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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển theo mẻ (BATCHING PROCESS) và ứng dụng cho dây chuyền sản xuất nước giải khátĐIỀU KHIỂN THEO MẺ (BATCHING PROCESS)VÀ ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁTDương Thị Vân Anh*Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái NguyênTÓM TẮTĐiều khiển theo mẻ (Batch Process) là một phương thức điều khiển mới, nó gắn liền với các dâychuyền sản xuất tự động. Trong bài báo này, tác giả trình bày những nét tổng quan về điều khiểntheo mẻ và đề xuất một ứng dụng điều khiển theo mẻ cho dây chuyền sản xuất nước giải khát tựđộng. Qua đó đánh giá những lợi ích kinh tế khi ứng dụng phương pháp điều khiển này trong lĩnhvực sản xuất hiện đại.Từ khóa: điều khiển quá trình (process control) điều khiển theo mẻ (Batch Process).MỞ ĐẦUĐiều khiển theo mẻ (Batching) là mộtphương pháp điều khiển quá trình không liêntục được phát triển mạnh mẽ trong một sốnăm gần đây, đặc biệt ứng dụng mạnh trongcác ngành sản xuất đòi hỏi cao về tự động hóavà chính xác trong pha chế với đặc điểm: Có khối lượng nhỏ. Sản phẩm đa dạng. Có thể sản xuất nhiều sản phẩm khác nhautrong cùng một dây chuyền. Tận dụng tối đathiết bị, thời gian quay vòng sử dụng tối thiểu Quy trình sản xuất được thể hiện rõ (quacông thức).Có thể ứng dụng trong dây chuyền từ đơngiản đến rất phức tạp. Như mô hình phân cấptổng quát theo mức độ phức tạp cuả hệ thốngsản xuất trong thực tế (hình 1). Các sản phẩm đòi hỏi chất lượng cao: nhưtrong ngành hóa chất, dược phẩm, chế biếnthức ăn, đồ uống, mỹ phẩm hay trong ngànhcông nghệ sinh học.Các nguyên liệu sử dụng trong quá trình tạosản phẩm được điều khiển theo liều lượng,trong khoảng thời gian nhất định và theo mộtcông thức được định nghĩa trước.Đặc điểm của phương pháp điều khiển Batch: Từ quá trình tới các bước điều khiển thôngqua một công thức. Khối lượng sản phẩm của phương phápđiều khiển này thường nhỏ hơn so với phươngpháp điều khiển liên tục Dung tích sản phẩm nhỏ. Thường có sự thay đổi (thành phần) trongquá trình hoạt động.Hình 1. Sơ đồ phân cấp mô hình BatchTrong đó bao gồm những mô hình phân cấpchính sau:a. Hệ nhiều sản phẩm/một quy trình (cần mộtquy trình duy nhất để sản suất các sản phẩmkhác nhau)Tel:Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyênhttp://www.lrc-tnu.edu.vn| 160Dương Thị Vân AnhTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆb. Hệ một sản phẩm/nhiều quy trình (cầnnhiều quy trình khác nhau để tạo ra một sảnphẩm)c. Hệ nhiều sản phẩm/ nhiều quy trình (đây làmột hệ sản xuất phức tạp, gồm nhiều quá quytrình sản xuất để tạo ra các họ sản phẩm)ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THEO MẺ CHODÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƯỚC GIẢIKHÁT SỬ DỤNG PCS7 (PROCESSCONTROL SYSTEM) CỦA HÃNG SIEMENSHình 2: Dây chuyền sản xuất nước giải khátĐây là một hệ thống khép kín khả năng tựđộng hóa cao thông qua thiết bị điều khiển, hệthống giám sát và sensor để thu thập tín hiệuphản hồi, bao gồm các trạm:74(12): 160 - 164bình chứa. Chất lỏng tổng hợp này sẽ đượcbơm tiếp sang trạm phản ứng để đun nóngđến nhiệt độ 400C và được giữ ổn định ở nhiệtđộ đó, sau đó chất lỏng lại tiếp tục được bơmsang trạm đóng chai để chia nhỏ sang các chaiđựng sản phẩm. Robot có nhiệm vụ làm sạchchai trước khi chúng được chuyển đến trạmrót và đóng nắp chai.Mô hình của hệ thống:Bài toán đặt ra:1. Sản phẩm được pha chế từ 1 đến 3 nguyênliệu thô, với liều lượng và thành phần nhấtđịnh theo yêu cầu của sản phẩm cuối, có thểtheo các tỉ lệ khác nhau của hợp chất hay theochất 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 ổnđịnh ở nhiệt độ đó.3. Sản phẩm được chuyển tới hệ thống đóngchai. Trọng lượng mỗi chai được yêu cầu đảmbảo trong khoảng 70g-75g.Các thông số về dung lượng các chất thànhphần được xác định thông qua sensor đo lưulượng. Bài toán này không đặt ra yêu cầukiểm tra nồng độ của sản phẩm cuối. Do đótác giả sẽ không đề cập trong bài viết này.a. Phần mềm PCS7Để viết chương trình điều khiển tác giả sửdụng công cụ PCS 7 của Siemens, đây là phầnmềm mạnh đươc sử dụng cho điều khiển quátrình và có tích hợp điều khiển theo mẻ Batchcho các hệ thống điều khiển phức tạp trongcông nghiệp.Nguyên lý làm việc của PCS7:- 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 đượcbơm từ 3 van nguyên liệu thô vào hệ thốngSố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyênhttp://www.lrc-tnu.edu.vn| 161Dương Thị Vân AnhTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ74(12): 160 - 164Một công thức điều khiển có thể thay đổibằng cách thay đổi quy trình hay công thứchay cả hai để tạo ra các sản phẩm khác nhau.Với cách soạn thảo công thức như trên ngườiđiều khiển dễ dàng theo dõi các thông số cũngnhư qui trình của sản xuất.b. Điều khiển nhiệt độ sử dụng qua bộ điềukhiển PIDHình 3: Sơ đồ hoạt động của hệ PCS 7Mô hình thực của hệ thống được mô hình hóasang mô hình vật lý tương ứng ...