Đồ án: Thiết kế thi công mô hình tưới rau tự động dùng PLC và CC-Link

Khám phá đồ án chi tiết về mô hình tưới rau tự động dùng PLC và CC-Link. Tài liệu trình bày nguyên lý, sơ đồ và các bước thiết kế, thi công hệ thống.

• Tác giả: Trần Hữu Thắng
• Người hướng dẫn: Th.S Huỳnh Phát Huy
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Thiết kế thi công mô hình tưới rau tự động dùng PLC và CC-Link
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Tưới Rau Tự động PLC CC Link

Hệ thống tưới rau tự động sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) và CC-Link (Control & Communication Link) là một giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực nông nghiệp hiện đại. Công nghệ này kết hợp tự động hóa với quản lý từ xa, giúp nông dân tối ưu hóa quy trình trồng trọt mà không cần sử dụng quá nhiều sức lao động thủ công. Mô hình tưới rau tự động này đặc biệt phù hợp với các nông trại quy mô vừa và lớn, nơi cần kiểm soát chính xác các yếu tố môi trường như pH, độ ẩm, và dinh dưỡng. Việc áp dụng hệ thống CC-Link cho phép giám sát và điều khiển toàn bộ khu vực trồng trọt thông qua giao diện HMI hoặc SCADA, mang lại hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí vận hành.

1.1. Định nghĩa PLC trong Hệ thống Tưới Rau

PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển lập trình được sử dụng để tự động hóa các quá trình tưới tiêu. Nó hoạt động dựa trên các chương trình được lập sẵn để quản lý các cảm biến, động cơ bơm, và van điều khiển. Vai trò của PLC trong mô hình tưới rau tự động là xử lý dữ liệu từ các cảm biến pH, độ ẩm đất và nước, từ đó ra quyết định điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách tự động và chính xác.

1.2. Giao thức CC Link và Ứng dụng

CC-Link là một giao thức truyền thông công nghiệp cho phép nhiều thiết bị PLC, cảm biến và động cơ kết nối với nhau trên một mạng chung. Hệ thống CC-Link trong tưới rau tự động giúp tín hiệu từ các khu vực khác nhau được truyền tải nhanh chóng và đáng tin cậy. Điều này cho phép nông dân sử dụng một màn hình HMI duy nhất để giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống tưới rau trên nhiều khu vực cùng một lúc.

II. Các Thành phần Chính của Mô hình Tưới Rau Tự động

Một hệ thống tưới rau tự động PLC & CC-Link hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Các thành phần này phối hợp với nhau để tạo nên một quy trình tưới tiêu hiệu quả và tự động hóa. Mô hình tưới rau này được thiết kế để hoạt động liên tục theo chu kỳ được lập trình sẵn, đảm bảo rau được tưới đúng lúc, đúng lượng nước cần thiết. Từ các cảm biến đo đạc cho đến các van điều khiển nước, mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng nước tưới và điều kiện sinh trưởng tối ưu cho cây rau.

2.1. Cảm biến pH và Hệ thống Đo lường

Cảm biến pH là thiết bị đầu tiên trong mô hình tưới rau tự động để đánh giá chất lượng nước tưới. Nó liên tục theo dõi độ pH của nước, đảm bảo rằng pH nằm trong khoảng tối ưu (thường là 6.0-7.0 cho hầu hết rau). Khi hệ thống PLC nhận được tín hiệu pH từ cảm biến, nó sẽ so sánh với giá trị được cài đặt sẵn và tự động điều chỉnh bằng cách thêm các chất phụ gia cần thiết.

2.2. Máy Bơm Nước và Hệ thống Phun Sương

Máy bơm nước trong hệ thống tưới rau tự động được điều khiển bởi PLC để bơm nước từ bồn chứa lên các ống trồng rau. Hệ thống phun sương hoạt động sau khi bơm nước, giúp tạo độ ẩm không khí phù hợp cho cây phát triển. Cả hai thiết bị này được lập trình để chạy theo chu kỳ định trước, chẳng hạn như mỗi 2-3 giờ tưới một lần, tùy theo loại rau và điều kiện thời tiết.

III. Quy trình Hoạt động của Hệ thống Tưới Rau Tự động

Mô hình tưới rau tự động PLC & CC-Link được thiết kế để hoạt động theo bốn công đoạn chính, lặp lại liên tục trong suốt ngày. Quy trình này được lập trình trong PLC để đảm bảo tính chính xác và tự động hoàn toàn. Mỗi công đoạn được kết nối với nhau thông qua giao thức CC-Link, cho phép tất cả các thành phần hoạt động đồng bộ và hiệu quả. Thời gian thực hiện mỗi công đoạn có thể được điều chỉnh tùy theo nhu cầu của từng loại rau và mùa vụ, giúp hệ thống tưới rau phù hợp với nhiều điều kiện khác nhau.

3.1. Công đoạn Đo đạc Chất lượng Nước

Công đoạn 1 bắt đầu với việc cảm biến pH hoạt động để đo chất lượng nước tưới. PLC nhận tín hiệu từ cảm biến và xác định xem nước có đạt tiêu chuẩn không. Nếu pH không phù hợp, hệ thống tưới rau tự động sẽ kích hoạt bơm chất điều chỉnh để cân bằng độ axit hoặc kiềm của nước, đảm bảo điều kiện tối ưu cho cây rau hấp thụ dinh dưỡng.

3.2. Công đoạn Bơm Nước và Phun Sương

Công đoạn 2 và 3 diễn ra song song: máy bơm nước bắt đầu bơm nước lên các ống trồng rau, trong khi hệ thống phun sương được kích hoạt để làm ẩm không khí xung quanh cây. Các thiết bị này được điều khiển bởi PLC dựa trên lịch trình được lập sẵn. Giao thức CC-Link đảm bảo tất cả các thiết bị đều nhận được lệnh cùng lúc, tạo nên một quy trình tưới rau hiệu quả và tiết kiệm nước.

IV. Lợi ích và Ứng dụng Thực tiễn của Hệ thống

Hệ thống tưới rau tự động sử dụng PLC & CC-Link mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho nông dân hiện đại. Giảm thiểu sức lao động thủ công là lợi ích trực tiếp, cho phép một người quản lý toàn bộ nông trại qua giao diện HMI. Mô hình tưới rau tự động cũng giúp tiết kiệm nước tưới lên đến 40% do kiểm soát chính xác lượng nước cần thiết. Chất lượng cây rau cải thiện đáng kể nhờ cải thiện chất lượng nước và độ ẩm không khí. Ngoài ra, hệ thống CC-Link cho phép nông dân giám sát từ xa, nhận cảnh báo tự động khi có sự cố, và có thể điều chỉnh chương trình tưới tiêu dễ dàng mà không cần có kiến thức kỹ thuật sâu.

4.1. Lợi ích Kinh tế và Môi trường

Hệ thống tưới rau tự động giúp giảm chi phí vận hành nhờ sử dụng nước hiệu quả và giảm nhân công. Mô hình PLC & CC-Link tạo ra sản phẩm chất lượng cao, có thể bán với giá cao hơn. Lợi ích môi trường không kém quan trọng: tiết kiệm nước, giảm lãng phí, và hạn chế sử dụng hóa chất vì hệ thống tưới rau kiểm soát chính xác dinh dưỡng cấp cho cây.

4.2. Ứng dụng cho Nông trại Quy mô Vừa và Lớn

Giao thức CC-Link trong mô hình tưới rau tự động đặc biệt thích hợp cho các nông trại quy mô vừa đến lớn, nơi cần quản lý nhiều khu vực trồng trọt cùng lúc. Hệ thống PLC có thể mở rộng dễ dàng bằng cách thêm các thiết bị mới vào mạng CC-Link, không cần cấu hình lại toàn bộ. Điều này làm cho mô hình tưới rau tự động trở thành giải pháp bền vững và hiệu quả cho nông nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK là mô hình tự động hóa, được tích hợp các thiết bị tự động như PLC FX3U và các module hỗ trợ khác nhằm tối ưu hóa các chức năng của thiết bị đâu cuối. Ngoài ra các thiết bị điều khiển tự động, mô hình còn sử dụng các thiết bị đo đạc dữ liệu như cảm biến pH và cảm biến đo tổng lượng chất rắn hòa tan TDS để thể hiện giá trị chất lượng nước một cách nhanh nhất 1.2 TỔNG QUAN VÊ HỆ THỐNG TƯỚI RAU TRUYỀN THÔNG CC-Link.1 Lýdo chọn đề tài. Đề tài THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯƠI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK được lấy ý tưởng từ những chiếc ruộng bậc thang ở vùng Tây Bắc.

Với mong muốn nâng cao chất lượng chất lượng trong ngành trồng trọt, Mô hình được thiết kế với mục đích áp dụng những kỹ thuật tự động vào hệ thống tưới tiêu để có thể kiểm soát tốt nhất các các thông số cần thiết, giảm thiểu sức người, thúc đẩy quá trình thâm canh chuyên nghiệp và hiệu quả. Với mô hình tưới rau bằng phương pháp nhà kính giúp chất lượng rau được đảm bảo sạch theo tiêu chuẩn Vietgap và nâng cao kỹ thuật trồng trọt và tưới tiêu.2 Giới hạn đề tài. Đề tài được lựa chọn không hoàn toàn thuộc lĩnh vực kỹ thuật điệt hay điện tự động hóa. Các kiến thức của ngành trồng trọt vẫn còn rất mới.

Vì thế, đề tài chỉ dừng lại ở mức thực hiện được các chức năng cần thiết của việc tưới tiêu để đảm bảo chất lượng rau được trồng đạt yêu cầu xanh và sạch. 18 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 TIẾN ĐỘ KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU KHÁCH THỂ VÀ THI CÔNG. nh khả thi của đề tài.1 Tí Ngày nay, việc trồng và tưới rau theo quy mô công nghiệp vẫn còn nhiều hạn chế trong kỹ thuật, đa phần sẽ sử dụng rất ít các thiết bị tự động mà chỉ dựa vào kinh nghiệm thâm canh và sức người. Tuy nhiên, vấn đề này cũng có nhiều điều rất tốt mà máy móc khó có thể làm tốt được.

Với những kiến thức tìm hiểu được về ngành trồng trọt thì đề tài THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯƠI RAU TRUYỀN THÔNG CC-LINK rất có khả năng áp dụng vào thực tế vì mô hình được tích hợp nhiều tính năng giúp giảm bớt sức người và các dữ liệu đo đạc chuẩn xác đến từ các thiết bị chuyên dụng.2 Kế hoạch khảo sát, nghiên cứu khách thể. Các khách thể được nghiên cứu trong mô hình bao gồm: nồng đọ pH trong nước, tổng lượng chất rắn hòa tan TDS, phương thức giảm nồng độ pH, các tính năng cần thiết trong việc tạo độ ẩm cho không khí. Đối với các thiết bị đo, việc tìm hiểu một vấn đề rất khó và cần phải có thời gian nghiên cứu lâu dài. Đa số các lại rau trồng thủy canh đều có phạm vi pH từ 5.0, trong đó ngưỡng 5.5 phát triển tốt nhất, cũng có nghĩa là dung dịch thủy canh nên có tính axit nhẹ.

Mỗi ngày nên đo độ pH2 lần vì độ pH sẽ thay đổi theo sự tác động của ánh sáng và nhiệt độ. Phương thức giảm thiểu nồng độ pH tự nhiên đó là sử dụng đá nham thạch và bông lọc chất bẩn sau một khoảng thời gian tưới tiêu. Với việc sử dụng đá nham thạch giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, an toàn với cấy trồng vì đã được áp dụng rất nhiều trong việc nuôi cá cảnh. 19 Một trong những thông số cực kì quan trọng trong việc giúp rau phát triển tốt nhất đó là độ ẩm của không khí.

Độ ẩm giúp đảm bảo rau được cấp đủ nước, giảm thiểu tình trạng khô héo.2: Thang đo nồng độ pH Hình 2.1: Dàn phun sương tưới tiêu quy mô vừa và nhỏ 20 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương tiện nghiên cứu. Với sự bùng nổ của Internet, việc tìm kiếm thông tin của một vấn đề không quá khó khăn. Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu tài liệu trồng trọt và ngành điện tự động phải đòi hỏi người có kiến thức chuyên môn để có thể hiểu rõ cặn kẽ các thông số. 1 Tài liệu User’s Manual FX3U-16CCL-M Riêng đối với các thiết bị điện và truyền thông: CC-Link là một giao thức được Mitsubishi tạo ra dành riêng cho các thiết bị của họ.

Các thiết bị kết hợp với nhau phải theo một quy chuẩn với nhau như module Master Block CC-Link 16CCL M V2 được miêu tả và giải thích rất cụ thể cách kết nối và khai báo trong tài liệu User’s Manual của họ. 2 Sơ đồ CC-Link Hì Các tài liệu hỗ trợ tính toán đặc thù trong kỹ thuật điện là một phần không thể thiếu, Tuy quy mô đề tài khá nhỏ nhưng để đảm bảo các thiết bị được chọn phải phù hợp đặc tính điện thì tính khả thi của đề tài mới được phát triển. Khi nói đến lĩnh vực điều khiển tự động thì phần mềm hỗ trợ thiết kế quan trọng nhất. Trong đề tài sử dụng GX Works2, Adruino, EB8000, Autocad là các phần mềm hỗ trợ lập trình, điều khiển, nạp và khai báo chương trình.

3 Các phần mềm hỗ trợ thiết kế và lập trình 3.2 Xử lýthông tin Để có thể điều khiển được mô hình thì các thiết bị phải tương thích với nhau. Đối với PLC và Master Block. Chúng ta cần biết được module CC-Link V2 hỗ trợ được từ các dòng PLC nào và PLC FX3U có thể truyển thông CC-Link được hay không. Tính toán chọn các thiết bị phải được chọn lựa kỹ để phù hợp với quy mô mô hình và điều kiện kinh tế.

22 Chương 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ 4.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 4.1 Xác định phương pháp tưới rau. Được lấy cảm hứng từ những chiếc ruộng bậc thang của ở vùng Tây Bắc của Việt Nam. Từ đó đã tạo nên ý tưởng trồng và tưới rau theo phương thức thủy canh cùng với phương pháp xả tràn như cách ruộng bậc thang đang hoạt động. Ưu điểm của phương pháp này đó là tiết kiệm được diện tích trồng cây, tưới tiêu dễ dàng.

Ngoài ra còn kết hợp với xả tràn giúp các chất dinh dưỡng mới nhất được bơm liên tục giúp rau phát triển tốt nhất. Đối với phương pháp xả tràn, mô hình còn tích hợp thêm bể lọc nước giúp cân bằng độ pH và xử lý nước đã bơm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để rau tránh đươc sâu bệnh và kiểm soát được sự phát triển của rau thì hệ thống phun sương sẽ là yếu tố góp phần cân bằng độ ẩm trong nhàkí nh. 1 Ruộng bậc thang Hì 23 4.2 Khảo sát các môhôhì nh cósẵn.1 Theo lôhàng ngang.

2 Tưới rau theo lô hàng ngang Đối với phương pháp trồng và tưới rau thủy canh này được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nơi trồng theo quy mô vừa và nhỏ. Với ưu điểm dễ dàng kiểm soát, thay thế, tuy nhiên khá tốn diện tích.2 Theo hình tam giác vàbậc thang Hình 4. 3 Tưới rau theo dạng bậc thang tam giác 24 Điểm giúp hình thức này được ưa chuộng hơn ở những có quy mô nhỏ và gia đình chính là tiết kiệm diện tích trồng, tang được năng suất và sản lượng của rau. Chung quy, tất cả các hình thức trồng và tưới rau đã nêu ở mục 4.2 đều theo phương pháp bơm nước xả tràn, theo quy mô nhà kính, hạn chế được sâu bệnh.

Với mục đích nâng nâng cấp hệ thống tưới rau ở quy mô công nghệ cao, kiểm soát chặt chẽ hơn thì đề tài Hệ thống tưới rau truyền thông CC – Link được xem như mô hình mang tính tự động hóa toàn bộ, kiểm soát đươc toàn bộ chất lương đầu vào, đo đạc được các thông số cần thiết cho cây trồng như nồng độ pH, chất rắn hòa tan TDS, chất lượng độ ẩm không khí, nhiệt độ phòng,… 25 4.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ Cơ khí đóng vai trò khá quan trọng trong mô hình này, nhằm đảm bảo tính tối ưu và hiệu quả của các thiết bị đầu cuối cũng như đảm bảo cây trồng có thể phát triển tốt trông môi trường nuôi trồng thủy canh.1 Lựa chọn chất liệu, vật liệu làm khung môhì nh 4.1 Nhôm định hình. Nhôm định hình là lựa chọn tốt nhất cho mô hình tưới rau theo hình thức trồng thủy canh này. Mang tính thẩm mỹ, hiện đại nhờ có độ sáng cao, chịu lực tốt, trọng lượng nhẹ, dễ lắp đặt và thân thiện với môi trường. 4 Nhôm định hình và kích thước 4.2 Mica trong suốt, trắng đục.

Mica trong suốt được sử dụng trong mô hình này với mục đích làm khung nhà kính. Nhằm đảm bảo sự phát triển tốt nhất cho cây trồng. Ngoài ra tăng tính thẩm mỹ, dễ dàng quan sát bên trong. Từ đó ta có thể kiểm soát được sự phát triển của cây trồng bên trong.

Đối với mica trắng đục được bố trí ở phần dưới của mô hình với mục đích ẩn đi những thiết bị điện bên trong như máy bơm khí nén, máy bơm nước,.2 Ống nhựa trồng rau. Trồng rau thủy canh có rất nhiều dạng mô hình để có thể giúp cây phát triển tốt như giàn treo, theo lô hang ngang, hình V,… Mô hình của đề tài này được thiết kế theo hình dạng bậc thang cùng với phương pháp bơm nước xả tràn của các ruộng bậc thang trên vùng cao Tây Bắc.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN Để nâng cấp hệ thống tưới rau lên quy mô hoàn toàn tự động thì phần hệ thống điện bắt buộc phải có những thiết bị điều khiển tự động như PLC, mạch đo nồng độ các chất cần thiết cho cây.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển trung tâm.1 PLC FX3U -16M-R Hì nh 4. 5 FX3U-16MR-ES 27 Với mục đích kiểm soát được được các nguồn đầu vào và tăng tính hiệu quả, giảm bớt sức người. Thì mô hình này sử dụng PLC Fx3U 16M-R có chức năng truyền thông dữ liệu, tín hiệu điều khiển từ xa.

Nhiệm vụ chính của PLC trong hệ thống điện của mô hình này được xem như một thiêt bị trung tâm dùng để đọc, ghi dữ liệu và nhận tín hiệu từ module I/O Remote hoặc Intelligent Device. PLC FX3U 16M-R Nội dung Thông số kỹ thuật Điện áp đầu vào 100 - 220VAC Input 8 Output 8 Dạng ngõ ra Relay RS- 232 RS - 485 Truyền thông CC - Link USB Bảng 4.1: Thông số cơ bản của PLC Fx3U 16M-R 4.2 Master Fx3U 16CCL – M V2. 6 Master block FX3u-16CCL-M Khối Master này có chức năng liên kết module PLC FX3U 16M – R với I/O Remote. Nhiệm vụ chính là nhận tín hiệu và chuyển tiếp dữ liệu giữa PLC và I/O Remote.