Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

- Ngô trí dương Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch Chuyên ngành : lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu Mã số Luận án tiến sĩ kỹ thuật Người hướng dẫn khoa học 1.
- Những phân tích trên cho thấy nghiên cứu quy trình công nghệ để nắm vững đối tượng cần điều khiển để từ đó xây dựng các bài toán điều khiển, vận hành và giám sát cho hệ thống tự động hoá phục vụ sản xuất rau sạch là vấn đề cần giải quyết đầu tiên.
- Một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch chế tạo trên công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) là sản phẩm trông đợi của luận án.
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hoá phục vụ công nghệ sản xuất rau sạch trên cơ sở vi điều khiển công nghệ PSoC.
- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bằng bàn phím và màn hình tinh thể lỏng hoặc bằng máy tính cá nhân PC.
- Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch trên giá thể.
- 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 trong nhà trồng rau có mái che.
- Trên cơ sở về qui trình công nghệ trồng rau sạch đề xuất các phương pháp thiết kế hệ thống tự động hoá vào sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất.
- 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.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất.
- Song các thiết bị điều khiển đều được nhập ngoại giá thành cao và phụ thuộc rất nhiều đến công nghệ của nước ngoài [51].
- Để đảm bảo thực hiện đúng qui trình công nghệ sản xuất rau sạch trồng trên giá thể cần phải có những hệ thống tự động hóa.
- Hệ thống trồng trong dung dịch sâu.
- Hệ thống trồng trong dung dịch nổi.
- Trồng rau trên giá thể bao gồm các hệ thống sau đây.
- Các hệ thống này có thể điều khiển bằng thủ công, cơ khí hoặc tự động hoàn toàn.
- Các thiết bị chăm sóc: Các hệ thống thiết bị phụ thuộc vào công nghệ sản xuất rau.
- 30Hệ thống điều khiển quá trình phục vụ công nghệ - Hệ thống điều khiển quá trình của Jack Ross, 2001: hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất được trình bày hình 2.4.
- Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất bao gồm các thành phần chính như: máy tính, bàn phím, màn hình và hệ thống kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính với các thiết bị vào ra như sau: Thiết bị đầu vào (Input interface equipment) là các cảm biến đo mức CO2, nhiệt độ không khí, độ ẩm, cường độ ánh sáng trong nhà lưới hoặc nhà kính và lượng EC, pH của dung dịch dinh dưỡng tưới cho cây rau.
- Chương trình điều khiển được viết theo quy trình công nghệ trồng rau từ chương trình này điều khiển các thông số đầu ra.
- Hệ thống điều khiển quá trình của Garzoli Keith, 2001: hệ thống điều khiển quá trình được trình bày ở hình 2.5.
- Hình 2.5.Hệ thống điều khiển quá trình của Garzoli Keith, 2001 - Hệ thống làm ấm - Hệ thống làm mát - Quạt - Bơm - Điều chỉnh ánh sáng - Van điện - Nhiệt độ - Độ ẩm - pH, EC - Cường độ ánh sáng - Tốc độ gió - Lượng nước mưa - Lưu dữ liệu môi trường.
- Giám sát quá trình điều khiển.
- Mặt khác, quá trình làm việc của hệ thống điều khiển được thực hiện bởi máy tính với phần mềm điều khiển.
- Bảng 2.1: Tương quan của các thông số điều khiển với hệ thống thiết bị Thông số điều khiển Hệ thống tác động tới thông số điều khiển Nhiệt độ không khí (Air temperature.
- Hệ thống làm ấm (Heating system.
- Hệ thống làm mát (Cooling system.
- Hệ thống phun sương (Misters, foggers, humidifiers.
- Hệ thống điều khiển quá trình của Harford Kevin, 2001: hệ thống điều khiển quá trình được trình bày ở hình 2.6.
- Hệ thống điều khiển quá trình được thực hiện bởi việc kết nối bộ điều khiển với máy tính, thông qua phần mềm ECOS đang được sử dụng ở nông nghiệp Úc.
- Phần mềm ECOS điều khiển quá trình tưới, nhiệt độ, dung dịch dinh dưỡng (đối với hệ thống hồi lưu 34NFT), pH, EC, hệ thống làm ấm, thông gió và phun sương, thêm nữa là CO2 trong nhà Super Maxi –Span (tên một loại nhà lưới có mái che ghép).
- Hệ thống điều khiển quá trình của Harford Kevin, 2001 MÁY TÍNH (phần mềm ECOS.
- Ngoài ra hệ thống trồng rau được thiết kế theo kiểu hồi lưu và không hồi lưu với bộ điều khiển kết hợp máy tính để theo dõi, kiểm soát các thông số ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của cây rau.
- Trong mỗi mô đun phải đảm bảo đầy đủ trang thiết bị quá trình, hệ thống tự động hóa qui trình công nghệ sản xuất rau sạch.
- Ngoài ra hệ thống trồng rau được thiết kế theo không hồi lưu với bộ điều khiển kết hợp máy tính để theo dõi, kiểm soát các thông số ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của cây rau.
- Việc thiết kế hệ thống các luống phải đảm khoảng cách theo yêu cầu công nghệ trồng rau sạch trong nhà lưới bằng phương pháp không dùng đất.
- 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.
- Về hệ thống điều khiển nhiệt độ môi trường và cường độ ánh sáng Các thông số môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sinh trưởng của cây rau (được trình bày chi tiết ở chương 1), vì vậy việc điều khiển nhiệt độ, cường độ ánh sáng trong nhà lưới là vấn đề cần giải quyết theo qui 48trình công nghệ.
- Về thiết kế hệ thống điều khiển Việc thiết kế hệ thống điều khiển đảm bảo làm việc của thiết bị phục vụ cho qui trình công nghệ trồng rau đặt ra.
- Hệ thống điều khiển phải làm việc ổn định trong môi trường trồng rau, dễ dàng thay thế khi hư hỏng, quá trình vận hành và sử dụng đơn giản cho người sử dụng.
- Trên cơ sơ phân tích qui trình công nghệ trồng rau sạch, tìm hiểu các thiết bị công nghệ như nhà trồng, các thiết bị chăm sóc, các thiết bị phụ trợ và hệ thống điều khiển quá trình.
- Mặt khác trong chương này còn trình bày tóm tắt ba hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất của các nước trên thế giới và các hệ thống điều khiển quá trình đã được áp dụng ở Việt Nam.
- Bước đầu khai thác những yêu cầu công nghệ trong qui trình sản xuất rau trong nhà lưới để từ đó xây dựng bài toán điều khiển quá trình.
- 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.
- HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TƯỚI NHỎ GIỌT 3.1.1.
- Qui trình chăm sóc được thay đổi linh hoạt trong phần mềm điều khiển hệ thống sẽ được trình bày ở phần sau.
- Hệ thống một đường ống tưới nhỏ giọt thiết kế theo công nghệ trồng rau của PGS.TS.
- Kết quả khảo nghiệm khi tưới 1 luống Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s Căn cứ vào kết quả khảo nghiệm 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.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt Việc xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt phục vụ cho công nghệ trồng rau không dùng đất trong nhà lưới có mái che theo 2 chế độ tự động và bằng tay được mô tả bởi hình 3.2 và hình 3.3.
- Đối với lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới tự động hình 3.2 tín hiệu vào hệ thống được đọc từ cảm biến đo nhiệt độ, bức xạ nhiệt và nhập các giá trị tương ứng với các loại cây được trồng được trình bày cụ thể cách xác định và tính ở chương 2 theo quy trình công nghệ yêu cầu cần tưới cho các loại cây.
- bơm 5 được điều khiển theo thời gian ứng với thời gian t5 được tính ở chương 2.
- Sơ đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới tự động Kết thúc Số lần tưới trong ngày (i) Gán số ngày cần tưới (j) Mở bơm 5 t = tnghiĐúng Sai Tắt bơm 5 i.
- j +1 j = MĐúng Đúng Sai 58Đối với lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới bằng tay được trình bày ở hình 3.3.
- Sơ đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới bằng tay Kết thúc Gán số lần tưới trong ngày (i) Mở bơm 5 t = tnghiĐúng Sai Tắt bơm 5 i.
- Quá trình điều khiển chiều quay của động cơ bước một chiều có thể thay đổi bằng cách đảo chiều dòng điện cấp vào.
- Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này.
- Đối với động cơ 2 pha, nếu điều khiển cả bước có 4 trạng thái cấp điện.
- nếu điều khiển nữa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.
- Nếu điều khiển nữa bước có cả 8 trạng thái.
- HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỀN QUÁ TRÌNH TRỘN DUNG DỊCH 3.2.1.
- Dung dịch dinh dưỡng sau khi trộn được bơm 5 để đưa đến hệ thống luống cây trồng theo phương pháp tưới nhỏ giọt, với sự điều khiển của van điều khiển áp suất ở đầu đường ống.
- Trong đó S1 : Khởi tạo toàn bộ hệ thống điều khiển quá trình trộn ⎩⎨⎧=10t12 Hình 3.6.
- Sách lược điều khiển nồng độ bình trộn Nhu cầu cung cấp chất dinh dưỡng cho cây rau là yếu tố rất cần thiết.
- 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 khiển hệ thống trộn nhằm đảm bảo được tỉ lệ phối trộn, thông qua qui trình công nghệ trồng rau.
- Tín hiệu điều khiển được xác định dựa trên giá trị đặt và nhiễu đo được.
- Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ nhà trồng cũng là một tiêu chuẩn quan trọng đối với sự phát triển của cây rau.
- Thực chất đây là bộ điều khiển phi tuyến tĩnh.
- Đối với quạt thông gió ⎩⎨⎧=01u - Đối với phun sương ⎩⎨⎧=01u Trên cơ sở đó xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng sơ đồ lý tưởng được trình bày bởi hình 3.9.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới sơ đồ lý tưởng e - e-10 u1 e0 u1 0 68bởi tín hiệu điều khiển thay đổi giữa hai giá trị (hiện tượng bang-bang), vì vậy sơ đồ cấu trúc 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.
- Đối với quạt thông gió ⎪⎩⎪⎨⎧=u01u - Đối với phun sương ⎪⎩⎪⎨⎧=u01u Từ việc phân tích xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới sơ đồ lý tưởng và theo yêu cầu của qui trình công nghệ trồng rau, tiến hành xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng sơ đồ thực tế được trình bày hình 3.10.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới sơ đồ thực tế e - e-11 u1 e1 u giản, không yêu cầu độ chính xác cao, chi phí thấp cho bộ điều khiển cũng như thiết bị chấp hành như rơ le.
- Tín hiệu vào bộ điều khiển được nhận từ cảm biến đo nhiệt độ không khí trong nhà trồng rau.
- Đối với lưu đồ thuật toán của một chu kỳ điều khiển nhiệt độ sơ đồ lý tưởng được trình bày hình 3.11.
- Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế giá trị đặt nhiệt độ điều khiển có thể thay đổi sao cho phù hợp với các loại cây rau được trồng hoặc theo từng giai đoạn sinh trưởng của chúng.
- Mặt khác đảm bảo được quá trình linh hoạt khi sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng rau có mái che.
- HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG TRONG NHÀ TRỒNG RAU 3.4.1.
- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng Năng lượng mặt trời rất cần thiết cho quá trình phát triển của cây rau.
- khi e ≥ 0 thì động cơ cuốn mái khi e < 0 thì động cơ thả mái 72 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.
- ⎪⎩⎪⎨⎧=u1-1u Từ việc phân tích trên cấu trúc của hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ thực tế được thể hiện trên hình 3.14.
- Đối với lưu đồ thuật toán của một chu kỳ điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng được trình bày ở hình 3.15.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng e e - 1 u-1 0 Động cơ cuốn, thả máiNhà lưới r = 70000 lux Hình 3.14.
- Lưu đồ thuật toán của một chu kỳ điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ thực tế được thể hiện trên hình 3.16.
- Sách lược cấu trúc điều khiển cường độ ánh sáng Cường độ ánh sáng trong nhà trồng được điều khiển thông qua hệ thống mở mái hay thả mái.
- 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 lưới bằng cách đo độ sáng bên ngoài và bên trong nhà trồng rau để điều khiển độ mở mái che cho phù hợp.
- Sơ đồ sách lược cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng được xây dựng theo điều khiển phản hồi.
- Xây dựng của hệ thống điều khiển quá trình Căn cứ vào quá trình xây dựng hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt, hệ thống điều khiển quá trình trộn dung dịch, hệ thống điều khiển nhiệt độ nhà lưới và hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng, tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển quá trình phục vụ công nghệ trồng rau sạch được trình bày ở hình 3.18.
- Sơ đồ sách lược cấu trúc điều khiển cường độ ánh sáng 76 Hệ thống điều khiển quá trình phục vụ công nghệ sản xuất rau sạch trong nhà trồng rau có mái che bằng phương pháp không dùng đất, được thực hiện bởi: Các tín hiệu vào bộ điều khiển quá trình được nhận từ: cảm biến đo nhiệt độ, cường độ ánh sáng, bức xạ nhiệt, áp suất, độ ẩm và giới hạn dưới của các bình chứa nước sạch A, dung dịch B, dung dịch C, bình trộn D (mục đích khi GHA, GHB, GHC tác động thì hệ thống ngừng làm việc còn GHD tác động thì thực hiện quá trình cung cấp dung dịch vào bình trộn).
- Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch LCD Bộ điều khiển trung tâm Ma trận nút ấn nhập dữ liệu bằng tay MÁY TÍNH - Quạt thông gió - Phun sương - Động cơ cuốn máy.
- Áp suất - Độ ẩm - GHA - GHB - GHC - GHD 77Ngoài ra, bộ điều khiển quá trình được kết nối với máy tính, qua phần mềm được thiết kế giúp cho quá trình theo dõi, vận hành và giám sát quá trình công nghệ trồng rau sạch.
- 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.
- 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 lưới có mái che 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.
- Mặt khác PSoC Master CY8C29466 xử lý và truyền tín hiệu điều khiển sang PSoC Slave CY8C27443 để điều khiển hệ thống bơm và điều khiển động cơ bước.
- PSoC Slave CY8C27443 Phím ấn Hệ thống cảm biến LCD Tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành Hình 3.19.
- Sơ đồ khối của bộ điều khiển PSoC Master CY8C29466 Sơ đồ mạch in của bộ xử lý được trình bày ở hình 3.21.
- Hàm đo các biến điều khiển: Nhiệt độ hàm void ADC_Ta(void), bức xạ nhiệt hàm void ADC_Qs(void), áp suất hàm void ADC_Pa(void, Độ ẩm không khí hàm void ADC_DO(void) và cường độ ánh sáng hàm void ADC_CDAS(void) từ ADC.
- Đọc tham số tương tựGọi hàm con điều khiển quạt thông gió.
- Gọi hàm giải mã Hình 3.23 Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển Cập nhật hàm thời gian thực Gọi hàm điều khiển hệ thống tưới Gọi hàm truyền dữ liệu.
- Gọi chương trình con điều khiển quạt thông gió.
- Chương trình điều khiển cho PSoC Master CY8C29466 167 Clock_EnableInt

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt