CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.  Tổng quan về ngành chăn nuôi heo ở Việt Nam:

 Ngành chăn nuôi heo là ngành có truyền thống lâu đời tại Việt Nam, nó là một nghề sớm xuất hiện cùng với nghề trồng lúa, là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam.Trong đời sống, thịt heo chiếm khoảng 78% nhu cầu thịt hơi trên cả nước, là một trong những nguồn cung cấp thực phẩm thiết yếu chính cho người dân, là thành phần chính của bữa ăn của người Việt Nam. Chăn nuôi heo còn cung cấp phân bón tại chỗ và rất tốt cho ngành trồng trọt, ở nước ta hiện nay phân heo là một loại phân hữu cơ nhiều và tốt nhất, cung cấp cho các loại cây trồng chủ yếu ở mọi nơi, mọi lúc. Đồng thời đây cũng là ngành kinh tế giúp cho nông dân tăng thu nhập, giải quyết được nhiều công ăn việc làm cho người lao động.

Nhu cầu về thịt heo ngày càng tăng lên cùng với nền văn minh của thời đại vì lao động bằng trí óc, bằng máy móc đòi hỏi nhu cầu về protein cao hơn là lao động chân tay. Mức sống của nhân dân tăng lên thì nhu cầu về thịt cũng sẽ tăng lên rất nhiều. Trong biểu đồ hình 1.1 cho thấy lượng tiêu thụ thịt heo chiếm đa số so với thịt khác và tăng lên trong những năm gần đây.

Hình 1.1. Biểu đồ về nhu cầu tiêu thụ các loại thịt trong đời sống qua các năm [1]

      Tuy nhiên, ngoài các thách thức ảnh hưởng đến ngành chăn nuôi heo như dịch bệnh, giá cả thị trường,…thì vấn đề thực trạng hiện nay của chăn nuôi heo tại Việt Nam (đặc biệt ở quy mô hộ gia đình) vẫn đang trong tình trạng manh mún, nhỏ lẻ, chủ yếu vẫn áp dụng khoa học kỹ thuật và chăn nuôi lạc hậu, chưa được cơ giới hóa, tự động hóa  còn sử dụng sức người, thủ công là chính, không tiện lợi gây hao phí nhân lực, hao phí thời gian chỉ được năng 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 con người, do đó rất khó để phát triển quy mô chăn nuôi.

1.1.1. Quy trình chăn nuôi heo trong ngày

a)    Chuẩn bị nguyên liệu: cụ thể là thức ăn. Có 4 loại thức ăn chính:

Thức ăn tự trộn: Đây là loại thức ăn do người chăn nuôi tự phối trộn, sử dụng các loại nguyên liệu có sẵn như hình 1.2.

• Ưu điểm: Chi phí những nguyên liệu này thấp, được phối trộn theo ý muốn của người chăn nuôi. Đồng thời, người chăn nuôi chủ động lựa chọn và tận dụng được nguyên liệu tại nhà, tại địa phương.
• Nhược điểm:Khi phối trộntốn công sức và thời gian, bên cạnh đó thức ăn sau khi trộn không bảo quản được trong thời gian dài.Ngoài ra,do phải mua từng loại nguyên liệu với khối lượng nhỏ nên người chăn nuôi khó kiểm soát được chất lượng, độ an toàn vệ sinh của thức ăn.

Hình 1.2. Các nguyên liệu có sẵn để trộn thức ăn [2]

      Thức ăn hỗn hợp từng phần: Là loại thức ăn đã được các cơ sở chuyên sản xuất thức ăn gia cầm, gia súc phối trộn theo công thức với tỷ lệ thích hợp với nhu cầu dinh dưỡng của heo ở từng giai đoạn phát triển. Có 2 dạng thức ăn hỗn hợp công nghiệp là dạng viên (hình 1.3a) và dạng bột mịn (hình 1.3b).

a) Thức ăn dạng viên [3]	b) Thức ăn dạng bột [4]
Hình 1.3. Các dạng thức ăn

• Ưu điểm: Cân đối được thành phần dinh dưỡng của các loại nguyên liệu.Đồng thời,nguyên liệu đầu vào được kiểm soát, xử lý chặt chẽ nên đảm bảo được chất lượng, thời gian bảo quản lâu.Ngoài ra,tiện dụng khi chuyên chở, tiết kiệm thời gian (giảm được công lao động mua gom nguyên liệu để tự phối trộn).

Thức ăn bổ sung cho heo: được chế biến ở dạng các chế phẩm hỗn hợp premix để pha trong nước uống hoặc trộn trong thức ăn (trừ bột vỏ sò, bột xương) .Các loại chế phẩm phổ biến gồm các loại vitamin, chất khoáng, men, một số axit amin, kháng sinh phòng bệnh,...

• Ưu điểm: Bổ sung dinh dưỡng, thúc trưởng cho heo, dễ dàng mua được tại các đại lý phân phối ở địa phương, nhỏ gọn dễ vận chuyển.

b)    Nguyên công cho ăn  

• Heo thịt: cho ăn từ 3-4 lần/ ngày tùy người chăn nuôi để thúc tăng trưởng cho heo.
• Trọng lượng heo 20 kg – 30 kg: cho ăn 1,2 – 1,5 kg/con/ngày.
• Trọng lượng heo 31kg – 60 kg: cho ăn 1,5 – 2,3 kg/con/ngày.
• Trọng lượng heo 61 kg – 100 kg: cho ăn 2,3- 3 kg/con/ngày.
•   Heo nái: cho ăn ngày 3 lần.
• Tùy theo từng giai đoạn mà lượng thức ăn tiêu thụ khác nhau như giai đoạn nái mang thai, giai đoạn tiết sữa, giai đoạn sau sinh, phối giống,…

® Nguyên công này phải thực hiện thủ công bằng tay (như hình 1.4a)  theo từ việc lấy thức ăn, xách lại từng chuồng đổ vào máng ăn trong từng chuồng .

c)     Nguyên công vệ sinh chuồng trại và tắm heo

• Khởi động motor bơm nước, tiến hành kéo ống đến từng chuồng.
• Làm sạch phân và các chất bẩn trong chuồng bằng cách cơ học nhằm hạn chế nảy sinh dịch bệnh cho heo, hạn chế ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Theo tiêu chuẩn có thể vệ sinh 3- 4 (lần/ngày) tùy theo độ dơ sạch trong chuồng. Đối với một số chỗ khó rửa (các góc, khe …), phải dùng vòi xịt áp suất cao bằng hơi.
• Song song đó, chúng ta cũng tắm heo bằng đường ống này giúp heo mát mẻ, loại bỏ vết bẩn trên thân heo.  
• Cuối cùng, cần phải để chuồng nuôi khô ráo nước. Vì môi trường ẩm ướt có thể là điều kiện lí tưởng để vi khuẩn có hại sinh sôi, phát triển gây bệnh cho heo.

®     Nguyên công này cũng phải thực hiện thủ công (như hình 1.4b) từ việc khởi động máy bơm nước rồi kéo ống đến từng chuồng để thực hiện tắm heo, dội chuồng.

 

a) Cho heo ăn [5]	b) Vệ sinh chuồng và tắm heo [6]
Hình 1.4. Người lao động chăn nuôi heo bằng cách thủ công

 

	Loại heo	Số lượng	Lượng	Thời gian/ lần	Số chuồng	Số lần	Tổng thời gian
Nguyên công cho ăn	Heo thịt	5-7 con	2,5 kg	Khoảng 5 phút	8	4 lần	Khoảng 2 giờ 40 phút
	Heo nái	1 con	1 kg	Khoảng 5 phút	3	3 lần	Khoảng 30-40 phút
Nguyên công vệ sinh và tắm heo	Cả heo nái lẫn heo thịt		Không xác định	Khoảng 5-7 phút	11	Tối thiểu 3 lần	Khoảng 3 giờ  hơn

Bảng 1.1. Bảng kê thời giancủa hộ gia đình việc chăn nuôi heo trong ngày

Từ thông tin ở bảng 1.1 thống kê từ dữ liệu tương ứng đối với một nhân công làm việc trong ngày ở địa phương, tính được tổng thời gian chi cho việc cho ăn và vệ sinh chuồng trong 1 ngày :  > 6 giờ /ngày. Qua đó, chúng ta thấy rằng việc chăn nuôi heo bằng cách thủ công mất khá nhiều thời gian và phải dùng lao động tay chân nặng nhọc để thực hiện từng bước từ khâu cho ăn đến khâu vệ sinh và tắm heo nhưng năng suất vẫn thấp, quy mô vẫn nhỏ, thậm chí việc cho ăn sẽ không đồng đều và sức khỏe người dân sẽ giảm rõ rệt qua năm tháng.

       Như vậy, qua các thông tin thu thập thực tế như trên thì vấn đề đặt ra ở qui mô chăn nuôi nông hộ hiện nay là cần phải thiết kế một hệ thống tự động tích hợp để thực hiện quá trình cho heo ăn và vệ sinh chuồng trại. Mục đích của hệ thống này nhằm phục vụ công tác quản lý, giám sát từ xa một cách dễ dàng để tránh thất thoát, lãng phí. Đồng thời, phải được điều khiển một cách tự động mang tính tiện lợi để giải phóng sức người lao động, tiết kiệm thời gian, nâng cao năng suất. Từ đó, người dân có thể mở rộng và phát triển qui mô, tăng thu nhập cho gia đình.     

1.1.2. Cấu tạo chuồng nuôi heo  

Chuồng trại coi như là nhà ở lâu dài cho heo. Chuồng trại thích hợp sẽ đảm bảo sức khỏe cho heo, loại trừ được dịch bệnh. Nguyên tắc chung đối với chuồng heo là phải thông thoáng, trong lành, ít vi trùng, ít bụi, ít ô nhiễm,…

a)  Loại chuồng: có 2 loại cơ bản: riêng lẻ và theo nhóm

• Cấu tạo chuồng nuôi riêng lẻ: mỗi con được nuôi trong một chuồng riêng biệt. (thường thì chuồng này được dành cho heo nái như hình 1.5.

         Hình 1.5. Chuồng heo theo dạng riêng lẻ [7]

• Cấu tạo chuồng nuôi theo nhóm: nhiều con được nuôi trong một chuồng, số lượng heo trong chuồng tùy theo kích thước chuồng.(dành cho heo thịt như hình 1.6).

                 Hình 1.6. Chuồng nuôi theo nhóm [8]

b)  Nền chuồng: có 3 loại cơ bản: nền xi măng truyền thống, nền đệm lót sinh học và nền lắp bằng sàn.

• Nền xi măng truyền thống: đây là loại nền có từ lâu đời được tráng bê tông đặc như nền nhà với độ nghiêng (như hình 1.7). Nền chuồng thường được đổ bằng bê tông, có độ dốc thích hợp để thuận lợi lúc vệ sinh dội chuồng (nghiêng khoảng 2-3% về phía cống thoát nước) để dễ dàng thoát nước khi vệ sinh chuồng trại. Nền chồng làm cao hơn mặt đất khoảng 0.2 – 0.3m để tránh tình trạng ngập úng. Nền chuồng nên tạo độ nhám bằng cách lát gạch già hoặc láng xi măng cát để heo không bị trượt ngã.

Hình 1.7. Nền chuồng bằng bê tông [9]

• Nền sử dụng đệm lót sinh học: Đệm lót sinh học được bố trí như hình 1.8 là hỗn hợp giữa chất trộn có thể là trấu, mùn cưa, lõi bắp, dăm bào… kết hợp men vi sinh vật có lợi. Nhóm vi khuẩn có hoạt tính cao, phân giải mạnh các chất thải động vật (phân và nước tiểu) để chuyển hóa thành các chất vô hại (không có mùi). Đối với nền loại này ban đầu vẫn là nền xi măng truyền thống nhưng được rắc trực tiếp vào chuồng 1 lớp đệm lót sinh học ở phía trên. (thường phổ biến ở các trang trại lớn kín gió có điều khiển nhiệt độ).

Đối với dạng nền chuồng này thì mùi hôi hầu như không còn do chất thải bị tiêu hủy trên nền đệm lót. Nhờ đó môi trường được cải thiện, chăn nuôi có thể phát triển gần khu dân cư. Đồng thời, giúp giảm công sức, chi phí nhân công dọn dẹp chuồng trại, tiết kiệm nước và điện do không cần rửa chuồng, tắm heo và có thể tận dụng đệm lót sau khi thu dọn để dùng bón cho cây trồng.

Tuy nhiên, trong quá trình lên men của vi sinh vật trong đệm lót đã sinh nhiệt làm nhiệt độ chuồng nuôi tăng, luôn ở mức 30 – 40^oC, có thể đến 45^oC, do đó cần chú ý đến vấn đề làm mát cho heo, tốn diện tích chăn nuôi, không thể nuôi với mật độ cao, đồng thời phải tuân thủ kỹ thuật sử dụng và bảo quản đệm lót để phát huy khả năng phân hủy chất thải của vi sinh vật trong đệm lót.

    Hình 1.8. Nền chuồng sử dụng đệm lót sinh học [10]

• Nền lắp bằng sàn: Sàn chuồng là các tấm đan bê tông (như hình 1.9b) hoặc các tấm nhựa có khe thoáng (như hình 1.9a) để thoát chất thải, được ghép lại với nhau. Bên dưới sàn là bể thu chất thải. Được chia thành một số khoang để có thể tháo chất thải riêng rẽ tùy theo lượng chất thải. Tường ngăn giữa các bể chứa phân đồng thời cũng là điểm để gác các tấm đan lên. Trong bể thu chất thải , sử dụng toàn bộ chất thải chăn nuôi heo từ chuồng sàn cùng với than bùn, mùn cưa, phụ phẩm công nông nghiệp để ủ compost thành phần hữu cơ truyền thống dạng rắn. Đáy hầm chứa phân có các cửa xả phân thông với hệ thống ống thoát phân dẫn ra bể chứa chất thải lỏng bên ngoài chuồng hoặc kết hợp với hệ thống biogas bên ngoài.

a) Loại sàn bằng nhựa [11]	b) Loại sàn bằng tấm bê tông[12]
Hình 1.9. Nền lắp bằng sàn

1.2.  Các hệ thống công nghiệp phục vụ trong chăn nuôi

Ngành chăn nuôi hiện nay ngoài quy mô ở hộ gia đình thì với xu thế phát triển theo hình thức chăn nuôi công nghiệp nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí lao động, hạn chế dịch bệnh, giảm ô nhiễm môi trường .Trên thế giới đã làm được và không ngừng cải tiến sản xuất, áp dụng  công nghệ chăn nuôi tiên tiến và phân phối đa dạng các hệ thống, thiết bị chăn nuôi từ mọi khâu trong chăn nuôi nhằm phục vụ dây chuyền chăn nuôi heo nói riêng và gia súc, gia cầm nói chung sao cho nâng cao chất lượng, hiệu quả và giá thành phù hợp với người chăn nuôi.

1.2.1. Hệ thống phân phối thức ăn

1. Hệ thống ăn tự động dạng xích tải

    Hệ thống có được minh họa theo sơ đồ hình 1.10 có cấu tạo phức tạp gồm nhiều bộ phận như bộ phận dẫn động (hình 1.11), cảm biến đóng ngắt điện, bunke chứa thức ăn, co góc (hình 1.11a), bộ phận định lượng (hình 1.11c), động cơ, bộ phận điều khiển (hình 1.11b), ống băng tải và xích (hình 1.11d).

    Nguyên lí hoạt động: thức ăn từ bunke được đưa vào ống băng tải, thông qua bộ phận dẫn động xích tải sẽ di chuyển kéo thức ăn đi theo đến rơi đầy các hộp định lượng. Sau đó, thông qua cảm biến đóng ngắt sẽ dừng cấp thức ăn và mở hộp định lượng để thức ăn rơi xuống máng ăn.

Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo hệ thống dạng xích tải [13]

a) Co góc [14]	b) Bộ phận dẫn động [15]
c) Bộ phận định lượng [16]	d) Ống băng tải và xích [17]
Hình 1.11. Các bộ phận cấu tạo hệ thống dạng xích tải

Tập đoàn SKIOLD là một tổ chức quốc tế hàng đầu trong các lĩnh vực làm sạch, phân loại, lưu trữ ngũ cốc, hạt, nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi, và giải pháp đồng bộ cho trang trại chăn nuôi heo, gà...có trụ sở chính đặt tại Đan Mạch. Hình 1.12 là hình một hệ thống phân phối thức ăn cho heo tiêu biểu của tập đoàn.

Hình 1.12. Hệ thống phân phối thức ăn tự động của SKIOLD Đan Mạch [18]

1. Hệ thống dẫn truyền thức ăn kiểu vít tải

Hệ thống gồm các bộ phận như động cơ, hộp giảm tốc, trục vít, bộ phận đóng mở nguồn, bunke chưa thức ăn, bộ phận định lượng, ống dẫn, máng ăn, trục kéo cáp. Hình 1.13 là hình ảnh ví dụ về hệ thống phân phối thức ăn cho gà dạng trục vít trong thực tế.

Hình 1.13. Hệ thống phân phối thức ăn dạng trục vít [19]

1.2.2. Thiết bị vệ sinh chuồng trại

Một số robot vệ sinh phổ biến ở ngoài nước :

1. Robot vệ sinh chuồng trại dạng 1 vòi:

Hình 1.14. Robot EVO Cleaner ở Thụy Điển [20]

Hình 1.14 gồm các bộ phận của robot: arm (cần xịt), nozzle(vòi xịt), joystick connector(cần điều khiển), hose reel(bộ phận cuộn ống nước), clutch handle(tay cầm), emergency switch(nút dừng khẩn cấp), charger connector (bộ kết nối sạc), batteries (bình acquy hoặc pin), operator panel(bảng điều khiển), transport wheel( bánh xe), boom (cần tăng đưa).

• Thông số kỹ thuật:

o   Tổng chiều rộng: 680 mm

o   Tổng chiều dài: 2100 mm

o   Tổng chiều cao khi thu lại: 1610 mm

o   Tầm với tối đa của cánh tay: 4015 mm

o   Phạm vi làm việc hiệu quả: lên đến 6000 mm tính từ tâm

o   Nặng : 270 kg

o   Nguồn điện: 24 VDC

o   Cấp nước: Từ bộ phận làm sạch áp suất cao bên ngoài

o   Áp suất nước đề xuất: 180-210 bar.

• Ưu điểm:

o   Có thể điều khiển ở chế độ thủ công bằng tay hoặc tự động bằng chương trình.

o   Cần vệ sinh 3 khớp có thể linh hoạt ở các ngóc ngách của chuồng.

o   Vận chuyển dễ dàng.

o   Có thể vệ sinh trên tầng cao đối với các trang trại nhiều tầng.

• Nhược điểm:

o   Giá thành khá cao.

o   Chỉ di chuyển theo đường thẳng

o   Thời gian vệ sinh chậm do kết cấu tay vòi phức tạp

o   Không sử dụng được trong không gian chật hẹp.

1. Robot vệ sinh chuồng trại dạng 2 vòi

Hình 1.15 là một ví dụ thực tế về robot vệ sinh chuồng trại dạng 2 vòi với cấu tạo gồm: 2 cần 2 bên có thể thay đổi kích thước dài ngắn, mỗi bên có một vòi phun áp lực được truyền chuyển động thông qua thanh răng nằm bên trong cần phun, có 4 bánh xe chính di chuyển, 4 bánh phụ để định hướng, phần thân bên dưới bên trong là hệ thống điện điều khiển và động cơ và các thiết bị khác liên quan đến kết việc cung cấp điện, sạc, cung cấp nước cho robot .

Hình 1.15.  Robot WashPower A/S của Đan Mạch [21]

• Thông số kỹ thuật:

o   Kích thước : 110 cm x 67.5 cm x 160 cm

o   Nặng : 285 kg

o   Điện áp : 230V

o   Dòng điện định mức : 6 Amp

o   Áp suất nước tối đa: 200 bar

• Ưu điểm:

o   Robot có 2 cánh tay tương đương 2 vòi, do đó có thể vệ sinh đồng thời 2 dãy chuồng song song cùng một lúc.

o   Áp suất nước tại vòi cao nên việc vệ sinh có thể làm rã phân hay chất thải hữu cơ dễ dàng.

o   2 cánh tay có thể điều chỉnh dài ngắn linh hoạt.

o   Có thể điều khiển robot từ xa thông qua giao diện HMI, khi làm xong có thể gửi SMS về người điều khiển để thông báo.

• Nhược điểm:

o   Chỉ dùng được trong trường hợp có lối đi thẳng.

o   Phải cần người thiết lập độ dài cánh tay và gắn ống dẫn nước vào robot.

o   Không vệ sinh được ở các góc hẹp.

1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn

a)      Mục tiêu luận văn

      Thấy được sự quan trọng, thuận lợi trong việc áp dụng, khoa học kĩ thuật, tự động hóa trong chăn nuôi, qua đó đề tài sẽ hướng tới thiết kế hệ thống phục vụ chăn nuôi heo từ khâu cho ăn đến khâu vệ sinh một cách tự động dễ dàng cho việc vận hành, giám sát, quản lý, đỡ nặng nhọc cho người nông dân, tiết kiệm chi phí nhân công, từ đó có thể phát triển qui mô trang trại.

b)      Nhiệm vụ luận văn

  - Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí .

+ Đưa ra các phương án cơ khí khả thi. Phân tích lựa chọn các phương án phù hợp với yêu cầu đề tài.

  -Tính toán, thiết kế cơ khí hệ thống cho ăn và vệ sinh tự động

+ Triển khai phương án vừa chọn, chọn cơ cấu phù hợp.

+ Tính tóan các thông số của hệ thống : kích thước, động cơ,.... .

+ Xây dựng mô hình 3D thể hiện kết cấu cơ khí của hệ thống phân phối thức ăn và cụm vòi rửa.

+ Lập các bản vẽ 2D mặt bằng chuồng trại.

+ Lập bản vẽ cơ khí cụm vòi rửa vệ sinh.

    - Thiết kế hệ thống điện.

    + Tìm hiểu và lựa chọn bộ điều khiển.

+ Lựa chọn thiết bị điện và tìm hiểu nguyên lí hoạt động của thiết bị điện.

+ Thiết kế hệ thống điện điều khiển và động lực cho hệ thống.

+ Lập bản vẽ sơ đồ điện kết nối các thiết bị.

  - Thiết kế hệ thống điều khiển.

+ Thiết lập giải thuật chương trình điều khiển.

+ Kiểm nghiệm giải thuật qua phần mềm mô phỏng.

+ Thiết lập lưu đồ giải thuật điều khiển.

+ Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển thông qua màn hình HMI khâu phân phối thức ăn và khâu vệ sinh.         

c)       Phạm vi luận văn:

o   Phạm vi trong qui mô nông hộ, cụ thể là tại hộ gia đình, diện tích ~ 100 m².

o   Mặt bằng chuồng heo tại hộ gia đình, quy mô khoảng 100 con.

o   Kích thước chuồng 2250 x 2750.

o   Nền chuồng được lắp bằng sàn nhựa.

• Có tổng cộng 11 chuồng như sơ đồ hình 1.16. Chuồng 1-8: Chuồng nuôi heo thịt, số lượng khoảng 5-7 con tùy lứa, chuồng loại này có cửa chuồng được thiết kế lệch về phía thành chuồng hơn để thuận tiện lúc di heo ra khỏi chuồng để cân bán hay đổi chuồng.
• Chuồng 9-10-11: Chuồng nuôi heo nái, mỗi chuồng nuôi 1 con, cửa chuồng được thiết kế ngay chính giữa thành chuồng do lồng heo đặt ngay giữa chuồng vì khi nái cho heo con bú thì sẽ có không gian cho heo con hơn.

o   Có sử dụng hệ thống xử lí chất thải Biogas.

Hình 1.16. Sơ đồ chuồng

1.4. Tổ chức luận văn

• Chương 2 là chương sẽ phân tích mặt bằng chuồng trại tại hộ gia đình và cấu tạo chuồng, từ đó đưa ra phương án tựđộng hóa một cách phù hợp. Tính toán và lựa chọn thiết bị cơ khí, kết cấu cơ khí, phương án vận hành hệ thống phân phối thức ăn và cụm vòi rửa vệ sinh chuồng heo.
• Chương 3 là chương sẽ lựa chọn thiết bị điện và thiết kế hệ thống điện cho khâu phân phối thức ăn và khâu vệ sinh chuồng. Xây dựng sơ đồ kết nối các thiết bị điện.
• Chương 4sẽ xây dựng giải thuật điều khiển cho từng khâu trong đề tài. Lập trìnhmô phỏng vận hành cho các khâu. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển quá trình vận hành.
• Chương 5 là chương tổng kết, kiểm tra, đánh giá tính hiệu quả mà hệ thống đem lại, đồng thời nêu ra các khuyết điểm, hạn chế cần phải giải quyết. Định hướng pháttriền đề tài trong tương lai.

 

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Lựa chọn phương án là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế máy tự động hóa, để có thể tìm ra phương án triển khai hợp lý, từ đó xây dựng sơ đồ nguyên lý của các cụm cơ cấu hệ thống. Các sơ đồ nguyên lý này thể hiện được nguyên lý hoạt động về mặt cơ khí của máy và cũng là cơ sở để tính toán kết cấu các chi tiết của các cụm. Nội dung của chương này sẽ đưa ra phương án truyền động cho các cụm cơ cấu, sau đó tiến hành phân tích, so sánh ưu nhược điểm để lựa chọn ra phương án phù hợp nhất với yêu cầu và điều kiện sản xuất thực tế; đồng thời đảm bảo hệ thống làm việc với hiệu suất tốt nhất, cuối cùng sẽ thực hiện việc tính toán cơ khí thông qua việc tính toán động học và động lực học. Và kết quả của chương này là làm cho việc tính toán, thiết kế, để đảm bảo độ chính xác cũng như tính ổn định của các phương án được chọn dựa trên nguyên lý truyền động đồng thời đảm bảo yêu cầu đặt ra về công suất động cơ, momen xoắn, tốc độ,.. cũng như tuân thủ các tiêu chuẩn về sức bền.

Hình 2.1. Các cụm cơ khí của hệ thống chăn nuôi heo.

Trong đề tài này, hệ thống chăn nuôi heo tự động được cấu tạo từ hai cụm cơ khí: cụm phân phối thức ăn và cụm vệ sinh được minh họa như hình 2.1.

2.1. Cụm phân phối thức ăn

2.1.1. Lựa chọn phương án dẫn thức ăn

Sau khi đã tham khảo các hệ thống chăn nuôi phổ biến ngoài thị trường ở chương một, có ba phương án dẫn thức ăn phổ biến là dẫn thức ăn dạng xích tải, dẫn thức ăn dạng vít tải và dẫn thức ăn dạng vít đùn.

Dẫn thức ăn dạng xích tải:

Hình 2.2. Hệ thống dẫn thức ăn dạng xích tải dạng thu gọn

1. Động cơ dẫn động;  2. Ống dẫn;  3. Co góc; 4. Hộp định lượng;
2. Máng ăn;                 6. Cánh gạt;

Nguyên lí hoạt động: Hình 2.2 thể hiện nguyên lý hoạt động của hệ thống. Khi đóng nguồn thì động cơ dẫn động (1) bắt đầu hoạt động và kéo xích và cánh gạt trong ống (2) mang thức ăn từ bunke, thức ăn được cánh gạt (6) lùa trong ống đến các bộ phận định lượng (4), xích chuyển động qua các góc bo nhờ bộ phận co góc (3). Khi thức ăn đã được cho đủ vào bộ phận định lượng, thức ăn thừa còn lại theo cánh gạt trở về bun ke chứa và thiết bị cảm biến hoạt động trả tín hiệu về bộ phận điều khiển để dừng hoạt động của động cơ (1). Sau khi cấp thức ăn xong sẽ có cơ cấu kéo dây cáp kéo các quả lôi trong bộ phận định lượng thức ăn sẽ xuống máng ăn (5).

Đặc điểm: Năng suất cao và ổn định, ít phụ thuộc vào độ ẩm và kích thước của cục vật liệu vận chuyển, làm việc ít tiếng ồn. Tuy nhiên, rất phức tạp, trọng lượng lớn, chiếm diện tích, chi phí chế tạo và lắp ráp cao.

vDẫn thức ăn dạng vít tải

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn thức ăn dạng vít tải

Bảng 2.1. Các bộ phận của hệ thống dạng vít tải:

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Động cơ	Hộp giảm tốc	Bunke	Ống dẫn	Trục vít	Đóng mở nguồn	Hộp định lượng	Máng	Trục kéo cáp

Nguyên lí hoạt động: Hình 2.3 thể hiện nguyên lí hoạt động của hệ thống: bước đầu, đóng nguồn động cơ (1) hoạt động truyền động cho trục vít (5) qua hộp giảm tốc (2), sau đó trục vít quay mang thức ăn từ bun ke chứa (3) đến các bộ phận định lượng (7), khi thức ăn đã được điền đầy vào các hộp định lượng, lượng thức ăn dư chảy vào thùng đựng bên ngoài, sau đó quay trục kéo cáp (9) kéo quả lôi trong hộp định lượng. Thức ăn bắt đầu chảy xuống máng.

Đặc điểm: Chiếm chổ ít, tốc độ quay của trục vít tương đối lớn, chiều dài vận chuyển cũng như năng suất bị giới hạn, khi vít tải làm việc vật liệu được đảo trộn mạnh và một phần bị nghiền nát, năng lượng tiêu tốn nhiều hơn, hệ thống tương đối nặng và chi phí chế tạo khá cao .

vDẫn thức ăn dạng vít đùn

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lí hệ thống dẫn thức ăn dạng vít đùn

Bảng 2.2. Các bộ phận của hệ thống dạng vít tải

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Động cơ	Hộp giảm tốc	Bunke	Ống dẫn	Trục vít	Bộ phận đóng mở nguồn	Hộp định lượng	Máng	Trục kéo cáp

Nguyên lí hoạt động: Hình 2.4 thể hiện nguyên lí hoạt động của hệ thống. Hệ thốnghoạt động tương tự như truyền động vít tải chỉ khác là vít tải ngắn hơn, cuối ống dẫn thức ăn không bịt kín và thức ăn được vận chuyển theo nguyên lí đùn, thức ăn ở trước sẽ được đùn ra sau bởi vít tải và tiếp tục luân phiên như vậy đến khi nào đầy tất cả các hộp định lượng thì ngừng .

Đặc điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ tháo lắp trục vít khi vệ sinh, momen trục vít không lớn, có thể phân phối thức ăn trong ống vận chuyển không thẳng, giá thành chế tạo rẻ hơn trục vít tải và xích tải .Tuy nhiên, thức ăn phải luôn có sẵn trong ống vận chuyển và vệ sinh lòng ống khó.

 ® Lựa chọn phương án: Qua tìm hiểu và đánh giá sơ bộ, những phương án truyền tải thức ăn có những đặc điểm, tính chất khác nhau. Do vậy để chọn phương án tối ưu cần đánh giá dựa trên những tiêu chí ở bảng 2.3. Mỗi tiêu chí được gán bằng một trọng số nhất định, sao cho tổng các tổng số bằng 1. Tiêu chí nào quan trọng thì gán trọng số lớn hơn, các tiêu chí được chấm điểm theo thang điểm (0 ÷3), tiêu chí của phương án nào tối ưu hơn sẽ chấm điểm cao hơn. Thông qua việc tính tổng điểm từng phương án, từ đó có thể xác định phương án tối ưu nhất, phù hợp với yêu cầu đặt ra.

Bảng 2.3. Các tiêu chí so sánh lựa chọn phương án dẫn thức ăn

Phương án Tiêu chí		1	2	3
Chiếm diện tích	0,3	1	3	2
Chi phí thực hiện	0,4	1	2	3
Dẫn được thức ăn rẽ hướng	0,3	3	1	3
Tổng điểm		1,6	2	2,7

Dựa vào bảng 2.3, phương án dẫn thức ăn bằng vít đùn được lựa chọn vì đáp ứng được yêu cầu cần có hệ thống đơn giản, dễ lắp ráp và đặc biệt chi phí thấp.

2.1.2 Tính toán, thiết kế cơ khí

Yêu cầu:

• Với nhu cầu cung cấp thức ăn một lần là 24 kg.
• Thời gian vận chuyển thức ăn là 20 phút.
• Dạng thức ăn: dạng viên.
• Sơ đồ 11 chuồng như hình 2.5 với đường màu đen là đường ống dẫn thức ăn.

Hình 2.5. Sơ đồ chuồng có đường ống dẫn thức ăn

a)    Tính toán lựa chọn thông số vít tải

• Tính được năng suất như sau:

Mà                                                (2.1)

• Diện tích trung bình của dòng vật liệu trong vít tải:

  (m²)

• Vận tốc dòng vật liệu :

 (m/s)

• Trong đó:

D: Đường kính ngoài của cánh vít (mm).

                    n: Số vòng quay của trục vít (vg/ph).

                    γ: Khối lượng riêng của vật liệu (kg/m³).

F: Hệ số điền đầy đối với vật liệu, chọn F = 0,35 ¸ 0,45.

t: Bước vít (m), chọn  t = (0,8÷1)D.

Thay vào công thức (2.1) sẽ được:

Năng suất vít tải còn phụ thuộc vào góc nghiêng đặt máy β, vì vậy cần thêm hệ số . Hệ số này được chọn theo bảng 2.4.

Bảng 2.4: Hệ số ảnh hưởng do độ dốc đặt máy.

Góc nghiêng  β	0	5	10	15	20
1	0,9	0,8	0,7	0,65

• Như vậy năng suất Q có công thức cuối cùng  _:

Với các thông số cụ thể:

• Năng suất Q = 72 kg/h;
• Chọn hệ số điền đầy ;
• Khối lượng riêng của thức ăn ;
• do trục vít nằm ngang;
• Chọn tốc độ quay n= 100 vòng/ phút;
• Bước vít t = (0,8 ÷ 1)D;

Thay vào công thức (2.2), đường kính ngoài cánh vít :

Theo tiêu chuẩn, chọn D = 55 mm.

• Số vòng quay lớn nhất của trục vít tải được xác định bằng công thức thực nghiệm:

Trong đó k phụ thuộc vào vật liệu vận chuyển tra ở bảng 2.5.

Kiểm nghiệm lại :   
      ® Phù hợp với lựa chọn ban đầu.

Bảng 2.5: Các hệ số tính toán cho vật liệu vận chuyển trong vít tải

Vật liệu	Hệ số tính toán
	k
Nhẹ, không sắc nhọn (hạt,…)	0,4	25	1,3
Nhẹ, ít sắc nhọn	0,32	50	1,6
Nặng, không sắc nhọn	0,25	45	2,5
Nặng, sắc nhọn	0,125	30	4,0

4.1.     Thiết kế giao diện điều khiển

Từ lưu đồ giải thuật đã xây dựng cho hai cụm của hệ thống, tiến hành viết chương trình trên phần mềm Tia Portal của hãng Siemens, đồng thời thiết kế giao diện điều khiển trên HMI qua chức năng Wincc.

Giao diện của hệ thống được thiết kế gồm 3 màn hình: màn hình chính (home); màn hình cụm cho ăn và màn hình cụm vòi rửa.

Màn hình chính như hình 4.6 để người dùng chọn cụm cơ khí cần điều khiển, trang này được liên kết với 2 trang cụm cho ăn và cụm vòi rửa thông qua 2 tùy chọn nút nhấn.

Ở màn hình điều khiển cụm cho ăn như hình 4.7 có sử dụng thư viện có sẵn trên phần mềm để thiết lập nút nhấn và các hình ảnh minh họa như đổi màu động cơ, cảm biến khi vận hành để người dùng theo dõi trạng thái hoạt động của cụm.

Tương tự ở màn hình điều khiển cụm vòi rửa như hình 4.8 cũng vậy, cũng có mô phỏng đổi màu động cơ, máy bơm khi đang vận hành, đổi màu van nước điện khi van nước hoạt động, đổi màu từng chuồng khi đã xịt rửa xong để người dùng có thể hình dung ra và giám sát trạng thái hiện tại của cụm.

Hình 4.6. Màn hình chính của hệ thống

Hình 4.7. Màn hình điều khiển cụm cho ăn

Hình 4.8. Màn hình điều khiển cụm vòi rửa

4.2.     Tổng kết

Như vậy, sau chương 4 đã xây dựng được chương trình điều khiển và thiết kế giao diện HMI điều khiển cũng đãđược hoàn thành. Cùng với chương 2 – thiết kế cơ khí, kết hợp với hệ thống điện chương 3 và thì đề tài luận văn đã được hoànthiện.Chương tiếp theo, cũng là chương cuối cùng của luận văn, sẽ tổng kết lại các kếtquả và đề ra những định hướng phát triển cho đề tài.

CHƯƠNG 1.      TỔNG KẾT

Sau khi kết thúc quá trình phân tích, thiết kế, xây dựng hệ thống điện và giải thuật điều khiển cho cụm phân phối thức ăn và cụm vòi rửa, chương 5 sẽ trình bày những công việc đã hoàn thành cũng như những hạn chế chưa giải quyết được trong quá trình thực hiện luận văn, đồng thời đề xuất những cải tiến và định hướng phát triển đề tài.

5.1. Tổng kết

• Những kết quả đã đạt được trong đề tài:

- Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống chăn nuôi heo tự động trong nước và ngoài nước, chỉ rõ ưu nhược điểm của từng loại, tìm hiểu nhu cầu cần thiết của hệ thống. Từ đó, định hướng nhiệm vụ và mục tiêu đề tài.

- Lựa chọn phương án các phương án thực hiẹn gồm: phương án truyền tải thức ăn trong cụm cho ăn, phương án truyền động cho vòi rửa, phương án dẫn động cụm vòi rửa.

- Tiến hành tính toán, thiết kế mô hình cơ khí của hai cụm đáp ứng các yêu cầu đầu vào đặt ra phù hợp với sơ đồ chuồng, phù hợp với quy mô, phù hợp thực tiễn. Sau đó, minh họa, mô phỏng trực quan nguyên lí chuyển động của các cụm trên phần mềm Solidworks. Cuối cùng, xây dựng bản vẽ lắp của cụm cơ khí quan trọng trong hệ thống theo tiêu chuẩn TCVN.

- Thiết kế hệ thống điện gồm  lựa chọn các thiết bị điện phù hợp (cảm biến, relay, CB, Contactor, van điện từ, nút nhấn, PLC) và xây dựng sơ đồ nối dây kết nối các thiết bị với nhau.

- Lựa chọn giải thuật điều khiển cho cụm cho ăn và cho cụm vòi rửa, đồng thời, xây dựng giao diện điều khiển cho người dùng tương tác qua màn hình HMI giả lập nhờ phần mềm Tia Portal.

• Các nhiệm vụ đã hoàn thành thỏa yêu cầu, tuy nhiên quá trình làm có một số hạn chế:

-Chưa chế tạo được mô hình thực tế nên các cụm cơ cấu được thiết kế 3D và mô phỏng chuyển động trên phần mềm, vì thế chưa thực nghiệm điều khiển vận hành hệ thống để đánh giá kết quả cũng như sửa chữa lỗi để hệ thống.

- Chưa dự toán chi phí để thực hiện hệ thống.

Trên đây là những kết quả và các mặt hạn chế đã được rút ra trong quá trình thực hiện luận văn, do thời gian thực hiện luận văn hạn chế và không có điều kiện thực nghiệm nhiều, nên phương án khắc phục sẽ được nêu trong phần tiếp theo cùng với những định hướng phát triển đề tài.

5.1. Định hướng phát triển

-Chế tạo, lắp ráp hoàn thiện hệ thống bao gồm 2 cụm cơ khí: cụm cho ăn và cụm vòi rửa, đồng thời dự toán chi phí để thực hiện hệ thống.

-Thực nghiệm điều khiển hệ thống sau khi hoàn thiện để tối ưu giải thuật điều khiển, sửa chữa lỗi, nghiệm thu.

- Phát triển xây dựng giao diện điều khiển hệ thống trực tuyến từ xa thông qua giao diện web.

TÀI LIỆU THAM KHẢO