Thiết kế hệ thống DCS cho nhà máy nấu bia

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO CUỐI KỲ 20212 Môn: DCS SCADA Đề tài: Thiết kế hệ thống DCS cho nhà máy nấu bia Nhóm 16: Giảng viên hướng dẫn: TS. Đào Quý Thịnh Hà Nội, T72022 MỤC LỤC Contents DANH MỤC HÌNH VẼ 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BIA 5 1.1. Khái niệm và các thành phần 5 1.1.1. Khái niệm 5 1.1.2. Giới thiệu các thành phần 6 1.2. Quy trình công nghệ 12 1.2.1. Các công đoạn nấu bia 12 1.2.2. Sơ đồ công nghệ các nồi nấu 16 2 Tổng quan về phần cứng và phần mềm 19 2.1 Các thiết bị phần cứng 19 2.1.1. Động cơ khuấy 19 2.1.2. Máy bơm dịch 19 2.1.3. Van gia nhiệt 20 2.1.4. Van khí nén 21 2.1.5. Cảm biến nhiệt độ 22 2.1.6. Cảm biến mức 23 2.2 Tổng quan về phần mềm 26 2.2.1. Các phần mềm cần thiết 26 2.2.2. Quy trình kết nối các phần mềm 27 3. Thiết kế chi tiết 28 3.1 Lập trình PLC 28 3.1.1 Viết chương trình chính cho công nghệ 28 3.1.2 Viết chương trình cho nồi gạo 31 3.1.3 Viết chương trình cho các nồi khác 37 3.1.4 Kiểm tra hoạt động của chương trình 45 3.2 Thiết kế giao diện trên TIA Portal V16 45 3.2.2 Đăng nhập 48 3.3 Gửi dữ liệu lên SQL server 54 3.3.1 Thiết lập cấu hình cho SQL server 54 3.3.2 Kết nối SQL server với TIA Portal 61 3.4 Xuất file Excel tại Wincc 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Gạo 7 Hình 1.2. Malt 8 Hình 1.3. Men bia 9 Hình 1.4. Hoa hupblon 10 Hình 1.5. Quy trình công nghệ nấu bia 12 Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ nồi gạo 16 Hình 1.7. Sơ đồ công nghệ nồi malt 17 Hình 1.8. Sơ đồ công nghệ nồi hoa 17 Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ nồi lọc 18 Hình 1.10. Động cơ khuấy HPS 500 19 Hình 1.11. Bơm ly tâm 20 Hình 1.12. Van gia nhiệt 21 Hình 1.13. Van khí nén 22 Hình 1.14. Cảm biến nhiệt độ 22 Hình 1.15. Cảm biến mức 23 Hình 3.1. Màn hình đăng nhập 47 Hình 3.2. Giao diện GạoMalt 48 Hình 3.3. Giao diện nồi lọc 48 Hình 3.4. Giao diện sôi hoa 49 Hình 3.5. Giao diện lắng xoáy 49 Hình 3.6. Giao diện xuất lưu trữ dữ liệu 50 Hình 3.7. Xuất dữ liệu trên Excel 50 Hình 3.8. Lưu trữ dữ liệu 51 Hình 3.9. Đồ thị trend 52 Hình 3.10. Màn hình cảnh báo 53 Hình 3.11. Dữ liệu trên SQL server 53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1. Bảng giá trị hoa hupblon 11 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BIA 1.1. Khái niệm và các thành phần 1.1.1. Khái niệm Bia là một loại nước uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men. Nói cách khác, bia là loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp và có hương vị đặc trưng của hoa houblon. Đặc biệt CO2 hòa tan trong bia có tác dụng giải nhiệt nhanh, hỗ trợ cho quá trình tiêu hóa, ngoài ra trong bia còn chứa một lượng vitamin khá phong phú (chủ yếu các vitamin nhóm B như vitamin B1, B2, PP, …). Nhờ những ưu điểm này, bia được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới với sản lượng ngày càng tăng. Đối với nước ta bia đã trở thành loại đồ uống quen thuộc với sản lượng ngày càng tăng và đã trở ngành công nghiệp thực phẩm mũi nhọn trong ngành công nghiệp nước ta. Quá trình sản xuất bia được gọi là nấu bia. Do các thành phần sử dụng để sản xuất bia có khác biệt tùy theo từng khu vực, các đặc trưng của bia như hương vị và màu sắc cũng thay đổi rất khác nhau và do đó có khái niệm loại bia hay các sự phân loại khác. 1.1.2. Giới thiệu các 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. Gạo 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. Do nước ta là 1 nước nông nghiệp nên gạo là nông sản phổ biến và giá thành rẻ, thành phần hóa học tương ứng với thành phần hóa học của malt, nên người ta thường chọn gạo làm thành phần thay thế 1 lượng malt. Yêu cầu về chất lượng gạo: Đồng nhất về kích thước, màu sắc, không có hạt mốc, mối mọt, không có mùi hôi, không cát sạn. Độ ẩm: 12% đến 14%. Độ hòa tan: 80% đến 85%. Hình 1.1. Gạo Malt 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 có dạng hạt sau khi nghiền. Malt còn được dùng để tạo màu cho bia, với malt bình thường không đủ độ màu vì thế người ta thêm malt “đen” để tăng độ màu cho Bia. Yêu cầu chất lượng malt: Độ ẩm 56% Độ hòa tan chất khô xay nhuyễn >80% Chênh lệch : xay nhuyễn xay khô 1.21.5% Protein tổng 9.510% Cỡ hạt > 2.5mm là lớn hơn 85% Cỡ hạt < 2.5mm là bé hơn 1% Độ trong 2.5 EBC Thời gian đường hóa hoàn toàn ở 70oC là 15 phút Tốc độ lọc bình thường PH từ 56 Độ màu 34 EBC Hình 1.2. Malt Nấm men Nấm men dùng 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. Căn cứ vào đặc điểm trên và kết hợp với điều kiện khách quan, nhà máy chọn sử dụng nấm men chìm Saccharomyces để sử dụng lên men bia cho nhà máy Yêu cầu chất lượng nấm men: Thuần khiết và 1 đời men giống có thể dùng được trong 610 chù kì lên men. Tỉ lệ tế bào này chồi 1520%. Tỉ lệ men chết dưới 5%. Tế bào to khỏe, hình dáng đặc trưng. Men giống không nhiễm vi sinh vật. Men khô được hoạt hóa trong thiết bị có hoạt hóa chứa dịch nha ở 14oC. Hình 1.3. Men bia Hoa Hupblon Là thành phần làm nên hương vị cay, đắng cho bia. Được nhập khẩu từ nước ngoài và bảo quản ở nhiệt độ dưới 10oC để giảm sự mất axit. Có 2 loại hoa Hupblon là Aroma và Bittermiss. Hình 1.4. Hoa hupblon Hiện nay nhà máy sử dụng 2 loại hoa chính là hoa viên và hoa cao có những chỉ tiêu sau: Hoa viên: Màu xanh lá mạ hơi vàng. Thơm đặc trưng, không hắc, dễ nhận mùi. Đắng dịu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO CUỐI KỲ 20212 Môn: DCS & SCADA Đề tài: Thiết kế hệ thống DCS cho nhà máy nấu bia Nhóm 16: Hồ Đình Hùng - 20181503 Hồ Văn Quang - 20181711 Trần Thanh Bảo - 20181340 Lê Duy Vỹ - 20181856 A Giảng viên hướng dẫn: TS Đào Quý Thịnh Hà Nội, T7/2022 B MỤC LỤC Contents DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BIA 1.1 Khái niệm thành phần 1.1.1 Khái niệm .5 1.1.2 Giới thiệu thành phần .6 1.2 Quy trình cơng nghệ 12 1.2.1 Các công đoạn nấu bia 12 1.2.2 Sơ đồ công nghệ nồi nấu 16 Tổng quan phần cứng phần mềm .19 2.1 Các thiết bị phần cứng 19 2.1.1 Động khuấy 19 2.1.2 Máy bơm dịch .19 2.1.3 Van gia nhiệt 20 2.1.4 Van khí nén 21 2.1.5 Cảm biến nhiệt độ 22 2.1.6 Cảm biến mức .23 2.2 Tổng quan phần mềm 26 2.2.1 Các phần mềm cần thiết 26 2.2.2 Quy trình kết nối phần mềm .27 Thiết kế chi tiết 28 3.1 Lập trình PLC .28 3.1.1 Viết chương trình cho công nghệ 28 3.1.2 Viết chương trình cho nồi gạo .31 3.1.3 Viết chương trình cho nồi khác .37 3.1.4 Kiểm tra hoạt động chương trình 45 3.2 Thiết kế giao diện TIA Portal V16 45 3.2.2 Đăng nhập 48 3.3 Gửi liệu lên SQL server 54 3.3.1 Thiết lập cấu hình cho SQL server 54 3.3.2 Kết nối SQL server với TIA Portal 61 3.4 Xuất file Excel Wincc .64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Gạo Hình 1.2 Malt Hình 1.3 Men bia .9 Hình 1.4 Hoa hupblon 10 Hình 1.5 Quy trình công nghệ nấu bia 12 Hình 1.6 Sơ đồ cơng nghệ nồi gạo 16 Hình 1.7 Sơ đồ cơng nghệ nồi malt 17 Hình 1.8 Sơ đồ cơng nghệ nồi hoa 17 Hình 1.9 Sơ đồ cơng nghệ nồi lọc 18 Hình 1.10 Động khuấy HPS 500 .19 Hình 1.11 Bơm ly tâm 20 Hình 1.12 Van gia nhiệt 21 Hình 1.13 Van khí nén 22 Hình 1.14 Cảm biến nhiệt độ 22 Hình 1.15 Cảm biến mức .23 Hình 3.1 Màn hình đăng nhập 47 Hình 3.2 Giao diện Gạo-Malt 48 Hình 3.3 Giao diện nồi lọc .48 Hình 3.4 Giao diện sơi hoa 49 Hình 3.5 Giao diện lắng xoáy 49 Hình 3.6 Giao diện xuất lưu trữ liệu 50 Hình 3.7 Xuất liệu Excel 50 Hình 3.8 Lưu trữ liệu 51 Hình 3.9 Đồ thị trend .52 Hình 3.10 Màn hình cảnh báo 53 Hình 3.11 Dữ liệu SQL server 53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Bảng giá trị hoa hupblon 11 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BIA 1.1 Khái niệm thành phần 1.1.1 Khái niệm Bia loại nước uống chứa cồn sản xuất q trình lên men đường lơ lửng mơi trường lỏng khơng chưng cất sau lên men Nói cách khác, bia loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp có hương vị đặc trưng hoa houblon Đặc biệt CO2 hịa tan bia có tác dụng giải nhiệt nhanh, hỗ trợ cho q trình tiêu hóa, ngồi bia chứa lượng vitamin phong phú (chủ yếu vitamin nhóm B vitamin B1, B2, PP, …) Nhờ ưu điểm này, bia sử dụng rộng rãi hầu giới với sản lượng ngày tăng Đối với nước ta bia trở thành loại đồ uống quen thuộc với sản lượng ngày tăng trở ngành công nghiệp thực phẩm mũi nhọn ngành công nghiệp nước ta Quá trình sản xuất bia gọi nấu bia Do thành phần sử dụng để sản xuất bia có khác biệt tùy theo khu vực, đặc trưng bia hương vị màu sắc thay đổi khác có khái niệm loại bia hay phân loại khác 1.1.2 Giới thiệu thành phần Nguyên liệu để dùng để sản xuất bia bao gồm: gạo, malt, H 2O, men, hoa hupblon Trong hai ngun liệu dùng để sản xuất bia malt hoa hupblon Ngoài thay malt nguyên liệu phụ mì, gạo ngơ để giảm chi phí sản xuất Cho đến bia giới sản xuất chủ yếu với công thức cổ điển: BIA = MALT + HOA HUPBLON + NƯỚC Việc sản xuất dựa tảng công nghệ tiên tiến tuân theo nghiêm ngặt quy trình cơng nghệ tiêu chuẩn Việt Nam giới Gạo Chỉ nguyên liệu phụ chiếm 30% thành phần nguyên liệu sản xuất bia Đây nguyên liệu sử dụng để thay nhằm giảm chi phí sản xuất, cải thiện thành phần dịch chiết, cải thiện mùi vị bia, để bảo quản lâu dài trình sản xuất người ta thay phần malt số loại đại mạch chưa nảy mầm loại ngũ cốc khác thay nguyên liệu nảy mầm Nhờ mà ta thu bia thành phẩm với giá rẻ hơn, chất lượng bia thành phẩm giảm không đáng kể Do nước ta nước nông nghiệp nên gạo nông sản phổ biến giá thành rẻ, thành phần hóa học tương ứng với thành phần hóa học malt, nên người ta thường chọn gạo làm thành phần thay lượng malt Yêu cầu chất lượng gạo: -Đồng kích thước, màu sắc, khơng có hạt mốc, mối mọt, khơng có mùi hơi, khơng cát sạn -Độ ẩm: 12% đến 14% -Độ hịa tan: 80% đến 85% Hình 1.1 Gạo Malt Là loại hạt ngũ cốc hay thường gọi lúa mạch Chiếm 70% thành phần nguyên liệu sản xuất bia thường nhập từ nước có dạng hạt sau nghiền Malt cịn dùng để tạo màu cho bia, với malt bình thường khơng đủ độ màu người ta thêm malt “đen” để tăng độ màu cho Bia Yêu cầu chất lượng malt: -Độ ẩm 5-6% -Độ hịa tan/ chất khơ xay nhuyễn >80% -Chênh lệch : xay nhuyễn/ xay khô 1.2-1.5% -Protein tổng 9.5-10% -Cỡ hạt > 2.5mm lớn 85% -Cỡ hạt < 2.5mm bé 1% -Độ 2.5 EBC -Thời gian đường hóa hồn tồn 70oC 15 phút -Tốc độ lọc bình thường -PH từ 5-6 -Độ màu 3-4 EBC Hình 1.2 Malt Nấm men Nấm men dùng sản xuất bia có khả hấp thụ chất dinh dưỡng môi trường nước mạch nhà loại đường hòa tan, hợp chất nitơ axit amin, peptit, vitamin, nguyên tố vi lượng qua màng tế bào Sau hang loạt phản ứng sinh hóa mà đặc trưng q trình trao đổi chất để chuyến hóa chất thành dạng cần thiết cho trình phát triển lên men nấm men tiến hành Căn vào đặc điểm kết hợp với điều kiện khách quan, nhà máy chọn sử dụng nấm men chìm Saccharomyces để sử dụng lên men bia cho nhà máy Yêu cầu chất lượng nấm men: -Thuần khiết đời men giống dùng 6-10 chù kì lên men -Tỉ lệ tế bào chồi 15-20% -Tỉ lệ men chết 5% -Tế bào to khỏe, hình dáng đặc trưng -Men giống khơng nhiễm vi sinh vật -Men khơ hoạt hóa thiết bị có hoạt hóa chứa dịch nha 14oC Hình 1.3 Men bia 10