Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp thực phẩm đang từng bước chuyển dịch sang tự động hóa và tối ưu hóa năng lượng, ngành sản xuất bánh kẹo truyền thống tại Việt Nam đối mặt với thách thức lớn về việc chuẩn hóa quy trình chế biến nhiệt. Theo các khảo sát công nghiệp thực phẩm, việc sử dụng các lò nướng thủ công dùng than đá hoặc gas đốt trực tiếp không kiểm soát dẫn đến tỷ lệ sản phẩm lỗi hỏng (cháy bề mặt, chưa chín ruột) lên tới 12% - 18%, đồng thời thất thoát nhiệt năng gây tiêu hao nhiên liệu từ 25% - 30%.

Đặc thù của sản phẩm bánh nướng (đặc biệt là bánh Trung thu) đòi hỏi quy trình cấp nhiệt đa giai đoạn với độ chính xác cao: làm nóng sơ bộ 15 phút, nướng đợt 1 trong 5 phút ở nhiệt độ 100°C - 150°C, phun sương tạo ẩm, quét mặt trứng và tiếp tục nướng 2 đợt tiếp theo mỗi đợt 6 phút. Việc điều chỉnh nhiệt độ thủ công bằng van cơ khí truyền thống hoàn toàn không đáp ứng được độ dốc nhiệt độ (thermal ramp rate) và thời gian đáp ứng yêu cầu.

Nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên, đề tài "Thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng PLC S7-1200" được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời. Đề tài tập trung vào việc tự động hóa hoàn toàn quy trình giám sát và kiểm soát nhiệt độ buồng đốt bằng vòng lặp kín PID (Proportional-Integral-Derivative), điều khiển động cơ servo/analog điều tiết van gas và tỷ lệ hòa trộn không khí, kết hợp hệ thống đánh lửa - giám sát ngọn lửa quang học đạt chuẩn an toàn công nghiệp.

                  +-----------------------------------+
                  |   HMI XTOP10TW-UD (Giám Sát)      |
                  +-----------------+-----------------+
                                    | PROFINET (Ethernet)
                                    v
+--------------+  4-20mA    +---------------+   0-10V   +-------------------+
| PT100 +      |----------->|  PLC S7-1200  |---------->| Motor Van Valbia  |
| LI-24ALW     | (SM1231 AI)|  (CPU 1214C)  |(SM1232 AQ)| (Góc mở Gas)      |
+--------------+            +-------+-------+           +-------------------+
                                    | Digital I/O
                                    v
                            +---------------+
                            | Bộ LFL1 / UV  |---> Đánh lửa Fida &
                            | Brahma / Madas|     Van gas an toàn
                            +---------------+

Mục tiêu của dự án

  1. Thiết kế cơ khí hoàn chỉnh: Xây dựng buồng nướng cách nhiệt bằng Inox 304 kích thước $70 \times 45 \times 50\text{ cm}$ và khung đỡ chịu lực thép V kích thước $100 \times 50 \times 130\text{ cm}$.
  2. Xây dựng hệ thống điều khiển trung tâm: Triển khai phần cứng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY) kết hợp các module mở rộng tín hiệu tương tự SM 1231 (Analog Input) và SM 1232 (Analog Output).
  3. Thuật toán điều khiển nhiệt độ PID: Lập trình bộ điều khiển PID Compact với chức năng tự động tinh chỉnh (Autotune) thông số $K_p, T_i, T_d$, duy trì nhiệt độ buồng nướng ổn định trong dải $100^\circ\text{C} - 150^\circ\text{C}$ với sai số xác lập $\le \pm 1.5^\circ\text{C}$.
  4. Hệ thống an toàn đánh lửa tự động: Tích hợp bộ điều khiển đầu đốt Siemens Landis & Gyr LFL1, biến thế đánh lửa cao áp Fida, van điện từ an toàn Madas và cảm biến quang tử ngoại (UV) Brahma nhận diện bức xạ ngọn lửa bước sóng $190 - 290\text{ nm}$.
  5. Giao diện người - máy (HMI): Thiết kế giao diện giám sát, cài đặt công thức nướng và hiển thị đồ thị nhiệt độ thời gian thực trên màn hình cảm ứng HMI XTOP10TW-UD qua chuẩn truyền thông PROFINET Industrial Ethernet.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Quy mô thử nghiệm: Buồng nướng 1 khay, công suất mẻ nướng tối đa 5 bánh tiêu chuẩn/lần.
  • Nhiên liệu: Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) dân dụng/công nghiệp kết hợp quạt cấp khí cưỡng bức 200W.
  • Thao tác vận hành: Nạp/dỡ bánh thủ công; chu trình gia nhiệt, phun ẩm và kiểm soát an toàn được tự động hóa 100%.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi triển khai hệ thống PLC, các cơ sở sản xuất bánh vừa và nhỏ thường áp dụng 2 giải pháp chính: Lò nướng gas thủ công điều áp cơ học hoặc Lò nướng điện trở nhiệt sử dụng đồng hồ nhiệt đơn kênh (Single-loop Temperature Controller).

Tiêu chí kỹ thuật Lò nướng thủ công (Van cơ) Đồng hồ nhiệt rời (ON/OFF - PID rời) Hệ thống PLC S7-1200 (Đề tài)
Độ chính xác nhiệt độ Kém ($\pm 10^\circ\text{C} - \pm 15^\circ\text{C}$) Trung bình ($\pm 3^\circ\text{C} - \pm 5^\circ\text{C}$) Cao ($\pm 1.0^\circ\text{C} - \pm 1.5^\circ\text{C}$)
Cơ chế điều tiết nhiệt Chỉnh tay góc khóa gas Đóng/ngắt Relay On-Off Điều chế liên tục góc mở van Analog
Giám sát an toàn ngọn lửa Bằng mắt thường Cặp nhiệt ngắt van (trễ 5-10s) Cảm biến UV Brahma + LFL1 ngắt $< 0.5\text{s}$
Giao diện vận hành Đồng hồ cơ, công tắc tay Màn hình 7-segment hạn chế Màn hình cảm ứng HMI Color đồ họa
Khả năng mở rộng SCADA Không thể Rất phức tạp (RS485 Modbus rời) Tích hợp sẵn PROFINET / OPC UA

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must-have (Bắt buộc): Đọc tín hiệu nhiệt độ liên tục qua RTD PT100; thuật toán PID điều khiển góc mở motor van Valbia; tự động ngắt gas khi mất tín hiệu ngọn lửa UV; nút dừng khẩn cấp E-Stop.
  • Should-have (Nên có): Tự động đánh lửa và sục khí làm sạch buồng đốt (pre-purge); giao diện chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ Manual và Auto trên HMI.
  • Could-have (Có thể mở rộng): Lưu trữ công thức nướng (recipe management) cho nhiều loại bánh khác nhau; cảnh báo quá nhiệt qua còi/đèn tháp.
  • Won't-have (Không thực hiện đợt này): Băng chuyền cấp phôi bánh liên tục; hệ thống điều khiển biến tần tự động thay đổi lưu lượng quạt gió theo tỷ lệ stoichiometry.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được chia thành 4 phân tầng vật lý: Tầng chấp hành & Cảm biến, Tầng điều khiển cục bộ, Tầng xử lý trung tâm PLC, và Tầng giám sát HMI.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                       TẦNG GIÁM SÁT & VẬN HÀNH                         |
|             Màn hình cảm ứng HMI XTOP10TW-UD (TFT LCD Color)            |
+------------------------------------+------------------------------------+
                                     | PROFINET (100 Mbps)
+------------------------------------+------------------------------------+
|                      TẦNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM                          |
|         Siemens S7-1200 CPU 1214C (14 DI / 10 DO / 2 AI 0-10V)          |
|    +-----------------------------+ +-------------------------------+    |
|    | Module SM 1231 (AI 4 x 13b) | |  Module SM 1232 (AQ 4 x 14b)  |    |
|    +--------------+--------------+ +---------------+---------------+    |
+-------------------|--------------------------------|--------------------+
                    | 4-20 mA                        | 0-10V DC / 4-20 mA
+-------------------|--------------------------------|--------------------+
|         TẦNG XỬ LÝ ĐẦU ĐỐT AN TOÀN                 | TẦNG CHẤP HÀNH     |
|   Bộ điều khiển chu trình LFL1.333                 | Motor Van Valbia   |
|   + Cảm biến UV Brahma (190-290nm)                 | Quạt thổi 220V     |
|   + Biến thế đánh lửa Fida + Van Madas             | Đèn báo / Relay    |
+-------------------|--------------------------------+--------------------+
                    |                                                     
+-------------------|----------------------------------------------------+
|          TẦNG ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ BUỒNG ĐỐT                               |
|   Cảm biến nhiệt RTD PT100 (3 dây, Inox 304, Teflon chịu nhiệt)        |
|   + Bộ chuyển đổi tín hiệu Aplisens LI-24ALW (PT100 -> 4-20mA)         |
+-------------------------------------------------------------------------+

Cấu hình phần cứng và công nghệ sử dụng

  1. Bộ xử lý trung tâm: Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (Part No: 6ES7 214-1BG40-0XB0):
    • Bộ nhớ làm việc (Work Memory): 100 KB; Bộ nhớ nạp (Load Memory): 2 MB.
    • Thời gian thực thi lệnh: 0.085 $\mu\text{s}$/lệnh Boolean.
    • Module mở rộng SM 1231 AI $4 \times 13\text{ bit}$ (6ES7 231-4HD32-0XB0) tiếp nhận tín hiệu dòng 4-20mA từ cảm biến.
    • Module mở rộng SM 1232 AQ $4 \times 14\text{ bit}$ (6ES7 232-4HD32-0XB0) phát tín hiệu Analog điều khiển góc mở motor van.
  2. Cảm biến và Transmitter:
    • Cảm biến nhiệt độ Platinum RTD PT100 loại 3 dây, que đo Ø4mm bọc Inox, dải đo $-50^\circ\text{C} \text{ đến } 200^\circ\text{C}$.
    • Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng Aplisens LI-24ALW: Nguồn cấp 13.5 - 45VDC, chuyển đổi tuyến tính nhiệt độ sang dòng điện công nghiệp 4-20mA, sai số toàn thang đo $< 0.1%$.
  3. Cơ cấu chấp hành và Thiết bị đốt:
    • Động cơ điều khiển van khí Valbia (Electric Actuator): Điện áp 110-240VAC, nhận tín hiệu điều khiển analog từ PLC để xoay trục van bi điều tiết tỷ lệ cấp gas.
    • Bộ điều khiển trình tự đánh lửa công nghiệp Landis & Gyr LFL1.
    • Cảm biến ngọn lửa quang tử ngoại Brahma UV1 kết hợp biến thế đánh lửa Fida (đầu ra cao áp 8kV - 15kV).
    • Van an toàn đóng cắt nhanh khí gas Madas (Italy), chuẩn phòng nổ IP65.
  4. Màn hình HMI:
    • Màn hình cảm ứng M2I XTOP10TW-UD: Màn hình TFT 10.4 inch, 65k màu, bộ nhớ Flash 26MB, hỗ trợ giao thức Ethernet TCP/IP kết nối trực tiếp S7-1200.

Phương pháp luận (Methodology)

Dự án được thực hiện theo mô hình phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp V-Model kết hợp các giai đoạn kiểm thử lặp:

(1) Phân tích yêu cầu nhiệt ---> (8) Kiểm định chất lượng nướng bánh
   \                                   /
    (2) Thiết kế Cơ & Điện -----> (7) Tích hợp và Tinh chỉnh PID
       \                             /
        (3) Lắp ráp phần cứng -> (6) FAT & Thử nghiệm không tải
           \                     /
            (4) Lập trình PLC & HMI
  • Tiến độ triển khai: 15 tuần (từ 25/09/2017 đến 08/01/2018).
  • Quản trị rủi ro: Triển khai mạch liên động cứng (Hardware Interlock) ngắt nguồn van gas Madas ngay lập tức nếu bộ xử lý LFL1 hoặc cảm biến UV Brahma báo mất lửa, không phụ thuộc hoàn toàn vào chu kỳ quét phần mềm của CPU PLC.

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển và Lập trình hệ thống

Hệ thống điều khiển được cấu hình và lập trình trên nền tảng Siemens TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) V13/V14 kết hợp phần mềm thiết kế giao diện XPanel Designer.

[Khối OB1: Main Cycle]
        |
        +---> [FC1: Signal_Scaling] (Chuẩn hóa tín hiệu PT100 qua NORM_X & SCALE_X)
        |
        +---> [FB1 / DB1: PID_Compact] (Tính toán sai số & điều chế ngõ ra Analog)
        |
        +---> [FC2: Burner_Sequence] (Quản lý liên động đánh lửa & cảm biến UV)
        |
        +---> [FC3: HMI_Communication] (Truyền thông PROFINET dữ liệu vận hành)

1. Chuẩn hóa tín hiệu ngõ vào Analog từ PT100

Module SM 1231 số hóa tín hiệu 4-20mA thành giá trị số nguyên trong dải $0 - 27648$ (chuẩn S7-1200). Đoạn mã SCL (Structured Control Language) thực hiện chuyển đổi sang giá trị nhiệt độ thực tế:

// Khối FC1: Chuẩn hóa và tỷ lệ hóa tín hiệu đo nhiệt độ
#Raw_Analog_Input := "AI_PT100_Raw"; // Địa chỉ %IW64 (0 - 27648 ứng với 4 - 20mA)

// Bước 1: Chuẩn hóa dải đo 4-20mA (Giá trị nguyên sang số thực 0.0 - 1.0)
#Normalized_Value := NORM_X(
    MIN := 0,
    VALUE := #Raw_Analog_Input,
    MAX := 27648
);

// Bước 2: Tỷ lệ hóa sang dải nhiệt độ cấu hình trên Aplisens LI-24ALW (0.0°C - 200.0°C)
#Actual_Temperature := SCALE_X(
    MIN := 0.0,
    VALUE := #Normalized_Value,
    MAX := 200.0
);

// Ghi giá trị nhiệt độ thực tế vào Process Value của bộ PID
"PID_Data_Block".ProcessValue := #Actual_Temperature;

2. Thuật toán điều khiển PID Compact

Quy luật điều khiển PID liên tục được số hóa trong PLC theo công thức vi tích phân rời rạc:

$$u(t) = K_p \left( e(t) + \frac{1}{T_i} \int_0^t e(\tau) d\tau + T_d \frac{de(t)}{dt} \right)$$

Chuyển đổi sang miền thời gian rời rạc với chu kỳ lấy mẫu $T_s = 100\text{ ms}$:

$$u(k) = u(k-1) + q_0 e(k) + q_1 e(k-1) + q_2 e(k-2)$$

Trong đó các hệ số số học được tính toán:

  • $q_0 = K_p \left(1 + \frac{T_s}{2 T_i} + \frac{T_d}{T_s}\right)$
  • $q_1 = -K_p \left(1 - \frac{T_s}{2 T_i} + \frac{2 T_d}{T_s}\right)$
  • $q_2 = K_p \frac{T_d}{T_s}$
// Gọi hàm công nghệ PID_Compact từ Siemens Library trong Cyclic Interrupt OB35 (100ms)
"PID_Compact_1"(
    Setpoint := "HMI_Set_Temperature",        // Nhiệt độ cài đặt từ HMI (100 - 150°C)
    Input := "Actual_Temperature",            // Nhiệt độ thực tế từ PT100
    ManualEnable := "HMI_Manual_Mode_Active", // Chế độ chỉnh tay góc van
    ManualValue := "HMI_Manual_Gas_Percent",  // Góc mở van khi vận hành bằng tay
    Reset := "Alarm_OverTemp_Reset",
    Output => #Analog_Output_Real             // Tín hiệu ngõ ra điều khiển (0.0 - 100.0%)
);

// Chuyển đổi Output (0 - 100%) sang dải ngõ ra Analog SM1232 (0 - 27648) cho Motor Valbia
#Scaled_Output := NORM_X(MIN := 0.0, VALUE := #Analog_Output_Real, MAX := 100.0);
"AQ_Valve_Motor" := REAL_TO_INT(SCALE_X(MIN := 0, VALUE := #Scaled_Output, MAX := 27648));

3. Thuật toán an toàn ngọn lửa và chu trình đánh lửa (Burner Management)

// Trình tự đánh lửa và bảo vệ an toàn
IF "System_Start" AND NOT "Flame_Fault" THEN
    // Giai đoạn 1: Sục khí buồng nướng 15 giây
    "Fan_Blower_Motor" := TRUE;
    IF "Purge_Timer".Q THEN
        // Giai đoạn 2: Bật biến thế đánh lửa Fida và mở van gas mồi Madas
        "Ignition_Transformer" := TRUE;
        "Gas_Safety_Valve" := TRUE;
        
        // Giai đoạn 3: Kiểm tra tín hiệu quang UV Brahma trong 3 giây
        IF "UV_Flame_Detected" THEN
            "Ignition_Transformer" := FALSE; // Tắt biến thế đánh lửa
            "Combustion_Ready" := TRUE;      // Cho phép kích hoạt vòng lặp PID
        ELSIF "Safety_Time_3s".Q THEN
            // Không phát hiện ngọn lửa -> Khóa van gas lập tức và báo động
            "Gas_Safety_Valve" := FALSE;
            "Ignition_Transformer" := FALSE;
            "Flame_Fault" := TRUE;
            "HMI_Alarm_Message" := 'E01: Ignition Failed - Gas Cutoff';
        END_IF;
    END_IF;
END_IF;

Thử nghiệm và Đánh giá thực nghiệm

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử nghiêm ngặt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y Sinh:

Nhiệt độ (°C)
160 |                                  Vọt lố max = 153.5°C (+2.3%)
150 | - - - - - - - - - +--------------+---------------------- (Setpoint = 150°C)
    |                  / \            / \
120 |                 /   \__________/   \____ Sai số ổn định: ±1.2°C
    |                /
 80 |               /
    |              /   Thời gian đáp ứng (Rise Time): 11.5 phút
 40 |             /
    +------------+---------------------------------------------> Thời gian (phút)
    0            5           10          15          20
Kịch bản kiểm thử Thông số đo lường Mục tiêu thiết kế Kết quả thực nghiệm Đánh giá
Gia nhiệt khởi động nguội Thời gian đạt $150^\circ\text{C}$ $< 15\text{ phút}$ $11.5\text{ phút}$ Đạt ($+23%$ tốc độ)
Độ vọt lố (Overshoot $M_p$) $%$ vượt ngưỡng đặt $< 5.0%$ $2.33%\ (153.5^\circ\text{C})$ Xuất sắc
Sai số xác lập ($e_{ss}$) Dải dao động nhiệt độ $\le \pm 2.0^\circ\text{C}$ $\pm 1.2^\circ\text{C}$ Đạt yêu cầu
Sự cố mất lửa giả lập Thời gian khóa van gas $< 1.0\text{s}$ $0.38\text{s}$ Rất an toàn
Mở cửa lò nạp bánh (trồi nhiệt) Thời gian hồi phục $150^\circ\text{C}$ $< 3.0\text{ phút}$ $1.8\text{ phút}$ Ổn định nhiệt nhanh

Đổi mới và đóng góp

Các cải tiến kỹ thuật nổi bật

  1. Điều tiết lưu lượng gas liên tục bằng động cơ Analog thay thế van On/Off: Việc sử dụng motor van Valbia nhận tín hiệu Analog $0-10\text{V}$ cho phép điều chỉnh mịn góc mở từ $0^\circ \text{ đến } 90^\circ$ theo bước phân giải $1^\circ$. Điều này loại bỏ hoàn toàn hiện tượng sốc nhiệt (thermal cycling stress) thường gặp ở các bộ điều khiển rơ-le On/Off, giúp bề mặt bánh tiếp nhận nhiệt bức xạ đều, vỏ bánh nở căng mịn và không bị nứt vỡ.
  2. Hệ thống bảo vệ đa lớp kết hợp cảm biến bức xạ tử ngoại UV Brahma: Thay vì dùng cảm biến cặp nhiệt độ (Thermocouple) có độ trễ quán tính nhiệt cao ($3-10\text{ giây}$) để kiểm tra ngọn lửa, hệ thống dùng ống thu phát bức xạ UV bước sóng $190-290\text{ nm}$. Cảm biến ghi nhận sự phóng điện ion hóa của ngọn lửa gas trong thời gian thực, truyền tín hiệu về bộ xử lý LFL1 để ngắt van gas Madas trong vòng $0.38\text{ giây}$ khi xảy ra sự cố tắt lửa, ngăn ngừa hoàn toàn nguy cơ cháy nổ do rò rỉ khí gas.
  3. Thuật toán tự thích nghi thông số PID qua HMI: Tích hợp khối hàm tự động dò tìm thông số tối ưu $K_p = 4.25, T_i = 128\text{s}, T_d = 24\text{s}$ theo phương pháp phản hồi bước nhảy (Step-response tuning) của Siemens, giảm thời gian cân chỉnh hệ thống từ hàng giờ xuống dưới 15 phút.
Tiêu thụ Gas (kg/100 mẻ)
Lò thủ công     [==============================] 42.5 kg
PID On/Off cơ   [====================] 31.0 kg
PLC S7-1200     [===============] 24.2 kg  (-21.9% so với On/Off, -43% so với thủ công)

Ứng dụng thực tế và triển khai

Khả năng ứng dụng và Kịch bản vận hành thực tế

Mô hình thiết kế hướng trực tiếp đến các cơ sở sản xuất bánh Trung thu, bánh mì baguette, bánh ngọt pastry quy mô vừa và nhỏ (SMEs).

+--------------------------------------------------------------------------+
|                     QUY TRÌNH NƯỚNG BÁNH TRUNG THU TỰ ĐỘNG               |
+--------------------------------------------------------------------------+
  (1) Bật nguồn -> PLC kiểm tra an toàn (Interlock Check) -> HMI sẵn sàng
  (2) Nhấn START -> Quạt thổi sục khí (15s) -> Fida đánh lửa -> Gas mồi mở
  (3) UV Brahma xác nhận ngọn lửa -> Lò gia nhiệt sơ bộ đạt 150°C (11.5 phút)
  (4) Còi báo nạp bánh -> Người vận hành đưa khay 5 bánh vào buồng
  (5) Chu trình nướng Đợt 1 (5 phút, PID giữ 145°C - 150°C) -> Còi báo lấy bánh
  (6) Thao tác thủ công ngoài lò (Phun sương tạo ẩm + Quét mặt trứng 2-3 phút)
  (7) Nướng Đợt 2 (6 phút) -> Phun sương/quét trứng -> Nướng Đợt 3 (6 phút)
  (8) Kết thúc mẻ nướng -> Van gas tự động đóng, quạt làm mát buồng đốt 60s
+--------------------------------------------------------------------------+

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí đầu tư ước tính (CapEx):
    • PLC Siemens S7-1200 + 2 Module SM (AI/AQ): 12.500.000 VNĐ
    • Màn hình cảm ứng HMI XTOP10TW-UD: 6.800.000 VNĐ
    • Cụm đầu đốt LFL1 + Biến thế Fida + UV Brahma + Van Madas: 7.200.000 VNĐ
    • Động cơ van Valbia + Cảm biến PT100 + Aplisens LI-24ALW: 5.500.000 VNĐ
    • Cơ khí vỏ Inox 304, quạt thổi, tủ điện, phụ kiện: 8.000.000 VNĐ
    • Tổng mức đầu tư: ~ 40.000.000 VNĐ
  • Hiệu quả vận hành (OpEx) trên 1 cơ sở sản xuất 500 bánh/ngày:
    • Giảm tiêu hao gas: Tiết kiệm ~ 1.800.000 VNĐ/tháng (giảm 22% lượng gas).
    • Giảm tỷ lệ bánh phế phẩm từ 12% xuống dưới 1.5%: Tiết kiệm ~ 4.200.000 VNĐ/tháng chi phí nguyên vật liệu.
    • Giảm bớt 01 nhân công đứng trông lò liên tục: Tiết kiệm ~ 7.000.000 VNĐ/tháng.
    • Thời gian hoàn vốn (Payback Period): $\approx 3.1\text{ tháng}$.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế hiện tại

  1. Khí động học buồng đốt: Quạt thổi khí 200W hiện sử dụng tốc độ cố định qua relay 220VAC; lượng oxy hòa trộn chưa được điều chỉnh động theo từng mức mở của van gas, dẫn đến giai đoạn góc van mở nhỏ ($<15^\circ$) thừa lượng gió cục bộ làm giảm nhẹ hiệu suất nhiệt.
  2. Quy mô nạp liệu: Kích thước buồng đốt $70 \times 45 \times 50\text{ cm}$ chỉ chứa được 1 khay nướng (5 bánh), chưa đáp ứng năng suất quy mô đại công nghiệp.
  3. Nhiên liệu đầu vào: Hệ thống sử dụng gas LPG hóa lỏng từ bình chứa dân dụng; áp suất đầu vào có thể dao động khi bình gas sắp cạn nếu không có van giảm áp ổn dòng chuyên dụng.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tích hợp Biến tần (VFD) cho quạt thổi: Kết nối biến tần Siemens SINAMICS V20 điều khiển động cơ quạt qua giao thức Modbus RTU hoặc Analog $0-10\text{V}$, đồng bộ hóa chính xác tỷ lệ không khí/nhiên liệu (Stoichiometric Air-Fuel Ratio $\approx 14.7:1$ cho hydrocarbon) theo góc mở của van Valbia.
  • Tự động hóa nạp/dỡ bánh với băng chuyền: Thiết kế buồng nướng dạng đường hầm (Tunnel Oven) liên tục với cơ cấu băng tải xích inox điều khiển bằng động cơ Servo.
  • Số hóa nhà máy (IIoT & Industry 4.0): Tận dụng cổng PROFINET tích hợp trên CPU 1214C để đẩy dữ liệu nhiệt độ và nhật ký lỗi lên hệ thống Cloud SCADA / MES thông qua giao thức MQTT/OPC UA, hỗ trợ giám sát từ xa trên ứng dụng di động.

Đối tượng hưởng lợi

                                  +-----------------------------+
                                  | HỆ THỐNG LÒ NƯỚNG TỰ ĐỘNG   |
                                  +--------------+--------------+
                                                 |
         +--------------------+------------------+--------------------+--------------------+
         |                    |                                       |                    |
         v                    v                                       v                    v
+-----------------+  +-----------------+                     +-----------------+  +-----------------+
| Sinh viên khối  |  | Kỹ sư Tự động   |                     | Chủ doanh nghiệp|  | Giảng viên &    |
| Kỹ thuật & TĐH  |  | hóa & Lập trình |                     | Cơ sở làm bánh  |  | Nhà nghiên cứu  |
+-----------------+  +-----------------+                     +-----------------+  +-----------------+
| Tài liệu chuẩn  |  | Reference design|                     | Tiết kiệm 22%   |  | Nền tảng thực   |
| tích hợp PLC,   |  | vòng kín PID &  |                     | gas, hoàn vốn   |  | nghiệm điều     |
| HMI, Analog,    |  | an toàn đầu đốt |                     | trong 3.1 tháng |  | khiển nhiệt     |
| an toàn đầu đốt |  | chuẩn công nghiệp|                    | không lo cháy nổ|  | nâng cao (Fuzzy)|
+-----------------+  +-----------------+                     +-----------------+  +-----------------+
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về cấu hình module Analog, chuẩn hóa dữ liệu dòng điện 4-20mA, và kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 thực chiến.
  • Kỹ sư Tự động hóa công nghiệp: Tham khảo thiết kế chuẩn (Reference Design) cho hệ thống kiểm soát đầu đốt công nghiệp (Burner Management System) kết hợp cảm biến UV và mạch liên động phần cứng an toàn.
  • Cơ sở sản xuất và Doanh nghiệp thực phẩm: Tiếp cận giải pháp công nghệ nội địa hóa với chi phí chỉ bằng 35% - 40% so với dây chuyền nhập ngoại từ châu Âu, dễ bảo trì và vận hành.
  • Nhà nghiên cứu học thuật: Nền tảng phần cứng ổn định để tiếp tục phát triển các giải pháp điều khiển nâng cao như Fuzzy Logic, Model Predictive Control (MPC) cho các đối tượng nhiệt có độ trễ lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và khí nén/gas để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện 1 pha $220\text{VAC} \pm 10%$, tần số $50\text{Hz}$, công suất tiêu thụ điện cực đại $< 600\text{W}$ (chủ yếu cho quạt thổi 200W, biến thế đánh lửa và PLC). Bình gas LPG đầu vào cần lắp kèm van điều áp công nghiệp cấp 1 ổn định áp suất ở dải $30 - 50\text{ mbar}$.

2. Làm thế nào để mở rộng số lượng vùng nhiệt (Multiple Heating Zones) trên PLC S7-1200?

CPU 1214C hỗ trợ gắn tối đa 8 Signal Modules (SM) và 1 Signal Board (SB). Để mở rộng thành lò nướng 3 tầng độc lập, chỉ cần bổ sung thêm 2 module SM 1231 AI (đọc thêm 4 kênh PT100) và 1 module SM 1232 AQ (xuất 4 kênh analog điều khiển thêm 2 van gas), sau đó khởi tạo thêm các khối hàm PID_Compact_2, PID_Compact_3 trên TIA Portal mà không cần thay đổi CPU trung tâm.

3. Tại sao hệ thống phải dùng bộ chuyển đổi Aplisens LI-24ALW thay vì cắm trực tiếp PT100 vào PLC?

Cảm biến PT100 là điện trở kim loại thay đổi giá trị ohm theo nhiệt độ ($100\Omega \text{ tại } 0^\circ\text{C}$). Bản thân CPU 1214C chỉ tích hợp 2 ngõ vào điện áp $0-10\text{V}$, không hỗ trợ đo trực tiếp điện trở vi sai. Bộ chuyển đổi Aplisens LI-24ALW giúp khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu điện trở thành dòng điện tiêu chuẩn 4-20mA có khả năng chống nhiễu công nghiệp vượt trội trên đường truyền dài, sau đó đưa vào module SM 1231.

4. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra hiện tượng mất điện đột ngột trong khi van gas đang mở?

Van gas chính Madas là loại van điện từ thường đóng (Normally Closed - NC). Khi mất nguồn $220\text{VAC}$ hoặc $24\text{VDC}$, lực từ biến mất và lò xo cơ học bên trong van sẽ tự động ép kín cửa van trong thời gian $< 0.1\text{ giây}$, khóa hoàn toàn dòng gas vào lò nướng mà không phụ thuộc vào chương trình điều khiển.

5. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống gồm những hạng mục nào?

Các hạng mục bảo trì định kỳ bao gồm:

  • Vệ sinh mặt kính thạch anh cảm biến quang UV Brahma (mỗi 3 tháng) để tránh muội than che khuất bức xạ tử ngoại.
  • Kiểm tra và hiệu chuẩn đầu dò cảm biến PT100 (mỗi 12 tháng).
  • Kiểm tra độ kín khít của đường ống dẫn gas bằng bọt xà phòng hoặc máy đo gas cầm tay chuyên dụng (mỗi 6 tháng).

Kết luận

Đề tài "Thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng PLC S7-1200" của nhóm tác giả Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa quá trình chế biến nhiệt trong công nghiệp thực phẩm. Bằng việc kết hợp sức mạnh xử lý của PLC Siemens S7-1200, vòng lặp điều khiển PID khép kín chính xác, cơ cấu chấp hành van Analog Valbia và hệ thống an toàn đầu đốt công nghiệp (LFL1, UV Brahma, Fida, Madas), công trình đã chứng minh tính khả thi vượt trội với sai số giữ nhiệt chỉ $\pm 1.2^\circ\text{C}$, rút ngắn thời gian gia nhiệt còn $11.5\text{ phút}$ và tiết kiệm hơn $20%$ lượng gas tiêu thụ.

Mô hình là tài liệu kỹ thuật giá trị cho sinh viên, kỹ sư ngành Tự động hóa và là giải pháp chuyển giao công nghệ tiềm năng cho các cơ sở sản xuất bánh nướng mong muốn hiện đại hóa dây chuyền với chi phí tối ưu.