Tài liệu Hệ thống tưới cây tự động sử dụng plc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG *** ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TƯỚI CÂY DÙNG PLC CP1L - OMRON Giảng viên hướng dẫn: KS. Trần Thiện Dũng Sinh viên thực hiện : Lớp NGUYỄN THỊ HƯƠNG K47ĐĐK.01 : Khóa : K47 Thái Nguyên, năm 2014 Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON NHẬN XÉT (của giáo viên hướng dẫn) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Thái Nguyên, ngày…..tháng…..năm 2014 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT (của giáo viên chấm) ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………... Thái Nguyên, ngày…..tháng…..năm 2014 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 1 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người. Làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại. Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao. Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ .Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ không ngừng của các lĩnh vực này. Tại các nước phát triển, những tiến bộ công nghệ hầu như được các nhà khoa học áp dụng vào trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và trong sản xuất. Chính nhờ đó mà chúng đem lại năng suất hiệu quả cao trong công việc. Tuy nhiên ở Việt Nam, một nước có ngành sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn thì việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp nói riêng và và cây trồng nói chung còn rất hạn chế. Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao. Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao, Những trung tâm nghiên cứu và trồng cây giống, cây cảnh, rau quả siêu sạch trong nhà kính xuất hiện. Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng. Với những thành tựu phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật sẽ tạo nên một Nền Nông Nghiệp Công Nghệ Cao, một nền nông nghiệp hoàn toàn không lệ thuộc vào khí hậu tự nhiên. Đây có thể là bước đột phá của nền nông nghiệp, làm thay đổi phương thức sản xuất tăng năng suất sản phẩm, phù hợp với xu thế công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước. Là sinh viên chuyên ngành Đo lường và Điều khiển tự động, sau khi được học tập, nghiên cứu học phần: “Hệ thống điều khiển lập trình” và đăng ký đồ án môn học tại trường Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên, em được giao tìm hiểu và hoàn thành đề tài: “Thiết kế hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON” do thầy KS. Trần Thiện Dũng hướng dẫn. GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 2 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON Trong quá trình tiến hành làm đồ án, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn Ks. Trần Thiện Dũng cùng các thầy cô giáo bộ môn Đo lường và Điều khiển tự động và sự cố gắng của bản thân nhưng do giới hạn về thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 22 tháng 11 năm 2014 Sinh viên thiết kế Nguyễn Thị Hương GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 3 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON MỤC LỤC CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG. .............................................. 5 1.1.Giới thiệu về tưới cây tự động. ............................................................................................. 5 1.1.1 Khái niệm về tưới cây .......................................................................................... 5 1.1.2 Ý nghĩa tưới tiêu cho cây trồng .......................................................................... 5 1.1.3 Lý do sử dụng hệ thống tuới tự động .................................................................. 6 1.2 Các phương pháp tưới và lựa chọn phương pháp tưới ......................................................... 7 1.2.1 Các phương pháp tưới ........................................................................................ 7 1.2.2 Lựa chọn phương pháp tưới ............................................................................. 10 1.3. Yêu cầu công nghệ của hệ thống tưới cây tự động............................................................ 14 CHƯƠNG II:GIỚI THIỆU VỀ PLC CP1L CPU 20I/O ......................................... 14 2.1 Đơn vị cơ bản của PLC CP1L ........................................................................................... 15 2.2. Thông số của CP1L CPU 20 I/O ....................................................................................... 17 2.3. Đấu nối tín hiệu vào/ra ...................................................................................................... 17 2.3.1 Đấu nối tín hiệu vào ............................................................................................ 17 2.3.2 Đấu nối tín hiệu ra .............................................................................................. 17 2.4.Module vào ra mở rộng. ..................................................................................................... 18 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT FC - 28 .................... 19 3.1 Tổng quan về cảm biến độ ẩm đất FC - 28 ........................................................................ 19 3.2 Thông số kỹ thuật ............................................................................................................... 19 CHƯƠNG IV: NGUYÊN LÝ, SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TƯỚI CÂY ............................................................................................ 21 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tưới cây ..................................................................................... 21 4.2 Sơ đồ đấu nối đầu vào và đầu ra ......................................................................................... 22 4.3 Gán địa chỉ vào/ra ............................................................................................................... 23 4.4 Địa chỉ đầu ra...................................................................................................................... 23 4.5 Sơ đồ thuật toán chương trình ............................................................................................ 24 4.6 Lập trình ............................................................................................................................. 25 4.6.1 Dạng LAD ............................................................................................................ 25 4.6.2 Dạng STL................................................................. Error! Bookmark not defined. GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 4 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG. 1.1.Giới thiệu về tưới cây tự động. 1.1.1 Khái niệm về tưới cây Hệ thống tưới là một công cụ để chuyển tải một lượng nước như nhau từ nguồn nước đến các điểm khác nhau của đồng ruộng với mật độ bao phủ đồng đều cao và cho phép sử dụng cung cấp nước, phân hòa tan trong nước phù hợp cho từng giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây trồng. Cây trồng luôn luôn cần nước để phát triển. Khi đất bị do ít mưa, bốc hơi lớn, khô nóng, hạn hán, cây trồng bị thiếu nước có thể bị ngưng phát triển, lúc đó tà phải tưới bổ sung nước cho đất và cây trồng hấp thu. Tuy nhiên, khi lượng nước trong đất quá nhiều và kéo dài, cây trồng có thể bị hại do ngập úng, lúc đó ta cần phải tiêu thoát nước. 1.1.2 Ý nghĩa tưới tiêu cho cây trồng Nước là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Trong sản xuât nông nghiệp, nước trên đồng ruộng luôn luôn thay đổi. Sự thay đổi đó làm cho đất phát triển theo hai hướng trái ngược nhau – đất ngày càng tốt lên hay ngày càng xấu đi. Nếu chúng ta nắm vững quy luật biển đổi của chế độ nước và sử dụng hợp lý các nguồn nước ở từng vùng thì độ phì của đất ngày càng tang lên hoặc hạn chế đến mức thấp nhất sự phát triển xấu đi của đất đai. Ngược lại nếu không nắm vững quy luật biến đổi của chế độ nước và sử dụng không hợp lý nguồn nước thì độ phì của đất giảm dần, đát bạc màu, một số nơi đát có thể bị hóa mặn, thậm chí không sử dụng đất để trồng trọt được nữa. Rõ ràng nước là yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành đất. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện đại, người ta dã biến hang triệu hecta đất khô cằn, đất lầy, đất mặn thành đất trồng trọt phì nhiêu. Một trong những đối tượng chính của sản xuất nông nghiệp là cây trồng. Muốn tăng năng suất cây trồng ngày càng cao và ổn định cần thỏa mãn các điều kiện sống của nó. Các diều kiện đó là: nước, chất dinh dưỡng, ánh sáng, nhiệt độ, không khí. Các điều kiện sống của cây trồng liên quan mật thiết với nhau và tuân theo quy luật không thay thế. Tuy nhiên, chế độ nước có ảnh hưởng rõ rệt đến chế độ nhiệt, không khí và dinh dưỡng trong đất. Trong tự nhiên nước phân bố không đều cả về không gian và thời gian, không phù hợp với nhu cầu nước của cây trồng. Lượng nước đến (nước mưa hoặc nước ngầm) quá nhiều hay quá ít so với lượng nước tiêu hao thì cây trồng bị úng hoặc bị hạn. Vì vậy, điều tiết chế độ nước của đất phù hợp với nhu cầu nước của cây trồng là một biện pháp kỹ thuật quan trọng đối với tăng vụ tăng năng suất cây trồng và nâng cao độ phì nhiêu của đất. Thực tiễn sản xuất ở nhiều vùng khô hạn trên thế giới thấy rằng sản phẩm thu được trên diện tích được tưới tăng từ 2 đén 3 lần sản phẩm thu được trên đât không được tưới. GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 5 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON 1.1.3 Lý do sử dụng hệ thống tưới tự động 1. Tiết kiệm chi phí nhân công so với việc tưới bằng tay Với diện tích cây xanh đã được Qui họach khoảng 1ha. Việc chăm sóc, bảo dưỡng, tưới cây cho khu vực này phải cần ít nhất 5 -7 người làm việc liên tục trong ngày, trong đó việc tưới cây là mất nhiều thời gian nhất, đặc biệt là vào mua khô, Chi phí trung bình trả mỗi người là khoảng 4 (triệu)/ VNĐ/Người/ Tháng. Chưa kể chi phí này sẽ tăng lên theo từng năm do giá cả đang ngày một đắt đỏ, theo đó Chi phí này năm sau sẽ cao hơn năm trước.Sản phẩm tưới nước tự động, chúng ta chỉ cẩn tối đa 2 nhân công làm việc chăm sóc, bảo dưỡng cây cối là chính, việc tưới nước họ chỉ đóng vai trò kiểm tra, giám sát, Vì hệ thống TƯỚI đã được lập trình TỰ ĐỘNG hoàn toàn, do đó chí phí nhân công sẽ được cắt giảm một cách thấp nhất. 2.Chi phí đầu tư ban đầu không cao như bạn nghĩ. Với một hệ thống tưới nước tự động, phần đầu tưới, phụ kiện và điều khiển chỉ chiếm khoảng 30% trên tổng giá trị, 35% còn lại là đường ống nước và phụ kiện , 10% là máy bơm, tủ điều khiển và các phụ kiện, 25% là chi phí nhân công thi công lắp đặt hệ thống. Như vậy, khi chúng ta không đầu tư hệ thống tưới nước tự động, chúng ta vẫn phải đầu tư máy bơm, đường ống tới mỗi khu cần tưới để phục vụ cho công tác tưới thủ công, tổng chi phí này đã chiếm đến 70% của toàn dự án. Như vậy tại sao chúng ta không đầu tư thêm 30% nữa để có một hệ thống tưới nước tự động hoàn chỉnh, với thời gian sử dụng lâu dài và hoàn toàn không có chi phí phát sinh hàng tháng. 3.Tiết kiệm tối đa nguồn nước Với việc tưới nước bằng tay người lao động đa số làm việc theo cảm hứng, họ không thể kiểm soát được lượng nước mà họ cần tưới cho cây trồng, khi họ tưới quá ít, khi lại quá nhiều, đôi khi vì khoảng cách tưới đến điểm tắt nước hơi xa, nếu họ cần nghỉ ngơi, nghe điện thoại cầm tay, họ sẽ để nước chảy tự do, như vậy nguồn nước sẽ bị thất thoát rất nhiều. Với việc tưới nước TỰ ĐỘNG được thiết kế để chúng ta có thể biết chính xác tới từng mm nước mà chúng ta sẽ sử dụng trên mỗi đầu phun, qua đó việc kiểm soát lượng nước tiêu thụ là rất rõ ràng, giúp chúng ta tiết kiệm tối đa nguồn nước, vì vậy hóa đơn tiền nước cũng sẽ giảm đi. 4.Cung cấp lượng nước đồng đều cho cây cối Như ở trên đã nói, việc tưới nước bằng tay đa phần dựa vào cảm nhận của người tưới, cho nên sẽ có cây nhận được ít nước, nhưng có chỗ lại nhiều và rất nhiều. Với hệ thống tưới TỰ ĐỘNG tất cả lượng nước được phun ra từ mỗi đầu phun có kích thước, độ nhuyễn hoàn toàn bằng nhau từ chân đầu phun tới đầu ngọn nước, do đó tất cả cỏ cây sẽ nhận được lượng nước đồng đều nhất, điều này sẽ giúp cây cối phát triển tốt hơn. GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 6 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON 5.Tuổi thọ hệ thống lâu dài Tuổi thọ lên tới vài chục năm của hệ thống tưới nước Tự động chúng ta sẽ tiết kiệm được một khoản tiền không nhỏ cho việc chăm sóc, bảo dưỡng cây cối. chúng ta sẽ tiết kiệm được chi phí rất nhiều năm sau này. 6.Chi phí vận hàng, bảo trì , bảo dưỡng thấp Khác với các loại máy móc thiết bị cần phải bảo trì, tra dầu mỡ thường xuyên... với Hệ thống tưới nước tự động, chi phí bảo dưỡng gần như = 0 vì ngoài máy bơm, chúng ta hầu như không có bộ phận nào khác sử dụng động lực, việc tưới nước diễn ra hoàn toàn theo qui trình thủy lực, hê thống đường ống, đầu phun đều được làm bằng nhựa giúp cho sản phẩm có thể sử dụng trong một thời gian dài mà không gặp vấn đề như ăn mòn, ô xi hóa... 7. Tính chuyên nghiệp cao Toàn bộ đầu phun được nằm âm dưới mặt cỏ, chỉ nhô lên khi tưới, giúp cho cảnh quan khu vực rất đẹp và hài hòa, thể hiện sự hiện đại và xứng tầm cũng như đẳng cấp vượt trội của ngôi nhà hay công trình của bạn. 1.2 Các phương pháp tưới và lựa chọn phương pháp tưới 1.2.1 Các phương pháp tưới Hiện nay có 5 phương pháp tưới chính là tưới mặt, tưới phun, tưới giọt, tưới ngầm vàtưới thấm. Mỗi cách tưới chính có thể có thêm một số cách phụ như hình GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 7 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON 1. Tưới mặt Tưới mặt được xem là một trong các phương pháp tưới cổ điển đã được áp dụng từ lâu đời và tại nhiều quốc gia. Tưới mặt là biện pháp kỹ thuật dùng các đường dẫn tự nhiên (sông, rạch) hay nhân tạo (kênh, mương, rãnh) để đưa nước vào ruộng và ngấm vào đất cung cấp cho cây trồng. Tưới mặt đất có thể chia thành 3 phương thức tưới là tưới ngập, tưới dải và tưới rãnh. Tưới mặt có các ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm:Gần như không cần phải bơm nếu có hệ thống dẫn nước tự chảy theo trọng lực. Nhờ nước tràn trên mặt nên nước được ngấm sâu xuống đất một cách đồng đều. Kỹ thuật tưới này có thể giúp ích nhiều cho việc rửa mặn hoặc giảm phèn trong đất. Tưới ngập có thể hạn chế một phần cỏ dại nếu mặt ruộng được nước ngập trân mặt một thời gian dài. Nhược điểm: Đây là kiểu tưới sử dụng khá nhiều nước. Khi áp dụng tưới mặt, ruộng phải được chuẩn bị san phẳng kỹ theo một độ dốc nhất định, bờ bao phải tốt để kiểm soát nước. Do vậy, khi áp dụng tưới mặt, công sức đầu tư ban đầu 2. Tưới ngập Tưới ngập (Flooding irrigation) là phương thức cung cấp nước cho một vùng đất có bờ bao chung quanh nhằm duy trì một lớp nước trên mặt đất trong một thời gian nhất định cho một mảnh ruộng hoặc vườn có các bờ bao xung quanh và duy trì lớp nước này trong một thời kỳ sinh trưởng nào đó của cây trồng. Ưu điểm: Tưới ngập, nếu thực hiện tốt, có thể giúp hạn chế cỏ dại trong ruộng, làm giảm nồng độ các độc chất trong đất và góp phần làm điều hòa vi khí hậu khu vực. Kỹ thuật tưới ngập thích hợp cho những loại cây trồng sống trong điều kiện ngập nước như lúa,một số loại cỏ, cây ăn trái,… Nhược điểm: phù thuộc vào địa hình đất. 3. Tưới dải Tưới dải (border irrigation) còn gọi là tưới bang, là hình thức tưới tràn trên toàn bộ mặt ruộng Ưu điểm: sử dụng một lượng nước lớn khá an toàn, giảm thiểu công lao động và thời gian, chi phí quản lý thấp và cung cấp nước đồng đều và hiệu quả sử dụng nước cao. Nhược điểm: phải có ruộng thật bằng phẳng, do vậy chi phí đầu tư trang bằng mặt ruộng lúc đầu cao và phải có nguồn nước dồi dào. 4. Tưới rãnh Tưới rãnh (Furrow irrigation) thường áp dụng tưới cho câytrồng cạn hoặc cây ăn trái. Rãnh là các đường trũng hẹp, đào xen kẽvới các liếp và chạy song song với nhau. Thông GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 8 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON thường, người ra đào các rãnh hẹp này và lấp đất đắp hai bên thành liếp. Nước được cho vào các rãnh và thấm dần 2 bên cho cây trồng. Phương pháp này còn gọi là tưới thấm,khác với kiểu tưới ngập tự do, chỉ có một phần ba hoặc một nửa diện tích bị ngập nước, do vậy sự bốc hơi tự do bị giảm đi đáng kể. Kênh dẫn nước vào ruộng trong phương pháp này cao hơn mặt ruộng. Ưu điểm của phương pháp tưới rãnhlà tiết kiệm nước hơn tưới ngập và tưới dải, giảm được lượng tổn thất nước do bốc hơi nên cho hiệu quả tưới cao hơn. Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, không gây xói mòn đất và không làm chèn chặt đất. Nước đi vào cây qua hệ thống rễ, không làm ướt lá nên có thể tránh được một số bệnh cho cây. Nhược điểm của tưới rãnh là phải tốn nhân lực để chuẩn bị đất làm rãnh. Người quản lý nước phải biết kiểm soát mực nước vừa phải. 5. Tưới nhỏ giọt Tưới nhỏ giọt (drip irrigation) là hình thức tưới qua đường ống đặt sát mặt đất hoặc chôn ngầm tưới nhỏ giọt dưới đất (subsurface drip irrigation - SDI), có gắn các vòi nhỏ giọt (emitter). Nước nhiểu ra từng giọt hoặc với một tia rất nhỏ đều đặn với lưu lượng có kiểm soát (vàilít/giờ) để cung cấp cho bộ rễ cây trồng. Nước cung cấp cho hệ thống nhỏ giọt phải được lọc kỹ để tránh các hạt cặn lơ lửng làm tắt nghẽn đầu thoát nước. Đây là phương pháp tưới rất hiệu quả và tiên tiến thường được áp dụng cho những vùng khô hạn hoặc bán khô hạn, nguồn nước hạn chế và có gió mạnh. Phương pháp này có thể phối hợp với biện pháp bón phân và kiểm soát một phần cỏ dại. Ưu điểm: tiết kiệm nước, hiệu suất tưới có thể trên 90%. Diện tích sử dụng để lắp đặt hệ thống rất nhỏ so với diện tích tưới. Phương pháp này có thể khống chế tối đa độ sâu tạo ẩm. Nhờ tưới vừa phải và dưới đất nên sâu bệnh và cỏ dại bị hạn chế phát triển. Nước tưới có thể hòa tan them phân bón và thuốc bảo vệ thực vật. Áp dụng phương pháp này có thể giảm lao động tưới nhờ khả năng tự động của hệ thống cao. Nhược điểm: các đầu tạo giọt thường dễ bị nghẽn do việc xử lý cặn trong nước không hoàn toàn tốt. Nhiều nơi khó áp dụng phương pháp này do b ịchuột và một số loài gặm nhấm khác phá hoại. Phải tốn nhiều công sức và thời gian để kiểm tra và bảo trì hệ thống tưới. Chi phí đầu tư cho hệ thống kiểu này cũng khá cao. 6. Tưới phun Tưới phun mưa (sprinkler irrigation) là hình thức đưa nước tưới lên cao khỏi mặt đất và để nước rơi tự do xuống kiểu mưa rơi. Hình thức tưới này có thể áp dụng cho hầu hết các loại đất khác nhau hoặc các địa hình từ bằng phẳng đến thay đổi phức tạp nơi mà các hình thức tưới mặt đất khác khó áp dụng hoặc áp dụng không hiệu quả. Tưới phun thường được áp dụng cho tưới hoa màu, cây cảnh, cây công nghiệp, đồng cỏ, vườn ươm cây lâm nghiệp,… Tưới phun mưa có ưu điểm chính là tiết kiệm được nhiều lượng nước tưới, các tổn thất do thấm sâu và chảy tràn được giảm thiểu khá nhiều. Do vậy, hiệu quả sử dụng nước tưới là cao. Phương pháp tưới này có thể áp dụng cho hầu hết mọi dạng địa hình cao thấp khác nhau, không cần phải làm phẳng mặt ruộng. Tưới phun còn giảm thiểu chi phí GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 9 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON xây dựng kênh mương nội đồng, do vậy có thể gia tăng diện tích canh tác. Cách tưới này có thể kết hợp với việc bón phân và phòng trừ sâu bệnh bằng cách hoà tan các chất này vào nước. Tưới phun mưa còn tạo cảnh quan đẹp, góp phần gia tăng độ ẩm và giảm nhiệt độ không khí khu vực. Năng suất cây trồng trong phạm vi tưới thường cao. Tuy nhiên, nhược điểm của tưới phun mưa là chi phí lắp đặt thiết bị tưới ban đầu thường lớn. Người vận hành hệ thống tưới phải có kỹ thuật điều khiển hoạt động. Hệ thống phải thường xuyên được theo dõi, điều chỉnh tốc độ phun hoặc di chuyển theo hướng gió. Gió mạnh gây khó khăn trong điều chỉnh lưu lượng phun mưa. Các đầu phun thường hay bị nghẽn nếu nguồn nước có nhiều chất bùn cặn. Ngoài ra, việc bố trí đường ống có thể làm hạn chế cơ giới hóa và một số hoạt động canh tác khác. 1.2.2 Lựa chọn phương pháp tưới Phương pháp tưới phun có nhiều ưu điểm có thể áp dụng ở nhiều dạng địa hình nên ta lựa chọn phương pháp tưới phun. Tính năng nổi bật: - Kỹ thuật tưới chủ động theo: ngày, mùa vụ, tháng, năm, nhiệt độ, độ ẩm đất trồng. - Số lần tưới (0÷4) lần/1buổi (sáng và chiều), thời gian mỗi lần tưới (5 ÷ 15) phút. - Nhiệt độ môi trường không khí của nhà trồng duy trì nhỏ hơn (27 ÷ 29)0C - Độ ẩm của đất trồng luôn duy trì nhỏ hơn 85%. - Tự động hóa trong công tác tưới 100%. - Tiết kiệm nước tưới (89 ÷ 92)% so với tưới bơm phun bằng vòi thủ công. - Giảm rửa trôi chất dinh dưỡng, hạn chế xói mòn đất. Hạn chế hiện tượng đông kết, đóng lớp đất trồng; giữ độ rỗng, không gian trống trong đất, lớn hơn so với phương pháp tưới rãnh, tưới một lần ngập nước, tưới phun mưa - Giảm sức lao động và ngày công lao động. - Rút ngắn thời gian tưới. Các loại đầu phun Hiện nay có nhiều loại đầu phun quay trong thị trường. Có 2 kiểu vòi phun chính là: vòi phun khuếch tán và vòi phun tia. Nhà sản xuất đầu phun thường cho bảng tra các thông số kỹ thuật của từng loại vòi phun để lựa chọn. Tùy theo loại cây trồng và kỹ thuật tưới mà ta có thể chọn đầu phun qua các thông số như áp suất hoạt động, lưu lượng phun và tầm phun mưa. GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 10 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON Một số kiểu đầu tưới phun mưa trên thị trường Trong một hệ thống phun mưa, các thiết bị chính bao gồm: • Máy bơm ly tâm hoặc bơm pittông để hút nước và đẩy nước với áp lực cao. • Ống dẫn nước chính: nối liền với máy bơm để chuyển nước có áp đến các ống nhánh. • Ống nhánh: gắn liền với ống chính và vòi phun. • Vòi phun: nơi dòng nước được bắn ra. Vòi phun phải tạo một tầm phun cao và xa nhất. • Ngoài ra, tùy theo thiết kế mà có thể có them các thiết bị phụ như bánh xe di chuyển, dàn khung để cố định các đường ống, van điều chỉnh và kiểm soát lưu lượng, … Sơ đồ hệ thống thiết bị phun Khi thiết kế và lắp đặt hệ thống tưới phun mưa, các thông số kỹ thuật sau cầu lưu ý: GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 11 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON • Giọt nước tưới phải rơi nhẹ xuống đất Cần kiểm soát hạt nước rơi vừa phải để không gây dòng chảy mặt, tia nước rơi xuống đất không gây hiện tượng xói mòn đất, đất không bị kết chặt. Cần phải bảo đảm là áp lực nước không làm dập cây con, cành non hoặc hoa. Một số tham khảo liên quan đến cường độ mưa rơi (vận tốc rơi của hạt nước tưới) lên các loại đất khác nhau: + Đất nặng: Vrơi ≤0,1 mm/phút + Đất trung bình: Vrơi = 0,1 – 0,2 mm/phút + Đất nhẹ: Vrơi = 0,2 – 0,5 mm/phút Ngoài ra, cần xem xét độ dốc địa hình nơi tưới: + Đất có độ dốc < 0,05 thì cường độ mưa rơi không cần phải giảm; + Đất có độ dốc 0,05 – 0,08 thì cường độ mưa rơi phải giảm20%; + Đất có độ dốc 0,08 – 0,12 thì cường độ mưa rơi phải giảm40%; + Đất có độ dốc 0,12 – 0,20 thì cường độ mưa rơi phải giảm60%. Kích thước hạt nước rơi không được lớn quá có thể làm hại cây trồng nhưng nhỏ quá thì dễ bị gió cuốn đi. Thông thường nên khống chế đường kính hạt nước d≤1 – 2 mm. • Bố trí khoảng tưới Bố trí khoảng tưới chính là xác định khoảng cách giữa các đường ống tưới và giữa các vòi phun.Các khoảng cách này phải được điều chỉnh theo các yếu tố như áp lực nước tưới, tốc độ quay của vòi phun, tốc độ gió lúc tưới, biên của một vòng tưới phun, độ giao cắt của diện tích tưới của vòi. Thông thường thì nước rơi xuống nhiều ở gần đầu phun, càng ra xa thì nước càng giảm. Do vậy, cần phải điều chỉnh nước tưới để cung cấp cho cây trồng tương đối đồng đều. Khoảng cách giữa 2 vòi phun phải nhỏ hơn đường kính tưới của một vòi phun. Khoảng cách giữa 2 đường ống tưới không lớn hơn 65 – 70 % đường kính phun của một vòi phun. Nếu có gió lớn thì phải điều chỉnh theo hướng giảm khoảng cách giữa 2 vòi phun hơn nữa. Thực tế, do sự khác nhau về hình dạng đất tưới thì phải thiết kế lại tầm phun theo các hình dạng khác nhau. • Bố trí vòi phun Việc bố trí vòi phun có thể là theo dạng hình vuông, hình tam giác đều hoặc hình chữ nhật. SL là khoảng cách giữa 2 vòi phun trên đường ống tưới, Sm là khoảng cách giữa 2 đường ống dẫn nước tưới và D là đường kính ướt của vùng tưới phun mưa. + Khi có gió nhẹ dưới 2 m/s thì có thể bố trí Sm= D; GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 12 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON + Khi gió thổi 2,0 – 2,5 m/s thì bố trí Sm= (0,60 – 0,65) D; + Khi gió mạnh đến 2,5 – 3,5 m/s thì bố trí Sm= 0,50 D; + Khi gió trên 3,5 m/s thì nên ngưng tưới. • Lưu lượng vòi phun: Q = CA 2gh Trong đó: Q - lưu lượng vòi phun (cm/s); C - hệ số lưu lượng của vòi, C = 0,80 – 0,95; A - diện tích mặt cắt ngang của vòi phun (cm2); g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2; h - áp lực cột nước ở vòi phun (m). Lưu lượng yêu cầu ở một vòi phun được xác định theo: SL × Sm × I Q= 360 trong đó: Q- lưu lượng yêu cầu ở một vòi phun (l/s); SL- khoảng cách giữa 2 vòi phun trên đường ống tưới (m); Sm- khoảng cách giữa 2 đường ống dẫn nước tưới (m); I - cường độ phun mưa tối ưu (cm/h). I xác định theo: Q I= 360. S trong đó: S - diện tích ướt chung quanh vòi phun (m ). Bán kính phun mưa của vòi: R = 1,35 dh trong đó: GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 13 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON d - đường kính vòi phun (m); h - áp lực cột nước ở vòi phun (m); 1.3. Yêu cầu công nghệ của hệ thống tưới cây tự động Khi độ ẩm của đất cao (>70%) thì bơm sẽ không hoạt động và ngược lại độ ẩm của đất thấp (<70%) thì bơm hoạt động như sau: Mùa hè: từ 20 / 4 - 14 / 10 - Buổi sáng: 5h50 bơm 15 phút để dừng lại 3 phút và khởi động lại bơm 15 phút - Chiều: 12h50 bơm 5 phút để dừng lại 1 phút và khởi động lại bơm 10 phút - Tối: 20h15 bơm 10 phút để dừng lại 2 phút và khởi động lại bơm 12 phút Mùa đông: từ 15/10 - 19/4 - Buổi sáng: 6h50 bơm 15 phút để dừng lại 3 phút và khởi động lại bơm 15 phút - Chiều: 13h50 bơm 5 phút để dừng lại 1 phút và khởi động lại bơm 10 phút - Tối: 19h55 bơm 10 phút để dừng lại 2 phút và khởi động lại bơm 12 phút GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 14 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON CHƯƠNG II:GIỚI THIỆU VỀ PLC CP1L CPU 20I/O 2.1 Đơn vị cơ bản của PLC CP1L PLC – CP1L thuộc họ OMRON do Nhật Bản sản xuất. Đây là loại PLC đơn khối có thể lắp ghép thêm các module và lắp ghép nhiều PLC với nhau. Các thành phần chính: 1. Khe cắm card nhớ (Memory cassette) Dùng để gắn card nhớ (15) để lưu chương trình, các thông số & bộ nhớ dữ liệu của CP1L. Nó cũng có thể dùng để copy & nạp chương trình sang các bộ PLC loại CP1L khác mà không cần dùng máy tính 2. Peripheral USB port Dùng để nối với máy tính cho việc lập trình 3. Núm chiết áp chỉnh (Analog adjuster) Khi quay chiết áp này, giá trị của bộ nhớ trong PLC ở địa chỉ A642 sẽ thay đổi trong khỏang 0-255. 4. Đầu nối đầu vào chiết áp analog Đầu nối này dùng kết nối với tín hiệu đầu vào từ 0-10VDC, để thay đổi giá trị của thanh ghi bộ nhớ A643 trong khỏang 0-255. Đầu vào này không có cách ly. 5. DIP switch GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 15 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON Dùng để đặt các thông số hoạt động như cấm ghi vào vùng nhớ chương trình, tự động nạp dữ liệu từ card nhớ, ... 6. Pin Lưu nội dung RAM & đồng hồkhi nguồn tắt 7. Các đèn báo hoạt động 8. - Dây nguồn điện cung cấp cho PLC (Power Supply Input Terminal) - Đầu nối đất tín hiệu (Functional Earth Terminal) (chỉ đối với loại AC) nhằm tăng khả năng chống nhiễu và tránh điện giật - Đầu nối đất bảo vệ (Protective Earth Terminal) đểtránh điện giật. PLC có thể được cung cấp bằng nguồn điện xoay chiều 100-240VAC hoặc 1 chiều 24VDC (tuỳloại). - Đầu nối tín hiệu vào (Input Terminal) 9. Các đèn chỉ thị trạng thái đầu vào (Input Indicator) Đèn LED trong nhóm này sẽ sáng khi đầu vào tương ứng lên ON 10. Khe cắm các card truyền thông mở rộng tùy chọn Dùng để cắm thêm các card RS-232C (16) hay RS-422A/485 (17). Model với 14/20 I/O có 1 khe cắm có thể lắp được 1 card. 11. Đầu nối với module vào ra mở rộng (Expansion I/O Unit) Dùng để nối module có CPU (là module chính có bộ xử lý trung tâm - CPU và chứa chương trình ứng dụng - User program) với module vào ra mở rộng (Expansion I/O Unit) để bổ sung đầu vào ra cho module chính 12. Các đèn chỉ thị trạng thái đầu ra (Output Indicator) Đèn LED trong nhóm này sẽ sáng khi đầu ra tương ứng lên ON 13. Đầu nối nguồn cấp DC ra từ PLC (DC Power Supply Output Terminal) & đầu nối cho đầu ra Điện áp ra ở đầu nối nguồn cấp DC chuẩn là 24VDC với dòng định mức là 0,3A có thể được dùng cấp cho các đầu vào số DC 14. Chốt gắn trên thanh ray DIN 15. Card nhớ (Memory cassette) (tùy chọn) Dùng để lưu dữ liệu từ bộ nhớ flash trong CPU. Cắm vào khe cắm Card nhớ (1). GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 16 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON 16. Card truyền thông RS-232C (tùy chọn) Cắm vào khe cắm truyền thông (10). 17. Card truyền thông RS-422A/485 (tùy chọn) Cắm vào khe cắm truyền thông (10). 2.2. Thông số của CP1L CPU 20 I/O - Nguồn cấp 100-240 VAC - Ngõ vào DC: 12 - Ngõ ra relay: 8 - Kết nối với môđun mở rộng: 1 - Đầu vào / ra xung 100kHz - Bộ nhớ 5 Kstep, có bộ nhớ ngoài, - Bộ hiển thị LCD gắn ngoài (CP1W-DAM01) giúp theo dõi, điều chỉnh thông số tại chỗ - Lập trình cổng USB bằng CX-Programmer - Chạy mô phỏng bằng CX-Simulator 2.3. Đấu nối tín hiệu vào/ra 2.3.1 Đấu nối tín hiệu vào 2.3.2 Đấu nối tín hiệu ra GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 17 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON 2.4.Module vào ra mở rộng. PLC CP1L CPU 20 I/O có thể mở rộng tối đa là 1 module. Trong đồ án này sử dụng module mở rộng analog input CPM1A-AD041 Thông số:  4 analog inputs  0 đến 5 V  1 đến 5 V  0 đến 10 V  −10 đến +10 V  0 đến 20 mA  4 đến 20 mA  Độ phân giải: 6.000  Khối lượng: 200 g max. GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 18 SVTH: Nguyễn Thị Hương Thiết kế điều khiển hệ thống tưới cây dùng PLC CP1L -OMRON CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT FC - 28 3.1 Tổng quan về cảm biến độ ẩm đất FC - 28 Cảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước đầu ra sẽ mức cao. Module có thể sử dụng để tưới nước tự động Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được (Bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên board mạch) Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao 3.2 Thông số kỹ thuật Điện áp làm việc 3.3V ~ 5V Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện PCB có kích thước nhỏ 3.2 x 1.4 cmỗ Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc Đầu kết nối sừ dung 3 dây GVHD: KS. Trần Thiện Dũng 19 SVTH: Nguyễn Thị Hương