Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tới nhỏ giọt áp dụng trồng cây trong nhà lới , nhà kính Designing drip irrigation control system for crop cultivation in nethouse and greenhouse Ngô Trí Dơng SUMMARY The paper presents a method for designing a drip irrgation control system applied to nethouse or greenhouse conditions. The irrigation control device for 200 square meters nethouse was designed and computed by using Bernulli equation for determining the pipeline loss and the pressure at proximal end, from which appropriate type of pump and control device can be selected. Pumping control is achieved through programming using SIMATIC S7 200 Software based on water requirements of specific plant growth stages. The control device, pipeline and drippers irrigation equipment are domestically available and, therefore, the cost may be reduced and is much lower than the imported device. Key words: Drip irrigation, nethouse, irrigation model. 1, Đặt vấn đề Nớc có ý nghĩa quan trọng trong đời sống cây trồng nói chung và cây rau nói riêng, nớc thừa và thiếu đều ảnh hởng không tốt đến sinh trởng, năng suất và phẩm chất của cây. Nớc nhiều làm cho nồng độ đờng, nồng độ các chất hoà tan giảm, khả năng chống chịu sâu bệnh kém, vận chuyển và cất giữ gặp khó khăn. Nớc thiếu sinh trởng kém, năng suất và phẩm chất giảm, mặt khác việc cung cấp nớc phải đảm bảo theo từng thời kỳ sinh trởng của cây trồng. Hiện nay trên thế giới đối với những nớc có nền nông nghiệp phát triển nh Israel, Hà lan, Mỹ, úc trên những cánh đồng, trong nhà kính và nhà lới đều có những hệ thống điều khiển quá trình tới. ở nớc ta hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình tới trong nhà lới, nhà kính đều nhập ngoại giá thành cao, cho nên cha phổ biến đối với nhu cầu sử dụng. Để giải quyết vấn đề nêu trên chúng tôi đa ra mô hình điều khiển quá trình tới nhỏ giọt áp dụng trồng cây trong nhà lới, nhà kính nhằm mục đích giảm giá thành so với nhập ngoại và thiết bị đợc lựa chọn ở trong nớc. 2, Nội dung và phơng pháp nghiên cứu Tới nhỏ giọt là một dạng cơ bản của kỹ thuật tới hiện đại tiết kiệm nớc, là hình thức đa nớc trực tiếp đến vùng gốc cây trồng một cách liên tục d ới dạng từng giọt. Vì vậy, các vòi tạo giọt phải đợc cấp nớc bởi hệ thống đờng ống dẫn nớc áp lực, đợc trình bày với sơ đồ tổng thể hình H1. a) Yêu cầu Thiết kế mô hình điều khiển tới cho nhà lới, nhà kính có diện tích trồng cây là 200 m P 2 P cụ thể nh sau: - Trong nhà lới có 5 luống trồng cây, chiều dài mỗi luống là 16 m. Khoảng cách giữa các luống trồng cây là 1 m. Mỗi luống trồng đợc 45 gốc, khoảng cách giữa các gốc là 0,35m. - Các luống trồng cây có thể trồng cây khác nhau, tuỳ theo kế hoạch của nhà trồng cây, - Thực hiện quá trình điều khiển tới nhỏ giọt 2 luống tới cùng 1 lần sau 5 phút tới 2 luống tiếp theo. Quá trình tới trong 2 phút và nghỉ 15 phút. Theo Vũ Hữu Tuấn và Nguyễn Thị Lan Thanh (2005) đối với cây cà chua lu lợng tới mỗi vòi bằng 0,3 .10P -6 P [mP 3 P /s]. Hệ thống đờng ống của một luống trồng cây đợc mô tả bởi hình 2 Vật liệu đờng ống chính đợc chọn ống nhựa PVC của Tiền phong với đờng kính 21 mm, ống nhánh đợc chọn bằng nhựa dẻo đờng kính 4 mm, cụ thể nh sau: - Chiều dài từng đoạn ống: l (khoảng cách giữa các gốc) = 35 cm = 0,35 m L (độ dài nhánh) = 50 cm = 0,5 m - Đờng kính các loại ống: QB V L B 108 9 7 6 5 4 3 2 1 47 46 45 Hình 2. Hệ thống đờng ống dẫn có 45 gốc tới Đờn g ốn g chính l Đờn g ốn g nhánh Bầu tới Máy bơm Bể nuớc Bộ điều áp Bộ ĐK PLC S7 - 200 CPU 224 Van điện Hình1. Sơ đồ tổng thể mô hình điều khiển quá trình tới nhỏ giọt Chọn đờng ống nhánh có đờng kính d = 4 mm = 0,004 m Chọn đờng ống chính có D = 2,1 cm = 0,021 m - Vòi tạo giọt: có nhiệm vụ lấy nớc áp lực từ ống tới đa tới gốc cây trồng dới dạng từng giọt. Các tác giả Vũ Hữu Tuấn, Nguyễn Thị Lan Thanh (2005) và Lơng Văn Kiên (2005) đã chọn vòi tạo giọt là dạng một vòi gắn với ống tải nớc hay dạng một lỗ nhỏ ở ống tải nớc. - Q B v B là tổng lu lợng nớc cần tới của một luống trồng cây. b) Tính toán đờng ống chính Tính toán đờng ống chính dựa theo các công thức đợc đa ra trong giáo trình Thủy lực và cấp thoát nớc của các tác giả Hoàng Đức Liên và Nguyễn Thanh Nam (2001), cụ thể nh sau: - Công thức tính tổn thất trên đoạn ống: (1) Trong đó: H B w B : hao tổn trên đoạn ống, m B : Tổng hệ số tổn thất, tra bảng theo tính tổn thất cho chạc ba phân nhánh, : hệ số ma sát, tra bảng ( = 0,066 ứng ống lớn; = 0,070 ứng ống nhỏ), l : chiều dài đoạn ống, m D : đờng kính ống, m Q : lu lợng vào ống, m P 3 P /s g : Gia tốc trọng trờng áp dụng công thức (1) tính lần lợt các đoạn ống cụ thể nh sau: - Tổn thất trên đoạn đờng ống 44 - 45 là: Tỷ số lu lợng tra bảng phụ lục 1- 4 , xác định đợc và 066,0= ; D = 0,021m; 14,3 = ; QB 45 B = 0,6 10P -6 P [mP 3 P /s], Từ đó xác định H B 44; 45 B = 0,25,10P -6 P m Tơng tự cách tính trên xác định đợc tổn thất trên một luống là: H = 0,008m, Kết quả tính toán đợc trình bày ở bảng 1 Nh vậy, với chiều dài đờng ống là 16 m tổn thất trên toàn đờng ống không đáng kể, do đó một cách gần đúng có thể coi áp suất tại mọi điểm nhỏ giọt đều nh nhau. Mặt khác đối với đờng ống nhánh chiều dài mỗi nhánh là 0,5 m đờng kính d = 4 mm áp dụng cách tính tổn thất đờng ống thu đợc rất nhỏ, coi tổn thất không đáng kể. B Tính áp suất đầu đờng ống sử dụng phơng trình Becnuli (2) 2 45 42 45;44 8 Q gD D l H += 5,0 44 45 = Q Q 2 42 8 Q gD D l H W += ab bb b aa a H g Vp Z g Vp Z +++=++ 22 22 = 55.0 Trong đó ba ZZ ; - độ cao hình học tại vị trí a và b - độ cao đo áp tại vị trí a và b - độ cao vận tốc tại vị trí a và b Bảng 1. Kết quả tính toán tổn thất đờng ống của một luống trồng cây H Đoạn Tỷ số Q Q [m P 3 P /s] Tổn thất H [m] 44-45 0,50 0,55 0,00000060 0,0000002529 43-44 0,67 0,49 0,00000120 0,0000009747 42-43 0,75 0,55 0,00000180 0,0000022759 41-42 0,80 0,55 0,00000240 0,0000040461 40-41 0,83 0,55 0,00000300 0,0000063220 39-40 0,86 0,62 0,00000360 0,0000094899 38-39 0,88 0,62 0,00000420 0,0000129168 37-38 0,89 0,62 0,00000480 0,0000168709 36-37 0,90 0,62 0,00000540 0,0000213522 35-36 0,91 0,62 0,00000600 0,0000263608 34-35 0,92 0,62 0,00000660 0,0000318966 33-34 0,92 0,62 0,00000720 0,0000379595 32-33 0,93 0,62 0,00000780 0,0000445497 31-32 0,93 0,62 0,00000840 0,0000516671 30-31 0,94 0,62 0,00000900 0,0000593118 29-30 0,94 0,62 0,00000960 0,0000674836 28-29 0,94 0,62 0,00001020 0,0000761827 27-28 0,95 0,67 0,00001080 0,0000878918 26-27 0,95 0,67 0,00001140 0,0000979288 25-26 0,95 0,67 0,00001200 0,0001085084 24-25 0,95 0,67 0,00001260 0,0001196305 23-24 0,96 0,67 0,00001320 0,0001312951 22-23 0,96 0,67 0,00001380 0,0001435023 21-22 0,96 0,67 0,00001440 0,0001562520 20-21 0,96 0,67 0,00001500 0,0001695443 19-20 0,96 0,67 0,00001560 0,0001833791 18-19 0,96 0,67 0,00001620 0,0001977565 17-18 0,97 0,67 0,00001680 0,0002126764 16-17 0,97 0,67 0,00001740 0,0002281388 15-16 0,97 0,67 0,00001800 0,0002441438 14-15 0,97 0,67 0,00001860 0,0002606913 13-14 0,97 0,67 0,00001920 0,0002777814 12-13 0,97 0,67 0,00001980 0,0002954140 11-12 0,97 0,67 0,00002040 0,0003135892 10-11 0,97 0,67 0,00002100 0,0003323068 9-10 0,97 0,67 0,00002160 0,0003515671 8-9 0,97 0,67 0,00002220 0,0003713699 7-8 0,97 0,67 0,00002280 0,0003917152 6-7 0,98 0,67 0,00002340 0,0004126030 5-6 0,98 0,67 0,00002400 0,0004340334 4-5 0,98 0,67 0,00002460 0,0004560064 3-4 0,98 0,67 0,00002520 0,0004785219 2-3 0,98 0,67 0,00002580 0,0005015799 ba pp ; g V g V ba 2 ; 2 22 1-2 0,98 0,67 0,00002640 0,0005251805 H 0,0079529209 áp dụng công thức (2) viết cho hai mặt cắt ngang tại vị trí 46 và 47 , Do đoạn ống ngắn nên bỏ qua hao tổn và coi gần đúng vận tốc tại 46 và 47 nh nhau: từ đó xác định đợc áp suất của ống vị trí 46 là 114000 [N/m P 3 P ] và PB 46 B PB 45 B, Tơng tự viết cho hai mặt cắt 1 và 45, từ đó xác định đợc áp suất đầu đờng ống là 114600 [N/m P 3 P ], khi đó bộ điều áp suất sẽ đợc lập trình điều khiển để đạt đợc giá trị này, c) Lựa chọn thiết bị điều khiển và phần mềm điều khiển - Lựa chọn máy bơm (bơm một lúc 2 luống) thay các số liệu vào ta đợc N = 0,365 KW/h - Lựa chọn van đóng mở các đờng ống của các luống, xuất xứ từ Trung Quốc loại Model 2W-200 20 (theo Vũ Hữu Tuấn, Nguyễn Thị Lan Thanh ; 2005), - Lựa chọn thiết bị điều áp bao gồm đồng hồ đo áp và van điều khiển - Lựa chọn Rơle loại MY2DC24 của OMRON, rơle này có điện áp vào cuộn dòng là 24V, - Lựa chọn bộ điều khiển khả lập trình PLC S7 200 với CPU 224 của hãng Siemens (Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phớc, 1997), Phần mềm điều khiển SIMATIC S7 200 đợc chọn bởi các đặt thời gian và các lệnh so sánh, Tiến hành khảo sát tính toán và viết chơng trình điều khiển cho mô hình điều khiển quá trình tới nhỏ giọt trong phòng thí nghiệm tự động hoá thuộc bộ môn Điện kỹ thuật khoa Cơ Điện (hình 3), H3. Mô hình điều khiển quá trình tói nhỏ giọt 4746 2 4747 47 2 4646 46 22 +++=++ H g Vp Z g Vp Z +++=++ H g Vp Z g Vp Z 22 2 4545 45 2 11 1 .1000 2 VV HQ N = d) Tính toán giá thành cho hệ thống điều khiển quá trình tới Giá thành thiết bị của hệ thống điều khiển quá trình tới cho 200 m P 2 P đợc trình bày ở bảng 2, Bảng 2. Giá thành thiết bị của hệ thống điều khiển quá trình tới STT Thiết bị Đơn vị Số lợng Đơn giá Thành tiền 1 CPU 224 Cái 1 5000000 5000000 2 Rơ le Cái 6 18000 108000 3 Van điện Cái 6 180000 1080000 4 ổng dẫn nhánh Mét 250 1000 250000 5 ổng dẫn chính Mét 100 2500 250000 6 Đồng hồ đo áp Cái 1 50000 50000 7 Bơm nớc Cái 1 1800000 1800000 8 Các loại cút Cái 300 1500 450000 9 Các loại dây điện Mét 200 1500 300000 Tổng 9,288,000 3, Kết luận Mô hình điều khiển quá trình tới nhỏ giọt đã đợc kiểm tra, chạy thử trong một hệ thống điều khiển và giám sát thiết kế trên cơ sở thiết kế bộ điều khiển khả trình PLC S7-200, CPU 224 của hãng Siemens, Mô hình đợc thiết kế hoàn toàn đảm bảo quá trình tới cho các loại cây trồng trong nhà lới, nhà kính, Giá thành của sản phẩm từ 9-10 triệu/ 1 bộ tới cho diện tích 200m P 2 P trong nhà kính hoặ nhà lới, Tài liệu tham khảo Vũ Hữu Tuấn, Nguyễn Thị Lan Thanh, 2005, Thiết kế hệ thống tự động hóa tới nhỏ giọt cho công nghệ trồng rau không cần đất, Đồ án tốt nghiệp - chuyên ngành Điều khiển tự động - Đại học Bách khoa Hà nội, 102 trang, Lơng Văn Kiên, 2005, Thiết kế mô hình hệ thống tới nhỏ giọt tự động phục vụ sản xuất rau an toàn, Đồ án tốt nghiệp - chuyên ngành Điện Nông nghiệp, 90 trang, Hoàng Đức Liên, Nguyễn Thanh Nam, 2001, Thuỷ lực và cấp thoát nớc trong nông nghiệp, nhà xuất bản Giáo dục, 200 trang, Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phớc, 1997, Tự động hoá với SIMATIC S7 - 200, nhà xuất bản Nông nghiệp, 191 trang, . Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tới nhỏ giọt áp dụng trồng cây trong nhà lới , nhà kính Designing drip irrigation. điều khiển quá trình tới nhỏ giọt đã đợc kiểm tra, chạy thử trong một hệ thống điều khiển và giám sát thiết kế trên cơ sở thiết kế bộ điều khiển khả trình