Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến cà phê đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế nông nghiệp Việt Nam, tuy nhiên phần lớn các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ vẫn phụ thuộc vào phương pháp rang xay thủ công hoặc bán tự động. Quy trình rang truyền thống trên chảo hoặc lò sấy cố định bộc lộ nhiều điểm hạn chế về độ ổn định nhiệt độ, phụ thuộc nặng nề vào kinh nghiệm cảm quan của người thợ, dẫn đến chất lượng hạt sau rang thiếu tính đồng nhất và dễ xuất hiện hiện tượng cháy xém bề mặt. Trong bối cảnh số hóa và tự động hóa công nghiệp phát triển, việc ứng dụng các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình (PLC) kết hợp hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điều khiển (SCADA) là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm chuẩn hóa quy trình, tối ưu hóa các thông số nhiệt độ - thời gian, đồng thời giảm thiểu sai sót do yếu tố con người.

Khóa luận tốt nghiệp "Ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê" được thực hiện bởi sinh viên Huỳnh Thiên Hải và Vương Trường Thịnh, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Mạnh Sơn tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 7 năm 2023), thuộc ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Mục tiêu cụ thể của đề tài được xác định theo 05 nội dung:

  1. Thiết kế mô hình cơ khí của hệ thống trên phần mềm SOLIDWORKS.
  2. Chế tạo mô hình rang xay cà phê sử dụng nhiệt độ nóng từ điện trở để đáp ứng các mức độ và hương vị rang khác nhau.
  3. Thực hiện mô phỏng hệ thống, vận hành hệ thống thực tế và hiển thị dữ liệu giám sát trực quan trên màn hình SCADA.
  4. Xây dựng chức năng cảnh báo sự cố tự động khi xảy ra lỗi vận hành.
  5. Ứng dụng PLC nhằm tăng tính chính xác, nâng cao độ tin cậy trong điều khiển quá trình sản xuất và cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về lập trình điều khiển rang xay cà phê.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống máy rang xay cà phê tích hợp ba phân hệ chính gồm lồng rang gia nhiệt điện trở, lồng làm nguội nhanh và bộ phận xay cơ học, được điều khiển tự động bằng PLC kết hợp giám sát SCADA.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, gia công lắp ráp và thử nghiệm thực nghiệm tại xưởng thực hành và phòng thí nghiệm tự động hóa của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai từ ngày 15/02/2023 đến ngày 30/06/2023 (bao gồm các giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, mua sắm linh kiện, gia công lắp ráp, viết chương trình điều khiển, chạy thử nghiệm sửa lỗi và viết báo cáo).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp cơ sở lý thuyết về nông học chế biến hạt cà phê với nguyên lý điều khiển quá trình công nghiệp:

  • Cơ sở lý thuyết về nguyên liệu: Nghiên cứu cấu trúc quả cà phê (vỏ ngoài, thịt quả, lớp nhầy, vỏ trấu, vỏ lụa, nhân hạt gồm nội nhũ và phôi). Các giống cà phê chính tại Việt Nam gồm Robusta (cà phê vối), Arabica (cà phê chè) và Excelsa (cà phê mít).
  • Tính chất vật lý và hóa học của nhân cà phê: Độ ẩm tiêu chuẩn của nhân trước rang đạt 10 - 12%; tỷ trọng riêng dao động từ 0,72 đến 0,8 g/cm³; kích thước hạt trung bình từ 5 đến 10 mm.
Thành phần hóa học trong nhân cà phê Hàm lượng (%)
Axit Chlorogenic 7.0
Đường khử 4.8
Glucose, fructose, galactose 2.0
Axit Oxalic 0.4
  • Nhiệt động học quá trình rang: Nghiên cứu diễn biến màu sắc và trạng thái hóa lý qua 3 giai đoạn gia nhiệt cốt lõi trong dải điều khiển từ 0 đến 220°C:
    • Giai đoạn bốc hơi ẩm và chuyển biến màu: Gia nhiệt nhẹ ở dải nhiệt độ 137 - 200°C trong khoảng thời gian 9 phút.
    • Giai đoạn nổ lần 1: Duy trì ổn định dải nhiệt độ 200 - 210°C trong 2 phút.
    • Giai đoạn nổ lần 2: Duy trì ổn định dải nhiệt độ 220 - 230°C trong 2 phút.
Cấp nhiệt độ rang Màu sắc hạt Đặc điểm biến đổi hóa lý
180°C Nâu vàng Độ chua thấp, độ đậm đặc thấp, hương vị chưa giải phóng hết
200°C Nâu nhạt Độ chua tăng, kích cỡ hạt nở rộng, hạt khô
200 - 210°C Nâu Độ chua tiếp tục tăng, hạt duy trì trạng thái khô
210 - 220°C Nâu đậm Xuất hiện vệt dầu bề mặt, độ chua giảm dần (chuẩn Espresso)
220 - 230°C Nâu đen Dầu bao phủ bề mặt hạt, vị nhạt biến mất, độ đậm đặc tăng
220 - 240°C Đen đậm Dầu phủ dày, hương thơm giảm, đặc trưng Espresso Châu Mỹ
  • Cơ sở công nghệ điều khiển: Khóa luận so sánh hai dòng PLC phổ biến là Siemens (thế mạnh về điều khiển quá trình, khối hàm analog đơn giản, cấu trúc khối đa dụng hỗ trợ biến nội bộ) và Mitsubishi (thế mạnh về lệnh xử lý truyền động trục và xung tốc độ cao). Tác giả lựa chọn hệ sinh thái tự động hóa Siemens với bộ điều khiển S7-1200 và phần mềm WinCC Runtime Advanced để xây dựng trạm SCADA.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật về các công nghệ rang (rang truyền thống bằng chảo, rang lò sấy, rang khí lưu hot-air, rang bằng ánh sáng).
    • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật cơ khí trên phần mềm CAD SOLIDWORKS.
    • Phương pháp tích hợp hệ thống phần cứng và kiểm nghiệm thực nghiệm trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo nguyên lý gia nhiệt gián tiếp qua buồng rang bằng thanh điện trở, tích hợp cánh đảo quay liên tục nhờ động cơ giảm tốc nhằm truyền nhiệt đều và tránh cháy xém. Quy trình vận hành kết nối tuần tự ba cụm chức năng: Bồn rang gia nhiệt -> Lồng làm nguội bằng quạt cưỡng bức -> Máy xay hạt thành bột.

Tên thiết bị / linh kiện Thông số kỹ thuật lựa chọn Vai trò trong hệ thống
PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY Khối điều khiển trung tâm nhận tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành
Cảm biến nhiệt độ PT100 (RTD) Đo lường nhiệt độ trong lòng buồng rang
Bộ chuyển đổi tín hiệu RTD Pt100 sang 4 - 20mA Chuẩn hóa tín hiệu nhiệt độ tương tự đưa về đầu vào Analog của PLC
Thanh nhiệt điện trở Dạng chữ U, điện áp 220VAC Gia nhiệt cho lồng rang cà phê
Van xả khí nén Van điện từ khí nén 3/2 Điều khiển đóng mở luồng khí nén cấp cho cơ cấu chấp hành
Xi lanh khí nén Model Ma10x100 Đóng mở cửa xả liệu của bồn rang sang bồn làm nguội
Động cơ giảm tốc Điện áp 220VAC, tốc độ 110 vòng/phút Dẫn động cánh quạt đảo trộn hạt trong lồng rang
Van điện Model FUSAN Đóng mở đường cấp liệu tự động
Quạt tản nhiệt Nguồn 24VDC Thổi giải nhiệt cưỡng bức hạt cà phê tại lồng làm nguội
Máy xay cà phê Model 600N Nghiền hạt cà phê sau khi làm nguội về dạng bột
Rơ-le trung gian 220VAC OMRON Đệm công suất cách ly giữa ngõ ra PLC và phụ tải chấp hành
Nguồn cấp DC Nguồn tổ ong 24VDC - 5A Cấp nguồn cho PLC, cảm biến và quạt tản nhiệt
Khí cụ bảo vệ & báo hiệu CB 220VAC (15A), Đèn báo phi 22mm Bảo vệ quá tải ngắn mạch và hiển thị trạng thái hệ thống

Giao diện SCADA được lập trình trên nền tảng SIMATIC WinCC Runtime Advanced tích hợp trong TIA Portal, tuân thủ nguyên tắc thiết kế công nghiệp:

  • Gam màu chủ đạo là xám trung tính, hạn chế hiệu ứng thị giác rườm rà.
  • Phân định rõ ràng các vùng hiển thị: Đèn báo trạng thái đặt tại góc trên bên trái; các nút bấm điều khiển chức năng đặt ở bên trái màn hình; các nút điều hướng chuyển trang đặt tại góc dưới bên phải; khu vực hiển thị thông số đặt trên nền trắng bên phải màn hình.
  • Hệ thống hỗ trợ hai chế độ hoạt động:
    • Chế độ Auto (Tự động): Cho phép người vận hành lựa chọn loại hạt cà phê (Robusta, Arabica) và cấp độ rang mong muốn (Đậm, Vừa, Nhạt). Hệ thống tự động kiểm soát chu trình gia nhiệt, thời gian ổn định, kích hoạt xả liệu sang lồng làm nguội và đóng ngắt quạt tản nhiệt theo thuật toán cài sẵn.
    • Chế độ Manual (Bằng tay): Người vận hành có thể can thiệp cưỡng bức bật/tắt riêng lẻ thanh nhiệt, động cơ đảo, xi lanh xả liệu, quạt tản nhiệt và máy xay phục vụ mục đích bảo trì, hiệu chỉnh thông số.
    • Hệ thống trang bị màn hình đăng nhập, phân quyền, thay đổi mật khẩu quản trị và màn hình lưu trữ, giám sát lịch sử vận hành giúp truy xuất lỗi hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp hóa, sự cần thiết của tự động hóa quá trình chế biến nông sản và vai trò của PLC trong điều khiển nhiệt độ. Tác giả chỉ rõ các vấn đề thực tiễn của quy trình rang xay truyền thống, từ đó xác định 05 mục tiêu đề tài, giới hạn phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ mô hình máy rang - làm nguội - xay cỡ nhỏ có giám sát SCADA, đồng thời lập bảng tiến độ thực hiện đề tài gồm 7 mốc tuần cụ thể.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp khối lượng dữ liệu nền tảng về cây cà phê từ lịch sử phát triển, cấu tạo sinh học đến bảng thành phần hóa học của nhân (đường khử 4.8%, axit chlorogenic 7.0%, oxalic 0.4%) và các thông số vật lý (độ ẩm 10 - 12%, tỷ trọng 0,72 - 0,8 g/cm³). Tác giả so sánh chi tiết hai quy trình sản xuất cà phê bột và cà phê hòa tan (theo chuẩn ISO 22000), phân tích ưu nhược điểm của 4 phương pháp rang (chảo truyền thống, lò sấy, khí lưu, ánh sáng), tổng hợp bảng phân loại 6 cấp nhiệt độ rang từ 180°C đến 240°C. Phần cuối chương so sánh đặc tính kỹ thuật giữa hai hãng PLC Siemens và Mitsubishi, cùng các nguyên tắc thiết kế giao diện đồ họa SCADA chuẩn hóa.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế kỹ thuật, trong đó yêu cầu dải nhiệt độ buồng rang phải đáp ứng từ 185°C đến 280°C. Tác giả tiến hành dựng bản vẽ 3D các kết cấu cơ khí gồm bồn rang có cánh đảo, bồn làm nguội và hệ khung máy. Chương này tính toán và lập danh mục bảng thông số kỹ thuật chi tiết cho từng thiết bị điện - tự động hóa được đưa vào mô hình như cảm biến PT100 kèm bộ chuyển đổi 4 - 20mA, thanh nhiệt chữ U 220VAC, van FUSAN, động cơ 110RPM, máy xay 600N, xi lanh Ma10x100, van từ 3/2, PLC S7-1200 1214C, nguồn 24V-5A và CB 15A.

Chương 4: Thiết kế giao diện SCADA

Chương 4 tập trung vào phần mềm điều khiển, xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết cho hai chế độ Auto và Manual. Tác giả thiết kế hệ thống màn hình WinCC Runtime Advanced bao gồm: Màn hình tổng quan, Màn hình đăng nhập tài khoản người dùng, Màn hình vận hành trung tâm, Màn hình đổi mật khẩu, Màn hình chọn loại hạt và mức độ rang (Robusta/Arabica - Đậm/Vừa/Nhạt), Màn hình vận hành giám sát chế độ Auto, Màn hình thao tác chế độ Manual và Màn hình theo dõi nhật ký/lịch sử hoạt động của hệ thống.

Chương 5: Kết quả đạt được

Chương 5 công bố kết quả hiện thực hóa phần cứng và phần mềm của đề tài. Tác giả trình bày hình ảnh chế tạo hoàn thiện của lồng rang cơ khí, lồng làm nguội có quạt tản nhiệt, cụm máy xay 600N, sơ đồ đấu nối dây tủ điện hoàn chỉnh và hình ảnh thực tế hai mặt bên của toàn hệ thống. Trên giao diện SCADA, các màn hình vận hành Auto (chạy thực nghiệm mẫu Robusta rang đậm) và Manual hoạt động ổn định. Kết quả kiểm nghiệm chất lượng hạt cà phê đầu ra được minh chứng qua hình ảnh so sánh hạt nhân thô (màu xanh vàng nhạt) trước khi rang với các mẫu thành phẩm sau rang đạt chuẩn cấp độ Light Roast và Dark Roast.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành: thiết kế chế tạo thành công mô hình cơ khí, lập trình hoàn thiện chương trình PLC S7-1200, xây dựng giao diện SCADA thân thiện có phân quyền và cảnh báo lỗi, thực nghiệm rang xay ra hạt thành phẩm đạt màu sắc tiêu chuẩn. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các mặt hạn chế của mô hình và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Chế tạo thành công mô hình tích hợp đồng bộ ba cụm chức năng rang - làm nguội - xay trên cùng một hệ khung cơ khí vững chắc, giải quyết được bài toán tự động hóa dây chuyền khép kín quy mô nhỏ.
  • Ứng dụng thanh nhiệt điện trở công nghiệp chữ U 220VAC kết hợp động cơ giảm tốc 110 vòng/phút đảo trộn liên tục, đảm bảo dải nhiệt độ điều khiển đáp ứng theo yêu cầu thiết kế từ 185°C đến 280°C, cho phép thực hiện chuẩn xác 3 giai đoạn gia nhiệt (bốc hơi ẩm 137 - 200°C trong 9 phút, nổ lần một 200 - 210°C trong 2 phút, nổ lần hai 220 - 230°C trong 2 phút).
  • Xây dựng mạch đo nhiệt độ chính xác bằng cảm biến PT100 đưa qua bộ chuyển đổi RTD sang dòng 4 - 20mA kết nối trực tiếp ngõ vào Analog của PLC S7-1200 CPU 1214C.
  • Phát triển giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced có tính trực quan cao, tích hợp đầy đủ hai chế độ Auto/Manual, hệ thống bảo mật bằng mật khẩu, quản lý công thức rang theo loại hạt và ghi nhận lịch sử vận hành.
  • Thử nghiệm thực tế chứng minh hạt cà phê sau khi rang đạt màu sắc đồng đều, tạo ra hai cấp độ thành phẩm rõ rệt là Light Roast và Dark Roast mà không bị hiện tượng cháy sém cục bộ như rang chảo thông thường.

Đóng góp so với các phương pháp cũ: Khắc phục sự phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề thợ rang thủ công, giảm khói bụi độc hại so với rang than củi, nâng cao tính lặp lại của mẻ rang nhờ kiểm soát chính xác nhiệt độ và chu kỳ thời gian thông qua chương trình PLC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình (được tác giả nêu trong văn bản):

  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm, công suất mẻ rang còn nhỏ, chưa đáp ứng ngay được sản lượng quy mô công nghiệp lớn.
  • Một số thao tác chuyển tiếp nguyên liệu giữa các công đoạn vẫn cần sự giám sát chặt chẽ hoặc can thiệp bán tự động của người vận hành.
  • Cơ cấu cơ khí và độ kín khít nhiệt của buồng rang còn thất thoát nhiệt lượng nhất định ra môi trường xung quanh.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Cải tiến hệ thống cấp liệu hạt tự động hoàn toàn bằng phễu nạp và cảm biến mức trước khi đưa vào bồn rang.
  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển nhiệt độ nâng cao như thuật toán điều khiển PID chuyên dụng trên PLC Siemens để tối ưu đường cong nhiệt độ (Roast Profile), triệt tiêu hiện tượng vọt lố nhiệt độ.
  • Nghiên cứu cơ cấu tự động thu hồi vỏ lụa và xử lý khói thải thân thiện hơn với môi trường xưởng sản xuất.
  • Mở rộng cơ sở dữ liệu công thức rang trên SCADA cho nhiều giống cà phê đặc sản khác nhau (như Moka, Culi, Cherry).

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo thực tiễn cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp thiết kế đồ án tốt nghiệp tích hợp liên ngành giữa cơ khí gia công, khí nén, mạch lực điện công nghiệp và lập trình điều khiển PLC.
  • Người làm đề tài ứng dụng PLC Siemens S7-1200 và SCADA WinCC: Phần Chương 3 và Chương 4 cung cấp chi tiết cách chọn lựa khí cụ điện (rơ-le, CB, nguồn tổ ong, van điện từ), sơ đồ chuyển đổi tín hiệu analog từ PT100 sang 4 - 20mA, cùng các nguyên tắc chuẩn mực về bố cục và màu sắc khi thiết kế giao diện HMI/SCADA công nghiệp.
  • Kỹ sư chế biến nông sản và chế tạo máy: Tham khảo bảng thông số kỹ thuật nhiệt học của hạt cà phê, phân loại cấp độ rang và các giai đoạn nổ để áp dụng vào các dự án máy rang quy mô pilot.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng bộ điều khiển lập trình và phần mềm SCADA cụ thể nào để điều khiển hệ thống? Khóa luận sử dụng module PLC Siemens S7-1200 mã hiệu CPU 1214C AC/DC/RLY, được lập trình thông qua phần mềm TIA Portal và xây dựng giao diện giám sát điều khiển bằng phần mềm SIMATIC WinCC Runtime Advanced.

2. Nhiệt độ buồng rang được thiết kế đáp ứng trong dải bao nhiêu và được đo bằng loại cảm biến nào? Yêu cầu thiết kế của máy rang phải đạt nhiệt độ từ 185°C đến 280°C. Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ RTD loại PT100, kết hợp bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng chuyển từ Pt100 sang dòng điện chuẩn 4 - 20mA đưa về ngõ vào Analog của PLC.

3. Ba giai đoạn ổn định nhiệt độ chủ yếu trong quá trình rang cà phê được tác giả xác định như thế nào? Quá trình rang gồm ba giai đoạn ổn định nhiệt: Giai đoạn bốc hơi ẩm và chuyển biến màu (gia nhiệt nhẹ ở dải nhiệt độ 137 - 200°C trong khoảng 9 phút); Giai đoạn nổ lần 1 (ổn định nhiệt độ từ 200 - 210°C trong khoảng 2 phút); Giai đoạn nổ lần 2 (ổn định nhiệt độ từ 220 - 230°C trong khoảng 2 phút).

4. Khóa luận chọn thiết bị nào cho công đoạn xay cà phê và động cơ đảo trộn lồng rang? Công đoạn xay hạt sử dụng máy xay cà phê tự động model 600N. Cơ cấu đảo trộn bên trong bồn rang sử dụng động cơ giảm tốc điện áp 220V với tốc độ quay định mức 110 vòng/phút nhằm đảo đều hạt liên tục, tránh hiện tượng cháy khét.

5. Cơ chế vận hành ở chế độ Auto trên giao diện SCADA hoạt động ra sao? Tại màn hình Auto, người vận hành đăng nhập hệ thống, sau đó chọn loại cà phê cần rang (như Robusta hay Arabica) và lựa chọn cấp độ rang theo yêu cầu (Đậm, Vừa hoặc Nhạt). Hệ thống sẽ tự động kích hoạt tiến trình kiểm soát nhiệt độ, chu kỳ thời gian và các cơ cấu xả làm nguội theo thông số cài đặt trước.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê" của sinh viên Huỳnh Thiên Hải và Vương Trường Thịnh đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết lẫn chế tạo mô hình thực nghiệm. Đề tài đã tính toán, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ - điện tích hợp bồn rang gia nhiệt điện trở, bồn làm nguội quạt gió cưỡng bức và máy xay hạt, được điều khiển chính xác bằng PLC Siemens S7-1200 và giao diện WinCC Runtime. Kết quả thực nghiệm chứng minh hệ thống vận hành tin cậy ở cả hai chế độ tự động và bằng tay, kiểm soát tốt các dải nhiệt độ chế biến và cho ra thành phẩm hạt cà phê đạt tiêu chuẩn màu sắc theo từng cấp độ rang. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao cho sinh viên ngành Tự động hóa và kỹ thuật chế biến thực phẩm.