Thiết kế và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động phân tán cho dây chuyền sản xuất đồ uống từ mía
1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, mức lương lao động tại Trung Quốc đã tăng đáng kể. So với mười năm trước, chi phí lao động đã tăng gấp đôi, và lợi thế lao động của ngành chế tạo Trung Quốc đang dần suy yếu. Lực lượng lao động đang trải qua quá trình thay thế qua các thế hệ, và khó khăn trong tuyển dụng đã trở thành mâu thuẫn ngày càng nổi bật giữa cung và cầu lao động. Chúng ta đang ở một kỷ nguyên mới của sự phát triển vượt bậc từ "sản xuất" lên "sản xuất thông minh"; nếu dây chuyền sản xuất chiết xuất nước từ cây mía được vận hành thủ công thì sẽ có những nhược điểm như dao động lớn của nguồn hơi gia nhiệt, sự cân bằng hơi - nước - nguyên liệu kém, tỷ lệ cô đặc hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm, kiểm soát tham số không ổn định, hoặc phải dừng máy, hiệu suất sản xuất thấp, và dễ làm dao động chất lượng nước từ cây mía, không có lợi cho sản xuất nước từ cây mía quy mô lớn và cân bằng; đồng thời cũng không có lợi cho việc đảm bảo chất lượng và hương vị của sản phẩm nước cây mía. Vì vậy, tự động hóa dây chuyền sản xuất chiết xuất nước cây mía là điều kiện cần để dự án thành công.
Bài viết này nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển tự động trong quá trình sản xuất chiết xuất nước cây mía, và phát triển một hệ thống điều khiển tự động phân tán dựa trên fieldbus và Ethernet công nghiệp để hiện thực hóa các tham số nguồn hơi gia nhiệt ổn định và có thể điều khiển được, cũng như điều khiển tự động toàn bộ quá trình vận chuyển áp suất không đổi và lưu lượng không đổi của nước mía, xả nước và xả đáy của thân bồn, và tỷ lệ định lượng nước cây mía, qua đó đạt mục tiêu công nghiệp hóa 40 tấn nước mỗi ngày.
Xưởng sản xuất đồ uống nước cây mía được chia thành sáu công đoạn chính, gồm chiết xuất nguyên liệu, gia nhiệt sơ cấp, lọc vật lý sơ bộ, gia nhiệt thứ cấp, lọc màng và phối trộn nước cây mía. Sáu công đoạn này đưa ra các mục tiêu điều khiển riêng, có thể tóm tắt thành: vận chuyển vật liệu cân bằng, cân bằng động của áp suất, nhiệt độ và lưu lượng, và tỷ lệ định lượng chính xác. Để đạt được các mục tiêu điều khiển quy trình, dự án này cần giải quyết các vấn đề sau:
(2) Cấu hình và thiết lập phần cứng điều khiển cho từng công đoạn;
(3) Sử dụng mạng truyền thông mở để kết nối từng công đoạn thành một hệ thống tự động hóa phân tán.
Quá trình chiết xuất nước của cây mía có đặc tính nhiều biến, phi tuyến và thay đổi theo thời gian, nên việc sử dụng các phương pháp điều khiển phản hồi truyền thống không thể đáp ứng được mục tiêu điều khiển. Vì vậy, cần nghiên cứu sự kết hợp giữa PID truyền thống, điều khiển tầng và điều khiển mờ để đạt được điều khiển chính xác cho quá trình sản xuất; công đoạn phối trộn nước mía mang tính lao động thủ công cao, và tỷ lệ không thể điều chỉnh kịp thời theo sự thay đổi nồng độ nguyên liệu để đảm bảo độ chính xác. Nghiên cứu phương pháp điều khiển tỷ lệ nước mía, xây dựng mô hình tỷ lệ chính xác, và đạt được tỷ lệ định lượng, chính xác.
Chế độ điều khiển PID tầng được sử dụng để thực hiện chức năng tự động điều chỉnh hơi gia nhiệt và tiệt trùng nhiều cấp của nước mía.
Áp suất và nhiệt độ của nguồn hơi tiệt trùng gia nhiệt nhiều cấp trong bộ gia nhiệt ống không ổn định, và bị ảnh hưởng bởi lưu lượng nước ép cùng nhiệt độ ban đầu, nên cần điều chỉnh thường xuyên. Điều chỉnh thủ công khó có thể đạt được các giá trị nhiệt độ và áp suất ổn định, từ đó ảnh hưởng đến nhiệt độ gia nhiệt và sản xuất tiếp theo. Nếu sử dụng điều khiển một vòng, nhiễu từ nguyên liệu và lưu lượng hơi sẽ dẫn đến hiệu quả điều khiển không kịp thời, độ lệch lớn, chất lượng điều khiển kém, và thường không đáp ứng được yêu cầu sản xuất.
Bài viết này áp dụng điều khiển tầng giữa nhiệt độ đầu ra của bộ gia nhiệt và lưu lượng hơi. Trong quá trình điều khiển gia nhiệt, hai bộ điều khiển PID được nối tiếp để tạo thành hệ thống điều khiển kín kép. Đầu ra của bộ điều khiển nhiệt độ được dùng làm giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng, và bộ điều khiển lưu lượng sẽ xuất tín hiệu để điều khiển van điều tiết của đường ống gia nhiệt bằng hơi.
Sau khi phân tích từng công đoạn và xem xét toàn bộ quy trình, các đối tượng điều khiển cho gia nhiệt sơ cấp được thiết kế trong dự án này tương ứng với những nội dung sau:
Bộ điều khiển nhiệt độ: mô-đun PID cho nhiệt độ đầu ra của bộ gia nhiệt;
Bộ điều khiển lưu lượng: mô-đun PID áp suất hơi;
Van điều khiển: van điều khiển khí nén đầu vào hơi 0,2 MPa;
Bộ phát hiện lưu lượng: lưu lượng kế thông minh kiểu xoáy lốc hơi;
Bộ phát hiện nhiệt độ: bộ truyền tín hiệu thông minh cho nhiệt độ đầu ra gia nhiệt sơ cấp.
Bằng cách xây dựng chương trình PID tầng, hiệu quả điều khiển tốt đã đạt được trong điều khiển nhiệt độ vật liệu ở cả công đoạn gia nhiệt sơ cấp và thứ cấp của dự án này.
Đối với công đoạn vận chuyển nước mía tiền xử lý, do khu vực làm việc liên quan đến hai xưởng của nhà máy đường (xưởng ép và xưởng sản xuất nước mía), đường ống vận chuyển dài vài trăm mét, nên khó có thể đạt được cân bằng động về lưu lượng, mức chất lỏng và hiệu quả lọc tiền xử lý nếu trực tiếp sử dụng điều khiển PID truyền thống.
Bài viết này áp dụng phương pháp điều khiển kết hợp giữa quy tắc thủ công và điều chỉnh PID. Trước hết, một bộ quy tắc điều khiển tiền xử lý được xây dựng dựa trên quy trình vận hành thiết bị và kinh nghiệm thao tác của nhân viên, sau đó thiết lập các điều kiện phán đoán. Dựa trên định nghĩa của các điều kiện phán đoán, sẽ xác định giai đoạn nào của phương pháp điều khiển được sử dụng. Khi dây chuyền sản xuất vừa khởi động và điều kiện làm việc thay đổi lớn, do lưu lượng vật liệu dao động mạnh nên mức chất lỏng của các bể đi qua sẽ liên tục biến động. Để tránh dao động hoặc độ trễ do đưa trực tiếp điều khiển PID vào sử dụng, hệ thống sẽ dùng các thuật toán điều khiển kinh nghiệm để tăng hoặc giảm nhanh tần số của biến tần và độ mở của các van liên quan, nhanh chóng tiến gần giá trị mục tiêu của mức chất lỏng ở các bể tại mọi cấp; khi mức chất lỏng ở tất cả các bể gần đạt mục tiêu và điều kiện làm việc tương đối ổn định, điều kiện phán đoán cấp hai của hệ thống được đáp ứng. Khi đó, mô-đun PID truyền thống sẽ được đưa vào để điều khiển tinh mức chất lỏng, nhằm đáp ứng yêu cầu mức không tràn trong quá trình sản xuất, áp suất và lưu lượng được liên kết động và duy trì ổn định, từ đó giữ được hiệu quả điều khiển tốt, đạt vận chuyển cân bằng động của nước mía, và điều khiển chính xác mức chất lỏng, lưu lượng và hiệu quả tiền xử lý, với mục tiêu cuối cùng là đạt sản xuất liên tục và ổn định.
Mục tiêu thiết kế của bài viết này là để bộ điều khiển giao tiếp với các thiết bị thông minh tại hiện trường thông qua fieldbus, và nhiều bộ điều khiển được kết nối qua Ethernet để tạo thành một mạng truyền thông số, truyền hai chiều và đa nhánh, khiến toàn bộ hệ thống trở nên mở, tích hợp và có mức độ phân tán cao. Theo ngân sách và yêu cầu điều khiển quy trình, xác định sử dụng nhiều bộ điều khiển rời rạc để phụ trách điều khiển từng công đoạn tương ứng. Mỗi công đoạn sử dụng một thiết bị đo lường sơ cấp tại hiện trường, và tất cả thiết bị đều dùng bộ truyền tín hiệu thông minh để thu thập tín hiệu. Các thông số quy trình như nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, v.v. được đồng nhất chuyển đổi thành dữ liệu có thể đọc được trong các bộ truyền thông minh. Dữ liệu được bộ điều khiển của từng công đoạn đọc, sau đó được truyền qua Ethernet công nghiệp.
Theo phân đoạn quy trình, các điểm điều khiển và yêu cầu điều khiển của toàn bộ dây chuyền sản xuất, tiến hành quy hoạch tổng thể, đồng thời xem xét cấu hình có mục tiêu cho tính mở và khả năng mở rộng của hệ thống trong điều kiện ngân sách hạn chế. Dự án sử dụng một bộ PLC dòng S7-300 và bốn bộ PLC dòng Smart 200 làm lõi điều khiển phụ hệ thống cho từng công đoạn. Công đoạn lọc màng có yêu cầu cao nhất, sử dụng CPU315 DP-2 của dòng S7-300 làm trạm chính, 24 mô-đun vào/ra ET200M thông qua 3 mô-đun liên kết IM153-1, và sử dụng giao thức PROFI-BUS DP để hình thành hệ thống phần cứng của công đoạn màng. S7-300 có thể đáp ứng điều khiển các phân đoạn thiết bị màng có nhiều van và nhiều cảm biến. Các công đoạn chiết xuất nguyên liệu, gia nhiệt sơ cấp, lọc vật lý sơ bộ, gia nhiệt thứ cấp và phối trộn nước cây mía được chia thành bốn hệ thống, mỗi hệ phụ được trang bị một bộ phần cứng điều khiển lấy S7-200 Smart làm trung tâm.
Theo đặc điểm của lõi điều khiển, toàn bộ hệ thống sử dụng hai giao thức bus: công đoạn màng dùng mạng bus PROFIBUS DP, và thiết bị sơ cấp được kết nối với ET200M thông qua bộ cách ly. ET200M và IM153-1 hoàn tất trao đổi dữ liệu với CPU; bốn bộ điều khiển S7-200 Smart còn lại được kết nối với thiết bị sơ cấp bằng cách cấu hình bộ truyền thông minh có giao thức Modbus. Việc sử dụng bộ truyền thông minh Modbus có thể giải quyết vấn đề các bộ điều khiển 200 Smart không thể thực hiện quá nhiều đầu vào analog, đồng thời đạt mục tiêu cấu hình cho các bộ điều khiển cấp thấp đọc thông tin thiết bị qua mạng fieldbus.
Toàn bộ hệ thống sản xuất có ba máy tính PC làm máy tính chủ trung tâm điều khiển, vận hành tại các vị trí điều khiển trung tâm cố định; bốn màn hình cảm ứng đóng vai trò giao diện vận hành người - máy tại hiện trường cho từng công đoạn. Là một công đoạn quan trọng của thiết bị màng, một PC điều khiển trung tâm riêng được phân bổ, và phần mềm cấu hình SI-MATIC Win CC được thiết lập để giao tiếp trực tiếp với PLC S7 300. Hai máy tính chủ trung tâm điều khiển còn lại, có thể kết nối toàn bộ nhà máy để giám sát, sử dụng phần mềm cấu hình Force Control để giải quyết chức năng giám sát tổng thể cho các dòng bộ điều khiển khác nhau với chi phí thấp hơn. Màn hình cảm ứng sử dụng trực tiếp Win CC flexible tiêu chuẩn để cấu hình giao diện. Mỗi thiết bị trong xưởng được cấu hình cùng dải mạng với địa chỉ IP riêng đi kèm với bộ điều khiển tương ứng, và dữ liệu cuối cùng được chia sẻ với giao diện cấu hình Force Control trong cấu hình trung tâm. Ở phía Force Control, các chức năng trao đổi dữ liệu, ghi chép và báo cáo dữ liệu, cảnh báo, v.v. được thực hiện.
Trong bài viết này, bộ chuyển mạch Ethernet công nghiệp MOXA và bộ chuyển đổi quang-điện được cấu hình để dùng cáp quang cho khoảng cách xa và cáp mạng 8 lõi cho khoảng cách ngắn tại hiện trường. Tất cả máy tính cấp trên và lõi điều khiển được tích hợp vào cùng một LAN thông qua giao diện Ethernet. Máy tính chủ PC, trạm kỹ sư, PLC và màn hình cảm ứng có thể truy cập lẫn nhau, và hệ thống có khả năng mở rộng tốt. Bằng việc áp dụng giao thức TCP/IP, toàn bộ dây chuyền sản xuất và từng công đoạn có thể được đưa vào hệ thống điều khiển trung tâm mà không cần thêm thiết bị phần cứng. Chức năng xuất bản WEB của phần mềm điều khiển có thể dùng để thực hiện điều khiển từ xa qua Internet, đạt được chia sẻ dữ liệu giữa mạng quản lý và mạng điều khiển. Mức tiêu thụ năng lượng, hướng vật liệu và sản lượng thành phẩm của toàn bộ hệ thống sản xuất đều có thể được quản lý và kiểm soát hiệu quả.
Sau khi hệ thống điều khiển tự động bus trường của quá trình chiết xuất nước từ thân cây mía được đưa vào vận hành, năng lực sản xuất của toàn dây chuyền tăng lên, đạt sản lượng 40 tấn/ngày, nâng cao chất lượng sản phẩm, cải thiện hiệu suất sản xuất và giảm chi phí sản xuất; đồng thời nâng cao độ ổn định chất lượng sản phẩm và tránh các sự cố sản xuất do thao tác thủ công sai sót; khi sử dụng hệ thống điều khiển tự động bus trường cho quá trình chiết xuất nước từ thân cây mía, toàn bộ dây chuyền có thể vận hành bình thường chỉ với 8 nhân công, đạt mục tiêu hiệu quả cao và tiết kiệm lao động.
