BÁO cáo môn học DCS SCADA đề tài hệ thống điều khiển nhà nấu bia

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NHÀ NẤU BIA

Thành phần

Nguyên liệu chính để sản xuất bia bao gồm gạo, malt, nước (H2O), men và hoa hop Trong đó, malt và hoa hop là hai thành phần quan trọng nhất Để tiết kiệm 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 quy trình công nghệ và tiêu chuẩn chất lượng 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 cải thiện thành phần dịch chiết mà còn nâng cao hương vị của bia, đồng thời đảm bảo khả năng bảo quản lâu dài trong quá trình sản xuất.

Một phần malt có thể được thay thế bằng một số loại đại mạch chưa nảy mầm hoặc các loại ngũ cốc khác, giúp giảm chi phí sản xuất bia mà chất lượng bia thành phẩm chỉ giảm không đáng kể.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Malt, hay còn gọi là lúa mạch, là loại hạt ngũ cốc quan trọng, chiếm 70% nguyên liệu sản xuất bia Loại hạt này thường được nhập khẩu từ nước ngoài và còn được sử dụng để tạo màu cho các sản phẩm thực phẩm.

Hình 2: Lúa mạch (Malt) bia.

Nấm men trong sản xuất bia có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng từ nước mạch, bao gồm đường hòa tan, axit amin, peptit, vitamin và nguyên tố vi lượng qua màng tế bào Sau đó, nấm men thực hiện các phản ứng sinh hóa, đặc trưng bởi quá trình trao đổi chất, để chuyển hóa các chất này thành dạng cần thiết cho sự phát triển và quá trình lên 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

Hình 6: Quy trình công nghệ nấu bia

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 diện tích tiếp xúc với nước, từ đó cải thiện khả năng 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 hiệu quả hơn.

Có ba phương pháp nghiền chính: nghiền khô, nghiền có phun ẩm và nghiền với nước Tại các nhà máy bia, phương pháp nghiền khô được ưa chuộng cho các loại malt.

- Trích ly các chất chiết từ malt và gạo và nước - Góp phần tạo màu cho bia.

Thủy phân các chất có phân tử lớn thành những phân tử nhỏ hơn là cần thiết để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men phát triển Quá trình này chủ yếu diễn ra nhờ vào hệ enzyme tự nhiên có trong malt, và 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, sau đó được tăng nhiệt lên 70-72 độ C trong 20 phút để thực hiện quá trình đường hóa, 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 khi hạ nhiệt xuống 72 độ C, thêm malt lót vào và 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 thêm nước lạnh và hạ nhiệt xuống 80 độ C.

Trong quá trình nấu gạo, cần 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 52 độ C, tạo ra hỗn hợp với nhiệt độ 64 độ C và giữ 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" thường không đầy đủ, vì quá trình này không chỉ liên quan đến việc tinh bột biến thành đường mà còn ảnh hưởng đến protein trong nước nha, và tỷ lệ này sẽ quyết định chất lượng bia cuối cùng.

Quá trình thủy phân protein và đường hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, đặc biệt là 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 xong, hệ thống này được nâng lên và giữ nguyên khối cháo trong 30 phút để bã kết lắng tạo thành lớp lọc Quá trình kết lắng diễn ra từ các phần tử nặng nhất đến nhẹ nhất, hình thành lớp bùn trên Dịch đường xả ra lúc đầu rất đục, cần phải bơm hồi lưu trở lại nồi lọc trong 15 phút cho đến khi dịch đường bắt đầu trong Sau khi lọc xong, bã malt được rửa bằng nước nóng ở nhiệt độ 75-78 độ C, giúp tiếp tục đường hóa tinh bột đã hồ hóa Nhiệt độ nước rửa thấp sẽ làm chậm tốc độ chảy và giảm hiệu quả trích ly, trong khi nhiệt độ cao có thể hồ hóa tinh bột còn lại, làm tăng độ nhớt và kéo dài thời gian rửa bã, dẫn đến dịch đường bị đục Cuối cùng, dịch đường trong được bơm ngay sang thiết bị đun hoa hopblon.

1.2.4 Công đoạn nấu hoa Houblon

Trích xuất các hợp chất từ hoa hupblon, bao gồm chất đắng, tinh dầu thơm, và các hợp chất chứa nitơ, kết hợp với dịch ngọt để tạo ra dịch đường mang vị đắng 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 Cách tiến hành:

Dịch đường ban đầu và dịch rửa bã được kết hợp trong thiết bị đun hoa, sau đó thêm caramen để tạo màu sắc 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 cấp hơi vào để nâng nhiệt độ Lượng hơi cấp vào sẽ thấp khi lượng dịch còn ít, và sẽ tăng dần theo sự gia tăng của lượng dịch.

Dịch đường không nên để nguội trong thời gian dài trong quá trình sản xuất, vì điều này sẽ tạo cơ hội cho Oxi trong không khí tiếp xúc với đường, dẫn đến phản ứng Oxi hóa và giảm chất lượng của dịch đường Cường độ đun sôi cũng đóng vai trò quan trọng, khi cường độ đun sôi càng mạnh, lượng protein biến tính và keo tụ sẽ tăng lên.

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, với mỗi thiết bị đóng vai trò quan trọng trong quá trình nấu Chi tiết về mục đích và chức năng của các thiết bị này sẽ được trình bày rõ ràng 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 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, mỗi thiết bị đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất 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 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 của từng thiết bị này sẽ được trình bày cụ thể 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 đều 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

- 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

- 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

- 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: dVdt =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.

Thay vào phương trình cân bằng vật chất ta được:

Phương trình cân bằng năng lượng: d (m Cp T )

=p Cp Fi Ti− p Cp Fo T + Ke u dt

Trong đó: m: Khối lượng nước trong nồi Fi: Lưu lượng nước vào.

C p : Nhiệt năng của nước Fo: Lưu lượng nước ra. : Mật độ của nước T i :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 )

= p Cp Fi Ti+Ke u dt

 A h d (T ) =Fi Ti+ Ke u dt p Cp

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:

Thay K= p Cp vào phương trình trên ta được:

Van điều khiển nhiệt độ có đặc tính quán tính bậc nhất với độ trễ, do đó hàm truyền cho toàn bộ hệ thống điều khiển nhiệt độ nồi cần được xác định chính xác.

Trong thực tế, việc xác định các thông số trên gặp nhiều khó khăn, do đó phương pháp thực nghiệm được áp dụng để xác định chính xác thông số cho phương trình, đảm bảo độ tin cậy và chính xác cao.

Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ cho các nồi nấu

2.2.1.1 Quy trình công nghệ Bước 1

- 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 Bước 3

- Sau khi nhiệt độ đã đủ 76ºC, đóng van hơi nước, và bơm dung dịch đến nồi lọc Bước 4

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 thiết lập hệ thống ở chế độ làm việc bằng tay, cần đưa dần hệ thống tới điểm làm việc ổn định Giả sử đầu ra của nồi ổn định tại y(t) = y(0) với một 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:

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 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 có thể được áp dụng hiệu quả trong việc mô phỏng 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

Nồi malt là một hệ thống không ổn định, với nhiễu đo và hai biến: áp suất hơi sau van tuyến tính là biến điều khiển và nhiệt độ nước trong nồi là biến cần điều khiển Do đó, chiến lược điều khiển phản hồi vòng đơn được lựa chọn cho 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 khâu tích phân trong bộ điều khiển.

Hàm truyền nồi malt là một hệ thống điều khiển có dạng khâu quán tính bậc nhất với độ trễ, cho phép đạt được trạng thái ổn định mà không xảy ra dao động Quá trình điều chỉnh nhiệt độ của nồi malt cũng mang tính quán tính và chịu ảnh hưởng từ 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 với bộ điều khiển P, chúng ta có thể thu được đồ thị đáp 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 đầu ra ổn định và bám sát tín hiệu chủ đạo mà không có hiện tượng dao động, đồng thời quá trình đạt được sự ổn định diễn ra nhanh chóng.

Tuy còn tồn tại sai lệch tĩnh nhưng nằm trong giới hạn cho phép (khoảng 0.3˚C).

- 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 Bước 2:

- 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) Bước 3:

Trong quy trình sản xuất, bơm cháo sang nồi malt được thực hiện qua hai giai đoạn: đầu tiên là nâng nhiệt nồi malt lên 52°C, sau đó lên 64°C Khi thực hiện, cần tắt hơi nồi cháo, tăng tốc độ cánh khuấy lên 28 vòng/phút, mở van từ nồi gạo sang nồi malt và bật 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 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.

2.2.3 Quy trình vận hành nồi Hoa 2.2.3.1 Quy trình công nghệ Bước 1

- Trước khi nhận dịch từ nồi lọc phải kiểm tra độ sạch, tráng lại nước nóng nồi hoa Bước 2

- 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 CO 2 , trợ lắng, ZnCl 2 , 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 Bước 3:

- Bơm dịch sang nồi lắng xoáy Bước 4:

- 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.

Lập trình chương trình PLC

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 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 lưu trữ cơ sở dữ liệu được truyền từ giao diện Winform C#.

Winform, hay còn gọi là Windows Form, là một giải pháp chạy trên nền tảng Windows, đặc biệt là trong phần mềm 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.

Kết nối giao diện với PLC

Hình 40: Khao báo các tag trung gian

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.

Để đăng nhập, hãy nhấn nút "đăng nhập" sau khi điền đúng tài khoản và mật khẩu Nếu thông tin đăng nhập không chính xác, phần mềm sẽ thông báo lỗi tài khoản hoặc mật khẩu không đúng.

Để thoát khỏi chương trình, hãy nhấn nút "Thoát" Thông tin tài khoản người dùng phần mềm được đăng ký và quản lý trong cơ sở dữ liệu, sử dụng SQL Server làm nền tảng.

Hình 42: Cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin

Sau khi đăng nhập thành công với tài khoản và mật khẩu, người dùng sẽ được chuyển đến giao diện vận hành chính, nơi hiển thị các nút chức năng tương ứng.

“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" cho phép người dùng thiết lập nhiệt độ tối đa trong quá trình gia nhiệt hoặc trong các tình huống phát sinh Để hoàn tất, hãy nhập nhiệt độ mong muốn và nhấn Enter.

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, hãy nhập các giá trị vào các ô tương ứng bên phải "KP", "KI", và "KD" Sau khi đã nhập xong, bạn cần nhấn nút để xác nhận 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

“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

“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

“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

Để rút ngắn thời gian mô phỏng, nhóm đã điều chỉnh mô hình toán học và tối ưu hóa các thông số PID Kết quả là nhóm đã thành công trong việc vẽ đồ thị gia nhiệt cho nồi.

Tải TIEU LUAN MOI tại địa chỉ skknchat@gmail.com để nhận thông tin về gạo, hiển thị nhiệt độ, tốc độ cánh khuấy, cũng như cảnh báo và thay đổi thông số PID Tương tự, thông tin này cũng áp dụng cho hai nồi là 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

Hình 56: Kết quả cảnh báo

Tiêu đề	Hệ thống điều khiển nhà nấu bia
Tác giả	Nguyễn Văn Minh, Nguyễn Nhật Quân, Vương Đức Trung, Nguyễn Thế Duy
Người hướng dẫn	TS. Đào Quý Thịnh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Điện
Thể loại	báo cáo
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	3,13 MB