BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN HỌC ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐỀ TÀI THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG

Ở nước ta, ngành kỹ thuật điện tử - tin học đã được ứng dụng vào lĩnh vựcđiều khiển tự động, đặc biệt là điều khiển lập trình và hệ thống scada.. Trong quá trình học tập và làm việc tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG

NHÓM 3

SVTH: Phan Anh Duy 19151106SVTH: Võ Hạnh Đông 19151115SVTH: Nguyễn Tấn Phát 19151160

GVHD: TS Tạ Văn Phương

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2022

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT Chương 1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu đề tài

1.2 Mục tiêu nghiên cứu.

1.3 Giới hạn đề tài

1.4 Cấu trúc của đề tài.

1.5 Ứng dụng của đề tài

Chương 2: Nội dung

2.1 Giới thiệu đề tài hiện nay và một số đề xuất liên quan đến đề tài 2.2 Sơ đồ khối hệ thống

3.3.2 Thiết kế trang bảo mật

3.3.3 Thiết kế trang điều khiển và giám sát

Chương 4: Mô phỏng, thử nghiệm và kết quả

4.1 Kết quả thiết kế phần cứng

4.2 Kết quả thiết kế phần mềm

4.3 Kết quả hoạt động của hệ thống

4.4 Kết quả đạt được về các kỹ năng khác

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

5.1 Kết luận

5.2 Hướng phát triển

Chương 1 Tổng quan 1.1 Giới thiệu đề tài

Như chúng ta đã biết sự phát triển của khoa học kỹ thuật qua từng thời kỳ lịch

sử, nó đã có những ảnh hưởng không nhỏ để thúc đẩy nền kinh tế phát triển, cụ thể

là trong các ngành sản xuất công nghiệp hiện đại Có thể nói rằng sự phát triển của Công nghệ điện tử - tin học, được coi là một cuộc cách mạng công nghệ trên toàn thế giới Ở nước ta, ngành kỹ thuật điện tử - tin học đã được ứng dụng vào lĩnh vựcđiều khiển tự động, đặc biệt là điều khiển lập trình và hệ thống scada Trên thế giớihiện nay người ta đã sản xuất ra những thiết bị có thể lập trình được.Đó chính là thiết bị điều khiển có lập trình Programmable Logic Controller viết tắt là PLC PLC có thể coi là một ứng dụng điển hình của mạch vi xử lý So với quá trình điều khiển bằng mạch điện tử thông thường thì PLC có nhiều ưu điểm hơn hẳn, ví dụ như: Kết nối mạch điện đơn giản, rút ngắn được thời gian lắp đặt công trình, dễ dàng thay đổi công nghệ nhờ việc thay đổi nội dung chương trình điều khiển, ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng, độ tin cậy cao Sự ra đời của các thiết bị điềukhiển này đã làm thay đổi năng suất lao động và chất lượng sản phẩm rõ rệt Vì vậy việc cải tiến và phát triển các thiết bị điều khiển luôn được quan tâm, để đáp ứng yêu cầu thay thế con người trong các môi trường độc hại, các yêu cầu về công

nghệ mới đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối Trong quá trình học tập và làm việc tại

trường, tìm hiểu các bộ điều khiển lập trình, nhóm đã lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG” để nghiên cứu và ứng dụng các kiến thức đã học.

Hệ thống chiết rót hoa quả tự động là dây chuyền được lắp đặt, thiết kế hiện

đại, đạt tiêu chuẩn cao đảm bảo dây chuyền hoạt động ổn định và nâng cao hiệu quả sản xuất Thiết bị điều khiển PLC cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình sẵn tạo điều kiện trong công tác quản

lý sản xuất và tiết kiệm nhân công Với các loại nguyên liệu khác nhau như trái câytươi, nước trái cây cô đặc, bột trái cây… thông qua các phương pháp pha loãng, trích ly, nghiền, đồng hóa, khử khí, chiết rót… có thể chế biến thành nhiều loại nước ép trái cây mang nhiều hương vị khác nhau

1.2 Mục tiêu nghiên cứu.

- Tìm hiểu được quá trình hoạt động của một hệ thống sản xuất nước ép công nghiệp

- Tìm hiểu được các thiết bị sử dụng về việc thiết kế và thi công một hệ thống sản xuất nước ép tự động

- Mô phỏng và giám sát hệ thống thông qua Wincc điều khiển trạng thái làm việc của hệ thống bằng màn hình HMI

1.3 Giới hạn của đề tài.

- Thiết kế hệ thống sản xuất nước ép tự động

- Sử dụng PLC S7-1200

- Mô phỏng hệ thống trên Wincc

- Thiết kế màn hình giám sát, điều khiển, phân quyền, cảnh báo cho hệ thống

- Chi phí sản xuất tối ưu

1.4.Cấu trúc đề tài.

- Chương 1 Tổng quan

- Chương 2: Nội dung

- Chương 3: Thiết kế hệ thống

- Chương 4: Mô phỏng, thử nghiệm và kết quả

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

1.5 Ứng dụng của đề tài

Hệ thống chiết rót hoa quả tự động là dây chuyền được dùng để ép nước trái cây được sử dụng nhiều trong các nhà máy sản xuất

Ngoài ra hệ thống tương tự để phục vụ cho các ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, dầu nhớt,…

Sự ra đời của máy chiết rót tự động đã tiết kiệm cho các nhà sản xuất một khoản chi phí nhân công tương đối lớn, nâng cao năng suất chiết đóng thành phẩm vào chai.

Chương 2: Nội dung 2.1 Giới thiệu đề tài hiện nay và một số đề xuất liên quan đến đề tài

Hệ thống chiết rót hoa quả tự động là dây chuyền được lắp đặt, thiết kế hiện đại,đạt tiêu chuẩn cao đảm bảo dây chuyền hoạt động ổn định và nâng cao hiệu quả sản xuất Thiết bị điều khiển PLC cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình sẵn tạo điều kiện trong công tác quản lý sản xuất và tiết kiệm nhân công Với các loại nguyên liệu khác nhau như trái cây tươi, nước trái cây cô đặc, bột trái cây… thông qua các phương pháp pha loãng, trích ly, nghiền, đồng hóa, khử khí, chiết rót… có thể chế biến thành nhiều loại nước ép trái cây mang nhiều hương vị khác nhau

*Đề xuất quy trình vận hành hệ thống sản xuất nước ép

Bước 1: Trước khi được chế biến trái cây sẽ được đưa đến băng chuyền của bộ

phận rửa đồng thời khi đó máy bơm bơm 1 lượng nước phù hợp vào để rửa trái cây(nước phải đảm bảo tiêu chuẩn của Bộ Y tế với độ cứng của nước không quá 2mg/ lít, với lượng Clo còn lại trong nước tráng là 3 – 5mg/ lít )

Bước 2: Nhằm hạn chế quá trình sinh hóa nhằm đảm bảo màu sắc cho các loại trái

cây nguyên liệu nên phải băng chuyền tiếp tục đưa trái cây đã được rửa đi qua hệ thống máy sấy

Bước 3 : Trái cây sẽ tiếp tục được đưa vào máy ép tiến hành quy trình chế biến và

tách bã

Bước 4: Nước ép sẽ truyền tới bồn khuấy trộn đồng thời sẽ bơm thêm nước và chất

phụ gia vào khi đó máy khuấy sẽ hoạt động và trộn đều tất cả nguyên liệu

Bước 5: Tất cả sản phẩm được trộn sẽ đưa tới bồn tiệt trùng UHT để được trải qua

phương pháp làm lạnh và diệt khuẩn nhanh chóng

Bước 6: Nước ép sau khi được diệt khuẩn sẽ được chuyển tới bể chứa thành phẩm

(bồn ổn định màu và nhiệt độ trước khi được chiết rót ra)

Bước 7: Sau khi tiến hành sản xuất xong, nước ép hoa quả từ trong bể chứa sẽ

được đẩy qua khu vực chiết rót và đóng chai hệ thống băng tải sẽ tự động đẩy chaitới vị trí được chiết rót nước ép theo lượng thể tích đã được thiết lập

2.2 Sơ đồ khối hệ thống.

Hình: Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống gồm các khối chức năng:

- Bộ điều khiển trung tâm: có chức năng thu thập dữ liệu từ cảm biến, giám sáthoạt động của hệ thống và điều khiển các thiết bị chấp hành

- Khối cảm biến: gồm cảm biến quang đưa về bộ điều khiển trung tâm

- Thiết bị chấp hành: gồm hệ thống băng tải, động cơ, van tiết lưu, máy sấy, máy

ép, các bể chứa

- Điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu: người vận hành giám sát, thu thập dữliệu của hệ thống, điều khiển hệ thống theo mong muốn

2.3 Chọn thiết bị.

 Các tính năng nổi bật của PLC S7-1200

Bộ điều khiển mở rộng từ S7 với phương án mở rộng linh hoạt:

 1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB)

 8 mô đun tín hiệu (SM)

 Có thể có lớn nhất 3 modun truyền thông (CM)

 Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

 Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

 Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

 Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet

 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

 Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình

 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm

và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)

 Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…

 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto- tune functionality)

 Thiết kế linh hoạt

 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển

 Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS485

 50KB work memory, 2MB load memory

 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy

chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online / offline

 Cấu hình chi tiết

 PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 0XB0)

(6ES7214-1AG40- SSIMATIC S7-1200, CPU 1214C, COMPACT CPU, DC/DC/DC

 ONBOARD I/O: + 14 DI 24V DC

+ 10 DO 24 V DC+ AI 0 – 10V DC

 POWER SUPPLY: DC 20.4 – 28.8 V DC,

 PROGRAM/DATA MEMORY: 100 KB (6ES7214-1AG40-0XB0)

Hình 2.2 Cấu hình chi tiết của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

2.3.2 Cảm biến tiệm cận

FPtu6xg1ltFIOv7W4XL-SfK7auoBfcZcjEEDSnOWH_0aAhW9EALw_wcB

Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản

là “PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors) phản ứng khi có vật ở gần

cảm biến Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm

Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu

đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy Đặc biệt cảm

biến này hoạt động tốt ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt

Hình: Cảm biến tiệm cận

 Đặc điểm

 Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất tới 30mm

 Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt

 Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch)

 Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi

 Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

 Nguyên lí hoạt động

Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xungquanh cảm biến với khoảng cách tối đa 30mm và gặp vật thể thì nó sẽ pháttín hiệu truyền về bộ xử lý

Hình Nguyên lý hoạt động của cảm biến

 Phân loại

Có hai loại cảm biến tiệm cận chính có thể kể đến Đó là loại cảm ứng từ

và loại điện dung

 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ

Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded): Từ trường được tập trung trước mặtsensor nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đongắn đi

Cảm ứng từ loại không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từtrường xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bịnhiễu của kim loại xung quanh

 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung

Cảm ứng này phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dunggiữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể

 Ứng dung của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận ứng dụng phổ biến trong công nghiệp nhà máy như gắn trên các dây truyền sản xuất, gắn trên các điện thoại cảm ứng, các loại xe ô tô,…

Một số ứng dụng dễ thấy như:

 Kiểm soát chất lỏng trong bể chứa

 Kiển soát chất lỏng trong hộp giấy

 Kiểm soát kim loại

 Kiểm soát số lượng

 Trong mô hình phân loại sản phẩm theo cân nặng, cảm biến tiệm cận dùng

để kiểm soát số lượng sản phẩm được phân loại theo số cân nặng đã đặt

trước

2.3.3 Cảm biến quang phản xạ gương

Cảm biến quang phản xạ gương là cảm biến giúp ta phát hiện vật theonguyên tắc thu phát qua gương Khi không có vật thì ánh sáng cảm biến phát

ra từ cảm biến phát phản xạ qua gương và quay về cảm biến nhận Khi có vật

đi ngang qua, lúc này đường truyền này bị gián đoạn, cảm biến sẽ xuất ra ngõ

Kích thước 10.8 x 31 x 20 mm

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Cảm biến quang

2.3.4 Động cơ 3 pha không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ 3 pha 4K80-4 (1.1kw) là dòng động cơ theo thiết

kế mới nhất của việt nam, động cơ có ưu điểm đó là hiệu suất cao, mô men mở

máy khỏe, tiếng ồn và độ rung thấp, kiểu dáng hình thức đẹp, kích thước lắp đặt

và dãy công suất phù hợp với tiêu chuẩn IEC Chất lượng động cơ được đảmbảo bởi hệ thống Quản lý chất lượng Quốc tế ISO 9001 Động cơ được sử dụngrộng rãi để truyền động trong các máy móc thiết bị như máy cắt gọt kim loại,máy bơm, quạt gió, máy nghiền trộn, máy xay xát…

Hình 2.12 Động cơ 3 pha không đồng bộ 4K80-4 (1.1KW)

 Thông số kỹ thuật

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của động cơ 3 pha không đồng bộ 4K80-4

2.3.5 Một số thiết bị khác

a) Băng tải PVC

Hình: Băng tải PVC

 Thông số kỹ thuật

Chiều dài băng tải : 1.000 – 6.000

(mm) Chiều rộng băng tải : 300 – 1.000

(mm)

Chiều cao băng tải điều chỉnh : 500 – 1.500

(mm) Góc nghiêng băng tải 0-30º

2.4.1 Tổng quan về phần mềm Tia Portal của Siemens

TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là một phần mềm tổng

hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng

chung 1 môi trường/nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống

TIA Portal được phát triển vào năm 1996 bởi các kỹ sư của Siemens, nó cho phépngười dùng phát triển và viết các phần mềm quản lý riêng lẻ một cách nhanhchóng, trên 1 nền tảng thống nhất Giải pháp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứngdụng riêng biệt để thống nhất tạo hệ thống.

TIA Portal - Tích hợp tự động toàn diện là phần mềm cơ sở cho tất cả các phầnmềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Đặcđiểm TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng 1 cơ sở dữ liệu, tạo nên tínhthống nhất, toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành

TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:

1 Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng

2 Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát

3 Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xácđịnh bệnh, lỗi hệ thống

4 Tích hợp mô phỏng hệ thống

5 Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens

Hiện tại phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14,TIA PortalV15, TIA Portal V16 và mới nhất là TIA Portal V17 Tùy theo nhu cầu sử dụng màngười dùng sẽ lựa chọn cài đặt TIA portal phiên bản tương ứng.

Ưu nhược điểm khi sử dụng Tia Portal:

TIA Portal là thuật ngữ quen thuộc được ứng dụng trong các lĩnh vực tự động hóa,tích hợp nhiều phần mềm phổ thông khác như: HMI, PLC, Inverter củaSiemens Phần mềm TIA Portal có những ưu và nhược điểm trong vận hành hệthống tự động hóa

Ưu điểm:

1 Tích hợp tất cả các phần mềm trong 1 nền tảng, chia sẻ cơ sở dữ liệu chung

dễ dàng quản lý, thống nhất cấu hình Giải pháp vận hành thiết bị nhanhchóng, hiệu quả, tìm kiếm khắc phục sự cố trong thời gian ngắn

2 Tất cả các yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI được lập trình và cấuhình trên TIA Portal, cho phép các chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác,thiết lập truyền thông giữa các thiết bị Chỉ với 1 biến số của bộ lập trìnhPLC được thả vào màn hình HMI, kết nối được thiết lập mà không cần bất

ký thao tác lập trình nào

Hạn chế: Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu hệ thống lớn nên dung

lượng bộ nhớ khổng lồ Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý, tốn

nhiều thời gian để làm quen sử dụng

2.4.2 Tổng quan về phần mềm WINCC

Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao

diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa.

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy

trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập

một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như

Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sản

phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng

SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.

WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa

quá trình, và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing

Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise

Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống của Siemens được tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức.

Thông thường hiện nay có những phiên bản WinCC như sau:

+ Chu kỳ với sự thay đổi.

+ Điều khiển sự kiện thời gian.