Tự động hóa quá trình cô đặc gián đoạn dung dịch đường quy mô pilot

Bài viết trình bày nghiên cứu tự động hóa quá trình cô đặc đường của hệ thống cô đặc chân không gián đoạn quy mô pilot. Để phát triển hệ thống tự động hóa, bốn vòng điều khiển đơn độc lập đã được sử dụng nhằm điều khiển lần lượt mức lỏng khi nhập liệu, áp suất chân không trong thiết bị cô đặc, nhiệt độ của dung dịch trong buồng đốt và nhiệt độ của nước giải nhiệt trong thiết bị ngưng tụ.

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 ISSN: 2734-9918 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION JOURNAL OF SCIENCE Vol 18, No 12 (2021): 2147-2161 Website: http://journal.hcmue.edu.vn https://doi.org/10.54607/hcmue.js.18.12.3268(2021) Bài báo nghiên cứu * TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH CÔ ĐẶC GIÁN ĐOẠN DUNG DỊCH ĐƯỜNG QUY MÔ PILOT Trần Lê Hải1,2, Nguyễn Sĩ Xuân Ân1,2, Nguyễn Thị Như Ngọc1,2, Nguyễn Hồng Hải1,2, Lý Khắc Tòng1,2, Bùi Ngọc Pha1,2,* Khoa Kĩ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam * Tác giả liên hệ: Bùi Ngọc Pha – Email: buingocpha@hcmut.edu.vn Ngày nhận bài: 07-9-2021; ngày nhận sửa: 16-11-2021; ngày duyệt đăng: 12-12-2021 TÓM TẮT Cô đặc chân không hoạt động gián đoạn q trình khó điều khiển tự động Trong nghiên cứu này, chúng tơi nghiên cứu tự động hóa q trình cô đặc đường hệ thống cô đặc chân không gián đoạn quy mô pilot Để phát triển hệ thống tự động hóa, bốn vịng điều khiển đơn độc lập sử dụng nhằm điều khiển mức lỏng nhập liệu, áp suất chân không thiết bị cô đặc, nhiệt độ dung dịch buồng đốt nhiệt độ nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ Dựa nghiên cứu thực nghiệm sử dụng mơ hình bậc có trễ (FOPDT), hàm truyền điều khiển trình xây dựng thành cơng Từ đó, hệ số thuật tốn điều khiển PID bao gồm KP; KI KD để lập trình cho điều khiển xác định thơng qua phương pháp Ziegler-Nichols I Kết đánh giá thực nghiệm mô Matlab/Simulink dựa hệ số thu cho thấy kết mô phản ảnh tương đồng với hành vi trình thực tế, chứng minh mơ hình hàm truyền đáng tin cậy Mơ máy tính sử dụng để hiệu chỉnh hệ số điều khiển nhằm tối ưu chất lượng điều khiển trình dựa hàm truyền thu cho kết Kp = 71,5; KI = 4,5 KD = ứng với thời gian đáp ứng 1200 s, độ lọt vố POT khoảng 0,625% sai số gần không Kết nghiên cứu thiết lập phương pháp để xác định hệ số hoạt động điều khiển để tự động hóa q trình đặc chân khơng hoạt động gián đoạn áp dụng cho nhiều loại dịch nước trái sản phẩm có hoạt tính sinh học khác Từ khóa: tự động hóa; Matlab /Simulink; điều khiển q trình; đặc chân khơng; Ziegler-Nichols Giới thiệu Cơ đặc chân khơng q trình phổ biến cơng nghiệp hóa học thực phẩm nhằm nâng cao hàm lượng chất tan dung dịch Đây q trình khơng thể thiếu sử dụng phổ biến quy trình sản xuất đường mía với quy mơ cơng nghiệp lớn Cite this article as: Tran Le Hai, Nguyen Si Xuan An, Nguyen Thi Nhu Ngoc, Nguyen Hong Hai, Ly Khac Tong, & Bui Ngoc Pha (2021) Automation of sugar fed-batch evaporation process: A pilot study Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 18(12), 2147-2161 2147 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM đến lớn (Nguyen, 2011) Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng cho quy mơ vừa nhỏ lại cịn hạn chế nhu cầu thực tiễn trước khơng cao Ngày nay, thực phẩm đặc sản, thực phẩm chức phát triển ngày nhiều chủng loại Phương pháp đặc chân khơng áp dụng để chế biến loại nước trái đặc sản (Nguyen et al., 2014; Le et al., 2018) hay loại nước uống đặc có dược tính cao làm thực phẩm chức (Dang et al., 2018) Với quy mô doanh nghiệp khởi nghiệp lĩnh vực Việt Nam, hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ quy mô pilot phù hợp với thực tế nghiên cứu sản xuất Hệ thống cô đặc chân không hoạt động gián đoạn quy mô pilot thường có cấu tạo đơn giản (Pham et al., 2010) vận hành thủ công Sử dụng bơm chân không kết hợp với thiết bị ngưng tụ, hệ thống có thời gian đặc hồn tồn phụ thuộc vào thao tác vận hành kinh nghiệm người sử dụng Sự phát triển khoa học kĩ thuật tự động hóa ngày cao địi hỏi phải có phương pháp điều khiển phù hợp nhằm tăng độ xác hiệu sử dụng lao động đảm bảo suất chất lượng ổn định sản phẩm Nghiên cứu phát triển từ hệ thống cô đặc chân không sử dụng nồi đặc buồng đốt có ống tuần hoàn trung tâm, gia nhiệt nước bão hòa áp suất thường Kết hợp với thiết bị ngưng tụ ống chùm bơm chân không để tạo áp suất chân khơng cho q trình Hệ thống tuần hoàn nước giải nhiệt thiết bị ngưng tụ qua tháp đệm để tiết kiệm nước Về phương án điều khiển, ý tưởng nghiên cứu là: điều chỉnh ổn định áp suất suốt trình đặc dựa vào nhiệt độ sơi dung dịch để đưa tín hiệu điều khiển thời gian kết thúc mẻ đặc Theo lí thuyết, áp suất hệ ổn định, nhiệt độ sôi dung dịch tăng theo nồng độ dung dịch (Pham et al., 2010) Khi khảo sát hệ thống cô đặc hữu tiến hành số thay đổi cải tiến: (i) sử dụng ejector để tạo chân không (ii) tận dụng lưu lượng dòng nước giải nhiệt để điều chỉnh ổn định áp suất chân không, phương án phù hợp chi phí kĩ thuật Trong trình thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển, nghiên cứu sử dụng thiết bị, linh kiện điều khiển có độ ổn định cao thường dùng công nghiệp điều khiển PLC (programmable logic controller), cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ cảm biến mức tiêu chuẩn công nghiệp để đáp ứng tính thực tiễn cao cho hệ thống (Nguyen et al., 2007) Cùng với hồn thiện q trình khảo sát thiết kế giao diện giám sát HMI làm tiền đề để triển khai chế tạo hệ thống sản xuất thực tế Dung dịch đường saccarose đối tượng quen thuộc q trình đặc (Elhaq et al., 1999) Do dễ bị biến tính nhiệt độ cao, q trình đặc dung dịch đường thường thực áp suất chân không (Nguyen, 2011) Vì vậy, nghiên cứu sử dụng đối tượng để khảo sát khả điều chỉnh ổn định áp suất tính tự động hóa hệ thống để dung dịch sản phẩm có chất lượng khơng bị biến tính 2148 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu báo hệ thống cô đặc chân không hoạt động gián đoạn quy mô pilot với suất nhập liệu 8,2 kg/mẻ, hoạt động áp suất chân không cực đại 0,8 atm, gia nhiệt bão hòa (1 atm) Môi trường chân không nồi cô đặc tạo trì thiết bị ejector gắn đường nước giải nhiệt nhằm tiết kiệm lượng thay sử dụng bơm chân khơng truyền thống (Wetzel, 1996; Hackett, 2018) Nguyên lí hoạt động hệ thống đặc thể Hình Hình Sơ đồ P&ID hệ thống cô đặc chân không hoạt động gián đoạn: (1) Buồng đốt; (2) Buồng bốc; (3)Thiết bị ngưng tụ; (4) Bồn chứa nước ngưng; (5,6) Bơm nước giải nhiệt; (7) Nồi hơi; (8) Bồn cấp nước nồi hơi; (9) Tháp giải nhiệt nước; (10) Ejector; PIC- Hiển thị điều khiển áp suất; PT- Truyền dẫn tín hiệu áp suất; LT- Truyền dẫn tín hiệu mức chất lỏng; LC- Điều khiển mức chất lỏng; TT-Truyền dẫn tín hiệu nhiệt độ; TI- Hiển thị nhiệt độ; TIC-Hiển thị điều khiển nhiệt độ; M- Động điện Hệ thống cô đặc chân không hoạt động gián đoạn nghiên cứu thực nhập liệu lần Khác với trình liên tục, trình hoạt động gián đoạn thường tiêu tốn lượng thời gian lớn mẻ thời gian khởi động mẻ Nhằm rút ngắn thời gian này, xây dựng quy trình khởi động hệ thống gồm nhiều khâu chạy song song nối tiếp để hội tụ thời điểm mong muốn định trước Quy trình khởi động tự động hố sau: cho hệ thống khởi động, bơm nước (5,6) hoạt động để tạo áp suất chân khơng cho tồn hệ thống thông qua ejector (10) Sau áp suất chân không đạt giá trị 0,3 atm, van nhập liệu mở cho dung dịch vào nồi cô đặc (1,2) nhờ chênh lệch áp suất với môi trường Thơng qua cảm biến mức, đạt thể tích dung 2149 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM dịch mong muốn buồng đốt (1), hệ thống đóng van nhập liệu Song song với q trình đó, q trình gia nhiệt cho buồng đốt tính tốn thời điểm khởi động để cấp nhiệt cho dung dịch đạt nhiệt độ sôi thời điểm áp suất chân không nồi đạt giá trị 0,8 atm, lúc q trình đặc bắt đầu xảy Hơi thứ bốc lên buồng bốc (2) từ sôi dung dịch theo đường ống dẫn đến thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm (3) Nước ngưng từ trình chứa vào bồn chứa nước ngưng (4) Nước giải nhiệt sau khỏi thiết bị ngưng tụ (3) tiếp tục qua ejector (10) để trì áp suất chân khơng cho hệ thống phun vào tháp đệm (9) để làm mát Nước sau làm mát bơm tuần hoàn vào thiết bị ngưng tụ bắt đầu chu trình trao đổi nhiệt Hệ thống sử dụng bơm lắp song song nhằm đạt hiệu ngưng tụ cần thiết Trong đó, bơm đóng vai trị cung cấp nước giải nhiệt đủ để ngưng toàn thứ từ q trình bốc dung mơi Bơm thứ sử dụng để điều chỉnh áp suất chân không 2.2 Nguyên liệu Dung dịch cô đặc nghiên cứu dung dịch đường saccarose có nồng độ ban đầu 20 oBx (20 %kl) cô đặc đến nồng độ cuối 65 oBx (65 %kl) Nồng độ đường trình thực nghiệm xác định thiết bị đo độ khúc xạ kĩ thuật số (PR-301a, Atago-Nhật Bản) 2.3 Nội dung nghiên cứu 2.3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển lắp đặt linh kiện điều khiển tự động Để thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị cô đặc chân không quy mô pilot hoạt động gián đoạn, nghiên cứu sử dụng phương án điều khiển nhiều vòng đơn độc lập với vịng điều khiển để điều chỉnh điều kiện công nghệ bao gồm mức chất lỏng nhập liệu ban đầu, áp suất chân không nồi cô đặc, nhiệt độ buồng đốt nồi cô đặc nhiệt độ thiết bị ngưng tụ Mục tiêu nhằm trì ổn định hoạt động hệ thống cô đặc chân không điều kiện công nghệ cài đặt giá trị xác định 2.3.2 Khảo sát q trình đặc xác định tham số điều khiển Nội dung nghiên cứu khảo sát thay đổi áp suất chân không theo thời gian q trình thực nghiệm đặc đường Dựa vào để xây dựng hàm truyền hệ thống nhằm tìm thơng số điều khiển, thông số phải đáp ứng chất lượng điều khiển Để đánh giá chất lượng điều khiển, ta quan tâm đến: độ xác, độ lọt vố thời gian đáp ứng Độ vọt lố POT (Percent Overshoot) đại lượng biểu thị vượt giá trị đáp ứng với giá trị cài đặt trình đáp ứng độ Độ lọt vố (POT) tính theo công thức (1) Phương pháp xác định độ lọt vố thể Hình Trong đó, thời gian xác lập txl đại lượng đánh giá khoảng thời gian từ bắt đầu trình điều khiển đến giá trị đáp ứng đạt tiệm cận giá trị cài đặt sai số cho phép Đặc trưng cho độ xác điều khiển sai số xác lập exl, nghĩa sai số đáp ứng trình ổn định so với giá trị cài đặt 2150 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM = POT ymax − yxl ×100% yxl (1) Trong đó: POT độ vọt lố (%); ymax giá trị cực đại trình độ, đơn vị theo biến trình; yxl giá trị xác lập hệ đạt trạng thái cân bằng, đơn vị theo biến q trình Mơ hình toán hệ xây dựng từ thực nghiệm, chúng tơi ứng dụng mơ hình qn tính bậc có trễ (First order plus dead-time – FOPDT) tính đơn giản thực dụng mơ hình tốn (Roy et al., 2005; Muresan et al., 2020) Mơ hình FOPDT thể phương trình (2) dạng hàm truyền G(s) Trong đó, K hệ số khuếch đại tĩnh (không đơn vị); τ số thời gian θ thời gian trễ tính theo đơn vị thời gian G ( s) = K 1+τ × s × e −θ ×s (2) Hình Sơ đồ mô tả phương pháp xác định POT, txl exl Trong quy luật điều khiển thơng dụng, vịng điều khiển theo sách lược phản hồi với quy luật điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) cho độ xác cao tác động đầy đủ đến thành phần sai số theo thời gian gồm độ lớn, thời gian tồn xu hướng biến đổi Bên cạnh quy luật điều khiển tương đối dễ tính tốn dựa theo phương trình (3) t u (t ) = K P × e(t ) + K I × ∫ e(τ ) × dτ + K D × de(t ) (3) dt Trong đó, KP, KI, KD hệ số khuếch đại tỉ lệ, tích phân, vi phân (không đơn vị); e(t) hàm sai số theo thời gian biến điều khiển so với giá trị cài đặt có đơn vị theo biến điều khiển Các hệ số KP, KI, KD định chất lượng điều khiển 2151 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM PID Có nhiều phương pháp xác định hiểu chỉnh hệ số Nghiên cứu sử dụng phương pháp thường dùng Ziegler Nichol I hiệu chỉnh đồ thị trực quan từ mô phần mềm Matlab Simulink (Yucelen et al., 2006; Diaz-Rodriguez et al., 2017) Phương pháp Ziegler Nichol I đưa phương pháp tính hệ số cho điều khiển PID theo hệ phương trình (4) 1, ×τ  = K P  K ×θ  KP   KI = ×θ  K P ×θ  KD =  (4) 2.4 Trang thiết bị nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng loại linh kiện điều khiển xuất xứ từ châu Âu Mĩ, sử dụng công nghiệp biến tần (SKBD200150, Emerson), điều khiển PLC (S7300, Siemen), cảm biến mức (Model 61, Mega Swing), cảm biến áp suất (PR-23RY, KellerDruck), cảm biến nhiệt độ (644HANAXAQ4, Emerson) Các phần mềm tin học Tia Portal sử dụng để lập trình hoạt động cho điều khiển PLC xây dựng giao diện giám sát thời gian thực HMI cho hệ thống cô đặc Công cụ mô Matlab Simulink, phương pháp Ziegler-Nichols I sử dụng để tính tốn hệ số KP, KI, KD hệ số khuếch đại tỉ lệ, tích phân, vi phân cho điều khiển để điều khiển q trình đặc Kết thảo luận 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển lắp đặt linh kiện điều khiển tự động Để tiến hành khảo sát trình cần thực điều khiển đại lượng cơng nghệ hệ thống Trong đó, vòng điều khiển ổn định áp suất quan trọng nhất, vòng điều khiển giám sát nhiệt độ sôi dung dịch để điều khiển thời gian cô đặc Lựa chọn sách lược điều khiển phản hồi xây dựng sơ đồ khối cho vòng điều khiển Sơ đồ khối vòng điều khiển áp suất thể Hình Bên cạnh đó, vịng điều khiển nhiệt độ dung dịch nồi cô đặc thực theo sách lược điều khiển phản hồi với thuật tốn đóng/mở (ON/OFF) trình bày Hình Hình Sơ đồ khối vịng điều khiển áp suất 2152 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Kết hợp sơ đồ khối xây dựng thu thuật toán điều khiển chung cho q trình gồm nhiều nhánh tín hiệu tác động (Hình 5) Trong đó, bốn vịng điều khiển thể bốn nhánh cơng việc song song với Lần lượt từ trái sang phải tạo áp suất chân không, cấp nhiệt buồng đốt, nhập liệu giải nhiệt dịng nước tuần hồn Trong nhánh cơng việc tạo áp suất chân khơng có kết hợp với giám sát điều khiển nhiệt độ dung dịch tạo thành nhánh cơng việc định hoạt động thời điểm kết thúc trình, thay đổi nồng độ đường ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi dung dịch q trình đặc, lượng thứ bốc lên thiết bị cô đặc ảnh hưởng đến áp suất chân khơng hệ thống Theo đó, q trình sơi bên thiết bị bị dập tắt bùng mạnh gây tượng trào bọt Đây tượng khơng có lợi cho q trình đặc Do đó, trì áp suất chân khơng nhiệt độ sôi dung dịch quan trọng q trình đặc Hình Sơ đồ khối vịng điều khiển nhiệt độ dung dịch Lưu đồ thuật toán điều khiển xây dựng cho hệ thống cô đặc chân khơng hoạt động gián đoạn trình bày Hình Vịng điều khiển mức chất lỏng LC-01, sử dụng tín hiệu từ cảm biến mức gắn thân nồi cô đặc thực điều khiển nhập liệu đủ lượng dung dịch cần thiết ban đầu Vòng điều khiển áp suất chân không PIC-01 sử dụng cảm biến áp suất gắn đỉnh buồng bốc lấy tín hiệu cho điều khiển tác động đến bơm nước giải nhiệt Vòng điều khiển nhiệt độ TIC-01, sử dụng tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ gắn đáy cô đặc để điều khiển giám sát nhiệt độ sôi dung dịch cách tác động lên điện trở nồi Vòng điều khiển nhiệt độ TIC-02, sử dụng tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ gắn vị trí đầu vào thiết bị ngưng tụ để điều khiển giám sát nhiệt độ nước cấp cho thiết bị ngưng tụ Vòng điều khiển tác động lên đối tượng tháp giải nhiệt nước Ngoài ra, vòng điều khiển kết hợp giám sát nhiệt độ đầu thiết bị ngưng tụ TI-03 Trong trình khảo sát, nhận thấy trình ban đầu cần tạo áp suất chân không nhanh nên điều khiển áp suất lập trình thuật tốn ON/OFF giai đoạn đầu Khi sai lệch giá trị áp suất đo giá trị cài đặt nhỏ 0,1 atm, điều khiển chuyển sang thuật toán PID Điều giúp cho trình điều khiển áp suất ổn định hơn, giảm ảnh hưởng thành phần tích phân thuật tốn điều khiển 3.2 Khảo sát q trình đặc xử lí số liệu Để thực điều khiển q trình đặc, nghiên cứu sử dụng phần mềm Tia Portal để lập trình hoạt động cho điều khiển PLC tuân theo thuật toán thể Hình Hình 5, đồng thời xây dựng giao diện theo dõi thời gian thực HMI kết nối hệ thống với máy tính (Nguyen et al., 2007; Tran, 2016) Trên sở thực khảo sát thực nghiệm trình 2153 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM đặc lập hàm truyền hệ thống theo mơ hình FOPDT (Roy et al., 2005) Sử dụng phương pháp kẻ tiếp tuyến (Hoang, 2009), với tiếp tuyến qua điểm uốn cho hệ số góc lớn Tiếp tuyến giao với trục thời gian thời gian trễ θ công thức hàm truyền Đường thẳng khác tiệm cận với giá trị cân áp suất cho phép xác định hệ số khuếch đại tĩnh K số thời gian τ mơ tả Hình Từ lập hàm truyền q trình theo phương trình (5), với hệ số θ 8,25 G (s) = 0,874 e −8,25×s + 146, × s (5) Để đánh giá độ tin cậy mơ hình hàm truyền (5), chúng tơi thực so sánh chất lượng điều khiển hệ phần mềm mô Matlab Simulink với hệ thực tế áp dụng tham số điều khiển PID Trong nghiên cứu sử dụng tham số điều khiển chọn từ phương pháp truyền thống Ziegler-Nichols I Hình Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển q trình đặc gián đoạn Dựa theo phương pháp Ziegler-Nichols I (Yucelen et al., 2006; Scherlozer et al., 2016), với tín hiệu đầu vào hàm nấc tương đương cho bơm hoạt động tạo áp suất chân không tối đa xác định hệ số KP, KI, KD theo công thức (6) 2154 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM 1, ×τ  K P = 24, = K ×θ  KP  1, 48 KI =  = ×θ  K P ×θ  = 100, 65 KD =  (6) Hình Sự thay đổi áp suất chân không theo thời gian cô đặc từ thực nghiệm Hình Mơ hình mơ hệ kín Matlab Simulink Bộ hệ số KP, KI, KD từ phương pháp Ziegler-Nichols I nạp vào PLC sử dụng để điều khiển q trình đặc thực nghiệm hệ thống cô đặc chân không song song với hệ số sử dụng để mơ cơng cụ Matlab Simulink Mơ hình dùng để mơ thể Hình 7, tín hiệu ngõ vào sử dụng khối (Step) tín hiệu cài đặt giá trị áp suất Hàm truyền G(s) theo phương trình (5) biến đổi thành phương trình gần (7) 2155 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM = G (s) 0,874 × + 146, × s + 8, 25 × s (7) Ngồi mơ hình mơ cịn sử dụng khối cơng tắc mơ điều khiển ON/OFF kết hợp khối PID Controler khối hàm truyền mơ cho q trình Sử dụng hai khối hàm truyền theo phương trình (7) để mơ tính tốn q trình đặc theo sơ đồ khối mơ q trình đặc trình bày Hình 7, hệ số điều khiển cài đặt cho khối PID KP = 24,4; KI =1,48; KD = 100,65 Kết thu thay đổi áp suất chân không theo thời gian thể Hình Hình Đồ thị mô tả thay đổi áp suất chân khơng theo mơ Hình Đồ thị mô tả thay đổi áp suất chân không theo thực nghiệm Sử dụng phần mềm TIA-Portal để lập trình cho điều khiển PLC S7-300 vận hành với hệ số điều khiển thu từ công thức (6) Đồng thời, nhóm nghiên cứu thiết kế phần mềm giám sát vận hành HMI để thu thập lưu trữ số liệu từ thực nghiệm 2156 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM hệ thống cô đặc chân không Kết từ thực nghiệm thu thay đổi áp suất chân không theo thời gian thể Hình Từ kết thu từ Hình Hình xác định đại lượng đánh giá chất lượng điều khiển trình cô đặc thời gian đáp ứng, độ lọt vố sai số xác lập Kết trình bày Bảng Do mơ hình tốn mơ Simulink bỏ qua giai đoạn sôi nhanh dung dịch nên giá trị độ vọt lố mơ hình thực tế có chênh lệch tương đối lớn, nhiên đại lượng quan trọng thời gian xác lập sai số xác lập khơng có chênh lệch đáng kể Từ cho phép kết luận mơ hình máy tính xây dựng phản ánh tương đồng với hành vi trình thực tế Như mơ hình hàm truyền cho kết tin cậy Bảng Kết kiểm tra mơ hình thực nghiệm t Thời gian đáp ứng Đột vọt lố Sai số xác lập Mô Simulink 1900 giây 4,19 % 0,001 Thực nghiệm 2000 giây 2,25 % 0,006 Sai lệch 5,26 % 46,3 % - Hình 10 Sự ảnh hưởng hệ số điều khiển lên trình Matlab/Simulink: (a) Thay đổi KP; (b) Thay đổi KI; (c) Thay đổi KD Từ kết thu được, nhóm nghiên cứu tiếp tục tiến hành hiệu chỉnh thơng số q trình điều khiển nhằm tối ưu chất lượng điều khiển trình dựa mơ hình mơ sử dụng cơng cụ Matlab Simulink Chúng tơi tiến hành thí nghiệm phương pháp ln 2157 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM phiên biến, tăng giảm hệ số đồng thời giữ nguyên hai hệ số lại Hệ số thay đổi nhân chia từ hệ số tính theo phương pháp Ziegler-Nichols I trình bày cơng thức (6) So sánh thay đổi áp suất chân không theo thời gian từ hệ số điều khiển khác (Hình 10) cho phép dự đoán quy luật xu hướng biến đổi để có chất lượng điều khiển tối ưu Hình 11 Kết mô điều khiển áp suất chân không với hệ số điều khiển KP = 71,5; KI = 4,5; KD=0 Theo kết thu Hình 10, nhận thấy giá trị KP KI tăng dần, đáp ứng mơ hình có xu hướng nhanh theo quy luật cố định Sự thay đổi hệ số khuếch đại vi phân KD tất khảo sát không làm thay đổi đáp ứng mơ hình, áp suất chân khơng đại lượng đáp ứng chậm Như vậy, xu hướng biến đổi KP KI xác định lớn so với giá trị thu từ phương pháp Ziegler-Nichols I, hệ số KD khơng ảnh hưởng đến trình Kết hiệu chỉnh thu giá trị KP = 71,5; KI = 4,5; KD = với đáp ứng áp suất chân không đạt chất lượng điều khiển tốt thời gian xác lập khoảng1200 giây sai số xác lập khoảng 0,001 (Hình 11) Sử dụng hệ số điều khiển tối ưu thu từ mơ máy tính cài đặt vào điều khiển PLC để điều khiển trình thực nghiệm Đồ thị đáp ứng áp suất chân không hệ thống điều khiển với giá trị cài đặt 0,8 atm cho kết Hình 12 Chất lượng điều khiển gần tương đồng với kết thu từ mơ hình mơ thời gian xác lập sai số xác lập Độ vọt lố thí nghiệm thực chí cịn tốt kết mô phỏng, với giá trị POT 0,625 % Ngồi ra, kết ba lần thí nghiệm cho thấy q trình đặc điều khiển thành cơng với 100 % trì áp suất chân khơng q trình với thời gian cô đặc để tăng nồng độ đường từ 20 oBx lên 65 oBx Sai số mẻ thí nghiệm 2,5% Trong q trình thực nghiệm, chúng tơi có kết hợp tạo nhiễu ngẫu nhiên cách mở van làm giảm áp suất chân không hệ Kết thu được, hệ thống đáp ứng nhanh 2158 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM ổn định lại với độ vọt lố gần POT ban đầu 0,625% (Hình 12) Ngồi ra, tiến hành thí nghiệm tạo áp suất chân khơng, q trình ln có điểm tăng áp suất bất ngờ làm giảm áp suất chân không Điểm thể sôi nhanh dung dịch trình ngưng tụ thứ chưa đáp ứng kịp Vì lặp lại đồng dạng tất thí nghiệm, tượng gần không ảnh hưởng đến việc điều khiển hệ thống Hình 12 Đồ thị mơ tả thay đổi áp suất chân không theo thời gian thực với hệ số điều khiển KP = 71,5; KI = 4,5; KD=0 Kết luận Nghiên cứu xây dựng thành cơng hệ thống tự động hóa q trình đặc gián đoạn dung dịch đường quy mô pilot Dựa sách lược điều khiển nhiều vòng đơn độc lập thiết lập lưu đồ P&ID hệ thống đặc với vịng điều khiển bao gồm mức chất lỏng nhập liệu ban đầu, áp suất chân không nồi cô đặc, nhiệt độ dung dịch cô đặc nhiệt độ thiết bị ngưng tụ Bằng phương pháp khảo sát thực nghiệm q trình đặc lập hàm truyền hệ thống theo mơ hình FOPDT xác định hàm truyền hệ thống Các hệ số KP, KI, KD điều khiển xác định phương pháp Ziegler-Nichols I mơ tính toán Matlab Simulink Kết cho thấy, hàm truyền hệ số điều khiển tương đồng với q trình thực nghiệm Đồng thời từ mơ đưa thực tế điều khiển có chất lượng tốt với thời gian đáp ứng nhanh xấp xỉ 1200 giây, sai số xác lập gần không độ vọt lố 0,625% Nghiên cứu thiết lập tảng phương pháp xây dựng hệ thống tự động hóa cho điều khiển q trình đặc chân khơng gián đoạn quy mô pilot hướng tới ứng dụng cho dung dịch cô đặc đa dạng thực tiễn 2159 Trần Lê Hải tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM  Tuyên bố quyền lợi: Các tác giả xác nhận hồn tồn khơng có xung đột quyền lợi  Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM khuôn khổ đề tài mã số T-KTHH-2019-74 Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Dang, T Y., & Dang, Q T (2018) Nghien cuu quy trinh san xuat tra but giam hoa tan [Research on production of instant roselle tea] Journal of science technology & food, 15, 95-105 Díaz-Rodríguez, I D., Han, S., Keel, L.H., & Bhattacharyya, S.P (2017) Advanced Tuning for Ziegler-Nichols Plants IFAC PapersOnLine, 50(1), 1805-1810 Elhaq, S L., Giri, F., & Unbehauen, H (1999) Modelling, identification and control of sugar evaporation - theoretical design and experimental evaluation Control Engineering Practice, 7, 931-942 Hackett, B W (2018) The Essentials of Continous Evaporation American Institue of Chemical Engineers (AIChE) Journal, 24-28 Hoang, M S (2009) Co so he thong dieu khien qua trinh [Principles of Process Control] Hanoi: Bach khoa Publishing House Le, T T., & Le, T T D (2018) Che bien jam (mut) so ri va su bien doi ham luong vitamin C va polyphenol qua trinh che bien va bao quan [Processing acerola jam and changes in concentrations of vitamin C and polyphenolic compounds during processing and storage] The Journal of Agriculture and Development, 2, 87-92 Muresan, C I., & Ionescu, C M (2020) Generalization of the FOPDT Model for Identification and Control Purposes Processes, 8(682), 1-17 Nguyen, D P., Phan, X M., & Vu, V H (2007) Tu dong hoa voi Siematic S7-300 [Use of Siematic S7-300 for automatic control] Hanoi: Science and Technics Publishing House Nguyen, M T., Tran, T T T., Dinh, C D., Nguyen, A T., & Nguyen, T M T (2014) Anh huong cua ap suat va thoi gian co dac chan khong, chat chong oxy hoa va che trung den chat luong nuoc khom co dac [Effect of vacuum processing, color stabilizers and pasteurization on concentrated pineapple juice quality] Can Tho University Journal of Science, 31, 12-20 Nguyen, N (2011) Cong nghe duong mia [Sugar Cane Production Technology] Hanoi : Bach khoa Publishing House Pham, V B., & Nguyen, D T (2010) Qua trinh va thiet bị truyen nhiet – Truyen nhiet on dinh [Heat transfer process and equipment] Ho Chi Minh City: Vietnam National University, Ho Chi Minh City Publishing House Roy, A., & Iqbal, K (2005) PID controller tuning for the first-order-plus-dead-time process model via Hermite-Biehler theorem ISA Transactions, 363-378 2160 Tập 18, Số 12 (2021): 2147-2161 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Scherlozer, A., Orsini, M., & Patole, S (2016) Simulation and Numerical Analysis and Comparative Study of a PID Controller Based on Ziegler-Nichols and Auto Turning Method International Conference on Control and Automation, 1-16 Tran, V H (2016) Tu dong hoa PLC S7-300 voi Tia Portal [Automating PLC S7-300 with Tia Portal] Ha Noi: Science and Technics Publishing House Wetzel, L E (1996) Optimizing vacuum systems for energy-efficient operation Chemical Processing, 1-3 Yucelen, T., Kaymakci, O., & Kurtulan, S (2006) Self-Tuning PID Controller Using ZieglerNichols for Programmable Logic Controllers IFAC Proceedings Volumes, 39(14), 11-16 AUTOMATION OF SUGAR FED-BATCH EVAPORATION PROCESS: A PILOT STUDY Tran Le Hai1,2, Nguyen Si Xuan An1,2, Nguyen Thi Nhu Ngoc1,2, Nguyen Hong Hai1,2, Ly Khac Tong1,2, Bui Ngoc Pha1,2,* Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), Vietnam Viet Nam National University Ho Chi Minh City (VNU-HCM), Vietnam * Corresponding author: Bui Ngoc Pha – Email: buingocpha@hcmut.edu.vn Received: September 07, 2021; Revised: November 16, 2021; Accepted: December 12, 2021 ABSTRACT Fed-batch vacuum evaporation is considered a difficult process for automation In the present work, we studied the automation of sugar concentration in a pilot study using a fed-batch vacuum evaporator For the development of an automatic controlling system, the four individual-controlling loops were used to control the liquid-feeding level, the vacuum pressure in the evaporator, the temperature of the liquid in the heating element, and the temperature of the liquid in the condenser, respectively Based on the study using the First order plus dead-time model (FOPDT), a transfer function of the process was successfully developed Accordingly, the operational parameters for PID control, including KP; KI and KD to program the controller were determined based on the Zieglerthat the simulation results reflect similar behavior of the actual process, indicating that the obtained transfer function is reliable The computational simulation is utilized to adjust the operational parameters for an optimization of the controlling quality using the derived transfer function and obtaining the KP = 71,5; KI = 4,5 and KD = 0, with the response time of 1200 s, the percentage of overshoot (POT) of 0,625%, and the error of nearly zero The studyhas developed an approach to determine the operating parameters for automatation of the evaporation process which can be applied to different types of fruit juices and bio-active products Keywords: automation; Matlab/Simulink; process control, vacuum evaporation; ZieglerNichols 2161 ... lĩnh vực Việt Nam, hệ thống hoạt động gián đoạn theo mẻ quy mô pilot phù hợp với thực tế nghiên cứu sản xuất Hệ thống cô đặc chân không hoạt động gián đoạn quy mơ pilot thường có cấu tạo đơn giản... thiết lập tảng phương pháp xây dựng hệ thống tự động hóa cho điều khiển trình đặc chân khơng gián đoạn quy mơ pilot hướng tới ứng dụng cho dung dịch cô đặc đa dạng thực tiễn 2159 Trần Lê Hải tgk... TIC-Hiển thị điều khiển nhiệt độ; M- Động điện Hệ thống cô đặc chân không hoạt động gián đoạn nghiên cứu thực nhập liệu lần Khác với trình liên tục, trình hoạt động gián đoạn thường tiêu tốn lượng thời