Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam ngày càng đòi hỏi các quy trình sản xuất được tự động hóa nhằm đảm bảo chất lượng đồng đều, tiết kiệm nhân công và nâng cao năng suất. Nước tương là sản phẩm truyền thống có quy trình sản xuất phức tạp, trải qua nhiều giai đoạn kế tiếp nhau (thủy phân, trung hòa, trích ly-lọc, phôi chế, thanh trùng, lọc thành phẩm) với các yêu cầu kiểm soát nhiệt độ, mức chất lỏng và tỉ lệ nguyên liệu nghiêm ngặt. Việc thực hiện thủ công các giai đoạn này tiềm ẩn nguy cơ sai lệch chất lượng và kéo dài thời gian sản xuất. Từ thập niên 1970 đến nay, công nghệ tự động hóa, điều khiển lập trình và IoT đã lần lượt được ứng dụng vào sản xuất thực phẩm, tạo điều kiện để xây dựng các hệ thống sản xuất nước tương tự động hoàn chỉnh hơn.

Đồ án môn Cơ điện tử của nhóm sinh viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (2023) tập trung nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ thống sản xuất nước tương tự động và xây dựng giao diện điều khiển – giám sát bằng phần mềm WinCC.

Mục tiêu của đề tài bao gồm hai nhóm:

  1. Mục tiêu kinh tế: Tối ưu hóa quy trình sản xuất nước tương, ứng dụng phần mềm WinCC để mô phỏng và giám sát, đảm bảo hiệu quả, tiết kiệm nguyên liệu, thời gian và công sức, đồng thời góp phần tăng sản lượng và giảm chi phí sản xuất.
  2. Mục tiêu kỹ thuật: Đảm bảo chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm nước tương thông qua kiểm soát các yếu tố thành phần, vị trí, màu sắc và hương vị; tối ưu hóa sử dụng năng lượng và tài nguyên; tích hợp công nghệ tự động hóa, IoT và hệ thống theo dõi – điều khiển qua máy tính vào quy trình sản xuất.

Yêu cầu hệ thống được xác định gồm: dễ điều khiển; đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động; thiết bị có độ bền và tuổi thọ cao; hệ thống cảm biến hoạt động chính xác.

Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL; phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7 & WinCC); nguồn cấp điện 24 V DC cho hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển; xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển; thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC; lập trình PLC điều khiển mô hình sản xuất nước tương tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Đồ án dựa trên các nền tảng lý thuyết sau:

  • Mô hình hệ thống sản xuất nước tương tự động: Khái niệm hệ thống tự động hóa công nghiệp thực hiện toàn bộ hoặc phần lớn quy trình từ nguyên liệu đầu vào (đậu nành, muối, nước, NaOH) đến sản phẩm thành phẩm mà không cần sự can thiệp đáng kể của con người.
  • Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller): Thiết bị điều khiển lập trình thực hiện các giải pháp điều khiển logic qua vòng lặp liên tục, xử lý tín hiệu vào/ra. PLC được lựa chọn là Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL với cấu hình: 8 DI 24 V DC, 6 DO relay 2 A, 2 AI 0–10 V DC, bộ nhớ chương trình/dữ liệu 100 KB.
  • Phần mềm TIA Portal V16 (tích hợp SIMATIC STEP 7 và WinCC): Công cụ lập trình PLC và thiết kế giao diện điều khiển – giám sát.
  • WinCC (Windows Control Center): Phần mềm của Siemens dùng thiết kế giao diện HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), cho phép thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất, trao đổi dữ liệu với PLC qua cổng COM (chuẩn RS232/RS485).
  • Phần mềm SolidWorks: Sử dụng để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án sử dụng kết hợp hai phương pháp:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tài liệu sách vở, diễn đàn kỹ thuật; nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ, cảm biến, bộ điều khiển PLC; tìm hiểu bài toán mô hình hóa để tính toán và lựa chọn thiết bị điện và cơ khí; nghiên cứu lập trình điều khiển cho PLC.
  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát hệ thống sản xuất nước tương tự động trên thực tế và các mô hình đề tài trước; sử dụng phần mềm TIA Portal (STEP 7 & WinCC) để mô phỏng hệ thống; sử dụng SolidWorks để thiết kế và mô phỏng cơ khí.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu kỹ thuật được thu thập qua khảo sát thực tế quy trình sản xuất nước tương tự động, tham chiếu catalog thiết bị của các hãng Siemens, LS, Omron, Airtac, IDEC và từ tài liệu kỹ thuật chuyên ngành cơ điện tử.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan về mô hình hệ thống sản xuất nước tương

Chương này trình bày lịch sử phát triển của tự động hóa trong sản xuất nước tương từ thập niên 1970 đến nay, phác thảo bốn giai đoạn chính: xuất hiện hệ thống tự động đầu tiên (1970–1980); ứng dụng máy tính và điều khiển tự động (1990–2000); tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy (2000–2010); ứng dụng IoT và kết nối dữ liệu đa nguồn (2010–nay). Chương xác định mục tiêu kinh tế, mục tiêu kỹ thuật, các yêu cầu hệ thống, phương pháp nghiên cứu và giới hạn phạm vi của đồ án.

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày khái niệm và nguyên lý làm việc của hệ thống sản xuất nước tương tự động, bao gồm sáu giai đoạn công nghệ tuần tự:

Giai đoạn Điều kiện kích hoạt Thông số kiểm soát chính
Thủy phân Nhấn START, cấp nguyên liệu qua xy lanh/van Gia nhiệt 125°C–135°C; thời gian 3–4 ngày
Trung hòa Cảm biến nhiệt độ phát hiện 50°C–60°C Bơm NaOH; nước muối nồng độ 20%
Trích ly – Lọc Tự động sau trung hòa Cảm biến mức cạn bồn thủy phân; thời gian 1 ngày
Phôi chế Cảm biến mức cạn bồn trích ly Bơm phụ gia; trộn 30 phút
Thanh trùng Kết thúc phôi chế Gia nhiệt 90°C trong 20 phút
Lọc – Chứa Cảm biến mức cạn bồn thanh trùng Bơm 4, bơm 5 đưa sang bồn lọc và bồn chứa

Chương cũng mô tả cấu trúc các thành phần hệ thống (bơm, bồn chứa, khuấy trộn, cảm biến, gia nhiệt, cân nguyên liệu), giới thiệu nguyên lý PLC và đặc điểm phần mềm WinCC trong vai trò SCADA.

Chương 3 – Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương này là phần kỹ thuật trọng tâm, bao gồm ba nhánh thiết kế song song: cơ khí, điện-điện tử và phần mềm điều khiển.

Thiết kế cơ khí: Phân tích và lựa chọn từng thiết bị qua so sánh phương án; kết quả lựa chọn bao gồm bơm ly tâm (380 V, 0,75 kW, lưu lượng 40 l/phút, họng hút/xả 34 mm), động cơ giảm tốc 3 pha GH32-1500W-30S (1,5 kW, 1420 vòng/phút, tỉ số truyền 1/30, tốc độ đầu ra 47 vòng/phút), xy lanh khí nén, thanh gia nhiệt công nghiệp inox 304 (4 kW, 100–300°C), cảm biến mức điện dung, cảm biến nhiệt điện trở và cảm biến loadcell một điểm (tải trọng 300 kg, quá tải an toàn 150%). Hệ thống bồn gồm hai loại: bồn kín (kích thước 1700 mm × 300 mm) và bồn trộn hở; đường ống inox 304; bình chứa các dung dịch với tỉ lệ thể tích: nước 20%, NaOH 1%, phụ gia 5%, nước muối 4% so với bồn chứa.

Thiết kế điện-điện tử: Tính toán dòng điện định mức và lựa chọn thiết bị bảo vệ theo từng phụ tải. Các kết quả tính toán cụ thể:

Phụ tải Dòng tính toán (I_tt) Thiết bị chọn
Bơm (0,75 kW, 380 V, 3 pha) 1,608 A Contactor 6 A; Rơ le nhiệt MT-32 (1,5 A) – LS
Động cơ trộn (1,5 kW, 380 V, 3 pha) 3,216 A Contactor 6 A; Rơ le nhiệt MT-32 (2,5–4 A) – LS
Bộ gia nhiệt (4 kW, 380 V, 3 pha) 9,105 A Contactor 12 A; Rơ le nhiệt MT-32 (7–10 A) – LS
Tổng hệ thống 38,145 A Aptomat BKN 3P 40A
Mạch điều khiển Dòng thấp Aptomat BKN 2P 6A

Các thiết bị điều khiển phụ bao gồm: Rơ le trung gian Omron LY2N-JAC220/240 (220–240 VAC, 8 chân, 10 A); van điện từ khí Airtac 3V210-08 (220 VAC, thời gian tác động 0,05 s); van điện từ chất lỏng 21H9 (220 VAC, ống 27 mm, 0–7 bar); nút nhấn YW1B-M1E11R (22 mm, 1NO+1NC, 24 VDC); đèn báo LED IDEC YW1P-1EQMR (22 mm, 220 VAC).

Thiết kế phần mềm điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán hệ thống, khởi tạo Project trên TIA Portal V16, lựa chọn CPU S7-1200 1212C, gắn thêm module mở rộng, tạo chương trình chính và chương trình con. Khởi tạo WinCC RT Advanced, kết nối PLC với WinCC RT Advanced, thiết kế giao diện HMI gồm các bước: hiệu chỉnh thông số đối tượng, tạo Animations cho đối tượng, gắn tag Events cho từng đối tượng điều khiển.

Chương 4 – Kết luận

Chương tổng kết các kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đồ án, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu và nêu định hướng phát triển tiếp theo.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Hệ thống được xây dựng theo kiến trúc ba lớp điển hình trong tự động hóa công nghiệp:

  • Lớp chấp hành (Field level): Các thiết bị cơ khí và điện-điện tử bao gồm 5 bơm ly tâm, 1 động cơ giảm tốc 3 pha, hệ thống xy lanh khí nén, 2 loại van điện từ (khí và chất lỏng), thanh gia nhiệt công nghiệp 4 kW.
  • Lớp điều khiển (Control level): PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL kết hợp module mở rộng; các cảm biến mức điện dung, cảm biến nhiệt điện trở, cảm biến loadcell.
  • Lớp giám sát (Supervisory level): Giao diện HMI Siemens và phần mềm WinCC RT Advanced chạy trên máy tính, kết nối với PLC qua TIA Portal V16.

Công nghệ sử dụng

Hạng mục Công nghệ / Thiết bị
Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL
Phần mềm lập trình TIA Portal V16 (SIMATIC STEP 7)
Phần mềm giám sát WinCC RT Advanced
Thiết kế cơ khí SolidWorks
Màn hình HMI Màn hình HMI Siemens
Giao tiếp RS232 (PC) / RS485 (PLC)
Nguồn điều khiển 24 V DC
Nguồn động lực 380 V AC 3 pha

Giao diện HMI và giám sát WinCC

Giao diện HMI được thiết kế trong TIA Portal V16, sau đó tích hợp với WinCC RT Advanced. Quy trình xây dựng giao diện gồm: khởi tạo WinCC RT Advanced, kết nối PLC với WinCC RT Advanced, hiệu chỉnh thông số cho từng đối tượng trên màn hình, tạo Animations phản ánh trạng thái thực của hệ thống, gắn tag Events để điều khiển trực tiếp từ giao diện. Màn hình cập nhật mỗi lần một trạng thái trong quy trình sản xuất thay đổi, cho phép người vận hành theo dõi toàn bộ sáu giai đoạn sản xuất theo thời gian thực.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình hệ thống sản xuất nước tương tự động với sáu giai đoạn vận hành tuần tự, điều khiển bởi PLC Siemens S7-1200 và giám sát qua WinCC RT Advanced.
  • Lựa chọn và tính toán đầy đủ hệ thống thiết bị điện bảo vệ: aptomat tổng BKN 3P 40A, aptomat mạch điều khiển BKN 2P 6A; contactor và rơ le nhiệt LS cho từng phụ tải theo dòng tính toán thực tế.
  • Thiết kế hệ thống cơ khí hoàn chỉnh gồm bồn chứa hai loại (kín và trộn hở với kích thước 1700 mm × 300 mm), đường ống inox 304, bình chứa các dung dịch theo tỉ lệ nguyên liệu đã tính toán, hệ thống cân loadcell 300 kg, cánh trộn và toàn bộ bản vẽ lắp.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán, chương trình điều khiển trên TIA Portal V16 và giao diện HMI giám sát trên WinCC RT Advanced phản ánh đầy đủ các trạng thái vận hành của hệ thống.
  • Động cơ giảm tốc GH32-1500W-30S với tỉ số truyền 1/30 đạt tốc độ đầu ra 47 vòng/phút, phù hợp với yêu cầu trộn nguyên liệu không để chất lỏng văng.

Giải pháp và đóng góp so với nghiên cứu trước

Đồ án tích hợp đồng thời thiết kế cơ khí (SolidWorks), lập trình điều khiển PLC (TIA Portal/STEP 7) và xây dựng giao diện SCADA (WinCC RT Advanced) trong một mô hình thống nhất, thay vì tiếp cận từng phần riêng lẻ như các đề tài trước. Việc áp dụng PLC Siemens S7-1200 kết hợp WinCC RT Advanced tạo ra khả năng giám sát theo thời gian thực và điều khiển từ xa thông qua giao diện HMI, khác với các hệ thống bán tự động truyền thống phụ thuộc nhiều vào thao tác thủ công của người vận hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Phạm vi đồ án giới hạn ở mức mô hình (không phải hệ thống sản xuất thực quy mô công nghiệp), sử dụng nguồn cấp 24 V DC và không đề cập đến các giải pháp tích hợp IoT thực tế mặc dù đã được nêu trong định hướng tổng quan. Mô hình chưa bao gồm giải pháp kiểm soát pH tự động trong giai đoạn trung hòa và chưa xử lý thu thập dữ liệu lịch sử sản xuất (historian). Hướng phát triển tiếp có thể mở rộng sang tích hợp IoT để giám sát từ xa qua mạng, bổ sung cảm biến pH, nâng cấp lên quy mô pilot plant và ứng dụng các thuật toán điều khiển nâng cao (PID, MPC) cho giai đoạn gia nhiệt và trung hòa.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển và Điện tử: Phần tính toán lựa chọn thiết bị điện (contactor, rơ le nhiệt, aptomat) theo dòng tính toán thực tế và phần xây dựng giao diện WinCC RT Advanced kết hợp PLC S7-1200 là các nội dung thực hành có giá trị áp dụng trực tiếp.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí: Phần thiết kế hệ thống bồn, đường ống, cánh trộn và bản vẽ lắp trên SolidWorks cung cấp quy trình thiết kế cơ khí ứng dụng cho hệ thống công nghiệp thực phẩm.
  • Sinh viên thực hiện đề tài tương tự về SCADA/HMI: Quy trình cấu hình TIA Portal V16, kết nối PLC–WinCC RT Advanced, tạo Animations và gắn tag Events là tài liệu thực hành chi tiết theo từng bước.
  • Kỹ thuật viên và người vận hành trong nhà máy thực phẩm: Phần mô tả sáu giai đoạn quy trình công nghệ với các ngưỡng nhiệt độ, thời gian và điều kiện chuyển giai đoạn cụ thể có thể dùng để tham chiếu khi thiết kế quy trình vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bao nhiêu bơm và vai trò của từng bơm là gì? Hệ thống sử dụng 5 bơm ly tâm. Bơm 1 đưa nước tương từ bồn thủy phân sang bồn trích ly; bơm 2 đưa nước tương lọc thô từ bồn trích ly sang bồn phôi chế; bơm 3 đưa nước tương từ bồn phôi chế sang bồn thanh trùng; bơm 4 đưa nước tương từ bồn thanh trùng sang bồn lọc; bơm 5 đưa nước tương từ bồn lọc sang bồn chứa thành phẩm. Mỗi bơm dừng khi cảm biến mức cạn ở bồn nguồn tương ứng được kích hoạt.

2. Tại sao nhóm chọn xy lanh khí nén thay vì xy lanh thủy lực? Nhóm chọn xy lanh khí nén vì đáp ứng được các yêu cầu tạo lực nhanh chóng, kích thước nhỏ gọn, sử dụng an toàn và chi phí lắp đặt thấp. Xy lanh thủy lực bị loại do gây ô nhiễm môi trường từ dầu thủy lực, có nguy cơ rò rỉ dầu và chi phí cài đặt cùng bảo dưỡng cao hơn — các nhược điểm không phù hợp với môi trường sản xuất thực phẩm.

3. Nhiệt độ trong giai đoạn thủy phân và giai đoạn thanh trùng được kiểm soát như thế nào và ở mức nào? Giai đoạn thủy phân sử dụng thanh gia nhiệt công nghiệp inox 304 công suất 4 kW để duy trì nhiệt độ 125°C–135°C trong 3–4 ngày. Giai đoạn thanh trùng gia nhiệt ở 90°C trong 20 phút để tiêu diệt vi sinh vật. Việc chuyển từ giai đoạn thủy phân sang giai đoạn trung hòa được kích hoạt tự động khi cảm biến nhiệt điện trở phát hiện nhiệt độ bồn giảm xuống còn 50°C–60°C.

4. Aptomat tổng của hệ thống được chọn như thế nào và dòng định mức là bao nhiêu? Dòng aptomat tổng được tính theo công thức dựa trên tổng dòng tính toán của tất cả các phụ tải. Kết quả tính toán cho giá trị I_ap = 38,145 A; từ đó chọn aptomat có dòng định mức lớn hơn và gần nhất là aptomat BKN 3P 40A. Riêng mạch điều khiển do dòng thấp nên chọn aptomat BKN 2P 6A.

5. Giao diện WinCC RT Advanced được xây dựng theo quy trình nào và kết nối với PLC ra sao? Quy trình gồm sáu bước: (1) Khởi tạo WinCC RT Advanced trong TIA Portal V16; (2) Kết nối PLC S7-1200 với WinCC RT Advanced; (3) Thiết kế giao diện HMI với các đối tượng đồ họa mô phỏng hệ thống; (4) Hiệu chỉnh thông số cho từng đối tượng; (5) Tạo Animations phản ánh trạng thái thực (bật/tắt bơm, mức bồn, nhiệt độ); (6) Gắn tag Events cho từng đối tượng để thực hiện lệnh điều khiển từ giao diện. Màn hình cập nhật mỗi lần một trạng thái trong quy trình sản xuất thay đổi.

Kết luận

Đồ án nghiên cứu và thiết kế mô hình hệ thống sản xuất nước tương tự động điều khiển giám sát bằng WinCC tích hợp đầy đủ ba phần: thiết kế cơ khí (bồn, đường ống, cân, cánh trộn), hệ thống điện-điện tử (PLC S7-1200, thiết bị bảo vệ, cảm biến) và phần mềm điều khiển (TIA Portal V16, WinCC RT Advanced). Quy trình sản xuất sáu giai đoạn được tự động hóa hoàn toàn với các điều kiện chuyển giai đoạn dựa trên tín hiệu cảm biến nhiệt độ và mức chất lỏng. Kết quả đồ án cung cấp một mô hình tham chiếu hoàn chỉnh về tích hợp cơ điện tử trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt hữu ích cho các đề tài tiếp theo hướng đến tích hợp IoT và mở rộng quy mô sản xuất thực.