Ứng dụng plc trong hệ thống rang xay cà phê

Quá trình tự động sẽ không cần sự can thiệp quá sâu của con người, mà sẽ sử dụng các hệ thống điều khiển khác nhau giúp máy móc vận hành nhanh hơn, chuẩn xác hơn, giảm sự can thiệp c

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

GVHD: TS TRẦN MẠNH SƠN SVTH: HUỲNH THIÊN HẢI

VƯƠNG TRƯỜNG THỊNH

S K L 0 1 1 2 2 5

ỨNG DỤNG PLC TRONG HỆ THỐNG RANG XAY CÀ PHÊ

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG PLC TRONG HỆ THỐNG RANG XAY CÀ PHÊ

Huỳnh Thiên Hải 19151122 Vương Trường Thịnh 19151179 Khóa : K19

Ngành : CNKT Điều khiển và Tự động hóa GVHD : TS Trần Mạnh Sơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Thiên Hải MSSV: 19151122 Họ tên sinh viên 2: Vương Trường Thịnh MSSV: 19151179 1 Tên đề tài: Ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê 2 Các số liệu, tài liệu ban đầu: .

3 Nội dung thực hiện đề tài: .

4 Sản phẩm: .

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2023

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Thiên Hải MSSV: 19151122

Họ tên sinh viên 2: Vương Trường Thịnh MSSV: 19151179

Ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

Tên đề tài: ỨNG DỤNG PLC TRONG HỆ THỐNG RANG XAY CÀ PHÊ

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2023

Giáo viên hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2023

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Thiên Hải MSSV: 19151122

Họ tên sinh viên 2: Vương Trường Thịnh MSSV: 19151179

Ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

Tên đề tài: ỨNG DỤNG PLC TRONG HỆ THỐNG RANG XAY CÀ PHÊ

Họ và tên Giáo viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 6 năm 2023

Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Thiên Hải MSSV: 19151122

Họ tên sinh viên 2: Vương Trường Thịnh MSSV: 19151179

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG PLC TRONG HỆ THỐNG RANG XAY CÀ PHÊ

Giảng viên hướng dẫn

15/02/2023 – 28/02/2023 Nghiên cứu cấu tạo và quy trình rang xay cà phê

1/03/2023 – 20/03/2023 Lên ý tưởng thiết kế phần

cứng cho hệ thống

21/03/2023 – 30/03/2023

Lựa chọn và đặt mua các thiết

bị phần cứng phù hợp với yêu cầu đặt ra

01/04/2023 – 30/04/2023 Tiến hành lắp ráp hệ thống phần cứng

01/05/2023 – 01/06/2023 Viết chương trình điều khiển phần cứng

02/06/2023 – 20/06/2023 Vận hành, kiểm tra và sửa lỗi hệ thống

21/06/2023 – 30/06/2023 Viết báo cáo cho đề tài

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến ban lãnh đạo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ

Thuật TP.HCM và Khoa Đào tạo Chất lượng cao đã tạo điều kiện cũng như giúp đỡ

nhóm em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Em chân thành biết ơn Thầy Trần Mạnh Sơn, người đã hướng dẫn cho nhóm

em trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài đồ án Mặc dù thầy vô cùng bận rộn và có

một lịch trình làm việc dày đặc nhưng vẫn sắp xếp thời gian chỉ dẫn, giúp đỡ, định

hướng đi cho nhóm em và thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để nhóm em có thể hoàn

thành đề tài nghiên cứu Một lần nữa nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Chúc

thầy và gia đình luôn dồi dào sức khoẻ

Đặc biệt, nhóm em xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong hội đồng đã dành thời gian

nhận xét góp ý để đề tài của nhóm em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn

bè đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho nhóm em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt

quá trình hoàn thành đề tài.

Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Thiên Hải Vương Trường Thịnh

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong đề tài “Ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê” những bản thiết kế phần cứng, quy trình, và các máy rang xay cà phê sử dụng trong thực tế sẽ được tìm hiểu và trình bày

Mô hình máy rang, xay cà phê được thiết kế theo phương pháp dùng nhiệt

độ nóng để rang Với bộ phát nhiệt là điện trở đốt nóng, cấu tạo máy gồm có lò rang, lò làm nguội nhanh, bộ phận xay và hệ thống điều khiển và giám sát SCADA

Để thực hiện được đề tài này, đầu tiên em sẽ tìm hiểu lý thuyết về hạt cà phê,các tiêu chuẩn, các loại và các phương thức rang xay cà phê để tối ưu cho người vận hành Từ đó thiết kế ra ứng dụng máy chủ để người vận hành dễ dàng tương tác với hệ thống rang xay cà phê

Sau khi chọn được cách rang xay tối ưu và thiết kế được giao diện phần mềm tương tác với người vận hành, chúng em sẽ mô tả quá trình hoạt động thực tế của hệ thống thông qua các mô hình đơn giản điều khiển bằng PLC và tương tác trên màn hình SCADA

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN………i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 3

1.3 Nội dung của đề tài 4

1.4 Giới hạn đề tài 5

2.1 Tổng quan về cà phê 6

2.1.1 Lịch sử cây cà phê trên thế giới và ở Việt Nam 6

2.1.2 Cấu tạo cơ bản của quả cà phê 6

2.1.3 Cấu tạo của nhân cà phê 7

2.1.4 Thành phần hóa học của nhân cà phê 8

2.1.5 Tính chất vật lý của cà phê nhân 9

2.2 Quy trình sản xuất cà phê 11

2.3 Các nguyên lí rang cà phê 13

2.4 Các phương pháp rang cà phê 15

2.5 Lựa chọn phương pháp rang phù hợp 18

2.6 Các loại máy rang và máy xay cà phê 19

2.6.1 Các loại máy rang cà phê 19

2.6.2 Các loại máy xay cà phê 23

2.7 Lựa chọn loại máy xay phù hợp 25

2.8 Tổng quan về PLC 26

2.8.1 PLC của Siemens 27

2.8.2 PLC của Mitsubishi 29

2.8.3 Tổng quan về SCADA 30

2.8.4 Tính năng của SCADA 30

2.8.5 Nguyên tắc thiết kế SCADA 31

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 33

3.1 Quy trình vận hành 33

3.2 Yêu cầu thiết kế của một máy rang cà phê 33

3.3 Thiết kế phần cứng 36

3.3.1 Thiết kế lồng rang cà phê 36

3.3.2 Thiết kế lồng làm nguội cà phê 39

3.3.3 Thiết kế khung hệ thống 41

3.4 Lựa chọn thiết bị 42

3.4.1 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi nhiệt độ RTD 43

3.4.2 Lựa chọn thanh nhiệt điện trở 46

3.4.3 Lựa chọn van điện 47

3.4.4 Lựa chọn động cơ 48

3.4.5 Lựa chọn máy xay cà phê 50

3.4.6 Lựa chọn quạt làm nguội 51

3.4.7 Lựa chọn Relay trung gian 52

3.5.6 Lựa chọn xi lanh khí nén 53

3.5.7 Lựa chọn van điện từ khí nén 54

3.4.8 Lựa chọn PLC 56

3.4.9 Lựa chọn công cụ lập trình hệ thống SCADA 58

3.4.10 Lựa chọn nguồn tổ ong cho hệ thống 58

3.4.11 Lựa chọn đèn báo cho hệ thống 59

3.4.12 Chọn CB cho hệ thống 60

3.4.13 Lựa chọn nút nhấn cho hệ thống 61

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN SCADA 63

4.1 Thiết kế chương trình điều khiển 63

4.1.1 Yêu cầu thiết kế 63

4.1.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 63

4.1.3 Mô tả chương trình điều khiển hệ thống 64

4.2 Thiết kế giao diện hệ thống SCADA 65

4.2.1 Yêu cầu thiết kế 65

4.2.2 Thiết kế màn hình tổng quan của hệ thống 65

4.2.3 Thiết kế màn hình vận hành hệ thống 67

4.2.4 Thiết kế màn hình giám sát và thay đổi mật khẩu 68

4.2.5 Thiết kế màn hình vận hành theo chế độ Auto 68

4.2.5 Thiết kế vận hành theo chế độ Manual 70

4.2.6 Thiết kế màn hình giám sát lịch sử hoạt động của hệ thống 71

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 72

5.1 Mô hình 72

5.1.1 Kết quả hoàn thiện lồng rang cà phê 72

5.1.2 Kết quả hoàn thiện lồng làm nguội cà phê 73

5.1.3 Bộ phận xay cà phê 74

5.1.4 Sơ đồ nối dây của hệ thống 75

5.1.5 Kết quả hoàn thiện toàn bộ hệ thống rang xay cà phê 75

5.2 Giao diện vận hành trên SCADA 78

5.2.1 Màn hình rang chế độ Auto 78

5.2.2 Màn hình rang ở chế độ Manual 79

5.4 Thành phẩm hạt cà phê 80

5.4.1 Cà phê trước khi rang 80

5.4.2 Cà phê sau khi rang 80

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

6.1 Kết luận 82

6.1.1 Khối lượng công việc đã thực hiện 82

6.1.2 Hạn chế mô hình 82

6.2 Hướng phát triển của đề tài 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cấu tạo của trái cà phê 7

Hình 2.2: Cấu tạo của nhân cà phê 7

Hình 2.3: Hình ảnh nhân cà phê vối (Robusta) 10

Hình 2.4: Hình ảnh cà phê chè (Arabica) 10

Hình 2.5: Hình ảnh cà phê Mít (Excelsa) 11

Hình 2.6: Quy trình sản xuất cà phê bột 11

Hình 2.7: Quy trình sản xuất cà phê hòa tan 12

Hình 2.8: Rang cà phê truyền thống 15

Hình 2.9: Rang cà phê bằng lò sấy 16

Hình 2.10: Rang cà phê bằng khí lưu 17

Hình 2.11: Rang cà phê bằng ánh sáng 18

Hình 2.12: Máy rang cà phê thông thường 20

Hình 2.13: Máy rang cà phê công nghệ Hot air 21

Hình 2.14: Máy rang cà phê mini 22

Hình 2.15: Máy rang cà phê công nghiệp 23

Hình 2.16: Máy xay cà phê cầm tay 24

Hình 2.17: Máy xay hạt cà phê tự động 25

Hình 2.18: Tổng quan về PLC 26

Hình 2.19: PLC của Siemens 27

Hình 2.20: PLC Mitsubishi 29

Hình 3.1: Quy trình vận hành hệ thống 33

Hình 3.2: Cấu tạo của lồng rang 37

Hình 3.3: Các bộ phận cấu tạo của lồng rang 38

Hình 3.4: Lồng làm nguội cà phê 39

Hình 3.5: Cấu tạo của lồng làm nguội cà phê 40

Hình 3.6: Thiết kế khung hệ thống 41

Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ PT100 44

Hình 3.8: Sơ đồ chân của cảm biến PT100 45

Hình 3.9: Bộ chuyển đổi Pt100 sang 4 – 20mA 45

Hình 3.10: Thanh nhiệt điện trở chữ U 220V 46

Hình 3.11: Van điện FUSAN 47

Hình 3.12: Động cơ giảm tốc 220V 110RPM 49

Hình 3.13: Máy xay cà phê 600N 50

Hình 3.14: Quạt tản nhiệt 24VDC 51

Hình 3.15: Relay 220 VAC 53

Hình 3.16: Xi lanh khí nén Ma10x100 54

Hình 3.17: Van điện từ khí nén 3/2 55

Hình 3.18: Module PLC Siemens S7 – 1200 1214C AC/DC/RLY 57

Hình 3.19: Màn hình SIMATIC WinCC RunTime Advanced 58

Hình 3.20: Nguồn tổ ong 24V 5A 59

Hình 3.21: Đèn báo 220 VAC, phi 22 mm 60

Hình 3.22: Cầu dao tự động 220 VAC (15A) 61

Hình 3.23: Nút nhấn LA 38 62

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán chế độ Auto 63

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán chế độ Man 64

Hình 4.3: Màn hình tổng quan của hệ thống 66

Hình 4.4: Màn hình đăng nhập tên người dùng 66

Hình 4.5: Màn hình vận hành hệ thống 67

Hình 4.6: Màn hình thay đổi mật khẩu của hệ thống 68

Hình 4.7: Màn hình chọn cà phê muốn rang ở chế độ Auto 69

Hình 4.8: Màn hình chọn chế độ rang cà phê đậm, vừa hoặc nhạt 69

Hình 4.9: Màn hình vận hành, giám sát rang cà phê ở chế độ Auto 70

Hình 4.10: Màn hình vận hành và giám sát hệ thống chế độ Manual 71

Hình 4.11: Màn hình giám sát lịch sử hoạt động 72

Hình 5.1: Hình ảnh mặt trước và mặt bên của lồng rang cà phê 72

Hình 5.2: Hình ảnh mặt trước và mặt bên của lồng làm nguội cà phê 73

Hình 5.3: Bộ phận xay cà phê 74

Hình 5.4: Sơ đồ nối dây hệ thống 75

Hình 5.5: Hình ảnh mặt trước và mặt bên phải của hệ thống 76

Hình 5.6: Hình ảnh mặt trước và mặt bên trái của hệ thống 77

Hình 5.7: Màn hình vận hành ở chế độ Auto cho Robusta đậm 78

Hình 5.8: Màn hình vận hành ở chế độ Manual 79

Hình 5.9: Hình ảnh hạt cà phê trước khi rang có màu xanh vàng nhạt 80

Hình 5.10: Hình ảnh hạt cà phê rang chế độ Light Roast 81

Hình 5.11: Hình ảnh hạt cà phê rang chế độ Dark Roast 81

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của cà phê 8

Bảng 2.2: Phân loại cấp nhiệt độ rang cà phê 14

Bảng 3.1: Các bộ phận cấu tạo của bồn rang 38

Bảng 3.2: Thành phần cấu tạo của lồng làm nguội 40

Bảng 3.3: Thành phần cấu tạo của khung hệ thống 42

Bảng 3.4: Bảng thiết bị có trong hệ thống 42

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ PT100 44

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của thanh nhiệt điện trở chữ U 220VAC 47

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của van điện FUSAN 48

Bảng 3.8: Thông số động cơ giảm tốc 220V 110RPM 50

Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của máy xay cà phê 600N 51

Bảng 3.10: Thông số kỹ thuật của quạt tản nhiệt 52

Bảng 3.11: Thông số kỹ thuật của Relay 220V VAC OMRON 53

Bảng 3.12: Thông số kỹ thuật của xi lanh khí nén Ma10x100 54

Bảng 3.13: Thông số kỹ thuật của Van điện từ khí nén 3/2 55

Bảng 3.14: Bảng số lượng ngõ vào, ngõ ra 56

Bảng 3.15: Thông số kỹ thuật của PLC S7-1200 1214 AC/DC/RLY 57

Bảng 3.16: Bảng thông số kỹ thuật đèn 220 VAC, phi 22 mm 60

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 HMI – Human Machine Interface

2 PLC – Programmable logic controller

3 AC – Alternating Current

4 DC – Direct Current

5 SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition

6 DI/DO – Digital Input/Digital Output

7 AI/AO – Analog Input/Analog Output

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ số hóa, các dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong sản xuất Các doanh nghiệp sản xuất luôn tự cải tiến công nghệ, hệ thống máy móc của mình để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt, giá cả cạnh tranh nhất Đó là cơ sở để nâng cao vị thế cạnh tranh, giúp doanh nghiệp đứng vững trên thị trường khốc liệt

Tự động hóa là ứng dụng công nghệ tiên tiến vào quá trình sản xuất công nghiệp để chuyển một phần lớn hoặc toàn bộ hoạt động sản xuất nhờ sức lao động của con người sang cho máy móc thiết bị Quá trình tự động sẽ không cần sự can thiệp quá sâu của con người, mà sẽ sử dụng các hệ thống điều khiển khác nhau giúp máy móc vận hành nhanh hơn, chuẩn xác hơn, giảm sự can thiệp của con người, thậm chí một số quy trình hoàn toàn tự động

Tự động hóa đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp sản xuất, gia công cơ khí, dây chuyền lắp ráp tự động, ứng dụng kiểm soát chất lượng, Các hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng để vận hành quá trình sản xuất bao gồm, PLC, mạch điện tử,…

Trong thời đại công nghiệp hóa và tự động hóa ngày càng phát triển, việc

áp dụng công nghệ PLC (Programmable Logic Controller - Bộ điều khiển logic

có chương trình) để tự động hóa các quy trình sản xuất ngày càng được ứng dụng rộng rãi Hệ thống rang xay cà phê bằng PLC là một trong những ứng dụng tiêu biểu của công nghệ này

Hệ thống rang xay cà phê bằng PLC có ý nghĩa quan trọng trong việc tự động hóa quy trình rang và xay cà phê, mang lại nhiều lợi ích cho ngành công

nghiệp cà phê Dưới đây là một số phát biểu để giải thích tại sao chúng tôi thực hiện đề tài này và ý nghĩa của nó:

Tăng hiệu suất và chất lượng sản phẩm: Hệ thống rang xay cà phê bằng PLC giúp tối ưu hóa quy trình rang và xay cà phê, đảm bảo rằng quy trình diễn

ra theo các thông số chính xác và ổn định Điều này giúp tăng hiệu suất sản xuất và đảm bảo chất lượng cà phê đồng nhất, từ đó nâng cao sự hài lòng của khách hàng và định vị thương hiệu cà phê

Tiết kiệm thời gian và nhân lực: Bằng cách tự động hóa quy trình rang xay

cà phê, hệ thống PLC giảm tải công việc cho nhân viên và giảm thiểu sai sót

do yếu tố con người gây ra Nhân lực có thể được tập trung vào các công việc khác quan trọng hơn, trong khi hệ thống tự động tiến hành quy trình rang xay

cà phê một cách chính xác và hiệu quả

Đáp ứng nhanh chóng và linh hoạt: Hệ thống rang xay cà phê bằng PLC cho phép dễ dàng điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, thời gian rang, mức độ xay và tỷ lệ pha trộn Điều này giúp đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu của khách hàng, thị trường và các tiến trình sản xuất khác, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm

Giám sát và điều khiển từ xa: Hệ thống PLC cho phép giám sát và điều khiển quy trình rang xay cà phê từ xa Qua một giao diện người dùng đơn giản, nhân viên có thể kiểm soát và điều chỉnh các thông số sản xuất một cách dễ dàng, bất kể vị trí vật lý Điều này cung cấp sự linh hoạt và tiện lợi trong quản

lý và giám sát quy trình sản xuất

Nâng cao độ an toàn và độ tin cậy: Hệ thống rang xay cà phê bằng PLC

có thể được tích hợp với các cảm biến và thiết bị an toàn để đảm bảo an toàn cho người vận hành và ngăn ngừa các sự cố tiềm ẩn Hơn nữa, sự tự động hóa

giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào yếu tố con người, giảm thiểu các lỗi gây ra do sai sót và tăng độ tin cậy của quy trình rang xay cà phê

Tóm lại, hệ thống rang xay cà phê bằng PLC là một sự tiến bộ quan trọng trong ngành công nghiệp cà phê, mang lại nhiều lợi ích như tăng hiệu suất, chất lượng sản phẩm, tiết kiệm thời gian và nhân lực, đáp ứng nhanh chóng và linh hoạt, giám sát và điều khiển từ xa, nâng cao độ an toàn và độ tin cậy

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài “Ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê ” được thực hiện với những mục tiêu cụ thể sau:

- Thiết kế mô hình hệ thống trên phần mềm SOLIDWORK

- Thực hiện được mô hình rang xay cà phê dùng nhiệt độ nóng để rang tạo

ra nhiều loại hương vị cà phê khác nhau

- Thực hiện mô phỏng hệ thống, vận hành hệ thống thực tế và hiển thị trên màn hình SCADA

- Có cảnh báo sự cố khi xảy ra lỗi

- Việc sử dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê sẽ giúp tăng tính chính xác và độ tin cậy của quá trình sản xuất Nhờ tính linh hoạt và đa dạng của chương trình, PLC có thể xử lý được các tín hiệu phức tạp từ các cảm biến để điều khiển quá trình sản xuất cà phê theo các thông số quy định Với mục tiêu ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê, đề tài sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cơ bản về PLC, cách thiết kế và lập trình hệ thống PLC để điều khiển quá trình rang xay cà phê, từ đó giúp tăng cường khả năng cạnh tranh của các doanh nghiệp trong lĩnh vực sản xuất cà phê

1.3 Nội dung của đề tài

Phần nội dung của đề tài “Ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê”

có những chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày về đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung, giới hạn của đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày về lịch sử cây cà phê, quy trình chế biến hạt cà phê, cấu tạo của hạt cà phê, các thành phần hóa học trong nhân cà phê, các phương pháp rang cà phê hiện nay, các mô hình rang xay cà phê

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

Chương này trình bày những yêu cầu khi thiết kế phần cứng của hệ thống

và trình bày những phần cứng được chọn sử dụng trong mô hình rang xay cà phê như máy xay cà phê, điện trở nhiệt đốt nóng, van điện từ, màn hình hệ thống SCADA,… và thông số kỹ thuật của các loại phần cứng đó

Chương 4 Thiết kế giao diện SCADA

Chương này trình bày những yêu cầu khi thiết kế phần mềm, trình bày giao diện phần mềm máy chủ và giao diện vận hành trên màn hình hệ thống SCADA sử dụng trong hệ thống, đưa ra lưu đồ giải thuật của hệ thống

Chương 5 Kết quả đạt được

Chương này trình bày kết quả đạt được của mô hình hệ thống, tiến hành chạy thực nghiệm để thu kết quả

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương này trình bày các kết luận rút ra được từ đề tài sau khi hoàn thành

hệ thống, các ưu điểm, khuyết điểm của hệ thống về phần cơ khí, cũng như phần mềm và nêu hướng phát triển trong tương lai

1.4 Giới hạn đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu, điều khiển, giám sát hoạt động của hệ thống

“Ứng dụng PLC vào hệ thống rang xay cà phê” cũng như nghiên cứu các phương pháp rang xay cà phê trên thực tế và áp dụng nó để đưa ra hướng tiện ích nhất có thể

Mặc dù việc ứng dụng PLC trong hệ thống rang xay cà phê có nhiều ưu điểm như tăng tính chính xác và độ tin cậy của quá trình sản xuất, giảm thiểu sự can thiệp của con người và đảm bảo chất lượng sản phẩm, nhưng đề tài cũng

có những giới hạn cần được lưu ý Đề tài chỉ tập trung thiết kế giao diện quản

lý, điều khiển một cách đơn giản thuận tiện và thân thiện nhất cho người vận hành hệ thống

Phần mô hình:

-Thiết kế mô hình gồm hai giai đoạn quan trọng là rang cà phê và làm nguội

-Thiết kế lồng rang cà phê đúng yêu cầu kỹ thuật

-Thiết kế bộ phận làm nguội sau khi rang cà phê xong và trước khi cho vào máy xay để xay dưới sự điều khiển của người vận hành

Phần chương trình điều khiển:

- Sử dụng phần mềm “TIA Portal” để lập trình, quản lí và điều khiển PLC

- Sử dụng màn hình SCADA để giám sát tiến trình và vận hành hệ thống

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về cà phê

2.1.1 Lịch sử cây cà phê trên thế giới và ở Việt Nam

Cây cà phê có nguồn gốc từ đất nước Ethiopia Chính những người nô lệ

bị bắt từ Ethiopia để sang Ai Cập đã mang loại quả này đi theo Sau đó chúng nhanh chóng trở thành thứ thức uống được người Ai Cập ưu chuộng Đến đầu thế kỷ XVIII, những người Hà Lan đã mang cà phê ra ngoài lãnh thổ Ai Cập và đến trồng ở xứ Martinique Sau đó người Pháp và Brazil cũng mang được loại quả này về quê hương của mình

Năm 1875, khi người Pháp xâm lược nước ta, họ đã mang giống cà phê Chè (Arabica) từ Bourbon sang trồng ở các tỉnh phía bắc và miền trung như Xuân Mai, Sơn Tây, Quảng Trị, Tuy nhiên năng suất ở những vùng này rất thấp Chính vì vậy họ đã mang hạt cà phê đi trồng ở rất nhiều nơi ở các tỉnh miền Nam và Tây Nguyên Bên cạnh đó, các loại cà phê mới như Robusta (cà phê vối), Mitcharichia (cà phê mít) cũng được đem đi trồng thử nghiệm Từ đó

cà phê trở thành cây công nghiệp dài ngày ở Việt Nam

Các loại cà phê phổ biến ở Việt Nam hiện nay là Robusta (cà phê vối), Arabica (cà phê chè), Cherry (cà phê mít), Culi, Moka,…

2.1.2 Cấu tạo cơ bản của quả cà phê

Quả cà phê gồm những thành phần sau: Lớp vỏ quả bên ngoài, lớp thịt quả bên trong, lớp nhầy, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và nhân quả Trong đó có thể chia hai phần chính:

- Phần vỏ quả (Skin): gồm vỏ quả bên ngoài và thịt quả

- Phần hạt (Seed): Gồm lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và phần nhân hạt (có chứa nội nhũ và phôi hạt)

Hình 2.1: Cấu tạo của trái cà phê

2.1.3 Cấu tạo của nhân cà phê

Hình 2.2: Cấu tạo của nhân cà phê

Nhân cà phê – cũng chính là nói đến nội nhũ (Endosperm), đây là phần quan trọng nhất của quả cà phê, chịu trách nhiệm tích lũy chất dinh dưỡng cho quá trình nảy mầm của phôi Mặc dù nhân cà phê sẽ bao gồm nội nhũ – Endosperm và phôi – Embryo, nhưng vì phôi nằm bên trong nội nhũ nên một

số tài liệu gọi chung cả hai là nội nhũ, và sau khi rang bạn khó có thể phân biệt thành phần này

Tất cả các phần trên cùng nhau tạo nên một hạt cà phê nhân hoàn chỉnh, với những tính chất vật lý và hóa học đặc trưng của nó Tùy thuộc vào loại cây

cà phê và điều kiện trồng trọt khác nhau, cấu tạo và tính chất của cà phê nhân cũng sẽ khác nhau

2.1.4 Thành phần hóa học của nhân cà phê

Nhân của một quả có 1, 2 hoặc 3 hạt, nhưng thường có 2 hạt, bên trong là phôi và nhũ Nhân chiếm khoảng 30% khối lượng quả Thành phần hóa học của nhân là vô cùng quan trọng vì đây được xem là tiền thân của các hương vị và mùi thơm sau này trong cà phê rang

Dưới đây là thành phần hóa học của nhân cà phê:

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của cà phê

Thành phần hóa học Hàm lượng %

và điều kiện trồng trọt khác nhau

2.1.5 Tính chất vật lý của cà phê nhân

Cà phê nhân là sản phẩm được thu hoạch từ trái cây của cây cà phê và có nhiều tính chất vật lý đặc trưng như sau:

Kích thước và hình dạng: Cà phê nhân có kích thước và hình dạng không đều do quá trình thu hoạch và xử lý khác nhau Cà phê nhân thường có hình dạng hình tròn hoặc hình oval với đường kính từ 5-10 mm

Trọng lượng riêng: Trọng lượng riêng của cà phê nhân dao động trong khoảng từ 0,72 - 0,8 g/cm3, tùy thuộc vào loại cà phê

Độ ẩm: Độ ẩm của cà phê nhân là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm rang xay Độ ẩm của cà phê nhân nên nằm trong khoảng từ 10 - 12%

Độ cứng: Độ cứng của cà phê nhân phụ thuộc vào độ chín và loại cây cà phê Độ cứng càng cao thì càng khó rang, tuy nhiên lại cho ra hương vị đậm đà Màu sắc: Cà phê nhân có màu sắc khác nhau tùy thuộc vào loại cây cà phê

và quá trình xử lý Cà phê nhân tươi thường có màu xanh lá cây hoặc vàng nhạt, trong khi cà phê nhân khô có màu sắc đậm hơn Dưới đây là vài ví dụ hình ảnh

về màu sắc, hình dạng của các loại nhân cà phê

Nhân cà phê vối (Robusta)

Hình 2.3: Hình ảnh nhân cà phê vối (Robusta)

Nhân cà phê chè (Arabica)

Hình 2.4: Hình ảnh cà phê chè (Arabica)

Nhân cà phê mít (Excelsa)

Hình 2.5: Hình ảnh cà phê Mít (Excelsa)

2.2 Quy trình sản xuất cà phê

Để sản xuất ra cà phê từ quả cà phê, phải trải qua nhiều công đoạn chế biến phức tạp và yêu cầu nghiêm ngặt về tiêu chuẩn chế biến Quy trình sản xuất càng chuyên nghiệp, chặt chẽ thì ly cà phê càng có hương vị tuyệt vời hơn Dưới đây là quy trình sản xuất cà phê bột và cà phê hòa tan

Quy trình sản xuất cà phê bột chuẩn ngon đều thực hiện theo một quy trình gồm 6 giai đoạn chính:

Hiện nay, cà phê hòa tan đang là xu thế ngày càng được sử dụng phổ biến thay thế dần cà phê bột Mặc dù tính tiện lợi pha nhanh nhưng không thể vì thế

mà người ta bỏ qua chất lượng cà phê Dưới đây là quy trình sản xuất cà phê hòa tan theo tiêu chuẩn giữ lại hương thơm ngon không kém gì cà phê nguyên chất

Dưới đây là quy trình sản xuất cà phê trái cây hòa tan đầu tiên tại Việt Nam theo tiêu chuẩn ISO 22000

Hình 2.7: Quy trình sản xuất cà phê hòa tan

Qua hai quy trình sản xuất cà phê bột và cà phê hòa tan, ta thấy rằng để sản xuất ra được cà phê hòa tan phải trải qua nhiều công đoạn phức tạp hơn so với cà phê bột Về mặt hương vị cà phê bột sẽ mang lại nhiều hương vị hơn cà phê hòa tan Cà phê bột giữ được tất cả các loại tinh dầu và thành phần hóa học khác còn nguyên vẹn, mang hương vị đầy đủ, đậm đà và tinh tế hơn so với hầu hết các loại cà phê hòa tan

2.3 Các nguyên lí rang cà phê

Có nhiều phương pháp rang cà phê khác nhau được sử dụng trên toàn thế giới, tùy thuộc vào điều kiện địa phương và thị trường tiêu thụ Tuy nhiên, các phương pháp này đều có một số đặc điểm chung, bao gồm:

Điều kiện nhiệt độ: Rang cà phê yêu cầu nhiệt độ cao để đảm bảo quá trình phân hủy, tạo mùi hương và vị ngon đặc trưng của cà phê Nhiệt độ và thời gian rang cà phê phụ thuộc vào từng loại hạt cà phê cụ thể

Điều kiện thời gian: Thời gian rang cà phê cũng là một yếu tố quan trọng,

có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Thời gian rang cà phê phải đủ để đảm bảo hạt cà phê được chín đều, tạo ra mùi hương và vị ngon đặc trưng của

cà phê

Cách rang: Các phương pháp rang cà phê khác nhau có thể sử dụng các công nghệ khác nhau để tạo ra sản phẩm với hương vị và mùi thơm đặc trưng của cà phê Tuy nhiên, các phương pháp rang cà phê thường sử dụng công nghệ chuyển động để đảm bảo hạt cà phê được rang đều và chín đều

Quản lý quá trình rang: Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, quá trình rang

cà phê cần được quản lý chặt chẽ, từ việc lựa chọn hạt cà phê, chuẩn bị quá trình rang, quản lý nhiệt độ và thời gian rang đến quá trình làm mát và bảo quản sản phẩm rang xay

Bảng 2.2: Phân loại cấp nhiệt độ rang cà phê

Nhiệt độ

rang

Màu sắc Đặc điểm

180°C Nâu vàng Độ chua thấp, độ đậm đặc thấp Kiểu rang này

quá nhẹ, khiến hợp chất hương vị có trong hạt không được giải phóng hết

200°C Nâu nhạt Độ chua tăng, kích cỡ hạt tăng Hạt vẫn khô

200 - 210°C Nâu Độ chua tiếp tục tăng Hạt vẫn khô

210 - 220°C Nâu đậm Một số giọt dầu xuất hiện trên bề mặt hạt, độ

chua giảm dần Đây là nhiệt độ lý tưởng để trộn với cà phê Espresso

220 - 230°C Nâu đen Dầu phủ đầy bề mặt hạt, những vị nhạt trong

hạt biến mất Vị giảm, trong khi độ đậm đặc tăng

220 - 240°C Đen đậm Hạt phủ đầy dầu Vị nhạt mất hết, hương cà phê

giảm Độ đậm đặc rất ít Đây là đặc trưng của Espresso Châu Mỹ

Với dải nhiệt độ điều khiển trong khoảng 0 - 220 °C Việc ổn định nhiệt

độ trong từng giai đoạn rang phải phù hợp với diễn biến lý tính, hóa tính của cà phê là điều cần thiết, ba giai đoạn chủ yếu để ổn định nhiệt độ:

+ Giai đoạn bốc hơi ẩm và chuyển biến màu: Gia nhiệt nhẹ ở dải nhiệt độ

2.4 Các phương pháp rang cà phê

Có nhiều phương pháp rang cà phê khác nhau để tạo ra những hạt cà phê

có hương vị và mùi thơm đặc trưng Dưới đây là một số phương pháp rang cà phê phổ biến:

Rang cà phê truyền thống: Đây là phương pháp rang cà phê truyền thống nhất, là phương pháp đầu tiên con người sử dụng để làm chín cà phê Cà phê được rang trong một chảo lớn trên bếp hoặc bếp than Quá trình rang cà phê sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian rang, được điều chỉnh bằng cách khuấy trộn

và đo nhiệt độ thường xuyên

Hình 2.8: Rang cà phê truyền thống

+ Ưu điểm:

- Đơn giản, dễ thực hiện, chi phí ban đầu thấp

- Có thể áp dụng ở mọi nơi, không cần trang thiết bị hiện đại

- Khó áp dụng cho sản xuất lớn

- Dễ bị cháy xém

Rang cà phê bằng lò sấy: Phương pháp này sử dụng một lò sấy để rang cà phê Lò sấy được điều khiển nhiệt độ và thời gian rang bằng cách sử dụng các cảm biến nhiệt độ và thời gian

Hình 2.9: Rang cà phê bằng lò sấy

+ Ưu điểm:

- Đơn giản, nhiệt độ lò cố định nên tiết kiệm công sức, thời gian

- Không có nhiều khói bay mùi trong nhà như rang bằng chảo

+ Nhược điểm:

- Cà phê sẽ không thơm ngon bằng rang bởi máy hay chảo

- Người rang cần phải nắm kỹ quy trình cụ thể đối với từng loại để canh được thời gian chính xác

- Không thể thực hiện rang với số lượng lớn hoặc để kinh doanh

Rang cà phê bằng khí lưu: Phương pháp này sử dụng khí nén để rang cà phê Cà phê được đưa vào một thiết bị rang đặc biệt, trong đó khí nén được sử dụng để tạo nhiệt độ cao và đồng đều Quá trình rang cà phê được điều khiển bằng cách điều chỉnh lượng khí nén và thời gian rang

Hình 2.10: Rang cà phê bằng khí lưu

+ Ưu điểm:

- Truyền nhiệt ổn định, hạt cà phê được đảo liên tục giúp cho các hạt được chín đều và giữ được những hương vị đặc trưng

- Cà phê sẽ được chín đều từ trong ra ngoài và đồng đều nhau

- Kiểm soát được quá trình tạo hương, kiểm soát được độ chua, vị đắng,

Rang cà phê bằng ánh sáng: Phương pháp này sử dụng ánh sáng để rang

cà phê Cà phê được đưa vào một chiếc máy rang đặc biệt, trong đó ánh sáng được sử dụng để tạo nhiệt độ và độ ẩm cần thiết Quá trình rang cà phê được điều khiển bằng cách điều chỉnh ánh sáng và thời gian rang

Mỗi phương pháp rang cà phê sẽ có những ưu và nhược điểm khác nhau

và tạo ra những hạt cà phê có hương vị và mùi thơm đặc trưng khác nhau

2.5 Lựa chọn phương pháp rang phù hợp

Với các phương pháp rang kể trên, phương pháp rang cà phê truyền thống được sử dụng để làm phương án thiết kế

Phương pháp thiết kế như sau: cà phê sẽ được gia nhiệt gián tiếp bằng điện trở nhiệt thông qua lò chứa cà phê Nhiệt lượng được cấp, cánh quạt sẽ quay liên tục để đảo, trộn để cà phê trong chảo tránh hiện tượng cháy xém và chín không đồng đều

Toàn bộ quá trình rang được giám sát bởi các cảm biến đo nhiệt độ và sự kiểm tra của người vận hành để đảm bảo chất lượng cà phê sau khi rang

2.6 Các loại máy rang và máy xay cà phê

2.6.1 Các loại máy rang cà phê

Về cơ bản, máy rang cà phê phần lớn phụ thuộc vào các công nghệ chế tạo nên chiếc máy với hai công nghệ chính thường được sử dụng là đốt trực tiếp (các loại máy rang thông thường, sử dụng dựa trên nguyên lý rang thủ công) và đốt gián tiếp (các loại máy sử dụng công nghệ rang hot air)

Máy rang cà phê thông thường (gia nhiệt trực tiếp)

Công nghệ rang gia nhiệt trực tiếp dựa trên nguyên lý rang thủ công là sự truyền nhiệt trực tiếp vào lồng rang giống như cách thực hiện rang trực tiếp trên chảo Đây là công nghệ phổ biến nhất trên thế giới bởi tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng vận hành không tốn nhiều thời gian Tuy nhiên, phương thức này có nhược điểm là thành phẩm cà phê không chín đều do lượng nhiệt không được phân bổ tối ưu

Hình 2.12: Máy rang cà phê thông thường

Máy rang cà phê công nghệ hot air

Đây là một công nghệ mới, hiện đại được nhiều hãng cà phê lớn trên thế giới sử dụng Bằng phương thức truyền nhiệt ngang qua lồng với công nghệ phân bố nhiệt độ đồng đều, từ đó tạo ra thành phẩm chất lượng tốt nhất Điều này làm cho các sản phẩm của thương hiệu độc quyền, khó bị nhầm lẫn được với các thương hiệu khác bởi mỗi bên đều có các công thức pha chế riêng

Hình 2.13: Máy rang cà phê công nghệ Hot air

Hiện nay, trên thị trường có 2 loại máy rang cà phê đó là máy rang cà phê mini và máy rang cà phê công nghiệp

Máy rang cà phê mini

Là những sản phẩm máy rang nhỏ, phù hợp với mục đích, nhu cầu sử dụng của các quán nhỏ có lượng khách hàng ít hoặc sử dụng cho các hộ gia đình Các sản phẩm máy rang mini thường có công suất tương đối nhỏ, phù hợp với số lượng ít từ 1 đến 5kg

Hình 2.14: Máy rang cà phê mini

Máy rang cà phê công nghiệp

Loại máy rang này là sản phẩm có công suất lớn, phù hợp với các quán cà phê có lượng khách lớn, nhu cầu sử dụng cao, các cơ sở phân phối cà phê, nhà hàng hay các resort lớn có mức tiêu thụ sản lượng cà phê rang cao Loại máy này thường có công suất thấp nhất từ 5 kg cho đến 100 kg Sử dụng loại máy này giúp mỗi lần rang được nhiều cà phê hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí rang Tuy nhiên, loại này sẽ khó vận hành hơn, đòi hỏi chuyên môn cao và kèm theo các hoạt động bảo trì, bảo dưỡng chặt chẽ để đem đến chất lượng hạt cà phê thành phẩm tốt nhất

Hình 2.15: Máy rang cà phê công nghiệp

2.6.2 Các loại máy xay cà phê

Hiện nay trên trên thị trường có rất nhiều loại máy xay cà phê từ tầm trung cho đến phân khúc cao cấp Tùy theo nhu cầu và nguyện vọng của mình mà có thể lựa chọn những loại máy xay dùng xay cà phê phù hợp

Trên thị trường có hai loại máy xay cà phê phổ biến: Máy xay hạt cà phê thủ công và máy xay hạt cà phê tự động

lực từ tay để xay ra thành phẩm