Nghiên cứu tạo chế phẩm rhizobium sp và bradyrhizobium sp trên nền chất mang bán rắn phục vụ cải tạo đất nông nghiệp

ỦY BANNHÂN NHÂNDÂN DÂN ỦY BAN CƠ QUAN CHỦ QUẢN THÀNH MINH THÀNHPHỐ PHỐHỒ HỒCHÍ CHÍ MINH TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT CƠ QUAN CHỦ TRÌ NHIỆM VỤ BỊ VÀ SỞ SỞ KHOA KHOA HỌC HỌC VÀ VÀ CÔNG CÔNG NGHỆ NGHỆ CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP CÁOCỨU TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆMBÁO VỤ NGHIÊN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN THUỐC VÀ Y CỤ TRONG BỆNH VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DÂY CHUYỀN (Đã chỉnh sửa theo kếtTEMPURA luận Hội đồng CHIÊN TÔM BÁN TỰnghiệm ĐỘNGthu ngày ) Chủ nhiệm nhiệm vụ: Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị Cơng nghệ Cơ khí Bách Khoa Chủ nhiệm nhiệm vụ: PGS.TS Võ Tường Quân TS Phạm Văn Anh Tp.HCM, 03/2022 Cơ quan chủ trì nhiệm vụ i PGS.TS Võ Tường Quân ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DÂY CHUYỀN CHIÊN TÔM TEMPURA BÁN TỰ ĐỘNG (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm thu ngày 27/04/2022) Chủ nhiệm nhiệm vụ PGS.TS Võ Tường Quân Cơ quan chủ trì nhiệm vụ Lâm Đào Anh Vũ ii Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị Cơng TĨM TẮT Ngày với sự phát triển mạnh mẽ khoa học và công nghệ, máy móc thiết bị gần có thể hoàn toàn thay thế cho phần toàn quá trình hoạt động sản xuất người và đồng thời tăng suất lao động lên gấp nhiều lần Vì vậy, việc phát triển hệ thống máy móc công nghệ đại công nghiệp ở Việt Nam là nhu cầu tất yếu và cần thiết Ở thời điểm tại, tôm chiên Tempura mặt hàng yêu chuộng thị trường Tuy nhiên, q trình sản x́t chế biến tơm chiên Tempura ở Việt Nam tại phụ thuộc nhiều vào sức người Dây chuyền chiên tôm Tempura bán tự động hệ thống giúp sản xuất tôm chiên Tempura đạt suất cao Sau đặt vào khuôn chiên bởi công nhân, tôm sẽ trải qua cơng đoạn sau: Chiên định hình tơm phủ lên tôm dung dịch bột hệ thống phun bột tự động Chiên kỹ hoàn toàn để tơm chín Hệ thớng dầu giúp loại bỏ phần dầu dư tôm lớp bột phủ Toàn dây chuyền sẽ chia thành module tương ứng:  Module 1: module định hình (chiên lần đầu) module phun bột  Module 2: module chiên hoàn thiện (chiên lần hai)  Module 3: module làm dầu Nội dung báo cáo tổng kết trình bày chương: Chương – Tổng quan Chương – Lựa chọn phương án Chương – Tính toán và thiết kế hệ thớng khí Chương – Tính toán và thiết kế hệ thớng điện Chương – Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển Chương – Mô Chương – Thực nghiệm và đánh giá kết quả Chương – Kết luận kiến nghị iii MỤC LỤC MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xv DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT xviii CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN Tổng quan 1.2 Đặt vấn đề 15 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 17 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 19 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế khí 19 2.2 Lựa chọn phương án thiết kế điện 30 2.3 Lựa chọn phương án điều khiển 35 2.4 Tổng kết các phương án 36 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 39 3.2 Tính tốn thiết kế khí cụm chiên lần 41 3.3 Tính tốn thiết kế khí cụm phun bột 52 3.4 Tính tốn thiết kế khí cụm chiên lần 61 3.5 Tính tốn thiết kế khí cụm 75 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 87 4.1 Tổng quan tiêu chí thiết kế hệ thớng điện 87 4.2 Tính tốn thiết kế mạch điện cho điện trở nhiệt 88 4.3 Thiết kế mạch điện cho động 104 4.4 Thiết kế mạch điện cho hệ thống phun bột 107 4.5 Tính tốn lựa chọn thiết bị điện 110 iv CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 123 5.1 Tổng qt quy trình hoạt động hệ thớng 123 5.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống 128 5.3 Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển động 132 5.4 Tính tốn thiết kế hệ thớng điều khiển nhiệt độ 136 5.5 Tính tốn thiết kế hệ thớng điều khiển khí nén 140 CHƯƠNG MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG CÁC BỘ PHẬN CHÍNH 143 6.1 Kiểm tra đánh giá thùng phun bột 143  Khảo sát dòng bột 143  Khảo sát thùng phun bột 149 Kết luận 152 6.2 Kiểm tra đánh giá hệ thống làm làm dầu tôm sau chiên 152 Khảo sát vận tớc gió nhiệt độ buồng làm 152 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 156 7.1 Lắp đặt hệ thống 156 7.2 Thực nghiệm 162 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 176 8.1 Kết luận 176 8.2 Kiến nghị 179 PHỤ LỤC 180 Phụ lục 1: Tính toán khí cụm chiên lần 180 Phụ lục 2: Tính toán khí cụm phun bột 197 Phụ lục 3: Tính toán khí băng tải chiên cụm chiên lần 205 Phụ lục 4: Tính toán băng tải trung chuyển thùng chiên 225 Phụ lục 5: Tính toán khí cụm 246 v Phụ lục 6: Bảng khảo nghiệm hệ thớng khí dây chuyền chiên tôm Tempura bán tự động 257 TÀI LIỆU THAM KHẢO 260 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Món ăn Tempura tôm Nhật Bản [1] Hình 1.2 Sản phẩm x́t năm 2020 [3] Hình 1.3 Quy trình chế biến tơm chiên Tempura tại nhà máy Hình 1.4 Công đoạn sơ chế tôm thực thủ công [4] Hình 1.5 Cơng đoạn phân loại tôm thực bán tự động [5] Hình 1.6 Cơng đoạn chiên tôm thực thủ công [6] Hình 1.7 Dây chuyền chiên tơm Henan Dabashan Automation Technology [9] Hình 1.8 Cụm định hình Super Multiformer [10] 11 Hình 1.9 Cụm định hình King Molder [10] 11 Hình 1.10 Cụm dầu Yanagiya Machinery [10] 12 Hình 1.11 Dây chuyền chiên tơm Tempura tự động Shandon Xindaxin Food Industrial Equipment Machinery Co., Ltd [11] 13 Hình 1.12 Dây chuyền chiên tơm Tsung Hsing Food Machinery Co., Ltd [12] 14 Hình 1.13 Tổng quát quy trình chiên tơm cụm tương ứng 18 Hình 2.1 Hệ thớng chiên tơm dựa vào dòng chảy dầu [13] 19 Hình 2.2 Hệ thớng chiên tơm dựa vào dòng chảy dầu [14] 20 Hình 2.3 Hệ thớng chiên tơm dẫn động khn chiên [15] 20 Hình 2.4 Hệ thống chiên tôm dẫn động khuôn chiên [16] 20 Hình 2.5 Dùng inox lấy tôm khỏi khuôn [16] 21 Hình 2.6 Cụm chiên sử dụng băng tải 24 Hình 2.7 Cụm chiên sử dụng hai băng tải 25 Hình 2.8 Hệ thớng rưới bột dọc tơm [17] 27 Hình 2.9 Hệ thớng rưới bột ngang tơm [18] 28 vii Hình 2.10 Đầu phun dạng hình nón [19] 28 Hình 2.11 Cơng tắc cảm biến mực nước điện cực [20] 33 Hình 2.12 Điện trở nhiệt pha [21] 34 Hình 2.13 Điện trở nhiệt pha dạng chữ U [22] 34 Hình 2.14 Sơ đồ hoạt động hệ thống 37 Hình 3.1 Sơ đồ khới tổng qt dây chuyền 39 Hình 3.2 Trình tự thiết kế khí cụm chiên lần 41 Hình 3.3 Hình ảnh mơ tả thiết kế khn chiên 43 Hình 3.4 Kết cấu dãy khuôn 43 Hình 3.5 Hệ thớng băng tải xích 44 Hình 3.6 Kích thước khuôn cho loại tôm trung bình 44 Hình 3.7 Khn chiên thực tế 45 Hình 3.8 Xích INOX KANA40SS-1 [25] 46 Hình 3.9 Phân bổ chớt xích và tay gá 47 Hình 3.10 Nhơng xích INOX 40B10 [25] 48 Hình 3.11 Mơ hình để tính ổn định cho trục [24] 50 Hình 3.12 Quy trình thiết kế khí cụm phun bột 52 Hình 3.13 Cơ chế đóng mở vịi phun bột 52 Hình 3.14 Khung gắn ty phun bột 53 Hình 3.15 Gioăng silicol [26] 54 Hình 3.16 Đầu phun bột khối đệm Teflon 54 Hình 3.17 Vỏ ty phun bột 55 Hình 3.18 Bớ trí thùng phun bột cụm 56 Hình 3.19 Biên dạng mặt cắt ngang thùng phun bột 57 viii Hình 3.20 Chân thùng phun bột 58 Hình 3.21 Xylanh khí nén AIRTAC TN [27] 58 Hình 3.22 Bảng tính lực đẩy xylanh khí nén AIRTAC TN [29] 59 Hình 3.23 Quy trình hoạt động cụm chiên lần 61 Hình 3.24 Quy trình thiết kế khí cụm chiên lần 61 Hình 3.25 Sơ đồ băng tải cụm 62 Hình 3.26 Sơ đồ động module băng tải 62 Hình 3.27 Lưới inox K2-20-25-3.0-2.6 [30] 63 Hình 3.28 Thơng sớ xích INOX KANA 40WA-2 [25] 64 Hình 3.29 Nhơng xích INOX 40B17 [31] 65 Hình 3.30 Thơng sớ xích INOX KANA 40SS [25] 69 Hình 3.31 Thiết kế khung cụm 72 Hình 3.32 Thiết kế cụm 72 Hình 3.33 Thiết kế cụm 73 Hình 3.34 Khung đỡ cụm 74 Hình 3.35 Quy trình thiết kế khí cụm 75 Hình 3.36 Sơ đồ động cụm 75 Hình 3.37 Bớ trí truyền xích (2) 76 Hình 3.38 Sơ đồ cụm 77 Hình 3.39 Xích tải lắp các ty đỡ [25] 78 Hình 3.40 Nguyên lý mắc băng tải lưới [30] 78 Hình 3.41 Băng tải lưới K2 hãng KANSAI [30] 79 Hình 3.42 Sơ đồ kích thước xích tải D-1 hãng Tsubaki [32] 80 Hình 3.43 Thiết kế sơ buồng làm 84 ix Hình 4.1 Quy trình thiết kế mạch điện cho hệ thớng 87 Hình 4.2 Sơ đồ khới mạch điện tồn hệ thớng 88 Hình 4.3 Khung hệ cụm 88 Hình 4.4 Hình cắt khung chiên cụm 90 Hình 4.5 Hình cắt khung chiên cụm 92 Hình 4.6 Khung ngồi cụm hai 94 Hình 4.7 Mơ hình buồng làm 97 Hình 4.8 Điện trở nhiệt buồng làm [35] 98 Hình 4.9 Nguyên lý hoạt động SSR 99 Hình 4.10 Cách đấu dây SSR DA 99 Hình 4.11 Sơ đồ động lực cụm nhỏ điện trở 100 Hình 4.12 Sơ đồ mạch điện điều khiển nhiệt độ PID AX4 [36] 100 Hình 4.13 Nguyên lý mạch điện trở cụm sử dụng SSR DD kết hợp nguồn ngồi 101 Hình 4.14 Sơ đồ kết nối AX4 thiết bị khác 102 Hình 4.15 Mạch điều khiển nút hệ thống điện trở 103 Hình 4.16 Các bước khởi động cụm điện trở 103 Hình 4.17 Các bước tắt cụm điện trở 103 Hình 4.18 Mạch động lực động 104 Hình 4.19 Nguyên lý relay bảo vệ pha 105 Hình 4.20 Mạch điều khiển contactor động 106 Hình 4.21 Quy trình khởi động động 106 Hình 4.22 Quy trình tắt động 106 Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý định thời AT8N [37] 107 Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý cảm biến mức [38] 107 x HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 THE DESIGN OF MODULE Operation principle of module 2: After the shrimps are covered with tempura batter and shaped fried in module 1, they will be transferred to module to complete the frying process Because the appropriate frying time applied for each shrimp size is different, the velocities of the conveyor must be controllable When all the cooking processes are done, shrimps will be moved to module to dry the oil Calculations for shrimp deep frying net: Based on the average dimension of shrimps which is 162*34 mm, the chosen mesh parameters of the belt conveyor are suggested to be smaller than the mentioned size of the shrimps in order to prevent them from falling through the net during the deep-frying process Furthermore, the pitch diameter of the net is chosen to be 13 mm to avoid the catenary sag, which is equivalent to the pitch diameter of KANA 40SS chain As a result, stainless net BL-13-2-6-S is used according to Kansai’s catalog Calculations for chain transmission for the conveyor: Based on the �eld experiment data, frying time needed in the second module is t = 120 seconds for the largest shrimp In order to maintain the distance between shrimps during the frying process, it is suggested to have seconds of gap time between each separated group of shrimp The average horizontal dimension of the shrimp is 32mm Safety coef�cient: 1.2 It can be calculated that: vc = 12.8 (mm/s): The minimum velocity of the conveyor, Lc =1843.2 (mm): The minimum distance between sprocket center, x ≈ 300 sprockets: Numbers of chain sprocket, a’ = 1841.5 (mm): center distance of the chain system In order to be able to deep frying shrimp, one side of the chain needs to be inclined to drown the shrimp in hot oil After calculating and stimulating, the added length of the chain is equal to 406.4mm, which is equivalent to 32 sprockets:  Fig.9 The overview of the chain ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 The above chain needs 332 sprockets, 42 bars used to push shrimps are connected to sprockets with the distance of each is equal to 101.6mm, which is enough to separate groups of shrimps The weight of components attached KANA 40SS chain: 2*2.656 kg been chosen above, the torque of the conveyor can be calculated to be T = 0.1175 Nm With R is a radius of the chain sprocket Based on the velocity of the conveyor v, rotational speed of the conveyor shaft can be calculated as: Due to the load is evenly distributed on the chain, the load is equal to M=14.2301 (Kg/m) With p = 800 kg/ m3, v = 0.00409 (m/s), CD = 2, given that the pushing bar has the plate shape, A = 0.0188 (m2) The drag force of oil is FD = 0.5283 (N) (2) The power needed on the shaft conveyor to counter the torque is: Calculating chain tension: F = 0.4086 (kN) With the acknowledgment of the average size of shrimps used for tempura frying is larger than others, the velocity of the conveyor is calculated based on the average frying time needed is v = 0.0409 m/s Calculate the motor power needed for the module II: Based on the pitch diameter that has (3) The total power needed: (4) Based on above values, the motor GH 18 100W 30 SB G3 has been chosen for module II Fig.10 The design of module ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 THE DESIGN OF MODULE Operation principle of module 3: When all the frying process has been �nished, the transfer conveyor will deliver shrimps to the module to clean excess cooking oil Then, the shrimps are packed and preserved The third module which is the oil draining module consists two main parts: (1) Mesh conveyor so it will allow oil to leak through and air circulation; (2) Industrial drying fan exclusively used for food with high power to separate the oil from the shrimp Fig.11 The design of module The conveyor width must be larger or equal to the module conveyor’s width to make sure that the shrimp will not only be overlapped and but also be able to dry better With the largest shrimp’s width is 240mm, the necessary width of the conveyor can be calculated is: W = 720 (mm) Including space between each shrimp is 60mm for convenience when it comes to detaching shrimp to dry by the worker, the space is chosen to be 920mm On average, there are shrimps come with this module every seconds, from the biggest shrimp’s size, to not be overlapped, the conveyor must have the minimum speed equal to: vmin = 0.08 (m/s) The time to dry the largest shrimp is suggested to be 25 seconds, note that this value can be exible depending on the heat drying system used, the width of the conveyor is: L= (m) For drying fan design, there are  variables, which include air temperature and ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 air displacement To decide which one is more optimal than the other, an experimental method is considered to apply By gathering data and comparing it with standard through these criteria: the mass of oil separated, the shrimp’s status after drying (color, shape, crunchy…) under different temperature and drying conditions As a result, the optimal solution for the drying cluster can be determined Besides that, this drying method also depends on input conditions, such as production speed, type of shrimp/powder solution/oil… Therefore, it has been suggested that the drying system should be connected to the PLC system to modify parameters continuously line to the shrimp processing industry will not only ensure quality, increase the productivity, but also optimize output cost through reducing traditional labor resources Because of that, this industry will develop with a much higher quantity and quality than before CONCLUSION [1] The semi-automation shrimp tempura frying production line is designed based on simple mechanical operating principles, which can bring bene�ts such as easy installation, operation, and maintenance, as well as providing the system stability Besides frying modules, the system also has a force oil draining module This helps to overcome the disadvantages of traditional manual frying and other frying systems in the market Previously, shrimp after drying is taken out and just leave that for it to be drained, which will lead to negative impacts on the �nal product quality (due to prolonged exposure to air) With a force oil draining module, shrimps can be put in the freezer right after leaving the line so that it can still maintain good quality when reaching consumers With this frying production line, the factory can not only increase productivity, but also reduce the number of workers and at the same time, the productivity will be way higher compared to conventional manual frying Therefore, the application of the semiautomation shrimp tempura frying production ISSN 2615 - 9910 Acknowledgment: This research is funded by the Ho Chi Minh City Department of Science and Technology (DOST) under contract number 115/2019/HĐ-QPTKHCN. References: M Solahudin, "Vaname (Litopenaeus vannamei) Shrimp Fry Counting Based on Image Processing Method," Earth and Environmental Science, no 147, 2017 [2] Don Banks, "Industrial Frying," Texas, Edible Oil Technology, pp 291-304 [3] R Rywotycki, "Food frying process control system," Journal of Food Engineering, pp 339-342, 2003 [4] H Conrad, "Thermally Activated," Journal Of Metals, 1964, pp 582-588 [5] M S Jellesen et al, "A review of metal release in the food industry," Materials and Corrosion, no 5, pp 387-393, 2006 [6] U.S Tsubaki,, in The complete guide to chain, North America, Australia, and Europe, Sachio Shimura, 1997, p 39 [7] H Wu et al, "Applied Thermal Engineering," Applied Thermal Engineering, no 51, pp 926-936, 2013 [8] D S R Kochhar, "«Security» in industrial frying processes," vol Vol 49, pp 296-302, 1998 [9] D G f F e (DGF), "Optimum deep-frying," 2012 [10] F M White, Fluid Mechanics, 7th ed., J L Jack P Holman, Ed., New York: McGrawHill, 2011 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 CONTROLLERS DESIGN FOR THE SEMI-AUTOMATION SHRIMPS TEMPURA FRYING PRODUCTION LINE THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO DÂY CHUYỀN CHIÊN TÔM TEMPURA BÁN TỰ ĐỘNG Trung Chanh Vo, Tran Thanh Cong Vu, Tuan Quan Vuong, Quang Minh Phan, Tan Dat Nguyen, Quang Long Le, Quoc Duong Le, Dinh Chien Quoc Le, Tuong Quan Vo Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, VNUHCM ABSTRACT The semi–automation Shrimps Tempura Frying production line is a system to help making the tempura shrimps with high productivity The workers simply put the shrimps into the series of chain frying molds and the system will automatically the remain process to make the completed tempura shrimps When shrimps are put into the chain frying molds by workers the shrimps will undergo three stages as follow: (1) Shaping shrimp and cover with powder solution by automatic powder solution spraying system; (2) Complete frying to make the shrimps to be cooked; (3) Oil draining system to remove the remain oil inside the shrimp and the powder cover The whole production line will be separated into main modules: Module 1: The shaping module (�rst time frying) and powder solution spraying module; Module 2: The cooked module (second time frying); Module 3: The oil draining module This paper will introduce about the control system for each module and the controller of the whole system to make a complete semi-automation shrimp tempura frying production line Keyword: Control system, semi – automation; tempura fried shrimp; powder solution, spraying system, temperature control, speed control TĨM TẮT Dây chuyền chiên tơm Tempura bán tự động hệ thống giúp sản xuất tôm Tempura đạt suất cao Công nhân cần cho tôm vào khuôn chiên theo dây chuyền hệ thống thực tất cơng đoạn cịn lại để tạo sản phẩm hoàn chỉnh Sau đặt vào khuôn chiên công nhân, tôm trải qua công đoạn sau: (1) Định hình tơm phủ lên tơm dung dịch bột hệ thống phun bột tự động; (2) Rán kĩ hoàn tồn để tơm chín đều; (3) Hệ thống dầu giúp loại bỏ phần dầu dư tôm lớp bột phủ Toàn dây chuyền chia thành module chính: Module 1: module định hình (chiên lần đầu) module phun bột; Module 2: module chiên hoàn thiện (chiên lần hai); Module 3: module làm dầu Bài viết trình bày hệ thống điều khiển module điều khiển toàn hệ thống để hoàn thiện dây chuyền chiên tơm Tempura bán tự động Từ khóa: Hệ thống điều khiển; Bán tự động; Tôm chiên Tempura; Dung dịch bột; Hệ thống phun;  Điều khiển nhiệt độ; Điều khiển tốc độ ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 INTRODUCTION According to Michael M Blumenthal, Deep – fat frying method is the most important unit operations in both the catering and food processing industries [10] This system fried shrimp by deep frying method, and this is not a new method, which been used in family food for a long time ago but only used in industrial and become an independent business since 1890s according to Don Banks [8] Don Banks also introduced zones or fryer area: (i) entry, (ii) case hardening, (iii) shape �rming, (iv) cooking, (v) �nish frying and (vi) takeout From this division area, we have main stages: zone (i) to (iii) can be called stage zone (iv) and (v) is the stage and zone (iv) is the stage Corresponding to main stages, the system has main functional modules that operate and controlled independently: �rst module frying and powder solution spaying, second time frying and oil draining To make the suitable for the whole system, the amount of powder solution spraying should be matched with the speed of the conveyors in module and module and also the fan capacity should be varied according to the type of shrimps The oil temperature in module and module are adjusted and maintained to match the requirement In this production line, the required temperature is about 1750C Besides, in module and 2, there should be an oil �lter system operating continuously to ensure the pure oil to be used for the frying system We need to design a control system which optimally satis�es above functions In this study, we suggest using a PID controller to control the temperature, solenoid valves to control powder solution injection and inverter for conveyor speed Those devices and others module function are connected to a PLC The most important function of controller design ISSN 2615 - 9910 for the frying line is the temperature and conveyor speed control The conventional PID controller has been applied to a wide variety of processes with varying degrees of success PID controllers generally perform best for processes characterized by linear, low-order dynamics Advanced control techniques have been studied for application in frying lines in order to optimize the criteria such as the ef�ciency, nutritive, taste, aesthetic values… According to Timothy A Haley et al, the Selftuning control may bene�t processes where a PID controller works well but requires frequent tuning to maintain acceptable control owing to the effect of immeasurable load disturbances, such as moisture variations in the feedstock of frying processes [1] Ryszard Rywotycki has also developed a fuzzy logic control system Fuzzy logic uses vague and imprecise expressions, such as: lower ef�ciency, lighter color, good consistency, etc The advantage of this system is the possible easy adjustment of the degree of food frying to individual customer preferences This control system is suitable for a universal automatic frying line with various raw material and desired properties of fried products matching individual client preferences [2] According to Don Banks, managing the feedstock requires little expense and pays large returns in both production ef�ciency and �nished product quality [3] For each shrimp size, the oil temperature and conveyor speed can be set up for optimal quality and then remain essentially unchanged throughout the entire production period This approach allows the system to operate ef�ciently with a simple controller while still meeting the customer's criteria With advances in digital technology, the science of automatic control now offers a wide spectrum of choices for control schemes However, more than 90% of industrial controllers are still implemented TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 based around PID algorithms, particularly at the lowest levels From the paper of Kiam Heong Ang with three terms functionally covering treatment to both transient and steady – state response PID control provides the simplest and most ef�cient solution to many real – word control problem [4] For this reason, PID is chosen to be the controller for the oil’s temperature With different types of shrimp need different temperature, because of that, the oil temperature is very important and controlling the temperature is not an easy problem In order to control the temperature of oil precisely the system need thermocouples that satisfy precision, time response, safety purpose From the paper of Olivier Vitrac et al., type K has been used in their research to measure the temperature during the deep frying process [5] These devices work quite effectively during the research and is proved suitablefordeep-fryingcontrolsystem.Because the fryer is too large for one thermocouple to detect, in paper of Olivier Vitrac et al., there are �ve thermocouples placed at different position and different depth and the value of oil’s temperature is the average value of �ve thermocouples In the paper about the effect of frying oil on deep – fried of Nagao Totani showed that oil used with high temperature too long has a negative effect on the food, can produce a lot of unhealthy chemicals [9] It is also the main reason for the unpalatability of the even though it is frozen immediately after fried, this is when the drain oil module involves GENERAL CONCEPT Fig.1 Flowchart for controlling shrimp frying machine ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn  HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 Fig.2 Flowchart of main program For each module the control system is designed separately for easy adjustment and control as in Fig.1 In each module there will be some parameters that need to be controlled in order to achieve best performance of the production line, in module 1: conveyor speed, oil temperature, powder solution spraying amount, oil �lter system In module 2, the control parameters are conveyor speed, oil temperature, oil �lter system And �nally, in module 3, the control parameters are conveyor speed, ow speed, and heating temperature The PLC will play a role in the main controller, which control all three systems and also the adjustment device In Fig.2, the main circuit control all electrical systems consist of ISSN 2615 - 9910 other electrical equipment: PLC, motor, CB, inverter, level sensor, photoelectric sensor, pump, solenoid, the second circuit includes two smaller circuits consist of Contactor, PID temperature controller, and thermal resistor All the electrical and control device will be communicated with each other by the main PLC There are four parts being controlled as: (1) Adjust the temperature through PID control and on/off the heat resistance; (2) Control the powder solution level and injection pressure to ensure that all the shrimp will have the same amount of powder solution; (3) Oil filter system (4) TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 Because the oil heat with different type of shrimps will not be the same, so the PLC will check on the temperature and the powder solution level to make sure the batter is enough to cover the product and the shrimp types CONTROLLER DESIGN FOR THE CONVEYOR SPEED The speed of motor drives the conveyor will be adjusted by worker through an inverter because which different type of shrimp there will be a different amount of time needed for high ef�ciency In addition, the conveyor belt for rolling shrimp from module to module is also controlled by inverters Fig.3 Circuit diagram of the inverter controlling 3-phase motors of the 1st powder solution injection assembly ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn  HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 In module 1, shrimps will be carried by conveyors, which is operated by separate motors Two motors will have same CB and contactor, but different inverters and potentiometers When the system operates both motors will be ON and can run at different speed which is adjusted by potentiometers connect to the inverters of each motor Choosing inverter: Because different types of shrimp need different amount of time to fry and that depend on the speed of the motor which is modi�ed through an inverter Some parameters for choosing inverter: Motor power: 0.75kWl; Power supply: – phase 380V; Choose LS – IG5A family is the most suitable for this system THE CONTROLLER DESIGN FOR MODULE In module 1, the main purpose is not completely frying the shrimps meet the standard, but to form the shape of the shrimp to the standard stature and cover the shrimp with powder solution to make the shrimp tempura Temperature control module: Fig.4 Flowchart of temperature control ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 a Choosing temperature control According to the paper of Lynn J Hubbard and Brian E Farkas the oil temperature effects a lot on the convective heat transfer during the immersion frying [6] However, because of the development of the control technology, the oil temperature now can be controlled precisely by PID control method b Heat resistance control Fig.5 Electric circuit of the heating resistance and the real control box This heat resistor system is responsible for providing heat for the entire amount of oil in the �rst frying module The heat will be provided by 12 resistors with a capacity of 1kW, the total capacity of 12kW The temperature controller will play a role in maintaining the oil’s temperature at the desired value, the controller will update the actual temperature in the oil tank through the K thermocouple probe In Fig.4, the desired heat level is from 1750C to 1950C, the controller will proceed to manage the opening and closing of the contacts of the semiconductor relay to turn ON/OFF the  electricity to the resistors ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 Experimental result for control temperature: In experiment, in order to reduce the consumed power for the factory and also to preserve the life cycle of the heating resistance The set of resistances is collected into one small set This means that, these resistances are activated at the same time In the real application in the factory, there are sets of resistance are powered at the same time Then, the oil tank with the volume of nearly 1200 liters will increase from the room temperature to the frying temperature at 1750C at about 1.5 hours The temperature of the oil tank is controlled by the AX4 Hanyoung Nux Temperature controller Fig.6 Flowchart of powder solution injection control Powder solution spraying controller: Maximum time injects powder solution for shrimp: t = 0.75s or t = 0.5s The Air pressures apply to the barrel is: p = 0.04kg/cm3 The liquid level sensor chosen for this system is ILMM 590 The proximity sensor using to active the spraying procedure is Omron E3Z – T61 The powder solution (batter) injection assembly's electrical system consists of parts: (1) Part 1: checks the powder level and alarms for workers to add more powder when the batter is out or lower than the standard level (2) Part 2: system receives the signal of the proximity sensor to signal the shrimp mold to activate the solenoid valve to move the compressed air cylinder to open the powder path to spray down the shrimp mold Fig.7 Control diagram of powder solution injection in module and the real control box ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 Experiential result of powder injection: In real experiment, the powder solution injection module is equipped in the real production line The primary experimental results are good and meet the standards of the factory The amount of the solution powder can easily change by setting the timer value A digital timer is used to decide the amount of the power solution to be injected on the shrimps THE CONTROLLER DESIGN FOR MODULE The main function of module is to deep fry the shrimp, Similar to the motor control system of module 1, two conveyors will be driven by motors with different inverters because different size of shrimp will need different frying time Fig.8 Circuit diagram of the inverter controlling two 3-phase motors of the second frying module ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn  HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 Similar to the operation of the motor control at the �rst frying module After CB is wiped, press the start button and the inverter enable switch to activate the motors, speed of the motor will be adjusted through the inverter CONTROLLER DESIGN FOR OIL DRAINING MODULE (MODULE 3) According to the paper of Timothy G Kemper, the residual oil inside fat and oil products has been noticed and people have many ways to extract oil out, from hand press extraction, hydraulic press for using a screw press to extract the oil [7] Module plays the role of driving shrimp through a high-capacity blower system to reduce fried oil in shrimp after frying Electric – Control system includes parts: (1) Electric: conveyor motor, drying fan system, with CBs, contactors, inverters; (2) Control: Conveyor motor speed control, drying fan motor speed control, and temperature control in drying fan system Using similar components and principles presented in 1st and 2nd module Fig.9 Circuit diagram of module and the real control box ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ, LẦN VI, NĂM 2021 Experimental result of oil draining module: In the factory, the tempura shrimps after cooked via two procedures by module and module They will be placed in the continuous stainless steel conveyor The wind chamber generates the hot wind directly onto the surface of the tempura shrimps This situation is called the forced draining oil process The oil inside the shrimps will be “pressed” by the wind pressure to move out of the shrimp This will keep the shrimps to be ready for the preservative step And, this also helps the shrimps not to contain much oil inside This will affect to the quality of the �nal product tempura shrimps CONCLUSION This paper has proposed the control system of three modules for the semi-auto shrimp Tempura production chain We established some signi�cant result For the oil issue, the temperature of oil can be determined and controlled through the AX4 PID control, the temperature control also avoids the oil not to be heated in a long period of time With three main modules: the shrimp will be deformed and covered with batter (fried �rst time), completely fried with standard quality (fried second time) and extracted most oil left inside the shrimp (oil drain) For the batter problem, now through the injection module the shrimp will be covered in the suitable amount of batter which will cause loss of aesthetics for not enough batter or burnt the outside but not enough ripe inside for too much batter For the control motor, with different type of shrimp we need a different speed of the motor, which is directly affected on the time shrimp is fried The inverter solved this problem which can control the speed of the motor lead to the speed of the conveyor and the time shrimp is fried For the oil inside shrimp after fried stage, with the drying fan system and the heat resistors the shrimp now able to avoid the bad oil condition caused by leaving the shrimps for too long even though it will be frozen before exported or delivered to assumption Acknowledgment: This research is funded by the Ho Chi Minh City Department of Science and Technology (DOST) under contract number 115/2019/HĐ-QPTKHCN. References: [1] Timothy A Haley, Steven J Mulvaney, “Advanced process control techniques for the food industry,Trends in Food Science & Technology”, Volume (6), Issue 4,1995,Pages 103-110,ISSN 0924-2244 [2] Ryszard Rywotycki, “Food frying process control system, Journal of Food Engineering”, Volume (59), Issue 4, 2003, Pages 339-342, ISSN 0260-8774, [3] Don Banks,14 - Industrial Frying, Editor(s): Michael D Erickson,Deep Frying (Second Edition), AOCS Press, 2007, Pages 291-304, ISBN 9781893997929 [4] Kiam Heong Ang, Greogy Chong, Yun Li, “PID control system analysis, design, and technology”, Volume (13) Pages 559-576, ISSN 1063 – 6536 [5] Olivier Vitrac, Gilles Trystram, Anne-Lucie Raoult-Wack, “Continuous measurement of convective heat ux during deep-frying: validation and application to inverse modeling, Journal of Food Engineering”, Volume (60), Issue 2, 2003, Pages 111-124, ISSN 0260-8774 [6] Lynn J Hubbard, Brian E Farkas, “In uence of oil temperature on convective heat transfer during immersion frying”, volume 24, Issue 2, 2007, Pages 143162, ISSN 1745 – 4549 [7] Timothy G Kemper, “oil extraction”, In Bailey’s Industrial Oil and Fat Products, F Shahidi (Ed.) [8] Don Banks, “Industrial frying”, Deep frying, Pages 291 – 304, 1996 [9] Nagao Totani, Chikako Ohno, and Ayako Yamaguchi, “Is the frying oil in deep – fried food safe?”, Volume (55), No 9, Pages 449 – 456, ISSN 1347 – 3352 [10] Michael M Blumenthal, and Richard F Stier, “Optimization of deep-fat frying operation”, volume (2), 1991, Pages 144 – 148, ISSN 0924 – 2244 ISSN 2615 - 9910 TẠP CHÍ CƠ KHÍ VIỆT NAM, Số đặc biệt tháng 12 năm 2021 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 