nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho quá trình rót thành phẩm tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu đồng giao

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển tự động dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu Đồng Giao tỉnh Ninh Bình" được hoàn th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

PHẠM VIỆT ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO QUÁ TRÌNH RÓT THÀNH PHẨM TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN XUẤT NHẬP KHẨU ĐỒNG GIAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI , 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHẠM VIỆT ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO QUÁ TRÌNH RÓT THÀNH PHẨM TẠI CÔNG TY CỔ PHẦN XUẤT NHẬP KHẨU ĐỒNG GIAO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2014

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển tự động dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu

Đồng Giao tỉnh Ninh Bình" được hoàn thành với sự nỗ lực nghiêm túc của

bản thân, sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơm thầy giáo: TS Ngô Trí Dương đã hướng

dẫn, định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, công nhân viên Công ty cổ

phần xuất nhập khẩu Đồng Giao về sự giúp đỡ trong quá trình tìm hiểu, thu

thập số liệu từ thực tế của dây chuyền

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Cơ - Điện, Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong công tác nghiên cứu.Với thời gian và kiến thức có hạn chắc chắn luận văn sẽ còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô và các bạn đồng nghiệp góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2014

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền đóng hộp Nước

Chương 2: Khảo sát và đánh giá máy rót thành phẩm

2.1.2 C¶m biÕn thïng 16

Ch−¬ng 3: Nghiªn cøu, ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t cho qu¸ tr×nh rãt thµnh phÈm dïng phÇn

3.2.5 Lựa chọn module vào/ra tương tự 47

3.5.2 Thuật toán điều khiển quá trình rót thành nước dứa cô đặc 60

3.6 Thiết kế hệ điều khiển giỏm sỏt cho quỏ trỡnh rút thành phẩm nước dứa cụ

Dang môc c¸c b¶ng

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của nhà máy 5

Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện truyền động bàn nâng và băng tải cuốn 15

Hình 2.13 Ký hiệu và cấu tạo của van logic OR van FESTO OS-1/8-B) 22

Hình 2.23 Giao diện phần mềm lập trình DOX 10 30

Hình 3.17 Sơ đồ khối SM 322 DO 8xRELAY AC 230/322-1HF01-0AA0 47

Hình 3.21 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 53 Hình 3.22 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển giám sát 54 Hình 3.23 Thuật toán điều khiển quá trình rót nước dứa cô đặc 61

Hình 3.28 Khai báo tạo NewGruop 67

Hình 3.52 Đủ trọng lượng - đèn Filling sáng các van V2, V3, V4 làm việc 80

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày nay cựng với sự phỏt triển của cỏc ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đú kỹ thuật số đúng vai trũ quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, cụng nghiệp tự động hoỏ Cỏc nhà mỏy ứng dụng tự động hoỏ cho năng suất cao, điều khiển và giỏm sỏt chớnh xỏc Ưu điểm của

hệ thống ứng dụng tự động hoỏ là giảm được số nhõn cụng lao động do đú giảm được chi phớ sản xuất, làm giảm giỏ thành sản phẩm

Toàn bộ dõy chuyền cụng nghệ sản xuất nước dứa cụ đặc của cụng ty

cổ phần xuất khẩu Đồng Giao được lắp đặt năm 2002 do tập đoàn Tetra Pak lắp đặt và đào tạo cụng nhõn vận hành Tuy nhiờn hệ thống này chưa được tự động hoỏ hoàn toàn, hệ thống đụi lỳc làm việc khụng ổn định và việc điều khiển giỏm sỏt ở dạng màn hỡnh text nờn khụng thể quan sỏt được cỏc thiết bị hoạt động được Hệ thống làm việc khụng ổn định gõy trỡ trệ sản xuất, năng suất giảm làm thiệt hại kinh tế cho nhà mỏy và phải phụ thuộc vào cỏc chuyờn gia nước ngoài sang xử lý sự cố

Trong khi đó PLC S7-300 là dũng sản phẩm cao cấp, được dựng cho những ứng dụng lớn với những yờu cầu I/O nhiều và thời gian đỏp ứng nhanh, yờu cầu kết nối mạng và cú khả năng mở rộng sau này Ngụn ngữ lập trỡnh đa dạng cho phộp người sử dụng cú quyền chọn lựa Đặc điểm nổi bật của S7-

300 đú là ngụn ngữ lập trỡnh cung cấp những hàm toỏn đa dạng cho những yờu cầu chuyờn biệt như: Hàm SCALE Ngoài ra S7-300 cũn xõy dựng phần cứng theo cấu trỳc Modul: Modul PID, Modul đọc xung tốc độ cao Ứng dụng PLC Siemens họ S7-300 kết hợp với phần mềm WinCC để xõy dựng chương trỡnh điều khiển, giỏm sỏt mỏy rút tại cụng ty cổ phần xuất khẩu Đồng Giao - tỉnh Ninh Bỡnh làm tăng năng suất của nhà mỏy, nõng cao chất lượng sản phẩm, giảm được chi phớ lao động do đú làm giảm giỏ thành sản phẩm tăng tớnh cạnh tranh thị trường Việc đưa thiết bị PLC của Siemens

vào hệ thống giúp nhà máy chủ động hơn trong việc thay đổi công nghệ, mà không còn phụ thuộc nhiều vào bên cung cấp dây chuyên công nghệ

Nếu xét toàn bộ dây chuyền sản xuất nước dứa cô đặc rất phức tạp và cần nhiều thời gian để nghiên cứu sâu, tìm hiểu sâu về công nghệ thực phẩm và thiết

bị Vì những lý do đó mà học viên chỉ nghiên cứu cụ thể đối tượng là máy rót thành phẩm vào túi PE, đây là công đoạn cuối cùng trong dây chuyền công nghệ

2 Mục đích của đề tài

Khảo sát, nghiên cứu công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc tại công ty

cổ phần xuất nhập khẩu Đồng Giao từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế, điều khiển hệ thống dùng PLC S7 - 300 kết hợp với hệ thống giám sát dùng Win

CC nhằm tăng năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm với mức độ tự động hoá cao

3 Đối tượng nghiên cứu

Nếu xét cả dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả thì rất phức tạp do có nhiều biến vào và biến ra Mặt khác công nghệ sản xuất nước ép hoa quả cũng rất phức tạp Vì vậy trong luận văn chỉ nghiên cứu máy rót sản phẩm nước dứa cô đặc

4 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát và đánh giá dây chuyền sản xuất hiện tại của nhà máy

- Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển máy rót nước dứa cô đặc

- Thiết kế giao diện giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của máy rót sử dụng phần mềm WinCC (Windown Control Center) Đưa ra cảnh báo tình trạng hoạt động của các thiết bị trong hệ thống

5 Phạm vi nghiên cứu

- Phương tiện điều khiển: OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay thế bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP;

- Giao tiếp máy tính thông qua phần mềm WinCC của công ty SIEMENS;

- Chương trình điều khiển: soạn thảo bằng phần mềm Step7 của SIEMENS

6 Phương pháp nghiên cứu

- Từ các dây chuyền công nghệ thực tế và lý thuyết điều khiển tự

động, điều khiển logic tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng PLC S7-300;

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiẻn giám sát hệ thống bằng phần mềm Win CC

7 ý nghÜa khoa häc vµ ý nghÜa thùc tiÔn

Ứng dụng PLC Siemens họ S7-300 kết hợp với phần mềm WinCC để xây dựng chương trình điều khiển, giám sát máy rót tại công ty cổ phần xuất khẩu Đồng Giao - tỉnh Ninh Bình làm tăng năng suất của nhà máy, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm được chi phí lao động do đó làm giảm giá thành sản phẩm tăng tính cạnh tranh thị trường Việc đưa thiết bị PLC của Siemens vào hệ thống giúp nhà máy chủ động hơn trong việc thay đổi công nghệ, mà không còn phụ thuộc nhiều vào bên cung cấp dây chuyên công nghệ

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN ĐÓNG HỘP NƯỚC

HOA QUẢ 1.1 Giới thiệu chung về công ty

Công ty cổ phần xuất nhập khẩu Đồng Giao tiền thân là nông trường quốc doanh Đồng Giao, được hình thành và thành lập ngày 26 tháng 12 năm

1995 có tổng diện tích đất tự nhiên là 5500 ha, trong đó có 2300 ha là đất nông nghiệp Công ty cổ phần xuất nhập khẩu Đồng Giao nằm ngay bên cạnh đường quốc lộ 1A và ở phía Tây Nam tỉnh Ninh Bình

Nhiệm vụ sản xuất và ngành nghề kinh doanh chủ yếu của công ty: Trồng trọt các loại rau quả như: Dứa, Lạc Tiên, Dưa Chuột, Vải, Ngô và các loại rau quả khác Chế biến rau quả dưới dạng: đồ hộp, đông lạnh, cô đặc, nước, kinh doanh xuất nhập khẩu các loại vật tư, nguyên nhiên liệu phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và chế biến rau quả

Quy mô của Công ty:

- Sản xuất nông phẩm: rau quả phục cho việc chế biến của Công ty

- Khu chế biến: gồm 4 dây chuyền chế biến nằm trong 4ha

+ Dây chuyền đồ hộp

+ Dây chuyền nước dứa cô đặc

+ Dây chuyền đông lạnh IQF

+ Dây chuyền nước quả tự nhiên đóng hộp

1.2 Tổng quan về dây chuyền đóng hộp nước hoa quả

Dứa sau khi thu hoạch sẽ được đưa về kho sau đó được đổ vào bể đựng dứa và đưa lên bể rửa Ở bể rửa dứa sẽ được rửa sạch nhờ sự bơm nước tuần hoàn dội vào quả dứa, mặt khác nhờ bơm thổi khí đẩy dứa từ dưới lên băng tải Băng tải đưa dứa lên máy phân loại, từ máy phân loại dứa sẽ được phân thành hai loại là quả to và quả nhỏ Sau đó dứa được băng tải chuyển sang máy gọt vỏ và đục lõi Lúc này công nhân sẽ làm việc gọt đục dứa, đồng thời cũng loại bỏ những quả dứa bị hư hỏng Dứa được gọt vỏ và đục lỗ xong sẽ rơi xuống băng tải Công nhân sẽ đưa dứa đến bàn và làm công việc gọt đầu

dứa và trổ mắt dứa tại đây Tiếp đó dứa được đưa tới máy cắt khoanh, từ máy cắt khoanh dứa lại được băng tải đưa đến máy đóng hộp

Trước khi được đưa vào máy đóng hộp thì hộp sẽ được băng tải đưa vào chiết định lượng để đóng dứa vào hộp Sau khi dứa được đưa vào hộp thì hộp sẽ theo băng tải ra ngoài để công nhân kiểm tra trọng lượng, nếu thiếu trọng lượng họ sẽ đóng thêm dứa cho đủ Khi dứa đã đủ trọng lượng công nhân sẽ chuyển hộp sang băng tải để đưa hộp sang máy rót dịch Rót dịch xong hộp sẽ được băng tải đưa đến máy ghép mì Máy ghép mì sẽ đóng kín nắp hộp, sau đó hộp được đưa ra băng tải để đưa đến máy thanh trùng Khi thanh trùng xong thì hộp được thổi khô và được chuyển đến kho bảo quản Sau đó hộp được dán tem và in hạn sử dụng rồi chuyển về kho để tiêu thụ

Sơ đồ tổng quan công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của nhà máy:

Hình 1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của nhà máy

KHU VỰC CHÍCH ÉP

KHU VỰC DECANTER

KHU VỰC

CÔ

KHU VỰC THANH TRÙNG

KHU VỰC RÓT

Døa nguyªn liÖu

B¨ng t¶i (Belt conveyor)

Bån röa qu¶ (Washing)

unit)

B¨ng t¶i ch¶i (Brushing)

unit) B¨ng t¶i chän qu¶

VÝt t¶i (Incline elevator)

M¸y Poly fruit

VÝt t¶i (Screw conveyor)

M¸y Polypress

M¸y Brown

Bån chøa

VÝt t¶i (Waste conveyor)

Bi døa

Silo

Vá qu¶

quá xanh, có thể dùng phối hợp các phế liệu đã loại ra khi cắt gọt trong sản xuất dứa nước đường để chế biến nước dứa Trước khi chích ép, dứa cần được

xé tơi quả dứa trên máy ép để tăng hiệu suất ép qua máy poly fruit sản phẩm nước ép được đưa tới máy Brown, phần bã dứa được vít tải đưa đến máy ép trục vít sản phẩm nước dứa cũng được đưa về máy Brown, phần còn lại là bã dứa khô được vít tải đưa ra Silo dùng để sản xuất thức ăn gia súc Máy Brown dùng để lọc bã thô sau đó nước dứa được đưa tới bể chứa

1.2.2 Khu vực Decanter

Sơ đồ công nghệ

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ khu vực Decanter

Nước dứa (dịch quả) từ bể chứa được bơm ly tâm bơm vào 4 ống nhỏ qua

bộ phận gia nhiệt lần 1 vào bể chứa 1 Dịch quả đi qua bộ phận gia nhiệt ở nhiệt độ khoảng (600-800C) để tạo kết tủa, dịch quả được đưa vào máy ly tâm nằm ngang loại bỏ các hạt thịt quả có đường kính nhỏ, dịch quả được đưa vào bể chứa 2

sinh năng lượng của sản phẩm, đồng thời kéo dài được thời gian bảo quản ( vì hạn chế vi sinh vật phát triển do ít nước, áp suất thẩm thấu cao)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cô đặc thực phẩm:

- Khi tiến hành một quá trình cô đặc thực phẩm người ta đun nóng khối lượng thực phẩm tới nhiệt độ sôi Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ chất khô đã đạt đến nhiệt độ yêu cầu thì ngưng quá trình cô đặcvà cho sản phảm ra khỏi thiết bị

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc vào áp suất hơi trên bề mặt, nồng độ chất khô và tính chất vật lý, hoá học của sản phẩm

- Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản phẩm càng thấp Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc

sẽ giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm Hay nói cách khác là điều chỉnh nhiệt độ sôi bằng cách thay đổi nhiệt độ chân không

1.2.4 Khu vực thanh trùng

Sơ đồ công nghệ

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ khu vực thanh trùng

Hình 1.6 Thiết bị thanh trùng hơi dạng đứng

Thiết bị thanh trùng cao áp Stockautovab 1100-4BV dùng để thanh trùng các thiết bị rau quả, đồ uống Thời gian thanh trùng tuỳ thuộc vào loại sản phẩm và cỡ lon định thanh trùng vào khoảng (90÷100)phút/mẻ Công suất cho hệ thống thanh trùng:

+ Khoảng 2520lon/mẻ cho cỡ lon 150z, (73x113)mm

+ Khoảng 2040 lon/mẻ cho cỡ lon 200z, (84x113)mm

+ Khoảng 1416 lon/ mẻ cho cỡ lon 300z, (99x113)mm

- Gia nhiệt với áp suất đối áp: trong quá trình thanh trùng nước được tuần hoàn rất nhanh bên trong thùng thông qua đường ống Nước được tuần hoàn bởi một bơm mạnh được đặt bên trong vỏ chứa và nằm phía ngoài thùng thanh trùng, kết hợp với hệ thống đường ống tuần hoàn vì vậy nước trong thùng chứa được gia nhiệt độ thanh trùng đã đặt trước Nước tuần hoàn được đặt phân bổ lên bồn thùng chứa lon đảm bảo cho việc gia nhiệt nhanh chóng

Áp suất đối áp được sinh ra bởi một lượng khí nén và được điều khiển chính xác bơm vào trong thùng thanh trùng cho đến khi đạt được áp suất đặt trước

Vì vậy việc kiểm soát là hoàn toàn tự động, tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất đã được lập trình trong PLC Trong thực tế thời gian này được sử dụng để tạo áp suất đối áp

- Thời gian thanh trùng: sau khi đã đạt đến nhiệt độ thanh trùng mong muốn, nhiệt độ này được điều khiển tự động cùng với áp suất đối áp, tuỳ thuộc vào chương trình đã lập trình mà duy trì trong một thời gian đã định sẵn

để thực hiện công việc thanh trùng Nước quá nhiệt độ liên tục tuần hoàn trong quá trình thanh trùng xung quanh các lon nhiệt độ và có hiệu suất cao nhất để đảm bảo việc phân phối đủ nhiệt năng và nhiệt độ bên trong sản phẩm

- Làm mát: khi kết thúc thời gian thanh trùng, việc cung cấp hơi nước

sẽ tự động ngừng lại và được thay thế bằng việc bơm nước lạnh vào trong hệ thống tuần hoàn nước của hệ thống thanh trùng để làm mát các lon đã thanh trùng Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình làm mát nước được bơm vào gián đoạn để tránh việc thay đổi đột ngột nhiệt độ làm vỡ chai thuỷ tinh hoặc loại bao bì dễ vỡ khác Áp suất đối áp được duy trì bằng việc bơm một lượng khí nén vừa đủ Nước làm mát được chảy xuống thùng thanh trùng cho tới cuối quá trình làm mát, thời gian này tuỳ thuộc vào cách lập trình

- Xả nước: Sau khi kết thúc quá trình với một lượng nước cao quá mức, để mở cửa thiết bị sẽ phải xả nước qua đường ống của hệ thống xả Sau

đó cửa thanh trùng Bayonet được mở khoá và 4 thùng chứa lon được lấy ra ngoài Sau đó thiết bị thanh trùng sẵn sàng tiếp nhận sản phẩm cho một mẻ mới

- Hệ thống điều khiển chương trình Stock kiểu E (PLC): tất cả các pha của quy trình xứ lý nhiệt đều được lập trình phù hợp với loại sản phẩm

1.2.5 Khu vực rót

Giới thiệu thiết bị

Hệ thống máy rót gồm hai máy: Máy rót I và máy rót II Theo nguyên tắc hai máy có thể hoạt động đồng thời xong do lưu lượng dòng dịch khống chế chỉ 1500l/h do đó chỉ một máy làm việc, một máy chờ

Cấu tạo bao gồm:

+ Hệ thống van đóng mở bằng khí nén: V1, V2, V3, V4, V5, V6 V7

+ Hai động cơ: M2 chạy tiến và lùi cho băng tải

M3 bơm dầu thủy lực có nhiệm vụ nâng hạ bàn cân + Cảm biến trọng lượng

+ Hai cảm quang nhận thùng để điều khiển bẳn tải vào thùng và ra thùng

Yêu cầu của hệ thống trước khi rót:

+ Áp suất hơi phải đạt 2,8 ÷ 3 bar

+ Áp suất khí phải đạt: 6 bar

+ Nhiệt độ thanh trùng nắp phải đạt 1200 ÷145°C

Trong quá trình rót phải đảm bảo:

+ Áp suất hơi: 2,8 ÷ 3 bar

+ Áp suất khí: 6 bar

+ Áp suất sản phẩm: 1,8 bar

Nguyên lý rót: khi đưa thùng vào vị trí của cảm biến nhận thùng G1, băng tải làm việc đưa thùng vào vị trí rót Nếu đủ điều kiện áp suất hơi, áp suất khí thì van rót được mở, sản phẩm được rót vào túi Trong quá trình rót Loadcell cân trọng lượng theo nguyên lý cộng dồn Có bốn mức nâng của bàn nâng: khi trọng lượng đạt 35kg thì bàn nâng sẽ nâng thùng lên vị trí L2, khi trọng lượng đạt 60kg thì thùng được nâng lên vị trí L3, khi thùng đạt 100kg thùng được nâng lên vị trí L4, khi trọng lượng thùng đạt 150kg thùng được nâng lên vị trí L5 và rót cho đến khi trọng lượng đạt 250kg thì dừng rót, đèn Filling sáng báo đầy cho phép công nhân vận hành máy kia

1.3 Đánh giá hệ thống dây chuyền sản xuất nước hoa quả

Toàn bộ dây chuyền công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của công ty

cổ phần xuất khẩu Đồng Giao được lắp đặt năm 2002 do tập đoàn Tetra Pak lắp đặt và đào tạo công nhân vận hành Tuy nhiên hệ thống này chưa được tự

động hoá hoàn toàn, hệ thống đôi lúc làm việc không ổn định và việc điều khiển giám sát ở dạng màn hình text nên không thể quan sát được các thiết bị hoạt động được Hệ thống làm việc không ổn định gây trì trệ sản xuất, năng suất giảm làm thiệt hại kinh tế cho nhà máy và phải phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài sang xử lý sự cố Nếu xét toàn bộ dây chuyền sản xuất nước dứa cô đặc rất phức tạp và cần nhiều thời gian để nghiên cứu sâu, tìm hiểu sâu

về công nghệ thực phẩm và thiết bị Vì những lý do đó mà học viên chỉ nghiên cứu cụ thể đối tượng là máy rót thành phẩm vào túi PE, đây là công đoạn cuối cùng trong dây chuyền công nghệ Hệ thống máy rót này khi gặp sự

cố gây thiệt hại to lớn cho nhà máy khi vào mùa sản xuất do phụ thuộc quá nhiều vào chuyên gia của Thái Lan hoặc của Ấn Độ sang khắc phục sự cố Hệ thống máy rót này còn tồn tại một số vấn đề sau:

- Hệ thống sử dụng hai PLC hãng ABB của Thuỵ Điển, đây là dòng PLC rất hiếm trên thị trường Việt Nam Phần mềm để lập trình cho PLC này cũng rất hiếm ở Việt Nam, thường phải bỏ một số tiền không nhỏ để có phần mềm có bản quyền Chính vì lý do này nên bên tập đoàn Tetra Pak không cung cấp phần mềm cho công ty, đây chính là yếu tố để công ty phụ thuộc vào bên cung cấp thiết bị Mặt khác với số lượng đầu vào và đầu ra không nhiều

mà sử dụng hai PLC là SDA và SDA24D sẽ không linh hoạt nhất là một trong hai PLC bị sự cố Điều này sẽ rất đơn giản nếu ta dùng một CPU S7-300 của Siemens còn số đầu vào và đầu ra tuỳ chọn

- Hệ thống van khí nén sử dụng để đóng mở hơi nóng trong quá trình rót và vệ sinh thường xuyên bị hỏng hoặc làm việc không ổn định Vấn đề này gây khó khăn đối với kỹ sư trong nhà máy, vì hoạt động của các van còn phụ thuộc vào hành trình của piston, của các cảm biến Muốn khắc phục được bắt buộc phải có phần mềm của PLC thì mới can thiệp được

- Hệ thống hơi trong nhà máy được sử dụng cho rất nhiều công đoạn sản xuất Vì vậy áp suất thường xuyên làm ảnh hưởng đến các khâu sản xuất, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến quá trình rót sản phẩm

Chương 2: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ MÁY RÓT THÀNH PHẨM CỦA

CÔNG TY 2.1 Giới thiệu một số thiết bị của máy rót

Hình 2.1 Máy rót thành phẩm

Máy rót thành phẩm là công đoạn cuối cùng trong dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả của công ty CPXNK Đồng Giao Trong công nghệ của nhà máy, sản phẩm được rót vào túi kim loại nên có ưu điểm nhẹ, truyền nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao, nhược điểm của túi kim loại là độ bền hoá học kém Ngoài ra còn một loại túi nữa là túi trùng hợp có độ bền cao và khắc phục được nhược điểm của túi kim loại Hiện nay trên thế giới đang thay thế dần túi đựng thuỷ tinh bằng túi kim loại hoặc túi trùng hợp

2.1.1 Hệ thống điều khiển băng tải và bàn nâng

2.1.1.1 Sơ đồ mạch điện động lực

Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện truyền động bàn nâng và băng tải cuốn

Hai động cơ M2 và M3 truyền động cho bàn nâng và truyền động cho băng tải cuốn Động cơ M2 có đảo chiều quay để cho băng tải chạy tiến, lùi cho thùng đi vào hoặc đi ra

Hình 2.3 Cấu tạo của bơm thuỷ lực truyền động bàn nâng

2.1.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi sensor G1 nhận thùng thì đưa tín hiệu đến đầu vào của PLC, lúc này động cơ M2 làm việc băng tải đưa thùng vào vị trí làm việc L1 Tại đây công nhân đưa túi PE vào và chương trình rót bắt đầu Khi trọng lượng thùng đạt 35kg thì động cơ M3 làm việc nâng thùng lên vị trí L2 Quá trình rót vẫn tiếp tục khi trọng lượng thùng đạt 60kg thì bàn nâng lên vị trí L3, khi trọng lượng đạt 100kg thì bàn nâng lên vị trí L4 Trọng lượng thùng đạt 150kg thì bàn nâng lên vị trí L5 và rót đến khi trọng lượng thùng đạt 250kg thì dừng rót, đèn Filling nhấp nháy báo công nhân vận hành rót ở mày thứ hai

Hình 2.4 Cấu tạo bàn nâng và băng tải cuốn

- Phần thu gồm một Transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu nhằm mục đích tập trung ánh sáng chiếu vào Transistor Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ngõ ra

Hình 2.5 Cảm biến quang điện E3JM

Cấu trúc mạch ra của cảm biến

Hình 2.6 Mạch ra kiểu Transistor NPN cực thu hở

2.1.3 Cảm biến trọng lượng (Loadcell)

Hệ thống cân dùng 4 Loadcell đấu song song với nhau qua một hộp đấu nối (Junction Box) Những Loadcell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Tín hiệu điện áp

từ cầu điện trở của loadcell được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của Loadcell phục vụ cho việc bù sai do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hoá xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi

xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định Các module điện tử này

có thể được đặt ngay trong Loadcell, loadcell cable hoặc trong hộp junction box Các đặc tính tới hạn của từng Loadcell được đặt trong EPROM nằm trong module của Loadcell đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại Loadcell, với chính Loadcell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai số được thực hiện khá triệt để

Máy rót thành phẩm được thiết kế dùng 4 Loadcell đặt ở bốn góc của bàn nâng Hệ thống cân bốn Loadcell này làm việc theo nguyên tắc cộng dồn với bốn mức nâng khác nhau theo khối lượng của sản phẩm

Hình 2.7.Hình dạng và cấu tạo của loadcell KIS-2 của Sweden

2.1.4 Cảm biến hành trình

Để khống chế khoảng dịch chuyển thùng và phạm vi nâng, hạ bàn trong hệ thống có sử dụng công tắc giới hạn của hãng OMRON Loại công tắc này có khả năng đóng mở với dòng lớn 15A, độ chính xác lặp lại cao

Hình 2.8 Công tắc giới hạn của OMRON Z-15HW78-B

2.1.5 Cảm biến hành trình piston mở nắp túi

Hình 2.9 Cảm biến hành trình hãng Honeywell 24CE2-S2

Nhiệm vụ của cảm biến hành trình 24CE2-S2 là khống chế khoảng dịch chuyển của Piston mở nắp túi và đóng nắp túi

2.1.6 Cảm biến tiệm cận điện dung OMRON E2K-C

Cảm biến hình trụ với khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được cho phép phát hiện không tiếp xúc các vật kim loại và phi kim loại như kính,

gỗ, dầu, nhựa Cho phép phát hiện gián tiếp các vật liệu bên trong thùng chứa phi kim loại Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được từ (3-25)mm Có

bộ khuếch đại với nguồn điện áp cấp rộng và đầu ra tải tới 200mA Nhiệm vụ của cảm biến tiệm cận điện dung là khi hơi vào túi nhiều thì làm căng phồng bao, đến khoảng cách đã điều chỉnh sensor E2K tác động cắt hơi vào túi

Hình 2.10 Cảm biến tiệm cận điện dung của OMRON E2K-C

2.1.7 Cảm biến nhiệt điện trở E52MY

Cảm biến nhiệt điện trở là loại cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

và Thermistor

Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken, Đồng quấn trên một lõi cách điện Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở

Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của cảm biến nhiệt điện trở E52MY

2.1.8 Giới thiệu một số cơ cấu chấp hành chấp hành

Hình 2.12 Cấu tạo cơ cấu chấp hành (Chi tiết về cơ cấu chấp hành xem ở phụ lục 2)

2.1.8.1 Hệ thống van

a Van logic OR

Theo thiết kế hai máy rót có thể rót song song, nhưng do dòng dịch khống chế 1500lít/giờ nên một máy làm việc, một máy chờ Hệ thống sử dụng một van logic OR để khống chế một máy rót và một máy chờ

Van logic OR có chức năng l nhận tín hiệu điều khiển ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển

Hình 2.13 Ký hiệu và cấu tạo của van logic OR van FESTO OS-1/8-B)

b Van một chiều

Hệ thống van hơi V1, V2, V3, V4, V5, V6 và V7 trong hệ thống là loại van hơi một chiều Van một chiều dùng để điều khiển dòng năng lượng đi theo một hướng, hướng còn lại dòng năng lượng bị chặn Trong hệ thống điều khiển khí nén thuỷ lực van một chiều thường đặt ở nhiều vị trí khác nhau, tuỳ thuộc vào những mục đích khác nhau

Hình 2.14 Van một chiều

Khi có khí nén đi qua cửa P1 thì cửa P2 đóng khí nén đi từ P1 về A Ngược lại khi có khí nén đi từ cửa P2 thì cửa P1 đóng, khí nén đi từ P2 về A

c Van đảo chiều

Van đảo chiều là cơ cấu chỉnh hướng có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng đi qua van chủ yếu bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng dòng năng lượng

Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển van đảo chiều tác động bằng tay

2.1.8.2 Hệ thống xi lanh piston

Xy lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học - chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay (góc quay nhỏ hơn 3600) Thông thường xy lanh được lắp cố định, piston chuyển động Một số trường hợp xy lanh chuyển động còn piston cố định Piston bắt đầu chuyển động khi có lực tác động vào một trong hai phía của nó (lực áp suất, lực lò xo hay lực cơ khí) lớn hơn tổng lực cản có hướng ngược với chiều chuyển động (lực ma sát, lực lò xo, phụ tải)

Xy lanh lực được chia làm hai loại: xy lanh lực và xy lanh quay Trong

xy lanh lực, chuyển động tương đối giữa piston và xy lanh là chuyển động tịnh tiến Trong xy lanh quay chuyển động giữa piston và xy lanh là chuyển động quay Góc quay thường nhỏ hơn 3600

Khi đưa túi nhựa vào vị trí rót, công nhân vận hành ấn nút S3, lúc này piston của xy lanh C di chuyển về phía trước, đẩy đầu đội và giữ chặt Khi ấn

nút S3 và S4 đồng thời quá trình rót tự động được thực hiện Piston B di chuyển về phía trước mang theo miệng rót ra khỏi van rót A

Các piston trong xy lanh H và J di chuyển về phía trước để kẹp lấy túi PE Piston trong xi lanh F di chuyển truyền động cho M và L kẹp lấy miệng túi

Piston của xy lanh D và E di chuyển về phía sau kéo miệng túi vào cổ rót và giữ chặt miệng túi trong quá trình rót sản phẩm

Các piston được sử dụng ở các cơ cấu chấp hành là piston tác động kép Nghĩa là áp lực tác động vào xy lanh kéo theo hai phía

Hình 2.16 Cấu tạo piston tác động kép

Riêng đối với xy lanh B là loại xy lanh lồng Xy lanh lồng là loại xy lanh lực gồm nhiều xy lanh và piston lồng đồng tâm với nhau Khoảng chạy của piston lồng bằng tổng khoảng chạy của các piston Xy lanh lồng được sử dụng trong các trường hợp cần khoảng chạy lớn nhưng không gian không cho phép lắp đặt xy lanh dài

2.2 Hệ thống van hơi

Hình 2.17 Hệ thống van hơi của máy rót

Hệ thống van hơi gồm 7 van được bố trí như hình vẽ, các van có nhiệm vụ dẫn hơi nóng để thanh trùng Các van hơi làm việc chủ yếu trong quá trình thanh trùng nhằm diệt hết vi khuẩn, vi sinh vật trong đường ống bằng hơi nóng, thời gian khử trùng thường kéo dài 30 phút trước khi rót sản phẩm vào túi Trong quá trình rót sản phẩm các van còn làm nhiệm vụ thổi hơi nóng để vệ sinh nắp trước khi đóng nắp túi Van V7 là van ngưng, van V5

và van V6 là van xả trong quá trình thanh trùng

2.2.1 Quá trình thanh trùng

Hình 2.18 Quá trình thanh trùng

Quá trình thanh trùng được tiến hành trước khi rót sản phẩm vào túi

PE, mục đích của quá trình này là khử trùng các vi khuẩn, vi sinh vật bám vào

đường ống một cách triệt để, đáp ứng được yêu cầu chất lượng sản phẩm Van hơi V1 đóng, các van V2, V3, V4 và V6 mở cho luồng hơi nóng đi vào, piston được mở ra làm khoảng không bên trong được mở tối đa để chứa đầy luồng hơi nóng (các van V3 và V4 chỉ mở trong thời gian ngắn) Sau đó nhiệt

độ tăng đến nhiệt độ khử trùng thì bắt đầu quá trình khử trùng Hơi nóng nhanh chóng lấp đầy khoảng không bên trong qua van V2, đường xả khí và phần ngưng tụ bên trong đi qua ống xả đặt ở dưới hộp Khi thời gian thanh trùng kết thúc van V2 đóng lại và van V1 mở, piston trở về vị trí đóng

2.2.2 Quá trình rót sản phẩm

Hình 2.19 Quá trình rót sản phẩm

Sản phẩm nước dứa cô đặc từ máy thanh trùng được chảy theo đường ống đi đến máy rót Khi chưa rót thì van C6 đóng do đó sản phẩm được chảy tuần hoàn về máy thanh trùng Khi có lệnh rót sản phẩm thì piston B di chuyển về phía trước, kéo theo nắp túi ra khỏi miệng Lúc này van C6 được

mở sản phẩm nước dứa cô đặc bắt đầu được rót vào túi Quá trình rót bắt đầu, trọng lượng của thùng tăng dần đạt 35kg thì bàn nâng nâng thùng được nâng lên mức L2, khi trọng lượng thùng đạt 60kg thì bàn nâng nâng thùng lên L3 Khi trọng lượng thùng đạt 100kg thùng được nâng lên vị trí L4, khi trọng lượng thùng đạt 150kg thùng được nâng lên vị trí L5 và được rót đến trọng lượng 250kg thì dừng rót và đèn Filling sáng báo hiệu cho báo công nhân vận hành thao tác rót ở máy kia

2.2.3 Thổi sạch nắp và đóng nắp sau khi rót

Hình 2.20 Quá trình vệ sinh nắp sau khi rót

Trong quá trình rót sản phẩm chảy vào bề mặt nắp túi, vì vậy trước khi đóng túi cần phải thổi hết nước dứa cô đặc dính vào bề mặt nắp để tránh hiện tượng lên men ở bề mặt túi khi tiếp xúc với không khí sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Lúc này van rót C6 đóng lại, các van V2, V3 và V4 lúc này được mở ra luồng khí nóng áp suất lớn thổi vào miệng rót và nắp túi làm sạch nắp Sau thời gian ngắn van V3 đóng và piston mang theo nút di chuyển

về phía trước, nắp túi được đóng chặt Van V2 và V4 đóng khi sensor P1 nhận thấy túi PE căng phồng hoặc khi nắp túi được đóng

2.2.4 Quá trình đưa sản phẩm ra ngoài

Hình 2.21 Quá trình đóng nắp

Các piston của xy lanh F, DE, JH được điều khiển trở về trạng thái ban đầu, do đó miệng túi vào túi được nhả ra Piston của xy lanh B di chuyển

ra phía ngoài, đồng thời piston của xy lanh C di chuyển về phía sau đầu đội nắp được nhả ra Túi sản phẩm được đưa ra khỏi miệng rót, công nhân vận hành lấy túi ra khỏi đầu đội Lúc này bàn nâng được hạ xuống đến vị trí cảm biến hành trình L1 thì dừng lại Băng tải cuốn đưa thùng sản phẩm ra ngoài đến vị trí cảm biến thùng G2 thì băng tải dùng, công nhân chuyển thùng vào kho bảo quản Máy rót sẵn sàng rót thùng tiếp theo

2.3 Giới thiệu thiết bị đều khiển PLC và màn hình điều khiển

2.3.1 Giới thiệu PLC SattCon 05 Slimline

SattCon 05 Slimline bộ điều khiển lập trình kích thước nhỏ gọn, đáp ứng được những ứng dụng có số đầu vào và đầu ra không nhiều Cấu tạo PLC của SattCon 05 Slimline là dạng Onboard, có nghĩa là số lượng đầu vào và đầu ra được thiết kế cố định trên một Mainboard Để tăng tính linh hoạt cho PLC SattCon 05 Slimline, phần mềm lập trình cho phép PLC giao tiếp với màn hình SattCon OP45/ SattCon OP45SB một cách dễ dàng Mỗi PLC SattCon 05 Slimline đều có đầu vào, đầu ra tương tự và số, do đó đáp ứng được cơ bản yêu cầu điều khiển của nhà máy Hệ thống SattCon 05 Slimline làm việc độc lập hoặc giao tiếp với các trạm PLC khác thông qua cổng truyền thông mạng Tuỳ thuộc vào yêu cầu của công nghệ mà lựa chọn các dòng PLC của SattCon 05 Slimline có 5 loại là: SD23D, SDA, SD24D, SD24RS

và SACV Một số thiết bị phụ trợ như: Backup unit(SBUP05), nguồn pin cho đồng hồ thời gian thực (Realtime BRT15), bộ chuyển đổi số(PTC05), chuyển đổi tương tự ( ATC05), bộ giao diện mã hoá xung (IP05)

SBUP05 Backup unit BRT15, Battery-backed

real time clock

PTC05 digital inputs

simulator

IP05 pulse encoder interface

ATC05 digital inputs simulator

Hình 2.22 Một số thiết bị phụ trợ của SattCon 05 Slimline

Phần mềm lập trình cho PLC SattCon 05 Slimline là DOX 10 hoặc DOX 05 cho phép lập trình ở ba ngôn như khác nhau là: STL, LAD và FBD