Xây dựng hệ thống điều kiển giám sát SCADA hệ nấu trong dây chuyền sản xuất bia chất lượng cao

Nội dung của bản luận văn được trình bày thành 4 chương: Chương 1: Giới thiệu về hệ thống SCADA và tổng quan về nhà máy bia Chương 2: Nghiên cứu hệ thống nhà nấu Chương 3: Nghiên cứu hệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

===== W X =====

NGUYỄN XUÂN HỢP

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA

HỆ NẤU TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BIA

===== W X =====

NGUYỄN XUÂN HỢP

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA

HỆ NẤU TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BIA

CHẤT LƯỢNG CAO

NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐINH VĂN NHÃ

HÀ NỘI – 2012

                  Trang  Lời cam đoan Error! Bookmark not defined.  Danh mục các chữ viết tắt và các hình vẽ trong luận văn Error! Bookmark not defined. 

Lời nói đầu Error! Bookmark not defined. 

CHƯƠNG I: GIớI THIệU Về Hệ THốNG SCADA Và TổNG QUAN Về NHà MáY BIA

Error! Bookmark not defined.  1.1 Hệ THốNG SCADA Error! Bookmark not defined. 

1.1.1  Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ SCADA Error! Bookmark not defined. 

1.1.2  Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA Error! Bookmark not defined.  1.1.3 Hệ thống SCADA hiện đại Error! Bookmark not defined.  1.1.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA Error! Bookmark not defined.  1.1.5 Mục đích áp dụng hệ thống SCADA vào sản xuất Error! Bookmark not defined.  1.2 XÂY DựNG Hệ THốNG SCADA Error! Bookmark not defined.  1.2.1 Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hóa Error! Bookmark not defined.  1.2.2 Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá Error! Bookmark not defined.  1.3 giới thiệu về nhà máy bia Error! Bookmark not defined.  1.3.1 Quy trình sản xuất bia Error! Bookmark not defined.  1.3.2 Các hiện trường Error! Bookmark not defined.  1.3.3 Các thiết bị chấp hành và sensor Error! Bookmark not defined.  Chương II: Nghiên cứu hệ thống nhà nấu Error! Bookmark not defined. 

2.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống nhà nấu và chức năng nhiệm vụ mỗi công

đoạn Error! Bookmark not defined.  2.2 Bài toán điều khiển nhiệt độ Error! Bookmark not defined.  2.2.1 Điều khiển nhiệt độ cho nồi nấu Error! Bookmark not defined.  2.2.2 Điều khiển nhiệt độ cho các hệ thống khác Error! Bookmark not defined.  2.3 Bài toán điều khiển lưu lượng Error! Bookmark not defined. 

Chương iii: nghiên cứu hệ thống scada với wincc và phần mềm điều khiển

plc Error! Bookmark not defined. 

3.1.3 Khối điều khiển PID mềm: FB41 CONT_C Error! Bookmark not defined.  3.1.3 Sử dụng FC 105 để xử lý tín hiệu cho module Analog Error! Bookmark not defined.  3.2 Giới thiệu về WINCC Error! Bookmark not defined.  3.2.1 Chức năng của WinCC Error! Bookmark not defined.  3.1.2 Một số đối tượng điển hình trong WinCC Error! Bookmark not defined.  Chương IV: Thiết kế hệ thống Error! Bookmark not defined.  4.1 thiết kế phần cứng Error! Bookmark not defined. 

4.1.1 giải pháp dự phòng cho hệ thống Error! Bookmark not defined. 

4.1.2 Hệ thống dự phòng dùng WINCC Error! Bookmark not defined.  4.1.3 Các thiết bị phần cứng Error! Bookmark not defined.  4.1.4 Cấu hình phần cứng cho Step7 Error! Bookmark not defined.  4.2 thiết kế phần mềm Error! Bookmark not defined. 

4.2.1 Lập trình PLC Error! Bookmark not defined. 

4.2.2 Xây dựng phần mềm điều khiển bằng WINCC Error! Bookmark not defined. 

Các kết quả đạt được, hạn chế và phương hướng phát triển của đề tài

Error! Bookmark not defined.  TàI LIệU THAM KHảO Error! Bookmark not defined.  PHụ LụC Error! Bookmark not defined. 

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Ngoài phần tài liệu tham khảo đã đ−ợc liệt kê đầy đủ, các số liệu và kết quả trong phần luận văn là hoàn toàn trung thực và ch−a đ−ợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Danh mục các chữ viết tắt và các hình vẽ

trong luận văn

* Danh mục các chữ viết tắt

CPU : Central Processing Unit

D/A : Digital / Analog

FC : Function

OB : Organisation Block

PC : Personal Computer

PLC : Programmable Logic Controller

SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition

WinCC : Window Control Center

DB : Data Block

RTU : Remote Ternimal Unit

HMI : Human Machine Interface

CIP : Clean In Place

* Danh mục các hình vẽ:

Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng

Hình 1 2 Quy trình sản xuất bia

Hình 2.1 Sơ đồ khối các công đoạn trong hệ thống nấu

Hình 2.2 Hệ thống nồi nấu

Hình 2.3 Hệ thống nồi lọc

Hình 2.4 Quy trình nồi lọc

Hình 2.5 Cấu tạo bên trong nồi lọc

Hình 2.6 Hệ thống nồi sôi hoa

Hình 2.7 Cấu tạo nồi sôi hoa

Hình 2.8 Đường luân chuyển nhiệt độ và dịch

Hình 2.9 Hệ thống thùng lắng xoáy

Hình 2.10 Hệ thống nồi trung gian

Hình 2.11 Hệ thống làm lạnh nhanh

Hình 2.12 Lưu đồ điều khiển nhiệt độ cho nồi nấu

Hình 2.13 Lưu đồ điều khiển nhiệt độ cho nồi lọc bã

Hình 2.14 Lưu đồ điều khiển nhiệt độ cho trung gian

Hình 2.15 Lưu đồ điều khiển lưu lượng

Hình 3.9 Mở khối chứa thông tin của bộ điều khiển PID

Hình 3.10 Cấu hình cho bộ điều khiển PID mềm

Hình 3.11 Hàm chuyển SCALE CONVERT FC105

Hình 3.12 Lựa chọn loại tín hiệu vào cho module vào ra

Hình 3.13 Điều khiển và giám sát qua mạng Profibus dùng WINCC Hình 3.14 Các chức năng chính của hệ thống

Hình 4.1 Mô hình dự phòng toàn diện

Hình 4.2 Mô hình dự phòng cho module I/O

Hình 4.3 Sơ đồ chuyển mạch cho hệ thống dự phòng I/O và BUS

Hình 4.4 Sơ đồ kết nối phần cứng cho hệ thống dự phòng I/O và BUS Hình 4.5 Sơ đồ chuyển đổi Server khi có xảy ra sự cố

Hình 4.6 Sơ đồ kết nối dự phòng cho server

Hình 4.7 Các thuộc tính của wincc hỗ trợ khi thiết kế hệ thống dự phòng Hình 4.8 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển phản hồi

Hình 4.9 Cấu trúc của một hệ thống điều khiển thẳng

Hình 4.10 Thiết bị đo áp suất thực tế trong nhà máy

Hình 4.11 Thiết bị đo lưu lượng

Hình 4.12 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành

Hình 4.13 Van điều khiển PID

Hình 4.14 Van điện điều khiển on/off

Hình 4 15 Cấu hình PLC cho hệ thống nấu

Hình 4.16 Cấu hình PLC trong Step7

Hình 4.17 Lưu đồ chương trình chính

Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ

Hình 4.19 Lưu đồ thuật toán của chức năng maintenance

Hình 4.20 Tìm mã lỗi

Hình 4.21.Giao diện màn hình chính

Hình 4.22 Giao diện màn hình điều khiển cho hai nồi nấu

Hình 4.23 Giao diện màn hình maintenance

Hình 4.24 Giao diện màn hình của đồ thị sản xuất

Hình 4.25 Giao diện của màn hình report

* Danh mục các bảng

Bảng 1: Các tham biến hình thức đầu vào FB41:

Bảng 2: Các tham biến hình thức đầu ra FB41:

Bảng 3: Các tham số hàm FC105:

Bảng 4: Thông số của thiết bị đo áp suất

Bảng 5: Thông số kỹ thuật của thiết bị đo lưu lượng

Bảng 6: Thông số kỹ thuật của van điều khiển PID

Bảng 7: Phân bố địa chỉ cho PLC trên từng module:

Lời nói đầu

Trước sức ép của thể giới về sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp về cả chiều rộng lẫn chiều sâu do việc áp dụng những thành tựu của khoa học công nghệ, điều này đồng nghĩa với việc phát triển các ngành công nghiệp trong nước cũng phải được phát triển một cách mạnh mẽ và hướng tới một tầm vóc mới Do đó chúng ta phải tìm cách tiếp cận công nghệ và làm chủ công nghệ Một khi chúng ta

đã làm chủ được công nghệ mà không phải phụ thuộc vào đối tác khác thì việc áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ vào sản xuất trở nên dễ dàng hơn

Cùng với xu hướng phát triển chung không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp bia cũng đã có những bước tiến vượt bậc Các nhà máy bia nhỏ lẻ đã trở thành những nhà máy bia công suất lớn và hiện đại, đáp ứng được ngày càng cao về chất lượng và sản lượng và chiến lĩnh thị trường bia trong nước Để đạt được điều này là nhờ vào việc chúng ta đã dần làm chủ được công nghệ và tiến tới làm chủ toàn bộ công nghệ

Với đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát SCADA hệ nấu trong dây

chuyền sản xuất bia chất lượng cao” Nhằm mục đích có thể thay thế phần mềm

chuyên dụng được sử dụng trong nhà máy bia là Braumat

Nội dung của bản luận văn được trình bày thành 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống SCADA và tổng quan về nhà máy bia

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống nhà nấu

Chương 3: Nghiên cứu hệ thống SCADA với WinCC và phần mềm điều khiển PLC Chương 4: Thiết kế hệ thống

Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy “ PGS.TS Đinh Văn Nhã ” với những chỉ dẫn tận tình trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Sinh viên thực hiện:

Contents       Trang 

Lời cam đoan 1 

Danh mục các chữ viết tắt và các hình vẽ trong luận văn 2 

Lời nói đầu 4 

CHƯƠNG I: GIớI THIệU Về Hệ THốNG SCADA Và TổNG QUAN Về NHà MáY BIA 7 

1.1 Hệ THốNG SCADA 7 

1.1.1  Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ SCADA 8 

1.1.2  Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA 11 

1.1.3 Hệ thống SCADA hiện đại 13 

1.1.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA 17 

1.1.5 Mục đích áp dụng hệ thống SCADA vào sản xuất 18 

1.2 XÂY DựNG Hệ THốNG SCADA 19 

1.2.1 Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hóa 19 

1.2.2 Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá 21 

1.3 giới thiệu về nhà máy bia 24 

1.3.1 Quy trình sản xuất bia 25 

1.3.2 Các hiện trường 29 

1.3.3 Các thiết bị chấp hành và sensor 32 

Chương II: Nghiên cứu hệ thống nhà nấu 33 

2.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống nhà nấu và chức năng nhiệm vụ mỗi công đoạn 33 

2.2 Bài toán điều khiển nhiệt độ 42 

2.2.1 Điều khiển nhiệt độ cho nồi nấu 42 

2.2.2 Điều khiển nhiệt độ cho các hệ thống khác 43 

2.3 Bài toán điều khiển lưu lượng 44 

Chương iii: nghiên cứu hệ thống scada với wincc và phần mềm điều khiển plc 45 

3.1 Bộ điều khiển khả trình PLC 45 

3.1.3 Sử dụng FC 105 để xử lý tín hiệu cho module Analog 66 

3.2 Giới thiệu về WINCC 68 

3.2.1 Chức năng của WinCC 70 

3.1.2 Một số đối tượng điển hình trong WinCC 71 

Chương IV: Thiết kế hệ thống 74 

4.1 thiết kế phần cứng 74 

4.1.1 giải pháp dự phòng cho hệ thống 74 

4.1.2 Hệ thống dự phòng dùng WINCC 77 

4.1.3 Các thiết bị phần cứng 82 

4.1.4 Cấu hình phần cứng cho Step7 90 

4.2 thiết kế phần mềm 98 

4.2.1 Lập trình PLC 98 

4.2.2 Xây dựng phần mềm điều khiển bằng WINCC 105 

Các kết quả đạt được, hạn chế và phương hướng phát triển của đề tài 109 

TàI LIệU THAM KHảO 110 

PHụ LụC 111   

Tác giả đã có bài báo gửi đăng ở “ Tạp chí Tự động hóa Ngày nay (Automation Today) ISSN tháng 3/2012

PGS.TS Đinh Văn Nhã, KS Nguyễn Xuân Hợp, KS Đinh Văn Vinh, “Xây dựng hệ thống

điều khiển giám sát SCADA hệ nấu trong dây chuyền sản xuất bia chất lượng cao”

CHƯƠNG I: GIớI THIệU Về Hệ THốNG SCADA Và

TổNG QUAN Về NHà MáY BIA

1.1 Hệ THốNG SCADA

Với sự phát triển nhanh nền kinh tế, các hệ thống thu thập, giám sát, xử lý dữ liệu

và điều khiển các quá trình công nghiệp SCADA (Supervisory Control And Data Acquision) đã xuất hiện ngày càng nhiều trong các lĩnh vực công-nông nghiệp, khoa học vũ trụ, hàng không, công nghệ sinh học, y học, môi trường và nhiều lĩnh vực khác Không những thế nó còn thể hiện tính hiệu quả trong công nghiệp, giúp con người quan sát thu thập quản lý dữ liệu và điều khiển tự động các thiết bị từ xa Trong các lĩnh vực kỹ thuật công nghiệp, các hệ thống trên càng ngày càng phát triển nhanh với sự phát triển mạnh mẽ của nhu cầu thị trường đã làm thay đổi tính chất cũng như quy mô sản xuất của các nhà máy nhằm tăng khả năng sản xuất và cạnh tranh của nhà máy Hệ thống điều khiển tự động phải đáp ứng yêu cầu đảm bảo

độ ổn định và chính xác của các thông số đo và cập nhật các thông số đo và điều khiển với tốc độ cao như thông số: Mức, lưu lượng, và các tín hiệu điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm Ngoài chức năng điều khiển, các thông số còn được lưu trữ, xử lý, lập các báo cáo đáp ứng việc theo dõi chất lượng của nhà quản lý về chất lượng, về chi phí sản xuất, từ đó nhà quản lý có thể đưa ra các quyết định nhằm điều chỉnh hoạt động sản xuất cũng như đưanh ra các quyết định kinh doanh hiệu quả Trước đây khi giá nhân công rẻ và các nhà máy có quy mô nhỏ nên việc thu thập dữ liệu chủ yếu được thực hiện thủ công bởi các công nhân vận hành Việc sản xuất bằng tay đòi hỏi số lượng lớn người lao động tuy nhiên vẫn không đạt được chất lượng ổn định cũng như tăng năng suất và hiệu quả sản xuất Khi việc thu thập dữ liệu thủ công không còn đáp ứng được tính chất của một nền sản xuất công nghiệp Nhiều phần mềm cũng như các thiết bị phần cứng liên tục được phát triển thay thế

để đưa vào thực thế sản xuất

Một hệ SCADA truyền thống là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải thông tin về khu trung tâm để

xử lý Trong các hệ thống như vậy, hệ thống truyền thông được chú trọng và phần cứng được quan tâm nhiều hơn Theo xu hướng phát triển hiện đại, trong giải pháp

điều khiển phân tán có sẵn hệ thống truyền thông ở cấp dưới (bus trường, bus xử lý)

và ở cấp trên (Ethernet) Thì trọng tâm của việc xây dựng hệ SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống

Có thể hình dung tạo dựng một ứng dụng SCADA gồm hai công việc chính: xây dựng màn hình hiển thị và thiết lập mối quan hệ giữa các hình ảnh trên màn hình với các biến quá trình

Nói cách khác, hệ thống SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau:

- Thu thập dữ liệu từ các thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy

- Xử lý các lệnh tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác

1.1.1 Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ SCADA

Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiệu từ các cơ cấu cảm biến được gắn trên các thiết bị công tác hoặc trên dây chuyền sản xuất gửi về cho máy tính (thực hiện phần thu thập dữ liệu) Máy tính xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt

động của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm đã được cài sẵn trong bộ nhớ

Đồng thời, máy tính sẽ hiển thị lại những thông tin kỹ thuật của hệ thống trên màn hình, cho phép tự động giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tín hiệu điều khiển đến máy công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức năng giám sát và

điều khiển)

Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghĩa:

9 Con người theo dõi và điều khiển

9 Máy tính giám sát và điều khiển

Đối với các hệ thống sản suất tự động trước đây, việc kiểm tra giám sát hoàn toàn do con người đảm trách So với máy tính, tốc độ xử lý của con người rất chậm

và dễ nhầm lẫn Việc tính toán điều khiển của máy tính sẽ tránh được những hậu quả trên Những sai sót nhỏ, thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính giám sát và xử

lý theo chương trình đã được cài đặt Đối với những sự cố lớn, máy tính sẽ báo cho người theo dõi biết và tạm dừng hoạt động của hệ thống để chờ quyết định của người điều hành

Mô hình phân cấp chức năng điều khiển:

Hình1.1 Mô hình phân cấp chức năng

a Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (smart devices)

có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

b Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin theo thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cấp chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để

thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay…Trong một hệ thống điều khiển tự động, máy tính thực hiện những nhiệm vụ

đó

Do đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin, nên khái niệm cấp xử

lý (process level) cũng hay được sử dụng Tuy nhiên, khái niệm này không được chính xác vì trong các hệ thống tự động hoá hiện đại, việc xử lý thông tin không phải là độc quyền ở cấp này Như đã nêu trên, các thiết bị thông minh ở cấp cảm biến/chấp hành cũng có thể đảm nhận một phần việc này Ngoài ra, việc thực hiện các chức năng ở bất kỳ cấp nào bên trên đều mang bản chất là xử lý thông tin

Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng hay được gọi chung là cấp trường (field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật

c Cấp điều hành quá trình

Điều hành quá trình tức là điều khiển và vận hành một quá trình kỹ thuật Khi đa

số các chức năng như đo lường điều khiển, điều chỉnh, bảo trì hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của các cấp điều hành quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển khởi

động/dừng và điều khiển theo công thức (ví dụ như trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành quá trình thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt có giao diện mạng ngoài các máy tính điều hành

Hiện nay, do nhu cầu tự động hoá tổng thể ở các cấp điều hành sản xuất và quản

lý công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trong mô hình chức năng trở nên cần thiết Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp điều hành quá trình và điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp điều hành

Tóm lại, các chức năng điều khiển giám sát của một hệ SCADA:

9 Giám sát vận hành

9 Điều khiển vận hành

9 Báo cáo và báo động

9 Điều khiển cao cấp

9 Quản lý và lưu trữ dữ liệu quá trình

1.1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần:

a MTU (Master Terminal Unit) - Trạm điều khiển giám sát trung tâm:

MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tính công nghiệp MTU giao tiếp với người điều hành và RTU thông qua khối truyền thông Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông Nhiệm vụ của MTU bao gồm:

- Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hành

- Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hành RTU

- Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trình cũng như trạng tháI của các thiết bị lên màn hình giúp con người điều hành giám sát và điều khiển

- Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác

b RTU (Remote Terminal Unit)

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường được đặt tại nơi làm việc để thu thập dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ

đo để gửi đến MTU xử lý và thông báo cho người điều hành biết tình trạng, trạng tháI hoạt động của các thiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu đo

từ MTU để điều khiển hoạt động cảu các thiết bị theo yêu cầu

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và chờ yêu cầu từ MTU mới truyền tín hiệu dữ liêu Tuy nhiên, ngày nay các RTU hiện

đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các địa điểm từ

Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập trình

được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau

CPU của RTU nhận luồng dữ liệu nhị phân theo giao thức truyền thông Các giao thức có thể là giao thức mở như TCP\IP (Transmission Control Protocol and Internet Protocol) hoặc các giao thức riêng Những luồng thông tin được tổ chức theo mô hình 7 lớp ISO/OSI Mô hình OSI được sử dụng để đặt tiêu chuẩn cho cách trao đổi thông tin với các giao thức Truyền thông và dữ liệu RTU nhận thông tin của nó nhờ vào sự nhận dạng mã trong dữ liệu truyền Dữ liệu này được biên dịch và được CPU

điều khiển thích hợp tác động tại chỗ

d HMI: Giao diện người máy

Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống

e Xử lý dữ liệu

Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung

Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện

đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển

giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống Tại một thời điểm dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy sự cố Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách

xử lý sau:

• Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ

sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

• Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều

được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ… do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra…)

1.1.3 Hệ thống SCADA hiện đại

Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin, xu hướng phát triển của các PLC và phần mềm HMI/SCADA ngày càng trở nên

“mix and match” – Lựa chọn và kết nối khác nhau nhưng đề hỗ trợ cho nhau để tạo thành một chỉnh thể thống nhất Các hệ thống SCADA ngày nay cho phép thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát trên một phạm vi rộng lớn hơn, có thể lên đến hàng ngàn hay thậm chí là cả hàng chục ngàn kênh Input/Output với tốc độ nhanh và độ tin cậy cao nhờ vào các giao thức mở và các mạng truyền thông như mạng PROFIBUS, WAN, LAN, INTHENET và cả mạng Internet Hầu hết các phần mềm SCADA ngày nay đều có hỗ trợ kết nối Internet Mặt khác, trong hệ thống SCADA

ngày nay có các PLC có khả năng đảm nhận việc giám sát và điều khiển tại các

điểm cục bộ Tuy nhiên, MTU vẫn không thể thiếu trong hệ thống SCADA

a Cấu trúc hệ thống

Ngày nay, các hệ thống SCADA thế hệ mới được xây dựng theo cấu trúc phân

bố, trong đó máy chủ được phân bố trên một số các bộ xử lý được nối với nhau thông qua mạng cục bộ (LAN) Trong đó, mỗi bộ xử lý có một nhiệm vụ riêng nhất

định như: thu thập và xử lý, xây dựng hiển thị, tạo báo cáo… và một số bộ xử lý dùng để dự phòng

Hệ thống được thiết kế theo giao thức mở và cơ chế Client – Server

Với:

• IOS: module các ngõ vào ra dữ liệu (Data Input/Output Modules)

• MMI: module giao tiếp giữa người và máy (Man- Machine Interface)

• HDC: module lưu trữ dữ liệu thu thập được trong quá khứ (Historical for Data

Collection Storage)

• GW: cổng giao tiếp cho mạng LAN (Gateway for Inter-LAN Comunication)

• APPS: module tính toán và xử lý ứng dụng (Aplication Calculation and

Processing Module)

b Đặc tính chính của hệ thống

• Đồ họa hoàn toàn trong quá trình giám sát và điều khiển

• Có hệ thống lưu trữ dữ liệu (History) và hiển thị đồ thị quá trình, có khả năng hiển thị đa tín hiệu

• Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện (Alarm/ Event System)

• Hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp, song song và giao thức TCP/IP

• Hệ thống báo cáo, báo biểu theo chuẩn công nghiệp

• Hỗ trợ các chuẩn giao diện OPC, OLE/DB và các giao diện công nghiệp

khác

• Khả năng tích hợp tín hiệu Video động

Khả năng đồng bộ về thời gian với hệ thống cũng như giữa các Server và Client

c Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy

Về phần giao tiếp giữa người và máy, các hệ thống SCADA ngày nay được trang

bị các khối hiển thị hình ảnh VDU (Video Display Unit), hiển thị đầy đủ hình ảnh

đồ họa của các quá trình Ngoài ra còn có kèm theo mouse, trackball, joystick và bàn phím, các nút điều khiển được thay thế bằng các biểu tượng (Icon) trên màn hình Chúng được tác động bằng mouse, bàn phím hay có thể chỉ tay lên biểu tượng trên màn hình đối với các màn hình cảm ứng

Các thiết bị đó giúp cho người điều hành có khả năng:

• Nhanh chóng hoán đổi giữa các hiển thị

• Nhanh chóng xem được chi tiết các thông tin được cập nhật

• Tạo và sửa đổi các hiển thị trực tiếp trên màn hình hệ thống

• Có những hiệu ứng đặc biệt giúp dễ dàng phân biệt trạng thái cũng như nhận

biết dữ liệu (Ví dụ: các màu khác nhau cho các trạng thái khác nhau)

Ngoài ra các VDU chạy trên môi trường Windows hay Windows-X còn giúp điều hành viên có thể: Xem trên cùng một VDU nhiều mảng thông tin, và truy cập được các dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặc các dữ liệu thuộc các cơ sở dữ liệu khác nhau

Về các RTU, không còn là những thiết bị thụ động nữa mà chúng làm nhiệm vụ thu thập và lưu giữ dữ liệu vùng Nhiều mức xử lý dữ liệu và điều khiển được thực hiện tại các RTU

Nhiều loại thiết bị có thể được nối vào các RTU như: PLC, máy đo lưu lượng, thiết

bị lấy chuẩn trong các bin hay các bồn chứa… Các RTU có thể được kết nối theo kiểu phân bố hoặc kiểu phân cấp Dữ liệu của các RTU được xử lý tại trạm chủ

Về cơ sở dữ liệu, các dữ liệu được lưu trữ không chỉ là dữ liệu đo đạc từ xa được tính toán mà còn là các thông số bảo vệ, các sự kiện, các mẫu tin cũng như các cảnh báo

Do tính chất phân bố của SCADA nên cơ sở dữ liệu cũng được phân bố Cơ sở dữ liệu cũng có thể liên hệ với hệ thống quản trị thông tin (Managerment Information System) và hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) Ngoài

ra, các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password

Cấp quản lý/quản trị (Management Level): ở cấp quản trị, các công việc giám sát

được xử lý ảnh hưởng đến toàn bộ các công việc (các chức năng quản trị) Chúng bao gồm lưu giữ các giá trị quá trình, tối ưu hóa và phân tích các chức năng xử lý, cũng như xuất các kết quả thành các báo cáo Dữ liệu cần cho các báo cáo này được thu thập từ nhiều chỗ và đã được xử lý Từ cấp quản lý, có thể truy cập các chỗ khác

Số trạm có thể lớn hơn 1000

Cấp cell: ở cấp cell, các chức năng tự động hóa và tối ưu hóa được xử lý tự động ở cấp này các PLC, PC và HMI (Human Machine Interfaace) được nối kết lại với nhau

Cấp field: Cấp field là nối kết giữa những nơi lắp đặt máy móc và các PLC Các thiết

bị trường (field device) đo lường, báo hiệu và phát các lệnh từ cấp cell đến các máy móc Thường thì chuyển các khối dữ liệu nhỏ ở cấp này thì thường sắp xếp truyền thông phân cấp, nghĩa là nhiều thiết bị trường truyền thông với một master

Cấp Actuator/Sensor: ở cấp này thì master truyền thông với các actuator và sensor

được nối vào subnet Đặc tính chính của nó là thời gian đáp ứng nhanh với số bit dữ liệu nhỏ

- Các subnet trong SIMATIC: SIMATIC cung cấp các subnet sau đây mà chúng đạt

được các yêu cầu của các cấp hệ thống tự động khác nhau (cấp quản trị, cấp cell, cấp trường và cấp actuator/sensor)

MPI (Multipoint Interface): MPI là một subnet cho một phủ nhỏ và một số ít các trạm cho cấp cell và cấp field MPI là giao tiếp đa điểm trong các hệ thống SIMATIC S7 Nó được thiết kế như giao tiếp thiết bị lập trình và dùng để nối mạng một số ít CPU nhằm để trao đổi các khối dữ liệu nhỏ

PROFIBUS: PROFIBUS là mạng cho cấp cell và field trong hệ thống truyền thông

mở của SIMATIC Có hai phiên bản PROFIBUS: PROFIBUS-DP fieldbus (DP= Distributed I/O) để trao đổi dữ liệu tuần hoàn tốc độ cao, và PROFIBUS PA (PA= Process Actumation) cho các ứng dụng vốn có sẵn an toàn PROFIBUS FDL (Fieldbus Data Link) hoặc PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) trong cấp cell để trao đổi dữ liệu tốc độ cao với các cộng sự truyền thông có quyền bằng nhau

Industrial Ethernet: Industrial Ethernet là mạng cho cấp quản trị và cấp cell trong hệ truyền thông mở SIMATIC Industrial Ethernet thích hợp cho việc trao đổi dữ liệu

có lượng dữ liệu lớn

Giao tiếp AS: hay giao tiếp actuator/ sensor (được viết tắt là AS-I hay ASI) là hệ subnet cho các cấp quá trình thấp nhất trong các hệ thống tự động Nó được thiết kế

đặc biệt cho kết nối giữa các sensor và actuator nhị phân Lượng dữ liệu bị giới hạn

ở 4 bit cho một trạm slave

1.1.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA

Ngày nay hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:

• Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi-măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát

• Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các sân

bay, bến cảng

• Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan ống dẫn dầu, dẫn khí

• Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng dầu

• Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện

Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển trong các nhà máy hạt nhân và trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác

1.1.5 Mục đích áp dụng hệ thống SCADA vào sản xuất

Việc áp dụng hệ thống SCADA không phải chỉ là chạy đua theo công nghệ mà

nó thực sự hữu ích trong hầu hết các nhà máy hiện nay Với các lý do sau:

- Cải thiện điều kiện làm việc: Mục đích áp dụng này đồng nghĩa với việc sẽ đưa tự

động hóa sâu hơn về bề rộng và bề sâu Như vậy nó sẽ loại bỏ được các công việc lặp lại, đáp ứng được yêu cầu về thông tin, ví dụ: liên tục theo dõi, kiểm tra nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ cấu chấp hành, ghi chép số liệu, sự cố… Hơn nữa cung cấp cho người vận hành các thông tin chính xác, kịp thời để có thể xử lý sự cố Mặc khác, tại cùng một thời điểm người vận hành có thể phối hợp hoạt động giữa các hiện trường sao cho đồng bộ nhất, đưa ra các chỉ thị cho cơ cấu chấp hành để xử

lý kịp thời

- Nâng cao hiệu quả thiết bị: Trước tiên của việc áp dụng hệ thống SCADA vào sản xuất đó là đảm bảo được chất lượng sản phẩm do tuân thủ đúng và chính xác theo quy trình công nghệ Điều này rất quan trọng khi chính những người tiêu dùng càng ngày càng khắt khe hơn với sản phẩm vì càng ngày họ càng có nhiều lựa chọn hơn cho mình

- Tăng năng suất lao động: Tự động hóa nhằm nâng cao năng suất bằng cách giảm chi phí vận hành Ta cũng có thể tối ưu hóa giá thành năng lượng chi phí hàng giờ và

chi phí vật liệu Giảm nhân công vận hành và giảm công suất việc bảo dưỡng cũng cho phép giảm giá thành

- Trợ giúp việc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến dổi, phát hiện báo động,

đặt các phương tiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát bằng máy tính Tự động hóa không có mục đích riêng, mức độ phức tạp của thiết bị phải đáp ứng điều kiện của nhà máy và đôi tượng xử lý Tự động hóa xem như một bộ trợ giúp, không ép buộc Một trong những hậu quả của một hệ thống tự động không chắc chắn nó không tiếp xúc trực tiếp được với quá trình công nghệ được nữa Tuy nhiên những ưu điểm của nó quá rõ ràng nếu thiết bị được thiết kế và vận hành một cách tối ưu nhất

1.2 XÂY DựNG Hệ THốNG SCADA

1.2.1 Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hóa

Hệ thống tự động hóa có thể chia thành 2 phần: Hệ thống thông tin và hệ thống

Đối với mỗi hệ thống tự động điều khiển quá trình công nghệ không nhất thiết phải thực hiện tất cả các chức năng trên Một số chức năng không thích hợp với đối tượng công nghệ này lại có thể thích hợp với đối tượng công nghệ trong hệ thông

điều khiển ở mức cao hơn Hệ thống tự động điều khiển quá trình công nghệ thực chất là điều khiển tập trung quá trình đó nhờ các phương tiện kỹ thuật điều khiển tự

Các phòng trong trung tâm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau, phòng

có diện tích lớn là phòng điều khiển chính và có đặt các tủ điều khiển, bộ phận cấp nguồn, điều khiển xa và các đầu vào của cáp Các thiết bị này được sắp xếp sao cho người điều khiển có thể bao quát được tất cả các dụng cụ đo lường và các tín hiệu Với tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ tự động các phương tiện điều hiển ngày một hiện đại hơn, có độ chắc chắn, tinh vi trong công tác lại có kích thước thu nhỏ Rất tiện ích về nhiều mặt Điều đó đạt được khi các quá trình công nghệ

được điều khiển bằng các thiết bị vừa tính toán vừa điều khiển lại vừa có khả năng tự

động lập trình gọi là thiết bị tự động lập trình công nghiệp (máy tính PC và các thiết

bị tự động khả trình PLC) và chúng được lắp đặt làm việc trong mạng riêng gọi là mạng công nghiệp Nhờ có mạng truyền thông công nghiệp mà điều hành, quản lý giám sát một nhà máy, xí nghiệp nói chung hay một quá trình công nghệ nói riêng thu được nhiều kết quả tốt hơn …

1.2.2 Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá

Để đạt được mục đích cũng như đáp ứng các yêu cầu nói trên, hệ thống tự động hóa cần có những chức năng cơ bản sau đây:

a Điều chỉnh tự động: Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác

động lên quá trình công nghệ cần điều khiển theo một chế độ làm việc đã định sẵn Mỗi quá trình công nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng Một số đại lượng được duy trì không đổi, một số đại lượng khác

được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó

Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất quyết định đến mức độ tự

động hoá

b Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa

Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúc với môi trường độc hại, đi lại khó khăn và mất nhiều thời gian Mặt khác nhiều trường hợp, ví dụ như sự cố hoặc mất điều khiển, đòi hỏi điều khiển tay phải kịp thời và

đồng bộ, ví dụ như muốn dừng một lúc nhiều thiết bị tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có liên quan với nhau Để làm được điều này hệ thống phải có chức năng điều khiển khoảng cách

Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống tự động hóa Giám sát, điều khiển , trao đổi dữ liệu từ

xa là nền tảng cho việc xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật , kinh tế, xã hội một cách toàn diện MES tao ra một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đến khâu sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch, quản lý nhân lực, thiết

bị, máy móc, nguyên vật liệu, theo dõi quá trình sản xuất , chất lượng sản phẩm… Ngoài ra, điều khiển từ xa còn cho phép giảm đáng kể số lượng chuyên gia công nghệ, kỹ thuật cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tự động hoá Một nhóm chuyên gia có thể điều hành cùng lúc cả mạng lưới các nhà máy xử lý nước thải tại

nhiều nơi trong thành phố, nhiều tỉnh mà không cần đến tận nơi Đặc biệt, ngày nay mạng Internet toàn cầu đã rút ngắn khoảng cách về không gian và thời gian khiến cho khó ai có thể tin được từ cách xa hàng nghìn km vẫn có thể giám sát, điều khiển thậm chí chuẩn đoán, sửa lỗi, nạp lại chương trình cho thiết bị điều khiển từ bất kỳ

địa điểm nào trên thế giới, nhưng đó là sự thực!!!

c Hiển thị thông số công nghệ

Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành Việc hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện Màu sắc không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu không gây mỏi mắt khi nhìn lâu Cảnh báo, báo động bằng đổi màu và nhấp nháy liên tục để gây sự chú ý Kiểu thể hiện đa dạng : kiểu số riêng biệt, kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến (online trend)

d Cấu hình hệ thống

Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống tự động hoá, chủ yếu là các giá trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo

động Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bị điều khiển sau đó lại

được truyền ngược lại PC để so sánh, nếu thấy không trùng nhau thì báo động, trái lại chứng tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chính xác, đường truyền và thiết bị

điều khiển không có sự cố Chức năng này nâng cao độ an toàn (fail-safe) của hệ thống

e Bảo vệ tự động

Bảo vệ hệ thống máy móc, đường ống và các đối tượng khác khỏi các sự cố

được thực hiện bởi các thiết bị chuyên dụng để ngắt các bộ phận sự cố Ngoài ra các thiết bị tự động còn thực hiện chức năng liên động tự động cho phép bảo vệ các thiết

bị máy móc khỏi nguy hiểm do thao tác nhầm lẫn của người vận hành Ta phân biệt hai loại liên động: Liên động sự cố và liên động cấm chỉ

Liên động sự cố dùng để điều khiển bảo vệ (vd: điều khiển dừng) một nhóm máy móc thiết bị có liên quan khi sự cố xảy ra

Liên động cấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, không đúng trình tự có khả năng gây sự cố

f Cảnh báo, báo động

Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều khiển hoặc biểu tượng nhấp nháy trên PC, hiển thị thông báo dạng chữ trên PC, gửi tin nhắn tới điện thoại di động của những người có trách nhiệm thông qua dịch vụ tin nhắn SMS Hệ thống đưa ra cảnh báo khi giá trị thông số vượt ngưỡng cảnh báo sớm hoặc thông số vượt ngưỡng báo động trong giai đoạn quá độ của quá trình điều khiển Báo động

được đưa ra khi thông số vượt ngưỡng báo động liên tục trong khoảng thời gian nhất

định (lớn hơn thời gian điều chỉnh ngầm định) hoặc báo động sự cố đường truyền, sự

cố thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, báo động sự cố cảm biến Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo động ở chỗ: cảnh báo tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo động sẽ tồn tại cho đến khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xoá bỏ trạng thái báo động Như vậy mức độ cần chú ý của người vận hành đối với báo động phải cao hơn cảnh báo

g Lưu trữ, báo cáo thống kê

Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số, trạng thái hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, tổng nguyên liệu đã dùng, lượng hoá chất

đã dùng, danh sách người đã vận hành, bộ tham số công nghệ đã thay đổi và nhiều thông tin khác cần thiết cho các chuyên gia công nghệ, kỹ thuật và các nhà quản lý trong việc điều chỉnh để đạt chế độ làm việc tối ưu, phát hiện, dự báo sự cố, bảo trì thay thế kịp thời máy móc thiết bị, điều hành sản xuất và tính toán hiệu quả kinh tế

h Điều khiển dự phòng

Sự cố của hệ thống tự động có thể gây ra những tổn thất vô cùng lớn (do chi phí khởi

động lại, do dẫn đến hỏng thiết bị, hỏng sản phẩm, ), thậm chí gây nguy hiểm tới tính mạng con người Trong dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học, vi khuẩn nếu bị chết sẽ đòi hỏi nhiều thời gian và kinh phí để phục hồi, mặt khác nếu thiết bị điều khiển bị hỏng thì phải điều khiển tay, khó chính xác,

do đó điều khiển dự phòng là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển Xây dựng hệ thống có điều khiển dự phòng sẽ làm tăng chi phí đầu tư ban

đầu, nhưng với lựa chọn giải pháp hợp lý cùng với thiết kế ban đầu có khả năng mở rộng sẽ làm cho việc nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng ít tốn kém mà vẫn có hiệu quả

1.3 giới thiệu về nhà máy bia

Bia là một loại nước uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của

đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men Nói một cách khác, bia là loại nước giải khát có độ cồn thấp, bọt mịn xốp và có hương vị đặc trưng của hoa houblon Đặc biệt CO2 hòa tan trong bia có tác dụng giải nhiệt nhanh, hỗ trợ quá trình tiêu hóa, ngoài ra trong bia còn chứa một lượng vitamin khá phong phú (chủ yếu là vitamin nhóm B như vitamin B1, B2, ) Nhờ những ưu điểm này, bia được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới với sản lượng ngày càng tăng Đối với nước ta bia đã trở thành một loại đồ uống quen thuộc với sản lượng ngày càng tăng và đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong ngành công nghiệp nước ta

Quá trình sản xuất bia được gọi là nấu bia Do thành phần sử dụng để sản xuất bia có khác biệt tùy theo từng khu vực, các đặc trưng của bia như hương vị và màu sắc cũng thay đổi rất khác do đó có khái niệm loại bia hay các sự phân loại khác

1.3.1 Quy trình sản xuất bia

Nguyên liệu dùng để sản xuất bia bao gồm: malt (lúa mạch đã mạch nha hóa), gạo, men, nước, hoa Houblon Và các thành phần khác như chất tạo mùi vị hay các nguồn tạo đường khác được thêm vào như là các phụ gia Các phụ gia phổ biến

là ngô và lúa gạo Các nguồn tinh bột này được ngâm ủ để chuyển hóa thành các loại đường dễ lên men và làm tăng nồng độ cồn trong bia khi bổ sung rất ít hương vị Việc sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ tiên tiến và tuân thủ nghiêm ngặt theo

đúng các quy trình công nghệ cũng như các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới Và quy trình sản xuất gồm có các bước cơ bản sau:

Hình 1 2 Quy trình sản xuất bia

có thể sử dụng bao gồm lúa my, lúa gạo, yến mạch và lúa mạch đen cũng như

ít phổ biến như ngô Mạch nha được tạo ra từ hạt ngũ cốc bằng cách ngâm chúng vào trong nước cho phép chúng nảy mầm và sau đó làm khô hạt đã nảy mầm trong các lò sấy Hạt ngũ cốc đã được mạch nha hóa tạo ra các enzyn để chúng chuyển hóa tinh bột trong hạt thành đường có thể lên men Thời gian

và nhiệt độ sấy khác nhau được áp dụng để tạo ra các màu mạch nha khác nhau từ cùng một loại ngũ cốc

9 Men: là chất xúc tác có nguồn gốc protein, tham gia vào quá trình lên men, chuyển hóa dịch đường thành bia tươi thông qua hoạt động của các vi sinh vật Mỗi loại men có một hương vị riêng Các giống men bia cụ thể được lựa chọn để sản xuất các loại bia khác nhau nhưng có hai giống chính là men ale (Saccharomyces cerevisiae) và men lager (Saccharomyces uvarum) Men bia

sẽ chuyển hóa đường thu được từ hạt ngũ cốc và tạo ra cồn và cacbon dioxit (CO2)

9 Hoa hupblon (Hoa bia): dùng để tạo vị đắng và bọt cho bia Cây hupblon là một loại dây leo, thích hợp khí hậu ôn đới, được trồng nhiều ở Anh, Mỹ Trên cây Hupblon người ta thường dùng hoa của cây để tạo vị đắng cho bia vì hoa của cây có nhiều vị đắng hơn Bia hoa chứa một số tính chất phù hợp cho bia như: Cung cấp vị đắng để cân bằng vị ngọt của đường mạch nha, tạo hương vị

từ mùi hoa cho tới mùi cam quít hay mùi thảo mộc, có các hiệu ứng kháng sinh giúp cho hoạt động của men bia tốt hơn trước các loại vi sinh vật không

mong muốn, và giúp cho việc duy trì thời gian giữ bọt lâu hơn (tạo ra bởi các chất cacbonat hóa bia)

9 H2O (nước): Đây là thành phần chính của bia nên nguồn nước sử dụng là nguồn nước sạch đã qua xử lý đảm bảo các chỉ tiêu tiêu chuẩn nghiêm ngặt

về vệ sinh an toàn thực phẩm Nước đóng vai trò quan trong tới các đặc trưng của bia Nhiều loại bia có những đặc trưng của nguồn nước trong khu vực sản xuất bia Mặc dù ảnh hưởng của nó cũng như tác động tương hỗ của các loại khoáng chất hòa tan trong nước được sử dụng trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy tắc chung thì nước cứng là phù hợp hơn cho sản xuất các loại bia sẫm màu như bia đen, trong khi nước mềm phù hợp cho sản xuất các loại bia sáng màu

9 Các chất làm trong: Một số nhà sản xuất bia còn cho thêm một hay nhiều chất làm trong vào bia mà không bị bắt buộc phải công bố như là một thành phần của bia Các chất làm trong phổ biến là thạch – thu được từ bong bóng cá, caraginn – thu được từ tảo biển, rêu Ireland và giêlatin Do các thành phần này có thể thu được từ động vật, việc sử dụng hay tiêu thụ các sản phẩm

động vật liên quan cần phải có các thông số kỹ thuật cụ thể trong quá trình lọc của nhà sản xuất bia

Quá trình sản xuất bia được chia làm 3 công đoạn, mỗi công đoạn được nhà máy

tổ chức trong một phân xưởng riêng bao gồm:

9 Phân xưởng nấu: nguyên liệu đầu vào chủ yếu là gạo và malt sẽ được xử lý qua một quá trình công nghệ phức tạp gồm nhiều khâu(làm sạch, cân, nghiền, nấu, lọc, lắng) để tạo thành dịch đường

9 Phân xưởng lên men: dịch đường được trộn với các chất lên men và tiến hành

ủ để tạo thành bia tươi

9 Phân xưởng chiết: bia được đổ vào các loại chai, lon, keg rồi đóng nhãn phân phối ra thị trường

Gạo nghiền thành bột được chuyển đến nồi hồ hoá Tại đây bột được hoà trộn với nướcvà được hồ hóa ở nhiệt độ 1000C Trong quá trình hồ hoá có bổ sung thêm một

số hoá chất như: CaCl2, CaSO4 nhằm mục đích cung cấp Ca2+ để phục vụ cho quá

trình đường hoá sau này và có bổ sung thêm 1 loại enzym chống cháy có tên thương mại là Termamyl để pha loãng dung dịch, chống cháy nồi và enzym này phải là enzym chịu nhiệt cao

Malt dạng hạt sau khi say được hoà tan bằng nước ở 37oC và cho vào nồi malt

Đối với việc hoà tan malt khác với hoà tan gạo vì malt dể bị hiện tượng đóng cục hơn do đó malt được khuấy trộn dưới dạng phun nước trước khi cho vào nồi phun 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 Kết thúc quá trình hồ hoá, cháo được bơm chuyển sang nồi đường hoá Tại nồi đường hoá, trước đó malt được ngâm ở nhiệt độ 500C trong khoảng 10 phút Sau khi hoà trộn dịch cháo và dung dịch malt, dịch được giữ ở 65 0C trong khoảng 40 phút Toàn bộ lượng dịch này được gia nhiệt lên 76 0C, giữ trong khoảng 1 phút, rồi chuyển sang nồi lọc Mục đích của quá trình lọc bã malt là tách pha lỏng khỏi hỗn hợp để tiếp tục các bước tiếp theo của tiến trình công nghệ, còn pha rắn - phế liệu sẽ được loại bỏ ra ngoài Tại nồi lọc, dịch

được lọc trong và rửa bã, tổng thời gian của quá trình lọc trong và rửa bã là khoảng

150 phút Trong quá trình này lượng nước nóng có nhiệt độ là 800C được thêm vào

để thực hiện quá trình rửa bã nguyên liệu Sau đó, dịch được bơm sang nồi houblon hoá Người ta cho hoa houblon vào thực hiện quá trình houblon hoá ở nhiệt độ

1000C trong 70 phút Sau đó dịch được chuyển sang nồi lắng xoáy để loại bỏ cặn tinh, quá trình này diễn ra trong khoảng 30 phút Kết thúc quá trình lọc ở thùng lắng xoáy, dịch được bơm chuyển đến thiết bị làm lạnh nhanh, ở đây dịch bia từ nhiệt độ

960C được trao đổi nhiệt với nước 10C và hạ nhiệt xuống đến nhiệt độ lên men, đồng thời được sục khí vô trùng (nhằm cung cấp ôxy cho quá trình lên men) và men giống rồi chuyển vào các tank lên men

Quá trình lên men bia Hạ Long sử dụng công nghệ lên men chìm kiểu cổ

điển ở nhiệt độ thấp, bao gồm hai giai đoạn: lên men chính và lên men phụ

9 Giai đoạn đầu của quá trình lên men là giai đoạn lên men chính Trong giai

đoạn này, sự tiêu hao cơ chất diễn ra mạnh mẽ, một lượng lớn đường được chuyển hóa thành cồn và CO2, sản phẩm của quá trình lên men chính là bia non, đục, có mùi và vị đặc trưng nhưng chưa thích hợp cho việc sử dụng Nhiệt

độ trong quá trình lên men chính từ 7 ữ 90C, thời gian lên men chính khoảng 7 ngày

9 Sau giai đoạn lên men chính, chuyển sang quá trình lên men phụ và ủ bia Quá trình lên men này diễn ra chậm, tiêu hao một lượng đường không đáng kể, bia

được lắng trong, ổn định hương vị Sản phẩm của quá trình lên men phụ là một loại nước giải khát có độ cồn nhẹ, CO2, hương thơm đặc trưng, vị ngọt nhẹ và

đắng dịu, đó là sản phẩm của quá trình sinh hóa phức tạp diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thấp trong thời gian dài Nhiệt độ trong giai đoạn lên men phụ từ 2 ữ

30C, thời gian lên men phụ là 14 ngày Tổng thời gian lên men khoảng 21 ngày Bia sau khi lên men phụ sẽ qua quá trình lọc để loại bỏ men, tạo độ trong cho bia Trước khi lọc, hạ nhiệt độ bia xuống 0 đến –10C Trong quá trình lọc, bổ sung lại lượng CO2 tổn thất, bổ sung phụ gia chống oxi hoá và phụ gia ổn định cho bia Bia sau khi lọc trong gọi là bia tươi (bright beer) được trữ trong các bồn chứa bia tươi , đi tiếp đến công đoạn chiết rót vào chai, thanh trùng, dán nhãn, in code, chất vào két hoàn tất quá trình sản xuất

a Hệ thống nhà nấu

Hệ thống nhà nấu có các thiết bị chính sau: nồi hồ hoá, nồi đường hoá, nồi lọc, nồi húp lông, thùng lắng xoáy và các thiết bị phụ như: động cơ điện, hộp giảm tốc, cánh khuấy, bơm bã, bơm dịch, các loại van, phụ kiện đường ống

Nồi hồ hoá: nồi hồ hoá có nhiệm vụ ủ và gia nhiệt cho dung dịch bột gạo để nấu

thành cháo, mục đích nhằm phá vỡ tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến tinh bột thành trạng thái hoà tan trong dung dịch

Nồi đường hoá: thực hiện quá trình ngâm ủ malt và dịch cháo, hỗn hợp này sẽ

thuỷ phân dịch thành đường maltoza và các dextrin bậc thấp Sau đó tạo ra một lượng đường glucoza

Nồi lọc: nồi lọc bã có nhiệm vụ lọc thô dịch đường, nhằm loại bỏ bã nguyên liệu

và tạo cho dịch đường có được độ trong theo yêu cầu công nghệ trước khi chuyển sang thực hiện quá trình houblon hoá

Nồi houblon: nồi houblon có nhiệm vụ gia nhiệt cho dịch đến nhiệt độ sôi, đồng

thời dịch được cấp hoa huoblon và một số phụ gia khác Đây là quá trình houblon hoá dịch đường sau khi được trộn hoa houblon Mục đích của quá trình houblon là tạo cho bia thành phẩm có vị đắng, hương thơm và kết tủa protein khả kết làm tăng khả năng giữ và tạo bọt cho bia

Thùng lắng xoáy: thùng lắng xoáy là thiết bị tách cặn nóng của dịch bia trước

khi đi đưa qua thiết bị làm lạnh nhanh để đưa đến tank lên men

b Hệ thống tank lên men, tank thành phẩm

Hệ thống tank lên men có nhiệm vụ chứa dịch bia đưa đi lên men trong quá trình lên men chính và lên men phụ

Hệ thống tank thành phẩm có nhiệm vụ chứa bia thành phẩm sau khi được lọc trong Bia từ tank thành phẩm sẽ được đem đi chiết chai, tiêu thụ

Hệ thống lọc bia trong: Hệ thống lọc bia có nhiệm vụ lọc bia từ tank lên men, sau khi đã thực hiện đủ quá trình lên men chính và lên men phụ ở tank lên men, bia

được chuyển qua hệ thống lọc, ở đây bia được loại bỏ các cặn bã còn lại sau đó được chuyển sang tank thành phẩm để bảo quản trước khi xuất xưởng (đóng chai hoặc bia hơi)

c Hệ thống cấp nhiệt, lạnh

Lò Hơi: Lò hơi có nhiệm vụ sản xuất hơi nhằm cung cấp hơi cho nồi hồ hóa,

đường hóa và nồi đun hoa để thực hiện quá trình nấu, và hơi còn được cung cấp để thanh trùng, vệ sinh thiết bị, cung cấp cho hệ thống chiết chai và được sử dụng để sản xuất nước nóng (nước 800C) phục vụ cho quá trình công nghệ

Máy lạnh: Hệ thống lạnh trong nhà máy bia nhằm mục đích trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt glycol để hạ nhiệt độ glycol xuống nhiệt độ thấp (-40C) sau đó glycol lạnh được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt để tạo ra nước công nghệ (nước 20 C) phục

vụ cho quá trình công nghệ nấu bia (quá trình lạnh nhanh) Ngoài ra, glycol có nhiệt

độ thấp này cũng được sử dụng để bảo quản bia trong quá trình lên men, trong quá trình tàng trữ cũng như trong quá trình chiết chai, có nhiệm vụ luôn duy trì nhiệt độ bia theo nhiệt độ yêu cầu vì bia là sản phẩm yêu cầu phải được bảo quản ở nhiệt độ thấp

d Hệ thống vệ sinh, thanh trùng thiết bị (CIP)

Hệ thống CIP có nhiệm vụ làm sạch và khử trùng các thiết bị để đảm bảo vệ sinh an toàn trong quá trình sản xuất Hệ thống CIP thường có: bình chứa dung dịch xút loãng, bình axít loãng, bình chứa nước nóng

e Các hệ thống phụ trợ khác

Ngoài các hệ thống thiết bị được liệt kê ở trên, nhà máy bia còn có các hệ thống thiết bị phụ trợ khác như hệ thống xử lý nước cấp sinh hoạt, nước nấu, nước cấp cho lò hơi, nước thải; hệ thống điện động lực, điện điều khiển phục vụ sản xuất

và sinh hoạt; hệ thống máy nén khí; hệ thống máy phát điện dự phòng

Như vậy, trong nhà máy bia các thiết bị chính cần sử dụng đến nhiệt - lạnh là:

- Nồi nấu gạo, nấu malt: Sử dụng hơi để gia nhiệt cho gạo, malt

- Nồi hublong hoá: Sử dụng hơi cấp cho bộ trao đổi nhiệt ống chùm để cấp nhiệt cho dịch đường nhằm cô dịch đường đến độ đường yêu cầu

- Hệ thống CIP: Để gia nhiệt cho hệ thống CIP

- Hệ thống nước nóng: Dùng hơi cấp cho bộ trao đổi nhiệt ống vỏ để sản xuất nước công nghệ phục vụ cho quá trình nấu bia (800C)

- Hệ thống chiết chai: Sử dụng hơi để cấp cho việc vệ sinh chai, cho hệ thống thanh trùng bia sau khi đóng chai, và sử dụng glycol lạnh để bảo quản bia trong quá trình chiết bia vào chai

- Lạnh nhanh: Sử dụng máy lạnh để làm lạnh glycol sau đó cho glycol qua bộ trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với nước thường tạo ra nước 20C phục vụ cho quá trình làm lạnh nhanh dịch bia trước khi cho vào tank lên men

- Tank thành phẩm, tank lên men: Sử dụng glycol được làm lạnh nhờ máy lạnh

để bảo quản bia trong các tank lên men, tank thành phẩm…

1.3.3 Các thiết bị chấp hành và sensor

Bao gồm các động cơ: Động cơ bơm CIP hồi từ nồi gạo malt, động cơ xả bã nồi lọc, động cơ vít tải bã, động cơ bơm dịch từ nồi trung gian sang nồi sôi hoa, động cơ bơm CIP hồi từ nồi trung gian lọc, bơm CIP hồi từ nồi hoa houblon, động cơ bơm bã hoa, động cơ vít tải đáy silo bã, bơm tank nước nóng 2-slave, bơm tank nước nóng 3-slave, bơm tank nước nóng 4-slave, bơm tank nước nấu bia 2-slave, bơm tank nước đá 2-slave, bơm di động tuàn hoàn tank nước đá, bơm tank xút, bơm tank xít,

động cơ cánh khuấy nồi đường hoá, động cơ cánh khuấy nồi hồ hoá, động cơ bơm chuyển cháo sang nồi malt, bơm dịch lọc sang thùng trung gian, bơm chống glycol

đông đá, động cơ nâng hạ cánh khuấy nồi lọc, động cơ cánh khuấy nồi lọc, bơm dịch hoa sang lắng xoáy, bơm lạnh nhanh dịch đường, bơm CIP cấp hệ nấu, bơm tank nước nóng 1, bơm tank nước nấu bia1, bơm tank nước đá1, bơm nước 96 độ, bơm nước 78 độ, công tắc hành trình đóng cửa xả bã, công tắc hành trình mở cửa xả bã, công tắc hành trình nâng hạ cánh khuấy, động cơ cánh khuấy nồi hồ hoá, động cơ cánh khuấy nồi đường hoá, động cơ bơm dịch sang nồi lọc, động cơ bơm chuyển cháo sang malt, bơm dịch lọc sang thùng trung gian, động cơ nâng hạ cánh khuấy nồi lọc, động cơ khuấy nồi lọc, động cơ bơm lạnh nhanh dịch đường

Chương II: Nghiên cứu hệ thống nhà nấu

2.1 Lưu đồ P&ID của hệ thống nhà nấu và chức năng nhiệm vụ mỗi công đoạn

Trong hệ thống nấu của nhà máy bao gồm nhiều công đoạn khác nhau Nhưng bao gồm những công đoạn chính sau:

Hình2.1 Sơ đồ khối các công đoạn trong hệ thống nấu

- Công đoạn nấu cháo và đường hóa

a Công đoạn nấu:

Hình 2.2 Hệ thống nồi nấu

Hệ thống nấu gồm 2 nồi nấu là nồi hồ hóa và nồi đường hóa

Ban đầu, gạo được nghiền nhỏ thành bột và được chuyển đến nồi hồ hóa Tại đây bột

được hòa trộn với nước, 2/3 malt lót và giữ nhiệt độ khoảng 30oC trong thời gian 10 phút Sau đó được cấp nhiệt lên 72oC trong thời gian 20 phút và tiếp theo dịch được nâng lên 83oC trong thời gian 5 phút Sau đó giữ nhiệt độ này khoảng 5 phút, tiếp

đó hạ nhiệt xuống 72oC , thêm 1/3 lượng malt lót còn lại vào và giữ ở 72oC trong thời gian 20 phút Cuối cùng nâng nhiệt dần lên 83oC rồi 90oC và cuối cùng là

101oC để đạt nhiệt độ nấu Thời gian nấu khoảng 15 phút Kết thúc quá trình hồ hóa, cháo được bơm chuyển sang nồi đường hóa Trước khi chuyển cháo sang nồi

đường hóa, trước đó malt được ngâm ở nhiệt độ 50oC trong khoảng 10 phút Sau khi hòa trộn dịch cháo và dung dịch malt, dịch được giữ ở 65oC trong khoảng 40 phút

Tiếp theo, toàn bộ dịch này được gia nhiệt lên 76oC, giữ trong khoảng 1 phút rồi chuyển sang nồi lọc

b Công đoạn lọc

Hình 2.3 Hệ thống nồi lọc Mục đích của việc lọc dịch đường là tách dịch đường ra khỏi bã với hiệu suất thu hồi lớn nhất Hệ thống nồi lọc có nhiệm vụ thực hiện quá trình lọc bã là tách pha lỏng khỏi hỗn hợp để tiếp tục các bước tiếp theo của tiến trình công nghệ, còn pha rắn – phế liệu sẽ được loại bỏ ra ngoài Dịch lọc được lọc trong Mục tiêu của việc tách dịch đã hòa tan từ bã bia để đạt chất lượng dịch lọc tôt nhất, thời gian lọc phù hợp và hiệu suất lọc tốt nhất Cũng có nghĩa là hiệu suất chiết dịch lọc cao, dịch cốt có số lượng tạp chất rắn thấp, chu kỳ thời gian chính xác, dịch với nồng độ oxy hòa tan thấp và tối ưu được chất lượng dịch Đồng thời lượng bã xả phải có hơi ẩm thấp – chất lượng bã tốt, khô Lượng bã bỏ đi tối thiểu và vẫn đảm bảo được độ bền cơ khí

cao Trong quá trình này, nước được thêm vào có tác dụng rửa bã, đồng thời để bù lại lượng nước tổn thất do bay hơi khi nấu Bia có “thuần khiết “ hay không chính là

độ trong của bia, điều này phụ thuộc vào quá trình này Để nâng cao năng suất cần tối ưu thời gian lọc và tốc độ lọc trong 1 mẻ nấu hoặc trong các mẻ nấu bia cũng rất quan trọng và ảnh hưởng đến thời gian chính trong cả quá trình nấu của một mẻ bia Trong quá trình này, lượng nước nóng 80oC được thêm vào để thực hiện quá trình rửa bã nguyên liệu Sau đó, dịch được bơm sang nồi houblon hóa Tổng thời gian của quá trình lọc trong và rửa bã khoảng 150 phút

Hình 2.4 Quy trình nồi lọc

Hình 2.5 Cấu tạo bên trong nồi lọc

Lọc trong, thu hồi dịch đường

Đường hóa

Đun sôi với hoa Nước rửa

Bã lọc Hoa