Thiết bị Advantech cho trang trại thông minh không phải một hộp duy nhất cắm vào là xong. Một trang trại có nhà kính, khu tưới, kho và trạm bơm, mỗi nơi là một vòng điều khiển riêng. Bài viết chia trang trại thành bốn vòng, nêu điểm đo và điểm đóng cắt của từng vòng, rồi liệt kê các module có trong catalog của site.
Phần ghi dữ liệu để phục vụ truy xuất nguồn gốc được trình bày riêng trong bài truy xuất nguồn gốc chuỗi thuỷ sản. Bài này tập trung vào phần điều khiển tại chỗ.
Bốn vòng điều khiển trong một trang trại
Nhìn theo góc kỹ thuật, một trang trại có công nghệ là tập hợp của bốn vòng điều khiển chạy song song. Mỗi vòng có chu kỳ riêng, và việc trộn lẫn chúng vào một chương trình duy nhất là nguyên nhân của phần lớn hệ thống chạy không ổn định.
- Vòng khí hậu. Nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong nhà kính, điều chỉnh bằng quạt hút, màn che, hệ phun sương và cửa thông gió. Chu kỳ tính bằng phút.
- Vòng tưới. Độ ẩm đất hoặc giá thể quyết định thời điểm và thời lượng mở van. Chu kỳ tính bằng giờ, nhưng phải khoá liên động với vòng khí hậu để không tưới lúc đang phun sương.
- Vòng dinh dưỡng. Độ dẫn điện và độ pH của dung dịch tưới, điều chỉnh bằng bơm định lượng. Đây là vòng nhạy nhất, sai một chút là hại cả vụ.
- Vòng điện và bơm. Trạm bơm, máy phát dự phòng và điện năng tiêu thụ. Vòng này ít thay đổi nhưng khi hỏng thì ba vòng kia dừng theo.
Với chuồng trại chăn nuôi, bốn vòng đổi thành khí hậu chuồng, cấp nước, cấp thức ăn và xử lý chất thải, nhưng cách chia vẫn giữ nguyên. Phần theo dõi điện năng của trạm bơm nằm trong bài máy tính công nghiệp quản lý năng lượng.
Điểm đo và điểm điều khiển của nhà kính
Bảng dưới liệt kê các điểm cần lấy tín hiệu cho một nhà kính trồng rau và dưa, kèm loại tín hiệu tương ứng.
| Đại lượng | Vai trò trong vòng điều khiển | Loại tín hiệu |
|---|---|---|
| Nhiệt độ không khí | Biến chính của vòng khí hậu, đo ít nhất ba điểm theo chiều dài nhà kính | Tín hiệu tương tự từ đầu đo nhiệt điện trở |
| Độ ẩm không khí | Quyết định thời điểm phun sương và mở thông gió | Tín hiệu tương tự 4 đến 20 mA |
| Cường độ ánh sáng | Điều khiển màn che và đèn bổ sung | Tín hiệu tương tự 0 đến 10 V |
| Độ ẩm giá thể | Biến chính của vòng tưới, đo theo từng luống | Tín hiệu tương tự, nhiều điểm |
| Độ dẫn điện và pH dung dịch | Biến chính của vòng dinh dưỡng | Bộ chuyển đổi xuất tín hiệu tương tự |
| Trạng thái quạt, van, bơm | Xác nhận lệnh đã chạy, phát hiện hỏng | Ngõ vào số đọc tiếp điểm phụ |
| Lệnh đóng cắt | Điều khiển quạt, van, màn che, bơm định lượng | Ngõ ra rơ le |
| Mưa và gió ngoài trời | Khoá cưỡng bức cửa thông gió khi mưa hoặc gió mạnh | Ngõ vào số từ cảm biến mưa, tín hiệu tương tự từ đầu đo gió |
Một nguyên tắc nên giữ: mọi lệnh đóng cắt đều phải có tín hiệu xác nhận trở lại. Không có xác nhận thì hệ thống chỉ biết đã gửi lệnh, không biết van có mở hay không, và người vận hành sẽ mất lòng tin vào màn hình giám sát rất nhanh.
Ràng buộc lắp đặt ngoài đồng
Thiết bị đặt tại trang trại gặp ba vấn đề mà thiết bị trong nhà xưởng ít gặp.
- Điện lưới yếu và hay mất. Điện nông thôn dao động điện áp, mất điện đột ngột. Bộ điều khiển nên có hai ngõ cấp nguồn và hỗ trợ nguồn dự phòng, để chương trình không bị dừng giữa chừng khi đang chạy chu trình tưới.
- Sét và xung điện. Dây tín hiệu chạy ngoài trời là đường dẫn xung vào thiết bị. Cách xử lý gồm chống sét trên đường nguồn, thiết bị bảo vệ trên đường tín hiệu, tiếp địa riêng cho tủ, và quan trọng nhất là rút ngắn dây tín hiệu.
- Khoảng cách và địa hình. Nhà kính cách nhà điều hành vài trăm mét, có khu bị che khuất. Bus RS-485 phù hợp cho tuyến cố định, mạng không dây phù hợp cho điểm lẻ và điểm tạm.
Cách rút ngắn dây tín hiệu là đặt module thu thập ngay tủ tại khu đo, rồi chỉ truyền số liệu về trung tâm. Làm vậy vừa giảm nhiễu, vừa giảm thiệt hại khi có sét vì chỉ hỏng module tại chỗ chứ không lan về bộ điều khiển.
Thiết bị Advantech cho trang trại thông minh
Bảng dưới liệt kê các mã có trang sản phẩm trên site này, kèm thông số đã công bố.
| Lớp | Model | Đặc điểm đã công bố | Việc đảm nhiệm |
|---|---|---|---|
| Điều khiển trung tâm | APAX-5580 | Intel Core i7/i3 hoặc Celeron thế hệ 4 tới 1,7 GHz với 4 hoặc 8 GB DDR3L, 2 cổng GbE, 4 cổng USB, 1 cổng RS-232/422/485, hai ngõ cấp nguồn và hỗ trợ nguồn dự phòng, thiết kế không quạt, có nút phục hồi hệ thống | Chạy logic của bốn vòng điều khiển tại tủ khu canh tác |
| Đo tương tự nhiều kênh | ADAM-4117 | 8 kênh vào vi sai cấu hình độc lập, nguồn 10 đến 48 VDC, bảo vệ xung 1 kV trên đường nguồn, chịu nhiễu 3 kV và 8 kV tĩnh điện, đèn báo trạng thái, cập nhật phần sụn trực tuyến | Đọc nhiệt độ, ẩm, ánh sáng, độ ẩm giá thể theo bus nối tiếp |
| Đo qua mạng | ADAM-6017 | 8 ngõ vào tương tự và 2 ngõ ra số, nhận mV, V và mA, trang cấu hình bằng trình duyệt, có hàm tính giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình | Trạm đo nối thẳng vào mạng của trang trại |
| Đóng cắt | ADAM-6060 | 6 ngõ vào số và 6 ngõ ra rơ le, Modbus TCP, chức năng ngang hàng và luật điều khiển tại chỗ, nguồn 10 đến 30 VDC, dải nhiệt -40 đến 70 độ C | Đóng cắt quạt, van, bơm và đọc tín hiệu xác nhận |
| Điểm khó kéo dây | WISE-4012E | Wi-Fi 2,4 GHz chuẩn 802.11b/g/n, 2 ngõ vào 0 đến 10 V, 2 ngõ vào số và 2 ngõ ra rơ le, Modbus TCP kèm dịch vụ web, ghi dữ liệu tại chỗ có mốc thời gian, cấu hình bằng trình duyệt trên điện thoại | Luống thử nghiệm, khu tạm, điểm đo lẻ |
| Máy tính khu canh tác | UNO-2372G | Intel Atom E3845 hoặc Celeron J1900 bốn nhân với 4 GB DDR3L, 2 cổng GbE, 4 USB, 4 cổng RS-232/422/485, thiết kế không quạt và không dây nối bên trong, gá được lên thanh ray | Gom dữ liệu các module, chạy màn hình giám sát tại chỗ |
| Phần mềm giám sát | WebAccess | Chạy trên nền trình duyệt, có báo động, lịch trình, cơ sở dữ liệu thời gian thực, công cụ cấu hình nhanh cho thiết bị và báo cáo dạng bảng tính | Màn hình vận hành, đặt lịch tưới, lưu lịch sử theo vụ |
Xem trực tiếp ba mã hay dùng: APAX-5580, ADAM-4117 và WISE-4012E. Phần kiến trúc phần mềm giám sát nằm ở bài nền tảng SCADA WebAccess.
Ví dụ nhà kính dưa lưới hai nghìn mét vuông
Lấy một nhà kính trồng dưa lưới trên giá thể, diện tích khoảng hai nghìn mét vuông, chia làm bốn khu tưới. Cách bố trí dưới đây là mẫu hay gặp.
- Tủ điều khiển đặt giữa nhà kính. Bộ điều khiển chạy logic bốn vòng, có hai ngõ cấp nguồn. Toàn bộ chương trình chạy tại đây, mất mạng về văn phòng thì nhà kính vẫn hoạt động.
- Ba cụm đo khí hậu. Đặt ở đầu, giữa và cuối nhà kính, mỗi cụm đo nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Giá trị đưa vào vòng khí hậu là trung bình của ba cụm, kèm cảnh báo khi chênh lệch giữa các cụm vượt ngưỡng.
- Bốn cụm đo giá thể. Mỗi khu tưới một cụm, tín hiệu về tủ qua bus nối tiếp. Vòng tưới chạy độc lập theo từng khu.
- Trạm dinh dưỡng. Đo độ dẫn điện và pH ở đường tưới chung, điều khiển hai bơm định lượng. Có khoá an toàn dừng bơm khi giá trị vượt ngoài dải cho phép.
- Trạm thời tiết ngoài trời. Cảm biến mưa và đầu đo gió khoá cưỡng bức cửa thông gió. Đây là điểm bảo vệ tài sản, nên đấu trực tiếp vào ngõ vào số của bộ điều khiển.
- Màn hình vận hành. Đặt tại phòng kỹ thuật cạnh nhà kính, hiển thị bốn vòng và lịch sử theo ngày. Người quản lý xem lại trên trình duyệt từ văn phòng.
Cách bố trí này giữ được nguyên tắc quan trọng nhất: phần quyết định đóng cắt nằm tại chỗ, phần hiển thị và lưu trữ nằm ở trung tâm. Đường truyền hỏng chỉ làm mất tầm nhìn, không làm dừng sản xuất.
Chọn thiết bị cho trang trại thông minh
Các module thu thập và bộ điều khiển nằm ở danh mục thiết bị IoT trên site này.
Khi lập hồ sơ, sáu thông tin quyết định phần lớn cấu hình: diện tích và số khu canh tác, danh sách đại lượng cần đo kèm số điểm mỗi loại, số thiết bị cần đóng cắt, khoảng cách từ khu xa nhất về tủ điều khiển, chất lượng điện lưới tại chỗ, và có cần vận hành từ xa hay chỉ cần xem số liệu.
Để đối chiếu với các dòng máy tính công nghiệp làm bộ điều khiển, xem danh mục máy tính công nghiệp Advantech trên IPC247. Nếu chưa rõ nên dùng bộ điều khiển tại tủ hay máy tính công nghiệp chạy phần mềm giám sát, có thể chạy công cụ chọn máy theo yêu cầu rồi gửi kết quả kèm đề nghị báo giá.
Câu hỏi thường gặp về thiết bị Advantech cho trang trại thông minh
Trang trại thông minh bắt đầu từ hạng mục nào?
Bắt đầu từ đo, chưa vội điều khiển. Lắp một cụm đo nhiệt độ, độ ẩm và độ ẩm đất cho một khu, chạy vài tuần để có số liệu thật. Khi đã biết biên độ dao động trong ngày thì mới đặt ngưỡng điều khiển hợp lý, thay vì đặt theo cảm tính rồi phải chỉnh liên tục.
Nhà kính cần đo những đại lượng nào?
Bốn đại lượng cơ bản là nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng và độ ẩm đất hoặc giá thể. Với cây trồng trong dung dịch thì thêm độ dẫn điện và độ pH của dung dịch tưới. Khí cacbonic chỉ cần đo khi nhà kính kín và có bổ sung khí.
Bộ điều khiển đặt ở đâu trong trang trại?
Đặt trong tủ điện tại khu canh tác, không đặt ở văn phòng. Lý do là các vòng điều khiển phải chạy được cả khi mất mạng về trung tâm. Máy tính ở văn phòng chỉ làm nhiệm vụ hiển thị, ghi lịch sử và đặt lịch, còn logic đóng cắt nằm tại tủ.
Chống sét cho hệ đo ngoài đồng làm thế nào?
Ba lớp: chống sét lan truyền trên đường nguồn tại tủ, thiết bị bảo vệ trên đường tín hiệu vào bộ thu thập, và tiếp địa riêng cho tủ điều khiển. Ngoài ra nên rút ngắn chiều dài dây tín hiệu bằng cách đặt bộ thu thập ngay tại khu đo rồi truyền số về bằng bus hoặc không dây.
Advantech có module nào phù hợp cho trang trại?
Trên catalog của site này có ADAM-4117 với 8 kênh vào tương tự vi sai, nguồn 10 đến 48 VDC và bảo vệ xung 1 kV; ADAM-6060 với 6 ngõ vào số và 6 ngõ ra rơ le trên nền Ethernet; WISE-4012E thu thập qua Wi-Fi cho điểm khó kéo dây; APAX-5580 làm bộ điều khiển trung tâm của khu canh tác.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
