Thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa lọc bã bia trong dây chuyền nấu bia hiện đại

Xét riêng trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, cụ thể hơn là ngành công nghiệp sản xuất bia, một ngành mà theo báo cáo của bộ công nghiệp trình Thủ Tướng về việc điều chỉnh, bổ sung Quy

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

-

LUậN VĂN thạc sỹ khoa HọC

Thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hoá lọc bã bia trong dây chuyền nấu bia hiện đại

Ngành: đo lường và các hệ thống điều khiển

Khoá học : 2006-2008 Vương vũ hiệp

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS nguyễn trọng quế

Hà Nội - 11/2008

LờI Cam đoan

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này được hoàn thành bằng sự nghiên cứu và làm việc nghiêm túc của chính bản thân tôi dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Trọng Quế – Bộ môn Đo lường và tin học công nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu được đưa ra trong luận văn này được lấy từ các nguồn dữ liệu tin cậy, đúng với nguyên bản và các số liệu thực nghiệm được lấy từ số liệu thực tế

Tôi xin chịu trách nhiệm về các số liệu đưa ra trong luận văn này

Nhận xột của người hướng dẫn Hà Nội, ngày 27 thỏng 11 năm 2008

Học viờn

Vương Vũ Hiệp

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ tình cảm và lòng biết ơn của mình tới gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp, những người luôn bên cạnh tôi, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày 29 thỏng 11 năm 2008

Học viờn

Vương Vũ Hiệp

Mục lục

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt iii

Danh mục bảng số liệu iv

Danh mục hình vẽ v

Lời nói đầu 1

Chương 1: Tổng quan về ngành bia và hệ thống 5

điều khiển trong dây chuyền nấu bia 5

1.1 Giới thiệu sơ lược về ngành bia 5

1.2 Tổng quan về ngành công nghiệp bia ở Việt Nam 6

1.2.1 Tình hình sản xuất bia ở Việt Nam 6

1.2.2 Định hướng phát triển ngành công nghiệp bia Việt Nam 7

1.3 Vai trò của hệ Nấu trong sản xuất 9

1.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển trong dây chuyền nấu 11

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý của dây chuyền nầu bia 13

1.4.2 Quy trình công nghệ sản xuất bia và sơ đồ khối của quá trình sản xuất 14

1.4.3 Hệ thống điều khiển ứng dụng trong dây chuyền nấu 18

Chương 2: nồi lọc bã bia – yêu cầu công nghệ và bài toán điều khiển 38

2.1 Vai trò của nồi lọc trong dây chuyền nấu bia hiện đại 38

2.1.1 Tổng quan về dây chuyền nấu 38

2.1.2 Nguyên liệu sản xuất và cơ sở công nghệ cho dây chuyền nấu 51

2.1.3 Vai trò của nồi lọc bã bia 55

2.2 Lựa chọn nồi lọc Pegasus 56

2.2.1 Nồi/máy lọc thông thường trong thực tế : 56

2.2.2 Nồi lọc Pegasus : 60

2.3 Bài toán điều khiển 63

2.3.1 Yêu cầu của bài toán điều khiển 63

Phương pháp điều khiển nồi lọc của các đơn vị nước ngoài 65

2.3.2 Bài toán điều khiển 67

Chương 3: Thiết kế và sách lược điều khiển 71

3.1 Thiết kế 71

3.1.1 Lựa chọn thiết bị 71

3.1.2 Thiết kế hệ thống điện động lực 73

3.1.3 Thiết kế hệ thống điện động lực 76

3.2 Sách lược điều khiển 78

Chương 4: tích hợp hệ thống tự động hoá 82

nồi lọc bã bia 82

4.1 Tích hợp hệ thống tự động hoá nồi lọc bã bia 82

4.2 Kết quả ứng dụng thực tế tại nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội 89

4.3 Hướng nghiên cứu và phát triển đề tài 90

Kết luận và kiến nghị 91

Tài liệu tham khảo 92

phụ Lục 1: các bản vẽ thiết kế điện động lực

phụ lục 2: các bản vẽ thiết kế điện điều khiển

phụ lục 3: các thiết bị đo lường và điều khiển của hệ thống

phụ lục 4: vệ sinh công nghiệp nồi lọc

DANH MụC CáC Kí HIệU, CHữ VIếT TắT TRONG LUậN VĂN

- SCADA: Supervisory Control And Data Acquistion - là hệ thống giám sát và

thu thập dữ liệu trong công nghiệp

- HMI: Human Machine Interface - là hệ thống giám sát người – máy

- Profibus – FMS: Fieldbus Message Specification

- Profibus – PA: Process Automation

- SADABECO – Công ty cổ phần bia Sài Gòn - Daklak

- POLYCO – Công ty cơ điện nhiệt lạnh Bách Khoa

- KRONES AG – Công ty Krones – cộng hòa liên bang Đức

- SABECO – Tổng công ty bia Sài Gòn

- HABECO – Tổng công ty bia Hà Nội

- CIP: Cleaning In Place

- IE: Industrial Ethernet

- PCU: Process Control Unit

- IOS: Interface Operating Station

Học viên : VươNG Vũ hiệp cao học đo lường và htđk 06-08 Danh mục bảng số liệu Bảng 3 -1: Bảng số liệu quan hệ lưu lượng lọc và thời gian 54

Bảng 3 - 2: Bảng số liệu quan hệ giữa độ trong và lưu lượng dịch lọc 56

Bảng 3 - 3: Bảng số liệu quan hệ giữa mức dịch lọc và tốc độ lọc 57

Bảng 4 - 1: Bảng so sánh ưu nhược điểm máy lọc khung bản và nồi lọc 59

Bảng 4 - 2: Kết quả chất lượng lọc của 5 mẻ nấu 72

Học viên : vương vũ hiệp cao học đo lường và htđk 06-08 Danh mục hình vẽ Hình 1–1: Sơ đồ công nghệ toàn bộ hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội 8

Hình 1–2: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống Nấu NM bia Sài Gòn Hà Nội 11

Hình 1–2a: Sơ đồ nguyên lý P&ID nồi hồ hoá và đường hoá 41

Hình 1–2b: Sơ đồ nguyên lý P&ID nồi lọc 42

Hình 1–2c: Sơ đồ nguyên lý P&ID nồi trung gian 43

Hình 1–2d: Sơ đồ nguyên lý P&ID nồi sôi hoa 44

Hình 1–2e: Sơ đồ nguyên lý P&ID nồi lắng xoáy 45

Hình 1–2f: Sơ đồ nguyên lý P&ID hê thống lạnh nhanh 46

Hình 1–2g: Sơ đồ nguyên lý P&ID nồi chứa bã 47

Hình 1–2h: Sơ đồ nguyên lý P&ID hệ thống nước nóng lạnh 48

Hình 1–2i: Sơ đồ nguyên lý P&ID hệ thống CIP nhà nấu 49

Hình 1–3b: Sơ đồ nguyên lý P&ID toàn bộ nhà máy bia 50

Hình 2- 2: Máy lọc khung bản 57

Hình 2- 2b: Cấu tạo nồi lọc 58

Hình 2- 3: Dao gạt bã 60

Hình 2- 4: Cấu tạo bên trong nồi lọc Pegasus 61

Hình 2- 5: Các hoạt động bên trong nồi lọc Pegasus 62

Hình 2- 6: Sơ đồ P&ID nồi lọc bã nhà máy bia Củ Chi 66

Hình 2- 7: Sơ đồ rút gọn điều khiển tốc độ nồi lọc bã 68

Học viên : vương vũ hiệp cao học đo lường và htđk 06-08 Hình 2- 8: Sơ đồ P&ID nồi lọc bã thuộc hệ Nấu nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội 69

Hình 3- 6: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển tầng được áp dụng 72

Hình 3- 7: Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi một vòng đơn 73

Hình 3- 8: Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi một vòng đơn 77

Hình 4- 1: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển tầng đã lựa chọn 85

Hình 4- 2: Sơ đồ hệ thống điều khiển có thể phát triển lên 91

The project summarisation

1 - The Project’s Name:

Designing and integration for automation system of brewery lauter tun in innovation Brewery production line

This project has been carried out with a desire to improve the lauter period time, the wort quality, the wort clarity at lauter tun in the total period time of brewing process in brewhouse I hope that the results of researching process can be applied widely in breweries and bring about possitive effects

2 – Solution choice

 The solution is use the best filtration speed, timing of filter, quality

of filter (the wort quality reaches the allowded clarity/turbidity)

 Idealize some not important condition of system

 Automating brewing process in order to control optimal lauter speed, period/cycle of filter, and quality of filter

3 – Choosing architecture suitable for Designing and integration for automation system of brewery lauter tun

4 – Evaluating the effect of system

5 – Conclusion and petition

Bản tóm tắt luận văn

1- Tên đề tài:

“Thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hoá lọc bã bia trong dây chuyền nấu

bia hiện đại”

Với mong muốn góp phần ngày càng nâng cao sự tự chủ của các đơn vị nội

địa đối với các phần mềm tự động hoá trong lĩnh vực rượu-bia-nước giải khát

đồng thời giúp các đơn vị sản xuất có thể tiết kiệm được chi phí năng lượng Nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy bia nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm với chi phí đầu vào không lớn

 Tuyến tính hoá một số quan hệ giữa các thông số trong phạm vi hẹp

3- Phân tích, thiết kế và lựa chọn cấu trúc hệ thống phù hợp

4- Đánh giá hiệu quả của hệ thống

5- Kết luận và kiến nghị

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại vào thực tiễn sản xuất đã có nhiều những thay đổi tích cực, các thuật toán điều khiển có cấu trúc ngày càng được ứng dụng nhiều trong các bộ điều khiển trung tâm của các dây chuyền sản xuất, có chức năng tạo ra các sản phẩm mà chất lượng của nó ngày càng đòi hỏi phải được nâng lên nhằm nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường Chất lượng sản phẩm không những phụ thuộc vào nguyên liệu, vào công nghệ sản xuất mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống điều khiển quá trình sản xuất

Xét riêng trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, cụ thể hơn là ngành công nghiệp sản xuất bia, một ngành mà theo báo cáo của bộ công nghiệp trình Thủ Tướng về việc điều chỉnh, bổ sung Quy hoạch tổng thể phát triển ngành Bia – Rượu – NGK Việt Nam đến năm 2010: “mục tiêu cho đến năm 2010, xây dựng ngành bia - rượu - NGK thành một nghành kinh tế mạnh, khuyến khích sử dụng nguyên liệu trong nước, phát triển sản suất các sản phẩm chất lượng cao, có uy tín, thương hiệu hàng hóa mạnh trên thị trường” thì việc nâng cao chất lượng sản phẩm với tỷ lệ nội địa hoá cao là một nhu cầu rất lớn đối với những doanh nghiệp hoạt

động trong lĩnh vực này Nhu cầu ấy không chỉ đến từ các doanh nghiệp chuẩn bị đi vào hoạt động mà còn đến từ các doanh nghiệp đã đi vào hoạt động đang sở hữu các

hệ thống điều khiển cũ mà chủ yếu là điều khiển theo kinh nghiệm và độc lập các tham số hệ thống, nay muốn nâng cấp hệ thống điều khiển của mình cho phù hợp hơn với yêu cầu của thị trường Nhu cầu đó đòi hỏi các đơn vị trong nước làm phần mềm cho ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và ngành sản xuất bia nói riêng cần tìm đến các giải pháp tổng thể hơn trong điều khiển hệ thống sản xuất nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng của sản phẩm, các giải pháp ấy cần xuất phát từ sự chủ

động của bản thân các đơn vị này, điều đó sẽ mang lại hiệu quả cao cho các doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ hơn là việc sử dụng ngay hệ thống phần mềm điều khiển chuyên dụng nhập ngoại có giá thành rất cao, đồng bộ từ phần mềm khung đến triển khai điều khiển chi tiết các thành phần, một hệ thống mà không nhiều doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này có khả năng trang bị

Trong phạm vi luận văn này, tác giả đề cập tới vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển một khâu trong dây chuyền Nấu bia và kết quả áp dụng ở nhà máy bia Sài

Gòn Hà Nội – Khu công nghiệp vừa và nhỏ huyện Từ Liêm - Hà Nội, một nhà máy được lắp đặt chế tạo bởi công ty Cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa – POLYCO,

cụ thể hơn đó là thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa lọc bã bia trong dây chuyền nấu bia hiện đại, một khâu rất quan trọng trong sản xuất có chức năng tạo nên độ trong, độ tinh khiết của bia

Luận văn có nội dung chính sau:

- Nhận định bài toán điều khiển dựa trên các yêu cầu thực tế về công nghệ cũng như chất lượng của hệ thống

- Nghiên cứu sách lược điều khiển phù hợp khả dĩ áp dụng được vào điều khiển hệ thống thực tế giúp nâng cao chất lượng điều khiển đồng thời tăng

được năng suất sản xuất

- Cài đặt thuật toán điều khiển trên S7-400 và áp dụng vào thực tế sản xuất

- Kết quả thực nghiệm, các ưu nhược điểm và hướng nghiên cứu

Luận văn được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân cùng rất nhiều sự giúp đỡ

và hướng dẫn tận tình của thầy thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Quế, Bộ môn Đo lường và tin học công nghiệp - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Vì lý do thời gian cũng như kiến thức còn nhiều hạn chế, luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và bạn đọc

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: Tổng quan về ngành bia và hệ thống

điều khiển trong dây chuyền nấu bia

1.1 Giới thiệu sơ lược về ngành bia

Ngành công nghiệp sản xuất bia có lịch sử phát triển lâu đời Cho đến nay, bia

đã trở thành một loại đồ uống không thể thiếu được trong cuộc sống của con người hiện đại do bia là loại đồ uống giàu dinh dưỡng, có độ cồn thấp với hương thơm đặc trưng của malt đại mạch, hoa houblon và các sản phẩm tạo ra trong quá trình lên men Hiện nay, ngành công nghiệp bia phát triển rất nhanh, đem lại nguồn thu nhập

tương đối cao cho ngành kinh doanh bia và các dịch vụ, sản phẩm phụ đi kèm

Một số nước Châu Âu với khí hậu lạnh có truyền thống sản xuất bia nhu cầu tiêu thụ bia của một số nước trong khu vực rất cao so với tiêu thụ bia trên thế giới Châu á là khu vực có ngành công nghiệp bia phát triển muộn hơn Châu Âu nhưng khu vực này có dân số đông và là thị trường trẻ cho nên mức tiêu thụ bia đang ngày càng tăng

Nhìn chung ngành công nghiệp sản xuất bia trên thế giới hiện nay đang phát triển một cách nhanh chóng, đặc biệt ở các nước đang phát triển ở những nước có nhu cầu tiêu dùng cao, mức tiêu thụ bình quân đầu người lên tới 100 lít/người/năm

1.2 Tổng quan về ngành công nghiệp bia ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình sản xuất bia ở Việt Nam

Trong năm năm gần đây, do tác động của những yếu tố chính như tốc độ tăng GDP, tăng dân số, đô thị hóa, du lịch, tốc độ đầu tư, xắp xếp tổ chức sản xuất… nghành công nghiệp bia Việt Nam đã có tốc độ tăng trưởng cao, bình quân 8 – 12

%/năm

Sản xuất nội địa đang dần đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ Năng lực sản xuất bia tập trung chủ yếu tại những tỉnh thành phố trực thuộc Trung ương như: TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Hải Phòng Các nhà máy bia liên doanh với các hãng bia nước ngoài ngày càng mở rộng và phát triển như: Tiger, Heiniken, Halida, Foster, Carlsberg, Sanmiguel, Huda… hầu hết các nhà máy bia này đã đạt công suất thiết kế

và đang xin cấp phép nâng công suất nhà máy hoặc xây dựng các nhà máy mới

Về trình độ công nghệ, thiết bị: Những nhà máy có công suất trên một trăm triệu lít/năm đều có thiết bị hiện đại, tiên tiến, được nhập khẩu từ các nước có nền công nghiệp phát triển

Về chủng loại sản phẩm, hiện nay trên thị trường có 03 loại chủng loại sản phẩm bia chủ yếu là bia chai, bia lon, bia hơi ngoài ra bia tươi cũng đã bắt đầu xuất hiện và chiếm một thị phần tương đối nhỏ chủ yếu ở các Thành Phố lớn như Hà Nội

và TP Hồ Chí Minh

Theo báo cáo của bộ công nghiệp trình Thủ Tướng về việc điều chỉnh, bổ sung Quy hoạch tổng thể phát triển nghành Bia – Rượu – Nước giải khát (NGK) Việt Nam đến năm 2010, mục tiêu cho đến năm 2010, xây dựng nghành bia - rượu - NGK thành một nghành kinh tế mạnh, khuyến khích sử dụng nguyên liệu trong nước, phát triển sản suất các sản phẩm chất lượng cao, có uy tín, thương hiệu hàng hóa mạnh trên thị trường

1.2.2 Định hướng phát triển ngành công nghiệp bia Việt Nam

Để chuẩn bị tốt cho việc hội nhập kinh tế khu vực và quốc tế, đòi hỏi các doanh nghiệp trong nước phải quy hoạch sắp xếp, tổ chức quản lý lại sản xuất, liên doanh liên kết trong và ngoài nước để phát triển thành những tập đoàn kinh tế mạnh,

đủ sức cạnh tranh khi hội nhập mở cửa

Từ những số liệu thực tế và những đánh giá xu hướng phát triển của ngành, quy hoạch tổng thể phát triển ngành Bia – Rượu – Nước giải khát Việt Nam đến năm

2010 nêu rõ sản xuất trong nước cần điều chỉnh bổ sung trên nhiều phương diện: chủng loại sản phẩm, công nghệ, thiết bị, hướng đầu tư cũng như về nghiên cứu khoa học và đào tạo [6] Tập trung đầu tư các nhà máy có công suất lớn, hạn chế bớt các nhà máy bia có công suất nhỏ để khẳng định thương hiệu, nâng cao khả năng cạnh tranh

Tạo điều kiện cho các doanh nghiệp Nhà nước, các công ty cổ phần có vốn Nhà nước chi phối được liên doanh, liên kết, bán cổ phần cho các hãng bia lớn trên thế giới để thu hút vốn đầu tư nước ngoài, tiếp thu trình độ quản lý tiên tiến, công nghệ kỹ thuật hiện đại, nâng cao chất lượng sản phẩm, đẩy mạnh xuất khẩu và nâng cao sức cạnh tranh khi hội nhập Rút kinh nghiệm từ các nước đang phát triển trên thế giới, các hãng bia không có thương hiệu và các nhà máy bia có công suất nhỏ sẽ

bị đào thải hoặc phải sát nhập, bán lại cổ phần cho các hãng bia lớn, có thương hiệu mạnh

Dự kiến phát triển về ngành công nghiệp sản xuất bia như sau:

Năm 2007, đạt sản lượng 1.800 triệu lít;

Năm 2010, đạt sản lượng 2.500 triệu lít

Với quy hoạch phát triển như vậy, đòi hỏi các doanh nghiệp phải có sự nâng cấp và đổi mới hệ thống sản xuất trong đó vấn đề nâng cấp và cải tiến hệ thống điều khiển là rất quan trọng Việc nâng cấp hệ thống điều khiển được xem xét nghiên cứu cho nhiều hệ chức năng trong nhà máy, tuy nhiên việc cải tiến hệ thống điều khiển cho dây chuyền Nấu được coi là quan trọng hơn cả và khả dĩ đạt được hiệu quả cao trong vấn đề nâng cao chất lượng và chủng loại sản phẩm, tăng sức cạnh tranh cho doanh nghiệp bởi đây là khâu quan trọng bậc nhất trong hệ thống sản xuất và tương

đối phức tạp trong vấn đề điều khiển Để có thể cải tiến chất lượng điều khiển cho

hệ thống dây chuyền Nấu thì vấn đề hiểu rõ quá trình công nghệ cùng các vấn đề liên quan cũng như lựa chọn được phương pháp điều khiển phù hợp là rất quan trọng

Trong dây chuyền Nấu bia có rất nhiều công đoạn Để có thể nghiên cứu và xem xét hết các vấn đề của cả dây chuyền cần một lượng thời gian và công sức lớn Trong phạm vi luận văn này, tác giả muốn tập trung nghiên cứu và xem xét cải tiến thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hoá cho chỉ một công đoạn trong hệ thống Nấu, đó là quá trình lọc bã bia, một công đoạn mà sự tự chủ về điều khiển của các

đơn vị trong nước còn rất nhiều hạn chế Sau đây, chúng ta đi xem xét công nghệ của dây chuyền Nấu nói chung và của công đoạn lọc bã bia nói riêng lấy cơ sở cho việc thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hoá lọc bã bia

1.3 Vai trò của hệ Nấu trong sản xuất

Nhà máy bia có các hệ thống chính sau: hệ thống nấu, cấp nhiệt, cấp lạnh, lên men, bảo quản, vệ sinh, thanh trùng thiết bị (CIP), thu hồi CO2, chứa nguyên liệu, cấp nước sản xuất, xử lý nước, đóng chai Do khuôn khổ của đề tài nghiên cứu, ở

đây chúng ta chỉ xét các vấn đề của hệ thống dây chuyền Nấu bia và cụ thể hơn là cụm thiết bị của nồi lọc bã bia (lauter) - một khâu rất quan trọng trong dây chuyền

Đối với một nhà máy bia, dây chuyền Nấu là một dây chuyền rất quan trọng,

đóng vai trò quyết định đến nồng độ các chất dinh dưỡng, đến độ trong, màu, hương

vị và khả năng tạo bọt cho bia thành phẩm Nhiệm cụ của nó là nhận đầu vào là gạo

và malt nguyên liệu đã qua xử lý làm sạch, biến đổi hoá lý và phối trộn để cuối cùng

đưa ra dịch đường lạnh đã đạt được các chỉ tiêu cần thiết về độ đường và lượng các chất hoà tan được chuyển từ một lượng nguyên liệu nhất định vào nước nha Dịch

đường này được bơm đưa sang các tank lên men để chuẩn bị cấy giống nấm men

Hệ thống 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 trợ

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

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

Nồi đ ường 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 húp lông hoá

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

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 hèm

trước khi đi làm lạnh nhanh để đưa đến tank lên men

Hệ thống cấp nhiệt: Để thực hiện quá trình nấu nguyên liệu, thanh trùng thiết

bị và hệ thống cung cấp nước nóng cần phải có hệ thống cấp nhiệt Nhiệt cấp cho các thiết bị được sản xuất từ nồi hơi Tuỳ theo từng nhà máy, nồi hơi có thể sử dụng nhiên liệu đốt là chất rắn, lỏng hay khí

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

Quá trình nấu bia là quá trình xử lý, thực hiện theo tuần tự từ nồi này đến nồi kia theo chức năng của từng nồi Trong đó, nồi lọc bã bia ảnh hưởng rất nhiều và có vai trò rất quan trọng đối với chất lượng bia, công suất hoạt động của nhà nấu bia (độ trong của bia, tốc độ lọc, thời gian lọc)

1.4 Tổng quan về hệ thống điều khiển trong dây chuyền nấu

Trước khi đưa ra hệ thống điều khiển trong dây chuyền nấu chúng ta sẽ phân tích tổng quan về các công đoạn trong dây chuyền

Tuỳ vào quy mô của từng nhà máy, tuỳ vào quy trình công nghệ của các hãng bia khác nhau, trong dây chuyền nấu có một số công đoạn khác nhau Nhưng dù bất

kỳ dây chuyền nấu nào cũng phải đảm bảo được chất lượng bia và các bước công nghệ chung mà dây chuyền nấu phải thực hiện Trong một dây chuyền nấu nói chung có các công đoạn chính như sau:

1 – Hồ hoá: Nồi hồ hoá (Rice cooker)

2 – Đường hoá: Nồi đường hoá (Mash Tun)

3 – Lọc bã bia: Nồi lọc bã bia (Lauter turn)

4 – Sôi hoa: Nồi houblon hoá hay nồi sôi hoa (Wort kettle)

5 – Lọc cặn: Nồi lắng xoáy (Whirl pool)

6 – Làm lạnh nhanh: Hệ thống lạnh nhanh (Wort cooler)

7 – Chứa bã: Tank đệm chứa bã thải (Spend grains silo)

8 – Vệ sinh: Hệ thống CIP rửa cho dây chuyền Nấu (CIP plant Brewhouse)

9 – Cấp nước: Hệ thống nước nóng lạnh cấp cho dây chuyền Nấu (Brew water supply plant)

Ngoài ra, đối với các dây chuyền nấu hiện đại có công suất lớn, do yêu cầu

về công suất nấu cao, nhanh và đáp ứng năng suất cao nhất cho các công đoạn sau nên trong dây chuyền còn có thêm nồi trung gian (Holding vessel) sau khi lọc bã bia

để chứa lượng dịch sau khi lọc chuẩn bị cho nồi sôi hoa, đồng thời tiếp tục quá trình nấu tại các nồi hồ hoá, đường hoá, lọc cho mẻ nấu tiếp theo

Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ Nấu sơ lược được mô tả như sau:

Malt được nghiền thành bột sau đó hoà trộn với nước theo tỷ lệ nhất định và ngâm ủ theo yêu cầu của công nghệ sản xuất Gạo nghiền thành bột được chuyển

đến nồi hồ hoá Tại đây bột được hoà trộn với nước và ngâm ủ trong nồi Sau đó

được cấp nhiệt để phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến chúng thành

ược bơm

chuyển sang hoà trộn với malt Tại nồi đường hoá, malt được trộn đều với cháo sau

đó được ủ và gia nhiệt, mục đích để chuyển các chất không hoà tan trong malt và những chất hoà tan trong tinh bột, tạo thành đường, các axít amin và những chất hoà tan khác Sau đó dịch được bơm đi lọc thô tại 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 Trong quá trình này, nước

được thêm vào có tác dụng rửa bã, đồng thời để bù lại tổn thất do bay hơi trong khi nấu Bia có “thuần khiết” hay không “thuần khiết” tức là độ trong của bia phụ thuộc vào quá trình này Ngoài ra, một vấn đề rất quan trọng trong quá trình nấu là phải cố gắng đạt được năng suất cao nhất Vì vậy, 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 Quá trình lọc hoàn thành, dịch được chuyển sang nồi houblon ở nồi houblon hoá, người ta cấp nhiệt nấu dịch sau khi đã được trộn với hoa houblon trong thời gian khoảng 1h ở nhiệt độ 100 0C đến 1050C Mục

đích của quá trình houblon là tạo cho bia thành phẩm có vị đắng, hương thơm và khả năng tạo bọt Sau quá trình houblon hoá, dịch được chuyển sang thùng lắng xoáy để tiếp tục lọc lần cuối bằng phương pháp ly tâm Kết thúc quá trình lọc ở thùng lắng xoáy, dịch được bơm chuyển đến thiết bị làm lạnh nhanh, sau đó được sục khí vô trùng và trộn với men giống rồi chuyển đến các tank lên men, thực hiện quá trình lên men

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý của dây chuyền nấu bia

Quá trình sản xuất bia là phức tạp và dao động một cách đáng kể giữa các nhà sản xuất, nhưng các công đoạn cơ bản không thể thiếu thì có thể được đơn giản hóa như dưới đây:

Hình 1-2: Sơ đồ khối nguyên lý sản xuất bia chính của NM bia Sài Gòn Hà Nội

Maựy nghieàn

malt ửụựt

Noài naỏu Malt

Nghieàn malt loựt

Thuứng khuaỏy boọt malt loựt Noài naỏu gaùo

Noài loùc dũch ủửụứng Noài trung gian

Noài soõi hoa Houblon

Noài laộng xoaựy Whirlpool T.bũ laứm laùnh

Boọ saùc khoõng khớ voõ truứng Boọ hoaứ troọn men

Boàn leõn men LMC : 7 ngaứy LMP : 7–14 ngaứy

Nửụực rửỷa baừ 78 0 C

Traùm laỏy maóu

Nửụực laùnh 2 0 C

1.4.2 Quy trình công nghệ sản xuất bia và sơ đồ khối của quá trình sản xuất

Hình 1.3a - Sơ đồ tống quan các công đoạn chính trong một nhà máy bia

Hình 1.3b - Sơ đồ tống quan các công đoạn chính trong một nhà máy bia

đường hóa

Dịch hóa Nấu chín Lọc trong thu

Lắng Làm lạnh Lên men Lên men Lọc trong bia Bia tươi

Hình 1.3c - Sơ đồ tống quan các công đoạn chính trong một nhà máy bia

Lọc Húp lông hoá

Men

giống Nhân giống

Xử lý Nạp chai Rút

Men

sữa

Xử lý Bã

Lên men phụ Lọc bia Tàng trữ

Chai, lon Kiểm tra

Chiết chai, lon Thanh trùng

Dán nhãn, xếp thùng

Hoa húp lông

Quá trình xay nghiền nấu bao gồm một số công đoạn làm sạch và xay malt, xay nguyên liệu phụ (gạo), thủy phân protein và đường hóa tinh bột trong malt và trong nguyên liệu phụ (gạo), lọc dung dịch cách ly ở nồi lọc, đun sôi dung dịch với hoa huplông ở nồi đun sôi, làm trong bia ở thùng lắng xoáy và làm lạnh nước nha ở

hệ thống làm lạnh dịch nha nhanh Sau khi làm lạnh xuống nhiệt độ cần thiết, dịch nha sẽ được chuyển vào tank lên men ở đó dịch nha được lên men chính, quá trình lên men chính phụ thuộc vào công nghệ và chủng loại, đời men của mỗi nhà máy bia Sau khi lên chính dịch nha bây giờ gọi là bia non, bia non sẽ chuyển đi lọc thành bia trong thành phẩm và quay về chứa trong tank thành phẩm và sau đó được vận chuyển đi chiết chai hoặc chiết bia lon, hay chiết Keg bia tươi hoặc bia hơi rồi tiêu thụ

Nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội (SAHABECO) do Công ty Cổ phần Bia Sài Gòn Hà Nội làm Chủ đầu tư được xây dựng tại Khu công nghiệp vừa và nhỏ Huyện

Từ Liêm, Từ Liêm, Hà Nội với công suất 90 triệu lít bia thương phẩm/năm, có khả năng mở rộng lên 120triệu lít/năm Nhà máy được khởi công xây dựng trên diện tích

6 hecta vào tháng 9 năm 2007 và được bàn giao đưa vào sử dụng vào tháng 11 năm

2008 Ngay khi ban giao, nhà máy đã chạy ổn định và vượt công suất thiết kế, đáp ứng đủ yêu cầu đề ra ban đầu

Toàn bộ nhà máy do công ty Cơ nhiệt điện lạnh Bách Khoa (POLYCO) làm tổng thầu, trong đó hãng KRONES AG (CHLB Đức) cung cấp dây chuyền chiết chai, hệ thống lọc và pha bia cho nhà máy Nhà máy Bia Sài Gòn Hà Nội sản xuất bia theo công nghệ của nhà máy Bia Sài Gòn trên hệ thống máy móc do POLYCO thiết kế và chế tạo trong nước và một số thiết bị nhập ngoại của hãng KRONES AG ( Đức ) POLYCO thiết kế và chế tạo, lắp đặt và tự động hóa các hệ xay nghiền và vận chuyển nguyên liệu, hệ thống nấu, hệ thống lên men, tank thành phẩm, hệ thống

xử lý nước nấu, xử lý nước thải, hệ thống máy nén khí, hệ thống lạnh, hệ thống thu hồi CO2, hệ thống lò hơi, hệ thống điện phân phối động lực và hệ thống điện điều khiển tự động

Hình 1.4-Sơ đồ khối của quá trình sản xuất tại nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội

Chú thích về đường công nghệ trên hình vẽ:

- Đường màu đỏ ( ) biểu diễn sự cung cấp điện năng từ tủ phân phối

đến tất cả các hệ thống hay bộ phận trong nhà máy

- Đường màu xanh đậm ( ) biểu diễn sự cung cấp nước cho các bộ phận trong nhà máy

- Đường màu tím ( ) biểu diễn sự cấp hơi nước nóng cho các bộ phận

- Đường màu vàng ( ) biểu diễn sự cấp khí nén cho các bộ phận

- Đường màu đen ( ) biểu thị sự thu hồi nước thải từ tất cả các bộ phận

về bể gom nước thải của hệ thống xử lý nước thải

- Đường màu vàng xanh ( ) biểu diễn sự thu hồi từ các tank lên men và cấp CO2 cho hệ lên men, lọc, chiết

- Đường màu xanh nhạt ( ) biểu diễn sự cung cấp Glycol làm lạnh cho các hệ nấu, lên men, lọc, chiết, tank thành phẩm và các bộ phận khác trong nhà máy

Nhà máy bia Sài Gòn Hà Nội được chia thành 13 hệ nhỏ, mỗi hệ là một bộ điều khiển riêng Trong đó hệ xử lý nguyên liệu, hệ nấu, hệ lên men, lọc, thành phẩm và CIP được kết nối với nhau qua mạng công nghiệp để điều khiển giám sát tại phòng

điều hành trung tâm, còn các hệ khác điều khiển cục bộ tại hiện trường Các hệ trong nhà máy bia có thể mô hình khối như hình 1.4

1.4.3 Hệ thống điều khiển ứng dụng trong dây chuyền nấu

a) Một số phương pháp điều khiển trong công nghiệp

 Khái niệm về SCADA

Hệ SCADA ( Supervisory Control And Data Acquistion) là hệ thống giám sát

và thu thập dữ liệu trong công nghiệp Hệ SCADA đã trở thành một ứng dụng phổ biến và hiệu quả trong công nghiệp, giúp con người quan sát và điều khiển các thiết

bị từ xa thông qua giao diện HMI ( Human Machine Interface ).Cấu trúc hệ thống

điều khiển phân cấp theo hình nón, có thể phân ra 4 cấp như hình dưới đây

Quá trình công nghệ (QTCN – Process) là một thiết bị điều khiển nào đó hay tập hợp các cơ cấu nào đó nhằm hoạt động sản xuất sản phẩm định trước

Cấp 0 (Individual Control): Là các cơ cấu thừa hành, chấp hành Đó là các thiết

bị đo, các cảm biến dùng để thu nhận tín hiệu từ QTCN, đó là các van, động cơ, … nhận thông tin điều khiển và thực hiện nó

Sensors Measurement actuators, motors, relays, valves

Cấp 1 (Local Control): Là cấp điều khiển cục bộ, nó điều khiển từng máy, từng

bộ phận của quá trình công nghệ Hệ thống nhận thông tin từ cấp 0 rồi thực hiện các thao tác do con người đặt sẵn bằng chương trình cài đặt Mọi thông tin thu được từ cấp 0 và các kết quả thu được trong quá trình tác động được báo lên cấp 2 Cấp này thường dung là các bộ PID, các bộ Controller hay các bộ logic lập trình được điển hình như PLC

Cấp 2 (Process Control): Cấp điều khiển quá trình công nghệ ở cấp này có máy tính hoặc mạng máy tính, máy tính có nhiệm vụ thu thập thông tin về quá trình công nghệ được gửi từ cấp 1 lên, rồi xử lý những thông tin đó và trao đổi với người điều khiển Thông qua máy tính, người điều khiển có thể can thiệp vào quá trình công nghệ, như vậy hệ điều khiển ở đây thuộc hệ điều khiển người – máy

Cấp 3 (Supervisory Control Management System): Cấp điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất ở cấp độ này có trung tâm máy tính, và chúng không những xử lý những thông tin mà cấp 2 đưa lên còn xử lý thêm những thông tin về thị trường, vật tư, … và đưa ra những giải pháp tối ưu cho người quản lý Cũng giống như hệ thống

điều khiển quá trình công nghệ, cấp 3 cũng là một hệ điều khiển người – máy nhưng ở cấp độ cao hơn

Như vậy điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và truyền đạt thông tin điều khiển, ngày trước cấp độ 1, 2 và 3 là do con người đảm nhiệm như hình dưới 2 Còn ở hình 3 vai trò con người cũng rất quan trong nhưng ở cấp độ quản lý, định hướng Do vậy con người đóng vai trò cực kì quan trong trong hệ thống điều khiển Sự tiến bộ của khoa học kỷ thuật thể hiện sự khác nhau cuả 2 hình này

QTCN

Nhiễu

Thông tin

điều khiển Thông tin

đầu vào

Hình 1.6-Quá trình xử lý thông tin trong điều khiển thông thường

- Cơ sở dữ liệu quá trình, dữ liệu cấu hình hệ thống

- Các chức năng hỗ trợ trao đổi tin tức (Messaging), sự cố (Alarm)

- Hỗ trợ lập báo cáo và thống kê (Reporting)

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 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 Từ những năm gần đây, tiến bộ trong các lĩnh vực truyền thông công nghiệp và công nghiệp phần mềm thực sự đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới 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

 Các vấn đề cần đặc biệt chú ý khi đánh giá một giải pháp SCADA:

- Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện các màn hình giao diện, chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn

- Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các modul Vào/Ra qua PLC hay các hệ thống bus trường)

- Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình

Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu giữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting)

- Tính năng thời gian và hiệu suất trao đổi thông tin

- Giá thành tổng thể của 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 Có hai phương pháp để thực hiện là:

Phương pháp lập trình: là phương pháp tạo dựng ứng dụng bằng các ngôn ngữ lập trình thông dụng như Visual C++,Visual Basic, Delphi, Việc này đòi hỏi người

kỹ sư phải có trình độ lập trình chuyên sâu Chỉ riêng việc tạo các biểu tượng thường thấy trong công nghiệp như van, đồng hồ, đường ống đã mất rất nhiều công sức và thời gian Cho dù sử dụng những kỹ thuật lập trình tiên tiến, thì điều không thể tránh khỏi là phải biên dịch lại toàn bộ ứng dụng (Compiler)

Phương pháp thứ hai sử dụng những công cụ phần mềm chuyên dụng cho hệ SCADA (phần mềm SCADA) Phương pháp này thể hiện tính ưu việt ở ngay tính chuyên dụng của nó Các công cụ này có sẵn thư viện thành phần cho việc xây dựng giao diện người – máy (HMI), cũng như các phần mềm kết nối với các thiết bị cung cấp dữ liệu thông dụng Để đơn giản hoá việc tạo dựng, xu hướng hiện nay là kết hợp phương pháp lập trình trực quan với một ngôn ngữ script thông dụng (tương

tự việc soạn thảo văn bản) Đi xa hơn nữa, một số công cụ cho phép ta sử dụng các biểu tượng, ký hiệu đồ họa để xây dựng giao diện người – máy, đồng thời biểu diễn

sự liên quan logic giữa các thành phần của chương trình dưới dạng các khối chức năng

Thực tế hiện nay các công cụ chuyên dụng tạo dựng SCADA được sử dụng rộng rãi là: Genesis32 (Iconics), iFix (Intellution), Intouch (Wonderware), WinCC (SIEMENS), RSView32 (Rockwell) Wonderware, Siemens, Intellution hay Rockwell là những hãng nổi tiếng trong công nghiệp

Trong nội dung đồ án tốt nghiệp này phần mềm của SIEMENS được sử dụng

 Các hệ SCADA trên thế giới

 Hệ giám sát của Intellution - iFix

iFix, một trong những thành viên trong hệ thống phần mềm của Intellution Dynamics – GE Fanuc Bao gồm iFix Standard HMI Pack, iFix Plus SCADA Pack Với iFix là giải pháp HMI/SCADA tối ưu, cung cấp khả năng trực quan hóa quá trình sản xuất, thu thập số liệu và dữ liệu điều khiển trong toàn nhà máy iFix cho khả năng mạnh và an toàn trong điều khiển mọi hoạt động của quá trình sản xuất,

đáp ứng nhanh, giúp giảm bớt sự lãng phí, cải thiện chất lượng, giảm thời gian đưa sản phẩm mới ra thị trường và làm tăng lợi nhuận cho nhà máy

Các nhà sản xuất thành công trên thế giới đã nói về iFix như sau:” Với những ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm, công nghệ sinh học, đóng gói sản phẩm, thực phẩm rau quả, dầu khí và các nghành tiêu dùng khác, iFix chính là giải pháp HMI/SCADA toàn diện cho tất cả các nhà sản xuất”

 Hệ giám sát của Wonderware – Intouch

Bộ phần mềm Wonderware còn được gọi là FactorySiute, gồm có các phần mềm sau:

- InTouch: cung cấp cho người sử dụng công cụ tạo giao diện người - máy (HMI) và điều khiển bằng tay InTouch có khả năng kết nối được hầu hết các bộ

điều khiển của các hãng khác nhau, thông qua phần mềm quản lý vào/ra (I/O Server) của Wonderware và các chuẩn mở OPC (OLE for Process Control) InTouch cũng

hỗ trợ thư viện chuẩn biểu tượng thiết bị của các ngành công nghiệp Nhờ đó, người

sử dụng có thể dễ dàng tạo một giao diện sinh động, phù hợp với các hệ thống của nhà máy Các mã Script và các hàm chức năng (Function) hỗ trợ tối đa khả năng của các kỹ sư trong việc lập trình hệ thống và thiết kế cơ sở dữ liệu Với hệ thống cơ sở dữ liệu mở, InTouch có khả năng tạo và kết nối được với các hệ cơ sở SQL, MS Accesss, …

Hiện nay, ở Việt Nam có một số nhà máy đang sử dụng các hệ thống DCS và PLC Nhà máy Nhựa của Thái Lan ở Khu Công nghiệp Long Thành được điều khiển bằng DCS Honeywell 3000, Nhà máy Đường Sông Con (Nghệ An) được điều khiển bằng PLC Allen Bradley Series 5, Nhà máy Xử lý than Cẩm Phả được điều khiển bằng hệ thống DCS Yokogawa C1000 Hệ thống PLC và HMI cũng sẽ thực hiện

được đầy đủ chức năng khi sử dụng trong các nhà máy lớn

Phần mềm Wonderware đang được sử dụng tại hơn 350 nhà máy trên toàn cầu, thuộc nhiều ngành công nghiệp như sản xuất thực phẩm, hoá chất, dược phẩm, hoá

mỹ phẩm, dầu khí, hàng không… Đến Việt Nam cách đây khoảng 3 - 4 năm, nhưng phần mềm công nghiệp Wonderware đã nhận được sự quan tâm của khá nhiều doanh nghiệp Hiện phần mềm đa năng này đang được sử dụng trong nhà máy Xi măng Nghi Sơn, Công ty Netsle, Thủy điện Đa Nhim (Hàm Thuận)… và sử dụng trong thiết kế và quản lý các trạm điện - tự động hóa ở Thủ Đức (Tp HCM), hệ thống Mini SCADA cho Điện lực Hà Nội…

 Hệ giám sát của Siemens – WinCC

Chúng ta sẽ đề cập riêng hệ này tại mục giới thiệu ở phần tiếp theo

 Giới thiệu hệ điều khiển giám sát của Siemens

 Phần mềm Engineering – STEP7

Bộ công cụ chuẩn STEP 7 là nền tảng của khái niệm tự động tích hợp tổng thể, với khả năng tạo lập cấu hình, lập trình, xử lý và truyền dữ liệu một cách đồng nhất STEP 7 dùng để mô tả cấu hình của các phần tử SIMATIC, xác định các thông số và lập trình cho các phần tử đó Bộ SIMATIC Manager trong STEP 7 là công cụ trung tâm để xử lý các dữ liệu tự động và là công cụ phần mềm cần thiết Chính bộ Manager này lưu giữ tất cả các dữ liệu của một dự án tự động hoá trong một thư mục với cấu trúc kiểu phân cấp và lưu trữ trong thư viện cả các phần mềm chuẩn và các phần mềm có thể sử dụng lại

Bộ Công cụ chuẩn STEP 7 thực hiện các công việc khai báo và xây dựng cấu hình phần cứng, tạo kết nối và soạn thảo, quan sát chương trình

Ngoài ra STEP7 còn có cả một thư viện đầy đủ với các hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời mọi yêu cầu của người sử dụng về cách sử dụng STEP7, về cú pháp lệnh trong lập trình, về xây dựng cấu hình cứng của một trạm cũng như một mạng gồm nhiều trạm PLC …

Step7 V5.3 cho phép “nhiều người sử dụng” ( Multi-user Capable), có nghĩa là

có thể soạn thảo đồng thời một dự án nằm trong trạm trung tâm từ nhiều trạm khác nhau

Bằng SIMATIC Manager có thể làm việc với các đối tượng (Object) trong thế giới STEP7 Các đối tượng “logic” thể hiện các đối tượng “thực” trong hệ thống thiết bị máy móc Một dự án (Project) chứa toàn bộ hệ thống, một trạm (Station) tương ứng với một bộ điều khiển PLC Một dự án có thể bao gồm nhiều trạm được kết nối với nhau bằng một mạng con MPI Một CPU được chèn vào trong một trạm, CPU này chứa một chương trình, trong trường hợp này là một chương trình S7 Chương trình cũng là một “thư mục” (Folder) dùng cho các đối tượng tiếp theo, chẳng hạn những khối Block chứa các khối dữ liệu đã được dịch

Công cụ chính của STEP7 là SIMATIC MANAGER, sau

khi cài đặt sẽ có biểu tượng như bên cạnh ở ngoài Desktop Để

khởi động SIMATIC MANAGER ta có thể lick đúp chuột trái

vào biểu tượng hoặc vào START→ SIMATIC → SIMATIC

Manager

 Soạn thảo một dự án (Project):

Khái niệm Project trong Simatic không đơn thuần chỉ là ứng dụng mà rộng hơn bao gồm tất cả những gì liên quan đến việc thiết kế phần mềm ứng dụng để điều khiển, giám sát một hay nhiều trạm PLC Theo khái niệm như vậy, trong một Project

sẽ có:

Bảng cấu hình cứng về tất cả các module của từng trạm PLC,

Bảng tham số xác định chế độ làm việc cho từng module của mỗi trạm PLC, Các logic block chứa chương trình ứng dụng của từng trạm PLC,

Cấu hình ghép nối và truyền thông giữa các trạm PLC,

Các màn hình giao diện phục vụ việc giám sát toàn bộ mạng hoặc giám sát từng trạm PLC của từng mạng

 Tạo mới hay mở rộng một dự án (project)

STEP7 Wizard giúp tạo một project mới Xác định CPU cần sử dụng và Wizard

sẽ tạo ra một project bao gồm một trạm S7 Station, chứa CPU đã được chọn, thư mục chương trình S7, thư mục tập tin nguồn và thư mục Blocks Phần này mô tả các bước cần thiết, khi muốn khởi tạo hay mở rộng một project mà không sử dụng đến Winzard:

Bước 1: Mở một Project hay tạo một cái mới

Bước 2: Đặt một Station mới trong project

được khởi động , khi mở Hardware thì Hardware Config được khởi động; nếu bạn

mở symbols thì Symbol Editor được khởi động và khi bạn mở một khối logic thì

đồng thời khởi động trình soạn thảo Program Editor

STEP7 có thư viện chuẩn gồm các phần sau:

- Các khối tổ chức OB (Organization Blocks)

- Các bảng mẫu về thông tin khởi động trong dữ liệu cục bộ tạm thời

- Các khối chức năng hệ thống SFB (System Function Blocks)

- Gọi các giao tiếp cho các chức năng hệ thống (SFC) và các khối chức năng hệ thống (SFB)

- Các khối chức năng IEC

- Các chức năng (FC)

- Các khối điều khiển PID

- Các khối chức năng FB cho các bộ điều khiển liên tục và từng bước

- Các khối truyền thông FC cho giao tiếp SEND/RECEIVE

 Truyền thông giữa Step7 và PLC:

Quy định địa chỉ MPI cho module CPU

Máy tính/Máy lập trình được ghép nối với module CPU qua cổng truyền thông nối tiếp RS232(COM) của máy tính hoặc qua cổng MPI (MPI card) hay cổng CP (CP card) là còn tùy thuộc vào bộ giao diện được sử dụng Tương tự cũng có nhiều khả năng nối PLC với máy tính, song để truyền thông nhờ Step7 thì PLC luôn phải

được nối với máy tính qua cổng lập trình RS485

Sau khi ghép nối module CPU với máy tính về phần cứng ta còn phải định nghĩa thêm địa chỉ truyền thông cho trạm PLC Điều này là cần thiết vì một máy tính/máy lập trình có thể cùng một lúc làm việc được với nhiều trạm PLC Mặc định, các module CPU đều có địa chỉ là 2 (địa chỉ MPI) Muốn thay đổi địa chỉ này ta vào bảng khai báo cấu hình cứng để vào thay đổi lại tham số làm việc, trong đó ta chọn tiếp General -> MPI và sửa lại địa chỉ MPI như hình 1.04

Hình 1.8- Đặt địa chỉ cho mạng MPI

Sau khi đã định nghĩa lại địa chỉ MPI cho trạm PLC, ta phải ghi lại địa chỉ lên module CPU và chỉ khi đó module CPU mới thực sự làm việc theo địa chỉ mới này Việc này được thực hiện bằng cách nhấn chuột vào biểu tượng trên thanh công

cụ của cửa sổ HW Config

Ghi chương trình lên module CPU: kích vào biểu tượng download trên thanh công cụ màn hình

Giám sát hoạt động PLC từ màn hình Step7: Khi chạy chương trình ta có thể theo dõi các bước thực hiện lệnh đã lập trình

 Phần mềm SCADA - HMI

Điều khiển một thiết bị hay một nhà máy nghĩa là điều khiển quá trình sản xuất

và can thiệp vào quá trình đó khi cần thiết SIMATIC HMI (Human Machine Interface: Giao diện giữa người và máy) cung cấp các công cụ và thiết bị cần thiết cho nhiệm vụ này SIMATIC HMI là một thiết bị bao gồm: bảng nút bấm (PP), màn hình hiển thị (TD), bảng điều khiển (OP), và bảng phím kiểu sờ (TP), cho tất cả các nhiệm vụ điều khiển vận hành và giám sát quá trình tại nơi đặt thiết bị Phần điều khiển vận hành của các trạm SIMATIC C7 cũng có thể được coi như một giao diện người-máy

Các thiết bị của họ SIMATIC HMI hoàn toàn thích hợp với PLC của SIMATIC S7 Sử dụng phần mềm ProTool để tạo cấu hình bảng điều khiển và thiết

bị giám sát quá trình, các thiết bị này trao đổi dữ liệu với CPU của các bộ điều khiển qua giao tiếp MPI hay mạng PROFIBUS Hệ điều hành CPU xử lý phần lớn các nhiệm vụ truyền thông ở mức cao của họ SIMATIC HMI có WinCC là một công cụ

thể coi đây là một hệ thống SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition) mạnh, vì nó đáp ứng được các yêu cầu cao nhất về hiển thị, điều khiển vận hành và giám sát các máy móc, nhà máy và các quá trình công nghiệp

ProTool và WinCC là công cụ tạo cấu hình cho các thiết bị SIMATIC HMI, ProAgent là phần mềm tuỳ chọn cung cấp các hiển thị chẩn đoán chuẩn

ProTool là công cụ tạo cấu hình cho các thiết bị HMI - từ màn hình hiển thị văn bản, đồ hoạ, bảng vận hành cho đến các hệ thống MP270 và OP37/Pro đựa trên cơ

sở Window Protool có 3 dạng, mỗi dạng có chức năng mục đích khác nhau: Protool/lite, Protool và Protool/Pro Cài đặt Protool như một " phần tích hợp " của STEP7 và sử dụng nó để tạo ra một dự án Protool Dự án Protool chứa tất cả các dữ liệu HMI và xác định HMI sẽ liên lạc với các trạm SIMATIC như thế nào Trạm HMI sẽ sẵn sàng làm việc khi đã được nạp các dữ liệu cấu hình

Có thể sử dụng ProAgent kèm với các công cụ kỹ thuật (Engineering Tool) để tạo ra các hiển thị chẩn đoán để chẩn đoán các lỗi trong thiết bị và nhà máy

WinCC là một phần mềm bậc cao cho phép tạo cấu hình các giao diện vận hành phức tạp để hiển thị, điều khiển vận hành và thu thập số liệu khi chạy trên các máy tính PC chuẩn hoặc trên hệ thống HMI dựa trên cơ sở Window Protool và WinCC cũng cung cấp các phần mềm chạy trên các hệ thống dựa trên Window

Trong luận án này không đi sâu vào Protool và Protool/Pro, ProAgent mà đi nghiên cứu về WinCC

SIMATIC WinCC (Window Control Center) là hệ thống SCADA chất lượng cao dùng trong môi trường tự động hoá các nhà máy sản xuất và các qúa trình công nghiệp WinCC có thể được cài đặt trên một PC chuẩn ( tương thích với AT), hoặc trên một bảng điều khiển kiểu OP47-12 đặt ngay cạnh thiết bị WinCC là một phần mềm 32 bit dựa trên cơ sở Window 95/98 hay trên Hệ điều hành Windows NT\ Windows XP

SIMATIC WinCC là một phần mềm thông thường hoặc là một phần mềm hoàn chỉnh (phần mềm thông thường cộng thêm với hệ thống cấu hình) WinCC cho phép tạo được các đồ thị quá trình để điều khiển và giám sát thiết bị máy móc hay nhà máy, lưu trữ các dữ liệu và sự kiện với các mốc thời gian trong một cơ sở dữ liệu SQL, quản lý tất cả các thông tin của nhà máy và có thể in ra dược dưới dạng các

báo cáo Trong phiên bản WinCC thông thường, người vận hành quan sát và điều khiển nhà máy hoặc thiết bị bằng các giao diện đồ hoạ được thiết kế banừg WinCC

Các ưu điểm chính của WinCC

Trung tâm điều khiển (Control Center) là mức cao nhất của hệ thống WinCC Khởi động tất cả các module từ mức cao nhất này

Người quản trị (Administrator) gán các quyền sử dụng các module cho từng cá nhân Mỗi khi người sử dụng nhập tên, hệ thống sẽ kiểm tra có đúng quyền sử dụng không và sau đó mở vùng dự án mà người sử dụng được phép truy cập Phần Thiết kế đồ hoạ (Graphic Designer) cho phép tạo lập được các đồ thị quá trình Có một giao diện rất dễ dàng sử dụng với các công cụ và các bảng đồ hoạ và các cấu hình hệ thống trợ giúp chứa trong một đối tượng tích hợp và một thư viện các ký hiệu Các kịch bản tổng quát (Global Scripts) là thuật ngữ chung của các chức năng

và thao tác C Chức năng và các thao tác của dự án được giới hạn trong dự án đã tạo

ra Tag logging chứa các chức năng đọc các thông tin của quá trình vào hệ thống HMI và xử lý các dữ liệu này để cho hiển thị và lưu trữ Thông báo (Alarm Logging) các sự kiện của quá trình, các thông báo và các báo động được thu thập,

xử lý, hiển thị, xác nhận và lưu trữ Tính năng này cho ta biết các thông tin đầy đủ

về các trạng thái sự cố và vận hành, cho phép nhận biết trước được các tình trạng tới hạn Điều này giúp giảm thiểu và thậm chí ngăn chặn được thời gian ngừng máy và nâng cáo được chất lượng sản xuất Phần thiết kế các biểu báo cáo (Report Designer) giúp tạo nên các biểu mẫu báo cáo và chuyển tới máy in Khi cần hiển thị hoặc in bản báo cáo này, nội dung của bản báo cáo sẽ được thay thế bằng các giá trị thực có lúc đó của quá trình

 Truyền thông

Truyền thông là sự trao đổi các dữ liệu giữa các module, đó là một phần được tích hợp sẵn của SIMATIC Hệ điều hành xử lý hầu hết các chức năng truyền thông Hai module CPU có thể sẵn sàng trao đổi dữ liệu chỉ với một đường cáp nối giữa chúng với nhau mà không cần thêm phần cứng nào khác Các module Communication Port (CP) cho phép xây dựng một mạng kết nối nội bộ cũng như liên kết với hệ thống bên ngoài

SIMATIC NET là thuật ngữ chung sử dụng cho hệ truyền thông SIMATIC Nó

với bảng điều khiển Có nhiều phương pháp truyền thông khác nhau đáp ứng đầy đủ các yêu cầu điều khiển

Việc trao đổi dữ liệu đòi hỏi các module phải có khả năng truyền thông ( các CPU hay các CP ) và được nối mạng với nhau Mạng (Network) là kết nối phần cứng giữa các trạm truyền thông Việc trao đổi dữ liệu sử dụng một kết nối theo một tiện ích nhất định (Communication Utility) Chương trình điều khiển truyền thông bằng các chức năng truyền thông

Mạng – Network, mạng con – Subnet :

Một mạng là một nhóm các thiết bị kết nối với nhau nhằm mục đích truyền thông Nó gồm một hay nhiều mạng con liên kết với nhau Những mạng con này có thể cùng loại hoặc khác loại

Một mạng con kết hợp tất cả các trạm truyền thông có cùng đặc tính vật lý và các thông số như tốc độ truyền, và sử dụng cùng một thủ tục truyền để trao đổi dữ liệu Có nhiều mạng con SIMATIC khác nhau MPI là mạng có giá thành thấp, dùng cho lượng dữ liệu nhỏ Profibus truyền lượng dữ liệu nhỏ đến trung bình ở tốc độ cao Industrial Ethernet điều khiển lượng dữ liệu lớn ở tốc độ cao và cuối cùng là các kết nối điểm – điểm (point – to – point) dùng kết nối nối tiếp với các thủ tục riêng

Mô tả các giao thức truyền thông sử dụng với thiết bị và phần mềm của hãng Siemens điển hình là:

Mạng MPI

MPI (Multi Point Interface) phù hợp với mạng có kích thước nhỏ, nó được sử dụng với SIMATIC S7 Giao thức MPI sử dụng cổng giao tiếp MPI của bộ xử lý PLC với Card truyền thông Nó được thiết kế dễ dàng configure và commissioning nhanh chóng

Một máy tính có thể truy nhập vào mạng MPI qua card truyền thông MPI, các card truyền thông cho Profibus cũng có thể dung được cho giao tiếp MPI

Mạng MPI có các đối tác truyền thông là các thành viên của họ SIMATIC S7 Mạng MPI có số trạm lớn nhất là 32, mạng MPI sẽ phù hợp với giải pháp với số lượng trạm nhỏ

Hình sau đây thể hiện một mạng MPI, các đối tác được giao tiếp với nhau qua card truyền thông tích hợp sẵn trong CPU của PLC và Card truyền thông MPI ở máy tính giám sát

Hình 1.9-Mô hình một mạng MPI Phương pháp truy nhập

MPI sử dụng phương thức truy nhập Token Passing, quyền được truy nhập Bus

được gửi từ trạm tới trạm đó gọi là Token Nếu trạm nhận được Token, nó có quyền gửi các bản tin đi Nếu trạm đó không có bản tin để gửi nó chuyển Token sang trạm

kế tiếp trong vong Ring logic Nói cách khác, Token sẽ được gửi đi sau một thời gian giữ cố định

Môi trường truyền

Phương thức truyền tương tự được dung cho mạng Profibus có thể sử dụng cho mạng MPI Nó được thiết kế như một mạng điện hay quang, tốc độ truyền thông dụng là 187.5 kBit/s, tuy nhiên các hộ S7-400 có thể đạt tốc độ truyền cao hơn nhiều

 Mạng PROFIBUS

Profibus (Process Field Bus) là một chuẩn mạng được thiết kế theo ột hệ thống truyền thông độc lập, mở Profibus được sử dụng để truyền lượng dữ liệu từ nhỏ tới trung bình giữa các đối tác truyền thông Với giao thức DP (Decentralized Periphery

- ngoại vi biên được phân quyền), Profibus được sử dụng cho các truyền thông tới