Mô hình thực tập điều khiển tự động sử dụng bộ lập trình PLC cỡ nhỏ

n cao sát với các mạch trang bị điện và các mạch điều khiển tự động sử dụng bộ lập trình PLC cỡ nhỏ đƣợc ứng dụng rộng rãi hiện nay trong các nhà máy, dây chuyền sản xuất công nghiệp. Mô hình này khai triển đấu nối các phần tử thiết bị trên hệ thống đôminô và cầu nối dây nên học sinh khi thực hành sẻ trực tiếp sử dụng dụng cụ đấu lắp “việc này rất quan trọng vì giúp ngƣời học hình thành đƣợc kỹ năng đấu, lắp mạch và khi làm ngoài thực tế sẻ tiếp cận việc lắp mạch nhanh và chính xác hơn, không bỡ ngỡ ). Xuất phát từ những nhƣợc điểm ở các mô hình bán trên thị trƣờng nên chúng tôi đã có ý tƣởng thiết kế, lắp đặt và làm ra mô hình“MÔ HÌNH THỰC TẬP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ LẬP TRÌNH PLC CỠ NHỎ” phục vụ cho công tác giảng dạy và làm học cụ trực quan để học sinh học thực hành và rèn luyện kỹ năng tay nghề tốt hơn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay trên thị trƣờng thiết bị điện công nghiệp phục vụ việc dạy học có bán nhiều dạng mô hình thực hành nhƣng những mô hình này còn có một số mặt hạn chế: Mô hình đƣợc thiết kế bài học riêng lẽ trên các panen, hệ thống mạch điện không sát với các mạch ứng dụng tại các nhà máy công nghiệp, thiết bị khí cụ điện bố trí không đầy đủ để thực hiện học các bài nâng cao và các bài thực hành tổng hợp Thực hành trên các mô hình này ngƣời học phải dùng nhiều rắc cắm để đấu nối các phần tử thiết bị trên mạch điện nên sẻ không phát huy đƣợc tính sáng tạo và rèn luyện nâng cao đƣợc kỹ năng thực hành tay nghề 15 Phó Hiệu trƣởng 16 Trƣởng khoa Điện 17 Giảng viên khoa Điện 18 Giảng viên khoa Điện 19 Giảng viên khoa Điện 28 MÔ HÌNH NHÀ KÍNH NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI MÔ PHỎNG HỆ SINH THÁI BỀN VỮNG TRONG TỰ NHIÊN. Đoàn Nam Thành20, Trần Xuân Lập21, Lê Minh Đăng22 TÓM TẮT Mô hình nhà kính nông nghiệp công nghệ cao sử dụng năng lượng mặt trời mô phỏng hệ sinh thái bền vững trong tự nhiên. Là mô hình nhà kính nông nghiệp di động sử dụng năng lƣợng mặt trời để phục vụ hoạt động của các hệ thống tƣới, hệ thống làm mát, hệ thống chiếu sáng. Mô hình có kích thƣớc 4m x 2m x 3,3m đƣợc lợp bằng màng kính Ixraen, có bánh xe di chuyển đƣợc. Bên trong đƣợc bố trí các hệ thống trồng cây theo phƣơng pháp thuỷ canh, khí canh, phƣơng pháp tƣới phun sƣơng, phƣơng pháp tƣới nhỏ giọt; Các hệ thống bơm, làm mát, chiếu sáng đƣợc cung cấp năng lƣợng từ 02 tấm pin mặt trời 300W, lƣu trữ ắc quy 50AH. Hệ thống hoạt động tự động hoàn toàn cung cấp tiểu khí hậu khác biệt với môi trƣờng bên ngoài nhằm phục vụ trồng thử nghiệm các loài cây rau ăn lá, rau ăn củ quả, hoa. Mục đích thiết kế xây dựng mô hình nhằm đào tạo sinh viên, học sinh chuyên ngành Trồng trọt, Lâm sinh, Kỹ thuật rau hoa công nghệ cao các hệ Cao đẳng và trung cấp, sơ cấp tại trƣờng. Từ khóa:nhà kính, công nghệ cao, nông nghiệp, thuỷ canh, khí canh, nhỏ giọt. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Mô hình hà kính thông minh sử dụng năng lƣợng mặt trời do công ty Myfood của Pháp giới thiệu đầu tiên tại triển lãm nông nghiệp Quốc tế Pari từ 25/2 đến 5/3 năm 2017 với diện tích 22m2. Ƣu điểm của mô hình này là gọn nhẹ, tiện dụng, dễ lắp đặt và sử dụng sản xuất rau, hoa ở quy mô vƣờn nhà, hộ gia đình. Tuy nhiên, mô hình này mới chỉ phát triển ở các nƣớc Châu Âu chƣa nhập về Việt Nam; Chỉ sử dụng năng lƣợng pin mặt trời để tƣới nƣớc cho cây chƣa ứng dụng để điều khiển các nhân tố khí hậu khác trong nhà kính; Mô hình đƣợc dựng trên mặt đất cố định và sử dụng tại địa phƣơng. Công nghệ Ixraen ứng dụng năng lƣợng mặt trời để điều khiển máy bơm cho hệ thống tƣới nhỏ giọt phục vụ nông nghiệp. Nhƣợc điểm: Mới chỉ ứng dụng để tƣới nƣớc chƣa hình thành đƣợc hệ tuần hoàn bền vững của chu trình nƣớc, chƣa tạo ra đƣợc hệ sinh thái riêng biệt mang tính bền vững, và chƣa điều chỉnh đƣợc các nhân tố sinh thái khác. 20 Phó trƣởng phòng Đào tạo, Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Công – Nông nghiệp Quảng Bình 21 Giảng viên Khoa Điện, Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Công – Nông nghiệp Quảng Bình 22 Giảng viên khoa Nông – Lâm - Ngƣ, Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Công – Nông nghiệp Quảng Bình 34 * Việt Nam Những năm gần đây với sự hỗ trợ của chính phủ đã bắt đầu phát triển mạnh các dự án nông nghiệp công nghệ cao, hệ thống nhà màng, nhà kính đƣợc xây dựng nhiều nơi. Nhƣng đặc điểm chung của các dự án này là sự dụng nguồn điện lƣới và nƣớc từ bên ngoài để sản xuất, một số đã bắt đầu ứng dụng pin năng lƣợng mặt trời để điều khiển máy bơm tƣới nhỏ giọt theo mô hình của Ixraen. Nhƣợc điểm chung của các mô hình này là chỉ ứng dụng từng phần nhỏ lẽ năng lƣợng tái tạo (điện mặt trời) để phục vụ cho một số khâu nhất định trong sản xuất nông nghiệp, chƣa hình thành đƣợc hệ sinh thái khép kín sử dụng năng lƣợng bền vững mô phỏng hệ sinh thái tự nhiên. Tại Quảng Bình bƣớc đầu đã có một số dự án nông nghiệp công nghệ cao, điển hình là mô hình nhà kính trồng hoa của Công ty TNHH Phát triển các dự án Việt Nam đầu tƣ tại xã Thuận Đức – Đồng Hới. Các chƣơng trình hỗ trợ của nhà nƣớc cho các HTX nông nghiệp, doanh nghiệp và nông dân làm nông nghiệp công nghệ cao chủ yếu là mô hình nhà màng hoặc nửa kính nửa màng sử dụng năng lƣợng điện lƣới. Nhƣợc điểm của dự án này là đang sử dụng nguồn điện lƣới và nguồn nƣớc từ bên ngoài để cung cấp cho nhà kính, nhà màng và cũng chƣa hình thành đƣợc hệ sinh thái bền vững mô phỏng tự nhiên. Với mong muốn hình thành đƣợc một mô hình nhà kính sử dụng nguồn năng lƣợng sẳn có trong tự nhiên (năng lƣợng mặt trời) để tạo ra một hệ sinh thái tƣơng đối bền vững trong nhà kính mô phỏng hệ sinh thái tự nhiên phục vụ cho đào đạo các chuyên ngành nông nghiệp công nghệ cao chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu lắp đặt mô hình: “Mô hình nhà kính nông nghiệp công nghệ cao sử dụng năng lượng mặt trời mô phỏng hệ sinh thái bền vững trong tự nhiên”. 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Địa điểm và thời gian nghiên cứu Mô hình đƣợc xây dựng tại Trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật – Công Nông nghiệp Quảng Bình. Thời gian làm và hoàn thiện mô hình: 01/8/2019 đến 30/8/2019 2.2. Đối tượng, vật liệu và phương pháp nghiên cứu *Mô tả khung nhà kính: - Nhà đƣợc hàn kiên cố bằng khung thép hộp 4x4 sơn 2 lớp, Vĩ kèo thép hộp 2x4,các máng thu hồi nƣớc đƣợc gò bằng tôn. Dài 4m, rộng 2m, cao 3,3m, mở mái 30cm, lợp plastic Ixraen - Phần sàn nhà đƣợc đan thép hộp 1x2,5 với khẩu độ 25cmx25cm, sàn lát gỗ phíp 35 - Hệ thống bánh xe chịu tải trọng lớn, máng tôn chứa nƣớc mƣa dày 5mm có thể tích 4m x 1,2m x 0,15m. * Mô tả các hệ thống phụ trợ, điều khiển: + Hệ thống cung cấp năng lƣợng: Sử dụng 2 tấm pin mặt trời công suất 150W, 01 bộ máy lƣu trữ, điều tiết và phát điện năng lƣợng mặt trời 500W. + Hệ thống phun sƣơng: sử dụng 01 máy bơm 12V, 30W 8 bét phun. + Hệ thống trồng rau thuỷ canh, khí canh: gồm bơm tuần hoàn và các hệ thống phụ trợ hiệu suất cao. + Hệ thống tƣới nƣớc nhỏ giọt trồng rau ăn củ quả: Gồm 02 máng thu hồi nƣớc và 20 đầu tƣới nhỏ giọt. + Hệ thống chậu thông minh sản xuất rau mầm tƣới phun sƣơng tự động hoặc thuỷ canh tĩnh. + Hệ thống làm mát không khí: gồm 2.4m panel xốp giữ ẩm, 01 máy bơm 12V 30W cấp nƣớc, 04 quạt thông gió 12V 15W + Hệ thống chiếu sáng: Sử dụng 04 dãy đèn LED công suất 6W/dãy, 01 cụm LED bảo vệ bên ngoài cửa vào + Hế thống chứa nƣớc và thu hồi nƣớc: Gồm bể chứa nƣớc cấp nƣớc từ 02 nguồn nƣớc mƣa và bù nƣớc máy khi thiếu, máng thu nƣớc mƣa, máng thu hồi nƣớc làm mát, cảm biến mức nƣớc (Cấp bù nƣớc máy khi thiếu nƣớc mƣa). + Hệ thống cảm biến, đồng hồ báo: . Cảm biến ánh sáng: điều khiển bật đèn . Cảm biến độ ẩm: điều khiển tƣới . Cảm biến nhiệt độ - thông báo ra đồng hồ so sánh nhiệt độ trong nhà ngoài trời. + Hệ thống giám sát, bảo vệ: Gồm 01 Camera Wifi 64Mb, 02 đèn LED năng lƣợng mặt trời gắn cảm biến chuyển động. - Trồng các loại cây vận hành thử nghiệm các hệ thống: + Hệ thống tƣới nhỏ giọt: Trồng 20 cây Dƣa lƣới Nhật Bản + Hệ Thống Thủy canh, Khí canh: Rau cần, Mồng tơi, Rau muống hạt, Cải mào gà, Xà lách. + Hệ thống tƣới phun sƣơng: Cải mầm 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Mô hình nhà kính 36 BẢN VẺ MẶT BẰNG 2m 4m TỔNG THỂ Pin mặt trời 150Wx2 Máy làm mát bể nƣớc 37 Vật tƣ: + - Khung nhà: - +Sàn nhà dùng thép 4x4 và 1x2cm đan 25x25cm, lót gỗ Phím diện tích 8m2 + Cột: dùng thép 4x4cm, tổng cộng: 6x2,4m =14,4m + Băng, thanh giằng thép 5x12: 60m - Mái vòm: Dùng thép 1x2cm và thép bản uốn cong, thanh giằng mái: 32m - Bồn chứa nƣớc: Dập bằng tôn 5mm bắn keo kích thƣớc: 2mx4mx0,15m - Vật liệu lợp nhà: Tấm kính PE ixraen: 40m2; Lƣới chống côn trùng: 2m2 - Máng thu nƣớc: Gia công tôn - Giá lắp thiết bị: Nhóm tự gia công - Hộp điều khiển: Nhóm tự gia công - Lắp đặt các thiết bị: Ắc quy, máy bơm, ca mê ra, đèn, hộp điều khiển, cảm biến, các hệ thống bên trong nhƣ thuỷ canh, khí canh, nhỏ giọt, phun sƣơng Nhóm tự gia công. 38 Sơ đồ cấu tạo hệ thống làm mát và tƣới nƣớc nhỏ giọt trồng cây củ quả 12V DC Bơm Ống tƣới bồn nƣớc Ống cấp nhỏ giọt nƣớc quạt Quạt hơi nƣớc 1 Quạt hơi nƣớc 2 Cây trồng Quạt hơi nƣớc 3 Quạt hơi Máng tôn nƣớc 4 thu nƣớc 39 Sơ đồ cấu tạo hệ thống trồng cây thuỷ canh và khí canh kết hợp Thuỷ canh hồi lƣu Khí canh Bơm 40 Sơ đồ bố trí hệ thống phun sƣơng cho Phong lan và Rau mầm Pin mặt trời 150Wx2 bể nƣớc Bét phun sƣơng Hệ thống trồng Phong lan, rau mầm 41 Sơ đồ bố trí hệ thống điện Pin mặt Bộ điều trời khiển sạc, Cầu chì Bình ắc quy 12V, 50AH Camera Cảm biến Cảm biến Cảm biến Cảm biến quan sát ánh sáng độ ẩm mực nƣớc nhiệt độ Đèn led Máy bơm Máy bơm Quạt điều chiếu sáng phun sƣơng nhỏ giọt hoà 42 Sơ đồ tuần hoàn nƣớc Máng thu Bể chứa nƣ ớc mƣa nƣớ c Bơm cấp bình Bơm Bơm Bình Thuỷ nhỏ giọt phun sƣơng canh Hệ thống Cấp làm H ệ thống Hệ th ống tƣớ i nhỏ mát cho Phun sƣơng khí canh và giọ t, cấp tấm c ấp cho thuỷ canh cho dƣa Coolpad trồ ng hoa, chu ột, dƣa rau mầm lƣ ới Máng thu Thu nƣớc nƣớc dƣ qua sàn * Đặc điểm hoạt động của hệ thống và một số lƣu ý. 43 a. Hệ thống đƣợc thiết kế tự động hoàn toàn, lấy năng lƣợng mặt trời để cung cấp cho toàn bộ hoạt động của hệ thống bơm, quạt, camera và đèn chiếu sáng. Năng lƣợng mặt trời đƣợc sạc dự trữ trong bình acquy 12v 50AH. b.Nguồn nƣớc sử dụng trong hệ thống đƣợc lợi dụng tối đa nƣớc mƣa thông qua hệ thống máng thu nƣớc và bể chứa. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng một phần nƣớc bị bốc hơi, một phần đƣợc cây xanh hấp thụ vì vậy trong mùa khô nếu thời tiết nắng liên tục 7 ngày trở lên cần bổ sung bằng nƣớc máy. Hệ thống đƣợc thiết kế nhằm tiết kiệm tối đa nguồn nƣớc. c.Đối với hệ thống khí canh và thuỷ canh: Nƣớc đƣợc đƣa vào ban đầu trong bình chứa để pha dung dịch dinh dƣỡng là 40 lít, pha dung dịch AB có nồng độ 600ppm trong 15 ngày đầu sau đó tăng lên 1000ppm, trƣớc khi thu hoạch rau 10 ngày cho giảm về 600- 700ppm. d.Để trồng trọt trong nhà kính tuỳ theo ý định của ngƣời sản xuất để đƣa vào các giống cây, giá thể, phân bón cho phù hợp với từng loài cây khác nhau. Nhà kính có thể sản xuất rau, củ quanh năm. Các loài cây phù hợp là: Rau ăn lá: Rau mầm, muống, cải, mồng tơi, rau dền, hành, tỏi, rau gia vị Rau ăn quả: Cà chua, Dƣa lƣới, Dƣa chuột, Củ dền, Hành tây, Su hào Hoa: Phong Lan, Đồng Tiền, Hồng, Ly, Cúc e. Hệ thống cảm biến có thể tuỳ chỉnh cho phù hợp với từng loài cây, mùa: Hệ thống hiện đƣợc cài đặt cảm biến nhiệt độ 300C, nghĩa là nếu nhiệt độ trong nhà lớn hơn 300C thì hệ thống quạt làm mát tự động chạy. Cảm biến ánh sáng đƣợc bật vào ban đêm nhằm kích hoạt hệ thống đèn LED xanh đỏ kích cây phát triển. Cảm biến mực nƣớc tự động bật bơm khi nƣớc trong bình nhỏ giọt hạ xuống thấp (có thể tuỳ chỉnh độ cao thấp của mực nƣớc trong bình bằng cách kéo cảm biến lên hoặc hạ xuống). Cảm biến độ ẩm sẽ tự động kích hoạt hệ thống phun sƣơng nếu độ ẩm trong nhà nhỏ hơn 60%. f. Hệ thống camera đƣợc cài đặt qua điện thoại di động, ngƣời sử dụng có thể quan sát hoạt động của nhà kính và sinh trƣởng của cây trồng ở bất cứ nơi đâu. 3.2. Mô hình sau khi hoàn thành xây dựng 44 MỘT SỐ HÌNH ẢNH MÔ HÌNH GIÀN THUỶ CANH, KHÍ CANH, CHẬU TRỒNG RAU THÔNG MINH, CAMERA, QUẠT ĐIỀU HOÀ HƠI NƢỚC 45 HỘP ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM GỒM: BỘ ĐIỀU KHIỂN NẠP NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI, CÁC CẢM BIẾN HỆ THỐNG ỐNG KHÍ CANH, HỆ THỐNG CẮT NẮNG, MÁY PHUN SƢƠNG 46 HỆ THỐNG QUẠT ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ 47 3.3 . Kết quả trồng thử một số loại cây *Dƣa lƣới 48 *Một số loại rau 49 4. KẾT LUẬN Mô hình nhà kính diện tích 8m2 sử dụng năng lƣợng tái tạo tƣơng đối bền vững phục vụ trồng rau, hoa công nghệ cao. Mô hình đƣợc hoạt động theo nguyên tắc sử dụng bền vững năng lƣợng và nƣớc từ thiên nhiên để điều khiển vi khí hậu trong nhà kính tạo ra môi trƣờng khác biệt với môi trƣờng bên ngoài phục vụ trồng rau hoa công nghệ cao. Mô hình hoạt động gần nhƣ tự động hoàn toàn, chỉ có nguồn nƣớc mƣa có thể bị hao hụt một phần trong quá trình tƣới cần bổ sung một ít bằng nƣợc máy. Tuy vối thời gian ngắn và kinh phí hạn chế nhƣng sáng kiến đã đƣa lại những kết quả khả quan. Có thể sử dụng mô hìnhvào các lĩnh vực sau: - Áp dụng làm mô hình dạy học các chuyên ngành Cao đẳng, Trung cấp, Sơ cấp thuộc lĩnh vực Nông học, Kỹ thuật trồng rau hoa công nghệ cao, Lâm sinh... - Áp dụng sản xuất thử nghiệm rau sạch, hoa công nghệ cao trong nhà kính quy mô nhỏ. - Nhân rộng mô hình với diện tích nhà kính lớn hơn phục vụ các dự án nông nghiệp công nghệ cao. - Sản xuất các nhà kính mini cung cấp cho thị trƣờng phục vụ trồng rau, hoa của các hộ gia đình, home stay, nhà hàng, khách sạn... với các kích cỡ diện tích khác nhau. 50 Tài liệu tham khảo 1.Mai Thị Phƣơng Anh. Kỹ thuật trồng một số loại rau cao cấp. NXB Hà Nội, 1999. 2. Tạ Thu Cúc. Kỹ thuật trồng một số cây đậu rau. NXB Hà Nội, 2003. 3. Tạ Thu Cúc, Hồ Hữu An, Nghiêm Thị Bích Hà. Giáo trình cây rau. NXB Hà Nội, 2000. 4. Đƣờng Hồng Dật. Sổ tay ngƣời trồng rau, tập 2. NXB Hà Nội, 2002. 5. Nguyễn Văn Thắng, Trần Khắc Thi. Sổ tay ngƣời trồng rau. NXB Hà Nội, 2000. 6. Trần Khắc Thi, Trần Ngọc Hùng. Kỹ thuật trồng rau an toàn. NXB Hà Nội, 2001. 7. Nguyễn Thị Trƣờng (chủ biên). Giáo trình trồng trọt cơ bản. NXB Hà Nội, 2005. 8. Võ Thị Bích Thủy, Nguyễn Bảo Vệ và Trần Thị Ba. Cải thiện năng suất và phẩm chất dƣa lê (muskmelon) bằng cách bón phân Kali trên đất phù sa tại Cần Thơ vụ xuân hè năm 2004. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học 2005:4. 16-25, Trƣờng Đại học Cần Thơ. 9. Ngô Quang Vinh. Sản xuất cà chua theo hƣớng công nghệ cao. Tài liệu Hội thảo – Viện Khoa học kỹ thuật Nông nghiệp Miền nam, 2006. 10.Võ Khiếm (2012), “Ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ trong sản xuất hoa ở Lâm Đồng”, Tạp chí Hoạt động khoa học (Số tháng 2 -2012), Bộ Khoa học và Công Nghệ. 11.Lê Tất Khƣơng (2011), “Chuyển giao kỹ thuật tiến bộ trong NN, nông thôn”, Tạp chí Hoạt động khoa học (Số tháng 1 -2011), Bộ Khoa học và Công Nghệ. 12.Lê Tất Khƣơng, Trần Anh Tuấn (2012), “Vai trò của doanh nghiệp trong ứng dụng và chuyển giao công nghệ phục vụ sản xuất NN”, Tạp chí Hoạt động khoa học (Số tháng 2 - 2012), Bộ Khoa học và Công Nghệ. 13.Phạm Ngọc Minh (2012), “Liên kết hoạt động khoa học và công nghệ phục vụ phát triển bền vững vùng đồng bằng sông Cửu Long”, Tạp chí Hoạt động khoa học (Số tháng 2 -2012), Bộ Khoa học và Công Nghệ. 14. 15. 16. 17. 18. www.agroviet.gov.vn 19. www.cantho.gov.vn 20. www.chinhphu.vn 21. www.gso.gov.vn 51