đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 1 Mở đầu 1. đặt vấn đề Từ xa xa con ngời chỉ sinh sống với dụng cụ rất thô sơ nh rìu, búa bằng đá, dùng các dụng cụ tự nhiên, nhng khi đó là dân số con ngời còn thấp, tài nguyên thiên nhiên còn dồi dào. Nhng khi xã hội phát triển thì nhu cầu sống của con ngời ngày càng tăng, nhng tài nguyên thiên nhiên thì ngày càng cạn kiệt, chính điều đó thúc đẩy con ngời phải lao động để tạo ra của cải vật chất phục vụ đời sống. Thế nhng ngày nay thế giới đã bớc vào thế kỷ XXI tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt môi trờng ô nhiễm khắp nơi, nhng nhu cầu sống và hởng thụ của con ngời lại ngày càng cao, dân số thế giới vẫn tăng vọt, làm cho thế giới sẽ không đủ các sản phẩm để cung cấp cho mọi ngời nếu hoạt động lao động chỉ là thủ công. Để giải quyết vấn đề đó chỉ có con đờng duy nhất là ứng dụng tự động hoá vào sản xuất . Các nớc trên thế giới đã sớm nhận biết điều này và đã ứng dụng tự động hoá vào sản xuất từ rất sớm, kết quả là họ sớm có một nền sản suất đại công nghiệp đa ra thị trờng hàng loạt sản phẩm số lợng lớn, chất lợng cao tăng thu nhập cho quốc gia, nh Anh, Pháp, Mỹ. chính công nghệ tự động hoá cao ứng dụng vào sản xuất đã đa các quốc gia này trở thành các cờng quốc giàu mạnh có vị thế cao trên trờng quốc tế. Nớc ta thuộc nhóm các nớc đang phát triển với một nền kinh tế nông nghiệp truyền thống, qua nhiều thập niên trở lại đây nền nông nghiệp của việt nam ngày càng phát triển vững mạnh, và đến nay nền kinh tế thế giới đang chuyển mạnh sang các ngành công nghiệp và dịch vụ đặc biệt là công nghệ thông tin, với việt Nam nông nghiệp vẫn là một ngành có đóng góp đáng kể vào tổng thu nhập quốc dân. Chính vì vậy mà nền nông nghiệp nớc ta luôn đợc sự quan tâm của đảng và của nhà nớc , nhờ đó mà ngành nông nghiệp đã có nhiều bớc phát triển vợt bậc, sản lợng thu hoạch đợc từ các loại nông sản qua các mùa vụ ngày càng đợc nâng cao. Phng phỏp ng dng phn mm simatic trong h thng ti rau theo dõy chuyn sn xut rau sch đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 2 Tuy nhiên ngày nay nhu cầu về sản phẩm nông nghiệp không chỉ đơn giản là số lợng mà phải đảm bảo cả về số lợng và chất lợng, nhất là khi môi trờng ô nhiễm trầm trọng, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật bừa bãi làm ô nhiễm vào các loại sản phẩm nông nghiệp, đây là vấn đề bức xúc của toàn thể xã hội. Để giả quyết vấn trên con đờng lựa chọn tôi u là ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp trong đó tự động hoá đóng vai trò vô cùng quan trọng về mặt kỹ thuật phục vụ sản xuất nông nghiệp chất lợng cao, tới tiêu, thu hoạch và bảo quản .Nhất là hiện nay Đảng và nhà nớc ta đang đẩy nhanh công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn. Do đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài "Thiết kế hệ thống tới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn" Trong quả trình thực hiện đề tài chúng tôi đã tiến hành khảo sát mô hình thực tế, nghiên cứu một số phần mềm trên cơ sở lý thuyết rồi từ đó xây dựng mô hình thực nghiệm với phần mềm điều khiển simatic S7-200. Qua nhiều lần thí nghiệm và trên cơ sở tính toán lý thuyết chùng tôi khẳng định mô hình chúng tôi xây dựng đảm bảo tinh thực tế và có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao ngày nay. 2. mục đích của đề tài - Nghiên cứu mô hình tới nớc tự động sản xuất rau an toàn trong thực tiễn từ đó thiết kế mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong nớc. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên phần mềm lập trình simatic S7-200 - ứng dụng phần mềm simatic S7-200 để xây dựng chơng trình điều khiển hệ thống. đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 3 3. Nội dung đề tài. - Tổng quan đề tài. - Xây dựng thuật toán điều khiển mô hình. - Chọn thiết bị điều khiển, thiết bị nhập xuất. Xây dựng mô hình thực nghiệm và lập trình điều khiển hệ thống tới tự động phục vụ sản xuất rau an toàn. 4. Phơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đợc nội dung đề tài nghiên cứu, chúng tôi tiến hành phơng pháp nghiên cứu sau: * Các kết quả nghiên cứu kế thừa: - Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trớc về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình, cụ thể là phần mềm lập trình simatic S7-200. - Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn. * Định hớng nghiên cứu. - Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính. - Thay đổi phơng pháp lập trình để tìm ra phơng pháp đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả nhất. - Xây dựng chơng trình điều khiển. * Phơng pháp thực nghiệp kiểm chứng: - Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi của chơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống. * Thiết bị thí nghiệm: - Máy tính PC - Bộ điều khiển S7 - 200 cpu - Bộ mô phỏng, hệ thống cáp, dây nối đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 4 Phần I Tổng quan 1.1.Thực trạng về sản xuất rau ở Việt Nam 1.1.1. Thực trạng Nông nghiệp nớc ta chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế Quốc dân và đã đạt đợc những thành tựu vô cùng to lớn, từ chỗ thiếu lơng thực tới nay đã trở thành một trong những nớc xuất khẩu gạo đứng hàng đấu thế giới. Hàng loạt các cây trồng mới có năng suất cao, ngắn ngày đã thay thế những giống cổ truyền, năng suất thấp. Các vùng chuyên canh rau và cây công nghiệp ngắn ngày đã đợc hình thành thay thế cho công thức đa canh, xen canh. Tất cả các thay đổi đó tạo điều kiện cho nhiều loại sâu, bệnh phát triển và có thể bùng phát thành dịch. Để đề phòng sâu hại, nâng cao năng suất, chất lợng sản phẩm, con ngời đã nghiên cứu và đa vào ứng dụng nhiều công thức trồng cây mà đặc biệt là công nghệ sản suất rau an toàn không dùng đất trong nhà lới.Với sự phát triến của nền kinh tế nớc ta đời sống nhân dân ngày càng đợc cải thiện nhu câu dinh dỡng ngày càng cao, trong các bữa ăn hằng ngày rau chiếm một vị trí quan trọng vì trong rau có chứa các hợp chất nh: protein, lipit, axit hữu cơ, chất khoáng, vitamin Con ngời yêu cầu về rau ngày càng cao thì chủng loại rau ngày càng phong phú, đa dạng, đủ về số lợng, tốt về chất lợng và nhất là phải an toàn vệ sinh thực phẩm. Trong (Đề án phát triển rau, quả và hoa cây cảnh thời kỳ 1999 - 2010) của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn đợc thủ tớng chính phủ phê duyệt ngày 03/09/1999. Có xác định mục tiêu cho ngành sản xuất rau hoa quả là:Đáp ứng nhu cầu rau có chất lợng cao cho nhu cầu tiêu dùng trong nớc, nhất là các khu dân c tập chung(đô thị, khu công nghiệp) và suất khẩu. Phấn đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 5 đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu ngời 85kg rau/năm, giá trị kim ngạch suất khẩu đạt 690 triệu USD. Trong những năm gần đây sản suất nông nghiệp đợc Đảng và nhà nớc quan tâm nên đã giải quyết đợc vần đề an ninh lơng thực, thực phẩm. Trong sự phát triển chung của ngành Nông nghiệp, ngành sản xuất rau cũng đợc quan tâm và phát triển mạnh, theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000 là 450.000 ha tăng 70% so với năm 1990. Trong đó các tỉnh phía Bắc có 249.000 ha, chiếm 56% diện tích cả nớc, các tỉnh phía Nam có 196.000 ha chiếm 44% diện tích canh tác. Sản lợng rau trên đất nông nghiệp đợc hình thành từ hai vùng sản xuất chính. Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 38 - 40% diện tích và 45 - 50% sản lợng. Tại đây phục vụ cho tiêu dùng của dân c tập trung là chủ yếu, chủng loại rau vùng này rất đa dạng phong phú và năng suất cao. Vùng sản xuất luân canh với cây trồng khác chủ yếu trong vụ Đông - xuân tại các tỉnh phía Bắc, miền Đông Nam Bộ. Đây là vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu. * Hiện nay rau đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó có: - Ô nhiễm do hoá chất bảo vệ thực vật. Theo Viện Bảo Vệ Thực Vật (1998) hiện nay ở Việt Nam đã và đang sử dụng 270 loại thuốc trừ bệnh, 160 loại thuốc trừ cỏ, 12 loại thuốc diệt chuột, 26 loại thuốc kích thích sinh trởng với số lợng ngày càng tăng. Tuy chủng loại nhiều song do thói quen hoặc sợ rủi do cùng với ít hiểu biết mức độ độc hại của hoá chất bảo vệ thực vật nên đa số hộ nông dân hay dùng một số loại thuốc quen có độc tố cao, thậm chí bị cấm nh: monitor, wofatox, DDT.Dẫn tới ngày càng làm cho sản phẩm rau ngày càng ô nhiễm nặng. đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 6 - Hàm lợng (NO 3 - ) trong rau quá cao. Theo fao/who thì hàm lợng (NO 3 - ) ở liều lợng 4g/ngày gây ngộ độc còn 8g/ngày thì có thể gây chết ngời. ở nớc ta việc sử dụng phân hoá học không cao so với các nớc trong khu vực nhng ảnh hởng của phân hoá học tới sự tích luỹ (NO 3 - ) trong rau là nguyên nhân làm rau không sạch. Nớc ta quy định hàm lợng (NO 3 - ) trong rau nh sau: cải bắp 500mg/kg, cà chua 150mg/kg, da chuột 150mg/kg. - Tồn d kim loại nặng trong sản phẩm rau. Do sự lạm dụng hoá chất bảo vệ thực vật cùng với phân bón các loại đã làm một lợng N, P, K, và hoá chất bảo vệ thực vật rửa trôi xâm nhập vào mạch nớc làm ô nhiễm mạch nớc ngầm. Theo Phạm Bình Quân (1994) thì hàm lợng kim loại nặng, đặc biệt là asen (as) ở Mai Dịch trong các mơng tới cao hơn hẳn so với ruộng lúa nớc các kim loại nặng tiềm ẩn trong đất hoặc từ các nguồn nớc ô nhiễm qua nớc tới đợc rau hấp thụ. - Vi sinh vật gây hại trong rau do sử dụng nớc tới có vi sinh vật gây hại ( ecoli, salmonella, trứng giun.) tuy cha đợc thống kê, song tác hại của nó là rất lớn. - Do rau là nguồn thực phẩm quan trọng đối với đời sống con ngời nên giải pháp duy nhất đối với ngành trồng rau là nhanh chóng đa tiến bộ vào sản suất. Đặc điểm chung của các cây rau là yêu cầu độ ẩm rất cao thờng từ 85- 95%, nếu thiếu nớc cây rau sẽ không sinh trởng và phát triển đợc và chúng cần một nhiệt độ ổn định, do vậy đa cây rau vào sản xuất thuỷ canh không dùng đất là rất phù hợp. Phơng pháp này sẽ nâng cao một cách đáng kể về năng xuất và cải thiện tơng đối về mặt ô nhiễm. Để thực hiện đợc phơng pháp thuỷ canh này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây, nên việc áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống tới tự động sẽ tạo một bớc đột phá mới cho ngành sản xuất rau an toan ở nớc ta hiện nay. đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 7 1.1.2. Trồng cây không dùng đất ở Việt Nam và trên thế giới phơng pháp thủy canh. * Lịch sử trồng không dùng đất. Thuỷ canh (Hydroponics) là hình thức canh tác không dùng đất. Cây đợc trồng trong dung dịch dinh dỡng hoặc trên các giá thể trơ (cát sỏi, than bùn ) đợc tới dinh dỡng cần thiết. Van Helmont (1577-1644), là ngời đầu tiên tiên tiến hành thí nghiệm về dinh dỡng thực vật. Ông cân cành liễu và đất để trồng cành liễu đó trớc thí nghiệm, sau thí nghiệm ông cân lại và thấy khối lợng đất hầu nh không đổi, ông kết luận: thực vật lớn lên nhờ nớc. Năm 1699 John Woodward trồng cây trong nớc có độ tinh khiết khác nhau, kết quả là cây trồng trong dung dịch đất tốt nhất, thứ đến là nớc tự nhiên và cuối cùng là nớc cất, ông kết luận: cây lớn lên nhờ lấy các chất trong đất . Năm 1804, Desaussure đề xuất rằng: cây hấp thụ các nguyên tố hoá học từ đất, nớc và không khí. Sau đó Boussin gault (1851) đã làm thay đổi nhận định trên bằng các thí nghiệm trồng trên cát, thạch anh, than củi đợc tới dinh dỡng đã biết. Ông kết luận: nớc là yếu tố cần thiết cho sinh trởng và cung cấp hyđro. Cây sử dụng hyđro, oxy, nitơ của không khí và một số nguyên tố khoáng khác . Những năm 60 của thế kỷ XIX, hai nhà khoa học Đức là Shachs (1860) và Knop (1861) đã đề xuất phơng pháp trồng cây trong dung dịch và Knop đã sản xuất ra dung dịch nuôi cây đầu tiên . Đầu năm 1930, WF Georicke ở trờng đại học Canifornia (Mỹ) trồng cây trong dung dịch có thành phần và tỷ lệ khoáng mà cây cần. Thuật ngữ " Hyđroponic" ra đời từ đây . * Các hệ thống trồng cây không dùng đất trên thế giới. - Hệ thống Gricke: trồng cây trong nớc sâu, rễ cây toàn phần hoặc một phần đợc nhúng vào dung dịch dinh dỡng. đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 8 - Hệ thống thuỷ canh nổi: cây trồng trên các bè vật liệu chất dẻo nhẹ nằm trên mặt dinh dỡng chảy tuần hoàn và đợc sục khí. -Hệ thống trồng cây trong nớc sâu tuần hoàn: rễ cây hoàn toàn chìm sâu trong dung dịch dinh dỡng lu chuyển đợc thông khí liên tục. - Kỹ thuật màng mỏng dinh dỡng NFT: rễ cây tạo thành lớp nệm mỏng trên đáy máng và chỉ dùng một dòng dung dịch rất nông chảy qua. -Màn sơng dinh dỡng: rễ cây đợc đặt trong môi trờng bão hoà với các giọt dinh dỡng liên tục hay gián đoạn dới dạng sơng mù. -Hệ thống thuỷ canh phổ biến: vật đựng dung dịch là hộp xốp, chậu nhựa, thùng gỗ giá thể là chấu cát, than đá - Hệ thống thuỷ canh của AVRDC: vật chứa dung dịch là hộp xốp, giá thể chấu hun đợc đựng trong các rọ nhựa. * Ưu nhợc điểm của phơng pháp trồng không dùng đất. - Ưu điểm: + Không phải làm đất, không có cỏ dại. + Trồng dợc nhiều vụ trong năm, có thể trồng trái vụ. + Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh, thuốc trừ cỏ. + Năng suất cao hơn từ 25-50%. + Sản phẩm hoàn toàn sạch và đồng nhất. + Ngời già yếu, trẻ em có thể tham gia có hiệu quả. + Không tích luỹ chất độc, không gây ô nhiễm môi trờng. - Nhợc điểm: + Đầu t ban đầu lớn. +Yêu cầu kỹ thuật phức tạp. * ứng dụng thuỷ canh trên Thế giới. Kỹ thuật trồng không dùng đất đã và đang đợc áp dụng trên thế giới đặc biệt là các nớc phát triển. đồ án tốt nghiệp sv. Lơng văn kiên Trờng dhnni hà nội điện 45a khoa cơ điện 9 Sau chiến tranh Thế giới thứ II, quân đội Mỹ đã ứng dụng kỹ thuật thuỷ canh trồng 22ha Chofu ( Nhật Bản). Trong 10 năm đã sản xuất đợc 31800 tấn rau quả . ở Pháp, từ 1975 đến nay trồng không dùng đất đợc phát triển mạnh. Hiện nay diện tích trồng không dùng đất tối thiểu là 300 ha . Tại Nhật Bản, kỹ thuật thuỷ canh chủ yếu để trồng rau. Cà chua đạt 130- 140 tấn/ha/năm, da leo 250 tấn/ha/năm . Tại Anh, xây dựng hệ thống NFT sử dụng nhiệt thừa của nhà máy điện để trồng cà chua với diện tích 8,1 ha . Tại Đài Loan, sử dụng hệ thống thuỷ canh không tuần hoàn của AVRDC để trồng rau và các loại da . Tại Singapore, ứng dụng kỹ thuật màn sơng dinh dỡng để trồng một số loại rau ôn đới mà trớc đây sản xuất khó khăn nh: rau diếp, bắp cải, cà chua, su hào Theo Lê Đình Lơng: Hà Lan có tới 3000 ha, Nam Phi có 400 ha, Pháp, Anh, ý, Đài Loan, mỗi nớc có hàng trăm ha cây trồng trong dung dịch . ở Nam Phi, trên mỗi khoang trồng 18m 2 thu hoạch đợc 450 kg cà chua ( tơng đơng với 250 tấn/ha), 378 kg khoai tây (ứng với 210 tấn/ha) . ở Châu Âu, kỹ thuật này cũng đang đợc áp dụng mạnh, riêng Bắc Âu đã có tới 400 ha . Các quốc gia khác cũng đang sử dụng hệ thống thuỷ canh nh: Australia, Newzealand, Bahamasisland, Trung và Đông Phi, Kuwait, Brazil, Ba Lan, Malaysia, Iran . * ứng dụng thuỷ canh ở Việt Nam. ở Việt Nam kỹ thuật này còn mới mẻ, đang ở giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Đầu năm 1993, ông Grahan Warburtop- giám đốc R and D Hồng Kông . nghiệm trên cơ sở sử dụng các thiết bị có sẵn ở trong nớc. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên phần mềm lập trình simatic S7-200 - ứng dụng phần mềm simatic S7-200 để xây. "Thiết kế hệ thống tới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn" Trong quả trình thực hiện đề tài chúng tôi đã tiến hành khảo sát mô hình thực tế, nghiên cứu một số phần mềm trên. mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn. * Định hớng nghiên cứu. - Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính. - Thay đổi phơng pháp lập trình để tìm ra phơng pháp đơn giản, dễ sử dụng và