Báo cáo cuối kỳ điều khiển và giám sát quy trình tiệt trùng sữa tươi trong nhà máy sữa

MỤC LỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 2 1.1 Đặt vấn đề.......................................................................................................... 2 1.2 Mục tiêu đề tài................................................................................................... 3 1.3 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 4 1.4 Giới hạn đề tài.................................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞLÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀPLC ................................. 5 2.1 Lý thuyết vềquy trình công nghệ tiệt trùng sữa ................................................ 5 2.2 Tổng quan vềPLC ............................................................................................. 6 2.3 Giao diện HMI ................................................................................................... 7 2.4 Phần mềm TIA Portal V15.1 ............................................................................. 9 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾHỆ THỐNG......................................................................... 10 3.1 Yêu cầu hệ thống ............................................................................................. 10 3.2 Qui trình vận hành hệ thống............................................................................. 10 3.3 Thiết kếphần mềm ........................................................................................... 12 3.4 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống ........................................................................ 13 3.5 Sơ đồkết nối .................................................................................................... 19 3.6 Chương trình PLC.............................................................................................. 21 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN .................................................................. 29 4.1 Kết luận ............................................................................................................ 29 4.2 Hướng phát triển .............................................................................................. 29 4.3 Kết quả đạt được .........................................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT QUY TRÌNH TIỆT TRÙNG SỮA

TƯƠI TRONG NHÀ MÁY SỮA

GVHD: TS TR ẦN VĨ ĐÔ SVTH: NGUY ỄN XUÂN TRÀ 19151299

NGUY ỄN ĐỨC MẠNH 19151253 NGUY ỄN HOÀNG HẢI 19151219

Tp H ồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2022

M ỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Mục tiêu đề tài 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 4

1.4 Giới hạn đề tài 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ PLC 5

2.1 Lý thuyết về quy trình công nghệ tiệt trùng sữa 5

2.2 Tổng quan về PLC 6

2.3 Giao diện HMI 7

2.4 Phần mềm TIA Portal V15.1 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 10

3.1 Yêu cầu hệ thống 10

3.2 Qui trình vận hành hệ thống 10

3.3 Thiết kế phần mềm 12

3.4 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống 13

3.5 Sơ đồ kết nối 19

3.6 Chương trình PLC 21

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 29

4.1 Kết luận 29

4.2 Hướng phát triển 29

4.3 Kết quả đạt được 29

M ỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Sữa tiệt trùng vitamilk 3

Hình 2 Hình ảnh PLC S7 1200 6

Hình 3 Giao diện HMI giao tiếp giữa người và máy 8

Hình 4 Hệ thống quy trình tiệt trùng sữa tươi trên HMI 10

Hình 5 Lưu đồ vận hành của hệ thống 11

Hình 6 Kết nối giữa máy tính và PLC 12

Hình 7 Van điều khiển phi tuyến 13

Hình 8 Bồn chữa sữa và nguyên liệu 14

Hình 9 Máy bơm nguyên liệu vào bồn 15

Hình 10 Bình gia nhiệt 16

Hình 11 Cảm biến nhiệt độ 3 wire 17

Hình 12 Cảm biến đo khoảng cách siêu âm 18

Hình 13 Mạch động lực của hệ thống 19

Hình 14 Mạch kết nối PLC 20

Hình 15 mạch kết nối Relay từ PLC qua cuộn Coil contactor 21

C HƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong những năm gần đây, vấn đề dinh dưỡng và vệ sinh an toàn thực phẩm đã được đặt lên hàng đầu trong các quyết định mua sản phẩm và dịch vụ của mọi khách hàng Vì thế rất nhiều công ty sản xuất hoạt động trong ngành công nghiệp thực phẩm

đã liên tục cải tiến sản phẩm qua việc đầu tư vào dây chuyền chế biến và đóng gói công nghệ cao, đặc biệt là trong ngành sữa

Bên cạnh sản phẩm sữa bột được các bà mẹ ưa chuộng cho trẻ nhỏ dưới 2 tuổi,

có một số lượng đáng kể về các sản phẩm sữa nước trong các hộp giấy tiệt trùng sản xuất theo công nghệ chế biến và đóng gói của Tetra Pak (Thụy Điển) để đáp ứng cho nhu cầu tiện dụng và bảo đảm dinh dưỡng cho trẻ ở tuổi đến trường và người lớn Tuy nhiên, với sự xuất hiện của các loại sản phẩm sữa nước được đóng gói ngày càng nhiều

và đa dạng trên thị trường, nên không ít người tiêu dùng, nhất là các bà mẹ đã băn khoăn

về thành phần dinh dưỡng cũng như sự an toàn của các loại sản phẩm này

Để đáp ứng triệt để nhu cầu đó thì công nghệ tiệt trùng, một trong những tiến bộ khoa học quan trọng nhất thế kỷ 20, giúp sản phẩm có thể được bảo quản mà không cần dùng đến hệ thống tồn trữ lạnh Phương pháp tiệt khuẩn cực nhanh hay còn gọi là tiệt trùng tức là diệt khuẩn cực nhanh bằng cách cho sữa chảy thành màng mỏng ở nhiệt độ cực cao (135 - 150°C) trong một khoảng thời gian cực ngắn 3-15 giây, rồi làm lạnh ngay xuống ở 12,5°C Công nghệ tiệt trùng còn được gọi là tiến trình xử lý nhiệt cho thực phẩm dạng lỏng như sữa ở nhiệt độ cực cao trong thời gian cực ngắn So với sữa thanh trùng, sữa tiệt trùng có lợi là không cần sử dụng đến tủ lạnh đế tồn trữ sản phẩm Thêm vào đó, sữa tiệt trùng còn thể tồn trữ được trong thời gian từ 6 tháng đến 1 năm ở nhiệt

độ bình thường mà không cần chất bảo quản

Đó là do tính năng của quy trình chế biến và đóng gói của công nghệ tiệt trùng, theo một hệ thống vô trùng khép kín Quá trình làm nóng và lạnh sản phẩm cực nhanh

sẽ giúp tiêu diệt hay làm tê liệt khả năng hoạt động của các loại vi sinh vật gây bệnh, giúp thành phần hoá học của sữa ít biến đổi hơn quá trình chế biến thanh trùng truyền thống Lượng vi chất mất đi ít hơn nên các sản phẩm sữa tiệt trùng vẫn giữ được giá trị truyền thống

Khi tiệt trùng ở nhiệt độ thấp trong thời gian dài, nếu có một vài chênh lệch trong

xử lý nhiệt cũng không gây nguy cơ tồn tại vi khuẩn gây bệnh Trái lại khi sát trùng ở

nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, nếu rút thời gian xử lý nhiệt quá ngắn thì có thể gây nguy cơ tồn tại vi khuẩn gây bệnh

Hình 1 S ữa tiệt trùng vitamilk

Vì những vấn đề nêu trên nên nhóm em quyết định chọn đề tài điều khiển và giám sát

hệ thống quy trình tiệt trùng sữa tươi, bằng cách sử dụng PLC để điều khiển hệ thống và SCADA hiển thị trên HMI để giám sát hệ thống

1.2 Mục tiêu đề tài

• Về mục tiêu điều khiển:

Thực hiện điều khiển máy bơm để trộn đều sữa trong bồn chứa thứ nhất

Thực hiện điều khiển nhiệt độ của bộ làm làm nóng và bộ làm lạnh trong khoảng nhiệt độ quy định trong tiệt trùng sữa để điều khiển độ cao mức sữa trong bồn chứa thứ hai

Tạo ra hệ thống ứng dụng cho quy trình chế biến sữa, có thể điều khiển tự động hoặc bằng tay con người

• Về mục tiêu giám sát:

Thực hiện các thao tác vận hành trên HMI

Nhập và điều chỉnh giá trị điện áp, dòng điện, chiều cao và hiển thị nhiệt độ ra màn hình HMI

Hiển thị các các thang đo, các mức nhiệt độ ra màn hình HMI

Có nút dừng khẩn để dừng hệ thống khi xảy ra sự cố

Có nguồn điện dự phòng khi hệ thống mất điện

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung của đề tài nghiên cứu được chia thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan (Trình bày vấn đề và lý do chọn đề tài, mục tiêu

và bố cục của đề tài)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về PLC Chương 3: Thiết kế hệ thống (Trình bày yêu cầu hệ thống, quy trình vận

hành hệ thống, thiết bị dùng cho hệ thống)

Chương 4: Kết quả thực hiện (Trình bày những kết quả thực hiện,

những điểm mạnh và những điều chưa đạt được của hệ thống và đưa ra các giải pháp phát triển cho đề tài trong tương lai)

1.4 Giới hạn đề tài

Quy trình tiệt trùng sữa tươi là một trong những công đoạn của hệ thống quy trình sản xuất sữa Quy trình sản xuất sữa là một chuỗi dài nhiều công đoạn kết hợp lại với nhau Đề tài nhóm em chỉ tập trung vào việc xây dựng chương trình PLC, mô phỏng hệ thống điều khiển giám sát dùng HMI trên phần mềm Tia Portal Ngoài ra,

vì sự giới hạn phần cứng nên các thiết bị vào, ra như cảm biến nhiệt, cảm biến mực nước, cảm biến áp suất, van điều khiển, đèn tín hiệu… chỉ dừng lại ở việc mô phỏng

Đề tài được thiết kế, mô phỏng lại dựa trên các thiết bị có sẵn trong phần mềm

C HƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ PLC

Sữa là thực phẩm tự nhiên có giá trị dinh dưỡng hoàn hảo được lấy từ động vật như bò, dê, cừu…Sữa chứa hầu hết các chất dinh dưỡng cần thiết cho người như protein, glucid, lipid, vitamin, các muối khoáng…Do đó các sản phẩm từ sữa có một

ý nghĩa quan trọng đối với dinh dưỡng con người Từ sữa, người ta có thể sản xuất

ra nhiều loại sản phẩm khác nhau như sữa bột, sữa tươi, sữa lên men, bơ, kem… Cũng chính vì giá trị dinh dưỡng cao mà sữa tươi rất khó bảo quản Ngày nay, cùng

sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật kết hợp với các giải pháp tự động hóa hiện đại, ngành công nghiệp chế biến sữa ngày càng phát triển, cho ra đời nhiều phương pháp chế biến và bảo quản sữa tươi, trong đó phổ biến nhất là sữa tươi tiệt trùng

Quá trình tiệt trùng sữa gồm có hai giai đoạn là gia nhiệt và làm nguội:

- Gia nhiệt có nhiều phương pháp để gia nhiệt sữa tươi Trong quy trình này, chúng

ta sử dụng kết hợp hai phương pháp để làm tăng nhiệt độ của sữa: gia nhiệt trực tiếp (trộn sữa với hơi nước) và gia nhiệt gián tiếp (sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng)

- Làm nguội sữa sẽ được làm nguội qua hai giai đoạn: làm nguội sơ bộ trong môi trường chân không và làm nguội về nhiệt độ theo yêu cầu khi kết thúc quá trình tiệt trùng bằng cách sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

Nguyên lý hoạt động của hệ thống tiệt trùng như sau: đầu tiên sữa sẽ được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng để gia nhiệt lên đến 80°C Sau đó, sữa sẽ được bơm vào thiết bị gia nhiệt trực tiếp Người ta sẽ phối trộn sữa với hơi nước để nhiệt độ hỗn hợp đạt 145°C Tiếp theo hỗn hợp sữa và hơi nước sẽ đi vào một ống dẫn cách nhiệt, thời gian lưu của sữa trong ống dẫn này là 3-5 giây Kế tiếp hỗn hợp sữa và hơi sẽ đi vào thiết bị làm nguội sơ bộ trong môi trường chân không hoặc bộ làm lạnh sữa tươi để đạt được nhiệt độ yêu cầu

2.2 Tổng quan về PLC

PLC S7 – 1200 là một dòng PLC mới của SIEMENS, là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao

S7-1200 có 3 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và 1214C Trong bài này nhóm

áp dụng dòng CPU 1214C-DC/DC/DC (6ES7212-1AE40-0XB0) được trang bị thêm tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển

Ngoài ra PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU và còn có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

- Communication module (CP)

- Signal board (SB)

- Signal Module (SM)

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 (6ES7212-1AE40-0XB0) là Step7 V14 hoặc cao hơn Step7 hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens

Thông số SIMATIC S7-1200, CPU 1214C-DC/DC/DC (6ES72121AE40-0XB0)

- I/O: 14 DI 24 V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0-10 V DC

- Nguồn: DC 20.4-28.8V DC

- Bộ nhớ 75 KB Modules mở rộng tín hiệu vào/ra

PLC Siemens S7 – 1200 được ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:

- Hệ thống băng tải, cân định lượng

- Điều khiển đèn chiếu sáng thông minh…

- Điều khiển bơm cao áp, bơm ổn định áp suất

- Máy đóng gói…

- Máy in…

- Máy dệt…

- Máy trộn, máy nghiền trạm trộn bê tông…

2.3 Giao diện HMI

HMI là cụm từ viết tắt của ba từ Tiếng Anh: Human-Machine-Interface Nói đơn giản nó là thiết bị trung gian để giao tiếp giữa người với máy móc thiết bị Nói một cách chính xác bất cứ cách nào mà để con người giao tiếp được với máy móc thiết

bị thì đó là HMI Vậy từ những nút ấn điều khiển, đèn báo, đồng hồ, điều khiển từ

xa, màn hình cảm ứng… đều là HMI Với khoa học kỹ thuật hiện nay nói đến HMI

là chúng ta nghĩ ngay đến màn hình cảm ứng dùng để điều khiển cũng như hiển thị thông số của máy móc thiết bị

Hình 3 Giao di ện HMI giao tiếp giữa người và máy

HMI là giao diện vận hành giữa người và máy thông qua PLC, chúng được kết nối với nhau bằng cáp tín hiệu Khi người vận hành tác động nhấn nút trên màn hình hoặc cài đặt thông số, yêu cầu sẽ được gửi đến PLC, PLC điều khiển máy móc dây chuyền hoạt động Ngược lại, hệ thống máy móc dây chuyền có thể gửi trạng thái hoạt động hoặc thông số hiện tại lên màn hình HMI thông qua PLC giúp cho con người thực hiện quá trình giám sát và điều khiển

Hầu hết các hệ thống SCADA (Kiểm soát Giám sát và Thu thập Dữ liệu) đều dựa vào các thành phần HMI nhúng để hoạt động hiệu quả Hệ thống SCADA là hệ thống điều khiển chính, tổng thể trong một nhà máy hoặc nhà máy, chịu trách nhiệm điều chỉnh tất cả các hoạt động phức tạp đang diễn ra Theo truyền thống, để tích hợp dây chuyền sản xuất với HMI, HMI phải được kết nối với Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và HMI hiển thị dữ liệu nhận được từ PLC và cung cấp đầu vào PLC từ người dùng Những màn hình đồ họa này có xu hướng rất đơn giản HMI cơ bản cho phép người vận hành hoặc người quản lý nhà máy kiểm tra các thông số điển hình như nhiệt độ của (các) máy, số lần xử lý, trạng thái của (các) máy và số lượng vật liệu Các bước xây dựng giao diện cho HMI:

• Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng (Model), thiết bị kết nối (PLC), chuẩn giao thức…

• Xây dựng các trang màn hình screen

• Gán các biến số (tag) cho các đối tượng

• Sử dụng các đối tượng đặc biệt

• Viết các chương trình script (tùy chọn)

• Mô phỏng và gỡ rối chương trình

• Nạp thiết bị xuống HMI

2.4 Phần mềm TIA Portal V15.1

Giới thiệu về phần mềm TIA Portal: “TIA Portal” là viết tắt của từ Totally Integrated Automation Portal có nghĩa là: Cổng thông tin tự động hóa tích hợp hoàn toàn, là một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống Vì thế phần mềm TIA Portal được nghiên cứu ra

để phát triển nâng cao hiệu suất và tối ưu hệ thống

Chức năng của phần mềm: cung cấp một khuôn khổ kỹ thuật để triển khai các giải pháp tự động hóa trong tất cả các ngành công nghiệp trên toàn cầu từ thiết kế, vận hành và bảo trì đến nâng cấp hệ thống tự động hóa, tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức cho các kỹ sư Ngoài ra còn giảm thời gian tiếp thị của bạn với các công cụ

mô phỏng, tăng năng suất của nhà máy với khả năng chẩn đoán và quản lý năng lượng bổ sung, đồng thời tăng tính linh hoạt bằng cách kết nối với cấp quản lý

Ví dụ:

Thiết kế giao diện kéo nhả thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng; Quản

lý phân quyền User, Code, Project tổng quát; Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống; Tích hợp mô phỏng

hệ thống; Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens

C HƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Yêu cầu về phần cứng: mức sữa sau khi tiệt trùng được đo bằng cảm biến khoảng cách phải cân bằng với mức sữa ban đầu trong bồn chứa; sử dụng cảm biến nhiệt độ để điều chỉnh bộ làm nóng và làm lạnh ở mức nhiệt độ theo yêu cầu tiệt trùng Các thiết bị phải đúng theo phần yêu cầu thiết kế và phải hoạt động tốt Phải điều khiển được máy bơm để trộn sữa và bơm sữa vào bồn chứa và hiển thị các giá trị nhiệt độ, độ cao ra màn hình HMI để giám sát và kiểm soát lỗi

Yêu cầu về phần mềm: Sử dụng phiên bản TIA Portal V15.1, chọn các Module CPU, DI, DO, AI, AO đúng theo như yêu cầu đã thiết kế Chương trình phải gọn gàng, tối ưu nhất có thể Phải chạy mô phỏng được hệ thống trên PLC SIM và Win CC hiển thị các thông số trên màn hình HMI

Các giải pháp được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu của hệ thống: dùng Module Analog để xử lý, điều chỉnh đáp ứng ngõ ra của nhiệt độ và mực sữa trong bồn tiệt trùng đạt như mong muốn bằng 2 chế độ: auto và manual

3.2 Qui trình vận hành hệ thống

Giao diện giao tiếp giữa người và máy :

3.2.1

Lưu đồ vận hành

BẮT ĐẦU

START S

CAM BIEN COLD(<=setpoint)

RESET

Đ

RESET TOÀN BỘ HÊ THỐNG Đ

Pump 1 bơm sữa đã trộn vào bình gia nhiệt

PUMP2 bơm sữa ra ngoài

CB đo chiều cao (>setpoint) Đ

Tăng nhiệt độ bình nóng

- Hệ thống vận hành được tóm tắt như sau:

Đầu tiên có 2 van A và van B để mở nguyên liệu sữa tươi vào trong bồn chứa Sau đó máy bơm hoạt động để trộn đều sữa lên, sau một khoảng thời gian bơm 1 sẽ bơm sữa từ trong bồn chứa này qua một bộ gia nhiệt để làm nóng sữa đó Sau đó sữa

sẽ được bơm qua bộ làm lạnh rồi đưa tiếp vào bồn chứa thứ 2 Khi sữa trong bồn 2 vượt quá giá trị setpoint, thì bơm 2 nó sẽ bơm sữa ra ngoài làm giảm mực chất lỏng sữa tiệt trùng xuống

3.3 Thiết kế phần mềm

Thiết kế các giao thức giao tiếp giữa phần mềm và phần cứng:

Hình 6 K ết nối giữa máy tính và PLC

Bước 1: Sử dụng phần mềm TIA Portal phiên bản V15.1cấu hình trạm PLC

S7-1200

mới Nhập thông tin dự án rồi nhấn “Create”

đó chọn “Add new device”

chỉ IP mới cho PLC

Bước 5: Tìm địa chỉ hiện có của PLC (chọn máy tính có IP tự động) Chọn

“Update accessible devices” để tìm và ghi nhớ địa chỉ IP của CPU vừa tìm được

Bước 6: Download cấu hình cài đặt vào PLC thực tế, địa chỉ đang đặt cấu hình sẽ

thay thế địa chỉ hiện có của PLC

Bước 7: Chọn địa chỉ IP máy tính phù hợp với IP của PLC tìm được trong bước 5

PLC thực tế

hoàn thành xong việc giao tiếp giữa phần mềm với phần cứng, việc tiếp theo là chúng ta chỉ cần viết code và thao tác trên phần mềm rồi Load vào PLC là xong

3.4 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống

➢ Kiểu kết nối lắp ghép: Dạng lắp bích, ren và nối rắc co

➢ Vật liệu thân van: Thân gang, thân inox 304.316, và nhựa UPVC, CPVC

➢ Áp lực khí nén đóng mở van: 0-10bar

➢ Áp suất làm việc đường ống: 10bar-25bar-63bar

➢ Cơ chế hoạt động đóng mở: kiểu đóng mở nhanh

➢ Sử dụng cho: Hệ thống nước, khí nén, hóa chất, chất thải

• Đặc điểm:

➢ Thời gian đóng mở van rất nhanh đảm bảo độ chính xác cao, tin cậy

➢ Tuổi thọ cao, độ bền khá tốt đảm bảo cho hệ thống hoạt động xuyên suốt

➢ Đa dạng kích thước, dễ dàng cho việc lắp đặt và sửa chữa khi có sự cố hay hỏng học xảy ra

➢ Hàng có sẵn trên thị trường nên rất dễ tìm kiếm những loại van phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng

• Giá thành tốt hơn nhiều so với các loại van khác, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người sử dụng

Bồn chứa

Hình 8 Bồn chữa sữa và nguyên liệu