Proceedings VCM 2012 23 nghiên cứu hệ thống định ôn tự động phục vụ sản xuất

162 Nguyễn Văn Hùng, Kiều Việt Quốc


VCM2012
Nghiên cứu hệ thống định ôn tự động phục vụ sản xuất
giống cây trồng
Study on a System of Automatic Phytotron applying for
seed breeding
Nguyễn Văn Hùng, Kiều Việt Quốc
Trường ĐH. Nông Lâm Tp.HCM
;

Tóm tắt
Hiện tại, đáp ứng yêu cầu canh tác nông nghiệp công nghệ cao để có sản phẩm chất lượng cao, một số sản
phẩm nông nghiệp mà đặc biệt là giống phải được gieo trồng trong điều kiện khí hậu thích hợp.
Nghiên cứu đã thực hiện các vấn đề chính gồm thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm một hệ thống định ôn (điều
khiển tiểu khí hậu) tự động phục vụ sản xuất giống cây trồng được lắp đặt tại Tỉnh Bình Dương. Các yêú tố
tiểu khí hậu bên trong hệ thống như nhiệt độ, ẩm độ môi trường, CO
2
, ánh sáng được điều khiển tự động hòan
toàn đáp ứng yêu cầu sản xuất giống. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tương ứng với nhiệt độ và ẩm
độ môi trường tại Bình Dương khoảng 32
0
C và 65%, hệ thống với các cơ cấu chấp hành như mái thông thoáng,
quạt, thiết bị làm mát trữ nước (cooling pad), phun sương có thể hạ nhiệt độ 5
0
và khống chế ẩm độ dưới 85%.
Nhiệt độ trong hệ thống định ôn được điều khiển đều dưới 28
0
C đáp ứng yêu cầu thuần giống.
Key words: nhà kính, định ôn, nhiệt độ, năng lượng

Abstract
Currently, Satisfying requirements of high technological agriculture to have high quality, some high-value
agricultural products and especially seeds must be cultivated in their favorable climate conditions.
This paper described the results of designing, manufacturing and testing of a system of automatic phytotron
installed in Binhduong province. This system could be controlled the inner climate factors including
temperature, relative humidity, brightness, and carbon dioxide for agricultural seed breeding. Furthermore,
an investigation of these inner climate factors inside the system was conducted. Outside temperature in
BinhDuong province was rather high and increased at the highest level of about 32
0
C and relative humidity of
about 65%. The cooling method of ventilation roof, fan, cooling pad and fogging induced the inside
temperature decreasing about 5
0
C and relative humidity regulated at under 85%. Temperature inside the
phytotron could be controlled at under 28
0
C as requirement of seeding.


Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
t
0
C Nhiệt độ
RH % Ẩm độ tương đối không
khí
D

Tỉ lệ kích thước
T

Tỉ lệ nhiệt độ
T

Độ ổn định nhiệt độ

Chữ viết tắt
PLC Programmable logic controlller
HMI Human machine interface
PIC Peripheral Interface Controller
1. Đặt vấn đề
Trong chủ trương hiện đại hoá, công nghiệp hóa
của chính phủ, sau nhiều năm chú trọng đầu tư
phát triển nông nghiệp “công nghệ cao” đã mang
lại nhiều thành tựu, lợi ích đáng khích lệ nhưng
thành công chủ yếu là từ một số mô hình sản xuất
của công ty nước ngoài như Hasfarm, còn trong
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 163


Mã bài: 37
nước thì vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại cần phải
quan tâm.
Nguyên nhân những tồn tại trên không loại trừ
những điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho sản
xuất nông nghiệp nhưng những bất lợi này có thể
khắc phục bởi chính sách quản lý, công nghệ sản
xuất phù hợp và hệ thống thiết bị tiên tiến.
Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn
phục vụ sản xuất hạt giống và sản xuất rau hoa cao

cấp, và nghiên cứu điều kiện ngoại cảnh di thực
của các loại cây trồng, đáp ứng nhu cầu rất lớn của
sản xuất nông nghiệp và phù hợp với chủ trương
của Nhà nước về canh tác nông nghiệp công nghệ
cao.
Một số giống, đặc biệt là lúa lai cần phải được
thuần giống trong điều kiện nhiệt độ dưới 28
0
C và
ánh sáng đến 10.000 lux. Việc nghiên cứu chế tạo
phòng định ôn đảm bảo các điều kiện này để sản
xuất giống là cần thiết đáp ứng nhu cầu trong
nước.
Trên cơ sở kinh nghiệm nghiên cứu công nghệ nhà
lưới nhà kính, một số hệ thống tự động liên quan
đến định ôn và một số thiết bị phục vụ nông
nghiệp “công nghệ cao” (Hung và ctv, 2007, 2009
– [2,3,4]), một hệ thống nhà kính - định ôn các yếu
tố tiểu khí hậu đã được thiết kế chế tạo và khảo
nghiệm đánh giá điều kiện cho sản xuất giống và
sản xuất thương phẩm một số giống lúa và rau hoa.

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
2.1. Phương pháp thiết kế hệ thống định ôn
Một số thông số tối ưu phục vụ thiết kế được xác
định bằng phương pháp thực nghiệm với một mô
hình hệ thống định ôn 3m
2
. Trên cơ sở đó, một hệ
thống định ôn 40m

2
liên đới với nhà kính 400m
2

được phát triển với thiết bị điều khiển tự động
hoàn toàn phục vụ cho việc sản xuất hạt giống.
Kết cấu hệ thống được thiết kế với phòng định ôn
nằm trong nhà kính dựa trên yêu cầu thực tế sản
xuất giống và một số nguyên lý về hệ thống định
ôn (Phytotron) được mô tả điển hình bởi Carole,
2009 [8], Hannan, 1998 [7] và cơ sở một số nghiên
cứu về nhà lưới, nhà kính tự động của nhóm tác
giả trước đây (Hùng và ctv, 2005, 2006, 2009 –
[2,3,4,5]).
Cụm thiết bị giám sát và điều khiển hệ thống được
thiết kế dựa trên cơ sở được mô tả bởi Berenguel,
et.al, 2007 [6] và Wang Yongbin & et al., 2005
[9], với trung tâm điều khiển là PLC S7-200, màn
hình cảm ứng HMI, và máy tính.
2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm


H. 1 Các vị trí bố trí cảm biến đo trong buồng
định ôn

Các cảm biến PT100 được sử dụng trong đo nhiệt
độ, được bố trí đều ở các vị trí tại ba lớp và 5 vị trí
ở mỗi lớp mà cây hấp thụ được tối đa nhiệt độ, ẩm
độ, trong hệ thống. Sơ đồ bố trí các cảm biến trong
buồng định ôn được thể hiện như hình 1.

H. 2 Sơ đồ bài toán hộp đen
Qui hoạch thực nghiệm xác định các thông số tối
ưu ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt độ trong hệ
thống và chi phí năng lượng được thể hiện như
hình 2. Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến các
yếu tố nhiệt độ và chi phí năng lượng riêng đồng
thời có thể điều khiển một cách độc lập đó là tỉ lệ
kích thước buồng trung gian trên buồng định ôn
của hệ thống, và tỉ lệ nhiệt độ buồng trung gian
trên buồng định ôn. Ngoài ra thì các yếu tố như
ánh sáng, lượng mưa, các loại bức xạ nhiệt, bức xạ
mặt trời…cũng tác động vào hệ thống bên ngoài
tác động vào hệ thống nhưng mang tính ngẫu
nhiên không được xét đưa vào làm yếu tố đầu vào.

164 Nguyễn Văn Hùng, Kiều Việt Quốc


VCM2012
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Kết quả thiết kế -chế tạo hệ thống định ôn
trong nhà kính
Hệ thống định ôn được thiết kế trong nhà kính như
hình 3, được đưa vào sử dụng tại Bình Dương như
hình 4. Hệ thống gồm các bộ phận điều khiển các
yếu tố tiểu khí hậu như cửa thông thoáng, lưới cắt
nắng, màng che, làm mát Cooling pad và làm mát
bằng phun sương.
Với yêu cầu sản xuất giống, cần điều kiện khí hậu

thuần giống với nhiệt độ nhỏ hơn 28
0
C, các điều
kiện ẩm độ, ánh sáng, và CO
2
, một buồng định ôn
được thiết kế bên trong nhà kính để thuận tiện
ươm giống và đưa ra nhà kính ươm trồng. Hệ
thống định ôn (hình 5 và 6) được chế tạo với điểm
nổi bật là có buồng điều hòa trung gian làm tăng
độ ổn định các yếu tố điều khiển và giảm chi phí
năng lượng.

H. 3 a. Sơ đồ hệ thống nhà kính chứa phòng
định ôn
1. Phòng điều khiển, 2. Cửa ra vào, 3. Phòng định
ôn, 4. Tủ điện điều khiển, 5. Bơm nước cooling
pad, 6. Vòi phun sương, 7. Quat cooling pad, 8.
Quạt thông gió, 9. Lưới cắt nắng, 10. Khung lưới
cắt nắng, 11. Cửa thông thoáng, 12. Động cơ kéo
lưới cắt nắng, 13. Tấm lợp Polycarbonat.

H. 4 Hệ thống nhà kính – định ôn được lắp đặt
tại Bình Dương
Hệ thống lạnh buồng định ôn 40 m
2
được tính toán
dựa theo Bùi Hải, 2005 [1] với công suất lạnh cần
để đạt được nhiệt độ 25
0

C là 10,370 (kW).

H. 5 Sơ đồ hệ thống định ôn


H. 6 Phòng định ôn được thiết kế và thử nghiệm
sản xuất giống lúa lai

3.2. Kết quả thiết kế bộ phận giám sát và điều
khiển tự động

H. 7 Sơ đồ khối cụm thiết bị điều khiển tự động
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 165


Mã bài: 37

Bộ phận điều khiển được thiết kế với PLC-S7200
được giám sát trên phần mềm WinCC. Chương
trình có thể cho cài đặt điều khiển tự động và hiển
thị các chế độ nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng, CO
2
theo
yêu cầu.
Giao diện chính của hệ thống điều khiển được hiển
thị trên màn hình cảm ứng (HMI) kết nối với PLC.
HMI sẽ hiển thị tất cả các thông số về nhiệt độ và
ẩm độ từ PLC truyền lên. Hệ thống có thể được
điều khiển từ hai chế độ bán tự động hoặc tự động
hoàn toàn. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển được

thể hiện như hình 7.
Khi giao diện điều khiển nhà lưới được chọn, màn
hình sẽ hiển thị các thông số của nhà kính (hình
8.a). Khi nhiệt độ thực tế cao hơn nhiệt độ cài đặt
và truyền vào PLC. Qua đó PLC sẽ điều khiển cho
hệ thống được ổn định trong giới hạn ở mức nhiệt
độ đó bằng cách đóng mở các cơ cấu chấp hành
của hệ thống như cửa thông thoáng, quạt, phun
suơng.
Tương tự, khi chức năng điều khiển hệ thống định
ôn được chọn, màn hình của HMI cho phép cài đặt
trực tiếp các thông số giới hạn trên và giới hạn
dưới về nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng, CO2 (hình 8.b).
Tín hiệu nhận về từ cảm biến truyền đến PLC S7-
200 để xuất ra tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp
hành.

(a) (b)
H. 8 a. Giao diện điều khiển nhà kính
b. Giao diện điều khiển hệ thống định
ôn

3.3. Kết quả khảo nghiệm
3.3.1 Khảo nghiệm so sánh phân bố nhiệt độ
giữa có buồng trung gian và không có buồng
trung gian

H. 9 Sự phân bố nhiệt độ trong buồng định ôn
khi không có buồng điều khiển trung gian
Kết quả khảo nghiệm nhiệt độ trong buồng định ôn

không có buồng điều khiển trung gian được thể
hiện như hình 9. Đồ thị cho thấy sự phân bố nhiệt
độ phân bố trên bề mặt diện tích phòng là không
đồng đều. Những vùng có nhiệt độ cao (màu đỏ)
và những vùng có nhiệt độ thấp (màu xanh) đã
phân hóa rất rõ nét, điều này sẽ ảnh hưởng rất lớn
đến sự đồng hóa phát triển của cây giống đồng
thời sẽ làm giảm khả năng lai tạo ra giống tốt phục
vụ cho việc phát triển trên diện rộng.

H. 10 Sự phân bố nhiệt độ trong buồng định ôn
khi có buồng điều khiển trung gian
Kết quả khảo nghiệm có buồng điều khiển trung
gian được thể hiện như hình 10. Đồ thị cho thấy sự
ổn định đồng đều hơn về nhiệt độ. Hiện tượng
phân bố cục bộ đã giảm đáng kể và đảm bảo cho
sự phát triển đồng đều của cây giống.


166 Nguyễn Văn Hùng, Kiều Việt Quốc


VCM2012
3.3.2. Kết quả khảo nghiệm độ ổn định nhiệt độ
điều khiển và chi phí năng lượng

Nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển, một nghiên
cứu đã được thực hiện với bài toán hộp đen như
hình 2. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ kích thước
buồng trung gian/buồng định ôn (được mã hóa X

1

và ký hiệu εD ở dạng thực) và tỷ lệ nhiệt độ buồng
trung gian/nhiệt độ điều khiển buồng định ôn
(được mã hóa X
2
và ký hiệu εT) đến độ ổn định
nhiệt độ trong buồng định ôn (Y) được thể hiện
như phương trình (1):
Y = 0.436092 - 0.165474*X1 – 0.152578*X2 +
0.085*X1*X2 + 0.060801*X1
2
+ 0.060801*X2
2

(1)
Phương trình hồi quy cho thấy các hệ số X1 và X2
đều mang dấu trừ, chứng tỏ độ ổn định nhiệt độ tỉ
lệ nghịch với tỉ lệ kích thước và tỉ lệ nhiệt độ giữa
buồng trung gian điều khiển trên buồng định ôn
của mô hình, đồng thời đồ thị của phương trình hồi
quy cho thấy phương trình bậc 2 có dạng là một
parapol có cực đại và cực tiểu.
0 10 20 30 40 50 60
standardized effects
BB
AA
AB
B:X2
A:X1

Pareto Chart for Y1
14.13
14.13
24.04
-54.27
-58.85

H. 11 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng các yếu tố X1 và
X2 đến độ ổn định nhiệt độ buồng định ôn
Kết quả mô phỏng trên đồ thị Pareto chart (hình
11) cho thấy mức độ tương quan giữa các giá trị
hồi quy với độ ổn định nhiệt độ tương đối chăt
chẽ. Giá trị hệ số hồi quy X1 và X2 mang dấu âm
và các giá trị hệ số của X12 và X22 mang dấu
dương, sự đan xen giữa dấu (+) và dấu (-) trước
các số hạng hồi quy bậc II chứng tỏ mô hình
không có cực đại hay cực tiểu toàn phần. Dạng các
điểm cực đại và cực tiểu này thuộc loại min, max.
Giá trị độ ổn định là dạng bậc 2 theo hệ số X1,
X2, được thể hiện trên hình 12.

H. 12 Đồ thị của phương trình hồi quy thể hiện
ảnh hưởng các yếu tố X1 và X2 đến độ ổn
định nhiệt độ buồng định ôn
.
H. 13 Đồ thị bề mặt đáp ứng của độ ổn định nhiệt
độ ở dạng thực
Phương trình hồi quy ở dạng thực (2) được xây
dựng trên phương pháp thực nghiệm và phần mềm
Stafgraphics và hình 13 cho thấy hệ số hồi quy của

tỉ lệ kích thước (D) và tỉ lệ nhiệt độ (T) giữa hai
buồng trung gian điều khiển trên buồng định ôn tỉ
lệ thuận với độ ổn định nhiệt độ (T). Nghĩa là nếu
tỉ lệ kích thước và tỉ lệ nhiệt độ giữa buồng trung
gian trên buồng định ôn càng tăng thì độ ổn định
càng cao và ngược lại.

T = 5.81085 – 15.3255*

D – 9.23604*

T +
11.3333*

D*

T + 14.8114*

D
2
+ 4.01786*

T
2

(2)
Hình 13 cho thấy tại vị trí tỉ lệ kích thước 0.166
(1/6) và tỉ lệ nhiệt độ 0.96 (24/25) cho giá trị độ ổn
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 167

Mã bài: 37
định cao nhất (màu xanh đậm). Còn giá trị tỉ lệ
kích thước 0.042 (1/24) và tỉ lệ nhiệt độ 0.72
(18/25) cho giá trị độ ổn định thấp nhất (màu đỏ
đậm).

Kết quả ảnh hưởng của các yếu tố trên đến chi phí
năng lượng (tính bằng kCal/h) được thể hiện như
phương trình (3):
Ar = 7.74695 + 0.520273*

D - 12.632*

T -
9.00*

D *

T + 20.48*

D
2
+ 6.59722*

T
2
(3)
Phương trình hồi quy cho thấy hệ số hồi quy của tỉ
lệ kích thước giữa hai buồng trung gian điều khiển

trên buồng định ôn tỉ lệ thuận với chi phí năng
lượng, còn hệ số hồi quy của tỉ lệ nhiệt độ giữa hai
buồng tỉ lệ nghịch với chi phí năng lượng. Nghĩa
là nếu tỉ lệ kích thước giữa buồng trung gian trên
buồng định ôn tăng thì chi phí năng lượng tăng và
ngược lại. Còn nếu tỉ lệ nhiệt độ giữa buồng trung
gian trên buồng định ôn tăng thì chi phí năng
lượng giảm và khi tỉ lệ nhiệt độ giữa hai buồng
giảm thì chi phí năng lượng tăng.
Đồ thị của phương trình hồi quy cho thấy là dạng
bậc hai theo tỉ lệ kích thước và tỉ lệ nhiệt độ, nó là
dạng parapol có cực đại nằm ở giá trị biên và cực
tiểu tập trung ở tâm đồ thị như hình 14.

H. 14 Đồ thị mô phỏng chi phí năng lượng ở dạng
thực(Ar)
Đồ thị phân tích bề mặt đáp ứng bậc 2 dạng thực
của Ar (hình 15) cho thấy giá trị tập trung ở góc
bên phải màu xanh đậm là giá trị đạt mức thấp
nhất về chi phí năng lượng, còn khu vực màu đỏ
thể hiện mức chi phí năng lượng cần dùng là cao
nhất. Xét về mặt yêu cầu của hệ thống phải phù
hợp với tính chất vật lí của nó, tại vị trí tỉ lệ kích
thước 0.166(1/6) cho giá trị chi phí năng lượng
thấp nhất. Nhưng giá trị tỉ lệ kích thước giữa hai
buồng lại quá lớn, trong khi đó yêu cầu của tính
thiết kế chế tạo cần giá trị tối ưu về chi phí năng
lượng nhưng phải làm sao kích thước hệ thống chế
tạo cũng phải nhỏ gọn, không chiếm diện tích bố
trí nhiều và nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư cho

việc sản xuất. Đây là tiêu chí được quan tâm đầu
tiên trong quá trình chế tạo.

H. 15 Đồ thị bề mặt đáp ứng của chi phí năng
lượng ở dạng thực

Kết quả tối ưu cho thấy giá trị độ ổn định cao nhất
của mô hình ở thí nghiệm cho tối ưu một mục tiêu
hàm ổn định nhiệt độ cho giá trị tối ưu nhất với
Tmax = 0.317 khi tỉ lệ kích thước (1/6) và tỉ lệ
nhiệt độ (24/25
0
C), và ở chi phí năng lượng 822.94
kCal/h.

4. Kết luận

Một hệ thống nhà kính - định ôn đã được thiết kế -
chế tạo và khảo nghiệm. Kết quả cho thấy với thiết
kế có buồng điều khiển trung gian, sự phân bố
nhiệt trong buồng định ôn đồng đều hơn và khống
chế ổn định nhiệt độ, ẩm độ theo yêu cầu thuần
chủng giống. Thông qua quá trình điều khiển tự
động dưới sự giám sát và điều khiển của PLC – S7
200 đã cho thấy nhiệt độ và ẩm độ bên trong
buồng định ôn đạt được sự ổn định rất cao, đây là
điều kiện thuận lợi để thuần giống và sản xuất
giống.
Kết quả khảo nghiệm và tối ưu hóa cho thấy độ
đồng đều nhiệt độ trong buồng định ôn cao nhất ở

các mức tỷ lệ kích thước và nhiệt độ điều khiển
giữa buồng định ôn và buồng trung gian lần lượt là
1/6 và 24/25.
168 Nguyễn Văn Hùng, Kiều Việt Quốc


VCM2012
Tài liệu tham khảo
[1] Bùi Hải, 2005. Tính toán thiết kế hệ thống điều
hòa không khí theo phương pháp mới. NXB
Khoa học và kỹ thuật.
[2] Nguyễn Văn Hùng, 2007. Kết quả nghiên cứu
mô hình nhà kính ứng dụng điều khiển tự động
bằng PLC. Tạp chí KHKT Nông Lâm Nghiệp,
Nhà xuất bản Nông nghiệp, số 3/2007, trang
60-65.
[3] Nguyễn Văn Hùng, Nghiên cứu thiết kế chế tạo
một số thiết bị tự động phục vụ sản xuất nông
nghiệp công nghệ cao. Đề tài cấp Bộ 2007-
2009.
[4] Nguyễn Văn Hùng, Nghiên cứu thiết kế chế tạo
mô hình nhà lưới nhà kính phục vụ canh tác
nông nghiệp công nghệ cao tại Quảng Ngãi. Đề
tài cấp Tỉnh (Quảng Ngãi), 2007-2009.
[5] Nguyen Van Hung and Nguyen Hoang Nam,
2005. Microprocessor – Controller (MC1) for
drying, preservation system and greenhouse.
Tạp chí KHKT Nông Lâm Nghiệp, Nhà xuất
bản Nông nghiệp, số 4/2005, trang 105-108.
[6] M. Berenguel, L.J. Yebra, F. Rodríguez, 2007.

Adaptive control strategies for greenhouse
temperature control. Universidad de Almería.
Departamento de Lenguajes y Computación.
[7] Hanan. J.J. 1998. Greenhouses – advanced
technology for protected horticulture. CRC
Press LLC (Printed in United States of America
– 34567890). Colorado State University –
FORT COLLINS, Colorado.
[8] Carole H. Saravitz & et al, 2009, Phytotron
Procedural Manual, North Carolina State
University – North Carolina Agricultural
Research Service.
[9] Wang Yongbin & et al. 2005. A technique for
automatic control of the temperature and
humidity in field polyethylene film greenhouses
for growing rice seedings. In Proceedings of the
Internatinal workshop on “Agricultural
mechanization”. Agricultural publish house,
Hanoi.

Nguyễn Văn Hùng sinh năm
1971. nhận bằng tiến sỹ ngành Kỹ
thuật cơ khí tại Trường đại học
Nông nghiệp Slovakia năm 2003.
Hiện là giảng viên chính, trưởng
Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí
– Công nghệ, Trường ĐH. Nông
Lâm Tp.HCM. Hướng nghiên cứu chính là các hệ
thống cơ điện tử ứng dụng trong sinh học – nông
nghiệp.

Kiều Việt Quốc sinh năm 1983.
nhận bằng thạc sĩ ngành Kỹ thuật
cơ khí tại Trường đại học Nông
Lâm Tp.HCM năm 2012. Hiện là
giảng viên khoa cơ khí, Trường
Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng
Tp.HCM. Hướng nghiên cứu chính
là cơ khí chế tạo máy.