Nghiên cứu tìm hiểu hệ thống đóng chai trong nhà máy bia

Nghiên cứu tìm hiểu hệ thống đóng chai trong nhà máy bia

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giáo viên hướng dẫn : Trần Mạnh Cường

1, Nhóm sinh viên thực hiện: Đỗ Đăng Linh

Nguyễn Văn Hùng Sinh viên lớp : Điện tử tin học – CN K46

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐÓNG CHAI

TRONG NHÀ MÁY BIA Chương I: TỔNG QUAN HOẠT ĐỘNG CỦA NHÀ MÁY BIA

VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT

1.1 Khái niệm bia:

Bia là một trong các đồ uống lâu đời nhất mà loài người đã tạo ra, có niên

đại ít nhất là từ thiên niên kỉ 5 TCN Bia (từ tiếng Pháp: bière hoặc Anh: beer) nói

một cách tổng thể, là một loại đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi

lên men Bia dược sản xuất từ các loại nguyên liệu chính là nước, malt, gạo, hoa

houblon, sau quá trình lên men, sẽ cho ra một loại đồ uống giàu dinh dưỡng, có hương thơm đặc trưng, độ cồn thấp, vị đắng dịu và lớp bọt trắng mịn với hàm lượng CO2 phù hợp Ngoài ra, trong bia còn chứa một hệ enzim khá phong phú, đặc biệt là nhóm enzim kích thích tiêu hoá amylaza

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và ngành công nghiệp sản xuất bia nói riêng của nước ta đã có một diện mạo mới Lượng bia sản xuất ngày càng tăng cùng với thiết bị và công nghệ sản xuất ngày càng hiện đại nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng

* Thành phần

1 Nước:

Do thành phần chính của bia là nước nên nguồn nước và các đặc trưng của nó có ảnh hưởng rất quan trọng tới các đặc trưng của bia Nhiều loại bia chịu ảnh hưởng hoặc thậm chí được xác định theo đặc trưng của nước trong khu vực sản xuất bia Mặc dù ảnh hưởng của nó cũng như là tác động tương hỗ của các loại khoáng chất hòa tan trong nước được sử dụng trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy tắc chung thì nước mềm là phù hợp cho sản xuất các loại bia sáng màu Do đó,

để đảm bảo sự ổn định về chất lượng và mùi vi của sản phẩm, nước cần được xử lý trước khi tham gia vào quá trình sản xuất bia nhằm đạt được các chỉ tiêu chất lượng nhất định

2 Malt:

Bằng cách ngâm hạt lúa mạch vào trong nước, cho phép chúng nảy mầm đến một giai đoạn nhất định và sau đó làm khô hạt đã nảy mầm trong các lò sấy để thu được hạt ngũ cốc đã mạch nha hóa (malt) Mục tiêu chủ yếu của quy trình này giúp hoạt hoá, tích luỹ về khối lượng và hoạt lực của hệ enzin trong đại mạch Hệ enzym này giúp chuyển hóa tinh bột trong hạt thành đường hoà tan bền vững vào nước tham gia vào quá trình lên men Thời gian và nhiệt độ sấy khác nhau được áp dụng để tạo ra các màu malt khác nhau từ cùng một loại ngũ cốc Các loại mạch nha sẫm màu hơn sẽ sản xuất ra bia sẫm màu hơn

3 Hoa houblon:

Hoa houblon được con người biết đến và đưa vào sử dụng khoảng 3000 năm TCN Đây là thành phần rất quan trọng và không thể thay thế được trong quy trình sản xuất bia, giúp mang lại hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm

Cây hoa bia được trồng bởi nông dân trên khắp thế giới với nhiều giống khác nhau, nhưng nó chỉ được sử dụng trong sản xuất bia là chủ yếu Hoa houblon có thể được đem dùng ở dạng tươi, nhưng để bảo quản được lâu và dễ vận chuyển,

houblon phải sấy khô và chế biến để gia tăng thời gian bảo quản và sử dụng

4 Gạo:

Đây là loại hạt có hàm lượng tinh bột khá cao có thể được sử dụng xản xuất được các loại bia có chất lượng hảo hạng Gạo được đưa vào chế biến dưới dạng bột nghiền mịn để dễ tan trong quá trình hồ hoá, sau đó được phối trộn cùng với bột malt sau khi đã đường hoá Cần chú ý, hạt trắng trong khác hạt trắng đục bởi hàm

lượng protein Do đó, trong sản xuất bia, các nhà sản xuất thường chọn loại hạt gạo

có độ trắng đục cao hơn

5 Men:

Men bia là các vi sinh vật có tác dụng lên men đường Các giống men bia cụ thể được lựa chọn để sản xuất các loại bia khác nhau, Men bia sẽ chuyển hoá đường thu được từ hạt ngũ cốc và tạo ra cồn và carbon đioxit (CO2) Bia Sài Gòn, với

công nghệ sản xuất hiện đại hiện sử dụng loại men được nuôi cấy có độ tinh khiết cao, đảm bảo sự ổn định và đồng bộ trong sản phẩm của mình

Hình 1.1 Một số sản phẩm bia sử dụng rộng rãi ở Việt Nam

1.2 Giới thiệu nhà máy bia

• Tên : Nhà máy bia Quảng Nam

• Địa chỉ : Khu công nghiệp Điện Nam – Điện Ngọc, Điện Bàn Quảng Nam

• Thành lập : Tháng 9 năm 2002

• Hình thức doanh nghiệp : Doanh nghiệp nhà nước

• Tổng vốn đầu tư: 10 Triệu USD

• Công suất : Giai đoạn 1 : 10 triệu lít/năm

Giai đoạn 2 : 20 triệu lít /năm ( từ năm 2005)

• Công suất dự kiến trong tương lai : 120 triệu lít/năm

• Nghành nghề kinh doanh : Sản xuất và cung ứng bia

1.3 Quy trình sản xuất bia

Hinh 1.2 : Sơ đồ quy trình công nghệ

Quy trình trên chia thành các quá trình sau :

Nguyên liệu dùng để sản xuất bia bao gồm: gạo, malt, H20, men, hoa Hupblon Trong đó malt và hoa Hupblon là hai nguyên liệu chính dùng để sản xuất bia, nó có chất lượng cao của các hãng cung cấp hàng đầu thế giới Việc sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ tiên tiến và tuân thủ nghiêm ngặt theo đúng các quy trình công nghệ cũng như các tiêu chuẩn của Việt Nam -Thế giới

Gạo: chỉ là nguyên liệu phụ (chiếm 30%), nguyên liệu dùng để thay

thế nhằm giảm giá thành sản phẩm Gạo được mua từ gạo ăn bình thường, đem nghiền nát sau đó say mịn ở dạng tấm và được đưa vào nồi gạo Ở nồi gạo, gạo dạng tấm được hoà tan bằng nước ở 77 độ C và hỗn hợp đó được

hồ hoá ở 100 độ C Trong quá trình hồ hoá có bổ sung thêm một số hoá chất như: CaCl2, CaSO4 nhằm mục đích cung cấp Ca 2+ để phục vụ cho quá trình đường hoá sau này và có bổ sung thêm 1 loại enzym chống cháy có tên thương mại là Termamyl để pha loãng dung dịch, chống trường cháy nồi và enzym này phải là enzym chịu nhiệt cao

Malt: là một hạt ngũ cốc gọi là lúa mạch (chiếm 70%) Nó được nhập

từ các nước Anh, Úc, Đan Mạch Chất lượng malt được đảm bảo theo tiêu chuẩn tập đoàn Casberg Malt được các nước gởi mẫu cho phòng thí nghiệm Casberg và chất lượng của malt được kiểm tra tại đó Sau khi kiểm tra xong mẫu malt được gởi về cho Công ty bia Huda và nó được đưa vào các SILO

bể chứa malt dạng hạt sau khi say được hoà tan bằng nước ở 37 độ C và cho vào nồi malt Đối với việc hoà tan malt khác với hoà tan gạo vì malt dể bị hiện tượng đóng cục hơn do đó malt được khuấy trộn dưới dạng phun nước trước khi cho vào nồi phun Malt còn được dùng để tạo màu cho bia, với malt bình thường không đủ độ màu vì thế người ta thêm malt “ đen” để tăng

độ màu, bia Huda có độ màu từ 4 - 6 EBC

Men: là chất xúc tác có nguồn gốc prôtêin, đó là những phân tử có cấu

tạo từ axit amin và có cấu trúc không gian xác định của mạch polypeptit Tác dụng xúc tác là nhờ các quá trình lên men Đó là những quá trình trong

đó xảy ra sự thay đổi thành phần hoá học của chất gây ra do kết quả hoạt động của các vi sinh vật nào đó (ví dụ men rượu, nấm hoặc vi khuẩn).Trong những trường hợp này, những chất men do vi sinh vật tạo ra là những yếu tố hoạt động xúc tác Chất men vẫn giữ được tính hoạt động và khả năng tác dụng của nó khi lấy nó ra khỏi vi sinh vật Mỗi loại men có một hương vị riêng

Hoa Hupblon: dùng để tạo vị đắng cho bia Cây Hupblon là một loại

Hupblon là: Hupblon bittermiss và Hupblon Aroma Cả 2 loại này đều phải được bảo quản ở nhiệt độ dưới 10 độ C để giảm độ mất mát của - axit Trên cây Hupblon người ta thường dùng hoa của cây để tạo vị đắng cho bia vì hoa của cây Hupblon có vị đắng nhiều hơn

H2O: nguồn nước sử dụng của bia Huế được lấy từ Nhà máy nước

Vạn Niên (thượng nguồn sông Hương) rất đảm bảo các chỉ số kỹ thuật phù hợp cho việc sản xuất bia

Chính vì vậy chất lượng sản phẩm của Công ty luôn thoả mãn với các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về vệ sinh an toàn thực phẩm của các quốc gia khác nhau trên thế giới như: Mỹ, Canada, Châu âu và được các nhà nhập khẩu hàng đầu luôn hài lòng về chất lượng ổn định

* Quá trình đường hoá và lọc:

Ở nồi malt tiến hành quá trình đường hoá ở 66 độ C trong 1 giờ Sau đó nâng lên 76 độ C và chuyển qua nồi lọc để tách tất cả các bã malt Ở nồi lọc người ta thu dung dịch đầu, sau đó dùng nước rửa ở 76 độ C để rửa hoàn toàn dung dịch đường còn lại Sau đó bã hèm được xã ra ngoài và bán cho ngành chăn nuôi Để thử quá trình đường hoá hoàn toàn hay không người ta dùng iốt để thử Nếu đạt thì nâng hỗn hợp lên 76 độ C trực tiếp bằng hơi, lúc này thì enzym - amylase bắt đầu hoạt động

* Quá trình Hupblon hoá:

Được tiến hành tại nồi Hupblon Ở đây lại xãy ra quá trình đường hoá trong

1 giờ Ở hoa Hupblon quan trọng là - axit đắng

* Quá trình lắng trong và làm lạnh:

Quá trình này được thực hiện bằng một thiết bị lắng trong gọi là Whirlpool Dịch được đưa qua thiết bị lắng trong ở 100oC, tất cả các cặn bã trong quá trình Hupblon được tách ra ở thiết bị này Dịch trong thu được đi qua thiết bị làm lạnh, dung dịch sau khi đi ra khỏi thiết bị làm lạnh có nhiệt độ làm lạnh

là 16oC và tiến hành thu dịch ở 16oC

*Quy trình công nghệ ở phân xưởng lên men:

*Quy trình này gồm có các quá trình sau:

Quá trình lên men: quá trình lên men là quá trình trao đổi chất qua

màng tế bào

Ở phân xưởng lên men xảy ra nhiều quá trình, tất cả các quá trình đều nằm ở thùng lên men Dịch lạnh ở 16oC ở phân xưởng nấu theo đường ống dẫn qua các thùng lên men, ở phân xưởng lên men có gần 50 thùng lên men, mỗi thùng lên men có một đồng hồ nhiệt độ riêng Trong 4 - 8 giờ đầu tiên xảy ra quá trình men sử dụng chất dinh dưỡng trong đường, O2 (để tăng nồng độ oxy hoá) để tạo sinh khối cho men bia phát triển Quá trình lên men dừng lại khi lượng O2 giảm đến 0 Dịch đường (đường maltol) lên men được giữ ở nhiệt độ 16 độ C vì:

• Ở nhiệt độ này thích hợp cho nấm men phát triển

• Dễ chuyển đổi đường thành rượu, CO2 và một số sản phẩm phụ như các este tạo mùi (ví dụ: este amin)

Nếu lên men ở nhiệt độ quá cao sẽ xảy ra hiện tượng hỏng men, sẽ làm đục bia

Căn cứ vào nhiệt độ để quy định số ngày lên men

Nhiệt độ càng cao thì tốc độ lên men càng lớn

Khi lượng đường lên men còn lại đạt giá trị không đổi (thường từ 7- 8 ngày) thì ta bắt đầu hạ nhiệt độ (từ 16oC xuống -1,5 độ C)

Trong 4 ngày đầu lên men người ta tiến hành thu hồi men, lúc này men đạt cực đại, nó kết thành từng mãng lớn rồi lắng xuống đáy Trung bình 1 mẻ men có thể sử dụng khoảng 10 lần để lên men bia Lúc nào độ lên men RDF thấp thì tiến hành thải men

Sơ đồ quá trình lên men bia:

Quá trình lọc: mục đích của quá trình lọc bia là để loại các tế bào nấm men, các tạp chất

Bia sau khi lên men được gọi là bia non Bia non tiếp tục đi qua máy lọc khung bản với chất trợ lọc là đất lọc và giấy lọc Dung dich sau khi lọc được thu hồi gọi là bia trong Để đo độ trong của bia người ta dựa vào máy đo độ đục

Sơ đồ khung bản:

Sau khi lọc khoảng 2 tuần người ta tiến hành vệ sinh 1 lần để loại bỏ các cặn

bả của bia non ra ngoài Bia non sau khi qua thiết bị lọc thu được bia trong thành phẩm có nồng độ alcol 4,5% và tiếp tục đi qua phân xưởng chiết Quy trình công nghệ ở phân xưởng chiết

Chai thu hồi được đưa qua máy rửa bằng các băng tải Quá trình rửa chai trong hệ thống máy rửa như sau: chai được đưa vào bể ngâm khoảng chừng 5 phút để bóc tất cả các dãn hiệu Sau đó đi vào bể sút khoảng 20 phút

để làm sạch chai, tiếp tục qua máy nước nóng để làm sạch sút, rồi qua nước

ẩm, cuối cùng là qua nước lạnh và qua hệ thống sấy khô Chai sau khi ra khỏi máy rửa tiếp tục đi qua các băng tải khác, các băng tải này sẽ đưa chai rửa sạch qua hệ thống đèn soi để thu hồi những chai còn bẫn và chai vỡ và tiếp tục đi qua máy chiết Bia trong được chiết vào chai bằng một thiết bị

xoay tròn (mỗi vòng như vậy chiết được 42 chai) và tiếp tục được đưa qua

hệ thống đóng nắp chai Trước khi đi qua hệ thống đóng nắp, chai bia đã được sục CO2 (hoá lỏng) vào để tạo ga và đồng thời qua hệ thống bơm nước nóng để đuổi hết O2 không khí ra ngoài nhằm diệt con men bia Chai bia sau khi đã được đóng nắp tiếp tục đi qua hệ thống thanh trùng Hệ thống thanh trùng gồm có nhiều ngăn, 2 ngăn lạnh rồi đến 2 ngăn nóng, tiếp theo là 2 ngăn lạnh, mỗi ngăn như vậy có một nhiệt độ khác nhau, nhiệt độ thấp nhất

là 20 độ C, nhiệt độ cao nhất là 67 độ C Sở dĩ nhiệt độ lên xuống như vậy là

để giảm độ thích nghi của con men bia và nhiệt độ được giữ không quá 67

độ C vì nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ này thì sẽ tạo 1 áp suất lớn trong chai

sẽ làm vỡ chai Bia sau khi được thanh trùng tiếp tục đi qua bộ phận dán nhãn và đưa vào két, các két đóng xong được đưa vào kho Bia ra lò có nhiệt

độ khoảng 36 độ C Ở phân xưởng chiết trong 1 ca quá trình diễn ra liên tục

và hầu như là cơ khí hoàn toàn

1.4 Hệ thống đóng chai trong nhà máy

• Tổng quan về quy trình đóng chai

Hiện nay với công nghệ hiện đại rất nhiều quá trình công nghiệp được tự động hóa Trong đó dây truyền đóng nút chai tự động là một trong những hệ thống được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi

Một hệ thống sản xuất nước đóng chai hiện đại thường được phân chia thành nhiều khâu nối tiếp nhau Một quy trình dây truyền đóng chai khép kín có thể được

mô tả như sau:

Từ khâu cấp chai, các chai được đưa vào hệ thống băng tải, trước tiên chai được cho đi qua hệ thống rửa Chai dùng trong hệ thống đóng chai thường là chai thành phẩm, nên thường tại khâu này chỉ qua súc rửa để làm sạch bụi

Sau khi được rửa sạch, các chai được băng chuyền đưa đến hệ thống rót liệu, tới vị trí rót, chai sẽ được dừng chính xác nhờ một cảm biến, để đảm bảo chính xác hơn nữa, có thể bố trí các cơ cấu cơ khí để kẹp giữ chai Hệ thống van rót, cơ cấu rót được hạ xuống sao cho vòi rót ngập sâu trong miệng chai Sở dĩ cần thiết kế

như vậy vì áp suất trong bể chứa được giữ rất lớn và không đổi, đảm bảo tốc độ rót cao và thời gian mỗi lần rót là như nhau, việc nhúng vòi rót vào trong chai để tránh chất lỏng văng ra ngoài khi rót với tốc độ lớn với thiết kế như vậy, tổng thời gian

để nâng hạ van và rót liệu chỉ mất từ 2-3 giây

Khi chai đạt được mức quy định được băng tải vận chuyển đến vị trí đóng nút Khâu đóng nút bao gồm cơ cấu cấp nắp chai và đóng nút Cơ cấu đóng có thể

là xi lanh thủy khí (với nút dập) hoặc mô tơ (với nút vặn), cơ cấu cấp nắp chai có thể dưới dạng gài sẵn trên băng tải hoặc kết hợp với cơ cấu dập

Sau đó là khâu dán nhãn, đây có thể coi là khâu đơn giản nhất trong hệ thống đóng chai Cơ cấu bôi keo dính được gắn ngay trên băng tải và bố trí tiếp tuyến sao cho tì vào mặt chai, ngoài chuyển động thẳng trên băng tải, chai còn chuyển động quay tròn do lực tì của cơ cấu bôi keo Tương tự với cơ cấu cấp nhãn, chai sau khi bôi keo, quay tròn, cuốn băng giấy nhãn 1 vòng quanh chai

Khâu cuối cùng là kiểm tra và đóng gói sản phẩm khâu kiểm tra bao gồm một loạt các cảm biến để kiểm tra chất lượng sản phẩm(đủ định mức, đóng nút dán nhãn đạt yêu cầu…) sau khi kiểm tra sẽ qua cơ cấu phân loại, 1 tay gạt sẽ loại bỏ chai sang một băng tải khác Các chai đạt tiêu chuẩn sẽ qua khâu đóng gói, chai được xếp thành khối nhờ các tay máy gạt và nâng hạ

Như vậy toàn bộ quy trình công nghệ đóng nút chai được tự động hoàn toàn, với đầu vào là nguyên liệu và chai rỗng, đầu ra là sản phẩm có thể đem bán trực tiếp

khi đạt mức quy định cảm biến lưu lượng sẽ báo bộ điều khiển dừng hệ thống rót liệu Quá trình rót liệu kết thúc

b, Quy trình đóng nút

Khi đạt mức quy định cảm biến vị trí sẽ báo bộ điều khiển dừng hệ thống rót liệu Các chai được rót đủ nhiên liệu tiếp tục được băng tải vận chuyển đến vị trí đóng nút Khi chai gặp cảm biến vị trí hệ thống băng tải dừng lại CB sẽ báo bộ điều khiển, điều khiển hệ thống đóng nút chai Van khí nén điều khiển xi lanh dập nút chai, khi đó các nút chai sẽ được dập vào chai Sau khi dập xong cảm biến vị trí lại báo tín hiệu cho hệ thống và các chai lại tiếp tục được di chuyển đến vị trí dán nhãn

đã có khả năng chế tạo một số module riêng lẻ, chủ yếu là module rót liệu và đóng nút, đa số dùng bán tự động trong các cơ sở sản xuất nhỏ

1.5 Bài toán cần giải quyết

Dây chuyền đóng chai là một hệ thống phức tạp, đòi hỏi rất cao về thiết kế

cơ khí và khả năng đồng bộ hóa Tại mỗi khâu đều yêu cầu cơ khí chính xác để đảm bảo các thao tác diễn ra một cách nhanh chóng và chuẩn xác Đồng bộ hóa trong từng khâu cũng như giữa các khâu với nhau phải diễn ra nhịp nhàng (số chai đầu ra của khâu rót sẽ là số chai đầu vào cho khâu đóng nút sẽ phải tương đương nhau, hoặc chai sẽ chờ ở vị trí trung gian…)

Hệ thống dây chuyền có sử dụng băng tải vận chuyển, chuyên chở là một thành phần cơ bản, được sử dụng chủ yếu trong các dây truyền công nghiệp trong lĩnh vực khai thác và chế biến Trong lĩnh vực chế biến, đặc biệt là ngành chế biến thực phẩm, giải khát, trong các dây chuyền chế biến tự động, băng tải là thành phần xuyên suốt Bài toán đặt ra là vấn đề điều khiển băng tải, nghiên cứu về chế

độ làm việc, tốc độ hoạt động…có thể có của băng tải, nhằm phục vụ các mục đích, yêu cầu của hệ thống

Phần lý thuyết sẽ nghiên cứu các thiết bị điều khiển truyền động cho hệ thống băng tải Đề tài lựa chọn phương án điều khiển băng tải sử dụng động cơ 3 pha roto lồng sóc truyền động cho băng tải, thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nhờ biến tần, dùng PLC điều khiển toàn bộ hệ thống (chạy chế độ thuận, ngược, tốc độ nhanh chậm, dừng, rót…), sử dụng các cảm biến, encoder để lấy tín hiệu điều khiển đầu vào cho PLC Nhiệm vụ của phần lý thuyết sẽ nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức năng và ứng dụng của các thiết bị trên

PLC là thiết bị điều khiển trung tâm, nhận tín hiệu điều khiển từ các cảm biến , PLC có nhiệm vụ lựa chọn các mức tấn số của biến tần tương ứng với các cấp tốc độ và các chế độ dừng, thuận, ngược, PLC còn có nhiệm vụ điều khiển các

cơ cấu chấp hành(nâng hạ, đóng mở van rót) Biến tần cung cấp điện áp đã được

thay đổi tần số cho động cơ, nhờ đó động cơ có khả năng thay đổi tốc độ Động cơ truyền động cho băng tải nhờ hệ thống băng tải nhờ hệ bánh răng vòng xích

Khi vận hành hệ thống, chai được đưa lên băng tải gặp cảm biến vị trí 1, cảm biến 1 sẽ đưa tín hiệu tới bộ điều khiển PLC để bắt đầu điều khiển động cơ băng tải chạy theo 3 cấp tốc độ trên quãng đường đã được tính toán Khi động cơ băng tải chạy với tốc độ chậm đến vị trí rót liệu, khi chai gặp cảm biến vị trí 2, cảm biến

vị trí 2 sẽ đưa tín hiệu tới hiệu tới bộ điều khiển PLC dừng động cơ băng tải đồng thời báo hệ thống rót hoạt động cơ cấu pittong xilanh khí nén hạ van rót xuống để rót nhiên liệu vào chai, khi chai được rót đầy nhiên liệu thì hệ thống van rót được nâng lên động cơ băng tải lại được vận hành, quá trình lại được tiếp diễn

Chương II Cơ sở lý thuyết

2.1 Tìm hiểu về PLC

Tổng quát, một hệ thống điều khiển là tập hợp những dụng cụ, thiết bị điện

tử được dùng ở những hệ thống cần đảm bảo tính ổn định, sự chính xác, sự chuyển đổi nhịp nhàng của một quy trình hoặc một công nghệ sản xuất Nó thực hiện bất

cứ yêu cầu nào của dụng cụ, từ cung cấp năng lượng đến một thiết bị bán dẫn, với thành quả của sự phát triển nhanh chóng của công nghệ việc diều khiển những hệ thống phức tạp sẽ được thực hiện bởi một hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn toàn, đó là PLC, nó được sử dụng kết hợp với máy tính chủ Ngoài ra nó còn giao diện để kết nối với các thiết bị khác (như là: bảng điều khiển, động cơ, contact, cuộn dây,…) Khả năng chuyển giao mạng của PLC có thể cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển những hệ thống lớn Ngoài ra, nó còn thể hiện sự linh hoạt

đúng vai trũ quan trọng PLC sẽ khụng nhận biết được gỡ nếu nú khụng được kết nối với cỏc thiết bị cảm ứng Nú cũng khụng cho phộp bất ký mỏy múc thiết bị nào hoạt động nếu ngừ ra của PLC khụng được kết nối với động cơ Và tất nhiờn, vựng mỏy chủ là nơi liờn kết cỏc hoạt động của một sản xuất riờng biệt

PLC viết tắt của (Progammble Logic Control), là thiết bị lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình Nó đươc thiết kế chuyên dụng trong công nghiệp để điều khiển các quá trình từ đơn giản đến phức tạp và tuỳ thuộc vào người sử dụng mà nó

có thể thực hiện hàng loạt các chương trình

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi nó có thể thay thế được cả một mảng rơle, hơn thế nữa PLC giống như một máy tính nên có thể lập trình được Chương trình của PLC có thể thay đổi rất

dễ dàng, các chương trình con cũng có thể sửa đổi nhanh chóng

Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp Trước đây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để nâng cao năng suất và chất lượng

2.1.1 Vai trũ của PLC

Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được coi như là trỏi tim của hệ thống điều khiển Với một chương trỡnh ứng dụng (đó được lưu trữ ở bờn trong bộ nhớ của PLC) thỡ PLC liờn tục kiểm tra trạng thỏi của hệ thống, bao gồm: kiểm tra tớn hiệu phản hồi từ cỏc thiết bị nhập, dựa vào chương trỡnh logic để xử lý tớn hiệu

và mang cỏc thiết bị điều khiển ra thiết bị xuất

PLC được dựng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Hoặc ta cú thể kết hợp chỳng với nhau thành một mạng truyền thụng cú thể điều khiển một quỏ trỡnh phức hợp

Ngày PLC được đưa vào hệ thống điều khiển một các rộng rãi và trở lên thông dụng để đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng Các nhà sản xuất đưa ra thị trường hàng loạt các loại PLC khác nhau với nhiều mức độ thực hiện chương trình, đủ để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.Vì vậy để đánh giá một PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn sau :

2.1.2.2 Thiết bị xuất

Trong hệ thống tự động hóa, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ thống sẽ bị

tê liệt hoàn toàn Các thiết bị xuất thông thường là: động cơ, cuộn dây, nam châm, relay, chuông báo,…Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Các loại thiết bị xuất là một phần kết cấu của hệ thống tự động hóa và vì thế nó ảnh hưởng trực tiếp vào hiệu suất của hệ thống

Tuy nhiên, các thiết bị xuất khác như là: đèn poilot, còi và các báo động chỉ cho biết các mục đích như: báo cho chúng ta biết tín hiệu ngõ vào, các thiết bị ngõ

ra được giao tiếp với PLC qua miền rộng của modul ngõ ra PLC

2.1.3 Bộ diều khiển lập trình được PLC

PLC là bộ điều khiển logic theo chương trình bao gồm: bộ xử lý trung tâm CPU chứa chương trình ứng dụng và các modul giao diện nhập xuất Nó được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O Vì thế, khi tín hiệu nhập, CPU sẽ sử lý tín hiệu và gửi tín hiệu đến thiết bị xuất

2.1.5 So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thường khác

Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dàn thay thế cho các

hệ thống điều khiển bằng relay, contactor thông thường So sánh ưu điểm và khuyết điểm của hai hệ thống trên:

¾ Hệ thống điều khiển thông thường:

- Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn và rơle trên bảng điều khiển

- Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế lắp đặt

- Tốc độ hoạt động chậm

- Công suật tiêu thụ lớn

- Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian

- Khó bảo quản sữa chữa

¾ Hệ thống điều khiển bằng PLC

- Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn

- Công suất tiêu thụ ít hơn

- Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển băng máy tính hay trên Console

- Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn

- Bảo trì và sửa chữa dễ dàng

- Độ bền và tin cậy vận hành cao

- Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng

- Có thiết bị chống nhiễu

- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu

- Dễ lập trình và có thể lập trình bằng máy tính, thích hợp cho việc các lệnh tuần tự của nó

- Các modul rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết

Do những lý do trên PLC thể hiện rã ưu điểm của nó so với các thiết bị điều khiển thông thường khác PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tùy theo yêu cầu của công nghệ Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC

2.1.5 Các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC

Để thiết kế một chương trình điều khiển cho một hoạt động bao gồm những bước sau:

2.1.5.1 Xác định quy trình công nghệ

Trước tiên, ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển Mục đích cuối cùng của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động

Sự vận hành của hệ thống được kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào Nó nhận tín hiệu và gởi tín hiệu đến CPU, CPU xử lý tín hiệu và gởi nó đến thiết bị xuất để điều khiển sự hoạt động của hệ thống như lập trình sẵn trong chương trình

2.1.5.2 Xác định ngõ vào, ngõ ra

Tất cả các thiết bị nhập, xuất bên ngoài đều được kết nối với bộ điều khiển lập trình Thiết bị nhập là những contac, cảm biến…Thiết bị xuất là những cuộn dây, valve điện từ, motor, bộ hiện thị

Sau khi xác định tất cả các thiết bị nhập xuất cần thiết, ta định vị các thiết bị vào ra tương ứng cho từng ngõ vào, ra trên PLC trước khi viết chương trình

để chắc chắn rằng chương trình đã hoạt động tốt

2.1.5.5 Chạy chương trình:

Trước khi nhấn nút start, phải chắc chắn rằng các dây dẫn nối các ngõ vào, ra đến các thiết bị nhập, xuất đã được nối dúng theo chỉ định Lúc đó PLC mới bắt đầu

hoạt động thậc sự Trong khi chạy chương trình, nếu bị lỗi thì máy tính hoặc bộ Console sẽ báo lỗi, ta phải sửa lại cho đến khi nó an toàn

Lưu đồ phương pháp thiết kế bộ điều khiển:

2.1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống

Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vμo khoảng năm

1960 vμ 1970, yêu cầu tự động của hệ điều khiển được thực hiện bằng các Rơle

điện từ nối nối với nhau bằng dây dẫn điện trong bảng điều khiển, trong nhiều trư ờng hợp bảng điều khiển có kích thước quá lớn đến nỗi không thể gắn toμn

bộ

lên trên tư ờng vμ các dây nối cũng không hoμn toμn tốt vì thế rất thường xảy ra trục trặc trong hệ thống Một điểm quan trong nữa lμ do thời gian lμm việc của các Rơle có giới hạn nên khi cần thay thế cần phải ngừng toμn bộ hệ thống vμ dây nối cũng phải thay mới cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ dùng cho một yêu cầu riêng biệt không thể thay đổi tức thời chức năng khác mμ phải lắp giáp lại toμn bộ, vμ trong trường hợp bảo trì cũng nh- sửa chữa cần đòi hỏi thợ chuyên môn có tay nghề cao Tóm lại hệ điều khiển Rơle hoμn toμn không linh động

*Tóm tắt nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng Rơle:

- Tốn kém rất nhiều dây dẫn

- Thay thế rất phức tạp

- Công suất tiêu thụ lớn

- Thời gian sửa chữa lâu

- Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo trì cũng nh- thay

thế

*Ưu điểm của hệ điều khiển PLC:

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã lμm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển

cũng nh- các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu

điểm như sau:

- Giảm 80% Số lượng dây nối

- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng vμ dễ dμng

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dμng bằng thiết bị lập trình (máy tính,

mμn hình) mμ không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị xuất nhập

- Thời gian hoμn thμnh một chu trình điều khiển rất nhanh (vμi mS) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất

- Chi phí lắp đặt thấp

- Độ tin cậy cao

- Ch-ơng trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vμi phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì vμ sửa chữa hệ thống

2.2 Tỡm hiờu về S7300 cua simentic

2.2.1.Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7-300

Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mμ ở đó phần

lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vμo, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vμo/ra khác nhau mμ các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình Chúng đ-ợc chia nhỏ thμnh các modul Số các Modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng yêu cầu công nghệ, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một Modul chính lμ các modul CPU, các modul còn lại lμ các modul

truyền nhận tín hiệu đối với đối t-ợng điều khiển, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, Chúng được gọi chung lμ Modul mở rộng

Tất cả các modul được gá trên những thanh ray ( RACK )

Modul CPU :

Lμ modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hμnh, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ

đếm, cổng truyền thông (chuẩn tryền RS485 ) vμ có thể còn có một vμi cổng vμo

ra số (Digital) Các cổng vμo ra có trên modul CPU được gọi lμ cổng vμo ra

onboard

Trong PLC S7-300 có nhiều loại modul CPU khác nhau Nói chung chúng

được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó nh-: CPU312, modul CPU 314, Modul CPU 315, Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau

về cổng vμo/ra onboard cũng như các khối lμm việc đặc biết được tích hợp

sẵn

trong thư viện của hệ điều hμnh phục vụ việc sử dụng các cổng vμo/ra

onboard

nμy sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Intergated Function Module) ví dụ CPU 312IM, modul CPU 314 IFM

Ngoμi ra có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng

truyền thông thứ hai có chức năng chính lμ việc phục vụ nối mạng phân tán Tất nhiên được cμi sẵn trong hệ điều hμnh các loại Modul CPU đựơc phân biệt với các CPU khác bằng thêm cụm từ DP trong tên gọi Ví dụ Modul CPU 315-DP

Modul mở rộng : các modul mở rộng được chia lμm 5 loại chính:

1/ PS( Power supply ): modul nguồn nuôi Có 3 loại 2A ,5A vμ 10A

2/ SM: Modul mở rộng cổng rín hiệu vμo ra , bao gồm:

a) DI( Digital input ): Modul mở rộng cổng vμo số Số các cổng vμo của

modul nμy có thể lμ 8, 16, 32 tuỳ thuộc vμo từng loại modul

b) DO( Digital output ) Modul mở rộng cổng ra số Số các cổng ra của modul

nμy có thể lμ 8, 16, 32 tuỳ thuộc vμo từng loại modul

c) DI/DO: ( Digital input/ Digital output ): modul mở rổng các cổng vμo/ra số

số các cổng vμo/ra có thể lμ 8 vμo/8 ra hoặc 16 vμo/16 ra tuỳ thuộc vμo

từng loại modul

d) AI( Analog Input ): Modul mở rổng các cổng vμo tương tự Về bản chất

chúng chính lμ những bộ chuyển đổi tương tự-số (AD), tức lμ mỗi tín hiệu

tương tự được chuyển thμnh một tín hiệu số (nguyên ) có độ dμi 12 bít, số

các cổng vμo có thể lμ 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vμo từng loại Modul

e) AO( Analog ouput ): Modul mở rộng các cổng ra tín hiệu tương tự Chúng

chính lμ các bộ chuyển đổi số - tương tự (DA) Số các cổng ra tương tự có

thể lμ 2 hoặc 4 tuỳ thuộc từng loại modul

f) AI/AO ( Analog input/Analog output ): Modul mở rộng các cổng vμo ra

t- ơng tự Số các cổng có thể lμ 4 vμo/2 ra hoặc 4 vμo/4 ra tuỳ thuộc vμo

tùng loại modul

3/ IM ( Interface module ): Modul ghép nối Đây lμ loại modul chuyên dụng

có nhiệm vụ nối từng nhóm các modul mở rộng lại với nhau thμnh một khối

vμ được quản lý chung bới một modul CPU Thông thường các modul mở

rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi lμ Rack Trên mỗi một

Rack chỉ có thể gá đ-ợc nhiều nhất 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, Modul nguồn nuôi) Một modul PU S7-300 có thể lμm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 RACKS vμ các Racks nμy phải được nối với nhau bằng modul

IM

4/ FM ( Function modul ): modul có chức năng điều khiển riêng , ví dụ Modul

chức năng điều khiển động cơ bư ớc , modul điều khiển động cơ Servo, modul PID, modul điều khiển vòng kín

5/ CP ( communication modul ): Modul phục vụ truyền thông trong mạng giữa

các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

2 2.2Vòng quét của chương trình:

SPS (PLC) thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển)

theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp đư ợc gọi lμ một vòng quét (scancycle) Mỗi

vòng quét được bắt đμu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vμo số tới vùng bộ

đệm ảo I, tiếp theo lμ giai đoạn thực hiện ch-ơng trình Trong từng vòng quét , chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau giai đoạn thực hiện chương trình lμ giai đoạn chuyển các nội dung của bộ

đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét đ-ợc kết thúc bằng giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) vμ kiểm tra trạng thái của CPU Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau:

Chú ý : Bộ đệm I vμ Q không liên quan tới các cổng vμo/ra tương tự nên các

lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm

Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi lμ

thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức lμ

không phải vòng quét nμo cũng đ-ợc thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét đuc thực hiện lâu, có vòng quét đư ợc thực hiện nhanh tuỳ thuộc vμo số lệnh trong chương trình được thực hiện, vμo khối lượng dữ liệu truyền thông Trong vòng quét đó

Nh- vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán vμ việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét cμng ngắn, tính thời gian thực của chương trình cμng cao

Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khối OB40, OB80, Chưg trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi

xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại Các khối chương trình nμy có thể thực hiện tại mọi vòng quét chứ không phải bị gò ép lμ phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình Chẳng hạn một tín hiệu báo ngẵt xuất hiện khi PLC đang

ở giai đoạn truyền thông vμ kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện ngắt nhu vậy, thời gian vòng quét sẽ cμng lớn khi cμng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét Do đó để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dμi hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong

chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vμo/ra, thông thường lệnh không lμm việc trực

tiếp với cổng vμo/ra mμ chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng trong vùng nhớ

tham số Việc truyền thông giữa bộ đêm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 vμ 3

do hệ điều hμnh CPU quản lý ở một số modul CPU, khi gặp lệnh vμo/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện với cổng vμo/ra

2.2.3 Những khối OB đặc biệt :

Khối OB1 có chức năng quản lý chính trong toμn bộ chương trình, có nghĩa

lμ nó sẽ thực hiện một cách đều đặn ở từng vòng quét trong khi thực hiện

ch-ơng trình Ngoμi ra Step7 còn có rất nhiều các khối OB đặc biệt khác vμ mỗi khối OB đó có một nhiệm vụ khác nhau, ví dụ các khối OB chứa các chương trình ngắt của các chương trình báo lỗi , Tuỳ thuộc vμo từng loại CPU khác nhau mμ có các khối OB khác nhau Ví dụ các khối OB đặc biệt

1 OB10: ( Time of Day Interrupt ): Chương trình trong khối OB10 sẽ được thực

hiện khi giá trị của đồng hồ thời gian thực nằm trong một khoảng thời gian

đã qui định OB10 có thể được gọi một lần, nhiều lần cách đều nhau từng

phút, từng giờ, từng ngμy, Việc qui định thời gian hay số lần gọi OB10

được thực hiện bằng ch-ơng trình hệ thống SFC28 hoặc trong bảng tham số

modul CPU nhờ phần mềm Step7

2 OB20: ( Time Delay Interrupt ): chương trình trong khối OB20 sẽ được thực

hiện sau một khoảng thời gian trễ đặt trước kể từ khi gọi ch-ơng trình hệ

thống SFC32 để đăt thời gian trễ

3 OB35: ( Cyclic Interrupt ): Chương trình OB35 sẽ được thực hiện cách đều

nhau một khoảng thời gian cố định Mặc định khoảng thời gian nμy lμ

100ms, xong ta có thể thay đổi trong bảng đặt tham số cho CPU nhờ phần

mềm Step7

4 OB40 ( Hardware Interrupt ): Chương trình trong khối OB40 sẽ đ-ợc thực

hiện khi xuất hiện một tín hiệu báo ngắt từ ngoại vi đ-a vμo CPU thông qua

các cổng vμo/ra số onboard đặc biệt, hoặc thông qua các modul SM, CP, FM

5 OB80: ( cycle Time Fault ): Chương trình sẽ được thực hiện khi thời gian

vòng

quét (scan time) v-ợt qua khoảng thời gian cực đại đã qui định hoặc khi có

một tín hiệu ngắt gọi một khối OB nμo đó mμ khối OB nμy ch-a kết thúc ở

lần gọi trư ớc Mặc định, scan time cực đại lμ 150ms, nhưng có thể thay đổi tham số nhờ phần mềm Step7

6 OB81( Power Supply Fault ): nếu có lỗi về phần nguồn cung cấp thì sẽ gọi

ch-ơng trình trong khối OB81

7 OB82: ( Diagnostic Interrupt ) chương trình trong khối nμy sẽ được gọi khi

CPU phát hiện có lỗi từ các modul vμo/ra mở rộng Với điều kiện các modul vμo/ra nμy phải có chức năng tự kiểm tra mình

8 OB85 ( Not Load Fault ): CPU sẽ gọi khối OB85 khi phát hiện chương trình

ứng dụng có sử dụng chế độ ngắt nhưng chương trình xử lý tín hiệu ngắt lại không có trong khối OB tương ứng

9 OB87 ( Communication Fault ): Chương trình trong khối nμy sẽ được gọi khi

CPU phát hiện thấy lỗi trong truyền thông

10 OB100 ( Start Up Information ): Khối nμy sẽ được thực hiện một lần khi

CPU

chuyển trạng thái từ STOP sang trạng thái RUN

11 OB121: ( Synchronouns error ): Khối nμy sẽ được gọi khi CPU phát hiện

thấy

lỗi logic trong chương trình như đổi sai kiểu dữ liệu hoặc lỗi truy nhập khối

DB, FC, FB không có trong bộ nhớ của CPU

12 OB122 ( Synchronouns error ): Khối nμy sẽ được thực hiện khi CPU phát

hiện thấy lỗi truy nhập Modul trong ch-ơng trình, ví dụ trong chương trình

có lệnh truy nhập modul mở rộng nhưng lại không có modul nμy