Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành chế biến thủy sản xuất khẩu, tôm chiên Tempura là một trong những sản phẩm có giá trị gia tăng cao nhất, chiếm khoảng 52% giá trị xuất khẩu tôm chế biến. Việc chiết xuất dầu dư thừa trong tôm Tempura sau khi chiên là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, bao gồm cảm giác ngon miệng, không bị ngấy dầu và giảm tác động tiêu cực của dầu còn sót lại bên trong tôm. Tuy nhiên, hiện nay các dây chuyền chiên tôm Tempura chưa có hệ thống kiểm soát và tối ưu hiệu quả chiết xuất dầu thừa đạt yêu cầu. Dây chuyền chiên tôm Tempura phiên bản 1 do nhóm nghiên cứu Bio-Mech Lab phát triển sử dụng thuật toán điều khiển mở để sấy khô tôm thành phẩm, dẫn đến hiệu quả chiết xuất dầu không cao, tôm sau khi chiên vẫn còn nhiều dầu bên trong.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất phương pháp tối ưu điều khiển các thông số của hệ thống thoát dầu trong tôm chiên Tempura nhằm nâng cao hiệu quả chiết xuất dầu, cải thiện chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu tập trung đánh giá và điều chỉnh các thông số như tốc độ băng tải tôm, nhiệt độ sấy, lưu lượng và tốc độ gió, hướng gió,... Qua đó áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như PID, Fuzzy, GA để kiểm soát các thông số quan trọng quyết định chất lượng tôm thành phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trên dây chuyền chiên tôm Tempura phiên bản 2 do Bio-Mech Lab chế tạo, kết hợp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS để đánh giá hiệu quả.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm lượng dầu còn sót lại trong tôm chiên, nâng cao cảm giác ngon miệng, giảm tác động tiêu cực của dầu thừa, đồng thời tăng năng suất và chất lượng sản phẩm xuất khẩu. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy tự động hóa trong chế biến thủy sản, giảm chi phí nhân công và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển hiện đại trong kỹ thuật tự động hóa và xử lý tín hiệu:

  • Lý thuyết điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Nguyên lý điều khiển vòng kín với ba thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm giúp điều chỉnh chính xác các thông số hệ thống. Việc tinh chỉnh các hệ số KP, KI, KD được thực hiện dựa trên thuật toán Fuzzy để tăng độ chính xác và thích nghi với biến đổi môi trường.

  • Thuật toán Fuzzy Logic: Hệ thống điều khiển mờ giúp xử lý các tín hiệu không chính xác hoặc không rõ ràng, cải thiện khả năng điều khiển trong môi trường biến động và không tuyến tính.

  • Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA): Phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên, lai ghép và đột biến để tìm ra bộ tham số điều khiển tối ưu nhất cho hệ thống thoát dầu.

  • Mô hình ARX, ARMA, Box-Jenkins: Các mô hình toán học dùng để mô phỏng và dự báo hành vi của hệ thống thoát dầu và quá trình sấy khô tôm, hỗ trợ trong việc thiết kế bộ điều khiển.

  • Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics): Phân tích dòng chảy khí nóng trong hệ thống sấy để tối ưu thiết kế và điều chỉnh các thông số gió, nhiệt độ.

Các khái niệm chính bao gồm: chiết xuất dầu, điều khiển vòng kín, thuật toán tối ưu, mô hình toán học hệ thống, mô phỏng dòng chảy khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp thực nghiệm và mô phỏng:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực tế từ dây chuyền chiên tôm Tempura phiên bản 1 và phiên bản 2 tại các doanh nghiệp chế biến thủy sản ở TP. Hồ Chí Minh. Dữ liệu bao gồm lượng dầu còn lại trong tôm, nhiệt độ sấy, tốc độ băng tải, lưu lượng gió, thời gian sấy, kích thước tôm.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu tôm chiên theo các kích cỡ khác nhau, thời gian sấy và điều kiện vận hành khác nhau để đảm bảo tính đại diện và đa dạng của dữ liệu.

  • Phương pháp phân tích: Áp dụng các thuật toán điều khiển PID, Fuzzy, GA để tối ưu các tham số điều khiển. Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng dòng chảy khí và nhiệt độ trong hệ thống sấy. Phân tích thống kê và so sánh hiệu quả chiết xuất dầu trước và sau khi áp dụng bộ điều khiển.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn 1 (6 tháng): Thu thập dữ liệu và khảo sát thực trạng dây chuyền chiên tôm Tempura phiên bản 1.
    • Giai đoạn 2 (8 tháng): Thiết kế và phát triển bộ điều khiển tối ưu, mô phỏng CFD.
    • Giai đoạn 3 (6 tháng): Thử nghiệm trên dây chuyền phiên bản 2, đánh giá kết quả và hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả chiết xuất dầu tăng đáng kể: Sau khi áp dụng bộ điều khiển PID kết hợp Fuzzy và GA, lượng dầu còn lại trong tôm giảm từ khoảng 195 mg xuống còn khoảng 175 mg, tương đương giảm 10% lượng dầu thừa trong sản phẩm.

  2. Tối ưu các thông số vận hành: Tốc độ băng tải tôm được điều chỉnh trong khoảng 0.5-0.7 m/s, nhiệt độ sấy duy trì ở 80-90°C, lưu lượng gió đạt 1500-1800 m³/h, giúp cân bằng giữa hiệu quả chiết xuất dầu và chất lượng tôm không bị quá khô.

  3. Mô phỏng CFD hỗ trợ thiết kế: Phân tích dòng chảy khí nóng bằng ANSYS cho thấy việc điều chỉnh hướng gió và phân bố lưu lượng gió giúp tăng hiệu quả sấy khô và thoát dầu, giảm thiểu vùng khí chết trong hệ thống.

  4. So sánh với dây chuyền phiên bản 1: Phiên bản 2 với bộ điều khiển tối ưu cho thấy hiệu suất chiết xuất dầu tăng khoảng 15% so với phiên bản 1 sử dụng điều khiển mở, đồng thời giảm thời gian sấy trung bình từ 8 phút xuống còn 6.5 phút.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu quả chiết xuất dầu là do bộ điều khiển vòng kín PID kết hợp thuật toán Fuzzy và GA giúp điều chỉnh linh hoạt các thông số vận hành theo biến đổi thực tế của dây chuyền và đặc tính tôm. Việc mô phỏng CFD cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế lại hệ thống phân phối gió, tăng cường khả năng sấy khô đều và hiệu quả.

So với các nghiên cứu trong ngành chế biến thủy sản, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng tự động hóa và điều khiển thông minh nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nhân công. Việc giảm lượng dầu thừa không chỉ cải thiện cảm giác ngon miệng mà còn giảm tác động tiêu cực đến sức khỏe người tiêu dùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lượng dầu còn lại trước và sau khi áp dụng bộ điều khiển, bảng thống kê các thông số vận hành tối ưu, và hình ảnh mô phỏng dòng chảy khí nóng trong hệ thống sấy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển PID-Fuzzy-GA trên dây chuyền chiên tôm Tempura: Áp dụng ngay trong vòng 6 tháng tới tại các nhà máy chế biến để nâng cao hiệu quả chiết xuất dầu, giảm lượng dầu thừa ít nhất 10%.

  2. Tối ưu thiết kế hệ thống phân phối gió: Điều chỉnh hướng gió, lưu lượng và tốc độ gió dựa trên kết quả mô phỏng CFD, thực hiện trong 3 tháng, do bộ phận kỹ thuật và thiết kế nhà máy đảm nhiệm.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành: Tổ chức khóa đào tạo về vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển tự động, giúp nhân viên hiểu và vận dụng hiệu quả bộ điều khiển mới, hoàn thành trong 2 tháng.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu tự động: Lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ, lưu lượng gió, tốc độ băng tải và lượng dầu còn lại để giám sát liên tục, hỗ trợ điều chỉnh kịp thời, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Áp dụng phương pháp điều khiển tối ưu cho các sản phẩm chiên khác trong ngành chế biến thủy sản nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp chế biến thủy sản: Đặc biệt là các nhà máy sản xuất tôm chiên Tempura, giúp cải tiến dây chuyền sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, tự động hóa: Cung cấp kiến thức về ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại trong sản xuất thực phẩm, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống.

  3. Các kỹ sư thiết kế và vận hành dây chuyền công nghiệp: Hỗ trợ trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động, tối ưu hóa quy trình sản xuất và bảo trì thiết bị.

  4. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn thực phẩm: Tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm chiên dầu, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hệ thống thoát dầu trong tôm chiên Tempura?
    Việc tối ưu giúp giảm lượng dầu còn lại trong tôm, cải thiện cảm giác ngon miệng, giảm tác động tiêu cực đến sức khỏe và nâng cao chất lượng sản phẩm xuất khẩu.

  2. Bộ điều khiển PID-Fuzzy-GA hoạt động như thế nào?
    Bộ điều khiển kết hợp PID để điều chỉnh chính xác, Fuzzy để xử lý tín hiệu không rõ ràng, và GA để tối ưu các tham số điều khiển nhằm đạt hiệu quả cao nhất.

  3. Mô phỏng CFD có vai trò gì trong nghiên cứu?
    CFD giúp phân tích dòng chảy khí nóng trong hệ thống sấy, từ đó tối ưu thiết kế phân phối gió, tăng hiệu quả sấy và chiết xuất dầu.

  4. Hiệu quả cải thiện sau khi áp dụng bộ điều khiển là bao nhiêu?
    Lượng dầu còn lại trong tôm giảm khoảng 10-15%, thời gian sấy giảm từ 8 phút xuống còn 6.5 phút, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các sản phẩm khác không?
    Có, phương pháp điều khiển tối ưu có thể mở rộng cho các sản phẩm chiên khác trong ngành chế biến thủy sản nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công phương pháp tối ưu điều khiển các thông số hệ thống thoát dầu trong tôm chiên Tempura, kết hợp PID, Fuzzy và GA.
  • Nghiên cứu chứng minh hiệu quả giảm lượng dầu thừa trong tôm chiên khoảng 10-15%, đồng thời giảm thời gian sấy và tăng năng suất.
  • Mô phỏng CFD hỗ trợ tối ưu thiết kế hệ thống phân phối gió, nâng cao hiệu quả sấy khô và chiết xuất dầu.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và thúc đẩy tự động hóa trong ngành chế biến thủy sản.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các sản phẩm chiên khác.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế trên dây chuyền phiên bản 2, đào tạo nhân viên vận hành, xây dựng hệ thống giám sát tự động và mở rộng nghiên cứu ứng dụng.

Call to action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chế biến thủy sản nên áp dụng và phát triển tiếp phương pháp này để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Luận văn thạc sĩ về "Phương pháp tối ưu điều khiển các thông số hệ thống thoát dầu trong tôm chiên Tempura" do nhóm nghiên cứu Bio-Mech Lab thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh, năm 2022.