Báo-cáo-đồ-án-tốt-nghiệp v5 - Đạt

Đề tài cần thiết kế được hệ thống giám sát hoạt động của các công đoạn trong quá trình sản xuất phân bón NPK.. Hệ SCADA trong nhà máy phân bón NPK Hệ SCADA trong nhà máy sản xuất phân b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Bùi Đăng Thảnh

Bộ môn: Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp

Chữ ký của GVHD

2

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Đặng Tiến Đạt Mã số sinh viên: 20165947

Khóa: K61

Viện: Điện

Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1 Đầu đề thiết kế/Tên đề tài

Thiết kế hệ thống SCADA trong sản xuất phân NPK

2 Các số liệu ban đầu

Thiết kế dựa trên mô hình thực tế tại nhà máy và tham khảo một số tài liệu

3 Các nội dung tính toán, thiết kế

Phạm Quang Huy

• Chương 1: Tổng quan về dây chuyền sản xuất phân NPK

• Chương 3: Phần thiết kế mô phỏng

Đặng Tiến Đạt

• Chương 2:Tổng quan về hệ SCADA trong nhà máy sản xuất phân NPK

• Chương 3: Phần thiết kế phần cứng

Phạm Quang Huy và Đặng Tiến Đạt

• Phần lưu đồ thuật toán

• Phần viết chương trình điều khiển

• Các nội dung khác

4 Cán bộ hướng dẫn:

PGS TS Bùi Đăng Thảnh

5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 20/2/2020

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/6/2020

Ngày tháng năm 2020

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

***

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-

3

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo công tác tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, những người đã dạy dỗ em trong suốt 4 năm trên giảng đướng đại học

Em xin gửi lời cảm ơn PGS TS Bùi Đăng Thảnh đã giao cho em đề tài này và hướng dẫn chỉ bảo tận tình trong suốt thời gian làm đồ án

Bên cạnh đó, sự hỗ trợ và động viên lớn lao từ gia đình, sự giúp đỡ nhiệt tình của những người bạn đã giúp em thêm niềm tin vững bước với ngành học mình đã chọn

Em xin chân thành cảm ơn

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Nôi dung của đồ án: “Thiết kế hệ thống SCADA trong sản xuất phân NPK” gồm có 4 chương:

- Chương 1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất phân NPK

- Chương 2 Tổng quan về hệ SCADA trong nhà máy sản xuất phân NPK

- Chương 3 Thiết kế hệ thống SCADA

- Chương 4 Kết quả mô phỏng và đánh giá

Để tìm hiểu về đề tài, em đã tham khảo một số tài liệu và có chuyến đi thực

tế đến Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao Đề tài cần thiết

kế được hệ thống giám sát hoạt động của các công đoạn trong quá trình sản xuất phân bón NPK Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-300 của Siemens và được lập trình mô phỏng bởi phần mềm PLC STEP7 và WinCC Kết quả của đồ án đã cơ bản đáp ứng được những vấn đề đặt ra và khá sát so với mô hình thực tế

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã cố gắng hoàn thành một cách tốt nhất công việc của mình Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án của

em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN 3

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PHÂN NPK 9

1.1 Giới thiệu chung về phân NPK 9

1.1.1 Khái niệm 9

1.1.2 Thành phần và tác dụng của phân NPK 9

1.1.3 Phân loại 10

1.2 Giới thiệu về Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao……… 11

1.3 Quy trình công nghệ sản xuất phân NPK 15

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 15

1.3.2 Mô hình sản xuất và nguyên lý hoạt động của mô hình 18

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ SCADA TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT NPK 20

2.1 Khái niệm về SCADA và hệ SCADA nhà máy phân NPK 20

2.1.1 SCADA 20

2.1.2 Hệ SCADA trong nhà máy phân bón NPK 21

2.2 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC 21

2.2.1 Lịch sử phát triển và vai trò của PLC 21

2.2.2 Ưu thế của việc sử dụng PLC trong tự động hóa 22

2.2.3 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp 22

2.3 PLC S7-300 23

2.3.1 Phần cứng của một trạm PLC S7-300 23

2.3.2 Tổ chức bộ nhớ trong CPU của PLC S7-300 27

2.3.3 Vòng quét chương trình 28

2.3.4 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng 29

2.3.5 Cấu trúc chương trình 30

5

2.3.6 Ngôn ngữ lập trình 32

2.4 Giới thiệu về phần mềm STEP7 32

2.5 Giới thiệu về phần mềm WinCC 33

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA 35

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 35

3.2 Thiết kế phần cứng 35

3.2.1 Lựa chọn các thiết bị 35

3.2.2 Lựa chọn cấu hình phần cứng cho PLC S7-300 42

3.2.3 Xây dựng mạch điều khiển 45

3.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán 46

3.3.1 Thuật toán điều khiển hệ thống 46

3.3.2 Các khâu cụ thể 47

3.4 Thiết kế mạch động lực cho dây chuyền 52

3.4.1 Khâu định lượng và nghiền nguyên liệu 52

3.4.2 Khâu trộn nguyên liệu 53

3.4.3 Hệ thống tạo hạt và sấy 53

3.4.4 Hệ thống phân loại và làm nguội 54

3.4.5 Hệ thống đóng bao 54

3.5 Thiết kế chương trình điều khiển cho PLC S7-300 trên STEP 7 55

3.6 Thiết kế giao diện giám sát trên phần mềm WinCC 56

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 64

4.1 Chương trình điều khiển cho PLC S7-300 trên STEP7 64

4.2 Chương trình mô phỏng trên WinCC 73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 81

6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Hạt phân và bao phân NPK 9

Hình 1 2 Công ty Cổ phần Supe Phốt Phát và Hóa chất Lâm Thao 11

Hình 1 3 Chuyến đi thực tế đến Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao 12

Hình 1 4 Sơ đồ công nghệ sản xuất phân NPK - S của nhà máy 13

Hình 1 5 Xưởng sản xuất phân NPK 13

Hình 1 6 Dây chuyền sản xuất phân NPK 13

Hình 1 7 Hệ thống máy sấy thùng quay 14

Hình 1 8 Hệ thống đóng bao tự động 14

Hình 1 9 Phòng điều khiển hệ thống 14

Hình 1 10 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất phân NPK 15

Hình 1 11 Mô hình dây chuyền sản xuất phân NPK 18

Hình 2 1 Cấu trúc chung của một trạm PLC S7-300 23

Hình 2 2 Module nguồn và khối xử lý trung tâm 24

Hình 2 3 Module vào ra số (DI/DO) và tương tự (AI/AO) 26

Hình 2 4 Module ghép nối IM 26

Hình 2 5 Các vùng nhớ của CPU 27

Hình 2 6 Vòng quét chương trình 28

Hình 2 7 Nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng 29

Hình 2 8 Lập trình tuyến tính 30

Hình 2 9 Lập trình cấu trúc 31

Hình 2 10 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 - 300 32

Hình 2 11 Phần mềm SIMATIC STEP 7 33

Hình 2 12 Phần mềm WinCC của hãng Siemens 34

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống SCADA trong nhà máy phân NPK 35

Hình 3 2 Cảm biến mức RN 3002 36

Hình 3 3 Cảm biến can nhiệt K 36

Hình 3 4 Cảm biến đo độ ẩm chịu nhiệt độ cao EE1900 37

Hình 3 5 Loadcell VLC 106 VMC 37

Hình 3 6 Cảm biến tiệm cận Autonics PRDT18-14XO-V 38

Hình 3 7 Cân băng định lượng 38

Hình 3 8 Băng tải truyền động 39

Hình 3 9 Máy nghiền lồng 39

Hình 3 10 Máy trộn xoáy 39

Hình 3 11 Máy vê viên dạng chảo 40

7

Hình 3 12 May sấy thùng quay 40

Hình 3 13 Máy sàng rung phân loại 40

Hình 3 14 Máy làm nguội thùng quay 41

Hình 3 15 Hệ thống đóng bao tự động 41

Hình 3 16 Van bướm điều khiển bằng khí nén 41

Hình 3 17 Sơ đồ đấu dây cho PLC 45

Hình 3 18 Sơ đồ thuật toán hệ thống sản xuất phân NPK 46

Hình 3 19 Thuật toán điều khiển hệ thống cân định lượng và nghiền nguyên liệu 47

Hình 3 20 Thuật toán điều khiển hệ thống trộn nguyên liệu 48

Hình 3 21 Thuật toán điều khiển hệ thống tạo hạt và sấy 49

Hình 3 22 Thuật toán điều khiển hệ thống phân loại và làm nguội 50

Hình 3 23 Thuật toán điều khiển hệ thống may bao 51

Hình 3 24 Sơ đồ mạch lực hệ thống cân định lượng và nghiền nguyên liệu 52

Hình 3 25 Sơ đồ mạch động lực hệ thống trộn nguyên liệu 53

Hình 3 26 Sơ đồ mạch động lực hệ thống tạo hạt và sấy 53

Hình 3 27 Sơ đồ mạch động lực hệ thống phân loại và làm nguội 54

Hình 3 28 Sơ đồ mạch động lực hệ thống đóng bao 54

Hình 3 29 Khai báo cấu hình phần cứng cho PLC trên phần mềm STEP7 55

Hình 3 30 Cấu trúc chương trình điều khiển 55

Hình 3 31 Dự án đã tạo trong WinCC 56

Hình 3 33 Giao diện mô hình giám sát 57

Hình 3 32 Khai báo Tag cho chương trình 57

Hình 3 34 Tạo nút ấn ON 58

Hình 3 35 Tạo băng tải 1,2,3,4,5,6,7 59

Hình 3 36 Tạo Silo chứa nguyên liệu 59

Hình 3 37 Tạo cảm biến cân trọng lượng 60

Hình 3 38 Tạo van xả liệu 60

Hình 3 39 Tạo bồn nghiền 61

Hình 3 40 Tạo băng tải 61

Hình 3 41 Tạo động cơ truyền động 62

Hình 3 42 Thiết lập thuộc tính cho các động cơ, băng tải và silo chứa 62

Hình 3 43 Mô hình giám sát sau khi hoàn tất 63

Hình 4 1 Giao diện Simulation PLCSIM 64

Hình 4 2 Kết quả mô phỏng 65

Hình 4 3 Kết quả mô phỏng 65

Hình 4 4 Kết quả mô phỏng 66

Hình 4 5 Kết quả mô phỏng 66

Hình 4 6 Kết quả mô phỏng 67

Hình 4 7 Kết quả mô phỏng 67

8

Hình 4 8 Kết quả mô phỏng 68

Hình 4 9 Kết quả mô phỏng 68

Hình 4 10 Kết quả mô phỏng 69

Hình 4 11 Kết quả mô phỏng 69

Hình 4 12 Kết quả mô phỏng 70

Hình 4 13 Kết quả mô phỏng 70

Hình 4 14 Kết quả mô phỏng 71

Hình 4 15 Kết quả mô phỏng 71

Hình 4 16 Kết quả mô phỏng 72

Hình 4 17 Giao diện mô phỏng 73

Hình 4 18 Giao diện PLC SIM 73

Hình 4 19 Kết quả mô phỏng 74

Hình 4 20 Kết quả mô phỏng 74

Hình 4 21 Kết quả mô phỏng 75

Hình 4 22 Kết quả mô phỏng 75

Hình 4 23 Kết quả mô phỏng 76

Hình 4 24 Kết quả mô phỏng 76

Hình 4 25 Kết quả mô phỏng 77

Hình 4 26 Kết quả mô phỏng 77

Hình 4 27 Kết quả mô phỏng 78

Hình 4 28 Kết quả mô phỏng 78

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Bảng thống kê các đầu vào của PLC 42

Bảng 3.2 Bảng thống kê các đầu ra của PLC 44

9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PHÂN NPK

1.1 Giới thiệu chung về phân NPK

1.1.1 Khái niệm

NPK nhằm chỉ 3 nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nitơ, Photpho, Kali, tức

là 3 nguyên tố chính yếu cần bổ sung trước cho cây trồng, nhằm nâng cao khả năng sinh trưởng và năng suất của cây trồng

Phân NPK là loại phân bón hóa học chuyên cung cấp cho cây trồng 3 loại nguyên tố dinh dưỡng này

Ngoài các nguyên tố trên thì phân NPK còn cung cấp cho cây trồng một số loại nguyên tố dinh dưỡng khác như Ca, S, Mg…

Thiếu đạm cây sẽ kém phát triển, sinh trưởng chậm, còi cọc, chồi búp bị thui chột Các lá non thường nhỏ, các lá già xuất hiện màu xanh sáng đến vàng nhạt từ đỉnh xuống cuống, từ gân lá ra mép lá, rồi sau đó rụng đi

Hình 1 1 Hạt phân và bao phân NPK

10

Ngược lại nếu thừa đạm, cây sẽ rất yếu, thân lá vươn dài, rợp bóng ảnh hưởng đến quang hợp Cây dễ bị sâu bệnh tấn công, quá trình phát triển thân lá dài, quá trình ra hoa kết trái chậm lại

b) Lân (P)

Lân đóng vai trò quan trọng cho sự hình thành các bộ phận mới của cây, kích thích bộ rễ phát triển mạnh, kích thích quá trình đẻ nhánh, ra hoa kết quả Tăng khả năng chống chịu và sức đề kháng cho cây trồng

Thiếu lân rễ sẽ phát triển kém, cây trở nên còi cọc Chồi non kém phát triển, quá trình đẻ nhánh và phân nhánh kém Hoa quả ít, quả chậm chín, không có hạt,

vỏ quả dày và xốp, dễ hư khi bảo quản Kèm theo việc thiếu hụt Zn, Fe, Cu

Thừa lân làm cho cây chín quả sớm, không kịp tích lũy được một vụ mùa năng suất cao

c) Kali (K)

Kali giữ vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa năng lượng trong quá trình đồng hóa các chất trong cây trồng, xúc tiến quá trình quang hợp, tổng hợp hydrat cacbon và gluxit của cây

Thiếu Kali cây phát triển chậm, còi cọc, thân yếu, dễ bị đổ Lá hẹp, xuất hiện các chấm đỏ, dễ héo rũ và khô Làm tăng tỷ lệ hạt lép, giảm tỷ lệ nảy mầm

và sức sống của hạt giống Quả nhỏ dễ bị nứt, vỏ quả dày và dễ bị rỗng ruột

Thừa Kali lại làm cây không hút được các chất dinh dưỡng khác như Mg, Na , ức chế quá trình hấp thu đạm Quả trở nên sần sùi và ảnh hưởng tới quá trình hút canxi của cây Hàm lượng Kali trong nông sản cao sẽ ảnh hưởng tới sức khỏe người tiêu dùng

1.1.3 Phân loại

Trên thị trường hiện nay đang có các loại phân NPK sau đây:

- Loại 2 yếu tố N - P hoặc P - K, hoặc N – K với tỉ lệ NPK: 20-20-0 hoặc 20-0-20 hoặc 0-1-3

- Loại 3 yếu tố N P K với tỉ lệ 20-20-10 hoặc 20-10-25

- Loại 4 yếu tố N P K Mg (S,Ca ) có tỉ lệ 14-9-21-2 hoặc 13

16-16-8-Các loại phân tổng hợp và hỗn hợp chỉ phát huy hiệu lực tốt khi được bón đúng với yêu cầu của cây và phù hợp với tính chất của các loại đất Vì vậy, muốn

sử dụng có hiệu quả các loại phân này cần nắm được đầy đủ và cụ thể đặc điểm của cây và tính chất của đất

Một số loại phân cụ thể:

• Phân diamophos (DAP):

- Phân có tỷ lệ các chất dinh dưỡng (N, P, K) là: 1:2,6:0

- Phân có tỷ lệ NPK: 6:11:2 chuyên dùng bón lót cho lúa (dạng trộn

3 hạt) trong thời kỳ sinh trưởng phát triển rễ, đẻ nhánh

- Thành phần dinh dưỡng: ngoài các chất đa lượng là N = 6%, P2O5

= 11%, K2O = 2%; còn có các chất trung lượng là S = 2%, MgO = 10%, CaO = 20%, SiO2 = 15% và các chất vi lượng như: B, Mn,

Zn, Cu, Co… tổng hàm lượng dinh dưỡng trên 60%

1.2 Giới thiệu về Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm

Thao

Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hòa chất Lâm Thao là một trong những đứa con đầu lòng của nền công nghiệp Việt Nam, được khởi công xây dựng ngày

8 tháng 6 năm 1959 bên bờ sông Thao, trên đất Lâm Thao tỉnh Phú Thọ

Trải qua quá trình xây dựng và phát triển hơn 60 năm, Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao luôn giữ vững vai trò lá cờ đầu trong ngành sản xuất kinh doanh phân bón, hóa chất nước ta, cung ứng gần 20 triệu tấn phân

Hình 1 2 Công ty Cổ phần Supe Phốt Phát và Hóa chất Lâm Thao

- Sản xuất và kinh doanh phân bón, hóa chất, chế tạo, điện, nước, xi măng, xăng dầu mỡ

- Thiết kế xây dựng các công trình; thiết kế, chế tạo, lắp đặt các thiết

bị dây chuyền sản xuất hóa chất

- Kinh doanh khách sạn, nhà hàng

- Kinh doanh các ngành khác theo quy định của pháp luật cho phép Các sản phẩm phân bón của công ty rất đa dạng về chủng loại cho từng loại đất, từng loại cây trồng, từng thời kỳ phát triển của cây trồng Một số loại sản phẩm chủ yếu như: phân lân nung chảy, phân bón supe lân, phân bón NPK-S Các sản phẩm trên đều được kiểm định, đạt nhiều giải thưởng thương hiệu hàng Việt Nam chất lượng cao, được tin dùng bởi nhà nông

Một số hình ảnh về dây chuyền sản xuất phân NPK của công ty cổ phần Supe phốt phát và Hóa chất Lâm Thao:

Hình 1 3 Chuyến đi thực tế đến Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất

Lâm Thao

13

Hình 1 4 Xưởng sản xuất phân NPK

Hình 1 6 Dây chuyền sản xuất phân NPK Hình 1 5 Sơ đồ công nghệ sản xuất phân NPK - S của nhà máy

14

Hình 1 8 Hệ thống máy sấy thùng quay

Hình 1 7 Hệ thống đóng bao tự động

Hình 1 9 Phòng điều khiển hệ thống

15

1.3 Quy trình công nghệ sản xuất phân NPK

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

a Nguyên liệu sản xuất

Để có được sản phẩm phân NPK chất lượng cao thì điều đầu tiên cần lưu ý

đó là nguyên liệu đầu vào Nguyên liệu phải đảm bảo về mặt chất lượng, ít bị lẫn tạp chất, được bảo quản trong điều kiện tốt nhất có thể Nguyên liệu đầu vào là dạng viên sẽ được sơ chế và đưa vào kho chứa Điều kiện bảo quản trong kho chứa phải đảm bảo cho nguyên liệu không có độ ẩm quá cao tạo điều kiện thuận lợi cho các khâu sản xuất sau này

Các nguyên liệu đầu vào cho quá trình sản xuất phân NPK:

- Nguyên liệu cung cấp Đạm: Đạm urê (46%N), Đạm Amoni Sunfat (SA 21%N), Đạm Amon clorua (25%N), Đạm Amon Nitorat (34%N)

- Nguyên liệu cung cấp Lân: Lân nung chảy (15,5% P2O5hh), Supe lân đơn (16,5% P2O5hh), Supe Lân kép (40% P2O5hh)

- Nguyên liệu cung cấp Kali: Kali Clorua (60% K2O), Kali Sunfat (52% K2O), Kali Cacbonat (56% K2O)

- Cao lanh

- Phụ gia

b Sơ đồ sản xuất phân NPK

Dựa vào quy trình sản xuât NPK của các nhà máy, ta có sơ đồ sản xuất phân NPK như sau:

16

lượng ra (kg/s) của mỗi loại nguyên liệu trên băng cân và tốc độ băng truyền Các băng cân định lượng sẽ được nối vào một băng truyền tống hợp để đưa tất cả các nguyên liệu vào máy nghiền

- Nghiền nguyên liệu

Mục đích của quá trình nghiền nhiên liệu nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

về độ mịn (<2mm), tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vê viên tạo hạt đồng thời sản phẩm sau này có hình thức đẹp, tăng cường độ cứng cũng như bảo đảm đồng đều các thành phần trong hạt phân và đảm bảo chất lượng phân Nguyên liệu được nghiền bằng máy nghiền, sau đó được băng tải vận chuyển nạp vào khâu tiếp theo

- Phối trộn nguyên liệu

Mục đích của quá trình này là trộn đều các nguyên liệu trước khi đưa sang công đoạn vê viên Ngoài ra, phối trộn nguyên liệu nhằm đảm bảo tỷ lệ giữa các thành phần dinh dưỡng trong hạt phân Các loại nguyên liệu như urê, SA (Sunfat Amôn), supe photphat đơn, DAP (Diamon phosphate), KCI, phụ gia… tùy theo yêu cầu tỷ lệ thành phần dinh dưỡng của sản phẩm mà chúng được trộn với tỷ lệ phối liệu khác nhau Thùng trộn có dạng thùng quay, đặt nghiêng, có mục đích là đảo trộn đều các nguyên liệu, đảm bảo nguyên liệu được trộn đều với nhau trước khi đưa sang vê viên, tạo hạt

- Vê viên tạo hạt

Mục đích của quá trình này là tạo các hạt có kích thước mong muốn từ 2÷5 (mm) có thành phần dinh dưỡng và kích thước hạt đồng đều, có độ ẩm thích hợp 4.5÷6.0% để tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tiếp theo

Hỗn hợp nguyên liệu sau khi đã trộn đều được băng tải đưa xuống máy vê viên dạng đĩa Hơi nước được đưa vào thiết bị này bằng vòi phun nhằm tạo độ ẩm thích hợp cho nguyên liệu Tại đây, nhờ lực ly tâm và trọng lực của các nguyên liệu, độ ẩm do nước đưa vào, các hạt NPK dần dần được hình thành Hạt NPK sau

đó sẽ chuyển xuống băng tải đưa sang công đoạn sấy

17

tới phía cuối thùng và đạt độ khô cần thiết và cuối cùng nguyên liệu được thoát ra ngoài qua bộ cánh van sao Khi nóng được cấp từ hệ thống lò hơi đốt than thông qua hệ thống quạt hút và quạt đẩy Khí nóng dung để sấy NPK có nhiệt độ khoảng 250-2000oC và độ ẩm đạt 2÷4% Dòng khí nóng sau khi trao đổi nhiệt với NPK

sẽ hạ xuống còn 110oC Sau khi sấy NPK được đưa sang công đoạn sàng

- Sàng phân loại

Mục đích của công đoạn này là loại bỏ các hạt phân có kích thước không

mong muốn ( quá nhỏ hoặc quá to )

Sản phẩm NPK sau khi sấy đến độ ẩm 2÷4 được chuyển lên sàng Sàng được động cơ truyền chuyển động qua cơ cấu rung lệch tâm Sàng có cấu tạo gồm

02 lớp, lớp trên có kích thước mắt sàng là 5mm và lớp dưới là 2mm Các hạt NPK

có kích thước lơn hơn 5mm được giữ lại trên mặt sàng thứ nhất và qua hệ thống băng tải hồi lưu về công đoạn nghiền Các hạt có kích thước nhỏ hơn 2mm được giữ lại ở đáy và qua hệ thống băng tải hồi lưu về máy tạo hạt Còn lại các hạt đạt kích thước đạt yêu cầu từ 2÷5(mm) nằm ở trên mặt sàng thứ hai được đưa vào

thiết bị làm nguội

- Làm nguội

Sản phẩm NPK sau quá trình sàng phân loại có nhiệt độ khoảng 70-80oC vào kích thước 2÷5 (mm), độ ẩm 2÷4% được đưa vào thiết bị làm nguội có dạng thùng quay Thùng quay được thiết kế đặt nghiêng, sản phẩm chuyển dịch từ đầu thùng (cửa vào) đến cuối thùng (cửa ra) Khí trời được quạt hút cưỡng bức với tốc

độ nhanh vào thùng và đi ngược chiều với sản phẩm và làm hạ nhiệt của sản phẩm

từ 70-80oC xuống còn 30oC Do trong quá trình sấy, hạt NPK được tích nhiệt nên quá trình bày hơi nước tiếp tục xảy ra tại băng tải sau sấy, tại sàng bán thành phẩm

và tại thiết bị làm nguội để ra sản phẩm cuối cùng có độ ẩm 0.6÷1.5%

- Đóng bao sản phẩm

Quá trình đóng bao được thực hiện bởi máy khâu bao Sản phẩm từ silo chứa được cho tháo chảy xuống bao chứa đã hứng phía dưới và đặt trên một cân định lượng, tiếp đó đóng miệng bao sản phẩm bằng máy khâu bao Sau khi khâu xong, bao phân sẽ được băng tải chuyển xuống xe đẩy đưa vào kho

Van1, van2, van3, van4, van5, van6, van7, van8: các van cung cấp hoặc xả nguyên liệu khi một khâu trong dây chuyền kết thúc Đây là các van điện từ có cấu tạo gồm 1 nam châm điện Khi nam châm điện được cấp điện nó sẽ tác động làm van mở ra Khi mất điện, lò xo sẽ tác động làm van đóng lại

CB-1, CB-2, CB-3: Các Loadcell đo khối lượng nguyên liệu đầu vào đảm bảo tỉ lệ các thành phần của phân NPK

CB- đầy 1, CB- cạn 1, CB- đầy 2, CB- cạn 2, CB- đầy 3, CB- cạn 3: các cảm biến lượng nguyên liệu trong bồn của mỗi khâu trong dây chuyền

CB4 Cảm biến phát hiện có bao, CB-SP: cảm biến phát hiện có 1 sản phẩm

đã hoàn thành

Van hơi nước: cung cấp hơi nước cho khâu tạo hạt

Hình 1 11 Mô hình dây chuyền sản xuất phân NPK

19

b Nguyên lý hoạt động của mô hình

Khi nhấn nút start thì băng tải 1 (chứa Kali), băng tải 2 (chứa Lân dạng bột), băng tải 3 (chứa DAP: diamoni photphat) hoạt động để đưa nguyên liệu vào bồn chứa để định lượng đồng thời băng tải 7 hoạt động và dừng khi cảm biến 4 báo (phát hiện có bao) để đưa bao phân vào vị trí để đựng phân thành phẩm Cùng lúc này van 8 mở để đưa phân từ bồn chứa vào bao

Khi cảm biến 1 báo (đã đủ trọng lượng) thì băng tải 1 dừng đồng thời van

1 mở ra để đưa Kali vào bồn nghiền Khi cảm biến 2 báo (đã đủ trọng lượng) thì băng tải 2 dừng, đồng thời van 2 mở ra để đưa lân vào bồn nghiền Khi cảm biến

3 báo (đã đủ trọng lượng) thì băng tải 3 dừng đồng thời van 3 mở để đưa DAP vào bồn nghiền Khi cảm biến đầy 1 báo (bồn nghiền đã đầy), van 1, van 2, van 3 đóng, băng tải 1, băng tải 2, băng tải 3 tiếp tục hoạt động để đưa nguyên liệu vào bồn chứa Đồng thời động cơ nghiền hoạt động, thời gian nghiền theo quy định cho trước

Sau khi nghiền xong van 4 (van xả bồn nghiền) mở đưa nguyên liệu đến băng tải 4, đồng thời băng tải 4 chạy đưa nguyên liệu vào bồn trộn Khi cảm biến cạn 1 (cảm biến báo cạn bồn nghiền) báo thì đóng van 4 (van xả bồn nghiền)

Cảm biến đầy 2 (cảm biến báo đầy bồn trộn) báo thì động cơ trộn hoạt động

và băng tải 4 dừng Sau thời gian trộn quy định thì van 5 (van xả bồn trộn) mở thì nguyên liệu được đưa đến bồn tạo hạt, đồng thời động cơ tạo hạt hoạt động và van hơi nước mở đưa hơi nước vào bồn để tạo hạt Khi cảm biến cạn 2 (cảm biến báo cạn bồn trộn) báo thì van 5 đóng lại Sau khi tạo hạt xong, phân được chuyển xuống công đoạn sấy

Khi cảm biến đầy 3 (báo đầy máy sấy) báo thì động cơ tạo hạt ngừng, đồng thời động cơ sấy hoạt động đến khi cảm biến độ ẩm báo thì dừng, đồng thời van

6 (van xả máy sấy) mở đưa phân đến động cơ phân loại Cùng lúc đó, động cơ phân loại, động cơ làm nguội, và băng tải 5 (chuyển phân chưa đúng yêu cầu về lại bồn nghiền) hoạt động Khi phân được đưa vào động cơ phân loại, hạt nào đủ kích thước sẽ cho qua thiết bị làm nguội còn hạt nào không đủ kích thước thì đưa lên băng tải 5 đưa phân không đạt về máy nghiền

Khi làm nguội xong, cảm biến nhiệt báo, van 7 (van xả thùng làm nguội)

mở chuyển phân lên băng tải 6 đưa phân vào bồn chứa Đồng thời động cơ phân loại, động cơ làm nguội dừng

Khi cảm biến cạn 3 (báo thùng làm nguội đã xả hết) báo, van 7 (van xả thùng làm nguội) đóng lại Khi phân đã vào bồn chứa thì bên dưới bao đựng đã sẵn sàng Khi cảm biến trọng lượng báo đủ van 8 đóng lại, động cơ may bao may trong 2 phút rồi dừng, bao phân thành phẩm được đưa đi Sau đó băng tải 7 (băng tải chở bao) tiếp tục chạy để đưa bao vào vị trí, dây truyền tiếp tục hoạt động

Nó cũng thực hiện trên một cơ sở dữ liệu phân tán, hoặc cơ sở dữ liệu thẻ,

có chứa các thẻ hoặc các điểm tọa độ trong toàn bộ nhà máy

Các điểm này đại diện cho một giá trị đầu vào hoặc đầu ra đơn lẻ được hệ thống SCADA giám sát hoặc điều khiển trong phòng điều khiển tập trung

➢ Chức năng của hệ thống SCADA:

- Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến

- Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được

- Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý

- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết

bị của nhà máy

- Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời

và chính xác

➢ Cấu trúc của một hệ thống SCADA:

- Giao diện quá trình: gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành

- Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là khối các thiết bị đầu cuối từ

xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành

- Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiệt bị chuyển đổi dồn kênh

có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển

và máy chủ

21

- Hệ điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người - máy HMI (Human Machine Interface), các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

2.1.2 Hệ SCADA trong nhà máy phân bón NPK

Hệ SCADA trong nhà máy sản xuất phân bón NPK có cấu trúc gồm các thiết bị hiện trường, khối điều khiển logic khả trình PLC, hệ thống truyền thông

và giao diện giám sát HMI

Các thiết bị hiện trường bao gồm các van điều khiển, các cảm biến đo mức, nhiệt độ, độ ẩm, ,các động cơ, máy móc và các thiết bị chuyển đổi Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Hệ truyền thông gồm các ghép nối tiếp điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống Phòng trung tâm điều khiển gồm các máy tính công nghiệp, các phần mềm giám sát, giao diện HMI

2.2 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC

2.2.1 Lịch sử phát triển và vai trò của PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển

rời rạc cồng kềnh

Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo chu kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở nên ngày càng phổ biến Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn,

số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn Vào năm

1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông,

khoảng 200 mét

Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện tự

động hoá, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối

chuyên dụng hay lập trình bằng tay

Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm

và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới

Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh (STL),

sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD)

Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley,

General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…

PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic S500/505 Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như:Simatic S7

bị đầu ra PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với máy

tính chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức tạp

2.2.2 Ưu thế của việc sử dụng PLC trong tự động hóa

- Thời gian lắp đặt ngắn

- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không gây tổn thất

- Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển

- Tính năng mở rộng: khả năng mở rộng xử lý bằng cách thay đổi chương trình lập trinh một cách dễ dàng

- Thích ứng trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,…

Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển dùng PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, và hiệu quả giải quyết bài toán cao

2.2.3 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp

- Điều khiển các Robot trong công nghiệp

- Hệ thống xử lý nước sạch

- Công nghệ thực phẩm

- Công nghệ chế biến dầu mỏ

- Công nghệ sản xuất vi mạch

- Điều khiển các máy công cụ

- Điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất

- Điều khiển hệ thống đèn giao thông

- …

Trong khuôn khổ phạm vi đồ án tốt nghiệp, chúng em tập trung vào tìm hiểu hệ điều khiển của Siemens để giải quyết bài toán đo lường điều khiển trong dây chuyền sản xuất NPK Siemens cung cấp nhiều giải pháp cho các hệ tự động hóa công nghiệp trong đó có thể kể đến các bộ điều khiển khả trình S7-200, S7-

300, S7-400, S7-1200/1500,… Do yêu cầu về đáp ứng điều khiển cũng như cung cấp giao diện người máy thuận lợi cho người vận hành nên chúng lựa chọn PLC S7-300 kết hợp với WinCC cho bài toán của mình Phần tiếp theo sẽ là trình bày của chúng em về S7-300, phầm mềm Step7 và phần mềm WinCC

23

2.3 PLC S7-300

PLC S7-300 là 1 dòng PLC mạnh của Siemens, S7-300 phù hợp cho các ứng dụng lớn và vừa với các yêu cầu cao về các chức năng đặc biệt như truyền thông mạng công nghiệp, chức năng công nghệ, và các chức năng an toàn yêu cầu

độ tin cậy cao PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình Thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung các tính năng mới

2.3.1 Phần cứng của một trạm PLC S7-300

PLC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống

Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng, song tối thiểu bao giờ cũng có một module chính là module CPU Các module còn lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài, các module

chức năng chuyên dụng… Chúng được gọi chung là các module mở rộng

Các module mở rộng gồm có:

- Module nguồn (PS)

- Modul mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM) gồm có DI, DO, DI/DO,

AI, AO, AI/AO

- Module ghép nối (IM)

- Module chức năng điều khiển riêng (FM)

- Module phục vụ truyền thông (CP).

Hình 2 1 Cấu trúc chung của một trạm PLC S7-300

24

• Modul nguồn PS 307 của PLC S7-300

Module PS 307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC Ngoài ra còn

có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có công suất nhỏ Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía dưới của CPU tuỳ theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo chiều dọc Module nguồn PS 307 có 3 loại: 2A, 5A và 10 A gồm có:

- Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra 24 V

- Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp ra

- Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120 VAC hoặc 230VAC

- Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra

• Khối xử lý trung tâm (CPU)

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các

bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài cổng vào/ra số Các cổng vào ra số này được gọi là cổng vào ra onboard

Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên theo bộ vi xử lí có trong nó, như : module CPU312, module CPU314, module CPU315,…

Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm đặt trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào /ra onboard, được phân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên cạnh đó còn có loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong hệ điều hành

Hình 2 2 Module nguồn và khối xử lý trung tâm

Analog Input Module: Module mở rộng các cổng vào tương tự, có nhiệm

vụ chuyển các tín hiệu tương tự từ bên ngoài thành các tín hiệu số để xử lý bên trong S7-300 Gồm các loại module sau:

- SM 332 AO2x12bit

- SM 332 AO4x12bit

- SM 332 AO4x16bit…

• Module ghép nối ( Interface module-IM)

Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM Module IM gồm có các loại:

- IM 360

- IM 361

- IM 365

• Module chức năng điều khiển riêng (FM)

Là module chức năng có chức năng điều khiển riêng Những khối chức năng FM thay thế các khối IP Có chức năng đặc biệt như đếm, định vị, điều khiển hồi tiếp, điều khiển động cơ bước, động cơ servo, mnodule PID…

Hình 2 3 Module vào ra số (DI/DO) và tương tự (AI/AO)

Hình 2 4 Module ghép nối IM

27

• Module truyền thông (CP)

Là module xử lý truyền thông Module này dùng để truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính Gồm có các loại: Nối tiếp điểm (PPI_Point To Point Interface), mạng Profibus, mạng Ethernet công nghiệp

2.3.2 Tổ chức bộ nhớ trong CPU của PLC S7-300

Kích thước của các vùng nhớ này tuỳ thuộc vào chủng loại của từng module CPU Bộ nhớ của CPU bao gồm các vùng nhớ sau:

• Vùng nhớ chứa các thanh ghi

• Vùng Load Memory

• Vùng Work Memory

• Vùng System Memory

➢ Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng (do người sử

dụng viết) bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB)

và các khối dữ liệu DB Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPROM (nếu có EEPROM) Khi thực hiện động tác xóa bộ nhớ (MRES), toàn bộ chương trình và khối dữ liệu nằm trong RAM sẽ bị xóa Cũng như vậy, khi chương trình hay khối dữ liệu được download từ thiết bị lập trình (PG, máy tính) vào module CPU, chúng

sẽ được ghi lên phần RAM của vùng nhớ Load memory

➢ Work memory: là vúng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối

chương trình (OB, FC, FB, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện và

Hình 2 5 Các vùng nhớ của CPU

28

phần bộ nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình khác (local block) Tại một thời điểm nhất định vùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đó được thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xóa khỏi Work memory và nạp vào đó khối chương trình kế tiếp đến lượt được thực hiện

➢ System memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các

biến cờ (M), thanh ghi C-Word, PV, T-bit của Timer, C-bit của Counter Việc truy cập, sửa lỗi dữ liệu những ô nhớ này được phân chia hoặc bởi

hệ điều hành của CPU hoặc do chương trình ứng dụng

Các vùng nhớ được trình bày ở trên không có vùng nhớ nào được dùng làm

bộ đệm cho các cổng vào/ra tương tự Nói cách khác các cổng vào/ ra tương tự không có bộ đệm và như vậy mỗi lệnh truy nhập module tương tự ( đọc hoặc gửi giá trị) đều có tác dụng trực tiếp tới các cổng vật lý của module

2.3.3 Vòng quét chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng

giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyền thông trong

vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tuợng xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

Hình 2 6 Vòng quét chương trình

29

Nếu sử dụng các khối chuơng trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khối OB40, OB80,… chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện báo ngắt cùng chủng loại Các khối chương trình này có thể được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối chương trình tương ứng với khối tín hiệu báo ngắt đó Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét

sẽ càng lớn khi càng 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 vào chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham

số Việc truyền thông giứa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do

hệ điều hành CPU quản lý Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra

2.3.4 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng

Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thông qua bus nội bộ Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các module số (DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I) Cuối mỗi vòng quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output table-Q) lại được CPU chuyển tới cổng ra của các module ra số (DO) Việc thay đổi nội

dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình ứng dụng Nếu trong

chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc cổng vào số thì giá trị logic thực có của các cổng vào này có thể bị thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét

Hình 2 7 Nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng

giá trị thực có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh Tương tự khi thực hiện lệnh

gửi một giá trị (số nguyên 16 bits ) tới địa chỉ của vùng PQ (peripheral output),giá trị đó sẽ được gửi ngay tới cổng ra tương tự của module,

Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào/ra tương tự có thể có của một trạm Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra số với những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực tiếp các module DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng mà không cần thông qua bộ đệm I và Q

• Lập trình cấu trúc

Lập trình cấu trúc là phương pháp lập trình mà trong đó chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau, tương tự như việc thực hiện chương trình con Cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ, phức tạp và thường sử dụng các khối cơ bản sau:

Hình 2 8 Lập trình tuyến tính

31

- Khối OB (Orgnization block): là khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau Chúng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB Ví dụ: OB1, OB3, OB40,…

- Khối FC (Program block): khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FC Ví dụ: FC1, FC2,

- Khối FB (Function block): là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block Trong một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này cũng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FB Ví dụ: FB1, FB2,

- Khối DB (Data block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Các tham số của khối do người sử dụng tự đặt Trong một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này cũng được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm

ký tự DB Ví dụ: DB1, DB2,…

Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển khối Xem những phần chương trình trong các khối như là những chương trình con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau Số các lệnh gọi lồng nhau tuỳ thuộc vào từng chủng loại module CPU

Hình 2 9 Lập trình cấu trúc

• Ngôn ngữ lập trình LAD ( Ladder Logic) Đây là dạng ngôn ngữ đồ họa, thích hợp với những người quen với việc thiết kế mạch điều khiển logic

• Ngôn ngữ lập trình FBD ( Function Block Diagram) Đây cũng là dạng ngôn ngữ đồ họa, thích hợp cho những người quen thiết kế mạch điều khiển số

• Ngôn ngữ lập trình Graph Đây cũng là dạng ngôn ngữ đồ họa, thích hợp cho những hệ thống tuần tự

• Ngôn ngữ lập trình SCL Đây cũng là dạng ngôn ngữ cấp cao, thích hợp cho những người biết viết ngôn ngữ cấp cao

Trong PLC có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ cho các đối tượng

sử dụng khác nhau Tuy nhiên một chương trình viết ngôn ngữ LAD hay FBD có thể chuyển sang dạng STL, nhưng ngược lại thì không Và trong STL có nhiều lệnh mà LAD hay FBD không có Đây cũng là thế mạnh của ngôn ngữ STL

2.4 Giới thiệu về phần mềm STEP7

STEP7 là phần mềm chuyên dụng, lập trình điều khiển cho PLC của hãng Siemens (cộng hòa liên bang Đức) Phần mềm này có ba cửa sổ soạn thỏa chương trình theo ba ngôn ngữ lập trình khác nhau ( LAD, FBD, STL) trong đó có ngôn ngữ LAD là ngôn ngữ lập trình rất gần gũi với mọi người Hiện nay, STEP7 có các phiên bản sau:

STEP7 Micro/Dos và STEP7 Micro/Win dành cho các ứng dụng chuẩn, đơn giản trên SIMATIC S7-300 và SIMATIC C7-620

Hình 2 10 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 - 300

33

STEP7 dành cho các ứng dụng trên SIMATIC S7-300/400, SIMATIC

M7-300 và SIMATIC C7 với chức năng rộng hơn Có khả năng gán các thông số cho các modul hàm và các bộ xử lí truyền thông Có thể hoạt động được ở chế độ nhiều máy tính

Nói chung STEP7 có các chức năng cơ bản sau:

- Khai báo cấu hình phần cứng cho một trạm PLC S7 300 hoặc S7

400 Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC khác nhau cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng

- Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một trạm PLC và

gỡ rối chương trình Ngoài ra STEP7 còn có cả một thư viện đầy đủ với các chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời hầu hết các câu hỏi của người dùng

về cách sử dụng STEP7, các câu lệnh trong khi lập trình…

2.5 Giới thiệu về phần mềm WinCC

WinCC ( viết tắt của chữ Windows Control Center) là chương trình ứng dụng của hãng Siemens dùng để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹp, WinCC là chương trình HMI (Human Machine Interface) hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện người – máy

WinCC là hệ thống trung tâm về công nghệ và kỹ thuật được dùng để điều hành các màn hình hiển thị và điều khiển hệ thống trong tự động hóa sản xuất và quá trình Hệ thống này cung cấp các module chức năng thích ứng trong công nghiệp như : Hiển thị hình ảnh, thông điệp, lưu trữ và báo cáo Giao diện điều khiển mạnh, truy cập hình ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an toàn của nó đảm bảo tính hữu dụng cao Có thể nói, WinCC là chương trình chuyên dùng để tạo giao diện giữa người và máy trong tự động hóa công nghiệp

Hình 2 11 Phần mềm SIMATIC STEP 7

34

WinCC chạy trên hệ điều hành Windows 2000 và WinXP Cả 2 hệ điều hành này đều có khả năng thực hiện đa nhiệm vụ, đảm bảo phản ứng nhanh với việc xử lý ngắt an toàn chống mất dữ liệu bên trong ở mức độ cao Ngoài ra WinCC còn có chức năng phục vụ như một máy chủ (sever) trong hệ thống WinCC nhiều người sử dụng WinCC đã và đang là chương trình HMI được sủ dụng rộng rãi nhất ở Việt Nam

WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính kỹ thuật và tính công nghiệp, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất

và tự động hóa quá trình Hệ thống này đưa ra những module chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông báo, lưu trữ và báo cáo Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhật các ảnh và những chức năng lưu trữ

an toàn, đảm bảo tính lợi ích cao cho người vận hành một giao diện trực quan dễ

sử dụng, có khả năng giám sát quá trình trong chế độ thời gian thực

Ngoài chức năng hệ thống, WinCC còn đưa ra những giao diện mở cho người dùng Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho công ty mở Sự truy nhập đối với cơ

sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện chuẩn ODBC và SQL Sự lồng ghép những đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởi OLE2.0 và OLE Custom Control (OCX) Những cơ chế này làm cho WinCC trở thành một đối tác dễ hiểu, dễ truyền tải trong môi trường Windows

Hình 2 12 Phần mềm WinCC của hãng Siemens

36

• Cảm biến mức

- Nhiệt độ chịu được: từ -40o C đến 600o C

- Áp suất chịu được: -0,9 đến 10 bar

- Ngõ ra: microswitch, relay SPDT, PNP

37

• Cảm biến độ ẩm

- Chịu được nhiệt độ lên tới 250o C

- Áp suất chịu được lên tói 25bar

- Vật liệu: thép hợp kim cao cấp

- Dùng cho cân phễu, cân bồn, cân silo, cân định lượng, cân đóng bao, cân băng tải, cân kiểm tra

Hình 3 4 Cảm biến đo độ ẩm chịu nhiệt độ

cao EE1900

Hình 3 5 Loadcell VLC 106 VMC

Hình 3 7 Cân băng định lượng

40

• Động cơ tạo hạt

• Động cơ sấy

• Động cơ phân loại

Hình 3 11 Máy vê viên dạng chảo

Hình 3 12 Máy sấy thùng quay

Hình 3 13 Máy sàng rung phân loại