Nghiên cứu, nhận dạng hệ thống cho máy thanh trùng bia lon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN ĐỨC HƯNG

NGHIÊN CỨU, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
CHO MÁY THANH TRÙNG BIA LON
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số: 605268

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Công Bằng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................

4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN ĐỨC HƯNG

Giới tính: Nam

/ Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 15-08-1984

Nơi sinh: Thừa Thiên Huế

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Khoá (Năm trúng tuyển): 2010

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, NHẬN DẠNG HỆ THỐNG CHO MÁY THANH
TRÙNG BIA LON
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Tổng quan về qui trình và cơng nghệ thanh trùng bia.

-

Khảo sát và phân tích mơ hình truyền nhiệt cho bia lon

-

Ứng dụng mạng Neuron trong việc khảo sát mơ hình truyền nhiệt bia lon

-

Khảo sát, ứng dụng mơ hình trong thực nghiệm

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01 / 07 / 2011
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 / 12 / 2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM CÔNG BẰNG
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


LỜI CÁM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS Phạm Công Bằng, người Thầy
đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Đồng thời tơi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô đã dạy cho tôi trong thời gian
qua. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng môn và đồng nghiệp đã quan tâm, chia sẻ trong
suốt q trình học và làm luận văn.
Và tơi cũng xin cám ơn Cơng ty Cơ khí SaBeCo, Nhà máy Bia Sài Gòn Đồng
Xuân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành luận văn này.


TĨM TẮT
Q trình thanh trùng bia là một trong những cơng đoạn quan trọng trong quy trình
sản xuất bia, làm giảm vi sinh, tăng thời gian sử dụng bia mà vẫn giữ nguyên hương
vị bia. Theo thực tế sản xuất, chỉ số Pasteur Unit (PU) quyết định quá trình thanh
trùng bia đạt hay khơng đạt. Nghiên cứu này, nhằm tính tốn nhiệt độ sản phẩm
trong q trình thanh trùng bia lon để giám sát PU, từ đó đưa ra cải tiến cho những
hệ thống thanh trùng hiện có. Để làm được như vậy thì có nhiều phương pháp, trong
nghiên cứu này tập trung vào tính tốn thiết lập phương trình tốn truyền nhiệt và
sử dụng thuật tốn trí tuệ nhân tạo để tìm ra mối quan hệ giữa yếu tố đầu vào với
nhiệt độ trên lon bia. Kết quả mô phỏng và chạy thử nghiệm trên hệ thống thực tế
đã chứng minh phương trình tốn truyền nhiệt hay thuật tốn trí tuệ nhân tạo đều
cho kết quả giám sát nhiệt độ trên lon bia hoàn toàn nằm trong vùng cho phép. Với
việc tính tốn được nhiệt độ sản phẩm trong quá trình thanh trùng, sẽ giúp đề ra
được phương pháp cải tiến cho các máy thanh trùng thế hệ cũ từ chỗ không giám sát
được nhiệt độ sản phẩm đến chỗ giám sát được PU.

ABSTRACT
Pasteurization is one of the most important processes in the beer brewing. It is used
to reduce the number of microorganisms, increase the shelf life without affect the
taste of beer. In brewing industry, Pasteurization Unit (PU) decides the result of
pasteurization process. The purpose of this thesis is calculating and monitoring

temperature of beer within the pasteurization process in oder to improve the exist
Pasteurization system. There are many method to reach that goal but in this thesis, I
only focus on the calculation heat transfer equation and using artificial intelligence
to find the relation between input parameters and temperature of beer. The results
from MATLAB and experiment can show the usable of these methods. Thereby, old
pasteurizer can be improved to be used as the PU continuous monitoring machine.


LỜI CAM KẾT
Tôi cam kết rằng, nội dung trong luận văn này dựa trên những kiến thức tôi được
học và những tài liệu được trích dẫn ở mục tài liệu tham khảo. Số liệu thực tế được
lấy từ Nhà máy Bia Sài Gịn Đồng Xn.
Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

Trần Đức Hưng


MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan Hệ thống thanh trùng bia lon ............................................ 1
1.1

Nhu cầu về thanh trùng bia ........................................................................ 1

1.2

Khái niệm về thanh trùng ........................................................................... 2

1.3

Các hệ thống máy thanh trùng ở Việt Nam .............................................. 3

1.3.1

KHS ........................................................................................................3

1.3.2

Krones ....................................................................................................5

1.3.3

Loại máy khác .......................................................................................7

1.4

Nguyên tắc hoạt động của máy thanh trùng bia ....................................... 9

1.5
trùng

Các phương pháp nhận dạng hệ thống truyền nhiệt cho máy thanh
..................................................................................................................... 13

1.5.1

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ..............................................13

1.5.2

Phương pháp tính tốn nhiệt độ bia dựa vào phương trình nhiệt .14

1.5.3

Phương pháp dùng mạng Neural ......................................................15

1.6

Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn ............................................................. 15

1.7

Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 16

Chương 2: Phân tích q trình tăng và giảm nhiệt của bia trong q trình
thanh trùng bia lon.................................................................................................. 17
2.1

Giới thiệu chung......................................................................................... 17

2.2

Tính tốn kết quả truyền nhiệt................................................................. 18

2.3

Tính tốn hệ số c1 và c2 cho bia lon Sài Gòn nhãn hiệu 333 .................. 23

2.4

2.3.1

Phương pháp lấy số liệu .....................................................................23

2.3.2

Tính tốn hệ số c1 và c2 bằng Matlab ................................................26

Kết luận ...................................................................................................... 30

Chương 3: Sử dụng mạng Neural để mơ hình nhiệt độ tâm lon bia .................. 31
3.1

Giới thiệu mạng Neural truyền thẳng nhiều lớp .................................... 31

3.2

Thực hiện .................................................................................................... 34

3.3

3.2.1

Thiết lập dữ liệu huấn luyện ..............................................................34

3.2.2

Tạo đối tượng mạng ............................................................................35

3.2.3

Huấn luyện mạng và mô phỏng .........................................................36

Kết luận ...................................................................................................... 41


Chương 4: Triển khai ứng dụng thực tế ............................................................... 42
4.2

Gia công phần cứng ................................................................................... 44

4.3

Gia công phần mềm ................................................................................... 47

4.4

4.3.1

Phần mềm trên máy tính (VB2010) ..................................................47

4.3.2

Phần mềm trên PLC ...........................................................................49

Kết luận ...................................................................................................... 51

Chương 5: Kết luận ................................................................................................. 52
5.1

Những kết quả đạt được ........................................................................... 52

5.2

Những hạn chế của đề tài .......................................................................... 52

5.3

Hướng mở rộng của đề tài ........................................................................ 52


Chương 1: Tổng quan Hệ thống thanh trùng bia lon
1.1

Nhu cầu về thanh trùng bia

1.1.1 Bia khơng qua q trình thanh trùng
Bia chưa được thanh trùng chứa men bia còn sống và có thể dùng ngay (bia hơi)
hay lưu trữ giống như rượu vang để bảo quản tiếp trong các thùng (Keg Beer: bia
tươi được bơm từ bình bằng áp lực gas CO2) theo tuổi nhằm tiếp tục lên men (tạo
gas CO2 tự nhiên) và tạo ra hương vị thứ cấp, như vậy sẽ duy trì được hương vị và
giữ bia được tươi mới cho tới ngày uống. Hạn chế duy nhất của loại này là giới hạn
thời gian sử dụng và các vi khuẩn trong bia có thể làm hỏng bia nếu khơng sử dụng
trong vịng từ 4-6 tuần.ia t
Bia tươi là loại bia chưa được thanh trùng trước khi đóng lon hoặc đóng chai. Do
vậy, hàm lượng vi sinh vật trong bia tươi là khá cao. Điều này gây ra cảm giác uống
bia tươi nhanh say hơn uống bia lon hoặc bia chai. Bia tươi thường được gọi bằng
những cụm từ draught/draft/tap beer dẫn đến những nhận thức chút ít khác nhau. Đa
phần bia tươi là loại bia đã được lọc và được uống từ bình chứa có áp suất gas. Một
khái niệm rộng hơn, bia tươi là loại bia được uống từ vịi (tap/keg) mà khơng phải
từ chai, thùng hay lon… Thực tế thì gas được nén trong bình kim loại keg là CO2
hay N2 hay chung cả hai loại (có áp suất cao hơn). Áp suất trong bình sẽ dẫn bia ra

vịi phân phối ở quầy phục vụ.
Gần đây có xuất hiện khái niệm bia tươi đóng chai hay đóng lon, loại bia này có
hương vị giống với bia tươi uống từ vòi tại quầy phục vụ. Điển hình là hai loại
Miller Genuine Draft và Guinness Stout. Khác với bia chai hay bia lon thông
thường, loại bia này không được thanh trùng. Tuy nhiên để đảm bảo là bia không bị
hỏng, các chai bia tươi phải được làm lạnh, được lọc sạch nên cũng loại mất khá
nhiều hương thơm của bia. Đa phần người uống bia nhận xét bia tươi đóng chai
khơng ngon hơn bia chai.

1


1.1.2 Bia đã qua quá trình thanh trùng
Ngay từ những năm 1870, quá trình thanh trùng bia đã cho phép vận chuyển và
lưu hành bia được xa hơn, lâu hơn. Ban đầu thì bia ít được đóng trong chai do giá
thành tăng, nên chỉ phục vụ sở thích quý tộc thích uống bia bằng chai thuỷ tinh hơn
là thùng, vịi, vại…
Thông thường chai bia là loại thuỷ tinh sẫm màu để tránh ánh sáng mặt trời làm
hỏng bia (quá trình oxy hố nhanh hơn). Những chai bia có màu sáng hơn sẽ có thời
gian bảo quản ngắn hơn. Việc bảo quản bia chai chưa sử dụng được đặt chỗ ít ánh
sáng hay tối.
Khá nhiều loại bia chai có hương vị rất ngon dù đã trải qua quá trình thanh trùng.
Bia chai có thời hạn sử dụng khoảng 6 tháng đến 1 năm.
Bia lon được lọc kỹ trước khi đóng lon và được thanh trùng ngay sau khi được
đóng lon. Tuy công nghệ làm vỏ lon cũng phát triển nhưng khả năng bia bị nhiễm
từ vật liệu làm lon cũng vẫn có thể xảy ra (bên trong lon thường được tráng một lớp
bảo vệ). Trong bia lon cũng có thể có thêm các chất bảo quản, mặc dù không bị ảnh
hưởng bởi ánh sáng, nhưng bia lon vẫn có thể bị hỏng nếu ở tại nhiệt độ cao. Thời
gian sử dụng của bia lon có thể từ 6 tháng tới 1 năm.
Tìm hiểu các loại bia cho thấy quá trình thanh trùng làm tăng thời gian sử

dụng các loại bia, cho phép các công ty dễ dàng tiêu thụ hơn và có thể xuất khẩu ra
nước ngồi (thời gian sử dụng tăng nhiều hơn so với các loại bia tươi, bia hơi).
1.2 Khái niệm về thanh trùng
Thanh trùng là quá trình làm giảm lượng vi sinh vật bằng nhiệt độ, được sử dụng
trên các loại thực phẩm, đồ uống dễ bị hư hỏng. Các loại đồ uống thường được
thanh trùng bao gồm bia, nước trái cây, rượu vang và các sản phẩm sữa, các loại
thức uống nhẹ... Quá trình thanh trùng được phát minh vào năm 1865 bởi nhà bác
học người Pháp Louis Pasteur, người nổi tiếng với các cơng trình của mình trong vi
sinh học và y học, và vẫn được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp rượu

2


bia. Ngồi ra, q trình thanh trùng này cịn có thể ứng dụng cho các ngành công
nghiệp thực phẩm khác như nước giải khát, nước ép trái cây với nhiệt độ, thời gian,
điều kiện ban đầu khác nhau tùy theo ứng dụng cụ thể.
Quá trình thanh trùng đã được sử dụng bởi các nhà máy bia từ năm 1870. Nó có
tác dụng dừng lại q trình lên men trong chai/lon bia, làm ngừng hoạt động của các
vi sinh vật, các enzym và vi khuẩn phân hủy có trong bia. Lượng vi sinh trong bia
không chứa các mầm bệnh, cũng như khơng gây nguy hiểm cho con người nhưng
nó ảnh hưởng đến hương vị, làm cho người uống khơng cịn cảm thấy ngon...
Các ví dụ về thanh trùng và cơng thức PU:
+ Bia mạnh Pils/larger: 10-20 PU/tại 60-620C
+ Bia nhẹ: 30-50 PU/tại 62-640C
+ Bia không chứa cồn: 60-70 PU/tại 64-660C
+ Nước chanh: 300-500 PU/tại 66-700C
+ Nước trái cây: 3000-5000 PU/tại 75-850C
PU viết tắt của từ Pasteurization Unit là đơn vị của quá trình Pasteurization (thanh
trùng).
Định nghĩa về PU sẽ được làm rõ ở mục sau.

1.3

Các hệ thống máy thanh trùng ở Việt Nam

Hiện nay trong ngành cơng nghiệp đồ uống nói chung và ngành bia nói riêng ở
Việt Nam đa phần sử dụng máy thanh trùng bia của 2 hãng Krones, KHS đều là của
Đức và một số ít nhà máy sử máy của các hãng có nguồn gốc từ Mĩ, Ý, Trung
Quốc.
1.3.1 KHS
Sử dụng nguyên tắc làm nóng nước bằng hơi sau đó gia nhiệt cho sản phẩm bằng
cách tưới nước lên bề mặt ngồi của sản phẩm. Q trình gia nhiệt cho sản phẩm

3


gồm 4 giai đoạn chính như hình 1.2, giai đoạn 1 và 2 là giai đoạn nâng nhiệt sản
phẩm, giai đoạn 3 là giai đoạn thanh trùng và cuối cùng là giai đoạn 4 hạ nhiệt cho
sản phẩm.
Hình 1.3 diễn tả thống số PU được tính tốn ứng với dây chuyền bia Sài Gòn xanh
15000 chai/giờ tại nhà máy bia Sài Gịn-Bạc Liêu.

Hình 1.1 Loại máy thanh trùng 2 tầng của KHS [6]

Hình 1.2: Sơ đồ ngun lí của máy thanh trùng chai 2 tầng của KHS [6]

4


Hình 1.3: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ và PU của máy thanh trùng KHS [6]
1.3.2 Krones

Hình 1.4: Máy thanh trùng của Krones [5]
Sử dụng nguyên tắc làm nóng nước bằng hơi, sau đó dùng nước tưới lên bề mặt
ngồi của sản phẩm. Quá trình gia nhiệt cho sản phẩm gồm 5 giai đoạn chính như
5


hình 1.5: giai đoạn 1 là giai đoạn làm ấm sản phẩm, giai đoạn 2 là giai đoạn nâng
nhiệt cho sản phẩm, giai đoạn 3 là giai đoạn thanh trùng, giai đoạn 4 là giai đoạn hạ
nhiệt cho sản phẩm, cuối cùng là giai đoạn 5 hạ nhiệt cho sản phẩm gần bằng nhiệt
độ mơi trường. Hình 1.6 diễn tả thơng số PU được tính tốn ứng với dây chuyền bia
Sài Gòn đỏ 30000 chai/giờ nhà máy bia Sài Gòn-Củ Chi.

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo của máy thanh trùng Krones [5]

Hình 1.6: Đồ thị của máy thanh trùng Krones [5]

6


1.3.3 Loại máy khác
Hai mục trên là hai loại máy thanh trùng thế hệ mới của Krones và KHS, những
máy này được sản xuất sau năm 2000. Các thế hệ máy được sản xuất vào thập kỉ 90
và trước đó khơng có chức năng giám sát nhiệt độ và PU sản phẩm. Quá trình máy
chạy để thanh trùng là quá trình điều khiển độc lập nhiệt độ của các khoang thơng
qua các bộ điều khiển nhiệt độ (PID) như hình 1.7, mỗi khoang được tưới với một
nhiệt độ cố định được cài trước. Sự cài đặt này phụ thuộc vào hai yếu tố là loại
chai/lon bia và tốc độ máy chạy.

Hình 1.7: Tủ điều khiển của máy thanh trùng thế hệ cũ

Hình 1.8: Tồn cảnh của máy thanh trùng thế hệ cũ

7


Nguyên tắc hoạt động, cấu tạo cơ khí, hệ thống truyền nhiệt cho sản phẩm của
máy thành trùng thế hệ cũ và các máy thanh trùng thế hệ mới cơ bản là như nhau.
Tuy nhiên ở phần điều khiển thì các máy thế hệ cũ khơng có sự giám sát nhiệt độ
của sản phẩm trong quá trình thanh trùng (chỉ giám sát và điều khiển nhiệt độ nước
để gia nhiệt cho sản phẩm). Điều này dẫn tới việc không kiểm sốt được diễn biến
thực tế của q trình thanh trùng, hiện tượng có thể xảy ra ở đây là:
+ Thời gian sản phẩm ở 600C quá ngắn (PU thấp) làm sống bia gây hư hỏng
bia, tuổi thọ bia kém.
+ Thời gian sản phẩm ở 600C dài hơn cho phép (PU cao) làm cháy (khét) bia
dẫn đến bia mất hương vị đặc trưng.
+ Nhiệt độ tưới bia đạt nhưng tốc độ băng tải bia không đúng làm nhiệt độ
sản phẩm không đúng.
Trên thực tế ở nhiều nhà máy bia trong nước các máy thanh trùng thế hệ cũ còn
được sử dụng rất nhiều (do việc tái đầu tư thiết bị mới thì chi phí rất cao) nên khơng
giám sát được nhiệt độ sản phẩm, PU. Vì những lí do nêu trên nên để có được sự an
tồn về thực phẩm và bảo đảm được hương vị của bia thì quá trình thanh trùng phải
có khả năng giám sát nhiệt độ sản phẩm và PU. Yêu cầu thực tiễn đặt ra ở đây là
phải thiết kế bộ giám sát nhiệt độ sản phẩm cho các thế hệ máy cũ này. Muốn làm
được điều này thì phải đo được nhiệt độ thực của sản phẩm nhưng thực tế sản phẩm
lúc thanh trùng đã được đóng nắp khơng thể đo trực tiếp được. Nên yêu cầu đặt ra là
phải nhận dạng nhiệt độ sản phẩm qua các thông số đo được của máy thanh trùng.
Với yêu cầu thiết kế hệ thống nhận dạng nhiệt độ sản phẩm cho máy thanh trùng
mà các sản phẩm không thể đo nhiệt độ trực tiếp được, trong công nghiệp có hai
phương pháp chính để thực hiện việc này là:

+ Thực hiện quá trình đo lường, giám sát thực nghiệm để tính ra gần đúng mơ
hình truyền nhiệt của máy thanh trùng, từ đó đưa ra kết quả cho sự giám sát,
điều khiển PU mong muốn.

8


+ Dùng các phương pháp như Time Series Analysis (phân tích chuỗi thời
gian), mạng neural, Nonlinear Estimation (ước lượng hàm phi tuyến)… để mơ
hình hệ thống truyền nhiệt máy thanh trùng. Các phương pháp này có đầu vào
là các thơng số đã đo được như tốc độ băng tải, nhiệt độ tưới cho sản phẩm,
thời gian gia nhiệt cho sản phẩm và đầu ra chính là nhiệt độ của sản phẩm.
1.4

Nguyên tắc hoạt động của máy thanh trùng bia

Hệ thống máy Pasteurizer (thanh trùng) là quá trình đưa sản phẩm (bia lon và bia
chai) sau khi được chiết và đóng nắp đi qua máy và được gia nhiệt trong quá trình
sản phẩm chạy qua máy, phương pháp gia nhiệt ở đây là tưới nước với nhiệt độ
thích hợp ở các giai đoạn sản phẩm qua máy.

a) Sản phẩm lon

b) Sản phẩm chai

Hình 1.9: Sản phẩm được đưa vào máy thanh trùng thơng qua băng tải

Hình 1.10: Sự gia nhiệt cho bia trong máy thanh trùng [5]

9

Quá trình thanh trùng sản phẩm (bia lon, bia chai) gồm 5 giai đoạn như hình 1.11,
bắt đầu bằng việc cho sản phẩm vào với nhiệt độ ban đầu của sản phẩm (thường là
50C hoặc 100C) và nhiệt độ tưới lên sản phẩm là khoảng 250C. Tiếp theo là giai
đoạn làm nóng sản phẩm kết quả của vùng này làm tăng nhiệt của sản phẩm từ
khoảng 250C lên tới trên 500C chuẩn bị cho quá trình thanh trùng bia. Tiếp đến là
q trình thanh trùng có tác dụng giữ nhiệt độ sản phẩm vào khoảng 600C trong
một thời gian nhất định (thời gian này phụ thuộc vào loại bia được sản xuất để bảo
đảm tính cơng nghệ như đã nói ở phần trên). Sau nữa là vùng làm nguội sản phẩm
đưa nhiệt độ sản phẩm từ khoảng 600C xuống còn khoảng 500C. Và cuối cùng là
đầu ra của sản phẩm vùng này bảo đảm hạ nhiệt độ sản phẩm chỉ cao hơn nhiệt độ
môi trường khoảng từ 1-20C để tránh nước đọng sương trên vỏ sản phẩm.

Hình 1.11: Các giai đoạn của thanh trùng [5]

10


Hình 1.12: Quá trình dùng nước để gia nhiệt cho sản phẩm [5]
Quá trình dùng nước gia nhiệt cho sản phẩm là q trình tuần hồn như hình 1.13,
sử dụng nước đã nâng nhiệt cho sản phẩm ở đầu vào làm nước hạ nhiệt cho sản
phẩm ở đầu ra và ngược lại dùng nước đã hạ nhiệt cho đầu ra làm nước nâng nhiệt
cho đầu vào. Chỉ riêng giai đoạn thanh trùng mới sử dụng nhiệt nguồn (hơi nước,
nước nóng 800C) cung cấp làm nóng nước.

Hình 1.13: Sơ đồ tuần hoàn nước của các vùng nâng nhiệt và hạ nhiệt [5]
Năm giai đoạn trên là năm giai đoạn cơ bản cho một máy thanh trùng bia. Mỗi giai
đoạn gồm một hoặc nhiều khoang với các nhiệt độ nước tưới khác nhau. Số lượng
11

khoang trong một giai đoạn tùy thuộc vào tốc độ băng tải của máy, số lượng sản
phẩm qua máy trong 1 đơn vị thời gian và yêu cầu công nghệ cho từng loại bia.
Từ nguyên lí hoạt động của máy thanh trùng PU sẽ tính tốn được thơng qua giá
trị nhiệt độ của sản phẩm ở các giai đoạn.
- Định nghĩa PU
1PU = quá trình gia nhiệt sản phẩm tại 60° C trong 1 phút
+ Tiêu chuẩn đo lường đã được thành lập bởi các nhà máy bia.
+ Mức độ thanh trùng được đo bằng PU.
+ PU quyết định bởi nhiệt độ và thời gian truyền nhiệt.
Giá trị PU cho sản phẩm đạt yêu cầu, được quyết định bởi nhà máy bia và là duy
nhất cho mỗi sản phẩm.
Giám sát PU yêu cầu phải biết được nhiệt độ sản phẩm. Nhưng nhiệt độ không
thể đo bên trong một chai hoặc 1 lon sản phẩm, thay vào đó, nhiệt độ tâm
lon bia được tính tốn dựa trên:
+ Nhiệt độ nước tưới.
+ Nhiệt độ sản phẩm lúc đầu.
+ Thời gian sản phẩm chạy trong máy thanh trùng mà cụ thể là các khoang
truyền nhiệt.
+ Các khoang truyền nhiệt.
+ Chuyển giao các đặc tính nhiệt giữa các khoang.
+ Xác định bởi các phịng thí nghiệm.
+ Kiến thức về động lực học chất lỏng và điểm lạnh (cold spot).

12


Hình 1.14: Ví dụ về nhiệt độ chai bia và PU [5]
Ví dụ hình 1.14 mơ tả hệ thống máy thanh trùng có nhận dạng hệ thống truyền

nhiệt để suy ra nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ các khoang nước gia nhiệt cho sản
phẩm qua đó tính được PU của sản phẩm. Trong đó:
+ Đường màu đỏ: nhiệt độ nước tưới các khoang.
+ Đường màu xanh dương: nhiệt độ tâm chai bia hoặc lon bia.
+ Đường màu xanh lá: PU của chai bia hoặc lon bia.

1.5

Các phương pháp nhận dạng hệ thống truyền nhiệt cho máy thanh

trùng
1.5.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học trên cơ sở các số liệu vào/ra thực nghiệm
được gọi là mơ hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system
identification).
Theo IEC 60050-351: “Nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mơ
hình tốn học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp

13


ứng của nó đối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, ví dụ: hàm bậc thang, một
xung …”.
Theo Lofti A. Zadeh: Trên cơ sở quan sát số liệu vào/ra thực nghiệm, xác định các
tham số của mơ hình từ một lớp các mơ hình thích hợp, sao cho sai số là nhỏ nhất.
Để nhận dạng một hệ thống nói chung sẽ có các bước tiến hành:
1. Thu thập, khai thác thơng tin ban đầu của q trình (“apriori” information).
2. Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ngoại tuyến, vịng hở/vịng
kín, chủ động/bị động, thuật tốn nhận dạng ...).

3. Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu
nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
4. Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mơ hình.
5. Lựa chọn thuật tốn và xác định các tham số mơ hình.
6. Mơ phỏng, kiểm chứng và đánh giá mơ hình.
1.5.2 Phương pháp tính tốn nhiệt độ bia dựa vào phương trình nhiệt

Theo tài liệu [3], trong trường hợp đặc biệt khi nhiệt truyền đi trong một vật
liệu đẳng hướng và đồng nhất trong khơng gian 3-chiều có phương trình là:
𝜕𝑇
𝜕𝑡

với:

= 𝑘�

𝜕2 𝑇
𝜕𝑥

+
2

𝜕2 𝑇

𝜕𝑦

+
2

𝜕2 𝑇

𝜕𝑧 2

� = 𝑘�𝑇𝑥𝑥 + 𝑇𝑦𝑦 + 𝑇𝑧𝑧 �

(1.1)

+ 𝑇(𝑡, 𝑥, 𝑦, 𝑧): nhiệt độ là một hàm số theo thời gian và không gian.

+

𝜕𝑇
𝜕𝑡

: mức độ thay đổi của nhiệt độ tại một điểm nào đó theo thời gian.

+ 𝑇𝑥𝑥 , 𝑇𝑦𝑦 , 𝑇𝑧𝑧 : đạo hàm bậc 2 của nhiệt độ theo hướng x, y, và z, theo thứ tự.
+ k: hệ số phụ thuộc vào vật liệu, độ dẫn nhiệt, mật độ và dung tích nhiệt.

Nếu mơi trường truyền đi khơng phải là tồn bộ khơng gian, để giải phương trình
nhiệt chúng ta cần phải xác định các điều kiện biên cho hàm số T. Để xác định tính

14


duy nhất của các nghiệm trong tồn bộ khơng gian chúng ta cần phải giả thiết một
chặn trên với dạng hàm mũ, điều này thích hợp với các quan sát từ thí nghiệm.
Nghiệm của phương trình nhiệt được đặc trưng bởi sự tiêu tán dần của nhiệt độ
ban đầu do một dòng nhiệt truyền từ vùng ấm hơn sang vùng lạnh hơn của một vật
thể. Một cách tổng quát, nhiều trạng thái khác nhau và nhiều điều kiện ban đầu khác
nhau sẽ đi đến cùng một trạng thái cân bằng.

Dựa vào phương trình vi phân truyền nhiệt trên và kết quả thực nghiệm đo được sẽ
có được hệ số k và hàm số T gần đúng.
1.5.3 Phương pháp dùng mạng Neural
Phương pháp dùng mạng Neural để nhận dạng hệ thống trong đó đầu vào của
mạng là nhiệt độ, nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống trong quá trình thời gian. Đầu
ra của mạng là giá trị nhiệt độ của sản phẩm sau khi được truyền nhiệt. Tập dữ liệu
để mạng Neural học là tập dữ liệu thu được trong quá trình chạy thử nghiệm hệ
thống truyền nhiệt.
1.6

Mục tiêu, nhiệm vụ của luận văn

Với yêu cầu đặt ra là phải nhận dạng nhiệt độ sản phẩm qua các thông số đo được
của máy thanh trùng, nhiệm vụ luận văn sẽ thiết kế hệ thống nhận dạng nhiệt độ
(soft sensor) cho hệ thống máy thanh trùng bia theo hai phương pháp:
+ Dựa vào bài tốn truyền nhiệt có được phương trình truyền nhiệt của hệ
thống, trong đó các hệ số truyền nhiệt là chưa biết. Các dữ liệu thực nghiệm là
cơ sở để tính tốn các hệ số này.
+ Sử dụng mạng Neural để tìm ra mối quan hệ giữa đầu vào truyền nhiệt và
nhiệt độ sản phẩm có được. Mạng Neural được sử dụng ở đây là mạng 3 lớp,
với lớp đầu vào là các thông số đo đạc được của hệ thống máy, lớp ẩn là lớp
sử dụng các hàm tansig số, node của lớp ẩn sẽ được đưa ra khi giải quyết vấn
đề. Lớp ra của mạng Neural chính là nhiệt độ sản phẩm tại thời điểm t.

15


Thi công phần cứng để kết nối các module để đọc nhiệt độ từ các cảm biến, tốc độ
băng tải từ biến tần về máy tính. Bảo đảm máy thanh trùng vẫn hoạt động sản xuất
bình thường lúc kết nối. Thiết kế phần mềm đọc các dữ liệu đầu vào dựa vào 2

phương pháp tính tốn trên để cho ra đồ thị nhiệt độ sản phẩm và PU.
Chạy phần mềm trực tiếp trên máy để đưa ra kết quả thực tế hàng ngày và so sánh
với kết quả kiểm nghiệm từ đó đưa ra kết luận đánh giá 2 phương pháp thiết kế trên.
Sau khi có kết quả phù hợp từ 2 phương pháp trên sẽ cho đưa vào thực tế chạy trên
máy thanh trùng Bia lon của Nhà máy bia Sài Gịn-Đồng Xn để kiểm sốt nhiệt
độ và PU sản phẩm thay thế cho việc điều khiển nhiệt độ từng khoang.
1.7

Cấu trúc luận văn

Với phần tổng quan về máy thanh trùng như trên, luận văn này sẽ được viết các
phần tiếp theo với nội dung như sau:
Chương 2 tìm hiểu về mối liên quan giữa nhiệt độ nước tưới với nhiệt độ tâm lon
bia theo công thức về đối lưu nhiệt.
Chương 3 xây dựng mơ hình mạng Neural để tìm ra mối liên hệ giữa nhiệt độ
nước tưới và nhiệt độ tâm lon bia.
Chương 4 nêu các vấn đề triển khai ứng dụng trong thực tế.
Chương 5 tổng kết lại các chương trước và đưa ra hướng phát triển đề tài.

16


Chương 2: Phân tích q trình tăng và giảm nhiệt của bia trong
quá trình thanh trùng bia lon
2.1

Giới thiệu chung

Một quá trình giám sát liên tục sự thanh trùng bia trong các khoang bằng cách
quan sát nhiệt độ nước tưới lên sản phẩm, tốc độ băng tải và chiều dài các khoang,

từ đó qua tính tốn suy ra nhiệt độ trung bình khi đang ở trong khoang thanh trùng
rồi tính tốn PU, ghi lại và thể hiện kết quả tính tốn, đồng thời lưu trữ dữ liệu. Để
tính tốn được nhiệt độ lon bia thì cần phải phân tích q trình tăng và giảm nhiệt
của bia trong quá trình thanh trùng.
Đối với bia được đựng trong lon, lớp vỏ bằng nhơm dẫn nhiệt tốt và rất mỏng nên
có thể bỏ qua lớp vỏ nhơm này trong q trình tính tốn.
Để quá trình gia nhiệt cho lon bia được đồng đều máy thanh trùng phải có những
điều kiện sau:
+ Mật độ của tia nước tưới trong máy thanh trùng phải nhỏ hơn diện tích mặt
cắt ngang của lon bia nhằm bảo đảm lon bia được tưới đều diện tích xung
quanh như hình 2.1

Hình 2.1: Mật độ nước tưới cho lon bia

17