TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO MÔN HỌC DCS SCADA Đề tài Hệ thống điều khiển nhà nấu bia Giảng viên TS Đào Quý Thịnh Nhóm 18 Thành viên Họ và tên MSSV Nguyễn Văn Minh 20174064 Nguyễn Nhật Quân 20181705 Vương Đức Trung 20174290 Nguyễn Thế Duy 20173806 Hà Nội, 22022 Mục Lục LỜI CẢM ƠN 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NHÀ NẤU BIA 2 1 1 Thành phần 2 1 1 1 Gạo 2 1 1 2 Malt 2 1 1 3 Nấm men 3 1 1 4 Hoa hublon 3 1 1 5 Nước 4 1 2 Quy trình công nghệ 5 1 2 1 Công đoạn nghiền 5 1 2 2.
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NHÀ NẤU BIA
Thành phần
Nguyên liệu chính để sản xuất bia bao gồm malt và hoa hublon, cùng với các thành phần khác như gạo, nước (H2O) và men Để giảm chi phí sản xuất, malt có thể được thay thế bằng các nguyên liệu phụ như mì, gạo hoặc ngô Hiện nay, bia trên thế giới vẫn chủ yếu được sản xuất theo công thức cổ điển.
BIA được tạo thành từ MALT, HOA HUPBLON và NƯỚC Quy trình sản xuất được thực hiện dựa trên công nghệ tiên tiến, tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn và quy trình công nghệ của Việt Nam cũng như quốc tế.
Nguyên liệu phụ chiếm 30% trong thành phần sản xuất bia, được sử dụng để giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm Việc thay thế nguyên liệu này không chỉ giúp nâng cao mùi vị bia mà còn gia tăng khả năng bảo quản trong quá trình sản xuất.
Một phần malt được làm từ một số loại đại mạch chưa nảy mầm hoặc các loại ngũ cốc khác, giúp thay thế nguyên liệu nảy mầm Nhờ đó, bia thành phẩm có giá thành rẻ hơn, trong khi chất lượng bia không bị giảm đáng kể.
Malt, hay còn gọi là lúa mạch, là một loại hạt ngũ cốc chiếm 70% thành phần nguyên liệu trong sản xuất bia Thường được nhập khẩu từ nước ngoài, malt không chỉ đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất mà còn được sử dụng để tạo màu cho bia.
Nấm men trong sản xuất bia có khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng từ môi trường nước mạch, bao gồm đường hòa tan, hợp chất nitơ như axit amin, peptit, vitamin và các nguyên tố vi lượng qua màng tế bào Sau đó, các phản ứng sinh hóa diễn ra, đặc trưng bởi quá trình trao đổi chất, giúp chuyển hóa các chất này thành dạng cần thiết cho sự phát triển và lên men của nấm men.
Là thành phần làm nên hương vị cay, đắng cho bia.
Là 1 trong những nguyên liệu chính để sản xuất bia Trong thành phần bia nước chiếm từ 87% đến 90% Nước được dùng trong tất cả các công đoạn sản xuất bia Vì vậy mà thành phần và tính chất của nước ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm cuối cùng là bia Vì vậy nước sản xuất bia đều phải xử lý đạt yêu cầu trước khi đưa vào hệ thống.
Quy trình công nghệ
1.2.1 Công đoạn nghiền Đây là công đoạn đầu tiên trong quy trình nấu bia, nó thực hiện việc nghiền gạo và malt để tạo điều kiện cho các enzim hoạt động tốt nhất Giúp giảm kích thước hạt nguyên liệu, tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước
Giảm kích thước hạt nguyên liệu giúp tăng bề mặt tiếp xúc với nước, từ đó tăng cường sự xâm nhập của nước vào các thành phần chất nội nhũ Điều này thúc đẩy nhanh chóng quá trình đường hóa và các quá trình thủy phân diễn ra thuận lợi và triệt để hơn.
Hình 6: Quy trình công nghệ nấu bia
Có ba phương pháp nghiền chính: nghiền khô, nghiền có phun ẩm và nghiền kết hợp với nước Tại các nhà máy bia, phương pháp nghiền khô thường được sử dụng cho các loại malt.
- Trích ly các chất chiết từ malt và gạo và nước
- Góp phần tạo màu cho bia
Quá trình thủy phân các chất có phân tử lớn thành các phân tử nhỏ cung cấp dinh dưỡng cho nấm men phát triển Hệ enzyme tự nhiên trong malt đóng vai trò chính trong quá trình này, bên cạnh đó, có thể bổ sung thêm một lượng nhỏ chế phẩm enzyme để tăng cường hiệu quả.
Gạo được cho vào nồi nấu với tỷ lệ nước chiếm 2/3 thể tích nồi Hỗn hợp này được làm nóng lên 70-72 độ C trong 20 phút để thực hiện quá trình đường hóa, chủ yếu tạo ra maltose và dextrin Tiếp theo, nhiệt độ được nâng lên 83-85 độ C trong 15 phút để hồ hóa bột gạo Sau đó, dịch gạo được giảm xuống 72 độ C và bổ sung malt lót, giữ trong 15-20 phút để tinh bột gạo được dịch hóa hoàn toàn Cuối cùng, nhiệt độ được tăng lên 100 độ C trong 20 phút, sau đó cho nước lạnh vào và hạ nhiệt độ xuống 80 độ C.
Trong quá trình nấu gạo, đầu tiên tạo dịch malt ở nhiệt độ khoảng 52 độ C và giữ trong 20 phút Sau đó, cho dịch gạo vào nồi dịch malt ở cùng nhiệt độ, tạo hỗn hợp đạt 64 độ C và duy trì trong 40 phút Tiếp theo, tăng nhiệt độ lên 72 độ C và giữ trong 30 phút Cuối cùng, tăng nhiệt độ lên 76 độ C, giữ trong 5 phút trước khi bơm sang nồi lọc.
Quá trình chuyển đổi các thành phần chính của malt hoặc nguyên liệu thay thế thành các chất hòa tan trong nước được gọi là thủy phân, trong đó đường và acid amin đóng vai trò quan trọng Thuật ngữ "đường hóa" không hoàn toàn chính xác, vì quá trình này không chỉ liên quan đến việc tinh bột chuyển thành đường mà còn bao gồm protein hòa tan trong nước nha, ảnh hưởng đến chất lượng bia sau này.
Quá trình thủy phân protein và đường hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm nhiệt độ, pH và độ loãng của hỗn hợp thủy phân Việc điều chỉnh những yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quá trình thủy phân, nhằm đạt được kết quả nấu tốt nhất.
- Tách pha lỏng ra khỏi hỗn hợp để chuẩn bị cho quá trình tiếp theo, phần rắn phải loại bỏ ra ngoài
- Rửa bã để tận thu chất chiết còn xót lại trong bã Cách tiến hành - Thiết bị lọc là nồi lọc, đáy bằng với màng lọc là lớp bã.
- Trước khi tiến hành lọc, thiết bị lọc được rửa thật kĩ bằng nước.
Sau khi bơm cháo sang thiết bị lọc bằng bơm li tâm, hệ thống dao cào được hạ thấp và quay để dàn đều bã Sau khi bơm hết qua nồi lọc, hệ thống này được nâng lên và giữ yên khối cháo trong 30 phút để bã kết lắng, tạo thành lớp lọc Kết lắng diễn ra từ các phần tử nặng nhất đến nhẹ nhất, với lớp bùn trên cùng Dịch đường xả ra lúc đầu rất đục, cần bơm hồi lưu trở lại nồi lọc trong 15 phút cho đến khi dịch đường trong Sau khi lọc, bã malt được rửa bằng nước nóng từ 75-78 độ C, nhiệt độ này giúp tiếp tục đường hóa tinh bột đã hồ hóa Nếu nhiệt độ nước rửa thấp, tốc độ chảy chậm, kéo dài thời gian lọc và giảm hiệu quả trích ly Ngược lại, nếu nước rửa quá nóng, sẽ hồ hóa tinh bột còn lại, làm tăng độ nhớt và đục dịch đường Cuối cùng, dịch đường trong được bơm ngay sang thiết bị đun hoa hopblon.
1.2.4 Công đoạn nấu hoa Houblon
Chiết xuất chất đắng, tinh dầu thơm và các hợp chất chứa nitơ từ hoa hupblon cùng với dịch ngọt sẽ tạo ra một loại dịch đường mang vị đắng đặc trưng và hương thơm nhẹ nhàng của hoa.
- Vô hoạt enzyme, kết tủa protein kém bền nhiệt, làm tang độ bền keo và ổn định thành phần của dịch đường
- Thanh trùng dịch đường, góp phần tiêu diệt vi sinh vật cho dịch đường trước khi lên men
- Hình thành 1 số hợp chất có lợi có bia thành phẩm
Dịch đường ban đầu và dịch rửa bã được kết hợp trong thiết bị đun hoa, sau đó thêm caramen để tạo màu sắc hấp dẫn và CaCl2 để tăng cường hương vị.
Để đảm bảo nhiệt độ của dịch đường không hạ xuống dưới 70oC, ngay từ khi dịch đường đầu tiên chảy vào nồi đun hoa, cần phải cấp hơi vào để nâng nhiệt độ Khi lượng dịch còn ít, lượng hơi cấp vào cũng thấp, nhưng khi lượng dịch tăng dần, lượng hơi cấp vào cũng phải tăng theo.
Dịch đường không nên để nguội trong thời gian dài, vì điều này tạo điều kiện cho Oxi trong không khí tiếp xúc, dẫn đến phản ứng Oxi hóa và giảm chất lượng dịch đường Ngoài ra, cường độ đun sôi cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình này; cường độ đun sôi mạnh sẽ làm tăng lượng protein biến tính và keo tụ.
Sơ đồ công nghệ các nồi nấu
Nồi gạo sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức, mỗi thiết bị này đều có vai trò quan trọng trong quá trình nấu Chi tiết về chức năng và mục đích của các thiết bị này sẽ được trình bày trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Hình 7: Sơ đồ công nghệ nồi nấu gạo
Hình 8: Sơ đồ công nghệ nồi Malt
Nồi malt cũng giống như nồi gạo, sử dụng các thiết bị như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Hình 9: Sơ đồ công nghệ nồi Hoa
Trong nồi hoa, các thiết bị như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính và van khí nén đóng vai trò quan trọng Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Hình 10: Sơ đồ công nghệ nồi lọc
Trong nồi lọc, các thiết bị quan trọng như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức đóng vai trò thiết yếu Mỗi thiết bị này sẽ được giới thiệu chi tiết trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Lựa chọn thiết bị phần cứng
- Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt
- Mục đích : Khuấy hỗn hợp cháo yến mạch trong nồi gạo
- Thông số kỹ thuật chính:
+ Có đi kèm hộp giảm tốc Hình 11: Động cơ khuấy
- Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt, Lọc Mục đích: Bơm hỗn hợp cháo yến mạch từ nồi gạo sang nồi malt và bơm nước cho nồi gạo, malt, lọc.
+ Công suất 3 kW, 7.4A - Lưu lượng: 20 m3 /h
+ Áp suất: 0.5 bar đến 2.5 bar
+ Đường ống vào 50mm, đường ống ra 32mm
+ Lưu lượng: 0-270 m 3 /h Hình 12: Máy bơm dịch
- Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt, Hoa
- Mục đích : Van cấp hơi nước để gia nhiệt cho quá trình đun sôi hỗn hợp trong nồi gạo
- Loại : Van cầu điều khiển bằng khí nén KFM Germany
+ Nhiệt độ làm việc : -50oC đến 700oC
+ Áp suất làm việc : 0,8bar đến 8bar
+ Dòng vào : 4mA đến 20mA Hình 13: Van gia nhiệt
- Vị trí: Dùng ở nồi Gạo, Malt, Lọc, Hoa
- Mục đích: Đưa hỗn hợp cháo yến mạch từ nồi gạo sang nồi malt
- Loại: Van bướm điều khiển bằng khí nén CCO4
+ Nhiệt độ làm việc : 0oC đến 150oC
+ Dòng vào : 4mA đến 20mA Hình 14: Van khí nén
- Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt
- Mục đích : Đo nhiệt độ ở nồi gạo và nồi malt để gửi tín hiệu về bộ điều khiển
+ Điện áp làm việc : 18VDC đến 32 VDC
+ Đầu ra tương tự : 4mA đến 20mA
+ Dải đo : -250oC đến 550oC Hình 15: Cảm biến nhiệt độ
- Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt
- Mục đích : Xác định mức chất lỏng ở nồi gạo và nồi malt để gửi tín hiệu về bộ điều khiển
+Điện áp : 18VDC đến 30VDC
+Tín hiệu ra : chuyển đổi 2 kiểu tín hiệu open/close
+Thời gian đáp ứng: < 0.5s Hình 16: Cảm biến mức
Do có tổng 3 tín hiệu đầu vào là analog, còn lại là tín hiệu Digital nên nhóm em đã chọn PLC S7-1500 1512C – 1 PN
+ Có 5 cổng vào analog, 2 cổng ra analog
Model mở rộng AQ8 2xU/I ST_1 có 2 cổng ra analog.
MÔ HÌNH HÓA HÀM TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CÁC ĐỐI TƯỢNG
Mô hình hoá bằng lý thuyết
Mô hình của hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nồi có thể được mô tả như hình sau:
Hình 18: Mô hình nồi nấu trong nhà máy
Mô hình trên mô tả ảnh hưởng của mức độ mở van tới nhiệt độ nước Các giả thiết cho mô hình hệ thống trên:
- Tỷ trọng nước và nhiệt độ không đổi
- Khuấy trộn nước trong nồi là tối ưu
- Mức nước được giữ ổn định (lưu lượng vào=Lưu lượng ra).
- Diện tích mặt cắt ngang các nồi là không đổi
- Nhiệt độ nước đầu vào là không đổi
- Tổn thất nhiệt với môi trường xung quanh là rất nhỏ
Phương trình cân bằng vật chất: dV dt = Fi− Fo
Trong đó: Fi là lưu lượng nước vào
Fo là lưu lượng nước ra Giả sử A là tiết diện bề mặt cắt ngang của nồi, h là chiều cao mức nước có trong nồi Suy ra: V=A.h
Thay vào phương trình cân bằng vật chất ta được:
Phương trình cân bằng năng lượng: d (m Cp T ) dt = p.Cp Fi Ti− p Cp Fo T + Ke u
Trong đó: m: Khối lượng nước trong nồi Fi: Lưu lượng nước vào
Cp: Nhiệt năng của nước Fo: Lưu lượng nước ra
𝜌: Mật độ của nước Ti :Nhiệt độ nước vào
T: Nhiệt độ nước trong nồi Ke: hệ số khuếch đại nhiệt độ u :Áp suất hơi đầu ra của van tuyến tính
Trong quá trình đun nóng, không có lưu lượng nước ra, do đó Fo=0, h=const
Do đó phương trình (3.1) trở thành: p.Cp A h d (T ) dt = p.Cp Fi.Ti + Ke u
A h d (T ) dt = Fi.Ti+ Ke u p.Cp (3.2)
Giả sử lưu lượng và nhiệt độ vào không đổi: Fi=const; Ti=const
Thực hiện biến đổi laplace phương trình (3.2) ta có:
A h vào phương trình trên ta được:
Van điều khiển nhiệt độ có đặc tính quán tính bậc nhất với độ trễ, và hàm truyền của toàn bộ hệ thống điều khiển nhiệt độ nồi được xác định.
Việc xác định các thông số cho phương trình là một thách thức lớn, vì vậy chúng tôi đã áp dụng phương pháp thực nghiệm để đảm bảo xác định chính xác các thông số cần thiết.
Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ cho các nồi nấu
- Thêm nước vào nồi matl (theo quy trình công nghệ)
- Khi nồi gạo bắt đầu sôi, chạy động cơ khuấy với tốc độ 28 rpms
- Thêm matl đã được nghiền và enzyme Cereflo
- Tăng nhiệt độ lên 40ºC (trong khoảng thời gian 10-15 phút) -Giữ nhiệt độ ở 40ºC trong 10 phút ,tốc độ khuấy 14rpms
- Bơm cháo yến mạch lần 1 (trong khoảng 5 phút), sau đó, tăng nhiệt độ lên 52ºC
- Giữ nhiệt độ ở 52ºC trong 30 phút, tốc độ khuấy 14rpms Đo độ pH( pH= 5.4-5.6), thêm axit lactic nếu không đủ.
- Bơm cháo yến mạch lần 2 (trong khoảng 5 phút), sau đó, tăng nhiệt độ đến 64ºC
- Giữ nhiệt độ ở 64ºC trong 40 phút Đo độ pH (pH=5.4-5.6), thêm axit lactic nếu không đủ.
- Tăng nhiệt độ lên 74ºC (trong khoảng thời gian 15-20 phút), tốc độ khuấy 28rpms.
- Giữ nhiệt độ ở 74ºC trong 40 phút, tốc độ khuấy 14rpms
- Kiểm tra dung dịch đường hóa bằng iot-Tăng nhiệt độ lên 76ºC
- Sau khi nhiệt độ đã đủ 76ºC, đóng van hơi nước, và bơm dung dịch đến nồi lọc
Sau khi loại bỏ hoàn toàn dung dịch trong nồi matl, hãy thêm nước có nhiệt độ từ 76-80ºC để làm sạch nồi Tiến hành bơm nước để đẩy vào nồi lọc, sau đó thực hiện quy trình CIP cho nồi matl.
2.2.1.2 Mô hình hoá bằng thực nghiệm
Sử dụng Matlab Simulink để nhận dạng mô hình hệ thống, chúng em làm thí nghiệm trong vòng hở theo các bước sau đây:
Để hệ thống hoạt động ổn định, hãy chuyển sang chế độ làm việc bằng tay và điều chỉnh dần cho đến khi đạt được điểm làm việc ổn định Giả sử đầu ra của nồi ổn định tại y(t)=y(0) với đầu vào không đổi u(t)=u.
- Ở thời điểm đầu, thay đổi đầu vào nồi bằng tín hiệu bậc thang u từ 0 đến vô cùng
- Ghi đầu ra nồi cho đến điểm làm việc ổn định mới.
- Tính thông số mô hình
Xác định thông số mô hình bằng phương pháp kẻ tiếp tuyến:
Hình 19: Xác định thông số mô hình nồi Malt
Từ đồ thị (Hình 1-4) ta xác định được các thông số như sau:
- Hằng số thời gian: Ts
Vì tín hiệu vào mức mở van là 60% nên ta có:
60 =0.000217 Thử lại các thông số mô hình vừa xác định với matlab simulink:
Hình 20: Mô hình của nồi Malt trên matlab simulink
Kết quả mô phỏng ta có được đồ thị đáp ứng như sau:
Hình 21: So sánh đồ thị nhận dạng và thực tế của nồi Malt
Dựa trên đồ thị (Hình 1-6), có thể nhận thấy rằng đáp ứng quá độ của mô hình nhận dạng rất phù hợp với đáp ứng thực tế của nồi malt Do đó, các thông số mô hình thu được từ quá trình nhận dạng hệ thống hoàn toàn có thể được áp dụng để mô phỏng hiệu quả hệ thống nồi malt.
Ta có mô hình hàm truyền nồi malt:
2.2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ nồi malt
Hệ thống nồi malt là một hệ thống không ổn định, trong đó có nhiễu đo và hai biến quan trọng: một biến điều khiển là áp suất hơi sau van tuyến tính và một biến cần điều khiển là nhiệt độ nước trong nồi Do đó, chiến lược điều khiển phản hồi vòng đơn được lựa chọn để quản lý hiệu quả hệ thống nồi malt.
Lựa chọn bộ điều khiển:
+ Trong mô hình hàm truyền nồi malt có thành phần tích phân nên ta sẽ không sử dụng
Hàm truyền nồi malt có dạng khâu quán tính bậc nhất với độ trễ, giúp hệ thống đạt trạng thái ổn định mà không xảy ra dao động Quá trình tăng giảm nhiệt độ cũng mang tính quán tính và bị ảnh hưởng bởi nhiễu đo, vì vậy không cần thiết phải sử dụng khâu vi phân trong bộ điều khiển.
Vì vậy ta chọn bộ điều khiển P cho quá trình điều khiển nhiệt độ nồi malt
Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols 2 để xác định thông số cho bộ điều khiển P của nồi malt
Tăng hệ số khuếch đại Kp của bộ điều khiển P từ 0 đến Kth ta thu được đồ thị sau:
Hình 22: Tín hiệu ra của bộ điều khiển khi Kp=Kth
Từ đồ thị trên ta có: Kth64, Tth
Theo Ziegler-Nichols 2 ta có bộ điều khiển P với:
Hình 23: Mô hình bộ điều khiển P và nồi Malt trên matlab simulink
Sử dụng Matlab Simulink để xây dựng mô hình nồi malt kết hợp với bộ điều khiển P, chúng ta có thể thu được đồ thị phản ứng của nồi malt cùng với tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển, như thể hiện trong hình 1.
Hình 24: Đáp ứng quá độ của nồi Malt và tín hiệu điều khiển
Kết luận: Việc áp dụng bộ điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 cho thấy tín hiệu ra ổn định và bám sát tín hiệu chủ đạo mà không xảy ra dao động, giúp quá trình ổn định diễn ra nhanh chóng.
- Cấp nước vào nồi cháo theo quy trình công nghệ
- Bật cánh khuấy 28 vòng/phút
- Đổ gạo đã nghiền vào, trộn đều rồi cho enzym Termamyl
- Nâng nhiệt nồi cháo lên 860C ( khoảng 20 phút)
- Giữ nhiệt độ 860C trong 30 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút) Trong thời gian này hòa bột malt lót với nước để bổ sung
- Hạ nhiệt độ xuống 720C (trong khoảng 10 phút) bằng cách cho bột malt lót đã hòa nước ở trên và cấp thêm nước
- Giữ nhiệt độ 720C trong 20 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút).
- Nâng nhiệt độ nồi cháo lên 1000C (khoảng 25-30 phút) (tốc độ cánh khuấy 28 vòng/phút)
- Giữ nhiệt độ 1000C trong 30 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút)
Bơm cháo vào nồi malt được thực hiện qua hai giai đoạn: đầu tiên, nâng nhiệt độ nồi malt lên 52°C, sau đó tiếp tục nâng lên 64°C Trong quá trình này, cần tắt hơi nồi cháo, tăng tốc độ cánh khuấy lên 28 vòng/phút, mở van từ nồi gạo sang nồi malt và khởi động bơm để đảm bảo quá trình diễn ra hiệu quả.
- Sau khi bơm cháo sang nồi malt, cấp nước nóng 76-80oC tráng nồi cháo, bơm đẩy sang nồi malt rồi tiến hành CIP nước nóng nồi cháo.
2.2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ nồi Gạo+ Sử dụng phương pháp thực nghiệm tương tự nồi Malt, ta có mô hình nồi gạo là:
Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols 2:
-Thay thế bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển P với hệ số khuếch đại Kp
Tăng Kp từ 0 đến Kth
Ta có Kth = 180, Tth = 70, theo Ziegler-Nichols 2 ta có bộ điều khiển P
Hình 25: Mô hình bộ điều khiển P và nồi gạo trên matlab simulink
Hình 26: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P nồi gạo
- Đường màu xanh lá cây là giá trị đặt
- Đường màu xanh da trời là giá trị đáp ứng
Ta nhận thấy giá trị đáp ứng bám sát giá trị đặt và có sai số ở khoảng thời gian ngắn, có thể chấp nhận được
2.2.3 Quy trình vận hành nồi Hoa 2.2.3.1 Quy trình công nghệ
- Trước khi nhận dịch từ nồi lọc phải kiểm tra độ sạch, tráng lại nước nóng nồi hoa
- Dịch từ nồi lọc sang ngập bầu gia nhiệt thì tiến hành gia nhiệt
- Khi toàn bộ khối dịch bắt đầu sôi thì tính thời gian
- Sau sôi 10 phút, tắt hơi, gia cao CO2, trợ lắng, ZnCl2, caramel rồi tiếp tục đun sôi
- Sau sôi 30 phút, tắt hơi, gia hoa Premiant ( Hoa viên 9,1) rồi tiếp tục đun sôi
- Sau sôi 72 phút, tắt hơi, gia hoa Aroma ( Hoa viên 7,2) rồi đun nhẹ
- Sau sôi 80 phút thì tắt hơi, kết thúc đun sôi
- Bơm dịch sang nồi lắng xoáy
- CIP nước nóng nồi hoa để tránh bám cặn.
2.2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ nồi Hoa + Hàm truyền nồi Hoa
Sử dụng phương pháp tối ưu hóa mô hình nội
Theo tài liệu tham khảo ta có bộ thông số PID như sau:
Hình 27: Mô hình quá trình nồi hoa trong Matlab Simulink
Hình 28: Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P nồi Hoa Chú thích :
-Đường màu xanh lá cây là giá trị đặt
-Đường màu xanh da trời là giá trị đáp ứng
Ta nhận thấy giá trị đáp ứng bám sát giá trị đặt và có sai số ở khoảng thời gian ngắn, có thể chấp nhận được
Chương 3: Lập trình chương trình PLC
Từ quy trình sản xuất bia ta có lưu đồ thuật toán cho các quy trình công nghệ :
Hình 29: Lưu đồ công nghệ tổng quát
Hình 30: Lưu đồ thuật toán nồi gạo
Hình 31: Lưu đồ thuật toán nồi Malt
Hình 32: Lưu đồ thuật toán nồi lọc
Hình 33: Lưu đồ thuật toán nồi hoa
Hình 34: Lưu đồ thuật toán nồi lắng xoáy
(Thuật toán điều khiển nhóm em thao khảo tài liệu.)
3.2 Lập trình bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ Hiện nay ngoài phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID riêng cho van tuyến tính thì bộ điều khiển PID mềm xây dựng trong chương trình và chạy trực tiếp trên PLC được sử dụng rất nhiều Do tính tiện dụng, giảm được chi phí, kỹ sư lập trình dễ dàng thiết lập và cài đặt chương trình nên phương pháp này được sử dụng khá phổ biến Chính vì vậy em quyết định xây dựng bộ điều khiển PID mềm trên PLC S7-1500.
Hình 35: Lập trình bộ điều khiển pid điều khiển nhiệt độ + Setpoint : giá trị nhiệt độ mong muốn cần đạt đưuọc
+ Input : giá trị thực tế của nồi
Bộ PID điều chỉnh nhiệt độ của nồi đến giá trị Setpoint thông qua giá trị đáp ứng mà nó xuất ra Để thực hiện điều này, cần sử dụng 3 hàm move để gán lần lượt các thông số KP, KI và Kd mà người dùng đã nhập.
Tương tự với nồi Malt và nồi Hoa.
Hình 37: Nồi Malt 3.3 Lập trình toàn bộ chương trình
Hình 38: Phân công vào ra
- Phần code chương trình PLC được trình bày chi tiết tại phần phụ lục
Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển
Sơ đồ hệ thống
Hình 39: Sơ đồ khối hệ thống Hình trên là sơ đồ khối kết nối hệ thống giám sát và điều khiển, trong đó:
MS SQL Server là hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) của Microsoft.
MS SQL Server được thiết kế để thực hiện các chức năng cơ bản như lưu trữ dữ liệu, phục vụ cho nhu cầu sử dụng các phần mềm theo mô hình khách - chủ Nó có khả năng hoạt động trên một hoặc nhiều máy tính kết nối qua mạng Trong hệ thống này, SQL Server đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu từ giao diện WinformC#.
Winform, hay còn gọi là Windows Form, là một giải pháp phần mềm chạy trên nền tảng Windows, đặc biệt là trong Visual Studio 2019 Nó có chức năng hiển thị, giám sát và điều khiển hệ thống, đồng thời cho phép truy vấn dữ liệu từ SQL Server và gửi các dữ liệu quan trọng đến SQL Server.
4.1.3 KepServerEX Đây là bộ phận trung gian giúp kết nối giữa phần hiện trường (PLC) và giao diện giám sát (winforms C#)
4.1.4 PLCsim Phần mềm giúp mô phỏng hoạt động của PLC, giúp việc thiết kế chương trình trở nên thực tế hơn.
4.1.5 TiaPortalPhần mềm lập trình PLC, có chức năng xử lý, đọc, ghi dữ liệu tại cấp hiện trường.
Các giao diện và hướng dẫn sử dụng
Hình 41: Giao diện đăng nhập Trên giao diện đăng nhập phần mềm có:
Các vị trí điền thông tin tài khoản của người sử dụng.
Nhấn nút "đăng nhập" sau khi đã nhập đúng tài khoản và mật khẩu Nếu thông tin đăng nhập không chính xác, phần mềm sẽ thông báo lỗi về tài khoản hoặc mật khẩu.
Nút "Thoát" cho phép người dùng rời khỏi chương trình một cách dễ dàng Thông tin tài khoản của người sử dụng phần mềm được đăng ký và quản lý trong cơ sở dữ liệu, trong đó SQL Server được sử dụng làm nền tảng lưu trữ dữ liệu.
Hình 42: Cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin
Sau khi đăng nhập thành công bằng tài khoản và mật khẩu, người dùng sẽ được chuyển đến giao diện vận hành chính, nơi có các nút tương ứng với các chức năng cần thiết.
“Nồi gạo”: Mở giao diện giám sát của nồi Gạo.
“Nồi Hoa”: Mở giao diện giám sát của nồi Hoa.
“Nồi Lắng Xoáy”: Mở giao diện giám sát của nồi Lắng Xoáy.
“Nồi Malt”: giao diện giám sát của nồi Malt
“Nồi Lọc”: Mở giao diện giám sát của nồi Lọc.
“Cài đặt tài khoản”: mở giao diện cài đặt và giám sát tài khoản
Hình 44: Giao diện nồi gạo Giao diện này sẽ theo dõi trạng thái hoạt động của nồi gạo
“Quay lại” để quay lại giao diện chính
“Nồi Malt” là để chuyển sang giao diện nồi Malt.
“ Chi tiết” để vào xem các thông số chi tiết của nồi Gạo.
Dưới đây là giao diện chi tiết về giám sát nồi gạo.
“ Nhiệt độ”: Hiển thị nhiệt độ hiện tại của nồi.
“ Tốc độ”: Hiển thị tốc độ quay của cánh khuấy
“ Trạng thái” hiển thị nội dung “An toàn” hoặc cảnh báo “ Vượt ngưỡng an toàn” nhiệt độ của nồi
Cài đặt ngưỡng nhiệt độ cho phép là bước quan trọng trong quá trình gia nhiệt, giúp xác định mức nhiệt độ tối đa cho từng giai đoạn hoặc trong các tình huống phát sinh Để thực hiện, bạn chỉ cần nhập nhiệt độ mong muốn và nhấn Enter để hoàn tất cài đặt.
Nếu nhiệt độ vẫn ở mức an toàn thì sẽ hiển thị “An Toàn”
Nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép thì cảnh báo “ vượt ngưỡng an toàn”.
Để điều chỉnh thông số PID cho việc kiểm soát nhiệt độ nồi, bạn cần nhập các giá trị vào các ô tương ứng bên phải với các ký hiệu “KP”, “KI” và “KD” Sau khi điền xong, hãy nhấn nút để lưu thay đổi.
“Cập nhật” để cập nhật giá trị PID.
“Quay lại” để trở lại giao diện phía trước (Nồi gạo)
Hình 45: Chi tiết nồi gạo 4.3.4 Giao diện nồi Malt
“Quay lại” để quay lại giao diện chính.
“Nồi Malt” là để chuyển sang giao diện nồi Lọc.
“ Chi tiết” để vào xem các thông số chi tiết của nồi Malt.
Giao diện chi tiết nồi Malt cũng tương tự nồi gạo.
Hình 46: Giao diện nồi Malt
Hình 47: Chi tiết nồi Malt
Hình 48: Giao diện nồi Hoa
“Quay lại” để quay lại giao diện chính.
“Nồi Lắng Xoáy” là để chuyển sang giao diện “nồi Lắng xoáy”, tương tự là “Nồi Lọc”.
“Chi tiết” để vào xem các thông số chi tiết của nồi Hoa.
Giao diện chi tiết nồi Hoa cũng tương tự nồi Gạo và nồi Malt.
Hình 49: Chi tiết nồi hoa
“Quay lại” để quay lại giao diện chính.
“Nồi Hoa” là để chuyển sang giao diện “Nồi Hoa”, tương tự là “Nồi Malt”.
Hình 50: Giao diện nòi lọc Nồi này không cần điều khiển nhiệt độ nên không có các thông tin chi tiết.
4.3.7 Giao diện nồi lắng xoáy
Hình 51: Giao diện nồi lắng xoáy
“Quay lại” để quay lại giao diện chính.
“Nồi Hoa” là để chuyển sang giao diện “Nồi Hoa”.
Nồi này không cần điều khiển nhiệt độ nên không có các thông tin chi tiết.
4.3.8 Giao diện cài đặt tài khoản
Giao diện này có thể giúp thêm, xoá tài khoản hoặc đăng xuất kết thúc ca làm việc.
Hình 52: Giao diện dăng xuất
Kết quả
Giao diện giám sát nồi gạo
Hình 53: Giao diện giám sát nồi gạo
Nhóm em đã cải tiến mô hình toán học và điều chỉnh thông số PID để rút ngắn thời gian mô phỏng Kết quả là nhóm đã tạo ra đồ thị gia nhiệt cho nồi gạo, hiển thị các thông số như nhiệt độ, tốc độ cánh khuấy và cảnh báo, đồng thời cho phép thay đổi thông số PID Tương tự, nhóm cũng áp dụng những cải tiến này cho nồi Malt và nồi Hoa.
Giao diện giám sát nồi Malt
Hình 54: Giao diện giám sát nồi Malt
Kết quả giao diện nồi Hoa
Hình 55: Giao diện giám sát nồi hoa
Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép, có tín hiệu cảnh báo, đồng thời thời gian và nội dung cảnh báo này cũng được gửi về sql server
