Tài liệu Thiết kế hệ thống điều khiển độ ẩm trong nhà trồng

Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển độ ẩm trong nhà trồng

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU . 4
CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC VÀ YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA NHÀ TRỒNG THỰC VẬT 6
1.1.1. Cấu trúc của nhà trồng thực vật ngoài nước 7
1.1.2. Cấu trúc của nhà trồng thực vật trong nước 8
1.2. Yêu cầu công nghệ của nhà trồng thực vật . 11
1.3. tính toán cân bằng Èm trong nhà trồng 14
1.3.1. Tỏa hơi nước do người . 14
1.3.2. Tỏa hơi nước do bốc hơi từ bể chứa . 15
1.3.3. Tỏa hơi nước từ nền Èm 15
1.3.4. Tỏa hơi nước từ bán thành phẩm 15
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ LẬP TRÌNH PLC S7-200 . 17
2.1. Giới thiệu thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC . 17
2.1.1. Cấu trúc chung của PLC 19
2.1.2. Nguyên lý hoạt động cuả PLC: . 20
2.1.3. Bộ nhớ của PLC . 20
2.1.4. Kích thước bộ nhớ PLC . 22
2.1.5. Các đầu vào ra của PLC 22
2.1.6. Các hoạt động xử lý bên trong PLC 22
2.2. Giới thiệu thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC S7-200 23
2.2.2. Cấu trúc bộ nhớ của S7-200 CPU214 . 26
2.2.2.1. Phân chia bộ nhớ 26
2.2.2.2. Vùng dữ liệu . 27
2.2.2.3. Vùng đối tượng . 29
2.2.2.4. Mở rộng cổng vào ra 31
2.2.3. Thực hiện chương trình của S7-200 CPU214 32
2.2.4. Cấu trúc chương trình của S7-200 CPU214 33
2.3. Ngôn ngữ lập trình của S7-200 34
2.3.1. Phương pháp lập trình 34
2.3.1.1. Định nghĩa về LAD 35
2.3.1.2. Định nghĩa về ngăn xếp logic (logic stack) . 36
2.3.2. Tập lệnh của S7-200 . 36
2.3.2.1. Lệnh vào ra 36
2.3.2.2. Toán hạng và giới hạn cho phép 37
2.3.2.3. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm . 38
2.3.2.4. Các lệnh logic đại số Boolean . 38
2.3.2.5. Các lệnh tiếp điểm đặc biệt . 38
2.3.2.6. Các lệnh so sánh . 38
2.3.2.7. Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con . 39
2.3.2.8. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét 39
2.3.2.9. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét 40
2.3.2.10. Các lệnh điều khiển Counter 40
2.3.2.11. Các lệnh số học 41
2.3.2.12. Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh đảo giá trị thanh ghi 43
2.3.2.13. Lệnh chuyển dịch nội dung ô nhớ . 43
2.3.2.14. Các lệnh làm việc với mảng . 44
2.3.2.15. Các lệnh dịch chuyển thanh ghi 44
2.3.2.16. Các lệnh đổi kiểu dữ liệu 44
2.3.2.17. Xây dựng cấu trúc vòng lặp . 44
2.3.2.18. Đồng hồ thời gian thực . 45
2.3.2.19. Ngắt và xử lý ngắt 45
2.4. Giới thiệu về màn hình OP3 và phần mềm Protool 46
2.4.1. Giới thiệu về màn hình OP3 46
2.4.1.1. Cấu hình và các giai đoạn điều khiển tiến trình 46
2.4.1.2. Cấu hình của OP3 46
2.4.1.3. Truyền thông OP3 với PLC 48
2.4.1.4. Kết nối tới PPI của S7-200 . 49
2.4.2. Giới thiệu về ProTool 49
2.4.2.1. Các kỹ thuật thiết lập cấu hình . 50
2.4.2.2. Các giá trị nhập vào . 50
2.4.2.3. Các bộ định thời và bộ đếm 50
2.4.2.4. Tạo và sửa đổi các dự án 50
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ÈM CHO NHÀ TRỒNG 54
3.1. Lùa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển 54
3.1.1. Lùa chọn thiết bị đầu vào 55
3.1.1.1. Lùa chọn thiết bị đo độ Èm 55
3.1.1.2. Lùa chọn thiết bị đo gió . 55
3.1.1.3. Lùa chọn cảm biến đo cường độ ánh sáng 56
3.1.1.4. Lùa chọn cảm biến báo mưa . 57
3.1.2. Tính toán thiết kế lùa chọn cơ cấu chấp hành . 58
3.1.2.1. Tính toán lùa chọn hệ thống giảm Èm cho nhà trồng . 58
3.1.2.2. Tính toán lùa chọn thiết bị tăng Èm . 62
3.1.2.3. Hệ thống phụ trợ cho nhà trồng . 63
3.1.3. Lùa chọn thiết kế hệ thống cung cấp điện 66
3.1.3.1. Xác định phụ tải tính toán toàn nhà . 66
3.1.3.2. Lùa chọn các phần tử trên sơ đồ cấp điện 67
3.2. Xây dựng chương trình điều khiển 69
3.2.1. Đặc điểm công nghệ . 69
3.2.2. Các thiết bị vào ra của PLC . 71
3.2.3. Chương trình điều khiển 77
KẾT LUẬN . 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79
PHỤ LỤC 80
1. Chương trình điều khiển hệ thống điều khiển độ Èm . 80
2. Chương trình điều khiển trên OP3 . 94
MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, việc sản xuất rau và một số cây đã phát triển theo kiểu công nghiệp, an toàn để đảm bảo chất lượng, năng suất nhằm nâng caô giá trị sản phẩm. Yêu cầu của sản xuất là không phụ thuộc vào thời tiết, chủ động về môi trường, sản xuất liên tục, chăm sóc tích cực làm cho cây trông được sinh trưởng trong điều kiện tốt nhất. Điều này chỉ có thể thực hiện được trên cơ sở hệ thông thiết bị và công cụ thích hợp cho từng khâu theo yêu cầu của từng loại công nghệ, cơ bản hệ thống thiết bị bao gồm: nhà trồng, hệ thống thiết bị chăm sóc trong nhà trồng, hệ thống thiết bị phụ trợ.
Trong giai đoạn hiện nay ở nước ta tốc độ khai thác và sử dụng tài nguyên đất, nước cho các mục tiêu đo thị hoá, xây dựng khu công nghiệp, khu chế biến đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng. Vì vậy quỹ đất phục vụ cho sản xuất nông nghiệp đang ngày càng bị thu hẹp. Mặt khác nhu cầu về các loại sản phẩm nông sản của người dân ngày cang cao không những về số lượng mà còn cả về chất lượng. Tuy nhiên hệ thống cơ sở hạ tầng và các dịch vụ sản xuất nông nghiệp ở nước ta được đánh giá là còn yếu, chưa đáp ứng được yêu cầu công về sản xuất nông nghiệp so với các nước trên thế giới nói chung cũng như các nước trong khu vực nói riêng.
Việc áp dụng công nghệ sản xuất cây thực phẩm, cây ăn quả, cây hoa trong nhà trồng (nhà kính, nhà lưới) và áp dụng các phương pháp tưới tự động nhằm nâng cao năng xuất, sản lượng, chất lượng cũng như sản xuất chuyên canh từng loại cây trồng trong từng khu vực đối với từng vùng, đặc biệt ở nước ta với điều kiện khí hậu tương đối khắc nghiệt đang được coi là vấn đề cấp thiết. Trước những vấn đề đó việc nghiên cứu, khảo sát, đánh giá thực trạng tình hình sử dụng nhà trồng trong nước cũng như tham khảo các mô hình nhà trồng trên thế giới làm cơ sở để định hướng, lùa chọn, cải tiến cấu trúc nhà trồng, thiết bị phụ trợ cho nhà trồng phục vụ sản xuất nông nghiệp trong nước góp phần nâng cao đời sống, cũng như giảm bớt sức lao động cho người nông dân hiện nay là cần thiết.
Hiện nay trên thị trường thế giới có rất nhiều hệ thống và thiết bị điều khiển ứng dông vào sản xuất công nghiệp và nông nghiệp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành và giảm số người lao động thủ công trong sản xuất. Một trong các thiết bị điều khiển đang được ứng dụng rộng rãi là thiết bị điều khiển lập trình được PLC (Programable Logic Controller). PLC được sản xuất và phân phối bởi một loạt các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp, trong đó có Siemens (Đức).
Do đó, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển độ Èm trong nhà trồng” nhằm mục đích nghiên cứu cấu trúc, công nghệ của nhà trồng, nghiên cứu thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC, cụ thể là họ S7-200 của Siemens từ đó thiết kế hệ thống.
Đồ án tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
- Chương 1: Cấu trúc và yêu cầu công nghệ của nhà trồng thực vật.
- Chương 2: Cấu trúc và lập trình PLC S7-200.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển độ Èm trong nhà trồng thực vật.
Với kiến thức tích luỹ được trong quá trình học tập và với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong Khoa KTĐK đặc biệt là sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo PGS, TS Đào Hoa Việt, em đã cố gắng hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Do hạn chế về thời gian, tài liệu tham khảo nên đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em xin chân thành cảm ơn những nhận xét, ý kiến của các thầy cô cùng các bạn đồng môn.


Sinh viên thực hiện
Nguyễn Bùi Quy




Chương 1
Cấu trúc và yêu cầu công nghệ
của nhà trồng thực vật
1.1. Cấu trúc của nhà trồng thực vật.
Trong những năm gần đây, việc phát triển nông nghiệp theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá đã góp phần không nhỏ vào việc chuyển đổi cơ cấu cây trồng, chuyển đổi mùa vụ, làm tăng thêm giá trị sử dụng đất nông nghiệp, tăng thêm thu nhập và góp phần xoá đói giảm nghèo cho nông dân.
Trong nhiều năm qua các cơ quan chuyên môn, nhiều nhà khoa học đã và đang tập trung nghiên cứu, đưa ra được nhiều loại quy trình trồng rau an toàn và hoa chất lượng cao ở ngoài đồng ruộng, trong nhà kính, nhà lưới; đang từng bước đưa một số giống mới có năng suất, chất lượng cao vào sản xuất, loại bỏ những giống cũ có năng suất và chất lượng kém. Tuy các vùng sản xuất rau và hoa trong nhà kính, nhà lưới với sự hỗ trợ của các hệ thống thiết bị phục vụ công nghệ như hệ thống tưới, hệ thống hoà trộn dung dịch đặc biệt là hệ thống thiết bị điều khiển môi trường nhà trồng nhằm tạo ra được môi trường tốt nhất cho cây trồng phát triển, đang ngày càng được mở rộng, song thực tế các hệ thống thiết bị này chưa được nghiên cứu một cách hệ thống, chủ yếu là nhập và sao chép mẫu, đầu tư tự phát không có đủ luận cứ khoa học. Đấy là chưa tính đến giá thành các thiết bị nhập ngoại đòi hỏi chi phí rất lớn, dẫn đến chưa phát huy được hiệu quả nên chưa phát triển rộng rãi.
Việc đi tắt đón đầu, nghiên cứu xác định được một số thiết bị phụ trợ trong nhà trồng nhằm tạo được môi trường tốt, phù hợp để có thể sản xuất quanh năm rau, hoa theo hướng công nghiệp, giảm lao động nặng nhọc, bảo vệ môi trường để bắt kịp trình độ sản xuất nông nghiệp các nước trong khu vực nhằm nâng cao năng suất, sản lượng, chất lượng cũng như sản xuất chuyên canh từng loại cây trồng trong từng khu vực đối với từng vùng, đặc biệt ở nước ta với điều kiện khí hậu tương đối khắc nghiệt đang được coi là vấn đề cấp thiết.
1.1.1. Cấu trúc của nhà trồng thực vật ngoài nước. Cuối thế kỷ 20, nông nghiệp nhà kính bắt đầu phát triển với quy mô lớn, tốc độ cao. Ở Mü, Israel, Hà Lan, Nhật Bản và mét số nước phát triển khác đã đưa nông nghiệp nhà kính lên vị trí hàng đầu. Mấy năm gần đây việc ứng dụng các loại vật liệu kiến trúc mới đã tạo điều kiện thuận lợi cho nhà kính phát triển và ngày càng hoàn thiện hơn về hình dáng cũng như kiểu cách để phù hợp với từng vùng khí hậu của từng nước đồng thời cũng đẩy mạnh xuất khẩu sang các nước chậm phát triển. Do khoa học ngày càng phát triển nên việc ứng dụng công nghệ thông tin cũng như tự động hóa vào điều khiển khí hậu trong nhà trồng cũng đạt đến trình độ cao và đã sản xuất hàng loạt các thiết bị đồng bộ điều khiển khí hậu trong nhà trồng với các quy mô từ thấp tới cao tùy thuộc vào công nghệ cũng như giá thành của người sử dụng. Chính vì vậy việc sản xuất thâm canh tăng vụ ngày càng trở nên rõ rệt, môi trường trong nhà trồng luôn luôn ở mức nhiệt độ, độ Èm mà yêu cầu của cây sử dụng, cây trồng không phân biệt được các mùa trong năm bởi vậy sản phẩm có quanh năm đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng.
Hiện nay trên thế giới đã có hàng loạt các công ty: Công ty Green Air sản xuất bộ điều khiển 6 nhà kính kiểu GHC-100 có khả năng điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà trồng. Nhật Bản là nước phát triển hệ thống điều khiển thích hợp với việc quan trắc theo dõi hai chiều từ xa, không phân biệt thời gian, địa điểm, chỉ cần nối máy với mạng là có thể thực hiện điều khiển từ xa như ý. Công ty hệ thống vô tuyến Anh phát triển một sêri về thiết bị thông tin vô tuyến phù hợp với nhà kính, kho bảo quản lạnh, hệ thống truyền hình không dây xách tay, hệ thống điều khiển nước, gió và nhiệt, độ Èm, ánh sáng. Công ty Electrodeole của Mỹ sản xuất hệ thống quan trắc theo dõi và điều khiển cho phép người ngồi trong nhà có thể quan sát điều khiển từ xa các thông sè nh­ nhiệt độ, độ Èm, ánh sáng
Hiện nay trên thế giới cũng đưa ra một loạt các kiểu dáng nhà có kèm theo thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong đó có hai dạng chính nh­ sau:
Ø Nhà trồng đơn giản: Mục tiêu đảm bảo được một số yêu cầu phục vụ công nghệ chống được mưa, một số loại côn trùng và một số thiết bị điều chỉnh bằng tay hoặc bằng cơ khí nh­:
- Hệ thống thiết bị thông gió tự nhiên.
- Hệ thống làm mát, cấp nhiệt đơn giản.
- Hệ thống lưới chống côn trùng.
- Hệ thống chống mưa, sương.
Ø Nhà trồng hiện đại: Đáp ứng thỏa mãn mọi yêu cầu của công nghệ, nó cho phép tạo ra môi trường khí hậu riêng biệt phía trong nhà trồng thông qua hệ thống điều khiển trung tâm thu nhận xử lý tín hiệu từ bộ truyền cảm nhiệt độ, ánh sáng, độ Èm, giã, mưa để đưa lệnh điều khiển tới các hệ thống:
- Hệ thống thông gió cưỡng bức (quạt đối lưu, quạt hót ).
- Hệ thống làm mát, cấp nhiệt tự động (điều hòa, bốc hơi nước ).
- Hệ thống kiểm soát và điều khiển cường độ ánh sáng (lưới cắt nắng, hệ thống chiếu sáng ).
- Hệ thống cung cấp nồng độ khí CO[SUB]2[/SUB]
Thực tế cho thấy toàn bộ các thiết bị được thiết kế đồng bộ cho nhà trồng ở các nước trên đÒu đem lại hiệu quả kinh tế nhưng giá thành tương đối cao chỉ phù hợp với một số nước có nền kinh tế phát triển. Do vậy thiết bị đồng bộ này không phù hợp với điều kiện kinh tế ở nước ta.
1.1.2. Cấu trúc của nhà trồng thực vật trong nước. Ở nước ta nông nghiệp nhà kính đã bước đầu có được sự chú trọng trong sản xuất, nhưng so với các nước phát triển vẫn còn một khoảng cách rất lớn về quy mô cũng như về trình độ. Hiện nay có một số địa phương cũng đang tích cực áp dụng công nghệ nhà trồng vào sản xuất rau an toàn và hoa chất lượng cao, nhưng do trình độ cũng như sự hiểu biết về nhà trồng còn hạn chế nên việc ứng dụng không đem lại hiệu quả kinh tế cao do không có các thiết bị phụ trợ trong việc điều khiển khí hậu. Một số trung tâm, hợp tác xã cũng mạnh dạn nhập khẩu các mẫu nhà trồng nước ngoài vào sản xuất rau an toàn và hoa chất lượng cao vẫn không đem lại hiệu quả kinh tế do một phần không hiểu rõ được công nghệ nhà trồng, một phần kinh phí hạn hẹp nên không đồng bộ hóa được thiết bị điều khiển cũng như thiết bị phụ trợ điều khiển khí hậu vì vậy gây lãng phí cũng như làm mất tác dụng của các thiết bị.
Do đặc điểm về địa lý cũng như Do ®Æc ®iÓm vÒ ®Þa lý còng nh­ điều kiện kinh tế ở một số vùng khác nhau nên việc chọn lùa và thiết kế cho một mô hình nhà trồng chung hoàn toàn gặp khó khăn. Như thành phố Huế đã có tới 2100 ha diện tích nhà trồng với mỗi mô đun có diện tích 1000m[SUP]2[/SUP] nhưng không đem lại hiệu quả nên mô hình này dần dần mất đi. Ở mét số tỉnh khác như Đà Nẵng, Khánh Hòa, Lâm Đồng cũng đang trình các cơ quan cấp tỉnh để xin dự án xây dựng mô hình nhà lưới với quy mô khá lớn nhưng gặp một số khó khăn do kinh phí cũng như các luận cứ khoa học về việc điều khiển khí hậu trong nhà trồng chưa được kiểm chứng. Chính vì vậy việc thiết kế được hệ thống điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất trong nhà trồng có hiệu quả nhất và mang lại giá trị kinh tế cao.
Nh­ vậy thực trạng việc sản xuất trong môi trường trong nhà trồng của nước ta vẫn còn manh mún, tự phát với quy mô nhỏ còng nh­ chưa có cơ sở đầy đủ để đánh giá. Nh­ ta đã biết việc ứng dụng khoa học kỹ thuật trồng cây trong nhà trồng mang lại hiệu quả thiết thực cho người sản xuất còng nh­ nâng cao chất lượng, năng suất sản phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên do cơ sở còn kém, khởi đầu chậm, chịu ảnh hưởng của thực lực kinh tế, tuy đã tiến hành nghiên cứu phát triển và cũng như tạo ra được một số kỹ thuật thích hợp điều kiện trong nước, nhưng nghiên cứu ứng dụng tổng hợp còn chưa đủ độ sâu về tính tổng hợp của kỹ thuật, tính phối hợp đồng bộ và tính quy mô hóa do đó việc sản xuất trong nhà trồng chưa hiệu quả, chưa đem lại những công năng như mong muốn còn cần tiếp tục hoàn thiện và nâng cao.
Từ cách tiếp cận công nghệ nhà trồng trên thế giới cũng như qua quá trình điều tra khảo sát thực nghiệm trong nước các nhà nghiên cứu cũng đã đưa ra được một số mô hình nhà trồng phù hợp với điều kiện khí hậu cũng như kinh tế ở nước ta.
Kích thước và quy mô các dạng nhà: có rất nhiều loại kích thước khác nhau hiện đang ứng dụng trong nhà trồng, tuy nhiên có thể tổng kết lại nh­ sau. Với H là chiều cao, B là chiều rộng của nhà.
- Nhà cao: H/B = 0,6¸0,8.
- Nhà trung bình: H/B = 0,3¸0,5.
- Nhà thấp: H/B = 0,15¸0,25.
Nhà trồng dạng cao có chiều cao hữu Ých thường từ 4¸4,5m, chiều cao đỉnh mái là 5,5¸6m, khẩu độ thường là 8¸9m. Đặc điểm của nhà này là khẩu độ lớn, không gian rộng, hiệu quả thông gió tự nhiên rất tốt, có thể lắp đặt thêm dễ dàng các thiÕt bị điều khiển môi trường trong nhà trồng, có thể ứng dụng rộng rãi vào các lĩnh vực trồng rau, ươm cây, sản xuất hoa, và phục vụ cho công tác thí nghiệm
Nhà trồng trung bình có chiều cao hữu Ých là 2,5¸3,2m, chiều cao đỉnh mái 3,7¸4,2m. khẩu độ trong nhà thường 6¸7m. Đặc điểm nhà này chỉ áp dụng cho một số loại cây trồng có chiều cao vừa phải nh­ mét số loại cây dưa chuột, bí, cà chua
Nhà trồng thấp có chiều cao hữu Ých 1,7¸2m, chiều cao đỉnh mái 2,5m. Đặc điểm thông thoáng kém, với chiều cao thấp khó bố trí được thiết bị làm mát hoặc tăng nhiệt nh­ quạt đèn chiếu sáng chỉ phù hợp cho sản xuất cây giống và một số cây thấp nh­ xà lách, mùi, hành
Qua quá trình phân tích ở trên đề tài chọn một mô hình nhà trồng phù hợp với điều kiện khí hậu cũng như các điều kiện kinh tế và khả năng điều khiển khí hậu trong nhà trồng: có chiều cao đỉnh mái là 5,5m, chiều cao hữu Ých 4m, chiều rộng 8m và chiều dài 25m. Thông thường một mô hình nhà trồng thường có diện tích 400¸1000m[SUP]2[/SUP]. Vì vậy đề tài chọn mô hình nhà trồng có chiều rộng 8m và chiều dài 25m và được nối ghép 2 mô đun lại thành tổng diện tích nhà trồng là 400m[SUP]2[/SUP] (16m x 25m).