Đồ án thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám

Đồ án nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động hóa thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Xuân Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Trung
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Tự Động Hóa Dây Chuyền Sản Xuất Cám
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÁM
• 1.1. Giới thiệu về dây chuyền sản xuất cám
• 1.2. Cấu tạo của dây chuyền
• 1.3. Lợi ích của dây chuyền sản xuất cám
• 1.4. Phân tích dây chuyền sản xuất
• 1.5. Nghiên cứu quy trình hiện tại
• 1.6. Đánh giá thời gian và hiệu suất
• 2. CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
• 2.1. Cảm biến nhiệt độ
• 2.2. Cảm biến độ ẩm
• 2.3. Cảm biến trọng lượng
• 2.4. Cảm biến áp suất
• 2.5. Cảm biến chất lượng không khí
• 2.6. Bộ điều khiển
• 2.7. Thiết bị điều khiển chính
• 2.8. Thiết bị tự động
• 2.9. Máy đóng gói tự động
• 2.10. Tích hợp hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÁM
• 3.1. Mô tả quy trình sản xuất
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• 4.1. Kiểm thử và điều chỉnh
• 4.2. Kiểm tra hệ thống dây chuyền sản xuất cám
• 4.3. Điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất dây chuyền sản xuất cám
• 4.4. Đánh giá và bảo trì dây chuyền sản xuất
• 4.5. Đánh giá hiệu suất của dây chuyền sản xuất cám
• 4.6. Đánh giá và bảo trì dây chuyền
• 4.7. Mô phỏng hệ thống
• 4.8. Mô phỏng hệ thống trên TIA PORTAL v16
• 4.9. Code điều khiển
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám

Hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Với sự phát triển của công nghệ, việc áp dụng công nghệ tự động hóa vào quy trình sản xuất cám không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Hệ thống này bao gồm nhiều thiết bị hiện đại, từ máy nghiền, máy trộn đến máy ép viên và máy sấy, tất cả đều được tích hợp để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Vai trò của hệ thống tự động hóa trong sản xuất cám

Hệ thống tự động hóa giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu suất sản xuất. Việc sử dụng robot trong sản xuất cám cũng giúp tăng cường khả năng kiểm soát chất lượng sản phẩm.

1.2. Lợi ích của việc áp dụng công nghệ tự động hóa

Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ giúp tăng năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều. Hệ thống này còn giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.

II. Thách thức trong quy trình sản xuất cám truyền thống

Quy trình sản xuất cám truyền thống thường gặp nhiều thách thức như năng suất thấp, chất lượng không đồng đều và chi phí sản xuất cao. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất mà còn gây khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu thị trường. Việc tìm kiếm giải pháp để khắc phục những thách thức này là rất cần thiết.

2.1. Năng suất thấp và chất lượng không đồng đều

Năng suất thấp trong sản xuất cám thường do quy trình thủ công và thiếu sự đồng bộ giữa các thiết bị. Điều này dẫn đến chất lượng sản phẩm không ổn định, ảnh hưởng đến sự hài lòng của khách hàng.

2.2. Chi phí sản xuất cao

Chi phí sản xuất cao là một trong những thách thức lớn nhất mà các doanh nghiệp sản xuất cám phải đối mặt. Việc sử dụng công nghệ tự động hóa có thể giúp giảm thiểu chi phí này thông qua việc tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu lãng phí.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám

Thiết kế hệ thống tự động hóa cho dây chuyền sản xuất cám bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc xác định các thành phần cần thiết đến việc lựa chọn công nghệ phù hợp. Các thiết bị như cảm biến, bộ điều khiển và máy móc tự động đều cần được tích hợp một cách hợp lý để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

3.1. Xác định các thành phần của hệ thống

Các thành phần chính của hệ thống bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, trọng lượng và áp suất. Những cảm biến này giúp theo dõi và điều chỉnh quy trình sản xuất một cách chính xác.

3.2. Lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp

Việc lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Các thiết bị như máy nghiền, máy trộn và máy ép viên cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu sản xuất cụ thể.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống tự động hóa trong sản xuất cám

Hệ thống tự động hóa đã được áp dụng thành công trong nhiều nhà máy sản xuất cám, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các doanh nghiệp đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt trong quy trình sản xuất, từ khâu nhập liệu đến đóng gói.

4.1. Kết quả nghiên cứu và phân tích dữ liệu

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng hệ thống tự động hóa giúp tăng năng suất lên đến 30% và giảm chi phí sản xuất khoảng 20%. Điều này chứng tỏ tính khả thi của giải pháp tự động hóa trong ngành sản xuất cám.

4.2. Các mô hình hệ thống dây chuyền sản xuất cám

Các mô hình hệ thống dây chuyền sản xuất cám hiện đại thường tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến, từ cảm biến đến phần mềm quản lý, giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống tự động hóa trong sản xuất cám

Tương lai của hệ thống tự động hóa trong sản xuất cám rất hứa hẹn với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Việc áp dụng các giải pháp tự động hóa sẽ tiếp tục giúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Các doanh nghiệp cần tiếp tục đầu tư vào công nghệ để duy trì vị thế cạnh tranh trên thị trường.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ tự động hóa

Xu hướng phát triển công nghệ tự động hóa trong sản xuất cám đang ngày càng gia tăng, với việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT) để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Tầm quan trọng của việc đầu tư vào công nghệ

Đầu tư vào công nghệ tự động hóa không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm, từ đó tạo ra giá trị bền vững cho doanh nghiệp trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành nông nghiệp và chăn nuôi hiện đại, cám và thức ăn chăn nuôi đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp dinh dưỡng cho gia súc, gia cầm và thủy sản. Nhu cầu thị trường đối với các sản phẩm thức ăn chăn nuôi chất lượng cao ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, quy trình sản xuất cám theo phương thức truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế như năng suất thấp, chất lượng thành phẩm không đồng đều và chi phí sản xuất cao do phụ thuộc nhiều vào thao tác thủ công. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào dây chuyền sản xuất cám là giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp của con người, tối ưu hóa các công đoạn từ khâu tiếp nhận nguyên liệu, xử lý, chế biến đến đóng gói và bảo quản.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Xuân Lâm, Nguyễn Văn Minh và Nguyễn Minh Hoàng dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Duy Trung tại Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực (khóa học 2021–2026).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về quy trình công nghệ và cấu tạo của dây chuyền sản xuất cám công nghiệp.
2. Xác định, tính toán và lựa chọn các thành phần phần cứng trong hệ thống bao gồm các cụm cảm biến đo lường, cơ cấu chấp hành và thiết bị điều khiển khả trình PLC.
3. Xây dựng mô hình hóa quy trình sản xuất cám chi tiết theo từng bước công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật.
4. Phân tích dữ liệu vận hành, xây dựng kịch bản kiểm thử, tối ưu hóa thông số, lập kế hoạch bảo trì và lập trình mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm chuyên dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ sản xuất cám chăn nuôi, hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, trọng lượng, áp suất, chất lượng không khí), thiết bị chấp hành (máy nghiền, máy trộn, máy ép viên, máy sấy, máy ép mảnh, hệ thống đóng bao) và bộ điều khiển khả trình PLC kết hợp giao diện HMI.
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế cấu trúc kỹ thuật và giải thuật điều khiển tự động hóa cho dây chuyền sản xuất cám; mô phỏng hoạt động điều khiển trên nền tảng Siemens TIA Portal v16 theo dữ liệu quy trình thực tế tại thời điểm hoàn thành đồ án (tháng 11 năm 2024).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ

Đề tài dựa trên cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất công nghiệp, kỹ thuật đo lường cảm biến và công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi. Các cấu phần công nghệ và hệ thống quy chuẩn được tác giả viện dẫn bao gồm:

• Cấu trúc điều khiển tự động hóa: Sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò xử lý trung tâm, kết nối các kênh tín hiệu vào/ra (Digital I/O, Analog I/O) với các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành; giao diện người - máy HMI (Human-Machine Interface) phục vụ giám sát và cài đặt thông số vận hành.
• Nguyên lý công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi: Các nguyên lý nghiền (nghiền búa, nghiền trục, nghiền đĩa, siêu mịn), nguyên lý trộn cơ học (trục ngang, trục đứng, ribbon, không trọng lực), nguyên lý nén ép viên và tạo mảnh, nguyên lý sấy đối lưu/bức xạ hạ độ ẩm và kỹ thuật định lượng tự động.
• Hệ thống quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật tác giả áp dụng:
  • Quy trình kiểm soát vào/ra và vệ sinh: QT-09 (kiểm soát người và phương tiện), QT-NL 01 (nhận và bảo quản nguyên liệu), QT-SX02 (vệ sinh máy móc thiết bị), HDATVSTP YT01 (hướng dẫn vệ sinh cá nhân).
  • Quy trình kiểm soát chất lượng: QT QC-01 (kiểm tra và tiếp nhận nguyên liệu), ST-QC-012 (kiểm tra độ hấp chín hạt), ST-FVN-010 (quy định lưu kho silo), ST-FVN-007 (tiêu chuẩn nhiệt độ máy ép viên).
  • Quy trình vận hành thiết bị: QT SX-01 / HD-SX-03 (vận hành máy trộn), HD-SX-04 (vận hành máy ép viên), HD-SX-05 (vận hành đóng bao packing).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

• Phương pháp phân tích - tổng hợp quy trình: Khảo sát và phân rã quy trình công nghệ chế biến cám thành các bước chi tiết; đo lường, tính toán thời gian thực hiện và hiệu suất từng công đoạn để xác định điểm nghẽn kỹ thuật.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Lựa chọn chủng loại thiết bị, thông số kỹ thuật của cảm biến, cơ cấu chấp hành và cấu hình phần cứng PLC/HMI đáp ứng yêu cầu công nghệ.
• Phương pháp mô phỏng và kiểm thử: Xây dựng chương trình điều khiển và chạy mô phỏng hoạt động của dây chuyền trên phần mềm TIA Portal v16.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án xuất phát từ các quy trình vận hành tiêu chuẩn (SOP), bảng thông số kỹ thuật của thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi công nghiệp và số liệu đo thời gian - hiệu suất các bước sản xuất cám.

---

Thiết kế và cấu trúc hệ thống kỹ thuật

Hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám được thiết kế bao gồm ba phân hệ chính: hệ thống cảm biến thu thập tín hiệu, bộ điều khiển trung tâm và hệ thống cơ cấu chấp hành.

1. Phân hệ cảm biến và đo lường

Hệ thống sử dụng 5 nhóm cảm biến chuyên dụng nhằm kiểm soát toàn diện các biến số trạng thái trong dây chuyền:

• Cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến tiếp xúc (Thermocouple, RTD) tại buồng sấy, buồng ép, máy trộn và cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc tại các bề mặt động cơ, trục quay nhằm phát hiện quá nhiệt và kiểm soát nhiệt độ chế biến.
• Cảm biến độ ẩm: Đo lường độ ẩm của nguyên liệu thô đầu vào và giám sát độ ẩm thành phẩm sau máy sấy (đưa độ ẩm từ 12–18% về mức tiêu chuẩn 8–10%, duy trì dưới 12% để tránh nấm mốc).
• Cảm biến trọng lượng (Loadcell): Lắp đặt tại hệ thống cân định lượng nguyên liệu thô, cân vi lượng phụ gia/thuốc và phễu cân của máy đóng bao tự động.
• Cảm biến áp suất: Theo dõi áp lực buồng nén ép viên và áp suất luồng khí trong buồng sấy.
• Cảm biến chất lượng không khí: Giám sát nồng độ bụi công nghiệp và cảnh báo các khí độc hại (CO, CO₂, NOx) phát sinh trong nhà xưởng và buồng đốt nhiệt.

2. Phân hệ điều khiển trung tâm và giám sát (PLC & HMI)

• Bộ điều khiển PLC: Thực hiện thu thập tín hiệu Analog/Digital từ cảm biến, xử lý thuật toán logic tuần tự, điều khiển đóng/ngắt các động cơ, van khí nén, biến tần băng tải và đưa ra cảnh báo lỗi.
• Màn hình HMI: Đóng vai trò giao diện vận hành trực quan, hiển thị thông số thời gian thực (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, trạng thái bồn chứa), cho phép cài đặt công thức phối trộn và hiển thị lịch sử cảnh báo sự cố.

3. Phân hệ cơ cấu chấp hành và thiết bị công nghệ

• Hệ thống vận chuyển: Băng tải dây đai (chuyển nguyên liệu rời), băng tải xích (nguyên liệu tải trọng lớn) và hệ thống gầu tải, sên tải trung chuyển giữa các bồn chứa.
• Hệ thống thiết bị chế biến chính: Máy nghiền (nghiền búa, nghiền trục, máy nghiền tinh HM413, HM423), máy trộn (công suất 4 tấn/mẻ), máy ép viên kết hợp bộ điều hòa nhiệt ẩm (Conditioner), máy ép mảnh vỡ (dành cho cám gà), hệ thống máy sấy (dạng tầng/trống quay) và máy đóng bao tự động công suất 15 tấn/giờ.
• Hệ thống bồn chứa và bảo quản: Silo nguyên liệu lớn (Corn, SBM, TAP-C), bồn Sofstock (Canola, Wheat bran, TAP-BP, RBF, RBS), bồn trước nghiền FM1/FM2 (sức chứa 30 tấn/bồn), bồn sau nghiền và kho lạnh bảo quản Premix/vitamin/kháng sinh ở nhiệt độ dưới 23°C.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về dây chuyền sản xuất cám

Chương này giới thiệu tổng quan vai trò của ngành chế biến thức ăn chăn nuôi và phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý vận hành của các thiết bị cơ bản trong dây chuyền: máy nghiền, máy trộn, máy ép viên, máy sấy, hệ thống đóng gói, bồn chứa, nam châm tách kim loại, kho lạnh bảo quản và máy ép mảnh.

Tác giả tiến hành khảo sát và đánh giá thực nghiệm thời gian cùng hiệu suất tại các công đoạn chính trong quy trình sản xuất hiện hữu:

STT	Công đoạn sản xuất	Thời gian thực hiện (Phút)	Hiệu suất công đoạn (%)
1	Tiếp nhận và kiểm tra nguyên liệu	30	95%
2	Xử lý nguyên liệu	45	90%
3	Ép và tạo hình	50	90%
4	Sấy khô nguyên liệu	120	85%
5	Kiểm tra chất lượng cuối	20	95%
6	Lưu trữ và phân phối	30	90%

Đánh giá tổng quan từ số liệu khảo sát:

• Tổng thời gian cho toàn bộ chu trình sản xuất đạt 450 phút (tương đương 7,5 giờ).
• Hiệu suất vận hành trung bình của toàn dây chuyền đạt 88,5%.
• Công đoạn sấy khô chiếm thời gian lớn nhất (120 phút), là điểm nghẽn chính cần được tập trung cải tiến và tự động hóa điều khiển nhiệt ẩm nhằm nâng cao năng suất tổng thể.

Chương 2: Xác định các thành phần của hệ thống

Chương 2 đi sâu vào việc xác định các thành phần phần cứng và kiến trúc kỹ thuật của hệ thống tự động hóa:

• Phân tích chức năng, nguyên lý hoạt động, phân loại và vị trí lắp đặt của 5 nhóm cảm biến đo lường: nhiệt độ (tiếp xúc, không tiếp xúc, tích hợp), độ ẩm, trọng lượng, áp suất và chất lượng không khí.
• Trình bày kiến trúc bộ điều khiển logic khả trình PLC: phân tích chức năng của CPU, khối nhớ (Memory), các cổng vào/ra số (Digital I/O), vào/ra tương tự (Analog I/O) và màn hình HMI.
• Mô tả các thiết bị tự động chấp hành: phân loại băng tải dây đai/băng tải xích, máy trộn trục ngang/trục đứng, máy ép viên loại trục/dạng đùn và máy đóng gói tự động tích hợp cân định lượng và in tem nhãn.

Chương 3: Mô hình hệ thống dây chuyền sản xuất cám

Chương 3 mô tả toàn diện quy trình công nghệ sản xuất cám khép kín bao gồm 31 công đoạn chi tiết, gắn liền với các yêu cầu kỹ thuật và quy trình kiểm soát chất lượng chuẩn:

1. Khử trùng phương tiện: Phun trùng toàn bộ xe ra vào nhà máy theo quy trình QT-09.
2. Kiểm tra nguyên liệu nhập: Nhân viên QC lấy mẫu phân tích 2 lần theo quy trình QT QC-01.
3. Nhập nguyên liệu: Phân loại nhập hạt rời (qua sàng, nam châm vào Silo/Sofstock/Bồn G), hàng bao (xếp pallet vào kho) và chất lỏng (bơm vào tank qua bộ lọc).
4. Cửa đổ nguyên liệu: Lưới sàng rác kích thước 2 inch × 2 inch.
5. Sàng nguyên liệu: Lưới sàng 1 inch, loại bỏ tạp chất và nguyên liệu vón cục > 20 mm.
6. Tách kim loại sơ cấp: Sử dụng nam châm lực từ > 2000 Gauss.
7. Lưu trữ bồn chứa: Phân chia Silo chứa Corn, SBM, TAP-C; Sofstock chứa Canola, Wheat bran, TAP-BP, RBF, RBS theo quy trình QT-NL 01.
8. Lưu trữ và bảo quản kho: Kê pallet cao tối thiểu 15 cm, cách tường 50 cm, khoảng cách giữa các cây hàng 40 cm; kho lạnh bảo quản vitamin/premix/kháng sinh ở nhiệt độ tối đa < 23°C theo quy định ST-FVN-010, QT-SX02 và HDATVSTP YT01.
9. Bồn trước nghiền và hấp: Cụm FM1 gồm bồn A1–A4 và bồn 1–6 (sức chứa 30 tấn); cụm FM2 gồm bồn B1–B7.
10. Hấp chín: Ngô nghiền mịn qua lưới 2,5 mm, đậu hạt qua lưới 1 mm; xử lý qua hệ thống hấp tạo sản phẩm Pop Corn và FFS theo tiêu chuẩn ST-QC-012.
11. Nghiền sơ cấp: Sử dụng lưới nghiền 2×2, 3×3, 2.5, 3.5×20×4, 3.5×20 mm.
12. Bồn sau nghiền và trước trộn: Cụm FM1 gồm bồn B11–B37 và A11–A19 (sức chứa 30 tấn); cụm FM2 gồm bồn 008–045 (sức chứa 30 tấn).
13. Cân và trộn thuốc vi lượng: Cân định lượng dải 50 kg – 2000 kg; máy trộn thuốc dung tích 500 kg với thời gian trộn 50 giây/mẻ.
14. Tái sử dụng cám Remix/Rework: Cám lỗi đầu bồn/cuối bồn chuyển qua cyclone gió về bồn 20 (cám gà) và bồn 22 (cám lợn); cám quét hót, bao rách được lọc sàng, khử từ và nghiền lại.
15. Cân nguyên liệu lớn và khoáng: Hệ thống cân định lượng dải 150 kg – 5000 kg.
16. Phối trộn chính: Trải qua 3 giai đoạn (trộn khô, trộn phun chất lỏng FO/RBO/Presever/Betafin, trộn ướt). Máy trộn FM1 (công suất 4 tấn/mẻ, Mixer 1 trộn 90 giây), máy trộn FM2 (công suất 4 tấn/mẻ, Mixer 2 trộn 150 giây) vận hành theo QT SX-01 / HD-SX-03.
17. Phun mật (Molases): Phun sương và đảo đều mật rỉ đường vào hỗn hợp cám.
18. Sàng phân loại sau trộn: Sàng trống tách tạp chất lớn.
19. Khử từ sau trộn: Đi qua hệ thống nam châm tách mạt sắt.
20. Bồn chứa sau trộn: Trung chuyển cám chuẩn bị cho công đoạn ép viên hoặc nghiền lại.
21. Nghiền lần 2: Áp dụng cho các dòng cám mã hiệu 150, 150S, 550S, 551, 552S qua máy nghiền tinh HM413, HM423. Cám đậm đặc 150, 150S sau nghiền đưa thẳng về bồn chờ đóng bao; các mã 550S, 551, 552S chuyển tiếp sang ép viên.
22. Điều hòa nhiệt ẩm (Conditioner): Cấp nhiệt và hơi ẩm làm chín cám và diệt vi sinh vật theo tiêu chuẩn ST-FVN-007.
23. Tách kim loại trước ép: Khử từ bảo vệ khuôn die ép viên.
24. Ép viên: Kiểm soát nhiệt độ và công suất ép theo hướng dẫn HD-SX-04 và ST-FVN-007.
25. Làm nguội cám viên: Quạt hút hạ nhiệt độ và độ ẩm viên cám về mức an toàn.
26. Ép mảnh: Máy ép vỡ viên cám thành dạng mảnh cho cám gà theo HD-SX-04.
27. Sàng phân loại kích thước: Tách các mảnh cám vụn và viên quá cỡ thu hồi về bồn tái ép.
28. Phun Enzyme: Phun sương enzyme lỏng lên bề mặt cám theo đúng tỷ lệ công thức.
29. Sàng tách bụi packing: Loại bỏ vụn bụi cám trước khi nạp vào phễu đóng bao.
30. Đóng bao tự động: Máy đóng bao công suất 15 tấn/giờ, định lượng theo quy cách bao bì, may đường chỉ và in phun thông tin lot/ca/ngày sản xuất theo HD-SX-05.
31. Kho thành phẩm và xuất hàng: Lưu kho trên pallet phân khu riêng biệt, xuất hàng theo nguyên tắc nhập trước - xuất trước (FIFO).

Chương 4: Phân tích dữ liệu và mô phỏng hệ thống

Chương này tập trung vào công tác kiểm thử, tối ưu hóa thông số vận hành, xây dựng kế hoạch bảo trì thiết bị và thiết lập chương trình mô phỏng điều khiển:

• Quy trình kiểm thử và hiệu chỉnh: Đánh giá và tinh chỉnh tốc độ dao máy nghiền, tỷ lệ phối trộn, áp lực khuôn ép viên, nhiệt độ - lưu lượng quạt sấy và độ chính xác của cân định lượng máy đóng bao.
• Đánh giá hiệu suất tổng thể: Đề xuất chu kỳ đánh giá hiệu suất thiết bị (OEE), mức tiêu thụ năng lượng trên đơn vị sản phẩm và chi phí sản xuất theo chu kỳ 3–6 tháng.
• Lịch bảo trì thiết bị định kỳ:

Thiết bị	Tần suất bảo trì	Nội dung công việc bảo trì
Máy nghiền	Hàng tháng	Kiểm tra lưỡi dao nghiền, vệ sinh buồng nghiền, bôi trơn ổ trục
Máy trộn	Hàng tháng	Kiểm tra động cơ truyền động, làm sạch cánh trộn, thay linh kiện hỏng
Máy ép viên	3 tháng / lần	Kiểm tra áp lực ép, thay thế bộ lọc, bôi trơn cụm con lăn và khuôn ép
Băng tải	6 tháng / lần	Kiểm tra độ chùng dây băng, bôi trơn hệ thống ổ trục và con lăn
Hệ thống bôi trơn	Hàng tháng	Kiểm tra mức dầu bôi trơn, thay thế dầu định kỳ
Thiết bị kiểm soát	6 tháng / lần	Kiểm tra độ chính xác cảm biến, hiệu chỉnh sai số đo lường

• Mô phỏng hệ thống: Lập trình logic điều khiển toàn bộ dây chuyền và chạy mô phỏng giao diện vận hành trên phần mềm Siemens TIA Portal v16.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chuẩn hóa thành công lưu trình công nghệ sản xuất cám khép kín gồm 31 bước từ tiếp nhận nguyên liệu đến xuất hàng FIFO, tích hợp đồng bộ với hệ thống quy trình kiểm soát chất lượng (QT, ST, HD).
• Xác định đầy đủ cấu hình phần cứng điều khiển và đo lường gồm 5 nhóm cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, trọng lượng, áp suất, chất lượng không khí), bộ điều khiển PLC, màn hình HMI và các cơ cấu chấp hành chuyên dụng.
• Đưa ra các thông số vận hành định lượng: công suất máy trộn 4 tấn/mẻ (thời gian trộn 90–150 giây), máy trộn thuốc 500 kg (thời gian 50 giây), năng suất đóng bao 15 tấn/giờ, lực từ nam châm > 2000 Gauss, nhiệt độ kho lạnh < 23°C.
• Xây dựng bảng kế hoạch bảo trì phòng ngừa định kỳ từ 1 tháng đến 6 tháng cho toàn bộ các cụm máy móc chính trong dây chuyền.
• Xây dựng chương trình điều khiển và mô phỏng hoạt động của hệ thống trên phần mềm Siemens TIA Portal v16.

Giải pháp và kiến nghị

• Kiến nghị ưu tiên giải pháp tự động hóa kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng khí nóng tại công đoạn sấy nhằm rút ngắn thời gian sấy (hiện chiếm 120 phút trong tổng chu trình 450 phút).
• Tích hợp vòng điều khiển phản hồi kín giữa cảm biến trọng lượng và biến tần cấp liệu nhằm nâng cao độ chính xác tỷ lệ phối trộn và định lượng bao thành phẩm.

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã hệ thống hóa và chuyển đổi một quy trình công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi phức tạp thành một mô hình tự động hóa có cấu trúc rõ ràng, tích hợp đầy đủ giữa tiêu chuẩn thao tác thực tế và giải thuật lập trình PLC/HMI trên phần mềm công nghiệp TIA Portal v16.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Đề tài dừng lại ở phạm vi thiết kế kỹ thuật, lập trình thuật toán điều khiển và chạy mô phỏng chức năng trên phần mềm TIA Portal v16; chưa có điều kiện thi công lắp đặt mô hình phần cứng thực nghiệm thực tế và chưa kiểm chứng số liệu chạy thử tải công nghiệp dài hạn tại nhà máy.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tác giả đề xuất định hướng tích hợp hệ thống điều khiển PLC của dây chuyền với hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu diện rộng SCADA và kết nối phần mềm quản trị doanh nghiệp ERP nhằm phục vụ công tác điều hành sản xuất tự động, theo dõi năng suất và dự báo bảo trì thiết bị theo thời gian thực.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này là nguồn tư liệu hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật công nghiệp: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình điều khiển dây chuyền sản xuất thực tế, cấu hình PLC/HMI và lập trình mô phỏng trên TIA Portal v16.
• Kỹ sư vận hành và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy chế biến thức ăn chăn nuôi: Tham khảo cấu trúc 31 bước công nghệ, thông số kỹ thuật thiết bị (thời gian trộn, áp lực ép, công suất đóng bao) và bảng danh mục bảo trì định kỳ cho các thiết bị máy nghiền, máy trộn, máy ép viên.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Dựa trên số liệu khảo sát ở Chương 1, công đoạn nào chiếm nhiều thời gian nhất và tổng thời gian chu trình sản xuất là bao nhiêu?

Công đoạn sấy khô nguyên liệu chiếm nhiều thời gian nhất với 120 phút. Tổng thời gian thực hiện toàn bộ quy trình sản xuất được ghi nhận là 450 phút (khoảng 7,5 giờ) với hiệu suất vận hành trung bình đạt 88,5%.

2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với nam châm tách sắt và lưới sàng cửa đổ nguyên liệu được quy định cụ thể như thế nào trong Chương 3?

Nam châm tách kim loại phải đạt tiêu chuẩn lực từ lớn hơn 2000 Gauss (> 2000 Gauss). Lưới sàng rác tại cửa đổ nguyên liệu có kích thước 2 inch × 2 inch, và lưới máy sàng nguyên liệu sơ cấp có kích thước 1 inch nhằm loại bỏ tạp chất và nguyên liệu vón cục lớn hơn 20 mm (> 20 mm).

3. Thông số kỹ thuật về công suất và thời gian trộn của các máy trộn trong hệ thống được thiết kế ra sao?

• Máy trộn vi lượng thuốc/premix: công suất mẻ 500 kg, thời gian trộn là 50 giây/mẻ.
• Máy trộn chính FM1: công suất 4 tấn/mẻ, thời gian trộn của Mixer 1 là 90 giây.
• Máy trộn chính FM2: công suất 4 tấn/mẻ, thời gian trộn của Mixer 2 là 150 giây.

4. Kế hoạch bảo trì định kỳ cho máy ép viên và băng tải trong Chương 4 được thiết lập với tần suất và nội dung gì?

• Máy ép viên: Bảo trì định kỳ 3 tháng/lần với các công việc kiểm tra áp lực, thay thế bộ lọc và bôi trơn cơ cấu ép.
• Băng tải: Bảo trì định kỳ 6 tháng/lần với các công việc kiểm tra tình trạng dây băng tải và bôi trơn hệ thống ổ trục.

5. Hệ thống sử dụng phần mềm công nghiệp nào để lập trình và mô phỏng điều khiển dây chuyền?

Hệ thống sử dụng phần mềm Siemens TIA Portal phiên bản v16 (TIA Portal v16) để lập trình mã điều khiển và thực hiện mô phỏng hoạt động của dây chuyền sản xuất cám.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cám" đã hoàn thành việc nghiên cứu, mô hình hóa toàn diện 31 công đoạn sản xuất thức ăn chăn nuôi công nghiệp gắn liền với các tiêu chuẩn vận hành kỹ thuật nghiêm ngặt. Nhóm tác giả đã lựa chọn cấu hình hệ thống phần cứng điều khiển PLC, màn hình HMI, 5 nhóm cảm biến đo lường và các cơ cấu chấp hành chuyên dụng. Toàn bộ chương trình điều khiển và giám sát được xây dựng, mô phỏng thành công trên phần mềm Siemens TIA Portal v16, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho công tác tự động hóa quy trình chế biến nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÁM 4 1. Giới thiệu về dây chuyền sản xuất cám Dây chuyền sản xuất cám đóng vai trò quan trọng trong ngành chế biến thức ăn gia súc, góp phần nâng cao hiệu quả chăn nuôi và đảm bảo nguồn cung cấp thực phẩm an toàn. Dây chuyền này được thiết kế hiện đại, tích hợp nhiều công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các thiết bị, máy móc được tổ chức và phối hợp nhằm chế biến nguyên liệu đầu vào như ngũ cốc, bột cá, đậu tương, các loại phụ gia dinh dưỡng… thành sản phẩm thức ăn chăn nuôi dạng cám hoàn chỉnh.

Đây là một phần không thể thiếu trong ngành chăn nuôi hiện đại, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm chăn nuôi. Cấu tạo của dây chuyền Dây chuyền sản xuất cám thường bao gồm các thiết bị chính như máy nghiền, máy trộn, máy ép viên, máy sấy và hệ thống đóng gói. Mỗi thiết bị trong dây chuyền đều có chức năng riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu cuối cùng là tạo ra sản phẩm cám chất lượng cao. Máy nghiền: Đây là bước khởi đầu trong quy trình sản xuất.

Nguyên liệu thô như ngô, đậu, và các phụ phẩm nông nghiệp sẽ được nghiền thành bột mịn, giúp quá trình trộn sau này diễn ra đồng đều hơn. +Vai trò của máy nghiền trong dây chuyền sản xuất cám Giảm kích thước nguyên liệu: Máy nghiền giúp nghiền nhỏ các nguyên liệu thô, tạo điều kiện cho việc trộn đều và ép viên cám. Tăng khả năng tiêu hóa: Cám có kích thước mịn hơn giúp vật nuôi dễ tiêu hóa và hấp thụ chất dinh dưỡng hiệu quả hơn. Tối ưu hóa quy trình sản xuất: Đảm bảo nguyên liệu được chế biến đồng đều, giúp tăng chất lượng sản phẩm đầu ra.

Giảm hao hụt nguyên liệu: Ngăn ngừa thất thoát do nguyên liệu không đạt tiêu chuẩn trong các công đoạn tiếp theo. Các loại máy nghiền phổ biến trong sản xuất cám Máy nghiền búa: Dùng búa quay tốc độ cao đập vỡ nguyên liệu. -Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, dễ vận hành. Nghiền được đa dạng nguyên liệu: ngũ cốc, xương cá, đậu tương… Hiệu suất cao, chi phí đầu tư thấp.

-Nhược điểm: Độ mịn không đồng đều, cần sàng lọc bổ sung. Máy nghiền trục lăn: Sử dụng các trục lăn ép và nghiền nguyên liệu. -Ưu điểm: Độ mịn cao và đồng đều. Thích hợp cho nguyên liệu có độ ẩm thấp.

-Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao hơn máy nghiền búa. Đòi hỏi bảo trì thường xuyên. Máy nghiền đĩa: Hai đĩa quay ép nguyên liệu thành bột mịn. - Ưu điểm: Độ mịn cao, thích hợp cho sản phẩm chất lượng cao.

- Nhược điểm: Công suất nhỏ, phù hợp cho quy mô sản xuất nhỏ. 5 Máy nghiền siêu mịn: Sử dụng lực cắt và va đập tốc độ cao để tạo ra bột siêu mịn. -Ưu điểm: Độ mịn cực cao, phù hợp cho thức ăn đặc biệt (ví dụ: thức ăn thủy sản). -Nhược điểm: Tiêu thụ năng lượng lớn, giá thành cao.

+ Ưu điểm của máy nghiền trong dây chuyền sản xuất cám Hiệu suất cao: Công suất lớn, phù hợp với quy mô sản xuất từ nhỏ đến công nghiệp. Tiết kiệm năng lượng: Thiết kế hiện đại giúp tối ưu hóa tiêu thụ điện năng. Độ bền cao: Chất liệu chế tạo bền bỉ, chống mài mòn và chịu lực tốt. Dễ dàng bảo trì: Cấu tạo đơn giản, dễ thay thế linh kiện như búa đập hoặc lưới sàng.

Tùy chỉnh linh hoạt: Có thể thay đổi kích thước hạt bằng cách thay lưới sàng hoặc điều chỉnh tốc độ nghiền. Máy trộn: Sau khi nghiền, nguyên liệu sẽ được đưa vào máy trộn, nơi các thành phần dinh dưỡng như vitamin, khoáng chất và phụ gia được bổ sung. Quá trình trộn đồng đều giúp đảm bảo mỗi viên cám đều chứa đủ chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của gia súc. + Vai trò của máy trộn Trộn đều nguyên liệu: Các thành phần như bột ngô, bột cám gạo, bột cá, bột đậu tương, chất phụ gia.

được trộn đều để đảm bảo mỗi viên cám chứa đủ dinh dưỡng theo công thức. Tăng hiệu quả sản xuất: Giảm thời gian trộn, giúp quá trình sản xuất diễn ra liên tục và tiết kiệm chi phí nhân công. Đảm bảo chất lượng cám: Tạo ra hỗn hợp đồng nhất, không bị phân tầng nguyên liệu khi lưu trữ hoặc vận chuyển. + Các loại máy trộn phổ biến Máy trộn trục ngang: Có cấu tạo với trục xoắn hoặc cánh đảo bên trong.

Ưu điểm: Công suất lớn, trộn nhanh và đều. Phù hợp cho các dây chuyền sản xuất công suất vừa và lớn. Máy trộn trục đứng: Thiết kế hình trụ đứng với cánh trộn xoắn bên trong. Giá thành rẻ, phù hợp với các hộ sản xuất nhỏ hoặc quy mô trung bình.

Thời gian trộn lâu hơn so với máy trộn trục ngang. Máy trộn thức ăn dạng ribbon: Cánh trộn dạng ruy băng, đảm bảo trộn đều cả nguyên liệu mịn và thô. Được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất cao cấp, đòi hỏi chất lượng trộn tối ưu. Máy trộn không trọng lực: Dùng nguyên lý trộn không trọng lực, đảo trộn nhanh chóng và đồng đều.

Phù hợp cho dây chuyền sản xuất cám công suất lớn, tự động hóa cao. Máy ép viên: Sau khi trộn xong, hỗn hợp sẽ được chuyển đến máy ép viên. Tại đây, nguyên liệu sẽ được nén dưới áp lực cao để tạo thành viên 6 cám có kích thước và hình dạng đồng nhất. Viên cám được ép ra có độ bền cao, giúp giảm thiểu tình trạng bể vỡ trong quá trình vận chuyển.

Chức năng của máy ép viên -Nén nguyên liệu: Tạo ra các viên cám với kích thước và trọng lượng đồng đều. -Tăng giá trị dinh dưỡng: Giữ nguyên các chất dinh dưỡng trong quá trình ép, đồng thời bổ sung dầu hoặc phụ gia nếu cần. -Bảo quản dễ dàng: Viên cám có độ ẩm thấp, dễ bảo quản trong thời gian dài. -Giảm lãng phí: Viên cám không dễ bị vỡ vụn, hạn chế hao hụt trong quá trình vận chuyển và sử dụng.

+Cấu tạo cơ bản của máy ép viên Trục ép và khuôn ép: -Khuôn tròn (khuôn vòng): Thường dùng cho máy công suất lớn, thích hợp cho sản xuất công nghiệp. -Khuôn phẳng: Phù hợp với các máy nhỏ, sản xuất quy mô hộ gia đình hoặc trang trại. Con lăn ép: Được thiết kế để ép nguyên liệu qua khuôn thành các viên đồng đều. Hệ thống điều khiển: Cho phép cài đặt tốc độ ép, nhiệt độ, và áp lực ép.

Động cơ: Tạo lực nén mạnh mẽ để đẩy nguyên liệu qua khuôn. Hệ thống làm mát: Giúp làm giảm nhiệt độ viên cám sau khi ép, tránh hư hỏng. +Các loại máy ép viên phổ biến Máy ép viên mini: Công suất nhỏ (50-300 kg/giờ). Phù hợp cho hộ gia đình, trang trại nhỏ.

Giá thành rẻ, vận hành dễ dàng. Máy ép viên công suất trung bình: Công suất 300-1000 kg/giờ. Dùng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Máy ép viên công nghiệp: Công suất lớn (trên 1 tấn/giờ).

Tích hợp tự động hóa cao, phù hợp cho nhà máy sản xuất lớn. +Nguyên lý hoạt động của máy ép viên Nạp liệu: Nguyên liệu (bột cám) được đưa vào máy qua phễu nạp. Ép viên: con lăn ép quay, nén nguyên liệu qua lỗ khuôn ép. Nhiệt sinh ra trong quá trình nén giúp kết dính nguyên liệu tự nhiên.

Xả viên: Viên cám được cắt theo chiều dài mong muốn và tự động rơi ra khỏi máy. Làm mát: Viên cám qua hệ thống làm mát để hạ nhiệt, sau đó sẵn sàng đóng bao hoặc lưu trữ. Máy sấy: Việc sấy khô cám là rất quan trọng để loại bỏ độ ẩm, ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc, từ đó kéo dài thời gian bảo quản. Hệ thống sấy hiện đại thường sử dụng công nghệ đối lưu hoặc bức xạ nhiệt, giúp sản phẩm nhanh chóng đạt đến độ ẩm yêu cầu.

+Chức năng của máy sấy trong sản xuất cám 7 Giảm độ ẩm: Hạ độ ẩm của nguyên liệu hoặc cám viên từ mức cao (12- 18%) xuống mức phù hợp để bảo quản (8-10%). Tăng thời gian bảo quản: Sản phẩm khô giúp hạn chế nấm mốc, vi khuẩn phát triển. Nâng cao chất lượng cám: Giữ nguyên thành phần dinh dưỡng và hình dạng viên cám. Tăng hiệu quả sản xuất: Giúp cám có thể được đóng gói ngay sau khi sấy, tối ưu quy trình dây chuyền.

+Các loại máy sấy phổ biến trong dây chuyền sản xuất cám Theo cơ chế hoạt động: -Máy sấy dạng tầng: Cám viên được di chuyển qua nhiều tầng sấy bằng băng tải. Phù hợp cho sản xuất cám công nghiệp với khối lượng lớn. Đảm bảo nhiệt độ đồng đều và hiệu quả sấy cao. -Máy sấy trống quay: Nguyên liệu hoặc cám viên được trộn đều trong lồng trống xoay, tiếp xúc với luồng khí nóng.

Sấy nhanh, hiệu quả với các nguyên liệu thô hoặc độ ẩm cao. Thích hợp cho các nhà máy sản xuất công suất lớn. -Máy sấy thùng đứng: Thiết kế nhỏ gọn, cám viên được làm khô khi di chuyển xuống từ đầu đến đáy máy. Tiết kiệm không gian và năng lượng.

-Máy sấy tầng sôi: Nguyên liệu hoặc viên cám được làm khô bằng dòng khí nóng luân chuyển mạnh. hù hợp cho sấy nhanh, không làm vỡ viên cám. Theo nguồn nhiệt: -Máy sấy bằng điện: Nhiệt được tạo từ các thanh điện trở. Thích hợp cho quy mô nhỏ hoặc nơi không có nguồn nhiên liệu rẻ.

-Máy sấy bằng khí đốt/than/củi: Sử dụng nguồn nhiên liệu như than, củi, hoặc khí gas để tạo nhiệt. Hiệu quả kinh tế cao hơn với quy mô sản xuất lớn. -Máy sấy năng lượng mặt trời: Sử dụng nguồn nhiệt từ mặt trời, thân thiện với môi trường. Phù hợp với quy mô nhỏ và khu vực có nhiều nắng.

+Nguyên lý hoạt động của máy sấy trong dây chuyền sản xuất cám Nạp nguyên liệu: Cám viên hoặc nguyên liệu thô được đưa vào buồng sấy qua băng tải hoặc hệ thống nạp liệu. Gia nhiệt: Nguồn nhiệt (điện, khí đốt, than.) được sử dụng để làm nóng không khí hoặc bề mặt sấy. Làm khô: Không khí nóng hoặc bề mặt tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu, làm giảm độ ẩm. Xả liệu: Cám viên đã khô được đưa ra ngoài qua hệ thống xả liệu.

Hệ thống hút ẩm: Khí ẩm được thải ra ngoài qua quạt hút, giúp duy trì hiệu quả sấy. +Công dụng khi sử dụng máy sấy Tiết kiệm chi phí bảo quản: Cám khô ít bị hư hỏng, giảm chi phí lưu trữ. 8 Đảm bảo chất lượng sản phẩm: Giữ nguyên dinh dưỡng, không làm biến dạng cám viên. Tăng năng suất: Thời gian sấy nhanh, tối ưu hóa dây chuyền sản xuất.

Hệ thống đóng gói: Cuối cùng, cám sẽ được đóng gói vào bao bì thích hợp, giúp bảo vệ sản phẩm trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.