Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông nghiệp, kỹ thuật điều khiển tự động ngày càng được ứng dụng sâu rộng nhằm nâng cao năng suất, chuẩn hóa quy trình và cắt giảm chi phí nhân công trong các trang trại chăn nuôi quy mô lớn. Hoạt động quản lý dinh dưỡng và chăm sóc vật nuôi truyền thống dựa vào sức người thường bộc lộ nhiều bất cập: tốn kém thời gian, khó kiểm soát chính xác định lượng thức ăn, đồng thời thiếu khả năng lưu trữ và phân tích dữ liệu tiêu thụ theo thời gian thực.

Tác giả đồ án chỉ ra rằng các công trình nghiên cứu tự động hóa trước đây chủ yếu tập trung vào các đối tượng vật nuôi như cá hoặc bò, trong khi đặc thù thể trạng và chu kỳ sinh trưởng của loài heo đòi hỏi chế độ dinh dưỡng, cơ chế phối trộn thức ăn và các nhu cầu sinh hoạt (uống nước, tắm mát) hoàn toàn khác biệt. Bên cạnh đó, nhiều hệ thống chăn nuôi hiện hữu chỉ dừng lại ở các thao tác cơ bắp đơn lẻ mà chưa tích hợp hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) cũng như chưa hỗ trợ giám sát từ xa qua nền tảng mạng. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Mô hình chăm sóc heo tự động có điều khiển và giám sát qua hệ thống SCADA trên máy tính" được thực hiện nhằm xây dựng một giải pháp kỹ thuật tích hợp giữa điều khiển tự động bằng PLC, đo lường cảm biến, truyền động khí nén và giám sát dữ liệu trực quan.

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cấu trúc phần cứng và phương pháp lập trình bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200.
  • Tính toán, thiết kế và thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh cho quy trình chăm sóc heo tự động bao gồm: định lượng và trộn thức ăn theo tỷ lệ đặt trước, cấp nước uống tự động và hẹn giờ tắm.
  • Thiết kế giao diện SCADA trên máy tính để điều khiển, giám sát toàn bộ trạng thái hoạt động và xây dựng giao diện web nhằm lưu trữ, truy xuất dữ liệu cảm biến trực tuyến.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu về cảm biến loadcell, mạch khuếch đại tín hiệu loadcell và bộ điều khiển PLC S7-1200.
  2. Đo khối lượng thức ăn cần trộn cho mỗi lần ăn, xác định nhiệt độ cần thiết cho chuồng heo và các nhu cầu cơ bản như tắm và uống.
  3. Thiết kế mô hình cơ khí cho bồn trộn thức ăn, bồn nước, máng ăn và máng uống.
  4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô hình toàn hệ thống.
  5. Thi công mô hình hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển điện.
  6. Xây dựng giải thuật và viết chương trình điều khiển cho PLC.
  7. Thiết kế giao diện giám sát SCADA trên máy tính và giao diện hiển thị dữ liệu cảm biến trực tuyến.
  8. Vận hành thử nghiệm, đánh giá kết quả thực hiện và đề xuất cải tiến mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị tự động hóa phục vụ chăm sóc heo (cân định lượng, trộn nguyên liệu, cấp nước, tắm rửa, giám sát và quản lý dữ liệu).
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng PLC Siemens S7-1200, truyền động khí nén, biến tần Mitsubishi FR-E700 kết hợp giao diện SCADA và Web Server nội bộ. Đồ án được thực hiện tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh từ ngày 19/02/2019 đến ngày 05/07/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án thuộc loại hình thiết kế kỹ thuật và thi công thực nghiệm hệ thống điều khiển tự động hóa. Nhóm tác giả đã vận dụng các khối kiến thức chuyên ngành điện tử, điều khiển tự động và kỹ thuật phần mềm:

Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng

  • Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Nghiên cứu kiến trúc phần cứng của dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C), chu kỳ quét (Scan Cycle), cấu trúc phân vùng bộ nhớ (vùng nhớ I/O: Process Image Input/Output, vùng nhớ Timer T, Counter C, vùng nhớ dữ liệu V/DB), các phương pháp tổ chức chương trình (Organization Block - OB, Subroutine, Interrupt Block) và lập trình bằng phần mềm TIA Portal (Step7 Basic) hỗ trợ ngôn ngữ LAD/FBD/STL.
  • Cảm biến lực (Loadcell) và cầu đo Wheatstone: Nghiên cứu nguyên lý biến dạng của điện trở lá (Strain Gauge) dán trên thanh kim loại đàn hồi tạo thành mạch cầu cân bằng Wheatstone. Khi chịu tải trọng uốn, sự thay đổi giá trị điện trở làm xuất hiện tín hiệu điện áp vi sai (1-3 mV/V), từ đó được khuếch đại tuyến tính qua mạch chuyển đổi RW-ST01A về dải điện áp chuẩn 0-10V tương thích với ngõ vào Analog Input (AI) của PLC.
  • Hệ thống điều khiển điện - khí nén: Nguyên lý tạo động năng chuyển động thẳng thông qua xi lanh khí nén tác động kép và van đảo chiều điện từ 5/2 (solenoid valve) điều khiển hướng dòng khí nén.
  • Hệ thống biến tần và truyền động điện xoay chiều: Nguyên lý biến đổi tần số nguồn điện xoay chiều thông qua mạch chỉnh lưu cầu diode kết hợp tụ lọc DC và nghịch lưu cầu IGBT điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển tốc độ và mô-men của động cơ không đồng bộ 3 pha Panasonic.
  • Hệ thống đo mức nước và van nước điện từ: Cơ chế phát hiện mực nước thông qua relay điện cực dẫn điện và đóng/ngắt đường ống cấp nước bằng van điện từ 220VAC kiểu thường đóng (NC).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, khảo sát thông số kỹ thuật từ datasheet và tài liệu hướng dẫn sử dụng của các thiết bị phần cứng (Siemens, Mitsubishi, Panasonic).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật (Engineering Design):
    • Tính toán phụ tải điện, thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nối dây I/O cho PLC, biến tần, van khí nén và rơ le trung gian.
    • Thiết kế kết cấu 3D khung cơ khí, bồn chứa nguyên liệu, phễu cân và buồng trộn trên phần mềm SolidWorks.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử:
    • Gia công khung kim loại, lắp đặt tủ điện điều khiển và gá đặt thiết bị.
    • Lập trình giải thuật điều khiển PLC theo lưu đồ tuần tự; lập trình giao diện giám sát SCADA và giao diện web truy xuất dữ liệu cảm biến bằng Microsoft Visual Studio.
    • Vận hành chạy thử từng khối chức năng (Manual) và chạy toàn bộ quy trình tự động (Auto) để hiệu chỉnh sai số cân và thời gian đáp ứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng chấp hành, khối xử lý trung tâm và giao diện giám sát cấp trên.

Kiến trúc tổng thể hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 7 khối chính:

  1. Khối cảm biến loadcell: Gồm 02 cảm biến loadcell YZC-113 20kg và module khuếch đại RW-ST01A chuyển đổi điện áp mV sang 0-10V đưa về ngõ vào Analog của PLC.
  2. Khối nút nhấn điều khiển: Bật/tắt hệ thống, chuyển đổi chế độ Manual/Auto và điều khiển cưỡng bức các cơ cấu chấp hành.
  3. Khối xử lý trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C kết hợp module mở rộng tín hiệu số SM1223 DC/DC.
  4. Khối thiết bị chấp hành: Hệ thống xi lanh khí nén đóng mở bồn nguyên liệu, bồn cân, cửa xả bồn trộn; động cơ 3 pha phối hợp biến tần Mitsubishi FR-E700 để trộn nguyên liệu; van điện từ nước và máy bơm cấp nước.
  5. Khối giao diện SCADA: Chạy trên máy tính giám sát trạng thái thiết bị, cài đặt thông số định lượng và thời gian tắm heo.
  6. Khối Web hiển thị dữ liệu: Máy chủ web lưu trữ và truy xuất lịch sử giá trị cảm biến theo thời gian.
  7. Khối nguồn: Cấp điện áp 220VAC và 24VDC cho toàn bộ hệ thống.

Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính

Thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển khả trình (PLC) Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/Rly Nguồn cấp 220VAC, 8 DI (24VDC), 6 DO (Relay), 2 AI (0-10V), 1 cổng PROFINET Xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu cảm biến và điều khiển cơ cấu chấp hành
Module mở rộng số Siemens SM1223 DC/DC 8 DI (24VDC), 8 DO (Transistor 24VDC) Mở rộng số lượng cổng I/O đáp ứng đủ 9 ngõ vào và 8 ngõ ra của mô hình
Cảm biến lực (Loadcell) YZC-113 Tải trọng tối đa 20 kg, dạng thanh, xuất tín hiệu mV/V Đo khối lượng nguyên liệu thức ăn tại bồn cân
Mạch khuếch đại Loadcell RW-ST01A Nguồn cấp 24VDC, độ nhạy 2.0 mV/V, ngõ ra 0-10V, độ chính xác 0.3%, chuẩn IP65 Chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu vi sai từ loadcell sang điện áp 0-10V đưa vào AI của PLC
Biến tần (Inverter) Mitsubishi FR-E700 Dải công suất 0.1 - 15kW, ngõ ra 3 pha 220V, tần số 0.2 - 400Hz, bảo vệ quá tải 150%/60s Điều khiển đóng ngắt và tốc độ quay của động cơ buồng trộn
Động cơ điện Panasonic MX8M25G4Y Động cơ không đồng bộ 3 pha, 4 cực, công suất 25W, điện áp 220VAC 3 pha Dẫn động trục cánh khuấy trộn thức ăn
Cơ cấu chấp hành khí nén Xi lanh tròn (Pen khí nén) Tác động kép, sử dụng áp lực khí nén từ máy nén khí Kéo đẩy cửa van đóng/xả tại các bồn nguyên liệu và bồn trộn
Van điện từ khí nén Van 5/2 (Solenoid Valve) Điều khiển bằng 2 cuộn coil 24VDC (dòng tiêu thụ 110mA/cuộn) Đảo chiều dòng khí nén cấp vào xi lanh
Van điện từ cấp nước Van điện từ phi 21mm (1/2") Điện áp cuộn hút 220VAC, kiểu thường đóng (NC), áp suất 0 - 0.8 MPa (chịu áp tối đa 1.0 MPa) Đóng/mở đường ống phun nước tắm và xả nước uống cho heo
Cảm biến mức nước Relay điện cực báo mức Nguồn cấp 110-220VAC, thời gian đáp ứng 80ms, ngõ ra tiếp điểm relay Phát hiện cạn/đầy nước trong bồn chứa và máng uống
Bộ nguồn công nghiệp Switching Power Supply Điện áp vào 220VAC, điện áp ra 24VDC - 5A Cấp nguồn DC cho cuộn van khí nén (550mA), đèn báo (80mA), loadcell và relay trung gian

Cài đặt tham số vận hành biến tần Mitsubishi FR-E700

Để điều khiển động cơ trộn 25W bằng biến trở ngoài kết hợp tiếp điểm điều khiển từ PLC, các tham số trên biến tần được thiết lập như sau:

  • P.0 (Mô-men khởi động): Đặt $6%$ nhằm đảm bảo lực kéo ban đầu cho cánh khuấy.
  • P.1 (Tần số giới hạn trên): Cài đặt $100.0\text{ Hz}$.
  • P.2 (Tần số giới hạn dưới): Cài đặt $0.00\text{ Hz}$.
  • P.3 (Tần số cơ bản): Cài đặt $50.00\text{ Hz}$ (phù hợp với lưới điện tiêu chuẩn).
  • P.7 (Thời gian tăng tốc): Đặt $5.0\text{ s}$ để tránh sốc tải cơ khí.
  • P.8 (Thời gian giảm tốc): Đặt $8.0\text{ s}$ giúp động cơ dừng êm.
  • P.9 (Dòng bảo vệ rơ le nhiệt): Cài đặt $1.25\text{ A}$ để bảo vệ cuộn dây động cơ.
  • P.72 (Tần số sóng mang PWM): Đặt mức $4$ nhằm giảm thiểu tiếng ồn điện từ khi vận hành ở tần số thấp.
  • P.79 (Chế độ hoạt động): Đặt giá trị $2$ (chế độ điều khiển ngoài - External Run Mode qua chân kích tín hiệu và biến trở VR).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về đề tài, lý do chọn hướng nghiên cứu xuất phát từ thực tế chăn nuôi heo công nghiệp. Tác giả xác định rõ mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng PLC S7-1200 và SCADA vào việc tự động hóa khâu cho ăn, uống và tắm mát cho heo. Nội dung nghiên cứu bao gồm 6 nhiệm vụ chính từ khảo sát lý thuyết, thiết kế phần cứng, viết chương trình, thử nghiệm đến đánh giá. Đồng thời, chương này cũng nêu rõ các giới hạn thực hiện của đồ án như quy mô mô hình nhỏ, kết cấu cơ khí thô và thuật toán xử lý theo chu trình tuần tự.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về các thiết bị và công nghệ được sử dụng:

  • Giới thiệu tổng quan về PLC, phân tích cấu trúc phần cứng, các vùng nhớ và tập lệnh của dòng PLC Siemens S7-1200; so sánh các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C và các module mở rộng tín hiệu (SB, SM, CM).
  • Trình bày đặc điểm, ưu nhược điểm và cấu trúc của hệ thống điều khiển điện - khí nén (máy nén khí, xi lanh, van đảo chiều).
  • Phân tích nguyên lý làm việc của cảm biến lực loadcell dựa trên mạch cầu cân bằng Wheatstone và cấu tạo của bộ chuyển đổi/khuếch đại tín hiệu RW-ST01A.
  • Trình bày nguyên lý biến đổi điện áp/tần số của biến tần thông qua mạch chỉnh lưu và nghịch lưu IGBT điều chế độ rộng xung PWM; giới thiệu thông số biến tần Mitsubishi FR-E700.
  • Khảo sát các thiết bị phụ trợ: relay điện cực báo mức nước, van điện từ 220V thường đóng, relay trung gian 24VDC, nút dừng khẩn cấp và MCB đóng cắt.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào công tác tính toán và xây dựng thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống:

  • Đưa ra sơ đồ khối tổng thể và thuyết minh chức năng của từng khối.
  • Tính toán khối cảm biến: Lựa chọn 02 loadcell YZC-113 20kg kết hợp mạch khuếch đại RW-ST01A để đưa điện áp 0-10V vào chân AI của CPU 1212C.
  • Tính toán khối chấp hành: Chọn xi lanh tròn và van điện từ 5/2 hai đầu cuộn coil (24VDC); chọn động cơ 3 pha Panasonic 25W và cấu hình biến tần Mitsubishi FR-E700 với 8 bước cài đặt tham số (P.0 đến P.79).
  • Tính toán khối xử lý và khối nguồn: Tổng hợp nhu cầu I/O (9 ngõ vào, 8 ngõ ra) dẫn đến việc lựa chọn CPU 1212C AC/DC/Rly ghép nối module SM1223 DC/DC; tính toán dòng tiêu thụ cho 5 cuộn van khí nén ($5 \times 110\text{ mA} = 550\text{ mA}$), 4 đèn báo ($80\text{ mA}$) để chọn bộ nguồn DC 24V - 5A.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, sơ đồ nối dây I/O toàn hệ thống và bản vẽ mô hình cơ khí 3D (mặt trước, mặt sau, mặt bên) bằng phần mềm SolidWorks.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả chi tiết quá trình gia công thực tế và triển khai phần mềm:

  • Thi công phần khung cơ khí: Cắt hàn khung kim loại, gá lắp các bồn chứa nguyên liệu, phễu cân, buồng trộn cánh khuấy, bồn nước, máng ăn và máng uống.
  • Thi công tủ điện: Bố trí ray nhôm, máng đi dây, lắp đặt MCB, bộ nguồn tổ ong 24V, PLC S7-1200, module SM1223, biến tần FR-E700, rơ le trung gian và hàng kẹp đấu nối.
  • Lập trình điều khiển cho PLC: Sử dụng TIA Portal để cấu hình thiết bị phần cứng (Hardware Configuration), viết chương trình điều khiển theo chu trình công nghệ (định lượng nguyên liệu 1, nguyên liệu 2 -> mở xả xuống buồng trộn -> kích biến tần quay cánh khuấy -> xả thức ăn ra máng).
  • Thiết kế giao diện SCADA trên máy tính: Xây dựng màn hình đăng nhập, màn hình điều khiển vận hành hệ thống và hiển thị trạng thái các cơ cấu chấp hành.
  • Xây dựng hệ thống Web: Sử dụng Microsoft Visual Studio thiết lập trang web hiển thị dữ liệu cảm biến trực tuyến và truy xuất lịch sử dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm thu được sau khi hoàn thiện mô hình:

  • Trình bày hình ảnh hoàn thiện của mô hình thực tế (mặt trước, mặt bên, tủ điện điều khiển).
  • Thể hiện các giao diện vận hành SCADA và các trang giao diện Web (trang chủ Home, trang thông tin dự án, trang truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biến, trang lọc dữ liệu theo thời gian).
  • Đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống: Các cơ cấu xi lanh, động cơ trộn, van cấp nước hoạt động chính xác theo quy trình định sẵn; dữ liệu cảm biến được truyền nhận và lưu trữ ổn định.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ nội dung đã hoàn thành của đồ án (thiết kế, thi công phần cứng, lập trình điều khiển PLC, thiết kế SCADA và Web giám sát). Đồng thời, tác giả chỉ ra các mặt còn tồn tại và đề xuất định hướng phát triển trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Lắp ráp hoàn thiện khung cơ khí tích hợp hệ thống bồn chứa, buồng trộn, máng ăn uống, hệ thống đường ống khí nén và tủ điện điều khiển chuẩn công nghiệp.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển tự động:
    • Ứng dụng thành công PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C kết hợp module SM1223) để điều khiển chu trình cân, trộn thức ăn tự động dựa trên tín hiệu phản hồi analog 0-10V từ 02 loadcell YZC-113 qua bộ khuếch đại RW-ST01A.
    • Vận hành ổn định động cơ khuấy trộn 3 pha Panasonic 25W thông qua biến tần Mitsubishi FR-E700 được cấu hình chuẩn các thông số gia tốc ($5\text{s}$), giảm tốc ($8\text{s}$) và dòng bảo vệ ($1.25\text{A}$).
    • Tự động hóa quá trình cấp nước uống qua cảm biến mức relay điện cực và kiểm soát chu kỳ tắm cho heo qua van điện từ 220VAC.
  • Phát triển hệ thống giám sát SCADA và Web: Thiết kế giao diện SCADA trực quan trên máy tính giúp giám sát trạng thái thiết bị thời gian thực; xây dựng trang web trên nền tảng Visual Studio hỗ trợ truy xuất và trích xuất dữ liệu cảm biến lịch sử.

Giải pháp tác giả đề xuất

  • Ứng dụng giải pháp cân định lượng từng thành phần nguyên liệu độc lập trước khi đưa vào buồng trộn giúp kiểm soát chính xác công thức dinh dưỡng cho vật nuôi.
  • Kết hợp điều khiển vòng kín giữa cảm biến mức relay điện cực với máy bơm nước để duy trì nguồn nước uống liên tục, hoạt động độc lập với chu trình xử lý của PLC chính.
  • Sử dụng mô hình điều khiển phân tầng: PLC phụ trách điều khiển thời gian thực (Real-time Control), SCADA máy tính đảm nhiệm giám sát điều hành (Supervisory Control), và giao diện Web phụ trách lưu trữ/quản lý dữ liệu trực tuyến.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với các đề tài chăm sóc vật nuôi truyền thống chỉ dừng lại ở các mạch vi điều khiển đơn giản hoặc chỉ thực hiện việc cấp thức ăn thuần cơ khí, đồ án đã hiện thực hóa một mô hình điều khiển tự động hóa cấp công nghiệp:

  • Ứng dụng thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Siemens, biến tần Mitsubishi, van khí nén công nghiệp) giúp nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu trong môi trường trang trại.
  • Tích hợp thành công khâu giám sát SCADA và quản lý dữ liệu trên nền tảng web, giải quyết bài toán thiếu hụt công cụ quản trị dữ liệu chăn nuôi trong các hệ thống cũ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Quy mô mô hình: Hệ thống mới chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm nhỏ trong phòng thí nghiệm, chưa triển khai thử nghiệm trên đàn heo thực tế tại trang trại.
  • Tính thẩm mỹ và tối ưu hóa cơ khí: Kết cấu khung cơ khí còn tương đối thô, các mối ghép và bố trí bồn chứa chưa đạt độ tối ưu hóa cao về mặt không gian.
  • Độ chính xác và tốc độ xử lý: Độ chính xác của quá trình cân đo còn mang tính tương đối; tốc độ vận hành của toàn bộ quy trình còn chậm do thuật toán điều khiển được lập trình theo phương pháp tuần tự từng bước.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp và tối ưu hóa kết cấu cơ khí để hệ thống gọn gàng, bền bỉ và nâng cao độ chính xác khi định lượng khối lượng lớn.
  • Mở rộng quy mô điều khiển để ứng dụng trực tiếp tại các trang trại chăn nuôi công nghiệp thực tế.
  • Tích hợp thêm các phân hệ phụ trợ như: hệ thống làm sạch và tiêu độc chuồng trại tự động, hệ thống thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi nhằm tạo nên một mô hình phân trang trại nuôi heo thông minh hoàn chỉnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Nông nghiệp công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Quy trình phối ghép và chuẩn hóa tín hiệu Analog: Phương pháp đấu nối cảm biến loadcell cầu Wheatstone với module khuếch đại RW-ST01A để đưa tín hiệu điện áp 0-10V vào ngõ vào AI của PLC Siemens S7-1200.
  • Kỹ thuật cài đặt tham số biến tần: Bảng 8 bước thiết lập tham số chi tiết trên biến tần Mitsubishi FR-E700 (từ P.0 đến P.79) để vận hành động cơ xoay chiều 3 pha bằng tín hiệu điều khiển ngoài.
  • Thiết kế hệ thống điện khí nén công nghiệp: Sơ đồ kết nối van điện từ 5/2 với ngõ ra PLC và giải pháp tính toán công suất nguồn DC 24V cho các cơ cấu chấp hành.
  • Kiến trúc tích hợp SCADA và Web: Cách thức xây dựng giao diện điều khiển giám sát trên máy tính kết hợp máy chủ web trích xuất dữ liệu cảm biến phục vụ công tác quản lý chăn nuôi.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm được sử dụng trong hệ thống có cấu hình phần cứng như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 mã hiệu CPU 1212C AC/DC/Rly (nguồn cấp 220VAC, 8 ngõ vào số 24VDC, 6 ngõ ra rơ le, 2 ngõ vào tương tự 0-10V) kết hợp cùng module mở rộng tín hiệu số SM1223 DC/DC (8 ngõ vào số 24VDC và 8 ngõ ra transistor 24VDC) nhằm đáp ứng tổng cộng 9 ngõ vào và 8 ngõ ra của toàn hệ thống.

2. Cảm biến lực Loadcell truyền tín hiệu về PLC S7-1200 thông qua cơ chế nào?
Hệ thống sử dụng 02 cảm biến loadcell thanh YZC-113 20kg hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở Wheatstone. Do tín hiệu ngõ ra của loadcell chỉ ở mức mili-Volt (1-3 mV/V), nhóm tác giả đã sử dụng mạch khuếch đại RW-ST01A (nguồn 24VDC, độ chính xác 0.3%) để chuẩn hóa và khuếch đại tuyến tính thành tín hiệu điện áp 0-10V, sau đó đưa trực tiếp vào kênh Analog Input (AI) của PLC S7-1200 để xử lý khối lượng.

3. Biến tần Mitsubishi FR-E700 được thiết lập các thông số chính nào để điều khiển động cơ buồng trộn?
Biến tần được cài đặt chạy ở chế độ điều khiển ngoài (P.79 = 2) với các thông số: P.0 = 6% (mô-men khởi động), P.1 = 100Hz (tần số giới hạn trên), P.2 = 0Hz (tần số giới hạn dưới), P.3 = 50Hz (tần số cơ bản), P.7 = 5.0s (thời gian tăng tốc), P.8 = 8.0s (thời gian giảm tốc), P.9 = 1.25A (dòng bảo vệ rơ le nhiệt) và P.72 = 4 (tần số sóng mang PWM nhằm giảm độ ồn động cơ).

4. Khối nguồn 24VDC của hệ thống được tính toán công suất dựa trên các thành phần phụ tải nào?
Khối nguồn DC 24V sử dụng bộ nguồn tổ ong $24\text{V} - 5\text{A}$, được tính toán để cấp dòng cho 5 cuộn dây của các van điện từ khí nén 5/2 (mỗi cuộn $110\text{mA}$, tổng dòng là $550\text{mA}$), 4 đèn báo trạng thái $24\text{V}$ (mỗi đèn $80\text{mA}$), mạch khuếch đại loadcell RW-ST01A và các rơ le trung gian 8 chân $24\text{V}$.

5. Cơ chế cấp nước uống và tắm rửa tự động cho heo hoạt động ra sao?
Hệ thống cấp nước uống vận hành độc lập nhờ cảm biến mức relay điện cực gắn tại bồn chứa và máng uống (tự động kích bơm khi cạn và xả nước vào máng). Hoạt động tắm rửa cho heo được điều khiển tự động thông qua van điện từ nước 220VAC (loại thường đóng NC, đường kính phi 21mm, ren 1/2 inch) được lập trình đóng/mở theo lịch trình cài đặt trước trên giao diện SCADA.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Huỳnh Văn Sanh và Võ Duy Tâm đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa quy trình chăm sóc heo thông qua việc thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình tích hợp PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-E700, cảm biến lực loadcell và hệ thống điện khí nén. Hệ thống không chỉ đáp ứng tốt các chức năng vận hành cơ bản như cân trộn thức ăn theo tỷ lệ, cấp nước tự động và hẹn giờ tắm mà còn xây dựng thành công giao diện SCADA và Web giám sát giúp quản lý dữ liệu trực quan trên máy tính. Dù còn một số hạn chế về quy mô mô hình thử nghiệm và tính thẩm mỹ cơ khí, công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị cao trong việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động vào chăn nuôi công nghiệp hiện đại.