Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển quá trình hồ hoá và đường hoá nhà máy bia vinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH HỒ HĨA VÀ ĐƯỜNG HÓA NHÀ MÁY BIA VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH HỒ HĨA VÀ ĐƯỜNG HĨA NHÀ MÁY BIA VINH Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đào Văn Tân HÀ NỘI – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cao học cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân tơi hướng dẫn PGS.TS Đào Văn Tân Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đăng ký, phê duyệt theo định Hiệu trưởng trường Đại học Mỏ Địa Chất chưa cơng bố cơng trình khoa học Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng nêu phần tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày …tháng … năm 2013 Học viên Trần Văn Hưng MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt luận văn Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA CỦA NHÀ MÁY BIA VINH 1.1 Lịch sử đời phát triển 1.2 Quy trình cơng nghệ tổng quát nhà máy bia 12 1.2.1 Nguyên liệu sản xuất bia 12 1.2.2 Quy trình cơng nghệ nhà máy sản xuất bia 13 1.2.3 Khu vực tiếp nhận xử lý nguyên liệu 17 1.2.4 Hệ nấu nhà máy bia 19 Chương 2: HỆ THỐNG HỒ HÓA VÀ ĐƯỜNG HÓA 27 CỦA NHÀ MÁY BIA VINH 2.1 Giải pháp điều khiển hệ nấu 27 2.2 Điều khiển q trình nhiệt nồi hồ hóa - đường hóa 28 2.3 Cảm biến thiết bị đo 32 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q 35 TRÌNH HỒ HĨA VÀ ĐƯỜNG HĨA CỦA NHÀ MÁY BIA VINH 3.1 Ứng dụng PLC vào lập trình hệ nấu nhà máy bia 35 3.1.1 Nồi nấu gạo 35 3.1.2 Nồi nấu Malt 36 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển PLC 36 3.2.1 Lưu đồ thuật toán điều khiên 3.2.2 Bảng địa kết nối vào 36 3.2.3 Sơ đồ kết nối thiết bị vào PLC 41 3.2.4 Lập chương trình điều khiển 42 3.3 Xây dựng điều khiển giám sát Wincc flexible 48 3.3.1 Khái quát chung 48 3.3.2 Mô WinCC flexible 49 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN - SCADA: Supervisory Control And Data Acquistion - hệ thống giám sát thu thập liệu công nghiệp - HMI: Human Machine Interface – giao diện người – máy - QTCN - Q trình cơng nghệ - PID – Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân – vi phân - PLC – Bộ điều khiển có khả lập trình - OPC: OLE for Process Control - LAN: Mạng cục - WAN: Mạng diện rộng - DCS – Hệ điều khiển phân tán - OP – Operator panel - MPI: Multi Point Interface - DP: Decentralized Periphery - Profibus – FMS: Fieldbus Message Specification - Profibus – PA: Process Automation - CIP: Cleaning In Place - IE: Industrial Ethernet - PCU: Process Control Unit - IOS: Interface Operating Station - TBF: Tank bia thành phẩm - CCT: Tank lên men DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất bia Hình 1.2 Giản đồ nhiệt nồi hồ hóa 13 Hình 1.3 Giản đồ nhiệt nồi đường hóa 15 Hình 1.4 Giản đồ nhiệt nồi sơi hoa 16 Hình 1.5 Giản đồ nhiệt thùng chứa lên men 17 Hình 1.6 Hệ thống xay nghiền malt 18 Hình 1.7 Hệ thống xay nghiền gạo 19 Hình 1.8 Khu vực nhà nấu-Nồi hồ hóa đường hóa Hình 1.9 Khu vực nhà nấu-Nồi lọc bã 21 Hình 1.10 Khu vực nhà nấu - Nồi trung gian 23 Hình 1.11 Khu vực nhà nấu - Nồi sơi hoa 25 Hình 1.12 Khu vực nhà nấu - Thùng lắng xốy 26 Hình 1.13 Khu vực nhà nấu - Hệ làm lạnh nhanh 27 Hình 2.1 Sơ đồ cấp nhiệt nồi hồ hóa 28 Hình 2.2 Các biến q trình nhiệt 29 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển phản hồi 30 Hình 2.4 Lưu đồ P&ID điều khiển phản hồi nồi hồ hóa 31 Hình 2.5 Sơ đồ nồi hồ hóa, nồi đường hóa 32 14 22 Hình 2.6 Sơ đồ mạch đấu dây tín hiệu vào đo mức liên tục 420 Ma 33 Hình 2.7 Sơ đồ mạch đấu dây tín hiệu dạng dịng 4-20 mA Hình 3.1 Vị trí nồi nấu gạo dây chuyền sản xuất bia 34 Hình 3.2 Vị trí nồi malt dây chuyền sản xuất bia 36 Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn nồi hồ hóa 37 Hình 3.4a Lưu đồ thuật tốn nồi đường hóa 38 35 Hình 3.4b Sơ đồ kết nối thiết bị vào PLC 41 Hình 3.5 Giao diện hình WinCC flexible 49 Hình 3.6 Danh sách loại mà hình WinCC flexible 50 Hình 3.7 Giao diện hình PC-Acess 51 Hình 3.8 Một số tags sử dụng đề tài 51 Hình 3.9 Giao diện Conections WinCC flexible 52 Hình 3.10 Lựa chọn kết nối WinCC flexible 52 Hình 3.11 Giao diện Tags Wincc flexible 53 Hình 3.12 Lựa chọn tags OPC 54 Hình 3.13 I/O Field wincc flexible 55 Hình 3.14 Chức Button wincc flexible 56 Hình 3.15 Thư viện wincc flexible 57 Hình 3.16 Chức đồ thị wincc flexible 57 Hình 3.17 Trend tab đồ thị 58 Hình 3.18 Lựa chọn độ phân giải wincc flexible 59 Hình 3.19 Giao diện giám sát dung WinCC 60 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận văn Nền kinh tế phát triển có đóng góp quan trọng cơng nghiệp thực phẩm nói chung nhà máy bia, rượu, nước giải khát nói riêng Với chiến lược phát triển ngành Bia, rượu, nước giải khát nâng công suất, tăng suất, tiết giảm lượng đồng thời sản xuất sản phẩm có chất lượng cao Để đáp ứng chiến lược nhu cầu sản xuất, vận hành, quản lý nhà máy Bia, điều tất yếu phải đầu tư thiết bị máy móc đại Đặc biệt thay mơ hình vận hành, điều khiển tay mơ hình giám sát, vận hành, điều khiển quản lý tự động Hệ thống điều khiển tự động trình sản xuất mang lại nhiều lợi ích hiệu kinh tế cho nhà máy Bia Trong dây chuyền sản xuất bia hệ thống nấu có vai trị quan trọng học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển trình hồ hóa đường hóa nhà máy bia Vinh” Mục đích nghiên cứu luận văn Phần mềm cơng nghiệp phát triển ạt, lập trình từ cá nhân riêng lẻ nhiều cơng ty lĩnh vực tích hợp tự động hóa Do phần mềm thiếu tính chuyên nghiệp, thiếu khả thích ứng với thực tiễn sản xuất, chưa đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất Mặt khác, phần mềm chuyên dụng Cemat, Braumat, … có sử dụng, lại chun gia nước ngồi lập trình dây chuyền đồng Đối tượng nghiên cứu Tác giả nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động hóa dây chuyền sản xuất bia Vinh, đặc biệt tập trung vào hệ thống hồ hóa đường hóa Ở hệ thống nấu có nhiều thiết bị đo đo lưu lượng, đo áp suất, nhiệt độ, đo mức, đo độ dẫn điện, …Các thiết bị chấp hành van, động cơ, … Phương pháp nghiên cứu Luận văn dựa thực tế sản xuất nhà máy bia Vinh Tìm hiểu cơng nghệ nhà máy Trên sở xây dựng hệ thống điều khiển hệ thống hồ hóa đường hóa phần mêm PLC S7-200 Nội dung nghiên cứu Đánh giá hệ thống điều khiển nhà máy bia Vinh Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát hệ nấu bia dây chuyền sản xuất bia nhà máy phần mềm S7-200 Siemens Ý nghĩa khoa học thực tiễn Nắm vững công nghệ sản xuất bia đại đặc biệt sử dụng phần mềm để cán kỹ thuật nước điều khiển, sửa chữa, thay cần thiết mà khơng phải mời chun gia nước ngồi Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm 03 chương 04 phụ lục Trong đó: Chương 1: Tổng quan cơng nghệ sản xuất bia nhà máy bia Vinh Chương 2: Hệ thống hồ hóa đường hóa nhà máy bia Vinh Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển q trình hồ hóa đường hóa nhà máy bia Vinh 48 AN T40 *R 1.0, VD6 AENO +R 90.0, VD6 AENO ITD T40, VD0 CHUONG TRINH CON NANG NHIET NOI MALT TU 67o LEN 78o Network // Network Title // Phuong trinh duong nhiet t =67o - 78o LD A SM0.0 T44 AN T45 *R 1.1, VD16 AENO +R 67.0, VD16 AENO ITD T45, VD8 3.3 Xây dựng điều khiển giám sát Wincc flexible 3.3.1 Khái quát chung WinCC Flexible phần mềm chuyên dụng dùng để cấu hình hệ hình HMI, OP/TP Siemen công cụ thay cho Protool trước (Bản cuối Protool 6.0 SP3) Là phiên WinCC hãng Siemen phát triển, có thêm số chức so với WinCC thông thường 5.0, 49 6.0… Các phiên Wincc flexible gồm Wincc flexible 2007, Wincc flexible 2008 SP1, Wincc flexible SP2, Wincc flexible SP3 3.3.2 Mơ WinCC flexible Wincc flexible kết nối với loại hình chuyên dụng xí nghiệp cơng nghiệp với PLC kết nối trực tiếp máy tính với PLC thơng qua cáp MPI PPI  Các bước tạo dự án WinCC flexible ++ Bước 1: Khởi động WinCC flexible + Khi khởi động WinCC flexible có giao diện sau: Hình 3.5 Giao diện hình WinCC flexible ++ Bước 2: Khởi tạo dự án WinCC flexible Trên giao diện WinCC flexible chọn Create an empty project, hình xuất bảng lựa chọn loại hình sử dụng, Runtime máy tính ta chọn WinCC flexible runtime hình 3.6 50 Hình 3.6 Danh sách loại mà hình WinCC flexible ++ Bước 3: Chọn cài đặt PLC điều khiển Để kết nối WinCC flexible với PLC cần sử dụng cáp MPI PPI, PLC S7-200 sử dụng cáp PPI cần sử dụng phần mềm trung gian để kết nối WinCC flexible với PLC, sử dụng phần mềm PC-Acess, Kep Server …  Kết nối WinCC flexible với OPC OPC phần mềm trung gian kết dùng để kết nối WinCC flexible với PLC, nhiệm vụ OPC trao đổi liệu WinCC flexible với PLC, chương trình sử dụng phần mềm PCAcess PC-Acess lấy liệu PLC thông qua việc cập nhật miền nhớ, địa vào vật lý (không hỗ trợ miền I S7-200) Giao diện hình PC-Acess hình sau: 51 Hình 3.7 Giao diện hình PC-Acess Ta Imposs lúc nhiều Tags, Add tags PC-Acess Hình 3.8 Một số tags sử dụng đề tài 52  Connections WinCC flexible Sau tạo Tags PC-Acess ta tiến hành Add Tags tạo PC-Acess sang WinCC flexible Thực kết nối WinCC flexible với PC-Acess cách vào mục connections tab Project sau: Hình 3.9 Giao diện Conections WinCC flexible + Cột Name: cột tên kết nối, tuỳ vào tốn mà đặt tên khác Hình 3.10 Lựa chọn kết nối WinCC flexible 53 + Cột Communicaton driver: Cột tuỳ chọn loại thiết bị kết nối WinCC flexible với PLC, đề tài chọn OPC + Cột Online: Biểu diễn trạng thái làm việc, chế độ làm việc bình thường chọn “on” + Cột Comment: Biểu thị lời giải thích hay bình luận + Mục Device OPC server: chọn thiết bị kết nối, PLC S7-200 chọn S7200 OPCServer  Add tags WinCC flexible Nhiệm vụ tags wincc flexible để trao đổi liệu từ PLC cho đối tượng wincc flexible Đó Tags In/Out, Tags hiển thị số, Tags đồ thị … Từ Tab Project vào mục Tags, hình xuất giao diện sau: Hình 3.11 Giao diện Tags Wincc flexible + Cột Name: Đặt tên Tags + Cột Connection: Cột kết nối, phần trước trình bày phần kết nối, hệ thống thơng thường có đối tượng kết nối, đặt tên Tags mục Connections tự động Update địa kết nối 54 + Cột Data type: Kiểu liệu, tương tự cột kết nối, phần mềm tự cập nhật kết nối chọn mục Symbol + Cột Symbol: Đây phần quan trọng để kết nối tags OPC với Wincc flexible, tuỳ vào tên tags đặt mà đưa đến địa cho phù hợp OPC Giao diện sau: Hình 3.12 Lựa chọn tags OPC + Cột Array Elements: Các phần tử mảng (thơng thường chọn 1) + Cột Acquisition cycle: Vịng quét chu trình hay thời gian update Wincc flexible (thông thường chọn 100ms) ++ Bước 5: Tạo hiệu chỉnh hình ảnh trình Các giao diện wincc đa dạng với nhiều thể loại khác nhau, tuỳ vào toán cụ thể mà ta lựa chọn hình ảnh thư viện hình ảnh tự tạo  Các Giao diện Wincc flexible  Tab Simple Objects Mục gồm công cụ: đường thẳng, đường gấp khúc, đa giác, elip, hình trịn, Text, I/O field, nút ấn, Switch … 55 + I/O field: Là mục nhập xuất liệu số, giao diện sau: Hình 3.13 I/O Field wincc flexible - Mục General: Là phần nhập xuất bao gồm: - Type: Kiểu liệu nhập-nhập/xuất-xuất - Tag: Tags đối tượng - Fomat type: Kiểu định dạng liệu - Fomat pattern: Định dạng kiểu liệu mẫu - Mục Properties: Biểu thị đặc tính đối tượng - Mục Animations: Các đặc tính động đối tượng - Mục Events: Tạo kiện cho đối tượng + Buttons: Giao diện nút ấn hầu hết sử dụng tất hệ thống điều khiển giảm sát, giao diện sau: 56 Hình 3.14 Chức Button wincc flexible Tại mục Events ta gán kiểu tác động cho nút ấn, thơng thường chọn chế độ Press(nhấn) Release(thả)  Thư viện hình ảnh wincc flexible Wincc flexible có nhiều hỉnh ảnh biếu thị cho nhiều lĩnh vực khác nhau, người sử dụng add file dạng hình ảnh Để vào thư viện hình ảnh ta vào tab sau: 57 Hình 3.15 Thư viện wincc flexible  Tab Enhanced Objects: Gồm chức nâng cao wincc flexible như: Đồ thị, Alarm, Clock, Recipe, Internet … + Trend view: Chức đồ thị wincc flexible biểu thị trạng thái Analog đối tượng Hình 3.16 Chức đồ thị wincc flexible 58 + Phần trend view trend: Hình 3.17 Trend tab đồ thị - Cột Name: Đặt tên trend - Display: Kiểu hiển thị, hiển thị theo đường, điểm, hiển thị kiểu bước Bars - Line type: Kiểu hiển thị đường - Bar wide: Độ rộng khoảng chia - Sample: Mức giới hạn - Source settings: Gán tags cho trend, phần quan trọng trend view Trên đồ thị hiển thị trạng thái đối tượng tương ứng với tags gán  Độ phân giải hình Tuỳ vào loại hình ta chọn độ phân giải khác nhau, để chọn độ phân giải ta vào mục Device settings tab project 59 Hình 3.18 Lựa chọn độ phân giải wincc flexible Tại mục Screen resolution ta lựa chọn độ phân giải khác tuỳ vào loại hình sử dụng ++ Bước 6: Thực chạy Runtime Sau thực xong giao diện screen thực chạy Runtime, có kiểu chạy Runtime: Runtime kết nối với PLC (Runtime system) Runtime đối tượng Screen (Runtime system with simulation) Giao diện giám sát hình 1.19 60 Hình 3.19 Giao diện giám sát dung WinCC 61 KẾT LUẬN Các chương trình nấu bia nhà máy ứng dụng phần mềm phân loại công nghệ nên yêu cầu nhà máy đáp ứng đầy đủ Nhà máy tiết kiệm vật tư trình sản xuất tối ưu trình điều khiển hợp lý Phần mềm PLC S7-200 hãng Siemens thống phần mềm thông dung từ lâu Hầu hết nhà máy bia có mức tự động hóa cao sử dụng phần mềm S7-200 lập trình, chạy thử từ chuyên gia hãng Siemens Ở nhà máy bia Vinh nhà máy sử dụng phần mềm hãng Siemens Việt Nam Nhà máy sản xuất bia có nhiều hệ thống sử dụng chương trình điều khiển khác nhiều nhà cung cấp khác Các nhà cung cấp đến từ nước nước, sử dụng điều khiển PLC hình, máy tính giám sát Để nhà máy hoạt động có mức độ tự động hóa cao hơn, phải nghiên cứu tìm hiểu thiết bị phù hợp để đưa hệ thống lạnh, hệ thống CO2, hệ xử lý nước nấu, … vào mạng điều khiển giám sát Do việc kết nối hệ thống khác nhà máy lên phòng điều khiển trung tâm hướng phát triển đề tài Điều giúp nhà máy giám sát, điều khiển hợp lý để sản xuất, nâng cao công suất Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Học viên Trần Văn Hưng 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh, Đào Văn Tân tác giả khác (2004) Các cảm biến sử dụng đo lường điều khiển tự động NXB Khoa học Kỹ thuật Ngô Hồng Quang tác giả khác (2003).Thiết kế cấp điện NXB Khoa học Kỹ thuật Ngô Hồng Quang (2002) Sổ tay lựa chọn tra cứu thiết bị điện từ 0.4 đến 500kV NXB Khoa học Kỹ thuật Hồng Minh Sơn (2002) Mạng truyền thơng công nghiệp NXB Khoa học Kỹ thuật Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (2008) Kỹ thuật điện NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh tác giả (2001) Lập trình với Simatic S7 NXB Khoa học Kỹ thuật Tài liệu nhà máy bia Vinh Các trang Web:  WinCC http://www.siemens.com/options http://www.siemens.com/forum  Catalogue PLC S7-200 http://www3.ad.siemens.de/ca01online  Forum PLC http://www.control.com http://plcs.net  Standard IEC-6113-3 http://www.plcopen.org  Hãng Siemens http://www4.ad.siemens.de ... Tổng quan công nghệ sản xuất bia nhà máy bia Vinh Chương 2: Hệ thống hồ hóa đường hóa nhà máy bia Vinh Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển q trình hồ hóa đường hóa nhà máy bia Vinh 9 Chương... KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q 35 TRÌNH HỒ HĨA VÀ ĐƯỜNG HÓA CỦA NHÀ MÁY BIA VINH 3.1 Ứng dụng PLC vào lập trình hệ nấu nhà máy bia 35 3.1.1 Nồi nấu gạo 35 3.1.2 Nồi nấu Malt 36 3.2 Xây dựng chương trình. .. tế cho nhà máy Bia Trong dây chuyền sản xuất bia hệ thống nấu có vai trị quan trọng học viên lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển q trình hồ hóa đường hóa nhà máy bia Vinh? ??