Hệ thống Phối trộn nguyên liệu: Nguyên liệu sau khi đạt kích cỡ yêu cầu sẽ đượcđưa vào các Silo chứa đã được quy định, đánh số trước.. Trong 5 hệ thống trên, hệ thống số 1, 2, 4, 5 có cấ
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC
Tổng quan hệ thống
Hình 1: Công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi
Các hoạt động của dây chuyền có thể được điều khiển hoàn toàn tự động và được giám sát tại trung tâm điều khiển Công nghệ dây chuyền tự động gồm 5 hệ thống lần lượt như sau:
1 Hệ thống Nạp nguyên liệu: Nguyên liệu được công nhân nạp, được phân loại theo kích cỡ xem có cần nghiền hay không Nguyên liệu cần được nghiền sẽ được đưa sang hệ thống nghiền liệu, nếu kích cỡ đủ nhỏ sẽ được đưa thẳng sang hệ thống phối trộn nguyên liệu.
2 Hệ thống Nghiền nguyên liệu: Nguyên liệu sẽ được nghiền nhỏ tại đây sau đó sẽ được chuyển đến hệ thống phối trộn nguyên liệu
3 Hệ thống Phối trộn nguyên liệu: Nguyên liệu sau khi đạt kích cỡ yêu cầu sẽ được đưa vào các Silo chứa đã được quy định, đánh số trước Tùy vào công thức yêu cầu mà mỗi Silo sẽ chứa 1 loại nguyên liệu và có 1 thứ tự định trước Hệ thống sẽ cân lần lượt và sau đó trộn các nguyên liệu đó.
4 Hệ thống Ép viên: Các nguyên liệu sau khi được trộn lẫn vào nhau được đưa qua dây chuyền ép viên hoặc đưa thẳng đến hệ thống đóng bao tùy vào yêu cầu đơn hàng.
5 Hệ thống đóng bao: Các viên nguyên liệu hoặc nguyên liệu sau phối trộn sẽ được chuyển đến hệ thống đóng bao, kết thúc dây chuyền tại đây.
6 Trong 5 hệ thống trên, hệ thống số 1, 2, 4, 5 có cấu trúc và cách thức vận hành đơn giản, sử dụng các loại máy tự động chuyên dụng; hệ thống số 3 là hệ thống có quá trình hoạt động phức tạp so với các hệ thống còn lại, đòi hỏi phải điều khiển phối hợp hoạt động giữa nhiều thiết bị, cách thức điều khiển các thiết bị cũng không theo trình tự và thời gian cố định mà tùy vào công thức Ngoài ra hệ thống số 3 cũng là hệ thống quan trọng nhất trong dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi do đó hệ thống này cần được vận hành ổn định và chính xác, được giám sát chặt chẽ trong quá trình hoạt động đồng thời cũng đảm bảo tính linh hoạt của hệ thống khi chuyển đổi sang phối trộn những công thức khác nhau.
1.2 Cấu trúc hệ thống phối trộn nguyên liệu a, Cấu trúc phân cấp hệ thống
Hình 2: Cấu trúc phân cấp hệ thống
Hệ thống được chia làm 3 cấp:
− Cấp vận hành giám sát vận hành: Phần mềm giám sát sẽ được cài đặt trên máy tính, PLC và Cân điện tử sẽ được kết nối đến máy tính này Phần mềm giám sát với các giao diện vận hành khác nhau giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát quá trình cân, cài đặt các tham số, cài đặt và thao tác với các công thức cân, nguyên liệu,ghi lại các dữ liệu của quá trình cân.
− Cấp điều khiển: Thu thập dữ liệu và thực hiện điều khiển thông qua các I/O của PLC giúp xử lý nhanh theo thời gian thực để đáp ứng công nghệ.
Cấp cảm biến và thiết bị chấp hành gồm các van khí nén, máy trộn, cảm biến mức và cân… được kết nối với cấp điều khiển thông qua tủ điện hệ thống, nhận sự điều khiển từ cấp điều khiển và đồng thời gửi tín hiệu điều khiển cũng như dữ liệu về cho hai cấp đã nêu ở trên Thành phần hệ thống gồm các cảm biến, thiết bị chấp hành và tủ điện điều khiển, đóng vai trò then chốt trong hệ thống tự động hóa và dễ dàng tích hợp với các cấu hình điều khiển khác nhau.
Hình 3: Hệ thống phối trộn nguyên liệu
Hệ thống phối trộn nguyên liệu bao gồm:
1 Các ống dẫn nguyên liệu từ hệ thống nghiền và nạp liệu.
4 Cảm biến lưu lượng và bơm chất lỏng
5 Nơi đổ nguyên liệu thêm tay.
Chu trình phối trộn diễn ra như sau:
Nguyên liệu được đưa vào các silo, mỗi silo chứa đúng một loại nguyên liệu theo công thức đã chọn trước Các silo lần lượt được mở theo thứ tự của công thức để nguyên liệu chảy xuống cân, hệ thống cân tự động ghi nhận khối lượng và kết thúc một mẻ khi đủ số lượng mong muốn; sau đó nguyên liệu trên cân được đưa sang bình trộn để trộn đều, xả ra và chuyển sang hệ thống ép viên hoặc đóng gói Quá trình này lặp lại cho đủ số mẻ đã đặt trước cho mỗi chu kỳ sản xuất Thời gian trộn và xả được thiết lập trước; khi đúng thời gian, bình trộn sẽ xả ra và nguyên liệu sau trộn được đưa sang hệ thống ép viên hoặc đóng gói Toàn bộ quy trình vận hành tự động nhằm đảm bảo khối lượng mỗi mẻ đúng yêu cầu và tối ưu hoá năng suất sản xuất.
Mục tiêu, yêu cầu đề tài
Mục tiêu chính của đề tài sẽ là xây dựng phần mềm giúp điều khiển vận hành giám sát hệ thống số 3: Hệ thống phối trộn nguyên liệu trong công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi Để phục vụ cho mục đích vận hành thử nghiệm ta cần xây dựng phần mềm mô phỏng hoạt động của cân; sử dụng phần mềm TIA Portal để mô phỏng những tác động của các cơ cấu chấp hành lên cấp điều khiển và ngược lại.
2.2 Yêu cầu đặt ra a Đối với cấp giám sát
Ta cần xây dựng được phần mềm giúp giám sát vận hành hệ thống phối trộn giúp kiểm soát vận hành hệ thống dễ dàng, đảm bảo hệ thống được vận hành trơn tru một cách tự động Phần mềm vận hành giám sát cho hệ thống phối trộn nguyên liệu cần đáp ứng được các yêu cầu sau đây:
1 Xây dựng được các dữ liệu về nguyên liệu được sử dụng phối trộn, các công thức được sử dụng phối trộn, tốc độ chảy của từng loại nguyên liệu từ silo đến cân.
2 Cập nhật được các dữ liệu mới về công thức, nguyên liệu và tốc độ chảy của nguyên liệu.
3 Lưu trữ các dữ liệu trong suốt quá trình cân để phục vụ cho việc thống kê, tính toán và sao lưu khôi phục.
4 Kết nối được đến cân và cấp điều khiển ổn định.
5 Kiểm soát việc đóng mở các Silo sao cho khối lượng nguyên liệu được chảy xuống cân có sai số nhỏ so với yêu cầu.
6 Hệ thống vận hành chính xác theo đúng chu trình đã nêu; linh hoạt, dễ hiểu, thuận tiện cho người vận hành. b Đối với cấp điều khiển
Cấp điều khiển cần chọn lựa thiết bị PLC phù hợp, có khả năng nhận dữ liệu từ phần mềm giám sát thông qua Ethernet; số lượng các I/O vào ra cũng cần phải được chọn lựa dựa trên nhu cầu nhận tín hiệu và điều khiển các thiết bị được sử dụng trong hệ thống. c Đối với cấp cảm biến, chấp hành
Tại cấp này có 2 yêu cầu chính như sau:
1 Xây dựng được phần mềm mô phỏng cân Phần mềm mô phỏng cân sẽ mô phỏng quá trình thay đổi giá trị khối lượng hiển thị trên cân trong các trường hợp: mở si lô cho nguyên liệu chảy xuống cân, đóng Silô này và mở Silô khác, xả nguyên liệu khỏi cân đồng thời truyền các tín hiệu về giá trị cân liên tục về phần mềm giám sát.
2 Mô phỏng các tác động của các tín hiệu điều khiển vận hành đến các đầu vào PLC rồi theo dõi sự thay đổi của các tín hiệu đầu ra điều khiển sẽ tác động điều khiển lên các thiết bị chấp hành tương ứng trong hệ thống.
PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN
Cấp giám sát vận hành
Để xây dựng phần mềm giám sát đảm bảo các yêu cầu đã nói ở trên, nhóm em sử dụng phần mềm TIA PORTAL V16 để lập trình, tạo ra các giao diện giúp giám sát, vận hành và thao tác với dữ liệu của hệ thống Phần mềm giám sát sẽ có 2 chức năng chính là xây dựng, thu thập và lưu trữ được hệ thống dữ liệu cho hệ thống phối trộn và điều khiển vận hành hệ thống.
Hình 4: Cấu trúc xây dựng phần mềm giám sát
Việc xây dựng cơ sở dữ liệu cho phần mềm sẽ được thực hiện bằng phần mềm Microsoft SQL Server Management Studio nhằm tạo ra các dữ liệu về công thức và nguyên liệu phối trộn, thu thập các dữ liệu về quá trình cân và phối trộn, sao lưu cơ sở dữ liệu của hệ thống để khôi phục khi cần thiết.
Có 2 chế độ hoạt động: Chế độ điều khiển sản xuất bằng tay và chế độ điều khiển tự động.
Chế độ chạy bằng tay: các động cơ và van khí nén được điều khiển độc lập, không ảnh hưởng đến nhau.
Chế độ sản xuất tự động: Nếu giá trị các nguyên liệu được cài đặt sẵn theo công thức,khi ấn start hệ thống sẽ hoạt động như sau:
Hình 5: Quy trình vận hành hệ thống phối trộn
Cảm biến mức báo không có nguyên liệu ở trong thùng trộn, van khí nén ở các thùng silo sẽ được mở nếu có nguyên liệu cần cân và theo thứ tự đánh số của silo
Khi đó, cân sẽ cân cộng dồn sao cho mỗi khối lượng mỗi nguyên liệu được cài đặt đạt giá trị yêu cầu Khi một nguyên liệu đạt giá trị yêu cầu thì van khí nén ở silo đó sẽ đóng và bắt đầu mở van ở silo khác.
Khi cân xong và các van ở các silo đã đóng, ta bắt đầu mở van cân và bật động cơ bơm để cho nguyên liệu ở trên thùng cân vào thùng trộn nguyên liệu Động cơ trộn bắt đầu hoạt động Máy trộn sẽ bắt đầu tính thời gian trộn do người vận hành cài đặt.
Sau khi trộn đủ thời gian cho phép, cửa xả hỗn hợp mở ra và nguyên liệu được hệ thống máng tải vận chuyển đến máy đóng bao, sau đó quay lại bước trộn ban đầu để tiếp tục chu trình sản xuất.
Chu trình được lặp đi lặp lại cho đến đủ số mẻ yêu cầu thì dừng
Lưu lại giá trị thực tế của nguyên liệu đã được cấp: giá trị cân thực tế của nguyên liệu sẽ được lưu lại khi nguyên liệu được cấp đủ ở các thùng cân.
Lưu ý: Trên thực tế, sau mỗi lần sản xuất, nguyên liệu vẫn còn tồn đọng trong thùng cân và quán tính khi vận chuyển nguyên liệu tới thùng cân.
Cấp điều khiển
2.1 Cấp nguồn cho hệ thống Để cung cấp nguồn cho các thiết bị điện sử dụng điện một chiều 24V, ta dùng bộ nguồn Meanwell DR-120-24.
Thông số kỹ thuật của bộ nguồn DR- 120- 24:
- Đầu vào điện: AC 220VAC – 2.0A
- Công suất đầu ra: DC 24V- 5A
Bộ nguồn DR- 120- 24 hỗ trợ 2 cặp đầu ra 24VDC (+V +V/ -V -V) và 3 chân đầu vào bao gồm 2 chân điện áp 220VAC 1 pha và 1 chân trung tính.
2.2 Module điều khiển PLC S7 1215C DC/DC/DC
Cấu trúc phần cứng của PLC bao gồm các thành phần cơ bản: nguồn cấp điện (Power Supply), bộ xử lý trung tâm (CPU), các đầu vào/ra (I/O), bộ nhớ (Memory) và khối truyền thông (Communication) Nguồn cấp điện cung cấp nguồn ổn định cho toàn bộ hệ thống, CPU xử lý lệnh và điều khiển mọi hoạt động, các đầu vào/ra cho phép nhận tín hiệu từ thiết bị bên ngoài và điều khiển thiết bị ngõ ra, bộ nhớ lưu trữ chương trình và dữ liệu, còn khối truyền thông hỗ trợ giao tiếp với các hệ thống và mạng công nghiệp.
Hình 7: Module PLC S7 1215C DC/DC/DC
Bộ lập trình điều khiển trung tâm PLC SIEMENS SIMATIC S7-1200
− CPU 1215C-6ES7215-1AG40-0XB0, compact CPU DC/DC/DC,
− tích hợp 2 cồng truyền thông giao tiếp PROFINET,
− ngõ vào/ra tích hợp ( onboard I/O): 14 DI 24VDC, 10 DO 24VDC 0.5A,
− DC nguồn cung cấp 20.4 - 28.8 VDC,
− Bộ nhớ lập trình/dữ liệu 125 KB
− Hãng sản xuất CPU 1215C: Siemens
Hình 8: Module mở rộng ngõ ra 16x24VDC
− Mã sản phẩm: 6ES7222-1BH32-0XB0
− Thông số: SIMATIC S7-1200, Digital output SM 1222, 16 DO, 24 V DC, transistor 0.5 A
2.3 Động cơ trộn Động cơ máy trộn có mã hiệu YE2- 160M- 4.
Hình 9: Động cơ trộn YE2-160-4
Thông số cơ bản Giá trị
Tốc độ quay 1465 vòng/phút Điện áp định mức 380 VAC/ 3 pha
Hình 10: Động cơ bơm CM50-125A
− Mã hàng máy bơm 5hp 4kw: CM50-125A
− Đường kính ống hút: 76mm
− Đường kính ống xả: 60mm
− Bơm được 72 mét khối ở độ cao 16.5m
− Hệ số bảo vệ bụi, nước IP55
− Chịu nhiệt cấp F, dây đồng cao cấp
Van cánh bướm được lắp đặt phía dưới thùng cân chứa nguyên liệu, có chức năng cho phép xả và điều tiết nguyên liệu từ thùng cân xuống máy trộn Van được điều khiển đóng mở thông qua bộ khí nén.
- Chất liệu: Gang, Nhựa, Inox, Thép
- Áp suất làm việc: 16bar, 25bar
- Kiểu điều khiển: On/ Off, Tuyến tính
- Áp suất khí nén: 2 bar – 8 bar
- Kiểu kết nối: Có mặt bích, Wafer kẹp
- Nhiệt độ làm việc: -5 đến 180 độ C
− Trọng lượng của Loadcell cân được: 200kg
− Tín hiệu ngõ ra: (2±0.008)mV
Mỗi cảm biến Loadcell (cảm biến tải) có một đầu ra độc lập Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng cảm biến tải - load cell Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc truyền về PLC Ta sử dụng
3 loadcell 200kg cho mỗi thùng cân để đo khối lượng.
Hình 13: Vị trí loadcell trên thùng cân
2.6.2 Đầu đọc cân điện tử XK3101
Ta sử dụng đầu đọc cân điện tử XK3101 (KM05) để đọc giá trị cân từ loadcell về (từ 0- 2mV) Cân điện tử XK3101 chuyển đổi điện áp ra 0-10V truyền về PLC.
Hình 14: Đầu đọc cân điện tử XK3101
Hình 15: Sơ đồ kết nối dây loadcell với cân điện tử
Loadcell 01, 02, 03 lần lượt tương ứng với đầu ra 3 thùng cân
Sử dụng cảm biến mức thấp dạng xoay JB- SD- AC220V (P= 3W) để báo mức nguyên vật liệu thấp trong các thùng/phễu.
Hình 16: Cảm biến mức dạng xoay
− Tốc độ cánh quay: 6RPM
Nguyên lý hoạt động: Cảm biến sử dụng điện áp 220VAC để chạy động cơ cánh quạt Khi trong thùng hoặc phễu không có nguyên liệu, thiết bị sẽ quay tự do, ngược lại sẽ khiến cho phần chân vịt đứng yên thì cảm biến sẽ nhận tín hiệu và đồng thời gửi đến bộ điều khiển.
XÂY DỰNG CÁC PHẦN MỀM
Phần mềm Tia Portal V16
Kết nối địa chỉ IP tĩnh theo hình dưới đây
Hình 17: IP tĩnh trong TIA Portal
Hình 18: IP tĩnh trong máy tính
STT Tên biến vào Kiểu dữ liệu Địa chỉ Chú thích
1 Q_Vanmo_Silo_1 Bool %Q0.0 Van mở silo 1
2 Q_Vanmo_Silo_2 Bool %Q0.1 Van mở silo 2
3 Q_Vanmo_Silo_3 Bool %Q0.2 Van mở silo 3
4 Q_Vanmo_Silo_4 Bool %Q0.3 Van mở silo 4
5 Q_Vanmo_Silo_5 Bool %Q0.4 Van mở silo 5
6 Q_Vanmo_Silo_6 Bool %Q0.5 Van mở silo 6
7 Q_Vanmo_Silo_7 Bool %Q0.6 Van mở silo 7
8 Q_Vanmo_Silo_8 Bool %Q0.7 Van mở silo 8
9 Q_Vanmo_Silo_9 Bool %Q2.0 Van mở silo 9
10 Q_Vanmo_Silo_10 Bool %Q2.1 Van mở silo 10
11 Q_Vanmo_Silo_11 Bool %Q2.2 Van mở silo 11
12 Q_Vanmo_Silo_12 Bool %Q2.3 Van mở silo 12
13 Q_Vanmo_Silo_13 Bool %Q2.4 Van mở silo 13
14 Q_Vanmo_Silo_14 Bool %Q2.5 Van mở silo 14
15 Q_Vanmo_Silo_15 Bool %Q2.6 Van mở silo 15
16 Q_Vanmo_Can_1 Bool %Q2.7 Van mở cân 1
17 Q_Vanmo_Can_2 Bool %Q3.0 Van mở cân 2
18 Q_Bom_Can_3 Bool %Q3.1 Bom mở bơm 3
19 Q_Motor_tron Bool %Q3.2 Động cơ trộn
20 Q_Van_Xa_hon_hop Bool %Q3.3 Van xả hỗn hợp
21 Q_Bom_nuoc_rua Bool %Q3.4 Bơm nước rửa bồn
STT Tên biến vào Kiểu dữ liệu Địa chỉ Chú thích
1 I_Nutan_Start Bool %I0.0 Nút ấn Start
2 I_Nutan_Stop Bool %I0.1 Nút ấn Stop
3 I_Switch_AM Bool %I0.2 Auto/Manual
4 cambienmucthap Bool %I0.3 Cảm biến mức thấp
5 cambienmuccao_1 Bool %I0.4 Cảm biến mức cao
6 DC_Bom Bool %I0.5 Trạng thái động cơ bơm
7 DC_Tron Bool %I0.6 Trạng thái động cơ trộn
8 DC_Bomrua Bool %I0.7 Trạng thái động cơ bơm rửa
Xây dựng và quản lý CSDL
Tạo CSDL có tên là PLC_DATA với 1 bảng cần thiết là bangSP để có thể lưu trữ dữ liệu bangSP để ghi tên tất cả các sản phẩm mà có thể tạo của dự án, với mỗi 1 sản phẩm sẽ có 1 bảng riêng ghi công thức
Cơ sở dữ liệu về công thức
Kết nối CSDL với TIA Portal
Ở dây em sử dụng ODBC Data Sources 64 bits để kết nối SSMS với Tia Portal
Sử dụng refer name là DUNG để kết nối
VẬN HÀNH HỆ THỐNG
Giao diện vận hành chính
Khi bắt đầu chạy chương trình, chúng ta phải đăng nhập User name và Password
Khi “đăng nhập” với tài khoản admin và mật khẩu “123456789” ta sẽ vào giao diện điều khiển
Giao diện vận hành chính vào màn hình HOME
Giao diện vận hành chính bên trên gồm menu “HOME”, “SETTING”, “ALARM”,
Thao tác trên từng giao diện
Chế độ làm việc của hệ thống: Chạy, Dừng, và chọn chế độ điều khiển tay (Manual) hoặc chế độ tự động (Auto)
Phần thêm sản phẩm có sẵn trong CSDL khi ấn “Chọn” thì sẽ hiển thị nguyên liệu của sản phẩm đó ở bảng
Thông tin của hiển thị dữ liệu số mẻ đã trộn và thời giân trộn thực tế, Khỗi lượng mỗi mẻ
Ta cài đặt số mẻ cần thực hiện để tiến hành trộn.
2.2 SETTING Ấn nút hiển thị sản phẩm để có thể xem tất cả sản phẩm ở bảng
Nhập vào tên sản phẩm ở ô chọn sản phẩm để tiến hành xem nguyên liệu của sản phẩm hoặc xóa sản phẩm đó
Khi ấn “Xem sản phẩm ” nguyên liệu sẽ được hiển thị ở bảng “Danh sách nguyên liệu sản phẩm” Để tiến hành xóa nguyên liệu, nhập vào tên sản phẩm và mã nguyên liệu của sản phẩm đó và ấn nút “Xóa Nguyên Liệu” để tiến hành xóa Để thêm nguyên liệu
Nhập vào tên sản phẩm “Tên sản phẩm” , mã của nguyên liệu (ô “Nhập mã NL”), nhập tên nguyên liệu vào ô “Tên Nguyên Liệu”, nhập khối lượng của nguyên liệu “Khối lượng”
Cuối cùng là thêm sản phẩm mới
Nhập tên sản phẩm và ấn nút “Thêm sản phẩm mới”
Giao diện Alarm hiển thị thông báo:
− Lỗi động cơ trộn, động cơ bơm cân 3, động cơ bơm rửa
- Phần REPORT mô tả đồ thị và giá trị khối lượng cần cân mỗi mẻ và khối lưởng mẻ thực tế theo thời gian thực.