GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỨC ĂN CHĂN NUÔI
Thức ăn chăn nuôi công nghiệp
Chăn nuôi đóng vai trò quan trọng trong đời sống, cung cấp thực phẩm và nguyên liệu cho ngành chế biến Tại Việt Nam, ngành chăn nuôi ngày càng gia tăng đóng góp vào tổng GDP của nông nghiệp, với tỷ lệ từ 22,6% đến 25,5% trong giai đoạn 2005-2010 và từ 25% đến 27% trong giai đoạn 2010-2016.
Chi phí thức ăn trong chăn nuôi chiếm từ 60-70% tổng giá thành sản phẩm, do đó, giá thành thức ăn chăn nuôi có ảnh hưởng trực tiếp đến các hộ chăn nuôi và tác động đến đời sống xã hội.
Thức ăn cho gia súc cần đáp ứng đầy đủ nhu cầu dinh dưỡng và tiêu hóa, đồng thời không chứa chất độc hại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Thức ăn tự nhiên hiện chưa đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng đa dạng theo chức năng và lứa tuổi của gia súc, gia cầm Do đó, với nhu cầu ngày càng cao về chất lượng thịt và sản phẩm chăn nuôi, việc sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp đang trở thành xu hướng thay thế cho thức ăn chăn nuôi truyền thống.
Thức ăn chăn nuôi công nghiệp là hỗn hợp thức ăn đã được làm sạch và nghiền nhỏ đến kích thước mong muốn, sau đó được trộn theo một công thức cụ thể Đây là loại thức ăn được chế biến và sản xuất bằng các phương pháp công nghiệp hiện đại.
Chăn nuôi bằng thức ăn công nghiệp mang lại hiệu quả tiết kiệm đáng kể so với phương pháp cho ăn truyền thống, với khả năng giảm từ 40-45% lượng thức ăn cần thiết cho mỗi kilogram sản phẩm chăn nuôi.
Bảng 1.1 Hiệu quả sử dụng thức ăn chăn nuôi truyền thống và thức ăn chăn nuôi công nghiệp
STT Sản phẩm chăn nuôi (1 kg)
Tỷ lệ sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp tại Việt Nam hiện đạt khoảng 50%, một con số chỉ ở mức trung bình so với toàn cầu Việc này phản ánh ảnh hưởng của ngành chăn nuôi trong nước.
Một trong những nguyên nhân chính khiến các hộ chăn nuôi truyền thống ở Việt Nam không sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp là do giá thành của loại thức ăn này còn cao.
Phân loại thức ăn chăn nuôi theo dạng thức ăn:
Khái quát tình hình sản xuất thức ăn chăn nuôi công nghiệp ở Việt Nam
Kể từ những năm 90, ngành chế biến thức ăn chăn nuôi tại Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ, đồng hành cùng sự tăng trưởng của ngành chăn nuôi Trung bình, tổng sản lượng thức ăn chăn nuôi tăng khoảng 16,6% mỗi năm.
Bảng 1.2 Ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam giai đoạn 2008 – 2016 Đơn vị: nghìn tấn
Năm Thức ăn hỗn hợp
Tổng số (quy tương đương thức ăn hỗn hợp)
Hình 1.1 Mô hình trộn thức ăn cho gà
Theo Hiệp hội Chăn nuôi Việt Nam, năm 2007 có 214 nhà máy chế biến thức ăn gia súc gia cầm, tăng lên 225 nhà máy vào năm 2008, cung cấp 8-9 triệu tấn thức ăn chăn nuôi cho thị trường Khu vực đồng bằng sông Hồng và Đông Nam Bộ là hai vùng sản xuất lớn nhất cả nước, đóng góp lần lượt 45,8% và 28,9% tổng số nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi.
Ngành chăn nuôi hiện đang đối mặt với vấn đề tăng giá thức ăn chăn nuôi, chủ yếu do sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô nhập khẩu như ngô và đậu tương, cùng với thuế nhập khẩu cao và năng suất thấp Giá thức ăn chăn nuôi tăng cao đã ảnh hưởng trực tiếp đến các hộ chăn nuôi, làm gia tăng chi phí sản xuất, trong khi giá sản phẩm chăn nuôi không thể bù đắp cho sự gia tăng này.
Nhu cầu thức ăn chăn nuôi công nghiệp
Mỗi năm, nhu cầu thức ăn chăn nuôi trong nước đạt khoảng 17-18 triệu tấn, trong khi sản xuất chỉ đáp ứng gần 50%, tương đương 6 triệu tấn cho gia súc gia cầm và 2,4 triệu tấn cho thủy sản Phần còn lại chủ yếu do các hộ chăn nuôi tự cung cấp.
Mỗi năm, Việt Nam sản xuất 8,5 triệu tấn thức ăn chăn nuôi công nghiệp, nhưng phải nhập khẩu 3,7 triệu tấn nguyên liệu từ 72 quốc gia, với tổng kim ngạch vượt 2 tỷ USD vào năm 2009 Giá thức ăn chăn nuôi công nghiệp tại Việt Nam cao hơn từ 10-15% so với các nước trong khu vực như Thái Lan và Trung Quốc.
Nhu cầu bức thiết về việc xây dựng vùng trồng nguyên liệu cho sản xuất thức ăn chăn nuôi đang gia tăng, đồng thời cần phát triển thêm nhiều nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi để đáp ứng yêu cầu thị trường.
Quy trình công nghệ dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi
Quy trình công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi bao gồm các bước chính như chuẩn bị nguyên liệu thô, định lượng nguyên liệu và vi lượng, trộn đều các thành phần sau khi nghiền, và cân đóng bao sản phẩm Có nhiều phương án và giải pháp kỹ thuật cho công đoạn chế biến, với dây chuyền thiết bị tiên tiến giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Các doanh nghiệp sẽ lựa chọn quy trình và máy móc cụ thể dựa trên tính chất cơ lý của nguyên liệu, yêu cầu chất lượng sản phẩm và khả năng tài chính của mình.
Một số yêu cầu tự động hóa trong dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi
Việc ứng dụng công nghệ tự động hoá trong dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất lao động của nhà máy, từ đó giảm giá thành sản phẩm Điều này không chỉ thúc đẩy sản xuất mà còn tăng khả năng cạnh tranh cho sản phẩm chăn nuôi Việt Nam trên thị trường.
Sự tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã nâng cao mức độ tự động hóa trong dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi Để ứng dụng công nghệ tự động hóa hiệu quả trong quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi, cần đáp ứng một số yêu cầu nhất định.
- Tự động cảnh báo cấp liệu
- Công thức chế biến phải lưu được trong bộ nhớ dưới dạng mã hoá để đảm bảo tính bảo mật
Để tối ưu hóa quy trình sản xuất, cần phối hợp hiệu quả các công đoạn và lựa chọn chế độ làm việc của máy móc, nhằm giảm thiểu thời gian chuyển đổi giữa các mẻ sản xuất.
- Tự động định lượng các nguyên liệu đa lượng với sai số dưới 1% và nguyên liệu vi lượng với sai số dưới 0,5%
- Điều khiển tự động hoạt động cấp liệu vào máy nghiền, hệ thống hút và lọc bụi
- Tự động cân định lƣợng và cân đóng bao sản phẩm
Hệ thống cảnh báo và xử lý an toàn là rất cần thiết, đặc biệt là tại những khâu có nguy cơ xảy ra sự cố cao, như máy nghiền.
Hệ thống cần có chức năng theo dõi và quản lý hoạt động hiệu quả, bao gồm việc lưu trữ dữ liệu và xử lý công việc kinh doanh Điều này giúp nắm bắt khối lượng nguyên liệu trong từng mẻ chế biến, kiểm soát sai số thực tế trong quá trình cân, cũng như theo dõi số lượng bao thành phẩm.
Phân tích quy trình công nghệ, thiết bị của dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi
Hoạt động của dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi trên có thể chia làm 5 công đoạn lần lƣợt là:
- Công đoạn nghiền nguyên liệu
- Công đoạn ép tạo viên
- Công đoạn cân đóng bao sản phẩm
Công đoạn chuẩn bị cho quá trình nghiền là rất quan trọng, trong đó nguyên liệu được nhập từ một hãng trung gian đã qua xử lý để loại bỏ tạp chất và kim loại Mỗi ca sản xuất bắt đầu bằng việc tập kết nguyên liệu vào phễu nạp liệu, với từng loại nguyên liệu được đưa vào các phễu cấp liệu riêng biệt.
Nguyên liệu dạng bột sẽ được đưa vào phễu cấp liệu mịn, sau đó được vận chuyển bằng vít tải và gầu tải Tiếp theo, van tám hướng phân phối sẽ chuyển nguyên liệu tới thùng chứa trước khi đến thùng cân định lượng.
Nguyên liệu khô dạng hạt và lát được đưa vào phễu cấp liệu thô Các nguyên liệu như sắn, xương cục hoặc bánh cứng được đổ vào phễu cấp liệu của máy đập sắn, sau đó chảy vào phễu cấp liệu thô Từ đây, các nguyên liệu này sẽ được vận chuyển lên thùng trước máy nghiền.
Yêu cầu đối với côn đoạn nạp liệu
Trong khi cấp liệu cần phải nhận biết đƣợc lƣợng nguyên liệu trong các thùng chứa để cảnh báo thùng đầy hay hết nguyên liệu
Quá trình trộn nguyên liệu nhằm tạo ra một hỗn hợp đồng nhất và đầy đủ dinh dưỡng Đặc điểm của quá trình này là sự chênh lệch tỷ lệ giữa các nguyên liệu, với một số nguyên liệu chiếm tỷ lệ lớn và một số khác chiếm tỷ lệ nhỏ Do đó, để đảm bảo độ đồng đều của hỗn hợp, việc trộn cần được thực hiện theo mẻ.
Để chuẩn bị cho một mẻ trộn, hệ thống cân định lượng sẽ tiến hành cân các thành phần nguyên liệu theo mã hàng đã được xác định trước Mỗi loại nguyên liệu sẽ được cân đủ số lượng trước khi chuyển sang loại nguyên liệu tiếp theo Sau khi hoàn tất quá trình cân, nguyên liệu sẽ được đưa xuống thùng trung gian để tiếp tục quy trình sản xuất.
Sau khi cân, nguyên liệu sẽ được đưa vào thùng chứa trước máy trộn, tùy thuộc vào từng loại sản phẩm thức ăn Ngoài ra, nguyên liệu có thể được trộn thêm phụ gia tại máy trộn mật mỡ, với phụ gia được định lượng bởi hệ thống cân định lượng riêng biệt.
Quá trình trộn diễn ra liên tục theo mẻ trong máy trộn ngang với khối lượng 1500kg/mẻ, thời gian mỗi mẻ khoảng 7 đến 8 phút Nhờ đó, năng suất tối đa của máy trộn đạt từ 11 đến 12 tấn/giờ Sau khi hoàn thành, nguyên liệu được xả xuống phễu chứa bên dưới, tạo ra thức ăn hỗn hợp đậm đặc, có thể được đưa đi ép viên hoặc đóng bao.
Trong dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi, công đoạn phối trộn hỗn hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng thức ăn Nghiên cứu cho thấy, nếu độ trộn đều dưới 90%, mức tăng trọng của gà và lợn có thể giảm từ 5 – 10% Độ trộn đều phụ thuộc vào loại vật nuôi và độ tuổi của chúng, do đó, việc đảm bảo tiêu chí này là rất cần thiết để đánh giá chất lượng thức ăn chăn nuôi.
- Sai số cân định lượng nguyên liệu cho phép dưới 5% và với cân định lượng phụ gia là 1,5%
- Thời gian một mẻ trộn có thể điều chỉnh từ 7÷8 phút với từng loại sản phẩm, dựa theo kinh nghiệm của người vận hành
- Máy trộn phải có thể trộn nhiều dạng hỗn hợp (nhƣ khô, ẩm, …)
- Năng suất trộn cao và mức tiêu thụ điện năng của máy trộn thấp
Máy trộn được phân loại thành nhiều loại và kiểu dáng khác nhau, nhưng có thể đơn giản hóa thành ba cách phân loại chính: theo cách bố trí bộ phận làm việc, có máy trộn ngang và máy trộn đứng; theo cấu tạo bộ phận trộn, bao gồm máy trộn cánh đảo, máy trộn băng xoắn và máy trộn kiểu vít xoắn Trong ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi, máy trộn cánh đảo thường được sử dụng để trộn nhiều loại hỗn hợp khác nhau.
Các yêu cầu điều khiển và giám sát
Hệ thống tự động hóa không chỉ cần xử lý các bài toán công nghệ mà còn phải đáp ứng các yêu cầu thực tiễn như xử lý sự cố, thay đổi nguyên liệu và yếu tố thời tiết Do đó, hệ điều khiển cần được trang bị các chức năng bổ sung để đảm bảo hoạt động hiệu quả trong mọi tình huống.
Đặt chế độ làm việc
Hệ thống điều khiển cần có chức năng đặt chế độ làm việc để đáp ứng các tình huống mà người vận hành phải can thiệp, đặc biệt trong các khâu không thể tự động hóa Khi khởi động hoặc gặp sự cố, hệ thống cần chuyển sang chế độ bán tự động hoặc vận hành bằng tay Do đó, việc cho phép lựa chọn chế độ hoạt động tự động hoặc thủ công cho từng khâu là rất quan trọng.
Thiết lập tham số cho các bộ điều khiển
Việc thiết lập tham số cho các bộ điều khiển là rất quan trọng để phù hợp với sự đa dạng của nguyên liệu và sản phẩm Điều này giúp dễ dàng điều chỉnh các tham số cần thiết, cho phép hệ thống hoạt động linh hoạt và phản ứng hiệu quả với các biến động bên ngoài.
Thiết lập giá trị đặt cho hệ thống điều khiển
Giá trị của hệ thống điều khiển cần được điều chỉnh linh hoạt bởi người vận hành, do sự đa dạng trong sản xuất và các yếu tố như nguyên liệu, thời tiết luôn thay đổi.
8 động khi đó các giá trị đặt ngày hôm nay có thể sẽ không còn cho chất lƣợng nhƣ mong đợi trong ngày mai
Trong dây chuyền sản xuất, có thể thiết lập các giá trị yêu cầu như: dòng định mức của máy nghiền, mã trộn, số mẻ cân, khối lượng các loại phụ gia và số cân đóng bao.
1.6.2 Tự độn hóa cân định lượng
Bài viết đề cập đến việc tự động hóa quy trình cân định lượng nguyên liệu sau khi nghiền, cũng như tự động hóa hệ thống cân định lượng vi lượng Có hai nguyên tắc chính trong cân định lượng là định lượng đồng thời và định lượng cộng dồn.
Trong quá trình trộn nguyên liệu, mỗi loại nguyên liệu cần có một khối lượng nhất định theo tiêu chuẩn Nguyên tắc cân định lượng cộng dồn được áp dụng, trong đó từng loại nguyên liệu sẽ được cân và cho vào thùng chứa khi đạt đủ khối lượng, tiếp theo là nguyên liệu kế tiếp, và quy trình này tiếp tục cho đến khi hoàn tất với nguyên liệu cuối cùng.
Hình 1.2 Nguyên lý cân định lượng
Cân cộng dồn yêu cầu thời gian định lượng lớn hơn so với nguyên tắc định lượng đồng thời nhiều loại nguyên liệu, ảnh hưởng đến năng suất dây chuyền nhưng lại có chi phí đầu tư thiết bị thấp hơn Để tối ưu hóa năng suất hệ thống, việc cân nguyên liệu nên diễn ra trong khi máy trộn hoạt động, giúp giảm thời gian chờ đợi giữa các mẻ Phương pháp này cải thiện hiệu suất so với cách truyền thống, nơi cân xong mới cho máy trộn hoạt động Để nâng cao năng suất và độ chính xác, cần kết hợp hai yếu tố: cân chính xác và tiết kiệm thời gian, thông qua hai mức tốc độ khi cân Giai đoạn đầu sẽ cân nhanh, sau đó giảm tốc độ khi gần đạt yêu cầu, điều này có thể điều chỉnh bằng biến tần Sử dụng thiết bị thùng cân, cảm biến loadcell, bộ khuyếch đại tín hiệu và máy tính, ta có thể xây dựng hệ thống cân định lượng hiệu quả.
Hình 1.3 Sơ đồ hệ cân định lượng phối trộn
Hệ cân định lượng nguyên liệu và hệ cân định lượng các thành phần vi lượng khác nhau ở yêu cầu về khối lượng và độ chính xác Đối với các thành phần vi lượng, khối lượng yêu cầu thấp hơn nhưng độ chính xác phải cao hơn.
1.6.3 Các yêu cầu giám sát Để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động tốt thì còn cần phải giám sát thường xuyên Giám sát hệ thống nhằm mục đích nắm bắt tình hình sản xuất, theo dõi sự hoạt động của hệ thống, phát hiện và cảnh báo các sự cố để xử lý kịp thời
Các hệ thống giám sát
Hệ thống giám sát cho phép theo dõi và quan sát hoạt động của dây chuyền sản xuất một cách trực quan Để đảm bảo hiệu quả, cần chú ý đến các thông số cơ bản như lượng nguyên liệu trong thùng, tình trạng hoạt động của các động cơ, số lượng mẻ sản xuất và số bao sản phẩm hoàn thành.
Hệ thống cảnh báo đóng vai trò quan trọng trong các hệ tự động hóa, giúp phát hiện và thông báo các nguy cơ, nguy hiểm, từ đó đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hoạt động của hệ thống Trong dây chuyền sản xuất, cần thiết phải cảnh báo những sự kiện như quá tải dòng máy nghiền và lượng nguyên liệu trong thùng chứa.
Hệ thống lưu trữ dữ liệu
Lưu trữ dữ liệu và lập báo cáo là yếu tố quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý cấp cao và đưa ra quyết định sản xuất cho lãnh đạo công ty Hệ thống lưu trữ dữ liệu là cần thiết cho mọi nhà máy.
Lựa chọn các giải pháp
Bộ điều khiển quá trình công nghệ bằng PLC S7 – 300
Hệ thống dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi có quy mô vừa với yêu cầu điều khiển phức tạp, bao gồm nhiều bài toán cần giải quyết và yêu cầu cao về độ chính xác, tính ổn định, thời gian tác động và an toàn Ngoài ra, hệ thống còn phải đáp ứng nhu cầu quản lý như giám sát, lưu trữ dữ liệu, lập báo cáo, cũng như phát triển, nâng cấp và giảm thiểu chi phí Để đáp ứng những yêu cầu này, giải pháp lựa chọn là sử dụng PLC S7-300 Câu hỏi đặt ra là tại sao không chọn giải pháp từ hãng khác và lý do chọn S7-300 với nhiều tính năng vượt trội hơn được phân tích trong bài viết này.
- Căn cứ trên bảng thống kê số lƣợng đầu vào ra cần thiết
PLC S7-300 cùng với các thiết bị hỗ trợ đã được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam trong thời gian dài Nó có khả năng tích hợp dễ dàng với WinCC, tạo ra một công cụ hiệu quả cho cả điều khiển và giám sát.
Việc sử dụng rộng rãi đã dẫn đến sự hình thành nhiều trung tâm đào tạo, tạo điều kiện thuận lợi cho việc huấn luyện, sử dụng và phát triển hệ thống.
PLC S7-300 kết hợp với WinCC tạo ra một hệ thống điều khiển và giám sát tiên tiến, nổi bật với tính năng mở, thiết kế dễ dàng và gọn nhẹ Hệ thống này có thời gian đáp ứng nhanh, thuận lợi cho việc cấu hình, bảo trì và vận hành, mang lại hiệu quả cao trong quản lý quy trình.
- Nhà thiết kế ƣu tiên thiết kế bằng các thiết bị của Siemens do dễ dàng đặt mua và nhà công nghệ dễ dàng thay thế, sửa chữa
Cảm biến lực phổ biến trong việc đo khối lượng là loadcell, một loại cảm biến lực biến dạng Thiết bị này hoạt động bằng cách đo lường lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, giúp xác định khối lượng một cách chính xác.
Cảm biến hồi, lƣợng di động của bộ phận đàn hồi, chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa biết Bài viết này sẽ giới thiệu chi tiết về loại cảm biến này.
Bộ phận chính của loadcell là các tấm điện trở mỏng loại dán, giúp biến đổi biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở Mạch đo sử dụng các miếng biến dạng cho phép thu được tín hiệu điện tỷ lệ với mức độ thay đổi của điện trở Cầu Wheatstone là mạch thông dụng nhất được sử dụng trong loadcell.
Cầu Wheatstone là mạch lý tưởng để đo những biến thiên điện trở nhỏ, tối đa 10%, như trong trường hợp sử dụng miếng đo biến dạng Hầu hết các thiết bị đo đạc trên thị trường đều sử dụng phiên bản cải tiến của cầu Wheatstone, vì vậy việc hiểu nguyên lý cơ bản của mạch này là rất cần thiết.
Loadcell là thiết bị bao gồm các strain gauges gắn trên bề mặt của một khối kim loại đàn hồi Tùy thuộc vào loại loadcell và mục đích sử dụng, thân loadcell được thiết kế với hình dạng đặc biệt và chế tạo từ các vật liệu kim loại khác nhau như nhôm hợp kim, thép không gỉ và thép hợp kim.
Hình 1.5 Các bộ phận tạo nên một LoadCell
Các bộ phận tạo nên một loadcell đƣợc hiển thị nhƣ hình trên ở đây có 4 strain gauges được gắn vào các mặt trên và dưới của loadcell
Hình 1.6 Sự thay đổi của loadcell khi tác động lực
Khi tải trọng tác động lên thân loadcell, nó sẽ bị biến dạng, dẫn đến hai trong bốn điện trở strain gauges bị nén và hai điện trở còn lại bị kéo căng Sự biến đổi này làm thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trên điện trở strain gauges, từ đó gây ra sự thay đổi giá trị của chúng.
Mạch cầu Wheatstone được sử dụng để chuyển đổi sự thay đổi tỉ lệ giữa lực căng và trở kháng thành điện áp tương ứng với tải Sự thay đổi điện áp này rất nhỏ, do đó cần phải qua bộ khuếch đại để có thể đo và chuyển thành số.
Bốn strain gauges được kết nối thành một cầu điện trở Wheatstone và dán vào bề mặt của thân loadcell Một điện áp kích thích, thường là 10 V, được cấp vào mạch cầu tại hai điểm A và C, trong khi điện áp đầu ra được đo ở hai điểm B và D Trong trạng thái cân bằng, điện áp tín hiệu ra gần bằng không khi các điện trở được gắn phù hợp Khi có tải trọng tác động lên loadcell, thân loadcell bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong strain gauges, làm thay đổi giá trị của chúng Sự thay đổi này dẫn đến biến đổi điện áp đầu ra, thường rất nhỏ (khoảng 20mV khi đầy tải), do đó cần phải khuếch đại tín hiệu này lên 0-10V để có thể đo và số hóa.
Hình 1.8 Sơ đồ đấu dây loadcell và mạch khuếch đại Kết luận chương 1:
Trong chương này đã trình bày về tổng quan của hệ thống trộn thức chăn nuôi
Và giải pháp cho hệ thống trộn là tự động và chính xác tỷ lệ cân nên em sẽ dùng PLC S7-300 và cảm biến cân định lƣợng LoadCell
TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300 VÀ WINCC
2.1 Giới thiệu chung Để đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng tăng cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có thể thay thế gần nhƣ hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống Như vậy PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong môi trường công nghiệp là:
Khả năng chống nhiễu tốt
Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc mở rộng, cải tạo nâng cấp
Có những modul chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt
Khả năng lập trình đƣợc, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động
Hiện nay trên thị trường có các loại PLC của các hãng sản xuất như: Omron, Mitsubishi, Siemens, ABB, Allen Bradley
S7-300 là dòng sản phẩm cao cấp, lý tưởng cho các ứng dụng lớn với yêu cầu I/O cao và thời gian đáp ứng nhanh Thiết bị này hỗ trợ kết nối mạng và có khả năng mở rộng, nâng cấp linh hoạt Với ngôn ngữ lập trình đa dạng, người dùng có thể tùy chọn theo nhu cầu, bao gồm các hàm toán học phong phú cho các yêu cầu chuyên biệt Ngoài ra, người dùng cũng có thể phát triển các hàm riêng bằng ngôn ngữ chuyên biệt cho ứng dụng cụ thể của mình.
Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa là đối với S7-300 sẽ có những modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt
Khi chọn bộ nguồn cho PLC, cần dựa vào dòng tiêu thụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC) Đảm bảo rằng dòng tiêu thụ của các phân tử PLC nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để tránh tình trạng quá tải.
Thành phần chính của PLC là khối vi xử lý CPU, với đặc điểm linh hoạt và tốc độ xử lý khác nhau tùy thuộc vào từng hãng Các hệ CPU của cùng một nhà sản xuất có thể được phân biệt qua các đầu vào, đầu ra và nguồn cung cấp Tốc độ xử lý của CPU quyết định khả năng thực hiện từng bước lệnh của chương trình, và để mô phỏng các hiện tượng logic vật lý xảy ra nhanh trong thế giới thực, CPU cần có tốc độ xử lý cao Tần số nhịp càng cao thì khả năng xử lý càng lớn, tuy nhiên, tốc độ cũng bị ảnh hưởng bởi cách lập trình cho PLC.
Dung lượng bộ nhớ của PLC, được đo bằng Kbyte, phản ánh khả năng lưu trữ và nhớ của thiết bị, đồng thời cũng xác định số lượng tối đa các dòng lệnh có thể được lập trình.
Bộ nhớ đƣợc chia làm ba vùng:
Vùng chương trình là khu vực lưu trữ các lệnh của chương trình, thuộc loại bộ nhớ non-volatile có khả năng đọc và ghi Bộ nhớ này được phân chia thành ba miền khác nhau.
OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức
FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó
FB (Function block) là một miền chưa chương trình con được tổ chức thành hàm, cho phép trao đổi dữ liệu với bất kỳ khối chương trình nào khác Dữ liệu này cần được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng, được gọi là DB.
+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau:
I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số
Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số
T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (timer)
C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (counter)
PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input)
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External output)
Vùng dữ liệu là khu vực lưu trữ các khối dữ liệu của chương trình, bao gồm kết quả tính toán và hằng số được định nghĩa trong bộ đệm truyền thông Một phần của vùng nhớ này có khả năng đọc và ghi.
Vùng dữ liệu chia thành 2 loại:
DB (Data block) là miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối, với kích thước và khối lượng do người sử dụng xác định, phù hợp với từng bài toán điều khiển Chương trình có thể truy cập miền này theo từng Bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW), hoặc từ kép (DBD).
L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB,
FC và FB được sử dụng để quản lý các biến nháp và trao đổi dữ liệu với các khối chương trình đã gọi chúng Dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi chương trình tương ứng trong khối OB, FC, FB kết thúc.
- Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau Cấu trúc bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm:
+ Vùng nhớ chứa các thanh ghi
Kích thước các vùng nhớ này phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU
Load memory là vùng nhớ lưu trữ chương trình ứng dụng do người dùng phát triển, bao gồm các khối chương trình OB, FC, FB, cùng với các khối chương trình trong thư viện hệ thống như SFC, SFB và các khối dữ liệu DB.
System memory: Là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các biến cờ (M), thanh ghi T-Word, PV, T-Bit của Timer, thanh ghi C-Word, PV, C-Bit của Counter
Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình
Trong quá trình thực hiện các khối chương trình như OB, FC, FB, SFC hoặc SFB, CPU sử dụng bộ nhớ để cấp phát các tham số hình thức, cho phép các khối chương trình này trao đổi dữ liệu với hệ điều hành và các khối chương trình khác (Local Block) Tại mỗi thời điểm, vùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình duy nhất Khi khối chương trình đó hoàn thành, hệ điều hành sẽ xóa nó khỏi Work memory và nạp khối chương trình tiếp theo để thực hiện.
PLC hoạt động theo chu trình lặp gọi là vòng quét (scan) Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số vào bộ đệm ảo I, tiếp theo là thực hiện chương trình từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau khi thực hiện chương trình, nội dung của bộ đệm ảo Q được chuyển đến các cổng ra số Vòng quét kết thúc với giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Thời gian vòng quét (Scan time) của PLC là khoảng thời gian cần thiết để thực hiện một vòng quét, và nó không cố định Thời gian này thay đổi tùy thuộc vào số lượng lệnh trong chương trình và khối lượng dữ liệu được truyền trong mỗi vòng quét.
Hình 2.1 Vòng quyét chương trình
Việc đọc dữ liệu từ đối tượng và gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có thời gian trễ tương đương với thời gian vòng quét Thời gian vòng quét là yếu tố quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC; thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRỘN VÀ LẬP TRÌNH TRÊN PHẦN MỀM S7-300
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG GI M S T ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
TRỘN V LẬP TRÌNH TRÊN PHẦN MỀM S7-300
3.1 Giới thiệu về yêu cầu công nghệ và thiết kế WinCC
Hình 3.1 Sơ đồ garfet hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trộn
Giao diện điều khiển chế độ tự động cho phép người dùng nhập cân định lượng nguyên liệu và số mẻ cần trộn, sau đó bật chế độ AUTO Động cơ sẽ tự động mở nắp xả thùng cấp liệu và thùng phụ gia, tiến hành cân định lượng cho hai thùng theo tỷ lệ đã đặt Sau khi hoàn tất, động cơ sẽ đóng thùng cấp liệu và thùng phụ gia, mở thùng để xả nguyên liệu xuống thùng trộn Sau một phút trộn, động cơ sẽ mở nắp thùng trộn để xả nguyên liệu đã trộn và tiếp tục chu kỳ cho mẻ trộn tiếp theo Hệ thống sẽ lặp lại quy trình tự động cho đến khi đạt đủ số mẻ đã định, trừ khi chuyển sang chế độ bằng tay hoặc nhấn nút STOP.
Khi đặt giá trị cần
Khi đủ giá trị đặt
Giao diện điều khiển ở chế độ bằng tay cho phép người dùng bật tắt các thiết bị như van xả và động cơ trộn thông qua các nút ấn.
3.2 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm WinCC
Tạo mục quản lý tag management
Tag management => MPI => new => tạo tag theo hình
Hình 3.2 Tạo biến tag cho WinCC
Bước 1: Vào View => ToolBar => Symbol Library
Bước 2: Chọn giao diện Siemens HMI Symbol Library 1.4.1
Hình 3.4 Thư viện HMI của siemens
Hình 3.5 Thư viện thùng trộn
Bước 1: Trong cửa sổ standard chọn Rectangle => Properties => Background color
=> Dynamic Dialog = tag “Start” => Trigger => chọn 250ms => OK
Hình 3.6 Tạo tag cho nút nhấn
Bước 2: Event => Mouse => Press Left =>Direct connection => tag theo hình
Hình 3.7 tạo tag nút nhấn
Bước 3: Tạo các nút nhấn chế độ bằng tay:
Properties => Miscellaneous =>Display => Dinamic Dialog = tag theo nhƣ hình
Hình 3.8 Tạo tag đèn báo
Bước 4: Thay đổi màu sắc khi nhấn nút ấn
Properties => Color => Background Color => Dinamic Dialog = tag theo nhƣ hình
Hình 3.9 Tạo tag nút nhấn
Bước 5: Lập trình hoạt động cho nút nhấn: Event => Mouse => Press Left => C-action => theo hình
Hình 3.10 Tạo tag nội cho nút nhấn
Tạo các giá trị hiển thị
Hình 3.11 Tạo tag ngoại để nhận tín hiệu hiện thị
Tạo chuyển độn quay khi độn cơ hoạt động trong wincc
GloBal Script -> C-Editor -> Actions -> nhập theo hình
Hình 3.12 Tạo tag nội cho chuyển động tròn
3.3 Lập bảng thống kê symbols
Bảng 3.1 Bảng thống kê symbols trong phần mềm step 7
TT Ký hiệu Địa chỉ Kiểu dữ liệu Chú thích
1 AUTO MODE FC 1 FC 1 Chương trình chế độ auto
4 FC1005 FC 1005 FC 1005 Scale value loadcell 2
22 MANUAL MODE FC 2 FC 2 Chương trình chế độ bằng tay
24 Q_VANXA1_dong Q 124.1 BOOL Rơ le 2
25 Q_VANXA1_mo Q 124.0 BOOL Rơ le 1
26 Q_VANXA2_dong Q 124.3 BOOL Rơ le 4
27 Q_VANXA2_mo Q 124.2 BOOL Rơ le 3
28 Q_VANXA3_dong Q 124.5 BOOL Rơ le 6
29 Q_VANXA3_mo Q 124.4 BOOL Rơ le 5
30 Q_VANXA4_dong Q 124.7 BOOL Rơ le 8
31 Q_VANXA4_mo Q 124.6 BOOL Rơ le 7
32 Q_VANXA5_dong Q 125.1 BOOL Rơ le 10
33 Q_VANXA5_mo Q 125.0 BOOL Rơ le 9
34 SCALE FC 105 FC 105 Scaling Values load cell 1
35 scales FC 3 FC 3 Chương trình con
36 SO_ME_DAT MW 110 WORD
37 SO_ME_THUC_TE MW 108 WORD
RELAY 1 ÐC 1 ÐC 2 ÐC 2 ÐC 3 ÐC 3 ÐC 4 ÐC 4 ÐC 5 ÐC 5 ÐC ÐÈN HÐ ÐÈN AUTO ÐÈN MANUAL
RELAY 11 ình 3 13 Sơ đồ đấu dây
Cài đặt thông số và số mẻ trộn
Xả 2 thùng cấp liệu và vị gia
So sánh với số lƣợng đã đặt Đóng thùng cấp liệu và xả thùng cân
Xả hết Động cơ khuấy trộn
Xả hết Đếm và kiểm tra số mẻ đã trộn
Gồm các khối OB1,FC1,FC2,FC3
- OB1: Khối chương trình chính để gọi các chương trình con
- FC1: Khối chương trình con cho chế độ tự động
- FC2: Khối chương trình con cho chế độ bằng tay
- FC3: Khối xử lý tín hiệu analog của loadcell
3.5.1 Chương tr nh khối OB1
Network 1: Tạo hoạt động cho hệ thống cấp nguồn cho đèn báo hoạt động
Network 2: Tạo khối ngắt toàn bộ chương trình khi nhấn Stop
Network 3: Gọi chương trình con tự động khi nhấn chọn chế độ auto và cấp đèn báo sáng chế độ auto
Network 4: Gọi chương trình con chế độ bằng tay và cấp đèn báo sáng chế độ bằng tay
Network5: Khối xử lý tín hiệu analog của loadcell đƣa về
3.5.2 Chương tr nh khối FC1
Network 2: Xả cấp liệu và phụ gia
Network 3: So sánh với giá trị đặt
Network 4: So sánh với giá trị đặt
Network 5: Kiểm tra khi xả hết thùng cân
Network 6: Kiểm tra khi xả hết thùng cân
Network 7: Bật động cơ trộn 1 phút khi xả hết 2 thùng cân
Network 9: Đếm số mẻ trộn
Network 10: Kiểm tra với số mẻ trộn đã đặt nếu đúng thì dừng hệ thống
3.5.2 Chương tr nh khối FC2
Network 1: Nhấn nút mở thùng cấp liệu
Network 2: Nhấn nút đóng thùng cấp liệu
Network 3: Nhấn nút mở thùng vị gia
Network 4: Đóng thùng vị gia
Network 9: Mở thùng xả trộn
Network 10: Đóng thùng xả trộn
Network 11: Bật động cơ trộn
Network 12: Tắt động cơ trộn
Network 1: Xử lý tín hiệu analog của loadcell 1
Network 2: Xử lý tín hiệu analog của loadcell 2
Network 3: Nếu cân 1 gần đạt giá trị định mức thì đóng thùng xả cấp liệu
Network 4: Nếu cân 2 gần đạt giá trị định mức thì đóng thùng xả vị gia
Kết luận chương 3: Trong chương 3, tôi đã trình bày sơ đồ nguyên lý và lập trình cho hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống trộn sử dụng phần mềm Step 7 và WinCC Dưới đây là kết quả giám sát thực tế thông qua WinCC.
Hình 3.14 Kết quả hệ thống điều khiển giám sát qua WinCC
Sau thời gian thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Đặng Thái Sơn, em đã hoàn thành đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống trộn thức ăn cho gà sử dụng -3 và giám sát qua in.” Qua đề tài này, em đã có cơ hội áp dụng kiến thức đã học và hiểu rõ hơn về quy trình thiết kế hệ thống trộn thức ăn.
- Tìm hiểu đƣợc quy trình hoạt động của hệ thống trộn thức ăn gia súc
- Lập trình điều khiển PLC S7-300 qua phần mềm Step 7
- Thiết kế phần mềm WinCC để điều khiển và giám sát
- Ứng dụng vào mô hình hệ thống trộn điều khiển qua S7-300 và giám sát trên WinCC
Em mong muốn phát triển hệ thống thành một dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi hoàn toàn tự động dưới sự giám sát của WinCC Bản đồ án này phù hợp với kiến thức em đã tích lũy trong những năm học Tuy nhiên, do hạn chế về trình độ kiến thức và kinh nghiệm thực tế trong chuyên ngành Kỹ thuật Điện-Điện tử, cùng với khó khăn trong việc thu thập tài liệu tham khảo và thời gian nghiên cứu, em nhận thấy bản đồ án còn nhiều thiếu sót Em hy vọng nhận được sự chỉ bảo tận tình từ các thầy cô để có thể hiểu và tiếp cận gần hơn với thực tế.