Giới thiệu dự án

Ngành nông nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam đang đứng trước áp lực chuyển dịch mạnh mẽ từ phương thức chế biến thủ công sang tự động hóa toàn diện. Theo thống kê từ Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch đối với các loại trái cây nhiệt đới như chuối, xoài, thanh long vẫn dao động ở mức 20% – 25% do thiếu công nghệ bảo quản và chế biến sâu. Phương pháp phơi nắng truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, dễ nhiễm vi sinh vật và bụi bẩn, trong khi các lò sấy thủ công dùng than củi gây ô nhiễm môi trường và không kiểm soát được nhiệt độ, dẫn đến hiện tượng cháy khét bề mặt hoặc caramel hóa không mong muốn.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là: Làm thế nào để xây dựng một hệ thống sấy chuối tự động hóa khép kín từ khâu cấp liệu, cắt lát, rải liệu đồng đều đến kiểm soát chính xác nhiệt độ sấy đối lưu, giúp tối ưu chi phí đầu tư cho các cơ sở chế biến vừa và nhỏ (SMEs)?

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động" do sinh viên Đoàn Minh Thư và Phan Tấn Đệ thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) giải quyết trực tiếp bài toán này thông qua các mục tiêu cụ thể:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn thiện mô hình cơ khí tích hợp cơ cấu cắt lát và rải sản phẩm tự động.
  2. Thiết kế hệ thống điện và tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC) kết hợp rơ le bán dẫn Solid State Relay (SSR).
  3. Ứng dụng giải thuật điều khiển nhiệt độ PID (Proportional-Integral-Derivative) vòng kín với cảm biến Pt100, giữ sai số nhiệt độ $\le \pm 1.0^\circ\text{C}$.
  4. Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA trên nền tảng Siemens TIA Portal V16/WinCC.
  5. Khảo sát thực nghiệm quá trình sấy chuối ở các dải nhiệt độ $40^\circ\text{C}$, $50^\circ\text{C}$ và $60^\circ\text{C}$ nhằm đánh giá độ ẩm và chất lượng thành phẩm.

Giải pháp lựa chọn công nghệ sấy đối lưu cưỡng bức kết hợp gia nhiệt điện trở chữ U và quạt sò ly tâm. Phương pháp này cân bằng hoàn hảo giữa chi phí đầu tư phần cứng thấp, thời gian sấy rút ngắn và khả năng duy trì độ ẩm tiêu chuẩn từ $75% - 80%$ ban đầu xuống còn $15% - 20%$ sau sấy.

Phạm vi và giới hạn: Đề tài tập trung vào mô hình thử nghiệm quy mô pilot, kiểm soát dải nhiệt độ sấy từ $40^\circ\text{C} - 80^\circ\text{C}$, năng suất buồng sấy đạt 1 – 2 kg nguyên liệu tươi/mẻ.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quá trình sấy nông sản hiện nay tồn tại nhiều công nghệ với các ưu và nhược điểm khác nhau:

Phương pháp Chi phí đầu tư Thời gian sấy Mức độ tự động Chất lượng cảm quan Khả năng kiểm soát
Phơi nắng thủ công Rất thấp 36 – 48 giờ Thủ công 100% Kém (dễ nhiễm bụi, ẩm mốc) Không kiểm soát được
Sấy thăng hoa (Freeze Drying) Rất cao ($> 500$ triệu VNĐ) 18 – 24 giờ Rất cao Rất cao (giữ nguyên cấu trúc) Tối ưu qua áp suất chân không
Sấy lạnh (Heat Pump) Cao ($150 - 300$ triệu VNĐ) 14 – 18 giờ Cao Cao (giữ màu sắc tự nhiên) Ổn định ở $35^\circ\text{C} - 55^\circ\text{C}$
Sấy đối lưu tự động (Đề tài) Thấp – Trung bình ($< 25$ triệu VNĐ) 6 – 10 giờ Tự động hóa tích hợp Tốt (màu vàng sẫm, dẻo dai) Tối ưu hóa qua thuật toán PID

Dựa trên phân tích yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: Khối điều khiển nhiệt độ PID chính xác qua SSR; cảm biến Pt100; cơ cấu cấp phôi cắt lát tự động bằng động cơ bước DC Step size 42 (NEMA 17).
  • Should-have: Giao diện SCADA giám sát nhiệt độ thời gian thực dạng biểu đồ (Trend View); cơ cấu xoay mâm sấy đều nhiệt.
  • Could-have: Lưu trữ lịch sử mẻ sấy vào file CSV/Data Log; tính năng cảnh báo quá nhiệt qua còi/đèn tháp.
  • Won't-have (giai đoạn này): Tích hợp cảm biến đo độ ẩm trực tuyến bên trong tế bào quả; module truyền thông IIoT đẩy dữ liệu lên Cloud.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống chia thành 3 phân tầng rõ rệt:

[ Cảm biến Pt100 ] ---> [ Transmitter/Analog Input ] ---> [ PLC Siemens S7-1200 ] ---> [ SSR / Trở sấy chữ U ]
[ Cảm biến tiệm cận ]                                    [ CPU 1215C DC/DC/DC ] ---> [ Driver TB6600 / Step ]
                                                                   |                 ---> [ Relay / Quạt ly tâm 85W ]
                                                          [ Ethernet PROFINET ]
                                                                   v
                                                        [ SCADA / TIA Portal WinCC ]
  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC (Firmware V4.4), tích hợp sẵn 14 ngõ vào số DI (24V DC), 10 ngõ ra số DQ (Transistor 24V DC, hỗ trợ phát xung PTO lên tới 100 kHz), 2 ngõ vào tương tự AI (0-10V DC) và 2 ngõ ra tương tự AQ (0-20mA).
  • Cơ cấu chấp hành và cảm biến:
    • Cảm biến nhiệt độ Pt100 3 dây dải đo $-50^\circ\text{C} \div 200^\circ\text{C}$, chuyển đổi tuyến tính về dải đo chuẩn.
    • Điện trở sấy khô chữ U công suất 1000W - 220VAC.
    • Rơ le bán dẫn SSR Fotek 25A (Điện áp điều khiển 3-32VDC, điện áp tải 24-380VAC).
    • Quạt sò ly tâm công suất 85W, lưu lượng gió $180\text{ m}^3/\text{h}$, chịu nhiệt cao.
    • Động cơ bước DC Step size 42 (Góc bước $1.8^\circ$, dòng định mức 1.5A) kết hợp Driver TB6600 (vi bước cài đặt 1/8 bước) điều khiển vitme rải chuối.
    • Motor giảm tốc 24V DC tốc độ 20 RPM dẫn động mâm xoay.
    • Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ (Inductive Proximity Sensor) phát hiện vị trí Home của mâm sấy và cơ cấu cắt.
  • Môi trường phần mềm: Siemens TIA Portal V16 (Totally Integrated Automation), tích hợp STEP 7 Professional và WinCC Advanced.

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống lặp V-Model kết hợp nguyên lý Kỹ thuật Cơ điện tử (Mechatronics Engineering):

Tuần 1-3: Khảo sát lý thuyết, tính toán nhiệt động lực học và chọn thiết bị
Tuần 4-7: Thiết kế CAD cơ khí 3D, gia công khung buồng sấy, dao cắt và mâm xoay
Tuần 8-10: Thiết kế sơ đồ nguyên lý phần điện, lắp ráp tủ điện chuẩn công nghiệp
Tuần 11-12: Lập trình PLC (OB1, OB30, FB, FC), cấu hình Motion Control và PID Compact
Tuần 13-14: Thử nghiệm thực nghiệm ở 40°C, 50°C, 60°C, hiệu chỉnh tham số bộ PID
Tuần 15: Hoàn thiện báo cáo, đánh giá dung sai và đóng gói sản phẩm

Đánh giá rủi ro hệ thống:

  • Hiện tượng quá nhiệt do trễ quán tính nhiệt: Xử lý bằng cách hiệu chỉnh chu kỳ lấy mẫu PID $T_s = 100\text{ms}$ trong Cyclic Interrupt OB30 và giới hạn công suất đầu ra Output Upper Limit ở mức $90%$.
  • Kẹt cơ cấu cắt do nhựa chuối: Sử dụng lưỡi dao inox 304 phủ lớp chống dính và tăng mô-men xoắn giữ trục của động cơ bước.

Implementation và kết quả

Development process

Chương trình điều khiển trên TIA Portal được module hóa thành các khối chức năng chuyên biệt:

  • OB1 (Main): Điều phối chu trình máy, xử lý tín hiệu nút nhấn Start/Stop, Emergency Stop và gọi các hàm chức năng.
  • OB30 (Cyclic Interrupt): Thực thi thuật toán điều khiển PID nhiệt độ với chu kỳ quét cố định $100\text{ms}$.
  • FC1 (Manual_Auto): Chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ vận hành bằng tay và tự động.
  • FC2 (Motion_Control): Điều khiển phát xung tốc độ cao thông qua các tập lệnh chuẩn PLCopen: MC_Power, MC_Home, MC_MoveAbsolute, MC_MoveRelative.
// Đoạn mã SCL cấu hình phát xung điều khiển cơ cấu rải lát chuối trong FC2
IF "Auto_Mode" AND "Tray_In_Position" THEN
    // Bật nguồn trục động cơ bước
    "MC_Power_Instance"(
        Axis := "Axis_Spreader",
        Enable := TRUE,
        StartMode := 1
    );
    
    // Di chuyển tương đối rải từng lát chuối cách nhau khoảng cách Step_Pitch
    IF "Cut_Finished" AND NOT "Spreader_Busy" THEN
        "MC_MoveRelative_Instance"(
            Axis := "Axis_Spreader",
            Execute := TRUE,
            Distance := 15.0, // Khoảng cách dịch chuyển 15mm mỗi lần cắt
            Velocity := 50.0, // Tốc độ dịch chuyển 50mm/s
            Acceleration := 200.0,
            Deceleration := 200.0
        );
    END_IF;
END_IF;

Trong điều khiển nhiệt độ, khối công nghệ PID_Compact V2.2 được ứng dụng. Tín hiệu đo từ Pt100 được chuẩn hóa qua lệnh NORM_X và SCALE_X để đưa về giá trị Process Value (PV) thực tế ($0.0 - 100.0^\circ\text{C}$). Đầu ra điều khiển dạng xung PWM (Pulse Width Modulation) kích hoạt trực tiếp rơ le bán dẫn SSR điều khiển đóng ngắt điện trở sấy.

// Đoạn mã SCL chuyển đổi đầu ra Analog của PID sang chu kỳ đóng ngắt SSR trong OB30
"PID_Compact_Drying"(
    Setpoint := "Drying_Temp_SP", // Giá trị cài đặt ví dụ 60.0 °C
    Input := "Normalized_Temp_PV", // Nhiệt độ thực tế đo từ Pt100
    ManualEnable := FALSE,
    Reset := "PID_Reset",
    Output => "PID_Output_Percent" // Đầu ra 0.0 - 100.0 %
);

// Thuật toán điều rộng xung thời gian thực cho SSR (Time-Proportioning)
"Timer_Accumulator" := "Timer_Accumulator" + 0.1; // Chu kỳ quét 100ms
IF "Timer_Accumulator" >= "Cycle_Time_Base" THEN // Base time 2.0s
    "Timer_Accumulator" := 0.0;
END_IF;

IF "Timer_Accumulator" < ("PID_Output_Percent" / 100.0 * "Cycle_Time_Base") THEN
    "SSR_Control_Pin" := TRUE;  // Bật điện trở gia nhiệt
ELSE
    "SSR_Control_Pin" := FALSE; // Tắt điện trở
END_IF;

Testing và validation

Hệ thống được xác lập tham số PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols kết hợp tính năng Fine Tuning của TIA Portal. Các tham số thu được: $K_p = 18.4$, $T_i = 42.6\text{ s}$, $T_d = 8.1\text{ s}$.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện 3 kịch bản thực nghiệm độc lập với mẫu chuối sứ tươi có độ dày lát cắt $4\text{ mm}$, khối lượng ban đầu mỗi mẻ là $1000\text{g}$ (độ ẩm ban đầu $78.2%$):

Thông số đánh giá Mẻ 1 ($40^\circ\text{C}$) Mẻ 2 ($50^\circ\text{C}$) Mẻ 3 ($60^\circ\text{C}$)
Thời gian sấy đạt chuẩn 12.5 giờ 8.5 giờ 6.0 giờ
Độ ẩm cuối cùng ($W_2$) $18.4%$ $16.1%$ $15.2%$
Độ vọt lố nhiệt độ ($%OS$) $2.1%$ $1.8%$ $1.5%$
Sai số xác lập ($e_{ss}$) $\pm 0.8^\circ\text{C}$ $\pm 0.5^\circ\text{C}$ $\pm 0.4^\circ\text{C}$
Chất lượng cảm quan Màu sáng, mềm dẻo Màu vàng cánh gián, dẻo ngọt Màu vàng sẫm, khô giòn nhẹ
Điện năng tiêu thụ $4.8\text{ kWh}$ $3.9\text{ kWh}$ $3.2\text{ kWh}$

Kết quả đạt được

Hệ thống hoàn thành $100%$ các mục tiêu kỹ thuật đề ra ban đầu:

  • Cơ cấu cắt lát tự động đạt độ đồng đều bề dày lát cắt $4.0 \pm 0.2\text{ mm}$, năng suất cắt và rải đạt 1 quả chuối/15 giây.
  • Khả năng kiểm soát nhiệt độ đạt độ ổn định cao, thời gian đáp ứng xác lập trạng thái cân bằng nhiệt dưới 12 phút.
  • Giao diện SCADA trên WinCC hỗ trợ giám sát trực quan, hiển thị đồ thị nhiệt độ thực thời, cài đặt công thức mẻ sấy (Recipe) và cảnh báo lỗi cảm biến.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tích hợp liên hoàn Cắt - Rải - Sấy: Khác biệt với hầu hết các máy sấy nhỏ trên thị trường đòi hỏi người vận hành phải cắt lát và xếp khay thủ công, hệ thống đã cơ điện tử hóa khâu cấp liệu, giúp giảm $80%$ thời gian thao tác ban đầu và hạn chế tối đa nguy cơ nhiễm khuẩn thực phẩm.
  2. Ứng dụng thuật toán điều khiển PID đóng ngắt bán dẫn (SSR Time-Proportioning): Thay vì sử dụng Relay cơ học nhanh cháy tiếp điểm hoặc điều khiển On/Off truyền thống gây dao động nhiệt lớn ($\pm 5^\circ\text{C} - 8^\circ\text{C}$), giải pháp điều khiển đóng ngắt SSR qua chu kỳ xung giúp nhiệt độ buồng sấy duy trì sai số cực nhỏ dưới $\pm 0.5^\circ\text{C}$ ở $60^\circ\text{C}$, tiết kiệm $23.8%$ điện năng tiêu thụ so với điều khiển On/Off.
  3. Cơ chế lưu thông khí động học đối lưu tối ưu: Buồng sấy thiết kế buồng gom gió đa hướng kết hợp quạt ly tâm và mâm xoay điều tốc, giúp trường nhiệt độ phân bố đồng đều tại mọi vị trí trên bề mặt mâm sấy, không cần đảo mặt thủ công.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai sản xuất

Hệ thống có thể chuyển giao và ứng dụng trực tiếp tại:

  • Các hộ nông dân trồng chuối tại Đồng Nai, Cà Mau, Tiền Giang muốn đa dạng hóa sản phẩm, chế biến chuối sấy dẻo đóng gói hút chân không.
  • Các xưởng sản xuất thực phẩm sấy khô quy mô nhỏ, phòng thí nghiệm phát triển sản phẩm (R&D) tại các viện trường nghiên cứu thực phẩm.

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí chế tạo mô hình pilot: 18.500.000 VNĐ (Bao gồm PLC S7-1200 CPU 1215C, driver, động cơ, cảm biến, gia công cơ khí inox 304).
  • Chi phí vận hành: Khoảng 8.000 VNĐ tiền điện cho 1 mẻ sấy $5\text{kg}$ nguyên liệu tươi (thu được $1.2\text{kg}$ chuối sấy thành phẩm).
  • Giá bán thị trường: 120.000 VNĐ/kg chuối sấy dẻo nguyên chất.
  • Thời gian hoàn vốn ước tính: 4.5 – 6 tháng đối với cơ sở sản xuất đạt công suất 30 kg/ngày.
Lộ trình thương mại hóa:
[ Tháng 1-2: Nâng cấp buồng sấy đa tầng ] ---> [ Tháng 3-4: Đóng vỏ bảo ôn Inox công nghiệp ] ---> [ Tháng 5-6: Tích hợp HMI cảm ứng 7 inch và xuất xưởng ]

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Buồng sấy pilot hiện tại mới bố trí 1 tầng mâm sấy xoay, năng suất chưa đáp ứng được quy mô công nghiệp lớn.
  • Chưa tích hợp cảm biến đo trực tiếp độ ẩm không khí (Relative Humidity - RH%) trong buồng xả để tự động điều chỉnh cửa xả ẩm đối lưu.
  • Cơ cấu cấp liệu chuối hiện yêu cầu bóc vỏ thủ công trước khi đưa vào ống nạp.

Hướng phát triển

  • Tích hợp thêm cảm biến độ ẩm DHT22/SHT30 và van tiết lưu gió tự động điều khiển bằng Servo để tối ưu hóa chu trình sấy dựa trên hàm lượng ẩm bốc hơi.
  • Phát triển module IoT sử dụng giao thức MQTT kết nối PLC Siemens S7-1200 với nền tảng Web Server/Blynk, cho phép chủ cơ sở theo dõi mẻ sấy qua điện thoại thông minh.
  • Thiết kế hệ thống buồng sấy dạng xe goòng đa khay (Trolley Dryer) để mở rộng dung tích mẻ sấy lên $50 - 100\text{ kg/mẻ}$.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Nắm bắt quy trình thực tế từ khâu thiết kế cơ khí, đấu nối tủ điện công nghiệp đến kỹ thuật lập trình PLC S7-1200, Motion Control và điều khiển nhiệt độ PID.
  • Kỹ sư Tự động hóa / Lập trình viên PLC: Tham khảo cấu trúc chương trình mẫu trên TIA Portal, thuật toán PWM điều khiển SSR và kỹ thuật thiết kế giao diện SCADA/WinCC chuyên nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ, Hộ kinh doanh nông sản: Tiếp cận giải pháp công nghệ tự động hóa giá thành rẻ, dễ chế tạo trong nước, nâng cao giá trị gia tăng cho nông sản địa phương.
  • Nhà nghiên cứu công nghệ thực phẩm: Có được bộ số liệu thực nghiệm chuẩn xác về động học sấy chuối ở các dải nhiệt $40^\circ\text{C}, 50^\circ\text{C}, 60^\circ\text{C}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện 1 pha 220VAC - 50Hz dân dụng tiêu chuẩn. Tủ điện tích hợp bộ chuyển đổi nguồn tổ ong Meanwell 24VDC - 10A để cấp nguồn điều khiển an toàn cho PLC, cảm biến, driver và rơ le bán dẫn. Tổng công suất tiêu thụ đỉnh của hệ thống đạt xấp xỉ 1.2 kW.

2. Tại sao nên chọn rơ le bán dẫn (SSR) thay vì rơ le cơ khí để điều khiển điện trở sấy?

Rơ le cơ khí có thời gian đáp ứng chậm và tuổi thọ tiếp điểm giới hạn (thường hỏng sau $100.000$ lần đóng ngắt). Khi áp dụng giải thuật PID, hệ thống yêu cầu tần số đóng ngắt liên tục (chu kỳ 1-2 giây) để duy trì nhiệt độ ổn định. SSR sử dụng linh kiện bán dẫn (Triac/Opto-coupler), không phát sinh tia lửa điện, không gây tiếng ồn và hỗ trợ tần số đóng cắt cực cao, đảm bảo nhiệt độ chuẩn xác mà không lo hao mòn vật lý.

3. Hệ thống có khả năng tương thích và tích hợp vào dây chuyền sản xuất lớn không?

Có. Nhờ sử dụng nền tảng PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ giao thức mạng truyền thông công nghiệp PROFINET / Modbus TCP, hệ thống dễ dàng kết nối trao đổi dữ liệu với các trạm máy rửa, máy bóc vỏ, máy đóng gói tự động hoặc kết nối về phòng điều khiển trung tâm qua hệ thống SCADA tổng thể của nhà máy.

4. Chi phí bảo trì, bảo dưỡng hệ thống định kỳ như thế nào?

Hệ thống vận hành bằng các linh kiện công nghiệp có độ bền cao. Bảo trì định kỳ bao gồm: vệ sinh lưỡi dao cắt sau mỗi ca làm việc, tra dầu mỡ bôi trơn trục vitme động cơ bước sau 500 giờ vận hành và kiểm tra tiếp xúc nhiệt của đầu dò Pt100. Chi phí bảo trì ước tính dưới 500.000 VNĐ/năm.

5. Tại sao dải nhiệt độ $60^\circ\text{C}$ lại cho hiệu quả sấy chuối tốt nhất?

Ở dải nhiệt $60^\circ\text{C}$, tốc độ thoát ẩm của chuối diễn ra nhanh chóng mà không làm phân hủy vitamin, carotene hay làm biến tính sâu protein. Sấy ở nhiệt độ quá cao ($> 75^\circ\text{C}$) dễ gây hiện tượng "chai cứng bề mặt" (case hardening) ngăn ẩm bên trong thoát ra ngoài, trong khi sấy ở $40^\circ\text{C}$ kéo dài thời gian gấp đôi, làm tăng chi phí điện năng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển mô hình hệ thống sấy chuối tự động" đã chứng minh tính khả thi cao trong việc ứng dụng công nghệ tự động hóa hiện đại vào bài toán chế biến nông sản tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác, bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, thuật toán PID thông minh và hệ thống giám sát SCADA/WinCC, mô hình mang lại giải pháp sấy chuối khép kín, ổn định nhiệt độ với sai số cực thấp ($\pm 0.4^\circ\text{C}$), giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Đây là tiền đề vững chắc để tiếp tục hoàn thiện, hướng tới thương mại hóa phục vụ trực tiếp cho các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp nông nghiệp trong kỷ nguyên chuyển đổi số công nghiệp 4.0.