Đồ án: Điều khiển và giám sát hệ thống pha trộn và đóng gói café hòa tan sử dụng PLC S7 – 300 và WinCC

• Hiện nay, có rất nhiều các phần mềm hỗ trợ giám sát và điều khiển hoạt động của PLC. Trong số đó, phần mềm Win CC đang được sữ dụng rộng rãi để giám sát SCADA với công nghệ đột phá, chức năng hoàn hảo , dễ sữ dụng của hãng Siemens. Ngoài ra, phần mềm WinCC còn cung cấp đồ họa trực quan quản lý hoạt động của bạn, kiểm soát và tối ưu hóa đến một cấp độ hoàn toàn mới. WinCC được thiết kế dựa theo các tiêu chuẩn tối đa hóa năng suất, hiệu quả sử dụng tối ưu hóa, chất lượng tăng…

Lời mở đầu

 Trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước đang bước vào thời kỳ đẩy mạnh quá trìnhcông nghiệp hóa – hiện đại hóa, nhằm biến đổi nền kỹ thuật công nghiệp lạc hậu chuyển sang nềncông nghiệp hiện đại tiếp cận trình độ phát triển của thế giới Cùng với sự phát triển vựơt bậc của nềncông nghiệp hóa - hiện đại hóa thì việc ứng dụng các kỹ thuật hiện đại nhằm nâng cao năng suất cũngnhư khả năng giám sát của con người trong công cuộc sản xuất ngày càng trở nên cấp thiết

 Trong thời buổi khoa học kỹ thuật về tự động hóa ngày càng phát triển vựơt bậc và được ứngdụng rộng rãi trong hầu hết các xí nghiệp, phân xưởng… Các hệ thống điều khiển dùng PLC ngàycàng được sữ dụng rộng rãi và phổ biến để thay thế cho các thao tác chân tay không đạt đựơc độ chínhxác cao Tuy nhiên, để có thể dễ dàng giám sát và điều khiển các loại PLC khác nhau thì cần phải có

sự hỗ trợ của các phần mềm hỗ trợ

 Hiện nay, có rất nhiều các phần mềm hỗ trợ giám sát và điều khiển hoạt động của PLC Trong

số đó, phần mềm Win CC đang được sữ dụng rộng rãi để giám sát SCADA với công nghệ đột phá,chức năng hoàn hảo , dễ sữ dụng của hãng Siemens Ngoài ra, phần mềm WinCC còn cung cấp đồhọa trực quan quản lý hoạt động của bạn, kiểm soát và tối ưu hóa đến một cấp độ hoàn toàn mới.WinCC được thiết kế dựa theo các tiêu chuẩn tối đa hóa năng suất, hiệu quả sử dụng tối ưu hóa, chấtlượng tăng…

 Nhìn thấy được sự quan trọng của việc ứng dụng các phần mềm giám sát và điều khiển vào các

hệ thống công nghiệp ngày nay, chúng tôi đã chọn đề tài ” Điều khiển và giám sát hệ thống pha trộn và đóng gói café hòa tan sử dụng PLC S7_300 và WinCC ” nhằm góp một phần nhỏ để giải

quyết vấn đề nêu trên

Mục tiêu đề tài :

 Tìm hiểu về hệ thống pha trộn và đóng gói café hòa tan.

 Giới thiệu về PLC S7_300 và phần mềm S7 Simatic.

 Giới thiệu về phần mềm WinCC.

 Kết nối PLC S7_300 và WinCC để giám sát và điều khiển hệ thống

Mục lục

Phần III.Giới thiệu tổng quát về hệ thống pha trộn và đóng gói sản phẩm café hòa

4.2.Cấu hình phần cứng và lập trình trên S7-300 26 4.3.Giới thiệu các thiết bị khác được sử dụng trong hệ thống 41

4.6.Giao diện hoàn thành trên WINCC và các chức năng điều khiển 48

4.8.Một số hình ảnh thực tế về dây chuyền chế biến café 53

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

…….………….……

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

GVHD : Nguyễn Minh Tâm

Nhận xét của giáo viên phản biện ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

Cán bộ phản biện :

Phần I PLC S7-300 1.1 Giới thiệu về PLC S7-300:

PLC ( Programable Logic Control) : Thiết bị điều khiển logic khả trình.

 PLC Là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình ,thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ dưới dạng các khối chương trình (OB,FC,FB ) và được thực hiện với chu kì quét

 Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển.Tất nhiên PLC phải có tính năng như một máytính Nghĩa là phải có một bộ vi xử lí trung tâm ( CPU), một hệ điều hành,một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũng như dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer, Counter và các hàm chức năng đặc biệt khác

 Cấu trúc cơ bản của của PLC gồm các phần sau:

 PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình do hãng Siemens sản xuất với kích thước nhỏ, gọn.

 Chúng có kết cấu theo kiểu các Module được sắp xếp trên các thanh rack Trên mỗi rack cho phép đặt được nhiều nhất 8 Module mở rộng (không kể CPU, Module nguồn nuôi) Một CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack

 S7-300 được thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung những tính năng mới, đặc biệt trong điều khiển liên kết cả hệ thống nhiều PLC, gọi là mạng PLC

1.2 Các module của PLC S7-300:

 Nhằm mục đích tăng tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế, các đối tượng điều khiển của một trạm S7-300 được chế tạo theo Module

 Các Module gồm có: Module CPU, nguồn, ngõ vào/ra số, tương tự, mạng…Số lượng

Module nhiều hay ít tùy vào yêu cầu thực tế, song tối thiểu bao giờ cũng có một Module chính là CPU, các Module còn lại nhận truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các

Module chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ,… chúng được gọi chung là Module mở rộng

 Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như sau:

 Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300

 Module CPU: chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian, bộ đếm, cổngtruyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào/ra số onboard

 PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong CPUnhư CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…

 Những Module cùng có chung bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard, khácnhau về các khối hàm đặc biệt có sẵn trong thư viện của hệ điều hành được phân biệt vớinhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm từ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụModule CPU314 IFM

 Ngoài ra còn có các loại Module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thôngthứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềmtiện dụng được cài đặt sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU này được phân biệt với các

CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP (Distributted Port) trong tên gọi Ví dụ Module CPU314C-2DP…

 Module mở rộng: chia làm nhiều loại

 PS ( Power Supply): Module nguồn nuôi Có 3 loại 2A, 5A và 10A

 SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

 DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể

là 8, 16, hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại Module

 DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở rộng có thể

là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại Module

 DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số Số các cổngvào/ra số có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộc từng loại Module

 AI (Analog input): Module mở rộng cổng vào tương tự Chúng là bộ chuyển đổi tương tự

số 12 bits (AD) Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tùy từng loại Module

 AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự Chúng là những bộ chuyển đổi số tương tự (D/A) Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại

 AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng vào/ra tương tự Số cổng vào/ra tương tự

có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy từng loại Module

 IM (Interface Module): Module ghép nối Đây là loại Module chuyên dụng có chức năng nối các nhóm Module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một CPU Một CPU có thể làm việc trực tiếp nhiều nhất 4 rack, mỗi rack tối đa 8 Module mở rộng và các rack được nối với nhau bằng Module IM

 FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như Module điều khiển động động cơ bước, Module điều khiển động cơ servo, Module PID, điều khiển đếm tốc độ cao…

 CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

1.3 Các mode hoạt động của PLC S7-300:

 PLC S7-300 có 4 mode hoạt động, gồm:

RUN_P : Xử lý chương trình, có thể đọc và ghi được từ PG.

RUN : Xử lý chương trình, không thể đọc từ PG

STOP : Dừng, chương trình không được xử lý

MRES : Chức năng reset hệ thống (Module Reset)

 Các mode này được chọn dựa vào công tắc chọn ở mặt trước CPU như hình sau:

 SF: báo lỗi trong nhóm, trong CPU hay trong các Module

 BATF: lỗi pin, hết pin hoặc không có pin

 DC5V: báo có nguồn 5V

 FRCE: báo ít nhất có một ngỏ vào/ra đang bị cưỡng bức hoạt động

 RUN: nhấp nháy khi CPU khởi động và sáng khi CPU làm việc

 STOP: sáng khi PLC dừng, chớp chậm khi có yêu cấu reset bộ nhớ, chớp nhanh khi đang reset bộ nhớ.

 Các thành phần khác trên CPU:

 Card nhớ: dùng để lưu chương trình mà không cần pin trong trường hợp mất điện

 Ngăn để pin: nằm dưới nắp, chứa pin cung cấp năng lượng cho RAM khi mất điện

 Đầu nối MPI: đầu nồi dành cho thiết bị lập trình hay các thiết bị cần giao tiếp qua cổng MPI

 Đầu nối điện 24V: cung cấp nguồn cho CPU



1.4 Các kiểu dữ liệu:

 Tương tự như PLC S7-200, các kiểu dữ liệu sử dụng trong chương trình của PLC S7-300 gồm có:

- BOOL: có dung lượng 1 bit, giá trị là 0 hoặc 1, sử dụng cho biến có 2 giá trị

- BYTE: dung lượng 8 bit, thường dùng biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 255, mã BCD của số thập phân 2 chữ số, mã ASCII của ký tự,…

- WORD: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 65535

- INT: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767

- DINT: dung lượng 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147483648 đến 2147483647

- REAL: dung lượng 4 byte, biểu diễn số thực có dấu phẩy

 Ngoài ra còn có các kiểu dữ liệu khác:

- S5T (S5TIME): biểu diễn khoảng thời gian, tính theo giờ/phút/giây/mgiây

- TOD: biểu diễn khoảng thời gian tính theo giờ/phút/giây

- DATE: biểu diễn thời gian theo năm/tháng/ngày

- CHAR: biểu diễn ký tự (tối đa 4 ký tự)

1.5 Cấu trúc bộ nhớ:

 Bộ nhớ PLC được minh họa trong hình sau gồm: vùng nhớ chứa thanh ghi, vùng nhớ System, vùng nhớ Work, và vùng nhớ Load

 OB (Organization Block): miền chứa chương trình tổ chức.

 FC (Function): miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm, có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi

 FB (Function Block): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm, có khả năng trao đổi

dữ liệu với bất kỳ khối chương trình nào Các dữ liệu được xây dựng trên một khối riêng gọi là DB

 Work memory:

Là vùng nhớ chứa các khối dữ liệu DB đang mở, khối chương trình (OB, FB, FC, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện Tại một thời điểm nhất định vùng nhớ này chỉ chứa một khối chương trình Sau khi thựchiện khối chương trình này xong thì nó sẽ bị CPU xóa khỏi work memory và nạp vào khối chương trình

kế tiếp đến lượt thực hiện

Vùng nhớ này chia thành 2 miền:

 DB (Data Block): Miền chứa các dữ liệu tổ chức thành khối, kích thước và số lượng do người sử dụng quy định Chương trình có thể truy cập miền này theo bit (DBX), byte (DBB), Word (DBW), Double word (DBD)

 L (Local data block): Miền dữ liệu cục bộ được các khối chương trình OB, FC, FB sử dụng cho các biến tạm thời và trao đổi các biến hình thức với các khối đã gọi nó Nội dung dữ liệu trong khối này

sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC, FB Miền này có thể truy cập theo bit (L), byte (LB), word (LW) hoặc duoble word (LD) Tùy theo các khối chương trình khác nhau mà bảng khai báo chứa các biến khác nhau nhằm phục vụ cho yêu cầu của khối đó

 System memory:

Chứa các tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, chia làm 7 miền

 Miền I: (Process image input): miền bộ đệm các cổng vào số Trước khi thực hiện chương trình, PLC đọc tất cả dữ liệu đầu vào và cất vào miền nhớ này PLC không đọc trực tiếp cổng vào mà đọc

từ bộ đệm I

 Miền Q: (Process image output): miền bộ đệm các cổng ra số Khi kết thúc chương trình, PLC chuyển giá trị logic từ bộ đệm Q đến các cổng ra số Thông thường chương trình không gán trực tiếpgiá trị tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q

 Miền M: miền nhớ các bit cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit, byte, word, double word

 Miền T: miền nhớ phục vụ bộ thời gian Bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian thời gian định trước, thời gian tức thời và giá trị logic đầu ra của timer

 Miền C: miền phục vụ bộ đếm Bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước, giá trị tức thời và giá trị logicđầu ra

 Miền PI: miền địa chỉ cổng vào các Module tương tự Các giá trị tương tự tại các cổng vào sẽ được chuyển tự động theo những địa chỉ Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền PI theo bit (PI), theo byte (PIB), theo từ (PIW), hoặc theo từ kép (PID).

 Miền PQ: miền địa chỉ cổng ra các Module tương tự Giá trị theo những địa chỉ này sẽ được

Module tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ

PQ theo bit (PQ), theo byte (PQB), theo từ (PQW) hoặc theo từ kép Trong các vùng nhớ trình bày trên không có vùng nhớ làm bộ đệm cho cổng vào/ra tương tự, như vậy mỗi lệnh truy nhập Module tương tự (đọc hoặc gửi giá trị) đều có tác dụng trực tiếp tới cổng vật lý

1.6 Chu kì quét của PLC S7-300:

 Tương tự PLC S7-200, PLC S7-300 thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét

 Vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

 Bước tiếp theo là giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới bộ đệm ảo I

 Sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình Chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Kết quả được lưu trong bộ đệm Q

 Sau cùng là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số

 Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương

tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý mà không thông qua bộ đệm Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau

Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, tùy thuộc vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét

 Việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và gửi tín hiệu tới đối tượng cần một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển

 Việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và gửi tín hiệu tới đối tượng cần một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển

 Nếu sử dụng các khối OB đặc biệt có chế độ ngắt như OB40, OB80, OB35 thì chương trình của khối đó được thực hiện khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng loại Thời gian vòng quét càng lớn khi có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét

1.7 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và module mở rộng :

 Sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các Module mở rộng trong một trạm PLC thông qua bus nội bộ

 Ngay đầu vòng quét các dữ liệu tại cổng vào của Module số (DI) được CPU chuyển đến bộ đệm vào I Đến cuối vòng quét, nội dung bộ đệm số ngõ ra được CPU chuyển tới cổng ra của các Module số (DO)

 Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Trong

chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc ngõ vào số thì cho dù giá trị thực có của cổng này đã bịthay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng một giá trị

từ I và đó là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét Nếu chương trình có nhiều lần thay đổi giá trị cổng ra số thì do nó chỉ thay đổi nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị ở lần thay đổi cuối cùng được đưa tới cổng ra vật lý của Module DO

 Khác với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại được CPU thực hiện trực tiếp trên Module tương tự (AI/AO) Như vậy lệnh đọc giá trị từ địa chỉ thuộc vùng PI sẽ thu được giá trị đúng bằng giá trị thực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh, khi thực hiện lệnh gửi một giá trị tới địa chỉ vùng PQ, giá trị đó được gửi trực tiếp đến cổng ra tương tự của Module

Phần 2 : Giới thiệu về phần mềm WinCC

2.1 Tổng quan về phần mềm Win CC:

 Ngày nay các thiết bị điều khiển khả trình PLC được thay thế dần cho các thiết bị điều khiển quá trình cũ để thực hiện việc tự động hoàn toàn một quá trình công nghệ, thực hiện việc tích hợp mạng công nghiệp (Industrial Ethernet) Trên thế giới các hãng lớn về tự động hóa như Omron (Nhật), Siemens (Đức) không ngừng phấn đấu để đưa ra những sản phẩm mới trong

lĩnh vực này với những tớnh năng của cỏc PLC ngày càng mạnh, tốc độ sử lý nhanh chúng đỏp ứng được cỏc yờu cầu trong nền cụng nghiệp với cỏc bài toỏn được điều khiển khú , độ phức tạpcao Hiện nay trờn thị trường Việt Nam , PLC của hóng Siemens được sử dụng khỏ nhiều trong cỏc lĩnh vực như điện lực, nước giải khỏt, giấy, xi măng v v

 Cỏc chủng loại PLC của hóng khỏ phong phỳ như S5,S7-200,S7-300,S7-400 được sản xuất đadạng tựy theo nhu cầu sử dụng và độ phức tạp của bài toỏn cần điều khiển Tuy nhiờn, ta thấy rằng trong cụng nghiệp vấn đề giao diện người – mỏy HMI (Human Machine Interface ) rất quan trọng trong việc điều khiển và giỏm sỏt quỏ trỡnh sản xuất Hóng Siemens đưa ra một số phẩn mềm để xõy dựng giao diện người-mỏy như Protool/Protool CS , WinCC cú tớnh linh hoạt mềm dẻo để thực giải phỏp kỹ thuật thực hiện giao diện người mỏy

 WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và HMI rất mạnh của hãngSIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên Thế giới và Việt Nam WinCC hiện có mặt trongrất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, thép, dầu khí …

 WinCC laứ phaàn meàm tớch hụùp giao dieọn ngửụứi maựy HMI (Human Machine Interface) ủaàutieõn cho pheựp keỏt hụùp phaàn meàm ủieàu khieồn vụựi quaự trỡnh tửù ủoọng hoaự Nhửừng thaứnh phaàn deósửừ duùng cuỷa WinCC giuựp tớch hụùp nhửừng ửựng duùng mụựi hoaởc coự saỹn maứ khoõng gaởp baỏt kỡ trụỷngaùi naứo

 Phaàn meàm naứy coự theồ trao ủoồi dửừ lieọu trửùc tieỏp vụựi nhieàu loaùi PLC cuỷa caực haừng khaực nhaunhử Siemens, Mitsubishi, Allen Bradley , nhửng noự ủaởc bieọt truyeàn thoõng raỏt toỏt vụựi PLCcuỷa haừng Siemens Noự ủửụùc caứi ủaởt treõn maựy tớnh vaứ giao tieỏp vụựi PLC thoõng qua coồngCOM1 hoaởc COM2 (chuaồn RS-232) cuỷa maựy tớnh Do ủoự, caàn phaỷi coự moọt boọ chuyeồn ủoồi tửứchuaồn RS- 232 sang chuaồn RS 485 cuỷa PLC

 Ngoaứi khaỷ naờng thớch ửựng cho vieọc xaõy dửùng caực heọ thoỏng coự qui moõ lụựn nhoỷ khaực nhau, WinCC coứn coự theồ deó daứng tớch hụùp vụựi nhửừng ửựng duùng coự qui moõ toaứn coõng ty nhử vieọc tớchhụùp vụựi nhửừng heọ thoỏng caỏp cao nhử MES (Manufacturing Excution System – Heọ thoỏng quaỷn lyự vieọc thửùc hieọn saỷn xuaỏt) vaứ ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cuừng coự theồ sửỷ duùng treõn cụ sụỷ qui moõ toaứn caàu nhụứ heọ thoỏng trụù giuựp cuỷa Siemens coự maởt treõn khaộp theỏ giụựi

2.2 Cỏc tớnh năng quan trọng của WinCC

 WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính kỹ thuật, hệ thốngmàn hình hiển thị đồ hoạ và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất và tự động hóa quá trình Hệ

thống này đưa ra những modul chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ hoạ, những thôngbáo, những lưu trữ, và những báo cáo Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhậtcác ảnh, và những chức năng lưu trữ an toàn bảo đảm một tính lợi ích cao đem lại cho người vậnhành một giao diện trực quan dễ sử dụng, có khả năng giám sát và điều khiển quá trình côngnghệ theo chế độ thời gian thực

 Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở cho các giải pháp củangười dùng Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp trong những giải pháp tự động hóaphức tạp, các giải pháp cho công ty mở Sự truy nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giaodiện chuẩn ODBC và SQL, sự lồng ghép những đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởiOLE 2.0 và OLE Custom Controls (OCX) Những cơ chế này làm cho WinCC là một đối tác dễhiểu, dễ truyền tải trong môi trường Windows

 ẹaởc bieọt, vụựi WinCC, ngửụứi sửỷ duùng coự theồ taùo ra moọt giao dieọn ủieàu khieồn giuựp quan saựtmoùi hoaùt ủoọng cuỷa quaự trỡnh tửù ủoọng hoaự moọt caựch deó daứng

 WinCC coứn coự ủaởc ủieồm laứ ủaởc tớnh mụỷ Noự coự theồ sửỷ duùng moọt caựch deó daứng vụựi caực phaànmeàm chuaồn vaứ phaàn meàm cuỷa ngửụứi sửỷ duùng, taùo neõn giao dieọn ngửụứi - maựy ủaựp ửựng nhu caàuthửùc teỏ moọt caựch chớnh xaực Nhửừng nhaứ cung caỏp heọ thoỏng coự theồ phaựt trieồn ửựng duùng cuỷa hoùthoõng qua giao dieọn mụỷ cuỷa WinCC nhử moọt neàn taỷng ủeồ mụỷ roọng heọ thoỏng



2.3 Cỏc yờu cầu khi xõy dựng hệ thống bằng WinCC

 Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phần cứng phải bao gồmthiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu của máy tính cho việc sử dụng phần mềmWinCC và các thiết bị khác phục vụ cho việc truyền thông

 WinCC hỗ trợ cho tất cả các máy tính _ Những nền tảng PC thích hợp Mặc dù giá trị đ a ra choưcấu hình tối thiểu nh ng bạn phải nhắm đạt đ ợc cấu hình khuyến cáo để đạt hiệu quả tối ư ư ưu

 WinCC dựa trên hệ điều hành MS 32 bit - Windows 95 hoặc Windows NT, bảo đảm phản ứng nhanh

để xử lý những sự kiện và chống lại sự mất mát dữ liệu bên trong, tạo ra một sự an toàn cao một dự ánnhiều ng ời dùng Windows NT cũng đ a những hư ư àm đ ợc tạo ra cho sự an toư àn và phục vụ nhưnhững thao tác cơ sở cho Server trong một dự án WinCC nhiều ng ời sử dụng Phần mềm WinCC lư àmột ứng dụng 32 bit phát triển với công nghệ phần mềm hiện đại, h ớng đối t ợng nhất ư ư

2.4 Cấu trúc của Control Center :

1 Control Center:

 WinCC Explorer trong Control Center: giao diện đồ họa cho cấu hình d ới Windows 95 vư à Windows

NT

 Quản Lý Dữ liệu: cung cấp ảnh quá trình với những Tag giá trị theo các loại sau :

- Chu kỳ

- Chu kỳ với sự thay đổi

- Điều khiển sự kiện thời gian

 Truyền dữ liệu từ những hệ thống tự động hóa theo sau những cách:

- Nhận

- Yêu Cầu

2 Những môđun chức năng:

 Hệ thống đồ hoạ (Graphich Designer): trình bày và nối quá trình bằng đồ hoạ

 Soạn thảo hoạt động (Global Scrip): làm một dự án động cho những yêu cầu đặc biệt

 Hệ thống thông báo (Alarm Logging): những thông báo đầu ra và báo đã nhận đ ợc thông tin ở đầuư

ra

 Soạn thảo và l u trữ những giá trị phép đo (TagLogging) ư

- Soạn thảo những giá trị phép đo và cất giữ chúng trong thời hạn lâu dài

- Soạn thảo dữ liệu h ớng ng ời dùng vư ư à cất giữ chúng lâu dài

 Hệ thống báo cáo ( Report Designer): báo cáo những trạng thái hệ thống

Control Center làm cho ta có thể định h ớng xuyên qua những ứng dụng WinCC vư à dữ liệu của nóvới chỉ một ít thao tác Control Center thao tác t ơng tự giống nh Explorer trong Windows Trongư ưWinCC bao gồm 2 cơ sở dữ liệu: một dành cho việc định dạng hệ thống CS (Configuration System),một dành cho việc chạy thời gian thực RT (Run time) khi chạy WinCC 2 cơ sở dữ liệu này luôn đ ợcưtải vào và chạy song song với nhau

CÊu tróc cña WinCC

2.5 Các đặc điểm chính của WinCC:

- Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến :

WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất Nhờ sự cộng tác chặt chẽ giữa Siemens và Microsoff, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu

- Hệ thống khách/chủ với các chức năng SCADA :

Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập

- Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp :

WinCC là một mô đun trong hệ thống tự động hóa, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán với nhiều máy chủ (server)

- Có thể phát triển tùy theo từng lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ :

Một loạt các mô đun phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần

- Cở sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn :

Cơ sở dữ liệu Sysbase SQL đã được tích hợp sẵn trong WinCC Tất cả các dữ liệu về cấu hình hệ thống

và các dữ liệu của quá trình điều khiển được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu này Người dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở dữ liệu của WinCC bằng SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity) Sự truy cập này cho phép WinCC chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ sở dữ liệu khác chạy trên nền Windows

- Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC) :

Các giao diện chuẩn như DDE và OLE dùng cho việc chuyển dữ liệu từ các chương trình chạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC Các tính năng như ActiveX control và OPC server và lient cũng được tích hợp sẵn

- Ngôn ngữ vạn năng :

WinCC được phát triển dùng ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI-C

- Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu :

Tất cả các mô đun của của WinCC đều có giao diện mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API) Điều đó có nghĩa là người dùng có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC

và các hàm thực hiện (runtime) vào một chương trình của người sử dụng

- Có thể cài đặt cấu hình trực tuyến bằng các Wizards :

Người thực hiện việc cài đặt cấu hình hệ thống có một thư viện đầy đủ cùng với các hộp thoại và

Wizards Tại giai đoạn hiệu chỉnh hệ thống, các thay đổi có thể thực hiện trực tuyến (online)

- Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ :

Phần mềm WinCC được thiết kế trên cở sở nhiều ngôn ngữ Nghĩa là, người dùng có thể chọn tiếng Anh, Đức, Pháp hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sử dụng Các ngôn ngữ này cùng có thể thay đổi trực tuyến

- Giao tiếp với hầu hết các loại PLC :

WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của Siemens như SIMATIC

S5/S7/505 cũng như thông qua các giao thức chung như Profibus DP, DDE hay OPC Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn như là những lựa chọn hay phần bổ sung.

- WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hóa tích hợp toàn diện (Totally Integrated

Automation-TIA)

WinCC đóng vai trò như của sổ của hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ

- Là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens :

PCS 7 là hệ thống điều khiển quá trình, một trong những giải pháp của Tự động hóa được tích hợp toàn diện

- Các mô đun của sản phẩm :

Tùy theo chức năng sử dụng mà người dùng có thể chọn các gói khác nhau của WinCC như là một trongcác lựa chọn của sản phẩm Các gói cơ bản của WinCC chia làm hai loại như sau :

+ WinCC Runtime Package (Viết tăt là RT): chứa các chức năng ứng dụng dùng để chạy các ứng dụng

của WinCC như hiển thị, điều khiển, thông báo các trạng thái, các giá trị điều khiển và làm các báo cáo.+ WinCC Complete Package (Viết tắt là RC): bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống (configuration licence) và bản quyền để chạy ứng dụng (Runtime)

- Các gói này có các phiên bản khác nhau tùy theo số lượng các tham số làm việc (Powertag) mà nó có thể đáp ứng: 128, 256, 1024, 65536 Powertags Powertag là các tham số làm việc mà bộ điều khiển theo dõi giá trị của nó bằng việc nối ghép với quá trình và thiết bị mà nó điều khiển hoặc giám sát Trong trường hợp người sử dụng muốn nâng cấp từ một phiên bản có số powertag nhỏ lên cấp lớn hơn, họ có thể mua các phiên bản chuyên để năng cấp gọi là WinCC Powerpacks

- Ngoài các gói phần mềm cơ bản trên, WinCC còn có các mô đun nâng cao dành cho những ứng dụng cấp cao hơn (WinCC Options) và các mô đun mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on) Các WinCC Option làsản phẩm của Siemens Automation and Drive (A&D) Các WinCC Add-on là các sản phẩm của các bộ phận khác của Siemens hay các đối tác của Siemens xây dựng lên nhằm mở rộng chức năng hay để phù hợp với từng loại ứng dụng

Phần 3: Giới thiệu tổng quát về hệ thống pha trộn và đóng gói sản phẩm café hòa tan.

 Cà phê là một loại thức uống có từ lâu đời và liên tục được phát triển cho đến ngày nay Cà phê là mộttrong những thức uống được ưa chuộng nhất trên thế giới và có mức tiêu thụ cao Đặc biệt ở các thịtrường lớn như Mỹ, Pháp, Ý và các nước Bắc Âu, nơi mà cà phê được coi là không thể thiếu thì không

có đủ điều kiện đất đai, khí hậu để trồng Vì vậy đối với những nước có điều kiện trồng cà phê nhưnước ta cà phê không chỉ được tiêu thụ trong nước mà còn là mặt hàng xuất khẩu mang lại lợi nhuậnkinh tế cao Với người sử dụng ngày càng nhiều, cộng với nhịp sống hối hả của thời đại công nghiệp,việc pha cà phê bằng phin đã nảy sinh một số bất lợi nhất là về thời gian Năm 1936, Max RudolfMorgenthaler, người Thụy Sĩ đã sáng chế ra cà phê hòa tan và ngay sau đó công ty Nestle đã đăng kýnhãn hiệu Nestcafe vào năm 1938 Với người tiêu dùng, cà phê hoà tan nhanh chóng được ưa chuộng vì

sự tiện lợi của nó Đối với nhà sản xuất, cà phê hòa tan là mặt hàng có giá trị cao, thuận lợi trong việcbảo quản và vận chuyển nên thu được nhiều lợi nhuận

 Cà phê là một loại hàng vị giác Đặc tính của hàng vị giác là có hương vị phong phú, trong thành phầnhóa học của nó có chất đặc biệt như cafein Đây là chất có tác dụng kích thích gây cho người tiêu thụcảm giác khoan khoái, hưng phấn, có sức hút đặc biệt làm cho người đã uống là dễ thành thói quen cónhu cầu về nó, gọi là “nghiện”

 Các mặt hàng vị giác ( chè, cà phê, thuốc lá, rượu, bia, nước ngọt, muối, mì chính, tương, nước chấm,dấm ) không phải là thực phẩm chủ yếu như lương thực, thịt, cá, rau quả ; song sự hiểu biết về đặc tínhsinh lý, quá trình sản xuất chế biến, yêu cầu chất lượng, bảo quản, sử dụng mặt hàng này có ý nghĩathiết thực trong việc mở rộng và nâng cao chất lượng phục vụ ăn uống công cộng

 Cà phê là một chất kích thích nhưng được xã hội cho phép sử dụng Nếu không có gì trở ngại thì nênthưởng thức Sự thưởng thức một tách cà phê ngon trong bất cứ lúc nào cho phép cũng có thể giúp phầngiảm thiểu đi những căng thẳng của đời sống Những sự nghiên cứu mới đây cho biết là uống cà phê cóthể sẽ tránh được bệnh ung thư gan Nhưng điều này có nghĩa là uống cà phê nguyên chất không có phatrộn những tạp chất Nếu có mùi vị pha trộn, nên chắc chắn rằng những mùi vị này đã được cơ quanquản lý thực phẩm và thuốc men – FDA (Food and Drug Administration) đã cho phép xử dụng

 Quy trình sản xuất café trãi qua những công đoạn hết sức phức tạp và đòi hỏi phải tuân theo những quytrình cụ thể, trong đó kinh nghiệm của người sản xuất đóng vai trò quan trọng Vì vậy để biến quy trìnhsản xuất này đi vào tự động hóa là khá phức tạp Thường thì quy trình sản xuất café hòa tan theo cáccông đoạn cụ thể sau:

 Nội dung trong đồ án này chỉ giới hạn trong giai đoạn cuối của quy trình rơi vào các khâu : sấy , pha trộn và đóng gói sản phẩm

 Các công đoạn thực hiện được trình bày như sau:

Dung dịch café sau khi cô đặc được đưa vào bồn chứa 1 lượng nhất định, sau khi đầy bồn dung dịch sẽ được sấy cho đến khi đạt đến 1 độ ẩm nhất định, sau đó hỗn hợp café sẽ được đưa đến bồn trộn để thêm vào các chất phụ gia sau đó hỗn hợp được trộn và đưa đến bồn dự trữ cho công đoạn đóng gói, café sẽ được đóng gói trong các hộp bằng kim loại trong điều kiện chân không đểđảm bảo cho hỗn hợp café không bị ẩm để bảo quản lâu dài

Phần 4 : Thiết kế hệ thống.

4.1 Yêu cầu của dây chuyền chế biến:

Mô tả dây chuyền sản xuất như sau :

 Dây chuyền gồm có 3 bồn chứa, gọi tắt là bồn 1, bồn 2, bồn 3, giữa bồn 1 và bồn 2 có một băng chuyền để chuyển nguyên liệu được điều khiển bằng 1 động cơ chấp hành gọi là băng chuyền A, giữa bồn 2 và bồn 3 cũng có một băng chuyền để chuyển nguyên liệu được điều khiển bằng một động cơ chấp hành gọi là băng chuyền B

 Trong bồn 1 được đặt 2 cảm biến , một cảm biến ở đáy và một cảm biến trên đỉnh bồn để phát hiện khi hết và khi đầy dung dịch gọi là cảm biến và cảm biến B ,2 van đưa dung dịch vào và xã dung dịch ra được điều khiển bởi ngõ ra PLC gọi là van A và van B, một cảm biến độ ẩm đo độ

ẩm trong bồn và truyền lên PLC Trong bồn 1 còn có một động cơ trộn 1 và một bộ phận sấy điện

 Trong bồn 2 có một cảm biến phát hiện có hỗn hợp được đặt dưới đáy bồn gọi là cảm biến C, một van xã hỗn hợp xuống băng chuyền B gọi là van C, ngoài ra còn có một bồn nhỏ chứa các chất phụ gia, các chất phụ gia được cho vào bồn 2 một lượng nhất định bằng van xã phụ gia Trong bồn 2 còn có một động cơ trộn 2

 Bồn 3 được gọi là bồn dự trữ hỗn hợp để đưa vào hộp, bồn 3 cũng có 2 cảm biến mức giống như bồn 1 được gọi là cảm biến D, cảm biến E Ngoài ra còn có một cảm biến phát hiện có hộp và một cảm biến phát hiện đầy hộp được đặt cạnh van xã của bồn 3, van này được gọi là van D

 Băng chuyền thứ 3 được gọi là băng chuyền C chứa các hộp trống để chuẩn bị cho đóng hộp sảnphẩm

 Thể tính bồn 1 và bồn 2 tương đương nhau sao cho chứa được lượng hỗn hợp từ bồn 1 đưa qua Bồn 3 có thể tích lớn để dự trữ hỗn hợp cho quá trình đóng gói

Quy trình hoạt động của dây chuyền sản xuất :

 Khi nhấn nút khởi động hệ thống dung dịch café được xả vào bồn 1 qua van A, tới khi bồn A đầy( 2 cảm biến đều tác động) ,van A ngừng xã, sau đó động cơ trộn 1 hoạt động đồng thời lò sấy điện được bật để bắt đầu quá trình sấy

 Khi độ ẩm trong lò đạt được đến 1 giá trị nhất định, động cơ trộn 1 và lò nhiệt sẽ tắt đồng thời băng chuyền A hoạt động, hỗn hợp trong bồn 1 sau khi sấy sẽ được đưa vào bồn 2

 Sau khi toàn bộ hỗn hợp được đưa vào bồn 2 van xã chất phụ gia sẽ xã một lượng nhất định vào bồn 2.Sau đó động cơ trộn 2 trộn trong thời gian nhất định rồi van xã C xã hỗn hợp lên băng chuyền B đưa hỗn hợp đến bồn 3.

 Tại bồn 3 khi phát hiện có hỗn hợp café trong bồn thì động cơ băng chuyền C hoạt động đưa hộpvào vị trí xã café, khi cảm biến hộp phát hiện có hộp, băng chuyền C dừng lại, van D xã hỗn hợp café vào hộp cho đén khi cảm biến đầy hộp phát hiện thì đóng van D, băng chuyền C tiếp tục hoạt động đưa hộp tiếp theo vào vị trí xã Hộp café đã được chứa đầy café sẽ được đưa đến khâu tiếp theo

Yêu cầu của hệ thống dây chuyền :

 Hệ thống hoạt động nhịp nhàng theo từng công đoạn liên tiếp nhau

 Khi cảm biến phát hiện đầy ở bồn 3 thì không cho phép xã thêm hỗn hợp vào bồn 1, khi số lượnghộp đạt được giá trị cài đặt thì cũng không cho phép xã thêm hỗn hợp vào bồn 1

 Khi bồn 2 còn hỗn hợp thì không cho phép xã bồn 1 mặc dù hỗn hợp trên bồn 1 đã sấy xong

 Yêu cầu của hệ thống hoạt động như sau: giao diện trên Win CC trên máy tính điều khiển hoạt động của cả dây chuyền, đồng thời mô phỏng một số trạng thái hoạt động của các quá trình cụ thể

4.2 Cấu hình phần cứng và lập trình trên S7-300 :

Cấu hình phần cứng của hệ thống trên phần mềm :

 Sử dụng phần mềm STEP 7 Simatic để cài đặt thông số phần cứng và lập trình cho PLC

 STEP 7 Simatic là phần mềm lập trình của hãng Siemens dùng để lập trình cho CPU S7_300, S7_400 Đây là phần mềm có giao diện trực quan dễ lập trình, có thể xây dựng một hệ thống gồm nhiều trạm khác nhau giao tiếp thông qua các giao thức truyền thông khác nhau Ngoài ra STEP 7 Simatic còn hỗ trợ mô phỏng bằng PLCSIM giúp người dùng có thể mô phỏng kiểm tra chính xác trước khi dùng PLC thật

 Trình tự cấu hình phần cứng cho dự án điều khiển như sau :

 Khởi chạy STEP 7 Simatic, chọn trạm Simatic S7_300 Station

 Trong mục chọn thiết bị cho trạm ta chọn CPU của PLC là CPU313 , một module DI/DO (SM323) , một module AI/AO (SM 334) theo như các địa chỉ sau :