Tổng quan nghiên cứu

Nông nghiệp hiện đại đang chứng kiến sự chuyển đổi mạnh mẽ với việc áp dụng các công nghệ tự động hóa nhằm nâng cao năng suất và giảm thiểu lao động thủ công. Trong đó, mô hình trồng rau thủy canh tự động được xem là giải pháp tiềm năng để đáp ứng nhu cầu rau sạch ngày càng tăng. Tuy nhiên, khâu thu hoạch rau thủy canh vẫn còn nhiều hạn chế do phụ thuộc nhiều vào sức lao động con người, gây tốn kém thời gian và chi phí. Theo ước tính, việc tự động hóa khâu thu hoạch có thể giảm thời gian lao động đến 30% và chi phí sản xuất giảm khoảng 20%.

Luận văn tập trung thiết kế mô hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau thủy canh nhằm cải thiện năng suất và hiệu quả kinh tế. Mục tiêu cụ thể là phát triển hệ thống thu hoạch hoàn toàn tự động, rút ngắn thời gian thu hoạch, giảm sức người và chi phí vận hành. Nghiên cứu được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021, với phạm vi thiết kế tập trung vào ba bộ phận chính: gắp, tách và đóng gói rau thủy canh.

Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc nâng cao năng suất thu hoạch mà còn góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp bền vững, thân thiện với môi trường và thích nghi với biến đổi khí hậu. Hệ thống tự động hóa này còn giúp giải quyết vấn đề thiếu hụt lao động trong nông nghiệp, đồng thời mở rộng quy mô sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm rau thủy canh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tự động hóa trong sản xuất và mô hình điều khiển lập trình logic (PLC). Lý thuyết tự động hóa giúp xác định các yêu cầu kỹ thuật và thiết kế hệ thống cơ khí phù hợp với quy trình thu hoạch rau thủy canh. Mô hình điều khiển PLC Mitsubishi FX3U được áp dụng để lập trình và điều khiển các bộ phận cơ khí như tay gắp, bàn nâng và xe tự hành, đảm bảo hoạt động chính xác và linh hoạt.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: động cơ bước, bộ truyền xích, cảm biến hành trình, xy lanh khí nén, và hệ thống băng truyền. Ngoài ra, các nguyên lý tính toán kiểm nghiệm độ bền cơ học của trục và khung máy cũng được áp dụng để đảm bảo tính ổn định và an toàn trong vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu kỹ thuật về thiết kế máy, tài liệu về kỹ thuật trồng rau thủy canh và các tiêu chuẩn kiểm nghiệm cơ khí. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế mô hình cơ khí bằng phần mềm Inventor với bản vẽ 2D, 3D và mô phỏng động học.
  • Kiểm nghiệm độ bền các bộ phận cơ khí thông qua phân tích tải trọng tĩnh và động, sử dụng phần mềm mô phỏng Inventor.
  • Lập trình hệ thống điều khiển tự động bằng PLC Mitsubishi FX3U với ngôn ngữ lập trình ladder.
  • Thực nghiệm vận hành mô hình thu hoạch tự động để đánh giá hiệu quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống thu hoạch rau thủy canh với 4 bộ phận chính, trong đó tập trung phát triển và thử nghiệm 3 bộ phận: gắp, tách và đóng gói. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế theo yêu cầu kỹ thuật và thực tế vận hành tại các mô hình thủy canh trong thành phố Hồ Chí Minh. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, từ thiết kế đến thử nghiệm và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ khí hệ thống thu hoạch: Hệ thống gồm 4 bộ phận chính (gắp, tách, đóng gói, xe tự hành). Bộ phận gắp sử dụng 5 xy lanh kẹp để thu hoạch 5 rọ rau mỗi lần, kết hợp động cơ bước và con trượt để di chuyển chính xác. Bộ phận tách thực hiện tách rọ và làm sạch rau bằng nước tái sử dụng, đảm bảo vệ sinh. Bộ phận đóng gói sử dụng xy lanh đẩy và giác hút để đóng gói rau vào túi. Xe tự hành di chuyển hệ thống đến vị trí thu hoạch tiếp theo.

  2. Kiểm nghiệm độ bền cơ khí: Các trục làm việc chịu tải trọng vật 10kg, với động cơ bước có công suất 0,059 kW và mô-men xoắn 1900 N.mm. Kết quả kiểm nghiệm tải trọng tĩnh và động cho thấy giới hạn bền lớn nhất của trục I và II lần lượt là 148,8 MPa và 176,4 MPa, đều nhỏ hơn giới hạn bền cho phép 610 MPa. Hệ số an toàn trục I đạt 2,35 và trục II đạt 1,98, vượt mức yêu cầu tối thiểu 1,5. Chuyển vị và ứng suất của khung máy cũng nằm trong giới hạn an toàn, đảm bảo độ bền và ổn định khi vận hành.

  3. Hệ thống điều khiển tự động: Lập trình PLC Mitsubishi FX3U cho phép điều khiển chính xác các động cơ bước và xy lanh khí nén theo trình tự thu hoạch từ dưới lên trên, từng cột hàng rau. Hệ thống hoạt động ổn định, giảm thiểu sai số vị trí nhờ cảm biến hành trình và bộ truyền xích hiệu suất cao (92%). So với phương án sử dụng Arduino, PLC mang lại độ tin cậy và khả năng mở rộng tốt hơn.

  4. Hiệu quả vận hành: Mô hình tự động hóa giúp rút ngắn thời gian thu hoạch khoảng 30% so với phương pháp thủ công, đồng thời giảm chi phí lao động và tăng năng suất thu hoạch. Hệ thống có thể thu hoạch liên tục nhiều tầng rau với độ chính xác cao, phù hợp với mô hình trồng rau thủy canh quy mô vừa và lớn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả đạt được là do thiết kế cơ khí tối ưu kết hợp với hệ thống điều khiển PLC hiện đại, giúp tự động hóa toàn bộ quy trình thu hoạch. Kết quả kiểm nghiệm độ bền cho thấy các bộ phận cơ khí đảm bảo vận hành bền bỉ trong điều kiện tải trọng thực tế, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về tự động hóa trong nông nghiệp, mô hình này có ưu điểm về tính khép kín và khả năng tái sử dụng nước trong bộ phận tách, góp phần bảo vệ môi trường. Việc sử dụng động cơ bước và bộ truyền xích giúp nâng cao độ chính xác và tuổi thọ thiết bị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian thu hoạch giữa phương pháp thủ công và tự động, bảng thống kê hệ số an toàn các bộ phận cơ khí, cũng như sơ đồ tuần tự hoạt động của hệ thống điều khiển PLC để minh họa rõ ràng hiệu quả và tính ổn định của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng phát triển bộ phận xe tự hành: Hoàn thiện và tích hợp bộ phận xe tự hành để hệ thống có thể di chuyển linh hoạt trên các giàn rau lớn, nâng cao hiệu quả thu hoạch. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí và tự động hóa đảm nhiệm.

  2. Nâng cấp hệ thống cảm biến và điều khiển: Tích hợp thêm các cảm biến hiện đại như cảm biến hình ảnh và cảm biến môi trường để tăng độ chính xác và khả năng tự động hóa toàn diện. Mục tiêu giảm thiểu sai số vị trí dưới 5%. Thời gian triển khai 4 tháng, do nhóm công nghệ thông tin và tự động hóa thực hiện.

  3. Phát triển phần mềm quản lý và giám sát từ xa: Xây dựng ứng dụng giám sát và điều khiển hệ thống qua điện thoại thông minh hoặc máy tính, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều chỉnh. Thời gian dự kiến 3 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhận.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho nông dân và kỹ thuật viên về vận hành và bảo trì hệ thống tự động hóa, nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thời gian thực hiện liên tục trong 1 năm, phối hợp giữa nhà trường và các đơn vị nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành cơ khí và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế cơ khí, kiểm nghiệm độ bền và lập trình PLC trong ứng dụng nông nghiệp hiện đại.

  2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển công nghệ nông nghiệp: Tài liệu giúp hiểu rõ quy trình thiết kế và vận hành hệ thống thu hoạch tự động, từ đó áp dụng hoặc cải tiến các mô hình tương tự.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nông nghiệp thông minh: Tham khảo để phát triển sản phẩm tự động hóa phù hợp với nhu cầu thị trường, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chương trình hỗ trợ ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp, góp phần phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống tự động hóa này có thể áp dụng cho các loại rau thủy canh khác nhau không?
    Có, thiết kế hệ thống linh hoạt cho phép điều chỉnh các bộ phận gắp và tách phù hợp với nhiều loại rau thủy canh khác nhau, từ rau lá đến rau củ nhỏ.

  2. Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống tự động hóa là bao nhiêu?
    Theo ước tính, chi phí đầu tư ban đầu khoảng 150 triệu đồng cho mô hình quy mô vừa, tuy nhiên chi phí này sẽ giảm khi sản xuất hàng loạt và áp dụng rộng rãi.

  3. Hệ thống có thể hoạt động liên tục trong bao lâu mà không cần bảo trì?
    Với thiết kế và vật liệu chất lượng, hệ thống có thể hoạt động liên tục khoảng 300 giờ trước khi cần kiểm tra và bảo trì định kỳ.

  4. Làm thế nào để xử lý sự cố khi hệ thống gặp lỗi trong quá trình vận hành?
    Hệ thống được lập trình với các chức năng cảnh báo lỗi và dừng hoạt động an toàn. Người vận hành có thể theo dõi qua giao diện PLC và thực hiện các bước khắc phục theo hướng dẫn.

  5. Hệ thống có thể tích hợp với các công nghệ khác như IoT hay AI không?
    Có thể, hệ thống PLC có khả năng giao tiếp với các thiết bị thông minh khác, mở rộng tích hợp IoT và AI để nâng cao khả năng tự động hóa và phân tích dữ liệu.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công mô hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau thủy canh với 4 bộ phận chính, tập trung phát triển bộ phận gắp, tách và đóng gói.
  • Kiểm nghiệm độ bền cơ khí cho thấy các trục và khung máy đảm bảo an toàn vận hành với hệ số an toàn vượt mức yêu cầu.
  • Hệ thống điều khiển PLC Mitsubishi FX3U giúp vận hành chính xác, ổn định, giảm thời gian thu hoạch khoảng 30% so với phương pháp thủ công.
  • Mô hình góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí lao động và thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững.
  • Đề xuất mở rộng phát triển xe tự hành, nâng cấp cảm biến, phát triển phần mềm giám sát và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian tới.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tiếp tục phát triển và ứng dụng mô hình tự động hóa trong nông nghiệp để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.