Tích hợp hệ thống SCADA sản xuất Bia hiện đại

TÍCH HỢP HỆ THỐNG SCADA SẢN XUẤT BIA HIỆN ĐẠI
INTEGRATION OF SCADA SYSTEM FOR MODERN BREWERY

PGS.TS Đinh Văn Nhã - Th.S Nguyễn Trọng Huy
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Abstract: This paper presents results of study, apply and integrate SCADA systems used to many modern Brewery and recive high effect in Viet Nam.

Phần 1: Hệ thống SCADA và tổng quan nhà máy Bia

1.1 Khái quát chung

Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion) là hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trong công nghiệp. Hệ SCADA đã được ứng dụng phổ biến và hiệu quả trong công nghiệp, giúp con người quan sát thu thập quản lý dữ liệu và điều khiển tự động các thiết bị từ xa thông qua giao diện HMI (Human Machine Interface).

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 thông tin 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. 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.

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.
Phương pháp 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. Trong báo cáo này sẽ đề cập tập trung về tích hợp, ứng dụng và phát triển phần mềm chuyên dụng Braumat của hãng Siemens trong nghành Bia phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh của Việt Nam.

1.2 Tổng quan nhà máy Bia

Hình 1- Sơ đồ khối của quá trình sản xuất tại nhà máy bia.
- Đường màu đỏ biểu diễn sự cung cấp điện năng từ tủ phân phối.
- Đường màu xanh đậm biểu diễn sự cung cấp nước.
- 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 lạnh.

Nhà máy bia thường 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.

Phần quan trọng nhất của nhà máy là phần Xay nghiền, nấu, lên men, lọc, thành phẩm. Nó được chia thành 2 mạng quản lý và đưa về phòng điều khiển trung tâm.


Hình 2 – Mô hình tổng quan hệ tự động hóa chính của nhà máy

Mạng máy tính điều khiển, giám sát bao gồm 3 máy tính trong đó 1 máy là Server, 1 máy là Server Redundant và 1 máy Client. Cả 3 máy điều cài đặt phần mềm Braumat V5.3 của Siemens. Cả máy tính và CPU đều được kết nối với nhau qua mạng Industrial Ethernet. Hệ thống mạng có dự phòng server cho HMI, có 1 máy làm server một máy dự phòng cho máy server và một máy Client sẽ truy xuất vào dữ liệu của máy đang làm server trong hệ thống để lấy dữ liệu hiển thị và điều khiển. Thông thường các máy tính đều hoạt động giám sát, điều khiển tương đương nhau. Khi có sự cố về server thì mạng Braumat tự động chuyển đổi máy server sang trang thái Stand by còn máy dự phòng sẽ được chuyển từ trạng thái Stand by sang chế độ Active làm Server.

Phần 2: Tích hợp hệ thống Braumat trong nhà máy bia

 2.1 Vài nét về Braumat Classic
Braumat là tên nhãn sản phẩm cho hệ thống tự động trong ngành công nghiệp sản xuất bia của hãng Siemens. Braumat là phần mềm được xây dựng và được tích hợp những tính năng điều khiển áp dụng cho các ứng dụng điều khiển theo mẻ, đối tượng là các nhà máy Bia. Braumat được xây dựng trên nền tảng của chuẩn S88 (IEC 61512-1).
Hệ thống phần cứng và mạng dựa trên Simatic S7-400, các trạm thu thập dữ liệu và điều khiển phân tán ET200M và mạng Profibus DP, Industrial Ethernet (IE).
Hệ thống phần mềm được xây dựng trên môi trường làm việc Windows theo cấu trúc mạng Client – Server. Phần mềm được cấu trúc thành nhiều phần khác nhau với cộng cụ Engineering là Simatic manager (Step 7). Braumat quản lý các đối tượng điều khiển riêng lẻ được gọi là các ICM (Individual Control Module), các ICM hoạt động theo từng loại đối tượng mình cài đặt và nó tuân theo chuẩn S88.
- PCU Server: giao diện kết nối giữa hệ thống phần mềm và hệ thống điều khiển PCU (Process Control Unit) và với các trạm điều khiển khác trong mạng IOS (Interface Operating Station)
- Main menu: giao diện chính của chương trình tới tất cả các đối tượng trong chương trình.
+ Thẻ Process monitoring: có ứng dụng Process images, Sequence control, Batch scheduler, Control recipe.
+ Thẻ process supervising: chứa ứng dụng quản lý các chương trình điều khiển (Recipe).
+ Thẻ Process Archive: quản lý và sao lưu dữ liệu trong quá trình sản xuất. Bao gồm Trending, Step protocol, Messages, Change Protocol, Maintenance.
+ và còn các chức năng khác dành cho người Engineering như: thẻ Programm Service tools, thẻ Engineering tools, thẻ Administration, thẻ System diagnostic, thẻ Process service tools.

2.2 Ứng dụng Braumat

Ví dụ chương trình xử lý malt được thực hiện theo các bước sau:


Hình 3 – Recipe nhập Malt sang nhà nấu
Chương trình bao gồm 2 phần là Malt Milling và Milling bin, khi thực hiện hai phần này được đồng bộ hoá với nhau được thể hiện thông qua các đường kẻ ngang có tên là Synch.1 và Synch.2. Các tham số được thể hiện trong bảng hình 4 như sau.

Người vận hành chọn Process cell trên và chọn vào Malt+Rice ở đây sẽ chứa tất cả chương trình về xử lý gạo và malt.


Hình 5 là màn hình hệ thống xử lý nguyên liệu đầu vào đối với malt có hai khâu chính là khâu nhập liệu từ phễu nhập vào silo chứa và khâu cấp liệu từ silo sang hệ nấu.

Phần 3: Kết luận

Việc nghiên cứu thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển hiện đại có ứng dụng Braumat vào nhà máy bia tại Việt Nam đã đem lại hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm cao, ổn định, cho thấy chúng tôi đã có thể làm chủ được các công nghệ sản xuất bia hiện đại, có ứng dụng công nghệ cao. Việc tích hợp hệ thống dựa trên cơ sở thực tế để xây dựng các phần cứng và phần mềm chuyên dụng đặc thù phù hợp với từng điều kiện hoàn cảnh công suất và quy mô khác nhau đã cho phép chúng tôi thực hiện thành công tổng thầu EPC hàng trăm công trình trong cả nước mang lại hiệu quả kinh tế khoa học kỹ thuật thiết thực, tiết kiệm hàng ngàn tỷ đồng cho nhà nước và các doanh nghiệp công nghiệp sản xuất bia và nước giải khát Việt Nam. Những công trình của chúng tôi đã mang lại lợi ích về khoa học, công nghệ, về kinh tế và đã tạo nguồn thu rất lớn cho nhà nước và các doanh nghiệp giúp nền công nghiệp bia và nước giải khát Việt Nam phát triển bền vững trong cả nước. Sản phẩm đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm đạt chất lượng quốc tế HACCP, BVQI và ISO9001-2000.

Chuyên mục: Giải Pháp