Luận văn: Thiết kế hệ thống tự động chưng cất rượu theo công nghệ dân gian

Luận văn trình bày thiết kế và chế tạo hệ thống tự động chưng cất rượu theo công nghệ dân gian, giúp điều khiển và giám sát nhiệt độ hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Thị Thùy Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Trần Hoài Linh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Tự Động Hóa Chưng Cất Rượu Dân Gian: Thiết Kế Hệ Thống
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khảo sát công nghệ nâu rượu dân gian truyền thống

Tự động hóa chưng cất rượu dân gian là một lĩnh vực kỹ thuật hiện đại kết hợp các quy trình truyền thống với công nghệ tự động hóa. Việc khảo sát các công nghệ nâu rượu dân gian ở khu vực Tây Bắc cho thấy sự đa dạng trong phương pháp sản xuất. Các quá trình này thường bao gồm chọn gạo, nấu chín, ủ lên men, và chưng cất rượu theo kinh nghiệm của những thợ nâu truyền thống. Mục tiêu của đề tài là thiết kế hệ thống tự động hóa có thể tái tạo lại các quy trình này một cách chính xác, giữ nguyên chất lượng sản phẩm đồng thời nâng cao hiệu suất sản xuất. Sự kết hợp giữa kinh nghiệm dân gian và công nghệ hiện đại tạo ra một giải pháp bền vững cho ngành rượu remestic.

1.1. Quy trình nấu rượu dân gian khu vực Tây Bắc

Quy trình truyền thống bao gồm các bước: chọn gạo chất lượng, nấu chín gạo đạt độ chín chuẩn, sau đó tiến hành ủ lên men trong môi trường kiểm soát. Khâu chưng cất rượu là công đoạn quan trọng nhất, đòi hỏi kiểm soát chính xác nhiệt độ. Các thợ nâu dân gian sử dụng kinh nghiệm để điều chỉnh nhiệt độ khâu ủ khoảng 25-30°C và khâu chưng cất 65-85°C. Lọc và trữ rượu là bước cuối cùng, yêu cầu kỹ thuật cao để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.2. Các nhận xét về quy trình hiện tại

Quy trình nâu rượu dân gian hiện tại gặp những thách thức trong kiểm soát chất lượng do phụ thuộc vào kinh nghiệm cá nhân. Tự động hóa điều khiển nhiệt độ có thể giải quyết vấn đề này, giúp ổn định chất lượng sản phẩm. Việc tích hợp cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển PID sẽ cho phép giám sát real-time các thông số quan trọng, từ đó nâng cao tính hiệu quả và độ tin cậy của sản xuất.

II. Thiết kế hệ thống tự động hóa điều khiển nhiệt độ

Thiết kế hệ thống tự động hóa cho chưng cất rượu đòi hỏi tích hợp nhiều thành phần kỹ thuật. Hệ thống bao gồm cảm biến nhiệt độ để đo lường chính xác, bộ điều khiển PID để xử lý tín hiệu, và các thiết bị cấp nhiệt như lò điện trở. Thiết kế này nhằm tái tạo các điều kiện ủ lên men và chưng cất theo tiêu chuẩn dân gian. Giải pháp tự động hóa này không chỉ duy trì chất lượng rượu mà còn giảm chi phí sản xuất và lao động. Thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên phân tích đối tượng điều khiển và tối ưu hóa tham số bộ điều khiển theo phương pháp Ziegler-Nichols.

2.1. Lựa chọn công nghệ cải thiện

Để tự động hóa hệ thống chưng cất, cần lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện địa phương. Công nghệ được đề xuất là điều khiển PID kết hợp với cảm biến nhiệt độ hiện đại, cho phép kiểm soát chính xác trong khoảng ±1°C. Hệ thống này có khả năng giám sát và điều chỉnh tự động nhiệt độ khâu ủ và khâu chưng cất liên tục, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

2.2. Phương án cải thiện quy trình

Phương án cải thiện bao gồm tích hợp tự động hóa đo lường và điều khiển thông số nhiệt độ. Lò nhiệt điện trở được điều khiển bởi bộ điều khiển PID, giúp duy trì nhiệt độ ổn định. Sơ đồ mạch điện được thiết kế để hỗ trợ cả làm mát khẩu ủ và tăng nhiệt độ khâu chưng cất. Hệ thống này có thể được lập trình để thực hiện các chu kỳ tự động, giảm tối đa can thiệp thủ công.

III. Thuật toán điều khiển PID cho khâu ủ và chưng cất

Thuật toán điều khiển PID là nền tảng của hệ thống tự động hóa chưng cất rượu. PID (Proportional-Integral-Derivative) có ba thành phần: thành phần tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). Tham số của bộ điều khiển được xác định sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols hoặc tối ưu hóa mô đun. Đối với khâu ủ, nhiệt độ được duy trì ở 25-30°C, trong khi khâu chưng cất yêu cầu kiểm soát trong vùng 65-85°C. Giải pháp điều khiển này cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các thay đổi nhiệt độ, đảm bảo ổn định quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm rượu.

3.1. Tóm tắt thuật toán điều khiển PID

Thuật toán PID hoạt động dựa trên sai số giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực tế. Thành phần P điều chỉnh nhanh chóng, thành phần I loại bỏ sai số dừng, và thành phần D giảm overshoot. Công thức PID: u(t) = Kpe(t) + Ki∫e(t)dt + Kd*de(t)/dt, trong đó Kp, Ki, Kd là các tham số cần điều chỉnh cho tối ưu.

3.2. Xác định tham số PID cho khâu ủ và chưng cất

Tham số PID được xác định thông qua phương pháp Ziegler-Nichols hoặc tối ưu hóa. Khâu ủ yêu cầu Kp=5, Ki=0.5, Kd=1, còn khâu chưng cất cần Kp=8, Ki=0.8, Kd=1.5. Các giá trị này được tinh chỉnh qua thí nghiệm để đạt phản ứng tối ưu, đảm bảo hệ thống tự động hóa hoạt động ổn định với overshoot dưới 5%.

IV. Lựa chọn thiết bị và kết quả thí nghiệm

Thiết kế hệ thống tự động hóa chưng cất rượu yêu cầu lựa chọn các thiết bị chính xác và chất lượng cao. Cảm biến nhiệt độ loại PT100 được chọn do độ chính xác ±0.5°C, phù hợp với yêu cầu kiểm soát. Bộ điều khiển PID được cài đặt trên PLC hoặc vi điều khiển, có khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng. Lò nhiệt điện trở được thiết kế với công suất 3000W, đủ để duy trì nhiệt độ ổn định. Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, duy trì nhiệt độ khâu ủ ở 28±1°C và khâu chưng cất ở 75±2°C. Tự động hóa hệ thống này tăng tính ổn định, giảm chi phí, và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

4.1. Lựa chọn cảm biến và thiết bị cấp nhiệt

Cảm biến PT100 và cảm biến nhiệt độ K-type được lựa chọn do độ tin cậy cao. Lò nhiệt điện trở 3000W với điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển PLC đảm bảo tự động hóa điều khiển hiệu quả. Sơ đồ mạch điện được thiết kế để hỗ trợ cả làm mát bằng quạt và tăng nhiệt bằng điện trở, tạo thành hệ thống điều khiển linh hoạt và chính xác.

4.2. Kết quả thí nghiệm và đánh giá

Thí nghiệm vận hành khâu ủ với mục tiêu 30°C cho thấy hệ thống đạt sai số ±1°C trong 15 phút. Khâu chưng cất duy trì 75°C với sai số ±2°C, tương ứng với quy trình dân gian. Hình ảnh thí nghiệm ghi lại hiệu quả thiết kế hệ thống tự động hóa, chứng minh tính khả thi và sẵn sàng triển khai ở quy mô sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: KHẢO SÁT MỘT SỐ CÔNG NGHỆ NÂU RƯỢU DẪN GIAN 'KHU VỰC TAY BAC. Chọn gạo để làm rượu. Nau chin gao 6 1. Chưng cất rượu.

Lọc và trữ rượu. RƯỢU SAN LÙNG. Chưng cất. Chưng cất rượu rigô 14 1.

MỘT SO NHAN XÉT Vũ QUY TRÌNH NÁU RƯỢU DÂN GIAN VẢ ĐẺ XUẤT .,Ỏ kehree ¬—-- wal Chương 2: PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN CẢI THIỆN CÔNG NGHỆ NÂU RƯỢU DÂN GIAN. LỰA CHỢN KHẨU CẢI TITỆN. PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN. 20 Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỂU KHIỂN CHO KHAU ON ĐỊNH NHIỆT ĐỘ.

TOM TAT VE THUAT TOAN DIEU KHIEN PID 3. THAM SỐ BỘ ĐIÊU KHIỂN PID. Xác định tham số bộ điêu khiển theo phương pháp tới ưu mô dụn 3. Xác định tham sẻ bệ điền khiến PID thea phương phap Zeigler —Nichols.

Xác định tham sé PID cho đổi tượng quán lính bằng phương pháp tối tru mô ` ÔÔ. Xác định tham sẻ bộ điển khiến bằng phương pháp du bao Smith 40 3. ĐIÊU KHIX KHẨU Ù. Đối Lượng điều khiến 41 3.

Xác định than số bộ diễu khiên cho khâu ủ. DIEU KHIEN KHAU CHUNG CAT 45 3. Xác dịnh đối tượng diéu khién. Tham số bộ điều khiển cho khâu chưng cat 47 Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ.

LỰA CHỌN CẢM BIỂN NHTẸT ĐỘ 4. Một số loại căm biến nhiệt thông dụng, 4. Lựa chọn của Luận văn. BỘ ĐIÊU KHIỂN PID 8Ô.

NGUON CẤP NHTỆT 4. Giới thiệu chưng 4. Cầu tao của lò nhiệt điện trở. SƠ DỒ MẠCH ĐIỆN KIIẪU Ủ VÀ KHẨU CHƯNG CẤT 4.

Sơ dé mach điện cấp cho lam mat khan i. Sz để mạch điện làm tăng nhiệt độ khâu ủ 4. Sơ dỗ mạch điện khâu chưng cắt SH xe Chương 5: KẾT QUÁ THỨ NGHIỆM VÀ DÁNH GIÁ. MỘT SÓ KET QUA ‘THU NGHIEM.

Vận hành khâu ủ. Vận hành chưng cắt 52. Kết quả én định nhiệt dé 30°C ở khẩu ủ. Kết quả điều khiển nhiệt độ khâu chưng cắt 5.

HỈNH ẢNH THÍ NGHIÊM. -iv- Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỂU KHIỂN CHO KHAU ON ĐỊNH NHIỆT ĐỘ. TOM TAT VE THUAT TOAN DIEU KHIEN PID 3. THAM SỐ BỘ ĐIÊU KHIỂN PID.

Xác định tham số bộ điêu khiển theo phương pháp tới ưu mô dụn 3. Xác định tham sẻ bệ điền khiến PID thea phương phap Zeigler —Nichols. Xác định tham sé PID cho đổi tượng quán lính bằng phương pháp tối tru mô ` ÔÔ. Xác định tham sẻ bộ điển khiến bằng phương pháp du bao Smith 40 3.

ĐIÊU KHIX KHẨU Ù. Đối Lượng điều khiến 41 3. Xác định than số bộ diễu khiên cho khâu ủ. DIEU KHIEN KHAU CHUNG CAT 45 3.

Xác dịnh đối tượng diéu khién. Tham số bộ điều khiển cho khâu chưng cat 47 Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ. LỰA CHỌN CẢM BIỂN NHTẸT ĐỘ 4. Một số loại căm biến nhiệt thông dụng, 4.

Lựa chọn của Luận văn. BỘ ĐIÊU KHIỂN PID 8Ô. NGUON CẤP NHTỆT 4. Giới thiệu chưng 4.

Cầu tao của lò nhiệt điện trở. SƠ DỒ MẠCH ĐIỆN KIIẪU Ủ VÀ KHẨU CHƯNG CẤT 4. Sơ dé mach điện cấp cho lam mat khan i. Sz để mạch điện làm tăng nhiệt độ khâu ủ 4.

Sơ dỗ mạch điện khâu chưng cắt SH xe Chương 5: KẾT QUÁ THỨ NGHIỆM VÀ DÁNH GIÁ. MỘT SÓ KET QUA ‘THU NGHIEM. Vận hành khâu ủ. Vận hành chưng cắt 52.

Kết quả én định nhiệt dé 30°C ở khẩu ủ. Kết quả điều khiển nhiệt độ khâu chưng cắt 5. HỈNH ẢNH THÍ NGHIÊM. -iv- Lời mờ đâu đến chất lượng của rượu sẵn xuất ra và tiến tới có (hỂ áp dụng vào thực tiễn sản xuất ở địa phương nói riêng và nhiều nơi khác.

Khi mô hình được hoản thành xong, nó sẽ được để xuất để triển khai làm mỗ hình dạy học tại trường khi có chủ trương nhu cầu vào năm tới Lời mờ đâu LOI MO BAU 1. LÝ DO CHON BE TAT Thử nhất, như chúng ta đã được biết đến Rượu là một nét vẫn hóa, vừa thuộc về lĩnh vực vật chất vừa thuộc về lĩnh vực tỉnh thần và là một phát minh vĩ đại của con người sau Lửa, nên có lịch sử từ lâu đời và tổn tại ở rất nhiễu nước trên thể giới Ở Việt Nam, Rượu cũng là một nẻt văn hóa mang đậm bản sắc riêng của từng dân tộc và từng vủng. Thưởng thức rượu đã là một phần không thể tách rời trong sinh hoạt, văn hóa, lễ hội và giao liếp Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ đã có những dây truyền công nghiệp sản xuất Rượu với số lượng lớn, da dạng chủng loại và piá thành cao. Tuy nhiên nhiều lảng rượu truyền thống ở nước ta vẫn sẵn xuất rượu theo công nghệ đân gian nhằm đảm bảo chất lượng, lưu giữ truyền thống nâu rượu danh tiếng có từ lâu dời Với mong muôn áp dụng công nghệ tự động hóa vào hệ thống chưng cất rượu để tái tạo lại công nghệ đân gian giúp cải tạo, điều khiến tốt các yếu tổ liên quan đến chất lượng rượu vượt trội hơn so với khi thực hiện nấu rượu thủ công Điều này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm rượu mà vẫn lưu giữ được giả trị truyền thông, giảm dược sức lao động cha người nấu rượu.

Thứ hai, bản thân là một giáo viên đạy nghề điện tại trường Cao đẳng Cơ điện Tây Bắc thuộc bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cá nhiệm vụ đào tạo nguồn nhân lực cho sự nghiệp Công nghiệp hóa hiện đại hóa dat nude. dic biệt góp phan quan trong trong sự nghiệp C1N hóa nông nghiệp, nông thôn nên việc áp dụng các kiến thức chuyên ngành để tham gia vào giảng dạy chuyên môn và làm mô hinh đạy học gắn liền với thực tế tạo sự hứng thú, say mê học tập cho các em học sinh, sinh viên song song đó để tài còn hướng tới ứng dụng sản xuất. IDo vậy khi hoàn thành để tài dù trước mắt trên cương vị cả nhân tự xây dựng thì mô hình sau này hoàn toàn có thể được áp dung để phát triển tạo ra mô hình day học cho nhà trường đảo tạo một sé mé dun ngành Diện tự động hoa. Xuất phát từ những lý do trên em đã lựa chọn dè tài: “Thiết kế và chế tạa hệ thông tự động chưng cất rượu theo công nghệ đân gian” với các nội dung: Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỂU KHIỂN CHO KHAU ON ĐỊNH NHIỆT ĐỘ.

TOM TAT VE THUAT TOAN DIEU KHIEN PID 3. THAM SỐ BỘ ĐIÊU KHIỂN PID. Xác định tham số bộ điêu khiển theo phương pháp tới ưu mô dụn 3. Xác định tham sẻ bệ điền khiến PID thea phương phap Zeigler —Nichols.

Xác định tham sé PID cho đổi tượng quán lính bằng phương pháp tối tru mô ` ÔÔ. Xác định tham sẻ bộ điển khiến bằng phương pháp du bao Smith 40 3. ĐIÊU KHIX KHẨU Ù. Đối Lượng điều khiến 41 3.

Xác định than số bộ diễu khiên cho khâu ủ. DIEU KHIEN KHAU CHUNG CAT 45 3. Xác dịnh đối tượng diéu khién. Tham số bộ điều khiển cho khâu chưng cat 47 Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ.

LỰA CHỌN CẢM BIỂN NHTẸT ĐỘ 4. Một số loại căm biến nhiệt thông dụng, 4. Lựa chọn của Luận văn. BỘ ĐIÊU KHIỂN PID 8Ô.

NGUON CẤP NHTỆT 4. Giới thiệu chưng 4. Cầu tao của lò nhiệt điện trở. SƠ DỒ MẠCH ĐIỆN KIIẪU Ủ VÀ KHẨU CHƯNG CẤT 4.

Sơ dé mach điện cấp cho lam mat khan i. Sz để mạch điện làm tăng nhiệt độ khâu ủ 4. Sơ dỗ mạch điện khâu chưng cắt SH xe Chương 5: KẾT QUÁ THỨ NGHIỆM VÀ DÁNH GIÁ. MỘT SÓ KET QUA ‘THU NGHIEM.

Vận hành khâu ủ. Vận hành chưng cắt 52. Kết quả én định nhiệt dé 30°C ở khẩu ủ. Kết quả điều khiển nhiệt độ khâu chưng cắt 5.

HỈNH ẢNH THÍ NGHIÊM. -iv- Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỂU KHIỂN CHO KHAU ON ĐỊNH NHIỆT ĐỘ. TOM TAT VE THUAT TOAN DIEU KHIEN PID 3. THAM SỐ BỘ ĐIÊU KHIỂN PID.

Xác định tham số bộ điêu khiển theo phương pháp tới ưu mô dụn 3. Xác định tham sẻ bệ điền khiến PID thea phương phap Zeigler —Nichols. Xác định tham sé PID cho đổi tượng quán lính bằng phương pháp tối tru mô ` ÔÔ. Xác định tham sẻ bộ điển khiến bằng phương pháp du bao Smith 40 3.

ĐIÊU KHIX KHẨU Ù. Đối Lượng điều khiến 41 3. Xác định than số bộ diễu khiên cho khâu ủ. DIEU KHIEN KHAU CHUNG CAT 45 3.

Xác dịnh đối tượng diéu khién. Tham số bộ điều khiển cho khâu chưng cat 47 Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ. LỰA CHỌN CẢM BIỂN NHTẸT ĐỘ 4. Một số loại căm biến nhiệt thông dụng, 4.

Lựa chọn của Luận văn. BỘ ĐIÊU KHIỂN PID 8Ô. NGUON CẤP NHTỆT 4. Giới thiệu chưng 4.

Cầu tao của lò nhiệt điện trở. SƠ DỒ MẠCH ĐIỆN KIIẪU Ủ VÀ KHẨU CHƯNG CẤT 4. Sơ dé mach điện cấp cho lam mat khan i. Sz để mạch điện làm tăng nhiệt độ khâu ủ 4.

Sơ dỗ mạch điện khâu chưng cắt SH xe Chương 5: KẾT QUÁ THỨ NGHIỆM VÀ DÁNH GIÁ. MỘT SÓ KET QUA ‘THU NGHIEM. Vận hành khâu ủ. Vận hành chưng cắt 52.

Kết quả én định nhiệt dé 30°C ở khẩu ủ. Kết quả điều khiển nhiệt độ khâu chưng cắt 5. HỈNH ẢNH THÍ NGHIÊM.18: Xác định giao diém 0.632k của đặc tỉnh tự nhiên Tlinh 3.19: Dặc tính tự nhiên của đối tượng khâu chưng Tình 3.20: Xác định các tham số k, T¡, Ta của hàm truyền đổi tượng, 46 Tình 4.1: Cặp nhiệt điện 50 Hình 4.2: Nguyễn lý làm việc của cặp nhiệt điện. co sex 150 Hinh 4.3: Dién 6 RTD 52 Tình 4-4: Điện trở oxiL kia loại 33 Hình 4.5: Cảm biến nhiệt bán dẫn.6: Nhiét ké bite xa 54 Hinh 4.7: Cac eam bién nhiét LM35 56 Tĩnh 4.8: Sơ nỗi PT100 (RTD) với bộ điều khiến số và hiển thị TC4S.9: Sø để kết nếi PT100 với bộ điền khiển sẽ và hiền thị 5SM-41130 57 Hinh 4.10: Kigu diéu khién Or/off, điều khiến pha, điều khiến chu kỳ 38 Hình 4.11: Ví dụ về mô tä hoạt động của chức răng diều khiển nhiệt theo thời gian.12: Bộ REC CIH402FKO2 và sơ đỏ chân.13: Cau tic bé diéu khién PID sé Tnh 4.14: Xấp xỉ khâu tích phản trong PID Hình 4.15: Lỏ nhiệt điện trở.16: Bếp điện 12kW (trái), bếp điện 30W (phải) Tinh 5.1: Đặc tính nhiệt độ khâuủ ứng với các tham số cài dit trong bing 5.2: Đặc tính nhiệt độ khâu ủ ứng với các tham số cài dit trong bing 5.3: Dặc tình điều khiển nhiệt độ 2 giai đoạn 95°C và 100C với các thông số bang 5.4: Đặc tính diều khiển nhiệt đô 2 giai doạn 950C và 100°C với các thông số bang 5.5: Đặc tính điều khiển nhiệt độ22 giai doan 959C va 100°C vii ø thông sốsố Bang 5.6: Giai đoạn chưng cất đặt 951G a Tình 5.7: Giai đeạn chưng cất đặt 100%: a Hình 5.8: Nổi chưng cất rượu.18: Xác định giao diém 0.