Điều khiển giám sát mô hình sản xuất cà phê bột

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MÔ HÌNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT (TOÀN BỘ GIẢ LẬP, KHÔNG CẦN MÔ HÌNH THẬT) BẠN NÀO CẦN FILE CHẠY WINCC + PLC S7-300 CỦA MÔ HÌNH LIÊN HỆ MAIL MÌNH, HOẶC SỐ ĐIỆN THOAI: Mail: Vanngocpro@gmail.com Phone: 0973.652.625 LỚP: .. GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN 1. .. MSSV 2. ................. MSSV 3. ......................... MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU............................................................. 1 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................. 1 1.1.1. Nguồn gốc ......................................................................................................... 1 1.1.2. Phân loại............................................................................................................ 1 1.2. CẤU TẠO CỦA QUẢ CÀ PHÊ.............................................................................. 2 1.2.1. Cấu tạo .............................................................................................................. 2 1.2.2. Thành phần hóa học .......................................................................................... 2 1.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÀ PHÊ................................................................................. 4 1.4. THU HÁI QUẢ CÀ PHÊ TƯƠI.............................................................................. 5 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CHẾ BIẾN CÀ PHÊ BỘT .................................................... 6 2.1. QUY TRÌNH CHẾ BIẾN ........................................................................................ 6 2.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH............................................................................... 6 2.2.1. Nguyên liệu ....................................................................................................... 7 2.2.2. Rang .................................................................................................................. 7 2.2.3. Nghiền............................................................................................................... 9 2.2.4. Đóng gói.......................................................................................................... 10 2.2.5. Loadcell (Cảm biến cân trọng lượng) ............................................................. 10 2.2.6. Cảm biến nhiệt độ ........................................................................................... 11 2.3. Tìm hiểu về WinCC flexible.................................................................................. 12 2.3.1. Khái quát chung .............................................................................................. 12 3.3.2. Điều khiển và giám sát trong WinCC flexible................................................ 12 2.3.2. Một số Tab cơ bản trong WinCC flexible....................................................... 14 2.4. PLC S7-300............................................................................................................ 17 2.4.1. Khái niệm chung ................................................................................................. 17 2.4.2. Đặc điểm và vai trò của PLC .............................................................................. 17 2.4.3. cấu trúc cơ bản PLC............................................................................................ 18 2.4.4. Thiết bị điều khiển logic khả trình simatic S7-300............................................. 19 2.4.4.1.Cấu hình cứng ............................................................................................... 19 2.4.5. Phần mềm lập trình cho S7-200.......................................................................... 24 CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ LẬP TRÌNH PLC S7-300.......................................... 32 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ................................................................................... 32 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................ 32 3.1.2. Giải thích sơ đồ ............................................................................................... 33 3.2. ĐẦU VÀO/RA PLC .............................................................................................. 34 3.2.1. Đầu vào/ra thực tế ........................................................................................... 34 3.2.2. Thống kê các miền nhớ ................................................................................... 34 3.3. KÊT NỐI VÀO RA PLC ....................................................................................... 35 3.4. LẬP TRÌNH TRONG PLC S7-300 ....................................................................... 39 3.5. GIÁM SÁT BẰNG WINCC FLEXIBLE .............................................................. 39 LỜI GIỚI THIỆU 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 còn có mặt ở các thị trường lớn như: Mỹ, Đức, Pháp, Ýgóp 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 (còn gọi là “nghiện”). Tuy nhiên sau quá trình thu hoạch nếu không 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 hòa tan, cà phê không hòa tanmang những hương vị đặc trưng riêng. Đó là lí do nhóm chúng em chọn đề tài “CÀ PHÊ KHÔNG HÒA TAN”. 1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1. Nguồn gốc Cà phê được sử dụng lần đầu tiên vào thế kỉ thứ 9, khi nó được khám phá ra từ vùng cao nguyên Ethiopia. Cho tới khi Crit-Tôp-Cô-Lông và các nhà thám hiểm khác tìm ra Châu Mỹ vào năm 1496 thì loài người mới biết đến quê hương thứ hai của cà phê là ở Nam Mỹ trên đất nước Braxin rộng lớn. Từ thế giới Hồi giáo, cà phê đến Ý, sau đó là phần còn lại của Châu Âu, Indonesia và Mĩ. Hiện nay cà phê được trồng ở khắp mọi nơi. 1.1.2. Phân loại a. Cà phê chè (coffee Arabical) Đây là cà phê được trồng lâu đời nhất và tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới vì thơm ngon, dịu (chiếm 70% sản lượng cà phê trên thế giới). Hàm lượng cafein trung bình 1.3%. Nguồn gốc ở cao nguyên Jimma, thuộc nước Etiopia, vùng nhiệt đới ở phía Châu Phi. Cây thuộc dạng bụi thân cao 3-4m, cành đối xứng, mềm, rủ xuống. Lá mọc đối xứng hình trứng dài, đầu nhọn, rìa lá quăn, xanh đậm. Quả cà phê thuộc loại quả thịt, hình trứng, khi chín có màu đỏ tươi, dài 10-18mm, rộng 8-12mm. Hạt cà phê hình tròn dẹt, có màu xanh xám, xanh lục (tùy theo giống và điều kiện bảo quản). Cây cà phê chè có đặc tính tự thụ phấn nên có độ thuần chủng cao hơn các loại cà phê khác. Cây cà phê chè ưa nơi mát và hơi lạnh. Nhiệt độ thích hợp 18-25 0C, tốt nhất là 10-20 0C. Do yêu cầu như vậy nên cà phê thường được trồng ở miền núi có độ cao 600-2500m. b. Cà phê vối (Coffe canephora) Nguồn gốc ở khu vực Công-Gô, miền núi thấp xích đạo và nhiệt đới Tây Châu Phi, có rất nhiều chủng loại khác nhau về kích thước, độ gợn sóng của phiến lá, hình dạng quảCà phê vối có hàm lượng cafein trong hạt chiếm 1,79-3,06% (cao nhất trong ba loại cà phê). Cây có một hoặc nhiều thân, cao 8-12m, cành dài rủ xuống. Lá hình trứng hoặc hình lưỡi mác, mũi nhọn, phiến lá gợn sóng mạnh. Quả hình trứng, núm quả nhỏ, trên quả thường có nhiều gân dọc, quả chín có màu đỏ hoặc hồng. Kích thước hạt thường nhỏ hơn cà phê chè, hạt có dạng hình tròn, dày, màu xanh bạc, xanh lục (tùy chủng loại và cách chế biến). Tỉ lệ nhân trên quả cao hơn cà phê chè. 2Cà phê vối không tự thụ phấn được. Thích hợp với khí hậu nóng ẩm, nhiệt độ 24- 26 0C. c. Cà phê mít (Coffee excelsa) Xuất xứ ở Ubangui-Chari, sa mạc Sahara (thường gọi là cà phê sari). Hàm lượng cafein trong hạt 1,02-1,15%. Cây cao 6-15m. Quả hình trứng, hơi dẹt, núm quả lồi. Quả to khi chín có màu đỏ sẫm, hạt màu xanh ngả vàng, vỏ lụa bám chặt vào hạt làm khó tróc hạt. Cà phê mít có vị chua, chất lượng nước uống ít được ưa chuộng. 1.2. CẤU TẠO CỦA QUẢ CÀ PHÊ 1.2.1. Cấu tạo Quả cà phê gồm những phần sau (đi từ vỏ vào nhân). - Lớp vỏ quả: Là lớp vỏ ngoài cùng mềm mỏng, có màu xanh hoặc đỏ. Vỏ của cà phê chè mềm hơn cà phê vối và cà phê mít. - Lớp vỏ thịt: Nằm dưới lớp vỏ quả. Vỏ thịt cà phê chè mềm, chứa nhiều chất ngọt dễ xay xát hơn. Vỏ thịt cà phê mít cứng và dày hơn. - Lớp vỏ trấu: Cứng, chứa nhiều chất xơ bao bọc xung quanh nhân. Vỏ trấu của cà phê chè mỏng, dễ đập hơn vỏ trấu cà phê mít và cà phê vối. - Lớp vỏ lụa: Là lớp vỏ mỏng nằm sát nhân cà phê, có màu sắc đặc tính khác nhau tùy thuộc loại cà phê. Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến. Vỏ lụa cà phê vôi màu nâu nhạt, vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt. - Nhân cà phê: Nằm trong cùng. Lớp tế bào ngoài của nhân thì cứng và có những tế bào nhỏ, trong có chất dầu. Một quả cà phê có thể có 1,2 hoặc 3 nhân. Thông thường chỉ có 2 nhân. 1.2.2. Thành phần hóa học Cà phê nhân dạng thương phẩm chứa: lipit, khoáng, lipitNgoài ra trong nhân cà phê còn chứa một lượng đáng kể Vitamin thuộc nhóm B (như B1, B2, B6, B12), các chất bay hơi và cấu tử gây mùi thơm. a. Nước Trong nhân cà phê đã sấy khô, nước còn lại 10-12% ở dạng liên kết. Khi hàm lượng nước cao hơn, các loại nấm mốc phát triển làm mỏng hạt. Mặt khác, hàm 3lượng nước cao sẽ làm tăng thể tích bảo quản kho, khó khăn trong quá trình rang, tốn nhiều nguyên liệu và nhất là tổn thất hương cà phê. Hàm lương nước còn lại trong cà phê sau khi rang là 2,7%. b. Chất khoáng Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng 3-5%, chủ yếu K, Nito, Mg, P, Cl. Ngoài ra còn thấy Cu, Al, Fe, SNhững chất này ảnh hưởng không tốt đêna mùi cà phê. Chất lượng cà phê cao khi có hàm lượng chất khoáng càng thấp và ngược lại. c. Gluxit Chiếm khoảng ½ tổng số chất khô, đại bộ phận không tham gia vào thành phần nước uống mà chỉ cho màu vị caramen. Đường có trong cà phê do trong quá trình thủy phân dưới tác dụng của acid hữu cơ và enzyme thủy phân hàm lượng saccharose có trong cà phê phụ thuộc vào mức độ chín: Quả càng chín hàm lượng saccharose càng cao. Saccharose bị caramen hóa trong quá trình rang nên tạo hương vị cho nước cà phê. Hạt cà phê còn chứa nhiều polysaccarit nhưng phần lớn được loại ra ngoài bã cà phê sau quá trình trích ly. d. Protein Hàm lượng Protein trong cà phê không cao nhưng nó đóng vai trò trong việc hình thành hương vị sản phẩm. Bằng phương pháp thủy phân, người ta thấy trong thành phần của Protein của cà phê có chứa những acid amin như sau: cystein, alanin, pheninalanine, histidin, leusin, lysineCác acid amin này ít thấy ở trạng thái tự do, chúng thường ở dạng liên kết. Khi gia nhiệt, các mạch polypeptid bị phân cắt, acid amin được giải phóng ra tác dụng với nhau hoặc tác dụng với chất tạo mùi vị cho cà phê rang. Trong số các acid amin kể trên đáng chú ý nhất là những acid amin có chứa lưu huỳnh như cystein, methionine và proline, chúng góp phần tạo nên hương vị đặc trưng của cà phê sau khi rang. Đặc biệt methionine và proline có tác dụng làm giảm oxy hóa các chất thơm, làm cho cà phê rang giữ được mùi vị khi bảo quản. 4e. Lipit Hạt cà phê chứa lượng Lipit khá lớn 10-13%. Lipit trong cà phê chủ yếu là dầu và sáp. Trong đó sáp chiếm 7-85 tổng lượng lipit, còn dầu chiếm 90%. Trong quá trình chế biến, lipit bị biến đổi (một phần acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo hương thơm cho sản phẩm), lượng lipit không bị biến đổi là dung môi tốt hào tan chất thơm. Khi pha cà phê chỉ một lượng nhỏ lipit đi vào trong nước, còn phần lớn lưu lại trên bã. f. Các alkaloid Trong cà phê có các ancaloid như cafein, trigonulin, colin. Trong đó quan trọng là cafein và trigonulin. Cafein (C8H10O2N4) chiếm từ 1-3% phụ thuộc vào chủng loại, điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác. Hàm lượng cafein thấp hơn trong chè nhưng nó kích thích hệ thần kinh với thời gian dài hơn và khi uống cà phê tốc độ lưu thông máu không tăng lên nên cafein thải ra ngoài chậm. Mặt khác khi pha trong nước, thì cafein được giải phóng hoàn toàn ở trạng thái tự do. Trigonulin (acid metyl betanicotic : C7H7NO2) dưới tác dụng của nhiệt độ cao, nó bị phân hủy thành acid nicotic (tiền vitamin pp). g. Chất thơm Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũy trong hạt. Sự tích lũy chịu nhiều yếu tố như đất đai, khí hậu và đặc biệt là chủng loại cà phê. Mặt khác, nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quá trình rang. Chất thơm bao gồm nhiều cấu tử khác nhau : acid, andehit, ceton, rượu, phenol...Trong quá trình rang, các chất thơm thoát ra ban đầu có mùi hắt sau chuyển thành mùi thơm. Các chất thơm của cà phê dễ bay hơi, biến đổi và dẫn đến hiện tượng cà phê bị mất mùi thơm nên đựng trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh. 1.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÀ PHÊ Cà phê từ lâu đã được biết đến với công dụng kích thích sự hưng phấn của thần kinh dưới ảnh hưởng của caffein. Ngoài ra cà phê còn có tác dụng an thần. Người ta đã chứng minh được rằng, nếu đi ngủ trong vòng 15 phút sau khi uống cà phê thì giấc ngủ sẽ sâu hơn, bởi máu trong não được lưu thông tốt hơn. Nhưng nếu tiếp tục chần chừ thì tác dụng này sẽ mất dần đi, và sau đó thì 5caffein bắt đầu phát huy hiệu quả, chúng ta sẽ không ngủ được nữa. Phương pháp an thần này đã được sử dụng ở nhiều bệnh viện, đặc biệt đối với các bệnh nhân cao tuổi. Bã cà phê còn là một chất rửa tay tuyệt vời. Ngoài ra, do bao gồm nhiều hạt nhỏ và không bị bám dính nên người ta thường sử dụng bã cà phê để làm sạch những vật dụng mà tay không thò vào được như chai lọ hay các ấm đun nước. Tuy vậy loại đồ uống thơm ngon này cũng có thể có một vài tác dụng xấu đối với sức khỏe. - Nó làm tăng đột ngột lượng insulin trong máu, làm mất thăng bằng cơ thể cũng như ảnh hưởng không tốt tới tuyến tụy. Đặc biệt đối với những người bị viêm tụy thì việc sử dụng cà phê là điều cấm tuyệt đối. - Những bệnh nhân bị bệnh tiểu đường cũng không nên dùng cà phê, hoặc nếu có thì chỉ được dùng rất ít. - Cà phê nếu dùng quá nhiều cũng có thể làm sưng màng nhầy ở dạ dày. Quan niệm cho rằng uống cà phê với sữa sẽ làm giảm bớt nguy cơ này là hoàn toàn sai lầm. Caffein sẽ hoà quyện với chất béo trong sữa và nhờ đó bám được ở màng dạ dày trong thời gian lâu hơn. 1.4. THU HÁI QUẢ CÀ PHÊ TƯƠI Yêu cầu đầu tiên đối với việc thu hái cà phê là hái đúng tầm chín. Để có cà phê chất lượng cao nhất thiết phải có quả chín đỏ hay vừa chín, không hái quả xanh. Không để quả chín nẫu hay khô trên cây. Nếu có lẫn những loại này thì cần bỏ ra phơi riêng. Trong sản phẩm thu hoạch số quả chín hoặc vừa chín nhất là 95%. Hái cà phê bằng cách dùng ngón tao bứt quả, không tuốt cành, không bứt cả chùm đối với cà phê chè. Phải bảo vệ cành, lá, nụ tránh ảnh hưởng tới vụ sau. Không để quả cà phê lẫn vào trong đất dễ bị nhiễm nấm bệnh. Cà phê hái xong phải chế biến ngay. Nếu không kịp phải tãi quả cà phê trên nền gạch thoáng mát, tầng không quá dày 30 – 40 cm. Không ủ đống cà phê làm cho cà phê lên men. Không giữ cà phê hái về quá 24h. Bao bì đựng sản phẩm cà phê quả tươi và phương tiện vận chuyển phải sạch, không có mùi phân bón, mùi hoá chât 6CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CHẾ BIẾN CÀ PHÊ BỘT 2.1. QUY TRÌNH CHẾ BIẾN NGUYÊN LIỆU (Cà phê nhân) RANG CÀ PHÊ NHÂN XAY CÀ PHÊ NHÂN ĐÓNG GÓI CÀ PHÊ BỘT THÀNH PHẨM Hình 2.1: Quy trình sản xuất cà phê bột 72.2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH 2.2.1. 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. Ngoài ra còn có một chất quan trọng là caffein (không màu, không 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 toàn ở nhiệt độ 178 0C. Điều này có thể giải thích cho tổn thất caffein trong quá trình rang cà phê. 2.2.2. 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 công 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 (CO2, CO, hơi nước...). Hạt cà phê trở nên giòn, trương nở 40- 100% 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 : - Ngoài sự mất nước, sản sinh các chất khí, còn phát triển hương vị mà chúng sẽ hòa tan trong khi pha chế. - 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. 8Thành 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 nguyên lí tầng sôi. + 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 còn 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. Ngoài ra còn 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 2-2: Thiết bị rang thùng quay liên tục Thông số công nghệ: - Nhieät ñoä cuûa haït caø pheâ neân naèm trong giôùi haïn 180-240oC. - Thôøi gian rang ñöôïc xaùc ñònh theo möùc ñoä rang mong muoán vaø nhieät ñoä thöïc hieän - quaù trình rang; khoâng vöôït quaù 1 giôø. - Quaù trình laøm nguoäi seõ keát thuùc khi nhieät ñoä haït baèng nhieät ñoä moâi tröôøng. 92.2.3. 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 CO2, tăng khả năng trích ly các hợp chất có trong hạt. Nhiệt độ nghiền không quá cao <40 0C để tránh phân hủy một số chất dinh dưỡng và giữ hương chô cà phê. Có thể sử dụng máy nghiền trục hoặc nghiền đĩa. Lưu ý: các hạt nghiền không quá mịn, nếu không sẽ gây khó khăn cho quá trình lọc, ảnh hưởng đến hiệu suất và có thể gây tắc hệ thống lọc. Thiết bị nghiền: Thieát bò nghieàn trong coâng nghieäp ñöôïc thieát keá nhieàu truïc nghieàn raêng coù toác ñoä quay khaùc nhau. Treân beà maët caùc truïc quay coù toác ñoä cao coù caùc raêng cöa hình chöõ U naèm nghieâng, coøn treân beà maët truïc quay toác ñoä thaáp coù caùc raêng cöa hình chöõ U thaúng ñöùng. Hai truïc quay vôùi toác ñoä khaùc nhau seõ taïo thaønh moät caëp, giöõa moãi caëp seõ coù 1 khoaûng caùch thích hôïp vôùi möùc ñoä nghieàn. Ñi töø treân xuoáng döôùi, möùc ñoä nghieàn seõ ñi töø thoâ sang tinh. Hình 2-3: Thiết bị nghiền trục Thông số công nghệ: - Độ ấm nguyên liệu vào: 1-2% - Kích thước hạt sau khi nghiền 1000μm 10 2.2.4. Đóng gói Cà phê bột sau khi nghiền được chứa vào túi pe, đặ