Đồ Án Điều Khiển Logic: Hệ Thống Vườn Rau Thông Minh Bằng PLC Mitsubishi

Nhom4 18 33c thuyết minh dadklg: Tìm hiểu chi tiết về chủ đề này. Tổng quan, phân tích chuyên sâu và các thông tin hữu ích liên quan đến nhom4 18 33c dadklg.

• Tác giả: Phạm Cao Thìn
• Người hướng dẫn: Nguyễn Khánh Quang
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Điều khiển Logic
• Đề tài: Thiết Kế Chương Trình Điều Khiển Logic Cho Hệ Thống Vườn Rau Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VƯỜN RAU THÔNG MINH
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các giải pháp công nghệ vườn rau thông minh
• 1.2.1. Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT: Nutrient film technique
• 1.3. Công nghệ tưới nhỏ giọt
• 1.4. Sơ đồ và mô tả công nghệ của vườn rau thông minh
• 1.5. Mục đích, ý nghĩa của hệ thống
• 2. CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH
• 2.1. Cảm biến nhiệt độ
• 2.2. Cảm biến cường độ ánh sáng
• 3. CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ PLC MITSUBISHI
• 3.1. Giới thiệu tổng quan về PLC
• 3.2. Các dòng PLC Mitsubishi thông dụng và chọn các thiết bị cho hệ thống.1
• 3.2.1. PLC Mitsubishi FX1N
• 3.2.2. PLC Mitsubishi FX3G
• 3.2.3. PLC Mitsubishi FX3U
• 3.2.4. Lựa chọn PLC trong hệ thống
• 3.2.5. Phần mềm lập trình GX Works 2
• 3.2.6. Ngôn ngữ lập trình LAD
• 3.2.7. Module analog FX3U – 4AD
• 3.2.8. Màn hình cảm ứng HMI
• 3.2.9. Sơ đồ mạch động lực & mạch trung gian
• 4. CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VƯỜN RAU THÔNG MINH DÙNG PLC MUSTUBISHI
• 4.1. Phân kênh cho hệ thống.1
• 4.2. Chương trình tổng quan của hệ thống
• 4.3. Chương trình chế độ điều khiển tự động (AUTO)
• 4.4. Chương trình chế độ điều khiển bằng tay (MANUAL)
• 4.5. Chương trình điều khiển Ladder
• 5. CHƯƠNG 5 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO
• 5.1. Mô phỏng HMI:
• 5.2. Nhận xét kết quả
• 5.3. Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Vườn Rau Thông Minh Giải Pháp Tối Ưu

Nhu cầu về thực phẩm sạch và an toàn ngày càng tăng cao, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa và lo ngại về thực phẩm bẩn tràn lan trên thị trường. Cách thức trồng trọt thủ công lạc hậu đang dần bộc lộ những hạn chế, thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về các giải pháp công nghệ tiên tiến. Mô hình vườn rau thông minh nổi lên như một giải pháp hiệu quả, đáp ứng nhu cầu về rau sạch cho gia đình, đồng thời tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí chăm sóc. Vườn rau thông minh là một hệ thống trồng rau sạch tự động, có khả năng kiểm soát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH, và cung cấp nước, dinh dưỡng một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống này có thể được triển khai ở nhiều quy mô khác nhau, từ hộ gia đình đến các trang trại lớn, đồng thời có khả năng tương tác với người dùng thông qua chế độ điều khiển thủ công. Yêu cầu đặt ra là hệ thống phải có giá thành hợp lý, dễ dàng lắp đặt và sử dụng, tiết kiệm năng lượng, và đáp ứng các tiêu chuẩn về kinh tế - kỹ thuật.

1.1. Thực Trạng Sản Xuất Nông Nghiệp Hiện Nay

Hiện nay, người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến nguồn gốc và chất lượng thực phẩm. Các phương pháp canh tác truyền thống thường dựa vào kinh nghiệm và khó kiểm soát các yếu tố đầu vào, dẫn đến nguy cơ sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu quá mức, ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng. Ngoài ra, biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường cũng gây ra nhiều khó khăn cho sản xuất nông nghiệp. Theo một nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Rau quả, hơn 30% mẫu rau trên thị trường chứa dư lượng thuốc bảo vệ thực vật vượt quá giới hạn cho phép. Đây là một vấn đề đáng báo động, đòi hỏi các giải pháp canh tác bền vững và an toàn hơn.

1.2. Vai Trò Của Vườn Rau Thông Minh Trong Tương Lai

Vườn rau thông minh có thể đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và nâng cao chất lượng cuộc sống. Bằng cách ứng dụng các công nghệ tiên tiến như IoT, cảm biến, PLC, và tự động hóa, vườn rau thông minh có thể tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí tài nguyên, và tạo ra các sản phẩm rau sạch, an toàn. Hơn nữa, mô hình này còn giúp người dân tiếp cận với công nghệ, nâng cao nhận thức về nông nghiệp bền vững. Các hệ thống thủy canh, khí canh, và tưới nhỏ giọt được ứng dụng rộng rãi trong các vườn rau thông minh, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường cao.

II. Các Giải Pháp Công Nghệ Vườn Rau Thông Minh Hiện Đại

Để xây dựng một vườn rau thông minh hiệu quả, cần lựa chọn các giải pháp công nghệ phù hợp với quy mô, điều kiện địa phương và loại cây trồng. Các công nghệ phổ biến bao gồm kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT), công nghệ tưới nhỏ giọt, hệ thống nhà lưới, và các hệ thống điều khiển tự động. Kỹ thuật NFT cung cấp dinh dưỡng trực tiếp đến rễ cây, tối ưu hóa quá trình sinh trưởng và phát triển, đồng thời tiết kiệm nước và phân bón. Công nghệ tưới nhỏ giọt giúp cung cấp nước và dinh dưỡng một cách chính xác và hiệu quả, giảm thiểu lãng phí và ngăn ngừa sự phát triển của cỏ dại. Hệ thống nhà lưới giúp bảo vệ cây trồng khỏi các tác động của thời tiết và sâu bệnh, đồng thời tạo môi trường lý tưởng cho sự phát triển của cây.

2.1. Kỹ Thuật Màng Mỏng Dinh Dưỡng NFT

Kỹ thuật NFT là một hệ thống thủy canh linh hoạt và phổ biến. Hệ thống này sử dụng một dòng dung dịch dinh dưỡng rất nông, cung cấp trực tiếp chất dinh dưỡng đến rễ cây, giúp cây trồng dễ hấp thụ, tối ưu hóa quá trình sinh trưởng và phát triển, cho rau trồng đạt chất lượng và năng suất cao, tiết kiệm nước và phân bón. Mô hình này không gây đọng nước, vì vậy rễ cây không bị thiếu không khí, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hệ thống sử dụng máy bơm để đưa nước có chứa dinh dưỡng lên khay cây trồng một cách liên tục. Dung dịch dinh dưỡng không sử dụng hết quay trở lại bồn chứa để tái sử dụng.

2.2. Công Nghệ Tưới Nhỏ Giọt Tiết Kiệm Nước

Tưới nhỏ giọt là phương pháp tưới tiết kiệm nước và phân bón bằng cách điều tiết nước nhỏ giọt từ từ vào rễ, phù hợp với nhiều loại cây khác nhau. Hệ thống tưới nhỏ giọt là mô hình một mạng lưới các đường ống phân phối nước được lắp ngay dưới mặt đất và theo hướng cây trồng. Các điểm đầu nhỏ giọt được dán trực tiếp trên đường ống phân phối hoặc gắn thông qua các đầu nối với khoảng cách khác nhau tùy từng loại đất và cây trồng. Hệ thống này giúp tiết kiệm đến 50% lượng nước và 80% thời gian tưới so với phương pháp thủ công. Nó phù hợp với hầu hết các loại cây trồng.

2.3. Hệ Thống Giám Sát và Điều Khiển Tự Động

Hệ thống giám sát và điều khiển tự động sử dụng các cảm biến để theo dõi các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH, và EC. Các dữ liệu này được truyền về bộ điều khiển trung tâm (ví dụ: PLC), nơi các thuật toán điều khiển được thực thi để điều chỉnh các thiết bị chấp hành như bơm tưới, quạt thông gió, hệ thống che nắng, và đèn chiếu sáng. Hệ thống này giúp duy trì môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng, giảm thiểu sự can thiệp của con người, và nâng cao hiệu quả sản xuất. Các hệ thống này thường có giao diện người dùng thân thiện (HMI) để người dùng có thể dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số.

III. Thiết Kế Điều Khiển Vườn Rau Thông Minh Bằng PLC

PLC đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển và tự động hóa vườn rau thông minh. PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu, và điều khiển các thiết bị chấp hành để duy trì môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng. Việc thiết kế chương trình điều khiển PLC cần dựa trên các yêu cầu cụ thể của từng loại cây trồng và điều kiện địa phương. Chương trình điều khiển PLC thường bao gồm các chức năng như điều khiển tưới tiêu, điều khiển nhiệt độ và độ ẩm, điều khiển ánh sáng, và cảnh báo sự cố.

3.1. Lựa Chọn PLC Mitsubishi Phù Hợp

PLC Mitsubishi là một trong những lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp, bao gồm cả vườn rau thông minh. Các dòng PLC Mitsubishi như FX3U, FX5U, và Q series có khả năng đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng, số lượng đầu vào/ra, và khả năng giao tiếp truyền thông. Việc lựa chọn PLC phù hợp cần dựa trên các yếu tố như quy mô hệ thống, số lượng cảm biến và thiết bị chấp hành, và yêu cầu về độ chính xác và tốc độ điều khiển. PLC FX3U 32MR/ES phù hợp cho quy mô nhỏ và vừa.

3.2. Lập Trình PLC Điều Khiển Hệ Thống

Việc lập trình PLC điều khiển hệ thống vườn rau thông minh cần dựa trên lưu đồ thuật toán chi tiết và các yêu cầu cụ thể của từng chức năng. Chương trình điều khiển thường bao gồm các khối chức năng như đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu, điều khiển thiết bị chấp hành, và cảnh báo sự cố. Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Diagram) thường được sử dụng vì tính trực quan và dễ hiểu. Chương trình cần được kiểm tra và gỡ lỗi kỹ lưỡng trước khi đưa vào vận hành thực tế. Cần chú ý đến các yếu tố an toàn và khả năng mở rộng của hệ thống.

3.3. Sử dụng HMI để Giám Sát và Điều Chỉnh

Màn hình cảm ứng HMI (Human-Machine Interface) cho phép người dùng giao tiếp với hệ thống vườn rau thông minh một cách trực quan và dễ dàng. HMI hiển thị các thông số môi trường, trạng thái hoạt động của các thiết bị, và cho phép người dùng điều chỉnh các thông số cài đặt như thời gian tưới, nhiệt độ, và độ ẩm. HMI cũng có thể hiển thị các cảnh báo sự cố và cung cấp thông tin hướng dẫn khắc phục. HMI giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống, nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Hệ Thống Vườn Rau Nhà Lưới Tự Động

Một ví dụ điển hình về ứng dụng thực tế của vườn rau thông minh là hệ thống vườn rau nhà lưới tự động. Hệ thống này sử dụng các cảm biến để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng trong nhà lưới. PLC điều khiển quạt thông gió, hệ thống phun sương, và hệ thống che nắng để duy trì môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng. Hệ thống tưới nhỏ giọt cung cấp nước và dinh dưỡng một cách chính xác và hiệu quả. HMI cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa.

4.1. Cấu Trúc Hệ Thống Vườn Rau Nhà Lưới

Hệ thống vườn rau nhà lưới bao gồm các thành phần chính như: nhà lưới, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển PLC, hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống thông gió và làm mát, hệ thống che nắng, và HMI. Nhà lưới giúp bảo vệ cây trồng khỏi các tác động của thời tiết và sâu bệnh. Hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng. PLC điều khiển các thiết bị chấp hành để duy trì môi trường tối ưu. Hệ thống tưới nhỏ giọt cung cấp nước và dinh dưỡng. Hệ thống thông gió và làm mát điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm. Hệ thống che nắng giảm thiểu tác động của ánh nắng mặt trời quá mạnh. HMI cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống.

4.2. Quy Trình Hoạt Động Tự Động Của Hệ Thống

Khi hệ thống khởi động, PLC đọc dữ liệu từ các cảm biến. Nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép, PLC kích hoạt quạt thông gió và hệ thống phun sương. Nếu độ ẩm quá thấp, PLC kích hoạt hệ thống tưới nhỏ giọt. Nếu ánh sáng quá mạnh, PLC kích hoạt hệ thống che nắng. PLC liên tục theo dõi các thông số môi trường và điều chỉnh các thiết bị chấp hành để duy trì môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng. HMI hiển thị các thông số môi trường và trạng thái hoạt động của các thiết bị, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Hiệu Quả Kinh Tế Vườn Rau Thông Minh

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vườn rau thông minh có thể mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường cao. So với các phương pháp canh tác truyền thống, vườn rau thông minh có thể tăng năng suất cây trồng, giảm chi phí nước và phân bón, giảm thiểu lãng phí tài nguyên, và giảm tác động đến môi trường. Ngoài ra, vườn rau thông minh còn giúp người dân tiếp cận với thực phẩm sạch và an toàn, nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.1. So Sánh Năng Suất Giữa Các Phương Pháp

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng vườn rau thông minh có thể tăng năng suất cây trồng đáng kể so với các phương pháp canh tác truyền thống. Các yếu tố như kiểm soát môi trường tốt hơn, cung cấp dinh dưỡng tối ưu, và giảm thiểu tác động của sâu bệnh có thể góp phần vào việc tăng năng suất. Theo một nghiên cứu của Đại học Nông nghiệp Hà Nội, năng suất rau xà lách trồng trong hệ thống thủy canh cao hơn 30% so với trồng trên đất.

5.2. Đánh Giá Chi Phí Đầu Tư và Vận Hành

Chi phí đầu tư ban đầu cho vườn rau thông minh có thể cao hơn so với các phương pháp canh tác truyền thống. Tuy nhiên, chi phí vận hành lại thấp hơn do tiết kiệm nước, phân bón, và nhân công. Hơn nữa, năng suất cao hơn và chất lượng sản phẩm tốt hơn có thể bù đắp cho chi phí đầu tư ban đầu trong thời gian ngắn. Cần phân tích chi phí - lợi ích kỹ lưỡng để đánh giá hiệu quả kinh tế của từng dự án cụ thể.

VI. Kết Luận và Tương Lai Của Vườn Rau Thông Minh

Vườn rau thông minh là một giải pháp tiềm năng cho việc đảm bảo an ninh lương thực và nâng cao chất lượng cuộc sống. Với sự phát triển của công nghệ, vườn rau thông minh sẽ ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả hơn. Trong tương lai, vườn rau thông minh có thể tích hợp các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo, học máy, và blockchain để tối ưu hóa quá trình sản xuất, quản lý chuỗi cung ứng, và cung cấp thông tin minh bạch cho người tiêu dùng.

6.1. Triển Vọng Phát Triển Vườn Rau Thông Minh

Với sự gia tăng dân số, biến đổi khí hậu, và ô nhiễm môi trường, nhu cầu về thực phẩm sạch và an toàn sẽ ngày càng tăng cao. Vườn rau thông minh có thể đáp ứng nhu cầu này bằng cách sản xuất thực phẩm một cách bền vững và hiệu quả. Triển vọng phát triển của vườn rau thông minh là rất lớn, đặc biệt ở các khu vực đô thị và các vùng có điều kiện canh tác khó khăn.

6.2. Thách Thức và Giải Pháp Khắc Phục

Mặc dù có nhiều tiềm năng, vườn rau thông minh vẫn đối mặt với một số thách thức như chi phí đầu tư cao, yêu cầu kỹ thuật cao, và sự phụ thuộc vào công nghệ. Để vượt qua các thách thức này, cần có các giải pháp như giảm chi phí thiết bị, nâng cao trình độ kỹ thuật của người dân, và phát triển các công nghệ phù hợp với điều kiện địa phương. Cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp, và chính phủ để thúc đẩy sự phát triển của vườn rau thông minh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước thực trạng đáng báo động về nguồn thực phẩm bẩn, việc sử dụng hóa chất kích thích tăng trưởng tràn lan trên thị trường và những rủi ro từ phương thức canh tác nông nghiệp thủ công lạc hậu, nhu cầu tự cung cấp rau sạch an toàn tại các khu vực đô thị ngày càng gia tăng. Trong điều kiện canh tác truyền thống, năng suất và chất lượng rau trồng chịu ảnh hưởng nặng nề bởi các yếu tố thời tiết cực đoan, sâu bệnh và sự suy giảm tài nguyên nước. Đề tài "Thiết kế chương trình điều khiển logic cho hệ thống vườn rau thông minh" được nhóm sinh viên ngành Tự động hóa, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ điều khiển tự động hóa vào quy trình chăm sóc cây trồng, giảm thiểu nhân công lao động và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước, điện năng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo đề cương thiết kế môn học:

1. Tìm hiểu tổng quan quy trình hoạt động của hệ thống vườn rau thông minh, phân tích và lựa chọn các công nghệ nông nghiệp phù hợp.
2. Khảo sát, tính toán và lựa chọn các loại cảm biến đo lường môi trường (nhiệt độ, cường độ ánh sáng) và các cơ cấu chấp hành (bơm tưới, bơm phun sương làm mát, quạt thông gió, động cơ kéo lưới che nắng, khí cụ đóng cắt).
3. Nghiên cứu tóm tắt về phần cứng và phần mềm của dòng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi; lựa chọn dòng PLC và các module mở rộng phù hợp với quy mô hệ thống.
4. Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống vườn rau thông minh dùng PLC Mitsubishi: xây dựng sơ đồ công nghệ, vẽ lưu đồ thuật toán tổng quan và chi tiết cho từng chế độ vận hành (tự động - AUTO và bằng tay - MANUAL), lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram - LAD) trên phần mềm GX Works 2, giải thích các thuật toán xử lý sự cố đặc thù.
5. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển người - máy (HMI) trên phần mềm GT Designer 3; tiến hành mô phỏng hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển logic cho mô hình vườn rau thông minh dạng nhà lưới có mái che màng PE chống mưa, kết hợp các khâu tưới nhỏ giọt, phun sương làm mát, quạt giải nhiệt và hệ thống lưới che nắng đóng/mở tự động. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và thực nghiệm được giới hạn tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, áp dụng cho đối tượng cây trồng điển hình (ví dụ chu kỳ tưới cho cây cà chua) trong mốc thời gian hoàn thành vào năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về nông nghiệp công nghệ cao và kỹ thuật điều khiển lập trình công nghiệp. Tác giả tiến hành phân tích hai giải pháp công nghệ canh tác không phụ thuộc đất phổ biến: kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (Nutrient Film Technique - NFT) và công nghệ tưới nhỏ giọt.

Kỹ thuật NFT cung cấp dòng dung dịch dinh dưỡng rất nông chảy liên tục qua rễ cây, giúp tăng khả năng thông khí, tiết kiệm nước và phân bón, tăng năng suất từ 25% đến 500%, song nhược điểm là chi phí đầu tư ban đầu cao, đòi hỏi dòng chảy phải duy trì liên tục và kiểm soát nồng độ oxy hòa tan nghiêm ngặt. Trong khi đó, công nghệ tưới nhỏ giọt đưa nước và dinh dưỡng ngấm từ từ trực tiếp vào vùng rễ nhờ mạng lưới đường ống và van điều tiết, giúp tiết kiệm tới 50% lượng nước tưới và 80% thời gian lao động so với tưới thủ công, hạn chế cỏ dại và tránh rửa trôi đất. Dựa trên phân tích kỹ thuật và tính khả thi trong lắp đặt, nhóm tác giả chọn công nghệ tưới nhỏ giọt kết hợp nhà lưới che mưa bằng màng PE làm nền tảng công nghệ cho hệ thống.

Về mặt điều khiển học, cơ sở lý thuyết tập trung vào nguyên lý làm việc của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) theo chu kỳ quét (scan cycle), cơ chế chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (A/D) và truyền thông công nghiệp giữa PLC với màn hình giao diện HMI.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Thu thập, so sánh thông số kỹ thuật các dòng PLC Mitsubishi (FX1N, FX3G, FX3U) và các thiết bị đo lường, chấp hành trên thị trường.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Tính toán lựa chọn thiết bị điện, lập bảng phân kênh vào/ra (I/O mapping), thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển trung gian cách ly qua rơle và khởi động từ (contactor).
• Phương pháp mô hình hóa và lập trình thuật toán: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự, thuật toán xử lý tín hiệu tương tự (Analog), thuật toán định thời gian và khóa liên động an toàn; lập trình chương trình điều khiển dạng LAD trên phần mềm GX Works 2.
• Phương pháp mô phỏng giao tiếp người - máy: Sử dụng phần mềm GT Designer 3 để thiết kế các trang màn hình vận hành, gán địa chỉ thanh ghi nội bộ và mô phỏng liên kết giám sát với PLC FX3U.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật phần cứng (Hardware Manual) của hãng Mitsubishi Electric, bảng tra đặc tính điện trở - nhiệt độ của cảm biến Pt100, tài liệu kỹ thuật thiết bị đo lường công nghiệp (Seneca, Velt) và các số liệu kiểm chứng thông qua mô phỏng ngoại tuyến (Offline Simulation) trên máy tính.

Thiết kế kỹ thuật và kiến trúc hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển tập trung, bao gồm khối cảm biến đo lường môi trường, khối điều khiển trung tâm PLC kết hợp module mở rộng tương tự, giao diện vận hành HMI và khối cơ cấu chấp hành điều khiển qua mạch động lực hạ áp.

Nhóm chức năng	Tên thiết bị / Phần mềm	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm	PLC Mitsubishi	FX3U-32MR/ES (16 DI 24VDC, 16 DO Relay)	Xử lý logic, tính toán thời gian, điều khiển toàn hệ thống
Khối biến đổi tương tự	Module Analog Input	FX3U-4AD (4 kênh vào, độ phân giải 15-bit dòng)	Đọc tín hiệu dòng điện 4-20mA từ các cảm biến
Cảm biến nhiệt độ	Nhiệt điện trở Pt100	TS1PL3B8250GD-AB (3 dây, Inox 304, -80 đến +600°C)	Đo nhiệt độ không khí bên trong nhà lưới
Bộ chuyển đổi nhiệt độ	Bộ transmitter Seneca	Seneca T120 (chuyển đổi Pt100 sang 4-20mA)	Tuyến tính hóa tín hiệu nhiệt độ truyền về module analog
Cảm biến cường độ sáng	Cảm biến ánh sáng	VELT-W-LUX-I4 (Dải đo 0-65535 Lux, ngõ ra 4-20mA)	Giám sát mức độ chiếu sáng của ánh nắng mặt trời
Giao diện người - máy	Màn hình cảm ứng HMI	Mitsubishi GT1275-VNBA (10.4 inch, TFT 640x480)	Cài đặt thông số, giám sát và vận hành hệ thống
Cơ cấu tưới nhỏ giọt	Béc tưới nhỏ giọt bù áp	End Line GF (Lưu lượng 0-8 lít/giờ, áp suất 1.5 Bar)	Cấp nước ngấm từ từ chính xác vào vùng gốc cây
Cơ cấu làm mát phun sương	Béc phun sương	Béc chữ T số 1 và số 2 (giảm nhiệt độ từ 5-7°C)	Phun mù làm mát không khí khi nhiệt độ vượt ngưỡng
Động cơ kéo lưới	Động cơ một chiều DC	JMJ168/3.9-DC-(800Kg) (24VDC, 380W, 3.9 vòng/phút)	Truyền động kéo và thu lưới che nắng tự động
Khí cụ bảo vệ & đóng cắt	Aptomat, Contactor, Relay	Khí cụ đóng cắt hạ áp, rơle trung gian cuộn hút 24VDC	Đóng cắt động lực cho bơm, quạt, mô tơ; bảo vệ quá tải
Phần mềm lập trình	GX Works 2 & GT Designer 3	Phiên bản chuyên dụng của hãng Mitsubishi	Viết code Ladder cho PLC và lập trình giao diện HMI

Khối vào/ra của hệ thống được quy hoạch chặt chẽ thông qua các bảng phân kênh:

• Đầu vào số (Digital Input): Bao gồm 16 ngõ vào từ X000 đến X017, kết nối với nút nhấn vận hành (S_TART - X000, E_STOP - X001, AUTO - X002, MANUAL - X003, STOP - X004), các nút điều khiển chấp hành đơn lẻ bằng tay (PUMP - X010, FAN - X011, NET_F - X012, NET_R - X013, COOLPUMP - X016), các nút dừng khâu tương ứng (P_STOP - X005, F_STOP - X006, N_STOP - X007, C_STOP - X017) và 2 tín hiệu công tắc hành trình cơ khí (PUSH - X014 nhận biết lưới kéo tới, PULL - X015 nhận biết lưới thu về).
• Đầu vào tương tự (Analog Input): Sử dụng kênh đọc từ module FX3U-4AD qua lệnh truyền thông chuyên dụng FROM/TO, ghi dữ liệu vào các thanh ghi dữ liệu D7 (TempFromADC - nhiệt độ không khí) và D8 (LightFromADC - cường độ ánh sáng).
• Đầu ra số (Digital Output): Bao gồm các ngõ ra từ Y000 đến Y011, trong đó Y000 báo hệ thống khởi động (L_START), Y001 báo dừng (L_STOP), Y002 báo dừng khẩn cấp (L_ESTOP), Y003 báo lỗi làm mát (L_ERR_F), Y004 báo lỗi kéo lưới (L_ERR_N); các ngõ ra Y005 (MCPUMP), Y006 (MCFAN), Y007 (MCNET_F), Y010 (MCNET_R), Y011 (MCCOOL) cấp nguồn cho cuộn hút rơle trung gian để gián tiếp đóng tiếp điểm mạch động lực của contactor cấp điện cho máy bơm tưới, quạt giải nhiệt, động cơ DC kéo/thu lưới và bơm phun sương.
• Vùng nhớ cài đặt giao tiếp HMI: Gồm thanh ghi thời gian tưới TIMERON_P (D23), thời gian nghỉ tưới TIMEROFF_P (D24), thời gian giới hạn làm mát TIMER_F (D25), thời gian giới hạn hành trình lưới TIMER_N (D26), nhiệt độ cài đặt cho phép NHIETDO (D27), ngưỡng cường độ sáng DOSANG (D35), và khoảng thời gian cấm tưới/phun sương (D29, D40) từ 10h đến 13h trưa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ vườn rau thông minh

Chương này trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ vấn đề thực phẩm bẩn, nhu cầu rau sạch đô thị và sự phát triển của công nghệ tự động hóa nông nghiệp. Tác giả đi sâu phân tích ưu và nhược điểm của hai giải pháp kỹ thuật nông nghiệp hiện đại: công nghệ thủy canh màng mỏng dinh dưỡng (NFT) và công nghệ tưới nhỏ giọt. Từ kết quả so sánh, đề tài lựa chọn giải pháp thiết kế mô hình vườn rau dạng nhà lưới có mái che màng PE chống xói mòn trong mùa mưa, tích hợp quạt gió ngang (HAF), quạt hút làm mát, hệ thống phun sương và lưới che nắng tự động.

Quy trình công nghệ của hệ thống được xây dựng với hai chế độ vận hành độc lập: chế độ tự động (AUTO) và chế độ điều khiển bằng tay (MANUAL). Tại chế độ AUTO, các yếu tố nhiệt độ và ánh sáng được giám sát liên tục; bơm tưới hoạt động luân phiên theo chu kỳ định thời cài đặt trước, quạt và bơm phun sương tự động kích hoạt khi nhiệt độ phòng vượt ngưỡng đặt trước (ví dụ 27°C), mô tơ kéo lưới tự động che khi ánh sáng vượt mức cho phép và thu lưới lại khi trời râm mát. Tác giả cũng phân tích chi tiết các kịch bản sự cố như mất điện đột ngột, sự cố kẹt cơ khí trục quay khiến lưới không chạm công tắc hành trình, và sự cố nhiệt độ không giảm sau thời gian dài làm mát.

Chương 2: Cảm biến và cơ cấu chấp hành

Chương 2 thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật, cấu tạo, nguyên lý làm việc và sơ đồ đấu nối của toàn bộ thiết bị đo lường, chấp hành và khí cụ điện trong hệ thống:

• Cảm biến nhiệt độ Pt100 (model TS1PL3B8250GD-AB, loại 3 dây, que đo inox đường kính 8mm, dài 250mm, dải đo -80 đến +600°C) kết hợp bộ chuyển đổi Seneca T120 ngõ ra 4-20mA, cấp nguồn 24VDC chung với PLC.
• Cảm biến cường độ ánh sáng quang trở (model VELT-W-LUX-I4, nguồn cấp 10-30VDC, dải đo 0-65535 Lux, tín hiệu ra 4-20mA chuẩn kết nối trực tiếp vào module analog).
• Béc tưới nhỏ giọt có bù áp End Line GF (xuất xứ Ý, lưu lượng 0-8 lít/giờ, áp suất làm việc 1.5 Bar, đường kính ống kết nối 4-6mm) đảm bảo lưu lượng nước đồng đều tại mọi vị trí dù địa hình bằng phẳng hay dốc.
• Béc phun sương làm mát chữ T (béc số 1 và số 2) tạo hạt sương mịn hạ nhiệt độ từ 5-7°C mà không gây đọng nước cục bộ; hệ thống quạt gió ngang HAF tạo độ đồng đều nhiệt và quạt hút trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài.
• Động cơ kéo lưới DC 24V (model JMJ168/3.9-DC-(800Kg), công suất 380W, tốc độ vòng quay định mức 3.9 vòng/phút) kết hợp với công tắc hành trình 1 chiều 24VDC để giới hạn hành trình thu/kéo rèm.
• Khí cụ điện phụ trợ: Nút nhấn thường mở/thường đóng, đèn báo trạng thái (dòng tiêu thụ < 20mA, tuổi thọ trên 100.000 giờ), rơle trung gian điện từ, contactor hạ áp đóng cắt mạch động lực và aptomat (CB) bảo vệ ngắn mạch, quá tải cho các động cơ và hệ thống quạt.

Chương 3: Giới thiệu về PLC Mitsubishi

Nội dung chương tập trung giới thiệu tổng quan về cấu trúc, ưu điểm của PLC Mitsubishi Electric trong tự động hóa công nghiệp. Tác giả tiến hành phân tích, đối chiếu ba dòng PLC thông dụng họ FX:

• Dòng FX1N: Dung lượng bộ nhớ chương trình 8.000 bước, mở rộng tối đa 128 I/O, tích hợp 6 bộ đếm tốc độ cao 60kHz.
• Dòng FX3G: Cải tiến từ FX1N, bộ nhớ 32.000 bước, tốc độ xử lý lệnh đơn 0.21µs, hỗ trợ kết nối kép USB và RS422.
• Dòng FX3U: Bộ nhớ 64.000 bước, tốc độ xử lý vượt trội đạt 0.065µs trên một lệnh đơn logic, tích hợp sẵn 209 tập lệnh, khả năng mở rộng lên tới 384 I/O qua mạng CC-Link.

Từ yêu cầu kỹ thuật của đề tài, nhóm lựa chọn CPU PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES (nguồn nuôi 24VDC, 16 ngõ vào số dạng Sink/Source, 16 ngõ ra relay tải tối đa 2A/điểm) kết hợp module mở rộng FX3U-4AD (4 kênh ngõ vào analog, độ phân giải 16-bit cho tín hiệu điện áp và 15-bit cho tín hiệu dòng điện tuyến tính). Chương này cũng trình bày đặc điểm phần mềm lập trình GX Works 2, cú pháp ngôn ngữ lập trình sơ đồ bậc thang (LAD), cấu tạo màn hình HMI Mitsubishi model GT1275-VNBA (10.4 inch, độ phân giải 640x480, TFT 256 màu, bộ nhớ 6MB, lập trình bằng GT Designer 3), cùng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển trung gian.

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống vườn rau thông minh dùng PLC Mitsubishi

Chương 4 là phần nội dung kỹ thuật trọng tâm của đồ án. Tác giả lập bảng phân kênh chi tiết cho các ngõ vào số (X000 - X017), ngõ vào tương tự (D7, D8), ngõ ra số (Y000 - Y011) và các thanh ghi cài đặt thông số HMI (D23, D24, D25, D26, D27, D35, D29, D40).

Chương trình điều khiển được cụ thể hóa thông qua ba lưu đồ thuật toán chính:

1. Lưu đồ thuật toán tổng quan: Xử lý nút nhấn khởi động S_TART, rẽ nhánh thực hiện chế độ tự động AUTO hoặc chế độ điều khiển bằng tay MANUAL; tiếp nhận nút STOP để dừng chế độ hiện hành và nút dừng khẩn cấp E_STOP để cắt toàn bộ đầu ra hệ thống.
2. Lưu đồ thuật toán chế độ tự động (AUTO):
   • Khâu tưới nước: Bơm tưới (MCPUMP - Y005) chạy trong khoảng thời gian TIMERON_P (D23), sau đó nghỉ trong thời gian TIMEROFF_P (D24) và lặp lại tuần hoàn; khóa liên động thời gian thực cấm tưới trong khoảng 10h-13h trưa.
   • Khâu làm mát: So sánh nhiệt độ đo được từ thanh ghi D7 với ngưỡng NHIETDO (D27). Nếu nhiệt độ cao hơn, kích hoạt bơm phun sương (MCCOOL - Y011) và quạt tản nhiệt (MCFAN - Y006), đồng thời khóa không cho bơm sương chạy vào khung giờ 10h-13h. Bộ định thời TIMER_F (D25) bắt đầu đếm; nếu sau thời gian này mà nhiệt độ không giảm xuống dưới ngưỡng, hệ thống kích hoạt đèn báo lỗi L_ERR_F (Y003).
   • Khâu điều chỉnh ánh sáng: So sánh cường độ sáng từ thanh ghi D8 với ngưỡng DOSANG (D35). Khi cường độ sáng vượt ngưỡng, động cơ kéo lưới che nắng MCNET_F (Y007) quay cho đến khi chạm công tắc hành trình PUSH (X014) thì dừng. Ngược lại, khi ánh sáng thấp hơn ngưỡng, động cơ thu lưới MCNET_R (Y010) quay đến khi chạm công tắc PULL (X015). Nếu thời gian kéo hoặc thu vượt quá giá trị TIMER_N (D26) mà chưa nhận được tín hiệu công tắc hành trình, động cơ lập tức dừng và đèn báo lỗi L_ERR_N (Y004) bật sáng.
3. Lưu đồ thuật toán chế độ điều khiển bằng tay (MANUAL): Cho phép người vận hành trực tiếp bật/tắt riêng lẻ bơm tưới, bơm phun sương, quạt thông gió và điều khiển kéo/thu lưới bằng các nút nhấn trên tủ điện hoặc trên màn hình cảm ứng, có khóa an toàn tại các vị trí công tắc hành trình.

Toàn bộ các thuật toán trên được hiện thực hóa thành chương trình điều khiển dạng sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram) hoàn chỉnh trên phần mềm GX Works 2, sử dụng các tập lệnh logic tiếp điểm, cuộn dây, các khối timer, bộ so sánh số học và các khối hàm đọc dữ liệu analog.

Chương 5: Kết quả và tài liệu tham khảo

Chương cuối cùng trình bày kết quả thiết kế giao diện HMI mô phỏng trên phần mềm GT Designer 3. Giao diện được cấu trúc thành 4 trang màn hình chuyên biệt:

• Màn hình chính (HOME): Hiển thị tổng quan trạng thái làm việc, nút chuyển hướng và các nút chức năng cơ bản.
• Màn hình cài đặt (SETTING): Cho phép người vận hành nhập các thông số định thời TIMERON_P, TIMEROFF_P, TIMER_F, TIMER_N, ngưỡng nhiệt độ cho phép NHIETDO, ngưỡng độ sáng DOSANG và khoảng thời gian cấm tưới.
• Màn hình chế độ AUTO: Giám sát trực quan giá trị thực tế của nhiệt độ, cường độ sáng, trạng thái hoạt động của bơm tưới, quạt, bơm sương, vị trí lưới che và hiển thị cảnh báo lỗi L_ERR_F, L_ERR_N.
• Màn hình chế độ MANUAL: Cung cấp hệ thống nút bấm điều khiển độc lập từng thiết bị chấp hành phục vụ công tác kiểm tra, bảo trì hoặc vận hành theo ý muốn người dùng.

Chương này kết thúc bằng phần nhận xét đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống mô phỏng và liệt kê danh mục các tài liệu tham khảo phục vụ quá trình thực hiện đề tài.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế đặt ra trong nhiệm vụ môn học với các kết quả định lượng và giải pháp kỹ thuật cụ thể:

• Lựa chọn thành công cấu hình phần cứng tối ưu, sử dụng PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES (với 16 ngõ vào số 24VDC, 16 ngõ ra relay dòng định mức 2A/điểm, thời gian phản hồi xấp xỉ 10ms) kết hợp module analog FX3U-4AD (độ phân giải 15-bit dòng, dải đo 4-20mA từ cảm biến Pt100 qua bộ Seneca T120 và cảm biến ánh sáng VELT-W-LUX-I4 dải đo 0-65535 Lux).
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển logic dạng Ladder trên phần mềm GX Works 2, điều khiển chính xác cơ cấu truyền động kéo lưới sử dụng động cơ DC 24V JMJ168 công suất 380W tốc độ 3.9 vòng/phút và mạng lưới béc tưới nhỏ giọt End Line GF (áp suất làm việc 1.5 Bar, lưu lượng 0-8 lít/giờ), hệ thống phun sương hạ nhiệt độ từ 5-7°C.
• Thiết kế hệ thống bảo vệ an toàn đa tầng: tích hợp nút dừng khẩn cấp E_STOP; cơ chế tự động ngắt động cơ kéo lưới và bật đèn cảnh báo lỗi L_ERR_N khi thời gian chuyển động vượt quá ngưỡng cài đặt TIMER_N; cơ chế phát hiện suy giảm hiệu năng làm mát và báo lỗi L_ERR_F khi quạt và bơm sương chạy liên tục quá thời gian TIMER_F; thuật toán khóa liên động thời gian thực cấm tưới nước và phun sương trong khung giờ bất lợi 10h-13h.
• Xây dựng giao diện HMI trực quan gồm 4 màn hình chức năng (HOME, SETTING, AUTO, MANUAL) trên nền tảng màn hình cảm ứng màu Mitsubishi GT1275-VNBA kích thước 10.4 inch độ phân giải 640x480 thông qua phần mềm GT Designer 3.

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp một giải pháp công nghệ tự động hóa hoàn chỉnh ứng dụng trong nông nghiệp đô thị, kết hợp hài hòa giữa kỹ thuật tưới tiết kiệm nước và giám sát vi khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng) trong nhà lưới. So với phương thức canh tác truyền thống hoặc các mạch điều khiển rơle cơ học cố định, giải pháp sử dụng PLC FX3U kết hợp HMI giúp người vận hành dễ dàng thay đổi chu kỳ tưới và ngưỡng môi trường linh hoạt cho từng loại cây trồng (như cà chua, rau ăn lá) mà không cần can thiệp đấu nối lại phần cứng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản đồ án, công trình còn tồn tại một số điểm hạn chế kỹ thuật:

• Đồ án chủ yếu dừng lại ở mức độ thiết kế sơ đồ nguyên lý, lập trình thuật toán điều khiển trên phần mềm GX Works 2 và mô phỏng giao diện vận hành trên phần mềm GT Designer 3 kết hợp thí nghiệm trên thiết bị PLC tại phòng thực hành, chưa tiến hành lắp đặt và thử nghiệm trên mô hình nhà lưới thực tế ngoài đồng ruộng với cây trồng sinh trưởng thật.
• Hệ thống mới chỉ tập trung giám sát và điều khiển hai thông số vi khí hậu là nhiệt độ không khí và cường độ ánh sáng, cùng cơ chế tưới định thời; chưa tích hợp các cảm biến đo lường độ ẩm đất, nồng độ ion dinh dưỡng (EC) và độ axit/kiềm (pH) của đất hoặc dung dịch tưới.
• Giải pháp xử lý sự cố kẹt lưới và quá nhiệt mới dừng ở mức ngắt chấp hành và phát tín hiệu đèn báo lỗi tại chỗ, chưa có cơ chế gửi tin nhắn cảnh báo từ xa cho người quản lý.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm: triển khai thi công mô hình phần cứng thực địa quy mô thử nghiệm; tích hợp thêm các module đo lường pH, độ ẩm đất và nồng độ EC vào PLC FX3U; mở rộng tính năng truyền thông công nghiệp (sử dụng cổng Ethernet hoặc mạng CC-Link tích hợp sẵn trên FX3U) để kết nối hệ thống lên máy tính SCADA hoặc truyền dữ liệu qua giao thức IoT phục vụ giám sát và điều khiển từ xa qua Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện và Công nghệ Nông nghiệp công nghệ cao đang thực hiện các đồ án môn học điều khiển logic, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án tự động hóa nông nghiệp.

Những nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong tài liệu bao gồm:

• Quy trình quy hoạch và lập bảng phân kênh địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O mapping) chi tiết cho dòng PLC Mitsubishi FX3U.
• Phương pháp ghép nối cảm biến nhiệt độ Pt100 và cảm biến quang trở với module mở rộng tương tự FX3U-4AD thông qua tín hiệu chuẩn 4-20mA, sử dụng tập lệnh FROM/TO để đọc dữ liệu thanh ghi.
• Cấu trúc mạch động lực và mạch điều khiển trung gian, nguyên lý bảo vệ liên động bằng aptomat, contactor và rơle trung gian.
• Logic lập trình Ladder xử lý thời gian thực, thuật toán tuần hoàn tưới nghỉ và logic bảo vệ chống kẹt hành trình động cơ bằng bộ định thời an toàn.
• Thiết kế giao diện đồ họa HMI trên GT Designer 3 liên kết giám sát toàn diện với PLC.

Câu hỏi thường gặp

Đề tài sử dụng dòng PLC nào và cấu hình ngõ vào/ra được phân bổ như thế nào?

Đề tài sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi họ FX3U, model FX3U-32MR/ES với 16 ngõ vào số 24VDC (sử dụng từ X000 đến X017 cho nút bấm điều khiển, chế độ vận hành và công tắc hành trình) và 16 ngõ ra relay (sử dụng từ Y000 đến Y011 điều khiển đèn báo và cuộn hút rơle trung gian kích hoạt contactor của bơm, quạt, mô tơ). Để đọc tín hiệu đo lường tương tự, hệ thống ghép nối thêm module mở rộng FX3U-4AD nhận tín hiệu dòng điện từ cảm biến nhiệt độ và ánh sáng qua các thanh ghi D7 và D8.

Cảm biến nhiệt độ Pt100 được kết nối và xử lý tín hiệu truyền về PLC theo phương thức nào?

Cảm biến nhiệt độ Pt100 (loại 3 dây TS1PL3B8250GD-AB) không đấu nối trực tiếp vào PLC mà được nối thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu Seneca T120. Cảm biến biến đổi nhiệt độ thành sự thay đổi điện trở (ở 0°C là 100 Ω, độ nhạy 0.3851 Ω/°C), bộ Seneca T120 chuyển đổi tín hiệu điện trở này thành tín hiệu dòng điện chuẩn công nghiệp 4-20mA (tương ứng dải nhiệt độ đo) rồi đưa vào ngõ vào của module analog FX3U-4AD. PLC sử dụng cấu trúc lệnh FROM/TO để đọc giá trị số sau chuyển đổi A/D vào thanh ghi nội D7.

Thuật toán điều khiển xử lý sự cố kẹt cơ khí trong quá trình đóng mở lưới che nắng như thế nào?

Trong quá trình kéo rèm (MCNET_F - Y007) hoặc thu rèm (MCNET_R - Y010), động cơ DC JMJ168 được điều khiển quay cho đến khi khung lưới chạm vào công tắc hành trình tương ứng (PUSH - X014 hoặc PULL - X015). Để phòng ngừa sự cố kẹt vật cản hoặc hỏng trục quay khiến lưới không chạm tới công tắc hành trình làm mô tơ quay liên tục sinh cháy, chương trình cài đặt một khoảng thời gian giới hạn TIMER_N (thanh ghi D26) trên HMI. Nếu thời gian động cơ chạy vượt quá giá trị TIMER_N mà chưa nhận được tín hiệu từ công tắc hành trình, PLC sẽ lập tức ngắt lệnh điều khiển động cơ và bật sáng đèn báo lỗi L_ERR_N (Y004).

Vì sao hệ thống cài đặt khoảng thời gian cấm tưới nước và dừng phun sương từ 10h đến 13h trưa?

Khoảng thời gian từ 10h đến 13h trưa là thời điểm ánh nắng mặt trời có bức xạ nhiệt gay gắt nhất trong ngày. Việc tưới nước nhỏ giọt hoặc phun sương trong khung giờ này có thể làm thay đổi nhiệt độ đất và môi trường xung quanh rễ cây đột ngột gây sốc nhiệt cho rễ, đồng thời những giọt nước đọng trên lá có thể hoạt động như những thấu kính hội tụ ánh sáng mặt trời làm cháy lá cây. Do đó, tác giả đã lập trình khóa liên động thời gian thực (qua thanh ghi D29 và D40) nhằm vô hiệu hóa bơm tưới và bơm phun sương trong khung giờ này để bảo vệ cây trồng.

Người vận hành có thể giám sát và can thiệp cài đặt các thông số nào thông qua màn hình HMI?

Thông qua 4 trang màn hình trên HMI GT1275-VNBA (thiết kế bằng GT Designer 3), người vận hành có thể giám sát trực quan các giá trị thực tế của nhiệt độ phòng và cường độ ánh sáng, đồng thời trực tiếp cài đặt các tham số hoạt động vào thanh ghi PLC tại màn hình SETTING bao gồm: thời gian bơm tưới chạy TIMERON_P (D23), thời gian bơm tưới nghỉ TIMEROFF_P (D24), thời gian giới hạn cảnh báo quá nhiệt TIMER_F (D25), thời gian giới hạn hành trình lưới TIMER_N (D26), ngưỡng nhiệt độ kích hoạt làm mát NHIETDO (D27), ngưỡng cường độ sáng đóng rèm DOSANG (D35) và khoảng thời gian cấm tưới (D29, D40). Ngoài ra, tại màn hình MANUAL, người dùng có thể can thiệp cưỡng bức bật/tắt từng thiết bị riêng biệt.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế chương trình điều khiển logic cho hệ thống vườn rau thông minh" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã xây dựng thành công giải pháp tự động hóa nông nghiệp đô thị dựa trên nền tảng phần cứng PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES kết hợp module analog FX3U-4AD và giao diện HMI GT1275-VNBA. Hệ thống làm chủ quy trình giám sát và điều tiết tự động các yếu tố vi khí hậu thông qua các thuật toán điều khiển tưới nhỏ giọt luân phiên, phun sương giảm nhiệt, quạt thông gió và đóng mở lưới che nắng bảo vệ cây trồng. Các giải thuật định thời xử lý kẹt cơ khí, cảnh báo quá nhiệt và khóa khung giờ cấm tưới thể hiện tính chặt chẽ trong thiết kế kỹ thuật, mang lại giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay nhu cầu về chất lượng cuộc sống của con người ngày càng tăng lên kèm theo đó là thực trạng đáng báo động về nguồn thực phẩm bẩn xuất hiện tràn lan trên thị trường. Cùng với sự phát triển của các đô thị với mật độ dân số lớn con người lại tạo ra những thực phẩm có sự can thiệp của các chất hóa học để tạo sự tươi ngon cho thực phẩm (tình trạng bắp cải giả có nguồn gốc từ Trung Quốc, rau muống tưới nhớt, rau muống ngâm dung dịch để tạo màu xanh tươi,…) đã làm chúng ta hoang mang và ngày càng mất lòng tin vào những người nông dân được cho là chân chính. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng này là do cách thức trồng thủ công lạc hậu, cực khổ nên người nông dân mới sử dụng các biện pháp như vậy. Trong thời đại cộng nghệ phát triển hiện đại thì việc áp dụng công nghệ để giải quyết các vấn đề là rất phổ biến.

Một trong những phương pháp cộng nghệ để giải quyết vấn đề nỗi lo đó là mô hình “Vườn Rau Thông Minh”. Vườn rau thông minh là hệ thống trồng rau sạch, có chức năng tự động hóa việc chăm sóc và tưới nước, giúp bạn tiếp kiệm thời gian công sức chi phí chăm sóc rau và có được sản phẩm rau an toàn cho gia đình. Một hệ thống vườn rau thông minh yêu cầu cần đáp ứng được việc tạo được môi trường nhân tạo có các yếu tố nhiệt độ, nước, gió, độ PH, ánh sáng,… cho cây phát triển. Các quá trình chăm sóc và kiểm tra môi trường và cây trồng phải được thực hiện một các tự động, chính xác và hiểu quả, đồng thời hệ thống cũng có thể tương tác với người làm vườn (chế độ thủ công).

Hệ thống có thể được áp dụng ở nhiều quy mô và khu vực khác nhau, đáp ứng tốt các yêu cầu tương ứng với khu vực được áp dụng (ví dụ: ở quy mô hộ gia đình thì hệ thống phải gọn, thẩm mỹ,…). Ngoài ra về mặt kinh tế - kỹ thuật thì yêu cầu hệ thống có giá thành hợp lý, quá trình lắp đặt và sử dụng dễ dàng, tiếp kiệm năng lượng,… 1.2 Các giải pháp công nghệ vườn rau thông minh 1.1 Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT: Nutrient film technique Hình 1. 1: Mô hình hệ thống thủy canh NFT 18N33C.Nhóm 4 Trang 4 Hệ Thống Vườn Rau Thông Minh GVHD: Nguyễn Khánh Quang Đây là một hệ thống thủy canh mang tính linh hoạt cao và sử dụng khá phổ biến hiện nay. Trên thực tế thì hệ thống này tương tự như một hệ thống ngập và rút theo định kỳ.

Công nghệ này sử dụng một dòng dung dịch rất nông giúp cây non ươm trồng có thể mọc vào trong dung dịch nhanh hơn tăng khả năng thông khí. Công nghệ này trực tiếp cung cấp chất dinh dưỡng đến rễ cây, giúp cây trồng dễ hấp thụ, tối ưu hóa quá trình sinh trưởng và phát triển của rau trồng, cho rau trồng đạt chất lượng và năng xuất cao, tiếp kiệm nước và phân bón. Bên cạnh đó mô hình trồng rau công nghệ cao này không gây đọng nước vì vậy rễ cây sẽ không bao giờ bị thiếu không khí nên không gây ô nhiễm môi trường. Hệ thống sẽ tiến hành sử dụng một chiếc máy bơm nhằm đưa nước có chứa dinh dưỡng lên khay cây trồng một cách liên tục.

Kết hợp với một chiếc ống thoát nước khác có nhiệm vụ đưa dung dịch dinh dưỡng không sử dụng hết quay trở lại bồn chứa để tái sử dụng. Dung dịch thủy canh sẽ được bơm liên tục vào đầu cao của ống nhằm giúp cây phát triển và sinh trưởng một cách ổn định và hoàn hảo nhất. Dung dịch dinh dưỡng chảy trong một màng mỏng trên rễ, đảm bảo rằng chúng được tưới và cho ăn nhưng không được ngâm hoàn toàn. Lớp màng mỏng đảm bảo rằng phần trên của rễ sẽ vẫn khô và được tiếp cận với oxy trong không khí.

Ngoài ra, hệ thống này còn có một ống hứng để những máng thải dung dịch vào đó nhằm dẫn dung dịch vào bể chứa một cách lý tưởng.  Ưu điểm  Sử dụng hệ thống này bạn có thể tùy ý điều chỉnh dinh dưỡng cho cây sao cho hợp lý nhất kết hợp loại bỏ những chất gây hại.  Tiết kiệm nước tối đa do cây sử dụng trực tiếp nước có trong dụng cụ đựng dung dịch nên nước không bị thất thoát ra ngoài.  Giảm chi phí nhân công do không cần đến những khâu như làm đất, làm cỏ, vun xới và tưới nước.

 Dễ dàng thanh trùng vì bạn chỉ cần sử dụng formaldehyde loãng cùng nước lã để rửa sạch.  Hạn chế được việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cũng như dễ dàng điều chỉnh hàm lượng dinh dưỡng nên sản phẩm đến tay người dùng đạt chất lượng cao.  Trồng được cả những loại rau trái vụ do có thể điều khiển được yếu tố môi trường.  Tăng năng suất cũng như chất lượng rau từ khoảng 25 – 500%  Hệ thống còn có khả năng điều chỉnh lượng N phù hợp để hàm lượng NO3- trong cây không cao.

 Nhược điểm của kỹ thuật thủy canh NFT  Chi phí cần thiết bỏ ra để xây dựng hệ thống bước đầu thường khá cao.  Nguồn nước cần phải đảm bảo đúng theo tiêu chuẩn đã được quy định sẵn.  Dung dịch dinh dưỡng được điều chỉnh độ pH và sục khí để cung cấp lượng oxy cho rễ.  Luôn đảm bảo dung dịch được chảy liên tục và không có dấu hiệu ngừng.Nhóm 4 Trang 5 Hệ Thống Vườn Rau Thông Minh GVHD: Nguyễn Khánh Quang 1.2 Công nghệ tưới nhỏ giọt Tưới nhỏ giọt đang là công nghệ mới đang được áp dụng nhiều trong thời gian gần đây.

Tưới nhỏ giọt là phương pháp nhằm tưới tiết kiệm nước và phân bón bằng cách điều tiết nước nhỏ giọt từ từ vào rễ phù hợp với nhiều loại cây khác nhau. Hoặc nhỏ lên bề mặt đất hay trực tiếp lên vùng có rễ, nhờ sử dụng một mạng lưới gồm các van, đường ống và lỗ thoát nước. Hệ thống tưới nhỏ giọt là mô hình một mạng lưới các đường ống phân phối nước được lắp ngay dưới mặt đất và theo hướng cây trồng. Có các điểm đầu nhỏ giọt được dán trực tiếp trên đường ống phân phối hoặc gắn thông qua các đầu nối với khoảng cách khác nhau tùy từng loại đất và cây trồng.

Các đầu nối này có thể nổi hoặc chìm dưới mặt đất tùy vào mục đích sử dụng. 2: Mô hình hệ thống tưới nhỏ giọt  Ưu điểm của phương pháp tưới nhỏ giọt  Công nghệ tưới nhỏ giọt có tốc độ tưới chậm, lượng nước ngấm từ từ, nhờ đó mà tiết kiệm được lượng nước, các chất dinh dưỡng trong đất không bị rửa trôi, tạo điều kiện cho cây phát triển.  Phương pháp tưới nhỏ giọt giúp tiết kiệm tới 50% lượng nước và 80% thời gian tưới mỗi ngày so với cách tưới thủ công.  Tưới nước nhỏ giọt thích hợp với hầu hết các loại cây trồng.

 Nước được đưa chính xác tới vị trí cần tưới, tránh việc vung vãi ra xung quanh giúp cho cỏ dại phát triển.  Nhược điểm của hệ thống tưới nhỏ giọt  Tắt nghẽn: Là hiện tượng khá phổ biến khi sử dụng hệ thống tưới nhỏ giọt hiện nay, nguyên nhân là do chất lượng nguồn nước và chất liệu làm đường ống. Để tránh việc tắc nghẽn, cần xử lí nguồn nước sạch sẽ, không có rác bẩn và tạp chất.  Phân bố vùng ẩm: Do chỉ nhỏ giọt được ở một vị trí nên đôi khi xảy ra vấn đề không cân đối vùng ẩm quanh gốc cây, một mặt được cung cấp nước thì độ ẩm tốt, mặt kia không được cung cấp lại khô khan.

 Tích tụ muối: Hệ thống tưới nhỏ giọt có thể áp dụng với nước mặn, nhưng có một vấn đề phát sinh là xảy ra việc tích tụ muối ở rìa vùng ẩm sau một thời gian khô hạn kéo dài. Khi có mưa, muối sẽ được rửa và tan vào vùng rễ gây xót và hại cây.Nhóm 4 Trang 6 Hệ Thống Vườn Rau Thông Minh GVHD: Nguyễn Khánh Quang Để khắc phục vấn đề này, cần tưới bổ sung bằng cách tưới phun mưa để rửa trôi lượng muối tích tụ giữa các mùa.  Chi phí ban đầu cao: Chi phí vật tư và lắp đặt hệ thống tưới nhỏ giọt tương đối cao. Ngoài ra còn chi phí vận hành sau này như bảo dưỡng, thay thế khiến người dẫn khó chấp nhận.3 Sơ đồ và mô tả công nghệ của vườn rau thông minh Sau khi tìm hiểu và phân tích các công nghệ vườn rau thông minh hiện nay, nhóm chúng em quyết định chọn hệ thống vườn rau thông minh sử dụng công nghệ tưới nhỏ giọt.

Các yêu cầu cải tiến của hệ thống: Theo như chúng ta đã biết thì ngoài việc quản lý việc tưới tiêu của cây trồng hợp lý, hiệu quả. Thì việc cây trồng có phát triển tốt và đạt được năng xuất cao hay không thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như là theo mùa (hiện tượng xói mòn đất trong mùa mưa,…), nhiệt độ, ánh sáng,… Để giải quyết các yêu cầu trên thì nhóm đã quyết định xây dựng một hệ thống vườn dưới dạng nhà lưới với mái chè sử dụng màn PE có tác dụng che mưa hoàn toàn. 3: Hệ thống vườn dạng nhà lưới Đồng thời giám sát điều chỉnh nhiệt độ trong nhà vườn bằng các hệ thồng phun sương và quạt thông gió. 4: Hệ thống quạt gió 18N33C.Nhóm 4 Trang 7 Hệ Thống Vườn Rau Thông Minh GVHD: Nguyễn Khánh Quang Còn việc giảm tác động của cường đồ ánh sáng quá lớn trong mùa nắng thì nhà vườn sẽ được lắp đặt thêm hệ thống lưới che tự động thu lưới và kéo lưới.

5: Hệ thống lưới che nắng Điểm đặc biệt của hệ thống là việc tưới tiêu giám sát các yếu tố môi trường được thực hiện một cách tự động có cài đặt trước tùy theo yêu cầu của người dùng cũng như cây trồng. Đồng thời cũng có thể điều khiển trực tiếp bằng tay nếu người dùng muốn. Công nghệ tưới được sử dụng giúp cho việc tưới tiêu dễ dàng, tiếm kiệm nước thích hợp với tình trạng tài nguyên nước suy giảm hiện nay. Sơ đồ công nghệ của hệ thống: Hình 1.

6: Sơ đồ công nghệ vườn rau thông minh  Chú thích: (1) Máy bơm nước tưới cây. (2) Cảm biến nhiệt độ phòng. (8) Động cơ kéo lưới. (3) Cảm biến cường độ ánh sáng.

(4) và (5) Công tắc hành trình.