Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng và giá trị gia tăng của nông sản thực phẩm. Tại Việt Nam, chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt đối với các loại trái cây có sản lượng lớn như chuối. Các phương pháp làm khô truyền thống như phơi nắng hoặc hong gió phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện thời tiết, dễ bị gián đoạn khi gặp mùa mưa, tốn nhiều diện tích mặt bằng và nhân công, đồng thời không đảm bảo các tiêu chuẩn về vệ sinh an toàn thực phẩm.

Ở quy mô công nghiệp trên thế giới, các công nghệ sấy hiện đại như sấy tháp, sấy tầng sôi, sấy thăng hoa hay sấy lạnh đã được ứng dụng rộng rãi tại các quốc gia phát triển nhằm phục vụ sản xuất tập trung quy mô lớn. Trong khi đó, tại các nước đang phát triển và các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam, nhu cầu cấp thiết là xây dựng các hệ thống sấy có chi phí đầu tư hợp lý, mức độ tự động hóa cao, vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động" của nhóm sinh viên Đoàn Minh Thư và Phan Tấn Đệ (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) được triển khai nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình sấy đối lưu tích hợp cơ cấu cắt, rải liệu tự động và kiểm soát nhiệt độ bằng bộ điều khiển PLC.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Tìm hiểu các đặc tính lý - hóa của nguyên liệu chuối, nguyên lý công nghệ sấy đối lưu và các phương pháp điều khiển nhiệt độ PID, điều khiển vị trí động cơ bước.
  2. Thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí cho buồng sấy đối lưu cùng cơ cấu cấp liệu, cắt lát, rải chuối và gạt sản phẩm.
  3. Thiết kế hệ thống điện, lựa chọn thiết bị điều khiển, cảm biến, cơ cấu chấp hành và bố trí tủ điện điều khiển.
  4. Xây dựng giải thuật và lập trình chương trình điều khiển toàn diện trên nền tảng Siemens TIA Portal, bao gồm thuật toán điều khiển vị trí Motion Control và thuật toán PID điều khiển nhiệt độ.
  5. Kiểm nghiệm, chạy thử nghiệm mô hình ở các mức nhiệt độ khác nhau (40°C, 50°C, 60°C), thu thập dữ liệu và đánh giá chất lượng sản phẩm sấy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống sấy chuối đối lưu cưỡng bức quy mô nhỏ tích hợp cơ cấu cắt rải phôi tự động và hệ thống điều khiển tự động dựa trên PLC S7-1200 kết hợp bộ điều khiển PID nhiệt độ.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc thiết kế thử nghiệm, thi công lắp đặt và vận hành đánh giá mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; thời gian thực hiện từ tháng 03/2024 đến tháng 06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa công nghệ chế biến nhiệt nông sản và lý thuyết điều khiển tự động công nghiệp.

1. Cơ sở lý thuyết về nguyên liệu và công nghệ sấy

Tác giả phân tích các thông số vật lý và thành phần hóa học của quả chuối nhằm xác định chế độ sấy tối ưu. Quá trình sấy nhiệt đối lưu là sự truyền nhiệt từ dòng tác nhân sấy (không khí nóng) đến vật liệu sấy, làm bay hơi ẩm tự do và ẩm liên kết trong chuối, sau đó dòng khí mang hơi ẩm thoát ra ngoài môi trường.

Thông số vật lý / Chế độ sấy Giá trị định lượng
Khối lượng riêng của chuối ($\rho$) $977\text{ kg/m}^3$
Nhiệt dung riêng ($c$) $1.0269\text{ kJ/kg.K}$
Hệ số dẫn nhiệt ($\lambda$) $0.52\text{ W/m.K}$
Kích thước quả chuối ($d \times l$) Đường kính $2 \div 5\text{ cm}$, chiều dài $8 \div 20\text{ cm}$
Khối lượng quả $50 \div 200\text{ g}$
Độ ẩm ban đầu ($\omega_1$) $75 \div 80%$
Độ ẩm sau khi sấy ($\omega_2$) $15 \div 20%$
Nhiệt độ sấy cho phép ($t$) $60 \div 90^\circ\text{C}$

Bên cạnh công nghệ sấy đối lưu nhiệt cưỡng bức được lựa chọn, đồ án tiến hành tổng quan và so sánh với các công nghệ sấy nông sản khác như sấy thăng hoa (sấy đông khô ở áp suất chân không), sấy nhiệt lạnh (dải nhiệt độ $35 \div 65^\circ\text{C}$, độ ẩm không khí $10 \div 30%$) và sấy chân không để làm rõ ưu - nhược điểm về mặt kinh tế và kỹ thuật.

2. Nền tảng điều khiển tự động và thuật toán PID

  • Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC): Đóng vai trò là trung tâm điều khiển của hệ thống, thực hiện quét chu kỳ các ngõ vào số/tương tự, xử lý logic và phát xung điều khiển các cơ cấu chấp hành.
  • Hệ thống giám sát SCADA và phần mềm TIA Portal: Sử dụng môi trường tích hợp TIA Portal để cấu hình phần cứng, quản lý các khối chức năng (OB, FB, FC, DB) và lập trình điều khiển quy trình.
  • Thuật toán điều khiển PID nhiệt độ: Mô hình áp dụng thuật toán vi tích phân tỉ lệ (PID) để điều khiển công suất gia nhiệt của điện trở sấy thông qua việc tính toán sai số giữa nhiệt độ cài đặt ($SP$) và nhiệt độ thực tế ($PV$) thu thập từ cảm biến Pt100. Thông số bộ điều khiển được hiệu chỉnh dựa trên phương pháp Ziegler-Nichols hoặc tinh chỉnh thực nghiệm:
Loại bộ điều khiển Hệ số khuếch đại ($K_p$) Thời gian tích phân ($T_i$ hoặc $K_i$) Thời gian vi phân ($T_d$ hoặc $K_d$)
P $0.5 K_c$ — —
PI $0.45 K_c$ $0.2 K_c / P_c$ —
PID $0.6 K_c$ $2 K_p / P_c$ $K_p \cdot P_c / 8$

(Trong đó $K_c$ là độ khuếch đại tới hạn, $P_c$ là chu kỳ dao động tới hạn).

3. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán kích thước buồng sấy, công suất nhiệt, lưu lượng quạt ly tâm và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện.
  • Phương pháp chế tạo mô hình thực nghiệm: Lắp ráp phần cứng cơ khí, đấu nối tủ điện điều khiển và tích hợp cảm biến, cơ cấu chấp hành.
  • Phương pháp lập trình và thử nghiệm: Lập trình logic trên TIA Portal, thực hiện chạy thử nghiệm sấy chuối thực tế tại các mức nhiệt độ 40°C, 50°C và 60°C để đối sánh hiệu quả làm khô và độ ổn định hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế và thi công hoàn chỉnh bao gồm ba phân hệ chính: phần cứng cơ khí, hệ thống điện - cảm biến và chương trình điều khiển phần mềm.

1. Cấu trúc phần cứng và thiết bị lựa chọn

Hệ thống sử dụng các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn nhằm đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy:

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1215C DC/DC/DC tích hợp cổng truyền thông Profinet/Ethernet.
  • Cảm biến nhiệt độ Pt100: Đo lường chính xác nhiệt độ môi trường bên trong buồng sấy với độ nhạy cao.
  • Cảm biến tiệm cận: Xác định vị trí phôi và hành trình của các cơ cấu cơ khí.
  • Thiết bị gia nhiệt: Điện trở nhiệt sấy khô dạng chữ U cung cấp năng lượng nhiệt cho luồng khí sấy.
  • Quạt đối lưu: Quạt sò ly tâm mini công suất 85W tạo lưu lượng gió cưỡng bức tuần hoàn qua điện trở nhiệt và thổi đều vào buồng sấy.
  • Động cơ chấp hành:
    • Động cơ giảm tốc 20 RPM: Dùng để quay mâm sấy phân bố nhiệt và truyền động cơ cấu gạt thành phẩm.
    • Động cơ bước (DC Step motor size 42) kết hợp Driver TB6600: Điều khiển chính xác vị trí và bước dịch chuyển của cơ cấu cắt lát và rải chuối.
  • Bộ điều khiển công suất gia nhiệt: Rơ le bán dẫn SSR (Solid State Relay) nhận tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) từ PLC để đóng ngắt cấp điện cho điện trở nhiệt, hạn chế tia lửa điện và nâng cao tuổi thọ đóng cắt.

2. Thiết kế cơ khí và hệ thống điện

  • Kết cấu cơ khí: Bao gồm khung vỏ buồng sấy đối lưu nhiệt (thiết kế theo các bản vẽ mặt cắt trước/sau, trái/phải và đáy/nóc), mâm sấy xoay tròn, cụm dao cắt lát chuối tự động, trục vít me/thanh trượt dẫn hướng rải phôi và cánh gạt sản phẩm.
  • Tủ điện điều khiển: Bố trí gọn gàng trên bản vẽ CAD gồm bộ nguồn tổ ong 24VDC, PLC S7-1200, Driver TB6600, SSR, rơ le trung gian, cầu đấu Domino và các thiết bị đóng cắt bảo vệ.

3. Giải thuật và chương trình điều khiển

Chương trình điều khiển được xây dựng trên phần mềm TIA Portal với cấu trúc module hóa:

  • Khối chương trình chính (OB1): Thực thi vòng quét logic tuần tự, điều phối trạng thái hoạt động của hệ thống, kiểm tra tín hiệu cảm biến và kích hoạt các quy trình vận hành.
  • Khối ngắt thời gian (Cyclic Interrupt OB): Dùng để thực thi thuật toán PID nhiệt độ với chu kỳ quét cố định, đảm bảo việc lấy mẫu tín hiệu từ cảm biến Pt100 và xuất tín hiệu điều khiển tới SSR diễn ra liên tục, chính xác.
  • Tập lệnh Motion Control: Sử dụng các hàm chuẩn của Siemens như MC_Power (cấp nguồn trục), MC_Home (xác định gốc tọa độ), MC_MoveAbsolute (chuyển động vị trí tuyệt đối) và MC_MoveRelative (chuyển động vị trí tương đối) để điều khiển động cơ bước thực hiện chu trình cắt lát và rải đều chuối lên mâm sấy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này đặt vấn đề về tầm quan trọng của tự động hóa trong ngành công nghiệp chế biến lương thực thực phẩm. Tác giả phân tích bối cảnh phát triển của công nghệ sấy nông sản trên thế giới và tại Việt Nam, nêu rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu mô hình sấy chuối tự động. Bên cạnh đó, chương 1 xác định rõ ràng 4 mục tiêu nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của đề tài (mô hình thử nghiệm quy mô nhỏ) và bố cục tổng thể của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung trình bày các cơ sở khoa học chuyên ngành:

  • Khảo sát đặc tính nguyên liệu chuối (chuối già, chuối tây, chuối bơm), cấu trúc quả, các thông số vật lý (khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt) và các biến đổi cơ học, lý hóa, hóa sinh xảy ra trong quá trình làm khô.
  • So sánh các công nghệ sấy nông sản phổ biến (sấy đối lưu, sấy thăng hoa, sấy nhiệt lạnh, sấy chân không).
  • Trình bày kiến trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động vòng quét của PLC Siemens S7-1200, khả năng ghép nối các module mở rộng tín hiệu/truyền thông.
  • Trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA, giao diện người - máy HMI.
  • Giới thiệu môi trường lập trình TIA Portal cùng cấu trúc các khối hàm OB, FB, FC, DB.
  • Phân tích nguyên lý bộ điều khiển PID nhiệt độ và phương pháp xác định tham số Ziegler-Nichols.

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

Chương này mô tả chi tiết quá trình hiện thực hóa mô hình phần cứng:

  • Xác định quy mô hệ thống và tính toán chọn lựa thiết bị (Pt100, cảm biến tiệm cận, điện trở sấy chữ U, quạt sò ly tâm 85W, motor giảm tốc 20 RPM, động cơ bước size 42, driver TB6600, SSR).
  • Trình bày các bước thiết kế hệ thống sấy đối lưu, tính toán kích thước cơ bản của buồng sấy và thể hiện qua các bản vẽ kỹ thuật CAD (mặt cắt buồng sấy, giá đỡ quạt ly tâm).
  • Thi công cơ khí buồng sấy, cơ cấu dao cắt, cụm cơ cấu rải lát chuối và cơ cấu gạt sản phẩm.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu nối điện trên CAD và tiến hành lắp ráp hoàn thiện tủ điện điều khiển cùng mô hình tổng thể.

Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển

Chương 4 tập trung vào phần mềm và logic điều khiển:

  • Trình bày quy trình hoạt động tổng thể của hệ thống thông qua các lưu đồ giải thuật chi tiết: lưu đồ mâm sấy, lưu đồ cơ cấu cắt - rải chuối và lưu đồ điều khiển PID nhiệt độ buồng sấy.
  • Hướng dẫn cấu hình phần cứng trên phần mềm TIA Portal.
  • Trình bày chi tiết cú pháp và chức năng các hàm lệnh Motion Control (MC_Power, MC_Home, MC_MoveAbsolute, MC_MoveRelative).
  • Cấu hình khối ngắt thời gian OB, cài đặt các tham số ngõ vào/ngõ ra cho khối hàm công nghệ PID và thiết lập thông số điều khiển.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các dữ liệu thực nghiệm sấy chuối thu được tại 3 chế độ nhiệt độ khác nhau: 40°C (Bảng 5.1), 50°C (Bảng 5.2) và 60°C (Bảng 5.3). Đồ án đưa ra các nhận xét cụ thể về độ ổn định duy trì nhiệt độ của thuật toán PID, tốc độ đáp ứng của hệ thống sấy, sự phối hợp nhịp nhàng của cơ cấu cơ khí cắt rải và đánh giá chất lượng cảm quan của lát chuối sau sấy.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, chỉ ra các điểm còn hạn chế của mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình hệ thống sấy chuối tự động hoàn chỉnh và tiến hành thử nghiệm vận hành ổn định:

  • Về mặt cơ khí và điều khiển chuyển động: Cơ cấu động cơ bước kết hợp dao cắt và vít me rải hoạt động chính xác theo đúng giải thuật Motion Control, tự động thái lát chuối với độ dày đồng đều và rải đều lên bề mặt mâm xoay; cơ cấu gạt chuối hoạt động ổn định khi kết thúc chu trình.
  • Về mặt điều khiển nhiệt độ: Bộ điều khiển PID trên S7-1200 điều khiển đóng cắt SSR chính xác, giúp buồng sấy đạt và duy trì ổn định nhiệt độ cài đặt với độ quá điều chỉnh nhỏ và sai số tĩnh thấp.
  • Dữ liệu thực nghiệm sấy: Hệ thống đã thực hiện các mẻ sấy thực nghiệm tại 3 mức nhiệt độ:
    • Chế độ sấy ở $40^\circ\text{C}$ (Bảng số liệu 5.1).
    • Chế độ sấy ở $50^\circ\text{C}$ (Bảng số liệu 5.2).
    • Chế độ sấy ở $60^\circ\text{C}$ (Bảng số liệu 5.3).

2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Tích hợp thành công công đoạn tiền xử lý (cắt lát - rải phôi tự động) với công đoạn sấy nhiệt đối lưu trong cùng một hệ thống đồng bộ, giảm thiểu sự can thiệp thủ công của con người.
  • Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ lò sấy công nghiệp bằng thuật toán PID tích hợp trên PLC Siemens kết hợp rơ le bán dẫn SSR, cung cấp tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho việc thiết kế các hệ thống sấy nông sản quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Mô hình nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (kích thước nhỏ, công suất sấy hạn chế), chưa đáp ứng được năng suất sấy công nghiệp quy mô lớn.
  • Hệ thống chưa tích hợp cảm biến đo trực tiếp độ ẩm của lát chuối theo thời gian thực (online) mà chủ yếu dựa vào việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian sấy định trước.
  • Dải thực nghiệm nhiệt độ mới tập trung khảo sát ở các mức $40^\circ\text{C}$, $50^\circ\text{C}$ và $60^\circ\text{C}$.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp và mở rộng kích thước buồng sấy, tăng số lượng khay/mâm sấy để nâng cao công suất phục vụ cho các cơ sở chế biến thực tế.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo độ ẩm trực tuyến để xây dựng giải thuật điều khiển sấy thích nghi đa biến (kết hợp kiểm soát đồng thời nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm vật liệu).
  • Nghiên cứu kết hợp nguồn nhiệt hỗ trợ từ năng lượng mặt trời (ống thu nhiệt mặt trời) nhằm giảm tiêu hao điện năng và bảo vệ môi trường.
  • Thiết kế hoàn thiện hệ thống giám sát SCADA/HMI chuyên sâu và kết nối IoT để quản lý, thu thập dữ liệu và cảnh báo sự cố từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp lập trình điều khiển vị trí động cơ bước (Motion Control) và cấu hình thuật toán PID nhiệt độ trên PLC Siemens S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal (Chương 3 và Chương 4).
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo phương pháp tính toán buồng sấy đối lưu, chế độ sấy nông sản và dữ liệu thực nghiệm sấy chuối tại các dải nhiệt độ $40 \div 60^\circ\text{C}$ (Chương 2 và Chương 5).
  • Kỹ sư và nhà phát triển thiết bị: Tham khảo mô hình tích hợp tự động hóa từ khâu cấp phôi, cắt lát, rải liệu đến sấy khô thành phẩm cho các máy chế biến nông sản thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và phần mềm lập trình được sử dụng trong đồ án là gì?
Đồ án sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC) và môi trường kỹ thuật tích hợp TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) để cấu hình phần cứng, lập trình logic, cấu hình ngắt thời gian và xử lý thuật toán PID.

2. Nhiệt độ sấy cho phép và độ ẩm của chuối trước/sau khi sấy được xác định như thế nào?
Theo cơ sở lý thuyết của đồ án, nhiệt độ sấy cho phép đối với chuối là từ $60^\circ\text{C}$ đến $90^\circ\text{C}$. Độ ẩm ban đầu của chuối trước khi đưa vào sấy là $75 \div 80%$, và độ ẩm yêu cầu của sản phẩm sau khi sấy đạt $15 \div 20%$.

3. Cơ cấu cắt và rải chuối lát được điều khiển bằng thiết bị chấp hành nào?
Cơ cấu cắt và rải chuối lát được dẫn động bởi động cơ bước DC Step motor size 42 thông qua Driver điều khiển TB6600, được điều khiển vị trí chính xác bằng các lệnh Motion Control (MC_Power, MC_Home, MC_MoveAbsolute, MC_MoveRelative) từ PLC S7-1200.

4. Khâu điều khiển nhiệt độ buồng sấy sử dụng cảm biến và cơ cấu chấp hành công suất nào?
Nhiệt độ buồng sấy được đo lường bằng cảm biến Pt100. Tín hiệu điều khiển từ khối hàm PID trong PLC được xuất qua rơ le bán dẫn SSR (Solid State Relay) để đóng ngắt cấp nguồn cho điện trở nhiệt sấy khô dạng chữ U, kết hợp quạt sò ly tâm 85W để tạo luồng khí đối lưu tuần hoàn.

5. Đồ án đã tiến hành thực nghiệm sấy chuối ở các mức nhiệt độ nào?
Nhóm tác giả đã thực hiện các mẻ sấy thực nghiệm và thu thập bảng số liệu kết quả tại 3 mức nhiệt độ: $40^\circ\text{C}$ (Bảng 5.1), $50^\circ\text{C}$ (Bảng 5.2) và $60^\circ\text{C}$ (Bảng 5.3) ở Chương 5.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ khí, điện tử và điều khiển tự động trong quy trình sấy khô nông sản quy mô phòng thí nghiệm. Bằng việc ứng dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, thuật toán PID nhiệt độ qua SSR và các hàm Motion Control điều khiển động cơ bước, hệ thống đảm bảo vận hành chính xác các công đoạn cắt lát, rải liệu và duy trì ổn định nhiệt độ sấy. Kết quả thực nghiệm tại các mức nhiệt độ 40°C, 50°C và 60°C khẳng định tính khả thi của mô hình, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển và ứng dụng các dây chuyền sấy nông sản tự động hóa ở quy mô công nghiệp.