Thiết kế và thi công mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7-1200

Đồ án thiết kế và thi công mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7-1200 - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trương Văn Quang
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• 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: Thiết kế và thi công mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7 1200 ĐH SPKT

Mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7-1200 là đề tài tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do sinh viên Trương Văn Quang và Hồ Sỹ Dũng thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt. Mục tiêu trọng tâm hướng đến việc hiện đại hóa quy trình sản xuất chăn nuôi theo tiêu chuẩn nông nghiệp thông minh. Hệ thống thay thế hoàn toàn các thao tác thủ công truyền thống bằng quy trình khép kín tự động. Thiết bị trung tâm điều khiển toàn bộ chu trình là bộ lập trình PLC Siemens S7-1200 với độ tin cậy vận hành rất cao. Cấu trúc mô hình tích hợp đồng bộ các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí thải cùng hệ thống cơ cấu chấp hành chuyên dụng. Nhờ mạng truyền thông công nghiệp Profinet, dữ liệu trạng thái được truyền liên tục về máy tính trung tâm. Người vận hành dễ dàng theo dõi chỉ số chuồng trại qua giao diện đồ họa trực quan. Kết quả thực nghiệm khẳng định giải pháp kỹ thuật này đáp ứng hoàn hảo yêu cầu quản lý trang trại công nghệ cao hiện nay.

1.1. Xuất xứ đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của ngành chăn nuôi gia súc tại Việt Nam. Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM định hướng nghiên cứu gắn liền sản xuất thực địa. Hai sinh viên Trương Văn Quang và Hồ Sỹ Dũng đã triển khai thiết kế chi tiết từ tháng 9 năm 2024 đến tháng 1 năm 2025. Công trình nhận được sự hướng dẫn chuyên môn trực tiếp từ ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt. Sản phẩm không chỉ đáp ứng tiêu chuẩn đồ án kỹ sư mà còn mở ra hướng tiếp cận trang trại thông minh bền vững. Việc chế tạo mô hình vật lý giúp kiểm chứng độ chính xác của thuật toán lập trình trước khi ứng dụng quy mô lớn.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống hướng tới việc tự động hóa toàn diện các công đoạn chăm sóc đàn heo thịt. Mục tiêu đầu tiên là duy trì ổn định vi khí hậu chuồng nuôi. Nhiệt độ và độ ẩm luôn được giữ trong ngưỡng tiêu chuẩn sinh trưởng tối ưu. Mục tiêu thứ hai là chuẩn hóa quy trình phân phối thức ăn và nước uống. Cơ chế định lượng chính xác theo thời gian thực giúp chống lãng phí cám. Mục tiêu thứ ba là tự động hóa khâu vệ sinh và xịt rửa định kỳ. Quá trình này giúp ngăn chặn mầm bệnh lây lan trong khu vực nuôi nhốt. Cuối cùng, hệ thống cung cấp giao diện quản lý từ xa giúp giảm thiểu tối đa sức lao động con người.

II. Phân tích mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7 1200 chuồng kín

Phương thức chăn nuôi gia súc truyền thống đang đối mặt với hàng loạt rào cản nghiêm trọng. Việc quản lý thủ công đòi hỏi chi phí nhân công rất lớn nhưng mang lại năng suất kém. Người chăn nuôi gặp khó khăn trong việc duy trì ổn định nhiệt độ chuồng trại khi thời tiết biến đổi đột ngột. Sự tăng cao bất thường của nhiệt độ khiến heo bị sốc nhiệt và giảm sức đề kháng. Bên cạnh đó, việc chia thức ăn thủ công thiếu độ chuẩn xác cần thiết. Sự phân bổ dinh dưỡng không đồng đều làm chậm tốc độ tăng trọng của vật nuôi. Lượng thức ăn dư thừa dễ bị nấm mốc và sinh độc tố gây hại đường tiêu hóa. Khâu vệ sinh phân chuồng không kịp thời làm phát sinh khí độc NH3 và H2S nồng độ cao. Tình trạng ô nhiễm môi trường trực tiếp làm tăng nguy cơ bùng phát dịch bệnh truyền nhiễm. Nguồn nước thải chưa qua xử lý cũng đe dọa sinh thái xung quanh khu dân cư. Những bất cập này đòi hỏi phải ứng dụng công nghệ điều khiển tự động nhằm thay đổi căn bản cách thức vận hành trang trại.

2.1. Hạn chế vi khí hậu và kiểm soát dịch bệnh chuồng trại

Môi trường chuồng kín thiếu hệ thống thông gió chuẩn xác sẽ gây tích tụ nhiệt lượng lớn. Khí độc do chất thải phân hủy làm tổn thương niêm mạc đường hô hấp của heo. Vi khuẩn gây bệnh phát triển mạnh khi độ ẩm chuồng vượt quá ngưỡng cho phép. Lao động phổ thông không thể túc trực liên tục để bật tắt quạt mát hay rèm che. Sự chậm trễ trong việc điều chỉnh làm heo suy giảm hệ miễn dịch nghiêm trọng. Các ổ dịch tả heo châu Phi hoặc tai xanh có thể bùng phát nhanh chóng từ điều kiện ô nhiễm này. Thiệt hại kinh tế đối với hộ nông dân và doanh nghiệp nuôi lợn là vô cùng nặng nề.

2.2. Khó khăn trong quản lý chi phí thức ăn và nhân công

Chi phí thức ăn chăn nuôi hiện chiếm từ sáu mươi đến bảy mươi phần trăm tổng chi phí chăn nuôi heo thịt. Cách cho ăn thủ công dựa hoàn toàn vào cảm tính của người lao động. Hiện tượng cấp thừa cám dẫn đến ôi thiu và lãng phí nguyên liệu trầm trọng. Ngược lại, cấp thiếu khẩu phần sẽ khiến heo còi cọc và không đạt trọng lượng xuất chuồng. Bên cạnh đó, việc thuê mướn lao động tại khu vực nông thôn ngày càng trở nên đắt đỏ. Nguồn nhân lực thủ công thường thiếu tính ổn định và khó tuân thủ kỷ luật an toàn sinh học. Trang trại rất cần cơ chế cho ăn tự động để bảo đảm biên lợi nhuận kinh doanh.

III. Thiết kế mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7 1200 và SCADA

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đề xuất giải pháp tích hợp phần cứng và phần mềm đồng bộ. Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC đóng vai trò đầu não xử lý. Phần cứng kết nối các module mở rộng tín hiệu analog và digital để tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến. Nhóm thực hiện thiết kế thuật toán điều khiển PID để duy trì dải nhiệt độ tối ưu từ 24 đến 28 độ C. Cảm biến DHT22 liên tục đo nhiệt độ và độ ẩm bên trong không gian nuôi. Cảm biến khí MQ-135 phát hiện kịp thời nồng độ khí thải độc hại. Khi các thông số vượt ngưỡng an toàn, PLC tự động kích hoạt quạt hút công nghiệp và máy bơm phun sương làm mát. Quá trình cấp thức ăn được quản lý qua động cơ bước kéo van xả kết hợp cảm biến tải trọng loadcell. Phần mềm TIA Portal V18 đảm nhiệm chức năng lập trình logic và kết nối mạng truyền thông. Toàn bộ thông số hoạt động hiển thị chi tiết trên phần mềm SCADA WinCC Unified tân tiến.

3.1. Lập trình logic điều khiển tự động trên TIA Portal

Nền tảng TIA Portal của Siemens cung cấp môi trường lập trình tối ưu cho đồ án. Nhóm tác giả sử dụng ngôn ngữ lập trình Ladder kết hợp Function Block Diagram để xây dựng khối xử lý. Các khối hàm chuyên biệt đảm nhiệm việc đọc và chuẩn hóa tín hiệu analog từ cảm biến môi trường. Chương trình định thì thời gian thực kiểm soát lịch trình bật tắt đèn chiếu sáng và van xả nước. Thuật toán điều khiển quạt thông gió hoạt động linh hoạt theo ba cấp độ nhiệt độ khác nhau. PLC cũng thực hiện việc khóa liên động các thiết bị chấp hành nhằm chống quá tải động cơ. Mọi tín hiệu báo động sự cố đều được lập trình gửi cảnh báo tức thì về trạm điều khiển.

3.2. Giám sát thời gian thực qua giao diện SCADA WinCC Unified

Công nghệ WinCC Unified mang lại khả năng giám sát từ xa vô cùng mạnh mẽ cho hệ thống. Giao diện người máy HMI/SCADA được thiết kế sinh động bằng đồ họa vector sắc nét. Nhân viên giám sát có thể quan sát trực tiếp sơ đồ chuồng trại và giá trị cảm biến trên màn hình máy tính. Nền tảng web-based cho phép truy cập hệ thống linh hoạt qua trình duyệt web trên điện thoại thông minh. Hệ thống tự động lưu trữ dữ liệu môi trường và xuất báo cáo tiêu thụ thức ăn định kỳ. Đồ thị xu hướng giúp kỹ thuật viên nhận diện sớm biến động bất thường để can thiệp kịp thời. Cơ chế bảo mật phân quyền bảo vệ hệ thống tuyệt đối trước các truy cập trái phép.

IV. Hiệu quả mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7 1200 tại SPKT

Mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7-1200 tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang lại giá trị thực tiễn vượt trội. Kết quả thử nghiệm trên mô hình thực tế chứng minh tính ổn định cao của toàn bộ giải pháp kỹ thuật. Tỷ lệ sai số nhiệt độ chuồng trại được kiểm soát nghiêm ngặt trong biên độ dưới 1 độ C. Khẩu phần thức ăn được định lượng chính xác giúp tiết kiệm đáng kể chi phí nguyên liệu thô. Việc giảm thiểu sự hiện diện trực tiếp của con người trong chuồng trại giúp hạn chế tối đa nguy cơ lây nhiễm chéo mầm bệnh dịch. Năng suất chăn nuôi và tốc độ tăng trưởng của đàn heo được cải thiện rõ rệt so với phương pháp cũ. Không chỉ dừng lại ở quy mô đồ án sinh viên, đề tài mở ra triển vọng chuyển giao công nghệ cho các trang trại thực tế. Giải pháp kỹ thuật này hoàn toàn có thể nhân rộng tại nhiều cơ sở chăn nuôi gia súc quy mô vừa và lớn trên toàn quốc. Đây là bước tiến cụ thể đóng góp vào quá trình hiện đại hóa nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

4.1. Lợi ích kinh tế và nâng cao an toàn sinh học

Ứng dụng mô hình tự động hóa đem lại hiệu quả kinh tế rõ ràng cho người đầu tư chăn nuôi. Năng suất lao động tăng cao khi một nhân viên kỹ thuật có thể quản lý đồng thời hàng nghìn con heo. Hao hụt thức ăn chăn nuôi giảm từ mười lăm đến hai mươi phần trăm nhờ cơ chế định lượng tự động. Chế độ kiểm soát nhiệt độ và khí độc liên tục giúp heo khỏe mạnh và nhanh xuất chuồng hơn. Quan trọng nhất, việc hạn chế công nhân ra vào khu vực nuôi nhốt tạo vành đai an toàn sinh học vững chắc. Nguy cơ dịch bệnh truyền nhiễm được loại trừ triệt để, bảo toàn tối đa nguồn vốn đầu tư ban đầu.

4.2. Khả năng mở rộng và tích hợp Internet vạn vật IoT

Hệ sinh thái Siemens S7-1200 sở hữu khả năng mở rộng vô cùng linh hoạt cho các giai đoạn nâng cấp sau này. Thiết bị dễ dàng kết hợp thêm các module truyền thông Modbus TCP/IP, MQTT hoặc kết nối máy chủ điện toán đám mây. Dữ liệu cảm biến có thể được đồng bộ lên nền tảng IoT để phục vụ phân tích dữ liệu lớn. Người quản lý trang trại có thể theo dõi tình trạng đàn heo mọi lúc mọi nơi thông qua ứng dụng di động. Trong tương lai, mô hình có thể tích hợp thêm camera AI nhận diện hành vi động vật và phát hiện bệnh sớm. Hướng đi này giúp hoàn thiện quy trình chăn nuôi chuẩn nông nghiệp 4.0 hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong phương thức chăn nuôi truyền thống, người sản xuất gặp nhiều trở ngại liên quan đến việc tiêu tốn thời gian, hao phí nguồn nhân lực và gặp khó khăn trong công tác giám sát các thông số tiểu khí hậu chuồng nuôi. Heo là đối tượng vật nuôi có độ nhạy cảm cao với sự biến thiên của nhiệt độ và độ ẩm; điều kiện môi trường bất lợi dễ làm suy giảm khả năng tiêu hóa thức ăn, hạn chế tốc độ tăng trưởng và gia tăng nguy cơ bùng phát các bệnh dịch truyền nhiễm liên quan đến hô hấp và đường tiêu hóa. Do đó, việc ứng dụng các thiết bị điều khiển tự động hóa công nghiệp nhằm kiểm soát chính xác các điều kiện sinh thái chuồng trại là yêu cầu cấp thiết để nâng cao năng suất và chất lượng thịt thương phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm các nhiệm vụ cụ thể sau:

1. Nghiên cứu sâu về cấu trúc, tập lệnh và khả năng ứng dụng thực tế của bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200 do hãng Siemens sản xuất.
2. Thiết kế và thi công mô hình trang trại nuôi heo thịt vận hành tự động, phục vụ cho việc mô phỏng và kiểm nghiệm các quy trình chăm sóc cơ bản.
3. Lập trình giải thuật điều khiển trên PLC cho các phân hệ chức năng: cung cấp thức ăn, cấp nước uống, điều hòa nhiệt độ chuồng nuôi (thông gió làm mát, sưởi ấm), chiếu sáng, tắm và dọn vệ sinh chuồng trại.
4. Xây dựng giao diện SCADA trên nền tảng công nghệ WinCC Unified nhằm giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống thời gian thực tại chỗ cũng như qua mạng Internet.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phần cứng chuồng nuôi heo thịt tự động quy mô nhỏ; hệ thống thiết bị chấp hành, cảm biến công nghiệp; bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200; hệ thống phần mềm SCADA WinCC Unified và ứng dụng nhận diện mã QR viết trên nền tảng Visual Studio 2022.
• Phạm vi nghiên cứu: Đồ án giới hạn thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ tại phòng thí nghiệm; các chế độ vận hành tập trung vào hai chế độ cơ bản là tự động (Auto) và bằng tay (Manual); hệ thống xử lý tín hiệu thời gian thực cho các chu trình chăm sóc thiết yếu của đàn heo thịt từ giai đoạn sau cai sữa đến khi xuất chuồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết chăn nuôi heo thịt công nghiệp với kỹ thuật điều khiển tự động hóa và công nghệ thông tin. Các cơ sở sinh học và kỹ thuật bao gồm:

• Quy chuẩn kỹ thuật chuồng trại và sinh lý vật nuôi: Nhu cầu dinh dưỡng, khẩu phần ăn theo trọng lượng, ngưỡng nhiệt độ tối ưu theo giai đoạn lứa tuổi, và chu kỳ chiếu sáng sinh học duy trì từ 12 đến 16 giờ ánh sáng mỗi ngày (kết hợp 8 đến 12 giờ tối để heo nghỉ ngơi).
• Lý thuyết điều khiển lập trình và giao tiếp mạng công nghiệp: Cấu trúc phần cứng PLC S7-1200, truyền thông mạng Profinet, giao thức chuẩn TCP/IP, ISO-on-TCP và các giải pháp điều khiển phân tán.
• Công nghệ giám sát SCADA nền tảng Web: Ứng dụng WinCC Unified sử dụng công nghệ HTML5, hỗ trợ truy cập đa nền tảng không phụ thuộc phần mềm chuyên dụng thông qua WebUX và PC Runtime.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa tài liệu về quy trình chăn nuôi heo công nghệ cao và kiến trúc mạng điều khiển tự động.
• Phương pháp thiết kế cơ khí và mô phỏng 3D: Dùng phần mềm SolidWorks để tính toán kết cấu khung mô hình, bố trí layout thiết bị cơ điện và tủ điện điều khiển.
• Phương pháp thiết kế phần mềm và giải thuật: Lập trình điều khiển logic bậc thang trên TIA Portal V17, kiểm tra mô phỏng qua PLC SIM; xây dựng ứng dụng xử lý ảnh nhận diện mã QR bằng Visual Studio 2022.
• Phương pháp thực nghiệm: Thi công lắp ráp phần cứng thực tế, đấu nối tủ điện, truyền dữ liệu cảm biến, hiệu chuẩn mạch khuếch đại analog và kiểm tra độ ổn định của các chu trình vận hành tự động.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ các tiêu chuẩn chăn nuôi heo thịt, tài liệu kỹ thuật phần cứng của Siemens, và chuỗi dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến tải trọng (loadcell) thu nhận trực tiếp trên mô hình.

Tiêu chí	Mã QR	Thẻ RFID	Chip điện tử cấy dưới da
Chi phí triển khai	Thấp nhất, tiết kiệm ngân sách	Cao	Chi phí rất cao
Thiết bị quét	Camera hoặc điện thoại thông minh	Thiết bị đọc RFID chuyên dụng	Máy quét chuyên dụng
Độ phức tạp thao tác	Dễ sử dụng, nhanh chóng	Cần tiếp xúc cự ly gần của đầu đọc	Đòi hỏi kỹ thuật cấy ghép phức tạp
Khả năng cập nhật	Linh hoạt thông tin tuổi, ô chuồng, tiêm phòng	Theo dung lượng bộ nhớ chip	Khó can thiệp sau khi cấy
Tác động vật nuôi	Không gây ảnh hưởng sinh học	Đeo tai, có thể gây vướng víu	Nguy cơ phát sinh vấn đề sức khỏe

Dựa trên bảng so sánh kỹ thuật, giải pháp mã QR được tác giả lựa chọn cho mô hình nhằm tối ưu hóa chi phí mà vẫn đảm bảo tính chính xác trong việc truy xuất dữ liệu cá thể vật nuôi.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống điều khiển và giám sát được phân chia thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối cảm biến & nhận diện]       [Khối điều khiển trung tâm]       [Khối chấp hành]
- Cảm biến nhiệt độ PT100          - PLC Siemens S7-1200             - Động cơ bước 42 (băng tải)
- Bộ chuyển đổi tín hiệu 0-10V       (CPU 1214C DC/DC/DC)            - Động cơ bơm mini 12VDC
- Loadcell 3kg + Mạch JY-S60        Bộ nhớ làm việc 100KB            - Quạt thông gió làm mát
- Cảm biến quang E3F-DS30P1        Cổng truyền thông Profinet        - Bóng LED bulb 220VAC
- Công tắc phao đo mức nước                                          - Đèn hồng ngoại JIU SHUO
- Camera quét mã QR (PC/VS2022)                                      - Relay đệm MY2N-24VDC
              |                                  |                                  |
              +-----------------> [Truyền thông Ethernet] <-------------------------+
                                                 |
                                [Hệ thống Giám sát SCADA]
                                - WinCC Unified PC Runtime
                                - Giao diện WebUX qua Internet (Port 443)

1. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng CPU PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO) và 2 ngõ vào tương tự (AI) với dải tín hiệu 0-10VDC.
2. Khối cảm biến và phản hồi tín hiệu:
   • Cảm biến nhiệt độ RTD PT100 kết hợp bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng sang dải điện áp tương tự 0-10VDC đưa về chân AI của PLC.
   • Cảm biến lực Loadcell tải trọng 3kg kết hợp module khuếch đại vi sai JY-S60 nhằm chuyển đổi lực nén sang tín hiệu điện áp đưa về PLC để tính toán khối lượng heo.
   • Cảm biến quang hồng ngoại E3F-DS30P1 (ngõ ra PNP) dùng để định vị giới hạn hành trình của cơ cấu cấp thức ăn trên máng.
   • Công tắc phao lắp đặt tại bồn chứa nước sinh hoạt phục vụ việc đóng/cắt bơm tự động.
3. Khối cơ cấu chấp hành:
   • Động cơ bước Step Motor 42 truyền động hệ thống băng tải cấp phát thức ăn.
   • Động cơ bơm mini 12VDC thực hiện chức năng cấp nước uống, bơm nước tắm và dọn rửa sàn chuồng.
   • Quạt thông gió hút khí nóng và mùi hôi kết hợp tấm làm mát.
   • Đèn sợi đốt hồng ngoại JIU SHUO công suất nhiệt chuyên dụng dùng để sưởi ấm heo khi nhiệt độ xuống thấp.
   • Bóng đèn LED bulb 220VAC cung cấp chế độ chiếu sáng nhân tạo.
   • Hệ thống rơ-le trung gian MY2N-24VDC đóng vai trò cách ly quang và đệm công suất giữa ngõ ra số PLC với các thiết bị tải điện áp lớn.
4. Triển khai phần mềm và giám sát từ xa:
   • Ứng dụng quét mã QR độc lập được lập trình bằng C# trên nền tảng Visual Studio 2022, kết nối truyền nhận dữ liệu trực tiếp với PLC qua mạng nội bộ.
   • Giao diện SCADA được xây dựng bằng Siemens WinCC Unified, tổ chức thành các màn hình chức năng chuyên biệt: CONTROL (điều khiển chế độ hoạt động), TEMPERATURE (giám sát biểu đồ nhiệt độ), AUTO SETUP (cài đặt thông số chu kỳ tự động), WEIGH (hiển thị khối lượng vật nuôi), và ALARM (quản lý cảnh báo sự cố, tự động xuất lịch sử ra tệp tin định dạng Excel).
   • Hạ tầng truyền thông từ xa được thiết lập bằng cách cấu hình NAT Port (mở cổng dịch vụ HTTPS 443) trên thiết bị định tuyến mạng Viettel, tạo và nạp chứng chỉ số bảo mật (Security Certificate) cho máy tính chủ và môi trường Runtime, cố định địa chỉ IP máy trạm (PC-System), cho phép trình duyệt truy cập an toàn qua mạng Internet công cộng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài dựa trên thực trạng ngành chăn nuôi heo thịt hiện nay. Tác giả phân tích sự khác biệt giữa môi trường sinh thái hoang dã và môi trường chăn nuôi công nghiệp tập trung, chỉ rõ sự phụ thuộc của năng suất chăn nuôi vào việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và dinh dưỡng. Mục tiêu nghiên cứu được xác lập xoay quanh việc ứng dụng PLC S7-1200 và SCADA WinCC Unified để giảm chi phí nhân công, số hóa công tác quản lý chuồng trại. Chương này cũng phân định rõ đối tượng nghiên cứu gồm các hệ thống thành phần (cấp thức ăn, chiếu sáng, sưởi ấm, cấp nước, tắm và vệ sinh sàn), các thiết bị cảm biến, khối chấp hành và phạm vi giới hạn của mô hình thực nghiệm trong quy mô phòng lab.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở sinh học và kỹ thuật phục vụ quá trình thiết kế hệ thống. Về mặt sinh học, chương hệ thống hóa các giai đoạn phát triển của heo lấy thịt: giai đoạn heo con (0-2 tháng tuổi), giai đoạn cai sữa (2-3 tháng tuổi), giai đoạn nuôi heo thịt (3-6 tháng tuổi), giai đoạn trưởng thành (6-9 tháng tuổi) và giai đoạn chuẩn bị xuất chuồng (từ 9 tháng tuổi trở đi). Tác giả dẫn chứng đàn heo thịt chiếm tỷ lệ từ 65% đến 80% tổng đàn trong một cơ sở chăn nuôi, giữ vai trò quyết định đến hiệu quả kinh tế.

Các thông số quy chuẩn sinh học được tổng hợp trong các bảng đối chiếu:

• Tăng trọng và khối lượng: Heo lai đạt mức tăng trọng trung bình 500 - 550 g/ngày, heo ngoại đạt 600 - 700 g/ngày.
• Khẩu phần dinh dưỡng hàng ngày: Heo trọng lượng 20 - 30 kg tiêu thụ 1.5 kg thức ăn/con/ngày; từ 31 - 60 kg tiêu thụ 1.3 kg thức ăn/con/ngày; từ 61 - 100 kg cần 2.3 - 3.0 kg thức ăn/con/ngày.
• Ngưỡng nhiệt độ môi trường sống: Giai đoạn 10 - 20 kg thích ứng nhiệt độ 23 - 28°C; 20 - 40 kg thích ứng 20 - 23°C; 40 - 60 kg thích ứng 18 - 23°C; từ 60 kg trở lên thích ứng 17 - 21°C.

Về mặt công nghệ, chương phân tích các giải pháp quản lý đàn vật nuôi (mã QR, RFID, chip cấy dưới da); giới thiệu cấu trúc phần cứng các dòng CPU của PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C bộ nhớ 50KB, CPU 1212C bộ nhớ 75KB, CPU 1214C bộ nhớ 100KB, CPU 1215C bộ nhớ 125KB, CPU 1217C bộ nhớ 150KB); nguyên lý truyền thông Profinet, kiến trúc phần mềm TIA Portal, PLC SIM và nền tảng WinCC Unified.

Khối lượng heo	Khẩu phần thức ăn (kg/con/ngày)	Ngưỡng nhiệt độ chuồng nuôi tối ưu (°C)
10 – 20 kg	1.5 (cho nhóm 20-30 kg)	23 – 28
20 – 40 kg	1.3 (cho nhóm 31-60 kg)	20 – 23
40 – 60 kg	1.3 – 2.3	18 – 23
> 60 kg	2.3 – 3.0	17 – 21

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế phần cứng và phần mềm của mô hình. Tác giả tiến hành thiết kế mô hình cơ khí 3D và cấu trúc tủ điện phân phối thông qua phần mềm SolidWorks. Sơ đồ khối chức năng được phân tách cụ thể: khối điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC, khối phản hồi tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ PT100, cảm biến vật cản E3F-DS30P1, loadcell 3kg (kèm mạch JY-S60) và công tắc phao. Khối chấp hành kết nối động cơ bước 42 qua mạch điều khiển, động cơ bơm nước 12VDC, quạt hút, đèn chiếu sáng và đèn sưởi hồng ngoại JIU SHUO.

Chương này công bố chi tiết sơ đồ đấu nối chân I/O số (DI/DO), ngõ vào tương tự (AI) của PLC và sơ đồ mạch động lực đóng cắt qua rơ-le trung gian MY2N-24VDC. Về mặt logic, chương lập bảng sơ đồ thuật toán vận hành cho hai chế độ Manual và Auto, lưu đồ thuật toán phân giải mã QR và sơ đồ liên kết giữa trạm máy chủ WinCC Unified Local với các thiết bị máy khách (Client).

Chương 4: Thi công mô hình

Chương 4 mô tả toàn diện quá trình thi công thực tế tại xưởng: chế tạo khung giá đỡ, gia công lắp ráp băng tải cơ khí, máng ăn, đường ống cấp thoát nước và bố trí hệ thống thiết bị trong tủ điện điều khiển công nghiệp. Trên phương diện điều khiển số, tác giả trình bày các bước thiết kế phần mềm giao diện quét mã QR trên Microsoft Visual Studio 2022 và xây dựng các màn hình chức năng SCADA trong môi trường TIA Portal.

Đặc biệt, chương này chi tiết hóa quy trình đưa giao diện WinCC Unified lên mạng Internet diện rộng thông qua kỹ thuật NAT Port cổng 443 trên thiết bị định tuyến Viettel, các bước cài đặt chứng chỉ xác thực bảo mật HTTPS cho hệ điều hành máy tính và gói dịch vụ Runtime, cấu hình gán địa chỉ IP cho PC-System. Cuối chương, nhóm tác giả đưa ra tài liệu hướng dẫn thiết kế chuồng trại thực tế, tính toán thiết bị công nghiệp quy mô lớn và quy trình kiểm tra bảo trì định kỳ.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả kiểm nghiệm hoạt động của mô hình thực tế. Mô hình hoàn chỉnh được đưa vào vận hành thử nghiệm ở cả hai chế độ bằng tay và tự động. Hệ thống cấp thức ăn bằng băng tải mini vận hành chuẩn xác theo thời gian đặt trước; hệ thống cấp nước ngắt mở tự động dựa trên tín hiệu phao báo mức; hệ thống nhiệt độ chuồng nuôi duy trì trong ngưỡng cài đặt nhờ sự phối hợp giữa cảm biến PT100, quạt hút làm mát và đèn sưởi ấm hồng ngoại. Tín hiệu cân nặng từ loadcell 3kg được khuếch đại qua module JY-S60 đưa về PLC hiển thị sai số nhỏ trên giao diện SCADA.

Hệ thống SCADA trên WinCC Unified thu thập đầy đủ dữ liệu thời gian thực trên các màn hình chức năng: CONTROL, TEMPERATURE, AUTO SETUP, WEIGH, đồng thời cửa sổ ALARM ghi nhận đầy đủ sự cố và trích xuất thành công nhật ký hoạt động ra tệp dữ liệu Excel. Thao tác điều khiển và giám sát từ xa thông qua trình duyệt web trên Internet được xác nhận hoạt động ổn định.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp: thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, xây dựng tủ điện đạt tiêu chuẩn an toàn, viết chương trình điều khiển trung tâm trên PLC S7-1200 đảm bảo vận hành nhịp nhàng các phân hệ chuồng trại, và hoàn thiện giao diện SCADA WinCC Unified có khả năng giám sát trực tuyến qua mạng Internet. Từ những kết quả đạt được, chương vạch ra các định hướng phát triển nhằm nâng cấp hệ thống phục vụ chuyển giao công nghệ cho các cơ sở chăn nuôi quy mô thương mại.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

1. Thi công hoàn chỉnh mô hình vật lý chuồng nuôi heo thịt tự động và tủ điện điều khiển công nghiệp, tích hợp đầy đủ các cơ cấu chấp hành (băng tải cấp thức ăn động cơ bước 42, bơm nước mini 12VDC, quạt làm mát, đèn LED bulb, đèn hồng ngoại JIU SHUO) và các cảm biến công nghiệp (PT100, loadcell 3kg kèm mạch JY-S60, cảm biến quang E3F-DS30P1, công tắc phao).
2. Lập trình điều khiển logic hoàn chỉnh trên PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, xử lý mượt mà cả hai chế độ Auto và Manual cho toàn bộ các quy trình chăm sóc vật nuôi theo dữ liệu sinh học thực tế.
3. Thiết lập giao diện điều khiển SCADA trên WinCC Unified với đầy đủ các màn hình chuyên biệt (CONTROL, TEMPERATURE, AUTO SETUP, WEIGH, ALARM), tích hợp cơ chế trích xuất dữ liệu cảnh báo ra file Excel và truyền thông thời gian thực qua giao thức Profinet.
4. Triển khai thành công ứng dụng quét mã QR viết trên nền tảng Visual Studio 2022 để quản lý lý lịch vật nuôi (tháng tuổi, vị trí ô chuồng, lịch tiêm phòng, cân nặng) và cấu hình thành công việc mở cổng NAT Port 443 trên router Viettel kết hợp cài đặt chứng chỉ Runtime, giúp hệ thống có thể được giám sát an toàn từ bất kỳ trình duyệt web nào thông qua Internet.

Về mặt giải pháp, tác giả đề xuất việc kết hợp thu gom thức ăn dư thừa sau chu kỳ ăn nhằm tránh lãng phí, đồng thời kiến nghị ứng dụng công nghệ hầm Biogas để xử lý phân và chất thải hữu cơ sinh học, thu hồi khí methane phục vụ ngược lại nhu cầu năng lượng của trang trại. Đóng góp của đề tài là việc số hóa toàn diện một quy trình chăn nuôi heo truyền thống thành mô hình tự động hóa khép kín sử dụng thiết bị công nghiệp chuẩn mực, cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính khả thi từ phần cơ khí, sơ đồ điện, giải thuật lập trình đến cấu hình SCADA trên nền tảng web thế hệ mới.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Nghiên cứu và thử nghiệm mới dừng lại ở quy mô mô hình nhỏ trong phòng thí nghiệm; các linh kiện và thiết bị cơ cấu chấp hành chủ yếu là dòng công suất nhỏ (động cơ mini, băng tải tải trọng nhẹ), chưa phản ánh hết các điều kiện khắc nghiệt và tải trọng lớn trong môi trường trang trại thực tế.
• Các chế độ vận hành được thiết lập ở mức độ cơ bản, chưa tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi phức tạp đối với các biến động thất thường của thời tiết tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả xác định:

• Nâng cấp mô hình lên quy mô trang trại thực tế với các thiết bị công nghiệp công suất lớn, hệ thống quạt thông gió công nghiệp và giàn lạnh làm mát tuần hoàn.
• Tích hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy tính nhằm tự động nhận diện hành vi, phát hiện sớm dấu hiệu bệnh tật của đàn heo mà không cần can thiệp vật lý.
• Mở rộng giao thức truyền thông IoT công nghiệp để lưu trữ dữ liệu lớn (Big Data) trên nền tảng đám mây và tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng của trang trại.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực hành cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Nông nghiệp Công nghệ cao và Kỹ thuật Điện - Điện tử.

Nội dung đồ án cung cấp các thông tin ứng dụng giá trị:

• Sinh viên làm đồ án tốt nghiệp có thể tham khảo phương pháp kết nối phần cứng chi tiết của PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC với các cảm biến analog (PT100 qua bộ chuyển đổi tín hiệu 0-10V, loadcell vi sai qua mạch khuếch đại JY-S60) và cách ly tín hiệu điều khiển bằng relay MY2N-24VDC.
• Kỹ sư tự động hóa có thể tham khảo trực tiếp quy trình lập trình SCADA trên nền tảng WinCC Unified, đặc biệt là kỹ thuật NAT Port 443, tạo chứng chỉ bảo mật và cấu hình WebUX để đưa giao diện điều khiển lên mạng Internet công cộng mà không cần cài đặt phần mềm bên thứ ba trên máy khách.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại PLC nào và vì sao loại PLC đó đáp ứng được yêu cầu của hệ thống?
Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 với mã CPU 1214C DC/DC/DC. Dòng CPU này sở hữu bộ nhớ làm việc 100KB, tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet, 14 ngõ vào số, 10 ngõ ra số và 2 ngõ vào tương tự (AI) 0-10V. Cấu hình này đáp ứng đầy đủ số lượng thiết bị cảm biến và rơ-le điều khiển chấp hành của mô hình mà không cần lắp thêm module mở rộng, giúp tối ưu chi phí phần cứng.

2. Tín hiệu cân nặng của heo được thu thập và xử lý qua PLC bằng cách nào?
Hệ thống sử dụng một cảm biến lực Loadcell tải trọng 3kg để đo khối lượng. Do tín hiệu điện áp từ Loadcell rất nhỏ (mili-volt), tác giả sử dụng mạch khuếch đại vi sai chuyên dụng JY-S60 để khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu sang dạng điện áp tương tự (Analog 0-10VDC) trước khi đưa vào chân ngõ vào AI của PLC S7-1200 nhằm thực hiện giải thuật nội suy khối lượng hiển thị lên SCADA.

3. Nhiệt độ chuồng nuôi được điều khiển tự động dựa trên những cơ cấu chấp hành nào?
Nhiệt độ môi trường được theo dõi liên tục thông qua cảm biến RTD PT100 gắn bộ chuyển đổi tín hiệu. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt trên giao diện AUTO SETUP, PLC sẽ kích hoạt quạt thông gió để hút khí nóng ra ngoài và làm mát chuồng. Ngược lại, khi nhiệt độ môi trường xuống thấp hơn ngưỡng sinh lý tối ưu của đàn heo, PLC sẽ tự động đóng tiếp điểm rơ-le để bật bóng đèn sưởi ấm hồng ngoại JIU SHUO.

4. Dữ liệu giám sát SCADA được đưa lên mạng Internet bằng giải pháp kỹ thuật gì?
Hệ thống sử dụng phần mềm WinCC Unified của Siemens vận hành trên nền tảng Web HTML5. Để người quản lý có thể giám sát từ xa qua Internet, tác giả đã mở cổng NAT Port (cổng 443) trên thiết bị định tuyến mạng Viettel, khởi tạo và cài đặt chứng chỉ xác thực số (Security Certificate) cho máy trạm và gói WinCC Unified Runtime, đồng thời gán địa chỉ IP tĩnh cho PC-System.

5. Lịch sử cảnh báo và sự cố được xử lý và lưu trữ như thế nào trên hệ thống SCADA?
Trên giao diện SCADA của WinCC Unified, tác giả thiết kế cửa sổ chức năng ALARM chuyên trách hiển thị các thông báo sự cố (như nhiệt độ vượt ngưỡng, cạn bồn nước). Hệ thống được lập trình tính năng tự động ghi nhận và xuất trực tiếp toàn bộ dữ liệu lịch sử cảnh báo này ra tệp bảng tính định dạng Excel, phục vụ công tác thống kê và đánh giá an toàn sinh học của trang trại.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình chăn nuôi heo bằng PLC S7-1200" của hai sinh viên Trương Văn Quang và Hồ Sỹ Dũng đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa các quy trình chăm sóc heo thịt theo các tiêu chuẩn sinh lý thực nghiệm. Hệ thống điều khiển trung tâm dựa trên PLC Siemens S7-1200 kết hợp cùng nền tảng SCADA WinCC Unified hiện đại cho phép vận hành nhịp nhàng các phân hệ cho ăn, cấp nước, điều hòa nhiệt độ, tắm và vệ sinh sàn. Giải pháp truyền thông thời gian thực và giám sát qua Internet bằng công nghệ Web đã chứng minh tính hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến vào việc chuyển đổi số mô hình chuồng trại nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài. Trình bày các nội dung, mục tiêu đề tài và đối tượng nghiên cứu. - Chương 2: Cơ sở lí thuyết. Mô tả các đối tượng trong trạng trại chăn nuôi heo.

- Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình. Trình bày các sơ đồ đấu dây, các bị điện trong hệ thống. - Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển. Trình bày thuật toán, lưu đồ.

Nguyên lý hoạt động của các thiết bị phần cứng trong hệ thống. Quy trình xây dựng giao diện giám sát mô hình Website. - Chương 5: Kết quả nhận xét và đánh giá. Trình bày các vấn đề, kết quả đạt được và nhận xét.

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Trình bày kết luận và hướng phát triển. Trang | 25 Báo cáo đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2. Tổng quan đề tài Môi trường sinh thái của heo rất đa dạng và có thể thay đổi tùy theo loại hình chăn nuôi và điều kiện sống của chúng.

Một số yếu tố chính trong môi trường sinh thái của heo bao gồm: - Môi trường nuôi dưỡng: Các trạng trại heo thường sống trong chuồng kín, nơi có thể kiểm soát được nhiệt độ, độ ẩm và vệ sinh. Trong môi trường quá nóng hoặc quá lạnh, chúng có thể gặp khó khăn trong việc duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định, do đó cần có các biện pháp điều chỉnh nhiệt độ như quạt, máy sưởi hoặc làm mát. Độ ẩm quá cao có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe như bệnh ngoài da, hô hấp. Vì vậy, việc làm sạch chuồng trại là rất quan trọng.

- Thức ăn và nước uống: Heo cần thức ăn đa dạng, bao gồm ngũ cốc (ngô, lúa mì, gạo), rau củ, và các phụ phẩm từ thực vật hay động vật. Chế độ ăn uống cần cung cấp đủ chất dinh dưỡng như protein, vitamin và khoáng chất. - Các yếu tố sinh học: Heo dễ mắc các bệnh truyền nhiễm, do đó chúng cần được tiêm phòng và chăm sóc y tế hợp lý để phòng ngừa dịch bệnh. - Tác động của con người: Heo là loài động vật quan trọng trong ngành chăn nuôi và sản xuất thực phẩm.

Con người đã tạo ra môi trường nuôi dưỡng riêng biệt với các trang trại hiện đại, giúp bằng năng suất và kiểm soát các yếu tố môi trường. Tuy nhiên, các hoạt động chăn nuôi heo có thể gây ra các vấn đề về môi trường như ô nhiễm nước và không khí nếu không được quản lý tốt. Với đề tài trang trại heo của nhóm thực hiện là hệ thống áp dụng tự động hóa sử dụng PLC S7-1200 để điều khiển và giám sát. Dựa trên các yếu tố tác động môi trường sinh thái của heo, nhóm thiết kế hệ thống phù hợp đảm bảo heo có thể phát triển tốt nhất.

Bên cạnh đó, các chức năng như chạy thời gian thực, các tín hiệu điều khiển vào/ra, tương tự,… giúp công việc ở trang trại trở nên dễ dàng hơn, tiết kiệm nguồn lực nhân công, chi phí. Hệ thống giám sát, giao tiếp PLC qua Ethernet, đồng bộ dữ liệu và có thể giám sát mọi nơi. Trang | 26 Báo cáo đồ án tốt nghiệp 2. Kỹ thuật chăn nuôi heo lấy thịt 2.

Các giai đoạn nuôi heo Các giai đoạn sinh trưởng của heo lấy thịt: - Giai đoạn heo con: Độ tuổi từ 0 đến 2 tháng tuổi. Tốc độ phát triển ở giai đoạn này nhanh về cơ bắp và trọng lượng. Heo trong giai đoạn này cần được tiêm vaccine để phòng ngừa bệnh dịch tả heo, tụ huyết trùng,. Lúc này hệ miễn dịch đang gần hoàn thiện.

Các đồ ăn giai đoạn này chuyển từ sữa mẹ sang thức ăn rắn, gồm cám heo con, ngũ cốc và các đồ hỗ trợ miễn dịch .