GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NHÀ NẤU BIA
Thành phần
Nguyên liệu để dùng để sản xuất bia bao gồm: gạo, malt, H2O, men, hoa hupblon. Trong đó hai nguyên liệu chính dùng để sản xuất bia là malt và hoa hupblon Ngoài ra có thể thay thế malt bằng nguyên liệu phụ như một mì, gạo ngô để giảm chi phí sản xuất Cho đến nay bia trên thế giới được sản xuất chủ yếu với công thức cổ điển:
BIA = MALT + HOA HUPBLON + NƯỚC Việc sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ tiên tiến và tuân theo nghiêm ngặt các quy trình công nghệ cũng như các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới.
Chỉ là nguyên liệu phụ chiếm 30% thành phần nguyên liệu sản xuất bia Đây là nguyên liệu được sử dụng để thay thế nhằm giảm chi phí sản xuất, cải thiện thành phần dịch chiết, cải thiện mùi vị bia, và để bảo quản được lâu dài trong quá trình sản xuất người ta thay thế
1 phần malt bằng 1 số loại đại mạch chưa được nảy mầm hoặc các loại ngũ cốc khác thay thế nguyên liệu nảy mầm Nhờ thế mà ta thu được bia thành phẩm với giá rẻ hơn, chất lượng bia thành phẩm giảm không đáng kể.
Là loại hạt ngũ cốc hay thường gọi là lúa mạch Chiếm 70% thành phần nguyên liệu sản xuất bia và thường được nhập khẩu từ nước ngoài,malt còn được dùng để tạo màu cho
Hình 2: Lúa mạch (Malt) bia.
Nấm men dung trong sản xuất bia có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng trong môi trường nước mạch nhà như loại đường hòa tan, các hợp chất nitơ như axit amin, peptit, vitamin, và các nguyên tố vi lượng qua màng tế bào Sau đó hang loạt các phản ứng sinh hóa mà đặc trưng là quá trình trao đổi chất để chuyến hóa các chất này thành những dạng cần thiết cho quá trình phát triển và lên men của nấm men được tiến hành.
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
- Giúp giảm kích thước hạt nguyên liệu , tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần chất nội nhũ nhanh hơn thúc đẩy quá trình đường hóa và các quá trình thủy phân xẩy ra thuận lợi và triệt để hơn.
- Có 3 phương pháp nghiền: nghiền ở trạng thái khô, nghiền có phun ẩm và nghiền cùng với nước Ở nhà máy bia sử dụng phương pháp nghiền khô cho các loại malt.
- Trích ly các chất chiết từ malt và gạo và nước - Góp phần tạo màu cho bia.
- Thủy phân một số chất có phân tử lớn thành các chất phân tử lượng nhỏ để cung cấp chất dinh dưỡng cho nấm men phát triển Qúa trình thủy phân này chủ yếu nhờ hệ enzyme có sẵn trong malt, ngoài ra có thể bổ xung thêm một lượng nhỏ chế phẩm enzyme.
- Gạo được bơm vào nồi nấu gạo, hỗn hợp gạo nước chiếm thể tích 2/3 nồi nấu Hỗn hợp này được tăng nhiệt độ lên khoảng 70-72 độ C và giữ trong thời gian 20 phút để thực hiện quá trình đường hóa, lúc này chủ yếu cho loại đường maltose và dextrin Tiếp tục tăng nhiệt độ lên 83-85 độ C và giữ trong thời gian 15 phút để thực hiện quá trình hồ hóa bột gạo Sau đó dịch gạo được hạ xuống 72 độ C rồi bổ xung malt lót vào, giữ trong khoảng 15-20 phút để dịch hóa hoàn toàn tinh bột gạo Sau đó tăng nhiệt độ lên 100 độ C trong 20 phút , rồi cho nước lạnh vào và hạ nhiệt độ xuống 80 độ C.
- Trong thời gian nấu gạo, tạo dịch malt có nhiệt độ khoảng 52 độ C, giữ ở nhiệt độ này khoảng 20 phút, sau đó cho dịch gạo vào nồi dịch malt ở 52 độ C tạo ra hỗn hợp nhiệt độ 64 độ C , giữ nhiệt độ này trong khoảng 40 phút sau đó tăng nhiệt độ lên 72 độ C, giữ trong 30 phút Cuối cùng tăng nhiệt độ lên 76 độ C ,giữ trong 5 phút rồi bơm sang nồi lọc.
- Qúa trình chuyển các thành phần chính của malt hoặc nguyên liệu thay thế thành các chất hòa tan vào trong nước được gọi là quá trình thủy phân Trong đó quan trọng nhất là các loại đường và acid amin Người ta gọi quá trình đường hóa thì vẫn chưa đủ, vì khâu này không chỉ tinh bột biến thành đường mà con protein trong nước nha và tỉ lệ đó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bia sau này.
- Qúa trình thủy phân thủy phân protein và đường hóa phụ thuộc vào nhiều nhân tố, đặc biệt là nhiệt độ, pH và độ loãng hỗn hợp thủy phân Người ta dựa vào các nhân tố này để điều chỉnh quá trình thủy phân theo hướng 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 đó, bơm cháo sang thiết bị lọc bằng bơm li tâm Trong thời gian bơm cháo, hệ thống dao cào được hạ thấp và cho quay để dàn đều bã trên mặt đáy sau khi bơm hết qua nồi lọc thì hệ thống này được nâng lên và để yên khối cháo trong 30 phút để bã kết lắng tạo thành lớp lọc Kết lắng đầu tiên là các phần tử nặng nhất, kết lắng cuối cùng là những phần tử nhẹ nhất, có kích thước nhỏ nhất và lớp này gọi là bùn trên - Dịch đường xả ra lúc đầu còn rất đục, ta phải bơm hồi lưu trở lại nồi lọc Qúa trình bơm hồi lưu kéo dài 15 phút, sau đó thì dịch đường bắt đầu trong - Sau khi lọc xong bã malt được rửa bằng nước nóng 75- 78 độ C. Ở nhiệt độ này thích hợp cho việc tiếp tục đường hóa lượng tinh bột đã được hồ hóa ở giai đoạn đun sôi - Nếu nhiệt độ của nước rửa thấp hơn thì tốc độ chảy của dịch rửa bã chậm, kéo dài thời gian lọc và hiệu quả trích ly chất chiết thấp Nếu nhiệt độ của nước rửa cao thì sẽ hồ hóa tinh bột còn xót lại trong bã,làm tăng độ nhớt của dịch rửa bã, kéo dài thời gian rửa bã và đây cũng là nguyên nhân làm đục dịch đường - Dịch đường trong được bơm ngay sang thiết bị đun hoa hupblon.
1.2.4 Công đoạn nấu hoa Houblon
- Trích lấy chất đắng, tinh dầu thơm, các hợp chất chứa nitơ và các thành phần khác của hoa hupblon và dịch ngọt để biến đổi nó thành dịch đường có vị đắng và hương thơm dịu 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 trộn lẫn với nhau trong thiết bị đun hoa, sau đó bổ sung thêm caramen để tạo màu, CaCl2 để tạo vị.
- Một yêu cầu luôn phải đảm bảo đó là không để nhiệt độ của dịch đường hạ xuống dưới 70oC Để đảm bảo yêu cầu này ngay từ dịch đường đầu tiên chảy vào nồi đun hoa là phải cấp hơi vào để nâng nhiệt độ chúng lên Lúc đầu lượng dịch còn ít thì lượng hơi cấp vào cũng thấp Khi lượng dịch tăng dần thì lượng hơi cấp vào cũng tang dần lên.
- Để dịch đường nguội trong một thời gian dài là điều tối kị trong sản xuất Vì như vậy sẽ tạo điều kiện cho Oxi trong không khí tiếp xúc với đường, phản ứng Oxi hóa sẽ không tránh khỏi và như vậy sẽ làm giảm chất lượng của dịch đường Cường độ đun sôi cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình này Cường độ đun sôi càng mạnh thì lượng protein biến tính và keo tụ càng nhiều.
Sơ đồ công nghệ các nồi nấu
Trong nồi gạo sử dụng 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 các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở 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
Tương tự nồi gạo, trong nồi malt sử dụng 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 các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4)
Hình 9: Sơ đồ công nghệ nồi Hoa
Trong nồi hoa sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén , mục đích và chi tiết các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4)
Hình 10: Sơ đồ công nghệ nồi lọc
Trong nồi lọc sử dụng 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 các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phầnLựa 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 nénKFM 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
- 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: 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:
Vì van điều khiển nhiệt độ có đặc tính của khâu quán tính bậc nhất có trễ, hàm truyền cho toàn bộ hệ thống điều khiển nhiệt độ nồi là:
Trong thực tế việc xác định các thông số trên là rất khó, vì vậy chúng em có sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định chính xác thông số cho phương trình trên.
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 bơm hết dung dịch trong nồi matl, thêm nước 76-80ºC để làm sạch nồi matl, bơm để đẩy nước đến nồi lọc Sau đó tiến hành CIP 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:
- Đặt hệ thống ở chế độ làm việc bằng tay và đưa dần hệ thống tới điểm làm việc ổn định, giả sử đầu ra của nồi ổn định tại y(t)=y(0) cho 1 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
*Nhận xét: Từ đồ thị (Hình 1-6) ta có thể thấy đáp ứng quá độ của mô hình nhận dạng bám sát với đáp ứng quá độ của mô hình thực tế của nồi malt Vì vậy các thông số mô hình thu được sau khi nhận dạng hệ thống hoàn toàn có thể sử dụng để 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
Do nồi malt là hệ thống không ổn định, chứa nhiễu đo, có một biến điều khiển (áp suất hơi sau van tuyến tính) và một biến cần điều khiển (nhiệt độ nước trong nồi).Vì vậy ta chọn sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn 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 có dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ, đáp ứng đối tượng đi tới ổn định mà không dao động Ngoài ra, quá trình tăng giảm nhiệt độ có tính quán tính, chịu ảnh hưởng từ nhiễu đo, do đó ta không cần 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 xây dựng mô hình nồi malt với bộ điều khiển P như hình ta thu được đồ thị đáp ứng của nồi malt cùng tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển như hình 1-
Hình 24: Đáp ứng quá độ của nồi Malt và tín hiệu điều khiển
Kết luận: Sử dụng bộ điều khiển P xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols 2 ta thấy tín hiệu ra bám tới tín hiệu chủ đạo mà không dao động, quá trình đi đến ổn định nhanh.
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:
- Bơm cháo sang nồi malt (2 giai đoạn : giai đoạn nâng nhiệt nồi malt lên 520C và lên 640C) : tắt hơi nồi cháo, tăng tốc độ cánh khuấy lên 28 vòng/phút, mở van từ nồi gạo sang nồi malt, bật bơm.
- 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.
Nó được xây dựng cho các chức năng cơ bản như lưu trữ dữ liệu do nhu cầu sử các phần mềm theo mô hình khách - chủ MS SQL Server có thể chạy được trên một hoặc nhiều máy dùng chung mạng Ở hệ thống này, SQL Server có chức năng lưu trữ dữ liệu (database) của hệ thống được gửi từ phía giao diện WinformC#.
Winform hay còn được gọi là windows form là một giải pháp được chạy trên nền windows, cụ thể là phần mềm Visual Studio 2019 Khối này có chức năng hiển thị, giám sát, điều khiển hệ thống Winforms có thể truy vấn dữ liệu ở SQL Server đồng thời gửi những 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.
Nút “đăng nhập” để đăng nhập sau khi đã nhập đúng Account và Password Nếu nhập sai thông tin đăng nhập thì phần mềm sẽ báo lỗi sai tài khoản hoặc mật khẩu.
Nút “Thoát” để thoát chương trình Thông tin tài khoản người sử dụng phần mềm được đăng kí và quản lý trên cơ sở dữ liệu (ở đây cơ sở dữ liệu được sử dụng là SQL server)
Hình 42: Cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin
Hình 43: Giao diện chính Sau khi đăng nhập thành công tài khoản và mật khẩu, chương trình sẽ chuyển sang giao diện vận hành chính Trên giao diện vận hành chính có các nút tương ứng với các chức năng:
“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”: Cài đặt nhiệt độ cao nhất cho phép (trong từng quá trình gia nhiệt do quá độ) hoặc do các tình huống phát sinh Nhập nhiệt độ cần đặt sau đó nhấn Enter để hoàn tất.
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”.
“KP” “KI” “KD” phía bên phải để nhập thông số PID điều khiển nhiệt độ nồi Trong trường hợp cần thay đổi thông số PID của nồi, cần nhập vào các ô tương ứng sau đó ấn
“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
Vì theo lý thuyết thời gian mô phỏng rất lâu nên nhóm em đã thay đổi mô hình toán học cũng như thông số PID để kết quả ra nhanh hơn Nhóm đã vẽ được đồ thị gia nhiệt cho nồi
57 gạo, hiển thị nhiệt độ, tốc độ cánh khuấy cũng như cảnh báo, thay đổi thông số PID Tương tự cho với 2 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
