Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT MỲ ĂN LIỀN Hiện nay, ở Việt Nam có khoảng 40 công ty sản xuất mỳ ăn liền lên đến 2,5 tỉ gói/năm. Để ổn định được giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh, các công ty sản xuất mỳ ăn liền phải không ngừng đầu tư các dây chuyền sản xuất hiện đại với việc ứng dụng công nghệ tự động hóa nhằm xây dựng hệ thống SCADA cho phép thu thập số liệu, giám sát và điều khiển các thành phần của dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền từ xa qua trung tâm điều hành. Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế đó, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế thành công hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền với công suất 200,000 gói - 230,000 gói/8h. 1. Mở đầu Mỳ ăn liền (instant noodle) được người Nhật coi là biểu tượng về nền văn hóa của đất nước mặt trời mọc. Người sáng chế ra món ăn vô cùng tiện lợi mì ăn liền chính là ông Momofuku Ando (người Nhật) còn được gọi là "Vua mỳ ăn liền" hoặc "Cha đẻ của mỳ ăn liền" (Noodles papa). Tuy sinh ra ở Nhật nhưng giờ đây mỳ ăn liền đã trở thành loại thực phẩm tiện dụng nhất có bán rộng rãi trên toàn thế giới, từ nông thôn hẻo lánh cho tới đô thị phồn hoa ở mọi đất nước. Hiện nay, ở Việt Nam có khoảng 40 công ty sản xuất mỳ ăn liền lên đến 2,5 tỉ gói/năm. Hiếm có sản phẩm nào lại có “tầm phủ sóng” rộng như mỳ ăn liền. Cũng hiếm có sản phẩm nào đáp ứng được khẩu vị của cả người giàu lẫn người nghèo như nó. Việt Nam được xem là một trong những quốc gia tiêu thụ mì ăn liền nhiều nhất châu Á. Theo dự báo của các chuyên gia, ngành sản xuất mì ăn liền sẽ tiếp tục tăng trưởng ở tốc độ cao, sản lượng sẽ tăng lên khoảng 6-7 tỷ gói trong vòng vài năm tới. Để ổn định được giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh, các công ty sản xuất mỳ ăn liền phải không ngừng đầu tư các dây chuyền sản xuất hiện đại với việc ứng dụng công nghệ tự động hóa nhằm xây dựng hệ thống SCADA cho phép thu thập số liệu, giám sát và điều khiển các thành phần của dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền từ xa qua trung tâm điều hành. Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế đó, nhóm đã nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền với công suất 200,00 0 gói - 230,00 0 gói / 8h. 2. Quy trình sản xuất mỳ ăn liền Dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền bao gồm 06 cụm chính * Cụm cối trộn * Cụm lô cán Hình 1. Quy trình sản xuất mỳ ăn liền * Cụm buồng hấp * Cụm định lượng * Cụm chảo chiên * Buồng thổi nguội. Trong đó, * Bột mì: bột mì đảm bảo đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng * Đường và gia vị: Để bổ sung chất dinh dưỡng vào mì ăn liền như là: đường, bột ngọt, muối tinh, súp gà hay bò, tôm, nấm, heo… Chúng được trộn đều với bột mì đạt yêu cầu để cán. * Cán tạo sợi: Bột sau khi trộn được đưa qua hệ thống lô cán thô đến cán tinh nhằm tạo thành tấm bột phẳng và mịn rồi đi qua hệ thống máng cắt tao sợi mì. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ mà dao cắt tấm bột mỳ thành sợi nhỏ, to hay dẹt… * Hấp chín và cắt định lượng: Sau khi tạo sợi, mì theo băng chuyền qua buồng hấp chín bằng hơi rồi qua cụm dao cắt định lượng cắt thành những vắt mì theo yêu cầu có trọng lượng: 50g, 55g, 60g, 65g, 70g, 75g, 80g, 85g, 90g.. * Trộn nước lèo: Trước khi chiên mỳ, cần bổ sung thêm hương liệu vào sợi mì tuỳ theo chủng loại như: hành, tiêu, tỏi, ớt, hương Gà, hương Bò, hương Nấm, hương Heo.. * Chiên mỳ: Mỳ được mang vào chiên trong dầu chất lượng cao đã được bổ sung Vitamin B1, B2, B3, B6, B9 ở nhiệt độ 150°C tách nước ra khỏi sợi mì làm cho mì chín và khô thuận tiện cho việc bảo quản. * Làm nguội và đóng gói: Mỳ chiên xong sẽ được chạy qua hệ thống quạt để làm nguội. Sau đó chúng được phân loại và đưa vào đóng gói đảm bảo nghiêm ngặt các quy định về vệ sinh an toàn thực phẩm, hạn sử dụng…qua hệ thống kiểm tra chất lượng (KCS) trước khi xếp vào hộp. * Bảo quản: Sản phẩm nên được bảo quản nơi khô ráo, thoáng mát. Tránh để tiếp xúc với nền đất ẩm ướt. Trong điều kiện bình thường, sản phẩm có thể bảo quản được từ 6 tháng đến 8 tháng. Hình 2. Mô hình dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền 3. Mô hình hệ thống dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền Hệ thống dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền phải đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật như sau: * Công suất dây chuyền: 200,000 gói đến 230,000 gói/1ca (8h) * Dây chuyền 8 vắt * Chiên mỳ bằng hệ thống trao đổi nhiệt gián tiếp * Tổng độ dài dây chuyền 62,5m * Tồng điện năng tiêu thụ ~120 kW/h * Tổng hơi tiêu thụ ~3500 kg/h * Hơi khí nén tiêu thụ ~0,4 m3/h * Điều khiển tự động các cụm lô cán, buồng hấp, định lượng, chảo chiên và buồng thổi nguội. Trong đó, hệ thống dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền bao gồm các cụm chính sau: * Cụm cối trộn: Nước, đường, gia vị và bột mỳ sẽ được bơm vào cối trộn theo tỷ lệ theo công nghệ, cối trộn sẽ hoạt động trong khoảng thời gian đã đặt trước (15-20 phút). Sau khi đủ thời gian trộn, người vận hành sẽ nhấn nút cửa xả bột, để bột đã trộn rơi xuống mâm chứa bột. * Cụm lô cán: Bột từ trên cối trộn sẽ được đổ xuống mâm chứa bột, trong hệ thống mâm có một kim gạt bột, kim gạt này được kích hoạt làm việc khi sensor ở thùng chứa bột phía dưới có tín hiệu đã hết bột. Sau đó, bột sẽ được đi qua cụm lô cán thô – cán tinh để tạo thành lá bột dạng tấm có kích thước chiều ngang khoảng 80cm. Tiếp theo, lá bột sẽ đưa qua dao cắt sợi và lưới đón để tạo thành sợi mỳ. * Buồng hấp: Lá bột sẽ được chuyển tiếp đến buồng hấp mỳ. * Cụm định lượng: Sau khi lá bột từ buồng hấp ra sẽ được chuyển qua lưới trung gian và đưa vào dao cắt thành các vắt mỳ, sau đó các vắt mỳ được chuyển vào lưới nước lèo.Tại khu vực dao cắt sẽ có cảm biến đếm số lượng dao cắt để xác định công suất của dây chuyền và một bộ Synchro Controller để đồng bộ giữa tốc độ dao cắt với băng tải kéo chén & nắp. Sau khi vắt mỳ được cắt, vắt mỳ sẽ chạy trên lưới nước lèo và sẽ được ngấm nước lèo. Việc đồng bộ toàn bộ dây chuyền theo tốc độ dao cắt ở cụm định lượng. Ví dụ, dao cắt chạy 60 nhát cắt/1 phút thì tốc độ của cụm lô cán và cụm buồng hấp cũng phải chạy theo tốc độ này, cụm chảo chiên và thổi nguội ngoài việc phải chạy cùng một tốc độ với dao cắt. Việc đồng bộ giữa tốc độ dao cắt và băng tải kéo chén & nắp được thực hiện bằng bộ điều khiển Synchro Controller số 1. * Cụm chảo chiên: Sau khi vắt mỳ rơi vào chén, lưới kéo chén sẽ được chuyển vào trong phần chảo chiên lúc này toàn bộ vắt mỳ sẽ nằm ngập trong dầu. Nhiệt độ trong chảo chiên sẽ được điều khiển qua bình trao đổi nhiệt theo quy trình công nghệ. Việc đồng bộ giữa băng tải kéo chén & nắp và băng tải bàn tay nhựa của buồng thổi nguội được thực hiện bằng bộ điều khiển Synchro Controller số 2. * Buồng thổi nguội: Sau khi vắt mỳ được chiên qua chảo chiên, sẽ chuyển tới một băng tải nhỏ và chuyển tới bàn tay nhựa có 8 quạt thổi nguội. Những bàn tay nhựa này sẽ chuyển các vắt mỳ ra băng tải chia mỳ và chạy đến khu đóng gói. 4. Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển Hình 3. Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền 4.1. Mô hình hệ thống SCADA giám sát và điều khiển Với yêu cầu thiết kế hệ thống tự động hóa đáp ứng quy trình sản xuất mỳ ăn liền, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế và ứng dụng hệ thống SCADA giám sát và điều khiển trên nền tảng công nghệ PLC của Siemens tích hợp với các biến tần của ABB và các cảm biến thông minh chuyên biệt của Omron. Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển gồm tủ điều khiển tích hợp thiết bị điều khiển khả trình PLC và màn hình vận hành hệ thống Touch Screen. Trong đó, * Màn hình vận hành hệ thống Touch Screen TP177B kết nối với thiết bị điều khiển PLC S7300 qua mạng Profibus-DP. * Các cảm biến Omron kết nối với PLC S7300 qua tín hiệu số DI. * Thiết bị điều khiển PLC S7300 điều khiển các biến tần qua tín hiệu tương tự AI 4-20mA. * Các đèn báo chỉ thị trên mặt tủ điều khiển kết nối với PLC S7300 qua tín hiệu số DI. * Thiết bị điều khiển PLC S7300 ra lệnh bật/tắt các động cơ qua tín hiệu số DO. * Bộ điều khiển Synchro Controller số 1 thực hiện đồng bộ biến tần điều chỉnh tốc độ dao cắt và biến tần điều chỉnh tốc độ băng tải kéo chén & nắp. * Bộ điều khiển Synchro Controller số 2 thực hiện đồng bộ biến tần điều chỉnh tốc độ băng tải kéo chén & nắp và biến tần điều chỉnh tốc độ băng tải bàn tay nhựa của buồng thổi nguội. Hình 4. Tủ điều khiển hệ thống SCADA giám sát và điều khiển 4.2. Mô hình đồng bộ tốc độ giữa hai băng tải Một vấn đề quan trọng của hệ thống dây chuyền sản xuất mỳ ăn liền là cần giải quyết bài toán đồng bộ giữa các cụm dây chuyền độc lập với tốc độ dao cắt. Trong đó, tốc độ dao cắt đảm bảo công suất hoạt động của dây chuyền từ 200,000 gói đến 230,000 gói / 8h. Bộ điều khiển Synchro Controller được thiết kế để giải quyết đồng bộ giữa hai hệ thống độc lập như băng tải với tốc độ và độ chính xác cao. Các thiết bị chấp hành phù hợp bộ điều khiển Synchro Controller như động cơ AC/DC, động cơ Servo được điều chỉnh tốc độ bằng tín hiệu 0-10 V. Trong đó, động cơ Master chạy độc lập và động cơ Slave sẽ được điều chỉnh đồng bộ tốc độ với động cơ Master. Thiết bị Hình 5. Mô hình đồng bộ tốc độ giữa hai băng tải điều khiển Controller đo tốc độ của hai động cơ Master và Slave từ các cảm biến Encoder, tự động tính toán theo thuật toán cài đặt sẵn và ra quyết định điều chỉnh tốc độ động cơ Slave qua module Drive theo tốc độ của động cơ Master. 4.3. Hệ phần mềm giám sát và điều khiển Hệ phần mềm giám sát và điều khiển dây chuyền mỳ ăn liền bao gồm: * Phần mềm nhúng đo và điều khiển chạy trên PLC S7300 được phát triển bằng phần mềm lập trình Simatic Step7, có những chức năng chính: khởi động/dừng các động cơ, điều khiển cối trộn, điều khiển cụm lô cán, tính toán tốc độ dao cắt, đồng bộ tốc độ dao cắt và tốc độ băng tải kéo chén & nắp, đồng bộ tốc độ băng tải kéo chén & nắp và tốc độ băng tải bàn tay nhựa của buồng thổi nguội, kiểm tra các trạng thái lỗi hệ thống. * Phần mềm giám sát và điều khiển trên màn hình vận hành hệ thống TP177B được phát triển trên nền tảng hệ phần mềm SCADA WINCC Flexible cho phép kỹ thuật viên đặt các tham số hệ thống, điều khiển tự động/ bằng tay trên màn hình, theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống. Hình 6. Sơ đồ khối phần mềm nhúng trên thiết bị điều khiển PLC S7300 5. Kết luận Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển dây chuyền mỳ ăn liền (tham khảo thông tin của sản phẩm tại góp phần nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành và đảm bảo chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Đồng thời, hệ thống SCADA này là một trong những sản phẩm kết tinh của mô hình nghiên cứu phát triển và chuyển giao công nghệ giữa cơ sở nghiên cứu khoa học và doanh nghiệp công nghệ cao. Hy vọng rằng, mô hình hợp tác nghiên cứu phát triển và ứng dụng này sẽ được duy trì và ngày càng nâng cao để tạo ra nhiều sản phẩm tự động hóa công nghệ cao nhằm nâng cao chất lượng, vệ sinh an toàn thực phẩm và hạ giá thành sản phẩm trong lĩnh vực công nghiệp chế biến thực phẩm ở Việt Nam. Hình 7. Giao diện vận hành hệ thống trên màn hình TP177B