Nghiên cứu và chế tạo mô hình trồng rau nuôi cá tự động tuần hoàn, khép kín trong gia đình

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
MỤC LỤC
Trang

Danh mục các bảng.............................................................................................3
Danh mục các hình ảnh......................................................................................3
Lời nói đầu...........................................................................................................5
Chương 1: Tổng quan chung
1.1 Lịch sử nghiên cứu......................................................................................................6
1.2 Mô tả hiện tượng quá trình.........................................................................................7
1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài...................................................................7
1.4 Phương pháp nghiên cứu............................................................................................8

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.1 Khái quát chung về hệ thống tự động trồng rau nuôi cá..........................................10
2.1.1 Khái niệm.............................................................................................................10
2.1.2 Ưu điểm của hệ thống trồng rau nuôi cá.............................................................10
2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống ........................................11
2.3 Phương pháp trồng cây ............................................................................................11
2.4 Phương pháp điều khiển tự động hệ thống..............................................................12

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống
3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí..........................................................................14
3.1.1 Yêu cầu..................................................................................................................14
3.1.2 Thành phần chính của hệ thống............................................................................14
3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển...................................................................22
3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển..............................................................22
3.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển................................................................................22
3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ ..............................................................................................22
3.2.2.2 Cảm biến độ ẩm..................................................................................................27
3.2.2.3 Module Analog EM235......................................................................................28

3.2.2.4 Bộ logic khả trình PLC.......................................................................................35
3.2.2.5 Khối hiển thị........................................................................................................47

Chương 4: Thiết kế, chế tạo, tích hợp hệ thống
4.1 Thiết kế hệ thống cơ khí...........................................................................................53
4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển.....................................................................................58
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

1


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
4.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: ........................................................................58
4.2.2 Kết nối và lập trình cảm biến đo nhiệt độ..............................................................58
4.2.3 Kết nối và lập trình điều khiển cảm biến đo độ ẩm...............................................62
4.2.4 Cài đặt thời gian thực cho PLC..............................................................................64
4.2.5 Cài đặt thời gian hẹn giờ bật đèn và giờ tắt đèn chiếu sáng .................................66
4.2.6 Cài đặt thời gian bật bơm và tắt bơm.....................................................................66
4.2.7 Kết nối PLC với module analog............................................................................68
4.2.8 Kết nối PLC với màn hình HMI............................................................................68
4.2.9 Thiết kế giao diện cho màn HMI...........................................................................69
4.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển.....................................................................72
4.4 Tính toán chọn máy bơm...........................................................................................74
4.5 Tính toán chọn đường kính ống và lưu lượng nước.................................................75
4.5.1 Tính toán chọn đường kính ống.............................................................................75
4.5.2 Tính toán lưu lượng nước......................................................................................76
4.6 Bài toán về hiệu quả kinh tế......................................................................................76
4.6.1 Chi phí cho mô hình...............................................................................................76
4.6.2 Các bài toán kinh tế từ việc xây dựng hệ thống....................................................77
4.7 Các chương trình điều khiển tự động........................................................................78

4.8 Các lỗi có thể xảy ra trong hệ thống.........................................................................79

Chương 5: Kết quả và bàn luận
Tài liệu tham khảo.............................................................................................82

Danh mục các bảng
Bảng 3-1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100
Bảng 3-2: Thành phần chính của module analog
Bảng 3-3: Bảng cấu hình cho module EM 235
Bảng 3-4: Sơ đồ chân của cáp nối PLC
Bảng 3-5: Đặc điểm kỹ thuật của module mở rộng CPU226
Bảng 3-6: Thông số kỹ thuật của màn hình HMI
Bảng 4-1: Bảng khai báo địa chỉ trong PLC

Danh mục các hình ảnh
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

2


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 2-1: Nguyên tắc tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng
Hình 2-2: Phương pháp tưới ngập xả cạn
Hình 3-1: Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-2: Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-3: Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng cây
Hình 3-5: Mô phỏng thùng nuôi cá
Hình 3-6: Mô phỏng ống chữ L
Hình 3-7: Mô phỏng ống chữ T

Hình 3-8: Mô phỏng ống chụp
Hình 3-9: Mô phỏng thép chữ L
Hình 3-10: Cảm biến nhiệt PT100
Hình 3-11: Bộ chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ Pt100
Hình 3-12: Cảm biến độ ẩm AM2301
Hình 3-13: Module analog EM235
Hình 3-14: Phần mềm step 7 microwin
Hình 3-15: Module mở rộng CPU 226
Hình 3-16: Màn hình HMI
Hình 3-17 Kích thước và hình vẽ của màn hình HMI
Hình 4-1 : Thiết kế cơ khí cho hệ thống
Hình 4-2 : Ống chụp cho hệ thống thoát nước
Hình 4-3: Đường ống dẫn nước tưới rau
Hình 4-4: Ống dẫn nước xả
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

3


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 4-5: Máy bơm nước
Hình 4-6: Máy bơm phun sương mini 12V 60W
Hình 4-7: Kết nối cảm biến nhiệt với bộ convert
Hình 4-8: Kết nối cảm biến độ ẩm với module analog
Hình 4-9: Kết nối PLC với module analog
Hình 4-10: Kết nối PLC với màn hình HMI

Lời nói đầu
Trong tình trạng khan hiếm nước sạch và tình trạng ngộ độc thực phẩm bởi rau phun
thuốc nhiễm hóa chất. Nên nhu cầu thực phẩm về rau sạch được nhiều người quan tâm

và chú ý. Và chúng ta đã nghiên cứu và nuôi trồng rau sạch để phục vụ nhu cầu của
cuộc sống bằng các mô hình cũng như trang trại rau sạch, không hóa chất và chất bảo
quản thực phẩm. Để giúp cho cuộc sống của chúng ta trở an toàn và mạnh khỏe hơn.
Là sinh viên theo học khối kĩ thuật nói chung và ngành Cơ Điện Tử nói riêng, được
học và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ trước đã để lại, ngoài việc
phải nắm vững các kiến thức có sẵn thông qua việc học lý thuyết, các sinh viên kĩ
thuật còn phải đưa các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo ra các mô hình

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

4


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
khoa học có khả năng ứng dụng vào thực tiễn. Vì vậy đồ án chính là cơ hội tốt nhất
cho chúng em sử dụng các kiến thức học được ở trường.
Từ đó chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu và chế tạo mô hình trồng rau nuôi cá tự
động tuần hoàn, khép kín trong gia đình” cho tốt nghiệp của mình.
Tuy đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu và sử dụng các kiến thức bản thân nhưng do sự hạn
chế về mặt kiến thức mà kiến thức lại rộng lớn nên chúng em không thể tránh được
những thiếu sót hay mặt công nghệ còn có thể lạc hậu. Vì vậy chúng em mong nhận
được sự chỉ bảo tận tình của các thầy trong khoa giúp chúng em bổ sung và nắm vững
kiến thức của mình.
Chúng em chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Ths. Bùi Thanh Lâm đã giúp
chúng em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Văn Thành
2. Phạm Văn Hưng
3. Nguyễn Trung Thành

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

5


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Chương 1 : Tổng quan chung
1.1 Lịch sử nghiên cứu
Các công trình nghiên cứu
 Ở nước ngoài:
Với đề tài “ Trồng cà và nuôi cá trong một hệ thống khép kín” của các nhà khoa học ở
Berlin đang nghiên cứu làm sao để có thể trồng cà chua và nuôi cá trong một hệ thống
khép kín có tính bền vững cao, góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm thực phẩm
hiện nay với chi phí thấp.
Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Leibniz về sinh thái nước ngọt và nuôi cá nội địa
(IGB) thực hiện dự án này tại một cái hồ lớn ở Berlin. “Aquaponik” có nghĩa là sự
phối hợp giữa nuôi trồng thuỷ sản (Aquakultur) và trồng cây không cần đất
(Hydroponik).
Phòng thí nghiệm là một vườn ươm, tại đây có bể nuôi cá cao bằng đầu người, ở giữa
có hàng cây cà chua trồng trong chậu. Những chậu này kết nối với nhau bằng các ống
và dây, phía đằng sau là hệ thống xử lý nước thải sinh học và phễu lọc vi khuẩn. Nhà
kính ấm áp đến mức hơi nước ngưng tụ trên trần bằng kính – đây cũng là một bộ phận
của chu trình tuần hoàn.
 Ở trong nước:
Với việc nghiên cứu và kế thừa từ các công trình nghiên cứu từ nước ngoài. Đã có rất
nhiều ý tưởng cho sự phát triển của hệ aquaponic, điển hình là chị Nguyễn Phương
Lan đã cho ra mắt hệ thống ‘’ ENJOY AQUAPONICS’’.
Enjoy Aquaponics là sự kết hợp của cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh.
Sự kết hợp này mang lại lợi ích thiết thực và tính độc đáo của Enjoy Aquaponics. Thay

vì bổ sung phân bón và các hóa chất để trồng cây, Enjoy Aquaponics sử dụng chất thải
từ cá nhờ sự chuyển hóa từ các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy
đủ cho sự phát triển của cây. Ngược lại thay vì xả nước ra môi trường, Enjoy
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

6


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Aquaponics sử dụng cây trồng để làm sạch nước và trả lại cho bể cá. Nước này có thể
được tái sử dụng vô thời hạn và chỉ cần thay thế khi nó bị mất do bay hơi. Đây là một
hệ thống tuần hoàn khép kín hoàn hảo.
1.2 Mô tả hiện tượng, quá trình
Đây là hệ thống tự động hóa quá trình khép kín độc đáo và hoàn hảo, kết hợp nuôi
trồng thủy sản và trồng rau sạch, mang lại lợi ích thiết thực: thay vì bổ sung phân bón
và các hóa chất để trồng cây, hệ thống sử dụng chất thải từ cá, nhờ sự chuyển hóa từ
các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy đủ cho sự phát triển của
cây. Ngược lại, hệ thống này dùng cây trồng làm sạch nước nuôi cá và trả lại cho bể cá
thay vì phải xử lý rồi xả ra môi trường. Nước có thể tái sử dụng vô thời hạn, chỉ cần bổ
sung lượng thất thoát do bay hơi.
Nguyên tắc hoạt động: Cá sử dụng thức ăn và bài tiết chất thải, với 50% ở dạng
amoniac từ nước tiểu, phần còn lại là phân sẽ trải qua quá trình khoáng hóa. Trong quá
trình dị dưỡng, vi khuẩn tiêu thụ chất thải của cá, các vật chất thực vật và thực phẩm
thừa rồi chuyển đổi thành các hợp chất amoniac và các chất khác.
Yếu tố giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống là vi sinh vật. Vi khuẩn cho hệ
thống sẽ tự phát triển và giúp hệ thống vận hành ổn định mà không cần bổ sung. Vi
khuẩn phát triển mạnh trong các bể cạn trồng cây, giúp chuyển hóa chất thải từ bể nuôi
cá thành dạng dinh dưỡng phù hợp cho cây trồng phát triển mà không cần phải cung
cấp nhiều phân bón. Các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa chất thải từ
cá thành chất dinh dưỡng cho cây trồng là Nitrosomonas chuyển hóa amoniac thành

nitrit. Nitrit sau đó sẽ được chuyển hóa thành nitrate nhờ Nitrobacter, các loài thực vật
sau đó có thể tiêu thụ nitrate để phát triển.
Hệ thống trồng rau nuôi cá trong gia đình hoạt động khép kín, nước từ bồn nuôi cá sẽ
được bơm lên các bồn trồng rau, dinh dưỡng trong nước sẽ được rễ cây hấp thụ và
nước sẽ theo các van xả chảy ngược về bồn nuôi cá, chu trình này được lặp lại liên tục
bằng hệ thống tưới hẹn giờ tự động.
1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Tự động hóa hệ thống trồng rau nuôi cá hộ gia đình.
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

7


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
- Sử dụng các thiết bị điện như bóng đèn, máy bơm.
Xây dựng hệ thống bao gồm: cảm biến nhiệt, cảm biến đo độ ẩm, cảm biến
quang, bộ điều chỉnh thời gian, hẹn giờ … để tự động hóa quá trình điểu khiển cũng
như nuôi trồng.
Điều khiển các thiết bị để tự động hóa hệ thống.
Mục đích để tận dụng lợi ích của việc trồng cây và nuôi cá. Và tiết kiệm chi phí vận
hành cũng như công sức quản lý hệ thống. Tiết kiệm được nguồn nước so với sản xuất
truyền thống, tiết kiệm diện tích. Tiết kiệm sức lao động cũng như thời gian của con
người.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
 Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tổng hợp về hệ thống aquaponics và quá trình tuần hoàn của nước và chất
dinh dưỡng.
- Nghiên cứu tổng hợp việc thiết kế, gia công, lắp ráp các chi tiết để cho ra mô hình
trồng rau nuôi cá.

- Xây dựng hệ thống điều khiển và các chương trình tự động theo từng loại cây trồng
phù hợp với nhu cầu của cây để cây có thể phát triển tốt nhất.
 Nghiên cứu thực nghiệm
- Chế tạo hệ thống tự động trồng rau nuôi cá để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý
thuyết.
- Xây dựng bộ điều khiển để điều khiển tự động hệ thống.
- Viết các chương trình tự động mở với các chế độ tự động điều khiển hệ thống.
- Các chương trình tự động là các chế độ hoạt động của hệ thống tự động. Dựa trên yêu
cầu của từng nhóm cây mà ta có các chế độ chiếu sáng cũng như điều chỉnh nhiệt độ,
nhu cầu nước và độ ẩm để chăm sóc cây trồng.
Kết luận chương: Sau khi nghiên cứu lịch sử phát triển của hệ thống trồng rau nuôi cá
kết hợp với việc tìm hiểu các hiện tượng quá trình diễn ra bọn em đã làm rõ vấn đề về
đối tượng và đưa ra phương pháp thực nghiệm sau khi đã nghiên cứu phương pháp
nghiên cứu lý thuyết.

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

8


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

9


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái quát chung về hệ thống tự động trồng rau nuôi cá
2.1.1 Khái niệm
Hệ thống tự động trồng rau nuôi cá là một hệ thống trồng rau nuôi cá khép kín. Được
ứng dụng công nghệ kĩ thuật cũng như các thiết bị hiện đại để điều khiển vận hành tự
động hệ thống mà không cần đến sự can thiệp của con người. Giúp nâng cao năng suất
lao động và tiết kiệm thời gian và công sức quản lý của con người mà vẫn đạt được
hiệu quả cao.
2.1.2 Ưu điểm hệ thống trồng rau nuôi cá
Các lợi ích chính của sản xuất lương thực hệ thống trồng rau nuôi cá
- Hệ thống sản xuất lương thực bền vững và chuyên sâu.
- Hai sản phẩm nông nghiệp (cá và rau) được sản xuất từ một nguồn nitơ (thức ăn cho
-

cá).
Cực kỳ tiết kiệm nước (chỉ mất nước do cây hấp thụ – bay hơi).
Không đòi hỏi đất.
Không sử dụng phân bón hay thuốc trừ sâu hóa học.
Cho Sản lượng và Năng suất cao hơn.
Quản lý sản xuất theo phương pháp hữu cơ.
Một mức cao hơn về an toàn sinh học và rủi ro thấp hơn từ các chất ô nhiễm bên

ngoài.
- Khả năng kiểm soát cao hơn vào sản xuất hàng đầu để giảm tổn thất.
- Có thể được sử dụng trên diện tích đất phi nông nghiệp như (nhà phố – bê tông, sa
mạc, đất bị suy thoái hay nhiểm mặn, đảo cát…)
- Tạo ra rất ít chất thải.
- Tiết kiệm lao động, phù hợp cho mọi lứa tuổi và giới tính – nhiệm vụ hàng ngày chỉ
là gieo trồng và thu hoạch.
- Có thể trồng các loại cây có giá trị kinh tế cao, sản xuất thực phẩm tươi cho gia đình
hoặc trồng thương mại.

- Vật liệu xây dựng và tài liệu hướng dẫn được phổ biến rộng rãi.
2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

10


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Nước giàu Amoniac (NH3 – chất thải cá, thức ăn thừa) từ hồ cá qua hệ thống lọc cơ
học ở đây các chất thải rắn sẽ bị giữ lại – và sẽ bị loại bỏ ra ngoài hệ thống (thông qua
một valve xã nằm ở đáy bể lọc). Nước tiếp tục đi vào bộ lọc vi sinh (nơi chứa rất nhiều
vi sinh vật hiếu khí (có lợi) như là Nitrosomonas và Nitrobacter) các vi sinh vật này sẽ
phân giải Amoniac (NH3) thành Nitrite (NO2-) sau đó thành Nitrate (NO3-) đây là
chất dinh dưỡng cần thiết và để tiếp cận cho cây trồng. Nước tiếp tục được đưa vào
các phương tiện trồng cây, tại đây rễ cây sẽ hấp thụ các chất dinh dưỡng cần thiết để
phát triển (ở đây chủ yếu là Nitrate) và góp phần lọc sạch nước. Nước sạch sau đó
được trả về cho bể cá. Quy trình cứ thể lặp lại tạo nên một hệ sản xuất lương thực bền
vững.
Hệ thống sẽ được hoạt động tự động hóa theo chu trình khép kín và tuần hoàn theo
như hình:

Hình 2-1: Nguyên tắc tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng
2.3 Phương pháp trồng cây

Sử dụng phương pháp tưới ngập xả cạn

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

11

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 2-2: Phương pháp tưới ngập xả cạn
Đây là loại hình cơ bản nhất và thích ứng với hầu hết các loại cây trồng trong hệ thống
trồng rau nuôi cá.
- Trong loại hình này cây được trồng trong một khay chứa đầy giá thể (độ sâu khoản
30cm), đáy khay có khoét lỗ thoát nước và lắp vào nó một bộ ngắt nước (shiphon
bell).
- Nước từ hồ cá thông qua bộ lọc và hệ thống bơm cung cấp cho khay, khi lượng nước
đạt mức xã của shiphon (do chúng ta quy định – thường thấp hơn 3cm so với bề mặt
giá thể) nước sẽ được xã hoàn toàn đến điểm ngắt của siphon (do chúng ta quy định –
thường cao hơn 3cm so với đáy khay) nước sạch được đưa ngược về hồ cá và quá
trình cứ thế tiếp diễn.
- Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp cho hầu hết các loại cây – tạo được điểm
bám vững chắc cho các cây có thân cao, quá trình nước dâng lên – rút xuống vừa
cung cấp đủ nước cho cây vừa cung cấp được oxy cho rễ cây hô hấp. Giá thể cũng
đóng vai trò là nơi cu trú của các vi sinh vật – góp phần chuyển hóa Amoniac (NH3)
thànhNitrit (NO2) sau đó thành Nitrate (NO3) cung cấp cho cây.
- Nhược điểm dễ bị tụ khí ở những góc khuất, Thời gian dài chất thải rắn và tàn dư từ
rễ, lá, thân cây tích tụ trong khay làm cản trở lưu thông của nước – ảnh hưởng đến hệ
thống.
2.4 Phương pháp điều khiển tự động hệ thống
Bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử hiện đại như cảm biến nhiệt, cảm biến đo độ
ẩm, đóng ngắt hẹn giờ và các bộ gia nhiệt (bóng sợi đốt), bộ tăng cường ánh sáng (các
bóng đèn compact). Dưới sự điều khiển của PLC các linh kiện sẽ được kết nối với
nhau thành một hệ thống để điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và thực hiện các chu
trình bơm nước, phun sương tự động.
- Sử dụng PLC để điều khiển hẹn giờ chiếu sáng, các bóng đèn sẽ được bật tắt phụ
thuộc vào khoảng thời gian cài đặt phù hợp với điều kiện sinh trưởng của rau và cá.

- Sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ môi trường trong hệ
thống giảm xuống dưới mức nhiệt độ cho phép được đặt ra với mỗi nhóm, loại cây
trồng thì cảm biến nhiệt sẽ đo nhiệt độ và phản hồi về mạch điều khiển PLC. PLC sẽ

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

12


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
điểu khiển tín hiệu ra tác động lên bộ gia nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp
(tức các bóng đèn sợi đốt sẽ được bật sáng).
- Sử dụng cảm biến để đo độ ẩm giúp duy trì độ ẩm trong hệ thống luôn đạt ở một mức
phù hợp nhất định. Khi độ ẩm trong môi trường trong hệ thống dưới mức đặt ra thì
cảm biến sẽ đo và gửi tín hiệu về PLC. PLC sẽ xử lý tín hiệu và điều khiển tín hiệu ra
tác động lên bộ phun sương để điều chỉnh độ ẩm trong môi trường cho phù hợp với
mức đặt ra.
Kết luận chương :
- Chương 2 giúp chúng ta hiểu rõ hơn về phương pháp trồng rau nuôi cá tuần hoàn,
khép kín.
- Đã đưa ra nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống cũng như là phương
pháp trồng trồng cây.
- Từ đó đưa ra được phương pháp điều khiển phù hợp cho hệ thống để hệ thống hoạt
động hiệu quả nhất..
- Giúp chúng ta hiểu rõ hơn hệ thống để có thể mô hình hóa mô phỏng hệ thống.

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống
3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí
3.1.1 Yêu cầu
Mô hình cơ khí phải đảm bảo được chắc chắn, gọn, bền và vững chắc.

- Thiết kế mô hình đảm bảo vị trí các cơ cấu chấp hành và vị trí để tủ điều khiển là hợp
lý nhất.
- Mô hình phải có tính thẩm mỹ cao.
- Thiết kế tủ điều khiển dễ dàng cho người sử dụng.
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

13


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
- Đảm bảo giá rẻ, giảm tối đa chi phí.
3.1.2 Thành phần chính của hệ thống
Thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Phần cơ khí: khung thép, bể cá, các chậu trồng rau, các ống dẫn nước, các ống chụp
trên cơ cấu thoát nước.
- Phần điện - điện tử: các cơ cấu chấp hành như máy bơm và các bóng đèn, tủ điểu
khiển có gắn màn hình điều khiển.
Bằng cách sử dụng phần mềm Solidwork chúng em đã vẽ mô phỏng hệ thống như hình

Hình 3-1: Mô phỏng hệ thống cơ khí

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

14


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 3-2: Mô phỏng hệ thống cơ khí

Hình 3-3: Mô phỏng hệ thống cơ khí
 Mô phỏng chậu trồng rau :
Chậu trồng rau được làm từ nhựa đặc. Dưới mỗi chậu có khoét lỗ thoát nước và lắp bộ
ngắt nước shiphon bell. Chậu có chiều dài 58cm, rộng 37.5 cm, cao 20 cm. Có sẵn trên

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

15


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
thị trường nên rất dễ tìm kiếm và mua. Thích hợp cho việc sử dụng để trồng rau vào
đây.
Dưới đây là hình ảnh mô phỏng của chậu trồng rau :

.
Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng cây
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

16


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
 Mô phỏng bể nuôi cá:
Bể nuôi cá được làm từ nhôm có kích thước như bản vẽ. Dùng để nuôi cá và chứa
nước để dùng nước làm nước tưới cho rau ở phía trên. Có thể chứa tối đa 480 lít nước.

Hình 3-5: Mô phỏng thùng nuôi cá
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

17


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

 Mô phỏng các ống nước chữ L :
Ống chữ L được làm từ vật liệu nhựa. Dùng để nối những chỗ ống nước gấp khúc để
đảm bảo cho ống nước không bị cong, không bị gãy.

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

18


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 3-6: Mô phỏng ống chữ L
 Mô phỏng các ống nước chữ T :
Ống nước chữ T được làm bằng vật liệu nhựa PVC dùng để khi phải chia dòng nước
để dẫn nước đi hai phía khác nhau.

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

19


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 3-7: Mô phỏng ống chữ T
 Mô phỏng ống chụp
Ống chụp được làm bằng vật liệu nhựa PVC dùng để chụp lỗ khoét dưới đáy chậu
trồng rau. Để ngăn không cho đất có thể lọt được xuống gây tắc hệ thống thoát nước.

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

20


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 3-8: Mô phỏng ống chụp
 Thép chữ L:
Thép chữ L được làm bằng vật liệu thép. Tạo nên kết cấu vững chắc và ổn định cho
khung của hệ thống trồng rau nuôi cá. Với kích thước như trên bản vẽ.

Hình 3-9: Mô phỏng thép chữ L
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển
3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển :

Khối hiển thị
(HMI)
Khối gia nhiệt

Cảm biến
nhiệt độ

Module

Analog

Cảm biến
độ ẩm

Khối điều
khiển
(PLC)

Động cơ bơm
tưới nước

Khối tăng cường
ánh sáng

Cảm biến
ánh sáng

Phun sương
Bộ chuyển đổi
nguồn 24V

Bộ nguồn 220V

3.2.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển
3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ
Với yêu cầu độ chính xác càng cao thì việc đo nhiệt độ bằng các loại đồng hồ cơ khí
đã không còn khả thi nữa. Chính vì vậy các thiết bị đo nhiệt độ ngày càng được cải
tiến hơn chính xác hơn. Trong đó phải kể đến Cảm biến nhiệt độ PT100.

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

22


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Cảm biến nhiệt độ Pt100: Loại củ hành loại này phổ biến nhất trên thị trường có một
đầu là cảm biến, một đầu là kết nối dây vào các bộ đọc hay các thiết bị hỗ trợ. Loại củ
hành có loại có 2 dây, loại 3 dây, loại 4 dây, trong đó loại 3 dây là phổ biến nhất. Loại
3,4 dây cho thông số nhiệt độ chính xác nhất. Cảm biến nhiệt độ Pt100 loại củ hành có
dãy đo rộng tối thiểu là -200 C và cao nhất là +400 C. Can nhiệt Pt100 củ hành có các
chiều dài thông dụng như 50mm, 100mm, 150mm, 200mm, 300mm, 500mm, có
đường kính 6mm, 8mm, 10mm, 12mm..

Hình 3-10: Cảm biến nhiệt PT100
Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim. Vì Bạch
kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nên
chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở. Pt100 là một đầu dò cảm biến
nhiệt bên trong có các lõi được làm bằng Bạch kim. Bên ngoài có bọc một số lớp bảo
vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi.
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ Pt100: cảm biến nhiệt độ Pt100 không phải hoàn toàn bằng
Bạch kim. Việc chế tạo bằng Bạch kim là khá tốn kém cho một thiết bị đo thông dụng.
Vì thế chỉ có thành phần cảm biến nhiệt mới thật sự là Bạch kim. Nhằm giảm thiều chi
phí sản suất các thành phần khác của cảm biến nhiệt độ Pt100 có thể được làm bằng
thép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, tấm thủy tinh siêu mỏng…
Cấu tạo của đầu cảm biến nhiệt độ Pt100:
Nguyên lý hoạt động của Pt100 Nguyên lý hoạt động của Pt100 đơn giản dựa trên mối
quan hệ mật thiết giữa kim loại và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại
cũng tăng. Bạch kim cũng tương tự như vậy. Theo tiêu chuẩn thì khi nhiệt độ là 00C
điện trở của Pt100 sẽ là 100Ω. Bạch kim được sử dụng rộng rãi là do các yếu tố sau trơ

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

23


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
về mặt hóa học có nghĩa là nó rất ít hoặc không tác dụng với những chất ăn mòn hay
phá hủy. Điện trở có quan hệ gần như tuyến tính với nhiệt độ. Hệ số tăng nhiệt độ của
điện trở đủ lớn để cho việc lấy kết quả đo dễ dàng. Có độ ổn định cao. Độ tuyến tính
của điện trở Bạch kim theo nhiệt độ kết nối và sử dụng vì Pt100 chỉ là một loại điện
trở biến đổi theo nhiệt độ nên ta không thể đọc nhiệt độ trực tiếp trên chúng. Do vậy
muốn đọc nhiệt độ ta phải thông qua các bộ chuyển đổi tín hiệu. Pt100 thường kết nối
với các bộ chuyền đổi tín hiệu qua 2, 3 hoặc 4 sợi dây dẫn. Nhưng vì dây dẫn được
làm bằng đồng, và chúng cũng có điện trở riêng nên dây càng dài thì kết quả đo càng
không chính xác. Vì thế các bộ chuyền đổi tín hiệu thường kết nối với cảm biến sao
cho khoảng cách giữa chúng càng ngắn càng tốt. Khi sử dụng thì đầu dò phải tiếp xúc
trực tiếp với môi trường cần đo để có kết quả chính xác. Các kiểu lắp thiết bị trên
đường ống.
Cảm biến nhiệt độ Pt100 thường dùng chung với bộ chuyển đổi tín hiệu điện trở
Pt100 sang dòng 4-20mA, 0-10V, vì một số nhà máy cần điều khiển nhiệt độ nên họ
phải chuyển về dòng 4-20ma để đưa vào PLC hay các bộ controller.

Hình 3-11: Bộ chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ Pt100
Cảm biến đo nhiệt độ Pt100 có điện trở là 100 ohm tương ứng với chữ Pt100 tại 0 độ
C . Phần lớn cảm biến do nhiệt độ Pt100 đều có 03 dây tuy nhiên có một cảm biến đo
nhiệt độ chỉ có 02 dây . Nếu trong lần đầu tiên gặp trường hợp này thì ta sẽ bối rối khi
lắp đặt vì các bộ nhận tín hiệu từ Pt100 đều nhận ba dây hoặc bốn dây. Khi gặp trường
hợp này hãy đấu dây như sơ đồ dưới dây :

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

24


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 3-12: Cách lắp đặt Pt100 2 dây – 3 dây – 4 dây
Theo sơ đồ trên ta thấy cảm biến đo nhiệt độ Pt100 gần như là một biến trở. Thực tế
chính xác là như vậy nhiệt độ khi đo làm thay đổi giá trị điện trở bên trong. Các bộ đọc
tín hiệu Pt100 hoăc chuyển đổi tín hiệu Pt100 đều hoạt động trên nguyên tắc thay đổi
điện trở.
Bảng 3-1 thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100
Temperature in oC

Pt100 in ohm

−50

80.31

-45

82.29

-40

84.27

-35

86.25

-30

88.22

-25

90.19

-20

92.16

-15

94.12

-10

96.09

-5

98.04

0

100.00

5

101.95

10

103.90

15

105.85

20

107.79

25

109.73

30

111.67

35

113.61

40

115.54

45

117.47

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

25