Nhiệt độ ảnh hưởng then chốt đến nhiều quá trình vật lý, hóa học, sinh học và nhiều mặt trong đời sống của con người. Điều khiển nhiệt độ chính xác là bài toán cơ sở và rất quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động. Bài viết trình bày phương pháp xây dựng, điều khiển và giám sát hệ thống nấu sữa thực vật tự động.

Sữa sau khi nấu chín có thể giảm nhanh nhiệt độ để thuận lợi cho quá trình rót vào chai, hạn chế việc chờ sữa nguội, tốn thời gian và làm sữa dễ bị nhiễm khuẩn. Nên có thể thấy rằng việc điều khiển nhiệt độ chính xác là bài toán cơ sở và rất quan trọng.

Hiện nay, nhiều công ty khác nhau sản xuất các bộ nồi nấu đa dạng phục vụ nhu cầu buôn bán thực phẩm của các hộ kinh doanh như nồi nấu phở, nồi nấu cháo, nồi nấu sữa,… Đối với quy trình công nghệ nấu sữa đậu nành của VinaOrganic, đậu được cho vào máy xay đậu để tách bã và dung dịch sữa thu được sẽ đi vào bồn gia nhiệt. Nhiệt độ tại bồn này được thiết lập bằng núm xoay và được duy trì thông qua thuật toán điều khiển ON/OFF đối với bồn gia nhiệt. Van và bơm được bật thủ công để bơm dung dịch đã nấu xong lên bồn chứa.

Internet đang ngày càng mở rộng với những khái niệm như công nghệ số, IoT (Internet of things), cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 (Lu, 2017; Kalsoom et al., 2021) đã và đang ảnh hưởng rất nhiều đến lĩnh vực tự động hóa ở nước ta hiện nay. Việc giám sát và điều khiển hệ thống từ xa qua điện thoại thông minh, máy tính bảng hay qua các trình duyệt web đang ngày càng phổ biến. Trong đó, ứng dụng hệ thống giám sát điều khiển SCADA từ xa cho dây chuyền sản xuất là một trong những công cụ hỗ trợ thiết thực cho các công ty trong việc điều hành hệ thống sản xuất.

việc áp dụng những kiến thức lý thuyết kết hợp với xu hướng phát triển của thời đại để giải quyết, cải thiện một vấn đề thực tiễn là việc làm luôn cần thiết. Do vậy, một hệ thống nấu sữa thực vật tự động đã được xây dựng theo quy trình công nghệ cùng với giao diện điều khiển giám sát trực quan sử dụng mạng nội bộ (LAN). Mô hình toán của quá trình gia nhiệt được rút ra bằng phương pháp nhận dạng hệ thống. Đây là cơ sở để tính toán thông số điều khiển cho thuật toán PID nhằm kiểm soát nhiệt độ nấu sữa của hệ thống. Kết quả cho thấy sự tương đồng giữa mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm trong điều khiển nhiệt độ. Hệ thống hoạt động tự động, ổn định và chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu.

Mô hình hệ thống nấu sữa thực vật tự động được xây dựng với 03 thành phần chính gồm (a) hệ thống bồn gia nhiệt, bồn làm nguội, bồn chứa dung môi làm lạnh, (b) tủ điều khiển và (c) giao diện điều khiển.

Phần mềm Solidworks được ứng dụng để thiết kế mô hình 3D cho hệ thống, từ đó tiến hành gia công phần cứng, lắp đặt thiết bị, xây dựng chương trình điều khiển và giám sát (SCADA). Phương pháp kẻ tiếp tuyến để nhận dạng hệ thống và phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC-internal model control) được sử dụng để chỉnh định bộ điều khiển PID áp dụng vào điều khiển nhiệt độ của hệ thống.

Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ sữa ổn định tại giá trị đặt (90oC) sau 45 phút với sai số xác lập trong khoảng 2^oC. Kết quả này tương đương với kết quả mô phỏng từ mô hình động học với thời gian xác lập 45 phút và sai số xác lập khoảng 1^oC. Sản phẩm sau khi nấu và làm nguội hoàn toàn sử dụng được. Như vậy, mô hình đã xây dựng cơ bản đáp ứng được các yêu cầu quy trình công nghệ của một hệ thống nấu sữa thực vật tự động.