm đảm bảo tính tối ưu và hiệu quả của các thiết bị đầu cuối cũng như đảm bảo cây trồng có thể phát triển tốt trông môi trường nuôi trồng thủy canh

4.2.1 Lựa chọn chất liệu, vật liệu làm khung mô hì nh

4.2.1.1 Nhôm định hình

Nhôm định hình là lựa chọn tốt nhất cho mô hình tưới rau theo hình thức trồng thủy canh này Mang tính thẩm mỹ, hiện đại nhờ có độ sáng cao, chịu lực tốt, trọng lượng nhẹ, dễ lắp đặt và thân thiện với môi trường

4.2.1.2 Mica trong suốt, trắng đục

Mica trong suốt được sử dụng trong mô hình này với mục đích làm khung nhà kính Nhằm đảm bảo sự phát triển tốt nhất cho cây trồng Ngoài ra tăng tính thẩm mỹ, dễ dàng quan sát bên trong Từ đó ta có thể kiểm soát được sự phát triển của cây trồng bên trong

Đối với mica trắng đục được bố trí ở phần dưới của mô hình với mục đích ẩn đi những thiết bị điện bên trong như máy bơm khí nén, máy bơm nước,

Hình 4 4 Nhôm định hình và kích thước

4.3.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển trung tâm

4.3.1.1 PLC FX3U -16M-R

Hình 4 5 FX3U-16MR-ES

Với mục đích kiểm soát được được các nguồn đầu vào và tăng tính hiệu quả, giảm bớt sức người Thì mô hình này sử dụng PLC Fx3U 16M-R có chức năng truyền thông dữ liệu, tín hiệu điều khiển từ xa

Nhiệm vụ chính của PLC trong hệ thống điện của mô hình này được xem như một thiêt bị trung tâm dùng để đọc, ghi dữ liệu và nhận tín hiệu từ module I/O Remote hoặc Intelligent Device

PLC FX3U 16M-R

Tùy thuộc vào điện trở nối vào ngõ DA và DB cùng với chiều dài dây giữa Master Block và các I/O Remote mà tốc độ đường truyền có thể thay đổi Đối với mô hình tưới rau này, do khoảng cách lắp đặt thiết bị chỉ khoản 30 cm và sử dụng điện trở 110

Ω cho nên tốc độ truyền là 2,5 Mbps Còn đối với chiều dài xa nhất là 1200 m thì đường truyền tối đa sẽ là 156 kbps

Đối với khối Master này, chúng ta có thể mở rộng tối đa 8 module bao gồm cả I/O Remote và các khối Intelligent Device và ≤ 384 Points ( đối với FX3U) và ≤ 128 Points (đối với FX3G)

32 x Số I/O Remote ≤ 128 Points (đối với FX3G)

Số Points trong mô hình: [FX3U 16M – R (16 Points) + FX3U 16CCL M (16 Points) + AJ65SBTB1 32T (32 Points)] = 16 + 16 +32 = 64 Points ≤ 384 Points

Như vậy: ta có thể tính được số I/O Remote và số Intelligent device có thể sử dụng đối với từng loại PLC

Hình 4 7 Tốc độ truyền tải dữ liệu với điện trở tương ứng

4.3.1.3 I/O Remote AJ65SBT1-32T

Đây là khối khá đặc biệt trong hệ thống điện của mô hình tưới rau, thiết bị được xem như Output của PLC

Sau khi nhận tín hiệu từ chương trình từ PLC thì module sẽ trả ra tín hiệu đầu Y Tuy nhiên ngõ ra của module là Transistor không phải Relay như PLC

Hình 4 8 I/O Remote AJ65SBTB1-32T

Hình 4 9 Sơ đồ đấu dây

Các chân DA, DB, DG, SLD của khối Master được nối trực tiếp với các điểm cùng tên của I/O Remote Tuy nhiên, điện trở mắc nối tiếp của DA, DB góp phần không nhỏ trong việc thay đổi tốc độ đường truyền của dữ liệu Theo nhà sản xuất khuyến nghị thì điện trở 110 Ω và 130 Ω là tốt nhất Loại cáp sử dụng tốt nhất là cáp CC -Link, tuy nhiên ta có thể thay thế loại cáp khác đó là loại cáp tín hiệu 3 lõi và 1 lõi shield chống nhiễu có sẵn trên trên thị trường

4.3.2 Tí nh toán chọn thiết bị đầu cuối

4.3.2.1 Máy bơm nước

Với ngõ ra của I/O Remote là transistor và đấu kiểu Source với nguồn vào là 24VDC,

vì vậy ta chọn máy bơm nước có điện áp đầu vào là 24V với công suất 60W

Hình 4 10 Máy bơm nước 60W

Nhiệm vụ của máy bơm nước trong mô hình này là bơm nước từ bể nước chứa chất dinh dưỡng lên các ống chứa và sẽ bơm liên tục cho đến khi xả tràn các ống phía dưới

4.3.2.2 Xi lanh khí nén

Xi lanh khí nén được sử dụng trong mô hình là loại hành trình 10 cm có chức năng giữ cảm biến đo độ pH vì đầu dò của cảm biến chỉ có thể ngâm tối đa là 15 phút nên cần phải có xi lanh để có thể đưa cảm biến lên để đảm bảo cảm biến không bị hỏng

4.3.2.3 Đầu Coil xi lanh khí nén

Đầu coil có chức năng kích nguồn điện cho tiết lưu để mở van khí nén để nạp vào xi lanh Cũng với ngõ ra của I/O Remote là transistor và đấu kiểu Source với nguồn vào

là 24VDC, vì vậy ta chọn đầu coil có điện áp đầu vào là 24V để phù hợp với nguồn điện ban đầu

Hình 4 11 Xi lanh khí nén giữ bút đo pH

4.3.2.5 Đầu dò tạo sương siêu âm

Hệ thống phun sương trong hệ thống cung cấp độ ẩm được bơm từ bồn chứa phía dưới lên trên rau giúp rau giữ được độ tươi và làm mát không khí bên trong nhà kính Với hạt sương siêu âm sẽ hạn chế được việc đọng lại nước trong mô hình Công suất của đầu tạo sương: 20W với điện 24VDC - 1A có thể cung cấp lượng sương 300ml/h

4.3.2.6 Quạt

Hình 4 13 Đầu dò tạo sương

Hình 4 14 Quạt thông gió

Ở phần trên của mô hình sử dụng 2 quạt thổi và hút không khí có chức năng điều hòa không khí bên trong nhà kính Ở phần dưới sử dụng 1 quạt thổi sương từ bồn nước lên nhà kính

Công suất của quạt: P = U x I = (24 x 0.25 ) x3 = 18 W

4.3.3 Tí nh toán thiết bị đo lường

sẽ cân chỉnh PH của nước tưới cây ở trong khoảng từ 5,8 đến 6,5 Bởi vì khi PH của nước tưới cây ở trong khoảng này thì cây sẽ có khả năng hấp thụ tốt nhất chất dinh dưỡng có trong nước tưới

Hình 4 17 Mạch Ardruino

4.3.4 Tính toán điện áp đầu vào

4.3.4.1 Nguồn 220V

Nguồn điện chính để cung cấp cho cho mô hình hoạt động sẽ là nguồn điện 1 pha xoay chiều 220 VAC Trong đó sẽ cung cấp chính cho 2 thiết bị đó là PLC FX3U 16M – R và nguồn tổ ong 24VDC-5A

4.3.4.2 Nguồn 24VDC

Nguồn tổ ong 24VDC - 20A sẽ là nguồn duy trì các thiết bị đầu cuối bao gồm khối Master, I/O Remote và các thiết bị khác Nguồn có công suất là 480W bao gồm 2 cổng 24VDC và chân nối đất

Vì là nguồn nuôi tất cả cấc thiết bị của hệ thống nên ta cần tính toán công suất của các thiết bị dựa theo nguyên lý hoạt động của mô hình mà chọn nguồn có công suất phù hợp

Công đoạn 1: P1 = Master (5.6W) + I/O Remote (24W) Chiều sáng (13,2W) + Quạt (12W) + Bơm khí nén (76,8Wx3) + Đầu coil (5W) + Mạch đo (1W) + Màn hình HMI (7,2W) = 293,6 W (Thỏa công suất của nguồn)

Công đoạn 2: P2 = Master (5.6W) + I/O Remote (24W) + Chiều sáng (13,2W) + Quạt (12W) + Bơm nước (60Wx3) + Màn hình HMI (7,2W) = 242 W (thỏa công suất của nguồn)

Hình 4 18 Nguồn tổ ong 24VDC 20A

Công đoạn 3: P3 = Master (5.6W) + I/O Remote (24W) + Chiều sáng (13,2W) + Quạt (6W) + Phun sương (20W) + Màn hình HMI (7,2W) + = 76W (thỏa công suất của nguồn)

Công đoạn 3: P3 = Chiều sáng (13,2W) + Quạt (6W) + Phun sương (20W) + Màn hình HMI (7,2W) + = 46,4 W (thỏa công suất của nguồn)

4.3.5 Tí nh toán lựa chọn thiết bị bảo vệ, đóng cắt

4.3.5.1 CB ( Circuit Breaker)

MCB là thiết bị bảo vệ thiết bị trong trương hợp ngắn mạch, quá dòng và quá tải Việc sử dụng MCB trong mô hình có nhiệm vụ chính là bảo vệ thiết bị có giá trị cao như PLC,

Trong hệ thống tổng công suất của các thiết bị đầu cuối hoạt động theo từng công đoạn có P max = 254W vì thế ta chọn loại MCB theo tiêu chuẩn IEC như sau: Pđm = Pplc (30W) + P thiết bị (254W) = 284W

Ib ≤ In ≤ Iz → Chọn thiết bị có dòng cắt In = 2 A

→ Dòng cắt đỉnh là: I’z = Iz/K = 2/0,76 = 2,63 A

Ta chọn CB có dòng cắt là 2A và I’z > 2,63 A

Hình 4 21 MCB LS 1P+N 20A 6kA

4.3.5.1 Rơ le trung gian

Rơ le trung gian là thiết bị có chức năng chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại chúng với kích thước nhỏ Trong mô hình có sử dụng 2 loại rơ le trung gian 24VDC và 12VDC dung đề bảo vệ các chân I/O Remote và các mạch điều khiển khác

4.3.6 Tí nh toán lựa chọn dây dẫn

Ta chọn dây có tiết diện 0.5mm2 của hãng Cadivi loại CU/PVC 2x0.5mm2

Hình 4 22 Rơ le trung gian