hệ thông trồng cây trong nhà kính s7 1200

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan bài tiểu luận đề tài: “Thiết kế và mô phỏng hệ thống trồng cây
trong nhà kính” là bài viết của tơi, khơng sao chép, không thuê mướn người khác thực
hiện.
Tất cả những sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài báo cáo đều
được trích dẫn đầy đủ, ghi nguồn gốc rõ ràng và được phép cơng bố.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về tính trung thực của các nội dung trong đề
tài của mình.
Sinh viên thực hiện

i


Lời cảm ơn
Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Trường Đại học
Sài Gịn nói chung cũng như Khoa Điện Tử Viễn Thơng nói riêng, đã đưa học phần
“Thiết kế, mơ phỏng và vận hành hệ thống điện có nguồn phân tán” vào chương trình
đào tạo. Trong quá trình thực hiện học phần này, tơi đã học hỏi được rất nhiều điều bổ
ích: Giúp tơi có khả năng tìm tịi, sáng tạo, tự lập các phương án thiết kế cho đề tài.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Trương Tấn, thầy giảng dạy
tận tình và đồng hành với tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua. Hàng tuần trong
mỗi tiết học, thầy tận tâm lắng nghe tiến trình xây dựng đề tài này của tơi và đưa ra
góp ý giúp tơi hồn thiện từng bước từng bước một. Trong thời gian làm việc với thầy,
tôi không những tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần
làm việc nghiêm túc, hiệu quả đây là hành trang cần thiết cho tôi trong hành trình học
tập và làm việc sau này.
Cảm ơn các tác giả của các cơng trình mà tơi có sử dụng dùng làm nguồn tài liệu
tham khảo cùng với tất cả bạn bè đã ủng hộ, động viên trong suốt thời gian nghiên cứu
đề tài.
Mặc dù rất nổ lực và cố gắng để hoàn thành bài tiểu luận này nhưng chắc chắn sẽ
khơng thể tránh có sai sót. Vì vậy tơi rất mong được sự đánh giá và góp ý từ Q Thầy

Cơ cùng tồn thể các bạn.
Tơi xin chân thành cảm ơn.

Mục lục
Trang
2

2
2


Trang phụ bìa...........................................................................................................i
Lời cam đoan..........................................................................................................ii
Lời cảm ơn............................................................................................................iii
Mục lục................................................................................................................... 1
Danh mục hình........................................................................................................4
Danh mục bảng.......................................................................................................6
Danh mục các cụm từ viết tắt..................................................................................7
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về phương pháp trồng cây tự động trong nhà kính...............10
1.1.1. Tính cấp thiết của phương pháp trồng cây trong nhà kính...................10
1.1.2. Giới thiệu phương pháp trồng cây tự động trong nhà kính..................10
1.1.3. Những điểm tích cực của hệ thống trồng cây trong nhà kính...............11
1.1.4. Những hạn của hệ thống trồng cây tự động.........................................12
1.1.5. Một số mơ hình nhà kính ở Việt Nam..................................................13
1.2. Tổng quan về cải ngọt..................................................................................14
1.2.1. Yêu cầu về sinh thái............................................................................14
1.2.2. Giống...................................................................................................14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở lý thuyết ….........................................................................................15
2.1.1. Ảnh hưởng của ánh sáng.....................................................................15
2.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ CO2...............................................................15
2.1.3. Ảnh hưởng của nước...........................................................................15
2.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ......................................................................16
2.1.5. Kết luận...............................................................................................16
2.2. Cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển PID….....................................................17
2.2.1. Giới thiệu............................................................................................17
2.2.2 Chuyển đổi và chuẩn hoá các giá trị đưa vào vòng lặp.........................18
2.2.3 Phương pháp lựa chọn luật điều khiển.................................................18
2.3. Xử lý tín hiệu Analog…...............................................................................20
2.3.1. Cách đọc tín hiệu Analog....................................................................20
2.3.2. Cách xuất dữ liệu Analog....................................................................20
2.3.3. Nguyên lý xử lý tín hiệu Analog..........................................................20
2.4. Phương pháp mơ hình hóa…......................................................................22

CHƯƠNG III: TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ
3.1. Tổng quan bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200 …...............................24
3.1.1 Giới thiệu.............................................................................................24
3.1.2. Cấu tạo PLC S7-1200..........................................................................24
3.1.3. Các dịng chính của PLC S7-1200.......................................................25
3

3
3


3.1.4. Dòng PLC S7-1200 sử dụng cho hệ thống..........................................26

3.1.5. TIA Protal V16....................................................................................26
3.1. Cảm biến …..................................................................................................28
3.2.1. Cảm biến nhiệt độ...............................................................................28
3.2.2. Cảm biến độ ẩm đất.............................................................................30
3.3. Máy bơm phun sương ….............................................................................30
3.4. Quạt làm mát, quạt hút ẩm….....................................................................30
3.4.1. Quạt làm mát.......................................................................................31
3.4.2. Quạt hút ẩm.........................................................................................31
3.5. Động cơ đóng/mở lưới…..............................................................................31
3.5. Động cơ đóng/mở lưới…..............................................................................31
3.6. Một số khí thiết bị dùng trong tủ điện…....................................................32
3.6.1. Khí cụ điện đóng/cắt – CB..................................................................32
3.6.2. Contactor.............................................................................................32
3.6.3. Relay trung gian..................................................................................32
3.6.4. Cơng tắc hành trình.............................................................................33
3.6.5. Cơng tắc..............................................................................................33
3.6.6. Đèn báo...............................................................................................33
3.7. Chọn dây dẫn cho hệ thống …....................................................................34

CHƯƠNG IV:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH
4.1. Thiết kế hệ thống..........................................................................................35
4.1.1. Tính tốn thực tế..................................................................................35
4.1.2. Sơ đồ nguyên lý...................................................................................36
4.1.3. Sơ đồ khối hệ thống.............................................................................37
4.1.4. Lưu đồ giải thuật.................................................................................38
4.1.5. Chương trình chính điều khiển hệ thống.............................................40
4.1.6. Mơ phỏng hệ thống trên Wincc...........................................................43
4.2. Xây dựng mơ hình........................................................................................44
4.2.1. Thi cơng mơ hình................................................................................44

4.2.2. Hệ thống bơm tưới phun sương...........................................................44
4.2.3. Đường ống dẫn và bố trí bec phun sương............................................45
4.2.4. Hệ thống quạt làm mát, hút ẩm............................................................45
4.2.5. Hệ thống đóng/mở lưới che.................................................................45
4.2.6. Hệ thống chiếu sáng............................................................................46
4.2.6. Tủ điều khiển.......................................................................................47
KẾT LUẬN.........................................................................................................49
KIẾN NGHỊ........................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................51
4

4
4


Danh mục hình
5

5
5


TT

6

TÊN HÌNH

6
6

TRAN
G


7

Hình 1.1

Một số mơ hình nhà kính phát triển nhất ở Việt Nam

13

Hình 1.2

Một số giống cải ngọt ở Việt Nam

14

Hình 2.1

Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng của cải ngọt

15

Hình 2.2

Ảnh hưởng của CO2 đến sự sinh trưởng của cải ngọt

15

Hình 2.3

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của cải ngọt

16

Hình 2.4

Mơ tả tập hợp các hệ thống

16

Hình 2.5

Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

17

Hình 2.6

Đọc tín hiệu Analog

20

Hình 2.7

Xuất tín hiệu analog

20

Hình 2.8

Hàm Analog Input

21

Hình 2.9

Hàm Analog Output

22

Hình 2.10 Phương pháp mơ hình hóa

22

Hình 3.1

Cấu tạo PLC S7-1200

25

Hình 3.2

PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC

26

Hình 3.3

Các kiểu của Step 7 basic

27

Hình 3.4

Cảm biến nhiệt độ Pt100

28

Hình 3.5

Q trình chuyển đổi tín hiệu Pt100

30

Hình 3.6

Cảm biến độ ẩm đất

30

Hình 3.7

Bơm tăng áp Kazuma 0.5HP

30

Hình 3.8

Quạt làm mát cơng nghiệp Fag Fdv

31

Hình 3.9

Quạt khung vng Super Win FD

31

Hình 3.10 Động cơ giảm tốc 60KTYZ

31

Hình 3.11 Khí cụ điện đóng/cắt-CB

32

Hình 3.12 Contactor

32

Hình 3.13 Cơng tắc hành trình

33

Hình 3.14 Cơng tắc dùng trong hệ thống

33

Hình 3.15 Đèn báo trong hệ thống

33

Hình 4.1

Kích thước mơ hình thực tế

35

Hình 4.2

Sơ đồ ngun lý hệ thống

36

Hình 4.3

Sơ đồ khối hệ thống

37

Hình 4.4

Lưu đồ giải thuật chế độ hoạt động

38

Hình 4.5

Lưu đồ giải thuật chế độ điều khiển bằng tay

38

Hình 4.6

Lưu đồ giải thuật điều khiển chế độ hoạt động theo nhiệt độ

39

7
7


Hình 4.7

Lưu đồ giải thuật điều khiển chế độ hoạt động theo độ ẩm

39

Hình 4.8

Màng hình mơ phỏng hệ thống trên Wincc

43

Hình 4.9

Máy bơm phun sương cho mơ hình

44

Hình 4.10 Đường ống dẫn và béc phun sương

45

Hình 4.11 Hệ thống quạt làm mát, hút ẩm

45

Hình 4.12 Hệ thống đóng/mở lưới

46

Hình 4.13 Hệ thống chiếu sáng

46

Hình 4.14 Mặt ngồi và mặt trong cửa tủ điều khiển

47

Hình 4.15 Bên trong tủ điều khiển

47

Danh mục bảng
TT

TÊN BẢNG

TRANG

Bảng 2.1

Điều kiện chọn luật điều khiển phù hợp với hệ thống

19

Bảng 3.1

Thông số kỹ thuật của các dịng CPU chính.

25

Bảng 3.2

Thơng số kỹ thuật của các dịng CPU chính.

34

Bảng 4.1

Định các địa chỉ vào/ra

40

Bảng 4.2

Định các địa chỉ vào/ra của bộ điều khiển PID

40

8

8
8


Danh mục các cụm từ viết tắt

9

STT

CỤM TỪ VIẾT TẮT

TÊN HOÀN CHỈNH

1

PLC

Programmable Logic Controller

2

CPU

Central Processing Unit

3

AC

Alternating Current

4

DC

Direct Current

5

RLY

Relay

6

P

Proportional
9
9


7

PI

Proportional Integral

8

PID

Proportional Integral Derivative

9

WinCC

Windows Control Center

10

MCCB

Moulded Case Circuit Breaker

11

PC

Personal Compute

12

HMI

Human-Machine-Interface

13

E

Error

14

SP

Setpoint

15

PV

Process Variable

16

FFC

Feed Forward Compensation

17

DTC

Dead Time Compensation

18

SPW

SetPoint Weighting

19

PPT

Pole Plactôient Tuning

20

MSB

Most Significant Bit

21

LSB

Least Significant Bit

22

CB

Circuit Breaker

23

PTO

Pulse Train Output

23

IEC

International Electrotechnical
Commission

MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản xuất
là rất nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp. Trong nông
nghiệp, nhờ ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất lượng
cây trồng tăng lên đáng kể. Với cơng nghệ trồng rau trong nhà kính có sự hỗ trợ của
các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi như năng suất cao, chất
lượng tốt, sạch, an tồn mà cịn có thể trồng những loại cây mà từ trước không phải là
truyền thống của vùng miền.
Bên cạnh đó, nhà nước ta đã và đang khuyến khích việc áp dụng các thành tựu
khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất nhằm nâng cao chất lượng cũng như số lượng
hàng hóa, đem lại hiệu quả kinh tế góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội, nâng
cao chất lượng cuộc sống người dân. Với những định hướng rõ ràng đó, nhiều thành

10

10
10


tựu khoa học đã được áp dụng vào tất cả các lĩnh vực, các ngành sản xuất. Ngành nông
nghiệp cũng khơng nằm ngồi xu hướng đó nhất là trong bối cảnh nước ta đã tham gia
vào hiệp định tự do của kinh tế thế giới. Bởi vì lẽ đó nếu khơng nhanh chóng áp dụng
các tiến bộ khoa học kỹ thuật, không đổi mới phương thức sản xuất và canh tác truyền
thống thì ngành nơng nghiệp sẽ tụt hậu so với thế giới và khu vực.
Trong bối cảnh thực phẩm bẩn đang lan tràn mọi ngõ ngách, rau phun thuốc kích
thích buổi sáng buổi chiều hái đem ra chợ bán khiến nhiều người dân lúc nào cũng
cảm thấy hoang mang, lo sợ. Giải pháp trồng rau sạch trong nhà kính tạo ra nguồn rau
sạch giúp bảo vệ sức khỏe cho người sử dụng mang lại nguồn thu nhập kính tế cao cho
nhà vườn. Tuy nhiên việc áp dụng mơ hình trồng rau sạch ở nước ta vẫn còn nhỏ lẻ vì
nhà vườn khó tiếp cận được với cơng nghệ chăm sóc rau tự động. Trước thực trạng đó
tơi đã nghiên cứu, xây dựng mơ hình thu gọn và hồn thành bài tiểu luận với đề tài:
“Thiết kế và mô phỏng hệ thống trồng cây trong nhà kính”. Với mục đích giúp cho
nhà vườn tiếp cận gần hơn với công nghệ chăm sóc tự động trong nhà kính với đối
tượng cụ thể là rau cải ngọt. Nhà vườn có thể áp dụng cho các loại rau trồng khác tùy
theo điều kiện sinh trưởng và phát triển của từng loại cây.
Trong đề tài này tôi xin được giới thiệu giải pháp dùng PLC để điều khiển và giám
sát quá trình phát triển sinh trưởng của rau cải ngọt trong nhà kính nhằm mục đích
nâng cao chất lượng sản lượng sản phẩm, giảm sức người và đưa những thành tựu của
ngành tự động hóa vào phát triển nơng nghiệp cơng nghệ cao. Tơi tập trung vào hai
hướng chính là: Điều khiển và giám sát.
 Điều khiển hệ thống phun sương phục vụ tưới tiêu, hệ thống quạt thơng gió, quạt

hút ẩm, hệ thống chiếu sáng, hệ thống đóng/mở lưới che.

 Giám sát các thông số cần thiết cho rau cải ngọt trong nhà kính như: nhiệt độ khơng
khí, độ ẩm đất. Giám sát tiến trình hoạt động của các thiết bị trong hệ thống. Qua đó
nhắm tối ưu hóa những điều kiện lý tưởng nhất và phòng tránh được những dịch bệnh
gây bất lợi cho cây trồng.
Tồn bộ q trình tìm hiểu về lý thuyết, áp dụng những kiến thức đã học vào tính
tốn thực tế. Cũng như q trình thiết kế hệ thống và xây dựng mơ hình được trình bày
đầy đủ, với số liệu thật, rõ ràng, được đúc kết trong bài tiểu luận. Với phần mở đầu,
bốn chương nội dung:





Chương I: Tổng quan về đề tài
Chương II: Cơ sở lý thuyết
Chương III: Tổng quan các thiết bị
Chương IV: Thiết kế hệ thống và xây dựng mơ hình

Cuối cùng là kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo.

11

11
11


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về phương pháp trồng cây tự động trong nhà kính
1.1.1. Tính cấp thiết của phương pháp trồng cây trong nhà kính

Thời gian qua, sản xuất nông nghiệp trên cả nước chịu rất nhiều khó khăn, bất lợi
do thời tiết, dịch bệnh, suy thối kinh tế, giá cả hàng nơng sản bấp bênh, chịu sự cạnh
tranh của hàng hóa nước ngồi, trong khi giá vật tư đầu vào không ổn định và đang có
xu hướng tăng cao. Ngồi ra với tình hình thực phẩm bẩn, kém chất lượng trên thị
trường như hiện nay người tiêu dùng rất cần những sản phẩm nông nghiệp sạch chất
lượng cao mà không phải chi quá nhiều tiền để sử dụng sản phẩm nhập khẩu là một
nhu cầu bức thiết, cấp bách. Ở nước ta hiện nay ngành nơng nghiệp vẫn giữ vai trị
quan trọng trong việc phát triển kinh tế và khi kinh tế, nước ta hội nhập quốc tế cũng
đem lại nhiều thuận lợi như thị trường mở rộng, sản phẩm làm ra được xuất khẩu đi rất
nhiều nơi trên thế giới. Nhưng cũng có khơng ít khó khăn thách thức cho ngành nơng
nghiệp nước ta.
12

12
12


Việc cấp bách nhất để vực dậy nền nông nghiệp nước ta là tập trung vào việc nâng
cao năng suất, chất lượng sản phẩm. Phát triển nông nghiệp bền vững nhằm tạo ra
những sản phẩm nông nghiệp đạt chuẩn thế giới. Do đó sử dụng phương pháp trồng
cây tự động trong nhà kính là rất cần thiết để nâng cao năng suất, chất lượng của nền
nông nghiệp nước ta.
1.1.2. Giới thiệu phương pháp trồng cây tự động trong nhà kính

Nhà kính trồng rau, trồng hoa là mơ hình nhà được bao bọc bởi kính hoặc các vật
liệu tương tự như nhựa trong hay nilon. Nhà kính phù hợp với yêu cầu phát triển nơng
nghiệp bền vững, cho phép kiếm sốt đầy đủ và chặt chẽ thơng số của q trình sản
xuất như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khí oxy, carbonic.., kể cả việc sử dụng tối ưu đất
canh tác, kiểm sốt được tình hình sâu bệnh để đáp ứng sự sinh trưởng phát triển của
cây trồng đạt được sản lượng cao nhất.

Mơ hình nhà kính nơng nghiệp đã được áp dụng ở rất nhiều quốc gia trên thế giới
như Nhật Bản, Mỹ, Pháp, Hà Lan, Trung Quốc, Israel. Hầu hết các loại nhà kính cơng
nghệ cao ở Việt Nam đều được nhập cơng nghệ trực tiếp hoặc mơ hình chuyển giao
cơng nghệ từ các nước có nền nơng nghiệp cơng nghệ cao như Nhật Bản, Israel… Chi
phí cho mơ hình này khá cao nhưng đổi lại sản phẩm được trồng trong nhà kính cũng
có chất lượng rất tốt.
 Phương pháp kỹ thuật thiết kế mơ hình vườn rau nhà kính

Về vị trí địa lý: Xây dựng mơ hình trồng rau trong nhà kính thích hợp nhất là
khơng bị che khuất về ánh sáng, có nguồn nước đảm bảo cho tưới tiêu trong vườn về
số lượng luống rau trồng lẫn chất lượng về nước tưới. Gần đường vận chuyển để tiện
giao dịch sản lượng sau mỗi đợt thu hoạch rau, gần lưới điện để phục vụ cho cung cấp
chiếu sáng ban đêm và các thiết bị khác. Ở phương Đông nhà nông thường quan niệm
về phong thủy khi xây dựng, nên thường chọn xây dựng hướng Đơng Nam hoặc Nam
vì đây là hướng của Mặt Trời mọc để đem lại hiệu quả và may mắn trong quá trình sản
xuất và kinh doanh.
Về vật liệu mơ hình: Vật liệu che phủ của hệ thống phải đảm bảo các đặc tính về
truyền sáng, khuếch tán ánh sáng, chống côn trùng và bụi bẩn bên ngoài xâm nhập,
đặc biệt phần mái che phải chống thấm nước khi có trời mưa to bên ngồi. Vật liệu bên
ngoài thị trường giá cả cũng phù hợp để thiết kế mơ hình trồng trọt thâm canh hiệu quả
năng suất cao.
1.1.3. Những điểm tích cực của hệ thống trồng rau trong nhà kính

Hiện nay, vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm là một trong những vấn đề nóng của
xã hội. Trong những năm trở lại đây, thực phẩm sạch chưa bao giờ hết đáng chú ý,
những vụ việc đáng tiếc xảy ra do nguồn thực phẩm bẩn ngày càng gia tăng. Chính vì
thế, người nơng dân cũng phải chủ động tìm cho mình những hướng đi mới nhằm nâng
cao chất lượng sản phẩm cũng như năng suất cây trồng.
13

a. Nâng cao chất lượng nông sản
13
13


Mơ hình nhà kính cũng mới xuất hiện ở Việt Nam cách đây vài năm. Người ta
thường kết hợp nhà kính với hệ thống trồng rau thủy canh để cho năng suất trồng rau
cao hơn. Việc sử dụng hệ thống trồng rau thủy canh cũng giúp tiết kiệm được nhiều
chi phí so với trồng rau theo phương pháp truyền thống. Mơ hình nhà kính cũng có tác
dụng giúp tiết kiệm lượng nước nhờ việc giữ lại hơi nước ở bên trong nhà kính, giúp
mơi trường ln có đủ độ ẩm cần thiết.
Trồng cây trong nhà kính cũng giúp hạn chế được lượng phân bón và thuốc trừ sâu sử
dụng cho cây. Từ đó cũng phần nào giúp sản phẩm nơng sản tươi ngon và an toàn hơn.
b. Tăng năng suất, hiệu quả trồng trọt

Nhà kính cũng có tác dụng giảm bớt tác động của môi trường đến cây trồng.
Cây trồng trong nhà kính sẽ khơng phải chịu ánh nắng gay gắt hay những trận mưa to
gió lớn. Nhờ đó, rau quả và hoa cũng tươi tốt và phát triển mạnh hơn.
Xét về năng suất, mơ hình trồng rau trong nhà kính cho năng suất cao hơn hẳn
phương pháp trồng trọt thông thường. Hiện nay, ở Việt Nam, người nông dân cũng đã
và đang áp dụng mơ hình nhà kính trong nơng nghiệp để cho sản phẩm có chất lượng
tốt, đảm bảo sức khỏe người tiêu dùng.
c. Giảm chi phí hoạt động của trang trại

Khi sử dụng nhà kính, chi phí cho phân bón và thuốc trừ sâu được giảm thiểu.
Do nhà kính là khơng gian lý tưởng cho cây trồng sinh trưởng và phát triển. Không chỉ
vậy, sâu bệnh hại hay bệnh do nấm gây ra cũng khó có thể lây nhiễm vào bên trong
khơng gian nhà kính. Vì thế chi phí cho thuốc trừ sâu và phân bón được giảm thiểu.
Người nơng dân sẽ khơng cịn phải q lo lắng về thời tiết hay sâu bệnh, việc chăm
sóc cây trồng cũng trở nên nhàn hạ hơn. Cây trồng luôn phát triển khỏe mạnh và cho

năng suất cao nhờ mô hình trồng cây trong nhà kính.
d. Dễ dàng kiểm sốt mơi trường bên trong nhà kính

Khi sử dụng nhà kính, người nơng dân có thể dễ dàng kiểm sốt mơi trường
trồng trọt bên trong nhà kính. Vào mùa đơng, nhà kính giúp che chắn sương giúp cây
khơng bị hư hại. Vào mùa hè, nhà kính có tác dụng che chắn mưa gió bảo vệ cây trồng
khơng bị đổ, dập nát. Khi nhiệt độ tăng lên, nhà kính cịn có thể giải phóng nhiệt ra
bên ngồi giúp mơi trường bên trong ln là hồn hảo nhất cho cây trồng phát triển.
e. Thân thiện với mơi trường

Việc cắt giảm lượng phân bón và thuốc trừ sâu cho cây cũng góp phần làm sạch
môi trường đất, bảo vệ nguồn nước ngầm khỏi tác động của các loại hóa chất bảo vệ
thực vật. Khơng sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật cũng góp phần tạo nên
những sản phẩm nơng sản sạch, thân thiện với con người và đảm bảo sức khỏe cho
người tiêu dùng.
1.1.4. Những hạn chế của hệ thống trồng cây tự động

14

14
14


Bên cạnh những ưu điểm và năng suất và chất lượng cây trồng, không thể không
kể đến những tác động của nhà kính đến mơi trường xung quanh. Dù là phương pháp
canh tác áp dụng công nghệ hiện đại nhưng việc sử dụng nhà kính trong nơng nghiệp
cũng vẫn cịn một số hạn chế.
a. Chi phí xây dựng hệ thống nhà kính lớn

Điều lo ngại lớn nhất đó chính là chi phí xây dựng. Hệ thống nhà kính tốn khá

nhiều chi phí, nhất là các chi tiết nhỏ như những tấm kính, khung sắt, lắp đặt hệ thống
điện. Vì vậy, các nhà đầu tư cần phải đảm bảo được nguồn vốn lớn thì mới triển khai
được.
Các nhà đầu tư cần phải tính tốn thật ký lưỡng trước khi đưa vào xây dựng và
nên biết rằng sử dụng nhà kính trong thời gian bao lâu và quá trình xây dựng dài hay
ngắn để biết tổng tốn phí là bao nhiêu, nhằm tránh rủi ro thất bại.
b. Không thể trồng nhiều loại cây trơng cùng 1 nhà kính

Hệ thống nhà kính chỉ được xây dựng với quy mơ diện tích nhỏ, khoảng chừng
500-1000m2, do đó rất khó để có thể trồng nhiều loại rau, cây ăn quả cùng một lúc.
Nếu muốn trồng nhiều, nhà đầu tư cần mở rộng thêm hệ thống khác và điều này lại rất
tốn chi phí.
c. Chất lượng nơng sản phần nào bị ảnh hưởng

Nhà kính, màng bọc hay nhà lưới có mục đích nhằm hạn chế tác động của thời
tiết và sự biến đổi khí hậu đến cây trồng. Vì thế, những vùng có khí hậu ổn định, thổ
nhưỡng tốt và thích hợp làm nơng nghiệp thì khơng cần thiết phải sử dụng đến nhà
kính, về lâu dài có thể sẽ ảnh hưởng đến chất lượng nơng sản. Theo các chuyên gia,
việc sử dụng nhà kính để trồng cây chỉ là phương pháp canh tác cuối cùng để áp dụng
cho những nơi đất đai cằn cỗi.
d. Ảnh hưởng đến cảnh quan

Ảnh hưởng nặng nề nhất về cảnh quan đó là tại những vùng trồng cây trong nhà
kính ở Đà Lạt. Thay vì một màu xanh tươi bạt ngàn thì giờ đây Đà Lạt lại có màu
trắng mờ, nhàn nhạt bao phủ khắp các thung lũng, ruộng vườn. Điều này đã ảnh hưởng
rất lớn đến một địa điểm du lịch nổi tiếng như Đà Lạt. Ở các nước trên thế giới, nhà
kính thường được sử dụng ở những nơi khí hậu khắc nghiệt và vấn đề cảnh quan
khơng phải vấn đề lớn. Hiện nay, Đà Lạt cũng đang dần thay đổi và trở về áp dụng
phương pháp canh tác tự nhiên, giảm số lượng nhà kính và trả lại cảnh quan xinh đẹp
cho thành phố mờ sương này.

Như vậy việt trồng cây trong nhà kính có rất nhiều ưu điểm như làm tăng năng
suất cũng như chất lượng nơng sản, tiết kiệm chi phí phân bón và thuốc trừ sâu. Tuy
nhiên, nếu không được nghiên cứu và phát triển một cách hợp lý thì nhà kính có thể
đem lại những hệ lụy không mong muốn cho môi trường và thậm chí là cả chất lượng
nơng sản.
15

15
15


1.1.5. Một số mơ hình nhà kính ở Việt Nam

Các mơ hình nhà kính nơng nghiệp ở Việt Nam được nghiên cứu dựa trên nhiều
yếu tố khác nhau. Có thể là dựa trên loại cây trồng sản xuất, dựa trên các yếu tố về
cơng nghệ đầu tư… và nó sẽ có ảnh hưởng trực tiếp tới mức giá cũng như quy cách
thiết kế các mơ hình. Có một số mơ hình đạt hiểu quả kinh tế cao ở nước ta.

Hình 1.1: Một số mơ hình nhà kính phát triển nhất ở Việt Nam

1.2. Tổng quan về cải ngọt
1.2.1. Yêu cầu về sinh thái
a. Nhiệt độ:
- Nhiệt độ thích hợp 10 - 35°C, cải ngọt là cây ưa ẩm, độ ẩm đồng ruộng thích

hợp nhất 75 - 85%, độ ẩm khơng khí là 80 - 90%.
- Cải ngọt có thể chịu được nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, nếu có sẵn
nước cho chúng.
- Nhiệt độ buổi tối sẽ giảm xuống và điều này rất tốt cho cây cải ngọt, nhưng
chúng không nên giảm xuống dưới 15°C ngay cả trong nhà kính, sẽ có nguy

cơ làm hỏng hoặc chết cây
b. Đất đai: Cải ngọt khơng kén đất nhưng đất thích hợp là đất cát pha thịt nhẹ
giàu dinh dưỡng và nhiều chất hữu cơ, đất có độ pH 6 - 6,5, đất thoát nước
tốt.
c. Ánh sáng: Giai đoạn đầu thường cây cần ánh sáng nhiều hơn giai đoạn sau.
Ánh sáng trung bình trong một ngày khoảng 10 - 12 giờ/ngày rất thuận lợi
để cây cải ngọt phát triển.
d. Nước tưới

16

16
16


-

-

Cải ngọt là loại cây có cấu trúc nhẹ, giịn, vì vậy nó cần được cung cấp đủ
nước ở tất cả các giai đoạn sinh trưởng để phát triển đúng cách và cho năng
suất tốt.
Nên tưới đẫm khay hạt giống bằng cách phun sương nhẹ, giữ cho khay luôn
ẩm nhưng thoát nước tốt.
Cây cải ngọt cần được tưới nước liên tục để tạo ra những chiếc lá mềm, giòn
và ngon, vì chúng là một loại cây ăn rễ nơng và cần đất thoát nước tốt.

1.2.2. Giống

Sử dụng một số giống có năng suất cao, kháng sâu bệnh tốt, thường sử dụng hai

nhóm giống chính:
 Cải ngọt trứng: Lá trắng chịu được mưa nắng, cuộn chắc.
 Cải ngọt li ti: Lá xanh nhạt, tán lớn, ít cuộn, xốp, chịu úng.

Xử lý hạt giống trước khi gieo, ngâm hạt giống bằng nước ấm 2 sôi 3 lạnh. Phương
pháp tốt nhất: xử lý hạt giống bằng thuốc có hoạt chất Iprodione (min 96%), sau đó
gieo trên khay xốp hoặc khay nhựa, đặt trong vườn ươm, chăm sóc khi cây đạt tiêu
chuẩn cây giống thì chuyển qua ruộng sản xuất.

Hình 1.2: Một số giống cải ngọt ở Việt Nam

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Yếu tố tác động đến sự sinh trưởng của cải ngọt
2.1.1. Ảnh hưởng của ánh sáng
Quang hợp ở cây xanh là q trình trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được
diệp lục hấp thụ để tạo ra cacbohiđrat và O2 từ khí CO2 và nước.
Như vậy đặc tính quang hợp của cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố chính như:
cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lượng CO2, và nước.

17

17
17


Hình 2.1: Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng của cải ngọt

2.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ CO2
Cây quang hợp được ở nồng độ CO 2 thấp nhất là 0,08 – 0,01%. Khi tăng nồng độ
CO2 lúc đầu cường độ quang hợp tăng tỉ lệ thuận sau đó tăng chậm cho tới khi đền trị

số bão hòa CO2. Vượt q mức đó thì cường độ quang hợp lại giảm.

Hình 2.2: Ảnh hưởng của CO2 đến sự sinh trưởng của cải ngọt

2.1.3. Ảnh hưởng của nước
Ảnh hưởng của nước đến sự đóng mở khí khổng, nên ảnh hưởng đến khả năng hấp
thụ CO2 vào lá để tiến hành các phản ứng quang hợp. Nước quyết định tốc độ vận
chuyển các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá. Thiếu nước sản phẩm quang hợp sẽ bị tắc
nghẽn dẫn đến ức chế quang hợp. Khi cây thiếu nước đến 40 – 60% thì quang hợp sẽ
giảm hoặc ngưng quang hợp

2.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng đến quá trình phản ứng enzim của cây. Dù nhiệt độ ở vị trí
cực đại hay cực tiểu đều làm ngưng việc quang hợp. Nhiệt độ phù hợp nhất cho cải
ngọt phát triển là 15 - 25°C. Vì vậy ta phải giữ cho nhiệt độ nhà kính ln ở mức thích
hợp để cây cải ngọt sinh trưởng và phát triển tốt nhất.

Hình 2.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của cải ngọt

2.1.5. Kết luận
Có nhiều yếu tố tác động đến sự sinh trưởng và phát triển của cây cải ngọt. Trong
đó đặc tính quang hợp rất quan trọng cho năng suất cây trồng, quyết định 90 – 95%
18
18
18


năng suất cây trồng. Do đó việc tìm hiểu về đặc tính quang hợp của cây trồng giúp cho
việc điều chỉnh ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm tốt hơn giúp cho cây trồng phát triển và cho
năng suất cao.

Để duy trì được các thơng số cơ bản như: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng phù hợp với
yêu cầu sinh trưởng và phát triển tốt nhất đối với cây cải ngọt thì ta tạo điều kiện trong
nhà kính là tốt nhất với các thiết bị kiểm sốt có một tập hợp tiểu hệ thống linh hoạt:
 Hệ thống giảm nhiệt độ: Hệ thống quạt làm mát, Hệ thống phun sương làm mát,

hệ thống dóng/mở lưới che.
 Hệ thống tưới nước: Hệ thống tưới phun sương.
 Hệ thống hút ẩm: Hệ thống quạt hút ẩm.
 Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng: Hệ thống đóng/mở lưới che, bổ xung
cường độ ánh sáng (đèn).

Hình 2.4 Mơ tả tập hợp các hệ thống

2.2. Cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển PID
2.2.1. Giới thiệu
Bộ điều PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng
rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều
nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là
hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.
Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều
khiển đầu vào. Trong trường hợp khơng có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển thì
bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất,
các thơng số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thốngtrong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của
hệ thống.
Từ hơn sáu thập kỷ nay, PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống
điều khiển bởi các lý do sau:
 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng.

19

19
19


 Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho một phần lớn các q trình cơng

nghiệp.
 Bộ điều khiển sẽ làm giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển
đầu vào.
Nhiều báo cáo đã đưa ra các con số thống kê rằng hơn 90% bài tốn điều khiển q
trình cơng nghiệp được giải quyết với các bộ điều khiển PID, trong số đó khoảng trên
90% thực hiện luật PI, 5% thực hiện luật P thuần túy và 3% thực hiện luật PID đầy đủ,
còn lại là những dạng dẫn xuất khác.

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Ở trạng thái ổn định, một bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh sao cho sai số (E error) giữa giá trị yêu cầu (SP - setpoint) và giá trị điều khiển (PV - process variable)
bằng 0. Nguyên lý của một điều khiển PID như vậy thể hiện trong phương trình sau:
u(t) = MV(t) = Kpe(t)+Ki
Nhằm mục đích áp dụng bộ điều khiển PID trên máy tính hay PLC nói riêng và
trong kỹ thuật số nói chung, chúng ta phải tiến hành “rời rạc hóa” phương trình nêu
trên. Cụ thể là lấy mẫu và lượng tử hóa các biến. Phương trình được viết lại như sau:
n

M n = k c .en + k i .∑ ei + M i + k d .( en − en −1 )
i =1

Trong đó:
Mn: Đầu ra của PID (đại lượng xử lý) ở thời điềm lấy mẫu n
kc: hằng số khuếch đại
en: sai số ở thời điểm lấy mẫu n.en = SPn – PVn

en-1: số ở thời điểm lấy mẫu ngay trước đó (n- 1).(en-1=SPn-1-PVn-1)
ki: hằng số khuếch đại của thành phần tích phân
MI: giá trị ban đầu của PID
kd: hằng số khuếch đại của thành phần vi phân

20

20
20


Tùy theo ứng dụng thực tế có thể bỏ bớt thành phần trong bộ điều khiển không
nhất thiết phải bao gồm đủ 3 thành phần, chẳng hạn có thể tạo bộ điều khiển tỉ lệ (P)
hay bộ điều khiển chỉ chứa các thành phần tỉ lệ và tích phân (PI). Sự lựa chọn này dựa
trên cách đặt các tham số.
Nếu muốn bỏ thành phần tích phân (bỏ I), ta chọn hệ số tích phân bằng vơ cùng
(Ti = ∞). Trong trường hợp này, thành phần tích phân vẫn khơng nhất thiết bằng 0 mà
có thể bằng một giá trị khơng đổi thông qua giá trị ban đầu.
Nếu muốn bỏ thành phần vi phân (bỏ D), ta chon hệ số vi phân bằng 0 (Td =0.0).
Nếu muốn bỏ thành phần tỉ lệ (bỏ P), ta chọn hệ số khuếch đại bằng 0 (Kc = 0.0).
Trong trường hợp này, vì các hằng số của các thành phần tích phân và vi phân có tính
theo nên đối với thành phần ấy, được hiểu là bằng 1.0.

2.2.2 Chuyển đổi và chuẩn hoá các giá trị đưa vào vòng lặp
Một vòng lặp điều khiển PID có hai đầu vào: đại lượng yêu cầu và đại lượng
thực tế. Đây là những đại lượng thật trong ứng dụng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ,…Để
đưa vào tính toán trong một bộ điều khiển, chúng phải được đo, chuyển đổi về giá trị
thích hợp và chuẩn hóa (nếu cần). Các bước này đều cần thiết cho một bộ điều khiển
PID, bộ này đòi hỏi các giá trị đầu vào là những giá trị số thực (dấu phẩy động) nằm
trong khoảng từ 0.0 đến 1.0.

2.2.3 Phương pháp lựa chọn luật điều khiển
Theo astrom và hangglund đưa ra một số nguyên tắc cơ bản sau:
 Chọn luật điều khiển PI là đủ nếu như q trình có đặc tính của một khâu qn






tính bậc nhất và khơng có thời gian trễ hoặc yêu cầu chính là chất lượng điều
khiển ở trạng thái xác lập, cịn đặc tính bán tín hiệu chủ đạo trong q trình q
độ khơng đặt ra hàng đầu. Thành phần I có thể bỏ qua nếu đối tượng đã có đặc
tính tích phân hoặc sai lệch tĩnh không nhất thiết phải triệt tiêu.
Chọn luật điều khiển PID nếu như q trình có đặc tính của khâu bậc 2 và thời
gian trễ tương đối nhỏ.
Đối với các quá trình có thời gian trễ lớn cần sử dụng các khâu bù trễ.
Sử dụng các khâu bù nhiễu nếu khả năng thực hiện cho phép để cải thiện chất
lượng điều khiển.
Các luật điều khiển P, PI, PD có thể chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra về chất
lượng điều khiển đối với các quá trình bậc cao, thời gian trễ lớn hoặc giao động
mạnh. Khi đó cần sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hoặc các sách lược
điều khiển đặc biệt hơn.

Kết luận: Từ 5 nguyên tắc trên với nhu cầu đáp ứng theo hệ thống trong đồ án có
đối tượng đáp ứng là bậc nhất thì tôi đưa ra kết luận sử dụng luật điều khiển P hoặc PI.
Vì q trình và cảm biến trong vịng điều khiển nhiệt độ và độ ẩm nhanh hơn thiết bị
chấp hành. Q trình có đặc tính tích phân nên sử dụng luật PI làm luật điều khiển cho
hệ thống. Ngồi ra cịn khâu PID thường đáp ứng với khâu quán tính bậc 2. Và thành
21

21
21


phần vi phân D ít sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo nhiệt độ và độ
ẩm ít khi có sự ảnh hưởng của nhiễu. Nên trong q trình đo nhiệt độ và độ ẩm khơng
sử dụng luật PID.
Bảng 2.1 Điều kiện chọn luật điều khiển phù hợp với hệ thống
STT

Điều kiện

θ1và k1
1

2

Điều
khiển
lỏng

θ1 > 1
k1 < 1,5
0, 6 < θ1 > 1

Điều khiển chặt
Nhiễu
đo lớn

Giới hạn điều Nhiễu đo nhỏ, giới

khiển nhỏ
hạn điều khiển lớn

I

I+FFC+
(DTC)

PI+FFC +
(DTC)

PI+FFC+DTC

I or PI

I+(FFC)

PI+(FFC)

PI+FFC+DTC

PI

PI

PI or PID

PDI

1,5 < k1 < 2, 25

3

0,15 < θ1 < 0,6
2, 25 < k1 < 15

4

θ1 < 0,15; k1 > 1,5
θ 2 > 0.3; k2 < 2

P or PI

PI

PI or PID

PI or PID

5

θ1 < 0,3
k2 > 2

PD+S

PPT

PD +SPW

PD +SPW

PW

Ghi chú:
FFC: bù nhiễu lọc nhiễu(Feed Forward Compensation)
DTC: bù trễ(Dead Time Compensation)
SPW: trọng số tín hiệu đặt (SetPoint Weighting)
PPT: chỉnh đặt điểm cực(Pole Plactơient Tuning)

2.3. Xử lý tín hiệu Analog
2.3.1. Cách đọc tín hiệu Analog
-

Kết quả được canh trái.
Ở chế độ đơn cực, ngõ vào thay đổi 1 đơn vị thì AIWxx thay đổi 8 đơn vị.
Ở chế độ lưỡng cực, ngõ vào thay đổi 1 đơn vị thì AIWxx thay đổi 16 đơn vị.

22

22
22


Hinh 2.6: Đọc tín hiệu Analog

2.3.2. Cách xuất dữ liệu Analog
-

Kết quả được canh trái.

MSB là bit dấu.
4 bit cuối khơng có ảnh hưởng đến điện áp xuất ra.

Hinh 2.7: Xuất tín hiệu analog
2.3.3. Nguyên lý xử lý tín hiệu Analog
Cảm biến nhiệt độ PT100 đo nhiệt độ trong nhà kính, tín hiệu giá trị đo được
chuyển đổi qua bộ chuyển đổi thành điện áp 0-10V và truyền về chân AI0 của bộ xử lý
trung tâm PLC S7-1200.
Cảm biến độ ẩm đất đo độ ẩm trong nhà kính và gửi trực tiếp tín hiệu analog về
chân AI1 của bộ xử lý trung tâm PLC S7 1200.
Trong bộ xử lý có tích hợp Module Analog biến giá trị này thành số nguyên từ 0 ÷
32000. Dữ liệu chiếm 2 byte tức 16 bit.

Tùy theo giá trị dãy đo của tín hiệu ta có hai dạng tín hiệu vào sau:
 Unipolar ( đơn cực ) :



Bipolar ( lưỡng cực ) :

Giá trị của phép đo sau khi EM235 nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ được
tính theo cơng thức :
Value =
23

23
23


Trong đó:

n: Là độ phân giải tính theo bit.
Input: Là tín hiệu điện áp hoặc dịng điện đưa về từ cảm biến áp suất.
Max/Min range: Là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của đầu vào tương tự.
Giá trị sẽ được làm trịn và đưa về tín hiệu dạng mã nhị phân nhờ bộ ADC.
CPU của PLC sẽ xử lý tín hiệu đó.
 Các hàm xử lý tín hiệu Analog trong TIA Portal V15

TIA Portal V15 cung cấp 2 khối hàm đó là NORMAL và SCALE, với 2 khối hàm
này ta hồn tồn có thể xử lý được tín hiệu Analog.
 Analog Input

Hình 2.8: Hàm Analog Input

Trong đó:
 #k1, #k2: Là dải đo được của đầu vào, ở đây ta sẽ lấy là 0 đến 27648.
 #sensor: Là giá trị tín hiệu đọc về từ cảm biến.
 #max, #min: Là dải giá trị. Ví dụ cảm biến nhiệt độ 0-100 oC thì min là 0oC, max

là 100oC.
 #out_put: Là giá trị của cảm biến. Ví dụ cảm biến đo được giá tri 25 oC, giá trị
này sẽ được tính tốn và hiển thị lên HMI.
 #temp: Là giá trị ô nhớ tạm.
 Analog Output

24

24
24

Hình 2.9: Hàm Analog Output
Trong đó:
#k1, #k2 : Là max min của thiết bị, ví dụ độ ẩm 0-100%
#in_put: Là giá trị đặt trong dãy max min, ví dụ là 80%
#max, #min: Là dải giá trị tính tốn của PLC, ở đây sẽ là 0 – 27648.
#out_put: Là giá trị đầu ra và sẽ được quy đổi ra giá trị áp đã được cài đặt trong
chương trình.
 #temp: Là giá trị ổ nhớ tạm.





2.4. Phương pháp mơ hình hóa
Phương pháp mơ hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối
tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mơ hình của chúng (các mơ hình này
bảo tồn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên
mơ hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực.
Mơ hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc tư duy để biểu diễn, phản ánh
hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trị đại diện, thay thế đối tượng

thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thơng tin mới tương tự đối tượng
thực.

Hình 2.10: Phương pháp mơ hình hóa
25

25
25