Điều khiển theo mẻ (Batching process) và ứng dụng cho dây chuyền sản xuất nước giải khát

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 160 ĐIỀU KHIỂN THEO MẺ (BATCHING PROCESS) VÀ ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT Dương Thị Vân Anh* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Điều khiển theo mẻ (Batch Process) là một phương thức điều khiển mới, nó gắn liền với các dây chuyền sản xuất tự động. Trong bài báo này, tác giả trình bày những nét tổng quan về điều khiển theo mẻ và đề xuất một ứng dụng điều khiển theo mẻ cho dây chuyền sản xuất nước giải khát tự động. Qua đó đánh giá những lợi ích kinh tế khi ứng dụng phương pháp điều khiển này trong lĩnh vực sản xuất hiện đại. Từ khóa: điều khiển quá trình (process control) điều khiển theo mẻ (Batch Process).  MỞ ĐẦU Điều khiển theo mẻ (Batching) là một phương pháp điều khiển quá trình không liên tục được phát triển mạnh mẽ trong một số năm gần đây, đặc biệt ứng dụng mạnh trong các ngành sản xuất đòi hỏi cao về tự động hóa và chính xác trong pha chế với đặc điểm:  Có khối lượng nhỏ.  Sản phẩm đa dạng.  Các sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao: như trong ngành hóa chất, dược phẩm, chế biến thức ăn, đồ uống, mỹ phẩm hay trong ngành công nghệ sinh học. Các nguyên liệu sử dụng trong quá trình tạo sản phẩm được điều khiển theo liều lượng, trong khoảng thời gian nhất định và theo một công thức được định nghĩa trước. Đặc điểm của phương pháp điều khiển Batch:  Từ quá trình tới các bước điều khiển thông qua một công thức.  Khối lượng sản phẩm của phương pháp điều khiển này thường nhỏ hơn so với phương pháp điều khiển liên tục  Dung tích sản phẩm nhỏ.  Thường có sự thay đổi (thành phần) trong quá trình hoạt động.  Tel:  Có thể sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau trong cùng một dây chuyền. Tận dụng tối đa thiết bị, thời gian quay vòng sử dụng tối thiểu  Quy trình sản xuất được thể hiện rõ (qua công thức). Có thể ứng dụng trong dây chuyền từ đơn giản đến rất phức tạp. Như mô hình phân cấp tổng quát theo mức độ phức tạp cuả hệ thống sản xuất trong thực tế (hình 1). Hình 1. Sơ đồ phân cấp mô hình Batch Trong đó bao gồm những mô hình phân cấp chính sau: a. Hệ nhiều sản phẩm/một quy trình (cần một quy trình duy nhất để sản suất các sản phẩm khác nhau) Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 160 - 164 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 161 b. Hệ một sản phẩm/nhiều quy trình (cần nhiều quy trình khác nhau để tạo ra một sản phẩm) c. Hệ nhiều sản phẩm/ nhiều quy trình (đây là một hệ sản xuất phức tạp, gồm nhiều quá quy trình sản xuất để tạo ra các họ sản phẩm) ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THEO MẺ CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT SỬ DỤNG PCS7 (PROCESS CONTROL SYSTEM) CỦA HÃNG SIEMENS Hình 2: Dây chuyền sản xuất nước giải khát Đây là một hệ thống khép kín khả năng tự động hóa cao thông qua thiết bị điều khiển, hệ thống giám sát và sensor để thu thập tín hiệu phản hồi, bao gồm các trạm: - Trạm trộn - Trạm phản ứng - Trạm rót và đóng nắp chai - Trạm vận chuyển - Trạm làm sạch chai. Tại trạm trộn các dung dịch chất lỏng được bơm từ 3 van nguyên liệu thô vào hệ thống bình chứa. Chất lỏng tổng hợp này sẽ được bơm tiếp sang trạm phản ứng để đun nóng đến nhiệt độ 400C và được giữ ổn định ở nhiệt độ đó, sau đó chất lỏng lại tiếp tục được bơm sang trạm đóng chai để chia nhỏ sang các chai đựng sản phẩm. Robot có nhiệm vụ làm sạch chai trước khi chúng được chuyển đến trạm rót và đóng nắp chai. Mô hình của hệ thống: Bài toán đặt ra: 1. Sản phẩm được pha chế từ 1 đến 3 nguyên liệu thô, với liều lượng và thành phần nhất định theo yêu cầu của sản phẩm cuối, có thể theo các tỉ lệ khác nhau của hợp chất hay theo chất lượng sản phẩm. (loại 1, loại 2...) 2. Sản phẩm sau khi pha trộn được trộn đều, đun nóng đến nhiệt độ 400C và được giữ ổn định ở nhiệt độ đó. 3. Sản phẩm được chuyển tới hệ thống đóng chai. Trọng lượng mỗi chai được yêu cầu đảm bảo trong khoảng 70g-75g. Các thông số về dung lượng các chất thành phần được xác định thông qua sensor đo lưu lượng. Bài toán này không đặt ra yêu cầu kiểm tra nồng độ của sản phẩm cuối. Do đó tác giả sẽ không đề cập trong bài viết này. a. Phần mềm PCS7 Để viết chương trình điều khiển tác giả sử dụng công cụ PCS 7 của Siemens, đây là phần mềm mạnh đươc sử dụng cho điều khiển quá trình và có tích hợp điều khiển theo mẻ Batch cho các hệ thống điều khiển phức tạp trong công nghiệp. Nguyên lý làm việc của PCS7: Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 160 - 164 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 162 Hình 3: Sơ đồ hoạt động của hệ PCS 7 Mô hình thực của hệ thống được mô hình hóa sang mô hình vật lý tương ứng trong PCS7 theo một trật tự từ thấp đến cao: Equiptment (Hệ thống)  Unit (đơn vị, tương ứng với các trạm)  Technical Module (các đối tượng điều khiển). Mô hình này tương ứng với một mô hình quá trình trong Simatics Batch, cũng được phân cấp theo trật tự từ cao xuống thấp: RP (công thức tổng) TRP (công thức thành phần)ROP (bước công thức) RF (hàm công thức). Giữa hai mô hình này được truyền thông với nhau qua các khối giao diện được viết theo ngôn ngữ dưới dạng đồ họa, ứng với yêu cầu bài toán. Một công thức điều khiển chứa đựng các thông tin như quy trình làm việc của một trạm hay hệ thống và công thức pha chế sản phẩm. Hình 4. Cấu trúc công thức điều khiển trong PCS7 Một công thức điều khiển có thể thay đổi bằng cách thay đổi quy trình hay công thức hay cả hai để tạo ra các sản phẩm khác nhau. Với cách soạn thảo công thức như trên người điều khiển dễ dàng theo dõi các thông số cũng như qui trình của sản xuất. b. Điều khiển nhiệt độ sử dụng qua bộ điều khiển PID Hình 5: Bộ điều khiển PID được biểu diễn dưới dạng phương trình:         t e v n PR d d Tdte T eKy *** 1 e = u –y: Sai số đầu vào và hàm truyền ) 1 1()( ST ST KsG v n PRS  Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển nhiệt độ KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Kết quả Sử dụng bộ điều khiển PID đã thu được đáp ứng tĩnh và động đảm bảo yêu cầu bài toán. Thông qua hệ thống thu thập tín hiệu WinCC ta hoàn toàn có thể thay đổi các thông số Kp, Tn và Tv để đạt được chất lượng điều khiển như mong đợi. Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 160 - 164 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 163 Hình 7: Đặc tính động của bộ điều khiển PID Từ màn hình của hệ thống thu thập tín hiệu WinCC ta có thể quan sát các thông số: nhiệt độ tức thời, sai lệch giữa giá trị đo và giá trị đặt, các thông số PID, trạng thái của các tín hiệu ra, cũng như nhập các số liệu: các thông số của bộ điều khiển PID, giá trị đặt của nhiệt độ, chọn chế độ điều khiển tự động/bằng tay, điều khiển hoạt động của toàn bộ dây truyền sản xuất. Hình 12. Giám sát trên Win CC Người viết đã thực hiện viết và chạy chương trình với 3 công thức khác nhau: CT 1: A 33%+ B 33% + C 33% CT 2: A 40% + B 20% + C 40% CT 3: A 60% + C 40% (A,B,C là các nguyên liệu với các % thành phần tương đương) Hình 13: Các công thức pha chế Đánh giá Từ hệ thống điều khiển được lắp đặt cố định, ứng dụng cho một dây truyền sản xuất cụ thể. Với việc ứng dụng phương pháp điều khiển theo mẻ (Batch process) hệ đã sản suất được các loại sản phẩm khác nhau mà không cần thay đổi bất cứ phần cứng nào. Phương pháp này hoàn toàn có thể chủ động điều khiển: liều lượng, thời gian một mẻ bắt đầu, thay đổi thuộc tính sản phẩm chỉ cần thông qua việc thay đổi công thức điều khiển. Đối với một dây chuyền sản xuất phức tạp, có nhiều khâu giống nhau, thì việc ứng dụng phương pháp điều khiển này đặc biệt mang lại hiệu quả kinh tế cao, do các khâu này có thể tận dụng phần cứng, chỉ việc thay đổi thông số của pha chế và tiến hành thao tác các mẻ xen kẽ nhau, theo thời điểm nhất định. Đây là yếu tố quan trọng làm giảm giá thành sản phẩm, giảm thời gian sản xuất, linh hoạt, dễ dàng thay đổi quy trình sản xuất đối với sản phẩm đòi hỏi sự đa dạng, đồng đều. Bài toán đã giải quyết được tất cả các yêu cầu công nghệ đặt ra. Dương Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 160 - 164 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 164 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Rudolf Lauber (1989): Prozess-automatisierung. Band 1, 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York [2]. Prof. Dr. Daniel S. Christen: Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik - Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure [3]. CRC Press (2006) Batch Processes [4] Process Control Engineering, Edited by M. Polke. [5]. Olsson, Gustaf (1993): Steuern, Regeln, Automatisieren: Theorie und Praxis der Prozessleittechnik, Carl Hanser Verlag München Wien. [6]. Practical Process Control - by A. M. Seal, ISBN: 0340705906, Publisher: Elsevier Science & Technology Books. [7]. PID Controllers: Theory, Design and Tunning, 2nd Edition by KarlJ. Astrom and Tore Haegglund. [8]. Prozessleitsystem PCS 7- SIMATIC BATCH Handbuch V7.1 SP1. SUMMARY BATCH PROCESS AND ITS APPLICATION IN MANUFACTURING A DRINKING - WATER PRODUCTION - LINE Duong Thi Van Anh Thai Nguyen University of Technology In this paper we are talking about Batch Process and its application in bottled manufacturing of a drinking–water production-line. Therefore, there are two main contents, which are mentioned in this paper. First, some elemental knowledge of Batch control is introduced. The second is, using Simatics Batch for a bottled manufacturing of a drinking-water production-line. At the end of this paper, some advantages of this method of control in the modern industrial manufactory are discussed. Key words: Process control, Batch Process.  Tel: