Thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động vườn thông minh

để thực hiện được phương pháp thuỷ canh này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây, nên việc áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống tưới tự động sẽ tạo một bước đột phá mới c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG- VƯỜN THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: THS HUỲNH PHÁT HUY

Sinh viên thực hiện:

Huỳnh Nguyễn Tuấn Huy 1811020182 18DDCA1

Nguyễn Hoàng Bửu Long 1811020038 18DDCA1

TP Hồ Chí Minh, Ngày 28 tháng 08 năm 2022

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 báo trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 8 năm 2022

Sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả Quý Thầy/

Cô của trường Đại học Công nghệ TPHCM và cũng như Quý Thầy Cô thuộc Viện Kỹ thuật Hutech đã hết lòng giúp đỡ và truyền đạt những kiến thức vô cùng hữu ích cho

em trong suốt khoảng thời gian em đang theo học tại trường

Đồng thời em xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình từ Thầy Huỳnh Phát Huy hiện đang là giảng viên hướng dẫn em thực hiện môn Đồ án tốt nghiệp này

Khi thực hiện đồ án cũng như kiến thức chuyên môn và sự hiểu biết vẫn còn hạn chế nên còn mắc nhiều sai sót trong việc trình bày lẫn tìm hiểu nội dung Với mong muốn được tìm tòi, học hỏi và phát huy niềm đam mê với ngành Kỹ thuật Điện nói chung cũng như đối với chuyên ngành Điện Công Nghiêp nói riêng, em mong rằng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp chân thành và hỗ trợ quý báo từ các thầy cô giảng viên để có thể giúp em hoàn thiện hơn các kỹ năng của bản thân cũng như vững vàng kiến thức hơn và

đỡ bỡ ngỡ hơn cho những môn đồ án tiếp theo

Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 28 tháng 8 năm 2022

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Phan Tuấn Đạt

Nguyễn Hoàng Bửu Long

Huỳnh Nguyễn Tuấn Huy

TÓM TẮT

Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu cũng như chưa

có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nói trong nông nghiệp ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao

Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hoá và hiện đại hoá các thiết bị máy móc tự động đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người Vì vậy, các thiết bị cần được nghiên cứu để có thể tự động vận hành, nhằm phục vụ người lao động từ đó góp phần cắt giảm nguồn nhân lực đáng kể

Trong đồ án này, một hệ thống tưới nước tự động sử dụng bộ điều khiển logic (PLC) Siemen S7-1200 Các tín hiệu đầu vào là các cảm biến, trong đó có cảm biến độ

ẩm, nhiệt độ để có thể nhận biết được môi trường xung quanh Các bét phun được bố trí theo các mô hình nhà kính thực tế Hai động cơ bơm công 125W và 0,75kW được tích hợp để thực hiện việc bơm nước sau khi có tín hiệu điều khiển của PLC

Hệ thống được lập trình theo hai chế độ, chế độ điều khiển tự động (automation)

và điều khiển bằng tay (manual)

Tất cả các điều kiện đó sẽ được đưa vào hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác nhất để tưới nước Người lao động sẽ không còn phải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn

ABSTRACT

Our country's agriculture is still backward and there are not many scientific and technical applications applied to reality Many technical processes of cultivation and care are conducted subjectively and do not guarantee the correct requirements It can

be said that in agriculture, in addition to cultivation and care techniques, watering is one of the most important stages in cultivation, to ensure normal growth and

development, correct and adequate irrigation agronomic requirements of plants that do not cause pests and diseases, limit pesticides for safe products, achieve high

productivity and efficiency

On the other hand, our country is currently in the process of industrialization and modernization of automatic machinery and equipment to replace human labor Therefore, the equipment needs to be researched to be able to operate automatically, in order to serve employees, thereby contributing to a significant reduction of human resources

In this project, an automatic watering system uses Siemens S7-1200 logic

controller (PLC) The input signals are sensors, including humidity and temperature sensors to be able to perceive the surrounding environment The spray nozzles are arranged according to the actual greenhouse models Two 125W and 0.75kW power pump motors are integrated to perform water pumping after PLC control signal

The system is programmed in two modes, automatic control mode and manual control mode

All those conditions will be entered into the system to calculate and give the most accurate time to water Workers will no longer have to worry about watering plants, plants will grow and develop better thanks to more appropriate and accurate water

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

DANH MỤC BẢNG xiv

LỜI MỞ ĐẦU xv

1 Đặt vấn đề xv

2 Mục đích của đề tài xvi

3 Cấu trúc của đồ án xvi

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1.Thực trạng về sản xuất rau ở việt nam 1

1.1.1 Thực trạng 1

1.1.2 Các giải pháp trước đó 2

1.2 Các phương pháp tưới 3

1.2.1 Phương pháp tưới ngập nước 3

1.2.2 Phương pháp tưới rãnh 5

1.2.3 Phương pháp tưới dải 6

1.2.4 Phương pháp tưới phun mưa 7

1.2.5 Tưới nhỏ giọt 8

1.2.6 Tưới ngầm 8

1.3 Ứng dụng tự động hoá vào thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt 9

1.3.1 Khái quát về lịch sử phát triển của ngành tự động hoá 9

1.3.2 Thành tựu của tự động hoá trong quá trình sản xuất 12

1.3.3 Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế hệ thống tưới tự động 12

CHƯƠNG 2 14

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Tổng quan về hệ thống tưới cây tự động 14

2.1.1 Tưới cây tự động là gì? 14

2.1.2 Ý nghĩa và lợi ích của Hệ thống tưới cây tự động 14

2.2 Cơ sở lý thuyết về các thiết bị lý thuyết sử dụng trong đề tài 15

2.2.1 Giới thiệu về sơ lược về PLC S7-1200 15

2.2.2 Tổng quan về PLC S7-1200 17

2.2.2 Giới thiệu về phần mềm lập trình Tia Portal 27

2.2.3 Khái niệm về cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 30

2.2.4 Khái niệm van điện từ 34

2.2.5 Contactor là gì? 39

2.2.6 Sơ lược về rơ-le 44

2.2.7 Nút nhấn, công tắc, đèn báo 47

2.2.8 Tủ điện 49

2.2.9 CB – Circuit Breaker 51

CHƯƠNG 3 54

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 54

3.1 Tổng quan quá trình tính toán, thiết kế 54

3.2 Xây dựng tủ điều khiển 55

3.2.1 Thiết kế bản vẽ mạch điều khiển 55

3.2.2 Thiết kế bản vẽ mạch động lực 57

3.2.3 Thiết kế bản vẽ bố trí thiết bị tủ điện 57

3.2.4 Chọn thiết bị đấu nối tủ điện 58

3.3 Tính toán chọn thiết bị 63

3.3.1 Tính toán chọn PLC: 63

3.3.2 Tính toán dây dẫn cho mạch điều khiển 63

3.3.3 Tính toán chọn biến tần: 64

3.3.4 Tính toán chọn Contactor cho bơm: 64

3.3.5 Tính toán chọn dây dẫn: 64

3.3.6 Tính toán chọn CB cho mạch: 65

3.4 Lập trình chương trình hệ thống tưới cây tự động 65

3.4.1 Lập trình chương trình Auto cho hệ thống 65

3.4.2 Lập trình chương trình Man cho hệ thống 65

3.4.3 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống 65

3.5 Chọn thiết bị điều khiển 69

3.5.1 Chọn PLC S7-1200 CPU 1214C 69

3.5.2 Chọn nodule Analog SM 1232 2AO 70

3.5.4 Chọn cảm biến nhiệt độ ẩm 73

3.6 Thiết kế giao diện Scada WinCC 74

3.6.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 74

3.6.2 Lập trình giao diện Scdada WinCC 74

3.6.3 Các bước thiết lập 75

3.7 Chọn thiết bị phần cứng 77

3.7.1 Bồn chứa nước cho hệ thống 77

3.7.2 Ống nhựa PVC, phụ kiện keo dán, cao su non 78

3.8 Chọn bơm cho hệ thống 80

3.8.1 Bơm nước 1 pha cho hệ thống 80

3.8.2 Bơm nước 3 pha cho hệ thống 81

3.9 Chọn van điện từ UNID UW-15 phi 21mm 82

3.10 Bóng đèn sợi tóc Điện Quang 83

3.11 Chọn quạt cho hệ thống 84

CHƯƠNG 4 85

THI CÔNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH 85

4.1 Viết chương trình cho PLC S7-1200 AC/DC/RL 85

4.1.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm TIA Portal V16 85

4.1.2 Viết chương trình trên phần mềm TIA Portal V16 89

4.1.2.4 Khối Datablock 96

4.2 Giao diện Scada WinCC cho hệ thống 97

CHƯƠNG 5 98

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 98

5.1 Đánh giá kết quả 98

5.1.1 Những vấn đề đạt được 98

5.1.2 Những vấn đề còn hạn chế 98

5.2 Kết luận 99

5.2.1 Kết luận đề tài 99

5.2.2 Hướng phát triển của đề tài 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 102

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tia Portal Totally Integrated Automation Portal

SCADA Suppervisory Control And Data Acquisition

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Một số ứng dụng của PLC trong lập trình 16

Hình 2 2 Tổng quan về PLC S7-1200 18

Hình 2 3 Bảng tín hiệu SB 22

Hình 2 4 Mô-đun tín hiệu 24

Hình 2 5 Module truyền thông Global memory (bộ nhớ toàn cục): CPU cung cấp nhiều vùng nhớ chuyên môn hóa, bao gồm các ngõ vào (I), các ngõ ra (Q) và bộ nhớ BIT(M) Bộ nhớ này là có thể truy xuất bởi tất cả các khối mã mà không có sự hạn chế nào 25

Hình 2 6 Giao diện mô phỏng SCADA 29

Hình 2 7 Sơ đồ đấu nối dây cảm biến 32

Hình 2 8 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm thực tế 33

Hình 2 9 Sơ đồ cấu tạo van điện từ 35

Hình 2 10 Contactor - Khởi động từ SC-03 40

Hình 2 11 Cấu tạo Contactor - Khởi động từ 41

Hình 2 12 Một số Rơ-le công nghiệp thông dụng 44

Hình 2 13 Nguyên lý hoạt động của rơ-le 45

Hình 2 14 Một rơ le trong thực tế 46

Hình 2 15 Các thiết bị công nghiệp với ngõ ra rơ-le dòng nhỏ 47

Hình 2 16 Hình ảnh một số loại nút nhấn 47

Hình 2 17 Một số loại công tắc 48

Hình 2 18 Một số loại đèn báo trong công nghiệp 49

Hình 2 19 Các loại tủ điện 50

Hình 2 20 Một số loại CB 51

Hình 2 21 Sơ đồ cấu tạo CB bảo vệ dòng cực đại 52

Hình 3 1 Sơ đồ khối về công tác thi công mô hình 54

Hình 3 2 Sơ đồ mạch điều khiển 55

Hình 3 3 Sơ đồ cấp nguồn 56

Hình 3 4 Sơ đồ mạch ngõ vào Digital Input và Analog Input, Analog Output 56

Hình 3 5 Sơ đồ mạch điều khiển bơm, van, quạt, đèn 57

Hình 3 6 Sơ đồ bố trí mặt ngoài tủ điện 57

Hình 3.7 CB cấp nguồn cho hệ thống 58

Hình 3.8 Máng cáp 25x25 59

Hình 3 9 Rơ-le trung gian 59

Hình 3 10 Contactor SC-03 60

Hình 3 11 Tủ điện 61

Hình 3 12 Đèn báo nguồn 61

Hình 3 13 Dây dẫn điện 62

Hình 3 14 Switch 3 vị trí 62

Hình 3 15 Chọn dây dẫn 64

Hình 3 16 Lưu đồ chương trình plc 66

Hình 3 17 Lưu đồ chương trình auto quạt cho hệ thống 66

Hình 3 18 Lưu đồ chương trình auto đèn cho hệ thống 67

Hình 3 19 Lưu đồ chương trình auto bơm cho hệ thống 67

Hình 3 20 Lưu đồ chương trình man quạt cho hệ thống 68

Hình 3 21 Lưu đồ chương trình auto đèn cho hệ thống 68

Hình 3 22 PLC S7 1200 CPU 1214C 69

Hình 3 23 Module SM 1232 2AO 70

Hình 3 24 Hình ảnh thực tế biến tần 1 pha 220V ra 3 pha 220V FR-120U 72

Hình 3 25 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AMT1001 73

Hình 3 26 Sơ đồ giải tảuajt nguyên lý hoạt động của hệ thống 74

Hình 3 27 Phần mềm WinCC Scada 75

Hình 3 28 Tạo project mới WinCC 75

Hình 3 29 Chọn phiên bản WinCC 76

Hình 3 30 Chọn cấu hình card mạng 76

Hình 3 31 Giao diện hoàn thành 77

Hình 3 32 Bồn chứa nước cho hệ thống 77

Hình 3 33 Ống nhựa PVC 78

Hình 3 34 Phụ kiện co ống 78

Hình 3 35 Đầu ren nối vào bình 79

Hình 3 36 Keo dán ống 79

Hình 3 37 Cao su non 79

Hình 3 38 Bơm nước 1 pha GP-129JXK 80

Hình 3 39 Bơm nước TECO G-31-50 2P 1HP 0.75KW 81

Hình 3 40 Hình ảnh thực tế van điện từ UNID UW15 phi 21mm 82

Hình 3 41 Hình ảnh thực tế bóng đèn Điện Quang 83

Hình 3 42 Hình ảnh thực tế của quạt làm mát 84

Hình 4 1 Tạo project mới cho dự án 85

Hình 4 2 Tạo PLC mới cho dự án 85

Hình 4 3 Chọn PLC cho mô hình 86

Hình 4 4 Đặt địa chỉ IP cho PLC 86

Hình 4 5 Tạo module mở rộng Analog cho PLC 87

Hình 4 6 Mô phỏng chương trình PLC 87

Hình 4 7 Nạp chương trình vào PLC 88

Hình 4 8 PLC ảo 89

Hình 4 9 Monitor trạng thái của chương trình 89

Hình 4 10 Các khối hàm 90

Hình 4 11 Khối hàm Main 90

Hình 4 12 Chương trình Main 91

Hình 4 13 Chương trình main lấy giá trị thời gian 91

Hình 4 14 Chương trình main lấy giá trị thời gian 92

Hình 4 15 Chương trình main tính toán điều kiện thời gian 92

Hình 4 16 Chương trình main tính toán điều kiện nhiệt độ 93

Hình 4 17 Chương trình main tính toán điều kiện độ ẩm 94

Hình 4 18 Chương trình điều khiển bơm số 1 94

Hình 4 19 Chương trình điều khiển bơm số 2 95

Hình 4 20 Chương trình điều khiển đèn 95

Hình 4 21 Chương trình Scale cảm biến 96

Hình 4 22 Hình Khối datablock 96

Hình 4 23 Giao diện Scada đã được thiết kế 97

Hình 4 24 Giao diện SCADA đang hoạt động ở chế độ Man 97

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1.Thông số kỹ thuật các module CPU PLC S7 1200 19

Bảng 2 2 Bảng các module hỗ trợ PLC S7-1200 20

Bảng 2 4 Bảng tín hiệu sử dụng cho PLC S7-1200 21

Bảng 2 5 Các module tín hiệu sử dụng cho S7-1200 22

Bảng 2 6 Bảng các module truyền thông sử dụng cho S7-1200 25

Bảng 2 7 Các vùng nhớ PLC S7-1200 26

Bảng 3 1 Bảng thông số kỹ thuật biến tần 71

LỜI MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Từ xa xưa con người chỉ sinh sống với dụng cụ rất thô sơ như rìu, búa bằng đá, dung, các dụng cụ tự nhiên, nhưng khi đó là dân số con người còn thấp, tài nguyên thiên nhiên còn dồi dào Nhưng khi xã hội phát triển thì nhu cầu sống của con người ngày càng tăng, nhưng tài nguyên thiên nhiên thì ngày càng cạn kiệt, chính điều đó thúc đẩy con người phải lao động để tạo ra của cải vật chất phục vụ đời sống Thế nhưng ngày nay thế giới đã bước vào thế kỷ XXI tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt môi trường ô nhiễm khắp nơi, nhưng nhu cầu sống và hưởng thụ của con người lại ngày càng cao, dân

số thế giới vẫn tăng vọt, làm cho thế giới sẽ không đủ các sản phẩm để cung cấp cho mọi người nếu hoạt động lao động chỉ là thủ công, để giải quyết vấn đề đó chỉ có con đường duy nhất là ứng dụng tự động hoá vào sản xuất

Nước ta thuộc nhóm các nước đang phát triển với một nền kinh tế nông nghiệp truyền thống, qua nhiều thập niên trở lại đây nền nông nghiệp của Việt Nam ngày càng phát triển vững mạnh, và đến nay nền kinh tế thế giới đang chuyển mạnh sang các ngành công nghiệp và dịch vụ đặc biệt là công nghệ thông tin, với việt nam nông nghiệp vẫn là một ngành có đóng góp đáng kể vào tổng thu nhập quốc dân Chính vì vậy mà nền nông nghiệp nước ta luôn được sự quan tâm của đảng và của nhà nước, nhờ đó mà ngành nông nghiệp đã có nhiều bước phát triển vượt bậc, sản lượng thu hoạch được từ các loại nông

sản qua các mùa vụ ngày càng được nâng cao Do đó tôi chọn và nghiên cứu đề tài "Thiết

kế mô hình hệ thống tưới tự động – vườn thông minh " vì tính thực tế và cấp thiết của

nó với xã hội hiện đại ngày nay Nhờ các kiến thức đã học cũng như tìm hiểu trên internet

và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Huỳnh Phát Huy đã giúp tôi thực hiện được đề tài này

2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu mô hình tưới nước tự động sản xuất an toàn trong thực tiễn từ đó thiết kế

mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong nước

-Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên phần mềm lập trình Tia Portal V16

-Ứng dụng phần mềm Tia Portal V16 để xây dựng chương trình điều khiển hệ thống

3 Cấu trúc của đồ án

Nhằm đảm bảo tính mạch lạc, thứ tự sắp xếp hợp lý và nội dung của các vấn đề nghiên cứu đợc liên kết với nhau, luận văn sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm

Chương 5: Đánh giá kết quả, kết luận

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1.Thực trạng về sản xuất rau ở việt nam

1.1.1 Thực trạng

Nông nghiệp nước ta chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và đã đạt được những thành tựu vô cùng to lớn, từ chỗ thiếu lương thực tới nay đã trở thành một trong những nước xuất khẩu gạo đứng hàng đấu thế giới Hàng loạt cáccây trồng mới có năng suất cao, ngắn ngày đã thay thế những giống cổ truyền, năng suất thấp Các vùng chuyên canh rau và cây công nghiệp ngắn ngày đã được hình thành thay thế cho công thức đa canh, xen canh Tất cả các thay đổi đó tạo điều kiện cho nhiều loại sâu, bệnh phát triển và có thể bùng phát thành dịch Để đề phòng sâu hại, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, con người đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công thức trồng cây mà đặc biệt là công nghệ sản suất rau an toàn không dùng đất trong nhà lưới Với sự phát triến của nền kinh tế nước ta đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện nhu cầu dinh dưỡng ngày càng cao, trong các bữa ăn hằng ngày rau chiếm một vị trí quan trọng vì trong rau có chứa các hợp chất như: protein, lipit, axit hữu cơ, chất khoáng, vitamin Con người yêu cầu về rau ngày càng cao thì chủng loại rau ngày càng phong phú, đa dạng, đủ về số lượng, tốt về chất lượng và nhất là phải an toàn vệ sinh thực phẩm Trong (Đề án phát triển rau, quả và hoa cây cảnh thời kỳ 1999 -2010) của bộ nông nghiệp

và phát triển nông thôn được thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 03/09/1999 Có xác định mục tiêu cho ngành sản xuất rau hoa quả là:”Đáp ứng nhu cầu rau có chất lượng cao cho nhu cầu tiêu dùng trong nước, nhất là các khu dân cư tập chung(đô thị, khu công nghiệp) và suất khẩu Phấn đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu người 85kg rau/năm, giá trị kim ngạch suất khẩu đạt 690 triệu USD” Trong những năm gần đây sản suất nông nghiệp được đảng và nhà nước quan tâm nên đã giải quyết được vần

đề an ninh lương thực, thực phẩm Trong sự phát triển chung của ngành nông nghiệp, ngành sản xuất rau cũng được quan tâm và phát triển mạnh, theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000 là 450.000 ha tăng 70% so với năm 1990 Trong đó các tỉnh phía bắc có 249.000 ha, chiếm 56% diện tích cả nước, các tỉnh phía nam có 196.000 ha chiếm 44% diện tích canh tác Sản lượng rau trên đất nông nghiệp được hình thành từ hai vùng sản xuất chính Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 38 -40% diện tích và 45 - 50% sản lượng Tại đây phục vụ cho tiêu dùng của dân cư tập trung là chủ yếu, chủng loại rau vùng này rất đa dạng phong phú và năng suất cao Vùng sản xuất luân canh với cây trồng khác chủ yếu trong vụ đông ư xuân tại các tỉnh phía bắc, miền đông nam bộ đây là vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu

có độc tố cao, thậm chí bị cấm như: monitor, wofatox,DDT.Dẫn tới ngày càng làm cho sản phẩm rau ngày càng ô nhiễm nặng

- Hàm lượng (N03 ) trong rau quá cao Theo fao/who thì hàm lượng (no3 ) ở liều lượng 4g/ngày gây ngộ độc còn 8g/ngày thì có thể gây chết người Ở nước ta việc sử dụng phân hoá học không cao so với các nước trong khu vực nhưng ảnh hưởng của phân hoá học tới sự tích luỹ (N03 ) trong rau là nguyên nhân làm rau không sạch Nước ta quy định hàm lượng (N03 ) trong rau như sau: cải bắp 500mg/kg, cà chua 150mg/kg, dưa chuột 150mg/kg

- Tồn dư kim loại nặng trong sản phẩm rau Do sự lạm dụng hoá chất bảo vệ thực vật cùng với phân bón các loại đã làm một lượng N,P,K và hoá chất bảo vệ thực vật rửa trôi xâm nhập vào mạch nước làm ô nhiễm mạch nước ngầm Theo Phạm Bình Quân (1994) thì hàm lượng kim loại nặng, đặc biệt là asen (as) ở mai dịch trong các mương tưới cao hơn hẳn so với ruộng lúa nước các kim loại nặng tiềm ẩn trong đất hoặc từ các nguồn nước ô nhiễm qua nước tưới được rau hấp thụ

- Vi sinh vật gây hại trong rau do sử dụng nước tưới có vi sinh vật gây hại ( ecoli, salmonella, trứng giun.) Tuy chưa được thống kê, song tác hại của nó là rất lớn Do rau

là nguồn thực phẩm quan trọng đối với đời sống con người nên giải pháp duy nhất đối với ngành trồng rau là nhanh chóng đưa tiến bộ vào sản suất Đặc điểm chung của các cây rau là yêu cầu độ ẩm rất cao thường từ 85-95%, nếu thiếu nước cây rau sẽ không sinh trưởng và phát triển được và chúng cần một nhiệt độ ổn định, do vậy đưa cây rau vào sản xuất thuỷ canh không dùng đất là rất phù hợp Phương pháp này sẽ nâng cao một cách đáng kể về năng xuất và cải thiện tương đối về mặt ô nhiễm để thực hiện được phương pháp thuỷ canh này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây, nên việc

áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống tưới tự động sẽ tạo một bước đột phá mới cho ngành sản xuất rau an toan ở nước ta hiện nay

1.2 Các phương pháp tưới

Phương pháp và kỹ thuật tưới là một trong những biện pháp chủ yếu để sử dụng nước hợp lý, thích hợp với từng loại đất đai, theo nhu cầu sinh lý về nước của các loại cây trồng, nhằm tăng năng suất lao động và tăng năng suất cây trồng hiện nay ở nước ta

và trên thế giới, đang áp dụng các phương pháp chủ yếu: tưới ngập, tưới rãnh, tưới dải

và tưới phun mưa Ngoài ra phương pháp tưới nhỏ giọt và tưới ngầm cũng đang được nghiên cứu ứng dụng ở một số nước

1.2.1 Phương pháp tưới ngập nước

Tưới ngập là phương pháp tưới lâu đời nhất, chủ yếu dùng để tưới cho lúa nước trong suốt thời kỳ sinh trưởng cũng có thể tưới ngập cho một số cây trồng khác trong

từng giai đoạn nhất định ngô, cói đay và một số cây thức ăn chăn nuôi Cũng có thể dùng tưới ngập để cải tạo đất như thau chua rửa mặn, hoặc giữ ẩm cho đất trong thời kỳ khô hạn chưa canh tác Phương pháp này có những ưu điểm như: tưới ngập thích hợp khi mặt ruộng bằng phẳng độ dốc không lớn hơn 0,001, tính thấm nước của đất yếu và mức tưới lớn Vì vậy năng suất lao động của người tưới cao ; một người có thể tưới cho 30-40 ha

Hệ số sử dụng ruộng đất cao, vì có thể xây dựng hệ thông tưới tiêu cho những thửa có diện tích lớn Lớp nước trên ruộng tạo điều kiện cho bộ rễ của lúa phát triển tốt, hấp thụ các loại phân bón được thuận lợi, hạn chế được nhiều loại cỏ dại Lớp nước trên ruộng, con làm chế độ nhiệt của ruộng lúa tốt hơn, nhất là ở những vùng có độ chênh nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm lớn tuy nhiên, tưới ngập có nhược điểm và hạn chế sau: tưới ngập không ứng dụng được để tưới cho các loại cây trồng cạn, nhu cầu về nước ít, hoặc

ở các đất có độ dốc lớn Tưới ngập làm cho độ thoáng khí trong đất kém quá trình phân giải các chất hữu cơ bị hạn chê Nếu chế độ tưới không thích hợp, việc tổ chức quản lý tưới kém sẽ làm ảnh hưởng sấu đến phát triển của cây trồng, gây lãng phí nước, làm xói mòn đất và rửa trôi phân bón Vì vậy khi áp dụng phương pháp tưới ngập cần đảm bảo các khâu kỹ thuật sau:

 Quy hoạch xây dựng đồng ruộng

 Xác định hệ thống kênh tưới tiêu

Đây là khâu đầu tiên và ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sản xuất lúa Có hai phương pháp tưới tiêu riêng biệt và tưới tiêu kết hợp:

- Tưới tiêu riêng biệt là ở môi khoảnh ruộng có kênh tưới và kênh tiêu riêng Mỗi kênh tưới bên hoặc hai bên, tùy hình, và cách bố trí kênh tiêu cũng có thể tiêu một bên hoặc hai bên dùng phương pháp tưới tiêu riêng biệt, ta chu động tưới tiêu, áp dụng được tưới tiêu khoa học, đáp ứng đúng yêu cầu sinh lý của lúa và có thể dùng biện pháp tưới tiêu để cải tạo đất nhất là ở những vùng chua mặn, tăng được năng suất cây trồng và tạo điều kiện thuận lợi cho cơ khí hóa các khâu canh tác Nhược điểm là tốn nhiều đất và nhiều công trình, hệ số sử dụng đất thấp

- Phương pháp tưới tiêu kết hợp là có một hệ thống kênh vừa làm nhiệm vụ tưới nước vừa tiêu nước Ưu điểm là diện tích chiếm đất của hệ thống kênh ít và khối lượng công trình nhỏ Nhược điểm là không chủ động tưới tiêu cho từng khoảnh từng thửa được, để thực hiện các biện pháp cải tạo đất, thâm canh tăng năng suất cây trồng

1.2.2 Phương pháp tưới rãnh

Phương pháp tưới rãnh được phổ biến nhất để tưới cho hầu hết các loại cây trồng như bông, nho, mía, các loại cây có củ, quả như khoai sắn, củ đậu, cà chua và các loại rau, như bắp cải, su hào… khi tưới rãnh nước không chảy vào khắp mặt ruộng mà chỉ vào trong rãnh tưới giữa các hàng cây trồng Yêu cầu của tưới rãnh là xác định đúng đắn các yếu tố kỹ thuật tưới chủ yếu, như lưu lượng nước trong rãnh tưới, chiều dài rãnh tưới

và thời gian tưới để đảm bảo tiêu chuẩn tưới định trước theo yêu cầu sinh lý của cây trồng, phù hợp với các điều kiện đất đai, địa hình và thời tiết khí hậu Tùy theo cách tưới nước vào rãnh và cho thấm vào đất mà chia ra hai loại rãnh tưới: rãnh thoát và rãnh ngập

- Rãnh thoát là loại rãnh, nước vừa từ kênh tưới chảy vào rãnh, vừa thấm hai bên rãnh làm ẩm đất Tùy theo điều kiện địa hình, đất đai mà lưu lượng nước chảy trong rãnh

từ 0,05-2 l/s và chiều dài rãnh từ 50-500m, thời gian tưới từ 1-2 giờ đến 2-3 ngày Khi tưới rãnh thoát, nước vừa chảy trong rãnh vừa ngấm hai bên rãnh, làm ẩm đất, nên thướng

có lượng nước chảy đi ở cuối rãnh khoảng từ 20-60% lượng nước tưới Để giảm lượng nước chảy đi đó, thì khi nước đã chảy đến cuối rãnh người ta giảm lưu lượng nước vào rãnh từ 1,5- 3 lần Như thế, vận tốc nước chảy trong rãnh đã thấm ướt được giảm xuống, không làm xói mòn rãnh, đất vẫn được làm ẩm đều, mà ít có nước thừa chảy đi ở cuối rãnh

- Rãnh ngập là loại rãnh tưới làm ẩm đất hai bên rãnh chủ yếu bằng lượng nước trữ trong rãnh sau khi thôi dẫn nước vào rãnh Loại rãnh ngập được ứng dụng chủ yếu trên ruộng phẳng hay có độ dốc rất nhỏ (nhỏ hơn 0,002) Rãnh ngập sâu 20-25cm chiều rộng trên mặt 50-60cm và chiều dài rãnh 40-80m Để làm ẩm đất đều, chiều dài rãnh làm sao

để khi ở đầu rãnh nước ngập 1/3 độ sâu rãnh thì ở cuối rãnh nước không ngập quá rãnh

Ưu điểm của tưới rãnh là xây dựng đồng ruộng dễ dàng thích ứng với từng điều kiện cụ thể về đất đai, khí hậu và cây trồng Đảm bảo đất được tơi xốp, không phá vỡ lớp kết cấu trên mặt ruộng, vẫn giữ được thoáng khí làm cho cây trồng phát triển thuận lợi Đảm bảo đúng lượng nước theo nhu cầu của cây trồng Tiết kiệm nước, ít hao phí do bốc hơi và ngấm xuống sâu

1.2.3 Phương pháp tưới dải

Tưới dải dùng để tưới cho các loại cây trồng gieo dầy hoặc hàng hẹp như đay, vừng, lạc, đỗ, các thức ăn cho chăn nuôi Cũng dùng để tưới cho ngô và các vườn cây Ở vùng khô hạn, có thể tưới làm ẩm đất trước khi gieo Những yếu tố kỹ thuật tưới dải là chiều dài và chiều rộng dải, lưu lượng riêng của nước chảy ở đầu dải tính bằng lit/s/m, thời gian tưới và chiều cao giới hạn của bờ dải Những yếu tố kỹ thuật của tưới dải cũng phụ thuộc vào những điều kiện như tưới rãnh nhưng chủ yếu vào độ dốc ngang của mặt ruộng Tưới dải thích hợp nhất với độ dốc mặt ruộng từ 0,002ư0,008 Nếu độ dốc lớn hơn 0,02 thì không tưới dải được vì tốc độ chảy trên mặt ruộng lớn, nước không kịp ngấm làm ẩm đất lượng nước chảy đi sẽ nhiều, lãng phí nước và gây bào mòn lớp đất trên mặt ruộng Có hai cách tưới dải: tưới từ đầu dải và tưới từ bên cạnh dải

- Nếu tưới từ đầu dải thì chia ruộng ra từng dải theo hướng dốc nhất Nếu hệ thống kênh tưới bố trí theo sơ đồ dọc thì phải đào các mương dẫn nước theo chiều ngang dải Nếu hệ thống kênh tưới bố trí theo sơ đồ ngang thì lấy nước trực tiếp từ kênh tưới tạm thời

- Tưới từ bên cạnh dải được áp dụng trong các trường hợp địa hình trên ruộng phức tạp gồ ghề và dốc theo hướng ngang dải Khác với tưới đầu dải là ở giữa các dải không

có bờ giữ nước, mà các rãnh tưới sâu từ 25-30cm Chiều rộng dải khi tưới bên thường là 8-12m tùy theo chiều rộng làm việc của các loại máy gieo và máy thu hoạch Nước từ kênh tưới chảy vào rãnh tưới Ở rãnh tưới khoảng 10-15m có một chỗ lấy nước vào dải Nên chọn chỗ lấy nước ở vị trí cao của dải Nước từ rãnh tưới chay vào một dải (tưới

một bên) hay tưới cho cả hai dải bên rãnh tưới (tưới hai bên) tuy theo địa hình và cách

bố trí rãnh Nhược điểm của phương tưới nay là làm ẩm đất không đều và tốn do ngấm sâu xuống rãnh tưới Mặc dù vậy tùy thuộc vào điều kiện địa hình, phương pháp canh tác và cây trồng người ta vấn dùng phương pháp tưới này

1.2.4 Phương pháp tưới phun mưa

Phương pháp tưới phun mưa là phương pháp tưới mới được phát triển rộng rãi trong vòng 40 năm nay Nguyên tắc chính của phương pháp này là dùng hệ thống máy bơm, ống dẫn nước và vòi phun để tạo thành mưa tưới nước cho các loại cây trồng ưu điểm nổi bật của phương pháp tưới phun mưa là có thể tưới trong những điều kiện sau:

- Khi tiêu chuẩn tưới nhỏ, có thể điều chỉnh trong phạm vi lớn (30-900m3 /ha)

- Tưới trên đất xốp như đất cát và cát pha, có độ thấm nước lớn

- Tưới trên mọi địa hình phức tạp: như dốc không, không bằng phẳng… và tiết kiệm nước tưới (đối với vùng nguồn nước tưới hạn chế)

Tưới phun mưa là nâng cao hệ số sử dụng hữu ích của hệ thống tưới và sử dụng nước trên đồng ruộng Ở Mỹ hệ số sử dụng hữu ích khi tưới phun mưa là 0,67, còn phương pháp tưới khác là 0,56; ở Nhật là 0,75-0,80 còn các phương pháp tưới khác là 0,65-0,7 Tưới phun mưa thuận tiện cho việc phòng trừ sâu bệnh và chống cỏ dại Có thể hòa lẫn các loại thuốc cùng với nước tưới cho cây trồng

Tưới phun mưa còn làm tăng năng suất các loại sản phẩm các loại cây trồng Ở Italia khi tưới phun mưa cho nho, người ta đã nhận thấy chất lượng nho tốt hơn, hàm lượng đường trong nho tăng 2% Ở Việt Nam, qua thí nghiệm tưới phun mưa tại đồi chè

66 hợp tác xã Tiên Phú- Phù Ninh-Vĩnh Phúc cho thấy năng suất chè tăng được 50% so với đối chứng không tưới Tuy nhiên, tưới phun mưa không thích hợp ở vùng có gió mạnh Việc phục vụ kỹ thuật và tổ chức phục vụ các hệ thống máy phun mưa phức tạp, cân có đội ngũ công nhân có trình độ kỹ thuật Các thiết bị phun mưa do công nghiệp chế tạo hiện nay có năng suất chưa cao, chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất, chưa phù hợp với điều kiện sinh lý trong từng giai đoạn phát triển của cây trồng và thích

ứng với các loại đất đai địa hình khác nhau Nhìn chung giá thành tưới trên một đơn vị sản phẩm còn cao Tuy có những nhược điểm trên, như do những ưu điểm của tưới phun mưa nên phương pháp tưới này đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước và phát triển với tốc độ cao

Theo tài liệu của tritrexốp năm 1970 ở Tiệp Khắc 97% tưới bằng phương pháp phun mưa; ở Đức 79%; ở Itsaren 90%; Anh 80%; Hungari 72% Ở Việt Nam hiện nay đang được áp dụng rất phổ biến phương pháp tưới phun mưa cho các vùng chuyên canh rau ở Hà nội, Hải phòng, Đà lạt… các vùng trồng cây công nghiệp như cà phê, chè, cao

su… ở Tây nguyên, Lâm đồng… đã mang lại hiệu quả kinh tế đáng khích lệ

1.2.5 Tưới nhỏ giọt

Một phương pháp mới đang được ứng dụng nhiều ở Itsaren, Mỹ, Úc và một số nước khác có khí hậu khô cằn, nguồn nước ít, dùng để tưới cho các loại cây ăn quả, rau… Nguyên tắc của tưới nhỏ giọt là dùng một hệ thống ống dẫn bằng cao su hoặc chất dẻo có đường kính từ 1,5 – 2cm, để dẫn nước từ đường ống có áp, do trạm bơm cung cấp chạy dọc theo các hàng cây Ở các gốc cây có lắp các vòi có thể điều chỉnh được lượng nước chảy ra Nước do cấu tạo của vòi sẽ nhỏ giọt xuống gốc cây làm ẩm đất Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiểm được nhiều nước tưới so với tưới rãnh và tưới phun mưa vì ít tiêu hao lượng nước do bốc hơi và thấm xuống sâu Hiệu suất sử dụng nước tưới được tăng lên và đảm bảo đúng chế độ nước của đất theo nhu cầu của từng cây trồng Phạm vi tưới nước trên mặt đất nhỏ nên trên mặt đất phần lớn vẫn giữ được khô, các loại cỏ dại không đủ độ ẩm để phát triển và vẫn giữ được thoáng khí

hoạt động tốt, làm tăng độ phì của đất Cho phép dụng phân hóa học hòa lẫn với nước tưới, trực tiếp bón vào hệ thống rễ cây trồng, làm tăng thêm hiệu quả của phân bón Hệ thống tưới không làm trở ngại các khâu sản xuất băng cơ khí trên đồng ruộng, thuận tiện cho việc tự động hóa việc tưới nước và tăng năng suất lao động tưới Tuy nhiên, việc mở rộng tưới ngầm trong sản xuất còn hạn chế, chưa phát triển rộng rãi vì xây dựng hệ thống tưới phức tạp, giá thành đầu tư trang thiết bị và xây dựng cơ bản cao

1.3 Ứng dụng tự động hoá vào thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt

1.3.1 Khái quát về lịch sử phát triển của ngành tự động hoá

Không chỉ ngày nay con người mới phát minh ra các loại máy móc tự động sản xuất làm việc thay thế con người mà ngay từ khi xã hội còn chưa phát triển, công cụ lao động còn thô sơ con người đã mong muốn điều đó nên ngay từ trước công nguyên các máy tự động cơ học và đồng hồ nước có phao điều chỉnh đã xuất hiện ở ai cập cổ đại và Hy Lạp Bước sang thời kỳ trung cổ albert đã chế tạo ra máy tự động cơ khí thực hiện chức năng của người gác cổng Tuy nhiên các loại máy móc thời kỳ này không có ảnh hưởng gì đến các quá trình sản xuất thời đó Tự động hoá chỉ thực sự được ứng dụng vào sản xuất khi một thợ cơ khí martop người Nga đã chế tạo thành công máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình vào năm 1712 và đến năm 1765, pônzulôp người Nga đã chế tạo được hệ diều chỉnh mức đầu tiên, nó được ứng dụng để giữ cố định mức nước trong nồi hơi không phụ thuộc vào lượng tiêu hao hơi nước Năm 1784, James watt người anh đã sử dụng bộ điều tốc ly tâm trong máy hơi nước, dùng để điều chỉnh tốc độ của máy hơi nước từ đó, tự động hoá đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong quá trình nghiên cứu phát triển sản xuất bước sang đầu thế kỷ XIX nhiều công trình có mục đích hoàn thiện các cơ cấu điều chỉnh tự động của máy hơi nước đã được thực hiện cho đến cuối thế kỷ này đã xuất hiện thêm các cơ cấu điều chỉnh tự động cho tuabin hơi nước Năm 1873, Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ cấp phôi mang các cam Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như pittler luding lower của đức, hãng rsk của Anh… đã chế tạo được máy tiện dùng phôi thép thanh Năm

1887, đ.g stôleôp đã chế tạo được phần tử cảm quang đầu tiên, một trong những phần

tử hiện đại quan trong nhất trong kỹ thuật tự động hoá Cũng trong thời gian này các cơ

sở lý thuyết điều khiển và điều chỉnh tự động bắt đầu được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Năm 1876 -1877, i.a vưsnhegratxki đã cho đăng tải các công trình " lý thuyết

cơ sở của các cơ cấu điều chỉnh" và "các cơ cấu điều chỉnh tác động trực tiếp" Các phương pháp đánh giá ổn định và chất lượng của quá trình quá độ do ông đề xuất vẫn được dùng cho đến ngày nay Các thành tựu đạt được trong lĩnh vực tự động hoá đã cho phép trong những thập kỷ đầu của thế kỷ XX xuất hiện nhiều loại máy tự động hiện đại cũng trong thời gian này sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền tin đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của tự động hoá vào các quá trình sản xuất Vào khoảng giữa thế kỷ XX, tự động hoá không chỉ áp dụng trong sản xuất mà còn được đưa vào các cuộc chiến tranh vì mục đích cá nhân, nhiều nước đã áp dụng thành tựu của tự động hoá vào chiến tranh để mưu lợi riêng do vậy mà tự động hoá càng được họ thúc đẩy phát triển, từ yêu cầu nâng cao tỉ lệ bắn trúng của pháo phòng không, nguyên lý điều khiển phản hồi đã được đề xuất đưa kỹ thuật tự động hoá bước sang một trang phát triển mới Cuối thế kỷ XX, do nhu cầu về lương thực của thế giới

mà các nước phát triển đã cho ra đời các máy tự động sản xuất trong nông nghiệp Đầu những năm 80 ở nga đã xuất hiện các máy sấy để bảo quản nông sản, ở nhật cho ra đời các máy tự động nuôi cá… Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển tiến hành rông rãi tự động hoá trong sản xuất loại nhỏ Điều này phản ánh xu thế chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loại lớn và hàng khối sang sản xuất loại nhỏ và hàng khối thay đổi Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những năm cuối cua thế kỷ XX đã có sự thay đổi sâu sắc Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt( agile engineening) hệ điều hành sản xuất qua màn hình( visual manufacturing system) kỹ thuật tạo mẫu nhanh ( rapid prototyping) công nghệ nano đã cho phép tự động hoá toàn phần không chỉ trong sản xuất hàng khối mà

còn trong san xuất loại nhỏ và đơn chiếc chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới như các loại máy móc điều khiển

số, các trung tâm gia công, các hệ tống điều khiển theo chương trình lôgic PLC (

programmable logic control), các hệ thống sản xuất linh hoạt fms( flexble

manufacturing systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM( computer integadted manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít, rút ngắn chu kỳ sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh cua sản phẩm hiện đại Về mặt kỹ thuật, lý thuyết điều khiển tự động hoá phát triển qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: cho đến những năm 1940 Trong giai đoạn này cơ sở lý thuyết điều khiển tự đông được hình thành khi đó các phương pháp khảo sát hệ “một đầu vào, một đầu ra – siso” như: hàm truyền và biểu đồ bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn định; biểu đồ nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phương pháp đồ thị thực nghiệm của evans

đã được hoàn thiện Giai đoạn này được coi là “điều khiển cổ điển”

Giai đoạn 2: xung quanh những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển được gọi là “điều khiển hiện đại” (modern control) Hệ kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, có “nhiều đầu vào,nhiều đầu raưmimo” Để mô hình hoá thuộc dạng này phải cần đến một tập các phương trình mô tả mối liên quan giữa các trạng thái của

hệ và phương pháp điều khiển bằng biến trạng thái được hình thành Cũng trong thời gian này, lý thuyết điều khiển tối ưu có những bước phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực đại của poltryagin và lập trình động lực học của bellman Đồng thời, học thuyết Kalman được hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để ước lượng trang thái bên trong của hệ từ tập nhỏ tín hiệu đó được

Giai đoạn 3: giai đoạn “điều khiển bền vững” được bắt đầu từ những năm 1980 ứng dụng những thành tựu của toàn học, các nghiên cứu về điều khiển đã đưa ra được

các phương pháp thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo được kỹ năng

sử dụng khi có tác động của nhiễu và sai sốtrong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành, đó là: thích nghi, phi tuyến, hôn hợp, mờ, neural

1.3.2 Thành tựu của tự động hoá trong quá trình sản xuất

Thế giới đang ngày càng phát triển, cuộc sống con người ngày càng thay đổi, hàng loạt các máy móc tự động đã và đang xuất hiện, robot được chế tạo ra thay thế con người ở nhiều mặt…., đó là những thành tựu của ngành tự động hoá mang lại Trong 40 năm qua nó đã mang lại nhưng thành quả to lớn: dẫn hướng và điều khiển thiết bị trong không gian, bao gồm máy bay dân dụng, tên lửa, máy bay chiến đấu, tàu vận tải, vệ tinh Hệ thống điều khiển này đã đảm bảo được tính ổn định và chính xác dưới tác động của nhiễu môi trường và của chính hệ thống Hệ thống điều khiển trong sản xuất công nghiệp, từ máy tự động đến mạch tích hợp Những thiết bị điều khiển bằng máy tính đã có độ chính xác định vị và lắp ráp rất cao để tạo ra nhiều sản phẩm có chất lượng tốt Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, ví dụ trong quá trình sản xuất Hydrocacbon và nhiều chất hoá học khác Hệ điều khiển này đã xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến để điều khiển hang trăm cơ cấu chấp hành: van, cấp nhiệt, bơm…, để cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật Điều khiển hệ thống truyền thông bao gồm: hệ thống điện thoại và internet Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức năng lượng ở đầu vào, đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo những sự cố đa dạng, phức tạp thường xảy ra trong truyền thông

1.3.3 Mục đích và ý nghĩa của việc thiết kế hệ thống tưới tự động

Kỹ thuật trồng cây không dùng đất là kỹ thuật trồng cây tiên tiến và hiện đại Trồng rau bằng phương thức không dùng đất là giải pháp có hiệu quả nhất hiện nay trong việc sản xuất rau an toàn mà không gây ô nhiễm môi trường, tận dụng được mặt bằng không gian (ngay cả trên đất nghèo dinh dưỡng, nhiễm độc, nhiễm mặn), tiết kiệm được công lao động, giải phóng được sức lao động nặng nhọc khi trồng cây ngoài đất, trồng được nhiều vụ trong năm, có thể tăng số vụ gấp 3ư4 lần và năng suất có thể

cao gấp 20 lần so với trồng trên đất Chính vì những lợi ích to lớn đó mà vấn đề áp dụng tự động hóa vào hệ thống tưới là vô cùng quan trọng, nó sẽ là mấu chốt đưa nền nông nghiệp nước ta vốn lạc hậu sang một giai đoạn mới, giai đoạn của nền nông nghiệp tiên tiến, hiện đại Góp phần chung trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn

Như vậy chúng ta đã thấy rõ vai trò quan trọng của tự động hóa trong đời sống con người, trong công nghiệp, trong nông nghiệp Do đó việc ứng dụng tự động hóa vào nông nghiệp ở nước ta cung như cụ thể vào hệ thống tưới nhỏ giọt này càng trở nên cấp thiết cần được nghiên cứu để sớm đưa vào thực tiễn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tưới cây tự động đang được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp; trong các công

trình xây dựng cảnh quan hiện đại như các công trình công cộng, tưới cây đô thị, sân vườn, biệt thự và khu dân cư cao cấp; hệ thống tưới cũng được sử dụng rộng rãi trong quy mô hộ gia đình (tưới cây trong nhà, tưới ban công, sân thượng, tưới sân vườn, vườn hoa, vườn rau…)

2.1.2 Ý nghĩa và lợi ích của hệ thống tưới cây tự động.

 Đối với đời sống con người

– Giúp tiết kiệm lên đến 60% lượng nước so với phương pháp tưới thông thường – góp phần cùng xã hội chung tay tiết kiệm nước – nguồn tài nguyên quý giá của nhân loại

– Giảm chi phí nhân công

– Tiết kiệm thời gian chăm sóc: Người ta thường nói, thời gian quý hơn vàng! Một

hệ thống tưới cây thông minh sẽ thay bạn chăm sóc cây xanh Thời gian đó bạn có thể

sử dụng cho các công việc khác, thực hiện những việc mình yêu thích, đi du lịch cùng gia đình, hay trong thời gian đó những ý tưởng sáng tạo sẽ được mở ra Thật tuyệt phải không nào!

– Giúp cây xanh sinh trưởng và phát tiển khỏe mạnh, nâng cao năng suất cây trồng bởi khả năng cung cấp kịp thời và đủ lượng nước, phân bón tại mỗi thời điểm sinh trưởng

của cây trồng Do tốc độ tưới từ hệ thống tưới cây tự động vừa phải, phù hợp nên dinh dưỡng từ cây trồng được giữ lại, tránh được tình trạng xói mòn hay nén chặt đất trồng – Tưới cây tự động có khả năng ứng dụng cao trên nhiều cảnh quan như công trình

đô thị, sân golf, sân vườn, biệt thự, hồ bơi, resort, vườn rau, vườn trái cây, tạo nên giá trị cho công trình Một hệ thống tưới cây hiệu quả, đúng cách giúp cảnh quan thêm thu hút, tăng tính thẩm mỹ, mang lại giá trị vật chất lẫn tinh thần

– Tuổi thọ của một hệ thống tưới cây tự động được thiết kế hợp lý và lắp đặt cẩn thận sẽ cao, sử dụng được lâu dài

 Đối với môi trường

– Với tốc độ tưới vừa phải, không gây dư thừa nguồn nước tưới cho cây, không tạo nên dòng chảy tràn trên mặt đất, hệ thống tưới cây tự động đã giảm đáng kể dòng chảy mang theo chất ô nhiễm thấm vào nguồn nước ngầm so với phương pháp tưới thông thường

– Tiết kiệm nước: Nước ngọt – nguồn tài nguyên quý giá đang ngày càng cạn kiệt trong thời đại hiện nay Tưới tự động có thể tiết kiệm lên tới 60% nguồn nước tưới tiêu, theo đó góp phần vào công cuộc bảo vệ nguồn tài nguyên mang ý nghĩa sống còn này Như vậy, hệ thống tưới cây tự động mang lại những ý nghĩa và lợi ích rất thiết thực Giúp chúng ta tiết kiệm được rất nhiều thời gian, công sức chăm sóc và công trình xanh thì vẫn luôn xanh tươi, đẹp mắt

2.2 Cơ sở lý thuyết về các thiết bị lý thuyết sử dụng trong đề tài

2.2.1 Giới thiệu về sơ lược về PLC S7-1200

PLC là viết tắt tiếng Anh của từ Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả trình Nó cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, để thực hiện hàng loạt các sự kiện tùy theo yêu cầu của quá trình sản xuất và dễ dàng thay đổi nhiệm vụ bằng cách thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ

 Ưu điểm của hệ thống sử dụng PLC:

- Thích ứng với nhiều nhiệm vụ điều khiển khác nhau

- Khả năng thay đổi chương trình một cách linh hoạt

- Tiết kiệm không gian lắp đặt

- Dễ dàng kiểm tra chỉnh sửa lỗi

- Khả năng truyền thông mạnh để điều khiển giám sát từ xa

- Không cần các tiếp điểm…

 Ứng dụng:

PLC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là trong các ngành công nghiệp như:

- Điều khiển các quy trình sản xuất: Bia, xi măng, giấy, sữa, …

- Các dây chuyền: đóng gói bao bì, đóng thùng, lắp ráp sản phẩm…

- Điều khiển robot

Hình 2.1 Một số ứng dụng của PLC trong lập trình

- Hệ thống cảnh báo, báo động…

- Kiểm tra, kiếm soát quá trình sản xuất…

- Điều khiển hệ thống nâng hạ, thang máy…

- Thiết bị sấy, khai thác

- Hệ thống giữ xe, rửa xe tự động

2.2.2 Tổng quan về PLC S7-1200

 Khái niệm chung về PLC S7-1200:

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200

So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội như sau:

- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC + Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ

ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens

- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này

đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

3: Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

4: Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

 Các module trong hệ S7-1200

Các module CPU PLC S7-1200: Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau

Bảng 2 1.Thông số kỹ thuật các module CPU PLC S7 1200 SIMATIC S7 -

Compact CPU 1211C, 25kb integral PROGRAM/DATA MEMORY, 1MB loading memory execution times for boolean operation: 0.1µs; intergral I/Os: 6 digital input; 4 digital output, 2 analog inputs; expandable with up to 3 communication

modules and 1 signal board; digital inputs as HSC with 100kHz, 24DC digtial outputs

can be used as PTO or PWM with 100kHz

1211 C DC/DC/DC

1211 C DC/DC/Rly

CPU

1212C

1212 C AC/DC/Rly

Compact CPU 1212c, 25kb integral PrROGRAM/DATA MEMORY, 1MB loading memory; execution times for booleam operations: 0.1µs; intergral I/Os: 8 digital input; 6 digital output, 2 analog inputs; expandable with up to 3 communication modules, 2 signal modules and 1 signal board; digital inputs can be used as HSC with 100kHz, 24DC digtial outputs as PTO or PWM

with 100kHz

1212 C AC/DC/Rly

1212 C DC/DC/DC

CPU

1214C

1214 C AC/DC/Rly

Compact CPU 1214c, 50kb integral PROGRAM/DATA MEMORY, 2MB loading memory; execution times for booleam operations: 0.1µs; intergral I/Os: 14 digital input; 10 digital output,

2 analog inputs; expandable with up to 3 communication modules, 8 signal modules and 1 signal

1214 C DC/DC/DC

1214 C DC/DC/Rly

board; digital inputs can be used as HSC with 100kHz, 24DC digtial outputs as PTO or PWM

with 100kHz

CPU 1215 C SIMATIC S7-1200, CPU 1215C, compact CPU,

1215C DC/DC/DC AC/DC/RƠ-LE, 2 profitnet port, I/O: 14 DI 24V DC;

10 DO RƠ-LE 2A, 2 AI 0-10V DC, 2 AO 0- 20MA

DC, Power suppy: AC 85 – 264 V AC AT

47 – 63 HZ, Program/Data Memory: 100 KB

1215 C AC/DC/Rly

1215 C DC/DC/Rly

Các module mở rộng: Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu

và bảng tín hiệu để mở rộng dung lượng của CPU Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác

16 x DC In / 16 x DC Out

16 x DC In / 16 x Rơ-le Out

Kiểu tương tự

4 x Analog

In 8 x Analog In

2 x Analog In

4 x Analog In

4 x Analog In / 2 x Analog Out

Bảng

tín hiệu

(SB)

Module truyền thông (CM)

 RS485

 RS232

 Các bảng tín hiệu:

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU Người dùng

có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trước của CPU

- SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)

- SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự

Bảng 2 3 Bảng tín hiệu sử dụng cho PLC S7-1200

Signal Boards

SB 1223 DC/DC

2 x 24VDC inputs

2 x 24VDC outputs

2 inputs, DC 24v, IEC type

1, current sinking; 2 transistor output DC 24V, 0.5A, 5W; can be used as additional HSC with up to 30kHz

SB 1232

AQ 1 analog outputs

1 analog output, ± 10v with

12 bits or 0 to 20 mA with 11 bits

Hình 2 3 Bảng tín hiệu SB

1 Các led trạng thái trên SB

2 Bộ phận kết nối dây của

8 transistor outputs, DC 24V, 0.5A, 5W

8 x 24VDC outputs

8 inputs, DC 24V, IEC type 1, current sinking; 8 transistor outputs DC 24V 0.5A, 5W

SM 1221

8 X 24VDC inputs

8 inputs DC 24V IEC type 1, current sinking

16 transistor outputs, DC 24V, 0.5A, 5W

SM 1223

16 X 24VDC inputs 16x rơ-le output

16 inputs, DC 24V, IEC type 1, current sinking; 16 rơ-le outputs DC 5 to 30V /

AC 5 to 250V, 2A, 30W DC / 200W

AC

SM 1223

16 x 24VDC inputs

16 x 24VDC

16 inputs, DC 24V, IEC type 1, current sinking; 16 transistor outputs DC 24V 0.5A, 5W

outputs

4 analog inputs, ±10v, ±5V, ±2,5V, or

0 to 20 mA, 12 bits + sign;

2 analog output, ± 10V, 14 bits or 0 to

3 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

 Các module truyền thông:

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng