Đang tải... (xem toàn văn)
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 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
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội MỤC LỤC Trang Danh mục các bảng Danh mục các hình ảnh Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan chung 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.2 Mô tả hiện tượng quá trình .7 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 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 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 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 khí 53 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 58 GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 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 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 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 PLC Danh mục các hình ảnh GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 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 khí Hình 3-2: Mô phỏng hệ thống khí Hình 3-3: Mô phỏng hệ thống khí Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng 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 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 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 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 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 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 các mô hình GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội khoa học có khả ứng dụng vào thực tiễn Vì vậy đồ án chính là 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 gia đình” cho tốt nghiệp của mình Tuy đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu và sử dụng các kiến thức bản thân 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 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: Nguyễn Văn Thành Phạm Văn Hưng Nguyễn Trung Thành GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Chương : 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 một hệ thống khép kín” của các nhà khoa học ở Berlin nghiên cứu làm để có thể trồng cà chua và nuôi cá một hệ thống khép kín có tính bền vững cao, góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm thực phẩm hiện 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 không cần đất (Hydroponik) Phòng thí nghiệm là một vườn ươm, tại có bể nuôi cá cao bằng đầu người, ở giữa có hàng cà chua trồng chậu Những chậu này kết nối với 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 nước ngưng tụ trần bằng kính – cũng là một bộ phận của chu trình tuần hoàn Ở 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 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 Ngược lại thay vì xả nước môi trường, Enjoy GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Aquaponics sử dụng 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 nó bị mất bay 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 Ngược lại, hệ thống này dùng trồng làm sạch nước nuôi cá và trả lại cho bể cá thay vì phải xử lý xả môi trường Nước có thể tái sử dụng vô thời hạn, chỉ cần bổ sung lượng thất thoát bay 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 chuyển đổi thành các hợp chất amoniac và các chất khác Yếu tố giữ vai trò cực kỳ quan trọng 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 các bể cạn trồng cây, giúp chuyển hóa chất thải từ bể nuôi cá thành dạng dinh dưỡng phù hợp cho 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 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 gia đình hoạt động khép kín, nước từ bồn nuôi cá sẽ được bơm lên các bồn trồng rau, dinh dưỡng nước sẽ được rễ 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 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội - Sử dụng các thiết bị điện 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 nuôi trồng Điều khiển các thiết bị để tự động hóa hệ thống Mục đích để tận dụng lợi ích của việc trồng và nuôi cá Và tiết kiệm chi phí vận hành cũng 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 thời gian của 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 mô hình trồng rau nuôi cá - Xây dựng hệ thống điều khiển và các chương trình tự động theo từng loại trồng phù hợp với nhu cầu của để 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 yêu cầu của từng nhóm mà ta có các chế độ chiếu sáng cũng điều chỉnh nhiệt độ, nhu cầu nước và độ ẩm để chăm sóc trồng Kết luận chương: Sau 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 bọn em đã làm rõ vấn đề về đối tượng và đưa phương pháp thực nghiệm sau đã nghiên cứu phương pháp nghiên cứu lý thuyết GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 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 các thiết bị hiện đại để điều khiển vận hành tự động hệ thống mà không cần đến sự can thiệp của người Giúp nâng cao suất lao động và tiết kiệm thời gian và công sức quản lý của 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 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 Quản lý sản xuất theo phương pháp hữu Một mức cao về an toàn sinh học và rủi ro thấp từ các chất ô nhiễm bên ngoài - Khả kiểm soát cao vào sản xuất hàng đầu để giảm tổn thất - Có thể được sử dụng diện tích đất phi nông nghiệp (nhà phố – bê tông, sa mạc, đất bị suy thoái hay nhiểm mặn, đảo cát…) - Tạo 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 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 Cửa sổ “MAIN”: hiển thị các thông số thời gian thực, nhiệt độ, độ ẩm môi trường cảm biến đo được Và còn các thông số đã được cài đặt cũng các phím bật hoặc tắt và đèn báo hoạt động của chế độ Các chế độ AUTO, MANUAL, START AUTO, STOP AUTO dùng để lựa chọn chế độ hoạt động, bật và tắt chế độ tự động Cửa sổ “SETTING”: là nơi cài đặt các thông số cho chế độ auto, bao gồm có cài đặt nhiệt độ, độ ẩm, thời gian bật đèn GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 68 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Cửa sổ “BƠM TƯỚI”: hiển thị thời gian cài đặt giờ, phút bật và tắt bơm Kèm theo là các phím mềm bật bơm và tắt bơm Giao diện của màn hình HMI được thiết kế để có thể thiết lập các chương trình mở với các thông số được tùy chọn cài đặt để có thể chạy tự động một chương trình Nghĩa là chúng ta phải cài đặt các thông số mới vận hành tự động hệ thống Giao diện dễ sử dụng, các thông số có thể thay đổi một cách dễ dàng cho quá trình sử dụng nếu có nhu cầu thay đổi các thông số cài đặt + Để cài đặt một chương trình mới : chúng ta chọn cửa sổ “SETTING” Cửa sổ “SETTING” hiện sau: GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 69 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Chúng ta lựa chọn cài đặt các thông số bằng cách nhận vào các ô vị trí nhiệt độ, độ ẩm, giờ bơm Nhập thông số cần cài đặt bằng bàn phím số màn hình và chọn enter để lưu lại Sau đó nhấn “ XÁC NHẬN” để kết thúc quá trính cài đặt Từ đó chúng ta có thể vận hành hệ thống Để hoạt động bằng chế độ bằng tay chúng ta chọn thẻ “MAN” : sau đó bật tắt đèn hay máy bơm bằng các phím bật , tắt màn hình Để hoạt động chế độ tự động chúng ta chọn thẻ “AUTO” : sau đó chọn “START AUTO” Để dừng chế độ tự động chúng ta chọn thẻ “ STOP AUTO” GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 70 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 4.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển Ta có lưu đồ thuật toán điều khiển GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 71 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Begin Auto Manual Start auto Điều khiển bơm tưới nước Điều khiển bơm phun sương Điều khiển đèn sợi đốt Điều khiển đèn compact Đèn auto Cảm biến nhiệt Đúng Gia nhiệt Thời gian thực Sai Cảm biến độ ẩm Đúng Sai Bơm tưới nước Đèn chiếu sáng Bơm phun sương GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 72 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 4.4 Tính toán chọn máy bơm Chọn bơm nước bình thường công nghiệp thì yếu tố chính là lưu lượng, cột áp, độ nhớt và kích thước đường ống Trong đó cột áp là phần phức tạp nhất, ta chọn một đường ống dài nhất từ nơi đặt bồn nước bơm đến vị trí cần bơm, đó tổn thất cột áp đoạn này là cao nhất Trong tuyến đường chính đó có nhiều kích thước đường ống khác thì ta tính tổn thất từng đoạn Sau đó cộng tổng cộng các cột áp lại cột áp tổng toàn bộ tuyến ống Về lưu lượng: đơn vị m3/h hoặc lít/phút (L/min) Chọn theo lưu lượng mình cần Về cột áp: từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất (theo mét độ cao) + tổn thất áp co cút tê, ma sát thành ống (do ống sần xùi hoặc ống kích cở nhỏ) + tổn thất áp chạy qua tải Nếu có nhiều đầu nước ra, thì ta chọn tuyến đường ống dài nhất tính từ vị trí bơm để đạt được tổn thất áp suất cao nhất Điểm thấp nhất đến điểm cao nhất và đã trừ cột áp hồi (tức là nước tự tuần hoàn trở lại bơm) Lấy theo kinh nghiệp một co vuông bằng 3% cột áp tổng, tê thì lấy % cột áp tổng Lấy mét theo chiều ngang bằng mét theo chiều cao Tổn thất áp chạy qua tải nếu tải đã có sẳn thông số tổn thất áp lực Cột áp H = H1 + H2 +H3 - H1: là tổng của cột áp cao nhất ( tức là áp lực nước theo độ cao từ vị trí đặt bơm đến nơi xa nhất của hệ thống Kinh nghiệm mét ngang bằng mét cao H2: cột áp để phun nước tại đầu - H3: tổn thất áp tại co cút tê đường ống (tổn thất cục bộ) và ma sát đường ống Khoảng cách từ bơm đến nơi cần bơm độ cao là 1m, ống ngang m, lưu lượng 25 lít/phút hay 0,4 l/s Cột áp cao H1 = + 0,5 = 1,5 mét cao H2 lấy bằng mét chiều ngang bằng mét chiều cao H2 = = 1,2 mét H3 = Ha+ Hb = A x L x Q2 + 10%*Ha Hb = 10%*Ha là tổn thất qua tê, co toàn hệ thống GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 73 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Q: lưu lượng nước qua ống (l/s) L: chiều dài của đoạn ống (m) Với A là sức cản ma sát từ ống (mỗi ống lại có sức cản khác nhau) A lấy theo tiêu chuẩn việt nam 4513-1988 => ví dụ đường kính ống là DN20 => A = 1,643 =>> H3 = 1,643 x (1 + 6) x 0,42 + 10%Ha = mét nước Vậy H = 1,5 + 1,2 + = 4,7 mét nước và lưu lượng là 1,5 m3/h tra đồ thị máy bơm ta chọn được bơm 125W 4.5 Tính toán chọn đường kính ống và lưu lượng nước 4.5.1 Tính toán chọn đường kính ống: Trong ngành nước có công thức thông dụng để tính toán đường kính ống sau: Q = S.v Với: Q: lưu lượng dòng nước chảy qua ống (m3/s) S: tiết diện đường ống = R2 *Pi (R là bán kính đường ống, Pi=3,1416) v: Vận tốc nước chảy ống (m/s) Công thức được viết lại sau: Q = R2* *v = *π*v R: bán kính ống dẫn; Pi: hằng số Pi=3,1416, v: vận tốc nước chảy ống.Vì 3,14/4=0,785 nên ta có thể thay vào viết công thức tính đường kính ống dẫn: Với lưu lượng máy bơm là: Q = 25 ( lít /phút) = 0.0004 m3/s Vận tốc nước chảy ống là: v = 1,2 (m/s) GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 74 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội D= = = 0,02 (mét) Với kết quả này ta có thể chọn đường kính ống là 20mm 4.5.2 Tính toán lưu lượng nước: Lưu lượng nước máy bơm là: Qb = 25 ( lít/phút) Vậy giờ là: t = 25.60 = 1500 ( lít/giờ) = 1,5 m3/h Lưu lượng nước chảy ống với thời gian giờ là: QO = 1,5 2700 = 0,0004 (m3/s) Lượng nước cho khay thời gian giờ với đường kính ống là 20mm là: 1500 = 250 ( lít/h) Do tiết diện của ống là 5mm nên lượng nước cho khay thời gian 1h với đường ống kính 5mm là : 250 = 62,5 (lít/giờ) 4.6 Bài toán về hiệu quả kinh tế 4.6.1 Bài toán chi phí cho mô hình Điện tiêu thụ của hệ thống: -Điện là công của dòng điện,điện được tính theo công thức: A=P.t A: điện tiêu thụ của đồ dung điện thời gian t (wh) t : thời gian làm việc của đồ dung điện (h) GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 75 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội P :công suất của đồ dung điện (W) 1KWh=1000Wh -Ta có hệ thống gồm máy bơm nước là 220v-125W mỗi ngày sử dụng 120phút, bóng đèn sợi đốt 220V-40W và bóng đèn compact 220V-20W làm việc 12 giờ, hệ thống làm việc tháng (30 ngày), số tiền phải trả 1kwh là 1200đồng - Công suất của bóng đèn 6h là: A1= P.t = (40+20.2).12 = 960 wh - Công suất của máy bơm 120 phút = h là: A2= P.t = 125.2 = 250 wh - Công suất của hệ thống ngày là A = A1+A2 = 960+250 = 1210 Wh - Công suất tiêu thụ tháng là A = 1210.30 = 36300wh = 36,3 kwh - Số tiền phải trả cho 12 tháng là Tiền = 36,3.1200.12 = 522720 đồng Giá thành trồng của hệ thống -Chi phí giống: Giống cà chua + xà lách = 50000 đồng Cá bống tượng(20 con) = 100000 đồng Thức ăn cho cá các loại rau cỏ … dễ kiếm nên không tốn chi phí Phân bón =100000 đồng Toàn bộ hệ thống tiêu tốn năm là khoảng tầm 772000 đồng 4.6.2 Các bài toán thu kinh tế từ việc xây dựng hệ thống Rau cà chua năm trồng được vụ sản lượng thu được năm từ mô hình khoảng 300kg, với giá trung bình cho 1kg xà lách là khoảng 10000 đồng GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 76 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội =>Tiền thu được từ cà chua là triệu đồng Rau xà lách năm trồng được vụ sản lượng thu được năm từ mô hình khoảng 150kg, với giá trung bình cho 1kg cà chua là khoảng 10000 đồng =>Tiền thu được từ cà chua là 1,5 triệu đồng Cá bống tượng năm thu được vụ sản lượng thu được năm từ mô hình khoảng 10kg, với giá trung bình cho 1kg cá bống tượng là khoảng 350000 đồng =>Tiền thu được từ cà chua là 3,5 triệu đồng Tổng số tiền thu được từ hệ thống năm là triệu đồng 4.7 Các chương trình điều khiển tự động : Với chế độ auto ta có thể chạy tự động các chương trình tự động được thiết lập sẵn Phù hợp với yêu cầu của từng nhóm và điều kiện sinh trưởng của nó ta có các chương trình : Chương trình : Dành cho nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh: cà chua, bí ngô, cà, đậu Phát triển ở 15-30oC Điển hình cà chua phát triển tốt ở nhiệt độ 21-24 oC và cho thu hoạch từ 75-80 ngày sau trồng Thời gian chiếu sáng từ 12-14 ( giờ /ngày) Nhiệt độ : 15-30oC Độ ẩm : 45-60% Chương trình : Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng trung bình là: cải bắp, cải trắng, củ cải, hành, tỏi Phát triển tốt ở nhiệt độ 13-15 độ C, cao nhất lên đến 27 oC, nếu nhiệt độ cao sẽ chết Điển hình rau bắp cải : sinh trưởng tốt điều kiện nhiệt độ từ 1518oC Thời gian chiếu sáng : 10-12 ( giờ /ngày ) GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 77 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Nhiệt độ : 15-20oC Độ ẩm : 75-85% Chương trình : Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng yếu là : rau diếp, xà lách Phát triển tốt ở 16 oC có thể chịu được nhiệt độ xuống tới 7oC Thời gian chiếu sáng : 8-10 ( giờ /ngày ) Nhiệt độ : 10-18oC Độ ẩm : 70-80% Các lỗi có thể xảy quá trình hoạt động: 4.8 Các lỗi có thể xảy cho hệ thống - Có thể bị mất điện: Với nhu cầu sử dụng điện thường xuyên, nên khó tránh khỏi việc bị mất điện thời gian dài Khi mất điện có thể làm cho quá trình hoạt động của hệ thống bị gián đoạn Để khắc phục vấn đề này chúng ta cần cung cấp cho nó một nguồn điện ổn định về dòng và áp Cho nên chúng ta có thể sử dụng bình ắc quy hay là máy phát điện để kịp thời cấp điện cho hệ thống hệ thống bị mất điện để đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định và không bị gián đoạn - Thiếu nước bơm: Với việc bơm nhiều lần để giữ ẩm và lượng nước bốc có thể khiến lượng nước giảm Cho nên chúng ta cần có nguồn nước bổ sung cần thiết cho hệ thống Có thể dùng ống nối với bể nước khác và dùng bơm bơm sang, hoặc là có thể cung cấp nước trực tiếp bằng cách đưa nước đổ thêm trực tiếp vào thùng chứa nước - Sự cố tràn nước ở khay: Nguyên nhân có thể ống hút bị tắc sử dụng lâu ngày, có thể đất sét nung lọt xuống gây tắc ống lọc nước nên nước không thoát xuống bể cá được mà bị ứ động, gây ngập úng nơi trồng rau Chúng ta sẽ khắc phục bằng cách kiểm tra hệ thống ống dẫn nước gần nơi bị tắc nhất để xem chỗ nào bị tắc để có thể xử lý kịp thời và hiệu quả GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 78 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Kết luận chương : - Với việc thiết kế thành công hệ thống khí và hệ thống điều khiển đã mang lại thành công ban đầu cho đề tài - Hệ thống khí đảm bảo được độ chắc chắn, vững bền của mình - Hệ thống điều khiển điều khiển quá trình hoạt động tự động của hệ thống ổn định - Cùng với việc xây dựng các chương trình tự động giúp cho chúng ta có các chương trình tự động để thiết lập cài đặt phù hợp với nhu cầu sử dụng cho các loại rau - Chúng em đã tính toán bài toán kinh tế về chi phí và bài toán kinh tế thu được xây dựng hệ thống này - Đưa các lỗi có thể gặp quá trình sử dụng và phương pháp khắc phục cho hiệu quả và dễ xử lý nhất Chương 5: Kết quả và bàn luận GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 79 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Sau lắp ráp hoàn thành hệ thống chúng em có được hệ thống hoàn chỉnh Vận hành hoạt động thử nghiệm hệ thống : - Hệ thống hoạt động ổn định, với chế độ hoạt động riêng biệt - Với chế độ bằng tay chúng ta có thể điều khiển bật tắt các cấu chấp hành một cách dễ dàng, thuận tiện - Với chế độ auto hệ thống hoạt động ổn định, không có lỗi gì xảy Nước được bơm và thoát đúng theo chu trình đã đưa ra, không có nước đọng quá nhiểu khay - Hệ thống điều khiển hoạt động ổn định, an toàn Định hướng phát triển của hệ thống: Trên thực tế hệ thống còn có thể phát triển, hoàn thiện nữa và có khả thương mại hóa CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Các tài liệu tham khảo: GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 80 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội - Kỹ thuật lập trình PLC - nhà xuất bản Đà Nẵng Lý thuyết điều khiển tự động - ĐH Bách Khoa Các trang web sử dụng: - Cảm biến đo nhiệt độ: http://codientu.org/threads/5207/ Cảm biến đo độ ẩm: http://codientu.org/threads/4969/ Hệ thống aquaponic: http://vnaquaponics.com/ http://aquaponicpeople.com/category/education/ http://www.aquaponic.com.au/Water%20Chemistry.pdf http://trongrausachtainha.vn/ GVHD: ThS Bùi Thanh Lâm 81 [...]... dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp gia trị 0 đến mô t trong những đầu vào - Đọc gia trị nhận được trong CPU - Căn cứ vào gia trị đó hãy chỉnh OFFSET để đưa gia trị về 0 (căn chỉnh điểm 0), hoặc gia trị số cần thiết kế - Sau đó nối mô t trong những đầu vào với gia trị lớn nhất của dải đo - Đọc gia trị nhận được trong CPU - Căn cứ vào... 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... 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 mô t khay chứa đầy gia thể (độ sâu khoản 30cm), đáy khay có khoét lỗ thoát nước và lắp vào nó mô t bộ ngắt nước (shiphon bell) - Nước từ hồ cá thông qua bộ lọc và hệ thống bơm cung cấp cho... 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... trình cứ thể lặp lại tạo nên mô t 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... 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 gia m xuống dưới mức nhiệt... 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. .. 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 mô i chậu có khoét lỗ thoát nước và lắp bộ ngắt nước shiphon... Đảm bảo gia rẻ, gia m 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... 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