Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Việt Nam là quốc gia có thế mạnh phát triển nông nghiệp, đặc biệt là các chủng loại cây ăn trái nhiệt đới. Trong đó, mít (Artocarpus heterophyllus) là loại cây trồng phổ biến với diện tích canh tác lớn, sản lượng thu hoạch tăng trưởng mạnh và được thị trường nội địa lẫn xuất khẩu ưa chuộng. Tuy nhiên, quả mít tươi có đặc tính sinh học chín rất nhanh, hàm lượng nước cao (chiếm khoảng 70% – 80% khối lượng), dễ bị vi sinh vật xâm nhập và lên men gây hư hỏng trong thời gian ngắn sau thu hoạch. Việc vận chuyển quả tươi đi xa gặp nhiều trở ngại về chi phí và điều kiện bảo quản, dẫn đến tình trạng nông sản thường xuyên bị mất giá khi vào chính vụ do cung vượt cầu.
Để giải quyết bài toán sau thu hoạch, chế biến mít thành sản phẩm sấy khô là giải pháp hữu hiệu nhằm kéo dài thời gian bảo quản, giảm thiểu tổn thất khối lượng, tối ưu chi phí đóng gói - vận chuyển và nâng cao giá trị thương phẩm. Xuất phát từ thực trạng đó, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình lò sấy mít" được thực hiện bởi sinh viên Lê Quang Nhật và Nguyễn Hồng Phúc dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thái An tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (Khoa Điện – Điện tử, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, khóa 2021). Đề tài hướng đến việc chế tạo một hệ thống sấy quy mô nhỏ và vừa, thích hợp áp dụng cho hộ gia đình và cơ sở chế biến nông sản cá thể.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 4 nội dung cụ thể:
- Tính toán và thiết kế một mô hình lò sấy mít hoạt động có tính ổn định cao.
- Lập trình chương trình điều khiển lò sấy có thể điều khiển được nhiệt độ và độ ẩm, kiểm soát thời gian sấy tối ưu.
- Xây dựng mô hình có tính ứng dụng thực tiễn cao, quy trình vận hành đơn giản và tiết kiệm điện năng.
- Có khả năng mở rộng sấy cho nhiều loại nông sản khác nhau ngoài mít.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình lò sấy nông sản sử dụng phương pháp đối lưu tuần hoàn khí nóng kết hợp hệ thống điều khiển tự động hóa. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, gia công buồng sấy quy mô vừa và nhỏ (công suất sấy khoảng 5 kg mít tươi/mẻ); tích hợp bộ gia nhiệt điện trở công suất 1000W; sử dụng quạt đối lưu điều khiển tốc độ qua biến tần; lập trình điều khiển tự động nhiệt độ bằng thuật toán PID trên bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện giám sát HMI Delta; thử nghiệm sấy thực tế trên nguyên liệu mít tươi để đánh giá các chỉ tiêu chất lượng cảm quan và độ ẩm thành phẩm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý kỹ thuật sấy thực phẩm, kỹ thuật điều khiển tự động và kỹ thuật nhiệt học. Về lý thuyết sấy, quá trình tách ẩm khỏi nguyên liệu được phân tích qua ba giai đoạn: giai đoạn làm nóng vật liệu, giai đoạn sấy với tốc độ không đổi (nước tự do bay hơi mạnh từ bề mặt), và giai đoạn sấy với tốc độ giảm dần (ẩm khuếch tán từ sâu bên trong ra bề mặt). Tác giả so sánh các phương pháp sấy nông sản hiện nay gồm: sấy tự nhiên (phơi nắng trực tiếp, sấy hiệu ứng nhà kính) và sấy nhân tạo (sấy thăng hoa, sấy khí nóng tuần hoàn, sấy lạnh và sấy bơm nhiệt). Trong đó, phương pháp sấy tuần hoàn khí nóng được chọn nhờ ưu điểm chi phí đầu tư vừa phải, cấu tạo không quá phức tạp, tốc độ sấy nhanh và khả năng kiểm soát nhiệt - ẩm tương đối đồng đều.
Về đặc tính kỹ thuật sấy mít, các nghiên cứu cơ sở chỉ ra rằng:
- Nhiệt độ sấy tối ưu dao động trong khoảng 40°C đến 65°C nhằm tránh hiện tượng cháy mép, đổi màu sậm hoặc mất mùi thơm tự nhiên của mít.
- Độ ẩm sản phẩm cuối cùng cần đạt từ 8% đến 15% (sản phẩm mít sấy dẻo duy trì 12% – 15%, mít sấy giòn yêu cầu dưới 10%).
- Thời gian sấy ở nhiệt độ 50°C kéo dài trung bình từ 6 đến 10 giờ.
- Độ dày lát mít khuyến nghị từ 5 đến 7 mm; vận tốc gió tuần hoàn trong buồng sấy cần duy trì ổn định khoảng 1,5 m/s để đối lưu hơi ẩm hiệu quả.
Về lý thuyết điều khiển, thuật toán PID (Proportional - Integral - Derivative) được ứng dụng để ổn định nhiệt độ buồng sấy thông qua phương trình:
$$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$
Trong đó, khâu tỉ lệ ($K_p$) phản ứng với sai số tức thời $e(t)$, khâu tích phân ($K_i$) triệt tiêu sai số xác lập theo thời gian, và khâu vi phân ($K_d$) giảm dao động, tăng tốc độ đáp ứng. Phương pháp hiệu chỉnh thông số được nhóm thực hiện là phương pháp thử và sai (Trial and Error), khởi tạo từ việc tăng dần $K_p$, sau đó bổ sung $K_i$ và tinh chỉnh $K_d$.
Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm ba nhóm chính:
- Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán cân bằng nhiệt truyền qua vách, nhiệt làm bốc hơi ẩm và nhiệt làm nóng không khí theo định luật nhiệt học và định luật Joule-Lenz ($Q = I^2 R t$); thiết kế bản vẽ cơ khí và sơ đồ đấu nối mạch điện.
- Phương pháp điều khiển tự động hóa: Thiết lập cấu hình phần cứng PLC, lập trình điều khiển vòng kín qua TIA Portal V15 và cấu hình giao diện vận hành qua DOPSoft.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Chạy thử không tải để kiểm tra độ kín nhiệt, sau đó nạp tải 5 kg mít tươi để đo đạc diễn biến nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian và đánh giá chất lượng thành phẩm.
Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm tài liệu thông số kỹ thuật của nhà sản xuất (Siemens, Delta, Delixi, Velt), các công thức nhiệt động lực học trong giáo trình kỹ thuật sấy, cùng số liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp từ mô hình lò sấy đã hoàn thiện.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống lò sấy mít được thiết kế đồng bộ từ kết cấu cơ khí, mạch động lực - điều khiển cho đến phần mềm giám sát.
Về mặt cơ khí, khung lò có kích thước tổng thể $50 \times 50 \times 75\text{ cm}$ (dài $\times$ rộng $\times$ cao), chế tạo từ sắt V mạ kẽm quy cách $70 \times 50\text{ mm}$ dày 3 mm, liên kết vững chắc bằng ốc vít. Kết cấu bên trong được phân chia thành 3 khoang chức năng riêng biệt:
- Ngăn buồng sấy: Kích thước $50 \times 35 \times 45\text{ cm}$, chứa 3 khay sấy dạng lưới hình chữ nhật bằng Inox 201 (kích thước mỗi khay $40 \times 30\text{ cm}$), đặt trên các thanh đỡ inox song song cách nhau 10 cm, tạo điều kiện cho khí nóng phân bổ đều qua các tầng nguyên liệu.
- Ngăn chứa điện trở: Cách biệt với buồng sấy bằng vách ngăn Inox 201 để đảm bảo an toàn thực phẩm. Điện trở nhiệt dạng thanh được bố trí quay đầu phát nhiệt xuống dưới, các cực cấp điện hướng lên trên nhằm thuận tiện cho việc đấu nối và thay thế khi bảo trì.
- Ngăn chứa quạt đối lưu: Bố trí ở vị trí trên cùng, được bọc cách nhiệt hoàn toàn với vùng gia nhiệt để ngăn nhiệt độ cao ảnh hưởng tiêu cực đến cuộn dây của động cơ quạt.
Vách lò sử dụng tấm Panel PU dày 50 mm, gồm hai lớp tôn mạ kẽm dày 0,4 mm bao bọc lõi xốp polyurethane cách nhiệt, liên kết bằng keo chịu nhiệt. Vật liệu này có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,3\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ và làm việc an toàn trong khoảng nhiệt $40^\circ\text{C} - 120^\circ\text{C}$. Cửa lò ở mặt trước có kích thước $50 \times 45\text{ cm}$, gắn 2 chốt khóa siết chặt gioăng làm kín. Mặt sau bố trí hai cửa ống: ống lớn hút gió tươi tự nhiên và ống nhỏ luồn dây tín hiệu điện. Mặt trên đỉnh lò khoét lỗ thoát khí nóng ẩm ra ngoài. Dưới đáy lò trang bị 4 bánh xe chịu tải hỗ trợ di chuyển.
Về hệ thống điện và điều khiển, các thiết bị chính được tính toán và lựa chọn gồm:
- Bộ điều khiển lập trình trung tâm: PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C, xử lý các tín hiệu số và tín hiệu tương tự, thực thi thuật toán điều khiển PID và truyền thông.
- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: Model VELT-W-TH-14, dải đo nhiệt độ $-40^\circ\text{C} đến 80^\circ\text{C}$, dải đo độ ẩm $0% - 100%$, sai số tương đối 3% RH, thời gian đáp ứng độ ẩm $< 2\text{s}$ và nhiệt độ $< 5\text{s}$ (ở vận tốc gió 1 m/s), truyền tín hiệu analog về PLC.
- Cơ cấu đóng ngắt nhiệt: Relay bán dẫn SSR (Solid State Relay). Thiết bị này hoạt động hoàn toàn bằng linh kiện bán dẫn (Triac/Thyristor kết hợp cách ly quang Opto-coupler), cho phép đóng cắt tải liên tục với tần số cao theo ngõ ra xung/PID của PLC mà không gây mòn tiếp điểm hay phát sinh tia lửa điện như rơ le cơ truyền thống.
| Tiêu chí so sánh |
Relay cơ điện (EMR) |
Relay bán dẫn (SSR) |
| Nguyên lý hoạt động |
Cuộn dây điện từ hút tiếp điểm cơ học |
Kích hoạt đóng ngắt bằng linh kiện bán dẫn |
| Cấu tạo |
Có các bộ phận chuyển động cơ khí |
Thể rắn hoàn toàn, không có phần chuyển động |
| Độ bền tiếp điểm |
Bị mài mòn theo số lần đóng cắt |
Rất cao, không bị hao mòn cơ khí |
| Tốc độ đáp ứng |
Chậm (tính bằng mili-giây, ms) |
Rất nhanh, hỗ trợ điều khiển đóng ngắt chu kỳ ngắn |
| Nhiễu điện từ |
Phát sinh hồ quang và tia lửa điện |
Không phát sinh hồ quang, ít nhiễu |
| Khả năng chịu tải xung |
Khá nhạy cảm với xung điện áp |
Khả năng chịu đựng xung đột ngột tốt |
| Phương thức cách ly |
Cách ly điện thông qua cuộn dây |
Cách ly quang (Opto-coupler) |
| Tiêu hao năng lượng |
Tốn điện duy trì cuộn hút từ trường |
Tiêu hao năng lượng điều khiển rất thấp |
- Hệ thống tạo gió đối lưu: Quạt ly tâm model SY125L sử dụng động cơ 3 pha, công suất 370W, điện áp 220/380V, tốc độ quay 2800/3200 RPM, dòng điện định mức 0,5A, cung cấp lưu lượng gió lớn hơn yêu cầu tối thiểu $85,5\text{ m}^3/\text{h}$.
- Hệ thống điều khiển tốc độ quạt: Biến tần Delixi dòng E100 (E100G1R5T4B). Tác giả đã cấu hình các thông số chức năng gồm: chế độ V/F (
P0.02 = 0), chạy theo lệnh ngoài (P0.03 = 1), chạy cấp tốc độ (P0.04 = 6), tần số cực đại và giới hạn trên 50 Hz (P0.07 = P0.08 = 50), công suất động cơ 3,3 kW (P0.14), dòng định mức 0,5A (P0.17), tốc độ 2800 RPM (P0.18), và cài đặt 3 cấp tốc độ thông qua các ngõ vào số (Cấp 1: 60%, Cấp 2: 40%, Cấp 3: 20%).
- Giao diện giám sát HMI: Màn hình Delta DOP-B07E415 kích thước 7 inch, độ phân giải $800 \times 600\text{ pixels}$, 65.536 màu TFT LCD, giao tiếp với PLC S7-1200 qua cổng truyền thông công nghiệp. Giao diện được thiết kế gồm 3 trang: trang chủ giới thiệu thông tin đồ án, trang cài đặt các ngưỡng nhiệt độ/độ ẩm/thời gian, và trang điều khiển - giám sát hiển thị trạng thái thiết bị thời gian thực.
Quy trình tính toán công suất gia nhiệt dựa trên các thông số thiết kế cho một mẻ sấy:
| Thông số đầu vào |
Giá trị |
Đơn vị |
| Khối lượng mít tươi ($m_0$) |
5 |
kg |
| Độ ẩm ban đầu của mít ($M_i$) |
75 |
% |
| Độ ẩm cần đạt sau khi sấy ($M_f$) |
8 |
% |
| Nhiệt độ môi trường ban đầu |
25 |
°C |
| Nhiệt độ sấy cài đặt |
55 |
°C |
| Thời gian một chu kỳ tính toán |
3600 |
giây (s) |
| Đường kính ống thoát khí |
0,15 |
m |
| Tốc độ gió của quạt |
0,2 |
m/s |
Khối lượng nước cần làm bay hơi khỏi 5 kg mít được tính theo công thức:
$$m_{\text{bayhoi}} = m_0 \cdot \left(\frac{M_i - M_f}{1 - M_f}\right) = 5 \cdot \left(\frac{0,75 - 0,08}{1 - 0,08}\right) \approx 3,64\text{ kg}$$
Nhiệt lượng làm bốc hơi lượng nước trên: $Q_{\text{bayhoi}} = m_{\text{bayhoi}} \cdot r$, với $r = 2.300.000\text{ J/kg}$ là ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 55°C. Nhiệt lượng đốt nóng lượng không khí lưu thông được tính qua $Q_{\text{khôngkhí}} = m_{\text{khôngkhí}} \cdot C_p \cdot \Delta T$ (với khối lượng riêng không khí $\rho = 1,05\text{ kg/m}^3$). Nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu vỏ buồng sấy được tính theo $Q_{\text{thấtthoát}} = \lambda \cdot A_{\text{buồngsấy}} \cdot \Delta T \cdot t$, với diện tích bề mặt $A_{\text{buồngsấy}} = 2 \cdot (D \cdot R + D \cdot C + R \cdot C)$.
Tổng nhiệt lượng tiêu thụ $Q_{\text{tổng}} = Q_{\text{bayhoi}} + Q_{\text{khôngkhí}} + Q_{\text{thấtthoát}}$. Từ đó, công suất điện trở lý thuyết được xác định bằng $P_{\text{lýthuyết}} = Q_{\text{tổng}} / 3600$. Áp dụng hệ số an toàn và bù nhiệt tổn thất thực tế $k = 1,5$ qua biểu thức $P_{\text{thựctế}} = k \cdot P_{\text{lýthuyết}}$, tác giả lựa chọn thanh điện trở nhiệt có công suất định mức 1000W cho mô hình.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ đặc tính dễ hư hỏng của mít sau thu hoạch và tình trạng bấp bênh về giá nông sản. Nhóm tác giả nêu rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, xác định nhiệm vụ khảo sát thực tế, tính toán cơ khí, lập trình tự động hóa và thử nghiệm sấy thực tế. Phạm vi đề tài tập trung vào mô hình lò sấy đối lưu tuần hoàn khí nóng quy mô nhỏ sử dụng PLC và điều khiển PID.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này tổng hợp hệ thống lý thuyết về công nghệ sấy thực phẩm, phân tích bản chất ba giai đoạn thoát ẩm và ưu nhược điểm của các phương pháp sấy (tự nhiên, sấy thăng hoa, sấy khí nóng, sấy lạnh, bơm nhiệt). Chương giới thiệu chi tiết cấu tạo, thành phần dinh dưỡng và các yêu cầu kỹ thuật khi sấy mít (nhiệt độ $40^\circ\text{C} - 65^\circ\text{C}$, độ ẩm thành phẩm $8% - 15%$, lát cắt $5 - 7\text{ mm}$). Phần kỹ thuật trình bày đặc tính của PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, biến tần Delixi E100, cảm biến VELT-W-TH-14, nguyên lý chuyển mạch của relay bán dẫn SSR kèm bảng so sánh với relay cơ, cấu tạo màn hình HMI Delta DOP-B07E415, nguyên lý phát nhiệt Joule-Lenz của điện trở sấy thanh, cùng tổng quan hai phần mềm lập trình TIA Portal V15 và DOPSoft.
Chương 3: Tính toán và thiết kế tủ sấy mít
Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế cơ khí và thiết kế hệ thống điều khiển. Tác giả xác lập bản vẽ kích thước khung lò ($50 \times 50 \times 75\text{ cm}$), cấu trúc 3 ngăn riêng biệt và vật liệu vỏ cách nhiệt Panel PU dày 50 mm. Chương tính toán lượng ẩm cần tách ($3,64\text{ kg}$ nước từ 5 kg mít tươi), cân bằng các thành phần nhiệt lượng và chọn thanh điện trở công suất 1000W kết hợp quạt ly tâm SY125L công suất 370W. Phần điện xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ mạch lực, sơ đồ đấu nối I/O của PLC S7-1200 và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển PID.
Chương 4: Thi công và lắp đặt mô hình
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế gồm: gia công cắt ghép tấm panel và khung sắt mạ kẽm; khoan lắp các ống đối lưu, ống lấy gió tươi và ống thoát khí nóng; lắp ráp 3 khay sấy inox và cửa buồng sấy kèm bản lề, chốt khóa và bánh xe. Phần điện ghi nhận việc bố trí thiết bị trong tủ điện công nghiệp, đấu nối dây động lực và dây điều khiển cho PLC, SSR, biến tần Delixi, nguồn tổ ong và cảm biến. Chương liệt kê chi tiết 20 bước cài đặt thông số vận hành cho biến tần Delixi và các bước thiết kế, cấu hình giao diện màn hình HMI trên phần mềm DOPSoft.
Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Chương 5 công bố kết quả nghiệm thu phần cứng và vận hành thử nghiệm. Mô hình cơ khí hoàn thiện đảm bảo độ kín, khả năng cách nhiệt tốt và kết cấu chắc chắn. Tủ điện vận hành an toàn, các nút nhấn và đèn báo trên cánh tủ hoạt động chính xác. Giao diện HMI hiển thị rõ nét, phản hồi tốt thao tác cài đặt. Khi chạy thử tải với mít tươi ở chế độ nhiệt $55^\circ\text{C}$, thuật toán PID giúp nhiệt độ trong lò duy trì ổn định quanh giá trị đặt. Bảng trạng thái sấy mít theo từng giờ chứng minh độ ẩm giảm dần theo đúng quy luật sấy lý thuyết, sản phẩm mít thành phẩm đạt độ khô dẻo tiêu chuẩn, giữ được màu vàng tươi sáng, mùi thơm tự nhiên và không xuất hiện hiện tượng cháy cạnh.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu: thiết kế chế tạo thành công lò sấy hoạt động ổn định, lập trình điều khiển giám sát tin cậy và tạo ra thành phẩm mít sấy đạt yêu cầu kỹ thuật. Đồng thời, tác giả chỉ ra các mặt hạn chế của mô hình và đề xuất các hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Về kết quả thực nghiệm, đề tài đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình lò sấy mít đối lưu tuần hoàn khí nóng với các số liệu kỹ thuật được kiểm chứng trong văn bản:
- Kết cấu cơ khí hoàn thiện kích thước $50 \times 50 \times 75\text{ cm}$, sử dụng vách cách nhiệt Panel PU 50 mm, bảo lưu nhiệt độ buồng sấy tốt và vỏ ngoài không bị nóng nguy hiểm.
- Hệ thống điện vận hành ổn định với thanh điện trở nhiệt 1000W, quạt ly tâm 370W điều khiển bởi biến tần Delixi, và relay bán dẫn SSR đóng ngắt êm dịu, không phát sinh tia lửa hay tiếng ồn.
- Thuật toán PID lập trình trên PLC S7-1200 kiểm soát nhiệt độ buồng sấy bám sát giá trị đặt $55^\circ\text{C}$, cảm biến VELT-W-TH-14 phản hồi nhanh thông số nhiệt - ẩm lên màn hình HMI Delta DOP-B07E415.
- Quá trình sấy thực nghiệm 5 kg mít tươi đạt kết quả khả quan: độ ẩm tách ra $3,64\text{ kg}$, sản phẩm sau sấy đạt độ ẩm tiêu chuẩn ($8% - 15%$), thành phẩm có độ dẻo/giòn thích hợp, màu vàng sáng tự nhiên, giữ trọn hương vị đặc trưng của mít và không bị cháy xém.
Về giải pháp và đề xuất, nhóm tác giả kiến nghị áp dụng mô hình cho các nông hộ hoặc cơ sở chế biến nhỏ lẻ nhằm chủ động xử lý nông sản tại chỗ khi vào mùa thu hoạch, tránh phụ thuộc hoàn toàn vào thương lái. Đồng thời, quy trình vận hành qua HMI cho phép người dùng không có chuyên môn sâu về điện tử vẫn có thể dễ dàng thiết lập thông số sấy phù hợp.
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc kết hợp hoàn chỉnh giữa lý thuyết nhiệt - ẩm thực phẩm với giải pháp công nghệ tự động hóa công nghiệp (PLC, HMI, biến tần, PID). Tác giả đã chứng minh tính khả thi của một mô hình sấy quy mô nhỏ nhưng sở hữu độ chính xác và tính năng giám sát tương đương các dây chuyền công nghiệp, mở ra khả năng nhân rộng và ứng dụng linh hoạt cho nhiều loại rau củ quả khác.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Mặc dù đạt được các mục tiêu đề ra, đồ án vẫn còn một số điểm hạn chế do giới hạn về nguồn lực và thời gian thực hiện:
- Năng suất của mô hình còn ở mức thử nghiệm (dung tích buồng sấy chỉ chứa được 3 khay, tương đương 5 kg mít tươi/mẻ), chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất thương mại số lượng lớn.
- Việc xác định các hệ số điều khiển $K_p, K_i, K_d$ cho thuật toán PID được thực hiện bằng phương pháp thử và sai (Trial and Error), tốn nhiều thời gian và các thông số đạt được có thể chưa phải là bộ tham số tối ưu tuyệt đối cho mọi điều kiện môi trường bên ngoài.
- Hệ thống chưa được tích hợp khả năng giám sát từ xa qua mạng Internet/IoT hoặc nền tảng đám mây, dù phần cứng PLC S7-1200 có sẵn cổng giao tiếp mạng.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất gồm:
- Nâng cấp kích thước buồng sấy, tăng số lượng khay sấy để nâng cao công suất sấy trong mỗi chu kỳ.
- Tích hợp thêm module truyền thông IoT để giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm của lò sấy từ xa qua điện thoại thông minh hoặc máy tính.
- Nghiên cứu kết hợp công nghệ sấy bơm nhiệt (heat pump) vào hệ thống nhằm tái sử dụng lượng nhiệt ngưng tụ, giúp hạ nhiệt độ sấy sâu hơn cho các nông sản nhạy cảm nhiệt và tiết kiệm điện năng hơn nữa.
- Tiến hành thực nghiệm mở rộng quy trình sấy trên nhiều loại nông sản khác như chuối, thanh long, xoài để xây dựng bảng thông số sấy chuẩn cho từng loại.
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử cũng như ngành Công nghệ Thực phẩm và Sau thu hoạch. Cụ thể:
- Đối với sinh viên khối ngành Điện – Tự động hóa: Đồ án cung cấp tài liệu hướng dẫn chi tiết từ việc thiết kế sơ đồ đấu nối tủ điện công nghiệp, lập trình PLC Siemens S7-1200 trên TIA Portal, thuật toán PID điều khiển nhiệt độ qua relay bán dẫn SSR, đến quy trình cấu hình truyền thông với màn hình HMI Delta qua DOPSoft và cài đặt chi tiết 20 thông số trên biến tần Delixi.
- Đối với sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt và Thực phẩm: Đề tài cung cấp phương pháp luận và các công thức tính toán cân bằng nhiệt sấy thực tế, quy trình tính lượng nước bốc hơi, công suất điện trở gia nhiệt, lựa chọn lưu lượng quạt đối lưu, cũng như các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn (nhiệt độ, độ dày lát cắt, vận tốc gió) khi chế biến mít sấy.
Câu hỏi thường gặp
1. Kích thước và kết cấu buồng sấy của mô hình được thiết kế như thế nào?
Khung lò sấy có kích thước tổng thể $50 \times 50 \times 75\text{ cm}$, làm bằng sắt V mạ kẽm $70 \times 50\text{ mm}$ dày 3 mm, bọc cách nhiệt bằng tấm Panel PU dày 50 mm. Bên trong chia thành 3 ngăn: ngăn buồng sấy ($50 \times 35 \times 45\text{ cm}$) chứa 3 khay lưới Inox 201 ($40 \times 30\text{ cm}$) cách nhau 10 cm; ngăn chứa điện trở sấy được ngăn cách an toàn bằng tấm Inox 201; và ngăn trên cùng chứa quạt đối lưu được cách nhiệt hoàn toàn để bảo vệ động cơ.
2. Công suất điện trở gia nhiệt được tính toán và lựa chọn dựa trên những cơ sở nào?
Công suất được tính toán từ bài toán cân bằng nhiệt cho mẻ sấy 5 kg mít tươi (độ ẩm giảm từ 75% xuống 8%, lượng nước bốc hơi là 3,64 kg, ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2.300.000\text{ J/kg}$ ở nhiệt độ sấy 55°C). Tổng nhiệt lượng tính toán bao gồm: nhiệt bốc hơi ẩm, nhiệt đốt nóng không khí tuần hoàn và nhiệt tổn thất qua vách Panel PU ($\lambda = 0,3\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$). Áp dụng hệ số an toàn bù tổn thất nhiệt $k = 1,5$, tác giả đã lựa chọn thanh điện trở sấy có công suất định mức 1000W.
3. Tại sao tác giả sử dụng Relay bán dẫn SSR thay vì Relay cơ điện thông thường để điều khiển thanh gia nhiệt?
Hệ thống sử dụng thuật toán PID để ổn định nhiệt độ, đòi hỏi cơ cấu chấp hành phải đóng cắt liên tục theo tín hiệu điều khiển. Relay bán dẫn SSR không có các bộ phận chuyển động cơ khí, đóng ngắt bằng linh kiện bán dẫn có cách ly quang, đáp ứng tốc độ cao, không phát sinh hồ quang tia lửa điện, không gây tiếng ồn và có độ bền vượt trội so với relay cơ (vốn dễ bị mòn và cháy tiếp điểm khi đóng cắt tần suất lớn).
4. Biến tần Delixi E100 được cài đặt các thông số vận hành chính nào trong đồ án?
Biến tần Delixi được cài đặt hoạt động ở chế độ V/F (P0.02 = 0), nhận lệnh chạy từ thiết bị ngoài (P0.03 = 1), điều khiển theo cấp tốc độ (P0.04 = 6), tần số giới hạn 50 Hz (P0.07, P0.08), thời gian tăng/giảm tốc 10 giây (P0.11, P0.12), thiết lập công suất động cơ 3,3 kW, điện áp 380V, tần số 50 Hz, tốc độ định mức 2800 RPM. Ba cấp tốc độ được khai báo qua các ngõ vào số với tỷ lệ lần lượt là 60% (cấp 1), 40% (cấp 2) và 20% (cấp 3).
5. Các thông số công nghệ nào được khuyến nghị để đạt chất lượng mít sấy tối ưu?
Theo kết quả nghiên cứu trong văn bản, mít tươi nên được thái lát mỏng với độ dày từ 5 đến 7 mm; nhiệt độ buồng sấy cài đặt tối ưu từ 40°C đến 65°C (thực nghiệm chọn 55°C); vận tốc gió đối lưu duy trì ổn định khoảng 1,5 m/s. Quá trình sấy kéo dài từ 6 đến 10 giờ để đưa độ ẩm sản phẩm về mức 8% – 15%, giúp mít thành phẩm giữ được màu vàng sáng, cấu trúc giòn hoặc dẻo mà không bị khét hay mất mùi thơm.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình lò sấy mít" của sinh viên Lê Quang Nhật và Nguyễn Hồng Phúc đã giải quyết thành công bài toán bảo quản nông sản sau thu hoạch ở quy mô vừa và nhỏ thông qua giải pháp tự động hóa đồng bộ. Hệ thống kết hợp vững chắc giữa kết cấu cơ khí cách nhiệt bằng Panel PU và mạch điều khiển vòng kín ứng dụng PLC Siemens S7-1200, thuật toán PID, relay bán dẫn SSR cùng biến tần Delixi. Kết quả vận hành thử nghiệm chứng minh mô hình hoạt động ổn định, kiểm soát chính xác các thông số nhiệt - ẩm và tạo ra thành phẩm mít sấy đạt đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ ẩm, màu sắc và hương vị.