ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA

BÁO CÁO MƠN HỌC
Đề tài :

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT CÀ PHÊ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SINH VIÊN THỰC HIỆN

: ThS. ĐỖ THỊ MAI
: NGUYỄN DUY AN

LỚP

ĐỖ MẠNH CƯỜNG
: TỰ ĐỘNG HÓA K14A

Thái Nguyên, Ngày 17 tháng 10 năm 2019


LỜI MỞ ĐẦU
Cà phê là một loại nước uống có từ rất lâu đời và được ưa chuộng đến ngày
hôm nay. Cà phê không chỉ chiếm lĩnh thị trường trong nước mà cịn có mặt ở các
thị trường lớn như: Mỹ, Đức, Pháp, Ý…góp phần giải quyết việc làm và đem lại
hiệu quả kinh tế.
Cà phê (café: tiếng pháp) là một loại thức uống màu đen có chứa caffein và
được sản xuất từ những hạt cà phê rang lên. Cà phê được xem là một loại hàng vị
giác có hương vị phong phú, tạo cảm giác sảng khoái, hưng phấn cho người dùng và

đặc biệt dễ tạo thành thói quen (cịn gọi là “nghiện”).
Tuy nhiên sau q trình thu hoạch nếu khơng bảo quản hợp lí thì cà phê dễ bị
tổn thất về khối lượng và chất lượng. Một giải pháp là chế biến thành cà phê nhân
để làm nguồn nguyên liệu cho việc chế biến tiếp theo: cà phê hịa tan, cà phê khơng
hịa tan…mang những hương vị đặc trưng riêng.
Đó là lí do nhóm chúng em chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT DÂY
CHUYỀN SẢN XUẤT CAFE HÒA TAN”
Nội dung cơ bản dự kiến thực hiện:
Chương 1: Giới thiệu hệ thống điều khiển giám sát
Chương 2: Tổng quan về hệ thống điều khiển và sản xuất cà phê
Chương 3: Phân tích thiết kế mơ hình hệ thống
Chương 4: Thiết kế hệ điều khiển
Chương 5: Thiết kế mạng SCADA cho hệ thống dây chuyền phân loại
sản phẩm

2


CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN GIÁM SÁT
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
1.1.1 Định nghĩa SCADA.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu.

Hình 1.1 Đối tượng điều khiển của hệ thống SCADA
Đây là hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát, điều khiển các hệ
thống điều khiển tự động như: Nhà máy sản xuất, trong các hệ thống thông tin
viễn thông, hệ thống điện lưới và các nhà máy cung cấp nước sạch… Để làm
được công việc đó thì hệ SCADA phải có các hệ thống sau:



Hệ thống truy cập dữ liệu



Hệ thống truyền tải dữ liệu



Dao diện người - máy HMI (Humen Machine Interface)
HMI sử dụng ở cấp điều khiển giám sát và ở các cấp dưới hơn, để thuận

tiện hơn cho người vận hành hệ thống hoặc thiết bị. Các loại dao diện HMI
bao gồm:



PO-Perator Panel: Màn hình vận hành



TP-Touch Panel: Màn hình cảm ứng
3




Multy Panel…

Do sự phát triển của các chuẩn truyền thông công nghiệp và các phần mềm
công nghiệp, nên việc chú trọng vào thiết kế một hệ SCADA là lựa chọn công
cụ phần mềm để thiết kế giao diện HMI và giải pháp tích hợp hệ thống là vấn
đề cốt lõi để xây dựng một hệ thu thập và điều khiển giám sát.
1.1.2 Các loại hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA được chia thành 4 nhóm chính với các chức năng
như sau: Là hệ SCADA mang tính độc lập hoặc được nối mạng, hệ SCADA
khơng có khả năng đồ họa và một loại có khả năng xử lý đồ họa thơng tin thời
gian thực.
a) Hệ thống SCADA mờ (Blind).
Đây là hệ thống SCADA hết sức giản đơn, nó khơng có một bộ phận
giám sát mà chỉ có nhiệm vụ là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị.
Ưu điểm của nó là: Do cơng nghệ cấu thành mạng đơn giản nên có
giá thành thấp
b) Hệ thống SCADA độc lập.
Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý.
Hệ này chỉ điều khiển được một hoặc hai máy móc, nên chủ yếu sử dụng ở
trong các đơn vị sản xuất có quy mô nhỏ và vừa...
c) Hệ thống SCADA Mạng.
Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ
vi xử lý. Các máy tính giám sát nối mạng với nhau. Thường chúng được sử
dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất nơi có nhiều máy móc cần phải điều
khiển.
Thơng qua các mạng truyền thơng, tồn bộ hệ thống được kết nối với
phòng điều khiển cấp phân xưởng, phịng giám sát cấp cơng ty. Hoặc có nhận
tín hiệu điều khiển trực tiếp từ phịng quản lý và phịng thiết kế.
d) Hệ thống SCADA xử lí đồ họa thông tin thời gian thực.
4

Hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ các thông tin đã
được thu thập trước của máy tính mà hệ có khả năng mơ phỏng quá trình hoạt
động của hệ thống sản xuất. Nhờ máy tính ghi lại tồn bộ dữ liệu q trình
hoạt động của hệ thống nên khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người
vận hành, hoặc tự động xử lý lỗi xảy ra đó.
e) Đánh giá một hệ SCADA.
Để đánh giá một hệ điều khiển và giám sát SCADA thì cần phải phân
tích các đặc điểm của hệ thống theo một số tiêu chuẩn như:

 Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm điều khiển việc thực hiện
xây dựng các màn hình giao diện.
•

Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ họa có sẵn,

khả năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các q trình kỹ thuật có tốt
khơng.
•

Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện q

trình, khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging),
xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and
history) và lập báo cáo (Reporting)
• Tính thời gian thực và hiệu suất trao đổi thơng tin, với nền
Windown thì hỗ trợ sử dụng mơ hình phần mềm ActiveX Control và OPC.
•

Xem xét giá thành tổng thể của hệ thống

1.1.3 Sự phân cấp quản lí của hệ thống SCADA.
Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống
công nghiệp bất kỳ. Đặc thù của hệ tự động là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn,
trải trên một không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với các chức năng,
nguyên lý làm việc khác nhau. Do đó việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung
tâm để đảm nhận tất cả các chức năng giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp.
Chính vì vậy mà tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát,
điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu được phân
phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau.
5


Cấp thứ nhất:
Là các phần tử có chức năng:
- Giám sát các thông số vận hành của hệ thống, ra lệnh cho các phần tử chấp
hành thực hiện chức năng điều khiển, ghi chụp, phân tích sự cố xảy ra trong quá
trình hoạt động của hệ thống.
- Thu thập số liệu, thơng số vận hành ở các chế độ bình thường để gửi lên
các máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server) hoặc các thiết bị đầu cuối
RTU (Remote Terminal Unit). Trong các hệ thống hiện đại, các phần tử này được
gọi chung là các thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices).
Cấp thứ hai
Là các trạm điều khiển SS (Substation Server) và RTU có chức năng chủ yếu
là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu phục vụ các
nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ qua các giao diện người máy HMI (Human Machine
Interface) và truyền dữ liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn
truyền thông.
Cấp thứ ba
Cấp thứ ba là trung tâm điều khiển toàn hệ thống, nơi thực hiện việc thu thập

số liệu từ các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và RTU, thực hiện các chức
năng tính tốn, đánh giá trạng thái của hệ thống, thực hiện các chức năng điều khiển
quan trọng, lên kế hoạch vận hành toàn hệ thống.
Do quy mô rộng lớn của hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại, các trạm
điều khiển trung tâm cịn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm
(Central Control) và các trạm điều khiển vùng (Area Control Center).
Luồng thông tin trong hệ thống điều khiển tích hợp:

6


Hình 1.2 Phân cấp chức năng trong hệ SCADA
Level
Level I

Chức năng, nhiệm vụ
- Thu thập dữ liệu q trình cơng nghệ thời gian thực;
-

Tính tốn theo algorithm và đưa ra tín hiệu điều khiển theo qui

luật cho trước;

Level II

-

Báo hiệu về việc vượt quá ngưởng cho phép của các thông số;

-

Block những hành động lổi của Operator và thiết bị điều khiển;

-

Ngăn ngừa xãy ra Alarm.
Thu thập thông tin từ cấp dưới, xữ lý, lưu trữ và monitoring;

-

Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thơng tin;

-

Chuyển thơng tin về việc sản xuất ở các xưởng, xí nghiệp cho cấp

cao hơn;
-

Tính tốn những thơng số thứ cấp, trong đó, chỉ số chất lượng sản

phẩm, chỉ số kinh tế-kỹ thuật;
-

Lưu trữ thơng tin;

-

Đưa ra các report;

-

Chuẩn đốn về sự hư hỏng của các phần tử trong hệ thống;

-

Xác định thơng số, cấu hình của các thiết bị điều khiển và những
7


bộ điều khiển cục bộ của Level 1;
-

Level III

Thay đổi cấu trúc các hệ thống điều khiển cục bộ, thay đổi trạng

thái làm việc của các thiết bị điều khiển.
- Tối ưu các chỉ số kinh tế về sản xuất;
-

Điều khiển theo các chỉ số kinh tế, kinh tế-kỹ thuật;

-

Quản lý tài nguyên của công ty;

-

Lưu trữ thông tin;

Đưa ra kế hoạch sản xuất.
Bảng 1.1. Bảng chức năng nhiệm vụ các cấp trong hệ SCADA
-

1.1.4 Chức năng của hệ thống SCADA.
- Chức năng giám sát: Giám sát và đảm bảo tính chính xác của tồn bộ các thơng
số vận hành của hệ thống
- Chức năng điều khiển:
+ Điều khiển quá trình chính xác, tin cậy
+ Cài đặt các thơng số từ xa khi có nhu cầu thay đổi cấu trúc, quy mô hệ
thống, yêu cầu công nghệ dẫn tới một số thông số vận hành hệ thống bị thay đổi
theo.
- Chức năng quản lý, lưu trữ dữ liệu:
+ Giám sát sự cố xảy ra trong quá trình hoạt động của hệ thống, cảnh báo sự
cố bằng âm thanh, màu sắc, hoặc thơng báo trên màn hình hiển thị
+ Ghi nhận, lưu trữ dữ liệu, thông tin vận hành, thông tin sự cố hệ thống
(logging/archiving)
+ Lập biểu đồ (Trending): các sản phẩm SCADA đều được hỗ trợ tiện ích lập
biểu đồ
+ Điều khiển báo động (Alarm handing): thực hiện báo động dựa trên kiểm
tra giới hạn và trạng thái thực hiện trên các server
+ Xuất báo cáo (Report Generation): xuất báo cáo dưới dạng truy vấn SQL
cho lưu trữ file, bảng ghi sự kiện dạng text, file sự kiện dạng html,...báo cáo có thể
xuất, in hoặc lưu trữ tự động.
- Tính năng thời gian thực:
SCADA là một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu trong thời
gian thực, do đó tính năng thời gian thực của hệ thống là rất cân thiết và quan trọng.
8

Tính năng thời gian thực ảnh hưởng tới độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu
ra. Một hệ thống có tính năng thời gian thực khơng nhất thiết phải có phản ứng thật
nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu và tác động
bên ngồi.
Một hệ thống có tính năng thời gian thực yêu cầu hệ thống BUS phải có những tính
năng: Độ nhanh nhạy, tính tiền định, độ tin cậy,kịp thời, tính bền vững.
- Kiểm sốt truy cập:
Người dùng được chỉ định vào các nhóm, mỗi nhóm đều được định nghĩa quyền
truy cập đọc/ghi (read/write) các thông số của quá trình điều khiển.
1.2. Cấu trúc hệ thống SCADA.
Trong các hệ thống SCADA thì các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai
trị là giao diện giữa thiết bị điều khiển với q trình sản xuất. Cịn hệ thống điều
khiển giám sát đóng vai trị là giao diện giữa người và máy. Các thiết bị và các bộ
phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm - điểm (Point to Point),
hoặc thông qua mạng truyền thông cơng nghiệp.
Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tím
hiệu tương tự. Khi xử lý trong máy tính chúng ta phải được chuyển đổi cho phù
hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Các thành phần chính:



Giao diện quá trình: Là các phần tử chấp hành, cảm biến, thiết bị đo, các

thiết bị chuyển đổi…



Thiết bị điều khiển tự động: Bao gồm các bộ điều khiển logic khả trình

PLC (Programable Logic Controller), bộ điều khiển chuyên dụng tỷ lệ vi tích phân
PID, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy
tính điều khiển với các phần mềm điều khiển chuyên dụng.



Hệ thống điều khiển giám sát: Bao gồm các phần mềm hỗ trợ và giao diện

người-máy HMI (Human Machine Interface), các trạm kỹ thuật, trạm vận hành
giám sát và điều khiển cao cấp.
9




Hệ thống truyền thông: gồm các thiết bị được ghép nối điểm - điểm

(Point to Point), Bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống.

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc cơ bản hệ SCADA

Hình 1.4. Minh họa hê thống SCADA hiện đại
SCADA
Intouch
WinCC
Trace Mode
Vijeo Look

Company

Wonderware
Siemens
AdAstra
Schneider Electric
10

Country
USA
Germany
Russia
France


LabView
Citect

National Instrument
USA
Ci Technologies
Australia
Bảng 1.2. Một số hệ thống SCADA tiêu biểu
1.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển giảm sát
Một mạng SCADA về bản chất là sự kết hợp của các máy chủ, máy tớ và các
thiết bị trường được kết nối với nhau bởi mạng truyền thông. Thông tin sử dụng bởi
các máy chủ được thu thập bửi các bộ điều khiển/cảm biến. Các máy tớ là các giao
tiếp được sử dụng bởi người vậ hành để tương tác với hệ thống. Các máy chủ
thường được đặt tại các nhà máy chính/trạm chính. Chúng truyền thơng với các bộ
điều khiển cục bộ hoặc ở các vị trí xa.
Cơ cấu cơ bản của hệ thống SCADA như sau:
-

Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là khối thiết bị vào/a đầu cuối từ xa RTU

hoặc các khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC có chức năng giao tiếp với các
thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, cơ cấu chấp hành...)
- Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm
(Center host computer server).
- Giao diện người – máy (Human – Machine Interface): là các bộ hiển thị quá
trình hoạt động của hệ thống.
- Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các
thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dịng kênh có chức năng truyền dữ liệu
cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
- Một hệ thống SCADA (điều khiển, giám sát và thu thập các dữ liệu) là một
hệ thống bao gồm các thiết bị đầu cuối (hay RTU) thu thập các dữ liệu của hệ thống
sau đó liên kết trở về trạm chủ thông qua hệ thống giao tiếp. Trạm chủ hiển thị dữ
liệu thu thập được và cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điều khiển từ
xa.
Đối với một hệ thống SCADA phức tạp cần thiết phải có 5 cấp:
-

Các thiết bị cấp trường và cấp điều khiển
Các thiết bị đầu cuối RTU
Hệ thống giao tiếp
Các trạm chủ (MTU)
Bộ phận xử lý dữ liệu

Bộ RTU cung cấp goao thức kết nối tới các cảm biến tương tự (analog) và cảm
biến số tương tự ứng với mỗi tín hiệu thực tế.
11

Hệ thống truyền thông mạng cung cấp giao thức truyền thông giữa trạm chủ
và các thiết bị ở xa. Việc truyền thơng này có thể sử dụng dây dẫn tín hiệu, cáp
quang, dây điện thoại, thậm chí có thể sử dụng tín hiệu vệ tinh. Các giao thức cụ thể
và kiểm tra phát hiện lỗi được sử dụng hiệu quả và tối quá trình truyền dữ liệu.
Trạm chủ chủ (hoặc trạm con) thu thập dữ liệu từ các bộ RTU khác nhau và
cung cấp một giap diện để hiển thị thông tin và diều khiển các thiết bị ở xa.
1.4 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển giảm sát.
Phần mềm SCADA có thể chua thành hai loại là bản quyền hoặc mở. Những công
ty phát triển phần mềm bản quyền để giao tiếp với phần cứng của họ. Các hệ thống
này được bán giống như cung cấp các giải pháp theo dạng
“ chìa khóa trao tay”. Vấn đề chính của hệ thống này là quá phụ thuộc vào nhà cung
cấp. Hệ thống phần mềm đã trở nên phổ biến vì khả năng tương tác mà chúng mang
lại cho hệ thống. Khae năng tương tác là khả năng để kết hợp các thiết bị của nhiều
nhà sản xuất trên cùng một hệ thống.
WINCC là một trong những gói phần mềm mở có trên thị trường hệ thống SCADA.
Ngồi ra, một số gói phần mềm SCADA hiện nay được tích hợp luôn việc quản lý
năng lương hệ thống nhà máy tồn diện.
Hệ thống WinCC bao gồm các hệ thống con:
• Hệ thống đồ họa (Graphics system)
• Ghi nhận cảnh báo (Alarm logging)
• Hệ thống lưu trữ (Archiving System)
• Hệ thống báo cáo (Report system)
• Truyền thơng (Communication)
• Quản trị người dùng (user administration)
Hệ thống WinCC gồm có phần mềm cấu hình (Configuration Software) và
phần mềm thực thi (Runtime software).
• Phần mềm cấu hình dùng để tạo ra project
• Phần mềm thực thi dùng để thực thi project trong khi xử lý.

12


Hình 1.5 Kiểu hệ thống SCADA điển hình
Theo hình 1.19, đầu tiên, dựa vào các trình biên tập trong phần mềm cấu
hình, ta tạo ra project. Tất cả các trình biên tập đều lưu trữ thông tin của project
trong cơ sở dữ liệu cấu hình (CS database). Khi thực thi, thông tin của project được
đọc ra từ CS database bởi phần mềm thực thi và project được thực thi. Dữ liệu hiện
tại của project được lưu tạm tại cơ sở dữ liệu thực thi (RT database).
• Hệ thống đồ họa hiển thị graphic trên màn hình, đồng thời cũng nhận các
thiết lập (input) từ người vận hành như khi người vận hành nhấp nút nhấn hay nhập
giá trị.
• Việc giao tiếp giữa WinCC và hệ thống tự động được thực hiện bởi driver
giao
tiếp hay còn gọi là các kênh (channels). Các kênh này có nhiệm vụ thu thập các
giá trị quá trình cần thiết cho các thành phần trong WinCC, đọc giá trị các tag từ
hệ thống tự động và ghi các giá trị mới trở lại hệ thống tự động.
13


• Việc trao đổi dữ liệu giữa WinCC và các ứng dụng khác có thể được thực
hiện
bằng OPC, OLE hay ODBC.
• Hệ thống lưu trữ lưu giá trị của quá trình vào nơi lưu trữ giá trị quá trình.
Các
giá trị quá trình được lưu trữ được dùng để vẽ đồ thị (trend), đưa ra báo cáo
(report), ...
• Các gía trị của q trình được theo dõi bởi tính năng ghi nhận cảnh báo
(Alarm logging). Nếu một giá trị giới hạn bị tràn, Alarm logging sẽ tạo ra một
message để cảnh báo. Và hệ thống message cũng nhận các xác nhận

(acknowledgements) từ người vận hành và quản lý các trạng thái của message.
Alarm logging lưu trữ tất cả các message vào nơi lưu trữ message.
• Q trình sẽ được báo cáo bởi hệ thống báo cáo (Report system) theo yêu
cầu hoặc theo thời điểm định trước. Nơi lưu trữ giá trị q trình và message được sử
dụng cho mục đích này.
1.5. Giải pháp mạng truyền thông cho hệ thống điều khiển và giám sát.
Mạng máy tính cục bộ (LAN — Local Area Networks) là việc chia sẻ thông
tin và tài nguyên hệ thống. Để cho phép tất cả các Nút (tNođe) trên mạng SCADA
có thể chia sẻ thơng tin thì chúng cần phải được kết nổi bới một số giao thức truyền
dẫn. Phương pháp để kết nối này được gọi là giáo thức mạng, các nút cần chỉa giao
thức truyền điện này trong một cách nào đó để cho phép tất cả các nút có thể truy
cập mà khơng mất bất kỹ một nút nào đó đã được thiết lập, Mạng LAN là một giao
thức giao tiếp giữa các may tỉnh, may chủ server, thiết bị đầu cuối, máy trạm
(workstation) và nhiều thiết bị ngoại vị thơng mình khác. Các thiết bị này thương
được gọi là Device hay Host, Mạng LAN cho phép truy cập để các thiết bị cụ thể
chia sẻ bởi nhiều người dùng, với khả năng kết nối giữa tát cá các trạm trên cùng
mạng với nhau. Mạng LAN thường được sở hữu và quản lý bởi cá nhân hay trong
hệ thơng cục bị. Ethernet được sứ đụng rộng rãi nhất trong hệ thơng mạng LAN
ngày này vì giá thành rẻ và dễ sữ dụng. Việc kết nối hệ thống mạng SCADA qua
mạng LAN cho phép bất kỳ ai trong cơng ty có phần mềm bản qun và được cho
phép truy cập đếu có thể truy cập vào hệ thống. Kế từ khi đữ liệu được xáy dựng trở
14


thành cơ sở dữ liệu, người dùng có thế bị hạn chế để đọc các thông tin, Và vấn đề
về an toàn (security) rõ rằng là một mới quan tắm hàng đầu và hệ thống SCADA
hiện nay có thể giải quyết văn để này.

Hình 1.6 Hệ thống SCADA trao đổi dữ liệu qua mạng Ethernet

CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ SẢN XUẤT CÀ PHÊ
2.1 Khảo sát dây chuyền sản xuất Cà phê tại Công ty IFOOD Việt Nam

15


2.1. Dây chuyền nhà máy IFOOD Việt Nam
Trong quá trình thiết kế dây chuyền sản xuất cà phê hòa tan, các chuyên gia
nghiên cứu tại IFOOD đặc biệt chú trọng đến quá trình xử lý hạt cà phê sau khi rang.
Vì để có thể cho ra được những mẻ rang đạt chất lượng tốt nhất, chúng ta phải sử
dụng phương pháp rang phù hợp và quan trọng hơn hết là một hệ thống máy rang đạt
tiêu chuẩn. Đó chính là điều kiện cần thiết để giúp bột cà phê thành phẩm đậm đà và
thơm ngon hơn.

Bên cạnh đó, để tránh tổn thất hương thơm nguyên thủy của cà phê, chúng tơi cịn
ứng dụng cơng nghệ hồi hương trong q trình chế biến nhằm đảm bảo cà phê thành

16


phẩm thu được có chất lượng tốt nhất và giữ hương thơm nồng nàn. Chính từ những
điều này đã tạo ra sự khác biệt vượt trội của dây chuyền mang thương hiệu IFOOD.

2.2. Ly Cà phê hòa tan
Đặc điểm của dây chuyền sản xuất cà phê hòa tan
1. Dây chuyền được thiết kế hiện đại, đạt tiêu chuẩn cao, đảm bảo hoạt động ổn
định và an tồn trong q trình sử dụng.
2. Tồn bộ quy trình sản xuất được thực hiện trong một quy trình khép kín, tự
động hóa hồn tồn, đảm bảo tồn tn thủ hệ thống quản lí chất lượng theo

tiêu chuẩn ISO 9001, hệ thống kiểm soát vệ sinh thực phẩm HACCP 24/24
đến từng công đoạn.
3. Các thiết bị trong dây chuyền đều được tính tốn và lựa chọn cẩn thận sao cho
phù hợp với đặc thù của dòng sản phẩm này, giúp doanh nghiệp khai thác các
tính năng của nguyên liệu tốt hơn, đảm bảo chất lượng cà phê thành phẩm
cũng như phù hợp với thị hiếu của người tiêu dùng.

17


4. Dù là sản phẩm được nhập khẩu nhưng mức giá của dây chuyền sản xuất này
lại hoàn toàn hợp lý, phù hợp với nhiều doanh nghiệp muốn kinh doanh sản
xuất cà phê hiện nay;
2.2 Xây dựng sơ đồ công nghệ hệ thống
2.2.1. Sơ đồ công nghệ đầy đủ của 1 hệ thống sản xuất Cà phê:
NGUYÊN LIỆU
(Cà phê nhân)

RANG CÀ PHÊ NHÂN

XAY CÀ PHÊ NHÂN

ĐĨNG GĨI CÀ PHÊ HỊA
TAN

THÀNH PHẨM

Hình 2.3: Quy trình sản xuất cà phê hịa tan

18

2.2.2. Các thành phần trong sơ đồ công nghệ:
a. Nguyên liệu
Nguyên liệu là cà phê nhân (đã được loại bỏ các lớp vỏ bao quanh hạt cà
phê).
Hiện nay có 2 phương pháp chế biến để sản xuất cà phê nhân:
- Chế biến khô: Phơi quả cà phê đến độ khô nhất định rồi dùng máy xát loại bỏ các
lớp vỏ bao quanh nhân.
- Chế biến ướt: Quả cà phê được sát tươi rồi đem phơi hoặc sấy đến độ ẩm nhất
định. Sau đó xay xát, loại bỏ vỏ trấu và vỏ lụa để tạo ra cà phê nhân.
Cà phê nhân có thành phầm hóa học phức tạp. Khi trái chín, cấu tử hạt có
chứa 48-50% ẩm, thành phần chất béo cà phê chứa một loại dầu không khô và chất
sáp. Ngồi ra cịn có một chất quan trọng là caffein (khơng màu, khơng mùi nhưng
có vị đắng). Trở nên khan khi đun nóng đến nhiệt độ 80-100 0C, bắt đầu thăng hoa ở
nhiệt độ 120 0C và thăng hoa hoàn tồn ở nhiệt độ 178 0C. Điều này có thể giải thích
cho tổn thất caffein trong q trình rang cà phê.
b. Rang
Rang là công đoạn xử lý nhiệt cho hạt cà phê ở nhiệt độ cao từ 190-240 0C,
nhằm đạt được những biến đổi mong muốn về màu sắc và hương vị.
Trong thời kì đầu của cơng đoạn rang, nhiệt độ >100 0C. Nhiệt độ làm bốc
hơi nước trong hạt từ 12% xuống còn khoảng 2% khi nhiệt độ đạt đến 150 0C và
sinh ra các chất khí (CO 2, CO, hơi nước...). Hạt cà phê trở nên giòn, trương nở 40100% về thể tích.
Trong khoảng nhiệt độ 180-200 0C hạt bắt đầu được rang nức và mùi hương
được tạo ra. Thông thường cà phê rang ở 190-240 0C trong vòng 15-25 phút, tổn
thất về khối lượng khi rang 16-18%.
Những biến đổi diễn ra trong quá trình rang như sau :
- Ngồi sự mất nước, sản sinh các chất khí, còn phát triển hương vị mà chúng sẽ hòa
tan trong khi pha chế.
19

- Các chất đường trong hạt bị caramen hóa một phần.
- Protein bị phân hủy một phần do nhiệt, hàm lượng cafein cũng bị biến đổi.
Thành phần trong hạt cà phê rang phụ thuộc vào giống, phương pháp chế biến
và cường độ rang. Có 3 phương pháp rang cà phê:
- Gia nhiệt trực tiếp: áp dụng từ lâu đời.
- Gia nhiệt gián tiếp: cần các thiết bị.
- Gia nhiệt theo ngun lí tầng sơi.
 Thiết bị rang
Người ta tiến hành rang trong nhiều loại thiết bị có mức độ cơ giới khác
nhau, và dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
Người ta có thể rang trong thiết bị thùng đứng có trục khuấy hoặc tay đảo.
Thiết bị cịn có ống lấy mẫu và cửa quan sát. Cà phê sau khi rang ua hệ thống làm
nguội bằng thùng hoặc bằng bao tải rải đều cà phê cho chóng nguội.
Có thể đốt bằng than, dầu hoặc hơi nóng ở vỏ nồi hoặc trục nồi.
Ngồi ra cịn có những thiết bị rang hiện đại, tư động hóa dưới một áp suất lớn,
cho ta sản phẩm sau rang rất đều và hao hụt về hương thơm coi như được khống chế
tốt.

Hình 2.4: Thiết bị rang thùng quay liên tục
Thông số công nghệ:
-

Nhiệt độ rang của hạt cà phê nằm trong giới hạn 180-240oC.
20


-

Thời gian rang được xác định theo mức độ rang mong muốn phụ thuộc vào
nhiệt độ thực hiện.

-

Quá trình rang; khơng q 1 giờ.

-

Qúa trình làm nguội sẽ kết thúc khi nhiệt độ hạt bằng nhiệt độ môi trường.

c. Nghiền
Mục đích: tăng hoạt tính phản ứng của chất rắn, tạo ra bề mặt tiếp xúc của
các phần từ tiếp xúc lớn hơn để giải phóng CO 2, tăng khả năng trích ly các hợp chất
có trong hạt.
Nhiệt độ nghiền khơng quá cao <40 0C để tránh phân hủy một số chất dinh
dưỡng và giữ hương chơ cà phê. Có thể sử dụng máy nghiền trục hoặc nghiền đĩa.
Lưu ý: các hạt nghiền khơng q mịn, nếu khơng sẽ gây khó khăn cho quá
trình lọc, ảnh hưởng đến hiệu suất và có thể gây tắc hệ thống lọc.
 Thiết bị nghiền:
Các loại máy nghiền đều nghiền nhỏ vật liệu bằng một hoặc vài dạng tác dụng
cơ học. Các phương pháp tác dụng bao gồm: 1. va đập, 2. nén ép, 3. mài mịn, 4.
cắt. Tùy theo u cầu và tính chất cơ lý của vật liệu mà chọn phương pháp nghiền
thích hợp.
Trong quá trình nghiền, nguyên liệu chịu tác dụng lực sẽ bị biến dạng đàn hồi,
sau đó, khi vuợt quá biến dạng đàn hồi, nguyên liệu sẽ bị phá hủy thành nhiều thành
phần mới có kích thước nhỏ hơn. Như vậy cơng cần thiết cho q trình nghiền bao
gồm cơng làm biến dạng vật liệu và công để làm nhỏ kích thước vật liệu. Cơng biến
dạng phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu, cịn cơng biến dạng phụ thuộc vào
mức độ nghiền, mức độ nghiền càng lớn, công tiêu tốn càng nhiều.Số hạt mới sinh

ra tỉ lệ theo cấp số nhân với mức độ nghiền. Giả sử một hạt hình lập phương kích
thước cạnh là D sau khi nghiền cịn kích thước D/2sẽ sinh ra 8 hạt mới, còn nếu là
D/4 sẽ là 8 x 8 = 64 hạt, D/8 sẽ là 64 x 8 = 512 hạt, v.v.. Như vậy do số hạt mới sinh
ra càng nhiều, thời gian để nghiền sẽ càng lớn nếu nghiền càng mịn.

21


Nguyên lý làm việc của máy nghiền trục là cho sản phẩm cần nghiền đi qua khe
hở giữa 2 trục nghiền. Hai trục nghiền hình trụ, đặt nằm ngang, có bề mặt rất cứng,
trên bề mặt có thể trơn hoặc được gia công tùy theo nguyên liệu được nghiền.
Ðối với sản phẩm nghiền thơ, trên bề mặt trục có xẻ rãnh để đưa nguyên liệu
vào dễ hơn. Trường hợp cần nghiền thật mịn, bề mặt trục thường trơn.
Nguyên liệu khi đi qua khe hở giữa 2 trục sẽ bị ép, kích thước nhỏ lại. Ðối với
q trình nghiền thật mịn, nhiều khi nguyênliệu cần nghiền uớt. Ðể đảm bảo kích
thước hạt sau khi nghiền, có thể nghiền nhiều lần bằng cách hồi lưu lại sản phẩm
nghiền hay nghiền qua nhiều máy liên tục.
Bộ phận thốt tải là hệ thống lị xo ép 2 trục nghiền với nhau. Khi vật cứng qua
khe hở máy nghiền hay khi vật liệu qua quá nhiều,bộ phận thốt tải làm việc, khi đó
hệ thống lị xo bị ép lại, khe hở lớn ra và vật cứng đi qua dễ dàng mà không làm hư
máy.
Ðối với các máy nghiền mịn khơng có bộ phận thốt tải (chỉ có ở nghiền thơ và
trung bình).

Hình 2.5: Thiết bị nghiền trục

Thông số công nghệ:
- Độ ấm nguyên liệu vào: 1-2%
- Kích thước hạt sau khi nghiền 1000μm.
22

d. Đóng gói
Cà phê bột sau khi nghiền được chứa vào túi/ hộp, đặt trong thùng thiết và
đậy kín, bảo quản trong phịng lạnh 18-20 0C.
Trước khi đóng gói thành phẩm cần phải pha trộn các mẻ với nhau để tạo độ
đồng đều về phẩm chất, hương vị, tỷ trọng…và rây sàng để loại bỏ các cục vón.
Việc đóng gói thành phẩm trong mơi trường khí trơ là cần thiết. Các khí trơ
thường dùng là cacbonddiooxit hoặc nitrogen hay hỗn hợp cả hai, để lượng oxygen
trong bao bì càng ít càng tốt <4%, tránh sự hút ẩm và giữ chất thơm.
2.2.3. Một số thiết bị
2.2.3.1. Loadcell (Cảm biến cân trọng lượng)
Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết
nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân
loadcell.

Hình 2.6: Cấu tạo Loadcell
Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2)góc (1) và
(4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc
khác. Tại trạng thái cân bằng (trạng thái khơng tải), điện áp tín hiệu ra là số không
hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.Đó là lý do tại
sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng.
Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell
bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của
23


các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự
thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi
trong điện áp đầu ra. Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo

và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu
cân).

Hình 2.7: Một số loại Loadcell trên thực tế
2.2.3.2. Cảm biến nhiệt độ.
a) Nhiệt điện trở với Platin và Nickel
*) Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Được sử dụng các kim loại nguyên chất (Pt; Cu; Ni) với hệ số nhiệt điện trở
càng lớn càng tốt
Pt làm việc ở nhiệt độ 1900C đến 6500C
Cu làm việc ở nhiệt độ 500C đến 1500C
Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp
vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở(R) chếtạo khoảng từ 10(Ω)
đến 100(Ω). Trong đó R0 là điện trở tại thời điểm ban đầu
Φ = 1/n.e.μ
Trong đó:

n: Là số điện tửtựdo trong một đơn vịdiện tích

e: Là điện tích của điện tử tự do
μ: Là tính linh hoạt của điện tử, μ được đặc trưng bởi tốc độ của điện tử trong từ
trường).
24


*) Nhiệt điện trở Platin.
Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng dãi trong cơng nghiệp.
Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức
độ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC
751 – 1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995).

USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng.
Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do
đó khi bịcác tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện
của nó ít hơn so với các Platin rịng, nhờthếsự ổn định lâu dài theo thời gian, thích
hợp hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin thường dùng có
đường kính 30 μm (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100 (μm)
*) Nhiệt điện trở nickel.
Nhiệt điện trở nicken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn
gần gấp 2 lần (6,18.10-3 0C-1). Tuy nhiên dải đo chỉtừ-600C đến +2500C, vì trên
3500C nicken có sựthay đổi vềpha, cảm biến nicken 100 thường dùng trong cơng
nghiệp điều hồ nhiệt độ phịng.
*) Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel.
Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi Platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với
bột nhôm, dải đo từ – 2000C đến 8000C.
2.3. Lĩnh vực, ứng dụng, ưu và nhược điểm.
*Ưu điểm của cà phê hòa tan:
 Giá thành rẻ
 Thời hạn sử dụng lâu dài.
25