Thiết kế hệ thống tự động điều hòa nhiệt độ và độ ẩm sử dụng PLC Mitsubishi FX3U

Trong đề tài đồ án này “Thiết kế hệ thống tự động điều hòa nhiệt độ và tưới cây trong nhà vườn” chúng em xin được giới thiệu giải pháp dùng PLC để điều khiển tự động điều hòa nhiệt độ và

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 4 tháng làm việc cuối cùng em cũng hoàn thành xong đề tài đượcgiao, 4 tháng là một khoảng thời gian cũng không dài vì trong lúc thực hiện đề tàicũng gặp nhiều vấn đề khó khăn, khó khăn về tìm vật liệu linh kiện để làm đồ án,khó khăn về thời gian vì mỗi người cũng đều có những phát sinh trong cuộc sốngnên cũng không dành hết trọn thời gian để thực hiện Bên cạnh đó do diễn biếnphức tạp của dịch Covid-19 nên thời gian càng quan trọng và cấp thiết hơn bao giờhết Tuy nhiên với sự nỗ lực không ngừng nghỉ cùng với sự hướng dẫn tận tình củathầy đã giúp em hoàn thành đề tài này

Mặc dù khó khăn là vậy nhưng em xin cam đoan rằng tất cả những gì emthực hiện trong đề tài là hoàn toàn đảm bảo được yêu cầu đề ra Vì em biết sự quantrọng của đồ án này Đây không đơn thuần là đề tài đồ án tốt nghiệp mà qua đó giúp

em có thêm cái nhìn về thực tế, về kinh nghiệm và kiến thức học được trong cả quátrình làm đề tài

Em xin cam đoan sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm về đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn.!

Hưng Yên, ngày tháng năm 2020.

Sinh viên thực hiện

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, Nhànước ta đã và đang khuyến khích việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vàotrong sản xuất nhằm nâng cao chất lượng cũng như số lượng hàng hóa, đem lại hiệuquả kinh tế góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội, nâng cao chất lượng cuộcsống người dân

Với những định hướng rõ ràng đó, nhiều thành tựu khoa học đã được ápdụng vào tất cả các lĩnh vực, các ngành sản xuất Ngành nông nghiệp cũng khôngnằm ngoài xu hướng đó nhất là trong bối cảnh nước ta đã tham gia vào hiệp định tự

do của kinh tế thế giới Bởi vì lẽ đó nếu không nhanh chóng áp dụng các tiến bộkhoa học kỹ thuật, không đổi mới phương thức sản xuất và canh tác truyền thống thìngành nông nghiệp sẽ tụt hậu so với thế giới và khu vực

Trước yêu cầu cấp thiết đó ngành nông nghiệp đã cũng với ngành tự độnghóa đã đưa ra rất nhiều giải pháp trong nông nghiệp và đã được ứng dụng rộng rãitrên cả nước

Trong đề tài đồ án này “Thiết kế hệ thống tự động điều hòa nhiệt độ và tưới cây trong nhà vườn” chúng em xin được giới thiệu giải pháp dùng PLC để

điều khiển tự động điều hòa nhiệt độ và tưới cây trong quá trình phát triển sinhtrưởng của cây trồng trong nhà kính nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản lượngsản phẩm, giúp giảm sức người và đưa những thành tựu của ngành tự động hóa vàophát triển nông nghiệp công nghệ cao Đề tài xin được tập trung vào hai hướngchính là: Điều khiển tự động điều hòa nhiệt độ và độ ẩm Điều khiển hệ thống bơmnước phục vụ tưới tiêu, hệ thống quạt thông gió, đèn sưởi Qua đó nhắm tối ưu hóanhững điều kiện lý tưởng nhất và phòng tránh được những dịch bệnh gây bất lợi chocây trồng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI MỞ ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

MỞ ĐẦU viii

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 2

1.2.1 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao trên thế giới 2

1.2.2 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của Việt Nam 3

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 5

1.4 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung 5

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Phương pháp nghiên cứu 6

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ & độ ẩm đối với quá trình phát triển của thực vật 6

2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình phát triển của thực vật6 2.2.2 Vai trò của việc tưới nước tới quá trình phát triển của thực vật .8

2.2 Giới thiệu về nhà kính 10

2.2.1 Lịch sử phát triển của mô hình nhà kính 10

2.2.2 Nhà kính là gì 10

2.2.3 Cơ sở chọn vật liệu và cấu tạo của nhà kính 11

2.3 Tổng quan về các thiết bị điện sử dụng trong mô hình 12

2.3.1 Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U 14MR 6AD 2DA 12

2.3.2 Các cảm biến sử dụng trong mô hình 15

2.3.3 Các thiết bị bảo vệ, đóng ngắt tự động 18

2.4 Sơ đồ khối mô hình 20

2.5 Giải thuật điều khiển mô hình 21

2.5 Kết quả đạt được 22

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ VÀ TƯỚI CÂY TRONG NHÀ VƯỜN 24

3.1 Thiết kế cơ khí của mô hình 24

3.1.1 Lên ý tưởng và trình bày phương án thi công 24

3.1.2 Cấu tạo và kích thước của mô hình 24

3.2 Thiết kế, bố trí hệ thống ống dẫn nước, vòi phun 26

3.2.1 Thiết kế hệ thống ống nước, vòi phun 26

3.2.2 Bố trí hệ thống ống nước, vòi phun 27

3.3 Thiết kế, bố trí hệ thống điều hòa nhiệt độ 29

3.3.1 Thiết kế hệ thống làm mát 29

3.3.2 Hệ thống sưởi 32

3.4 Sơ đồ kết nối 33

3.5 Thi công mô hình thực tế 33

3.5.1 Hệ thống bơm tưới 33

3.5.2 Hệ thống đường ống dẫn và tưới 34

3.5.3 Hệ thống làm mát 35

3.5.4 Hệ thống sưởi 36

3.5.5 Tủ điện điều khiển mô hình 37

3.6 Chương trình điều khiển 38

3.7 Thực nghiệm mô hình 48

3.8 Công suất dự kiến các thiết bị trong thực tế 49

Chương 4 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 50

4.1 Kết luận, kiến nghị 50

4.1.1 Những vấn đề đạt được 50

4.1.2 Những vấn đề còn hạn chế 50

4.2 Hướng phát triển 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1.1 Mô hình nhà kính trồng cà rốt sạch ở Đà Lạt, nguồn internet 4

Y Hình 2.1 Mô hình trồng rau sạch trong nhà kính, nguồn internet 11

Hình 2.2 PLC FX3U 14MR 6AD 2DA thực tế 12

Hình 2.3 Sơ đồ kết nối PLC với HMI bằng cáp RS232 13

Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ (PT 100) 16

Hình 2.5 Cảm biến đo độ ẩm đất sử dụng trong mô hình 17

Hình 2.6 Thiết bị bảo vệ ngắn mạch nguồn 220VAC 18

Hình 2.7 Contactor 19

Hình 2.8 Rơ le trung gian 20

Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình 21

Hình 2.10 Mô hình nhà kính thông minh, nguồn internet 22

Hình 3.1 Hình chiếu nhìn từ trên xuống của mô hình 24

Hình 3.2 Hình chiếu cạnh của mô hình 25

Hình 3.3 Một số cách bố trí vòi phun 27

Hình 3.4 Hệ thống quạt thông gió trong nhà kính, nguồn internet 30

Hình 3.5 Tấm làm mát Coolding Pad, nguồn internet 31

Hình 3.6 Hệ thống sưởi trong nhà kính, nguồn internet 32

Hình 3.7 Sơ đồ bố trí hệ thống đèn sưởi 32

Hình 3.8 Bơm tưới cho mô hình 33

Hình 3.9 Vòi bơm tưới 34

Hình 3.10 Quạt thông gió trong mô hình 35

Hình 3.11 Hệ thống đèn sưởi 36

Hình 3.12 Tủ điện điều khiển mô hình 37

Hình 3.13 Tổng quan mô hình 48

DANH MỤC BẢNG BI

Bảng 2.1 Giới hạn nhiệt đô thích hợp của một số loại cây trồng 7

Bảng 2.2 Giá trị hệ số cây trồng Kc 10

Bảng 2.3 Thời kỳ cần tưới của một số cây trồng 10

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của PLC FX3U 14MR 6AD 2DA 14

Bảng 2.5 Thông số nhiệt độ, độ ẩm cho một số loại cây trồng phổ biến 23

Y Bảng 3.1 Bảng áp lực và tầm phun của vòi nước 26

Bảng 3.2 Công suất dự kiến tại vườn 500m² 49

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiềulĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điềukhiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ khôngngừng của các lĩnh vực này Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộcnhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canh tác truyềnthống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu conngười càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao Do đó cần đến các thiết

bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môitrường như: nhiệt độ môi trường, độ ẩm đất, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp vớitừng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên

chúng em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế: “Thiết kế hệ thống tự động điều hòa nhiệt độ và tưới cây trong nhà vườn’’

II Mục đích nghiên cứu

Để chế tạo được một sản phẩm nhà vườn công nghệ cao phục vụ cho nềnnông nghiệp Việt Nam mà không phải đi nhập khẩu công nghệ của nước ngoài Lànỗi trăn trở của biết bao nhiêu nhà khoa học, kỹ sư cả trong và ngoài nước…Vấn đềchính để có thể phát triển các mô hình nhà kính ở nước ta là hạ giá thành đầu tư vàcải tiến các đặt tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác và điều kiện khí hậu ởViệt Nam.Vì vậy qua đề tài tốt nghiệp này chúng em muốn góp một phần nhỏ côngsức để làm phong phú thêm các phương pháp, một cách làm khác nhằm góp phầnvào sự phát triển chung của nghành nông nghiệp công nghệ cao

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu vào thiết kế, cấu tạo và

các ưu nhược điểm của nhà vườn hiện nay

- Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứ đề tài bao gồm các nhà vườn đã và

đang được ứng dụng tại Việt Nam và trên thế giới.

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh

trưởng phát triển của cây trồng kết hợp cùng với các kỹ thuật điều khiển tự độngđưa được ra các phương pháp nhằm tối ưu mô hình nhà vườn thông minh

- Ý nghĩa thực tiễn: Áp dụng công nghệ tự động để điều khiển tiểu khí hậu của

nhà màng giúp giảm bớt sức lao động, nguồn nước, phân bón, thuốc trừ sâu và nângcao chất lượng điều chỉnh Qua đó làm tăng giá trị sản phẩm cây trồng, giúp cảithiện chất lượng cuộc sống và tăng thu nhập cho người canh tác

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Thời gian qua, sản xuất nông nghiệp trên cả nước ta chịu rất nhiều khó khăn,bất lợi do thời tiết, dịch bệnh, giá cả hàng nông sản bấp bênh, chịu sự cạnh tranhcủa hàng hóa nước ngoài (giá rẻ và chất lượng tốt hơn), trong khi giá vật tư đầu vàokhông ổn định và đang có xu hướng tăng cao Ngoài ra với tình hình thực phẩmbẩn, kém chất lượng trên thị trường như hiện nay người tiêu dùng đang rất cầnnhững sản phẩm nông nghiệp sạch chất lượng cao mà không phải chi trả một mứcgiá quá cao để được sử dụng sản phẩm với chất lượng tương đương hàng nhập khẩu

là một nhu cầu bức thiết và cấp bách Ở nước ta hiện nay ngành nông nghiệp vẫngiữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và khi kinh tế nước ta hội nhậpquốc tế cũng đem lại nhiều thuận lợi như thị trường mở rộng, sản phẩm làm ra đượcxuất khẩu đi rất nhiều nơi trên thế giới Nhưng cũng không ít khó khăn thách thứccho ngành nông nghiệp nước ta

Do đó việc cấp bách nhất để vực dậy nền nông nghiệp nước ta là tập trungvào việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm Phát triển nông nghiệp bền vữngnhằm tạo ra những sản phẩm nông nghiệp đạt chuẩn thế giới

Là sinh viên khoa Điện – Điện tử của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, với những kiến thức đã học Cùng với mong muốn phát triển nông nghiệp nước nhà chúng em quyết định nghiên cứu để tài “Phát triển nông nghiệp công nghệ cao”.

Thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có rất nhiều đại lượng vật lý phải điềukhiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằmtạo ra một sản phẩm như mong muốn Trước đây, các hệ thống điều khiển logicđược sử dụng là hệ thống Logic Rơ-le Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuậtđiện tử, các thiết bị điều khiển Logic khả lập trình PLC (Programmable Logic

Controller) đã xuất hiện vào năm 1969 đã dần thay thế các hệ thống điều khiển

rơ-le Đồng thời, với sự phát triển chưa từng thấy của khoa học công nghệ, đã cho rađời các phần mềm kết hợp với các phần cứng vật lý như PLC tạo ra các hệ thốnghoàn hảo cho sinh hoạt cũng như trong sản xuất Mà trong đó phần mềm lập trình

GX WORK 2 là một ứng dụng cụ thể.

Chính vì thế mà hiện nay, PLC được nhiều chuyên gia, kỹ sư thiết kế, kỹthuật viên, chuyên viên, công nhân bậc cao tham gia nghiên cứu để ứng dụng vàothực tế

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như muốn làm quen với việc điều khiển hệthống nông nghiệp sạch bằng PLC đồng thời dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy

ĐỖ QUANG HUY chúng em đã chọn thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều hòa nhiệt độ và tưới cây tự động trong nhà vườn” cho đề tài này, nhằm lĩnh hội

những tri thức cần thiết và cơ bản về PLC và thiết kết giao tiếp trên máy tính trongviệc tự động hóa hệ thống nuôi trồng cây nông nghiệp công nghệ cao

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao trên thế giới

Từ những năm giữa thế kỷ XX, các nước phát triển đã quan tâm đến việc xâydựng các khu nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao nhằm thúc đẩy sáng tạo khoahọc công nghệ giúp cho kinh tế phát triển Đầu những năm 80, tại Hoa Kỳ đã cóhơn 100 khu khoa học công nghệ Ở Anh quốc, đến năm 1988 đã có 38 khu vườnkhoa học công nghệ với sự tham gia của hơn 800 doanh nghiệp Phần Lan đến năm

1996 đã có 9 khu khoa học nông nghiệp công nghệ cao Phần lớn các khu này đềuphân bố tại nơi tập trung các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứngdụng những thành tựu khoa học công nghệ mới và kết hợp với kinh nghiệm kinhdoanh của các doanh nghiệp để hình thành nên một khu khoa học với các chức năng

cả nghiên cứu ứng dụng, sản xuất, tiêu thụ và dịch vụ

Bên cạnh các nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở Châu á cũng

đã chuyển nền nông nghiệp theo hướng số lượng là chủ yếu sang nền nông nghiệp

chất lượng, ứng dụng công nghệ sinh học, công nghệ tự động hoá, cơ giới hoá, tinhọc hoá… để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn, hiệu quả

Công nghệ trồng cây trong nhà kính: nay được gọi là nhà màng do việc sửdụng mái lớp bằng màng polyethylen thay thế cho kính (green house) hay nhà lưới(net house) Trên thế giới, công nghệ trồng cây trong nhà kính đã được hoàn thiệnvới trình độ cao để canh tác rau và hoa Ứng với mỗi vùng miền khác nhau nhữngmẫu nhà kính và hệ thống điều khiển các yếu tố trong nhà kính cũng có sự thay đổinhất định cho phù hợp với điều kiện khí hậu của từng vùng, trong đó hệ thống điềukhiển có thể tự động hoặc bán tự động Tuy nhiên đối với các vùng thường chịunhiều tác động của thiên tai như bão lũ, động đất thì lại cần cân nhắc kỹ giữa lợi ích

và chi phí do rủi ro

1.2.2 Tình hình phát triển nông nghiệp công nghệ cao của Việt Nam

Trong những năm gần đây thực hiện Quyết định 176/QĐ-TTG của Thủtướng Chính phủ Về việc phê duyệt Đề án phát triển nông nghiệp ứng dụng côngnghệ cao đến năm 2020, các tỉnh, thành phố trong cả nước đang triển khai xây dựngcác khu nông nghiệp công nghệ cao; các vùng sản xuất nông nghiệp ứng dụng côngnghệ cao và mô hình sản xuất nông nghiệp công nghệ cao

Có thể nói Lâm Đồng là một trong những địa phương tiên phong trong pháttriển nông nghiệp công nghệ cao và hiện tại là tỉnh dẫn đầu về mức độ ứng dụngcông nghệ cao trong sản xuất nông sản hàng hóa Từ những năm 1990, Lâm Đồng

đã xác định nông nghiệp công nghệ cao là một trong những đột phá phát triển;nhiều mô hình nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đã được hình thành và hoạtđộng có hiệu quả

Nhà kính phù hợp với yêu cầu phát triển nông nghiệp bền vững, cho phépkiểm soát đầy đủ và chặt chẽ thông số của quá trình sản xuất như nhiệt độ, độ ẩm,ánh sáng, khí oxy, carbonic…kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác để đáp ứng sựsinh trưởng phát triển của cây trồng và kiểm soát được tình hình sâu bệnh để đạt sảnlượng cao nhất

Hiện nay ở Việt Nam, bà con nông dân và các doanh nghiệp nông nghiệpcũng đã áp dụng mô hình nhà kính để sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấpbằng công nghệ cao nhiều nhất là ở Đà Lạt, nơi được xem là vùng trồng rau, hoatrọng điểm của cả nước Hầu hết các loại nhà kính công nghệ cao ở Việt Nam đềuđược nhập công nghệ trực tiếp hoặc mô hình chuyển giao công nghệ từ các nước cónền nông nghiệp công nghệ cao phát triển như Nhật Bản, Israel…

Trong nước hiện nay đã có nghiên cứu của các trường, viện về thiết kế mẫunhà kính như công trình “Nhà lưới trồng cây công nghệ cao” do Viện Nghiên cứuPhát triển Công nghệ cao về Kỹ thuật công nghiệp phối hợp với Viện Khoa học Sựsống thực hiện; công trình “Nghiên cứu xây dựng mô hình và kỹ thuật trồng raunăng suất cao cho quần đảo Trường Sa” do Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga và ViệnKhoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam thực hiện… Bên cạnh đó, một số công

ty trong nước cũng chủ động sản xuất được loại nhà kính áp dụng kỹ thuật, côngnghệ nhà kính của nhiều nước phát triển trên thế giới, kết hợp những ưu điểm củacác mô hình nhà kính đang ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời khắc phục nhữngnhược điểm của các nhà kính đã được bà con nông dân và các doanh nghiệp triểnkhai ở trong những năm qua

Ngoài ra, với sự phát triển một cách nhanh chóng của ngành điện tử cũngnhư nhiều ngành khác thì ý tưởng về nhà vườn thông minh không còn vướng bởirào cản công nghệ Việc điều khiển nhà vườn thông minh thông qua smartphonehoặc máy tính tạo nên bước ngoặc lớn trong việc điều khiển tự động, không dâymột cách linh hoạt, có thể nói sự phát triển không ngừng của những chiếcsmartphone đã làm cho công nghệ có thêm bước tiến, việc điều khiển dễ dàng hơn

Hình 1.1 Mô hình nhà kính trồng cà rốt sạch ở Đà Lạt, nguồn internet.

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Dùng phần mềm GX WORK 2 thông qua các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để

thiết lập một mô hình nhà kính có thể điều khiển tự động

Nhằm mục đích đem lại một môi trường sinh trưởng tốt nhất cho cây trồng.Nghiên cứu các ứng dụng của PLC Mitsubishi vào điều khiển chu trình chăm sócnuôi trồng cây nông nghiệp

1.4 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ sung

Các nghiên cứu ở trên đã được ứng dụng từ lâu Tuy nhiên, do giá thành quácao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng các thiết bị đó Vì vậy, em đãthực hiện nghiên cứu hệ thống tự động điều hòa nhiệt độ và độ ẩm bằng PLC Hệthống chế tạo đơn giản, dễ dàng vận hàng và chi phí phù hợp sửa chữa

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm tại các nhà vườn thông minh để biết được một số phương pháp tối ưu các điều kiện cho cây trồng phát triển, sinh trưởng một cách tốt nhất Qua đó tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ & độ ẩm đối với quá trình phát triển của thực vật

2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình phát triển của thực vật

I) Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng của cây Cây có thểsinh trưởng trong một khoảng nhiệt độ khá rộng, vì vậy các loại cây trồng khácnhau tồn tại những điểm nhiệt độ tối thấp và tối cao cũng khác nhau Trong giới hạnnhiệt độ sinh trưởng của cây thì có nhiệt độ tối thích cho sự sinh trưởng, ở nhiệt độ

đó sự sinh trưởng của cây xảy ra thuận lợi nhất, trên dưới nhiệt độ tối thích thì tốc

độ sinh trưởng sẽ giảm Nhiệt độ tối thấp và nhiệt độ tối cao cho sự sinh trưởng củacây đó là điểm nhiệt độ mà ở đó cây ngừng sinh trưởng Giới hạn nhiệt độ sinhtrưởng thay đối theo sự thích nghi của cây trông ở những vùng sinh thái khác nhau.Nhiệt độ tối thấp và tối cao của cây vùng nhiệt đới cao hơn cây vùng ôn đới và hànđới Ở vùng nhiệt đới nhiều cây ngừng sinh trưởng ở nhiệt độ 100 ͦ C, trong khi đó ởvùng hàn đới rất nhiều loại cây có khả năng sinh trưởng trong băng tuyết với nhiệt

độ - 50 ͦ C Biết được yêu cầu nhiệt độ sinh trưởng của từng loại cây trồng có ýnghĩa rất lớn trong việc xác định thời vụ gieo trồng thích hợp, chuyển vùng và nhập

nội giống Dưới đây là bảng nhiệt độ thích hợp của một số lại cây trồng phổ biếnhiện nay.

Bảng 2.1 Giới hạn nhiệt đô thích hợp của một số loại cây trồng.

Sinh trưởng của các cơ quan khác nhau của cây cũng nằm trong khoảng nhiệt

độ khác nhau Những cơ quan ở trên mặt đất thích nghi với nhiệt độ không khí caohơn so với những cơ quan ở dưới mặt đất, vì vậy ở nhiệt độ cao sự sinh trưởng của

rễ kém hơn thân và cành Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm có ảnhhưởng rất lớn đến sự sinh trưởng của cây Ban ngày nhiệt độ cao thuận lợi cho câyquang hợp và tích lũy chất hữu cơ, ban đêm nhiệt độ hạ thấp sẽ hạn chế hô hấp vàtiêu phí chất hữu cơ, giảm sự thoát hơi nước nên sinh trưởng nhanh hơn Sự chênhlệch nhiệt độ giữa ngày và đêm tạo điều kiện thuận lợi cho sự tích lũy tinh bột trongcác cơ quan sinh sản và dự trữ như củ khoai lang, khoai tây, củ sắn, hạt hòa thảo ,

do đó làm tăng năng suất mùa màng Sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm phụ thuộcvào vùng địa lý, biên độ nhiệt độ ngày đêm lớn nhất ở vùng cận nhiệt đới và giảmdần về hai cực của quả đất Trong một năm thì mùa xuân và mùa thu có biên độnhiệt độ lớn hơn các mùa khác, vì vậy sự sinh trưởng của cây trồng trong hai mùanày khá thuận lợi cho sự tích lũy chất khô, lại cũng phù hợp với hai mùa chính chocây trồng ở nước ta

- Tổn thương của cây do lạnh: khi nhiệt độ thấp cây sẽ có triệu chứng vàng

da hay rụng lá, nhiệt độ thấp làm giảm khả năng sinh trưởng của cây, giảm quanghợp

- Tổn thương của cây do nóng: khi cây trồng tiếp xúc với nhiệt độ cao câythường có lớp vỏ dày, thân lùn màu lá đậm, tầng bầu phát triển để cách nhiệt Lá

nhỏ và dày do tạo thành lớp cutin hạn chế sự bốc hơi Nếu nhiệt độ quá cao sẽ gâyhiện tượng cháy rụp lá.

II) Biện pháp khắc phục

- Cây trồng bị nóng ta có thể dùng quạt thông số đề điều hòa không khí trongnhà kính

- Nếu cây bị lạnh thì nên có hệ thống lò sưởi hoặc trồng chỗ kín

2.2.2 Vai trò của việc tưới nước tới quá trình phát triển của thực vật

I) Vai trò của tưới nước

Đất, nước, cây trồng và khí hậu là 4 yếu tố quan trọng đối với sản xuất nôngnghiệp, trong đó yếu tố quan trọng hàng đầu là nước Nước là tác nhân chuyển hoácác quá trình hình thành, phát triển đất, quá trình hình thành phát triển môi sinh.Nước, chất dinh dưỡng, ánh sáng, nhiệt độ và không khí, cố liên quan chặt chẽ vớinhau nhưng không thay thế được cho nhau Tuy nhiên chế độ nước có ảnh hưởng rõrệt đến chế độ nhiệt, không khí và dinh dưỡng trong đất

Trong thiên nhiên nước phân bố không đều cả về không gian và thời gian Vìvậy điều tiết chế độ nước trong đất phù hợp với nhu cầu của cây trồng là một biệnpháp kỹ thuật quan trọng để tăng vụ, tăng năng suất cây trồng, nâng cao độ phìnhiêu và cải tạo chất đất

Tác dụng của tưới nước được thể hiện trên 2 mặt:

- Bổ sung thêm lượng nước và lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng

mà đất không cung cấp

- Ảnh hưởng đến các quá trình biến đổi lý hoá, hoạt động của vỉ sinh vậttrong đât và điều kiện khỉ hậu trên đồng ruộng

II) Xác định lượng nước cần tưới của cây trồng

Lượng nước cần của cây trồng (còn gọi là lượng bốc hơi mặt ruộng) phụthuộc vào nhiều yếu tố Tuy nhiên nguyên lý chung là mổi quan hệ giữa lượng bốchơi mật ruộng với các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến nó như điều kiện khí hậu, câytrồng

Các phương pháp xác định lượng bốc hơi mặt ruộng:

1) Phương pháp quan trắc trực tiếp (phương pháp thực nghiệm) bằng cácthiết bị chuyên dùng ít được sử dụng trong sản xuất vì thời gian thực hiện dài và tốnkém thiết bị, công suất

2) Phương pháp lý luận, bán kinh nghiệm

Dựa trên các số liệu đo đạc trực tiếp lượng bốc hơi mặt ruộng rồi kết hợp vớiphân tích lý luận để tìm ra công thức kinh nghiệm thể hiện định lượng mối quan hệgiữa các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, gió, độ ẩm không khí, độ chiếu sáng ) và câytrồng (giống, loại cây, và giai đoạn phát triển của cây trồng )

Phương pháp này được áp dụng phổ biến vỉ đơn giản, tiện lợi, ít tốn kém, kếtquả tương đối chính xác

3) Công thức xác định lượng bốc hơi mặt ruộng thông dụng

Công thức bán kinh nghiệm này đã được sử dụng phổ biến ở nhiều nước và

ở Việt Nam ta đạt độ chính xác tương đối cao và cao, gần sát và sát với thực tế

E = KcYTrong đó: E - lượng bốc hơi mật ruộng;

Kc - hệ số nước cần để tạo nên một đơn vị sản phẩm;

Y - năng suất phấn đấu

Ưu điềm: công thức thể hiện được quan hệ lượng nước cần với năng suất câytrồng, quan hệ chặt chẽ với điều kiện khí hậu trong cùng một điều kiện nhất định,nhưng dưới dạng ẩn Tài liệu thí nghiệm và thực nghiệm phong phú đáng tin cậy cóthể sử dụng tính toán cho những điều kiện tương tự

Hạn chế: Việc xác định chính xác Kc là khó khăn, chỉ sử dụng được trongđiều kiện khí hậu tương đối ổn định Thường gặp sai số lớn so với thực tế nếu điềukiện khỉ hậu biến động không chính xác.

- Giá trị hệ số cây trồng K c được Tổ chức FAO của Liên hợp quốc nêu ra:

Bảng 2.2 Giá trị hệ số cây trồng Kc.

Thời kỳ Đầu vụ Phát triển Giữa vụ Cuối vụ Thu hoạch

Lúc nước 1.1 – 1.15 1.1 – 1.5 1.1 – 1.3 0.95 – 1.05 0.95 – 1.05Ngô 0.3 – 0.5 0.7 – 0.9 1.05 – 1.2 0.8 – 0.95 0.55 – 0.6Khoai tây 0.4 – 0.5 0.7 – 0.8 1.05 – 1.2 0.85 – 0.95 0.7 – 0.75Lạc 0.4 – 0.5 0.7 – 0.8 0.95 – 1.1 0.75 – 0.85 0.55 – 0.60Đậu 0.3 – 0.4 0.65 – 0.75 0.95 – 1.05 0.9 – 0.95 0.85 – 0.95

- Thời kỳ cần tưới của một số cây trồng

Bảng 2.3 Thời kỳ cần tưới của một số cây trồng.

Cây trồng Thời kỳ cần tưới

Đậu tương Khi gieo hạt, khi ra hoa kết quả, khi hạt đậu đã đẫy

Khoai tây Gieo trồng, ra hoa kết quả tạo thành tròn củ , ngừng tưới

trước thu hoạch 10+15 ngày

Cà chua Khi gieo trồng, ra hoa kết quả, quả chín, kết hợp bấm lá tỉa

cành với tưối nưócCây ngô Thời kỳ gieo trồng, nảy mầm, thòi kỳ 7-9 lá đến 14-16 lá

cần tưới dộ ẩm cao hơn

Lúa mì Giai đoạn đầu gieo trồng, thời kỳ cây cao, trước thụ phấn

2.2 Giới thiệu về nhà kính

2.2.1 Lịch sử phát triển của mô hình nhà kính

Lịch sử phát triển của nhà kính trồng rau hoa đã có từ rất lâu đời Ngày nay,

sự ứng dụng của chúng đã mang lại sự phát triển rất nhanh cho ngành nông nghiệp.Người La Mã cổ đại đã phát triển nhà kính đầu tiên bằng chất liệu tương tự như kính

và mica sử dụng để trồng nhiều loại trái cây và rau quanh năm

2.2.2 Nhà kính là gì

Nhà kính là công trình thường có tường và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu

tương tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa togió mạnh Vì nhà kính có mái và tường bằng kính hoặc nhựa nên chúng có khả năng

tự nóng lên do bức xạ nhìn thấy được của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt bịhấp thụ bởi thực vật, đất đai và những thứ khác bên trong nhà kính

Không khí được làm ấm bởi nhiệt từ những bề mặt nóng bên trong được giữlại bởi mái nhà và những bức tường Thêm vào đó, những cây cối và cấu trúc bêntrong nhà kính sau khi được làm ấm lại bức xạ lần nữa nhiệt năng của chúng trongdải quang phổ hồng ngoại Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, cũng như việc tướinước duy trì độ ẩm nhất định nên có thể quy định được khí hậu trong nhà kính Khuvườn ngoài trời và trong nhà kính có lợi thế và bất lợi khác nhau tùy thuộc vào nhucầu và yêu cầu cụ thể của người làm vườn Cũng có những lợi thế và bất lợi cho cácloại nhà kính được sử dụng

Hình 2.1 Mô hình trồng rau sạch trong nhà kính, nguồn internet.

2.2.3 Cơ sở chọn vật liệu và cấu tạo của nhà kính

Do tính ứng dụng vào thực tiễn rất cao của mô hình nên chúng em lựa chọnvật liệu khung sương là thép hộp, kết hợp với tấm mica bao phủ xung quanh để cóthể đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng của đề tài đưa ra

2.3 Tổng quan về các thiết bị điện sử dụng trong mô hình

2.3.1 Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U 14MR 6AD 2DA

Hình 2.2 PLC FX3U 14MR 6AD 2DA thực tế.

PLC Mitsubishi FX3U 14MR 6AD 2DA là dòng sản phẩm mới PLC FX3Uthế hệ thứ ba trong gia đình họ FXPLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành côngcủa hãng Mitsubishi Electric, có thể được gọi là sản phẩm nhỏ nhất

FX3U 14MR 8 ngõ vào, 6 ngõ ra relay, 6 đầu vào analog (3 ngõ vào 0-10V

và 3 ngõ vào 0-20mA) 2 analog kết quả đầu ra (0-10V) Bộ điều khiển logic lậptrình PLC FX3U 14MR6AD2DA, đầu vào 8 điểm, 6 bóng bán dẫn thể Đầu vào tốc

độ cao XX5, 12K mặc định, 100K 6 tương tự tùy chọn (3 kênh 10V, 3 kênh 20mA) 2 010v đầu ra tương dễ dàng kết nối Internet đáp ứng công nghệ I4.0,Internet Of Thing đang Ngày nay, các cổng DB-25 và DE-9 ít được sử dụng hơn vàđang dần được thay thế bằng USB hoặc các cổng khác.

0-Hình 2.3 Sơ đồ kết nối PLC với HMI bằng cáp RS232.

Hỗ trợ mã hóa 16 bit, hỗ trợ ba loại ngắt, liên lạc RS485 hỗ trợ 4 loại giaothức truyền thông, hỗ trợ 1N, 2N, 3U hướng dẫn, Tắt nguồn để duy trì phạm vi càiđặt riêng, Chương trình 8000 bước, Tốc độ tải xuống 38400, Hoạt động điểmnổi, HMI, Quét 3000 bước 1ms

Thông số kỹ thuật của PLC FX3U14MR 6AD 2DA

- Số bước: 8000 bước; 2 cổng giao tiếp: 1 Cổng nối tiếp (Cổng nối tiếpDB9 là cổng giao tiếp cho giao thức FX3U 38400, 7 Giao thức truyền thông E

，1；1 RS485 (lựa chọn 485) có thể được đặt D8120)

- Phần tử đầu vào X: Đầu vào X0-X7 DC24 level Mức thấp, X0-5 là cổngđầu vào đếm tốc độ cao (Mặc định là 12K, tùy chọn 100KHZ)

- Phần tử đầu ra Y: Y0-Y5 cho đầu ra rơle tối ưu, đầu ra rơ-le

- Đầu vào analog: 6 đầu vào analog, độ chính xác 12 bit, đầu vào analog 3kênh 0-10V, đầu vào analog 3 kênh 0-20mA; đọc hướng dẫn RD3A tương tự

- Đầu ra analog: Đầu ra analog 0-10V điện áp tương tự đầu ra với lệnh

Đầu vào X X0-X7: ngõ vào DC, tích cực thấp

X0-5: ngõ vào xung tốc độ cao (tốc độ mặc định là 12K, tùy chọn lên đến 100KHZ )

Đầu vào Analog 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12 bits

3 kênh analog ngõ vào 0-10V

3 kênh analog ngõ vào 0-20mA

Hỗ trợ lệnh đọc analog RD3AĐầu ra Analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12 bits, analog

ngõ ra: 0-10V; hỗ trợ lệnh ghi analog WR3ARelay trung gian M0-M3071, phạm vi lưu giảm điện có thể

được đặt M0-M1023, M500-M1023 mặc định

Số bước nhảy chương trình con

Hàm ngắt Ngắt bên ngoài X0-5, ngắt bộ đếm thời gian

(đơn vị 1MS)Thành phần M đặc biệt Thời gian chạy M8000 thường đóng

Xung điện M8002 M8011 là xung 10MsM8012 là xung 100Ms M8013 là xung 1 giây

độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohmtại 0 D.C Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽthay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhấtđịnh

Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dàidây không hạn chế

Hạn chế: Dải đo nhỏ hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điệnthường dùng trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay giacông vật liệu, hóa chất…

Tầm đo: -200 – 700 ℃RTD thường có loại 2 dây, 3 dây, 4 dây

Lưu ý khi sử dụng: Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi ½ , giúp hạnchế sai số

Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple Chúng ta cóthể nối thêm dây cho loại cảm biến này (hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chốngnhiễu) và có thể đo test bằng VOM được Vì là biến thiên điện trở nên không quantâm đến chiều đấu dây

Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ (PT 100).

II) Cảm biến đo độ ẩm đất

Hiện nay cảm biến đo độ ẩm đất thông dụng ở Việt Nam là loại có bảngmạch gồm 2 que nhọn cắm xuống đất, tuy nhiên khi thực nghiệm kiểm tra thì thấyloại này không ồn định đồng thời bị sụt áp khi kết nối với mô đun analog của PLClàm sai kết quả đo Sau quá trình tìm hiểu thì em chọn loại cảm biến đo độ ẩm đất

là SHT 11

Hình 2.5 Cảm biến đo độ ẩm đất sử dụng trong mô hình.

Cảm biến độ ẩm đất SHT11 có vỏ bảo vệ thuờng đựơc sử dụng trong côngnghiệp với các ứng dụng cần độ bền, độ chính xác và ổn định cao, cảm biến cócấu tạo gồm cảm biến SHT11 bên trong, bên ngoài là lớp vỏ bảo vệ cảm biến khỏicác tác động vật lý từ môi trường như bụi, nước,… tuy nhiên vẫn đo đựơc chínhxác

Cảm biến độ ẩm đất SHT11 có vỏ bảo vệ sử dụng trong môi trường đất, tứclàta có thể đặt cảm biến dưới mặt đất, tuy nhiên cần lưu ý đặt cảm biến ở khoảngcách hợp lý để không dẫn đến tính trạng nước ngập úng tràn vào làm hư cảm biến

2 GND- Màu đen : cấp nguồn 0Vdc

3 Data – Màu vàng : chân dữ liệu

4 CLK – Màu xanh dương: chân tín hiệu ra số

2.3.3 Các thiết bị bảo vệ, đóng ngắt tự động

I) Thiết bị chống dòng rò

Do đặc điểm của mô hình là tiếp xúc với nước vì vậy trong đề tài này em cóthiết kế chọn thêm CB chống dòng rò nhằm bảo vệ an toàn tránh bị giật khi vô tìnhtiếp xúc hoặc bị nước bắn vào hệ thống điện

Hình 2.6 Thiết bị bảo vệ ngắn mạch nguồn 220VAC.

Thông số kỹ thuật:

Hãng sản xuất: ChintDòng cắt dòng điện định mức: 4AĐiện áp chịu được: 240/415V

Số pha: 2 phaThiết bị này được gắn trong mô hình ngoài nhiệm vụ chống dòng rò còn bảo

vệ chống ngắn mạch và đóng ngắt nguồn cho các thiết bị dùng điện áp 220 VACtrong mô hình

II) Thiết bị đóng ngắt điện từ (Contactor)

Ngoài các thiết bị đóng ngắt bảo vệ thì trong mô hình em còn sử dụng một

số contactor và rơ le để đóng ngắt nguồn động lực và nguồn điều khiển cho môhình

Trong thiết kế thì em sử dụng 3 contactor dùng để đóng nguồn động lựccho các thiết bị 220V, một contactor để cấp nguồn cho bơm nước còn mộtcontactor để cấp nguồn cho 2 quạt thông gió, đèn sưởi và cấp nguồn cho đèn báo.Contactor là thiết bị khá thông dụng, gồm có cuộn dây, mạch từ và cơ cấu đóngnhả tiếp điểm

Hình 2.7 Contactor.

Contactor ở đây em dùng loại cuộn dây điều khiển đóng nhả contactordùng diện 220VAC đo đó phải qua rờ le 24VDC điều khiển trung gian Tức là PLC

sẽ xuất ra tín hiệu 24VDC điều khiển cho tiếp điểm rơ le đóng lại và tiếp điểm của

rơ le được nối cấp nguồn 220VAC cho cuộn dây điều khiển của contactor Để đảmbảo tính an toàn đồng thời để bảo vệ tiếp điểm của PLC thì em sử dụng Rơ-le trunggian

Hình 2.8 Rơ le trung gian.

 Ưu điểm:

- Giá thành hạ

- Dễ dàng tìm mua trên thị trường

- Sử dụng khá ổn định

2.4 Sơ đồ khối mô hình

Hình 2.9 Sơ đồ khối mô hình

2.5 Giải thuật điều khiển mô hình

Từ các cơ sở lý thuyết em đã thực hiện được các yêu cầu của nhiệm vụnghiên cứu từ đó lập được giải thuật điều khiển mô hình

Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình

Chú thích:

- T : là nhiệt độ thực tế của cảm biến nhiệt đo được

- Tđ : nhiệt độ cài đặt ban đầu để phù hợp cây sinh trưởng

- H : độ ẩm đo được từ cảm biến độ ẩm

- Hđ : là độ ẩm cài đặt ban đầu để cho cây phù hợp sinh trưởng

 Giải thích nguyên tắc hoạt động của mô hình

Đầu tiên khi bật nguồn cấp cho mô hình thì cảm biến nhiệt độ và cảm biến

độ ẩm sẽ đọc và gửi tín hiệu về PLC, nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cài đặt thì lúcnày quạt thông gió sẽ được bật để làm mát không khí trong nhà kính đồng thời đènsưởi tắt, nếu độ ẩm thực tế H đất thấp hơn độ ẩm đặt H đặt thì máy bơm sẽ bật sau

1 thời gian đến khi độ ẩm đất lớn hơn độ ẩm cài đặt thì sẽ dừng bơm tưới Nếu nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ cài đặt thì đèn sưởi sẽ được khởi động để làm tăng nhiệt độkhông khí bên trong và tắt quạt thông gió Quy trình cứ điều khiển như vậy liên tụcnhằm đảm bảo môi trường tốt nhất cho cây phát triển

2.5 Kết quả đạt được

Hiểu rõ hơn về việc thiết lập cài đặt thông số trong PLC để điều hòa nhiệt độ

độ ẩm trong nhà kính một cách thích hợp cho một số loại cây trồng phổ biến hiệnnay Nắm vững nguyên lý hoạt động của hệ thống Đưa ra được một giải pháp mớinhằm cải tiến mô hình nhà kính trồng cây nông nghiệp trong tương lai gần… Bướcđầu biết xây dựng một hệ thống PLC tương đối hoàn chỉnh

Hình 2.11 Mô hình nhà kính thông minh, nguồn internet.

 Qua đó lập được bảng thông số nhiệt độ độ ẩm cho các cây trồng phổ biến tạiViệt Nam hiện nay

Bảng 2.5 Thông số nhiệt độ, độ ẩm cho một số loại cây trồng phổ biến.