Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam, việc ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động trong mô hình nhà kính ngày càng trở nên cấp thiết. Theo định hướng phát triển nông nghiệp công nghệ cao, đến năm 2020, Việt Nam đặt mục tiêu xây dựng ít nhất 10 khu nông nghiệp công nghệ cao cùng 200 doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này. Mô hình nhà kính không chỉ giúp tăng năng suất mà còn tạo ra nguồn thực phẩm sạch, an toàn, đồng thời bảo vệ cây trồng khỏi các điều kiện thời tiết bất lợi và sâu bệnh.

Đề tài nghiên cứu ứng dụng PLC trong mô hình điều khiển nhà kính nhằm thiết kế một hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm bên trong nhà kính thông qua các cảm biến và mạng truyền thông. Hệ thống sử dụng PLC để xử lý dữ liệu và điều khiển các thiết bị như bơm tưới, quạt thông gió, đèn sấy nhằm duy trì điều kiện sinh trưởng tối ưu cho cây trồng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế mô hình nhà kính tại TP. Hồ Chí Minh, với các thiết bị cảm biến nhiệt độ Pt100, cảm biến độ ẩm SHT20, động cơ phun sương MPS GFP-50 và bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tạo ra mô hình tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, giảm chi phí vận hành và tăng khả năng điều khiển từ xa qua web server. Hệ thống còn lưu trữ dữ liệu để phục vụ công tác bảo trì và khắc phục sự cố, góp phần phát triển bền vững ngành nông nghiệp hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động trong nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt là ứng dụng PLC trong hệ thống nhà kính. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết điều khiển tự động bằng PLC (Programmable Logic Controller): PLC là thiết bị điều khiển lập trình được, có khả năng xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị chấp hành theo chương trình đã lập trình. PLC Siemens S7-1200 được lựa chọn nhờ ưu điểm về khả năng mở rộng I/O, tốc độ xử lý nhanh và tích hợp cổng Ethernet thuận tiện cho truyền thông.

  • Mô hình mạng truyền thông công nghiệp: Hệ thống sử dụng mạng truyền thông Modbus TCP/IP trên nền Ethernet để kết nối các cảm biến và PLC, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh, ổn định và có thể mở rộng. Mạng truyền thông công nghiệp được phân cấp thành ba cấp: thiết bị hiện trường (cảm biến, cơ cấu chấp hành), cấp điều khiển (PLC, SCADA) và cấp thông tin (quản lý, giám sát).

Các khái niệm chính bao gồm: cảm biến nhiệt độ Pt100, cảm biến độ ẩm SHT20, động cơ phun sương, đèn sấy hồng ngoại, quạt tản nhiệt, bộ điều khiển PLC, mạng truyền thông Modbus, giao diện web server điều khiển từ xa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm thông số kỹ thuật thiết bị, khảo sát mô hình nhà kính thực tế tại các địa phương như TP. Hồ Chí Minh, Lâm Đồng, và các nghiên cứu ứng dụng PLC trong điều khiển tự động. Phương pháp nghiên cứu kết hợp thiết kế phần cứng và phần mềm cho mô hình nhà kính, sử dụng PLC Siemens S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm.

Phân tích dữ liệu dựa trên việc đo đạc nhiệt độ, độ ẩm qua cảm biến, truyền dữ liệu về PLC xử lý và điều khiển các thiết bị chấp hành. Dữ liệu được ghi lại và xuất ra file Excel để đánh giá hiệu quả hoạt động. Giao diện điều khiển được thiết kế trên web server giúp người dùng có thể giám sát và điều khiển từ xa.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế mô hình hệ thống hoàn chỉnh: Mô hình nhà kính được trang bị đầy đủ các thiết bị cảm biến nhiệt độ Pt100 (phạm vi đo -50 đến 400 độ C, sai số ±1-3°C), cảm biến độ ẩm SHT20 (độ chính xác ±3% RH), động cơ phun sương MPS GFP-50 (lưu lượng 1.8 lít/phút), đèn sấy hồng ngoại 1000W và quạt tản nhiệt. Hệ thống PLC Siemens S7-1200 với 14 ngõ vào và 10 ngõ ra đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển.

  2. Hiệu quả giám sát và điều khiển: Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm hoạt động ổn định, dữ liệu được truyền về PLC chính xác với độ trễ thấp. Qua thử nghiệm, nhiệt độ và độ ẩm trong nhà kính được duy trì ổn định trong khoảng ±5% so với giá trị cài đặt, giúp tối ưu điều kiện sinh trưởng cho cây trồng.

  3. Điều khiển từ xa qua web server: Giao diện web server cho phép người dùng điều khiển mô hình nhà kính từ xa, không cần sử dụng màn hình HMI truyền thống. Việc này giúp giảm thao tác trực tiếp, tăng tính tiện lợi và khả năng giám sát liên tục.

  4. Lưu trữ và phân tích dữ liệu: Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm được ghi chép tự động vào file Excel, hỗ trợ công tác bảo trì và phân tích hiệu quả hệ thống. Việc lưu trữ dữ liệu giúp phát hiện sớm các bất thường và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả trên đến từ việc lựa chọn thiết bị phù hợp và cấu hình mạng truyền thông Modbus TCP/IP ổn định, giúp truyền tải dữ liệu nhanh và chính xác. So với các hệ thống điều khiển truyền thống sử dụng relay, hệ thống PLC giảm hơn 80% dây dẫn, tiết kiệm chi phí và tăng tính linh hoạt trong lập trình.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về ứng dụng PLC trong nhà kính, đồng thời phát huy ưu điểm của công nghệ điều khiển tự động trong nông nghiệp công nghệ cao. Việc sử dụng web server thay thế HMI truyền thống là điểm mới, giúp nâng cao khả năng điều khiển từ xa và giảm chi phí đầu tư.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm theo thời gian, bảng so sánh hiệu quả điều khiển giữa mô hình PLC và hệ thống relay truyền thống, minh họa rõ ràng sự ổn định và chính xác của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô hệ thống: Triển khai áp dụng mô hình điều khiển PLC cho các nhà kính quy mô lớn hơn, tăng số lượng cảm biến và thiết bị chấp hành nhằm nâng cao hiệu quả quản lý môi trường trồng trọt. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao.

  2. Phát triển giao diện điều khiển đa nền tảng: Nâng cấp giao diện web server hỗ trợ thiết bị di động và tích hợp các tính năng cảnh báo tự động qua SMS hoặc email để tăng cường giám sát từ xa. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, do nhóm phát triển phần mềm và nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho sinh viên và kỹ thuật viên về lập trình PLC và vận hành hệ thống điều khiển nhà kính tự động, nhằm nâng cao năng lực nguồn nhân lực. Chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề, thời gian liên tục hàng năm.

  4. Nghiên cứu tích hợp công nghệ IoT và AI: Áp dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa điều khiển môi trường nhà kính, dự báo và tự động điều chỉnh các thông số theo điều kiện thực tế. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp mô hình thực tế và kiến thức về thiết kế hệ thống điều khiển PLC, giúp sinh viên nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu sâu về ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu, phát triển hệ thống điều khiển tự động trong nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt về ứng dụng PLC và mạng truyền thông công nghiệp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và quản lý nhà kính: Các công ty có nhu cầu áp dụng công nghệ điều khiển tự động trong sản xuất nông nghiệp có thể tham khảo mô hình để thiết kế hệ thống phù hợp, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí vận hành.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp công nghệ cao: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển nông nghiệp công nghệ cao, thúc đẩy ứng dụng công nghệ hiện đại trong sản xuất nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. PLC là gì và tại sao chọn PLC Siemens S7-1200 cho mô hình nhà kính?
    PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển lập trình được dùng để tự động hóa các quá trình công nghiệp. PLC Siemens S7-1200 được chọn vì có khả năng mở rộng I/O, tích hợp cổng Ethernet, tốc độ xử lý nhanh và ngôn ngữ lập trình dễ học, phù hợp với quy mô mô hình nhà kính.

  2. Hệ thống truyền thông Modbus TCP/IP hoạt động như thế nào trong mô hình?
    Modbus TCP/IP là giao thức truyền thông trên nền Ethernet, cho phép PLC kết nối và nhận dữ liệu từ các cảm biến phân tán trong nhà kính. Giao thức này đảm bảo truyền dữ liệu nhanh, ổn định và có thể mở rộng đến 247 thiết bị slave.

  3. Làm thế nào để giám sát và điều khiển nhà kính từ xa?
    Hệ thống sử dụng web server tích hợp trên PLC hoặc thiết bị trung gian, cho phép người dùng truy cập qua trình duyệt web để giám sát các thông số môi trường và điều khiển thiết bị từ xa mà không cần màn hình HMI truyền thống.

  4. Độ chính xác của các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong hệ thống ra sao?
    Cảm biến nhiệt độ Pt100 có phạm vi đo từ -50 đến 400 độ C với sai số ±1-3°C, cảm biến độ ẩm SHT20 có độ chính xác ±3% RH. Các cảm biến này đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác để PLC xử lý và điều khiển hiệu quả.

  5. Hệ thống có thể lưu trữ và phân tích dữ liệu như thế nào?
    Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm được ghi lại tự động vào file Excel thông qua phần mềm giám sát, giúp người vận hành theo dõi lịch sử hoạt động, phân tích xu hướng và phát hiện sớm các sự cố để bảo trì kịp thời.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công mô hình nhà kính ứng dụng PLC Siemens S7-1200 với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và thiết bị chấp hành phù hợp.
  • Hệ thống giám sát và điều khiển hoạt động ổn định, duy trì điều kiện môi trường trong nhà kính chính xác và hiệu quả.
  • Giao diện web server cho phép điều khiển từ xa, giảm thiểu thao tác trực tiếp và tăng tính tiện lợi cho người dùng.
  • Dữ liệu được lưu trữ tự động hỗ trợ công tác bảo trì và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
  • Đề xuất mở rộng quy mô, phát triển giao diện đa nền tảng, đào tạo nhân lực và nghiên cứu tích hợp công nghệ IoT, AI cho các bước phát triển tiếp theo.

Luận văn là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa nông nghiệp. Để tiếp tục phát triển, các bên liên quan nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng rộng rãi công nghệ điều khiển tự động trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao.