Tài liệu NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỒNG RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Đất nước ta đang ở giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Trong công cuộc này, tự động hoá đóng một vai trò then chốt. Có thể nói điều khiển tự động là một lĩnh vực kỹ thuật không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, nông nghiệp tiên tiến. Hiện nay, nhu cầu đổi mới công nghệ tự động hoá cho các dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao năng lực cạnh tranh trong các cơ sở sản xuất công nghiệp và nông nghiệp là rất lớn. Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu về tự động hoá trong nước. Với phương pháp trồng rau sạch không dùng đất được trồng trên các giá thể thì việc ứng dụng tự động hoá mới đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ từ đó giúp cho các nhà trồng kiểm soát được các thông số sản xuất rau sạch. Những phân tích trên cho thấy nghiên cứu quy trình công nghệ để nắm vững đối tượng cần điều khiển từ đó thiết kế hệ thống tự động hoá trong sản xuất là một vấn đề nghiên cứu vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính thực tiễn cấp bách. Đó chính là động lực để tác giả thực hiện luận án này. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất với mô đun diện tích mặt bằng 200 m2. Một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch chế tạo trên nền vi điều khiển công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) là sản phẩm trông đợi của đề tài. Toàn bộ hệ thống sản phẩm của luận án được chạy thử trong nhà lưới trồng rau, để kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của loại cây rau sạch bằng phương pháp không dùng đất, qui trình phát triển của một số loại cây rau và qui trình công nghệ chăm sóc các loại cây rau này (theo đề xuất của các nhà nông học). Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch. 2 Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật điều khiển, điện, điện tử và kỹ thuật lập trình. Đó là nền tảng để thiết kế hệ thống chăm sóc rau sạch, hệ thống điều khiển và tự động hóa quá trình trồng rau sạch. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa theo công nghệ trồng rau sạch không dùng đất trong nhà lưới có mái che trên giá thể nhằm thay thế cho các thiết bị nhập ngoại. Nghiên cứu các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến nhất phục vụ cho việc chế tạo sản phẩm nhằm tạo ra một sản phẩm có chất lượng tương đương hệ thống thiết bị nhập ngoại. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Về ý nghĩa khoa học: Luận án là một trong những công trình đầu tiên nghiên cứu về việc ứng dụng tự động hoá vào sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất tại Việt Nam. Sản phẩm của luận án góp phần thúc đẩy công cuộc tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp. Luận án đã xây dựng thành công qui trình thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa bằng vi điều khiển công nghệ PSoC, một trong nhũng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay. Phần mềm điều khiển quá trình sản xuất rau sạch được trình bày trong luận án thuận tiện cho người sử dụng với hai giao diện người máy (HMI): giao diện HMI thông qua các nút ấn và giao diện HMI trên nền máy tính cá nhân (PC). Sản phẩm phần mềm của luận án cho thấy khả năng ứng dụng của công nghệ thông tin trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp. Đó cũng là một minh chứng về khả năng chế tạo các sản phẩm công nghệ cao trong nước phục vụ sản xuất nông nghiệp. Ý nghĩa thực tiễn và phạm vi ứng dụng: Luận án nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế, đó là thiết kế hệ thống tự động hoá cho quá trình sản xuất rau sạch. Từ những đòi hỏi của quy trình công nghệ trồng rau sạch thì chỉ có hệ thống tự động hoá mới đáp ứng được, do đó kết quả luận án có ý nghĩa ứng dụng vào thực tế nông nghiệp ở Việt Nam. Với kết quả chạy thử hệ thống thành công trong phòng thí nghiệm, hệ thống được lắp đặt và tiến hành trồng thử nghiệm trong nhà trồng rau đơn giản, bước đầu cho kết quả tốt. Sản phẩm của luận án là tiền đề cho việc thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa trồng rau sạch theo kiểu mô đun hóa, một công nghệ chế tạo thiết bị hiện đại ngày nay. Mô đun hóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, mở rộng và khả năng thay thế nhanh gọn, linh hoạt. 3 5. Kết cấu của luận án Luận án gồm 4 chương và 2 phụ lục, nội dung chính của luận án như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất rau sạch Chương 2: Nghiên cứu và phân tích quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất. Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất. Chương 4: Triển khai, lắp đặt hệ thống tự động hoá. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RAU SẠCH 1.1. Khái niệm chung 1.2. Các phương pháp trồng rau sạch Sản xuất rau sạch ngoài đồng ruộng và sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất. 1.3. Ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh đến sản xuất rau sạch Đó là ảnh hưởng của các đại lượng vật lý như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, độ ẩm; hàm lượng chất dinh dưỡng, độ pH, lưu lượng gió và ảnh hưởng của những tác nhân có hại. 1.4. Các công trình liên quan Các công trình trong nước và các công trình nước ngoài. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỒNG RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT 2.1. Quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất ở nước ngoài Tìm hiểu công nghệ trồng rau không dùng đất và các thiết bị phục vụ công nghệ, bao gồm: nhà trồng, các thiết bị chăm sóc và hệ thống thiết bị phụ trợ cho công nghệ. 2.2. Quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất trong nước Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất rau sạch trong nước bằng phương pháp không dùng đất và thiết bị phục vụ công nghệ này. So sánh công nghệ trồng rau theo hai phương pháp: phương pháp trồng thủy canh và trồng trên giá thể. 4 Nghiên cứu các các thông số ảnh hưởng đến quá trình trồng rau cần phải được kiểm soát và lựa chọn phương pháp đo các thông số đó. 2.3. Đề xuất bài toán về quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất với mô đun 200 m2 2.3.1. Mô hình nhà trồng rau sạch với mô đun 200 m2 Sản xuất ở Việt Nam là sản xuất nhỏ, do hệ thống bảo vệ và tiêu thụ rau sạch sau thu hoạch chưa phát triển do vậy mô đun nhà lưới 200 m2 là hợp lý về mặt sản xuất, chi phí ban đầu. Mô đun này cũng được nhiều nước trên thế giới sử dụng vì nó có mang lại hiệu quả kinh tế cao. Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất: Để thực hiện được quy trình sản xuất rau sạch kiểu công nghệ trồng rau không dùng đất ở nước ta hiện nay phải kết hợp giữa công nghệ trồng rau và thiết bị phục vụ cho công nghệ. Đối với thiết bị phục vụ cho công nghệ được chia thành ba loại: Nhà trồng, thiết bị chăm sóc và thiết bị điều khiển, cụ thể trình bày hình 2.9. Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất Công nghệ trồng rau không dùng đất Trồng trên giá thể Không hồi lưu Kiểm soát các thông số ảnh hưởng đến quá trình trồng rau Thiết bị phục vụ công nghệ Các loại nhà trồng Thiết bị chăm sóc Thiết bị điều khiển Thiết bị được sản xuất chế tạo trong nước Hình 2.9. Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất Sơ đồ mô hình nhà trồng: Nhà trồng được thiết kế bằng thép hoặc bằng tre, gỗ, nhà có thể phủ bằng Polyethylen hoặc bằng hợp chất cacbonát để chống mưa, bão, tránh dập nát rau, chống tia cực tím. Phía trên mái có hệ thống mái cắt nắng được thiết kế bởi động cơ điện có thể cuốn mái và đảo chiều quay để thả mái tuỳ thuộc vào chế độ đặt cường độ ánh sáng được nhận từ cảm biến đo được trình bày hình 2.10 5 M¸ i c¾ n¾ t ng § éng c¬ cuèn, th¶ m¸ i Phun s- ¬ng 4m Qu¹t th«ng giã Gi¸ thÓ Gi¸ thÓ § o c- êng ® ¸ nh s¸ ng é § o nhiÖ ® t é, ® È é m Gi¸ thÓ Qu¹ t th«ng giã Phun s- ¬ng Gi¸ thÓ Gi¸ thÓ 8m Hình 2.10. Mô hình nhà lưới có mái che trồng rau không dùng đất Hệ thống luống trồng rau: Với diện tích nhà trồng rau 200 m2 (8 x 25m) được chia thành 5 luống, mỗi luống chia thành 45 gốc có thể trồng được 90 cây rau. N- í c s¹ ch Van 1 Luèng 1 Van 2 Luèng 2 Van 3 Luèng 3 Van 4 Luèng 4 Van 5 Luèng 5 A 1,5 m Dung dÞ B ch 8m B D B¬m 5 (t- í i) Dung dÞ C ch C 16 m 25 m Hình 2.11. Sơ đồ tổng thể hệ thống luống trồng rau trong nhà lưới Hệ thống phun sương: Hệ thống phun sương được thiết kế bởi các đường ống kim loại nhỏ phía đầu phun sương được treo lên phía trên nhà trồng hình 2.12. 4m 4m Vßi phun s- ong Vßi phun s- ong 8m Vßi phun s- ong Vßi phun s- ong B¬m phun s- ong Hình 2.12. Sơ đồ bố trí hệ thống phun sương 6 Hệ thống quạt thông gió: giúp cho không khí trong nhà trồng lưu thông được với không khí ở phía ngoài nhà trồng. Hệ thống này thường được lắp ở phía trên so với sự phát triển của cây rau hình 2.10 theo chiều dọc của nhà trồng. Hệ thống cuốn mái và thả mái: được thiết kế bởi hệ thống mái cắt nắng và dùng động cơ điện có thể cuốn mái hoặc thả mái tự động. Hệ thống này dùng động cơ điện có thể đổi chiều quay của động cơ. Hệ thống trộn dung dịch: Hệ thống trộn dung dịch là khâu quan trọng trong việc cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây trồng nhằm đảm bảo độ chính xác về khối lượng và nồng độ chất dinh dưỡng. Hệ thống tưới nhỏ giọt: là hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây rau theo từng thời kỳ sinh trưởng dưới dạng giọt nước. Vì vậy việc thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt là khâu quan trọng cho công nghệ trồng rau sạch bằng phương pháp không dùng đất. 2.3.2. Yêu cầu thiết kế hệ thống Về hệ thống tưới nhỏ giọt: là phải đảm bảo lượng nước và chất dinh dưỡng cho cây rau theo từng giai đoạn phát triển. Vì vậy, chúng ta cần xác định lượng nước cần tưới cho cây rau. Khi xác định được lượng nước và dinh dưỡng cần tưới, chúng ta tiến hành chia khoảng thời gian tưới mỗi lần và thời gian nghỉ từng lần. Về hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng: là phải đảm bảo lượng nước và các chất dinh dưỡng cung cấp cho cây rau theo quy trình công nghệ trồng rau. Hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng được thiết kế bởi hệ thống tưới nhỏ giọt, vì vậy phải đảm bảo sự đồng đều khi tưới cho các gốc. Về hệ thống điều khiển nhiệt độ và cường độ ánh sáng: Căn cứ vào quy trình công nghệ trồng rau để đưa ra chế độ đặt nhiệt độ trong nhà trồng và cường độ ánh sáng từ đó điều khiển hệ thống phun sương hay quạt thông gió và thả mái hay cuốn mái (các giá trị đặt có thể thay đổi trong chương trình). Về thiết kế hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển phải được thiết kế trên cơ sở đảm bảo qui trình hoạt động của thiết bị phục vụ cho quá trình công nghệ trồng rau đã được đặt trước. Hệ thống điều khiển phải đảm bảo dễ dàng thay thế khi hư hỏng, quá trình vận hành và sử dụng đơn giản cho người vận hành. Nhà sản xuất có khả năng can thiệp vào hệ thống như chọn loại cây trồng, đặt các thông số quá trình, các tham của bộ điều khiển .v.v... 7 Kết luận chương 2: Xác định các thông số cần kiểm soát đối với công nghệ trồng rau sạch không dùng đất. Tìm hiểu thiết bị các thiết bị công nghệ và đề xuất bài toán tự động hóa quy trình công nghệ trồng rau sạch phương pháp không dùng đất cho mô đun nhà trồng 200 m2. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ SẢN XUẤT RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT Chương 3 tập trung giải quyết bài toán thứ nhất đã nêu trong chương 2. Đó là thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống trộn dung dịch, hệ thống điều khiển nhiệt độ, ánh sáng và hệ thống điều khiển quá trình và giao diện người máy (giao diện HMI) phục vụ công nghệ sản xuất rau sạch không dùng đất. 3.1. Hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt 3.1.1. Hệ thống tưới nhỏ giọt Hệ thống tưới nhỏ giọt được thiết kế cho nhà trồng rau có mô đun 200 m2 được chia thành 5 luống trồng rau, chiều dài mỗi luống 16 m, với 45 gốc được trồng 90 cây rau. Hệ thống đường ống của một luống trồng cây được mô tả bởi hình 3.1. Đường ống nhánh Bầu tưới 47 46 QV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 45 Đường ống chính Hình 3.1. Hệ thống một đường ống tưới nhỏ giọt thiết kế theo công nghệ trồng rau của PGS.TS. Hồ Hữu An, 2003 Cách tính toán tổn thất trên đường ống chính phụ thuộc vào chiều dài của từng đoạn ống dẫn chính, khoảng cách trồng, vòi tưới, đường kính ống dẫn chính cũng như vòi tưới..v.v. mà lưu lượng tưới đối với mỗi loại cây có khác nhau. Công thức tính toán tổn thất đường ống và bảng số liệu được trình bày trong báo cáo chính, ta xác định được tổn thất trên một luống là 0,008 m theo chiều cao cộc nước và tính được áp suất đầu đường ống là là 114600 [N/m2], khi đó bộ điều áp suất sẽ được lập trình điều khiển để đạt được giá trị này. 8 Khảo sát làm việc của hệ thống tưới nhỏ giọt: 3 luống; 2 luống và 1 luống Bảng 3.2. Kết quả khảo nghiệm khi tưới 3 luống Mở tay van (độ) 360 540 720 1260 Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s) 30 86 0.349 30 70 0.429 30 67 0.448 30 64 0.469 Bảng 3.3. Kết quả khảo nghiệm khi tưới 2 luống Mở tay van (độ) 90 120 180 240 360 540 720 1260 Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s) 9 165 0.055 9.5 85 0.112 10 45 0.222 10 32 0.313 20 52 0.385 20 46 0.434 20 44 0.455 20 41 0.488 Bảng 3.4. Kết quả khảo nghiệm khi tưới 1 luống Mở tay van (độ) 60 90 120 180 240 360 540 720 900 1080 Lượng nước (l) 5 5 5 5 10 15 15 15 15 15 Thời gian (s) 200 65 40 25 35 40 37 35 34 33 Lưu lượng (l/s) 0.025 0.077 0.125 0.200 0.286 0.375 0.405 0.429 0.441 0.455 Căn cứ vào kết quả khảo nghiệm này từ đó thiết lập được thuật toán điều khiển cho hệ thống tưới khi tưới 1 luống, 2 luống và 3 luống theo yêu cầu của công nghệ trồng rau sạch. Nếu có n luống thì trong quá trình điều khiển chúng ta chia 2 luống hoặc 3 luống tưới sau đó lại tiếp tục tưới các luống tiếp theo. 9 3.1.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt Bắt đầu Đọc các giá trị Nhập các thông số Số lần tưới trong ngày (i) Gán số ngày cần tưới (j) Mở bơm 5 t = t5 Bắt đầu Sai Đọc các giá trị Nhập các thông số Đúng Tắt bơm 5 t = tnghi Gán số lần tưới trong ngày (i) Sai Đúng Mở bơm 5 i: = i +1 Sai Sai t = t5 i=N Đúng Đúng Tắt bơm 5 Tắt bơm 5 Sai Sai t = tnghingay t = tnghi Đúng Đúng i: = i +1 j: = j +1 Sai j=M Đúng Kết thúc Hình 3.2. Sơ đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới tự động Sai i=N Đúng Kết thúc Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới bằng tay 10 3.1.3. Điều khiển lưu lượng máy bơm nước Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới được thể hiện trên hình 3.4. Lưu lượng cần tưới Bộ điều khiển lưu lượng Lưu lượng tưới Van điều tiết lưu lượng Động cơ bước Hinh 3.4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới theo cấu trúc truyền thẳng, tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển bằng cách lựa chọn chế độ các luống cần tưới, tín hiệu ra của bộ điều khiển được điều khiển làm việc của động cơ bước. Đồng thời động cơ bước được gắn với van điều tiết lưu lượng để được lưu lượng theo chế độ đặt ban đầu. Giả sử căn cứ bảng 3.2 kết quả khảo nghiệm khi tưới 3 luống thì khi mở tay van điều tiết góc 3600 thì lưu lượng ra của bơm là 0,349 (l/s). 3.2. Hệ thống điều khiển quá trình trộn dung dịch 3.2.1. Hệ thống trộn dung dịch Bình trộn D được cung cấp bởi lượng nước bình A, dung dịch B và dung dịch C thông qua bơm 1, bơm 2 và bơm 3. Hệ thống trộn được sử dụng bơm 4 với phương pháp đối lưu, sơ đồ hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu trình bày trên hình 3.5. B¬m 3 B¬m 2 B C GHB GHC B¬m 5 HÖthèng luèng c© trång y Van ® u iÒ khiÓ ¸ p suÊ n t B¬m 1 B¬m 4 Trén dung dÞ ch GHD D B× chøa dung nh dÞ dinh d- ì ng ch A GHA B× chøa n- í c s¹ch nh Hình 3.5. Hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu 11 3.2.2. Xây dựng Graphset điều khiển quá trình trộn dung dịch Graphset động điều khiển quá trình trộn dung dịch dinh dưỡng được xây dựng theo cấu trúc điều khiển mẻ (Batch Process Control) được trình bày hình 3.6. S1 t12 S21 S22 S23 t23 S3 t31 Stop Hình 3.6. Graphset động điều khiển quá trình trộn dung dịch Trong đó S1 : Khởi tạo toàn bộ hệ thống điều khiển quá trình trộn t 12 ⎧0 khi chưa khởi tạo xong =⎨ ⎩1 khi hệ thống sẵn sàng S21: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t1 S22: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t2 S23: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t3 ⎧0 khi các trạng thái S21, S22, S23 chưa kết thúc t 23 = ⎨ ⎩1 khi cả 3 trạng thái S21, S22, S23 đã hoàn thành S3 : Bơm hoạt động với thời gian làm việc t4 ⎧0 khi bơm 4 đang làm việc (bơm trộn dung dịch) t 31 = ⎨ ⎩1 khi bơm 4 đã làm việc xong 3.2.3. Sách lược điều khiển nồng độ bình trộn Với sách lược để thiết kế hệ thống điều khiển nồng độ bình trộn phải đảm bảo nồng độ cho các loại cây rau, cũng như các giai đoạn phát triển. Việc điều 12 khiển hệ thống trộn nhằm đảm bảo được tỉ lệ phối trộn, thông qua quy trình công nghệ trồng rau. 3.3. Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng 3.3.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng được xây dựng theo điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến được điều khiển là nhiệt độ trong nhà trồng và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Với sơ đồ cấu trúc điều khiển hai vị trí lý tưởng thì sai lệch điều khiển, tín hiệu điều khiển chỉ nhận 1 trong 2 giá trị: - Đối với quạt thông gió - Đối với phun sương ⎧1 khi e < 0 u=⎨ ⎩0 khi e ≥ 0 r = 270C ⎧1 khi e < -10 u = ⎨ khi e ≥ -10 ⎩0 u e 1 e 0 - Quạt thông gió Nhà lưới u 1 -10 Phun sương e 0 Hình 3.9. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới sơ đồ lý tưởng Sơ đồ cấu trúc thực tế được trình bày trên hình 3.9 với chấp nhận sai lệch điều khiển nằm trong phạm vi dải chết, đối với trong công nghệ trồng rau có thể cho phép khoảng chết này đối với nhiệt độ ± 10C, sơ đồ thực tế hình 3.10. - Đối với quạt thông gió - Đối với phun sương ⎧1 khi e < -1 ⎪ u = ⎨0 khi e > 1 ⎪u khi -1≤ e ≤ 1 ⎩ ⎧1 khi e < -11 ⎪ u = ⎨0 khi e > - 9 ⎪u khi -11≤ e ≤ - 9 ⎩ r =270C e - u -1 1 1 e Quạt thông gió Nhà lưới u -11 -9 1 0 e Phun sương 13 3.3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển nhiệt độ Trên cơ sở cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ sơ đồ lý tưởng và sơ đồ thực tế tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng rau. 3.4. Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng trong nhà trồng 3.4.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng Với sơ đồ cấu trúc điều khiển hai vị trí lý tưởng thì sai lệch điều khiển, tín hiệu điều khiển chỉ nhận 1 trong 2 giá trị. ⎧1 khi e ≥ 0 thì động cơ cuốn mái u=⎨ ⎩- 1 khi e < 0 thì động cơ thả mái Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng được trình bày hình 3.13. r =70000 lux e 1 - 0 u e -1 Động cơ cuốn, thả mái Nhà lưới Hình 3.13. Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng Trên cơ sở cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng với chấp nhận sai lệch điều khiển nằm trong phạm vi dải chết, đối với trong công nghệ trồng rau có thể cho phép khoảng chết này với cường độ ánh sáng ± 1000 lux, sơ đồ thực tế trình bày trên hình 3.14. ⎧1 khi e > 1000 thì động cơ cuốn mái ⎪ u = ⎨- 1 khi e < - 1000 thì động cơ thả mái ⎪u ⎩ khi -1000 ≤ e ≤ 1000 r = 70000 lux - e 1 -1000 u 1000 -1 e Động cơ cuốn, thả mái Nhà lưới Hình 3.14. Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ thực tế 14 3.4.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cường độ ánh sáng Trên cơ sở sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng, chúng tôi tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cường độ ánh sáng bằng cách điều khiển động cơ cuốn hay thải mái. 3.4.3. Sách lược cấu trúc điều khiển cường độ ánh sáng Để điều khiển được tối ưu hệ thống cuốn hay thả mái với sách lược khi xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng trong nhà trồng rau bằng cách đo độ sáng bên ngoài và bên trong nhà trồng rau để điều khiển độ mở mái che cho phù hợp. 3.5. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển quá trình 3.5.1. Xây dựng của hệ thống điều khiển quá trình Căn cứ quy trình công nghệ và điều kiện thực tế nước ta hiện nay, chúng tôi tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển quá trình hình 3.18. - Nhiệt độ - Cường độ á. sáng. - Bức xạ nhiệt. - Áp suất LCD Bộ điều khiển trung tâm - Độ ẩm - GHA - GHB - Phun sương - Động cơ cuốn máy. - Động cơ thả mái Ma trận nút ấn nhập dữ liệu bằng tay - GHC - GHD - Quạt thông gió - Động cơ bước - Bơm 1, 2, 3, 4, 5. - Van 1, 2, 3 MÁY TÍNH Hình 3.18. Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch Căn cứ quy trình công nghệ và thực tế điều kiện thực tế nước ta hiện nay, chúng tôi tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển quá trình trồng rau sạch. Hệ thống được nhập số liệu từ ma trận nút ấn được gắn trên bộ điều khiển và hiển thị qua 15 màn hình LCD. Ngoài ra trong trường hợp có thể điều khiển qua máy tính PC với phần mềm được thiết kế, theo dõi và lưu trữ dữ liệu. 3.5.2. Lựa chọn công nghệ cho thiết bị của bộ điều khiển Khác với các công nghệ sản xuất chíp thông thường chỉ cho ra các IC riêng lẻ, IC ngoại vi không có bộ xử lý thì công nghệ PSoC của hãng Cypress cho phép tạo nên cả một hệ thống trên một chíp bao gồm CPU, ROM, RAM và các ngoại vi thời gian thực (ADC, DAC, Timer, Counter, các cổng vào ra đa chức năng, các cổng truyền thông,…). Các chíp chế tạo theo công nghệ PSoC là chíp điều khiển thông minh có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chíp thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng. Trên cơ sở phân tích trên với tính năng vượt trội của chíp PSoC chúng tôi lựa chọn để thiết kế bộ điều khiển quá trình phục vụ sản xuất rau sạch theo phương pháp không dùng đất được trồng trong nhà lưới có mái che. 3.5.3. Thiết kế phần cứng của bộ điều khiển Sơ đồ các thiết bị phần cứng: căn cứ yêu cầu của quy trình công nghệ trồng rau sạch trong nhà trồng rau và nghiên cứu vi điều khiển về chíp PSoC chúng tôi chọn 2 chíp: PSoC Master CY8C29466 và PSoC Slave CY8C27443, trong đó mỗi chíp có 28 chân, được trình bày cụ thể ở hình 3.19. LCD Hệ thống cảm biến PSoC Master CY8C29466 PSoC Slave CY8C27443 Phím ấn Hình 3.19. Sơ đồ khối của bộ điều khiển Tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành 16 PSoC Master CY8C29466 nhận dữ liệu từ phím ấn, các cảm biến nhiệt độ, bức xạ, cường độ ánh sáng, áp suất đầu đường ống và được thể hiện qua màn hình tinh thể lỏng LCD. 3.5.4. Thiết kế phần mềm Bắt đầu Khởi tạo các biến và cấu hình Bàn phím đ Máy tính PC s Chế độ bàn phím ? Chế độ máy tính PC Chế độ bàn phím kiểm tra chế độ làm việc Bằng tay Gọi hàm tuới bằng tay Tự động Gọi hàm đo biến điều khiển. Đọc tham số tương tự Nhập: Thời gian tưới Thời gian nghỉ Số chu kỳ tưới Lựa chọn luống cần tưới Gọi hàm con nhập số liệu: các thông số đầu vào sau đó gọi hàm giải mã để thực hiện các hàm chức năng Gọi hàm giải mã Gọi hàm truyền dữ liệu. Gọi hàm truyền dữ liệu. Gọi hàm tính thời gian tưới. Gọi hàm con điều khiển quạt thông gió; phun sương; cuốn mái; động cơ bước; mở van cho các luống cần tưới Cập nhật hàm thời gian thực Gọi hàm điều khiển hệ thống tưới Kết thúc Hình 3.23 Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển 17 Ngoài ra còn một số các sơ đồ thuật giải: Sơ đồ giải thuật của PSoC Master; Sơ đồ giải thuật quét bàn phím; Sơ đồ giải thuật truyền một mảng ký tự ; Sơ đồ giải thuật xoá dòng; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị nhiệt độ; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị bức xạ nhiệt; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị áp suất; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị độ ẩm; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị cường độ ánh sáng Lựa chọn các khối tài nguyên và viết chương trình điều khiển - Khối tài nguyên và chương trình điều khiển cho PSoC Master CY8C29466 - Khối tài nguyên và chương trình điều khiển cho PSoC Slaver CY8C27443 Cách thức truyền dữ liệu: được thực hiện theo sơ đồ hình 3.39 - Máy tính PC - Hệ thống cảm biến - Lấy dữ liệu từ PC, giải mã và xử lý sau đó truyền về PSoC Slave - Truyền mã báo hiệu cho PC Lấy dữ liệu từ PSoC Master, giải mã, xử lý và điều khiển hệ thống ngoài Các cơ cấu chấp hành Hình 3.39. Sơ đồ mô hình truyền dữ liệu 3.6. Chạy thử và đánh giá 3.6.1. Chạy thử và đánh giá khi sử dụng bàn phím nút ấn Quy trình chạy thử: Sau khi thiết kế được bộ điều khiển với các chức năng trên, chúng tôi tiến hành thử nghiệm bằng cách thiết kế các biến vào như nhiệt độ, bức xạ, cường độ ánh sáng và áp suất được thay thế bằng các tín hiệu tương tự điện áp thay đổi từ 0 đến 5V. Quá trình mô phỏng trong chương trình tương ứng cứ một ngày lấy bằng 4 phút tương ứng với 240 s. Ở chế độ tự động: Sau khi nhập số liệu và điều chỉnh các tín hiệu tương tự từ đầu vào, cụ thể như sau: Chọn Km = 1; Tưới 3 luống ứng với góc mở động cơ bước là 4680 khi đó lưu lượng máy bơm tưới là 0,08 (l/s) diện tích cần tưới là 6 m2. Lựa chọn cây cần tưới là cây dưa chuột. Chọn thời gian nghỉ là 5 (s); Số chu kỳ cần tưới là: 10 ; Chọn chế độ mở van là cả 3 van cho 3 luống. Lúc đó khởi tạo quá trình làm việc bằng nút 6 từ đó bộ điều khiển nhận các thông số từ môi trường bên ngoài, trong thời gian 4 phút trong mô phỏng ứng với 1 ngày thực, lúc đó số liệu nhận được nhiệt độ trung bình Ta = 18 27.760C và Qs = 301,4 (Cal/cm2/ngày) để đưa ra kết quả các lần tưới cho các ngày: lần 1: thời gian cần tưới ngày thứ nhất là 133 (s) với số lần tưới là 10, khi đó thời gian mỗi lần tưới là 13 (s), sau đó nghỉ 5 (s) lại tiếp tục cho đến 10 lần; Lần 2 lấy số liệu từ ngày thứ nhất và thực hiện quy trình như lần thứ nhất. Các lần tiếp theo được thực hiện tương tự với số liệu được đo từ ngày trước đó. Ở chế độ bằng tay: Chuyển sang bằng nút 7 sau đó căn cứ vào yêu cầu tưới trong ngày giả sử tưới 80 lít ứng với thời gian tưới 1000 (s); nếu chọn 25 lần thì lúc đó mỗi lần 40 (s); thời gian nghỉ chọn 5 (s). Sau đó chọn chế độ luống tưới là 3 luống. Một số hình ảnh ở bộ điều khiển hình 3.44 và hình 3.45 Hình 3.44. Nhập số liệu và hiển thị LCD Hình 3.45. Bộ điều khiển quá trình Bộ điều khiển được nhập các thông số về quy trình sản xuất rau sạch bằng nút ấn được hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD, do đó có thể thay đổi theo từng quy trình trồng rau. Quá trình sử dụng bộ điều khiển đơn giản, kích thước nhỏ gọn, linh kiện có ở trên thị trường Việt Nam. 3.6.2. Chạy thử và đánh giá khi sử dụng máy tính PC Qui trình thẩm định: Tiến hành đặt và chọn các thông số được trình bày ở bảng 3.7. STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bảng 3.7. Một số thông số và chế độ đặt của hệ thống Thông số Thời gian dung dịch A Thời gian dung dịch B Thời gian dung dịch C Thời gian mở động cơ trộn Hệ số mùa Lưu lượng máy bơm Diện tích cần tưới Thời gian nghỉ Chu kỳ tưới Đơn vị giây giây giây giây lít/giây m2 giây Giá trị 10 20 30 40 1.0 0.08 06 5 10 19 Cách chức năng chính của chương trình được thể hiện ở menu như sau: Tạo File ghi dữ liệu; Xem dữ liệu; Chọn khoảng thời gian ghi dữ liệu; Thiết lập cổng truyền thông; Truyền dữ liệu về hệ thống; Đồ thị theo dõi tín hiệu tương tự của hệ thống; Chế độ điều khiển bằng tay. Kết quả thẩm định: Với quy trình thẩm định trên kết quả thẩm định - Ở chế độ tự động: Kết quả được lưu trữ dưới dạng file dữ liệu . Hình 3.56. Cửa sổ của file mở dữ liệu Hình 3.57. Kết quả của cây cà chua - Ở chế độ bằng tay: Giả sử yêu cầu tưới 80 lít với lưu lượng máy bơm 0.08 lit/giây ứng với tưới cho cả 3 luống lúc đó tổng thời gian cần tưới là 1000 giây thì chúng ta cần đặt cụ thể như sau: Chu kỳ tưới là 25; thời gian nghỉ là 5 giây; thời gian tưới mỗi lần 40 giây. Đánh giá hệ thống Thông qua quá trình chạy thử với hai chế độ: Chế độ thứ nhất là chế độ tự động với 5 loại cây, hệ thống làm việc tốt trong suốt quá trình, dữ liệu các thông số được ghi thành 5 File nên giúp cho các chuyên gia cây trồng đánh giá được quá trình sinh trưởng của từng loại cây rau. Chế độ tưới bằng tay hệ thống hoạt động đúng các thông số đặt và rất thuận tiện khi sử dụng bất kỳ thời điểm nào. 3.7. Hoạch toán hệ thống 3.7.1. Chí phí thiết bị cho hệ thống tưới nhỏ giọt 20 Chi phí thiết bị cho hệ thống tưới nhỏ giọt áp dụng cho mô đun 200 m2 với công nghệ trồng rau không dùng đất trên các giá thể là: 6.020.000 đồng (giá mua năm 2006). 3.7.2. Chi phí cho thiết bị bộ điều khiển Chi phí thiết bị cho bộ điều khiển quá trình áp dụng cho môđun 200 m2 là: 1.924.000 đồng 3.7.3. Chi phí cho thiết bị cho hệ thống - Hệ thống tưới nhỏ giọt 6.020.000 đồng - Bộ điều khiển quá trình 1.924.000 đồng - Máy tính PC 5.000.000 đồng (dự kiến) Tổng chí phí thiết bị 12.944.000 đồng Các linh kiện đều mua trong nước nên rất thuận tiện cho việc lắp đặt hệ thống tưới và nếu hư hỏng dễ dàng thay thế. So sánh với hệ thống điều khiển tưới nhỏ giọt nhập ngoại 60 triệu (theo đề tài KC 07 20) thì hệ thống điều khiển tưới nhỏ giọt thiết kế chế tạo trong nước thì giảm được 1/5 so với nhập ngoại tuy nhiên chưa xét đến độ bền. Kết luận chương 3: Các kết quả chính thu được: Phương pháp thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch không dùng đất; Thiết kế và chế tạo hệ thống tưới nhỏ giọt cho nhà trồng rau mô đun diện tích 200 m2; Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển quá trình trồng rau sạch không dùng đất trên cơ sơ vi điều khiển công nghệ PSoC của hãng Cypress với hai chế độ tự động và bằng tay do đó giảm được chi phí; Sản phẩm được kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm kết quả cho dưới 5 file với 5 cây trồng, đây cũng là cơ sở để đưa sản phẩm ra trồng thí nghiệm. CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI, LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ SẢN XUẤT RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT 4.1. Quy trình lắp đặt hệ thống