Khảo sát hệ thống điều khiển tự động xây dựng sơ đồ chức năng tđh quá trình

Khảo sát hệ thống điều khiển tự động xây dựng sơ đồ chức năng tđh quá trình

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Công nghệ Sinh học – Công nghệ Thực phẩm ……… ***……… ……

Mục lục

Chương I: Hiểu biết thực tế 3

I.1 Ứng dụng tự động hóa trong các nhà máy thực phẩm 3II.2 Hệ thống tự động hóa đã quan sát được trong thực tế 4

Chương II: Khảo sát hệ thống điều khiển tự động 6

II.1 Tính hàm truyền đạt của hệ thống: 6II.2 Xác định Kp Kd bằng tiêu chuẩn Routh 6II.3 Lựa chọn cặp giá trị ( Kp , Kd ), sử dụng Matlab, viết câu lệnh,

vẽ đồ thị đầu ra y(t) của hệ thống khi đầu vào là hàm xung Dirac 13II.4 Kiểm tra lại tính ổn định của hệ thống và mô phỏng bằng

Matlab Simulink khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị 17II.5 Đầu vào là hàm sin và hệ thống là ổn định 20

II 6 Đặt η e(t) trong đó e(t) = x(t) - y(t) 21

Chương III: Ứng dụng tự động hóa trong các quá trình công nghệ 22

III.1 Sơ đồ công nghệ và tóm tắt lý thuyết quá trình sản xuất bia 22III.2 Đặt ra yêu cầu thiết kế tự động hóa cho quá trình thanh trùng bia 32III.3 Sơ đồ chức năng : Hệ thống phối trộn nước 33Tài liệu tham khảo

Chương I:

Hiểu biết thực tế

I.1 Ứng dụng tự động hóa trong các nhà máy thực phẩm

 Cơ bản về tự động hóa

Tự động hóa là một ngành công nghệ liên quan đến việc ứng dụng các kỹ thuật

cơ khí hiện đại, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật máy tính vào việc vận hành vàđiều khiển quá trình sản xuất

Tự động hóa được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như quân sự- an ninh quốcphòng, giao thông vận tải và rất nhiều ngành sản xuất với nhiều mặt hàng khácnhau Ngành công nghiệp thực phẩm cũng không nằm ngoài xu hướng đó Càngngày việc ứng dụng tự động hóa trong các nhà máy thực phẩm càng phổ biếnhơn vì nó mang lại rất nhiều lợi ích cho cả người sản xuất lẫn người tiêu dùng

 Ứng dụng tự động hóa trong nhà máy thực phẩm

Đặc thù của ngành thực phẩm là sản xuất ra những sản phẩm phục vụ trựctiếp nhu cầu ăn uống và thị yếu của người tiêu dùng Do đó vấn đề chất lượng vệsinh an toàn thực phẩm rất được quan tâm Sản phẩm thực phẩm thường được sảnxuất với số lượng lớn nên thường được áp dụng trên các dây chuyền sản xuất hànhloạt Để chất lượng sản phẩm luôn được đảm bảo trên những dây chuyền sản xuấtnhư vậy thì việc áp dụng tự động hóa là một giải pháp hoàn hảo Hiệu quả kinh tếcủa việc ứng dụng tự động hóa trong sản xuất đã được thực tế chứng minh Tựđộng hóa cho phép tăng năng suất thiết bị công nghệ trên cơ sở chính xác hóa quytrình sản xuất, giảm tổn thất sản xuất, giảm chi phí cho nguyên liệu và các vật liệuphụ từ đó cho phép hạ giá thành sản phẩm Hơn nữa, trong các nhà máy áp dụng

tự động hóa, chất lượng sản phẩm luôn được kiếm soát nhờ thế chất lượng sảnphẩm được nâng cao Đối với các doanh nghiệp sản xuất thực phẩm thì đây còn làmột biện pháp hữu hiệu cho việc đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm do việc giảmsố lượng công nhân trong nhà máy cũng như việc giảm sự tiếp xúc trực tiếp giữangười lao động và thực phẩm Tự động hóa có thể áp dụng trong tất cả các khâucủa một nhà máy thực phẩm từ việc nhập nguyên liệu, sơ chế, chế biến, đóng góicho tới vận chuyển và bảo quản

Trên thế giới, nhất là tại các nước phát triển, tự động hóa đã trở nên quenthuộc và không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực Chúng ta đã nghe nói nhữngngười nuôi bò sữa ở Úc chỉ cần ngồi trong nhà mà có thể cắt cỏ, cho bò ăn rồi cảvắt sữa bò… Họ có thể giải phóng sức lao động như vậy là nhờ đâu? Tuy làmtrong ngành nông nghiệp- một ngành vốn được coi là vất vả, chủ yếu là lao độngchân tay nhưng những người nuôi bò ở đây hoàn toàn khác với những người nuôibò ở Việt Nam Tất cả là do họ biết ứng dụng tự động hóa trong sản xuất Đó chỉ

là một ví dụ nhỏ cho thấy lợi ích mà tự động hóa mang lại

Ở Việt Nam, hiện nay số lượng các nhà máy thực phẩm đã ứng dụng tự độnghóa ở mức cao chưa nhiều Phần lớn các nhà máy mới chỉ ứng dụng ở mức trungbình hoặc bán tự động tức là các tổ hợp các quá trình sản xuất chính và quá trìnhsản xuất phụ được tự động hóa nhờ các thiết bị được nối với nhau trong một hệthống chung Một số các nhà máy thực phẩm có quy mô vừa và nhỏ đang bướcđầu ứng dụng tự động hóa bằng việc tự động hóa một hoặc một số công đoạn hoặcthiết bị của quá trình sản xuất Việc nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong côngnghiệp thực phẩm Việt Nam cũng đã thu được nhiều thành công bằng việc đưa ranhững dây chuyền sản xuất tự động “Made by Việt Nam” phù hợp với hoàn cảnh

và yêu cầu sản xuất tại chỗ Tuy chỉ mới là ở quy mô vừa và nhỏ nhưng những daychuyền này đã giải quyết rất tốt các vấn đề: giải phóng sức lao động, tăng chấtlượng sản phẩm, giảm thiểu tối đa những tác nhân gây nhiễm khuẩn thực phẩm ,giảm giá thành sản phẩm…

II.2 Hệ thống tự động hóa đã quan sát được trong thực tế

Vào tháng 5/ 2009, sau 5 tuần thực tập nhận thức tại nhà máy bia Hà Nội- HảiDương, một trong những nhà máy bia hiện đại nhất tại Việt Nam với công suấtthiết kế 50 triệu lít/năm Dây chuyền sản xuất với quy mô lớn như vậy nếu khôngứng dụng tự động hóa vào sản xuất thì số lượng công nhân phải lên đến hàngnghìn chưa kế khi có sự cố nếu không phát hiện sớm thì thiệt hại sẽ là rất lớn.Nhận biết được vấn đề trên nên hầu hết các phân xưởng sản xuất trong nhà máyđều được thiết kế hệ thống tự động hóa với mức độ khác nhau phụ thuộc yêu cầusản xuất và công nghệ

Tại phân xưởng lên men, hai thông số quan trong nhất đó là nhiệt độ và thờigian gia nhiệt đều được kiểm soát bằng máy tính Dựa trên những số liệu thu được

và những thông số cài đặt từ trước máy tính sẽ điều khiển cả quá trình Ngay khicó hiện tượng bất thường người kĩ sư có thể phát hiện ngay và có biện pháp xử lýkịp thời Tuy nhiên vẫn còn sử dụng van tay trong hệ thống

Phân xưởng chiết chai là phân xưởng có mức độ tự động hóa cao nhất Toàn

bộ phân xưởng là một dây chuyền ngoại nhập từ Đức Tất cả các khâu từ rửa chai,rửa két, chiết chai, dán nhãn, thanh trùng, xếp két đều được thực hiện tự động vàliên tục Công nhân trong phân xưởng chỉ làm nhiệm vụ xếp dỡ và kiểm tra chấtlượng Hầu hết các thông số đều được hiện thị tại màn điều khiển chính, thông quađó mà khi có sự cố người công nhân làm việc có thể dễ dàng phát hiện và có biệnpháp xử lý, tránh những thiệt hại không đáng có

Ngoài các phân xưởng chính trên, ở các nhà phụ trợ như nhà lạnh- cung cấpmôi chất lạnh, nhà nước sạch- cung cấp nước cho quá trình nấu bia cũng được tựđộng hóa giảm tối đa sức lao động của nhân viên

Với dây chuyền sản xuất lớn như vậy, nhờ ứng dụng tự động hóa vào hầu hếtcác khâu mà số lượng công-nhân viên của nhà máy chỉ có trên 300 người nhưnghiệu quả công việc rất cao

Nếu ai đó đã nhìn thấy hoặc đã từng sản xuất bia trước đây, thì mới nhận thấyrõ rệt những lợi ích mà tự động hóa mang lại Người công nhân không phải cầmnhững chiếc đòn gánh vừa to, vừa dài để khuấy những chiếc nồi nấu malt, nấu gạo

to đùng trong nóng bức, không cần phải suốt ngày đứng canh nhưng tank bia đểquan sát xem nhiệt độ có đạt yêu cầu không… Làm việc vất vả như vậy nhưnghiệu quả đạt được vẫn không cao, khuấy tay không thể đều như những cánh khuấyđược nối với hệ thống điều khiển, mà tốc độ cũng như thời gian khuấy đều đượcđịnh sẵn

Trong thời đại công nghiệp hóa- hiện đại hóa hiện nay, để đáp ứng với nhucầu ngày cao của xã hội, sản phẩm làm ra không chỉ ngon, giá thành hợp lý màphải đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm thì những hệ thống tự động hóa cần đượcứng dụng rộng rãi trong các nhà máy thực phẩm để chất lượng sản phẩm ngàycàng được nâng cao

Chương II:

Khảo sát hệ thống điều khiển tự động.

II.1 Tính hàm truyền đạt của hệ thống:

d p td

K s

K s

s

s K K W

3

Phương trình đặc tính có dạng:

s3 + 1.10s2 + (0.61+ Kd )s + 0.69 + Kp = 0

II.2 Xác định Kp Kd bằng tiêu chuẩn Routh.

Theo tiêu chuẩn Routh:

.

1 K d  K p

00.69 + Kp

a Để hệ thống ổn định:

Tất cả các nghiệm của phương trình đặc trưng có phần thực âm khi và chỉ khi tất cả hệ số trong cột thứ nhất của bảng Routh dương

1

0 9

p d

p

K K

0

0 9

d

p

K K

Vậy để hệ thống ổn định thì

0.101

019.0

p

p d

K

K K

1

0 9

p d

p

K K

019 0

69 0

p d

p

K K K

019.0

69.0

p d

p

K K

69 0

d

p

K K

Hàm truyền đạt của hệ thống như sau:

s K s

s

s K K W

d

d p td

) 61 0 ( 10

Hàm truyền đạt của hệ thống như sau

s s

s

W td

61 0 10 1

69 0 2 3

Ta thấy hệ thống không ổn định khi hàm đầu vào là hàm bậc thang đơn vị.

Nhận xét: Hệ thống ổn định khi tín hiệu đầu vào là hàm xung Dirac còn khi tínhiệu vào là hàm bậc thang đơn vị thì không ổn định

019.0

69.0

p d

p

K K K

Hàm truyền đạt của hệ thống như sau:

p d

d p td

K s

K s

s

s K K W

019 0

) 69 0 ( 1.10

) 69 0 (

10 1

p

K s

→Ta thấy hệ thống ở biên giới ổn định khi tín hiệu đầu vào là hàm bậc thang đơn vị

Nhận xét: Hệ thống ở biên giới ổn định cả khi tín hiệu đầu vào là hàm xung Dirac

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -7

Kết luận: Hệ thống ở biên giới ổn định khi

019.0

69.0

p d

p

K K K

II.3 Lựa chọn cặp giá trị ( Kp , Kd ), sử dụng Matlab, viết câu lệnh, vẽ đồ thị đầu ra y(t) của hệ thống khi đầu vào là hàm xung Dirac.

Hàm truyền đạt của hệ thống:

p d

d p td

K s

K s

s

s K K W

69

0.101

019 0

d p

p d

K K

K K

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 -8

c)Hệ thống ở biên giới ổn định

Chọn KP= -0.019 và Kd=0, ta có hàm truyền đạt của hệ thống như sau:

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 -0.02

*) Mô phỏng bằng Simulink

c) Hệ thống ở biên giới ổn định

Chọn KP= 1.081và Kd=1, ta có hàm truyền đạt của hệ thống như sau:

II.5 Đầu vào là hàm sin và hệ thống là ổn định

Chọn Kd=1, Kp= 0

Nhận xét : - Tín hiệu đầu ra cũng có dạng hình sin

- Tần số dao dộng của đầu ra T=0.1667s

II 6 Đặt η e(t) trong đó e(t) = x(t) - y(t)

Để η< 0.05 thì điều kiên cần là hệ thống đạt trạng thái ổn định suy ra :

K s

K s

s

s K K

p

K K

Để e(t) < 0.05 thì 1- p 0.69

p

K K

< 0.05  K >13.11

Vậy điều kiên để e(t) < 0.05 là :

131.10

019.0

p

p d

K

K K

Chương III :

Ứng dụng tự động hóa trong quá trình thanh trùng liên tục

tại nhà máy bia

III.1 Sơ đồ công nghệ và tóm tắt lý thuyết quá trình sản xuất bia

a) Sơ đồ công nghệ

Nấm men

GạoMalt

Chai

Xử lý

NghiềnNghiền

Lọc

Hoa houblonHoublon hoá

Chiết bomChiết chai

Bã hoa

Bia hơi

CO2

b) Tóm tắt lý thuyết

Gạo và malt được nghiền nhỏ đến kích thước thích hợp Gạo được cho vào nồi hồ hóa, rồi được trộn với malt vào nồi đường hóa Sau đó dịch được lọc tách bỏ phần

bã, và bổ sung hoa houblon Sau thời gian houblon hóa, bã hoa được lọc tách ra Dịch được làm lạnh nhanh đến 10- 12oC và được chuyển sang các tank lên men, có

bổ sung nấm men và oxi để quá trình lên men chính được diễn ra hoàn toanf trong vòng 5-7 ngày Sau đó dịch được giảm nhiệt độ xuống 2 oC đế tiến hành quá trình

lên men phụ trong vòng 10 ngày Dịch sau lên men được chuyển sang hệ thống lọcrồi bão hòa CO2 Sau đó tùy theo sản phẩm là bia chai hay bia lon, hay bia hơi mà được chuyển sang các phân xưởng chiết bia phù hợp.

c) Mô tả vắn tắt nguyên lí hoạt động của các thiết bị chính hoạt động trong quá trình sản xuất bia

1 Máy nghiền malt

Chú thích

1 Thùng chứa malt chưa nghiền 2 Gầu tải

5 Thùng chứa malt đã nghiền 6 Vít tảii malt

Malt được đổ vào thùng chứa 1, nhờ gầu tải đưa lên vào phễu của máynghiền tách vỏ Sau đó malt và vỏ được đưa vào nghiền bột Dưới sức ép của 2trục nghiền malt trở thành dạng bột, rơi xuống thùng chứa 5 Nhờ gầu tải, maltđược đưa vào thùng chứa trên cao rồi theo vít tải malt cấp vào nồi đường hóa.

2 Máy nghiền gạo

Chú thích

1 Thùng chứa gạo vàmalt chưa nghiền

7 Túi chứa tạp chất

Gạo và malt lót được đổ vào thùng chứa 1 Nhờ gầu tải, gạo và malt lótđược đưa vào sáng để loại tạp chất nhỏ (cát, gạo vụn ) Tạp chất rơi dưới sàng,được chứa trong các túi chứa 7, còn gạo trên sàng được chuyển vào sàng mắt cáo

để loại tạp chất lớn Gạo lọt xuống sàn rơi vào sàng rung có gờ Nhờ các đường gờ

và chuyển động rung của sàng mà gạo sẽ chuyển động về phía trước và rơi vàothứng chứa 4, vào máy nghiền bột Còn sạn chuyển động về phía sau và rơi vào túiđựng sạn Dưới sức ép của 2 trục, gạo và malt chuyển thành dạng bột, rơi xuốngthùng chứa Nhờ gầu tải 2 đưa lên thùng chứa trên cao rồi theo vít tải gạo cấp vàonổi hồ hóa

3 Nồi hai vỏ : là nồi được dùng cho các giai đoạn hồ hóa, đường hóa,houblon hóa.

Hơi quá nhiệt được cung cấp vào khoảng không gian giữa hai vỏ và nướcngưng được thoát ra ngoài theo đường ống dẫn nước ngưng

4 Thùng lắng xoáy

1 Ống thoát hơi

2 Quả cầu vệ sinh

3 Vòi vệ sinh bã hoa

Dịch vào được cấp theo đường tiếp tuyến của thùng với vận tốc nhanh Dokhối lượng riêng của bã hoa nặng hơn dịch nên nó nhanh chóng bị giảm vận tốc,tập trung, đóng chặt lại ở đáy Nước trong được thu hồi ở bên thành Sau khi thuhồi hết dịch, mở van CIP vệ sinh bã hoa Nước sẽ được xối mạnh quay tròn nhờvòi vệ sinh bã hoa Sau đó cả nước và bã sẽ được thu hồi hêt nhờ độ nghiêng củađáy (1%)

5 Thiết bị làm lạnh nhanh khung bản

Nước sạch được giảm nhiệt độ xuống 1oC sau khi trao đôi nhiệt với cồnlạnh (-2oC) Sau đó nước và dịch nóng cùng được đi vào thiết bị trao đổi nhiệt theo

2 đường hoàn toàn riêng biệt và ngược chiều nhau Nước và dịch sẽ trao đổi nhiệtqua các tấm khung bản Sau khi ra khỏi thiết bị, dịch đạt nhiệt độ lên men là 12oC.Còn nước được làm nóng để sử dụng cho các nồi nấu Dịch sau đó sẽ được cấpthêm O2 và nấm men và được bơm chuyển vào các tank lên men

6 Thiết bị lên men

1 Vỏ bảo ôn

2 Quả bóng vệ sinh

3 Áp kế

4 Cửa quan sát bên dưới

5 Van lấy mẫu kiểm tra

Dịch sau khi được houblon hoá, cùng với men và O2 được cấp vào tanktheo đường dưới Dịch đợc lên men theo 2 giai đoạn: lên men chính và lên menphụ Lên men chính ở nhiệt độ 12oC trong 5- 7 ngày Sau khi kiểm tra dịch lênmen thấy dịch đã đạt độ đường thì chuyển sang giai đoạn lên men phụ ở nhiệt độ

2oC trong 10 ngày Sau khi quá trình lên men kết thúc, mở van thu hồi men để tái

sử dụng men Sau đó mở van bia đi lọc, bia sẽ được chuyển sang thiết bị lọc đểlàm trong

Trong quá trình lên men, nhiệt độc được giữ lạnh nhờ các khoang lạnh vớichất tải lạnh là cồn Với giai đoạn lên men chính, nhiệt độ của cồn là 9,5oC, sau đóđược giảm tới 0,5oC khi bia đi lọc

Áp suất trong tank cũng phải giữ ổn định và tuỳ thuộc từng giai đoạn Vớilên men chính, áp suất khoảng 0,3 bar còn khi lên men phụ, áp suất tăng tới 0,6bar Đến khi bia đi lọc, áp suất được giữ ở 0.9 – 1 bar Áp suất được điều chỉnhnhờ cấp CO2 hoặc không khỉ để tăng áp hoặc thu hồi CO2 để giảm áp

Khi mở van thu hồi men và bia đi lọc thì cần cấp khí Còn khi cấp gịch vàtrước khi cấp CIP thì phải mở van xả khí

4 Bơm cấp bia

5 Thiết bị lọc khung bản

Bia chưa đi lọc qua cốc tách bọt rồi qua bơm cấp bia vào các khung rỗngcủa máy lọc Bia được lọc qua vải, chảy qua các rãnh dẫn và ra ngoài Các tiểuphần rắn được giữ lại trong khung cho đến khi các bản và khung được tách ra,