Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

- 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.
- 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.
- 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.
- Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch.
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 Hình 2.9.
- Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất Công nghệ trồng rau không dùng đất Thiết bị phục vụ công nghệ Trồng trên giá thể Các loại nhà trồng Thiết bị chăm sóc Thiết bị điều khiểnKiểm soát các thông số ảnh hưởng đến quá trình trồng rau Không hồi lưu Thiết bị được sản xuất chế tạo trong nước 5 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.
- 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.
- Sơ đồ tổng thể hệ thống luống trồng rau trong nhà lưới B¬m 5(t-í i)N- í c s¹chVan 1Van 2Van 3Van 4Van 5ABCDLuèng 1Luèng 2Luèng 3Luèng 4Luèng 5 25 m 16 m 1,5 mDung dÞch BDung dÞch C 8 m Hình 2.12.
- Sơ đồ bố trí hệ thống phun sương B¬m phun s- ong 4 m 4 mVßi phun s- ongVßi phun s- ongVßi phun s- ongVßi phun s- ong 8 m 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Hệ thống một đường ống tưới nhỏ giọt thiết kế theo công nghệ trồng rau của PGS.TS.
- Hồ Hữu An, 2003 QV Đường ống chínhĐường ống nhánh Bầu tưới 8Khảo sát làm việc của hệ thống tưới nhỏ giọt: 3 luống.
- 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 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.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt Bắt đầu Đọc các giá trị Nhập các thông số t = t5Đúng Sai Sai Đúng Hình 3.2.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Bộ điều khiển lưu lượng Động cơ bước Van điều tiết lưu lượng Lưu lượng cần tưới Lưu lượngtưới Hinh 3.4.
- Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới HÖ thèng luèng c©y trångB×nh chøa n- í c s¹chB×nh chøa dung dÞch dinh d- ì ngB¬m 1B¬m 5B¬m 3B¬m 2B¬m 4Trén dung dÞchVan ®iÒu khiÓn ¸ p suÊtABCDGHDGHAGHB GHCHình 3.5.
- Hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu 113.2.2.
- 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.
- Trong đó S1 : Khởi tạo toàn bộ hệ thống điều khiển quá trình trộn ⎩⎨⎧=10t12 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 ⎩⎨⎧=10t23 S3 : Bơm hoạt động với thời gian làm việc t4 ⎩⎨⎧=10t31 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.
- Graphset động điều khiển quá trình trộn dung dịch S1 t12 S21 S3 t31 Stop t23 S22 S23 khi chưa khởi tạo xong khi hệ thống sẵn sàng khi các trạng thái S21, S22, S23 chưa kết thúc khi cả 3 trạng thái S21, S22, S23 đã hoàn thành khi bơm 4 đang làm việc (bơm trộn dung dịch) khi bơm 4 đã làm việc xong 12khiển hệ thống trộn nhằm đảm bảo được tỉ lệ phối trộn, thông qua quy trình công nghệ trồng rau.
- 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 ⎩⎨⎧=01u ⎩⎨⎧=01u 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.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới sơ đồ lý tưởng e - e-10 u1 e0 u1 0 khi e < 0 khi e ≥ 0 khi e < -10 khi e ≥ -10 khi e < -1khi e > 1khi e < -11 khi e.
- 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.
- 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.
- ⎩⎨⎧=1-1u Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng được trình bày hình 3.13.
- 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.
- 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.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ thực tế e e - 1 u khi e ≥ 0 thì động cơ cuốn mái khi e < 0 thì động cơ thả mái khi e > 1000 thì động cơ cuốn mái khi e.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 Hình 3.18.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 16PSoC 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.
- Thiết kế phần mềm Máy tính PC Bàn phím Gọi hàm tuới bằng tay Tự độngBằng tay Bắt đầu Khởi tạo các biến và cấu hình 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 đo biến điều khiển.
- 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

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