Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nướng là phương thức làm chín thực phẩm truyền thống nhằm tạo ra mùi vị đặc trưng, độ thơm ngon và giúp thực phẩm dễ tiêu hóa. Trong kỹ thuật làm bánh, các lò nướng ban đầu thường được xây dựng thủ công bằng gạch và sử dụng nhiên liệu đốt như than, củi. Phương pháp truyền thống này bộc lộ nhiều hạn chế: quy trình vận hành thủ công vất vả, tiêu tốn nhiều sức lao động, chi phí nhân công cao, đồng thời không đảm bảo độ an toàn và tính ổn định về nhiệt độ trong buồng nướng.

Sự phát triển của kỹ thuật tự động hóa và các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đã mở ra giải pháp thay thế các quy trình thủ công trong sản xuất, nâng cao độ chính xác, an toàn và tối ưu hóa năng lượng. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng PLC S7-1200" được thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống lò nướng bánh tự động hóa quy trình gia nhiệt, kiểm soát nhiệt độ buồng đốt bằng phương pháp điều khiển hiện đại, nâng cao chất lượng bánh và giảm thiểu hao phí nhiên liệu.

Đề tài xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và thi công mô hình lò nướng bánh sử dụng bộ điều khiển PLC.
  2. Điều khiển nhiệt độ bên trong buồng lò thông qua cảm biến nhiệt độ.
  3. Điều khiển tốc độ quạt gió và lưu lượng gas bằng động cơ analog thông qua bộ đánh lửa.
  4. Giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ thông qua màn hình giao diện HMI.
  5. Ứng dụng PLC vào mô hình nhằm giảm bớt sức lao động và tiết kiệm chi phí vận hành.

Để hoàn thành các mục tiêu trên, tác giả đã triển khai 6 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu:

  • Nội dung 1: Tìm hiểu quy trình nướng bánh, nguyên lý bộ điều khiển PLC S7-1200, các loại cảm biến, màn hình HMI và phương pháp điều khiển lưu lượng khí gas.
  • Nội dung 2: Thiết kế mô hình và thi công phần cứng cơ khí lò nướng bánh.
  • Nội dung 3: Thi công, lắp đặt và đi dây tủ điện điều khiển.
  • Nội dung 4: Xây dựng lưu đồ điều khiển hệ thống và thiết kế giao diện HMI.
  • Nội dung 5: Lập trình điều khiển cho PLC, chạy thử nghiệm mô hình thực tế và cân chỉnh hệ thống.
  • Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực nghiệm, viết báo cáo tổng kết và đề xuất hướng mở rộng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển nhiệt độ buồng nướng tự động ứng dụng PLC S7-1200, kết hợp hệ thống phối trộn khí gas - không khí và cơ chế đánh lửa an toàn.
  • Phạm vi không gian và quy mô: Mô hình lò nướng được chế tạo bằng vật liệu Inox với kích thước $70 \times 45 \times 50\text{ cm}$, đặt trên khung sắt chữ V 2 tầng kích thước $100 \times 50 \times 130\text{ cm}$. Buồng nướng có 1 khay nướng với công suất nướng tối đa 5 chiếc bánh/lần; thao tác đưa khay bánh vào và lấy bánh ra được thực hiện thủ công bằng tay. Hệ thống sử dụng nhiên liệu khí gas dân dụng (LPG) thay cho khí nén thiên nhiên (CNG).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được thực hiện từ ngày 25/09/2017 đến ngày 08/01/2018 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật cảm biến, khí cụ an toàn nhiệt công nghiệp và công nghệ chế biến thực phẩm:

  • Quy trình nướng bánh trung thu: Nghiên cứu dựa trên quy trình chế biến bánh trung thu nhân sầu riêng thực tế. Quy trình gia nhiệt tiêu chuẩn gồm 3 chu kỳ nướng ngắt quãng: làm nóng lò trước 15 phút, đưa bánh vào nướng lần 1 trong 5 phút; lấy ra phun sương nước và quét hỗn hợp lòng đỏ trứng (nghỉ 2–3 phút); nướng lần 2 trong 6 phút; tiếp tục lấy ra phun sương, quét mặt bánh và nướng lần 3 trong 6 phút cho đến khi bánh chín đều.
  • Lý thuyết điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative): Hệ thống ứng dụng cấu trúc giải thuật PID liên tục và rời rạc để kiểm soát sai số giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực tế trong lò:
    • Khâu tỉ lệ ($K_P$): Tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, giảm sai số xác lập nhưng có thể gây vọt lố.
    • Khâu tích phân ($K_I$): Triệt tiêu sai số xác lập đối với tín hiệu đầu vào hàm nấc.
    • Khâu vi phân ($K_D$): Giảm độ vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ.
    • Các phương pháp xác định thông số PID được khảo cứu bao gồm: Ziegler – Nichols, Cohen – Coon, Tyreus – Luyben và phương pháp tự động hiệu chỉnh (Autotune).
  • Lý thuyết đo lường nhiệt độ: Phân tích đặc tính kỹ thuật của các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến (nhiệt điện trở RTD, cặp nhiệt điện Thermocouple, cảm biến bán dẫn LM35/LM335, điện trở oxit kim loại Thermistor). Nghiên cứu lựa chọn cảm biến RTD PT100 loại 3 dây kết hợp bộ chuyển đổi tín hiệu điện trở sang dòng điện tiêu chuẩn $4\text{ – }20\text{ mA}$ nhằm tăng độ chính xác và khả năng chống nhiễu.
  • Kiến trúc điều khiển PLC S7-1200: Cơ chế quét tuần hoàn (scan cycle kéo dài từ $1\text{ đến }25\text{ ms}$) bao gồm các giai đoạn: quét ngõ vào (Input scan), thực thi khối lệnh chương trình (Program execution) và cập nhật ngõ ra (Output scan).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán phụ tải điện, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển, lựa chọn các thiết bị chấp hành, thiết bị bảo vệ và cơ cấu đóng mở van khí.
  • Phương pháp mô hình hóa và lập trình: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể; lập trình cấu hình phần cứng và giải thuật điều khiển trên phần mềm TIA Portal; thiết kế giao diện đồ họa giám sát vận hành trên phần mềm chuyên dụng của màn hình HMI TOP.
  • Phương pháp thực nghiệm và cân chỉnh: Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống đường ống dẫn khí/gas, đấu nối tủ điện điều khiển; chạy thử nghiệm quy trình đánh lửa, hiệu chỉnh tỷ lệ hòa trộn khí và lấy mẫu nhiệt độ buồng lò để tối ưu hóa bộ thông số điều khiển.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Tài liệu thông số kỹ thuật (Datasheet) từ các nhà sản xuất thiết bị: Siemens (PLC S7-1200, Module SM 1231, SM 1232, bộ xử lý đánh lửa LFL 1), Aplisens (bộ chuyển đổi LI-24ALW), ValBia (motor van), Brahma (cảm biến nhận lửa UV), Madas (van điện từ khí), Fida (biến thế đánh lửa).
  • Dữ liệu khảo sát thực tế quy trình nướng tại các cơ sở làm bánh trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh.
  • Số liệu đo đạc thực nghiệm thu được từ cảm biến nhiệt độ PT100 và màn hình giám sát HMI trong quá trình vận hành buồng nướng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vòng kín, kết hợp giữa mạch logic an toàn và mạch điều khiển vòng lặp tương tự (Analog).

[ Khối Cảm biến PT100 ] ---> [ Bộ chuyển đổi LI-24ALW (4-20mA) ] ---> [ Module Analog SM 1231 ]
                                                                               |
                                                                               v
[ Giao diện HMI ] <===================================================> [ PLC S7-1200 CPU 1214C ]
                                                                               |
                                    +------------------------------------------+
                                    |                                          |
                                    v                                          v
                         [ Khối Relay / Output ]                    [ Module Analog SM 1232 ]
                                    |                                          |
        +---------------------------+---------------------------+              v
        |                           |                           |       [ Motor Van ValBia ]
        v                           v                           v       (Điều khiển lưu lượng gas)
[ Bộ đánh lửa LFL 1 ]     [ Quạt thổi khí 200W ]      [ Đèn báo/Còi ]
        |
        +---> [ Biến thế Fida ] ---> [ Cụm mồi lửa ]
        |
        +<--- [ Cảm biến UV Brahma ] (Phản hồi ngọn lửa)
        |
        +---> [ Van khí Madas ]

Hệ thống điều khiển được phân chia thành các khối chức năng:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C (AC/DC/RLY), tích hợp 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DQ), 2 ngõ vào tương tự (AI) và bộ nhớ làm việc $100\text{ KB}$. Để xử lý các tín hiệu tương tự chuyên dụng, hệ thống ghép nối thêm module mở rộng ngõ vào tương tự SM 1231 AI4 (đọc tín hiệu dòng $4\text{ – }20\text{ mA}$) và module mở rộng ngõ ra tương tự SM 1232 AQ4 (xuất tín hiệu điều khiển động cơ van).
  • Khối cảm biến và đo lường: Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây (vỏ bọc thép không gỉ đường kính $4\text{ mm}$, bọc dây Teflon dài $1\text{ m}$, dải đo $-50^\circ\text{C}\text{ đến }200^\circ\text{C}$, cấp chính xác sai số $<0{,}5%$). Tín hiệu điện trở từ PT100 được đưa qua bộ chuyển đổi Aplisens LI-24ALW để chuyển đổi sang tín hiệu dòng điện $4\text{ – }20\text{ mA}$ truyền về module SM 1231.
  • Khối chấp hành và đánh lửa an toàn:
    • Bộ xử lý đánh lửa LFL 1 phối hợp với biến thế đánh lửa Fida tạo tia lửa điện cao áp.
    • Cảm biến nhận lửa tia cực tím Brahma (bước sóng nhận diện $190\text{ – }290\text{ nm}$, nguồn cấp $220\text{ VAC}$) giám sát sự hiện diện của ngọn lửa; nếu không phát hiện ngọn lửa trong thời gian quy định, bộ xử lý sẽ lập tức ngắt van khí để chống cháy nổ.
    • Van khí đóng mở bằng điện Madas và motor van điều khiển analog ValBia (nguồn cấp $110\text{ – }240\text{ VAC}$) điều chỉnh góc mở van để định lượng chính xác lưu lượng gas cấp vào buồng đốt.
    • Quạt thổi gió công suất $200\text{ W}$ ($220\text{ VAC}$) cung cấp không khí hòa trộn với luồng gas và làm mát buồng nướng khi cần thiết.
  • Khối giao diện người - máy (HMI): Màn hình cảm ứng HMI XTOP10TW-UD (màn hình màu LCD TFT, bộ nhớ màn hình $26\text{ MB}$, bộ nhớ lưu trữ $256\text{ KB}$, nguồn cấp $24\text{ VDC}$, vỏ nhựa ABS chống cháy). Giao tiếp với PLC thông qua cổng Ethernet chuẩn công nghiệp. Giao diện được thiết kế gồm các phân trang:
    • Trang chính: Hiển thị tổng quan trạng thái hệ thống và nút chuyển chế độ.
    • Trang Auto: Hiển thị đồ thị nhiệt độ thực tế, nhiệt độ cài đặt, trạng thái ngọn lửa và các thông số vận hành tự động theo thời gian.
    • Trang Manual: Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy/dừng từng thiết bị riêng lẻ (quạt gió, bộ đánh lửa, motor mở van gas) phục vụ công tác kiểm tra, sửa chữa.
    • Trang cài đặt nhiệt độ: Cho phép thiết lập ngưỡng nhiệt độ hoạt động mong muốn (dải làm việc tiêu chuẩn từ $100^\circ\text{C}\text{ đến }150^\circ\text{C}$) và các thông số điều khiển.
Thiết bị / Linh kiện Hãng sản xuất / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY) Nguồn cấp $220\text{ VAC}$, 14 DI ($24\text{ VDC}$), 10 DQ Relay, 2 AI ($0\text{ – }10\text{ VDC}$), ROM $100\text{ KB}$ Xử lý logic, chạy thuật toán PID, điều khiển toàn bộ hệ thống
Module ngõ vào Analog Siemens SM 1231 AI4 4 ngõ vào Analog ($4\text{ – }20\text{ mA}$ hoặc $0\text{ – }10\text{ VDC}$) Nhận tín hiệu dòng điện $4\text{ – }20\text{ mA}$ từ bộ chuyển đổi nhiệt độ
Module ngõ ra Analog Siemens SM 1232 AQ4 4 ngõ ra Analog ($4\text{ – }20\text{ mA}$ hoặc $0\text{ – }10\text{ VDC}$) Xuất tín hiệu điều khiển góc mở motor van gas
Cảm biến nhiệt độ RTD PT100 (3 dây) Đầu dò thép không gỉ $\varnothing 4\text{ mm}$, dải đo $-50^\circ\text{C}\text{ đến }200^\circ\text{C}$, dây dẫn bọc Teflon $1\text{ m}$ Đo nhiệt độ thực tế trong buồng nướng
Bộ chuyển đổi tín hiệu Aplisens LI-24ALW Nguồn cấp $13{,}5\text{ – }45\text{ VDC}$, ngõ ra $4\text{ – }20\text{ mA}$, sai số $0{,}1%$ Chuyển đổi giá trị điện trở PT100 sang dòng điện công nghiệp
Màn hình điều khiển HMI TOP XTOP10TW-UD Màn hình LCD TFT màu, bộ nhớ $26\text{ MB}$, nguồn $24\text{ VDC}$, cổng Ethernet/RS232/RS485 Giao diện giám sát, cài đặt nhiệt độ và điều khiển hệ thống
Bộ xử lý đánh lửa Siemens LFL 1 Nguồn cấp $220\text{ VAC}$, tích hợp chu trình kiểm soát van gas và mồi lửa Kiểm soát chu trình đánh lửa tự động và ngắt an toàn
Cảm biến nhận lửa Brahma Nguồn cấp $220\text{ VAC}$, ống phóng bức xạ cực tím UV ($190\text{ – }290\text{ nm}$) Phát hiện tia bức xạ của ngọn lửa buồng đốt
Biến thế đánh lửa Fida Điện áp ngõ vào $220\text{ VAC}$, điện áp ngõ ra cao áp Phóng tia lửa điện để mồi cháy hỗn hợp khí gas
Motor van điều khiển ValBia Điện áp hoạt động $110\text{ – }240\text{ VAC}$, điều khiển góc mở Analog Đóng mở góc kích van gas theo mức nhiệt độ yêu cầu
Van an toàn khí gas Madas Van đóng mở bằng điện $220\text{ VAC}$ Đóng ngắt khẩn cấp đường dẫn khí gas
Quạt thổi khí Quạt công nghiệp Nguồn $220\text{ VAC}$, công suất $200\text{ W}$ Thổi khí làm mát và hòa trộn không khí với khí gas
Bộ nguồn DC Nguồn tổ ong công nghiệp Điện áp vào $220\text{ VAC}$, ngõ ra $24\text{ VDC}$, công suất $240\text{ W}$ Cung cấp nguồn cho PLC, HMI, cảm biến và relay

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài thông qua việc phân tích hạn chế của phương pháp nướng bánh thủ công truyền thống và lợi thế của tự động hóa công nghiệp bằng PLC. Tác giả xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu, 6 nội dung nhiệm vụ kỹ thuật cần giải quyết, phạm vi giới hạn kích thước mô hình ($70 \times 45 \times 50\text{ cm}$ cho buồng lò Inox; $100 \times 50 \times 130\text{ cm}$ cho khung sắt V; nướng tối đa 5 bánh/mẻ), phương pháp đưa/lấy bánh thủ công và bố cục 6 chương của bản đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình chế biến và nướng bánh trung thu chuẩn hóa theo 3 bước nướng kết hợp phun ẩm. Tác giả hệ thống hóa cơ sở lý thuyết điều khiển tự động với bộ điều khiển PID (phân tích hàm truyền, vai trò các hệ số $K_P$, $K_I$, $K_D$, phương pháp chỉnh định Ziegler - Nichols, Autotune); phân loại và đánh giá các dòng cảm biến nhiệt độ (RTD, Thermocouple, bán dẫn, Thermistor); tổng quan kiến trúc phần cứng, chu kỳ quét và tập lệnh của dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1211C, 1212C, 1214C); đồng thời thuyết minh nguyên lý cấu tạo của hệ thống đánh lửa LFL 1, biến thế Fida, cảm biến tử ngoại UV Brahma, van điện từ Madas, motor van ValBia, quạt thổi khí $200\text{ W}$ và màn hình HMI XTOP10TW-UD.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào khâu tính toán kỹ thuật và thiết kế hệ thống. Về cơ khí, tác giả tính toán kết cấu buồng nướng bằng vật liệu Inox 304 có 4 lỗ kỹ thuật chuyên dụng (lắp cảm biến nhận lửa, cụm đánh lửa, đầu đo nhiệt độ và ống cấp gió thổi), khung sắt V chịu lực và tủ điện điều khiển công nghiệp. Về hệ thống điện, chương này xây dựng chi tiết sơ đồ khối hệ thống, lựa chọn cấu hình CPU 1214C kết hợp module SM 1231 AI và SM 1232 AQ; tính toán bảng tiêu thụ dòng điện của các khối thiết bị; thiết kế sơ đồ đấu nối cảm biến PT100 qua bộ chuyển đổi Aplisens LI-24ALW ($4\text{ – }20\text{ mA}$), sơ đồ liên động khối relay điều khiển tải $220\text{ VAC}$ và sơ đồ kết nối mạng giữa PLC và màn hình HMI.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ tiến trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế sang sản phẩm thực tế:

  • Thi công khung sắt chữ V, hàn ghép buồng nướng Inox, gia công lắp ráp hệ thống đường ống dẫn khí và đường ống dẫn gas.
  • Bố trí thiết bị trong tủ điện điều khiển, gắn máng dây, thanh cài rail, đi dây động lực và dây tín hiệu điều khiển, gắn nút nhấn và đèn báo $\varnothing 21$ trên mặt tủ.
  • Lập trình phần mềm điều khiển trên TIA Portal (xây dựng khối chương trình Main OB1, cấu hình kênh đọc Analog, xử lý thuật toán nhiệt độ, viết chương trình liên động an toàn ngọn lửa).
  • Thiết kế các màn hình chức năng trên phần mềm HMI (Main Screen, Auto Screen, Manual Screen, Setting Screen).
  • Biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành và quy trình thao tác an toàn cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 trình bày kết quả nghiệm thu mô hình thực tế sau khi thi công và tích hợp. Tác giả ghi nhận trạng thái hoạt động thực tế của tủ điện, bộ điều khiển PLC S7-1200, buồng nướng và hệ thống hiển thị HMI. Đánh giá khả năng hoạt động ổn định của hệ thống: hệ thống đánh lửa hoạt động chính xác, cơ chế đóng mở van gas analog đáp ứng tốt, nhiệt độ buồng lò được kiểm soát trong phạm vi cài đặt ($100^\circ\text{C}\text{ – }150^\circ\text{C}$), bánh nướng ra đạt độ chín đều, không bị cháy khét và tiết kiệm gas. Bên cạnh đó, chương này cũng thẳng thắn chỉ ra các điểm còn tồn tại về lưu lượng oxy trong lò.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu ban đầu đề ra; đồng thời đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu kỹ thuật đề ra, mang lại những kết quả và đóng góp cụ thể:

  • Kết quả kỹ thuật thực nghiệm:
    • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình lò nướng bánh quy mô thử nghiệm với vật liệu Inox kích thước $70 \times 45 \times 50\text{ cm}$ và khung sắt V kích thước $100 \times 50 \times 130\text{ cm}$.
    • Tích hợp thành công bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200 (CPU 1214C) với module mở rộng SM 1231 AI4 và SM 1232 AQ4.
    • Thu thập và xử lý chính xác tín hiệu nhiệt độ thông qua cảm biến RTD PT100 3 dây kết hợp bộ chuyển đổi Aplisens LI-24ALW sang tín hiệu chuẩn $4\text{ – }20\text{ mA}$, kiểm soát nhiệt độ buồng nướng ổn định trong dải làm việc $100^\circ\text{C}\text{ – }150^\circ\text{C}$.
    • Điều khiển tự động góc mở motor van ValBia bằng tín hiệu analog, phối hợp nhịp nhàng với quạt thổi gió $200\text{ W}$ và bộ đánh lửa LFL 1 để tối ưu hóa quá trình đốt cháy khí gas.
    • Thiết lập cơ chế bảo vệ an toàn ngọn lửa thông qua cảm biến tia tử ngoại UV Brahma; hệ thống tự động khóa van gas Madas khi phát hiện sự cố mất lửa.
    • Xây dựng hệ thống giám sát và vận hành trực quan qua màn hình cảm ứng HMI XTOP10TW-UD với hai chế độ Auto và Manual độc lập.
  • Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
    • Ứng dụng giải pháp chuyển đổi tín hiệu đo nhiệt độ điện trở sang tín hiệu dòng điện chuẩn công nghiệp $4\text{ – }20\text{ mA}$ nhằm loại bỏ suy hao và nhiễu trên đường dây dẫn tín hiệu.
    • Tích hợp chu trình đánh lửa công nghiệp LFL 1 kết hợp cảm biến bức xạ UV vào mô hình lò nướng dân dụng nhằm loại trừ triệt để nguy cơ tích tụ khí gas gây cháy nổ.
    • Áp dụng phương pháp tự động hiệu chỉnh (Autotune) để xác định bộ thông số điều khiển $K_P$, $K_I$, $K_D$, giúp hệ thống nhanh chóng đạt trạng thái xác lập nhiệt mà không gây vọt lố nhiệt độ làm hỏng bánh.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Hiện thực hóa thành công giải pháp tự động hóa quá trình gia nhiệt buồng nướng thực phẩm bằng nhiên liệu gas dưới sự điều khiển của PLC S7-1200 và giám sát HMI.
    • Cung cấp bộ tài liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh: từ kết cấu cơ khí, sơ đồ đấu nối mạch động lực/mạch điều khiển, bảng gán địa chỉ I/O đến chương trình điều khiển PLC và giao diện HMI, có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu ứng dụng liên quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên quá trình thử nghiệm thực tế và nội dung báo cáo, đề tài còn một số hạn chế:

  • Lượng khí oxy cung cấp cho buồng đốt đôi khi còn thiếu, dẫn đến hiệu suất hòa trộn và đốt cháy hỗn hợp khí gas - không khí chưa đạt mức tối ưu tuyệt đối trong một số thời điểm.
  • Quy mô lò nướng còn nhỏ, chỉ trang bị 1 khay nướng với công suất tối đa 5 chiếc bánh/lần; khâu đưa bánh vào lò và lấy bánh ra vẫn phải thực hiện thủ công bằng tay.
  • Mô hình sử dụng nhiên liệu bình gas LPG dân dụng thay vì hệ thống cấp khí đốt công nghiệp chuyên dụng (CNG).
  • Do giới hạn về kinh phí và thời gian thực hiện, các thiết bị phụ trợ và cơ cấu cơ khí tự động hóa hoàn toàn chu trình chưa được triển khai đồng bộ.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Cải tiến hệ thống cấp gió bằng cách tích hợp van điều tiết lưu lượng gió tự động đồng bộ theo góc mở của motor van gas, đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy cho quá trình cháy hoàn toàn.
  • Thiết kế hệ thống nạp và dỡ khay bánh tự động bằng cơ cấu băng tải hoặc cánh tay robot công nghiệp để khép kín dây chuyền tự động hóa.
  • Mở rộng quy mô lò nướng lên nhiều tầng hoặc thiết kế theo dạng lò nướng băng chuyền liên tục phục vụ sản xuất quy mô công nghiệp.
  • Mở rộng kết nối mạng truyền thông SCADA để thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển dây chuyền từ xa qua mạng máy tính.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử Công nghiệp, Cơ điện tử và Công nghệ Thực phẩm.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
    • Quy trình cấu hình và lập trình xử lý tín hiệu Analog (Module SM 1231 AI, SM 1232 AQ) trên dòng PLC Siemens S7-1200 qua phần mềm TIA Portal.
    • Kỹ thuật ghép nối cảm biến nhiệt độ RTD PT100 3 dây với bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện $4\text{ – }20\text{ mA}$ Aplisens LI-24ALW.
    • Phương pháp thiết kế và lắp đặt hệ thống kiểm soát ngọn lửa, an toàn cháy nổ công nghiệp sử dụng bộ điều khiển LFL 1, cảm biến cực tím Brahma, van điện từ Madas và biến áp đánh lửa Fida.
    • Kỹ thuật thiết kế giao diện vận hành HMI phân tầng chức năng (Auto, Manual, Setting) và kết nối truyền thông Ethernet với PLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các module mở rộng tín hiệu được sử dụng trong hệ thống gồm những loại nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 với CPU 1214C (AC/DC/RLY), tích hợp 14 ngõ vào số $24\text{ VDC}$, 10 ngõ ra số dạng Relay và 2 ngõ vào analog ($0\text{ – }10\text{ VDC}$). Để phục vụ việc xử lý tín hiệu điều khiển nhiệt độ và góc mở van, hệ thống được mở rộng thêm 2 module tín hiệu: module ngõ vào tương tự SM 1231 AI4 (đọc dòng $4\text{ – }20\text{ mA}$) và module ngõ ra tương tự SM 1232 AQ4.

2. Cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi tín hiệu trong đồ án có đặc tính kỹ thuật gì?
Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100 loại 3 dây, vỏ bọc thép không gỉ đường kính $\varnothing 4\text{ mm}$, dây dẫn bọc chất liệu Teflon dài $1\text{ m}$, dải đo từ $-50^\circ\text{C}\text{ đến }200^\circ\text{C}$ với sai số $<0{,}5%$. Do PLC không đọc trực tiếp giá trị điện trở, tín hiệu từ PT100 được đưa qua bộ chuyển đổi Aplisens LI-24ALW (nguồn cấp $13{,}5\text{ – }45\text{ VDC}$, sai số $0{,}1%$) để chuyển đổi tuyến tính sang tín hiệu dòng điện công nghiệp $4\text{ – }20\text{ mA}$ đưa về module SM 1231.

3. Cơ chế đánh lửa và giám sát an toàn ngọn lửa buồng đốt vận hành như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển đánh lửa Siemens LFL 1 phối hợp với biến thế Fida để tạo tia lửa mồi hỗn hợp khí gas. Quá trình cháy được giám sát liên tục bằng cảm biến nhận lửa Brahma (sử dụng bóng thủy tinh chứa khí có khả năng cảm ứng bức xạ tia cực tím UV trong dải bước sóng $190\text{ – }290\text{ nm}$). Khi ngọn lửa xuất hiện, cảm biến truyền tín hiệu về bộ xử lý để duy trì mở van gas Madas; nếu quá trình đánh lửa thất bại hoặc mất ngọn lửa đột ngột, bộ xử lý sẽ tự động ngắt van cấp gas để ngăn chặn nguy cơ rò rỉ khí đốt.

4. Dải nhiệt độ làm việc của lò nướng và quy trình nướng bánh trung thu được thiết lập ra sao?
Nhiệt độ hoạt động trong lò được cài đặt và duy trì ổn định trong khoảng từ $100^\circ\text{C}\text{ đến }150^\circ\text{C}$. Quy trình nướng bánh trung thu thực nghiệm gồm 3 giai đoạn gia nhiệt: làm nóng lò trước 15 phút, nướng lần 1 trong 5 phút; lấy ra xịt sương nước và quét lớp lòng đỏ trứng (nghỉ 2–3 phút); nướng lần 2 trong 6 phút; tiếp tục lấy ra phun sương, quét mặt và nướng lần 3 trong 6 phút cho đến khi bánh chín đều.

5. Màn hình HMI của mô hình cung cấp những chế độ điều khiển nào?
Màn hình HMI XTOP10TW-UD cung cấp hai chế độ vận hành chính: chế độ Tự động (Auto) cho phép hệ thống tự chạy theo các thông số cài đặt trước, tự động cân chỉnh nhiệt độ buồng lò qua thuật toán PID và hiển thị đồ thị nhiệt độ trực quan; chế độ Bằng tay (Manual) cho phép người vận hành cưỡng bức bật/tắt độc lập từng thiết bị (quạt gió, bộ mồi lửa, motor van gas) để phục vụ kiểm tra lỗi, bảo trì và hiệu chuẩn hệ thống.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng PLC S7-1200" đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình buồng nướng thực phẩm gia nhiệt bằng gas với hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh. Việc kết hợp bộ điều khiển PLC S7-1200, các module Analog, cảm biến RTD PT100 cùng giao diện giám sát HMI giúp kiểm soát chính xác nhiệt độ buồng lò trong dải $100^\circ\text{C}\text{ – }150^\circ\text{C}$, đồng thời đảm bảo an toàn vận hành nhờ chu trình đánh lửa và cảm biến quang tử ngoại UV. Mặc dù còn hạn chế về quy mô dung tích lò và thao tác nạp liệu thủ công, kết quả nghiên cứu đã khẳng định tính khả thi của giải pháp tự động hóa trong chế biến thực phẩm và cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển các hệ thống lò nướng công nghiệp quy mô lớn hơn.