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

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.

 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).

 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.



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)

Tel:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



| 160


Dương Thị Vân Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

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:

74(12): 160 - 164

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:

- 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



| 161


Dương Thị Vân Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

74(12): 160 - 164

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 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.

Hình 5: Bộ điều khiển PID

được biểu diễn dưới dạng phương trình:


d 
1
y  K PR  e  *  e * dt  Tv * e 
dt 
 Tn
e = u –y: Sai số đầu vào
và hàm truyền

GS ( s)  K PR (1 

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.

1
 Tv S )
Tn S

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.
Hình 4. Cấu trúc công thức điều khiển trong PCS7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



| 162


Dương Thị Vân Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

74(12): 160 - 164

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 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:

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.

CT 1: A 33%+ B 33% + C 33%
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



| 163


Dương Thị Vân Anh

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

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.

74(12): 160 - 164

[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:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

| 164