Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát cho khâu cấp nước sạch của hệ thống sản xuất beer

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ***** PHẠM THIỆN TRÍ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO KHÂU CẤP NƯỚC SẠCH CỦA HỆ THỐNG SẢN XUẤT BEER LUẬN VĂN THẠC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*****

PHẠM THIỆN TRÍ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO KHÂU CẤP NƯỚC SẠCH CỦA HỆ THỐNG SẢN XUẤT BEER

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LỜI MỞ ĐẦU

Nước Việt Nam trên con đường công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Trong đó khoa học kỹ thuật là yếu tố giữ vai trò không nhỏ và việc ứng dụng những thành tựu về khoa học kỹ thuật vào ngành nghề nói chung và tự động hóa nói riêng càng rộng rãi SCADA khâu xử lý nước bên trong hệ thống vận hành và hoạt động của một nhà máy sản xuất Beer cung cấp cho chúng ta những kiến thức vô cùng hữu ích về toàn bộ quy trình, dây chuyền hoạt động cũng như một SCADA không thể thiếu trong nền công nghiệp tự động hóa đất nước

Đối với các doanh nghiệp sản xuất và chế tạo thì việc nâng cao hiệu quả trong chất lượng sản phẩm Việc ứng dụng công nghệ SCADA nhằm nâng cao năng lực

quản lý, điều hành sản xuất nhằm thỏa mãn mục tiêu trên Hơn nữa với đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát cho khâu cấp nước sạch của hệ thống sản xuất Beer” nói về một ứng dụng cụ thể, một khâu xử lý nước từ công đoạn nước thô cho tới

nước sinh hoạt, nước nấu Beer… Đó hoàn toàn là nhờ vào việc áp dụng khoa học – kỹ thuật, và điển hình là hệ SCADA Đề tài hệ SCADA cho khâu cấp nước sạch giúp chúng ta hiểu hơn về SCADA, tầm quan trọng không thể thiếu trong thời đại công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày nay

Sau thời gian nghiên cứu và được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và các thầy cô trong Viện Điện, cùng sự nỗ lực của bản thân đến nay luận văn tốt nghiệp của em đã được hoàn thành Nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về các hệ điều khiển giám sát, công nghệ sản xuất Beer

và khâu xử lý nước sạch

Chương 2: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển giám sát

Chương 3: Lựa chọn phần cứng PLC và thiết kế phần mềm hệ thống điều khiển giám sát

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Để hoàn thành được đề tài nghiên cứu này, em muốn gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng đã rất nhiệt tình hướng dẫn, động viên, khích lệ để em hoàn thành tốt đề tài này Trong đề tài em có tham khảo rất nhiều bài viết cũng như tư liệu liên quan về hệ thống SCADA của các ban, công ty như: Tổng công ty cổ phần Bia – Rượu – Nước giải khát Hà Nội… từ các diễn đàn trên mạng, các web công ty Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các ban, công ty

Do kiến thức còn hạn chế, thực tiễn chưa sâu nên không tránh khỏi sai sót Rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô để luận văn chuyên ngành của em được hoàn thiện tốt hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC TÊN VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM, CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BEER VÀ KHÂU XỬ LÝ NƯỚC SẠCH 11

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 11

1.1.1 SCADA 11

1.1.2 PLC 15

1.1.2.1 Tổng quan về PLC 15

1.1.2.2 Cấu trúc phần cứng của PLC 16

1.1.2.3 Các thành phần chính của PLC bao gồm 17

1.1.2.4 Vòng quét của PLC 19

1.1.2.5 Ngôn ngữ lập trình PLC 20

1.1.2.6 Các dòng PLC của Siemens 20

1.1.2.7 PLC S7-300 21

1.2 TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BEER VÀ HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SẠCH 23

1.2.1 Sơ lược quy trình sản xuất Beer 23

1.2.1.1 Thành phần 23

1.2.1.2 Quy trình sản xuất 25

1.2.2 Hê ̣ điều khiển giám sát cấp nước 26

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27

Chương 2 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT28 2.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ THIẾT KẾ 28

2.2 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 29

2.3 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC, LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 31

2.3.1 Tìm hiểu công nghệ xử lý nước 31

2.3.1.1 Giới thiệu chung về nước 31

2.3.1.2 Xử lý nước sinh hoạt 31

2.3.1.3 Xử lý nước nấu 35

2.3.1.4 Xử lý nước mềm 39

2.3.2 Lựa chọn thiết bị 40

2.3.2.1 Cảm biến mực nước 40

2.3.2.2 Cảm biến lưu lượng 41

2.3.2.3 Cảm biến áp suất 43

2.3.2.4 Lựa chọn về động cơ điện – mạch động lực điều khiển 44

2.3.2.5 Lựa chọn biến tần 46

2.3.2.6 Bảng thống kê số đầu vào số, đầu ra số và tín hiệu analog 51

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐẤU NỐI CHO CÁC THIẾT BỊ 56

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 57

Chương 3 – LỰA CHỌN PHẦN CỨNG PLC VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 58

3.1 LỰA CHỌN PLC 58

3.2 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG 62

3.3 KẾT NỐI PHẦN CỨNG 66

3.4 THIẾT LẬP WINCC 67

3.4.1 Trang giao diện khởi tạo 67

3.4.2 Màn hình tổng quan 68

3.4.3 Giám sát mức các bể nước thô, nước sạch, bể trung gian 1,2 và bể Axit 69

3.4.4 Giám sát trạng thái của các bơm 70

3.4.5 Giám sát chế độ của quạt khử CO2 số 1, 2 70

3.4.6 Giám sát trạng thái của các Valve điện 71

3.4.7 Giám sát mức bình Axit 72

3.4.8 Giám sát trạng thái và chế độ của bình trao đổi ION1 và ION2 72

3.4.9 Chế độ vận hành của hệ thống 73

3.4.10 Thông tin cụm bơm trung gian 74

3.4.11 Mô phỏng WinCC 75

3.5 KẾT QUẢ 79

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

4.1 KẾT LUẬN 87

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC TÊN VIẾT TẮT

1 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

2 MTU Master Terminal Unit

3 RTU Remote Terminal Unit

4 CPU Central Processing Unit

5 TCP/IP Transmission Control Protocol and Internet Protocol

6 OSI Open Systems Interconnection

7 PLC Programmable Logic Controller

8 WAN Wide Area Network

9 LAN Local Area Network

10 IOS Input Output System

11 MMI Man Machine Interface

12 HDC Historical for Data Collection Storage

13 GW Gateway for Inter-LAN Comunication

14 APPS Aplication Calculation and Processing Module

15 OPC OLE for Process Control

16 VDU Video Display Unit

17 GIS Geographic Information System

18 MPI Message Passing Interface

19 DP Distributed I/O

20 PA Process Actumation

21 FDL Fieldbus Data Link

22 FMS Fieldbus Message Specification

23 FBD Function Block Diagram

24 SFC Sequential Function Chart

25 IL Instruction List

26 ST Structured Text

27 CAN Controller Area Network

28 AS-I Actuator Sensor Interface

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thống kê tín hiệu đầu vào số của hệ thống xử lý nước

Bảng 2.2 Thống kê tín hiệu đầu ra số của hệ thống xử lý nước

Bảng 2.3 Thống kê tín hiệu analog của hệ thống xử lý nước

Bảng 3.1 Bảng thống kê số lượng CPU và các Module

Bảng 3.2 Bảng trạng thái các van, bơm

Bảng 3.3 Bảng trạng thái của quạt

Bảng 3.4 Bảng thống kê các vavle bình trao đổi ION

Bảng 3.5 Bảng thông tin vận hành bình trao đổi ION

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các dòng PLC của Siemens

Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC

Hình 1.3 Cấu hình loại Fixed I/O

Hình 1.4 Cấu hình loại Modular I/O

Hình 1.5 Local và Remote I/O

Hình 1.6 Vòng quét chương trình của PLC

Hình 1.7 Mô ̣t số đă ̣c tính PLC S7-300

Hình 1.8 Sơ đồ quy trình sản xuất Beer

Hình 2.1 Các cấp thiết bị hệ SCADA

Hình 2.2 Phương pháp truyền thông hệ điều khiển giám sát

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình xử lý nước sinh hoạt

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình xử lý nước nấu

Hình 2.5 Sơ đồ quá trình xử lý nước mềm

Hình 2.6 Sơ đồ đấu nối cảm biến báo mực nước LMT 121

Hình 2.7 Cảm biến báo mực nước LMT 121

Hình 2.8 Cảm biến lưu lượng

Hình 2.9 Mạch cảm biến và sơ đồ đấu nối

Hình 2.10 Bộ hiển thị lưu lượng MAG 5000

Hình 2.11 Cảm biến áp suất

Hình 2.12 Động cơ điện ba pha ABB

Hình 2.13 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ xoay chiều 3 pha

Hình 2.14 Mạch động lực khởi động sao – tam giác

Hình 2.15 Sơ đồ tổng quát của biến tần

Hình 2.16 Biến tần FC 302

Hình 2.17 Sơ đồ mạch biến tần FC302

Hình 2.18 Sơ đồ đấu nối biến tần FC 302

Hình 2.19 Giao diện vào ra cho các thiết bị

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán công đoạn xử lý nước nấu

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán của công đoạn xử lý nước mềm

Hình 3.9 Giao diện lập trình PLC S7-300

Hình 3.10 Giao diện Project trong PLC S7-300

Hình 3.11 Lập trình điều khiển bơm dạng LAD

Hình 3.19 Bình trao đổi ION1 và ION2

Hình 3.20 Vị trí bơm trung gian

Hình 3.31 Màn hình tổng quanhệ thống giám sát khâu cấp nước sạch

Hình 3.32 Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước sạch

Hình 3.33 Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước nấu

Hình 3.34 Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước mềm

Hình 3.35 Màn hình cài đặt thông số

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM, CÔNG NGHỆ

SẢN XUẤT BEER VÀ KHÂU XỬ LÝ NƯỚC SẠCH 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

1.1.1 SCADA

1.1.1.1 Khái Niệm

SCADA là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình

từ xa Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông Nói cách khác, 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 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 điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác

1.1.1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ SCADA

Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chính là: MTU, RTU và thành phần truyền thông

1.1.1.2.1 MTU

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 cho 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

1.1.1.2.2 RTU

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận dữ liệu

và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trường Mặt khác, nó nhận lệnh hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu 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 xa mà

không cần định hướng của MTU

1.1.1.3 Hệ thống SCADA hiện đại

Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin 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 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

1.1.1.4 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 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

* IOS: Module các ngõ vào ra dữ liệu

* MMI: Module giao tiếp giữa người và máy

* HDC: Module lưu trữ dữ liệu thu thập được trong quá khứ

* GW: Cổng giao tiếp cho mạng LAN

* APPS: Module tính toán và xử lý ứng dụng

1.1.1.5 Các đặc tính chính của hệ thống

Các hệ thống SCADA hiện nay có các đặc tính sau:

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

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

* Hệ thống cảnh báo và ghi nhận sự kiện

* 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

1.1.1.6 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, 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 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, truy cập được các

dữ liệu nằm rải rác theo địa lý hoặccác 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 và hệ thống thông tin địa lý GIS Ngoài ra, các dữ liệu có thể được bảo mật bằng các password

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 trong các ngành kỹ thuật hàng không vũ trụ và một số ngành công nghiệp công nghệ cao khác.thống phân phối lưới điện

Ngoài ra, hệ thống SCADA còn được ứng dụng để giám sát và điều khiển trong các

Hình 1.1 Các dòng PLC của Siemens

Các ƣu điểm của PLC bao gồm:

* Giảm việc nối dây phần cứng: So sánh với hệ thống rơle đƣợc thiết kế để làm một chức năng riêng biệt thì PLC chỉ quan tâm tới đầu vào/ đầu ra, các chức năng điều khiển đƣợc thực hiện bằng lập trình thì cấu trúc một bộ điều khiển PLC sẽ đơn giản và

dễ thực hiện hơn rất nhiều, nhất là trong những bài toán cần thay đổi yêu cầu điều khiển

* Tăng độ ổn định của hệ thống: Chương trình điều khiển của PLC được viết, kiểm tra

và dễ dàng đổ xuống các PLC khác nhau Chính vì chương trình nằm trong bộ nhớ nên

sẽ không xảy ra các lỗi logic do nối dây

* Khả năng linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC dễ dàng được viết và chỉnh sửa theo yêu cầu

* Tổng chi phí giảm: Nếu chỉ so sánh giá thành PLC và rơle thì PLC có giá thành cao hơn, tuy nhiên trong một hệ thống điều khiển phức tạp thì hệ thống điều khiển bằng PLC có giá cạnh tranh hơn rất nhiều so với hệ thống bằng rơ le do giảm thiểu số lượng

rơ le, tủ đấu nối, dây điện, chi phí nhân công lắp đặt, sửa chữa, vận hành

* Khả năng truyền thông cao: PLC hiện nay dễ dàng truyền thông với các hệ thống máy tính, hệ thống điều khiển SCADA, DCS thông qua các giao thức Ethernet, Profibus, RS232,…

* Thời gian đáp ứng nhanh: Tốc độ đáp ứng của bộ điều khiển bằng PLC hiện nay có thể ở thời gian thực, và ứng dụng thậm chí được dùng cho các hệ thống DCS

* Dễ dàng chuẩn đoán, sửa chữa: PLC có thể được thiết kế để có các chức năng chuẩn đoán, ghi dữ liệu để giúp cho việc chỉnh sửa phần cứng, phần mềm được thực hiện mà không phải dừng hệ thống

1.1.2.2 Cấu trúc phần cứng của PLC

Cấu trúc phần cứng của PLC được thể hiện qua hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc phần cứng của PLC

* Các module đầu vào ra I/O: Có hai loại là Fixed I/O (Đƣợc thể hiện qua hình 1.3) tức

là các I/O này đi kèm luôn với CPU và không thể tách rời ra khỏi CPU đƣợc Ƣu điểm của loại này đó là nhỏ gọn, giá thành rẻ tuy nhiên lại thiếu độ linh hoạt đối với các ứng dụng cần sự thay đổi I/O hoặc khi I/O bị hỏng thì phải thay luôn cả bộ CPU Một dạng nữa của I/O là loại Modular I/O (Đƣợc thể hiện qua hình 1.4), loại này I/O đƣợc tách riêng biệt thành các module và có thể đƣợc tháp lắp dễ dàng với khả năng linh hoạt rất cao Hiện nay đa số các loại PLC đƣợc chế tạo theo dạng này để phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong công nghiệp Các I/O cũng có thể đƣợc phân chia theo kiểu Local I/O khi I/O nằm cùng Rack với CPU hoặc Remote I/O khi I/O không nằm cùng Rack với CPU mà đƣợc liên hệ bằng các module truyền thông Các Local I/O và Remote I/O đƣợc thể hiện qua hình 1.5

Hình 1.3 Cấu hình loại Fixed I/O

Hình 1.4 Cấu hình loại Modular I/O

Module trƣợt vào rack

Kết nối đầu vào

Kết nối đầu ra Khối xử lý

Hình 1.5 Local và Remote I/O

* Dựa vào số lượng I/O người ta cũng phân chia PLC thành các loại: Cỡ nano với số lượng I/O từ 15 I/O trở xuống, cỡ nhỏ từ 15 đến 128 I/O, cỡ trung bình từ 128 đến 512 I/O và cỡ lớn với số lượng I/O trên 512 I/O

1.1.2.4 Vòng quét của PLC

PLC hoạt động theo vòng quét (Scan Cycle): Bắt đầu vòng quét sẽ đọc các tín hiệu đầu vào, lưu vào bộ nhớ đệm, sau đó thực hiện chương trình, chẩn đoán lỗi thực hiện truyền thông rồi mới đưa các tín hiệu đầu ra Vòng quét chương trình của PLC được thể hiện qua hình 1.6

Hình 1.6 Vòng quét chương trình của PLC

Truyền thông

Bơm Start - Stop

* Function Block Diagram (FBD): Là ngôn ngữ dạng sơ đồ khối, kết nối logic với nhau để thực hiện yêu cầu điều khiển

* Sequential Function Chart (SFC): Là dạng ngôn ngữ mà chương trình được chia thành các bước với các chuyển tiếp và các điều kiện để chuyển tiếp, đây là ngôn ngữ một dạng của GRAFCET

* Instruction List (IL): Là ngôn ngữ dạng mã máy (Low-level) dùng các câu lệnh để lập trình

* Structured Text (ST): Là ngôn ngữ dạng cấp cao (High-level) dùng các ngôn ngữ như BASIC, C, PASCAL để lập trình

* Advanced Controller: Dùng cho các ứng dụng trung bình đến phức tạp với các dòng S7-300, S7-400 và hiện nay dòng S7-1500 ra đời với xu hướng thay thế hai dòng trên

* Distributed Controllers: Dùng các dòng ET 200P cho các ứng dụng điều khiển phân tán (DCS)

* Software Controller: Đây là dạng điều khiển dựa trên nền tảng PC và các ứng dụng của S7-1500

1.1.2.7 PLC S7-300

Là dòng PLC tầm trung thi ết kế dựa trên dòng S 7-200 được tích hợp thêm nhiều khả năng nổi trô ̣i hơn hẳn, được tích hợp là module rời PLC thể hiê ̣n hết toàn bô ̣ tính năng của mình một cách thuận tiện hơn cho người sử dụng , đươ ̣c ứng du ̣ng rô ̣ng rãi trong ngà nh công nghiê ̣p như robot , cầu trục, máy chế tạo , đă ̣c biê ̣t đây là dòng PLC sử du ̣ng nhiều trong ngành nước sa ̣ch

Module CPU chính chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào/ra số onboard

- PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…

- Với các CPU có hai cổng truyền thông, cổng thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn trong

hệ điều hành Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP Ví dụ Module CPU 314C-2DP…

Một số đặc tính kỹ thuật của một số CPU S7-300 được thể hiện theo hình 1.7

Hình 1.7 Một số đặc tính PLC S7-300

PLC S7-300 có thể kết nối với nhiều chuẩn mạng khác nhau như PROFIBUS, CAN, DeviceNet, ASi

Profibus là một tiêu chuẩn mạng trường mở, quốc tế theo chuẩn mạng trường châu Âu EN 50170 và EN 50254 Trong sản xuất, các ứng dụng tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các mạng trường nối tiếp có thể hoạt động như hệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các thiết bị

hiện trường phân tán Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt PROFIBUS

sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc IEC 1158-2 trong điều khiển quá trình Profibus cũng có thể sử dụng Ethernet/TCP-IP

CAN viết tắt của Controller Area Network và được tạm dịch là Mạng Điều Khiển Vùng Mạng CAN ra đời gần như đáp ứng nhiều vấn đề cho các hệ thống điện trong xe, với truyền tải dữ kiện trên 2 dây dẫn, tốc độ truyền tải cao, độ sai số rất thấp,

độ tin cậy cao Các hệ thống điện đã được nối với nhau bởi mạng CAN 2 dây này DeviceNet là một hệ thống bus được hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN, dùng để nối mạng cho các thiết bị đơn giản ở cấp chấp hành Sau này, chuẩn DeviceNet được chuyển sang dạng mở dưới sự quản lý của hiệp hội ODVA và được

dữ thảo chuẩn hóa IEC 62026-3

Hệ thống AS-I: Là hệ thống kết nối cho cấp thấp nhất trong hệ thống tự động hóa Các cơ cấu chấp hành và cảm biến được nối với trạm hệ thống tự động qua bus giao tiếp AS AS-I là kết quả phát triển hợp tác của 11 hãng sản xuất thiết bị cảm biến

và cơ cấu chấp hành có tên tuổi trong công nghiệp, trong đó có SIEMENS AG, Festo

KG, Peppert & Fuchs GmbH

Ngôn ngữ lập trìnhPLC S7-300 được lập trình qua các ngôn ngữ như: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL, GRAPH, HiGrap Một số dạng cụ thể như:

- Dạng LAD: Phương pháp hình thang, thích hợp với những người quen thiết kế mạch điện tử logic

- Dạng STL: Phương pháp liệt kê Là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Mỗi một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh, mỗi câu lệnh có cấu trúc chung gồm “tên lệnh + toán hạng”

- Dạng FBD: Phương pháp hình khối Là kiểu ngôn ngữ đồ họa dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số

- Dạng SCL: Có cấu trúc gần giống với ngôn ngữ dạng STL nhưng được phát triển nhiều hơn Nó gần giống với các ngôn ngữ bậc cao như Pascal để người lập trình dễ thao tác

1.2 TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BEER VÀ HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SẠCH

1.2.1 Sơ lược quy trình sản xuất Beer

1.2.1.1 Thành phần

Ban đầu Beer được sản xuất từ bốn nguyên liệu chính: Nước, malt đại mạch, hoa bia và nấm men Sau đó, Beer phát triển ra toàn thế giới thì tùy thuộc vào đặc trưng nông nghiệp ở mỗi quốc gia mà Beer có thêm thế liệu như gạo, lúa mì, yến mạch

và cả đường tinh luyện Thế liệu được xem là nguyên liệu phụ để thay thế 1 phần malt đại mạch nhằm giảm chi phí sản xuất và hỗ trợ tiêu thụ sản phẩm nông nghiệp của quốc gia đó

Cụ thể bốn thành phần đó như sau:

* Nước: Nước là thành phần chiếm tỷ lệ cao nhất, thông thường từ 90-95% khối lượng Beer Nước, ngoài việc tham gia vào thành phần của Beer còn tham gia vào toàn bộ quy trình công nghệ trong quá trình sản xuất Nước là dung môi hòa tan các hợp chất hóa học (như tinh bột, đường, protein, chất béo, …) trong hạt malt, các hợp chất đắng, thơm trong hoa bia Các enzym tham gia vào quá trình thủy phân các hợp chất cao phân tử thành các hợp chất đơn giản hơn cho nấm men sử dụng Sau đó, nấm men tiếp tục sống và phát triển trong môi trường nước

Bên cạnh đó, các quá trình công nghệ khác trong nhà máy Beer cũng sử dụng nước là thành phần chính như: Hơi nước bão hòa để truyền nhiệt từ lò hơi đến các thiết

bị sử dụng nhiệt, hỗn hợp nước-Glycol dùng để dẫn lạnh, nước dùng trong hệ thống thanh trùng,…Như vậy, nước có vai trò cực kỳ quan trọng cho sản xuất Beer Tính chất nước tác động đến hương vị của Beer Các loại Beer khác nhau yêu cầu nguồn nước đầu vào khác nhau

*Malt đại mạch: Beer phải được sản xuất từ malt đại mạch Malt là nguồn cung cấp các hợp chất cơ bản như đường, protein, chất béo, các loại vitamin,… cho quá trình sản xuất Beer Tại công đoạn nấu, tinh bột trong malt bị thủy phân bởi hệ enzyme amylase thành đường lên men được Sau đó, nấm men sử dụng đường này để tạo thành CO2 và cồn trong Beer Có rất nhiều loại malt khác nhau được dùng trong sản xuất

Beer như malt vàng, malt nâu, malt đen, malt chocolate,… Nhà sản xuất Beer có thể phối trộn nhiều loại malt khác nhau để sản xuất ra loại Beer mong muốn

*Hoa Beer: Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản sau malt Hoa Houblon làm Beer có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm Trong công nghệ sản xuất Beer chỉ

sử dụng hoa cái chưa thụ phấn

Việc sử dụng hoa Beer được bắt đầu ở Châu Âu thời trung cổ Vào khoảng thế

kỷ thứ 8 sau công nguyên, các thầy tu tại vùng Hallertau thuộc Bavarian đã sử dụng hoa Beer nhằm tạo ra vị đắng thanh và kéo dài thời gian lưu trữ của Beer mà không bị chua Trong thời trung cổ, khi bắt đầu dùng hoa Beer vào sản xuất, các nhà tu nhận thấy Beer để được lâu hơn mà không bị chua Trong hoa Beer có chứa một số chất có khả năng kìm hãm và tiêu diệt vi sinh vật Nhưng lúc đó, chưa một ai có khái niệm về

vi sinh vật nên mọi người cũng không giải thích được tại sao việc dùng hoa Beer lại có ích lợi như thế Nhưng ngày nay, do trình độ khoa học kỹ thuật phát triển, Beer đã được thanh trùng bằng phương pháp Pasteur nên khả năng kháng khuẩn của hoa bia không còn ý nghĩa Mà các nhà sản xuất Beer hiện nay chủ yếu nhằm vào mục đích tạo

ra hương vị đặc trưng và ổn định độ bền bọt

*Nấm men: Nấm men có vai trò chuyển hóa các hợp chất lên men được trong dịch nha sau nấu thành cồn và khí CO2 Trong quá trình lên men, nấm men sản xuất ra các hợp chất tạo mùi, vị thơm cho Beer Các chủng men khác nhau cho ra hương vị Beer đặc trưng Các hãng Beer khác nhau sở hữu chủng nấm men đặc trưng và được các hãng bảo vệ rất nghiêm ngặt

*Thế liệu: Thế liệu là thành phần phụ tham gia vào sản xuất Beer, có vai trò thay thế một tỷ lệ nhất định malt Thế liệu sản xuất Beer rất đa dạng và phong phú, phụ thuộc vào đặc điểm nông nghiệp của từng quốc gia Các nước vùng Đông Nam Á chủ yếu sử dụng thế liệu là gạo, trong khi đó các quốc gia Châu Phi lại sử dụng bo bo, lúa miến,… Thế liệu là giảm giá thành sản xuất bia, giúp người nông dân địa phương tiêu thụ được các sản phẩm bản địa

1.2.1.2 Quy trình sản xuất

* Sơ đồ quy trình sản xuất Beer: Quy trình sản xuất Beer trải qua nhiều công đoạn, và được thể hiện thông qua hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ quy trình sản xuất Beer

*Thuyết minh công nghệ

- Xay nghiền: Nghiền nhỏ hạt malt (hoặc hạt gạo) đến kích thước yêu cầu để các thành phần trong nguyên liệu có thể hòa tan vào nước và giải phóng ra enzym để xúc tác quá trình thủy phân sau đó

- Nấu malt: Thủy phân các hợp chất cao phân tử như tinh bột, protein thành các hợp chất lên men được như đường malto, gluco, axit amin,… Kết thúc quá trình nấu tại nồi malt sẽ thu được dịch ngọt nên quy trình này được gọi là quá trình đường hóa

- Lọc dịch hèm: Là quá trình tách võ trấu của hạt malt ra khỏi dịch đường

- Đun sôi: Dịch đường trong được đun sôi với hoa Beer để tạo vị đắng đặc trưng, đồng thời quá trình đun sôi cũng làm bay hơi và kết tủa các hợp chất không mong muốn và tiệt trùng dịch nha

- Tách cặn: Loại bỏ các thành phần như cánh hoa Beer, các kết tủa hình thành trong quá trình đun sôi

- Giải nhiệt nhanh: Dịch nha sau đun sôi (100oC) được đưa về nhiệt độ thích hợp cho nấm men hoạt động như 10 – 15oC Nhiệt độ này tùy thuộc vào chủng loại nấm men

và loại Beer

- Lên men: Dịch nha lạnh cùng với nấm men được đưa vào tank lên men để tiến hành quá trình lên men Nấm men sẽ sử dụng đường được hình thành trong giai đoạn nấu để tạo thành Cồn và khí CO2 Các hợp chất tạo mùi thơm cho bia cũng được nấm men tạo thành trong giai đoạn này Kết thúc quá trình lên men, nấm men sẽ được thu hồi ra khỏi tank lên men để tái sử dụng cho lần lên men tiếp theo Dịch Beer sau lên men sẽ được chuyển sang tank ủ bia để bắt đầu quá trình lên men phụ

- Ủ Beer: Là quá trình chuyển hóa hoặc loại bỏ các hợp chất không mong muốn hình thành trong quá trình lên men như diacetyl Quá trình ủ Beer kết thúc khi hàm lượng các chất này giảm đến mức mong muốn và đạt thời gian theo yêu cầu của từng loại Beer

- Làm lạnh sâu: Beer trước khi qua quá trình lọc sẽ được làm lạnh sâu xuống nhiệt độ 1à -2oC để hình thành cặn lạnh Các cặn lạnh này sẽ được loại bỏ trong quá trình lọc trong sau đó

- Lọc trong Beer: Nấm men, cặn lạnh, … sẽ được loại bỏ để làm cho Beer trở nên trong suốt

- Tank bia trong: Beer sau khi lọc được chứa trong tank Beer trong để chờ quá trình chiết, đóng gói

- Chiết Beer: Là quá trình Beer được chiết vào các dạng bao bì khác nhau để đánh ứng nhu cầu sử dụng của khách hàng Một số sản phẩm Beer có trên thị trường như:

Keg Beer có dung dích 2 lít, 5 lit, 20 lít, 30 lít hoặc 50 lit

Beer được chiết vào lon có dung tích 330ml, 500ml

Beer chai có dung tích 330ml, 450ml, 500ml, 750ml

Dung tích Beer chai, Beer lon phụ thuộc vào chiến lược thị trường và thị hiếu tiêu dùng của từng quốc gia

1.2.2 Hê ̣ điều khiển giám sát cấp nước

Ngày nay, các nhà máy cấp nước càng nhiều và quy mô đa da ̣ng mở rộng không ngừng Vì vậy ứng dụng hệ điều khiển giám sát là một bước tiến cần thiết để nâng cao

hiệu quả Hệ thống điều khiển giám sát là hệ thống thu thập , xử lý và điều khiển quá trình hệ thống hoạt động nh ằm nâng cao tính tối ưu và quản lý hê ̣ thống mô ̣t cách hiê ̣u quả

Các hệ thống cấp nước hiện nay còn chưa phát triển tối ưu về mặt giảm sát cũng nh ư tính hiệu quả chưa cao, gây ảnh hưởng và tổn thất nguồn tài nguyên nước vô cùng quý giá Vì vậy việc giám sát và điều khiển quá trình cấp nước là rất cần thiết

Hê ̣ điều khiển giám sát có nhiều dạng cho từng hãng khác nhau từ nhỏ (quản lý bằng các HMI) đến rộng hơn là máy tính (PC) Ở cấp giám sát bằng máy tính người ta lại chia ra làm 2 loại là local (cục bô ̣) và internet (mạng), mỗi loa ̣i giám sát có mô ̣t ưu điểm với local ta có thể giám sát và điều khiển tốc đô ̣ cao nhưng phải thường xuyên ở tại cơ quan và việc giám sát điều khiển còn hạn chế ở phạm vi xa Ngươ ̣c la ̣i với giám sát local là giám sát theo internet là ta có thể giám sát từ xa nhưng ở loa ̣i giám sát này yêu cầu đường truy câ ̣p phải có tính bảo mâ ̣t cao

Các hệ thống giám sát PC dù local hay internet đều phải thông qua một phần mềm gián tiếp bên thứ 3 quản lý, hay còn là phần mềm quản lý giám sát

Với các hãng khác nhau thì phần mềm quản lý cũng khác nhau như Schn eider là Citect

và SCADA pack , Visual Studio với các dòng vi điều khiển hay OPC , Siemens là WinCC hay gói dùng TIA portal

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Nước là thành phần rất quan trọng trong quá trình sản xuất Beer, chiếm tới 95% Như vậy, khâu xử lý nước thật sự là quan trọng Mọi chỉ tiêu hóa lý của nước đều cần phải giám sát một cách chặt chẽ để chất lượng Beer ổn định Vì vậy việc giám sát và điều khiển quá trình cấp nước là rất cần thiết

90-Chương 2 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

2.1 YÊU CẦU CHUNG VỀ THIẾT KẾ

Trong một nhà máy sản xuất Beer có rất nhiều thông tin để giám sát điều khiển như: Công suất, tần số, điện áp, năng suất, sản lượng, tiêu hao nguyên vật liệu Trong nội dung đề tài này chúng ta nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát cho khâu cấp nước sạch Những thông số cần phải theo dõi như: Lưu lượng nước chảy, áp suất, mức nước trong các bể…Các thông số này được cung cấp từ các thiết bị đo ở cấp trường, chúng được tích hợp vào các bộ điều khiển và các thông tin của chúng được dùng làm đầu vào để điều khiển các thiết bị và các thông số khác Chúng còn được truyền lên máy tính giám sát và điều khiển và hiển thị trên màn hình giao diện điều khiển (tại phòng điều khiển), được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để tạo báo cáo khi cần thiết và gửi

về trung tâm Tại trung tâm, các thông số này cũng được hiển thị trên giao diện đồ họa

và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của máy tính để lập báo cáo Ngoài ra, các chỉ tiêu quan trọng hóa lý (Fe, Mn, Cl, CO2, CaCl2…) là cần thiết phải theo dõi giám sát Tuy vậy nội dung đề tài này chỉ dừng ở mức điều khiển và giám sát một số chỉ tiêu như: Lưu lượng nước, mức nước, bơm…

Các thiết bị của hệ thống SCADA gồm có:

* Phần cứng: Máy tính công nghiệp, bộ tích hợp thiết bị (kết nối và thu thập dữ liệu lên máy tính), thiết bị mạng …

* Phần mềm cho giám sát điều khiển: Tạo ra giao diện hiển thị các thông số, điều khiển qua giao diện hiển thị, lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, hiển thị các thông số, lưu trữ các dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, kết nối mạng, kết nối PLC – máy tính

Ta có thể nhìn một cách tổng thể các cấp thiết bị trong hệ thông qua hình 2.1

Hình 2.2 Phương pháp truyền thông hệ điều khiển giám sát

Giải pháp chọn lựa: Dựa trên các thiết bị đầu vào và đầu ra của hệ thống, ta chọn một giải pháp để xây dựng giải pháp mạng truyền thông cho khâu xử lý nước cấp:

* Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị motor, đèn cảnh báo, alarm, sensors, biến tần,

đo mức, đo lưu lượng… được kết nối trực tiếp với PLC Các thiết bị đo, sensor, cảm biến có đầu ra là các tín hiệu số được kết nối với các module đâu vào số thông qua dây tín hiệu dạng cáp chống nhiễu (2 lõi, 3 lõi, hoặc 4 lõi) Các thiết bị đo, sensor, cảm biến có đầu ra là tín hiệu tương tự được kết nối thẳng với các module tương tự của PLC thông qua dây tín hiệu dạng cáp chống nhiễu Các cơ cấu chấp hành như motor được kết nối với các mạch rơle, khởi động từ được điều khiển bởi tín hiệu 24V trong các module đầu ra số Biến tần và các van được điều khiển trực tiếp từ tín hiệu 24V của các module đầu ra số

* Cấp điều khiển: Truyền thông theo chuẩn Profibus, RS-485(Tốc độ truyền dẫn 1,5Mbit/s ở khoảng cách xa nhất là 200m)

Bao gồm các thiết bị: PLC S7, và các module truyền thông

Thiết bị đo Cảm biến Động cơ Biến tần

* Cấp giám sát: Truyển thông theo chuẩn Profibus, RS-485

Bao gồm các thiết bị: Máy tính giám sát, HMI và module truyền thông, phần mềm: WinCC, SIMATIC Manager

2.3 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC, LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

2.3.1 Tìm hiểu công nghệ xử lý nước

2.3.1.1 Giới thiệu chung về nước

Nước tồn tại trong thiên nhiên dưới nhiều dạng như: Nước ao, hồ, sông suối (nước bề mặt ), nước ngầm dưới lòng đất Thông thường Beer có độ đường từ 10 -

Độ cứng vĩnh cửu được xác định bởi hàm lượng các muối CaCl2, MgCl2, CaSO4, MgSO4 trong nước Hàm lượng các muối trong nước khác nhau, do đó khả năng tác động và ảnh hưởng của chúng đến tiến trình công nghệ và sản phẩm khác nhau

2.3.1.2 Xử lý nước sinh hoạt

Quá trình xử lý nước sinh hoạt bao gồm những bước sau:

1 Bơm nước thô lên bể chứa

Quá trình xử lý nước sinh hoạt được thể hiện qua hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ quá trình xử lý nước sinh hoạt

* Bước 1: Bơm nước thô từ giếng lên bể chứa nước thô

Nước từ bơm giếng 1, 2, 3 và bơm giếng 4 được bơm lên bể chứa nước thô, 3 bơm nước thô (trong đó có 1 bơm dự phòng) có công suất mỗi chiếc là 100 m3

/h ( tổng công suất là 200m3/h ) sẽ bơm nước thô vào bồn lọc thô Bể có diện tích S = 75,72 m2, thể tích: V = 227 m3

Thiết bị của bể gồm có:

+ 3 bơm giếng 1, 2, 3 đi chung, bơm giếng 4 đi riêng, đến gần bể mới góp chung + 1 đồng hồ đo lưu lượng

+ 1 van tay không chế nước thô vào

+ 3 bơm nước thô (1 bơm dự phòng), công suất 100m3/h/chiếc, cột áp tổng = 24 m + Mức nước trong bể được điều khiển qua các điện cực, khi đầy bơm giếng tắt, khi ở mức dưới, bơm giếng bật

* Bước 2: Oxy hóa và lọc thô

Bước xử lý tích cực nhất là oxy hóa khử các chất Fe, chất hữu cơ và 1 phần Mn

vì chúng làm cho nước có màu vàng, vị tanh , chát Fe trong nước thiên nhiên tồn tại ở hai dạng: Fe2+, Fe3+ Fe2+ tồn tại trong nước chủ yếu dưới dạng Fe(HCO3)2, với hàm lượng cao, chúng gây ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng malt và Beer Trong giai đoạn ngâm, trên vổ hạt bị kết tủa 1 lớp màng mỏng Fe(OH)3 làm cản trở tốc độ hút nước của

Nước

giếng

Bể chứa nước sạch

Bình lọc ướt

Bể trung gian số 2

Tháp khử CO2

số 1

hoạt tính

Bình lọc thô

Bể nước thô

hạt, kéo theo những ảnh hưởng khác Nếu trong dịch đường, hàm lượng sắt đủ lớn sẽ làm rút ngắn chu kỳ sinh trưởng của nấm men, phá vỡ tiến trình lên men Mặt khác, hàm lượng sắt cao sẽ gây cho Beer có mùi vị tanh khó chịu Một khía cạnh bất lợi khác, sắt là chất xúc tác cho quá trình oxy hóa trong bia, làm giảm độ bền keo, gây cho bia bị đục Tương tự như thế, Mn cũng gây cho Beer có vị đắng chát

Khi nồng độ oxy hoà tan trong nước ít, pH thấp, trong nước chỉ có Fe2+, khi nồng độ oxy hoà tan trong nước lớn, pH cao, Fe2+

sẽ bị oxy hóa thành Fe3+: 4Fe(HCO3)2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 8CO2

Hydroxyt sắt rất khó hoà tan nên bị giữ lại trên lớp lọc Một phần chất hữu cơ

và Mn cũng bị oxy hoá thành những hợp chất không hoà tan và bị giữ lại trên lớp lọc Quá trình lọc là sự kết hợp giữa quá trình hấp phụ bề mặt và ngăn giữ cơ học Đầu tiên, khi nước thô đi từ phía trên xuống lớp lọc, vật huyền phù trong nước do tác dụng hấp phụ và ngăn giữ cơ học bị lớp lọc bề mặt giữ lại Lúc này, giữa các hạt huyền phù phát sinh tác dụng lặp đi lặp lại nhiều lần, sau một thời gian bề mặt lớp lọc hình thành

1 lớp màng lọc phụ Dưới tác động lọc tiếp tục, lớp lọc đó đóng vai trò lọc chủ yếu Qua trình này được thực hiện ở pH nhỏ hơn 7 do ở pH < 7 là điều kiện thuận lợi để loại bỏ Fe và các chất hữu cơ

Quá trình oxy hóa và lọc thô diễn ra trong 2 bồn lọc thô có công suất 100m3/h/chiếc và hai thiết bị nén khí có công suất 200 m3/h/chiếc Quá trình tách nước

và khí oxy hóa diễn ra tại ngăn nước đã lọc phí dưới của bồn và lượng khí thừa sẽ thoát ra ngoài qua van thông hơi tự động

Ưu điểm của quá trình lọc thô:

- Hiệu suất oxy hóa cao vì lượng oxy trong quá trình lọc rất cao

- Oxy hóa và loại bỏ được NH4

- Có sức hấp thụ tốt với những chất oxy hóa

- Chất lượng lọc hoàn hảo với những sản phẩm có chứa Fe

Bồn lọc thô - 2 bồn bằng thép dày Có đặc điểm như sau:

- Công suất: 100m3/h/chiếc

- Kích thước: Đường kính: 3500 mm.Chiều cao trụ: 2500 mm Tổng chiều cao: 4800

mm

1 bơm dự phòng), tổng công suất là 200m3/h

Cấu tạo: Bồn bằng thép dày, chịu áp lực Công suất: 200m3/h/chiếc

- Kích thước: Đường kính: 2000 mm Tổng chiều cao: 4000 mm

- Vật liệu phân phối nước: Vòng pall cỡ 25 mm: 5 m3 Vòng pall cỡ 90 mm: 1 m3

- Thiết bị đi kèm: 3 bơm trung gian (1 chiếc dự phòng) Công suất 100 m3/h Quạt công suất 3000m3/h tại 1000Pa, 3KW thổi không khí từ dưới lên Quạt hoạt động song song với máy bơm nước thô, nếu máy bơm nước dừng thì quạt sẽ dừng sau 30 giây

* Bước 4: Lọc ướt

Lọc ướt là quá trình lọc thứ cấp, tiếp tục loại bỏ căn Fe, chất hữu cơ và chủ yếu

là Mn ra khỏi nước Quá trình loại bỏ Mn là quá trình kết hợp giữa vật lý và vi khuẩn Khi pH > 7.5 có mặt oxy không khí và một số loại vi khuẩn như Bacteria manganicus,

Mn2+ sẽ chuyển thành Mn4+:

Mn(HCO3)2 = Mn(OH)2 + CO22Mn(OH)2 + O2 + 2H2O = 2Mn(OH)4Mn(OH)4 MnO2 + 2H2O MnO2 Là chất không hoà tan nên sẽ bị tách qua quá trình lọc Vật liệu lọc ở đây

là cát thạch anh dạng mịn từ 1 - 1.25 mm Nước xử lý xong sẽ sang bước tiếp theo Cấu tạo: Bồn bằng thép dày Công suất: 100m3/h/chiếc Kích thước: Đường kính: 3500

mm Chiều cao trụ: 2500 mm Tổng chiều cao: 4800 mm

- Áp lực vận hành: 3 bar ở 20 oC

NaClO + CO2 + H2O = HClO + NaHCO3CaClO + 2CO2 + 2H2O = 2HClO + Ca(HCO3)2

HClO = HCl + O Chính oxy nguyên tử này sẽ oxy hóa mạnh các chất hưu cơ quan trọng của tế bào , làm đình chỉ sự sống của VSV Tuy nhiên lượng Clo tự do nhiều quá sẽ gây mùi khó chịu cho nước và phản ứng với các hợp chất hữu cơ gây ra sản phẩm bất lợi Do

đó chỉ khống chế hàm lượng Clo tự do trong nước sau khi khử trùng không vượt quá 0.5 mg/l

2.3.1.3 Xử lý nước nấu

Quá trình xử lý nước nấu bao gồm những bước sau:

1 Giảm kiềm qua trao đổi cation

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình xử lý nước nấu

* Bước 1: Giảm độ kiềm

Độ kiềm biểu thị tổng độ của các anion OH-, HCO3-, CO3 2- và muối của một số axit yếu khác Các loại muối đó trong dung dịch nước đều mang tính kiềm Đối với nước nấu, độ kiềm cao sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình đường hóa nguyên liệu Đặc biệt là muối bicacbonat vì chúng làm giảm độ chua định phân của dịch cháo khi chúng tác dụng với các muối phot phat của malt pH của dịch cháo tăng, khả năng hoạt động của enzim giảm, do đó hiệu suất thủy phân cũng giảm theo Ion Ca2+ tồn tại ở trong nước chủ yếu ở hai dạng CaSO4, Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)2 ảnh hưởng bất lợi đến nước nấu nhưng CaSO4 lại có lợi cho quá trình đường hóa vì làm tăng độ chua định phân của dịch cháo Ca, Mg cần cho nước nấu ở mức độ: CaO = 80 - 160 mg/l, MgO = 20 -

40 mg/l Do đó giảm kiềm là bước xử lý quan trọng cho nước nấu

Nguyên tắc loại bỏ bớt độ kiềm bằng nhựa cation yếu được biểu thị bằng công thức sau:

COOH Ca(HCO3)2 COO - Ca

R + Mg(HCO3)2 = R - Mg + 2CO2 + 2 H2O (2)

Nước nấu

Tháp lọc CO2

Bình lọc than hoạt tính

Bể trung gian số 2

Bể nước

sạch

Bình trao đổi cation

Tái sinh axit sunfuric

R = nhựa trao đổi ion ( cation ) tính axit yếu Nhựa trao đổi cation ở đây là hợp chất cao phân tử ở dạng viên màu vàng, có thể chịu được nhiệt độ > 100oC, có khả năng chịu mài mòn, đảm bảo lượng nhựa tổn thất mỗi năm không quá 3 - 7% Loại nhựa này vừa giảm được độ cứng vừa giảm được độ kiềm cacbonat Nồng độ kiềm sau hệ thống trao đổi ion sẽ < 5ppm CaCO3 do đó sẽ được hòa trộn với nước không qua trao đổi ion qua van hoà trộn điều hiển bằng tay và lưu lượng kế để đạt độ kiềm =

12 ppm CaCO3

Công suất hấp thụ của chất trao đổi ion sẽ bị giới hạn bởi chất lượng nhựa, nhiệt

độ nước, nồng độ chất kiềm trong nước thô, tỉ lệ giữa tổng độ cứng, độ kiềm và các tham số khác Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch (1) là phản ứng thuận khi nước cứng đi qua chất trao đổi ion Sau khi phản ứng hết hiệu lực, để khôi phục lại năng lực trao đôi ion, người ta sử dụng dung dịch H2SO4 Quá trình này gọi là tái sinh (2) Việc tái sinh thông qua hệ thống đo độ dẫn điện tự động Hệ thống này đo sự khác nhau về độ dẫn điện giữa nước thô và nước sạch sau quá trình trao đổi ion, chất lượng nước sạch được kiểm tra tự động Trong quá trình tái sinh với H2SO4 sẽ xảy ra phản ứng sau:

R - Mg + H2SO4 = R + MgSO4 (2)

Hai phản ứng (1) và (2 ) trên thực chất chỉ là sự chuyển dịch cân bằng hoá học trong phản ứng thuận nghịch Khi ion Ca2+

trong nước nhiều, phản ứng tiến hành theo chiều thuận và ngược lại tiến hành theo chiều nghịch Tính thuận nghịch là tính chất quan trọng của chất trao đổi ion để có thể sử dụng nó lặp đi lặp lại hiều lần Sau khi giảm độ kiềm và hoà trộn xong , lượng pH trong nước sạch là khoảng 5 - 5,5 vì có sự xâm nhập của CO2 vào nước

Bình trao đổi cation

Cấu tạo: Bồn bằng thép dày, công suất: 9 - 90m3/h/chiếc (1 chiếc dự phòng)

- Kích thước: Đường kính: 1600 mm, chiều cao trụ: 2000 mm, tổng chiều cao: 3800

mm, áp lực vận hành ở 6 bar Thiết bị gồm có 150 vòi phun lọc, 1 bộ phận gom nhựa,

1 van thông hơi tự động, 6 van bớm tự động

- Vật liệu lọc gồm có: 300 kg cát lọc cỡ 2,0 - 3,0 mm.2000 lít nhựa trao đổi ion

Thiết bị cho quá trình tái sinh gồm:

+ 1 bơm phun cho 160 kg/h H2SO4 96%

Lưu lượng giữa 2 chu kỳ tái sinh = 500 m3 với nước thô có độ kiềm = 148ppm, hoặc

- Công suất: 200m3/h/chiếc

- Vật liệu phân phối nước:

Vòng pall cỡ 25 mm: 5 m3 Vòng pall cỡ 90 mm: 1 m3

- Thiết bị đi kèm: 3 bơm trung gian (1 chiếc dự phòng), công suất 100 m3/h, quạt công suất 3000m3/h tại 1000Pa, 3KW thổi không khí từ dưới lên Quạt hoạt động song song với máy bơm nước thô, nếu máy bơm nước dừng thì quạt sẽ dừng sau 30 giây

* Bước 3: Bổ sung CaCl2

Sau khi qua trao đổi ion, độ cứng của nước giảm xuống quá thấp, không đạt yêu cầu nước nấu Beer, do đó cần bổ sung 1 lượng CaCl2 thích hợp để đảm bảo lượng kiềm thừa và độ xứng thích hợp

* Bước 4: Lọc cacbon hoạt tính, lọc trong

Than hoạt tính là 1 chất hấp phụ có khả năng hấp phụ không những các chất hưu cơ mà cả những chất vô cơ, đặc biệt nó có khả năng hấp phụ mùi rất cao Nước sau khi đi qua thiết bị lọc than hoạt tính sẽ loại bỏ hết lượng Clo tự do để không làm ảnh hưởng đến chất lượng nước nấu Beer Sau cùng, nước đi qua máy lọc trong giảm lượng chất hữu cơ và loại hết các hạt than

Khu trữ nước mềm (100m3)

Cấp cho khu lò hơi Cấp cho dây chuyền chiết chai Cấp cho dây chuyền chiết Keg Cấp cho dây chuyền chiết lon Cấp cho nhà nấu

Hình 2.5 Sơ đồ quá trình xử lý nước mềm

Do điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao, các muối Ca, Mg, các chất hữu cơ trong nước đóng cặn bám chặt vào thành lò làm giảm khả năng truyền nhiệt, giảm năng suất tạo hơi, tăng hao tốn năng lượng, làm nóng không đều thành lò, giảm tuổi thọ của thiết bị:

Ca(HCO3 )2 = CaCO3 + H2O Mg(HCO3 )2 = MgCO3 + H2O

Do vậy, việc tách các ion Ca2+

, Mg2+ ra khỏi nước tức là giảm độ cứng của nước càng nhiều càng có lợi cho thiết bị ở đây, ta sử dụng bình trao đổi NaR

NaR + Ca2+ = CaR2 + 2Na+ NaR + Mg2+ = MgR2 + 2Na+