Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam, khâu phơi sấy và bảo quản nông sản sau thu hoạch giữ vai trò quyết định đến chất lượng thương phẩm cũng như giá trị kinh tế. Tuy nhiên, hoạt động bảo quản nông sản truyền thống vẫn phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thời tiết tự nhiên. Phương pháp phơi nắng thủ công đòi hỏi thời gian kéo dài từ 8 đến 10 ngày cho mỗi đợt phơi, đặc biệt gặp nhiều khó khăn trong mùa mưa khi lượng bức xạ mặt trời suy giảm nghiêm trọng, khiến nông sản dễ bị ẩm mốc, suy giảm phẩm chất và hư hỏng. Bên cạnh đó, việc áp dụng các lò sấy thủ công hoặc bán thủ công hiện nay thường phát sinh chi phí vận hành cao, tiêu tốn nhiều nhân công nhưng khó kiểm soát đồng đều các thông số kỹ thuật như nhiệt độ và độ ẩm, làm giảm đáng kể lợi nhuận của người nông dân.

Nhằm giải quyết bài toán trên, đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình dây chuyền sấy nông sản tự động áp dụng phương pháp đối lưu khí cưỡng bức kết hợp đảo chiều luồng khí, được điều khiển và giám sát tự động hóa toàn diện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Khảo sát đặc tính cơ - nhiệt của các loại nông sản dạng hạt và nguyên lý sấy đối lưu khí để xác định quy trình sấy tối ưu.
  2. Tính toán, thiết kế và gia công cơ khí mô hình sấy gồm buồng sấy, lò gia nhiệt điện trở, hệ thống quạt gió đối lưu, cơ cấu cấp xả liệu bằng băng tải và xi lanh khí nén.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200 CPU 224 kết hợp các module mở rộng tín hiệu tương tự (EM231, EM232).
  4. Xây dựng giải thuật điều khiển nhiệt độ PID kết hợp điều chế độ rộng xung (PWM) để duy trì nhiệt độ sấy ổn định; tích hợp hệ thống cân Loadcell để xác định độ khô nông sản theo thời gian thực thông qua độ giảm khối lượng.
  5. Thiết kế giao diện vận hành, giám sát và điều khiển trực quan trên màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-B07S411.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định rõ:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ sấy đối lưu khí cho các loại nông sản dạng hạt (như bắp, hạt điều, cà phê) và hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sấy.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Năng suất sấy thiết kế đạt 10 kg nguyên liệu cho mỗi mẻ sấy; dải nhiệt độ sấy được kiểm soát dưới 100°C; tác nhân sấy là không khí nóng đối lưu tuần hoàn có đảo chiều gió.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đồ án được triển khai từ ngày 30/03/2016 đến ngày 30/06/2016 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt - truyền ẩm trong công nghệ sấy nông sản, kết hợp kỹ thuật điều khiển tự động và xử lý tín hiệu công nghiệp:

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  1. Lý thuyết ẩm và cân bằng vật chất: Độ ẩm của nông sản ẩm được biểu diễn qua hai đại lượng:

    • Độ ẩm tuyệt đối ($X$): Tỷ số giữa khối lượng ẩm ($W$) và khối lượng chất khô tuyệt đối ($m_0$): $$X = \frac{W}{m_0} \times 100%$$
    • Độ ẩm tương đối ($w$): Tỷ số giữa khối lượng ẩm ($W$) và khối lượng tổng của nông sản ($m$): $$w = \frac{W}{m} \times 100% = \frac{W}{m_0 + W} \times 100%$$
    • Quan hệ khối lượng trước và sau sấy: Do khối lượng chất khô $m_0$ không đổi trong suốt quá trình sấy, mối liên hệ giữa khối lượng ban đầu ($m_1$), khối lượng sau sấy ($m_2$) cùng độ ẩm tương ứng ($w_1, w_2$) được xác định bởi: $$m_0 = m_1(1 - w_1) = m_2(1 - w_2) \implies m_2 = m_1 \frac{1 - w_1}{1 - w_2}$$
    • Lượng ẩm cần tách ra khỏi nông sản ($\Delta W$) là: $$\Delta W = m_1 - m_2 = m_1 \frac{w_1 - w_2}{1 - w_2}$$

  2. Mô hình hóa đối tượng lò nhiệt và thuật toán PID: Hàm truyền đạt của buồng gia nhiệt được xấp xỉ dưới dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ thời gian theo mô hình Ziegler - Nichols: $$H(s) = \frac{K \cdot e^{-Ls}}{Ts + 1} \approx \frac{K}{(Ls + 1)(Ts + 1)}$$ Trong đó $K$ là hệ số khuếch đại tĩnh, $T$ là hằng số thời gian quán tính nhiệt, và $L$ là thời gian trễ. Bộ điều khiển PID tính toán tín hiệu điều khiển $u(t)$ theo sai lệch nhiệt độ $e(t) = SP - PV$: $$u(t) = K_P e(t) + K_I \int_0^t e(\tau)d\tau + K_D \frac{de(t)}{dt}$$ Tín hiệu $u(t)$ được chuyển đổi thành chu kỳ đóng ngắt xung PWM qua rơ-le bán dẫn SSR để điều biến công suất cấp cho dây điện trở gia nhiệt với hệ số điều chế $a = T_{on} / T$.

Khâu điều khiển Hàm truyền $G(s)$ Tác động đến thời gian tăng Tác động đến độ vọt lố Tác động đến sai số xác lập
Khâu tỉ lệ ($P$) $K_P$ Giảm Tăng Giảm (không triệt tiêu hoàn toàn)
Khâu tích phân ($I$) $K_I / s$ Giảm Tăng Triệt tiêu sai số xác lập ($e_{xl} = 0$)
Khâu vi phân ($D$) $K_D \cdot s$ Ít thay đổi Giảm Thay đổi không đáng kể
  1. Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu đo lường:
    • Cảm biến tải trọng Loadcell: Hoạt động dựa trên sự biến dạng của vật chứng đàn hồi gắn 4 strain gage tạo thành mạch cầu Wheatstone. Điện áp vi sai ngõ ra được đưa qua mạch khuếch đại đo lường (Instrumentation Amplifier) sử dụng 3 bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) nhằm triệt tiêu nhiễu đồng pha và chuẩn hóa tín hiệu điện áp về dải $0 - 10\text{ V}$.
    • Cảm biến nhiệt độ PT100: Sử dụng nhiệt điện trở bạch kim có độ tinh khiết 99,99%, điện trở chuẩn đạt $100\ \Omega$ tại $0^\circ\text{C}$ và tăng tuyến tính theo nhiệt độ với hệ số nhiệt điện trở $\alpha = 3,9 \times 10^{-3}\ ^\circ\text{C}^{-1}$.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp:

  • Phương pháp tính toán và thiết kế: Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, lựa chọn cấu hình phần cứng phù hợp công suất và yêu cầu điều khiển.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng: Ứng dụng phần mềm STEP 7-Micro/WIN lập trình PLC theo ngôn ngữ hình thang (Ladder Logic), cấu hình vòng lặp PID thông qua công cụ PID Tune Control Panel.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc và thu thập dữ liệu nhiệt độ, thời gian đáp ứng, sai số khối lượng trực tiếp trên mô hình vật lý khi vận hành sấy thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống sấy nông sản được tích hợp từ các khối chức năng cơ khí, điện động lực, đo lường cảm biến và điều khiển tự động:

[Màn hình HMI DOP-B07S411] <--(RS485/PPI)--> [PLC Siemens S7-200 CPU 224]
                                                     |
    +------------------------------------------------+-----------------------------------------------+
    | (Ngõ vào số / Analog Input)                                                                    | (Ngõ ra số / Analog Output)
    |                                                                                                |
[Cảm biến PT100] ---> [Mạch chuyển đổi] ---> [Module EM231]                           [Module EM232] ---> [Biến tần INVT GD10] ---> [Động cơ quạt 3 pha]
[Loadcell VLC-134] -> [Mạch Op-Amp]   ---> [Module EM231]                           [Ngõ ra PWM/DO] ---> [SSR-40 DA]        ---> [Lò điện trở gia nhiệt]
[Nút nhấn / CT hành trình]            ---> [Ngõ vào số PLC]                          [Ngõ ra DO]     ---> [Van điện từ]     ---> [Xi lanh khí CD2B16-50-B]
                                                                                    [Ngõ ra DO]     ---> [Relay/Driver]     ---> [Động cơ kéo băng tải DS400]

Danh mục thiết bị và thông số kỹ thuật phần cứng

Khối chức năng Tên thiết bị / Linh kiện Quy cách và thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm Siemens S7-200 CPU 224 14 Digital In, 10 Digital Out, nguồn 24VDC, bộ nhớ 12KB Xử lý logic toàn bộ dây chuyền sấy
Mở rộng Analog In Module Siemens EM231 4 kênh Analog Input, độ phân giải 12-bit, chuẩn 0-10V Đọc tín hiệu nhiệt độ và khối lượng
Mở rộng Analog Out Module Siemens EM232 2 kênh Analog Output, độ phân giải 12-bit, chuẩn 0-10V Phát tín hiệu điều khiển tần số biến tần
Giao diện HMI Delta DOP-B07S411 Kích thước 7 inch, cổng RS485, phần mềm thiết kế Screen Editor Cài đặt thông số, điều khiển và giám sát
Biến tần INVT Goodrive10 (GD10) Công suất tương thích tải quạt, ngõ vào điều khiển 0-10V Điều chỉnh tốc độ động cơ quạt gió sấy
Đo nhiệt độ Cảm biến PT100 Đầu dò vỏ kim loại, dải đo $-200^\circ\text{C} \div 1000^\circ\text{C}$ Giám sát nhiệt độ buồng sấy
Đo khối lượng Loadcell VLC-134 Cầu strain gage, kết nối mạch khuếch đại Op-Amp Xác định khối lượng mẻ sấy liên tục
Chấp hành nhiệt SSR-40 DA & Dây điện trở Điện áp kích 3-32VDC, đóng ngắt tải xoay chiều công suất lớn Đóng ngắt gia nhiệt buồng sấy qua PWM
Chấp hành cơ khí Xi lanh CD2B16-50-B Hành trình 50mm, điều khiển qua van điện từ SCM VD120Y Đóng/mở cửa xả và điều hướng luồng khí
Kéo tải nguyên liệu Động cơ DC 24V DS400 Nguồn 24VDC, tích hợp hộp giảm tốc Kéo băng tải cấp và xả nông sản
Cung cấp khí sấy Động cơ AC 3 pha & quạt Động cơ lồng sóc kết hợp cánh quạt ly tâm cao áp Thổi tác nhân sấy xuyên qua lớp hạt

Cấu trúc chương trình và thuật toán điều khiển

Chương trình điều khiển được tổ chức dạng module hóa trong phần mềm STEP 7-Micro/WIN:

  • Khối chương trình chính (Main Program): Quản lý chu kỳ quét, khởi tạo vùng nhớ, điều phối giữa hai chế độ vận hành bằng tay (MAN) và tự động (AUTO).
  • Chương trình con AUTO: Thực hiện tuần tự các bước: Cấp liệu qua băng tải $\rightarrow$ Đóng cửa buồng sấy $\rightarrow$ Bật quạt gió và biến tần $\rightarrow$ Kích hoạt bộ PID ổn định nhiệt độ $\rightarrow$ Giám sát độ giảm khối lượng $\rightarrow$ Đảo chiều gió khi đạt thời gian định kỳ $\rightarrow$ Tắt gia nhiệt, làm nguội $\rightarrow$ Mở cửa xả liệu.
  • Chương trình con tính toán độ khô: Đọc giá trị Analog từ Loadcell thông qua vùng nhớ AIW, áp dụng công thức quy đổi tuyến tính sang khối lượng thực tế ($m$), so sánh với khối lượng đích ($m_2$) được tính toán từ độ ẩm cài đặt ban đầu trên HMI để phát lệnh dừng sấy.
  • Chương trình ngắt thời gian (Timed Interrupt): Định kỳ tính toán sai lệch nhiệt độ, cập nhật thông số PID và điều chỉnh độ rộng xung phát ra ngõ ra transistor để kích mở relay bán dẫn SSR.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng bảo quản nông sản sau thu hoạch tại Việt Nam; nêu bật sự phụ thuộc vào thời tiết, nguy cơ nấm mốc và hạn chế về chi phí của các lò sấy thủ công. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống sấy tự động hóa điều khiển qua PLC và HMI, nội dung nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật (năng suất 10 kg/mẻ, nhiệt độ dưới 100°C) và bố cục tổng thể của toàn bộ đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng khoa học cho đề tài:

  • Phân tích cấu trúc chung của hệ thống sấy (buồng gia nhiệt, quạt hướng trục/ly tâm, buồng sấy tĩnh và động) cùng các phương pháp sấy hiện đại (đối lưu, chân không, thăng hoa, cao tần, tầng sôi).
  • Trình bày hệ thống công thức tính toán độ ẩm tuyệt đối ($X$), độ ẩm tương đối ($w$), và định luật bảo toàn khối lượng chất khô để xác định lượng ẩm bốc hơi $\Delta W$.
  • Phân tích nguyên lý điều khiển nhiệt độ: so sánh phương pháp đóng/ngắt (ON/OFF) và giải thuật vi tích phân tỉ lệ (PID); diễn giải tác động của các khâu $K_P, K_I, K_D$ và phương pháp chỉnh định Ziegler - Nichols; mô hình hóa lò nhiệt và nguyên lý điều biến độ rộng xung PWM.
  • Khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng của PLC Siemens S7-200 CPU 224, module mở rộng analog EM231, EM232, cảm biến tải trọng Loadcell (mạch cầu Wheatstone, mạch khuếch đại vi sai đo lường 3 Op-Amp), cảm biến nhiệt độ PT100, relay bán dẫn SSR-40 DA, động cơ DC, động cơ không đồng bộ 3 pha và biến tần INVT GD10.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các bước thiết kế chi tiết:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể và bản vẽ bố trí không gian cơ khí của mô hình (vị trí lắp đặt bồn sấy, buồng gia nhiệt, quạt ly tâm, băng tải cấp xả liệu, hệ thống xi lanh khí nén đóng mở cánh đảo gió).
  • Tính toán lựa chọn các thiết bị điện - điều khiển: chọn CPU 224 DC/DC/DC, module EM231 và EM232; chọn cảm biến trọng lượng Loadcell VLC-134 kết hợp mạch cộng tín hiệu; chọn cảm biến nhiệt độ PT100; tính chọn xi lanh khí nén CD2B16-50-B và van điện từ SCM VD120Y; chọn động cơ quạt AC 3 pha và động cơ kéo băng tải DC 24V DS400; chọn biến tần INVT GD10.
  • Thiết kế mạch nguyên lý: mạch động lực cấp nguồn, mạch giao tiếp PLC, sơ đồ kết nối module Analog, mạch khuếch đại tín hiệu Loadcell và mạch chuẩn hóa tín hiệu PT100.
  • Xây dựng thuật toán tính toán độ khô trực tiếp từ khối lượng nông sản.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa mô hình:

  • Gia công cơ khí buồng sấy, khung giàn đỡ bồn chứa, hệ thống dẫn khí đảo chiều và băng tải vận chuyển.
  • Lắp ráp tủ điều khiển công nghiệp, gia công bo mạch in (PCB) mạch khuếch đại Loadcell và đấu nối dây dẫn tín hiệu/động lực theo sơ đồ nguyên lý.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN (gồm chương trình chính, chương trình con AUTO, MAN, chương trình quy đổi độ ẩm và cấu hình bộ điều khiển PID bằng công cụ PID Tune Control Panel).
  • Thiết kế giao diện đồ họa giám sát và điều khiển trên màn hình HMI Delta DOP-B07S411 qua phần mềm Screen Editor; ứng dụng Proteus 8 để vẽ mạch điện và Google SketchUp 2013 để thiết kế không gian 3D mô hình.
  • Soạn thảo tài liệu hướng dẫn vận hành và quy trình thao tác chuẩn cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm thu được:

  • Đánh giá khả năng vận hành đồng bộ của mô hình vật lý: các cơ cấu cơ khí, băng tải và xi lanh khí nén hoạt động chính xác theo chu trình lập trình sẵn.
  • Đánh giá hệ thống cân định lượng và đo nhiệt độ: tín hiệu đọc về từ Loadcell và PT100 qua module EM231 có độ ổn định cao sau khi qua các mạch lọc và khuếch đại.
  • Đánh giá chất lượng điều khiển nhiệt độ PID: biểu đồ đáp ứng nhiệt độ thực nghiệm khi đặt ở các mức nhiệt độ khác nhau (ví dụ: $70^\circ\text{C}$) cho thấy nhiệt độ buồng sấy bám sát giá trị đặt với độ vọt lố nhỏ và thời gian xác lập nhanh.
  • Tổng hợp và đánh giá độ chính xác tổng thể của toàn bộ dây chuyền sấy đạt trên 90% so với yêu cầu thiết kế ban đầu.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đề tài, đối chiếu với các mục tiêu ban đầu về khả năng tự động hóa, giao diện giám sát HMI và độ chính xác của giải thuật PID; đồng thời chỉ rõ các điểm tồn tại và đề xuất phương hướng hoàn thiện hệ thống trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình vật lý: Hoàn thiện một mô hình dây chuyền sấy nông sản đối lưu khí cưỡng bức có tích hợp cơ cấu đảo chiều gió, hệ thống cấp/xả liệu tự động bằng băng tải và xi lanh khí nén với công suất sấy thiết kế 10 kg/mẻ.
  2. Hệ thống điều khiển tự động hóa: Ứng dụng thành công PLC Siemens S7-200 CPU 224 kết hợp module EM231/EM232 để thu thập dữ liệu tương tự và điều khiển toàn bộ cơ cấu chấp hành.
  3. Chất lượng điều khiển nhiệt độ PID: Thuật toán PID kết hợp điều chế xung PWM trên PLC điều khiển relay bán dẫn SSR giúp nhiệt độ trong buồng sấy duy trì ổn định quanh giá trị đặt (thử nghiệm thành công tại mốc $70^\circ\text{C}$ và các dải nhiệt dưới $100^\circ\text{C}$) với độ ổn định cao.
  4. Xác định độ khô nông sản theo thời gian thực: Tích hợp mạch khuếch đại vi sai đo lường với cảm biến Loadcell, cho phép hệ thống tự động xác định thời điểm kết thúc mẻ sấy dựa trên độ giảm khối lượng mà không cần lấy mẫu thủ công.
  5. Giao diện HMI trực quan: Màn hình cảm ứng Delta DOP-B07S411 hiển thị đầy đủ khối lượng nông sản tươi, khối lượng nông sản khô, nhiệt độ tức thời, trạng thái các van khí và cho phép cài đặt linh hoạt chế độ sấy cho từng loại hạt.
  6. Độ chính xác vận hành: Toàn bộ hệ thống sấy qua cân chỉnh và thử nghiệm thực tế đạt độ chính xác vận hành trên 90% so với chỉ tiêu kỹ thuật đề ra.

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa giải pháp sấy nông sản dạng hạt quy mô nhỏ áp dụng kỹ thuật đảo chiều luồng khí, giúp hạt khô đồng đều cả lớp trên và lớp dưới mà không cần dùng nhân công đảo trộn thủ công.
  • Kết hợp thành công giữa phương pháp đo khối lượng liên tục để xác định độ ẩm gián tiếp với giải thuật điều khiển nhiệt độ tự động PID trên nền tảng thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Mô hình được thiết kế ở quy mô phòng thí nghiệm với năng suất giới hạn ở mức 10 kg/mẻ, chưa đáp ứng được quy mô sản xuất công nghiệp lớn.
  • Nguồn nhiệt sử dụng hoàn toàn bằng điện trở gia nhiệt, có ưu điểm sạch và dễ điều khiển nhưng chi phí năng lượng sẽ cao nếu mở rộng quy mô lớn tại các vùng nông thôn.
  • Đối tượng sấy chỉ tập trung vào nhóm nông sản dạng hạt có kích thước đồng đều (như bắp, cà phê, hạt điều), chưa thử nghiệm trên các loại nông sản dạng lát mỏng hoặc rau củ quả có hàm lượng nước cao.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng dung tích buồng sấy và nâng cao năng suất sấy lên quy mô công nghiệp.
  • Nghiên cứu kết hợp các nguồn năng lượng nhiệt thay thế hoặc bổ trợ (như nhiệt bức xạ mặt trời, lò đốt trấu/than sinh học qua bộ trao đổi nhiệt calorifier) nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo độ ẩm không khí đầu vào/đầu ra để xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu hóa lưu lượng gió và chu kỳ đảo chiều gió tự động.
  • Nâng cấp hệ thống điều khiển và giám sát từ xa thông qua mạng truyền thông công nghiệp hoặc máy tính SCADA.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Công nghệ sau thu hoạch đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống sấy hoặc điều khiển quá trình công nghiệp.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình thiết kế, khuếch đại và xử lý tín hiệu cảm biến tương tự (Loadcell qua mạch Op-Amp 3 tầng, PT100 qua mạch chuyển đổi) kết nối với PLC Siemens qua module EM231.
    • Hướng dẫn cấu hình, lập trình và chỉnh định thông số bộ điều khiển PID nhiệt độ kết hợp phát xung PWM trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN.
    • Phương pháp thiết kế giao diện HMI kết nối truyền thông RS485 với PLC phục vụ công tác điều khiển và giám sát quá trình công nghệ.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng phương pháp nào để xác định thời điểm nông sản đã khô đạt chuẩn?

Hệ thống không đo độ ẩm trực tiếp bằng đầu đo ẩm chuyên dụng mà áp dụng định luật bảo toàn khối lượng chất khô. Cảm biến Loadcell liên tục đo khối lượng mẻ sấy ($m$). Dựa vào độ ẩm ban đầu ($w_1$) và độ ẩm mong muốn ($w_2$) do người dùng nhập trên HMI, PLC tính toán ra khối lượng sau sấy mục tiêu: $$m_2 = m_1 \frac{1 - w_1}{1 - w_2}$$ Khi khối lượng thực tế trong bồn sấy giảm về bằng giá trị $m_2$, hệ thống tự động xác nhận nông sản đã đạt độ khô yêu cầu và chuyển sang chu trình làm nguội, xả liệu.

2. Bộ điều khiển PID nhiệt độ trong hệ thống tác động đến cơ cấu chấp hành nào?

Bộ điều khiển PID trong PLC S7-200 tính toán sai lệch giữa nhiệt độ cài đặt và nhiệt độ đo được từ cảm biến PT100. Tín hiệu ngõ ra của PID được chuyển thành xung điều biến độ rộng PWM đưa đến relay bán dẫn SSR-40 DA để đóng/ngắt nguồn điện cấp cho dây đốt gia nhiệt, qua đó thay đổi công suất nhiệt cấp vào buồng sấy một cách liên tục và chính xác.

3. Phương pháp đảo chiều luồng khí sấy trong mô hình được thực hiện như thế nào?

Mô hình bố trí hệ thống cánh hướng gió được dẫn động bởi các xi lanh khí nén CD2B16-50-B (điều khiển thông qua van điện từ SCM VD120Y). Tùy theo giai đoạn sấy do PLC điều khiển, các van khí sẽ chuyển trạng thái để đổi hướng luồng khí nóng: thổi từ dưới lên qua lớp hạt hoặc thổi từ trên xuống, giúp độ ẩm trong khối hạt đồng đều mà không cần đảo trộn cơ học.

4. Các module mở rộng analog được sử dụng trong đồ án đảm nhiệm vai trò gì?

Đồ án sử dụng hai module analog mở rộng của Siemens:

  • Module EM231 (4 ngõ vào Analog 12-bit): Đọc tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ V}$ từ mạch khuếch đại Loadcell (đo khối lượng) và mạch chuẩn hóa cảm biến nhiệt độ PT100.
  • Module EM232 (2 ngõ ra Analog 12-bit): Xuất tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ V}$ đến biến tần INVT Goodrive 10 để điều chỉnh vô cấp tần số và tốc độ động cơ quạt thổi khí sấy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Dây chuyền sấy nông sản theo phương pháp đối lưu khí" đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống sấy tự động hóa quy mô 10 kg/mẻ cho các loại nông sản dạng hạt. Bằng việc tích hợp PLC Siemens S7-200, module analog EM231/EM232, màn hình HMI Delta cùng các cảm biến công nghiệp PT100 và Loadcell, đề tài đã giải quyết hiệu quả bài toán ổn định nhiệt độ bằng thuật toán PID và tự động xác định điểm dừng sấy theo khối lượng. Kết quả thực nghiệm đạt độ chính xác trên 90%, khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc nâng cao chất lượng bảo quản nông sản sau thu hoạch.