Gạo
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 hương vị bia mà còn tăng cường khả năng bảo quản 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 vẫn giữ được chất lượng bia thành phẩm ở mức chấp nhận được.
Malt
Malt, hay còn gọi là lúa mạch, là một loại hạt ngũ cốc quan trọng, chiếm 70% nguyên liệu sản xuất bia Thường được nhập khẩu từ nước ngoài, malt không chỉ đóng vai trò chính trong quy trình sản xuất bia mà còn được sử dụng để tạo màu sắc hấp dẫn cho sản phẩm.
Nấm men
Nấm men trong sản xuất bia có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng như đường hòa tan, axit amin, peptit, vitamin và nguyên tố vi lượng từ môi trường nước mạch nhà Qua 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 quá trình lên men của nấm men.
Hoa hublon
Là thành phần làm nên hương vị cay, đắng cho bia.
Nước
Nước là một trong những nguyên liệu chính trong sản xuất bia, chiếm từ 87% đến 90% thành phần của sản phẩm Nó được sử dụng trong tất cả các công đoạn sản xuất bia, do đó, thành phần và tính chất của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bia cuối cùng Vì lý do này, nước dùng trong sản xuất bia cần phải được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi đưa vào hệ thống.
Quy trình công nghệ
Công đoạn nghiền
Công đoạn đầu tiên trong quy trình nấu bia là nghiền gạo và malt, giúp tối ưu hóa hoạt động của các enzim Quá trình này giảm kích thước hạt nguyên liệu, tăng cường bề mặt tiếp xúc với nước, từ đó cải thiện khả năng xâm nhập của nước vào nguyên liệu.
Giảm kích thước hạt nguyên liệu giúp tăng diện tích 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, mang lại hiệu quả cao hơn.
Hình 6: Quy trình công nghệ nấu bia
Có ba phương pháp nghiền chính: nghiền khô, nghiền có phun ẩm và nghiền cùng với nước Tại các nhà máy bia, phương pháp nghiền khô được ưa chuộng cho các loại malt.
Công đoạn nấu
- 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 các phân tử nhỏ hơn là cần thiết để cung cấp dinh dưỡng cho sự phát triển của nấm men Quá trình này chủ yếu diễn ra nhờ hệ enzyme tự nhiên có trong malt, và có thể được hỗ trợ thêm bằng một lượng nhỏ chế phẩm enzyme.
Gạo được cho vào nồi nấu với tỷ lệ nước chiếm 2/3 thể tích nồi Hỗn hợp này được đun 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 tăng lên 83-85 độ C và giữ trong 15 phút để hồ hóa bột gạo Sau đó, dịch gạo được hạ xuống 72 độ C và thêm malt lót vào, giữ trong 15-20 phút để tinh bột gạo được dịch hóa hoàn toàn Cuối cùng, nhiệt độ được nâng 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 52 độ C và giữ trong 20 phút Sau đó, cho dịch gạo vào nồi dịch malt, tạo 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, nâng nhiệt độ lên 76 độ C, giữ trong 5 phút trước khi bơm sang nồi lọc.
Quá trình thủy phân là quá trình chuyển đổi các thành phần chính của malt hoặc nguyên liệu thay thế thành các chất hòa tan trong nước, với trọng tâm là các loại đường và acid amin Tuy nhiên, thuật ngữ "đường hóa" không hoàn toàn chính xác, vì quá trình này không chỉ liên quan đến việc tinh bột biến thành đường mà còn bao gồm việc hòa tan protein trong nước nha, và tỷ lệ này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bia cuối cùng.
Quá trình thủy phân protein và đường hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó nhiệt độ, pH và độ loãng của hỗn hợp thủy phân đóng vai trò quan trọng Việc điều chỉnh các yếu tố này giúp tối ưu hóa quá trình thủy phân, đạt được hiệu quả nấu tốt nhất.
Công đoạn lọc
- 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 đó nâng lên để khối cháo lắng trong 30 phút, tạo thành lớp lọc với bùn trên Dịch đường xả ra ban 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 75-78 độ C, nhiệt độ này giúp tiếp tục đường hóa tinh bột đã hồ hóa Nếu nước rửa có nhiệt độ thấp, tốc độ chảy chậm, kéo dài thời gian lọc, còn nếu quá cao sẽ hồ hóa tinh bột còn lại, làm tăng độ nhớt và đục dịch đường Cuối cùng, dịch đường trong được bơm sang thiết bị đun hoa hop.
Công đoạn nấu hoa Houblon
Trích xuất chất đắng, tinh dầu và hợp chất chứa nitơ từ hoa hupblon cùng với dịch ngọt, nhằm chuyển đổi thành 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
Trong quá trình sản xuất, dịch đường ban đầu và dịch rửa bã được kết hợp trong thiết bị đun hoa Sau đó, caramen được thêm vào để tạo màu sắc hấp dẫn, cùng với CaCl2 để tăng cường hương vị cho sản phẩm.
Để đảm bảo nhiệt độ của dịch đường không hạ xuống dưới 70oC, cần cấp hơi ngay từ khi dịch đường đầu tiên chảy vào nồi đun hoa Ban đầu, khi lượng dịch còn ít, lượng hơi cấp vào cũng sẽ thấp Tuy nhiên, khi lượng dịch tăng dần, lượng hơi cấp vào cũng cần tăng theo để duy trì nhiệt độ ổn định.
Để đảm bảo chất lượng dịch đường, việc để dịch đường nguội trong thời gian dài là điều tối kỵ, vì điều này tạo cơ hội cho Oxi trong không khí tiếp xúc và gây ra phản ứng Oxi hóa Cường độ đun sôi cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này; cường độ đun sôi mạnh sẽ dẫn đến sự biến tính và keo tụ protein nhiều hơn.
Sơ đồ công nghệ các nồi nấu
Nồi gạo
Nồi gạo sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cùng với cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức, sẽ được giới thiệu chi tiết trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Nồi Malt
Hình 7: Sơ đồ công nghệ nồi nấu gạo
Hình 8: Sơ đồ công nghệ nồi Malt
Trong nồi malt, 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 được sử dụng để tối ưu hóa quy trình sản xuất Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày cụ thể trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Nồi hoa
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).
Nồi lọc
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 Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày cụ thể trong phần Lựa chọn thiết bị phần cứng (1.4).
Lựa chọn thiết bị phần cứng
Động cơ khuấy
- Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt
- Mục đích : Khuấy hỗn hợp cháo yến mạch trong nồi gạo
- Thông số kỹ thuật chính:
+ Điện áp 380V + Công suất 3.7KW 5HP + Tần số 50Hz
+ Có đi kèm hộp giảm tốc Hình 11: Động cơ khuấy
Máy bơm dịch
- 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.
- Số liệu kĩ thuật : + Điện áp 380V / 50Hz + Công suất 3 kW, 7.4A - Lưu lượng: 20 m3 /h + Khối lượng: 42 kg
+ 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
Van gia nhiệt
- 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
- Số liệu kĩ thuật : + Cỡ 1’’ đến 20 ‘’
+ 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
Van khí nén
- 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
- Số liệu kĩ thuật : + Cỡ 1’’ đên 6’’
+ Nhiệt độ làm việc : 0oC đến 150oC + Lưu lượng : 60 đến 875l/ phút
+ Dòng vào : 4mA đến 20mA Hình 14: Van khí nén
Cảm biến nhiệt độ
- 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
Số liệu kĩ thuật : + 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
Cảm biến mức
- 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
- Số liệu kĩ thuật : +Điện áp : 18VDC đến 30VDC +Tín hiệu ra : chuyển đổi 2 kiểu tín hiệu open/close +Dòng ra : 50mA
+Thời gian đáp ứng: < 0.5s Hình 16: Cảm biến mức
Lựa chọn PLC
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 + 32 cổng vào, ra digital
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:
A dh dt =Fi− Fo 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
C p : Nhiệt năng của nước Fo: Lưu lượng nước ra
𝜌: 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
Ta có: m= 𝜌.A.h 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 cho toàn bộ hệ thống điều khiển nhiệt độ nồi được xác định bởi các yếu tố này.
Việc xác định các thông số trong phương trình là một thách thức lớn, do đó, chúng tôi đã áp dụng phương pháp thực nghiệm để 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 bơm hết dung dịch trong nồi matl, hãy thêm nước có nhiệt độ từ 76-80ºC để làm sạch nồi matl Tiến hành bơm nước để đẩy nước đến 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 hệ thống đến 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
Từ 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 được xác định sau quá trình nhận dạng hoàn toàn có thể áp dụng để mô phỏng hệ thống nồi malt một cách chính xác.
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, bao gồm 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, sách lược điều khiển phản hồi vòng đơn được lựa chọn cho hệ thống này.
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 được sự 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 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 ra theo sát tín hiệu chủ đạo mà không xảy ra dao động, đồng thời 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)
Trong quá trình bơm cháo sang nồi malt, có hai giai đoạn quan trọng: đầu tiên, nâng nhiệt nồi malt lên 52°C, sau đó tiếp tục nâng lên 64°C Để 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.
- 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 Với: Kp=0.5*Kth = 90
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
- 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 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
- 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
Giá trị thực tế của nồi là giá trị đáp ứng mà bộ PID xuất ra để nhiệt độ của nồi đạt đến giá trị Setpoint Bộ PID sử dụng 3 hàm move để gán giá trị lần lượt cho các thông số KP, KI và Kd mà người dùng 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
Chương 4: Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển
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 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 đảm nhiệm vai trò lưu trữ dữ liệu từ giao diện Winform C#.
Winform, hay còn gọi là Windows Form, là một giải pháp phát triển ứng dụng chạy trên nền tảng Windows, sử dụng phần mềm Visual Studio 2019 Nó có khả năng hiển thị, giám sát và điều khiển hệ thống hiệu quả Bên cạnh đó, Winforms có thể truy vấn dữ liệu từ SQL Server và gửi các dữ liệu quan trọng trở lại 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 TiaPortal Phần mềm lập trình PLC, có chức năng xử lý, đọc, ghi dữ liệu tại cấp hiện trường
4.2 Kết nối giao diện với PLC Khai báo các tag trung gian
Hình 40: Khao báo các tag trung gian
4.3 Các giao diện và hướng dẫn sử dụng 4.3.1 Giao diện đăng nhập
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 điền 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.
Để thoát khỏi chương trình, bạn chỉ cần nhấn nút "Thoát" Thông tin tài khoản người dùng phần mềm được đăng ký và quản lý trên cơ sở dữ liệu, trong trường hợp này là SQL Server.
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 Tại đây, có các nút chức năng tương ứng để thực hiện các tác vụ 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
Kết quả
Giao diện giám sát nồi gạo
Hình 53: Giao diện giám sát nồi gạo
Nhóm em đã điều chỉnh mô hình toán học và thông số PID nhằm rút ngắn thời gian mô phỏng Kết quả là nhóm đã thành công trong việc vẽ 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