Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ nhà kính

LỜI NÓI ĐẦU Xuất phát từ mong muốn áp dụng những kiến thức đã học để giải quyết các bài toán trong thực tế, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Nghệ An, 05-2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Nghệ An, 05-2018

LỜI NÓI ĐẦU

Xuất phát từ mong muốn áp dụng những kiến thức đã học để giải quyết các

bài toán trong thực tế, chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ

thống giám sát và điều khiển nhiệt độ nhà kính” phục vụ cho nền nông nghiệp

công nghệ cao của Việt Nam

Bước đầu nghiên cứu em đã thu được những kết quả nhất định trong việc nắm bắt những kiến thức về công nghệ nhà kính, từng bước đi sâu nghiên cứu thiết

kế mô hình nhà kính, cũng như hệ thống điều khiển tự động hóa trong nhà kính Trong thời gian tìm hiểu nghiên cứu này, em được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình cũng như việc tạo điều kiện tối đa của thầy giáo hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án

Mặc dù vậy, do kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn, quy mô và cấu trúc của nhà kính trồng rau thực tế khá lớn và phức tạp, những nội dung mà em đạt được trong cuốn đồ án này mới chỉ đáp ứng được một phần nhỏ những yêu cầu đặt

ra để xây dựng một nhà kính trồng rau thương mại Hy vọng em sẽ được tiếp tục nghiên cứu sau khi đồ án đã kết thúc để từng bước nắm bắt hoàn toàn được cấu trúc công nghệ của một nhà kính thương mại, hợp tác với các chuyên gia ở các lĩnh vực khác như sinh học, xây dựng để có thể hoàn thiện và phát triển một mô hình nhà kính thương mại phù hợp với các loại cây trồng khác nhau ở Việt Nam

Em rất mong nhận được sự góp ý kiến từ Quý thầy cô để em kịp thời khắc phục và sửa chữa những sai sót còn mắc phải

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của thầy Tạ Hùng Cường dành cho em, chúc quý thầy cô sức khoẻ, đạt được nhiều thành công trên con đường sự nghiệp của mình

Sinh viên thực hiện

Hoàng Quốc Trí

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này trình bày quá trình phân tích, thiết kế và chế tạo mô hình giám sát

và điều khiển nhiệt độ nhà kính để phục vụ cho nhu cầu cấp thiết của cuộc sống Đồ

án cũng đã nghiên cứu tổng quan về PLC siemen S7 300, giải quyết các bài toán lập trình Đồng thời thiết kế mô hình giám sát và điều khiển nhiệt độ trên cơ sở PLC siemen S7 300 và WinCC Kết quả của đồ án đã thiết kế được mô hình giám sát và điều khiển nhiệt độ nhà kính sử dụng cảm biến đo nhiệt độ PT100 cùng bộ chuyển đổi tín hiệu T120

temperature control using PT100 coupler sensor with the T120 signaling switch

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH 2

1.1 Tổng quan về mô hình trồng rau sạch trong nhà kính 2

1.1.1 Nhà kính trên thế giới 2

1.1.2 Nhà kính ở Việt Nam 5

1.2 Công nghệ nhà kính 7

1.2.1 Khái niệm về nhà kính 7

1.2.2 Cấu trúc và phân loại nhà kính 8

1.3 Các thông số điều khiển của một nhà kính thông minh đặc trưng 10

1.3.1 Các yêu tố cơ bản để cây trồng sinh trưởng và phát triển 10

1.3.2 Kiểm soát các thông số trong nhà kính 13

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NHÀ KÍNH 21

2.1 Thiết bị sử dụng trong đề tài 21

2.1.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Seneca T120 21

2.1.2 Đầu dò nhiệt độ PT100 loại dây RBA 22

2.1.3 Relay trung gian 23

2.1.4 Động cơ một chiều có giảm tốc 23

2.1.5 Bơm mini một chiều 25

2.1.6 Nút nhấn 26

2.2 Bộ điều khiển PLC Siemen S7 – 300 26

2.2.1 Giới thiệu 26

2.2.2 Địa chỉ và gán địa chỉ 29

2.2.3 Các lệnh lập trình trong step 7 31

2.3 Thết kế phần cứng và lắp ráp mô hình 37

2.3.1 Chi tiết phần kéo tấm che nắng 37

2.3.2 Chi tiết quạt thông gió 37

2.3.3 Chi tiết bơm phun sương 38

2.3.4 Hệ thống bóng chiếu sáng 38

2.3.5 Chi tiết cảm biến đo nhiệt độ 39

2.3.6 Bản vẽ điện 39

2.3.7 Lắp ráp mô hình hoàn chỉnh 43

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 45

3.1 Tổng quan WinCC 45

3.1.1 Giới thiệu về WinCC 45

3.1.2 Các thành phần của WinCC 46

3.2 Thiết kế, mô phỏng giao diện điều khiển và giám sát 49

3.2.1 Tạo Project Wincc 49

3.2.2 Thiết kế giao diện 50

3.2.3 Thiết lập các thuộc tính hình ảnh 52

3.3 Kết quả của đề tài 53

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57

1 Kết luận 57

2 Định hướng phát triển của mô hình nhà kính 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Một nông trang ở sa mạc Israel 3

Hình 1.2: Nhà kính trồng rau theo công nghệ Úc 5

Hình 1.3: Nhà kính trống rau sạch tại Việt Nam 7

Hình 1.4: Các cấu trúc nhà kính thương mại 8

Hình 1.5: Thiết kế mái mở thông gió 14

Hình 1.6: Quạt thông gió cưỡng bức 15

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống làm mát nhà kính nông nghiệp 15

Hình 1.8: Hệ thống lưới che nắng đặt bên trong đóng mở bằng motor 16

Hình 1.9: Hệ thống phun sương làm mát trong nhà kính 16

Hình 1.10: Cây hấp thụ mạnh ánh sáng của đèn led xanh và đỏ 17

Hình 1.11: Hệ thống tưới nhỏ giọt của Netafim tại Vũng Tàu 19

Hình 2.1: Bộ chuyển đổi Seneca T120 21

Hình 2.2: Đầu dò nhiệt PT100 22

Hình 2.3: Sơ đồ chân của cảm biến 22

Hình 2.4: Relay trung gian 23

Hình 2.5: Động cơ một chiều có giảm tốc 25

Hình 2.6: Bơm mini 25

Hình 2.7: Nút nhấn 26

Hình 2.8: PLC Siemen S7 – 300 27

Hình 2.9: Các khối module của PLC S7 – 300 27

Hình 2.10: Địa chỉ khe và kênh trên module số 29

Hình 2.11: Địa chỉ khe và kênh trên module tương tự 30

Hình 2.12: Tấm che nắng 37

Hình 2.13: Quạt thông khí 37

Hình 2.14: Bơm và đầu phun sương 38

Hình 2.15: Hệ thống bóng chiếu sáng 38

Hình 2.16: Đầu đo cảm biến nhiệt độ PT100 RBA 39

Hình 2.17: Sơ đồ đấu nối vào PLC siemen S7 300 39

Hình 2.18: Kết nối cảm biến PT100 RBA, bộ chuyển đổi T120 vào module fanalog của PLC siemen S7 300 40

Hình 2.19: Sơ đồ mạch động lực của mô hình 40

Hình 2.20: Sơ đồ mạch động lực của mô hình 41

Hình 2.21: Thiết kế tủ điều khiển của mô hình 41

Hình 2.22: Mặt trước của tủ điều khiển 42

Hình 2.23: Chú thích bản vẽ 42

Hình 2.24: Hình ảnh thực tế của tủ điện 43

Hình 2.25: Mô hình sau khi lắp ráp 43

Hình 3.1: Hộp thoại Wincc Explorer và Create New Project 49

Hình 3.2: Màn hình Wincc Explorer 49

Hình 3.3: Hộp thoại Wincc Configuration Studio 50

Hình 3.4: Cửa sổ giao diện thiết kế đồ họa Graphics 50

Hình 3.5: Thư viện Libary 51

Hình 3.6: Tạo và sắp các phần tử cần sử dụng vào màn hình 51

Hình 3.7: Gán Tag cho đối tượng 52

Hình 3.8: Chọn,thay đổi các thuộc tính của đối tượng 52

Hình 3.9: Code tạo giọt nước dịch chuyển theo chiều dọc 53

Hình 3.10: Cửa sổ giao diện I/O 53

Hình 3.11: Mô hình nhà kính trồng rau 54

Hình 3.12: Màn hình bắt đầu 54

Hình 3.13: Khi hệ thống chưa hoạt động 55

Hình 3.14: Hệ thống đang ở chế độ Auto 55

Hình 3.15: Hệ thống đang ở chế độ Manual 55

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán chọn chế độ Auto hay Manual 60

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán chế độ Auto 60

Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán chế độ Manual 61

Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán chế độ Manual 61

Hình 4.5: Chương trình điều khiển 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng các vùng nhớ của PLC 30

Bảng 3.1: Các bộ soạn thảo trong trung tâm điều khiển (Control Certer) 47

Bảng 4.1: Phân công đầu ra trên PLC 59

Bảng 4.2: Bảng phân công đầu vào của PLC 59

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản xuất là rất nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp Với công nghệ trồng rau trong nhà kính có sự hỗ trợ của các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi như năng suất cao, chất lượng tốt, sạch, an toàn mà còn có thể trồng những loại cây mà từ trước không phải là truyền thống của vùng miền

Ở Việt Nam, việc trồng rau trong nhà kính đang phát triển nhanh chóng, đem lại lợi ích cao cho người nông dân Tuy nhiên, do chi phí đầu tư cao nên việc ứng dụng chỉ hạn chế trong các nông trang lớn có khả năng về kinh tế hoặc chỉ điều khiển ở dạng bán tự động nên vẫn cần nhiều nhân công trong việc điều khiển vì hầu hết các trang thiết bị điều khiển đều phải nhập từ nước ngoài nên giá thành cao Vì

những lí do trên em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám

sát và điều khiển nhiệt độ nhà kính” Nội dung đồ án được trình bày trong 3

chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống nhà kính

Chương 2: Thiết kế, chế tạo mô hình giám sát và điều khiển nhiệt độ nhà kính

Chương 3: Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống và kết quả đạt được

Phần kết luận và tài liệu tham khảo; Sau đây là nội dung chi tiết của đồ án

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH

Chương này sẽ trình bày xu hướng phát triển của công nghệ nhà kính trên thế giới và ở nước ta hiện nay Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng trong môi trường nhà kính

1.1 Tổng quan về mô hình trồng rau sạch trong nhà kính

1.1.1 Nhà kính trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều thành công trong mô hình trồng cây trong nhà kính Các ứng dụng khoa học vào nông nghiệp đã đem lại những kết quả cao, điển hình như Ustralia, Israel, Hà lan, trên đây là một số nước có kỹ thuật nông nghiệp tiên tiến

Israel: Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc đảm bảo yêu cầu kết cấu bền vững, yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hoá đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất, nhà kính còn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các nhu cầu về kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”, kiểm soát “sinh học nhà kính”, kiểm soát “dịch hại” nhà kính và thực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnh các yếu tố môi trường sinh thái nhà kính Kết cấu và cấu trúc nhà kính cần đảm bảo nguyên tắc cứng, nặng, đủ độ bền vững để chống lại gió mạnh (tuỳ theo đặc trưng thời tiết khí hậu địa phương) Hiện nay, Israel sử dụng toàn bộ loại hình nhà kính tiên tiến Các bộ phận thường có của một nhà kính tiêu chuẩn là hệ thống rèm, "cửa ánh sáng" và hệ thống lưới tạo bóng râm, các hệ thống kiểm soát và điều chỉnh môi trường sinh thái để tạo lập ra một môi trường sinh thái tương thích đáp ứng nhu cầu sinh hóa cây trồng, như hệ thống kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống kiểm soát và điều chỉnh ẩm

độ không khí/độ ẩm đất, hệ thống kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng, hệ thống thông khí Cùng với việc nghiên cứu phát triển công nghệ tổng hợp, Israel đang tập trung khai thác và tận dụng các đặc trưng đặc tính của “vật liệu thông minh” để xây dựng nhà kính

Hình 1.1: Một nông trang ở sa mạc Israel

Về công nghệ kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao: Nhà kính của Israel phải đảm bảo các tiêu chuẩn công nghệ quy định, ví dụ như tiêu chuẩn thích ứng nhiệt “làm mát vào ban ngày và toả ấm vào ban đêm” Việc thiết kế và xây dựng nhà kính như thế nào đó để sao cho việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố môi trường để tạo ra “miền tiểu khí hậu tối thích” cho cây trồng phát triển trong khi chỉ cần “mức chi phí năng lượng tối thiểu” Vì người sản xuất không thể sản xuất với bất cứ giá thành nào Thông thường, việc điều chỉnh chế độ nhiệt thường đựơc kết hợp với việc điều chỉnh chế độ ẩm và đựơc thực hiện thông qua hệ thống “phun mù” Các “hạt phun” có chức năng hấp thụ nhiệt dư thừa trong nhà kính vào ban ngày và lưu trữ lượng nhiệt năng này để làm ấm nhà kính vào ban đêm Như vậy, việc kiểm soát và điều chỉnh chế độ nhiệt/ẩm của nhà kính diễn ra liên tục suốt ngày đêm Để tự động hoá việc kiểm soát và điều chỉnh các thông số môi trường nhà kính, hệ thống cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và được kết nối trực tiếp đến computer để thực hiện các lệnh tưới, bón, điều chỉnh nhiệt ẩm, tạo lập môi trường sinh thái tối thích cho cây trồng sinh trưởng phát triển

Về công nghệ điện toán nhà kính: Israel là đất nước có nền công nghệ thông tin phát triển sớm, bao gồm cả công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm Israel luôn nỗ lực khai thác ứng dụng đến mức cao nhất lợi thế và ưu việt của công nghệ thông tin vào phát triển sản xuất nông nghiệp nói riêng Đối với sản xuất nhà kính, toàn bộ các hệ thống tưới nước hay bón phân, hệ thống cấp và điều chỉnh ẩm độ nhiệt độ, hệ thống kiểm soát tiểu khí hậu đều được thực hiện tự động hoá thông qua các hệ thống phần mềm quản lý kỹ thuật

Tại Kenya: Kenya là một quốc gia thuộc miền Đông châu Phi đã bắt đầu sản xuất cà chua trong nhà kính nhằm nâng cao hy vọng rằng các loại rau phổ biến sẽ trở nên có sẵn trong suốt cả năm với giá cả phải chăng Trong hệ thống mới được phát triển bởi Chương trình phát triển trồng trọt Kenya (KHDP) có sự tham gia của nhà cung cấp đầu vào nông nghiệp Seminis Seeds và Osho Hóa chất công nghiệp Theo KHDP, dự án cà chua nhà kính, một trong những hoạt động của chương trình

là hỗ trợ để giúp tăng thu nhập của hộ gia đình nông thôn, nguồn vay mượn là từ Israel - nơi mà nước này đã phát triển ngành nông nghiệp rất tốt và chuyên nghiệp trong điều kiện khan kiếm đất và nước Nếu dự án này được phát triển rộng rãi thì Kenya có thể bắt đầu thưởng thức cà chua quanh năm, mà hiện đang bị làm hư hại trong mùa ẩm ướt Theo Peter Randa, người quản lý tiếp thị và dự án cố vấn kỹ thuật, cây trồng trong các nhà kính có nhiều thuận lợi, trong đó có khả năng sản xuất số lượng lớn trên một mảnh đất nhỏ và liên tục thu hoạch

Tại Hoa Kỳ: Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ đưa ra dự án 135 với 38 nhà nghiên cứu đầu năm 2006 nhằm xác minh việc trồng rau, hoa trong các nhà lưới nhà kính công nghệ cao, điều khiển tự động đạt được hiệu quả cao vì giảm sử dụng thuốc trừ sâu, lưu giữ chất dinh dưỡng thiết yếu trong đất, mở rộng mùa trồng và sản lượng ngày càng tăng Ngoài ra, vào mùa đông giá lạnh khi nhiệt độ bên ngoài lạnh thì nhiệt độ bên trong nhà kính vẫn được duy trì ổn định cho cây sinh trưởng và phát triển tốt Vì vậy mùa đông ở đây còn còn bị hiếm rau, hoa như những năm trước nữa

Tại Anh: Vào tháng 08/2010, tại tiểu bang Kent ở miền Nam nước Anh, nơi

có số ngày nắng trong năm nhiều hơn 17% so với nơi khác, sẽ hoàn thành việc xây dựng Thanet Earth - tổ hợp khổng lồ gồm 7 nhà kính trồng rau (mỗi nhà rộng cỡ 10 sân bóng đá) trên diện tích gần 91 ha Khi hoàn thành, trong tổ hợp nhà kính này sẽ trồng gần 1,3 triệu cây và những người làm việc trong đó phải đeo những chiếc kính bảo hộ đặc biệt vì bên trong nhà kính rất sáng Để có được ánh sáng tối đa, những cấu trúc kim loại ở đây đều được sơn trắng và sàn nhà thì được phủ bằng lớp phản quang Lượng ánh sáng được giữ bên trong nhà nhờ tường và mái nhà được che sáng Các điều kiện bên trong nhà kính được kiểm soát bởi những chiếc máy tính dành riêng cho công trình này Có 7 cái hồ chứa nước mưa, sau khi được xử lý sẽ cung cấp nước cho nông trang, dung lượng mỗi hồ 189 triệu lít Việc cung cấp nhiệt

cho nhà kính là do 7 nhà máy điện đảm trách, chính là những nhà máy cung cấp điện cho một nửa thành phố Thanet gần đó

Việc trồng trọt trong những nhà kính lớn như thế đã từng có ở Hà Lan, Canada, Mỹ, còn ở Anh đây là lần đầu tiên Hai năm nữa, Thanet Earth sẽ đi vào hoạt động và việc tổ chức sản xuất tại tổ hợp này do Tập đoàn Fresca Group, một nhà nhập khẩu lớn của Anh thực hiện Tương tự như ở Úc Hệ thống trồng rau ở Úc rất phát triển, hầu như toàn bộ quy trình sản xuất rau đều có ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại

Hình 1.2: Nhà kính trồng rau theo công nghệ Úc

1.1.2 Nhà kính ở Việt Nam

Tại Việt Nam: Những năm gần đây việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp đang được xúc tiến mạnh mẽ và bước đầu đã đạt được nhiều kết quả tốt

Thực tế cho ta thấy, các phương pháp canh tác theo tập quán ngoài đồng đã dần được thay thế bằng những kỹ thuật mới trên những vùng sản xuất Thông qua các chương trình khuyến nông, việc áp dụng trồng rau, hoa trong nhà kính, nhà lưới

đã từng bước được hướng dẫn đến các hộ nông nghiệp trong những năm qua, đã giúp cho người sản xuất cải thiện kỹ thuật canh tác một cách căn bản Như ta đã biết việc ứng dụng kỹ thuật trồng cây trong nhà kính, nhà lưới sẽ mang lại hiệu quả thiết thực cho người sản xuất cũng như nâng cao chất lượng năng suất sản phẩm nông nghiệp

Tuy nhiên thông tin về kỹ thuật canh tác, những vấn đề kỹ thuật điều khiển khí hậu trong nhà kính, nhà lưới như thế nào là thích hợp trong điều kiện khí hậu ở

nước ta để có thể giảm bớt hoặc bổ xung ánh sáng, tăng hoặc giảm nhiệt độ…và hàng loạt các vấn đề khác cần giải quyết Chính vì vậy dẫn đến thực trạng ở nước ta

hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng phục vụ sản xuẩt rau và hoa vẫn ở trình độ lạc hậu, chắp vá, đặc biệt là vấn đề sử dụng và quản lý chưa đem lại hiệu quả như mong muốn

Do trình độ kỹ thuật phát triển chậm nên hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng rau, hoa ở nước ta hiện nay phần lớn mới chỉ tập trung ở vấn đề làm mát trong nhà trồng và thiết bị sử dụng chỉ là hệ thống lưới cắt nắng, dạng này được áp dụng với diện tích lớn của các hộ nông dân ở các vùng sản xuất rau và hoa tập trung ở nước ta như vùng trồng rau ở Vân Nội - Đông Anh, Lĩnh Nam - Thanh Trì, Đà Lạt - Lâm Đồng, Củ chi… với phương pháp điều khiển thủ công dùng các vật liệu sẵn có của địa phương như tre, luồng để căng lưới Ưu điểm giá thành đầu

tư rẻ, kỹ thuật sử dụng đơn giản, do đó chỉ giảm được một phần cường độ ánh sáng

và nhiệt độ, chưa đem lại hiệu quả đáng kể nào

Ở một số Hợp tác xã như Hợp tác xã Hương Xuân - Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Lạt… một số các công ty và các mô hình ở tỉnh như Thanh Hóa, Vĩnh Phúc đã sử dụng phối hợp một số thiết bị làm mát như lưới cắt nắng, phun sương giảm nhiệt và quạt thông gió Hệ thống này được điều khiển bằng cơ khí Ở một số vùng có khí hậu ổn định như ở Đà Lạt, Tam Đảo - Vĩnh Phúc việc sử dụng phối hợp các hệ thống thiết bị này đã đem lại hiệu quả đáng kể

Tuy nhiên do chưa lựa chọn và vận hành đúng các hệ thống thiết bị cho từng vùng khí hậu thường sao chép nguyên mẫu từ vùng này sang vùng khác lên đối với các vùng khí hậu tương đối khắc nghiệt như Thành phố Hồ Chí Minh, Thanh Hoá, Tây Tựu… nên không hiệu quả Hiện nay đã có một số cơ sở sản xuất rau và hoa ở trong nước đã nhập ngoại đồng bộ hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng của Pháp, Isarel, Trung Quốc như Công ty Golden Garden, Trang food, Has farm của Đà Lạt, Trung tâm kỹ thuật rau quả Hà Nội, một số Trường, Viện, Trung tâm nghiên cứu như Viện rau quả Hà Nội, Viện di truyền, trường Đại học Nông nghiệp I, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Trung tâm giống cây trồng

ở Thường Tín, Trung tâm nghiên cứu cây ăn quả Long An…Các hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng bao gồm hệ thống quạt thông gió cưỡng bức, thiết bị làm mát bằng hệ thống tấm đệm bay hơi nước, phun mù kết hợp với che

nắng bằng lưới Aluminet, ở Has farm và Trung tâm kỹ thuật rau quả Hà Nội có lắp đặt hệ thống kiểm soát và điều chỉnh khí CO2 và hệ thống gia nhiệt bằng thổi hơi nóng qua hệ thống ống Việc lắp đặt hoàn thiện đồng bộ các thiết bị điều khiển môi trường tiểu khí hậu trong nhà trồng cho phép trồng một số giống rau và hoa trái vụ Kết quả cho thấy các cây cà chua, dưa chuột, hoa cẩm tú cầu,… phát triển bình thường trong cả thời tiết hè nhiệt độ lên đến 36 - 370C

Các thiết bị được điều khiển bằng cơ khí hoặc tự động toàn bộ do đó đòi hỏi nguời quản lý, sử dụng phải có trình độ nhất định Mặt khác các thiết bị này do nhập ngoại toàn bộ do đó chi phí đòi hỏi lớn đây cũng là khó khăn để ứng dụng công nghệ và thiết bị này vào trong sản xuất đại trà ở nước ta

Hình 1.3: Nhà kính trống rau sạch tại Việt Nam

Tóm lại các thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng rau và hoa ở nước ta rất đa dạng, kể cả chủng loại vật liệu và thông số kỹ thuật Các thiết bị này được thiết kế và chế tạo từ nhiều cơ sở khác nhau, từ các công ty chuyên ngành đến các xưởng nhỏ lẻ trong nước và nhập khẩu từ nước ngoài Sự đa dạng đó phần nào đáp ứng được nhu cầu về số lượng và chất lượng các chủng loại thiết bị phục vụ xây dựng các nhà trồng Tuy nhiên, việc chế tạo một số thiết bị này ở các cơ sở trong nước chưa được chú trọng mà mới chỉ dừng lại ở mức độ chép mẫu mà chưa có một tiêu chuẩn cụ thể

1.2 Công nghệ nhà kính

1.2.1 Khái niệm về nhà kính

Nhà kính là công trình thường có cạnh và mái làm bằng nilon (film), bằng màng nhựa (plastic) hoặc bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau hoa quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh và sự thâm nhập của côn trùng gây hại.

Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, ánh sáng cũng như việc tưới nước duy trì độ ẩm nhất định nên người sử dụng có thể quy định được khí hậu trong nhà kính (có kèm theo một số thiết bị chuyên dụng như quạt gió, cảm biến nhiệt độ, thông gió, tạo độ ẩm, )

1.2.2 Cấu trúc và phân loại nhà kính

Hình 1.4: Các cấu trúc nhà kính thương mại:

A) máng nối, B) mái đứng độc lập, C) vách đơn

Nhà kính tách rời (hình B và C) đứng độc lập với nhau Tuy nhiên, chúng có thể được kết nối với một khu vực làm việc hoặc vào nhà kính khác thông qua một hành lang Đây là loại phổ biến nhất của nhà kính cho sản xuất thương mại

Nhà kính rãnh được kết nối ở mép mái bằng một rãnh chung (hình A) Nhà kính rãnh có thể làm theo kiểu đầu hồi hoặc vòm cong Nhà đầu hồi thường thích hợp cho các loại màng che phủ lợp nặng (ví dụ như thủy tinh, sợi thủy tinh) trong khi nhà vòm cong được phủ bằng vật liệu nhẹ hơn (tức là bằng polyethylene, nhựa polycarbonate) Một số nhà kính kết nối với nhau thành hình sườn núi

Vật liệu khung: Nhà kính có thể được xây dựng từ các vật liệu khác nhau Trong số các vật liệu phổ biến nhất là nhôm, thép và gỗ Trong số này nhôm đến nay là kinh tế nhất và kéo dài dài nhất Nhôm có thể được chế tạo theo nhiều hình dạng và độ dày khác nhau Vật liệu này sau đó có thể được tạo thành các kèo, xà bên và các thành phần cấu trúc khác Gỗ ít được sử dụng vì nó dễ bị hư hỏng nhanh chóng trong môi trường ẩm ướt của nhà kính

Vật liệu che phủ (màng lợp): Màng che phủ nhà kính phải được rõ ràng, trong suốt, đủ để cung cấp môi trường truyền dẫn ánh sáng tối ưu và đồng thời có

độ bền cũng như kinh tế Một số vật liệu đã được phát triển để đáp ứng những nhu cầu trên cơ sở thương mại Có các loại vật liệu chủ yếu sau: Kính, sợi thủy tinh, màng phim polyethylene (PE) và một số vật liệu mới polycarbonate và acrylic

Hiệu quả và năng suất của một cấu trúc nhà kính bị ảnh hưởng rất nhiều bởi thiết kế của nó Ngoài ra, các chi phí ban đầu và lâu dài của công trình phụ thuộc bởi các loại vật liệu sử dụng Nhà có rảnh nước và mái cho thấy hiệu quả lớn nhất trong sản xuất cây trồng Nhôm là vật liệu khung bền nhất và thường được sử dụng cho các cấu trúc nhà kính thương mại Màng phim nhà kính PE là vật liệu che phủ kinh tế nhất cho các nhà sản xuất

b Phân loại nhà kính

Có rất nhiều loại cấu trúc nhà kính được sử dụng cho sản xuất cây trồng Dựa trên hình dạng, tiện ích, chất liệu, chi phí xây dựng, cấu trúc, công nghệ người ta phân thành các loại nhà kính sau:

+ Phân loại nhà kính dựa trên chất liệu: Kính thủy tinh, sợi thủy tinh gia cố nhựa (FRP) kính, tấm nhựa bằng, tấm lợp, màng nhà kính phim nhựa PE, màng nhựa LDPE có ổn định UV, tờ Silpaulin, nhà lưới,…

+ Phân loại nhà kính dựa trên hình dạng bao gồm: Vòm phẳng, mái vòm, đường hầm, mái xéo,…

+ Phân loại nhà kính dựa trên tiện ích có hai loại: Nhà kính để sưởi ấm và nhà kính để làm mát

+ Phân loại căn cứ vào chi phí xây dựng có liên quan: Chi phí cao, chi phí trung bình, chi phí thấp

+ Phân loại theo cấu trúc: Nhà bóng râm, nhà màng che, nhà kính chỉ có mái

Phân loại nhà kính theo công nghệ có 3 loại chính sau:

+ Nhà kính công nghệ thấp: Những nhà kính chiều cao ít hơn 3m Nhà đường hầm, hoặc “lều tuyết”, là loại phổ biến nhất Chúng không có bức tường thẳng đứng, thông gió kém Loại cấu trúc này là tương đối rẻ tiền và dễ dàng để xây dựng, không được sử dụng tự động hóa

+ Nhà kính công nghệ trung bình: Nhà kính công nghệ trung bình cung cấp một sự cân bằng giữa chi phí và năng suất Nhà kính ở mức trung bình thường được đặc trưng bởi các bức tường thẳng đứng hơn 2m nhưng mái cao hơn 4m và chiều cao thường ít hơn 5,5m Chúng có thể có mái thông gió hoặc thông gió trên tường bên hông hoặc cả hai Nhà kính ở mức trung bình thường được lợp bằng màng nhà kính phim nhựa hoặc thủy tinh và sử dụng các mức độ khác nhau của tự động hóa

+ Nhà kính công nghệ cao: Nhà kính công nghệ cao cung cấp hiệu suất cây trồng cao Nhà kính cao cấp có chiều cao tường ít nhất là 4m, với đỉnh mái là lên đến 8m so với mặt đất Cấu trúc công nghệ cao sẽ có hệ thống thông gió mái nhà và cũng có thể có lỗ thông hơi bên tường Mái lợp cho nó có thể là bộ phim nhựa, tấm polycarbonate hoặc thủy tinh

1.3 Các thông số điều khiển của một nhà kính thông minh đặc trưng

1.3.1 Các yêu tố cơ bản để cây trồng sinh trưởng và phát triển

Sự sinh trưởng và sự phát triển của cây trồng phụ thuộc vào cấu trúc di truyền của nó và các yếu tố khác của môi trường như đất, nước, khí hậu, … Sau đây

là các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng:

a Ánh sáng

Là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của cây Ánh sáng ảnh hưởng đến cây trồng bằng 3 thành tố quan trọng của nó, đó là: cường độ bức xạ (cường độ ánh sáng), độ dài ngày hay quang kỳ, độ dài sóng hay bước sóng của ánh sáng

Cường độ bức xạ: Là năng lượng bức xạ chiếu xuống trên một đơn vị diện tích đất vuông góc với tia tới trong một đơn vị thời gian Mỗi loại cây trồng có yêu cầu ánh sáng khác nhau tùy theo loại, dựa vào đặc tính và nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cây trồng mà có thể phân ra thành 3 nhóm:

+ Cây ưa bóng râm: Phong lan, ca cao, cà phê

+ Cây ưa sáng: Lúa, bắp, thuốc lá, khoai, rau dền, cỏ tranh

+ Cây trung gian: Cây đậu nành

Độ dài ngày hay quang kỳ: Quang kỳ là thời gian có ánh sáng chiếu trên cây trồng tính từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn đơn vị tính bằng số giờ trong ngày Quang kỳ có ảnh hưởng quan trọng đến giai đoạn cây chuyển trạng thái từ tăng trưởng (sinh trưởng dinh dưỡng) sang sinh sản (sinh trưởng sinh thực) hay còn gọi là giai đoạn ra hoa Cây quang kỳ dài (cây ngày dài) chỉ ra hoa lúc ngày dài hơn

12 giờ (dâu tây, củ cải, xà lách, cúc, cải bắp, cà rốt, táo) Cây trung gian (không có quang kỳ) là nhóm cây có thể ra hoa bất cứ lúc nào (ớt, cà chua, dưa, bầu, bí, dưa hấu, đậu phộng, cam, lúa IR ) Cây quang kỳ ngắn (hay cây ngày ngắn): Cây ra hoa lúc ngày ngắn hơn 12 giờ/ngày (như cây hoa cúc, đu đủ, cà tím, bắp, dừa, cao

su, đậu nành, mè, lúa mùa)

Độ dài sóng hay bước sóng của ánh sáng: Trung bình một lá cây ngoài đồng phản xạ 10% các tia sáng, hấp thu 70% và truyền lan qua các lớp tế bào lá xuống dưới 20% Trong số 70% ánh sáng hấp thụ, quang hợp chỉ sử dụng 1% (chủ yếu là các tia sáng xanh và đỏ, 49% năng lượng dùng để thoát hơi nước và lá sẽ bức xạ lại 20% Vì vậy có thể nhận thấy bước sóng hữu ích cho quang hợp của cây là ánh sáng màu xanh có bước sóng từ (430-460nm) và ánh sáng màu đỏ (630nm-720nm) Diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng một cách có chọn lọc, một số vùng ánh sáng được diệp lục hấp thụ mạnh nhất, một số vùng bị hấp thụ ít hơn và có vùng thì hầu như không bị hấp thụ Điều này đã tạo nên quang phổ hấp thụ của diệp lục Trong quang phổ hấp thụ của diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thụ mạnh nhất tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại Đó là vùng ánh sáng đỏ với cực đại là 662 nm và vùng ánh sáng xanh với cực đại là 430 nm

b Nhiệt độ

Là yếu tố quan trọng thứ hai trong sinh trưởng và sự phát triển của cây Nhiệt

độ chính là yếu tố tạo nên các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất và từ đó có các nhóm cây riêng biệt cho từng vùng Mỗi loài cây đòi hỏi có nhiệt độ thích hợp để sống Một số loài cây sinh trưởng tốt ở nhiệt độ < 5ºC, đem trồng vào mùa nóng sẽ ngừng sinh trưởng

Các loại cây bắp cải, su hào, cải trắng, củ cải phát triển tốt ở nhiệt độ 13 - 15°C cao nhất lên đến 27°C, nếu nhiệt cao hơn cây sẽ chết Các loại xà lách cuốn, cây diếp, ngò tây, cải canh phát triển tốt ở 16°C có thể chịu được khi nhiệt độ xuống 7°C Các loại đậu đỗ, bầu bí, cà chua, ớt phát triển ở 15 - 300°C Nhiệt độ ảnh

hưởng đến độ nảy mầm của hạt, ví dụ: hành có thể nảy mầm ở 2°C, cà rốt và các loại cải 5°C, bầu bí nảy mầm ở 35°C Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến sự phát triển, sự

nở hoa, chất lượng sản phẩm, khả năng bảo quản, thời gian ngủ của hạt và ảnh hưỏng đến sự phát triển của sâu bệnh trên các loại cây

c Độ ẩm

Độ ẩm trong không khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của cây như sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thời gian chín của quả, chất lượng cây, sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giống Nhiệt độ và độ ẩm có quan hệ mật thiết với nhau và có tác động lớn đến sinh trưởng, tái sinh của nhiều loài cây, đặc biệt là trong sản xuất hạt giống

d Đất

Là nơi bộ rễ cây phát triển, giữ chặt cây Cây cần đất tốt, có chế độ dinh dưỡng cao Bộ rễ của các loài cây rau nói chung ăn nông trong khoảng 25 - 30cm nên tính chịu hạn, chịu nóng kém, do đó đất trồng cây rau phải là chân đất cao, dễ tiêu nước Có độ pH phù hợp với từng loại cây: các loại cải bao, su lơ, xà lách, đậu bắp, hành tỏi, cần tây chịu được độ pH = 5,5 - 6,7; các loại đậu, cà rốt, cà, dưa chuột, ớt, cải củ, bí, su hào có độ pH = 5,5 - 6,8; khoai tây, dưa hấu pH = 5,0 - 6,8;

pH là kí hiệu chỉ độ chua, độ kiềm của đất Biểu hiện bằng nồng độ ion H+ trong môi trường

Độ chua của đất được chia ra: pH = 4 rất chua; 5 chua; 6 hơi chua; 7 trung bình; 7,5 kiềm yếu; 8 và trên 8 là kiềm Ở Việt Nam phần lớn đất đồi trọc, đất bạc màu là đất chua, có độ pH = 4 Đất trũng, đất lầy cũng là đất chua pH =4 - 5; đất trồng trọt tốt bón phân, tro nhiều pH = 4 - 7 Phần lớn cây ưa đất trung tính, pH trên dưới 7

e Chất dinh dưỡng cho cây

Các cây trồng ngắn ngày như rau có sản lượng rất lớn, có loại đạt 20 – 60 tấn/ha, nên cây cần lượng chất dinh dưỡng rất lớn Các chất dinh dưỡng này cây lấy

từ đất không đủ, nên người trồng cây phải bổ sung bằng các loại phân bón Dù là cây ăn lá, cây ăn củ, cây ăn quả cũng cần đầy đủ các chất dinh dưỡng cơ bản là đạm (N), lân (P), kali (K) và một số nguyên tố vi lượng khác

f Nước tưới

Thành phần hóa học trong cây chủ yếu là nước, chiếm đến 90%, do đó lượng nước cây cần lấy vào trong tự nhiên là rất lớn Nước còn là môi trường sống của một số loại cây (cây rau muống, rau cần, …) Nước là nơi chất khoáng hoà tan được

rễ hút vào nuôi cây Nước cũng là môi trường để pha các loại thuốc trừ sâu bệnh Nên muốn có năng suất cây cao, cần đảm bảo lượng nước đủ theo nhu cầu của từng

loại cây

Ngoài các yếu tố chính kể trên, còn nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến năng suất cây như bụi, không khí, … Bụi làm bịt kín các lỗ thở trên lá cây ảnh hưởng đến việc thoát hơi nước, đến quang hợp Không khí bị ô nhiễm làm cây không phát triển bình thường, lá héo rũ Không khí còn mang bào tử nấm, mầm bệnh xâm nhập vào cây Gió bão, mưa làm ngã, gẫy, giập nát lá Để hạn chế thiệt hại do các yếu tố trên gây ra, người trồng cây phải che chắn, tránh xa nơi thải chất độc hại, xa đường giao thông

1.3.2 Kiểm soát các thông số trong nhà kính

Xuất phát từ các yêu tố cơ bản cần cho cây trồng sinh trưởng và phát triển, ta thấy nhà kính ứng dụng các công nghệ cao có thể tạo lập ra một môi trường sinh thái theo ý muốn, một môi trường sinh thái thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển, mục đích là:

+ Thực hiện các công nghệ thâm canh cao

+ Để tối thiểu hoá thậm chí có thể loại trừ các yếu tố ngoại cảnh bất lợi ra ngoài sản xuất

+ Để sản xuất ra loại nông sản thực phẩm mà thiên nhiên không ưu đãi (trái vụ), thậm chí không sản xuất được ngoài môi trường tự nhiên (như sản xuất nấm

mỡ trên sa mạc)

+ Để tối đa hoá năng suất chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất; tối

thiểu hoá các khoản chi phí sản xuất và đặc biệt là để tiết kiệm nước và năng lượng

a Kiểm soát nhiệt độ trong nhà kính

Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến cây trồng tăng trưởng là nhiệt

độ Cây trồng khác nhau có nhiệt độ sinh trưởng tối ưu khác nhau và các tối ưu nhiệt độ có thể khác nhau cho gốc cây và môi trường, và cho giai đoạn phát triển khác nhau trong chu trình phát triển của chúng

Vì chúng ta thường quan tâm đến tăng trưởng và phát triển cây trồng nhanh chóng, cần phải cung cấp những tối ưu nhiệt độ trong suốt toàn bộ chu kỳ Nhà kính được thiết kế để cho phép nhiều ánh sáng càng tốt xâm nhập vào khu vực cây trồng Kết quả là các tính chất cách nhiệt của cấu trúc được giảm đi đáng kể và môi trường phát triển ảnh hưởng đáng kể từ biến động điều kiện thời tiết liên tục Năng lượng bức xạ mặt trời (ánh sáng và nhiệt độ) tác động lớn nhất đối với môi trường ngày càng tăng, kết quả là thách thức duy trì nhiệt độ ngày càng phải tối ưu

Có các phương pháp chính để điều chỉnh nhiệt độ sau:

+ Thông gió bằng đối lưu tự nhiên: Một cách hiệu quả để giảm nhiệt độ trong một nhà kính quá nóng là thông gió tự nhiên Mở tất cả các cửa ra vào và cửa sổ để không khí nóng thoát ra ngoài Một số nhà kính đã khớp nối mái mà bạn có thể mở mái để ngăn chặn sự tích tụ của khí nóng

Hình 1.5: Thiết kế mái mở thông gió

+ Thông gió cưỡng bức bằng quạt: Hạn chế của phương án đối lưu tự nhiên chính là tốc độ chậm và hiệu suất thấp, vì vậy nên để tăng tốc quá trình đối lưu nhiệt và tăng lưu lượng không khí lưu thông chúng ta nên bố trí các quạt thông gió Việc bố trí số lượng, vị trí cũng là rất quan trọng để quyết định tính hiệu quả của phương án này Quạt cần bố trí sao cho hướng của chúng không bị xung đột, không nên treo quạt quá cao hoặc để sát mặt đất

Hình 1.6: Quạt thông gió cưỡng bức

+ Phương án dùng quạt, tấm cooling pad và hơi nước: Hiện nay đây chính là phương án đang được sử dụng rộng rãi nhất vì những ưu điểm: Giải điều chỉnh nhiệt khá rộng, lưu lượng không khí lưu thông cực lớn, chí phí đầu tư và vận hành khá hợp lý Một ưu điểm nữa của phương án này là nó giữ những tán lá cây khô, nồng độ carbon dioxide trong không khí phát tán ở mức độ môi trường xung quanh

và kích thích sự bay hơi của nước từ bề mặt lá

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống làm mát nhà kính nông nghiệp

+ Phương án dùng lưới cắt nắng: Lưới cắt nắng có thể được đặt bên trong hoặc bên trên màng nhà kính, nhằm điều chỉnh cường độ ánh sáng qua đó hạn chế quá trình tăng nhiệt bên trong nhà kính Hệ thống lưới cắt nắng thường được thiết

kế tự động hoặc thao tác bằng tay

Hình 1.8: Hệ thống lưới che nắng đặt bên trong đóng mở bằng motor

+ Phương án dùng điều hoà nhiệt độ: Đây là phương án tốt nhất về mặt kỹ thuật, vì giải điều chỉnh nhiệt độ là rất rộng và có thể cài đặt theo từng thời kỳ sinh trưởng của cây trồng Tuy nhiên hạn chế của phương án lại nằm ở yếu tố chi phí đầu

tư và vận hành là quá lớn với những những người làm nông nghiệp đơn lẻ

+ Làm mát bằng nước: Làm mát bên trong một nhà kính bằng cách phun nước thủ công trong lúc nhiệt độ cao Ngoài ra, một hệ thống phun sương cũng làm bay ra các hạt nước ở kích thước bé, khi bay hơi chúng thu nhiệt môi trường và làm giảm nhiệt độ không khí, đồng thời bổ sung độ ẩm trong nhà kính Hệ thống phun sương sử dụng ít năng lượng hơn so với quạt, nhưng bạn phải chăm sóc để kiểm soát tảo phát triển, tránh nấm và vi khuẩn từ nước có thể lây bệnh cho cây

Hình 1.9: Hệ thống phun sương làm mát trong nhà kính

+ Hệ thống sưởi ấm nhà kính để duy trì nhiệt độ: Ở vùng khí hậu ôn đới, mặt trời có thể sưởi ấm trong nhà kính, nhưng nơi có nhiệt độ giảm mạnh, nhiệt nhân tạo

có thể là cần thiết để duy trì nhiệt độ Một số nhà kính phải dựa vào khí đốt tự nhiên, cuộn dây nóng hoặc quạt sưởi ấm Bởi vì chi phí cho giữ nhiệt là một trong những chi phí đáng kể của nhà kính, do đó các nguồn năng lượng khác luôn luôn được khám phá, như việc sử dụng pin năng lượng mặt trời

a Kiểm soát ánh sáng trong nhà kính

Dựa vào các thành tố của ánh sáng tác động đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây, từ đó đưa ra những giải pháp để lựa chọn nguồn sáng và phương pháp điều chỉnh để cây phát triển tốt nhất và tối ưu về mặt năng lượng trong quá trình chiếu sáng Chọn nguồn sáng đỏ hoặc xanh để chiếu sáng cho cây

+ Dùng mạch khuếch đại công suất âm tần

+ Ngoài ra có thể thay đổi cường độ ánh sáng bằng cách thay đổi số lượng đèn sáng, tắt

- Kết hợp ánh sáng tự nhiên và thời gian chiếu sáng nhân tạo để đáp ứng quang kỳ cho phù hợp với mỗi loại cây

Hình 1.10: Cây hấp thụ mạnh ánh sáng của đèn led xanh và đỏ

c Kiểm soát độ ẩm trong nhà kính

Độ ẩm tương đối nên đạt gần 70 – 85% trong giai đoạn cây phát triển mạnh

Ở mức từ 90 đến 95%, cây phát triển yếu, các bệnh nấm trở thành một vấn đề thực

sự Giảm độ ẩm bằng cách thông gió hoặc hút không khí ẩm bằng quạt hút và chỉ tưới nước khi cần thiết Người trồng ở vùng khí hậu khô cằn có thể làm tăng độ ẩm trong nhà kính bằng cách phun sương Hệ thống phun tạo sương được lắp đặt sẽ có tác dụng làm mát, tạo ẩm để cho cây trồng tồn tại và phát triển, cho năng suất cao nhất

Hệ thống phun sương trong nhà kính có thể tự động điều chỉnh được độ ẩm bên trong Cụ thể là khi nhiệt độ tăng cao thì hệ thống phun sương sẽ tự động được kích hoạt để phun sương làm mát Ngay lúc đó hệ thống quạt đối lưu cũng sẽ tự động được khởi động để chắc chắn rằng toàn bộ không khí trong nhà kính được lưu thông đều

d Điều khiển hệ thống tưới trong nhà kính

Ba nguyên tắc chính của tưới nước cho cây trồng trong nhà kính:

+ Nền thoát nước tốt: Khi bề mặt gốc có thể thoát nước tốt, việc tưới nước thích hợp có thể đạt được cho cây như mong muốn

+ Tưới nước triệt để mỗi lần: Điều quan trọng là phải tưới nước tất cả các bề mặt mỗi khi tưới nước để đạt đến tận rễ và tạo ra một cây khỏe mạnh

+ Tưới nước trước khi cây thiếu độ ẩm: Bạn nên tưới nước ngay trước khi sự căng thẳng độ ẩm xảy ra Kết quả là một hệ thống thông thoáng khí đúng cách để rễ phát triển khỏe mạnh Có một số phương pháp và cách thức để tưới nước: Tưới tay, vòi phun nước, tiểu thủy lợi và tưới nhỏ giọt Trong đó tưới nhỏ giọt là phương pháp tưới tối ưu nhất

Khái niệm tưới nhỏ giọt: Tưới nhỏ giọt là kỹ thuật tưới cung cấp nước vào đất dưới dạng các giọt nước nhỏ ra đều đều từ công cụ hay thiết bị tạo giọt đặt tại một số điểm trên mặt đất gần gốc cây Các hệ thống hiện đại nhất sử dụng một đầu nhỏ giọt, với áp lực nhỏ giọt đều để đảm bảo mỗi cây đều nhận được cùng một lượng nước Trong một hệ thống được thiết kế tốt có thể đạt được đồng đều 95%

Hệ thống tưới nhỏ giọt đơn giản bao gồm bồn chứa nước, hệ thống ống dẫn

và đầu tưới nhỏ giọt hay dây nhỏ giọt Phần điều khiển tự động bao gồm van điện từ điều khiển khu vực tưới, bộ lọc, bộ điều khiển số lần và thời gian tưới trong ngày

Hệ thống tưới nhỏ giọt có thể kết hợp với bộ châm phân tự động, cung cấp phân bón khi tưới tiêu, cách này được gọi là tưới bón

Đến nay, hệ thống tưới nhỏ giọt là biện pháp tưới tiêu tiết kiệm nước nhất, giảm đến 30 - 60% nước so với phương pháp tưới truyền thống Nông dân có thể mang nước, phân bón đến đúng địa chỉ với liều lượng vừa đủ dùng thông qua hệ thống van, đường ống, máy bơm và hiện đại hơn là kết nối với hệ thống máy tính kiểm soát Đặc biệt hơn, còn có thêm các đầu cảm biến cắm vào đất và lắp đặt chung với hệ thống tưới nhỏ giọt Các cảm biến này có thể cảm ứng được độ ẩm của đất và điều khiển quá trình tưới dựa trên nguyên tắc thông minh của con người “đất khô thì tưới, đất ẩm thì ngưng”

Hình 1.11: Hệ thống tưới nhỏ giọt của Netafim tại Vũng Tàu

e Kiểm soát chất dinh dưỡng cung cấp cho cây

Duy trì đầy đủ dinh dưỡng là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của sản xuất cây trồng (rau, hoa, nông sản) trong nhà kính Hiện nay hầu hết người làm vườn sử dụng thức ăn lỏng để cung cấp chất dinh dưỡng cho thực vật Phương thức này cũng có thể được bổ sung với phân bón dạng hạt truyền thống

Cần cung cấp số lượng tối ưu các chất dinh dưỡng cho cây hấp thụ Tuy nhiên, mức độ dinh dưỡng phải căn cứ vào sự hiện diện của các muối hòa tan Phân bón hoàn chỉnh có chứa N, P, K với tỷ lệ mong muốn có thể được sử dụng cho cây trồng trong nhà kính hoặc phân có thể được tùy chỉnh pha trộn để đáp ứng nhu cầu của cây

Kết luận chương

Chương này đã trình bày xu hướng phát triển của công nghệ nhà kính trên thế giới và ở nước ta hiện nay Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng trong môi trường nhà kính

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

NHIỆT ĐỘ NHÀ KÍNH

Trong chương này trình bày, giới thiệu về các thiết bị, cơ cấu chấp hành được sử dụng trong đề tài Giới thiệu về bộ điều khiển PLC siemen S7-300, thiết kế phần cứng và sơ đồ đấu nối thiết bị

2.1 Thiết bị sử dụng trong đề tài

2.1.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Seneca T120

Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 được dùng để chuyển đổi tín hiệu từ nhiệt độ Pt100 hoặc Ni100 sang 4-20mA hoặc 20-4mA đưa về PLC, DCS hoặc bộ hiển thị Chúng ta thường thấy các bộ đọc tín hiệu nhiệt độ trực tiếp từ Pt100 hoặc Thermocouple mà không cần dùng bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ

Hình 2.1: Bộ chuyển đổi Seneca T120

Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi:

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 xuất xứ tại Seneca – Italy tiêu chuẩn cao với độ sai số 0.1% trên dãy đo nhiệt độ calip và thời gian đáp ứng nhỏ hơn 620ms

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 được thiết kế chuyên dùng cho Pt100

và Ni100 với dãy đo calip tùy ý từ -200 ÷ 650°C với các cảm biến pt100 loại 2 dây, Pt100 loại 3 dây và Pt100 loại 4 dây

+ Dãy đo nhỏ nhất calip được trên bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 là

0°C cho tất cả các loại cảm biến Pt100 hoặc Ni100

+ Kích thướt của bộ chuyển đổi T120 là 43.7 x 20mm

+ Cài đặt dãy đo bằng phần mềm chính hãng của Seneca

+ Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 gắn trên đầu củ hành còn có thể gắn trên trong tủ điện bằng vít thông qua lỗ nhỏ nằm giữa bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt

độ

2.1.2 Đầu dò nhiệt độ PT100 loại dây RBA

Ứng dụng của cảm biến đo nhiệt độ PT100 loại dây RBA được dùng để đo nhiệt ở những vị trí ngắn, do cấu tạo có lò xo có thể chịu được va đập trong giới hạn cho phép

Hình 2.2: Đầu dò nhiệt PT100

Thông số kỹ thuật:

+ Dải đo 0 - 200°C

+ Đường kính đầu dò: phi 5 mm, phi 6 mm, phi 8 mm

+ Chiều dài que đo (Lg): 10mm, 15mm, 30mm

+ Chiều dài dây (Lc): 1 mét

Hình 2.3: Sơ đồ chân của cảm biến

2.1.3 Relay trung gian

Rơ le trung gian là một kiểu nam châm điện có tích hợp thêm hệ thống tiếp điểm Rơle trung gian còn gọi là rơ le kiến là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện Gọi là một công tắc vì rơ le có hai trạng thái ON và OFF Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không

Hình 2.4: Relay trung gian

Cấu tạo của rơ le trung gian: Thiết bị nam châm điện này có thiết kế gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ Lõi thép động được găng bởi

lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm nghịch và tiếp điểm nghịch

Nguyên lý hoạt động:

+ Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế

+ Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động Một mạch là để điều khiển cuộn dây của rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển

rơ le ở trạng thái ON hay OFF Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le

2.1.4 Động cơ một chiều có giảm tốc

Động cơ điện một chiều, như tên gọi cho thấy, sử dụng dòng điện một chiều Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng

Động cơ một chiều gồm các thành phần sau:

+ Cực từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường

+ Phần ứng: Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần ứng

+ Cổ góp: Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều Cổ góp có tác dụng đảo chiều của dòng điện trong phần ứng Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện

+ Hộp giảm tốc: Hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp,

có tỉ số truyền không đổi, thường đi kèm với động cơ máy khuấy, có 2 tác dụng chính:

+ Giảm tốc: Vì động cơ (theo chuẩn quốc tế) thường có tốc độ cao, trong khi nhu cầu sử dụng thực tế (tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên sẽ cần tới hộp giảm tốc để điều chỉnh vòng quay để được tốc độ như ý

+ Tăng tải: Lắp hộp giảm tốc vào động cơ làm tăng moment xoắn, từ đó làm tăng khả năng tải trọng và độ khỏe của trục ra hộp giảm tốc

+ Một đặc trưng nữa của hộp giảm tốc cần lưu ý đó là hộp giảm tốc chỉ điều chỉnh (giảm) xuống được một tốc độ quay nhất định, khác với biến tần có thể điều chỉnh cho trục ra nhiều tốc độ sử dụng khác nhau

+ Tỉ số truyền: Tỉ số truyền là tỉ số biến thiên tốc độ giữa trục vào và trục ra của động cơ hộp giảm tốc, là đại lượng thể hiện sự biến thiên tốc độ của động cơ máy ban đầu với đầu ra động cơ (tốc độ sử dụng thực tế) thông qua bộ phận giảm tốc là hộp giảm tốc

Hình 2.5: Động cơ một chiều có giảm tốc

Thống số kỹ thuật:

+ Điện áp định mức: 24VĐC

+ Điện áp làm việc: 12V - 24VĐC

+ Dòng điện khi không tải: 100mA

+ Dòng điện khi có tải là: 500mA

+ Tốc độ khi không tải:134 Vòng/phút

+ Tốc độ khi có tải: 83 Vòng/phút

+ Tỉ lệ giảm tốc:1/40

+ Momen định mức: 7,5 kgf.cm

+ Momen xoắn tối đa: 13 kgf.cm

+ Công suất tiêu thụ: 12W

2.1.5 Bơm mini một chiều

Sử dụng động 1 chiều để truyền động trực tiếp cho bơm, trục bơm nối trực tiếp với cánh quạt để hút nước lên

Hình 2.6: Bơm mini

+ Lưu lượng bơm: 1,8L/1 phút

+ Áp suất nước: 0.3Mpa

+ Thời gian làm việc liên tục tối đa trong 1 ngày: Không quá 8h

+ Kích thước 86 x 46 x 46 mm

2.1.6 Nút nhấn

Nút nhấn hay là nút điều khiển là loại khí cụ điện dùng để đóng, ngắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điều khiển tín hiệu, liên động, bảo vệ… Nút nhấn dùng trong mạch điện một chiều điện áp đến 440 V và trong mạch điện xoay chiều điện áp đến 500 V

Nút nhấn là loại khí cụ điện kết hợp với một số thiết bị khí cụ điện khác như công tắc tơ, khởi động từ, rơ le trung gian, rơ le thời gian… đóng hay cắt mạch điện

từ xa, để khởi động, dừng, đảo chiều quay động cơ điện, chuyển đổi, liên động mạch điều khiển tín hiệu Nút nhấn thường đặt trên các bảng điện điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút nhấn Nút nhấn thường được chế tạo để làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không có hơi hóa chất và bụi

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợn và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có thể thay thế gần như hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống Như vậy PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp là:

Hình 2.8: PLC Siemen S7 – 300

PLC Step 7-300 thuộc họ Simatic do hãng Siemens sản xuất Đây là loại PLC đa khối Cấu tạo cơ bản của loại PLC này là một đơn vị cơ bản (chỉ để xử lý) sau đó ghép thêm các module mở rộng về phía bên phải, có các module mở rộng tiêu chuẩn

Hình 2.9: Các khối module của PLC S7 – 300

CPU các loại khác nhau: 312 IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C,

315, 315-2 DP, 316-2 DP, 318-2

+ Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng/số: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374

+ Module chức năng FM

+ Module truyền thông CP

+ Module nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC cho các module khác, dòng 2A, 5A, 10A

+ Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365

 Module CPU

Các module CPU khác nhau theo hình dạng chức năng, vận tốc xử lý lệnh Loại 312IFM, 314IFM không có thẻ nhớ Loại 312IFM,313 không có pin nuôi Loại 315-2DP, 316-2DP, 318-2 có cổng truyền thông DP Các đèn báo trên CPU có ý nghĩa như sau:

+ SF (đỏ) - Lỗi CPU

+ BATF (đỏ) - Lỗi pin nuôi

+ DC5V (lá cây) - Báo nguồn 5V bình thường

+ RUN (lá cây) - Báo chế độ PLC đang làm việc

+ STOP (vàng) - Báo PLC đang ở chế độ dừng

Công tắc chuyển chế độ:

+ RUN-P: Chế độ lập trình và chạy

+ RUN: Chế độ chạy chương trình

+ STOP: Ngừng chạy chương trình

+ MRES: Reset bộ nhớ

Muốn xoá chương trình thì giữ nút bấm về vị trí MRES để đèn STOP nhấp nháy, khi thôi không nhấp nháy thì nhả tay Làm lại nhanh một lần nữa nếu đèn vàng nháy nhiều lần là xong, nếu không thì phải làm lại

 Các vùng nhớ của PLC

+ Vùng nhớ chương trình: Chứa chương trình người dùng (không chứa địa chỉ ký hiệu và chú thích) có thể làm RAM hay EEPROM trong CPU hay trên thẻ nhớ

+ Vùng nhớ làm việc: Là RAM, chứa chương trình do vùng nhớ chương trình chuyển qua, phần này không cần ở lại vùng nhớ chương trình, ví dụ block header, data block

+ Vùng nhớ hệ thống: Phục vụ cho chương trình người dùng, bao gồm timer, couter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập

 Module gép nối IM

Module IM360 gắn ở crack 0 kế CPU dùng để gép nối với module IM361 đặt

ở các rack 1, 2, 3 giúp kết nối các module mở rộng với CPU khi số module lớn hơn

8 Cáp nối giữa hai rack là loại 368 Trong trường hợp chỉ có hai rack, ta dùng loại IM365

2.2.2 Địa chỉ và gán địa chỉ

Trong PLC có những bộ phận được gán địa chỉ đơn như bộ thời gian (T), bộ đếm (C), chỉ cần một chữ cái đó kèm theo một số là đủ, ví dụ: T1, C32, Các địa chỉ đầu vào và đầu ra cùng với các module chức năng có cách gán địa chỉ giống nhau Chỗ gá module trên panen gọi là khe (Slot), các khe đều có đánh số, khe số 1

là khe đầu tiên của và cứ thế tiếp tục

 Địa chỉ vào ra trên module số

Khi gá module số vào, ra lên một khe nào lập tức nó được mạng địa chỉ byte của khe đó, mỗi khe có 4 byte địa chỉ

Hình 2.10: Địa chỉ khe và kênh trên module số

Trên mỗi module thì mỗi đầu vào, ra là một kênh, các kênh đều có địa chỉ bit

là 0 đến 7 Địa chỉ của mỗi đầu vào, ra là số ghép của địa chỉ byte và địa chỉ kênh, địa chỉ byte đứng trước, địa chỉ kênh đứng sau, giữa hai số có dấu chấm Khi module gá trên khe thì địa chỉ được tính từ byte đầu của khe, các đầu vào và ra của một khe có cùng địa chỉ