Nhu cầu thực tiễn và các phương pháp sấy hoa quả phổ biến
Nhu cầu thực tiễn chế biến nông sản trong dịch Covid-19
1.1.1.1 Tiêu thụ nông sản tại các vùng có dịch
Theo Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Hải Dương, tỉnh hiện có khoảng 128.000 tấn nông sản dư thừa cần tiêu thụ, bao gồm 100.000 tấn rau củ quả, 20.000 tấn thịt và 8.000 tấn cá Số lượng này không chỉ phục vụ nhu cầu tiêu dùng nội bộ mà còn mở ra cơ hội cho việc tiêu thụ ra thị trường ngoài tỉnh.
Nhiều địa phương trên thế giới đang gặp khó khăn trong việc tiêu thụ và xuất khẩu nông sản, đặc biệt là hoa quả Đây là mặt hàng thiết yếu, yêu cầu chất lượng cao và an toàn vệ sinh thực phẩm Để đáp ứng nhu cầu này, cần áp dụng các phương pháp chế biến và bảo quản hiệu quả, vừa tiết kiệm chi phí vừa mang lại hiệu quả tối ưu.
1.1.1.2 Sấy nông sản – giải pháp cho người nông dân và doanh nghiệp
Trong thời gian gần đây, sấy nông sản đã trở thành một giải pháp quen thuộc cho nông dân và doanh nghiệp Việt Nam Thị trường hiện có nhiều loại hoa quả sấy, đặc biệt là những sản phẩm theo mùa và có giá trị xuất khẩu cao Trong bối cảnh dịch Covid-19 vẫn còn phức tạp, sấy nông sản đã được áp dụng để giải quyết vấn đề vận chuyển và tiêu thụ hoa quả từ các vườn trồng.
Phương pháp này vừa khiến hoa quả có giá trị thẩm mĩ cao, lại tăng thêm giá trị sản phẩm và dễ dàng bảo quản cũng như xuất khẩu
1.1.1.3 Ứng dụng vi sóng trong dịch Covid-19
Công nghệ vi sóng đang ngày càng trở nên phổ biến trong các sản phẩm công nghệ hiện đại, như máy rửa bát và lò vi sóng Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm, vi sóng mang lại nhiều ứng dụng thiết thực và ưu điểm nổi bật.
Vi sóng thâm nhập sâu vào nguyên liệu thực phẩm, giúp gia nhiệt đồng đều và nhanh chóng trong toàn bộ khối lượng thực phẩm Điều này không chỉ giảm thiểu thời gian chế biến mà còn tiết kiệm năng lượng đáng kể.
- Vi sóng truyền nhiệt nhanh, hàm lượng chất dinh dưỡng và vitamin cũng như hương vị, đặc tính cảm, và màu sắc thực phẩm được bảo quản tốt
- Thanh trùng hoặc khử trùng cực nhanh các chất lỏng nhằm làm giảm tối đa các thất thoát dinh dưỡng, màu sắc, hương vị thực phẩm
- Cấu tạo hoàn hảo cho các hệ thống làm sạch tại chỗ (CIP)
- Có thể kết hợp với các công nghệ khác
- Chi phí thấp trong việc bảo trì hệ thống, không tiếng ồn và không tạo ra khí thải
Trong bối cảnh dịch bệnh Covid-19 ngày càng phức tạp, ứng dụng vi sóng trở nên thiết thực hơn bao giờ hết Yêu cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm gia tăng và tiêu chuẩn xuất khẩu nông sản trở nên khắt khe Việc sử dụng vi sóng trong chế biến và bảo quản nông sản không chỉ đảm bảo an toàn mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Các phương pháp sấy hoa quả đang được ứng dụng hiện nay
Phương pháp sấy nông sản bằng ánh nắng mặt trời là một trong những cách đơn giản và tiết kiệm nhất mà ai cũng có thể áp dụng Tuy nhiên, quy trình này gặp nhiều nhược điểm như thời gian sấy lâu, phụ thuộc vào khí hậu và ánh sáng ban ngày, cùng với nguy cơ xâm nhập của động vật và vi sinh vật không mong muốn Phương pháp này phù hợp với nông sản ít nước và được sử dụng rộng rãi, nhưng lại không hiệu quả ở những khu vực có độ ẩm cao hoặc trong thời tiết xấu, đặc biệt là những ngày mưa.
1.1.2.2 Sấy nóng, máy sấy khí
Phương pháp sấy rau củ quả bằng không khí nóng là quá trình khuếch tán nước từ lớp bên ngoài ra bề mặt và từ đó nước bốc hơi vào môi trường Trong ngành công nghiệp, lò sấy đường hầm thường được sử dụng để thực hiện quy trình này Phương pháp này có ưu điểm nổi bật trong việc xử lý sản lượng lớn nhờ vào quạt gió cưỡng bức, giúp tăng tốc độ bay hơi và đảm bảo nhiệt độ đạt yêu cầu.
Đối với gia đình, có thể sử dụng tủ sấy, lò sấy thủ công hoặc phương pháp phơi nắng để bảo quản thực phẩm Phơi nắng có ưu điểm là tiết kiệm chất đốt và tận dụng năng lượng mặt trời, nhưng cũng có nhược điểm như làm giảm tới 80% vitamin C và caroten, kéo dài thời gian làm khô và phẩm chất màu kém hơn Ngoài ra, nếu gặp trời mưa, sản phẩm dễ bị mốc, và phương pháp này còn đòi hỏi diện tích lớn, khó đáp ứng với sản lượng lớn.
Máy sấy lạnh, hay còn gọi là máy sấy mát hoặc máy sấy bơm nhiệt, hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp sấy thông thường, thường trong khoảng từ 10 oC đến 50 oC với độ ẩm không khí sấy từ 10% đến 30% Phương pháp sấy lạnh đặc biệt phù hợp cho những thực phẩm dễ biến đổi tính chất khi tiếp xúc với nhiệt độ cao Máy sấy công nghiệp lạnh được ứng dụng rộng rãi trong y học để sấy dược liệu, tinh bột, thảo dược, cũng như các sản phẩm chức năng như đông trùng hạ thảo, tổ yến và nấm linh chi Ngoài ra, máy còn được sử dụng để sấy các loại hoa quả như chuối và thanh long.
Hình 1.3 Quy trình sấy lạnh
Khác với máy sấy nhiệt sử dụng cơ chế sấy gió nóng để tách ẩm nhanh chóng, sấy lạnh chỉ cần nhiệt độ môi trường để làm khô hiệu quả, nhờ vào không khí đã được làm khô hoàn toàn trước khi đưa vào buồng sấy Thời gian sấy lạnh thường nhanh chóng, chỉ từ 8 đến 12 tiếng Với nhiệt độ thấp, phương pháp này không ảnh hưởng đến màu sắc, tính chất, và giúp giữ màu, mùi, cũng như hương vị tốt hơn.
Sấy chân không là phương pháp sấy hiệu quả, diễn ra trong môi trường gần như chân không Vật liệu được đưa vào buồng kín và sử dụng máy bơm chân không để tạo ra áp suất rất thấp, khoảng 50mmHg, so với áp suất khí quyển 760mmHg Ở áp suất thấp này, nước sẽ sôi ở nhiệt độ chỉ khoảng 30-40°C, giúp quá trình bốc hơi diễn ra nhanh chóng, từ đó làm cho vật liệu khô nhanh hơn so với phương pháp sấy nhiệt thông thường.
Hình 1.4 Nguyên lý sấy chân không
Sấy chân không mang lại lợi ích vượt trội so với sấy lạnh, đặc biệt ở thời gian sấy nhanh chóng và sản phẩm đầu ra có hình thức đẹp, giữ được cấu trúc cùng độ giòn, xốp mà các phương pháp sấy khác không thể đạt được Tuy nhiên, công nghệ sấy chân không yêu cầu chi phí vận hành và chế biến cao hơn so với các phương pháp sấy thông thường.
1.1.2.5 Sấy thăng hoa Đây là phương pháp sấy ưu việt nhất trong tất cả phương pháp sấy hiện nay Hiện tại ở nước ta cũng đã có nhiều doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư công nghệ “mới” đối với nước ta Sấy thăng hoa (freeze drying) là một kỹ thuật còn được gọi là “làm khô lạnh” Trong đó sản phẩm được sấy khô qua quá trình thăng hoa của nước dưới nhiệt độ và áp suất thấp Nước trong sản phẩm được đông lạnh thành đá sau đó được loại bỏ trực tiếp ra khỏi sản phẩm bằng cách hóa hơi Điều này được thực hiện trong môi trường chân không
Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của máy sấy thăng hoa
Chất lượng hoa quả sấy thăng hoa đạt tiêu chuẩn cao, nhưng công nghệ và giá thành hiện tại vẫn chưa phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam.
Tìm hiểu tổng thể và lựa chọn thiết bị cho hệ thống sấy thanh long dẻo 11
Mục tiêu
Nhu cầu sấy thực phẩm, đặc biệt là sấy hoa quả, đang trở nên cấp thiết trong bối cảnh hiện nay Điều này yêu cầu các phương pháp sấy cần được đổi mới và thích nghi, đồng thời phải thực tế và phù hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ tại Việt Nam.
Luận văn thạc sỹ của em tập trung vào nghiên cứu và thiết kế hệ thống sấy thanh long dẻo, một nông sản tiềm năng, với công nghệ sấy lạnh kết hợp vi sóng Mô hình đầu tiên hướng đến hộ gia đình hoặc xưởng sản xuất nhỏ, với kế hoạch mở rộng và thương mại hóa trong tương lai Công nghệ sấy lạnh với chu kỳ khép kín tối ưu hóa nhiệt độ, giúp duy trì dinh dưỡng cho thanh long tốt nhất Vi sóng đảm bảo quá trình sấy diễn ra đồng đều, giảm thiểu tình trạng thoát ẩm sớm, đồng thời có khả năng tiệt trùng hiệu quả, khắc phục nhược điểm của sấy lạnh.
Mục tiêu của luận văn:
- Tìm hiểu và lựa chọn công nghệ sấy phù hợp cho hệ thống
- Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển sấy với mục tiêu 50kg/1 mẻ và tiêu chuẩn đầu ra độ ẩm 12%
- Thiết kế hệ thống giám sát tại chỗ cho hệ thống sấy
- Thực nghiệm thực tế và đánh giá kết quả.
Hệ thống sấy thanh long dẻo kết hợp vi sóng
Hiện nay, có nhiều phương pháp sấy rau quả, mỗi phương pháp sử dụng công nghệ khác nhau Tuy nhiên, do mỗi loại rau quả có đặc trưng riêng về lượng nước, thành phần dinh dưỡng và độ cứng, nên việc lựa chọn phương pháp sấy phù hợp là rất quan trọng.
Quả thanh long chứa nhiều nước và pectin, nhưng dễ bị biến đổi khi sấy ở nhiệt độ cao Việc sấy thanh long ở nhiệt độ cao sẽ tạo ra lớp màng ngăn cản sự thoát hơi nước, làm giảm hiệu quả sấy và phẩm chất sản phẩm Mặc dù thanh long tươi giàu sắt, quá trình sấy khô vẫn giữ nguyên giá trị dinh dưỡng, giúp cơ thể phòng ngừa thiếu máu do thiếu sắt.
Thanh long có 12 tác dụng quan trọng giúp hệ thần kinh hoạt động hiệu quả, hỗ trợ lưu thông và tuần hoàn máu Nhờ đó, người dùng sẽ không cảm thấy mệt mỏi do thiếu sắt Ngoài việc chứa hàm lượng chất béo bão hòa tốt, thanh long còn giúp giảm cholesterol xấu và tăng cường cholesterol tốt cho cơ thể Bên cạnh đó, sắt và kali trong thanh long sấy hỗ trợ sự phát triển của cơ bắp, giúp giảm đau nhức sau khi vận động cường độ cao.
Hiện nay, phương pháp sấy chân không và sấy thăng hoa đang được sử dụng phổ biến cho thanh long, nhờ vào khả năng áp dụng cho nhiều loại nông sản Các phương pháp này hoạt động ở nhiệt độ thấp dưới 0°C và áp suất cao trên 620Pa, giúp ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng sản phẩm Tuy nhiên, chi phí đầu tư và vận hành thiết bị cao đã làm tăng giá thành sản phẩm thanh long sau khi sấy, gây khó khăn cho việc thương mại hóa.
Trong quá trình sấy rau củ, việc khử khuẩn cũng rất quan trọng bên cạnh việc loại bỏ nước Sấy ở nhiệt độ cao giúp ngăn ngừa nhiễm khuẩn, nhưng với phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ gần giống môi trường và thời gian sấy kéo dài hơn 10 giờ có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn, làm giảm chất lượng sản phẩm Để khắc phục tình trạng này, ngoài việc xử lý rau củ trước khi chế biến, việc khử khuẩn trong buồng sấy cũng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và thời gian bảo quản của sản phẩm sau khi sấy.
Như vậy, hệ thống sấy và khử khuẩn thanh long có thể được mô tả chi tiết như Hình 1-6:
Hệ thống sấy lạnh tích hợp công nghệ bơm nhiệt cho phép tách ẩm hiệu quả, giảm áp suất hơi nước và tăng tốc độ bay hơi ẩm ngay cả ở nhiệt độ thấp Phương pháp này rất phù hợp cho nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt độ Bằng cách tái sử dụng năng lượng thải ra từ chu trình lạnh, tác nhân sấy được gia nhiệt trở lại, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường Nhiệt độ trong buồng sấy được cài đặt tiêu chuẩn ở 45°C, trong khi dải nhiệt của các hệ sấy lạnh thông thường dao động từ 15-30°C, giúp tiệt trùng hiệu quả cho thanh long.
Hệ sấy lạnh đề xuất có khả năng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 45 độ C, thấp hơn so với phương pháp sấy nóng thông thường (60-70 độ C), giúp tiết kiệm năng lượng Đồng thời, hệ thống này vẫn đảm bảo khả năng tiệt trùng nhờ vào việc kết hợp ứng dụng vi sóng khử khuẩn, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sấy.
Hệ thống sấy kết hợp vi sóng giúp khử khuẩn cho thanh long trong quá trình sấy, nâng cao hiệu quả của công nghệ sấy lạnh Vi sóng không chỉ diệt khuẩn mà còn tác động vào các phần tử nước, thúc đẩy quá trình thoát hơi nước từ bên trong nguyên liệu Nhờ vào việc gia nhiệt nhanh, hàm ẩm trong nguyên liệu được làm nóng và bay hơi ra ngoài bề mặt, từ đó tăng tốc độ sấy so với phương pháp gia nhiệt truyền dẫn.
Qua nghiên cứu các hệ thống sấy nóng và sấy lạnh hiện nay, chúng tôi đã xác định được nguyên lý vận hành và các thông số kỹ thuật cụ thể của từng hệ thống.
Hình 1-6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt và khử khuẩn
Hệ thống sấy bơm nhiệt bao gồm buồng sấy, dàn lạnh để tách hơi nước và dàn nóng để làm nóng không khí vào buồng sấy Để kiểm soát lưu lượng gió, nhiệt độ và độ ẩm không khí trong buồng sấy, hệ thống được trang bị các đầu đo nhiệt độ và độ ẩm đặt ở nhiều vị trí khác nhau Dữ liệu từ các cảm biến sẽ được gửi về bộ điều khiển trung tâm để tính toán và xử lý, từ đó xuất các lệnh điều khiển thích hợp.
Hệ thống điều khiển hoạt động của máy nén khí, quạt và các van đóng mở, đồng thời tích hợp công nghệ khử khuẩn không khí và bề mặt vật liệu sấy Điều này giúp đảm bảo sản phẩm sau khi sấy không bị vi khuẩn gây hỏng, nâng cao chất lượng sản phẩm.
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Các phương pháp điều khiển thường dùng trong hệ thống nhiệt
Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, việc đo và kiểm soát nhiệt độ là quá trình thiết yếu, đặc biệt trong sản xuất và công nghiệp Nhiệt độ trong công nghiệp liên quan chặt chẽ đến quy trình công nghệ, và việc kiểm soát tốt nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm trong các ngành như thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ và chế tạo động cơ đốt trong.
Các phương pháp điều khiển nhiệt trong hệ thống sấy phụ thuộc vào nguyên lý nhiệt lạnh và mục đích sử dụng Điều này đòi hỏi phải đảm bảo tính ổn định và chính xác của nhiệt độ để giải quyết các vấn đề phát sinh.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể chia làm 2 loại:
Hệ thống điều khiển hồi tiếp là một cơ chế quan trọng giúp xác định và giám sát kết quả của quá trình điều khiển Nó thực hiện việc so sánh kết quả này với các yêu cầu thực thi, từ đó tự động điều chỉnh để đảm bảo đạt được độ chính xác cao.
- Hệ thống điều khiển tuần tự: Được thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự
Để đảm bảo độ chính xác cho hệ thống, việc thực hiện hồi tiếp tín hiệu so sánh giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra là rất cần thiết, sau đó gửi đến bộ điều khiển để điều chỉnh đầu ra Trong hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ của buồng sấy trong quy trình sấy lạnh, việc sử dụng điều khiển hồi tiếp trở nên phổ biến hơn.
Các phương pháp điều khiển nhiệt hồi tiếp đều tuân theo nguyên tắc chung, bao gồm một hệ thống hồi tiếp thông qua cảm biến để đo lường và so sánh với giá trị đặt Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo sẽ được gửi đến bộ điều khiển, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển công suất cho bộ phận gia nhiệt Do đó, sự khác biệt giữa các phương pháp điều khiển chủ yếu xuất phát từ các loại bộ điều khiển khác nhau.
Nhiệt độ đặt Bộ điều khiển
Bộ phận gia nhiệt (mạch công suất)
2.1.1 Điều khiển PID kinh điển
PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp
Bộ điều khiển PID là thiết bị phổ biến trong các hệ thống điều khiển vòng kín, hoạt động dựa trên tín hiệu phản hồi Nó tính toán sai số bằng cách so sánh giá trị đo thực tế với giá trị đặt mong muốn, từ đó điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào để giảm thiểu sai số Để đạt hiệu quả tối ưu, các thông số PID cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính của từng hệ thống, mặc dù kiểu điều khiển vẫn giống nhau.
Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
2.1.1.1 Điều khiển khâu tỉ lệ P Đây là hình thức điều khiển bằng cách cung cấp năng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa nhiệt độ thực tế của đối tượng và nhiệt độ đặt, với K P được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển
Hình 2.2 Bộ điều khiển bằng khâu tỉ lệ P
0,3s+1, hệ số K P thay đổi với các giá trị 1, 2, 5, 10
Hệ số khuếch đại K P lớn giúp giảm sai số xác lập, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ dao động của hệ thống và độ chênh lệch.
Khi hệ số khuếch đại K P vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ trở nên mất ổn định Điều này cho thấy rằng không thể đạt được sai số bằng 0 trong hệ thống, và việc tăng hệ số khuếch đại lên vô hạn là không khả thi.
2.1.1.2 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD)
Việc thêm khâu vi phân cho tín hiệu sai số có thể giảm thiểu vấn đề về tính ổn định và hiện tượng quá tầm trong điều khiển với độ khuếch đại lớn.
Hình 2.3 Bộ điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD
0,3s+1, hệ số K P =1, K D = K P T D thay đổi với các giá trị T D 0.1, 0.25, 1, 2
Kỹ thuật điều khiển PD giúp điều chỉnh khả năng đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ đặt, giảm thiểu độ giảm vọt lố và làm cho đáp ứng ra c(t) trở nên mượt mà hơn, như thể hiện trong hình 2.2.
Ta thấy T D càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian sẽ càng ngắn
Tuy nhiên thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không có dao động [11]
2.1.1.3 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI)
Vấn đề sai số xác lập có thể được khắc phục hiệu quả thông qua việc áp dụng hiệu chỉnh PI Hiệu chỉnh PI giúp làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ lọt vố và giảm thiểu sai số xác lập Do hệ số khuếch đại của khâu PI là vô cùng tại tần số bằng 0, khâu hiệu chỉnh này sẽ làm cho sai số đối với tín hiệu vào trở thành hàm nấc của hệ thống, trong khi không có khâu tích phân lý tưởng bằng 0, dẫn đến hệ vô sai bậc 1.
19 một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụng triệt nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống
Hình 2.4 Bộ điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ PI
= T thay đổi với các giá trị T i = 2,
Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập với tín hiệu là hàm nấc bằng
0 Tuy nhiêu nó lại làm cho hệ thống kém ổn định do thời gian xác lập [11]
2.1.1.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID)
Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:
Bộ điều khiển PID nổi bật với độ chính xác cao và khả năng triệt tiêu sai số xác lập, giúp tăng cường đáp ứng điều độ và giảm độ lọt vố khi các tham số được lựa chọn phù hợp Tuy nhiên, nhược điểm của nó là thuật toán điều khiển phức tạp, chỉ phù hợp với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao và khoảng thay đổi nhiệt cho phép nhỏ, đồng thời gặp khó khăn trong việc áp dụng cho hệ thống không đồng nhất với một thiết bị gia nhiệt chấp hành.
Phương pháp điều khiển ON-OFF, hay còn gọi là phương pháp đóng ngắt với khâu Relay có trễ, hoạt động bằng cách cung cấp năng lượng tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện (như lò nhiệt) khi nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k) Ngược lại, khi nhiệt độ đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k), mạch điều khiển sẽ ngắt điện, không cung cấp năng lượng cho lò nữa.
Hình 2.5 Mô hình điều khiển ON-OFF
Một vùng trễ được áp dụng để kiểm soát tần số đóng ngắt, với nguồn chỉ hoạt động khi sai số e(k) lớn hơn Δ và ngắt khi e(k) nhỏ hơn -Δ Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k), và 2 được gọi là vùng trễ của relay Điều khiển ON-OFF mang lại nhiều ưu điểm trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống.
- Thiết bị tin cậy đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải
- Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng
Các bộ điều khiển thường được sử dụng trong hệ thống sấy
2.2.1 Vi điều khiển dòng PIC (PIC16F877)
Pic16F877A là một vi điều khiển 8 bit do hãng Microchip sản xuất, thuộc họ Pic Chip này dựa trên kiến trúc RISC, sở hữu bộ nhớ chương trình 8KB ISP flash có khả năng ghi xóa hàng nghìn lần, cùng với 256B EEPROM và 368B SRAM, mang lại một dung lượng RAM lớn cho các ứng dụng vi xử lý 8 bit.
Với 33 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 11 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 2 kênh điều chế độ rộng xung (PWM) [9]
PIC16F877A thường được dùng thiết kế các máy sấy quy mô nhỏ cho hộ gia đình hoặc trong phòng thí nghiệm
2.2.2 Vi điều khiển AVR (ATMEGA 8535)
ATmega8535 là vi điều khiển CMOS 8bit công suất thấp dựa trên kiến trúc RISC AVR, cho phép thực hiện các phép toán trong một chu kỳ xung nhịp đơn với khả năng đạt một triệu phép tính mỗi giây ở tần số 1MHz Vi điều khiển này bao gồm 512 Byte EEPROM với khả năng viết/xoá lên đến 100.000 lần, 512 Byte SRAM nội, hai bộ định thời 8bit và 16bit với chế độ chọn tần số riêng, 4 kênh PWM, 8 kênh ADC 10 bit, giao diện BUS hai dây USART, giao diện SPI, bộ so sánh tương tự trên chip, và bộ định thời watchdog có thể lập trình với mạch dao động tích hợp.
Việc lập trình vi điều khiển Atmega8535 bằng ngôn ngữ C mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các dòng vi điều khiển PIC sử dụng ngôn ngữ Basic, đặc biệt là về khả năng xử lý tín hiệu nhanh hơn.
Vi điều khiển 8051 không yêu cầu lắp thêm bộ biến đổi A/D, trong khi Atmega8535 thường được sử dụng trong các lò sấy nông sản quy mô vừa và nhỏ Tuy nhiên, cả hai dòng vi điều khiển này gặp nhiều nhược điểm khi áp dụng trong các hệ thống sấy lớn, với yêu cầu về độ nhiễu thấp và khả năng điều khiển trực quan Chúng không được thiết kế để hoạt động như thiết bị độc lập như PLC, mà thường được nhúng vào hệ thống, dẫn đến độ cứng cáp kém hơn Do đó, vi điều khiển có thể gặp lỗi trong một số tình huống nhất định, vì các chip này rất dễ vỡ và dễ bị hỏng.
PLC được phát triển nhằm thay thế các hệ thống điều khiển cũ, vốn phụ thuộc vào nhiều relay, tiếp điểm và nút nhấn để thực hiện các nhiệm vụ Với khả năng sử dụng tiếp điểm ảo, PLC cho phép người thiết kế dễ dàng thay đổi, lập trình và điều chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong thực tế.
Hình 2-7 Cấu trúc cơ bản của một bộ PLC
Ứng dụng của PLC hiện nay rất phổ biến trong công nghiệp và đời sống hàng ngày Các thiết bị nhỏ như máy đóng gói và băng tải có thể sử dụng các dòng PLC kinh tế với thiết kế nhỏ gọn, giá cả cạnh tranh và đầy đủ tính năng cho nhiều ứng dụng cơ bản Đối với các hệ thống lớn và phức tạp như dây chuyền xử lý nước thải hay nhà máy xi măng, có các dòng PLC thiết kế dạng module, cho phép tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng với nhiều loại module khác nhau Việc lựa chọn CPU chính và tính toán số lượng in/out, module analog, cũng như truyền thông là cần thiết để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của dự án.
PLC được thiết kế đặc biệt cho môi trường công nghiệp, có khả năng chịu đựng điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, nhiễu điện và rung động mạnh Là một hệ thống hoạt động theo thời gian thực, PLC nhanh chóng tạo ra kết quả đầu ra sau khi nhận đầu vào, điều này rất quan trọng trong quy trình sản xuất Tuy nhiên, giá thành của PLC thường cao hơn so với vi điều khiển, điều này cần được cân nhắc khi lựa chọn giải pháp tự động hóa.
Trong các hệ thống sấy hiện nay, một số dòng PLC hay được sử dụng như Siemens, Mitsubishi, Omron, …
Kết luận
Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị điều khiển cho hệ thống là rất quan trọng, ảnh hưởng đến tính khoa học và sự hợp lý trong giải quyết vấn đề Cần đảm bảo rằng lựa chọn này phù hợp với quy mô của hệ thống và hiệu quả kinh tế Không nhất thiết phải chọn những thiết bị hiện đại và phức tạp; ưu tiên hàng đầu là các giải pháp tối ưu cho người thiết kế và người vận hành Chương tiếp theo sẽ tập trung vào việc lựa chọn và thiết kế chi tiết cho hệ thống.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế tổng thể hệ thống
Sấy bơm nhiệt là quá trình quan trọng để làm khô không khí trước khi cấp nhiệt vào buồng sấy Hệ thống bơm nhiệt bao gồm các bộ phận chính như dàn nóng, dàn lạnh, máy nén, van tiết lưu và bộ điều khiển Quá trình luân chuyển không khí trong máy sấy bơm nhiệt diễn ra như sau: khí sấy sau khi đi qua buồng sấy sẽ giảm nhiệt và mang theo hơi nước từ sản phẩm, sau đó được đưa tới dàn lạnh để ngưng tụ hơi nước, làm khô không khí Tiếp theo, không khí khô sẽ đi qua dàn nóng để được làm nóng đến nhiệt độ cần thiết trước khi quay lại buồng sấy để sấy khô sản phẩm Chu trình này diễn ra liên tục cho đến khi sản phẩm đạt độ khô yêu cầu, lúc này máy sẽ dừng hoạt động.
Hệ thống sấy lạnh được lắp đặt sau khi kết hợp với bên cơ khí và nhiệt lạnh, trong đó không khí được làm lạnh qua van giảm áp và di chuyển ngược lên dàn nóng qua ống dẫn Tại cửa ra, dàn nóng và buồng sấy được trang bị quạt đối lưu để tăng cường lưu thông không khí Đặc biệt, dàn nóng còn có một bộ heater để bổ sung nhiệt khi buồng sấy thiếu nhiệt, trong khi quạt tuần hoàn được sử dụng để xả nhiệt khi buồng sấy quá nhiệt.
Hình 3.1 Hệ thống dàn nóng-lạnh sấy thanh long dẻo
Mô hình tổng quan của hệ thống được mô tả như chu trình dưới đây
3.1.2 Lựa chọn thiết bị điều khiển
Dựa trên những ưu nhược điểm của các thiết bị điều khiển đã phân tích, cùng với mục tiêu thiết kế hệ thống sấy lạnh thanh long dẻo cho mô hình gia đình và xưởng sản xuất nhỏ, người thiết kế đã quyết định sử dụng thiết bị điều khiển PLC Quyết định này không chỉ đáp ứng yêu cầu của bài toán mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng thương mại hóa sản phẩm trong tương lai.
• Yêu cầu chung về PLC
Cần có bộ nhớ trung gian đủ lớn để lưu trữ thông tin về sự thay đổi trạng thái, đảm bảo hoạt động liên tục ngay cả khi mất kết nối với trung tâm điều độ trong một khoảng thời gian tối thiểu.
Bộ nhớ cơ sở dữ liệu của PLC cần duy trì thông tin tối thiểu trong 30 ngày khi không có nguồn điện Nếu mất điện trong thời gian này, các thông tin sẽ được truyền lại sau khi kết nối được phục hồi.
Trong vòng 30 ngày, PLC cần được khởi động lại mà không yêu cầu nạp lại cơ sở dữ liệu Tất cả các thay đổi trạng thái phải được ghi lại kèm theo nhãn thời gian đầy đủ, bao gồm năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây và mili giây, nhằm đảm bảo phản ánh chính xác thời gian xảy ra các thay đổi này.
Mức độ dự phòng cho tín hiệu vào/ra cần đạt ít nhất 20% cho mỗi loại tín hiệu Điều này bao gồm việc sử dụng nhiều khối hoạt động độc lập, mỗi khối được trang bị CPU riêng biệt, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy tối ưu.
• Độ phân giải ADC tối thiểu 11 bit và có 1 bit dấu
• Phù hợp với môi trường, khí hậu nơi lắp đặt
• Nguồn điện cấp cho PLC phải đảm bảo ngay cả khi mất điện tự dùng của nhà máy
• Đồng bộ thời gian với máy tính chủ tại trung tâm theo giao thức truyền tin
PLC cần có tính năng điều khiển từ xa, giám sát và chẩn đoán sự cố, cùng với khả năng nạp cơ sở dữ liệu Đối với PLC tập trung, yêu cầu lắp đặt tủ giao diện SIC để kết nối các thiết bị thu thập dữ liệu Dung lượng tủ giao diện phụ thuộc vào quy mô hệ thống, trong khi PLC phân tán không cần lắp đặt tại tủ SIC Mỗi khu vực cần có hàng kẹp giao diện với thiết bị điện và được gán nhãn tương ứng Phần cứng và phần mềm của PLC được thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế, cho phép mở rộng đến dung lượng tối đa Tất cả các sự kiện xảy ra tại PLC sẽ được ghi lại với thời gian cụ thể và gửi về trung tâm, đồng thời thời gian của PLC tại hiện trường phải được đồng bộ với thời gian ở phòng điều khiển trung tâm.
Trên thị trường hiện nay có nhiều hãng PLC với những ưu nhược điểm khác nhau, nổi trội hơn cả 2 dòng Siemens và Mitsubishi, tiếp cận thị trường
Việt Nam đã sớm phát triển và trang bị đầy đủ các công cụ hỗ trợ cho ngành công nghiệp Đặc biệt, các dòng PLC Mitsubishi nổi bật với khả năng điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động hiệu quả.
PLC Mitsubishi có nhiều câu lệnh phong phú, đặc biệt là cho điều khiển vị trí và bộ đếm tốc độ cao, trong khi PLC Siemens nổi bật trong điều khiển quá trình và truyền thông Các module Analog của Siemens không chỉ có giá thành rẻ mà còn dễ sử dụng, chỉ cần cắm vào PLC và cấu hình đơn giản để đọc/ghi Việc thực hiện truyền thông với PLC Siemens cũng thuận tiện nhờ các khối hàm chức năng chuyên dụng Đối với hệ thống sấy thanh long dẻo sử dụng công nghệ sấy lạnh, PLC Siemens tỏ ra ưu việt hơn khi có khả năng đọc nhiều tín hiệu cảm biến từ buồng sấy và các dàn nhiệt, đồng thời việc mở rộng hệ thống cũng dễ dàng và hiệu quả về kinh tế.
3.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ fuzzy
Hệ thống sấy hoạt động với nhiệt độ "set point" 45 oC, được điều chỉnh qua van tiết lưu và tự động điều khiển quạt tuần hoàn cùng heater Khi có biến đổi nhiệt độ trong buồng sấy, hệ thống sử dụng công nghệ điều khiển mờ fuzzy để điều chỉnh một cách khoa học và thông minh.
Thuật toán PI, PD, PID kinh điển có nhiều ưu điểm và thường được sử dụng trong các bộ điều khiển hệ thống sấy Tuy nhiên, trong hệ thống sấy thanh long dẻo, chu trình sấy kéo dài khoảng 12 tiếng, và quá trình thoát hơi ẩm của quả thanh long diễn ra chậm sau 2 tiếng đầu Do đó, không cần thiết phải sử dụng hệ thống điều khiển quá phức tạp và chính xác tuyệt đối với "set point" Với sự thay đổi nhiệt độ buồng mà không có phương trình toán cụ thể, bộ điều khiển mờ Mamdani là lựa chọn phù hợp cho hệ thống này.
3.1.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn
Trong kỹ thuật, thiết kế bộ điều khiển mờ với đặc tính vào-ra cho trước là một nhiệm vụ quan trọng Ví dụ, xét đường đồ thị y(x) liên tục với 6 điểm gãy khúc trong khoảng x1 ≤ x ≤ x6 Nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển mờ SISO yêu cầu xác định hệ mờ bao gồm khâu mờ hóa biến ngôn ngữ đầu vào A trên nền x ∈ X, biến ngôn ngữ đầu ra B trên nền y ∈ Y, khâu luật điều khiển, luật hợp thành và khâu giải mờ, nhằm đảm bảo quan hệ truyền đạt x và y tương ứng với đường gãy khúc y(x) đã cho.
Hình 3.2 Quan hệ truyền đạt x -y
Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển này tương tự như thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ với hàm truyền đạt y(x) tùy ý Để đảm bảo các đoạn đặc tính thẳng và liên tục tại các nút, cần tuân thủ một số nguyên tắc nhất định.
Thiết kế khâu mờ hóa bao gồm một biến ngôn ngữ đầu vào A trên nền x ∈ X và một biến ngôn ngữ đầu ra B trên nền y ∈ Y Trong đó, ta định nghĩa 6 giá trị mờ A_i (i=1,2,3,4,5,6) dưới dạng hình tam giác, với đáy là khoảng kín [x_i - 1, x_i + 1] và đỉnh tại x_i Hai đầu mút được xác định là x_0 = x_1 và x_7 = x_6, tương tự như 6 tập mờ B_i (i=1,2,3,4,5,6).
3.1.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống sấy thanh long dẻo
Vùng an toàn “set point” vào khoảng 43 – 47 0 C, nếu nhiệt độ thấp hơn
Lựa chọn và lắp đặt thiết bị vi sóng
3.2.1 Phương pháp và công nghệ vi sóng
3.2.1.1 Giới thiệu công nghệ sấy vi sóng
Thực phẩm và nông sản sau chế biến thường bị ảnh hưởng bởi các tác nhân gây bệnh như nấm, vi khuẩn, virus và bào tử có sẵn trong sản phẩm, bao bì hoặc không khí Những tác nhân này không chỉ làm hỏng sản phẩm trước khi đến tay người tiêu dùng mà còn có thể gây ra độc tố và bệnh tật.
Nhỏ Khá nhỏ Vừa Khá lớn Lớn
1 Nhỏ Khá nhỏ Lớn Khá lớn Lớn
Các sản phẩm nông sản và thực phẩm cần được bảo quản và tiệt trùng đúng cách để đảm bảo chất lượng Điều này tạo ra thách thức lớn cho ngành bảo quản sau thu hoạch và chế biến.
Trước đây, người dân và doanh nghiệp nhỏ thường sử dụng các phương pháp sấy nhiệt truyền thống như phơi nắng và sấy lò hơi để bảo quản và chế biến nông sản, nhưng những phương pháp này tốn thời gian và khó giữ lại chất dinh dưỡng Công nghệ sấy vi sóng mang đến giải pháp mới, giúp tiết kiệm điện năng và giữ nguyên màu sắc, dinh dưỡng của thực phẩm Vi sóng, một dạng bức xạ điện từ không ion hóa với tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, cho phép làm khô sản phẩm nhanh chóng và hiệu quả Lò vi sóng dân dụng thường sử dụng tần số 2,45 GHz, trong khi lò vi sóng công nghiệp sử dụng tần số 915 MHz, giúp tăng khả năng thâm nhập và hiệu quả trong chế biến thực phẩm.
Vi sóng truyền qua thực phẩm tạo ra nhiệt nhờ vào quá trình gia nhiệt điện môi, trong đó nước, chất béo và các thành phần khác hấp thụ năng lượng Năng lượng vi sóng tác động đến các phân tử thông qua ma sát, khi lưỡng cực điện của chúng quay theo dao động của trường điện từ Cơ chế chính của gia nhiệt bằng vi sóng là sự quay của lưỡng cực điện và phân cực ion, trong khi cơ chế dẫn cũng đóng vai trò phụ, khi các ion trong dung dịch di chuyển và va chạm, chuyển hóa năng lượng động học thành nhiệt.
Để gia nhiệt bằng vi sóng hiệu quả, cần sử dụng các vật liệu có độ phân cực lớn, trong đó nước là thành phần chính với cấu trúc lưỡng cực điện Các phân tử nước có điện tích dương và âm ở hai đầu, cho phép chúng quay theo chiều của điện trường ngoài Khi điện trường xoay chiều, các phân tử nước va chạm lẫn nhau, chuyển hóa năng lượng phân tán thành năng lượng nhiệt Ở tần số siêu cao, sự đảo chiều liên tục của các phân tử nước tạo ra hiệu quả gia nhiệt nhanh chóng.
3.2.1.2 Ứng dụng của sấy vi sóng Ứng dụng của vi sóng để gia nhiệt thực phẩm ra đời cách đây hơn 70 năm, được bắt đầu như là một sản phẩm của công nghệ radar phát triển trong Thế chiến II Sau đó, Percy Spencer được coi là người phát minh ra lò vi sóng hiện đại từ công nghệ radar phát triển trong chiến tranh Sản phẩm được đặt tên là "Radarange" và được bán lần đầu tiên vào năm 1946 Một lò vi sóng gia đình do Tappan chế tạo vào năm 1955 được cấp bằng sáng chế Tuy nhiên kích thước lớn và giá thành cao nên việc triển khai rộng sản phẩm này trên thị trường bị hạn chế Mãi đến 1967, lò vi sóng Countertop của Tổng công ty Amana mới bắt đầu được sử dụng trong các hộ gia đình Việc phát triển kỹ thuật vi sóng để tiệt trùng thực phẩm đòi hỏi đẩy mạnh các nghiên cứu sau:
✓ Nghiên cứu khoa học và công nghệ nhằm cung cấp mô hình trường điện từ ổn định, phân bố đều với hiệu quả năng lượng cao
✓ Đáp ứng các chỉ tiêu, bao gồm:
- Tính ổn định của hệ thống và quy trình
- Cơ sở khoa học/ phương tiện để phát triển quá trình xử lý
- Đáp ứng an toàn trong chế biến thực phẩm
(Các chỉ tiêu này được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ FDA (USA Food & Drug Administration) phê duyệt)
✓ Đảm bảo thực phẩm chất lượng cao
✓ Đem lại hiệu quả kinh tế [8]
Vi sóng có khả năng gia nhiệt nhanh chóng và hiệu quả, đặc biệt đối với thực phẩm có độ ẩm cao hoặc chứa nước Công nghệ này đã được áp dụng thành công trong việc làm nóng, sấy khô và tiệt trùng nhiều loại thực phẩm khác nhau.
Hệ thống sấy và tiệt trùng bằng vi sóng sử dụng công nghệ phát vi sóng để dẫn sóng đến thực phẩm, từ đó gia nhiệt bên trong thực phẩm nhằm tiệt trùng hiệu quả.
Sấy và tiệt trùng bằng vi sóng cũng tương tự như nhiều phương pháp sử dụng nhiệt khác, bao gồm:
Phương pháp sử dụng nhiệt độ cao để tiêu diệt vi sinh vật thông qua việc biến tính các phân tử trong tế bào là một kỹ thuật hiệu quả Các thiết bị phổ biến như autoclave, nồi đun sôi và buồng khí nóng được sử dụng để thực hiện quá trình hấp khử trùng Để đạt hiệu quả diệt khuẩn, cần duy trì nhiệt độ và thời gian phù hợp cho từng loại vi sinh vật Việc đun sôi chất lỏng ở nhiệt độ 100°C trong 30 phút có thể tiêu diệt hầu hết các tế bào vi sinh vật, ngoại trừ một số loài ở dạng bào tử Sử dụng hơi nước bão hoà dưới áp suất cao, như trong nồi áp suất đạt 121°C, có khả năng tiêu diệt cả những nội bào tử kháng nhiệt.
Phương pháp thanh trùng Pasteur, sử dụng nhiệt độ vừa phải, là một kỹ thuật phổ biến để kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật Thay vì tiêu diệt hoàn toàn tất cả các tế bào vi sinh vật, phương pháp này giúp làm chậm quá trình sinh trưởng của chúng, từ đó bảo quản thực phẩm hiệu quả hơn.
Quá trình thanh trùng sữa thường diễn ra ở nhiệt độ khoảng 71°C trong 15 giây, giúp tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh như vi khuẩn lao, Brucellosis, sốt Q và sốt thương hàn Mặc dù phương pháp này đơn giản và hiệu quả, nhưng khi áp dụng cho thiết bị lớn, thời gian trao đổi nhiệt kéo dài có thể làm giảm hiệu quả của quá trình tiệt trùng.
Hệ thống sấy thanh long dẻo áp dụng công nghệ sấy lạnh kết hợp với vi sóng, sử dụng phương pháp vi sóng ở nhiệt độ cao, mang lại hiệu quả tối ưu trong việc so sánh với các phương pháp sấy khác.
3.2.2 Lựa chọn thiết bị vi sóng sấy thanh long dẻo
3.2.2.1 Lựa chọn vật liệu cho phần cơ khí hệ thống
Các kim loại dẫn điện tốt thường được sử dụng trong gia công cơ khí hệ thống vi sóng bao gồm sắt, thép và inox, vì chúng là những vật liệu phổ biến và có giá thành hợp lý.
Bảng 3.1 Độ dẫn điện của một số kim loại
Than chỡ (parallel zu Schichten) 3ã10 6
Buồng phản ứng và bộ chống rò rỉ được làm bằng thép dày 4 ly, sơn tĩnh điện để chống rỉ và tạo hình mỹ thuật công nghiệp
3.2.2.2 Thiết kế cơ khí cho hệ thống
Theo thực nghiệm, một quả thanh long đã bóc vỏ có khối lượng trung bình 400g, thái lát mỏng hình tròn chiều dày 5 mm, ta thu được trung bình 20
Một quả thanh long có 34 lát, với khối lượng riêng đạt 1140 kg/m³ Nếu sử dụng khay sấy hình tròn có đường kính 800 mm, khối lượng trung bình của một khay sấy sẽ là 2,3 kg.
50 kg thanh long/mẻ thì số khay sấy cần là: 22 khay
Thể tích buồng sấy được xác định bởi ba kích thước cơ bản: chiều dài (L), chiều rộng (B) và chiều cao (H) Chiều dài L cần được tính toán dựa trên thời gian và năng suất sấy, với yêu cầu duy trì chế độ sấy đồng đều Chiều dài L càng lớn thì khả năng duy trì sự đồng đều trong quá trình sấy càng giảm, nhưng lại giúp tận dụng hiệu quả nhiệt từ tác nhân sấy Việc bố trí khay sấy cũng cần được cân nhắc kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu suất.
1 khung xe, chứa 22 khay, khoảng cách giữa các khay là 0,7m Từ đó, ta xác định được kích thước buồng sấy: LxBxH=2,5x1,3x2,5m
Thiết kế phần cứng cho hệ thống điều khiển
Thiết kế phần cứng là một yếu tố quan trọng không thể thiếu, đảm bảo hệ thống đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về lập trình và điều khiển Nó cần dễ dàng thao tác, vận hành và sửa chữa, đồng thời phù hợp với bài toán kinh tế và có khả năng mở rộng quy mô sản xuất một cách linh hoạt.
3.3.1.1 Yêu cầu chung một hệ thống điều khiển giám sát
Mô hình tổng quan của một hệ thống điều khiển giám sát:
Mô hình tổng quan của hệ thống điều khiển giám sát cho thấy cấu trúc điều khiển phân tán, trong đó thiết bị được phân bố gần với quá trình kỹ thuật và sử dụng mạng truyền thông công nghiệp để kết nối thông tin Ở các cấp thấp, các chức năng cơ bản yêu cầu độ nhạy và thời gian phản ứng cao Trong khi đó, ở các cấp cao hơn, các chức năng dựa trên các cấp dưới, mặc dù không yêu cầu thời gian phản ứng nhanh, nhưng đòi hỏi khả năng trao đổi và xử lý thông tin cao hơn.
Cấp chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Hầu hết các thiết bị cảm biến và chấp hành đều được trang bị hệ thống điều khiển riêng để đảm bảo quá trình đo lường và truyền động diễn ra chính xác và nhanh nhạy Ngoài ra, các thiết bị thông minh với bộ vi xử lý có khả năng xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi gửi lên cấp điều khiển cao hơn.
Cấp điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý thông tin từ các bộ cảm biến theo thuật toán nhất định, sau đó truyền đạt kết quả đến các bộ chấp hành Máy tính thực hiện các thao tác như mở/đóng van và điều chỉnh các thiết bị như cần gạt, núm xoay, đồng thời theo dõi các công cụ đo lường Điểm nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin, và thường được gọi chung với cấp chấp hành là cấp trường (Field level), vì các thiết bị này được lắp đặt trực tiếp tại hiện trường gần hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát có vai trò quan trọng trong việc giám sát và vận hành các quá trình kỹ thuật, hỗ trợ người dùng trong việc cài đặt ứng dụng và theo dõi hoạt động Cấp này cũng xử lý các tình huống bất thường và thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Đặc biệt, việc thực hiện các chức năng này không yêu cầu thiết bị phần cứng đặc biệt, chỉ cần sử dụng máy tính thông thường.
Đề tài tập trung vào việc xây dựng một hệ thống điều khiển sấy, trong đó việc giám sát và điều khiển sẽ được thực hiện qua màn hình HMI Khi cần mở rộng hoặc nâng cấp, hệ thống sẽ được triển khai với SCADA để giám sát, và tiến xa hơn nữa là tích hợp hệ thống DCS.
3.3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
- Công tắc hành trình Biến tần Thiết bị đóng cắt Động cơ quay buồng sấy Quạt tuần hoàn
- Đóng cắt máy nén khí
Cấp điều khiển giám sát
Thiết bị điều khiển tự động
Cảm biến và chấp hành Động cơ thiết bị
Hình 3.8 Sơ đồ khối các cấp điều khiển vận hành
3.3.2 Lựa chọn thiết bị điều khiển
Sau khi tham khảo một số hãng và một số dòng PLC, hệ thống sử dụng CPU 1214 AC/DC/Relay do Siemens phát triển
Hình 3.9 CPU S7-1214 AC/DC/Relay
So sánh với các dòng sản phẩm PLC khác của Siemens có những ưu thế như sau:
• Các dòng S7 200, dòng PLC đời đầu, các giao thức truyền thông cũ và không được hỗ trợ từ nhà sản xuất nữa
Các dòng PLC S7 300, S7 400 và S7 1500 là các sản phẩm cỡ trung và nâng cấp, lý tưởng cho các ứng dụng vừa và lớn, thường được áp dụng trong dây chuyền và hệ thống phức tạp Tuy nhiên, giá thành của các dòng PLC này cao hơn đáng kể so với S7 1200.
PLC S7-1200 là dòng PLC nhỏ, thay thế cho S7-200, chuyên dùng cho máy móc và dây chuyền nhỏ Với đầy đủ chức năng như truyền thông, analog, HSC, và PWM/PTO, S7-1200 nổi bật nhờ lập trình đơn giản và chi phí hợp lý Chính vì vậy, dòng PLC này rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Hình 3.10 Cấu trúc, sơ đồ chân S7-1200 AC/DC/Relay
• Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối
Simatic S7-1200 và Simatic HMI Basic được lập trình trên nền tảng TIA Portal V10.5 (bao gồm Simatic Step 7 Basic và WinCC Basic) hoặc phiên bản cao hơn Với phương pháp lập trình kéo-thả, người dùng có thể dễ dàng thực hiện các thao tác lập trình một cách nhanh chóng, đơn giản và chính xác, đồng thời đảm bảo sự kết nối truyền thông thông qua các tags.
Việc tích hợp sẵn các đầu vào ra và board tín hiệu giúp tiết kiệm chi phí, không gian và phần cứng khi mở rộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra hạn chế.
• Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị
• Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware
• Chẩn đoán lỗi online/offline
• Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực
Riêng từ dòng S7-1214C có những tính năng nổi bật:
• Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường
• Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo
• Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ, valve, nhiệt độ
• Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều khiển (Autotuning)
3.3.3 Lựa chọn thiết bị cấp trường
Các thiết bị cảm biến cần có dải đo phù hợp với các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng chất lỏng và lưu lượng chất khí Đầu ra của cảm biến cũng phải tương thích với chuẩn kết nối của các module trong bộ điều khiển, chẳng hạn như chuẩn 4-20mA.
Nếu đầu ra của cảm biến không phải là tín hiệu chuẩn như 4-20 mA hoặc 0-10 V, cần lắp đặt các bộ Tranducer để chuyển đổi tín hiệu Độ chính xác của Tranducer phải dưới 0,2% Đối với thiết bị điều khiển như động cơ, cần chọn các module đầu ra rơle đảm bảo cách ly điện áp để thực hiện việc đóng cắt một cách an toàn.
3.3.3.3 Các loại cảm biến sử dụng
Cảm biến can nhiệt Omron E52MY-PT được sử dụng để đo nhiệt độ tại dàn lạnh, dàn nóng và đường ống lưu thông khí, với tín hiệu 4-20mA được truyền về module AI của PLC.
Hình 3.11 Cảm biến can nhiệt Omron E52MY-PT
Cảm biến E52MY-PT với những thông số như sau
Bảng 3.4 Thông số của cảm biến E52MY-PT
Loại đầu cảm biến DIN PT100
Vật liệu cách nhiệt Gốm sứ
Vật liệu ống bảo vệ SUS316L
Những ưu điểm phù hợp với hệ thống:
- Gốm là một vật liệu giúp ngăn chặn ngắn mạch và cách điện các dây nối từ vỏ bọc bảo vệ
- SUS316L là chất liệu thép không gỉ, hoạt động phù hợp trong môi trường có độ ẩm cao như trong dàn nhiệt lạnh
Cảm biến loại 3 dây mang lại độ chính xác cao hơn so với cảm biến 2 dây Việc sử dụng cấu hình ba dây giúp giảm thiểu tác động của điện trở chì, từ đó cải thiện hiệu suất đo lường.
Sử dụng phương pháp này, hai cảm biến được đặt trên các cánh tay liền kề, với mỗi cánh tay của cây cầu có một sức đề kháng chì, dẫn đến việc sức đề kháng chì bị hủy bỏ Để đảm bảo độ chính xác, cần sử dụng cáp kết nối chất lượng cao vì giả định rằng hai điện trở chì là như nhau.
Cảm biến nhiệt ẩm sử dụng dòng cảm biến SHT20 giao tiếp RS485 modbus để đo nhiệt độ và độ ẩm trong buồng sấy
Hình 3.12 Cảm biến nhiệt ẩm trong buồng sấy
Cảm biến SHT20 với những thông số như sau
Bảng 3.5 Thông số của cảm biến SHT20 Điện áp làm việc DC4-30V
Nhiệt độ làm việc -20 o C đến +60 o C, độ ẩm 0% -100% RH
Kiểm soát độ chính xác 0,3 o C, 3% RH
Giao thức truyền thông Modbus RS485
Những ưu điểm phù hợp với hệ thống:
- Công suất nhỏ, tiết kiệm năng lượng
- Dải nhiệt từ -20 o C đến +60 o C, rất phù hợp với nhiệt độ trong buồng sấy (set point 45 o C)
- Sai số khá thấp, thuận lợi cho lập trình điều khiển
- Giao thức truyền thông thông dụng, phù hợp với PLC S7 1200, có thể mở rộng và lắp đặt song song nhiều thiết bị cảm biến
Hệ thống sử dụng cảm biến tiệm cận Autonics PRDT18-7DC-V để phát hiện đóng ngắt vi sóng khi giá khay sấy quay đều
Hình 3.13 Cảm biến tiệm cận Autonics PRDT18-7DC-V
Cảm biến PRDT18-7DC-V có những thông số như sau:
Bảng 3.6 Thông số của cảm biến PRDT18-7DC-V
Loại Hình trụ đường kính M18, 2 dây
Khoảng cách phát hiện 7mm Độ trễ 10%
Vật phát hiện Kim loại có từ tính
Những ưu điểm phù hợp với hệ thống
- Phù hợp lắp đặt trong buồng sấy có khung sấy thép
- Khoảng cách phát hiện thích hợp với kích thước và khoảng cách trong buồng sấy, khung sấy cách thành sấy lúc quay nhỏ nhất từ 4 -5 cm
Lập trình phần mềm
3.4.1 Lựa chọn phần mềm lập trình
Phần mềm giám sát điều khiển cho phép tạo giao diện hiển thị các thông số và điều khiển thông qua giao diện này, đồng thời lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu Mỗi máy sẽ được cấp một giấy phép riêng và hỗ trợ tích hợp điều khiển I/O point, hiển thị thông số và lưu trữ dữ liệu Giao diện có thể được thiết kế dưới dạng web navigator Ngoài ra, các phần mềm phụ trợ như kết nối mạng và kết nối giữa PLC và IPC cũng rất quan trọng.
Yêu cầu chung về giao diện HMI:
- Tính đầy đủ kịp thời và chính xác thông tin
- Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ sung thông tin cần thiết
- Tính đơn giản hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa
- Tính "mở", có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức
- Khả năng lưu trữ cao
3.4.2 Giới thiệu phần mềm Tia Portal V15 và WinCC
TIA Portal là phần mềm tích hợp cho lập trình hệ thống tự động hóa và truyền động điện, cho phép thiết kế chương trình tự động hóa hiệu quả trong một giao diện duy nhất Phần mềm này giúp nâng cao năng suất và lợi thế cạnh tranh cho các nhà tích hợp hệ thống và doanh nghiệp sản xuất Phiên bản 14 của TIA Portal mang đến nhiều tính năng mới, hỗ trợ phát triển và tích hợp hệ thống nhanh chóng, đồng thời tương tác với các hệ thống khác thông qua giao diện mở, đáp ứng yêu cầu của Cách mạng Công nghiệp 4.0.
TIA Portal có khả năng tương tác với các hệ thống khác và trao đổi dữ liệu thông qua các giao diện mở, chẳng hạn như phần mềm thiết kế hoạch định Teamcenter Người dùng có thể kết nối với Matlab/Simulink để thực hiện mô phỏng hệ thống một cách hiệu quả.
Điện toán đám mây là một tính năng mới trong TIA Portal Cloud Connector, cho phép người dùng truy cập hệ thống điều khiển nhà máy qua điện toán đám mây cá nhân Ngoài ra, người dùng còn có thể kết nối với MindSphere, giải pháp đám mây cho ngành công nghiệp, để tận dụng các dịch vụ số hóa khác của Siemens.
Giao diện màn hình điều khiển giám sát (HMI) cần phải được thiết kế sao cho trực quan và thuận tiện, giúp người dùng dễ dàng quản lý, giám sát và điều khiển Đặc biệt, tính an toàn và độ tin cậy cao cũng là những yếu tố quan trọng không thể thiếu trong thiết kế này.
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của Siemens, được thiết kế để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quy trình sản xuất Đây là phần mềm tích hợp giao diện người máy IHMI (Integrated Human Machine Interface) đầu tiên, cho phép kết hợp với phần mềm điều khiển trong quá trình tự động hóa WinCC hỗ trợ quản lý các hoạt động, thực hiện quy trình máy móc, hiển thị thông tin và cấu hình giao diện đồ họa người dùng, mang lại hiệu quả cao trong quản lý sản xuất.
Quá trình được quan sát qua màn hình hiển thị đồ họa, với thông tin cập nhật mỗi khi trạng thái thay đổi.
- Cho phép vận hành quá trình
Hệ thống cho phép giám sát liên tục quá trình, tự động gửi cảnh báo khi phát hiện trạng thái nghiêm trọng Nếu giá trị đã được định nghĩa trước vượt quá ngưỡng cho phép, một thông báo sẽ xuất hiện trên màn hình để người dùng kịp thời xử lý.
WinCC cho phép lưu trữ dữ liệu quá trình một cách hiệu quả, với khả năng in ấn hoặc lưu trữ điện tử các giá trị quá trình Tính năng này không chỉ hỗ trợ thu thập thông tin quy trình mà còn đảm bảo truy cập dễ dàng vào dữ liệu lịch sử, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và phân tích quy trình.
Công cụ phổ biến để WinCC thực hiện chức năng:
Nhà thiết kế đồ họa dễ dàng thực hiện các chức năng mô phỏng và hoạt động thông qua các đối tượng đồ họa trong chương trình WinCC, Windows, I/O, cùng với các thuộc tính hoạt động động (Dynamic).
Alarm Logging là chức năng quan trọng giúp hiển thị thông báo và cảnh báo trong quá trình vận hành hệ thống Nó nhận thông tin từ các quá trình, hiển thị và hồi đáp lại, đồng thời lưu trữ chúng để phân tích Nhờ vào Alarm Logging, người dùng có thể phát hiện nguyên nhân của các lỗi xảy ra, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
- Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau từ qúa trình đang thực thi
- Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả Và các thông báo này được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện
- User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị khác
Trong WinCC, các công thức và ứng dụng có thể soạn thảo, lưu trữ và sử dụng trong hệ thống
Phần mềm này hỗ trợ trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều loại PLC từ các hãng khác nhau như Siemens, Mitsubishi, và Allen Bradley, với khả năng giao tiếp đặc biệt tốt với PLC của Siemens.
WinCC nổi bật với tính mở, cho phép người dùng dễ dàng tích hợp với phần mềm chuẩn và phần mềm tùy chỉnh để tạo ra giao diện người – máy chính xác theo nhu cầu thực tế Các nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ dựa trên giao diện mở của WinCC, sử dụng nó như một nền tảng để mở rộng hệ thống.
WinCC còn kết hợp với Visual C++, Visual Basic tạo ra một hệ thống tinh vi và phù hợp cho từng hệ thống tự động hóa chuyên biệt
Hiện nay WinCC đã tích hợp sẵn trong phần mềm TIA Portal, thuận tiện cho người dùng trong quá trình lập trình và sử dụng nó
➢ Ta tiến hành lập bảng các tín hiệu đầu vào đầu ra PLC và trong phần mềm lập trình
Bảng 3.9 Bảng thống kê khai báo địa chỉ các tín hiệu vào ra PLC
Tên Loại dữ liệu Địa chỉ
I BAO LOI QUAT TUAN HOAN Bool %I0.1
I BAO LOI TO MAY 1 Bool %I0.2
I BAO LOI TO MAY 2 Bool %I0.3
I BAO AP THAP CAO TO MAY 1 Bool %I0.4
I BAO AP THAP CAO TO MAY 2 Bool %I0.5
I CHAY QUAT TUAN HOAN Bool %I0.6
I DUNG QUAT TUAN HOAN Bool %I0.7
Q CHAY QUAT TUAN HOAN Bool %Q0.0
Q CHAY DAN NONG NGOAI Bool %Q0.3
➢ Ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ ladder, một trong những ngôn ngữ thông dụng cho lập trình PLC
Các trang lập trình PLC quan trọng
➢ Kết quả lập trình giao diện HMI
Trong giai đoạn 1 của dự án, hệ thống sấy hoạt động hoàn toàn thủ công, với việc đóng cắt hai chu trình và điều khiển động cơ cùng quạt tuần hoàn được thực hiện trực tiếp thông qua biến tần.
Trong giai đoạn 2 của dự án, hệ thống sẽ hoạt động theo cả hai chế độ thủ công và tự động, với việc điều khiển thông qua màn hình HMI kết nối với PLC qua Ethernet.
Dưới đây là kết quả lập trình giao diện HMI:
- Màn hình giao diện chính
- Màn hình hiển thị thông số buồng sấy
- Màn hình hiển thị thông số bơm nhiệt
Kết luận
Để lập trình hệ thống sấy thanh long dẻo, cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt và thiết kế phần cứng khoa học, đảm bảo an toàn điện Phần mềm phải thông minh và dễ vận hành, giúp phát hiện lỗi và sửa chữa dễ dàng Sau khi hoàn tất thiết kế hệ thống kết hợp sấy lạnh và vi sóng, chương trình sẽ được tải về PLC để tiến hành vận hành và kiểm thử.
