Điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7-1200 và Simatic IoT2000

Đồ án điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7-1200 và Simatic IoT2000 - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Phan Thanh Khang
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7-1200 và Simatic IoT2000
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7 1200

Ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam đang chuyển dịch mạnh mẽ sang mô hình công nghiệp hóa. Quy mô đàn gia tăng đòi hỏi quy trình quản lý môi trường và dinh dưỡng khắt khe. Mô hình điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7-1200 và Simatic IoT2000 do sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nghiên cứu đáp ứng trọn vẹn yêu cầu này. Đề tài xây dựng một hệ thống chuồng trại khép kín hiện đại. Hệ thống tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 làm trung tâm xử lý dữ liệu. Thiết bị điều phối nhịp nhàng các cơ cấu chấp hành như quạt thông gió, máy bơm nước, van xả và động cơ trục vít cấp cám. Bên cạnh đó, cổng truyền thông Simatic IoT2000 thu thập dữ liệu môi trường và gửi lên Internet. Cấu trúc phần cứng đảm bảo tính vận hành bền bỉ trong môi trường độ ẩm cao. Giao diện điều khiển SCADA kết hợp web giám sát trực quan giúp kỹ sư theo dõi tình trạng đàn heo mọi lúc. Giải pháp mở ra hướng đi tự động hóa toàn diện cho các trang trại chăn nuôi quy mô lớn.

1.1. Bối cảnh tự động hóa trang trại chăn nuôi heo

Chăn nuôi truyền thống tiềm ẩn nhiều rủi ro về dịch bệnh và ô nhiễm. Người chăn nuôi gặp khó khăn khi kiểm soát nhiệt độ chuồng nuôi thủ công. Nhu cầu nước uống và cám ăn của vật nuôi thay đổi theo từng giai đoạn phát triển. Sự can thiệp thủ công thiếu chuẩn xác thường dẫn đến lãng phí thức ăn và suy giảm sức đề kháng của vật nuôi. Để tối ưu hóa năng suất, các mô hình nông nghiệp hiện đại buộc phải ứng dụng công nghệ cao. Tự động hóa quy trình nuôi giúp duy trì môi trường sống lý tưởng. Đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM giải quyết thách thức này bằng cách chuẩn hóa toàn bộ khâu điều hòa tiểu khí hậu, cấp dưỡng tự động thông qua phần cứng công nghiệp chuyên dụng.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT TPHCM

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát toàn diện cho trại heo. Nhóm nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình thực nghiệm khép kín hoàn chỉnh. Mô hình bao gồm tủ điện trung tâm, hệ thống cảm biến môi trường và cơ cấu chấp hành thu nhỏ. Bộ điều khiển S7-1200 thực hiện thuật toán logic vận hành bơm nước, quạt thông gió, trục vít tải cám. Nhóm phát triển giao diện SCADA trên máy tính để theo dõi trực tiếp các thông số kỹ thuật. Đồng thời, thiết bị Simatic IoT2000 được cấu hình truyền dữ liệu lên máy chủ web. Người quản trị có thể giám sát trạng thái chuồng trại từ xa trên trình duyệt. Đồ án mang lại giải pháp hoàn chỉnh và có tính thực tiễn cao.

II. Thách thức trong điều khiển và giám sát trại heo truyền thống

Chăn nuôi gia súc theo phương pháp truyền thống tồn tại nhiều bất cập lớn. Hoạt động kiểm tra nhiệt độ và độ ẩm chủ yếu dựa vào cảm quan công nhân. Sự thay đổi thời tiết đột ngột dễ gây hiện tượng sốc nhiệt ở heo. Môi trường chuồng trại ô nhiễm khí độc như NH3 và H2S làm bùng phát bệnh hô hấp. Khâu cấp dưỡng thủ công tiêu tốn rất nhiều thời gian và chi phí nhân công. Thức ăn lưu kho dễ bị ẩm mốc nếu không kiểm soát lượng tồn silo kịp thời. Nguồn nước uống thiếu hụt khiến quá trình trao đổi chất của vật nuôi gián đoạn nghiêm trọng. Bên cạnh đó, việc con người ra vào thường xuyên làm tăng nguy cơ lây truyền mầm bệnh dịch tả châu Phi. Dữ liệu vận hành trang trại không được lưu trữ tập trung, gây trở ngại cho việc phân tích năng suất. Việc thiếu công cụ giám sát từ xa khiến ban quản lý không thể xử lý sự cố thiết bị kịp thời. Những rào cản này làm suy giảm đáng kể tỷ suất lợi nhuận và đe dọa sự phát triển bền vững của doanh nghiệp chăn nuôi.

2.1. Khó khăn trong quản lý vi khí hậu và cấp dinh dưỡng

Quản lý vi khí hậu là yếu tố quyết định sức khỏe đàn heo. Chuồng nuôi kín yêu cầu duy trì nhiệt độ từ 24 đến 28 độ C. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng, heo bỏ ăn và dễ nhiễm bệnh đường ruột. Việc vận hành quạt làm mát bằng công tắc tay thường gây chậm trễ. Tương tự, hệ thống cho ăn truyền thống phân bổ khẩu phần không đồng đều giữa các ô chuồng. Cám dư thừa bị ôi thiu trong máng sinh nấm mốc độc hại. Lượng nước cấp vào bồn chứa không được đo lường chính xác dẫn tới tình trạng cạn nước cục bộ. Sự bất cập này làm suy giảm chỉ số chuyển đổi thức ăn FCR và gây lãng phí tài nguyên lớn.

2.2. Hạn chế về khả năng giám sát từ xa và an toàn sinh học

Hạn chế lớn nhất của chuồng trại truyền thống là thiếu cơ chế giám sát từ xa. Nhân viên kỹ thuật phải túc trực liên tục tại khuôn viên chuồng trại. Việc người lao động tiếp xúc trực tiếp vật nuôi thường xuyên phá vỡ quy tắc an toàn sinh học. Đây là nguyên nhân hàng đầu đưa mầm bệnh xâm nhập đàn gia súc. Mặt khác, các sự cố như chập điện động cơ hay đứt đường ống nước không được cảnh báo tức thời. Sự cố kéo dài vài giờ có thể làm chết hàng loạt vật nuôi do ngạt khí. Hơn nữa, ban quản trị không sở hữu cơ sở dữ liệu số để đánh giá hiệu quả qua từng lứa nuôi. Nhu cầu ứng dụng IoT và PLC vào trại heo vì vậy trở nên cấp thiết.

III. Giải pháp điều khiển và giám sát trại heo dùng S7 1200 IoT2000

Giải pháp từ đồ án tại ĐH SPKT TPHCM ứng dụng kiến trúc tự động hóa phân tầng mạnh mẽ. Tầng điều khiển trực tiếp sử dụng bộ lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C. Thiết bị sở hữu cổng mạng Ethernet, các cổng vào ra số và tương tự linh hoạt. PLC thu thập tín hiệu liên tục từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến siêu âm đo mực nước. Thuật toán điều khiển xử lý tín hiệu và kích hoạt các cơ cấu chấp hành tức thì. Khi chuồng nóng, PLC khởi động quạt thông gió 24VDC và máy bơm làm mát. Khi bồn cạn, van điện từ và bơm cấp nước mini 12V lập tức đóng cắt theo mức cài đặt. Hệ thống cấp thức ăn dùng motor giảm tốc kéo trục vít tải xoắn cấp cám đúng giờ. Tầng truyền thông sử dụng cổng Simatic IoT2000 chạy hệ điều hành Linux nhúng. Cổng kết nối trao đổi dữ liệu với PLC qua giao thức Industrial Ethernet. Dữ liệu sau đó truyền lên nền tảng web bằng giao thức MQTT hoặc HTTP. Kỹ sư có thể cài đặt chế độ tự động hoặc chuyển sang điều khiển bằng tay linh hoạt.

3.1. Thiết kế phần cứng điều khiển và thiết bị chấp hành

Phần cứng hệ thống được thiết kế theo dạng module công nghiệp hóa an toàn. Trung tâm điều khiển là PLC Siemens S7-1200 gắn trong tủ điện tiêu chuẩn. Khối nguồn cấp hạ áp chuyển đổi 220VAC thành 24VDC và 12VDC để nuôi các mạch tải. Hệ thống làm mát sử dụng quạt hút công nghiệp 24VDC bằng nhựa chống ẩm. Khối cấp nước dùng máy bơm sinleader mini 12V có công tắc áp lực tự ngắt kết hợp van điện từ UNI-D UD-8. Cơ cấu cung cấp thức ăn trang bị motor giảm tốc 12V tốc độ 105 vòng/phút gắn trục vít xoắn dài 50cm. Đèn sưởi hồng ngoại được kích hoạt khi nhiệt độ giảm sâu. Tất cả thiết bị kết nối rơ le đệm trung gian để bảo vệ ngõ ra PLC chống quá dòng hiệu quả.

3.2. Cấu hình Simatic IoT2000 và giao diện giám sát web

Cổng truyền thông Simatic IoT2000 đóng vai trò cầu nối thông tin giữa chuồng nuôi và máy chủ. Bo mạch IoT2000 đọc dữ liệu liên tục từ các thanh ghi bộ nhớ của PLC S7-1200 qua cổng mạng LAN. Thiết bị chạy nền tảng Node-RED để phân tích và chuẩn hóa cấu trúc dữ liệu môi trường. Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái máy móc được đẩy lên giao diện web thời gian thực. Giao diện trực quan hiển thị biểu đồ diễn biến thông số và các nút điều khiển bật tắt. Khi phát hiện nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc cạn bồn nước, hệ thống gửi thông báo cảnh báo tức thì. Người quản trị dễ dàng quan sát mọi biến động từ xa bằng điện thoại hoặc máy tính có kết nối mạng.

IV. Hiệu quả ứng dụng điều khiển và giám sát trại heo công nghệ cao

Mô hình điều khiển và giám sát trại heo của sinh viên ĐH SPKT TPHCM mang lại giá trị thực tiễn to lớn. Hệ thống kiểm soát môi trường chuồng nuôi chính xác, giúp vật nuôi phát triển khỏe mạnh và giảm thiểu dịch bệnh. Khâu cấp dưỡng định lượng bằng vít tải ngăn ngừa thất thoát thức ăn hiệu quả. Quá trình bơm nước tự động qua bộ lọc thô loại bỏ tạp chất và duy trì nguồn nước sạch ổn định. Đồ án chứng minh tính khả thi vượt trội khi kết hợp PLC Siemens S7-1200 và Simatic IoT2000. Giải pháp này cắt giảm tối đa chi phí nhân công vận hành chuồng trại hàng ngày. Người quản lý chuồng nuôi không cần thường xuyên bước vào khu nuôi nhốt, từ đó đảm bảo nghiêm ngặt quy định an toàn sinh học. Dữ liệu chăn nuôi được thu thập liên tục qua cổng IoT đóng vai trò quan trọng trong việc số hóa nông nghiệp. Đây là nền tảng đáng tin cậy để triển khai nhân rộng cho các quy mô trang trại công nghiệp lớn trên toàn quốc.

4.1. Đánh giá kết quả thực nghiệm mô hình đồ án

Mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. PLC S7-1200 phản hồi tín hiệu cảm biến gần như không có độ trễ. Quạt thông gió và bơm làm mát hoạt động chính xác khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt. Hệ thống cấp thức ăn phân phối khối lượng cám chuẩn xác thông qua thời gian quay của vít xoắn. Cảm biến siêu âm kiểm soát mực nước bể chứa chuẩn xác, ngăn ngừa tràn hoặc cạn nước. Thiết bị Simatic IoT2000 truyền tải dữ liệu liên tục lên giao diện web mà không gặp hiện tượng mất gói tin. Tủ điện vận hành êm ái và có các thiết bị bảo vệ an toàn cho người thao tác.

4.2. Hướng phát triển mở rộng trong chăn nuôi thông minh

Mô hình nghiên cứu mở ra nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Hệ thống có thể tích hợp thêm các cảm biến đo nồng độ khí độc NH3 và H2S để nâng cao chất lượng không khí. Việc bổ sung thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ hỗ trợ chẩn đoán sớm hành vi bất thường và tình trạng sức khỏe của vật nuôi. Công nghệ camera thị giác máy tính có thể nhận diện thể trạng và trọng lượng heo tự động theo thời gian thực. Ngoài ra, việc kết nối cơ sở dữ liệu đám mây lớn sẽ giúp truy xuất nguồn gốc thịt thương phẩm nhanh chóng. Doanh nghiệp có thể áp dụng kiến trúc phần cứng này để chuẩn hóa các trang trại chăn nuôi thông minh trên diện rộng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chăn nuôi giữ vị trí quan trọng trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp Việt Nam, đóng vai trò cung cấp nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng (thịt, trứng, sữa), cung cấp phân bón cho trồng trọt và nguyên liệu cho công nghiệp chế biến nhẹ. Trong đó, chăn nuôi heo thịt là giai đoạn chăn nuôi sau cùng tạo ra sản phẩm tiêu dùng trực tiếp, thường chiếm từ 65% đến 80% tổng đàn. Thịt heo nạc đạt giá trị dinh dưỡng tiêu chuẩn với 370 kcal và 22% protein trên 100g thịt. Tuy nhiên, trước bối cảnh biến đổi khí hậu, áp lực quản lý chất thải môi trường và sự bùng phát của các dịch bệnh truyền nhiễm nguy hiểm, điển hình là dịch tả heo châu Phi, phương thức chăn nuôi nông hộ nhỏ lẻ, phân tán bộc lộ nhiều điểm hạn chế về năng suất, kiểm soát dịch bệnh và chi phí nhân công.

Để giải quyết bài toán nâng cao năng suất, cắt giảm chi phí vận hành và hạn chế tối đa sự tiếp xúc trực tiếp của con người vào khu vực chuồng trại nhằm phòng chống lây nhiễm mầm bệnh, việc chuyển dịch sang mô hình chăn nuôi khép kín, ứng dụng công nghệ tự động hóa và Internet vạn vật (IoT) là xu hướng tất yếu. Nắm bắt thực tiễn đó, đề tài "Điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7-1200 và Simatic Iot2000" được thực hiện bởi sinh viên Phan Thanh Khang và Đặng Thái Khang dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo văn bản giao nhiệm vụ:

1. Xây dựng và thi công mô hình phần cứng của hệ thống trại nuôi heo thịt tự động.
2. Lập trình bộ điều khiển logic khả trình (PLC) để tự động hóa các chu trình vận hành trong chuồng trại.
3. Thiết kế giao diện SCADA trên máy tính trung tâm phục vụ công tác điều khiển và giám sát tại chỗ.
4. Ứng dụng thiết bị cổng kết nối công nghiệp Simatic IoT2000 để thu thập dữ liệu và truyền tải lên máy chủ.
5. Thiết kế giao diện Web giám sát phục vụ nhu cầu theo dõi và điều khiển từ xa.
6. Kiểm tra, vận hành thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

• Đối tượng nghiên cứu: Các phân hệ kỹ thuật trong chuồng trại chăn nuôi heo thịt (hệ thống phân phối thức ăn, cấp nước uống, làm mát, sưởi ấm, chiếu sáng, tắm rửa và dọn dẹp vệ sinh chuồng); bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 của hãng Siemens; thiết bị Industrial IoT Gateway Siemens Simatic IoT2000 (cụ thể là dòng Simatic IoT2040); nền tảng phần mềm mã nguồn mở Node-RED; giao thức truyền thông công nghiệp Ethernet và giao thức truyền thông mạng MQTT.
• Phạm vi không gian: Hướng nghiên cứu áp dụng cho các trang trại nuôi heo thịt quy mô vừa và nhỏ có diện tích dưới 200 m² (mô hình lý thuyết nuôi 100 con trên 180 m² chia theo các ô chuồng từ 7-10 m² chứa 8-10 con). Mô hình thực nghiệm thu nhỏ tại phòng thí nghiệm được chế tạo trên khung kích thước 800 x 700 mm gồm 4 ô chuồng.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 20/02/2023 đến ngày 30/06/2023 và hoàn thành bảo vệ vào tháng 07/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết kỹ thuật chăn nuôi gia súc chuyên ngành và kỹ thuật điều khiển tự động hóa công nghiệp. Về mặt sinh học và kỹ thuật chăn nuôi, tác giả tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật về chế độ dinh dưỡng, nhiệt độ chuồng trại và chu kỳ quang học:

Giai đoạn trọng lượng heo	Nhu cầu thức ăn (kg/con/ngày)	Nhiệt độ chuồng thích hợp (°C)
10 – 20 kg	Theo khẩu phần tập ăn	23 – 28
20 – 30 kg	1,2 – 1,5	20 – 23
31 – 40 kg	1,5 – 2,3	20 – 23
41 – 60 kg	1,5 – 2,3	18 – 23
Trên 60 – 100 kg	2,3 – 3,0	17 – 22

Chi phí thức ăn chiếm từ 67% đến 70% tổng giá thành sản phẩm heo thịt. Tiêu tốn thức ăn trên một đơn vị tăng trọng (FCR) đạt mức 3,0 – 3,5 kg thức ăn trên 1 kg tăng trọng (mức năng lượng tương đương 2.000 kcal/kg). Yêu cầu tỷ lệ nạc thân thịt phải đạt trên 40% (thị trường đô thị yêu cầu trên 52%). Về chế độ chiếu sáng, hệ thống tuân thủ theo tiêu chuẩn chiếu sáng châu Âu với cường độ tối thiểu 40 lux và chu kỳ quang (thời gian bật đèn) duy trì ít nhất 8 giờ mỗi ngày. Chu trình tắm và dọn dẹp vệ sinh chuồng được quy định thực hiện một lần mỗi ngày sau bữa ăn sáng, nước trong vùng tắm thay 2 lần mỗi ngày.

Về nền tảng phần cứng và truyền thông công nghiệp, các thiết bị và công nghệ được tác giả sử dụng gồm:

• Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC: Tích hợp 14 ngõ vào số (DI 24VDC), 10 ngõ ra số (DO bán dẫn 24VDC), 2 ngõ vào tương tự (AI 0–10V), bộ nhớ làm việc 100 KB, hỗ trợ giao tiếp truyền thông Ethernet công nghiệp (TCP/IP native, ISO-on-TCP).
• Thiết bị Simatic IoT2000 (phiên bản IoT2040): Cấu hình phần cứng gồm bộ vi xử lý Intel Quark x1020 (kiến trúc x86, xung nhịp 400 MHz), bộ nhớ RAM 512 MB DDR3, bộ nhớ lưu trữ flash 2 GB eMMC, hỗ trợ khe cắm thẻ microSD, 2 cổng mạng Ethernet RJ45 10/100, 2 cổng giao tiếp nối tiếp RS232/485, 1 cổng USB Host và 1 cổng USB Device, chạy hệ điều hành Yocto Linux với nguồn cấp 24VDC.
• Giao thức truyền thông MQTT: Mô hình mạng Publish/Subscribe thông qua máy chủ trung gian (MQTT Broker) phục vụ truyền nhận dữ liệu giữa IoT Gateway và các máy trạm giám sát. Tác giả áp dụng các cấp độ bảo đảm tin cậy truyền tin QoS (QoS 0: gửi một lần không xác nhận; QoS 1: gửi có xác nhận; QoS 2: xác nhận hai chiều đảm bảo bản tin đến đích chính xác một lần duy nhất).
• Phần mềm Node-RED: Nền tảng lập trình dòng dữ liệu chạy trên môi trường Node.js trong hệ điều hành Yocto Linux, sử dụng bộ thư viện chuyên dụng node-red-contrib-s7 để kết nối trực tiếp với vùng nhớ PLC S7-1200 qua mạng Ethernet và thư viện Node-RED Dashboard để khởi tạo giao diện Web.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật chăn nuôi heo thịt công nghiệp kết hợp tài liệu kỹ thuật tự động hóa của Siemens.
• Phương pháp thiết kế cơ khí và tính toán kết cấu mô hình chuồng nuôi bằng phần mềm kỹ thuật.
• Phương pháp thiết kế mạch điện công nghiệp, xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển.
• Phương pháp lập trình điều khiển logic khả trình và xử lý tín hiệu thực nghiệm (đo lường cảm biến analog, đồng hồ thời gian thực).
• Phương pháp kiểm thử thực nghiệm trên mô hình vật lý để đánh giá tính ổn định của hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, đảm bảo tính liên kết chặt chẽ giữa phần cứng cơ khí, tủ điều khiển điện và hạ tầng phần mềm giám sát.

Thiết kế cơ khí

Mô hình trại nuôi được chế tạo trên bộ khung chịu lực bằng nhôm định hình kích thước 20 x 20 mm với kích thước tổng thể mặt sàn là 800 x 700 mm. Kết cấu bao gồm hệ khung sàn đáy, các thanh trụ đứng và hệ khung trần liên kết bulong chắc chắn. Toàn bộ sàn chuồng, vách bao xung quanh bên ngoài, vách ngăn bên trong chia thành 4 ô chuồng riêng biệt và các cánh cửa chuồng đều được gia công cắt từ vật liệu nhựa mica trong suốt dày 3 mm. Phía trên mô hình bố trí bồn chứa nước cấp sinh hoạt cho chuồng và hệ thống đường ống dẫn.

Thiết kế hệ thống điện và lựa chọn thiết bị

Cấu trúc phần điện được phân tách thành 4 khối chức năng:

• Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng 01 bộ PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, đóng vai trò nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thuật toán logic và xuất lệnh điều khiển tới cơ cấu chấp hành.
• Khối truyền nhận dữ liệu: Thiết bị Simatic IoT2000 đóng vai trò trung tâm thu thập các biến nhớ nội vi từ PLC qua cổng Ethernet, xử lý dữ liệu và đẩy lên máy chủ qua giao thức MQTT.
• Khối chấp hành: Gồm các thiết bị điện được tính toán chọn lựa phù hợp với công suất của mô hình:
  • Quạt thông gió làm mát: Quạt điện áp 24VDC, kích thước 9 x 9 x 2,5 cm, tích hợp diode chống cắm ngược cực.
  • Động cơ cấp thức ăn: Động cơ giảm tốc 12VDC, dòng không tải 0,28A, tốc độ quay không tải 105 vòng/phút, gắn trực tiếp với trục vít tải xoắn có chiều dài 50 cm và đường kính tâm trục 8 mm.
  • Máy bơm nước rửa chuồng: Bơm mini áp lực Sinleader điện áp 12VDC, công suất 60W, đầu kết nối ren ngoài phi 21 mm, tích hợp rơ le áp suất tự động ngắt điện khi đóng ngắt van đầu ra.
  • Van điện từ xịt rửa chuồng: Van điện từ Model UNI-D UD-8 dùng nguồn 220VAC, kết nối ren ống dẫn phi 13 mm, dạng thường đóng, áp suất làm việc 0 – 0,8 MPa.
  • Đèn chiếu sáng và sưởi: Sử dụng bóng đèn LED Bulb Nanoco đui xoáy E27 tiêu chuẩn IP20 kết hợp với bóng đèn sưởi nhiệt hồng ngoại 220VAC đường kính bóng 12 cm.
• Khối phản hồi (Cảm biến):
  • Cảm biến đo nhiệt độ: Sử dụng đầu dò nhiệt điện trở kim loại PT100 nối qua bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng (Transmitter) để chuyển đổi dải đo nhiệt độ thành tín hiệu điện áp tương tự 0–10VDC đưa vào kênh Analog Input (Channel 0) của PLC.
  • Cảm biến mức nước: Sử dụng công tắc phao điện từ báo mức cạn/đầy và cảm biến báo mức chất lỏng không tiếp xúc XKC-Y25-V gắn bên ngoài thành bồn chứa nước.

Tủ điện điều khiển được gia công bằng vỏ kim loại công nghiệp, bên trong bố trí thanh ray cài đặt PLC S7-1200, Simatic IoT2000, bộ nguồn tổ ong 24VDC, bộ nguồn 12VDC, các rơ le trung gian đệm công suất, cầu đấu domino dây dẫn và máng luồn dây gọn gàng. Mặt trước tủ điện bố trí nút ấn dừng khẩn cấp (Emergency Stop), công tắc xoay chuyển đổi hai chế độ vận hành Tự động/Bằng tay (Auto/Manual), các nút bấm khởi động/dừng các phân hệ và hệ thống đèn báo trạng thái hoạt động.

Triển khai phần mềm và truyền thông

• Cấu hình và lập trình PLC: Thực hiện trên phần mềm TIA Portal. Cấu hình địa chỉ IP tĩnh cho CPU, thiết lập thuộc tính bảo mật cho phép kết nối PUT/GET từ xa, tạo khối dữ liệu dùng chung (Data Block) để lưu trữ các biến trạng thái, cấu hình hàm đọc thời gian thực hệ thống RD_LOC_T với kiểu dữ liệu DTL để lập lịch trình vận hành theo giờ thực tế trong ngày, xây dựng khối hàm chuẩn hóa (NORM_X) và tỷ lệ (SCALE_X) để chuyển đổi tín hiệu analog từ bộ chuyển đổi PT100 về giá trị nhiệt độ độ C.
• Triển khai IoT Gateway và Node-RED: Tiến hành ghi tệp hệ điều hành Yocto Linux Image vào thẻ nhớ microSD thông qua phần mềm chuyên dụng, nạp vào thiết bị Simatic IoT2000. Truy cập cấu hình mạng qua SSH bằng phần mềm PuTTY, cài đặt nền tảng Node-RED và phần mềm máy chủ tin nhắn Mosquitto MQTT Broker. Trong giao diện lập trình luồng của Node-RED, cài đặt thư viện node-red-contrib-s7, cấu hình node kết nối s7 endpoint trỏ tới địa chỉ IP của PLC với thông số Rack 0, Slot 1. Các biến được định nghĩa kiểu dữ liệu đồng bộ giữa Data Block của PLC và các node đầu vào s7 in / đầu ra s7 out.
• Xây dựng giao diện SCADA và Web: Thiết kế giao diện SCADA cục bộ bằng phần mềm WinCC Runtime Professional, kết nối trực tiếp với PLC S7-1200 qua driver truyền thông S7-1200 Ethernet. Thiết kế giao diện Web giám sát trên Node-RED Dashboard gồm đồng hồ đo dạng kim (Gauge) hiển thị giá trị nhiệt độ thời gian thực, biểu đồ xu hướng (Chart), các biểu tượng đèn LED hiển thị trạng thái hoạt động của bơm, quạt, trục vít tải cám, van xịt nước và các nút gạt chuyển mạch ảo (Switch) cho phép người quản lý thao tác từ xa trên máy tính cá nhân hoặc điện thoại thông minh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương mở đầu tập trung trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng khoa học kỹ thuật và tự động hóa vào ngành chăn nuôi heo thịt tại Việt Nam. Tác giả phân tích những thách thức lớn mà người chăn nuôi đang gặp phải như dịch bệnh gia súc, biến đổi khí hậu và sự tụt hậu về mặt công nghệ so với các ngành sản xuất khác. Từ đó, chương xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu cốt lõi, phạm vi giới hạn kỹ thuật của hệ thống (mô hình thu nhỏ 4 ô chuồng, diện tích ứng dụng thực tế dưới 200 m²) và tóm tắt cấu trúc 6 chương của toàn bộ báo cáo đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng chia làm hai mảng rõ rệt:

• Cơ sở kỹ thuật chăn nuôi: Phân tích vai trò của heo thịt (chiếm 65-80% tổng đàn), quy trình tăng trọng, tiêu tốn thức ăn (FCR 3-3,5 kg), yêu cầu tỷ lệ nạc (>40%), các yêu cầu môi trường về nhiệt độ chuồng trại theo từng giai đoạn phát triển, lưu lượng thông gió, tiêu chuẩn chiếu sáng tối thiểu 40 lux trong ít nhất 8 giờ/ngày, và quy trình cấp nước, dọn dẹp vệ sinh chuồng sau bữa ăn.
• Cơ sở kỹ thuật tự động hóa và IoT: Trình bày chi tiết cấu tạo phần cứng, thông số bộ nhớ của các dòng CPU PLC S7-1200 (từ CPU 1211C đến 1217C); giới thiệu dòng IIoT Gateway Simatic IoT2000 cùng các thông số kỹ thuật phần cứng (Intel Quark x1020, 512 MB RAM, hệ điều hành Yocto Linux); nguyên lý hoạt động của nền tảng Node-RED; kiến trúc mạng máy chủ Server và các giao thức truyền thông công nghiệp Ethernet, giao thức MQTT với 3 cấp độ dịch vụ tin cậy (QoS 0, QoS 1, QoS 2).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán, thiết kế chi tiết cả về mặt cơ khí lẫn kỹ thuật điện:

• Thiết kế cơ khí: Cung cấp đầy đủ các bản vẽ kỹ thuật chi tiết của hệ khung sàn đáy, các thanh trụ đứng, khung trần nhôm định hình 20x20 mm, các tấm mica 3 mm lót sàn, vách dựng ngoài, vách ngăn 4 ô chuồng, cửa chuồng và bản vẽ kích thước bồn chứa nước.
• Thiết kế phần điện: Xây dựng sơ đồ khối 4 khối chức năng (Khối điều khiển, Khối truyền nhận dữ liệu, Khối chấp hành, Khối phản hồi); phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật để chọn lựa các thiết bị chấp hành (quạt 24VDC, bơm mini Sinleader 12V 60W, motor giảm tốc 12V kèm trục vít xoắn 50 cm, van điện từ UNI-D UD-8 220VAC, đèn LED Nanoco, đèn sưởi hồng ngoại); lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ PT100 kèm bộ chuyển đổi tín hiệu 0–10V và các cảm biến mức nước. Chương cũng công bố bản vẽ sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển, bản vẽ bố trí bố cục thiết bị trong tủ điện công nghiệp và lưu đồ thuật toán lựa chọn chế độ vận hành.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình lắp ráp phần cứng và hiện thực hóa phần mềm:

• Chế tạo phần cứng: Thi công cắt, ráp khung nhôm định hình và các tấm mica tạo thành mô hình không gian chuồng trại; hoàn thiện đấu nối dây dẫn mạch lực và mạch điều khiển bên trong cũng như mặt ngoài cánh cửa tủ điện theo bản vẽ thiết kế.
• Lập trình hệ thống điều khiển: Hướng dẫn chi tiết cấu hình phần cứng PLC S7-1200 trên TIA Portal, cấu hình địa chỉ IP, thiết lập khối dữ liệu Data Block truyền thông trực tuyến, cấu hình kênh ngõ vào tương tự Channel 0, lập trình hàm thời gian thực RD_LOC_T với kiểu biến DTL để kích hoạt các mốc thời gian cho ăn, tắm rửa, chiếu sáng.
• Cấu hình truyền thông và IoT Gateway: Trình bày quy trình ghi file Image hệ điều hành Yocto Linux cho Simatic IoT2000, đăng nhập và cấu hình phần mềm qua giao diện dòng lệnh bằng PuTTY, cài đặt Node-RED và Mosquitto Broker. Cấu hình các node kết nối s7 endpoint, node s7 in và node mqtt broker để đẩy dữ liệu hai chiều giữa PLC và máy chủ Server.
• Thiết kế giao diện SCADA và Web: Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cục bộ trên WinCC Runtime Professional; xây dựng bảng điều khiển Web Dashboard trong Node-RED sử dụng các node chức năng (led, gauge, chart, switch) và phát hành đường dẫn truy cập Web cục bộ cũng như qua mạng Internet.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 báo cáo kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình hoàn thiện:

• Tủ điện điều khiển được thi công hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn an toàn điện công nghiệp, các thiết bị bố trí khoa học, thẩm mỹ và vận hành chính xác các nút nhấn, đèn báo và công tắc chuyển mạch.
• Mô hình cơ khí chuồng trại được lắp ráp chắc chắn, chia đủ 4 ô chuồng, tích hợp đồng bộ các đường ống dẫn nước, bồn nước, máng ăn và trục vít cám.
• Kết quả vận hành thực nghiệm từng phân hệ: Trục vít tải cám hoạt động phân phối thức ăn chính xác vào từng máng theo mốc thời gian thực và tự ngắt động cơ; hệ thống bơm nước tự động bơm đầy bồn chứa dựa trên tín hiệu cảm biến phao và ngắt khi đầy; hệ thống van điện từ xịt tắm rửa và vệ sinh chuồng hoạt động đúng chu trình; hệ thống làm mát tự động bật quạt hút khi cảm biến nhiệt độ PT100 ghi nhận giá trị vượt ngưỡng cài đặt và tự tắt khi nhiệt độ hạ xuống dưới ngưỡng; hệ thống đèn sưởi hồng ngoại và đèn chiếu sáng hoạt động ổn định; giao diện giám sát SCADA trên máy tính và giao diện Web trên điện thoại hiển thị đồng bộ, phản hồi nhanh chóng theo thời gian thực.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ của đồ án, khẳng định hệ thống đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế ban đầu về cả phần cứng lẫn phần mềm. Tác giả chỉ ra các điểm giới hạn của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kết quả định lượng và thực nghiệm, đề tài đã hoàn thành chế tạo và thử nghiệm thành công toàn bộ hệ thống với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng:

• Chế tạo thành công mô hình trại nuôi thực nghiệm kích thước mặt sàn 800 x 700 mm gồm 4 ô chuồng bằng nhôm định hình 20x20 mm và mica 3 mm, tích hợp đầy đủ hệ thống máng ăn tự động, bồn chứa nước, đường ống xịt tắm và hệ thống làm mát bằng quạt hút 24VDC (9x9 cm).
• Chế tạo hoàn chỉnh tủ điện công nghiệp tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC, IoT Gateway Simatic IoT2040, bộ đổi nguồn 24VDC và 12VDC, cùng hệ thống rơ le đệm công suất.
• Vận hành chính xác hệ thống phân phối thức ăn bằng trục vít tải xoắn (chiều dài 50 cm, đường kính tâm trục 8 mm) điều khiển bởi motor giảm tốc 12V (105 vòng/phút, dòng không tải 0,28A), cấp thức ăn tuần tự vào các máng.
• Vận hành tự động hệ thống cấp nước với máy bơm áp lực Sinleader 12V (60W) và cảm biến phao điện từ, tự ngắt khi nước đầy bồn. Hệ thống van xịt rửa UNI-D UD-8 (220VAC, phi 13 mm) hoạt động ổn định theo đúng lịch trình lập trình trên khối thời gian thực RD_LOC_T.
• Đo lường chính xác nhiệt độ môi trường chuồng nuôi thông qua cảm biến nhiệt điện trở PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu sang điện áp 0–10V, tự động kích hoạt quạt thông gió 24VDC khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt và tắt quạt khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng.
• Xây dựng thành công kênh truyền thông dữ liệu hai chiều thông suốt giữa PLC S7-1200 và Simatic IoT2000 qua cổng Ethernet công nghiệp bằng thư viện node-red-contrib-s7, kết hợp giao thức MQTT để đồng bộ dữ liệu lên giao diện SCADA (WinCC RT Professional) và giao diện Web Dashboard trên nền tảng Node-RED.

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật, nhóm tác giả đề xuất áp dụng giải pháp phân tầng điều khiển: tách bạch tầng điều khiển chấp hành thời gian thực (giao cho PLC S7-1200 đảm nhiệm để duy trì độ tin cậy và an toàn công nghiệp tuyệt đối) với tầng xử lý dữ liệu và truyền thông IoT (giao cho Gateway Simatic IoT2000 và Node-RED đảm nhiệm). Giải pháp này giúp trang trại duy trì vận hành ổn định tại chỗ ngay cả khi hạ tầng mạng Internet gặp sự cố đứt đoạn.

Về đóng góp mới của đề tài so với các nghiên cứu trước đó:

• Đã ứng dụng thành công thiết bị Gateway công nghiệp chuyên dụng (Siemens Simatic IoT2000) vào mô hình chăn nuôi thông minh thay cho các bo mạch vi điều khiển nhúng phổ thông không có tiêu chuẩn công nghiệp (như Arduino, ESP8266 hay Raspberry Pi).
• Xây dựng giải pháp giám sát đa nền tảng kết hợp giữa SCADA truyền thống tại phòng điều khiển trung tâm và Web Dashboard mã nguồn mở linh hoạt truy cập từ xa qua thiết bị di động, không phụ thuộc vào các nền tảng dịch vụ đám mây thương mại trả phí bản quyền định kỳ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả xác định dựa trên giới hạn phạm vi nghiên cứu:

• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm thu nhỏ tại phòng thí nghiệm (diện tích 800 x 700 mm gồm 4 ô chuồng), các cơ cấu chấp hành sử dụng thiết bị mini công suất nhỏ (động cơ giảm tốc 12VDC, máy bơm Sinleader 60W, van ren phi 13 mm) nên chưa phản ánh hết các đặc tính quán tính cơ khí và tải công nghiệp lớn của một trang trại chăn nuôi thực tế.
• Chưa thử nghiệm trực tiếp với đàn heo sống trong môi trường thực địa để đánh giá tác động ăn mòn của khí thải (NH₃, H₂S), bụi bẩn và độ ẩm chuồng nuôi lên tuổi thọ của các đầu đo cảm biến (PT100, cảm biến mực nước) và các linh kiện điện tử.
• Cơ cấu định lượng thức ăn tại từng máng còn phụ thuộc vào thời gian cấp liệu của trục vít xoắn, chưa tích hợp hệ thống cảm biến cân tải trọng điện tử loadcell chuyên dụng tại từng chân máng ăn như thiết kế trang trại thực tế.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Nâng cấp phần cứng cơ khí và công suất thiết bị chấp hành (bơm lưu lượng lớn Nanoco NHF120, Nanoco NHF750, quạt hút công nghiệp 1220 x 1220 mm) để triển khai ứng dụng thực tế trên trang trại heo diện tích lớn từ 180 m² đến 200 m².
• Bổ sung hệ thống camera giám sát ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và giải thuật xử lý ảnh để tự động nhận diện hành vi, dáng đi, phát hiện sớm dấu hiệu bất thường về sức khỏe hoặc biểu hiện dịch bệnh của từng cá thể heo.
• Lắp đặt thêm các module cảm biến giám sát nồng độ khí độc chuyên sâu trong không khí chuồng trại (khí Amoniac - NH₃, khí Hydro Sunfua - H₂S) để tự động điều chỉnh tốc độ quạt hút thông gió tối ưu hơn.
• Thiết kế bổ sung phân hệ tự động xử lý nước thải chuồng trại và hệ thống thu gom khí sinh học (Biogas) nhằm tái tạo năng lượng phục vụ lại cho chu trình vận hành của trang trại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng cao đối với:

• Giảng viên và sinh viên các chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Mạng máy tính và Nông nghiệp Công nghệ cao đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống IIoT (Industrial Internet of Things).
• Kỹ sư thiết kế tủ điện và tích hợp hệ thống tự động hóa nông nghiệp, đặc biệt là các kỹ sư quan tâm đến giải pháp kết nối dòng PLC Siemens S7-1200 với các phần mềm mã nguồn mở và nền tảng điện toán biên (Edge Computing).
• Những nội dung đáng tham khảo chuyên sâu trong tài liệu bao gồm: Bản vẽ thiết kế bố trí tủ điện công nghiệp; quy trình cài đặt hệ điều hành Yocto Linux và cấu hình cổng mạng trên thiết bị Siemens Simatic IoT2000; giải thuật kết nối truyền thông giữa PLC và phần mềm Node-RED qua gói thư viện node-red-contrib-s7; và phương pháp cấu hình máy chủ truyền tin MQTT phục vụ hiển thị dữ liệu thời gian thực lên giao diện Web Dashboard.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối điều khiển và khối truyền nhận dữ liệu trong đồ án sử dụng các dòng thiết bị phần cứng cụ thể nào?
Khối điều khiển sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (tích hợp 14 DI, 10 DO, 2 AI 0–10V và bộ nhớ làm việc 100 KB). Khối truyền nhận dữ liệu sử dụng cổng kết nối công nghiệp Siemens Simatic IoT2040 được trang bị vi xử lý Intel Quark x1020 (400 MHz), RAM 512 MB DDR3, 2 GB eMMC, khe thẻ nhớ microSD, 2 cổng mạng Ethernet RJ45 và chạy hệ điều hành Yocto Linux.

2. Nguyên lý vận hành của hệ thống phân phối thức ăn tự động trong mô hình được thiết kế như thế nào?
Trong mô hình thực nghiệm, thức ăn được đưa vào các máng ăn thông qua trục vít tải xoắn dài 50 cm (đường kính trục 8 mm) gắn với động cơ giảm tốc 12VDC (tốc độ quay 105 vòng/phút, dòng không tải 0,28A). PLC điều khiển động cơ quay để cấp cám tuần tự theo các mốc thời gian thực được lập trình trong ngày, sau đó tự động ngắt theo chu trình đã tính toán.

3. Simatic IoT2000 kết nối với PLC S7-1200 và giao diện Web thông qua những giao thức và công cụ phần mềm nào?
Simatic IoT2000 kết nối vật lý với PLC S7-1200 qua cáp mạng Ethernet RJ45. Về mặt phần mềm, thiết bị chạy môi trường Node-RED trên hệ điều hành Yocto Linux, sử dụng bộ thư viện node-red-contrib-s7 để đọc và ghi các biến trực tiếp từ Data Block của PLC. Dữ liệu sau đó được xuất bản (Publish) và đăng ký nhận (Subscribe) qua máy chủ Mosquitto Broker bằng giao thức MQTT để đồng bộ với giao diện Web Dashboard.

4. Hệ thống đo lường và điều khiển nhiệt độ chuồng nuôi hoạt động dựa trên cơ chế nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại PT100 nối với một bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng nhằm chuyển dải đo nhiệt độ thành tín hiệu điện áp tương tự 0–10VDC đưa vào cổng ngõ vào tương tự AI (Channel 0) của PLC S7-1200. Chương trình PLC thực hiện xử lý chuẩn hóa tín hiệu và so sánh với giá trị ngưỡng cài đặt tương ứng với lứa tuổi heo (từ 17°C đến 28°C). Nếu nhiệt độ thực tế cao hơn ngưỡng, PLC sẽ xuất tín hiệu đóng relay cấp nguồn 24VDC cho quạt thông gió làm mát hoạt động; khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt, quạt sẽ tự động tắt.

5. Người vận hành có thể giám sát và tương tác với hệ thống trại heo thông qua những giao diện nào?
Hệ thống trang bị 2 lớp giao diện giám sát song song: Giao diện SCADA cục bộ thiết kế trên phần mềm WinCC Runtime Professional cài đặt trên máy tính trung tâm tại trại nuôi, và giao diện Web Dashboard thiết kế trên nền tảng Node-RED cho phép người quản lý truy cập theo dõi giá trị nhiệt độ (qua đồ thị Chart và đồng hồ Gauge), trạng thái thiết bị (qua đèn LED) và điều khiển bật/tắt thiết bị (qua công tắc Switch) từ xa trên trình duyệt máy tính hoặc điện thoại thông minh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát trại heo sử dụng S7-1200 và Simatic Iot2000" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa các khâu vận hành quan trọng trong chuồng nuôi heo thịt như phân phối thức ăn, cấp nước uống, điều hòa nhiệt độ và vệ sinh chuồng trại. Việc tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 với Gateway công nghiệp Simatic IoT2000, phần mềm Node-RED và giao thức truyền thông MQTT đã thiết lập một hệ thống quản lý tập trung và giám sát từ xa đa nền tảng có độ tin cậy cao. Kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý chứng minh tính khả thi của giải pháp, cung cấp nền tảng kỹ thuật vững chắc để phát triển và ứng dụng trên quy mô trang trại chăn nuôi công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài 2 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan Xu hướng hiện nay đối với chăn nuôi nói chung và chăn nuôi heo nói riêng là thực hành chăn nuôi theo hướng tập trung, chăn nuôi theo chuỗi liên kết để đảm bảo chia sẻ trách nhiệm, lợi ích giữa các bên, tránh rủi ro, giúp truy xuất được nguồn gốc sản phẩm và cân đối cung cầu các sản phẩm chăn nuôi. Trong đó, chăn nuôi heo theo mô hình chuỗi liên kết giữa doanh nghiệp với trang trại, hợp tác xã, tổ hợp tác để dần thay cho chăn nuôi nông hộ có xu hướng tăng lên trong những năm gần đây ở những nước đang phát triển. Trang trại heo tự động mà nhóm thực hiện nghiên cứu là một hệ thống trang trại áp dụng tự động hóa sử dụng PLC s7-1200 và Simatic IoT2000 để điều khiển và giám sát. Với nhiều chức năng điển hình như thời gian thực, điều khiển ngõ vào/ra tín hiệu số, tương tự,… giúp việc tự động hóa cho trang trại trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm nhân công, chi phí, công sức.

Đồng thời cùng với thiết bị Simatic IoT2000 giao tiếp với PLC qua Ethernet, đồng bộ dữ liệu và có thể giám sát được ở mọi nơi, mọi lúc.2 Kỹ thuật chăn nuôi heo thịt 2.1 Vai trò của chăn nuôi heo thịt trong chăn nuôi heo 2.1 Vai trò, vị trí Heo thịt là giai đoạn chăn nuôi cuối cùng để tạo ra sản phẩm của chăn nuôi lợn cho con người. Thịt heo có giá trị dinh dưỡng cao, cứ 100g thịt heo nạc có 370 kcal và có 22% protein. Heo thịt thường chiếm tỷ lệ cao trong tổng đàn heo, thường từ 65 - 80% (khoảng 2/3 tổng đàn), do vậy sự thành công của chăn nuôi heo thịt chính là thành công của nghề chăn nuôi heo.2 Mục đích của chăn nuôi heo thịt - Tạo ra sản phẩm thịt heo cho con ngƣời. - Cung cấp nguồn phân bón cho cây trồng.

- Cung cấp nguồn nguyên liệu cho công nghiệp chế biến. - Tăng thu nhập và công ăn việc làm cho người lao động.3 Yêu cầu chăn nuôi heo thịt Nuôi heo thịt phải đạt được những yêu cầu sau đây: heo thịt phải có tốc độ sinh trưởng phát triển tốt, tiêu tốn thức ăn thấp, tốn ít công chăm sóc nuôi dưỡng, phẩm chất thịt tốt.1 Tăng trọng nhanh theo yêu cầu Thời gian nuôi Heo lai Heo ngoại 2 – 4 tháng 8 – 12 kg/tháng 8 – 14 kg/tháng 4 – 6 tháng 14 – 16 kg/tháng 14 – 18 kg/tháng 6 – 8 tháng 18 – 22 kg/tháng 18 – 24 kg/tháng Trung bình 500 – 550 g/ngày 600 – 700 g/ngày Tốc độ sinh trưởng và phát triển của heo thịt được coi là chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật quan trọng trong quá trình theo dõi và đánh giá thành công hay chưa thành công của chăn nuôi heo thịt. *Tiêu tốn thức ăn thấp cho 1 kg tăng trọng: Chương 2: Cơ sở lý thuyết 3 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Thức ăn chiếm từ 67 - 70% giá thành của sản phẩm thịt heo, do vậy muốn giảm giá thành tăng hiệu quả chăn nuôi heo, trước hết phải giảm chi phí thức ăn. Trong điều kiện chăn nuôi của nước ta, tiêu tốn thức ăn thường từ 3 - 3,5 kg thức ăn cho l kg tăng trọng, với mức năng lượng (1kg = 2.000 kcal) ở khu vực chăn nuôi nông hộ.

Tuy nhiên, nhiều nông hộ có thể giảm chi phí thức ăn xuống thấp hơn, đặc biệt các doanh nghiệp chăn nuôi heo công nghiệp, chi phí thức ăn đã giảm xuống rất đáng kể. *Phẩm chất thịt tốt Heo thịt phải có tỷ lệ nạc > 40%, càng cao nạc càng tốt. Do nhu cầu của thị trường về thịt heo có chất lượng cao, đặc biệt ở vùng đô thị tỷ lệ nạc phải đạt từ 52% trở lên. Do vậy, việc nâng cao tỷ lệ nạc trong thân thịt góp phần nâng cao hiệu quả chăn nuôi heo thịt.

Tuy nhiên, trong khu vực chăn theo nuôi nông hộ ở nƣớc ta, heo thịt vẫn có tỷ lệ nạc thấp, điều đó cần tiếp tục cải thiện chất lượng thịt tốt hơn nữa. Bên cạnh tỷ lệ nạc cao, người chăn nuôi nên theo dõi nhu cầu của thị trường để sản xuất thịt heo có mùi vị thơm ngon, màu sắc thịt đẹp và hấp dẫn cho người tiêu dùng. Ngoài ra, thịt heo nạc cần có tỷ lệ mỡ dắt thích hợp để nâng cao mùi vị, độ mềm và thành phần axit béo của mỡ heo. Để nâng cao phẩm chất thịt heo, ngoài các biện pháp kỹ thuật chăn nuôi, cần phải thường xuyên kiểm tra, đánh giá chất lượng thịt thông qua việc yêu cầu của thị trường và thị hiếu của từng địa phương.3 Xây dựng trang trại nuôi heo thịt 2.1 Yêu cầu chung của việc thiết kế xây dựng chuồng trại chăn nuôi heo Chuồng trại phải ấm về mùa đông, mát về mùa hè, chống được những cơn bão giông có thể hất nước vào chuồng.

Đặc biệt là phải phù hợp với đặc điểm sinh lý của heo. Chuồng trại phải thuận tiện cho việc phân phối thức ăn và nước uống cho heo, không làm lãng phí thức ăn và công chăm sóc nuôi dưỡng. Khi xây dựng chuồng trại phải tính toán hiệu quả kinh tế (vừa đảm bảo đủ nhu cầu của chuồng nuôi nhưng lại tiết kiệm được sức lao động và nguyên vật liệu). Kết hợp được các kiểu chuồng nuôi hiện đại và truyền thống để có những kiểu chuồng nuôi phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, đồng thời có khả năng tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có của gia đình và địa phương.

Đảm bảo vệ sinh và an toàn dịch bệnh cho đàn heo và sức khỏe cho con người. Kiểu chuồng nuôi heo thịt: Heo thịt thường được nuôi trong các ô rộng và nuôi thành từng nhóm, heo thịt nhỏ từ 16 - 20 con/ô, heo thịt lợn từ 8 - 10 con/ô, mỗi ô từ 7 - 10 m2. Chuồng nuôi lợn thịt có thể thiết kế đa dạng các kiểu, có nền có độ dốc tốt và dễ thoát nước. Có đầy đủ các hệ thống cho ăn, nước uống, làm mát, chiếu sáng, sưởi, tắm – dọn dẹp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 4 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.1 Chuồng nuôi heo thịt [11] 2.2 Hệ thống phân phối thức ăn Đối với heo thịt, việc cung cấp đủ thức ăn là rất quan trọng cho việc tăng trọng của heo. - Trọng lượng heo 20 kg – 30 kg: cho ăn 1,2 – 1,5 kg/con/ngày. - Trọng lượng heo 31kg – 60 kg: cho ăn 1,5 – 2,3 kg/con/ngày. - Trọng lượng heo 61 kg – 100 kg: cho ăn 2,3- 3 kg/con/ngày.

Hệ thống phân phối thức ăn và máng ăn tự động hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong chăn nuôi, nhất là các trang trại quy mô lớn. Với các ưu điểm như: tiết kiệm thời gian, giảm chi phí thuê người lao động, tăng năng suất nuôi heo,. Một hệ thống phân phối thức ăn tự động sẽ bao gồm: + Silo chứa cám: là một bồn chứa rất lớn, có sức chứa từ 3 tấn đến 30 tấn. Silo cám được làm từ nhựa composite hoặc tôn mạ kẽm, sẽ được thiết kế để đặt bên ngoài trang trại.

Cám sẽ được bơm trực tiếp từ xe bồn vào trong Silo và được truyền đến từng máng bên trong trang trại.2 Silo cám [7] Chương 2: Cơ sở lý thuyết 5 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp • Khi lắp đặt và sử dụng Silo, cám sẽ được bơm thẳng từ xe chở cám vào trong Silo, giảm được 1 phần chi phí và diện tích xây dựng. • Chính vì cám được bơm thẳng vào trong Silo, nên cũng sẽ giảm được nhân công, nhân lực bê vác, xé bao, giảm thời gian lao động, tối ưu chi phí điều hành quản lý. • Mặt khác, cám chứa trong Silo sẽ được bảo quản tốt hơn, tươi hơn, không rơi vãi ẩm mốc, không lo chuột bọ thất thoát. Giúp thức ăn cho heo luôn tươi mới, thơm ngon.

• Khi sử dụng bồn Silo cám và hệ thống truyền cám tự động sẽ giúp tự động hóa công việc cho heo ăn, kiểm soát chính xác được lượng thức ăn tiêu thụ mỗi ngày. • Tự động hóa hệ thống cho heo ăn khi sử dụng Silo chứa cám cũng giúp phòng chống dịch bệnh một cách tốt nhất. Hạn chế người lạ, xe lạ ra vào sâu trong trại, hạn chế các bệnh lây qua chuột bọ, hạn chế tần xuất nhân viên, công nhân ra vào chuồng. + Hệ thống truyền tải cám: khi đến giờ cho ăn cám sẽ được bơm hút – thổi truyền từ Silo đến các trại, rồi lại tới các máng ăn đã được sắp xếp sẵn bên trong chuồng.3 Hệ thống truyền tải cám [7] Tùy vào quy mô trang trại và số lượng heo để chọn thiết bị phù hợp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 6 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.4 Máng ăn tự động[7] + Hệ thống cân, định lượng: khi lắp đặt Silo thì không thể thiếu hệ thống cân điện tử được lắp ở dưới các chân đỡ của Silo cám. Cân điện tử sẽ giúp chủ trại kiểm soát chính xác lượng cám còn lại, lượng cám được bơm vào và số cám ăn hết trong ngày. Quản lý thức ăn chính xác, có kế hoạch nhập cám kịp thời. + Cảm biến khối lượng: đo giá trị khối lượng tại máng ăn tự động cuối.

Khi giá trị khối lượng của máng ăn thay đổi bằng thể tích chứa của máng, động cơ hút sẽ tắt.5 Cảm biến khối lượng - Vận hành hệ thống: thức ăn được lưu trữ trong silo để đảm bảo sự cung cấp liên tục. Silo được kết nối với hệ thống cân điện tử để theo dõi lượng thức ăn cấp vào và lấy ra hàng ngày, cũng như lượng thức ăn còn lại trong silo. Thức ăn được vận chuyển vào máng ăn tự động thông qua đường ống bơm hút cám. Hệ thống này phù hợp để sử dụng với thức ăn khô dạng viên hoặc bột và thường được lắp đặt trong trại heo thịt để quản lý chế độ ăn trong cùng giai đoạn nuôi.3 Hệ thống cung cấp nước uống - Tổng quan: nước đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi chất, tuần hoàn máu và tất cả các hoạt động trong cơ thể vật nuôi.

Với mỗi trọng lương và môi trường sống, nhu cầu nước uống của heo sẽ khác nhau. Vì thế để đàn heo nuôi phát triển nhanh, khỏe mạnh, tăng hiệu quả kinh tế người chăn nuôi cần xây dựng hệ thống đảm bảo cung cấp nước cho heo hàng ngày. - Các thiết bị chính sử dụng: + Hệ thống lọc nước: giúp loại bỏ tạp chất, giảm thiểu phát sinh nguồn bệnh. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 7 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.