Điều khiển theo mẻ (BATCHING PROCESS) và ứng dụng cho dây chuyền sản xuất nước giải khát

Điều khiển theo mẻ (Batch Process) là một phương thức điều khiển mới, nó gắn liền với các dây chuyền sản xuất tự động. Trong bài báo này, tác giả trình bày những nét tổng quan về điều khiển theo mẻ và đề xuất một ứng dụng điều khiển theo mẻ cho dây chuyền sản xuất nước giải khát tự động. Qua đó đánh giá những lợi ích kinh tế khi ứng dụng phương pháp điều khiển này trong lĩnh vực sản xuất hiện đại.

ĐIỀU KHIỂN THEO MẺ (BATCHING PROCESS) VÀ ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT Dương Thị Vân Anh* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Điều khiển theo mẻ (Batch Process) phương thức điều khiển mới, gắn liền với dây chuyền sản xuất tự động Trong báo này, tác giả trình bày nét tổng quan điều khiển theo mẻ đề xuất ứng dụng điều khiển theo mẻ cho dây chuyền sản xuất nước giải khát tự động Qua đánh giá lợi ích kinh tế ứng dụng phương pháp điều khiển lĩnh vực sản xuất đại Từ khóa: điều khiển q trình (process control) điều khiển theo mẻ (Batch Process)  MỞ ĐẦU Điều khiển theo mẻ (Batching) phương pháp điều khiển q trình khơng liên tục phát triển mạnh mẽ số năm gần đây, đặc biệt ứng dụng mạnh ngành sản xuất đòi hỏi cao tự động hóa xác pha chế với đặc điểm:  Có khối lượng nhỏ  Sản phẩm đa dạng  Có thể sản xuất nhiều sản phẩm khác dây chuyền Tận dụng tối đa thiết bị, thời gian quay vòng sử dụng tối thiểu  Quy trình sản xuất thể rõ (qua cơng thức) Có thể ứng dụng dây chuyền từ đơn giản đến phức tạp Như mơ hình phân cấp tổng quát theo mức độ phức tạp cuả hệ thống sản xuất thực tế (hình 1)  Các sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao: ngành hóa chất, dược phẩm, chế biến thức ăn, đồ uống, mỹ phẩm hay ngành công nghệ sinh học Các nguyên liệu sử dụng trình tạo sản phẩm điều khiển theo liều lượng, khoảng thời gian định theo công thức định nghĩa trước Đặc điểm phương pháp điều khiển Batch:  Từ trình tới bước điều khiển thơng qua cơng thức  Khối lượng sản phẩm phương pháp điều khiển thường nhỏ so với phương pháp điều khiển liên tục  Dung tích sản phẩm nhỏ  Thường có thay đổi (thành phần) q trình hoạt động  Hình Sơ đồ phân cấp mơ hình Batch Trong bao gồm mơ hình phân cấp sau: a Hệ nhiều sản phẩm/một quy trình (cần quy trình để sản suất sản phẩm khác nhau) Tel: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 160 Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ b Hệ sản phẩm/nhiều quy trình (cần nhiều quy trình khác để tạo sản phẩm) c Hệ nhiều sản phẩm/ nhiều quy trình (đây hệ sản xuất phức tạp, gồm nhiều quy trình sản xuất để tạo họ sản phẩm) ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THEO MẺ CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT SỬ DỤNG PCS7 (PROCESS CONTROL SYSTEM) CỦA HÃNG SIEMENS Hình 2: Dây chuyền sản xuất nước giải khát Đây hệ thống khép kín khả tự động hóa cao thơng qua thiết bị điều khiển, hệ thống giám sát sensor để thu thập tín hiệu phản hồi, bao gồm trạm: 74(12): 160 - 164 bình chứa Chất lỏng tổng hợp bơm tiếp sang trạm phản ứng để đun nóng đến nhiệt độ 400C giữ ổn định nhiệt độ đó, sau chất lỏng lại tiếp tục bơm sang trạm đóng chai để chia nhỏ sang chai đựng sản phẩm Robot có nhiệm vụ làm chai trước chúng chuyển đến trạm rót đóng nắp chai Mơ hình hệ thống: Bài toán đặt ra: Sản phẩm pha chế từ đến nguyên liệu thô, với liều lượng thành phần định theo yêu cầu sản phẩm cuối, theo tỉ lệ khác hợp chất hay theo chất lượng sản phẩm (loại 1, loại ) Sản phẩm sau pha trộn trộn đều, đun nóng đến nhiệt độ 400C giữ ổn định nhiệt độ Sản phẩm chuyển tới hệ thống đóng chai Trọng lượng chai yêu cầu đảm bảo khoảng 70g-75g Các thông số dung lượng chất thành phần xác định thông qua sensor đo lưu lượng Bài tốn khơng đặt u cầu kiểm tra nồng độ sản phẩm cuối Do tác giả không đề cập viết a Phần mềm PCS7 Để viết chương trình điều khiển tác giả sử dụng công cụ PCS Siemens, phần mềm mạnh đươc sử dụng cho điều khiển trình có tích hợp điều khiển theo mẻ Batch cho hệ thống điều khiển phức tạp công nghiệp Nguyên lý làm việc PCS7: - Trạm trộn - Trạm phản ứng - Trạm rót đóng nắp chai - Trạm vận chuyển - Trạm làm chai Tại trạm trộn dung dịch chất lỏng bơm từ van ngun liệu thơ vào hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 161 Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 74(12): 160 - 164 Một cơng thức điều khiển thay đổi cách thay đổi quy trình hay cơng thức hay hai để tạo sản phẩm khác Với cách soạn thảo công thức người điều khiển dễ dàng theo dõi thơng số qui trình sản xuất b Điều khiển nhiệt độ sử dụng qua điều khiển PID Hình 3: Sơ đồ hoạt động hệ PCS Mơ hình thực hệ thống mơ hình hóa sang mơ hình vật lý tương ứng PCS7 theo trật tự từ thấp đến cao: Equiptment (Hệ thống)  Unit (đơn vị, tương ứng với trạm)  Technical Module (các đối tượng điều khiển) Mơ hình tương ứng với mơ hình trình Simatics Batch, phân cấp theo trật tự từ cao xuống thấp: RP (công thức tổng) TRP (công thức thành phần)ROP (bước công thức) RF (hàm cơng thức) Giữa hai mơ hình truyền thơng với qua khối giao diện viết theo ngôn ngữ dạng đồ họa, ứng với yêu cầu tốn Hình 5: Bộ điều khiển PID biểu diễn dạng phương trình:  d  y  K PR  e  *  e * dt  Tv * e  dt   Tn e = u –y: Sai số đầu vào hàm truyền GS ( s)  K PR (1  Một công thức điều khiển chứa đựng thông tin quy trình làm việc trạm hay hệ thống công thức pha chế sản phẩm  Tv S ) Tn S Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển nhiệt độ KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Kết Sử dụng điều khiển PID thu đáp ứng tĩnh động đảm bảo yêu cầu tốn Thơng qua hệ thống thu thập tín hiệu WinCC ta hồn tồn thay đổi thơng số Kp, Tn Tv để đạt chất lượng điều khiển mong đợi Hình Cấu trúc cơng thức điều khiển PCS7 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 162 Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 74(12): 160 - 164 CT 2: A 40% + B 20% + C 40% CT 3: A 60% + C 40% (A,B,C nguyên liệu với % thành phần tương đương) Hình 7: Đặc tính động điều khiển PID Từ hình hệ thống thu thập tín hiệu WinCC ta quan sát thông số: nhiệt độ tức thời, sai lệch giá trị đo giá trị đặt, thông số PID, trạng thái tín hiệu ra, nhập số liệu: thông số điều khiển PID, giá trị đặt nhiệt độ, chọn chế độ điều khiển tự động/bằng tay, điều khiển hoạt động tồn dây truyền sản xuất Hình 12 Giám sát Win CC Người viết thực viết chạy chương trình với cơng thức khác nhau: Hình 13: Các công thức pha chế Đánh giá Từ hệ thống điều khiển lắp đặt cố định, ứng dụng cho dây truyền sản xuất cụ thể Với việc ứng dụng phương pháp điều khiển theo mẻ (Batch process) hệ sản suất loại sản phẩm khác mà không cần thay đổi phần cứng Phương pháp hồn tồn chủ động điều khiển: liều lượng, thời gian mẻ bắt đầu, thay đổi thuộc tính sản phẩm cần thơng qua việc thay đổi công thức điều khiển Đối với dây chuyền sản xuất phức tạp, có nhiều khâu giống nhau, việc ứng dụng phương pháp điều khiển đặc biệt mang lại hiệu kinh tế cao, khâu tận dụng phần cứng, việc thay đổi thông số pha chế tiến hành thao tác mẻ xen kẽ nhau, theo thời điểm định Đây yếu tố quan trọng làm giảm giá thành sản phẩm, giảm thời gian sản xuất, linh hoạt, dễ dàng thay đổi quy trình sản xuất sản phẩm đòi hỏi đa dạng, đồng Bài toán giải tất yêu cầu công nghệ đặt CT 1: A 33%+ B 33% + C 33% Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 163 Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rudolf Lauber (1989): Prozess-automatisierung Band 1, Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York [2] Prof Dr Daniel S Christen: Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik - Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure [3] CRC Press (2006) Batch Processes [4] Process Control Engineering, Edited by M Polke 74(12): 160 - 164 [5] Olsson, Gustaf (1993): Steuern, Regeln, Automatisieren: Theorie und Praxis der Prozessleittechnik, Carl Hanser Verlag München Wien [6] Practical Process Control - by A M Seal, ISBN: 0340705906, Publisher: Elsevier Science & Technology Books [7] PID Controllers: Theory, Design and Tunning, 2nd Edition by KarlJ Astrom and Tore Haegglund [8] Prozessleitsystem PCS 7- SIMATIC BATCH Handbuch V7.1 SP1 SUMMARY BATCH PROCESS AND ITS APPLICATION IN MANUFACTURING A DRINKING - WATER PRODUCTION - LINE Duong Thi Van Anh Thai Nguyen University of Technology In this paper we are talking about Batch Process and its application in bottled manufacturing of a drinking–water production-line Therefore, there are two main contents, which are mentioned in this paper First, some elemental knowledge of Batch control is introduced The second is, using Simatics Batch for a bottled manufacturing of a drinking-water production-line At the end of this paper, some advantages of this method of control in the modern industrial manufactory are discussed Key words: Process control, Batch Process  Tel: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 164 ... sản phẩm) ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THEO MẺ CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT SỬ DỤNG PCS7 (PROCESS CONTROL SYSTEM) CỦA HÃNG SIEMENS Hình 2: Dây chuyền sản xuất nước giải khát Đây hệ thống khép... Đánh giá Từ hệ thống điều khiển lắp đặt cố định, ứng dụng cho dây truyền sản xuất cụ thể Với việc ứng dụng phương pháp điều khiển theo mẻ (Batch process) hệ sản suất loại sản phẩm khác mà không... cơng thức hay hai để tạo sản phẩm khác Với cách soạn thảo công thức người điều khiển dễ dàng theo dõi thơng số qui trình sản xuất b Điều khiển nhiệt độ sử dụng qua điều khiển PID Hình 3: Sơ đồ