Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất Hình 1.3.. Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất Hiện nay nhà máy sử dụng

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BIA VÀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG SẢN XUẤT

1.1 Giới thiệu thành phần

Nguyên liệu để dùng để sản xuất bia bao gồm: gạo, malt, H 2 O, men, hoa hupblon Trong đó hai nguyên liệu chính dùng để sản xuất bia là malt và hoa hupblon Ngoài ra có thể thay thế malt bằng nguyên liệu phụ như một mì, gạo ngô để giảm chi phí sản xuất Cho đến nay bia trên thế giới được sản xuất chủ yếu với công thức cổ điển :

BIA = MALT + HOA HUPBLON + NƯỚC Việc sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ tiên tiến và tuân theo nghiêm ngặt các quy trình công nghệ cũng như các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới

1.1.1 Gạo

Chỉ là nguyên liệu phụ chiếm 30% thành phần nguyên liệu sản xuất bia Đây là nguyên liệu được sử dụng để thay thế nhằm giảm chi phí sản xuất, cải thiện thành phần dịch chiết, cải thiện mùi vị bia, và để bảo quản được lâu dài trong quá trình sản xuất người ta thay thế 1 phần malt bằng 1 số loại đại mạch chưa được nảy mầm hoặc các loại ngũ cốc khác thay thế nguyên liệu nảy mầm Nhờ thế mà ta thu được bia thành phẩm với giá rẻ hơn, chất lượng bia thành phẩm giảm không đáng kể

Do nước ta là 1 nước nông nghiệp nên gạo là nông sản phổ biến và giá thành rẻ, thành phần hóa học tương ứng với thành phần hóa học của malt, nên người ta thường chọn gạo làm thành phần thay thế 1 lượng malt

Yêu cầu về chất lượng gạo :

- Đồng nhất về kích thước, màu sắc, không có hạt mốc, mối mọt, không có mùi hôi, không cát sạn

- Độ ẩm : 12% đến 14%

- Độ hòa tan : 80% đến 85%

Hình 1.1 Gạo 1.1.2 Malt

Là loại hạt ngũ cốc hay thường gọi là lúa mạch Chiếm 70% thành phần nguyên liệu sản xuất bia và thường được nhập khẩu từ nước ngoài có dạng hạt sau khi nghiền Malt còn được dùng để tạo màu cho bia, với malt bình thường không đủ độ màu vì thế người ta thêm malt “đen” để tăng độ màu cho Bia

Yêu cầu chất lượng malt :

- Độ ẩm 5-6%

- Độ hòa tan/ chất khô xay nhuyễn >80%

- Chênh lệch : xay nhuyễn/ xay khô 1.2-1.5%

Hình 1.2 Malt 1.1.3 Nấm men

Nấm men dung trong sản xuất bia có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng trong môi trường nước mạch nhà như loại đường hòa tan, các hợp chất nitơ như axit amin, peptit, vitamin, và các nguyên tố vi lượng qua màng tế bào Sau đó hang loạt các phản ứng sinh hóa

mà đặc trưng là quá trình trao đổi chất để chuyến hóa các chất này thành những dạng cần thiết cho quá trình phát triển và lên men của nấm men được tiến hành

Căn cứ vào đặc điểm trên và kết hợp với điều kiện khách quan, nhà máy chọn sử dụng nấm men chìm Saccharomyces để sử dụng lên men bia cho nhà máy

Yêu cầu chất lượng nấm men :

- Thuần khiết và 1 đời men giống có thể dùng được trong 6-10 chù kì lên men

- Tỉ lệ tế bào này chồi 15-20%

- Tỉ lệ men chết dưới 5%

- Tế bào to khỏe, hình dáng đặc trưng

- Men giống không nhiễm vi sinh vật

- Men khô được hoạt hóa trong thiết bị có hoạt hóa chứa dịch nha ở 14 o C

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Hình 1.3 Men bia 1.1.4 Hoa Hupblon

Là thành phần làm nên hương vị cay, đắng cho bia Được nhập khẩu từ nước ngoài và bảo quản ở nhiệt độ dưới 10 o C để giảm sự mất axit Có 2 loại hoa Hupblon là Aroma và Bittermiss

Hình 1.4 Hoa hupblon Yêu cầu chất lượng hoa Hupblon :

Bảng 1.1 Chất lượng hoa Hupblon

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Hiện nay nhà máy sử dụng 2 loại hoa chính là hoa viên và hoa cao có những chỉ tiêu sau : Hoa viên :

- Màu xanh lá mạ hơi vàng

- Thơm đặc trưng, không hắc, dễ nhận mùi

- Đắng dịu

- Viên đơn, không vỡ vụn

- 90 hàm lượng axit đắng 5%, loại viên 45 hàm lượng axit đắng 8%

- Có khả năng kết lắng nhanh khi đun sôi với nước nha, làm trong nước nha, hương thơm rõ rệt có vị đắng dịu

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

1.1.5 Nước

Là 1 trong những nguyên liệu chính để sản xuất bia Trong thành phần bia nước chiếm từ 87% đến 90% Nước được dùng trong tất cả các công đoạn sản xuất bia Vì vậy mà thành phần và tính chất của nước ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm cuối cùng là bia Vì vậy nước sản xuất bia đều phải xử lý dù là nước ở giếng khoang hay hệ thống nước sinh hoạt Tùy theo công đoạn khác nhau mà yêu cầu về chất lượng nước cũng khác nhau Sự tồn tại của các muối Ca 2+ và Mg 2+ sẽ quyết định đến độ cứng của nước

Yêu cầu chất lượng nước :

- Trong suốt

- Không có mùi vị lạ

- Độ cứng từ mềm đến trung bình : 4-5 o D

- Hàm lượng muối cacbonat : <50mg/l

- Hàm lượng muối clorua : 75-100mg/l

- Hàm lượng muối magie : < 100mg/l

- Nước trong nồi phải là nước mềm , có độ cứng toàn phần bằng 0 để chống đóng cặn

và giảm hệ số trao đổi nhiệt

- Để xử lý nước có thể sử dụng hệ thống trao đổi ion, lắng lọc tùy thuộc vào mức độ chất lượng nước cho từng công đoạn mà ta có phương pháp xử lý thích hợp

Hình 1.5 Nước

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

1.2 Quy trình công nghệ

Hình 1.6 Quy trình chế biến bia

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

1.2.1 Công đoạn nghiền Đây là công đoạn đầu tiên trong quy trình nấu bia, nó thực hiện việc nghiền gạo và malt để tạo điều kiện cho các enzim hoạt động tốt nhất Giúp giảm kích thước hạt nguyên liệu, tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước

Mục đích

- Giúp giảm kích thước hạt nguyên liệu , tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần chất nội nhũ nhanh hơn thúc đẩy quá trình đường hóa và các quá trình thủy phân xẩy ra thuận lợi và triệt để hơn.

- Có 3 phương pháp nghiền: nghiền ở trạng thái khô, nghiền có phun ẩm và nghiền cùng với nước Ở nhà máy bia sử dụng phương pháp nghiền khô cho các loại malt Nghiền malt khô

- Vỏ của các loại hạt có cấu tạo chủ yếu từ xenluloza, các hợp chất polyphrnol và các chất khoáng Ngoài ra có chứa thêm một ít pentozan, các chất màu và chất đắng

- Nội nhũ malt chứa chủ yếu tinh bột ,dextrin và các chất khác Các thành phần này của nội nhũ là thành phần chính cung cấp chất hòa tan cho dịch đường Trong quá trình đường hóa chúng phải chịu tác động của enzyme để chuyển hóa thành các hợp chất thấp phân tử, dễ hòa tan bởi vậy sẽ rất hợp lí nếu những phân tử này của nội nhũ được nghiền thật mịn Nghiền mịn phần nội nhũ lại có phần bất lợi là phần cháo trong dịch lọc sẽ nén chặt lại cản trở việc lọc dịch và đến lúc rửa bã malt sẽ không thể nào chiết rút hết các thành phần dinh dưỡng ở trong đó

- Trong quá trình nghiền Malt , vỏ malt càng được giữ nguyên ven càng tốt, để tránh không cho các chất chat, chất đắng hòa tan vào dịch đường gây khó chịu cho bia đồng thời cho quá trình lọc được hiệu quả hơn do vỏ trấu tạo độ xốp nhất định cho màng lọc Nếu nghiền malt quá nát sẽ gây lắc màng lọc khiến khả năng lọc kém đi

Thiết bị nghiền Malt: được sử dụng là một máy nghiền trục

Yêu cầu của malt sau khi nghiền:

- Vỏ malt càng nguyên vẹn càng tốt

- Phần nội nhũ phải đạt yêu cầu sau:

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Yêu cầu trong công đoạn nghiền

- Khi nghiền phải cho nguyên liệu vào từ từ, không được cho quá nhiều làm tràn khỏi máng gây tổn thất nguyên liệu, không cho vào quá ít gây hao tốn năng lượng

- Vệ sinh công nghiệp an toàn lao động trong quá trình nghiền

- Vệ sinh thiết bị trước và sau khi nghiền, vệ sinh sàn nhà, kiểm tra máy móc trước khi vận hành Bao chưa nguyên liệu phải là bao mới và nếu là bao cũ phải giữa sạch sẽ Đối với công nhân phải đeo khẩu trang và đội mũ trong quá trình vận hành Giữ cho nền nhà sạch sẽ và khô thoáng khi nghiền nguyên liệu

1.2.2 Công đoạn nấu Mục đích

- Trích ly các chất chiết từ malt và gạo và nước

- Góp phần tạo màu cho bia

- Thủy phân một số chất có phân tử lớn thành các chất phân tử lượng nhỏ để cung cấp chất dinh dưỡng cho nấm men phát triển Qúa trình thủy phân này chủ yếu nhờ hệ enzyme có sẵn trong malt, ngoài ra có thể bổ xung thêm một lượng nhỏ chế phẩm enzyme

Cách tiến hành

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

- Gạo được bơm vào nồi nấu gạo, hỗn hợp gạo nước chiếm thể tích 2/3 nồi nấu Hỗn hợp này được tăng nhiệt độ lên khoảng 70-72 độ C và giữ trong thời gian 20 phút để thực hiện quá trình đường hóa, lúc này chủ yếu cho loại đường maltose và dextrin Tiếp tục tăng nhiệt độ lên 83-85 độ C và giữ trong thời gian 15 phút để thực hiện quá trình hồ hóa bột gạo Sau đó dịch gạo được hạ xuống 72 độ C rồi bổ xung malt lót vào, giữ trong khoảng 15-20 phút để dịch hóa hoàn toàn tinh bột gạo Sau đó tăng nhiệt độ lên 100 độ C trong 20 phút , rồi cho nước lạnh vào và hạ nhiệt độ xuống 80

độ C

- Trong thời gian nấu gạo , tạo dịch malt có nhiệt độ khoảng 52 độ C, giữ ở nhiệt độ này khoảng 20 phút, sau đó cho dịch gạo vào nồi dịch malt ở 52 độ C tạo ra hỗn hợp nhiệt độ 64 độ C , giữ nhiệt độ này trong khoảng 40 phút sau đó tăng nhiệt độ lên 72

độ C, giữ trong 30 phút Cuối cùng tăng nhiệt độ lên 76 độ C ,giữ trong 5 phút rồi bơm sang nồi lọc

- Qúa trình chuyển các thành phần chính của malt hoặc nguyên liệu thay thế thành các chất hòa tan vào trong nước được gọi là quá trình thủy phân Trong đó quan trọng nhất là các loại đường và acid amin Người ta gọi quá trình đường hóa thì vẫn chưa

đủ, vì khâu này không chỉ tinh bột biến thành đường mà con protein trong nước nha

và tỉ lệ đó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bia sau này

- Qúa trình thủy phân thủy phân protein và đường hóa phụ thuộc vào nhiều nhân tố, đặc biệt là nhiệt độ, pH và độ loãng hỗn hợp thủy phân Người ta dựa vào các nhân tố này để điều chỉnh quá trình thủy phân theo hướng nấu tốt nhất

1.2.3 Công đoạn lọc Mục đích

- 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

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

- Sau đó, bơm cháo sang thiết bị lọc bằng bơm li tâm Trong thời gian bơm cháo, hệ thống dao cào được hạ thấp và cho quay để dàn đều bã trên mặt đáy sau khi bơm hết qua nồi lọc thì hệ thống này được nâng lên và để yên khối cháo trong 30 phút để bã kết lắng tạo thành lớp lọc Kết lắng đầu tiên là các phần tử nặng nhất, kết lắng cuối cùng là những phần tử nhẹ nhất, có kích thước nhỏ nhất và lớp này gọi là bùn trên

- Dịch đường xả ra lúc đầu còn rất đục, ta phải bơm hồi lưu trở lại nồi lọc Qúa trình bơm hồi lưu kéo dài 15 phút, sau đó thì dịch đường bắt đầu trong

- Sau khi lọc xong bã malt được rửa bằng nước nóng 75- 78 độ C Ở nhiệt độ này thích hợp cho việc tiếp tục đường hóa lượng tinh bột đã được hồ hóa ở giai đoạn đun sôi

- Nếu nhiệt độ của nước rửa thấp hơn thì tốc độ chảy của dịch rửa bã chậm, kéo dài thời gian lọc và hiệu quả trích ly chất chiết thấp Nếu nhiệt độ của nước rửa cao thì sẽ

hồ hóa tinh bột còn xót lại trong bã,làm tăng độ nhớt của dịch rửa bã, kéo dài thời gian rửa bã và đây cũng là nguyên nhân làm đục dịch đường

- Dịch đường trong được bơm ngay sang thiết bị đun hoa hupblon

1.2.4 Công đoạn nấu hoa hupblon Mục đích

- Trích lấy chất đắng, tinh dầu thơm, các hợp chất chứa nitơ và các thành phần khác của hoa hupblon và dịch ngọt để biến đổi nó thành dịch đường có vị đắng và hương thơm dịu 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

Cách tiến hành

- Dịch đường ban đầu và dịch rửa bã được trộn lẫn với nhau trong thiết bị đun hoa, sau

đó bổ sung thêm caramen để tạo màu, CaCl 2 để tạo vị

- Một yêu cầu luôn phải đảm bảo đó là không để nhiệt độ của dịch đường hạ xuống dưới 70 o C Để đảm bảo yêu cầu này ngay từ dịch đường đầu tiên chảy vào nồi đun

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

hoa là phải cấp hơi vào để nâng nhiệt độ chúng lên Lúc đầu lượng dịch còn ít thì lượng hơi cấp vào cũng thấp Khi lượng dịch tăng dần thì lượng hơi cấp vào cũng tang dần lên

- Để dịch đường nguội trong một thời gian dài là điều tối kị trong sản xuất Vì như vậy

sẽ tạo điều kiện cho Oxi trong không khí tiếp xúc với đường, phản ứng Oxi hóa sẽ không tránh khỏi và như vậy sẽ làm giảm chất lượng của dịch đường Cường độ đun sôi cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình này Cường độ đun sôi càng mạnh thì lượng protein biến tính và keo tụ càng nhiều

1.3 Sơ đồ công nghệ các nồi nấu Tiếp theo chúng ta sẽ đi vào giới thiệu sơ đồ công nghệ của 4 nồi chính sử dụng trong nhà máy bia và các thiết bị chính sử dụng trong đó

1.3.1 Nồi Gạo

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ nồi gạo Trong nồi gạo sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức, mục đích và chi tiết các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo trong chương 2 này

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

1.3.2 Nồi Malt

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ nồi malt Tương tự nồi gạo, trong nồi malt sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức, mục đích và chi tiết các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo trong chương 2 này

1.3.3 Nồi Hoa

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ nồi hoa

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Trong nồi hoa sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén , mục đích và chi tiết các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo trong chương 2 này 1.3.4 Nồi Lọc

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ nồi lọc Trong nồi lọc sử dụng động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức, mục đích và chi tiết các thiết bị đó sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo trong chương 2 này

1.4 Các thiết bị sử dụng trong các nồi nấu 1.4.1 Động cơ khuấy

Vị trí : Dùng ở nồi Gạo, Malt, Lọc Mục đích : Khuấy hỗn hợp cháo yến mạch trong nồi gạo Loại : HPS 500

Số liệu kĩ thuât :

- Điện áp 380V

- Công suất 3.7KW 5HP

- Tần số 50Hz

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Hình 1.11 Động cơ khuấy 1.4.2 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

- Áp suất: 0.5 bar đến 2.5 bar

- Đường ống vào 65mm, đường ống ra 50mm

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Hình 1.12 Bơm ly tâm 1.4.3 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 : -50 o C đến 700 o C

- Áp suất làm việc : 0,8bar đến 8bar

- Dòng vào : 4mA đến 20mA

Hình 1.13 Van cấp nhiệt

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

1.4.4 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

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 Loại : TFP-160

Số liệu kĩ thuật :

- Điện áp làm việc : 18VDC đến 32 VDC

- Đầu ra tương tự : 4mA đến 20mA

- Dải đo : -250 o C đến 550 o C

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Hình 1.15 Cảm biến nhiệt độ

1.4.6 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

Chương 1 Tổng quan về công nghệ chế biến bia và các thiết bị sử dụng trong sản xuất

Kết luận : Kết thúc chương 1, đã giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát về sơ đồ công nghệ của bộ phận nấu trong quy trình sản xuất bia và các thiết bị cấu thành những thành phần đó với thông số kĩ thuật cụ thể, rõ ràng Và nhiệm vụ chính của đồ án này là thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ chuẩn cho các nồi nấu để đảm bảo bia được thơm ngon hơn, để thiết kế được nó trước tiên chúng ta phải mô hình hóa các đối tượng dưới dạng hàm toán học sau đó sẽ dùng những tiêu chuẩn đã học để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng, cụ thể hơn là bộ điểu khiển PID chương tiếp theo sẽ làm sáng tỏ vấn đề này

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

Chương 2

MÔ HÌNH HÓA HÀM TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ BỘ

ĐIỀU KHIỂN PID CÁC ĐỐI TƯỢNG

2.1 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học 2.1.1 Mô hình hóa bằng lý thuyết

Là phương pháp đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân

và phương trình đại số

Phương pháp lý thuyết có ưu điểm là cho ta hiểu sâu các quan hệ bên trong của quá trình liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lý, hóa học hoặc sinh học Một mô hình lý thuyết nếu được tiến hành chi tiết cho ta xác định được tương đối chính xác cấu trúc của

mô hình

Cách thức tiến hành xây dựng một mô hình lý thuyết phụ thuộc rất nhiều vào quá trình

cụ thể, khó có thể tuân theo một bài bản thống nhất Vì vậy công việc này đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm, công sức và thời gian Sự chính xác của cấu trúc mô hình lý thuyết phụ thuộc vào mức độ chi tiết của của mô hình, hay là phụ thuộc số lượng quan

hệ động học đã đ ư ợ c xác định Thực tế ta khó có thể xây dựng một mô hình lý thuyết phản ánh đầy đủ động học của quá trình Vấn đề lớn nhất của phương pháp lý thuyết là tham số của mô hình khó có thể xác định chính xác Hơn nữa phương pháp lý thuyết rất khó áp dụng cho xác định mô hình có nhiễu, nhất là nhiễu không đo được

Từ những ưu nhược điểm trên, ta có thể thấy phương pháp lý thuyết rất có ích cho việc tìm hiểu và khảo sát các đặc tính động học của quá trình, thiết kế sách l ư ợ c điều khiển và lựa chọn bộ điều khiển Nhưng ít phù hợp cho việc xác định các tham số của bộ điều khiển

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

Hình 2.1 Mô hình nồi nấu trong nhà máy

Giả thiết:

 Mực nước là h=const

 Tiết diện nồi là A

 Nhiệt độ nước vào không đổi

 Tổn thất nhiệt xung quanh là không đáng kể

 Nhiệt độ tại mọi điểm trong nồi là như nhau

+ Phương trình cân bằng năng lượng:

𝑑(𝑚 𝑐 𝑇)

𝑑𝑡 = 𝜌 𝑐 𝐹 . 𝑇 − 𝜌 𝑐 𝐹 𝑇 + 𝐾 𝑢 Trong đó

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

𝑐 : Nhiệt dung riêng của nước 𝜌: Khối lượng riêng của chất lỏng trong nồi

𝑇 : Nhiệt độ nước vào T: Nhiệt dộ chất lỏng trong nồi U: Áp suất hơi cấp

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

2.1.2 Mô hình hóa bằng thực nghiệm

Là phương pháp nhận dạng quá trình Dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào – ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham

số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp

Ưu điểm của phương pháp là cho phép xác định tương đối chính xác các tham số mô hình khi đã biết trước cấu trúc mô hình Tuy nhiên chất lượng mô hình sẽ phụ thuộc rất nhiều vào

độ tin cậy của phép đo

Các mô hình của hệ thống điều khiển nhiệt độ nước trong mỗi nồi phụ thuộc vào độ

mở của van trong quá trình gia nhiệt của mỗi nồi

Do trong quá trình làm đồ án chúng em không có điều kiện đến nhà máy thực hành, vậy nên chúng em xin phép được lấy số liệu mô hình hàm truyền các nồi từ tài tham khảo để phục vụ cho mục đích nghiên cứu

2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ nồi nấu

2.2.1 Quy trình vận hành nồi Gạo + Cách vận hành nồi Gạo

Bước 1

 Cấp nước vào nồi cháo theo quy trình công nghệ

 Bật cánh khuấy 28 vòng/phút

 Cho malt lót + CaSO 4

 Đổ gạo đã nghiền vào, trộn đều rồi cho enzym Termamyl

Bước 2

 Nâng nhiệt nồi cháo lên 86 0 C ( khoảng 20 phút)

 Giữ nhiệt độ 86 0 C 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 72 0 C (trong khoảng 10 phút) bằng cách cho bột malt lót đã hòa nước ở trên và cấp thêm nước

 Giữ nhiệt độ 72 0 C trong 20 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút)

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

 Nâng nhiệt độ nồi cháo lên 100 0 C (khoảng 25-30 phút) (tốc độ cánh khuấy 28 vòng/phút)

 Giữ nhiệt độ 100 0 C trong 30 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút)

Bước 3

 Bơm cháo sang nồi malt (2 giai đoạn : giai đoạn nâng nhiệt nồi malt lên 52 0 C và lên

64 0 C) : tắt hơi nồi cháo, tăng tốc độ cánh khuấy lên 28 vòng/phút, mở van từ nồi gạo sang nồi malt, bật bơm

Bước 4 Sau khi bơm cháo sang nồi malt, cấp nước nóng 76-80 o C tráng nồi cháo, bơm đẩy sang nồi malt rồi tiến hành CIP nước nóng nồi cháo

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho nồi Gạo + Ta có mô hình nồi gạo là:

G(s) = 𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟔𝟓𝟕𝒆 𝟏𝟓𝒔

𝒔(𝒔 𝟏)

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

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

Hình 2.2 Mô hình quá trình nồi gạo trong Matlab Simulink

Hình 2.3 Đồ thị đáp ứng bộ điều khiển P nồi gạo

0 20 40 60 80 100 120

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

- 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 Nồi Malt

+ Cách vận hành nồi Malt Bước 1

 Cấp nước vào nồi malt theo quy trình công nghệ

 Khi nồi cháo bắt đầu sôi : bật cánh khuấy 28 vòng/phút

 Cho CaCl 2 vào

 Đổ malt đã nghiền vào, trộn đều rồi cho Enzym Cereflo

Bước 2

 Nâng nhiệt nồi malt lên 40 0 C ( khoảng 10-15 phút)

 Giữ nhiệt độ 40 0 C trong 10 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút)

 Bơm cháo lần 1 (khoảng 5 phút) nâng nhiệt độ nồi malt lên 52 0 C

 Giữ nhiệt độ 52 0 C trong 30 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút) Đo pH (pH= 5,6), chưa đạt thì bổ sung axit lactic

5,4- Bơm cháo lần 2 nâng nhiệt độ lên 64 0 C (khoảng 5 phút) (tốc độ cánh khuấy 28 vòng/phút)

 Giữ nhiệt độ 64 0 C trong 40 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút) Đo pH (pH= 5,6), chưa đạt thì bổ sung axit lactic

5,4- Nâng nhiệt lên 74 0 C (khoảng 15-20 phút) (tốc độ cánh khuấy 28 vòng/phút)

 Giữ nhiệt độ 74 0 C trong 40 phút (tốc độ cánh khuấy 14 vòng/phút) Thử dịch đường bằng Iốt xem đã đường hóa hết chưa

 Nâng nhiệt độ lên 76 0 C (khoảng 10 phút) Bước 3

 Sau khi nồi malt đạt nhiệt độ 76 0 C, đóng van hơi lại sau đó bơm dịch sang nồi lọc Bước 4

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

 Sau khi bơm dịch sang nồi lọc thì cấp nước nước nóng 76-78 0 C tráng nối malt, bơm sang nồi lọc sau đó CIP nước nóng nồi malt

2.2.4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho nồi Malt + Hàm truyền nồi Malt:

G(s) = 𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝒆 𝟏𝟎𝒔

𝒔(𝟖𝒔 𝟏)

Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols 2 Tương tự nồi gạo, ta thay thế bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển P, điều chỉnh hệ số khuếch đại Kp từ 0 tới

Ta thu được Kth= 400, Tth= 120 Theo Ziegler-Nichols 2 ta có bộ điều khiển P với: Kp = 0.5* Kth = 200

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

Hình 2.4 Mô hình quá trình nồi Malt trong Matlab Simulink

Hình 2.5 Đồ thị đáp ứng bộ điều khiên P nồi malt 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

2.2.5 Quy trình vận hành nồi Hoa + Cách vận hành nồi Hoa

Bước 1

 Trước khi nhận dịch từ nồi lọc phải kiểm tra độ sạch, tráng lại nước nóng nồi hoa Bước 2

 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

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 30

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

 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 Bước 3

 Bơm dịch sang nồi lắng xoáy

Bước 4

 CIP nước nóng nồi hoa để tránh bám cặn

2.2.6 Thiết kế bộ điều khiển PID cho nồi Hoa + Hàm truyền nồi hoa:

G(s) = 𝟎.𝟑𝟓𝟖𝟑𝒆 𝟐𝟓𝒔

𝟑𝟐𝟓𝒔 𝟏

Sử dụng phương pháp tối ưu hóa mô hình nội

Theo tài liệu tham khảo ta có bộ thông số PID như sau:

Kth = 8.6, Td = 400

Hình 2.6 Mô hình quá trình nồi hoa trong Matlab Simulink

Chương 2 Mô hình hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID các đối tượng

Hình 2.7 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

Kết luận : Kết thúc chương 2, chúng ta đã mô hình hóa các nồi nấu dưới dạng các đối tượng toán học và thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ PID bằng tiêu chuẩn Ziegler-Nichols 2 theo đúng quy trình công nghệ sản xuất bia mới Và để đưa bộ điều khiển PID này áp dụng vào thực tiễn, chúng ta cần sử dụng bộ điều khiển PLC để lập trình cho bộ điều khiển PID hoạt động theo ý muốn Chúng ta sẽ tiến hành nghiên cứu quá trình cấp nhiệt từng nồi thông qua lưu đồ thuật toán, lập bảng phân cổng vào ra và tiến hành lập trình cho PLC bằng ngôn ngữ ladder trong chương tiếp theo

75 80 85 90 95 100

Chương 3 Lập trình điều khiển bằng PLC

Chương 3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

3.1 Giới thiệu về PLC S7 300 3.1.1 Giới thiệu chung

Để đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng tăng đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải có nhiều thay đổi về thiết bị cũng như về phương pháp điều khiển Vì vậy người ta phát mình ra

bộ điều khiển lập trình rất đa dạng như PLC…

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có thể thay thế gần như hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống Như vậy PLC có tính năng ưu việt và thích hợp trong mỗi trường công nghiệp là :

- Khả năng chống nhiễu tốt

- Cấu trúc dạng modul rất thuận tiện cho việc thiết kế mở rộng, cải tạo nâng cấp

- Có những modul chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt

- Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng như là đặc biệt quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động

Hiện nay trên thị trường có các loại PLC của hãng sản xuất như: Omron, Mitsubishi, Siemensm, ABB…

Đối với S7-300 dòng sản phẩm cao cấp, được dùng cho những ứng dụng lớn với những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh, yêu cầu kết nối mạng và có khả năng mở rộng, nâng cấp

Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo cấu trúc modul, nghĩa là đối với S7- 300 sẽ

có những modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt như modul PID, modul đọc xung tốc

độ cao, modul truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mang internet Vì vậy ngày nay S7-300 được sử dụng rộng rãi

Chương 3 Lập trình điều khiển bằng PLC

Hình 3.1 PLC S7 300 3.1.2 Modul trong S7 300

Để tăng mềm dẻo trong ứng dụng vào thực tế phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình Chúng được sử dụng theo kiểu các modul, số lượng modul nhiều hay ít tùy vào yêu cầu thực tế, xong tối thiểu bào giờ cũng có một modul chính là CPU, các modul còn lại nhận truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, van thủy khí

Modul CPU : Modul CPU là loại modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)…và có thể còn một vài cổng vào ra số Các cổng vào ra số

có trên modul CPU được gọi là Onboard

PLC S7-300 có nhiều loại modul CPU khác nhau Chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul CPU312, modul CPU314, modul CPU315

Modul mở rộng Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu modul Các modul này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc modul rất thuận tiên cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống Số

Chương 3 Lập trình điều khiển bằng PLC

các modul được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng ứng dụng nhưng tối thiểu bào giờ cũng phải có một modul chính là modul CPU, các modul còn lại là những modul truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như động cơ, các đèn báo, các rowle, các van từ Chúng được gọi là các modul mở rộng

3.2 Lập trình cho PLC S7 300 3.2.1 Lưu đồ thuật toán

Từ quy trình sản xuất bia ta có lưu đồ thuật toán cho các quy trình công nghệ :

Hình 3.2 Lưu đồ công nghệ tổng quát