Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi tại Việt Nam đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng nông nghiệp thực phẩm. Theo thống kê từ Hiệp hội Thức ăn Chăn nuôi Việt Nam, tổng sản lượng thức ăn tinh công nghiệp đạt trên 20 triệu tấn mỗi năm, đòi hỏi sự nâng cấp liên tục về quy trình vận hành và kiểm soát chất lượng. Tuy nhiên, nhiều cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ vẫn duy trì quy trình bán thủ công, dẫn đến nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng: sai số định lượng mẻ trộn lớn (>3-5%), năng suất đóng bao hạn chế, thời gian chu kỳ sản xuất kéo dài lên đến 450 phút (7.5 giờ) và rủi ro nhiễm tạp chất kim loại gây hư hại máy móc.

Đồ án "Thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám" do nhóm sinh viên Khoa Điều khiển và Tự động hóa – Trường Đại học Điện lực (EPU) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Trung, tập trung giải quyết triệt để các hạn chế trên thông qua giải pháp tự động hóa tích hợp trên nền tảng PLC Siemens và TIA Portal v16.

Mục tiêu dự án

  1. Chuẩn hóa quy trình 31 công đoạn: Khép kín từ khâu khử trùng xe nhập liệu (QT-09), tiếp nhận, lưu trữ Silo, nghiền, phối trộn, ép viên, sấy/làm nguội đến đóng bao thành phẩm (15 tấn/giờ) và xuất kho theo chuẩn FIFO.
  2. Tự động hóa định lượng và phối trộn: Kiểm soát chính xác hệ thống cân định lượng đa dải (150 kg – 5.000 kg đối với nguyên liệu lớn; 50 kg – 2.000 kg đối với thuốc/premix) với sai số cho phép dưới 0.2%.
  3. Kiểm soát thông số công nghệ nhiệt – ẩm: Duy trì độ ẩm cám thành phẩm ở mức tối ưu 8–10% (từ mức ẩm nguyên liệu thô 12–18%) và giám sát nhiệt độ buồng hấp Conditioner theo tiêu chuẩn ST-FVN-007.
  4. Bảo vệ thiết bị và an toàn sinh học: Tích hợp hệ thống bẫy từ nam châm cường độ >2000 Gauss nhằm loại bỏ 100% mạt sắt, bảo vệ máy nghiền búa và khuôn ép viên Ring Die.
  5. Giám sát trực quan SCADA/HMI: Số hóa toàn bộ trạng thái cảm biến, động cơ, cảnh báo lỗi quá tải/kẹt liệu và quản lý dữ liệu vận hành thời gian thực.

Phạm vi và Giới hạn

  • Phạm vi: Thiết kế cấu trúc điều khiển, thuật toán phối trộn đa thành phần, cấu hình phần cứng PLC, thiết kế giao diện HMI và mô phỏng xác thực vận hành trên TIA Portal v16 & PLCSIM.
  • Giới hạn: Đồ án dừng lại ở mức độ mô phỏng tín hiệu I/O công nghiệp và kiểm thử giải thuật trên phần mềm; chưa triển khai lắp đặt tủ điện điều khiển trực tiếp tại nhà xưởng thực tế.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát thực tế quy trình sản xuất cám truyền thống cho thấy sự mất cân đối lớn về thời gian giữa các công đoạn: công đoạn sấy khô chiếm tới 120 phút trong tổng số 450 phút của một chu trình hoàn chỉnh, hiệu suất trung bình toàn dây chuyền chỉ đạt 88.5%.

Tiêu chí so sánh Phương pháp thủ công Dây chuyền bán tự động Hệ thống tự động hóa PLC-SCADA (Đề xuất)
Độ chính xác phối trộn Thấp (Sai số 3 - 5%) Trung bình (Sai số 1 - 2%) Rất cao (Sai số < 0.2% với Loadcell chuẩn)
Thời gian mẻ trộn (4T) 300 - 400 giây 200 - 250 giây 90 - 150 giây (FM1: 90s, FM2: 150s)
Kiểm soát tạp chất sắt Thủ công bằng mắt thường Bẫy từ đơn tầng rời rạc Nam châm tích hợp đa tầng (>2000 Gauss)
Năng suất đóng gói 3 - 5 tấn/giờ 8 - 10 tấn/giờ 15 tấn/giờ (Cân định lượng & may tự động)
Khả năng lưu vết dữ liệu Ghi chép sổ sách giấy Lưu cục bộ trên bộ hiển thị Lưu trữ cơ sở dữ liệu số trên SCADA/HMI

Phân loại yêu cầu người dùng (Mô hình MoSCoW)

  • Must Have: Tự động hóa chu trình cân định lượng; khóa liên động an toàn (Interlocking) giữa các băng tải, gầu tải và máy nghiền; tự động ngắt khi quá nhiệt hoặc kẹt dòng động cơ.
  • Should Have: Kiểm soát tỷ lệ phun chất lỏng (dầu FO, RBO, Betafin, rỉ mật Molasses, Enzyme) theo thời gian thực tương ứng với khối lượng cám bột.
  • Could Have: Tích hợp module phân tích điện năng tiêu thụ trên từng tấn sản phẩm và dự báo thời gian bảo dưỡng lưới nghiền, con lăn ép viên.
  • Won't Have: Nhận diện hình ảnh AI phân loại dị vật (sử dụng sàng rung cơ học và bẫy từ chuyên dụng để tối ưu chi phí).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám được phân tầng theo mô hình kim tự tháp tự động hóa tiêu chuẩn:

Technology Stack & Hardware Configuration

  • Bộ điều khiển lập trình: Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) kết hợp module mở rộng tín hiệu Analog SM 1231 (8 AI RTD / 4-20mA) và SM 1232 (4 AO).
  • Môi trường phát triển: Siemens TIA Portal v16 (Totally Integrated Automation).
  • Giao thức truyền thông: Industrial Ethernet (Profinet IO) kết nối PLC - HMI; Modbus RTU RS485 kết nối đầu cân kỹ thuật số và biến tần điều khiển động cơ máy nghiền, máy trộn.
  • Cảm biến trường:
    • Cảm biến nhiệt độ: RTD Pt100 tiếp xúc buồng Conditioner và cảm biến hồng ngoại đo nhiệt vỏ động cơ.
    • Cảm biến độ ẩm: Cảm biến vi sóng đo độ ẩm trực tuyến buồng sấy và bồn ủ.
    • Cảm biến tải trọng: 4 điểm Loadcell chuẩn công nghiệp kết nối bộ khuếch đại tín hiệu chuẩn 4–20mA cho bồn cân FM1/FM2.
    • Cảm biến khí & bụi: Giám sát nồng độ bụi cám và khí $CO/CO_2$ trong khu vực nhà xưởng kín nhằm phòng chống cháy nổ bụi hữu cơ.

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp tiếp cận V-Model cải tiến, kết hợp phân rã chức năng theo tiêu chuẩn lập trình PLC IEC 61131-3:

  • Đánh giá rủi ro và biện pháp xử lý:
    • Rủi ro kẹt nguyên liệu tại cửa xả Silo: Bố trí đầm rung khí nén kích hoạt tự động theo chu kỳ khi phát hiện cảm biến dòng tải của sên tải giảm đột ngột.
    • Rủi ro sinh nhiệt tại buồng ép viên: Tích hợp vòng lặp điều khiển PID ngắt cấp liệu tạm thời và kích hoạt quạt làm mát cưỡng bức khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt trong ST-FVN-007.

Implementation và kết quả

Development process

Cấu trúc chương trình trên TIA Portal v16 được phân chia thành các khối hàm chức năng độc lập (Modular Program Design):

  • OB1 (Main): Quản lý quét chu kỳ, gọi các hàm điều hành hệ thống.
  • FC101 (Input_Scaling): Chuẩn hóa tín hiệu Analog từ Loadcell và cảm biến nhiệt độ (sử dụng hàm NORM_X và SCALE_X).
  • FB201 (Mixer_Batch_Control): Quản lý chu trình trộn 3 giai đoạn của máy trộn Mixer FM1/FM2.
  • FB301 (Alarm_Safety_Interlock): Quản lý ngắt khẩn cấp, giám sát quá tải nhiệt động cơ và khóa liên động tuần tự gầu tải - sên tải.

Thuật toán điều khiển phối trộn 3 giai đoạn (SCL Code Block)

// FB201: Thuat toan dieu khien chu trinh tron 3 pha cho May tron FM1/FM2
FUNCTION_BLOCK "FB_Mixer_Control"
VAR_INPUT
    bStartBatch : Bool;          // Lenh bat dau me tron
    bEStop : Bool;               // Tin hieu dung khan cap
    rTargetWeight : Real;        // Khoi luong dat me tron (kg)
    rCurrentWeight : Real;       // Khoi luong thuc te tu Loadcell (kg)
    tDryMixTime : Time := T#30S; // Thoi gian tron kho
    tWetMixTime : Time := T#60S; // Thoi gian tron uot
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bMixerMotorRun : Bool;       // Dong co may tron chinh
    bLiquidValve : Bool;         // Van phun dau/phu gia long
    bDischargeGate : Bool;       // Cua xa me tron
    iStepStatus : Int;           // Trang thai tien trinh me
END_VAR
VAR
    iState : Int := 0;
    tonDryMix : TON;
    tonWetMix : TON;
END_VAR

BEGIN
    IF bEStop THEN
        bMixerMotorRun := FALSE;
        bLiquidValve := FALSE;
        bDischargeGate := FALSE;
        iState := 0;
        iStepStatus := -1; // Trang thai loi dung khan
        RETURN;
    END_IF;

    CASE iState OF
        0: // Trang thai cho (Idle)
            bMixerMotorRun := FALSE;
            bLiquidValve := FALSE;
            bDischargeGate := FALSE;
            iStepStatus := 0;
            IF bStartBatch AND (rCurrentWeight >= (rTargetWeight * 0.98)) THEN
                iState := 1; // Du nguyen lieu -> Chuyen sang tron kho
            END_IF;

        1: // Giai doan 1: Tron kho nguyen lieu bot
            bMixerMotorRun := TRUE;
            iStepStatus := 1;
            tonDryMix(IN := TRUE, PT := tDryMixTime);
            IF tonDryMix.Q THEN
                tonDryMix(IN := FALSE);
                iState := 2; // Hoan tat tron kho -> Chuyen sang phun chat long
            END_IF;

        2: // Giai doan 2: Phun chat long (Dau FO/RBO/Betafin/Molasses)
            bMixerMotorRun := TRUE;
            bLiquidValve := TRUE;
            iStepStatus := 2;
            // Cho nap du luong chat long (gia dinh cam bien luu luong ngat valve)
            IF NOT bLiquidValve THEN
                iState := 3;
            END_IF;
            iState := 3; // Chuyen tiep sang tron uot

        3: // Giai doan 3: Tron uot hoan thien
            bMixerMotorRun := TRUE;
            bLiquidValve := FALSE;
            iStepStatus := 3;
            tonWetMix(IN := TRUE, PT := tWetMixTime);
            IF tonWetMix.Q THEN
                tonWetMix(IN := FALSE);
                iState := 4; // Ket thuc tron -> Mo cua xa
            END_IF;

        4: // Xa lieu ve bon cho ep vien
            bDischargeGate := TRUE;
            iStepStatus := 4;
            IF rCurrentWeight <= 5.0 THEN // Bon tron da xa het
                bDischargeGate := FALSE;
                bMixerMotorRun := FALSE;
                iState := 0; // Quay ve trang thai cho
                iStepStatus := 5; // Hoan thanh me tron
            END_IF;
    END_CASE;
END_FUNCTION_BLOCK

Testing và validation

Quá trình kiểm thử được triển khai đồng bộ qua phần mềm mô phỏng PLCSIM kết hợp kịch bản kiểm thử Scenarios chi tiết:

Kết quả Benchmark và Thống kê Vận hành

Chỉ số hiệu năng (KPIs) Mục tiêu đồ án Kết quả mô phỏng đạt được Đánh giá
Độ chính xác cân định lượng Sai số < 0.5% $\pm 0.18%$ Đạt vượt mức
Thời gian trộn mẻ 4 tấn (FM1) $\le 100$ giây $90$ giây Đạt tối ưu
Thời gian trộn mẻ 4 tấn (FM2) $\le 160$ giây $150$ giây Đạt chuẩn
Độ ẩm sản phẩm sau làm nguội 8.0% - 10.0% $9.2%$ (từ đầu vào 15.5%) Đạt tiêu chuẩn ST-QC
Lực từ nam châm tách sắt $\ge 2000$ Gauss $2200$ Gauss Đảm bảo an toàn cơ khí
Năng suất đóng bao thành phẩm $\ge 12$ tấn/giờ $15$ tấn/giờ Đạt công suất thiết kế
Chỉ số hiệu suất thiết bị (OEE) $> 85%$ $91.4%$ Cải thiện vượt bậc

Đổi mới và đóng góp

Cải tiến kỹ thuật nổi bật

  1. Quy trình phối trộn 3 pha tối ưu: Tự động hóa liên hoàn chu trình Trộn khô $\rightarrow$ Phun sương phân tán chất lỏng $\rightarrow$ Trộn ướt đồng nhất, giải quyết triệt để hiện tượng vón cục phụ gia và phân tầng nguyên liệu.
  2. Hệ thống bẫy từ đa tầng >2000 Gauss kết hợp sàng rung: Loại bỏ hoàn toàn mạt kim loại và dị vật $>20\text{ mm}$ trước khi nguyên liệu đi vào máy nghiền búa HM413/HM423 và die ép viên, kéo dài tuổi thọ lưới nghiền lên gấp 2.2 lần.
  3. Mạch vòng tuần hoàn Remix/Rework thông minh qua Cyclone: Cám thừa đầu/cuối bồn, cám vỡ vụn tại máy sàng phân loại được tự động thu hồi bằng quạt hút áp âm cyclone, đưa về bồn tái chế khép kín, giảm tỷ lệ hao hụt nguyên liệu xuống dưới 0.8%.
  4. Hệ thống điều hòa hơi nhiệt Conditioner (ST-FVN-007): Kiểm soát chính xác nhiệt độ chín và độ ẩm hạt cám trước khi ép viên, tiêu diệt vi sinh vật gây hại mà không làm thoái hóa vitamin và khoáng vi lượng.
                          SO SÁNH HIỆU SUẤT VẬN HÀNH
                 Thủ công      Bán tự động      Hệ thống PLC S7-1200

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Dây chuyền cám viên gia súc, gia cầm: Điều khiển máy ép viên khuôn vòng nén chặt hỗn hợp bột đã trộn thành viên kích thước $2.5\text{ mm} - 6.0\text{ mm}$.
  • Dây chuyền cám gà ép mảnh: Ứng dụng cụm máy ép vỡ con lăn điều chỉnh khe hở sau công đoạn làm nguội, tạo hạt mảnh dễ tiêu hóa cho gà con.
  • Sản xuất cám đậm đặc (150, 150S): Tự động chuyển thẳng sản phẩm sau nghiền mịn lần 2 qua bồn chờ đóng bao mà không cần qua công đoạn ép viên, tối ưu hóa điện năng tiêu thụ.

Phân tích Hiệu quả Đầu tư & Hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí đầu tư ước tính (CapEx): 350.000.000 – 500.000.000 VNĐ (Bao gồm PLC S7-1200, Module mở rộng, biến tần, hệ thống cảm biến Loadcell, RTD, van chấp hành và thiết kế phần mềm SCADA).
  • Chi phí vận hành tiết giảm (OpEx): Giảm 65% nhân công vận hành trực tiếp tại các vị trí cân định lượng và đóng bao; tiết kiệm 18% điện năng nhờ tối ưu hóa chu trình chạy không tải của động cơ công suất lớn.
  • Thời gian hoàn vốn dự kiến (Payback Period): 14 – 18 tháng dựa trên công suất sản xuất 100 tấn/ngày.
Lộ trình triển khai 4 giai đoạn:
  (Tháng 1)                 (Tháng 2)               (Tháng 3)           (Tháng 4)

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Hệ thống mô phỏng PLCSIM v16 chưa mô phỏng được độ trễ cơ học phi tuyến tính của bột cám có độ ẩm biến thiên khi chảy qua phễu chứa.
  • Cảm biến khí và bụi chỉ dừng lại ở mức cảnh báo ngưỡng; chưa tích hợp hệ thống dập bụi tĩnh điện tự động đa điểm.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tích hợp IoT Công nghiệp (IIoT): Triển khai giao thức MQTT / OPC UA kết nối dữ liệu từ PLC lên Cloud Platform để giám sát từ xa qua Dashboard di động.
  • Bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance): Ứng dụng giải thuật Machine Learning phân tích phổ rung động của bạc đạn máy nghiền búa và máy ép viên để phát hiện hỏng hóc trước 72 giờ.
  • Tích hợp hệ thống MES/ERP: Đồng bộ hóa dữ liệu nguyên liệu theo chuẩn mã vạch Batch Tracking từ khâu tiếp nhận kho đến xuất bán đơn hàng.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp thực tế, cấu trúc code SCL theo chuẩn IEC 61131-3 và kinh nghiệm chuẩn hóa tín hiệu cảm biến.
  • Kỹ sư vận hành nhà máy thức ăn chăn nuôi: Nắm bắt giải pháp phân rã 31 công đoạn sản xuất, quy trình khóa liên động an toàn và bảng bảo trì định kỳ thiết bị.
  • Chủ doanh nghiệp chế biến TĂCN: Sở hữu phương án khả thi để nâng cấp tự động hóa nhà xưởng, giảm tỷ lệ hao hụt nguyên liệu dưới 1%, gia tăng biên lợi nhuận và chuẩn hóa chất lượng cám xuất xưởng.
  • Nhà nghiên cứu ứng dụng: Cung cấp dữ liệu đo lường thực tế về chu trình nhiệt - ẩm và hiệu quả phân loại tạp chất từ tính trong dây chuyền chế biến nông sản.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn cấp điện công nghiệp 3 pha 380V $\pm 10%$, tần số 50Hz; hệ thống khí nén áp suất 6 – 8 bar cho các van xả xylanh; tủ điều khiển chứa PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C trở lên), switch mạng Profinet công nghiệp, bộ nguồn 24VDC 10A ổn định và hệ thống tiếp địa cách ly chống nhiễu $< 4\ \Omega$.

2. Hệ thống có khả năng mở rộng thêm các trạm phối trộn mới không?

Nhờ cấu trúc mạng Profinet và thiết kế phần mềm dạng khối hàm (FB), hệ thống dễ dàng mở rộng thêm trạm Remote I/O (như ET 200SP) và bổ sung các bồn cân phụ gia dinh dưỡng mà không cần cấu trúc lại toàn bộ chương trình lõi.

3. Làm thế nào để đảm bảo hệ thống không bị nhiễm chéo giữa các công thức cám khác nhau?

Quy trình được tích hợp chu kỳ xả sạch tự động (Purge Cycle) bằng khí nén kết hợp chạy không tải máy trộn trong 15 giây sau mỗi mẻ, đồng thời khóa liên động van xả ngăn không cho nạp mẻ cám mới khi bồn xả chưa báo rỗng (trọng lượng $< 5\text{ kg}$).

4. Chi phí bảo trì định kỳ hệ thống hàng năm ước tính khoảng bao nhiêu?

Chi phí bảo trì ước tính chiếm khoảng 3 – 5% tổng mức đầu tư hệ thống mỗi năm, chủ yếu dành cho công tác hiệu chuẩn Loadcell định kỳ 6 tháng/lần, thay thế búa nghiền và kiểm tra bôi trơn bạc đạn con lăn máy ép viên.

5. Dây chuyền xử lý như thế nào khi xảy ra sự cố dừng khẩn cấp (E-Stop)?

Khi nút E-Stop được kích hoạt, hệ thống lập tức ngắt toàn bộ van cấp liệu, dừng động cơ máy trộn và máy nghiền, đồng thời lưu lại trạng thái bước hiện tại vào khối dữ liệu nhớ tĩnh (Retentive Data Block DB). Khi khởi động lại, người vận hành có thể chọn tiếp tục mẻ trộn dang dở hoặc kích hoạt chu trình xả lỗi ra bồn Rework.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám" của nhóm sinh viên Trường Đại học Điện lực đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn đề ra. Bằng việc số hóa và tự động hóa toàn diện 31 công đoạn sản xuất trên nền tảng Siemens S7-1200 và TIA Portal v16, đồ án đã chứng minh khả năng nâng cao hiệu suất tổng thể dây chuyền lên trên 91%, giảm thời gian mẻ trộn xuống chỉ còn 90–150 giây và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho thiết bị cơ khí. Đây là tài liệu nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, đóng góp thiết thực vào công cuộc hiện đại hóa ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi tại Việt Nam. Quý độc giả, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm có thể tiếp tục mở rộng mô hình này sang các ứng dụng chế biến nông sản và thực phẩm công nghiệp quy mô lớn.