Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.2. Tự động hóa quá trình sản xuất bia
2.2.2. Tự động hóa một số công đoạn sản xuất bia
a) Nguyên lý chung hoạt động nhà nghiền
Nghiền gạo: Mục đích của việc nghiền gạo là nghiền gạo thành dạng bột mịn, phá vỡ cấu trúc vững chắc của các hạt tinh bột có trong hạt gạo. thiết bị thông dụng để nghiền gạo là máy nghiền búa.
Nghiền malt: Mục đích của quá trình nghiền malt là đập nhỏ hạt thành nhiều mảnh để tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần chất của nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy quá trình đường hóa và các quá trình thủy phân khác nhanh và triệt để hơn.Yêu cấu của quá trình nghiền malt là vỏ càng nguyên vẹn càng tốt, vỏ tách ra khỏi nội nhũ, lượng tấm thô nhỏ.
- Trong dây chuyền sản xuất này, chọn thiết bị nghiền trục, nghiền theo phương pháp nghiền ướt, sử dụng máy nghiền có 2 cặp rulo. Malt được chuyển xuống máy nghiền và được phun nước 65oC, nghiền xong lại bổ sung nước để hỗn dịch đạt nhiệt độ 45oC và đạt tỉ lệ bột malt/nước = ẳ, dịch sữa malt này được bơm chuyển vào các nồi nấu.
Hình 2.27: Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị nhà nghiền
Bên trong mỗi tank đều có hai cảm biến để báo mức nguyên liệu (mức cao nhất và thấp nhất ). Máy nghiền gạo gồm có một động cơ xoay chiều (trạng thái hoạt động của động cơ được giám sát bằng cảm biến). Máy nghiền malt gồm một động cơ điều khiển hai lô nghiền. Các van trong hình vẽ đóng mở được điều khiển bằng tín hiệu điện. Trước khi thực hiện công đoạn nghiền, gạo và malt được sàng kỹ bằng máy sàng trước khi cho vào hai tank dự trữ, nhằm loại bỏ các vật liệu cứng như cát, sạn…Quy trình thực hiện tại nhà nghiền như sau (thực hiện khi nguyên liệu đầy đủ trong các thùng):
- Nghiền gạo
+ Van V2, V7 đóng Cảm biến mức trong thùng chứa gạo sẽ báo mức gạo, nếu mức gạo trong thùng nằm trong phạm vi cho phép thì hệ thống làm việc (nếu không đủ lượng gạo băng tải liệu hoạt động để cấp liệu).
+ Van V3 đóng van V1 mở, gạo sẽ vào cân nếu khối lượng gạo đạt mức yêu cầu thì van V1 đóng van V3 mở máy nghiền hoạt động. Đồng thời van V4 mở để cho nước trộn cùng với gạo
+ Van V6 mở (van V7 đóng) máy bơm M2 sẽ đẩy nguyên liệu sang nồi nấu gạo
- Nghiền malt
+ Van V1, V6 đóng Cảm biến mức trong thùng chứa malt sẽ báo mức malt, nếu mức malt trong thùng nằm trong phạm vi cho phép thì hệ thống làm việc (nếu không đủ lượng malt băng tải liệu hoạt động để cấp liệu) + Van V3 đóng van V2 mở, malt sẽ vào cân nếu khối lượng malt đạt mức yêu cầu thì van V1 đóng van V3 mở máy nghiền hoạt động. Đồng thời van V4 mở để cho nước trộn cùng với malt
+ Van V7 mở (van V6 đóng) máy bơm M2 sẽ đẩy nguyên liệu sang nồi nấu malt
- Làm vệ sinh
Quá trình làm vệ sinh máy thực hiện khi kết thúc một mẻ nấu, công đoạn làm vệ sinh được tiến hành như sau:
Máy ngừng hoạt động, các van V1, V2, V3, V4 đóng.
Van V5 mở để cho dịch CIP vào trong máy nghiền (hai lô nghiền) làm vệ sinh. Dịch CIP chính là dung dịch sút (NaOH) nồng độ loãng có tác dụng tẩy rửa.
Van V6, V 7 mở và bơm M2 hoạt động để bơm dịch CIP sang hai tank nấu gạo và malt, thực hiện làm vệ sinh nhà nấu.
Quá trình nghiền gạo và malt được thực hiện riêng biệt, sau khi nghiền gạo hoàn thành thì mới nghiền malt hay ngược lại.
b) Thiết bị và tự động hóa nhà nghiền
*) Các thiết bị đo lường điều khiển tự động hóa (Cụm nhập nguyên liệu malt,gạo trước xi-lô)
Số lượng Miêu tả
1 Hệ thống đập bụi cho gạo malt 1 Phễu chứa malt gạo
2 Thang nâng gầu tải gạo 6 xích tải malt,gạo
1 Sàng dung loại bỏ tạp chất
1 Cân điện tử nhập malt gạo vào Silo Cụm các xi lô gạo/malt
Số lượng Miêu tả
1 xi-lô gạo dung tích 1000 m3 3 xi-lô malt 1300m3
Cụm vận chuyển nguyên liệu malt sau xilô
Số lượng Miêu tả
1 Cân điện tử từ Silo vào nhà nấu 1 Gầu nâng tải malt
3 Băng tải gạo
2 Sàng rung lạo bỏ tạp chất Cụm vận chuyển nguyên liệu gạo sau xilô
Số lượng Miêu tả
1 Cân điện tử từ Silo vào nhà nấu
4 Băng tải gạo
1 đập bụi
2 Sàng rung loại bỏ tạp chất
Hệ thống xử lý nguyên liệu nằm trong hệ thống mạng tự động, được điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm của hệ nấu. Các thiết bị đo, báo như: báo mức cao, báo mức thấp, cân,... và các tín hiệu báo trạng thái của thiết bị được truyền về các module quản lý từ xa. Từ module này truyền tín hiệu lên thiết bị điều khiển trung tâm PLC S7-300 qua bus truyền thông profibus. Từ đó, các trạng thái, thông số của các thiết bị được hiển thị trực quan lên phần mềm giao diện ở các máy tính Server, Client. Từ máy tính, người vận hành dễ dàng điều khiển chạy/dừng các động cơ, đóng/mở các van. Hệ thống được điều khiển tự động. Hệ thống xay nghiền được thiết kế điều khiển liên động với hệ thống nấu và hệ thống nghiền malt ướt.
*) Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển được thiết kế với hệ thống điều khiển “Win CC 5.0”
dựa trên hệ điều hành “Windows Server 2003”. Phần điện và các tủ điều khiển động cơ được sử dụng như một kết hợp điều khiển chung. Để vận hành và quan sát toàn bộ nhà máy, hệ thống điều khiển này bao gồm 2 máy tính cá nhân PC .
Hình 2.28. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển điện khu vực xay nghiền, nấu Số lượng và thông số kỹ thuật của các thiết bị điều khiển
Bộ điều khiển: PLC S7-300 CPU 315-2DP
Gồm 2 trạm: Trạm ET200M và 1 trạm là màn hình điều khiển
Máy tính điều khiển:
SEVER
Máy Dell công nghiệp
Intel (R) Pentium (R) 4 CPU 2.8 256 Ram
ổ đĩa cứng 80GB
1 ổ đĩa DVD+ ổ ghi
1 màn hình LCD 19 inch
Windows Server 2000 SP4
1 Win CC Version 5.1 có LISENCE
Kết nối truyền thông SIMATIC NET PC V6.0 PROFIBUS
Phần mềm SIMATIC S7 V5.3 có LICENSE CLIENT
Máy Dell công nghiệp
Intel (R) Pentium (R) 4 CPU 2.8 2MB Ram
Ổ đĩa cứng 80GB
1 ổ đĩa DVD+ ổ ghi
1 màn hình LCD 19 inch
Windows Server 2000 SP4
1 Win CC client Version 5.1 có LISENCE
Kết nối truyền thông SIMATIC NET PC V6.0 PROFIBUS
Win CC Server
Win CC Client
PLC S7-300
ET200 PC-panel
*) Khả năng hoạt động của hệ - Khả năng điều khiển, vận hành
Khu vực xử lý nguyên liệu bao gồm có các động cơ công suất các loại.
Các động cơ công suất nhỏ được khởi động theo phương pháp trực tiếp bằng thiết bị đóng cắt và bảo vệ động cơ. Các động cơ cánh khế ở đáy silô sử dụng các biến tần công suất nhỏ điều khiển một mặt tiết kiệm năng lượng, mặt khác còn có thể khống chế lưu lượng xuống nguyên liệu và phối trộn nguyên liệu giữa các silô một cách linh động. Các động cơ công suất lớn được khởi động theo phương pháp khởi động mềm hoặc khởi động sao/tam giác. Tất cả các động cơ này được điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm hệ nấu, thông qua trạm ET200 cho khu vực động lực hệ xay nghiền. Tín hiệu điều khiển 24VDC từ PLC được chuyển đổi thành tín hiệu 220VAC qua relay trung gian để điều khiển cho các Contactor khởi động cho động cơ. Với các động cơ dùng khởi động mềm thì điều khiển trực tiếp từ ET200 bằng tín hiệu 24VDC. Các băng tải,vít tải được bảo vệ an toàn bằng công tắc hành trình chống kẹt và proximity báo trạng thái quay. Toàn bộ thiết bị động lực được đặt tại phòng điều khiển trung tâm khu vực nhà nấu. Hệ thống động lực đặt trong tủ module, phần điều khiển chung với phần điều khiển nhà nấu. Các van khí nén được điều khiển thông qua các block van điện từ khí nén và có sensor để báo trạng thái của van. Toàn bộ các block van điện từ khí nén được đặt trong tủ Inox tại hiện trường khu vực xay nghiền.
Tại tủ hiện trường này có Mô đun ET200 cho khu vực xay nghiền. Tín hiệu điều khiển van điện từ điều khiển trực tiếp cho các van điện từ khí nén. Các thiết bị đo báo khu vực xay nghiền cũng được kết nối vào hệ thống tại trạm ET200 khu vực xay nghiền. Tất cả các động cơ, các thiết bị đo, báo,... số lượng đầy đủ để đáp ứng cho công nghệ.
- Khả năng quản lý, sản xuất
Toàn bộ quá trình trên được điều khiển tự động trên máy tính, tại phòng điều khiển trung tâm hệ nấu. Người vận hành sẽ điều, giám sát khu vực này một cách trực quan trên phần mềm giao diện trên máy tính mà không phải thao tác ở hiện trường. Các chế độ báo lỗi, báo sự cố của các động cơ, các sự cố của các gàu tải được báo về máy tính, chế độ hoạt động của các động cơ được ràng buộc bởi các tín hiệu đo, báo tại hiện trường và khóa liên động với nhau bằng phần mềm. Trạng thái, số liệu, các giá trị và các thông số đều được hiển thị và lưu trữ, thống kê trên máy tính theo mẻ nấu và theo đồ thị quá trình, chuyển dữ liệu và thông tin cho quy trình sau đó - quy trình nấu bia tại khu vực nhà nấu theo yêu cầu công nghệ, đảm bảo quá trình sản xuất là liên tục. Hệ xay nghiền có thể được điều khiển và giám sát trên toàn bộ hai máy tính của hệ thống. Ngoài ra màn hinh PC panel để điều khiển riêng cho khu vực cấp malt gạo vào Silo chứa.
Hình 2.29. Giao diện giám sát điều khiển nhà nghiền
2) Tự động hóa nhà nấu
a) Nguyên lý hoạt động chung của tank nấu
Nhà nấu gồm có hai tank lớn, trong đó một tank để nấu gạo và một tank để nấu malt. Gạo và malt từ nhà nghiền sẽ được đưa đến hai tank này có pha trộn với nước nhờ bơm M2, quá trình bơm nhiên liệu kết thúc khi cảm biến báo mức đầy trong tank có tín hiệu. Nhiệt để cung cấp cho nhà nấu là hơi nước nóng được gia nhiệt tại khu vực cung cấp nhiệt và CO2. Quy trình nấu đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật về thông số nhiệt độ là rất cao, độ chính xác nhiệt độ trong tank nấu là yếu tố góp phần quyết định chất lượng sản phẩm bia.
Quá trình trao đổi nhiệt nhờ hệ thống ống dẫn hơi nước nóng, nguyên liệu đi từ trên xuống và hơi nước nóng đi theo chiều ngược lại từ dưới lên. Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra như sau:
Nguyên liệu từ nhà nghiền đưa sang tank nấu nhờ bơm M2. Nguyên liệu đi từ trên xuống còn hơi nước nóng cung cấp nhiệt cho nguyên liệu. Nguyên liệu sẽ được duy trì ở mức nhiệt độ không đổi trong thời gian nhất định và sau đó sẽ tháo ở đường nguyên liệu ra. Hơi nước nóng sau khi trao đổi nhiệt sẽ ngưng tụ và được đưa trả về nơi gia nhiệt. Sau khi tháo hết nguyên liệu, tank nấu sẽ được làm sạch.
*) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tank nấu
Các thiết bị trong tank nấu :
Hình 2.30. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Tank nấu
Có 5 van điện V8, V9, V10, V11 , V12 Hai môtơ bơm M3, M’2
Một đồng hồ báo nhiệt độ hơi nước nóng.
- Nguyên lý hoạt động tank nấu như sau:
Hoạt động đồng bộ cùng với quá trình nghiền, khi bắt đầu nghiền lò sẽ được gia nhiệt. Nguyên liệu từ nhà nghiền sẽ được bơm M2 chuyển sang, khi nguyên liệu vượt quá mức thấp thì động cơ M’2 bắt đầu hoạt động. Van V8 mở để tăng lượng nước vào tank lượng nước và nguyên liệu sẽ được pha trộn theo đúng tỷ lệ đã quy định.Thì van V12 mở hơi nước nóng theo hệ thống ống đi vào tank, quá trình gia nhiệt bắt đầu. Cho đến khi nguyên liệu vào đầy tank, cảm biến báo mức cao L1 có tín hiệu thì động cơ M’2ngừng hoạt động đồng thời sẽ tạm dừng hoạt động nghiền nguyên liệu cần nấu và sẽ chuyển sang nghiền nguyên liệu khác, bơm M2 (bơm nguyên liệu từ nhà nghiền ) dừng hoạt động đồng thời van V9 đóng. Quá trình nấu bắt đầu, hơi nước nóng cung cấp nhiệt cho nhà nấu. Các cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ đo (các thông số nhiệt độ và khối lượng được thể hiện trên panel điều khiển ).
Nhiệt độ trong tank nấu, có cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ từ tank nấu nhằm tăng sự đồng đều nhiệt độ trong tank. Quá trình nấu kết thúc, van V12 đóng, van V10 mở đồng thời bơm M3 hoạt động để tháo nguyên liệu.
- Quá trình làm vệ sinh tank nấu.
Khi kết thúc quá trình tháo nguyên liệu, tất cả các van sẽ đóng. Quá trình làm vệ sinh này tiến hành cùng với nhà nghiền, dịch CIP (hỗn hợp HCl và NaCl) từ nhà nghiền theo van V9 chảy vào tank để làm vệ sinh tank. Đồng thời van V11 mở để tháo dịch CIP ra khỏi tank. Sau đó, van V8 mở để cho nước sạch chảy vào làm sạch dịch CIP còn lại trong tank. Van V11 mở để tháo sạch các chất còn lại trong tank. Tại nhà nấu có ba tank nấu, trong đó có hai tank nấu hoạt động giống hệt nhau là tank nấu gạo và malt. Một tank còn lại là nấu hupblon để cung cấp dịch cho nhà lọc và đồng thời trộn với nguyên liệu sau khi nấu nhằm tạo hương vị và màu cho bia. Nguyên lý hoạt động của tank này cũng tương tự như trên. Tuy nhiên kích thước của tank này là không lớn, cho nên nó chỉ sử dụng một cảm biến đo nhiệt độ. Sau khi nấu xong, nguyên liệu gạo và malt sẽ được các bơm chuyển sang bộ phận lọc để loại bỏ bã nguyên liệu. Bộ phận lọc này có nhiệm xới trộn hai nguyên liệu trên lại với nhau trước khi lọc. Kết thúc quá trình lọc sẽ được dịch gạo và malt. Dịch gạo và malt tiếp tục chuyển đến tank trộn cùng với hupblon để tạo hương vị bia chuẩn bị lên men. Ngoài ra khu vực nấu còn có một tank trung gian phòng khi sự cố nồi nấu thì có thể nồi còn lại nấu xong chuyển đến nồi trung gian chứa. Sau đó cho nguyên liệu còn lại vào tank để nấu tiếp. Nấu xong thì trộn hai nguyên liệu vào nồi lọc để tiến hành lọc bả và nước dịch.
b) Tự động điều khiển nhà nấu (Bia Hương sen)
*) Mô tả hệ thống điều khiển tự động nhà nấu
Hệ thống điều khiển được thiết kế với hệ thống điều khiển
“BREWmaxx®V7 ” dựa trên hệ điều hành “Windows Server 2003” theo cấu trúc mạng Server –Client. Bộ điều khiển khả lập trình PLC S7-400 Phần mềm với bản quyền của hãng chuyên về ngành bia ProleiT – Germany lập trình và điều khiển “BREWmaxxđV7 ” được thiết kế cho quá trình điều khiển và giám sát chuyên dụng trong ngành bia với tất cả các công đoạn trong quá trình sản xuất. Với giao diện thân thiện, màu sắc hài hoà và các công cụ chuyên nghiệp, người vận hành có thể dễ dàng điều khiển và giám sát toàn bộ hệ thống sản xuất.
Từ hệ thống máy tính với phần mềm “BREWmaxxđV7 ”, các tham số công nghệ được nạp vào và truyền tới bộ điều khiển trung tâm để thực hiện quá trình sản xuất. Phần mềm “BREWmaxxđV7 ” hỗ trợ mạnh công cụ lập trình mẻ và các thuật toán điều khiển riêng trong ngành sản xuất bia. Với phần mềm
“BREWmaxxđV7 ” việc sản suất được đồng bộ hoá trong suốt quá trình sản xuất. Phần mềm “BREWmaxxđV7 ” lưu trữ được dữ liệu các mẻ nấu gần như vô hạn khi ổ cứng còn dung lượng.
Để vận hành và quan sát toàn bộ nhà máy, hệ thống điều khiển này bao gồm 3 máy tính cá nhân PC với chuột và bàn phím. Phần mềm chuẩn bị đặc biệt được chia thành một phần mềm hệ thống “BREWmaxx® ” và phần mềm cho người sử dụng. Phần mềm này được thiết kế và phát triển để đáp ứng yêu cầu của các nhà máy bia. Nó là nền tảng cho mỗi hệ thống điều khiển của chúng tôi.
Phần mềm này phản ánh kinh nghiệm qua nhiều năm hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa. Các bước qui trình riêng lẻ được bắt đầu và theo thứ tự chuỗi ở chế độ tự động bởi phần mềm này. Các hiển thị đồ họa, vận hành chức năng của chúng và các khả năng kiểm soát được hiện ra ở màn hình các trạm làm việc.
Hiển thị đồ họa bao gồm các thành phần của dây chuyền, các van/ nắp cánh gập ở phạm vi tương ứng. Các trị số đo được của các thành phần tương ứng trong quy trình được thể hiện bằng kỹ thuật số.
Trật tự đặc biệt của việc điều khiển dây chuyền được lưu trong phần mềm của người sử dụng. Bao gồm trong đây là điều khiển trình tự của các môtơ riêng lẻ, các van, nắp cánh gập, việc vận hành và các khóa liên động an toàn.Phần mềm “BREWmaxx®V7 ”với thiết kế giao diện đẹp mắt, và người vận hành dễ điều khiển với mức độ an toàn và chính xác cực tốt.Chế độ an toàn cho quá trình bảo dưỡng sửa chữa hay vệ sinh... khi con người làm việc được khóa bằng khóa tay cho từng nồi qua hệ thống điều khiển an toàn cao nhất. Hệ thống quản lý đa chức năng (MLM – Multifunctional Launtering Management) bằng sáng chế của DBP số 19845215. Bằng hệ thống xử lý thông tin phức hợp, MLM làm cho quá