Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa hiện nay, ngành sản xuất phân bón đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nguyên liệu cho sản xuất nông nghiệp. Tại Việt Nam, đặc biệt là Nhà máy Phân bón Cà Mau, việc sản xuất phân Urê đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu ngày càng được chú trọng. Tuy nhiên, quá trình vận chuyển sản phẩm tại nhà máy còn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là khâu chèn bao tự động, gây ra hiện tượng bao chồng chéo, làm tăng chi phí lao động và giảm hiệu quả sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu và đề xuất các giải pháp chèn bao tự động nhằm giảm thiểu chi phí lao động, nâng cao hiệu quả vận chuyển và đảm bảo an toàn cho công nhân tại Nhà máy Phân bón Cà Mau. Nghiên cứu tập trung trong khoảng thời gian 6 tháng, từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2021, tại chính nhà máy này.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm chi phí lao động khoảng 864 triệu đồng/năm (tính theo chi phí công nhân 72 triệu đồng/tháng), đồng thời nâng cao năng suất vận chuyển lên đến 1200 bao/giờ với tốc độ băng tải 1 m/s. Các chỉ số này góp phần cải thiện hiệu quả sản xuất, giảm thiểu lỗi trong quá trình vận chuyển và tăng tính tự động hóa trong nhà máy, phù hợp với xu hướng công nghiệp 4.0.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết vận chuyển và tự động hóa trong công nghiệp: Nghiên cứu các phương pháp vận chuyển sản phẩm bằng băng tải, xe nâng, và hệ thống cảm biến để phát hiện và xử lý lỗi trong quá trình vận chuyển. Khái niệm chính bao gồm: băng tải cao su, cảm biến hồng ngoại, điều khiển PID, và thuật toán điều khiển tự động.

  2. Mô hình điều khiển và mô phỏng hệ thống cơ khí: Sử dụng mô hình piston khí nén và thuật toán điều khiển để mô phỏng quá trình chèn bao tự động. Các khái niệm chính gồm: lực chặn, lực đẩy, thời gian trễ tín hiệu, và mô phỏng bằng phần mềm STEP 7.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: cảm biến quang học (CB1, CB2), thời gian di chuyển (T1-CB1-O, T2-CB2-O), khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến (lmin), và thuật toán điều khiển PID.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập trực tiếp tại Nhà máy Phân bón Cà Mau, bao gồm số liệu vận chuyển, chi phí lao động, và các thông số kỹ thuật của hệ thống băng tải. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ dây chuyền vận chuyển sản phẩm trong nhà máy với 4 hệ thống dây chuyền hoạt động 2 ca/ngày.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích hiện trạng vận chuyển và các lỗi xảy ra trong quá trình chèn bao.
  • Thiết kế và mô phỏng hai giải pháp chèn bao tự động: phương pháp chặn-đẩy (push-stop) và điều chỉnh tốc độ băng tải.
  • So sánh hiệu quả dựa trên các chỉ số như thời gian di chuyển, tỷ lệ lỗi chồng bao, và chi phí vận hành.
  • Sử dụng phần mềm STEP 7 để mô phỏng hệ thống điều khiển và đánh giá kết quả.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2021, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế, mô phỏng, thử nghiệm và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng vận chuyển và chi phí lao động: Nhà máy hiện có 4 dây chuyền vận chuyển sản phẩm hoạt động 2 ca/ngày, sử dụng khoảng 4 công nhân trực tiếp làm nhiệm vụ chèn bao. Chi phí lao động cho công đoạn này khoảng 72 triệu đồng/tháng, tương đương 864 triệu đồng/năm.

  2. Tỷ lệ lỗi chồng bao và nguyên nhân: Hiện tượng bao chồng lên nhau xảy ra tại vị trí giao nhau của băng tải, gây ra lỗi vận chuyển và làm tăng chi phí lao động do phải xử lý thủ công. Khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến là 3 mét, với thời gian di chuyển trung bình 5 giây, nhưng do sai lệch vị trí cảm biến và tốc độ băng tải, tỷ lệ lỗi chồng bao lên đến khoảng 15%.

  3. Hiệu quả mô phỏng giải pháp chặn-đẩy: Phương pháp này giúp giảm thời gian xử lý lỗi chồng bao xuống còn 2 giây, giảm tỷ lệ lỗi xuống còn khoảng 5%. Tốc độ băng tải được giữ ổn định ở 1 m/s, năng suất đạt 1200 bao/giờ.

  4. Hiệu quả mô phỏng điều chỉnh tốc độ băng tải: Giải pháp điều chỉnh tốc độ băng tải linh hoạt dựa trên tín hiệu cảm biến giúp giảm tỷ lệ lỗi chồng bao xuống còn 3%, tuy nhiên chi phí đầu tư và bảo trì cao hơn so với phương pháp chặn-đẩy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của lỗi chồng bao là do sự không đồng bộ trong vận tốc và vị trí của các băng tải tại điểm giao nhau. Việc bố trí công nhân thủ công để xử lý lỗi này vừa tốn kém chi phí vừa làm giảm hiệu quả sản xuất. So với các nghiên cứu trong ngành công nghiệp tự động hóa, việc áp dụng cảm biến quang học kết hợp thuật toán điều khiển PID đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm lỗi và tăng năng suất.

Biểu đồ so sánh tỷ lệ lỗi và chi phí vận hành giữa hai giải pháp cho thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ băng tải có tỷ lệ lỗi thấp hơn 2% so với phương pháp chặn-đẩy, nhưng chi phí vận hành cao hơn khoảng 20%. Do đó, lựa chọn giải pháp phù hợp cần cân nhắc giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tự động hóa tại Nhà máy Phân bón Cà Mau, góp phần giảm chi phí lao động, tăng năng suất và đảm bảo an toàn lao động.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải pháp chèn bao tự động bằng phương pháp chặn-đẩy: Áp dụng ngay trong vòng 6 tháng tới nhằm giảm tỷ lệ lỗi chồng bao xuống dưới 5%, giảm chi phí lao động khoảng 30%. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất nhà máy.

  2. Nâng cấp hệ thống cảm biến và điều khiển băng tải: Đầu tư cải tiến cảm biến quang học và áp dụng thuật toán điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ băng tải linh hoạt, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng. Giải pháp này giúp giảm lỗi xuống dưới 3% và tăng năng suất vận chuyển.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì hệ thống tự động: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho công nhân và kỹ sư nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống mới, thực hiện liên tục trong 6 tháng đầu sau khi triển khai giải pháp.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và báo cáo tự động: Thiết lập hệ thống giám sát trực tuyến để theo dõi hiệu suất vận chuyển và phát hiện lỗi kịp thời, giúp giảm thiểu thời gian dừng máy và tăng tính ổn định của dây chuyền. Thời gian triển khai dự kiến 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý sản xuất trong ngành công nghiệp phân bón: Giúp hiểu rõ các giải pháp tự động hóa vận chuyển, từ đó áp dụng để giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Kỹ sư cơ khí và tự động hóa: Cung cấp kiến thức về thiết kế hệ thống chèn bao tự động, mô hình điều khiển và mô phỏng hệ thống cơ khí bằng phần mềm chuyên dụng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử, tự động hóa: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tiễn các lý thuyết điều khiển và cảm biến trong công nghiệp.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến khác có quy trình vận chuyển tương tự: Có thể áp dụng các giải pháp và mô hình nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình vận chuyển, giảm thiểu chi phí và tăng năng suất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải pháp chèn bao tự động có thể áp dụng cho các nhà máy khác không?
    Có, các giải pháp dựa trên cảm biến quang học và điều khiển băng tải có thể tùy chỉnh để phù hợp với các dây chuyền sản xuất khác nhau, đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế biến và đóng gói.

  2. Chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa này là bao nhiêu?
    Theo ước tính, chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống chèn bao tự động dao động trong khoảng vài trăm triệu đồng, tùy thuộc vào quy mô và mức độ tự động hóa của nhà máy.

  3. Làm thế nào để giảm thiểu lỗi chồng bao trong vận chuyển?
    Giải pháp hiệu quả là sử dụng cảm biến quang học để phát hiện vị trí bao, kết hợp thuật toán điều khiển để điều chỉnh tốc độ băng tải hoặc sử dụng cơ cấu chặn-đẩy nhằm tránh hiện tượng chồng chéo.

  4. Hệ thống tự động có ảnh hưởng đến an toàn lao động không?
    Có, việc tự động hóa giúp giảm thiểu sự can thiệp thủ công, giảm nguy cơ tai nạn lao động và bảo vệ sức khỏe công nhân trong quá trình vận chuyển sản phẩm.

  5. Thời gian hoàn thiện và đưa vào vận hành hệ thống là bao lâu?
    Thời gian triển khai từ khảo sát, thiết kế đến vận hành thử nghiệm khoảng 6 đến 12 tháng, tùy thuộc vào quy mô và điều kiện thực tế của nhà máy.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ các vấn đề tồn tại trong khâu vận chuyển và chèn bao tại Nhà máy Phân bón Cà Mau, đặc biệt là lỗi chồng bao gây tốn kém chi phí lao động.
  • Hai giải pháp chèn bao tự động được thiết kế và mô phỏng gồm phương pháp chặn-đẩy và điều chỉnh tốc độ băng tải, đều có hiệu quả giảm lỗi và tăng năng suất.
  • Phương pháp chặn-đẩy được đánh giá là phù hợp với điều kiện hiện tại của nhà máy, giúp giảm chi phí lao động khoảng 30% trong vòng 6 tháng.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống cảm biến và đào tạo nhân viên nhằm đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả lâu dài.
  • Khuyến nghị các bước tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế, đánh giá hiệu quả và mở rộng áp dụng cho các dây chuyền khác trong nhà máy.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí vận chuyển tại Nhà máy Phân bón Cà Mau!