LUẬN VĂN Đề tài “Phân tích và phát triển hệ thống chăn nuôi heo tự động” Ngành chăn nuôi là ngành truyền thống lâu đời và có vai trò rất quan trọng ở Việt Nam, đặc biệt trong quá trình phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa như hiện nay thì ngành chăn nuôi đặc biệt trong chăn nuôi heo cần được tự động hóa để hạn chế việc chăn nuôi bằng thủ công, giải phóng sức lao động con người, đồng thời tăng năng suất và qui mô Song song đó, xuất phát từ phía gia đình cũng là một hộ chăn nuôi heo. Đề tài bao gồm khâu cho heo ăn và khâu vệ sinh chuồng trại
TĨM TẮT LUẬN VĂN Đề tài: “Phân tích phát triển hệ thống chăn nuôi heo tự động” Ngành chăn ni ngành truyền thống lâu đời có vai trò quan trọng Việt Nam, đặc biệt q trình phát triển cơng nghiệp hóa- đại hóa ngành chăn ni đặc biệt chăn ni heo cần tự động hóa để hạn chế việc chăn ni thủ cơng, giải phóng sức lao động người, đồng thời tăng suất qui mơ Song song đó, xuất phát từ phía gia đình hộ chăn ni heo manh mún, nhỏ lẻ hiểu rõ cực nhọc công đoạn chăn nuôi heo người chăn nuôi Chính thế, đề tài hướng tới tập trung giải việc phân tích, thiết kế phát triển khâu hệ thống chăn nuôi heo tự động mặt hộ gia đình, đồng thời nghiên cứu giải thuật điều khiển viết chương trình điều khiển cho hệ thống để người lao động điều khiển hệ thống chăn nuôi cách tự động thay phải thực cơng đoạn thủ cơng cực nhọc trước ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH HÌNH VẼ v DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ngành chăn nuôi heo Việt Nam: 1.1.1 Quy trình chăn ni heo ngày .2 1.1.2 Cấu tạo chuồng nuôi heo 1.2 Các hệ thống công nghiệp phục vụ chăn nuôi 1.2.1 Hệ thống phân phối thức ăn 1.2.2 Thiết bị vệ sinh chuồng trại 11 1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi luận văn 14 1.4 Tổ chức luận văn 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ CƠ KHÍ .17 2.1 Cụm phân phối thức ăn 17 2.1.1 Lựa chọn phương án dẫn thức ăn .17 2.1.2 Tính tốn, thiết kế khí 21 2.2 Cụm vệ sinh .34 2.2.1 Cơ cấu truyền động vòi rửa 34 2.2.2 Cơ cấu di chuyển 44 2.3 Tổng kết .52 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 53 3.1 Phân tích, lựa chọn khí cụ điện 53 3.1.1 Cảm biến .53 iii 3.1.2 Contactor .57 3.1.3 Aptomat 60 3.1.4 Van nước điện từ 61 3.1.5 Nút nhấn 62 3.1.6 Lựa chọn điều khiển 63 3.1.7 Màn hình HMI 66 3.2 Kết luận 67 CHƯƠNG XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 68 4.1 Địa đầu đầu vào PLC 68 4.2 Xây dựng chương trình điều khiển 70 4.2.1 Cụm cho ăn 70 4.2.2 Cụm vòi rửa 72 4.3 Thiết kế giao diện điều khiển 76 4.4 Tổng kết .78 CHƯƠNG TỔNG KẾT 79 5.1 Tổng kết .79 5.2 Định hướng phát triển 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC .82 iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Biểu đồ nhu cầu tiêu thụ loại thịt năm [1] Hình 1.2 Các ngun liệu có sẵn để trộn thức ăn [2] Hình 1.3 Các dạng thức ăn Hình 1.4 Người lao động chăn nuôi heo cách thủ công Hình 1.5 Chuồng heo theo dạng riêng lẻ [7] Hình 1.6 Chuồng ni theo nhóm [8] Hình 1.7 Nền chuồng bê tông [9] Hình 1.8 Nền chuồng sử dụng đệm lót sinh học [10] Hình 1.9 Nền lắp sàn .9 Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo hệ thống dạng xích tải [13] 10 Hình 1.11 Các phận cấu tạo hệ thống dạng xích tải .10 Hình 1.12 Hệ thống phân phối thức ăn tự động SKIOLD Đan Mạch [18] 11 Hình 1.13 Hệ thống phân phối thức ăn dạng trục vít [19] 11 Hình 1.14 Robot EVO Cleaner Thụy Điển [20] .12 Hình 1.15 Robot WashPower A/S Đan Mạch [21] .13 Hình 1.16 Sơ đồ chuồng 16 Hình 2.1 Các cụm khí hệ thống chăn ni heo 17 Hình 2.2 Hệ thống dẫn thức ăn dạng xích tải dạng thu gọn 18 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn thức ăn dạng vít tải[18] 19 Hình 2.4 Sơ đồ ngun lí hệ thống dẫn thức ăn dạng vít đùn .20 Hình 2.5 Sơ đồ chuồng có đường ống dẫn thức ăn .22 Hình 2.6 Các loại vít tải [19] .24 Hình 2.7 Mơ hình vít tải Solidworks 25 Hình 2.8 Lắp ghép vít tải với ổ đỡ phía động 26 Hình 2.9 Lắp ghép vít tải với ổ đỡ phía tự 26 Hình 2.10 Động Misubishi 200V GM-SP [20] .28 Hình 2.11 Lắp ghép động với trục vít .28 Hình 2.12 Hộp định lượng cơng ty SKIOD [21] 29 Hình 2.13 Thép trịn mạ kẽm tập đồn Hịa Phát [22] 29 Hình 2.14 Minh họa hộp định lượng lắp vào ống dẫn Solidworks 29 v Hình 2.15 Minh họa bố trí đường ống Solidworks .30 Hình 2.16 Lắp ghép đường ống cố định khung 30 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cấu kéo dây 31 Hình 2.18 Động 9IDG-60FH+9PBKBH [23] 32 Hình 2.19 Lắp động khung thép 32 Hình 2.20 Dây cáp đổi hướng thơng qua rịng rọc 33 Hình 2.21 Bố trí đối trọng 33 Hình 2.22 Lắp ghép dây cáp với dây kéo ngăn 34 Hình 2.23 Mơ hình cụm phân phối thức ăn Solidworks 34 Hình 2.24 Sơ đồ ngun lí cấu vòi rửa 35 Hình 2.25 Thanh ngang Solidworks .35 Hình 2.26 Sơ đồ phân tích góc phun vịi 36 Hình 2.27 Sơ đồ phân tích lực nhánh cụm vòi rửa 36 Hình 2.28 Đĩa xoay 38 Hình 2.29 Kích thước đòn Solidworks .38 Hình 2.30 Thanh trượt – trượt thư viện MISUMI .39 Hình 2.31 Kích thước trượt – trượt SSEBZ [24] 39 Hình 2.32 Tấm bích dẫn hướng 40 Hình 2.33 Sơ đồ phân tích lực khâu 40 Hình 2.34 Sơ đồ phân tích lực khâu 41 Hình 2.35 Sơ đồ phân tích lực khâu dẫn 41 Hình 2.36 Động 8IDG-25G+8GBK-BMH [25] .42 Hình 2.37 Đồ gá động 8IDG-25G+8GBK-BMH 43 Hình 2.38 Mơ hình solidworks cụm rửa 43 Hình 2.39 Các chi tiết phần di chuyển cụm vịi rửa Solidworks 45 Hình 2.40 Bố trí ray sơ đồ chuồng .45 Hình 2.41 Lắp ray cố định khung thép 46 Hình 2.42 Mối lắp ray với khung thép 46 Hình 2.43 Cụm rửa sau lắp ghép thêm đồ kẹp dây cáp 47 Hình 2.44 Cụm rửa qua góc cong 47 Hình 2.45 Cáp thép FC [26] 48 vi Hình 2.46 Sơ đồ bố trí dây kéo mặt chuồng 48 Hình 2.47 Minh họa dây cho việc kéo cụm rửa di chuyển 49 Hình 2.48 Sơ đồ phân tích lực cụm di chuyển 49 Hình 2.49 Động 9IDG-60FWH+9WHD-30 [27] 51 Hình 2.50 Lắp động kéo dây cáp 51 Hình 2.51 Mơ hình hồn chỉnh cụm vịi rửa Solidworks .52 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 53 Hình 3.2 Bố trí cảm biến 54 Hình 3.3.Cảm biến điện dung Dinel CLS-23N 54 Hình 3.4 Cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-A-Z/BX 55 Hình 3.5 Sơ đồ bố trí cảm biến tiệm cận cụm vịi rửa .56 Hình 3.6 Bố trí cảm biến tiệm cận cụm cho ăn 56 Hình 3.7 Contactor Schneider A9C20731 25A 1NO 58 Hình 3.8 Sơ đồ đấu dây contactor với động cụm cho ăn .58 Hình 3.9 Contactor Schneider A9C20731 25A 1NO 59 Hình 3.10 Sơ đồ đấu dây contactor với động cụm vịi rửa 60 Hình 3.11 MCB 2P hãng Schneider 60 Hình 3.12 Van điện từ nước Unid .61 Hình 3.13 Sơ đồ đường nước cấp cho vòi xịt 62 Hình 3.14 Nút nhấn Scheider XB5AA61 62 Hình 3.15 Nút nhấn Scheider XB5AP42 .63 Hình 3.16 Nút dừng Scheider XA2ES642 63 Hình 3.17 PLC Siemens 1214C AC/DC/Relay 64 Hình 3.18 Sơ đồ kết nối ngõ vào PLC với thiết bị 65 Hình 3.19 Sơ đồ kết nối ngõ PLC với thiết bị 66 Hình 3.20 Màn hình HMI Delta DOP-B10S411 66 Hình 3.21 Kết nối PLC với HMI thơng qua cáp 67 Hình 4.1 Chương trình cho hệ thống 70 Hình 4.3 Chương trình cụm cho ăn 71 Hình 4.4 Chương trình Set Home cho cụm 72 Hình 4.5 Chương trình cụm vịi rửa 73 vii Hình 4.6 Chương trình xịt nước 74 Hình 4.7 Màn hình hệ thống 75 Hình 4.8 Màn hình điều khiển cụm cho ăn 76 Hình 4.9 Màn hình điều khiển cụm vịi rửa 76 viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng kê thời gian hộ gia đình việc chăn ni heo ngày Bảng 2.1 Các phận hệ thống dạng vít tải 19 Bảng 2.2 Các phận hệ thống dạng vít tải 20 Bảng 2.3 Các tiêu chí so sánh lựa chọn phương án dẫn thức ăn 21 Bảng 2.4 Hệ số ảnh hưởng độ dốc đặt máy 23 Bảng 2.5 Các hệ số tính tốn cho vật liệu vận chuyển vít tải 24 Bảng 2.6 Các kích thước vít tải thị trường 25 Bảng 2.7 Kích thước vít tải lựa chọn 25 Bảng 2.8 Thông số động Misubishi 220V GM-SP 27 Bảng 2.9 Thông số động 9IDG-60FH+9PBKBH 32 Bảng 2.10 Thông số trượt – trượt SSEBZ 39 Bảng 2.11 Thông số kỹ thuật động 8IDG-25G+8GBK-BMH .42 Bảng 2.12 Thông số kỹ thuật thép FC 48 Bảng 2.13 Hệ số ma sát lăn 50 Bảng 2.14 Thông số kỹ thuật động 9IDG-60FWH+9WHD-30 .51 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật cảm biến điện dung Dinel CL-23N: 54 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận NPN LJ12A3-4-Z/BX 55 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật chung Contactor Schneider 57 Bảng 3.4 Bảng lựa chọn contactor .59 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật MCB 2P 25A EZ9F34125 .61 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật MCB 2P 10A EZ9F34110 .61 Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật van điện từ nước Unid 61 Bảng 3.8 Thông số kĩ thuật nút nhấn Scheider XB5AA61 62 Bảng 3.9 Thông số kĩ thuật nút nhấn Scheider XB5AP42 63 Bảng 3.10 Thông số kĩ thuật nút nhấn Scheider XA2ES642 63 Bảng 3.11 Số lượng input output thiết bị 64 Bảng 3.12 Tổng số input output PLC cần: 64 Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật PLC Siemens 1214C AC/DC/Relay 64 Bảng 3.14 Thông số kĩ thuật hình HMI Delta DOP-B10S411: 67 Bảng 4.1 Kết nối I/O PLC .68 ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ngành chăn nuôi heo Việt Nam: Ngành chăn ni heo ngành có truyền thống lâu đời Việt Nam, nghề sớm xuất với nghề trồng lúa, ngành kinh tế quan trọng Việt Nam.Trong đời sống, thịt heo chiếm khoảng 78% nhu cầu thịt nước, nguồn cung cấp thực phẩm thiết yếu cho người dân, thành phần bữa ăn người Việt Nam Chăn ni heo cịn cung cấp phân bón chỗ tốt cho ngành trồng trọt, nước ta phân heo loại phân hữu nhiều tốt nhất, cung cấp cho loại trồng chủ yếu nơi, lúc Đồng thời ngành kinh tế giúp cho nông dân tăng thu nhập, giải nhiều công ăn việc làm cho người lao động Nhu cầu thịt heo ngày tăng lên với văn minh thời đại lao động trí óc, máy móc đòi hỏi nhu cầu protein cao lao động chân tay Mức sống nhân dân tăng lên nhu cầu thịt tăng lên nhiều Trong biểu đồ hình 1.1 cho thấy lượng tiêu thụ thịt heo chiếm đa số so với thịt khác tăng lên năm gần Hình 1.1 Biểu đồ nhu cầu tiêu thụ loại thịt đời sống qua năm [1] Tuy nhiên, thách thức ảnh hưởng đến ngành chăn nuôi heo dịch bệnh, giá thị trường,…thì vấn đề thực trạng chăn ni heo Việt Nam (đặc biệt quy mô hộ gia đình) tình trạng manh mún, nhỏ lẻ, chủ yếu áp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN dụng khoa học kỹ thuật chăn nuôi lạc hậu, chưa giới hóa, tự động hóa cịn sử dụng sức người, thủ cơng chính, khơng tiện lợi gây hao phí nhân lực, hao phí thời gian suất thấp, khó quản lý lượng thức ăn gây lãng phí, chủ yếu sử dụng lao động chân tay nặng ảnh hưởng đến sức khỏe người, khó để phát triển quy mơ chăn ni 1.1.1 Quy trình chăn ni heo ngày a) Chuẩn bị nguyên liệu: cụ thể thức ăn Có loại thức ăn chính: Thức ăn tự trộn: Đây loại thức ăn người chăn nuôi tự phối trộn, sử dụng loại ngun liệu có sẵn hình 1.2 Ưu điểm: Chi phí nguyên liệu thấp, phối trộn theo ý muốn người chăn nuôi Đồng thời, người chăn nuôi chủ động lựa chọn tận dụng nguyên liệu nhà, địa phương Nhược điểm: Khi phối trộn tốn công sức thời gian, bên cạnh thức ăn sau trộn khơng bảo quản thời gian dài Ngồi ra, phải mua loại nguyên liệu với khối lượng nhỏ nên người chăn ni khó kiểm sốt chất lượng, độ an toàn vệ sinh thức ăn Hình 1.2 Các ngun liệu có sẵn để trộn thức ăn [2] Thức ăn hỗn hợp phần: Là loại thức ăn sở chuyên sản xuất thức ăn gia cầm, gia súc phối trộn theo công thức với tỷ lệ thích hợp với nhu cầu dinh CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Sau tính toán thiết kế hệ thống điện chương trước, cụm phân phối thức ăn cụm vệ sinh cần có giải thuật điều khiển giám sát để vận hành Do chương tập trung vào việc xây dựng giải thuật vận hành cho hệ thống Sau đó, kiểm nghiệm giải thuật, thiết lập giao diện điều khiển cho người dùng 4.1 Địa đầu đầu vào PLC Các địa I/O PLC liệt kê bảng 4.1 bên phù hợp sơ đồ đấu dây chương Bảng 4.1 Kết nối I/O PLC Chức Tên gọi Địa Nút nhấn bắt đầu hệ thống I0.0 Nút dừng hệ thống I0.1 Nút reset tất giá trị I0.2 SS01 Cảm biến báo đầy hộp định lượng I0.3 SS02 Cảm biến kéo thả ngăn I0.4 SS1 Cảm biến vị trí cụm rửa I0.5 SS2 Cảm biến vị trí cụm rửa I0.6 SS3 Cảm biến vị trí cụm rửa I0.7 SS4 Cảm biến vị trí cụm rửa I1.0 10 SS5 Cảm biến vị trí cụm rửa I1.1 11 SS6 Cảm biến vị trí cụm rửa I1.2 START STOP RESET 68 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 12 RL1 Relay kích động trục vít Q0.0 13 RL2 Relay kích động kéo ngăn lên mở hộp Q0.1 14 RL3 Relay kích động thả ngăn xuống đóng hộp Q0.2 15 RL4 Relay kích động kéo cụm vịi rửa tới Q0.3 16 RL5 Relay kích động kéo cụm vịi rửa Q0.4 17 RL6 Relay kích động máy bơm nước Q0.5 18 RL7 Relay kích động truyền động vòi rửa Q0.6 19 RL8 Relay kích van nước điện từ Q0.7 20 RL9 Relay kích van nước điện từ Q1.0 Lựa chọn ngơn ngữ lập trình: Với việc điều khiển PLC, chương trình điều khiển xây dựng phương pháp: - Ngơn ngữ “dịng lệnh” (Instruction format): ngơn ngữ lập trình bảnnhất, dễ học, dễ dử dụng Tuy nhiên lại gặp khó khăn việc tìm mối liên hệ giữ đoạn chương trình với chức năng, đặc biệt chương trình dài - Ngơn ngữ bậc thang (Ladder format): ngơn ngữ trực quan có dạng đồ họa, cho phép nhập chương trình có dạng sơ đồ mạch điện dùng kí hiệu để biểu diễn cơng tác logic rờ le ngõ - Ngôn ngữ lập trình SFC (Sequential Function Chart): ngôn ngữđược hỗ trợ phần mềm lập trình chuyên nghiệp, giúp người sử dụng dễ dàng việc phân bổ câu lệnh thực hiên Lựa chọn phương pháp xây dựng chương trình ngơn ngữ lập trình dạng Ladder làm việc nhiều ngôn ngữ nên thuận tiện dễ hình dung ngơn ngữ 69 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 4.2 Xây dựng chương trình điều khiển Chương trình hệ thống chăn nuôi heo tự động minh họa lưu đồ hình 4.1 Khi người dùng nhấn Start chọn sang chế độ vận hành (chế độ cho ăn hay chế độ rửa) Khi chọn chế độ cho khâu cho ăn chương trình hoạt động theo giải thuật lưu đồ hình 4.2 Ngược lại, chọn chế độ cho khâu xịt rửa chương trình hoạt động theo giải thuật lưu đồ hình 4.3 BẮT ĐẦU START? Sai Đúng CHẾ ĐỘ CHO ĂN? Đúng CỤM CHO ĂN Sai CỤM VÒI RỬA KẾT THÚC Hình 4.1 Chương trình cho hệ thống 4.2.1 Cụm cho ăn Chương trình điều khiển cho cụm cho ăn tự động mơ tả cụ thể hình 4.2 Trong giải thuật này, hộp định lượng chưa đầy tức cảm biến báo đầy chưa bật lên động truyền tải thức ăn chạy hộp định lượng điền đầy dừng động tải thức ăn Sau phút chương trình tự mở hộp định lượng để thức ăn tất hộp định lượng rơi xuống máng Sau phút, hộp đóng lại giá trị reset 70 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CỤM CHO ĂN ĐỘNG CƠ TRỤC VÍT DỪNG Đúng Đúng TIMER