Thiết kế và chế tạo hệ thống tự động chưng cất rượu theo công nghệ dân gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM THỊ THÙY DƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHƯNG CẤT RƯỢU THEO CÔNG NGHỆ DÂN GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TSKH Trần Hoài Linh Hà Nội – Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn, Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới PGS.TSKH Trần Hoài Linh, thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giảng dạy em suốt trình học cao học vừa qua Cảm ơn gia đình, anh em bạn bè, đồng nghiệp động viên, hỗ trợ, đóng góp ý kiến giúp em hoàn thành luận văn Dù cố gắng với trình độ hiểu biết thời gian nghiên cứu thực tế có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận lời dẫn, góp ý thầy/cơ bạn đọc để luận văn em hoàn thiện Em trân trọng cảm ơn! -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cơng trình riêng tôi, tự thực hướng dẫn PGS TSKH Trần Hoài Linh Kết đạt hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2018 Học viên thực Phạm Thị Thùy Dương -ii- Mục lục LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Phương pháp nghiên CỨU ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Chương 1: KHẢO SÁT MỘT SỐ CÔNG NGHỆ NẤU RƯỢU DÂN GIAN Ở KHU VỰC TÂY BẮC 1.1 RƯỢU GẠO 1.1.1 Chọn gạo để làm rượu 1.1.2 Men rượu 1.1.3 Nấu chín gạo 1.1.4 Rắc men 1.1.5 Ủ cơm 1.1.6 Chưng cất rượu 1.1.7 Lọc trữ rượu 1.2 RƯỢU SAN LÙNG 1.2.1 Luộc thóc 11 1.2.2 Vào men 11 1.2.3 Ủ rượu 11 1.2.4 Chưng cất 11 1.2.5 Trữ rượu 12 1.3 RƯỢU NGÔ 12 1.3.1 Luộc ngô 13 1.3.2 Ủ men ngô 13 1.3.3 Chưng cất rượu ngô 14 1.3.4 Trữ rượu 15 1.4 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ QUY TRÌNH NẤU RƯỢU DÂN GIAN VÀ ĐỀ XUẤT 15 Chương 2: PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN CẢI THIỆN CÔNG NGHỆ NẤU RƯỢU DÂN GIAN 16 2.1 LỰA CHỌN KHÂU CẢI THIỆN 16 2.2 PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN 20 -iii- Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO KHÂU ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ 27 3.1 TÓM TẮT VỀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 27 3.2 THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 32 3.2.1 Xác định tham số điều khiển theo phương pháp tối ưu mô đun 32 3.2.2 Xác định tham số điều khiển PID theo phương pháp Zeigler –Nichols 34 3.2.3 Xác định tham số PID cho đối tượng qn tính phương pháp tối ưu mơ đun mở rộng 38 3.2.4 Xác định tham số điều khiển phương pháp dự báo Smith 40 3.3 ĐIỀU KHIỂN KHÂU Ủ 41 3.3.1 Đối tượng điều khiển 41 3.3.2 Xác định tham số điều khiển cho khâu ủ 45 3.4 ĐIỀU KHIỂN KHÂU CHƯNG CẤT 45 3.4.1 Xác định đối tượng điều khiển 45 3.4.2 Tham số điều khiển cho khâu chưng cất 47 Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ 49 4.1 LỰA CHỌN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 49 4.1.1 Một số loại cảm biến nhiệt thông dụng 50 4.1.2 Lựa chọn Luận văn 55 4.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ 58 4.3 NGUỒN CẤP NHIỆT 64 4.3.1 Giới thiệu chung 64 4.3.2 Cấu tạo lò nhiệt điện trở 64 4.4 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN KHÂU Ủ VÀ KHÂU CHƯNG CẤT 66 4.4.1 Sơ đồ mạch điện cấp cho làm mát khâu ủ 66 4.4.2 Sơ đồ mạch điện làm tăng nhiệt độ khâu ủ 67 4.4.3 Sơ đồ mạch điện khâu chưng cất 68 Chương 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 69 5.1 MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 69 5.1.1 Vận hành khâu ủ 69 5.1.2 Vận hành chưng cất 71 5.2 KẾT QUẢ 73 5.2.1 Kết ổn định nhiệt độ 300C khâu ủ 73 5.2.2 Kết điều khiển nhiệt độ khâu chưng cất 74 5.3 HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM 77 -iv- Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Quy trình nấu rượu gạo Hình 1.2: Gạo nếp cẩm (a) gạo nếp (b) dùng nấu rượu gạo Hình 1.3 Men nấu rượu Hình 1.4: Nồi cơm rượu –Rằm cơm tơi Hình 1.5: Vào men cơm rượu Hình 1.6: Chưng cất rượu gạo Hình 1.7: Trữ rượu chum Hình 1.8: Men 10 Hình 1.9: Chùm hạt cao lương 10 Hình 1.10: Quy trình nấu rượu thóc San Lùng 10 Hình 1.11: Luộc thóc 11 Hình 1.12: Chưng cất rượu thóc người dân tộc Dao 12 Hình 1.13: Quy trình nấu rượu ngơ 13 Hình 1.14: Luộc ngơ 13 Hình 1.15: Chưng cất rượu ngơ người dân tộc 14 Hình 2.1: Hầm ủ men rượu 21 Hình 2.2: Hình chiếu phịng ủ men 22 Hình 2.3: Quy trình điều khiển tăng nhiệt độ 22 Hình 2.4: Làm mát thổi khí 23 Hình 2.5: Làm mát nước thông qua cooling pad 24 Hình 2.6: Quy trình điều khiển nhiệt độ khâu chưng cất 25 Hình 3.1: Mơ tả thành phần điều khiển PID 27 Hình 3.2: Điều khiển phản hồi với điều khiển PID 27 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn chất lượng điều khiển PID 28 Hình 3.4: Điều khiển phản hồi với khâu tỉ lệ KP 29 Hình 3.5: Điều khiển phản hồi với khâu tích phân KI/s 29 Hình 3.6: Điều khiển phản hồi với khâu vi phân KD.s 30 Hình 3.7: Hệ kín phản hồi 32 Hình 3.8: Đặc tính logarit 33 Hình 3.9: Mơ hình điều khiển vịng kín dùng điều khiển PID 34 Hình 3.10: Đặc tính q độ hệ thống 35 Hình 3.11: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ (3.19) 35 Hình 3.12: Xác định tham số cho mơ hình gần hình chữ S 36 Hình 3.13: Xác định số khuếch đại tới hạn 37 Hình 3.14: Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith 40 Hình 3.15: Đặc tính lò điện trở (thiết bị gia nhiệt): a) Đặc tính xấp xỉ, b) đặc tính xấp xỉ khâu quán tính bậc 42 Hình 3.16: Đặc tính tự nhiên thiết bị gia nhiệt khâu ủ 43 Hình 3.17: Đặc tính khâu qn tính bậc 44 -v- Hình 3.18: Xác định giao điểm 0.632k đặc tính tự nhiên 44 Hình 3.19: Đặc tính tự nhiên đối tượng khâu chưng cất 45 Hình 3.20: Xác định tham số k, T1, T2 hàm truyền đối tượng 46 Hình 4.1: Cặp nhiệt điện 50 Hình 4.2: Nguyên lý làm việc cặp nhiệt điện 50 Hình 4.3: Điện trở RTD 52 Hình 4.4: Điện trở oxit kim loại 53 Hình 4.5: Cảm biến nhiệt bán dẫn 54 Hình 4.6: Nhiệt kế xạ 54 Hình 4.7: Các cảm biến nhiệt LM35 56 Hình 4.8: Sơ đồ kết nối PT100 (RTD) với điều khiển số hiển thị TC4S 57 Hình 4.9: Sơ đồ kết nối PT100 với điều khiển số hiển thị ESM-4420 57 Hình 4.10: Kiểu điều khiển On/off, điều khiển pha, điều khiển chu kỳ 58 Hình 4.11: Ví dụ mô tả hoạt động chức điều khiển nhiệt theo thời gian 59 Hình 4.12: Bộ RKC CH402FK02 sơ đồ chân 60 Hình 4.13: Cấu trúc điều khiển PID số 61 Hình 4.14: Xấp xỉ khâu tích phân PID 61 Hình 4.15: Lò nhiệt điện trở 65 Hình 4.16: Bếp điện 12kW (trái), bếp điện 30kW (phải) 66 Hình 5.1: Đặc tính nhiệt độ khâu ủ ứng với tham số cài đặt bảng 5.1 73 Hình 5.2: Đặc tính nhiệt độ khâu ủ ứng với tham số cài đặt bảng 5.2 74 Hình 5.3: Đặc tính điều khiển nhiệt độ giai đoạn 950C 1000C với thông số bảng 5.4 74 Hình 5.4: Đặc tính điều khiển nhiệt độ giai đoạn 950C 1000C với thông số bảng 5.5 75 Hình 5.5: Đặc tính điều khiển nhiệt độ giai đoạn 950C 1000C với thông số Bảng 5.7 76 Hình 5.6: Giai đoạn chưng cất đặt 950C 77 Hình 5.7: Giai đoạn chưng cất đặt 1000C 78 Hình 5.8: Nồi chưng cất rượu 78 -vi- Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thứ nhất, biết đến Rượu nét văn hóa, vừa thuộc lĩnh vực vật chất vừa thuộc lĩnh vực tinh thần phát minh vĩ đại người sau Lửa, nên có lịch sử từ lâu đời tồn nhiều nước giới Ở Việt Nam, Rượu nét văn hóa mang đậm sắc riêng dân tộc vùng Thưởng thức rượu phần tách rời sinh hoạt, văn hóa, lễ hội giao tiếp Ngày với phát triển khoa học cơng nghệ có dây truyền công nghiệp sản xuất Rượu với số lượng lớn, đa dạng chủng loại giá thành cao Tuy nhiên nhiều làng rượu truyền thống nước ta sản xuất rượu theo công nghệ dân gian nhằm đảm bảo chất lượng, lưu giữ truyền thống nấu rượu danh tiếng có từ lâu đời Với mong muốn áp dụng cơng nghệ tự động hóa vào hệ thống chưng cất rượu để tái tạo lại công nghệ dân gian giúp cải tạo, điều khiển tốt yếu tố liên quan đến chất lượng rượu vượt trội so với thực nấu rượu thủ công Điều giúp nâng cao chất lượng sản phẩm rượu mà lưu giữ giá trị truyền thống, giảm sức lao động cho người nấu rượu Thứ hai, thân giáo viên dạy nghề điện trường Cao đẳng Cơ điện Tây Bắc thuộc Nông nghiệp Phát triển Nơng thơn có nhiệm vụ đào tạo nguồn nhân lực cho nghiệp Cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, đặc biệt góp phần quan trọng nghiệp CN hóa nơng nghiệp, nơng thơn nên việc áp dụng kiến thức chuyên ngành để tham gia vào giảng dạy chun mơn làm mơ hình dạy học gắn liền với thực tế tạo hứng thú, say mê học tập cho em học sinh, sinh viên song song đề tài cịn hướng tới ứng dụng sản xuất Do hoàn thành đề tài dù trước mắt cương vị cá nhân tự xây dựng mơ hình sau hồn tồn áp dụng để phát triển tạo mơ hình dạy học cho nhà trường đào tạo số mô đun ngành Điện tự động hóa Xuất phát từ lý em lựa chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo hệ thống tự động chưng cất rượu theo công nghệ dân gian” với nội dung: - - Lời mở đầu Khảo sát phân tích đánh giá số cơng nghệ nấu rượu dân gian khu vực Tây Bắc, Đưa lựa chọn công nghệ để xây dựng hệ thống tự động tái tạo lại, Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển phù hợp để tái tạo lại công nghệ dân gian, Xây dựng mơ hình thực nghiệm, Đánh giá hệ thống sau triển khai PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU • Khảo sát thực tế, tham khảo kinh nghiệm người nấu rượu, thống kê, phân tích đánh giá thực trạng, • Sử dụng phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng để xây dựng tốn điều khiển, • Xây dựng mơ hình thực tế để làm thí nghiệm, vận hành, kiểm tra khẳng định mục tiêu đề ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐỀ TÀI Đối tượng đề tài hướng đến mơ hình nấu rượu thủ công địa phương nơi thân sinh sống MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Trước hết mục tiêu đề tài xây dựng mơ hình tái tạo nấu rượu thu nhỏ theo công nghệ dân gian tích hợp tự động hóa hệ thống điều khiển giám sát thông số nhiệt độ Nhiệt độ khâu ủ khâu chưng cất điều khiển khoảng nhiệt độ phù hợp theo kinh nghiệm đúc kết từ người nấu rượu thủ công Mục tiêu thứ hai xây dựng giải pháp tự động hóa điều khiển giám sát nhiệt độ khâu ủ khâu chưng cất hệ thống nấu rượu thủ công Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Đối với người nấu rượu thủ công đề tài đem lại giải pháp điều khiển giám sát hiệu yếu tố nhiệt độ yếu tố có ảnh hưởng lớn - - Lời mở đầu đến chất lượng rượu sản xuất tiến tới áp dụng vào thực tiễn sản xuất địa phương nói riêng nhiều nơi khác Khi mơ hình hồn thành xong, đề xuất để triển khai làm mơ hình dạy học trường có chủ trương nhu cầu vào năm tới - - Chương 4: Lựa chọn thiết bị 4.4.3 Sơ đồ mạch điện khâu chưng cất 220VAC L N Nồi chưng cất MCB TC HEAT Sourse CH402KF02 –M*AN Power OUTPUT SSR modul - +SSR ALARM 332VDC + 10 SENSOR 11 + 12 - - 68 - 90480VAC SSR-40DA-H Chương 5: Kết thử nghiệm đánh giá Chương 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 5.1.1 Vận hành khâu ủ Khi nhiệt độ hầm ủ cao 300C để thực làm mát tiến hành đóng áp tơ mát MCB1 Khi quạt thổi khí bơm làm việc Bơm thực bơm nước tuần hoàn cho hệ xốp ngậm nước, quạt làm nhiệm vụ thổi khí mát vào hầm ủ Khi nhiệt độ hầm ủ 280C để làm tăng nhiệt độ hầm ủ tiến hành đóng áp tơ mát MCB2 cấp nguồn cho điều khiển nhiệt độ CH402FK02-M*AN quạt luân chuyển nhiệt Bộ điều khiển thực điều khiển thiết bị gia nhiệt thông qua ngõ SSR (6), (7) mô đun SSR Thiết bị gia nhiệt thực gia nhiệt làm tăng nhiệt độ môi trường ủ ổn định 300C a) Thử nghiệm không sử dụng chế độ autotuning Trước tiên ta thử nghiệm không sử dụng chế độ autotuning điều khiển nhiệt độ (chế độ tự động xác định tham số PID), thông số cài đặt cho điều khiển nhiệt độ CH402FK02-M*AN: Bảng 5.1: Bảng thông số cài đặt cho điều khiển nhiệt độ ổn định 30oC Thông số Ý nghĩa Giá trị 350C AL1 Cảnh báo nhiệt độ ARU Chế độ Autotuning SRU Chế độ Self-tuning P Hệ số khuếch đại 110 I Hằng số thời gian tích phân 141 D Hằng số thời gian vi phân AR r Giá trị tham khảo 25(%) Chu kỳ điều khiển đầu 16 (s) Các thông số khác Mặc định theo nhà sản xuất - 69 - Chương 5: Kết thử nghiệm đánh giá b) Thử nghiệm sử dụng chế độ autotuning Khi sử dụng chế độ autotuning có sẵn, điều khiển thực điều khiển gia nhiệt đến nhiệt độ đặt sau tự động đóng cắt chu kỳ: cắt nguồn nhiệt độ cao nhiệt độ đặt 10C (tại nhiệt độ SV+10C; SV nhiệt độ đặt) đóng nguồn nhiệt độ thấp nhiệt độ đặt 10C(tại nhiệt độ SV-10C) Để bật chế độ autotuning tham số ARU đặt Sau chế độ autotuning xong thơng số PID điều khiển xác định tự động Các thơng số điều khiển sau: Bảng 5.2: Bảng thông số cài đặt cho điều khiển nhiệt độ ổn định 300C Thông số Ý nghĩa Giá trị AL1 Cảnh báo nhiệt độ 350C ARU Chế độ Autotuning SRU Chế độ Seft tuning P Hệ số khuếch đại I Hằng số thời gian tích phân 71 D Hằng số thời gian vi phân 17 AR r Giá trị tham khảo 54(%) Chu kỳ điều khiển đầu 16 (s) Các thông số khác Mặc định theo nhà sản xuất Để đặt tham số điều khiển ta sử dụng phím điều khiển nhiệt độ Chức hiển thị chức phím nêu bảng sau: Bảng 5.3: Bảng chức hiển thị chức phím điều khiển Tên Chức PV Hiển thị giá trị đo SV Hiển thị giá trị cài đặt OUTPUT1 Đèn hiển thị bật đầu bật - 70 - Chương 5: Kết thử nghiệm đánh giá ALAM1 Đèn hiển thị bật đầu cảnh báo bật AT Đèn bật chế độ Autotuning bật Set Phím chuyển chế độ xác nhận giá trị cài đặt  Phím thay đổi giá trị  Phím thay đổi giá trị