Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Tích hợp hệ thống SCADA sản xuất bia hiện đại

Intergration of SCADA System for Modern Brewery

PGS.TS Đinh Văn Nhã

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Khoa học Công nghệ và Đào tạo OMEGA

nhadvomega@gmail.com

Tóm tắt: Bài viết này trình bày kết quả nghiên

cứu, ứng dụng và tích hợp các hệ thống SCADA

đã được sử dụng thành công cho nhiều Nhà máy

bia hiện đại và hiệu quả cao tại Việt Nam

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 ngành Bia phù hợp với điều kiện và

hoàn cảnh của Việt Nam.

1.2. Tổng quan nhà máy Bia

(Hình trên nền đen trắng)

624

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

H.1- Sơ đồ khối của quá trình sản xuất tại nhà máy bia.(hình trên nền màu)

Chú thích về đường công nghệ trên hình vẽ:

- 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.

H.2 - Mô hình tổng quan hệ tự động hóa chính của nhà máy

625

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

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

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 (Step7). 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:

H.3 - Recipe nhập Malt sang nhà nấu

626

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

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

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.

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.

627

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Phần mềm Braumat

[2] .Tài liệu của Siemens

[3] Tài liệu kỹ thuật công ty POLYCO

[4] Tài liệu nhà máy bia Sài Gòn - Daklak, nhà máy bia Sài

Gòn - Bình Dương.

[5] Tài liệu nhà máy bia Việt Hà 2, nhà máy bia Hạ Long

2.

[6] .Các trang Web: WinCC

http://www.siemens.com/options

http://www.siemens.com/forum

Catalogue PLC S7-300

http://www3.ad.siemens.de/ca01online

Standard IEC-6113-3

http://www.plcopen.org

Dinh Van Nha

University degree: Moscow State

University of Civil Engineering in

1972, PhD: 1975 in Moscow,

Ass.Prof ( 1992)

Post Doc:Delft University of

Technology in Holland in 1985

Research areas: Automatic Control,

Control Design

Giải thưởng Hồ Chí Minh

năm 2005.

- Giải thưởng- Huy chương Vàng của Tổ chức Sở

hữu trí tuệ Thế Giới WIPO của Liên hợp Quốc 2005.

- Hai Giải Nhất Giải thưởng Sáng tạo KHCN Việt

nam (VIFOTEC -2000,2004).

- Nhà NCKH Xuất sắc Đông nam Á (9/2009) do

(SEA-EU NET MAPPING STUDY) bầu

chọn.(Bogor-Indonexia).

Positions Hold and Memberships

Director of the Research Center of Automation of Hanoi

University of Science Technology (HUST) - Vietnam

Ministry of Education and Training (2008-2011).

Director of Institute of Science Technology & Training

OMEGA

Vice General Director of POLYCO- GROUP

Vice Chairman/Vice General Secretary of Viet Nam

Automation Association.

Member of Central Committee, Director of Vietnam

Technology Renovation of Vietnam Association of

Corporate Directors (VACD Association).

Lecturer of Automatic Control department (HUST) since

June 1976

Awards and Achievements

The Owner of The Ho Chi Minh Award of Technology and

Science (2005) (the most prestigious Vietnamese research

award): this research work gives benefit for the Enterprises,

the State with thousands of billions VND.

The Owner of the Gold Medal of the World Intellectual

Property Organization WIPO AWARD CERTIFICATE of

the United Nations. The WIPO Award for the best invention

is hereby awarded to Prof. Dr. Dinh Van Nha.

The Owner of Two of the First ranking Prizes for “Viet

Nam Scientific and Technological Creations Award 2000 -

2004” VIFOTEC (2000 and 2004) (the prestigious

Vietnamese research award specialized in Technology)

A Labor Medal

Excellent Reseacher From SouthEast Asia - Results of

SEA-EU-NET MAPPING STUDY – Bogor- Indonesia –

October 2009.

628