Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tự động dây truyền công nghệ sản xuất nước hoa quả tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu đồng giao tỉnh ninh bình

Ưu điểm của hệ thống ứng dụng tự động hoá là giảm được số nhân công lao động do đógiảm được chi phí sản xuất, làm giảm giá thành sản phẩm.. Mục đích của đề tài Khảo sát, nghiên cứu công

Nguyễn Xuân Hiệu

Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển tự

động dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu

đồng giao tỉnh ninh bình

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2009

Nguyễn xuân hiệu

Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển tự

động dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh riªng cña t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ luËn v¨n

NguyÔn Xu©n HiÖu

Mục lục

Mục lục ……… …… 1

Danh mục các bảng………4

Danh mục các hình……….5

Mở đầu ………….……… 8

Chương 1 - Tổng quan về dây chuyền đóng hộp nước hoa quả ……… 11

1.1 Giới thiệu chung về công ty ……… 11

1.2 Tổng quan về dây chuyền đóng hộp nước hoa quả ……….11

1.2.1 Khu vực chích ép ……… 13

1.2.2 Khu vực Decanter ……… 14

1.2.3 Khuc vực cô ……… 14

1.2.4 Khu vực thanh trùng ……….16

1.2.5 Khu vực rót ……… 18

1.3 Đánh giá hệ thống dây chuyền sản xuất nước hoa quả ………19

Chương 2 - Khảo sát và đánh giá máy rót thành phẩm của công ty ……… 21

2.1 Giới thiệu một số thiết bị của máy rót ……….21

2.1.1 Hệ thống điều khiển băng tải và bàn nâng ……… 22

2.1.2 Cảm biến thùng ……….23

2.1.3 Cảm biến trọng lượng ……… 24

2.1.4 Cảm biến hành trình ……… 26

2.1.5 Cảm biến hành trình piston mở nắp ……….26

2.1.6 Cảm biếm tiệm cận điện dung OMRON E2K-C ……… 26

2.1.7 Cảm biến nhiệt điện trở E52MY.……… 27

2.1.8 Giới thiệu một số cơ cấu chấp hành ……… 28

2.2 Hệ thống van hơi 32

2.2.1 Quá trình thanh trùng 32

2.2.2 Quá trình rót sản phẩm 33

2.2.3 Thổi sạch nắp và đóng nắp sau khi rót 34

2.2.4 Quá trình đưa sản phẩm ra ngoài 34

2.3 Giới thiệu thiết bị đều khiển PLC và màn hình điều khiển 35

2.3.1 Giới thiệu PLC SattCon 05 Slimline 35

2.3.2 Giới thiệu màn hình điều khiển OP45 39

Chương 3 - Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát máy rót thành phẩm dùng phần mềm WinCC 40

3.1 Lựa chọn các thiết bị điều khiển 40

3.1.1 Lựa chọn Module nguồn PS-300 40

3.1.2 Lựa chọn module CPU 41

3.1.3 Lựa chọn module IM (Interface Module) 41

3.1.4 Lựa chọn module vào/ra số 42

3.1.5 Lựa chọn module vào/ra tương tự 43

3.2 Hệ thống điều khiển SCADA 46

3.2.1 Định nghĩa SCADA 46

3.2.2 Phân loại hệ thống SCADA 46

3.2.3 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA 47

3.2.4 Cấu trúc chung của hệ SCADA 48

3.3 Mô hình phân cấp chức năng 50

3.3.1 Mô hình phân cấp 50

3.3.2 Chức năng nhiệm vụ của từng cấp 52

3.4 Giới thiệu phần mềm WinCC 54

3.4.1 Các bước thao tác căn bản 55

3.4.2 Soạn thảo hình ảnh của quá trình 55

3.4.3 Hiển thị các biến của quá trình 55

3.4.4 Thiết lập các thông báo trong hệ thống 56

3.5 Chương trình điều khiển máy rót nước dứa cô đặc 56

3.5.1 Mã hoá tín hiệu vào/ra 56

3.5.2 Quá trình rót sản phẩm 58

3.5.3 Chương trình điều khiển rót sản phẩm 59

Chương 4 - ứng dụng bộ điều khiển PID để ổn định áp suất máy rót thành phẩm 60

4.1 Sơ đồ khối của hệ thống 60

4.2 Mô hình toán học của hệ thống điều khiển 61

4.2.1 Đối tượng điều khiển 61

4.2.2 Khâu PID 64

4.2.3 Mô hình toán học của van điều khiển 66

4.2.4 Mô hình toán học của hệ thống điều khiển áp suất 75

Kết luận và kiến nghị ……… …79

Tài liệu tham khảo … ……… …80

Phụ lục 1 ……… ………81

Phụ lục 2 ……….………95

Phụ lục 3……….……… ………101

Dang mục các bảng

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của cảm biến nhiệt điện trở E52MY 28

Bảng 4.1 Xác định tham số P, Pi, PID bằng thực nghiệm 77

Hình 2.6 Mạch ra kiểu Transistor NPN cực thu hở 24Hình 2.7.Hình dạng và cấu tạo của loadcell KIS-2 của Sweden 25Hình 2.8 Công tắc giới hạn của OMRON Z-15HW78-B 26Hình 2.9 Cảm biến hành trình hãng Honeywell 24CE2-S2 26Hình 2.10 Cảm biến tiệm cận điện dung của OMRON E2K-C 27Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở 27

Hình 2.13 Ký hiệu và cấu tạo của van logic OR van FESTO 29

Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển van đảo chiều tác động bằng tay 30Hình 2.16 Cấu tạo piston tác động kép 31Hình 2.17 Hệ thống van hơi của máy rót 32

Hình 2.20 Quá trình vệ sinh nắp sau khi rót 34

H×nh 2.22 Mét sè thiÕt bÞ phô trî cña SattCon 05 Slimline 36H×nh 2.23 Giao diÖn phÇn mÒm lËp tr×nh DOX 10 37H×nh 2.24 CÊu h×nh cña PLC SattCon 05 Slimline SDA 37H×nh 2.25 CÊu h×nh cña PLC SattCon 05 Slimline SD24D 38

Hình 4.8 Đường đặc tính của van tuyến tính và van logarit 70Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ thống áp suất 75Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống van áp suất 75Hình 4.11 Đặc tính tự nhiên của hệ thống điều khiển áp suất 76Hình 4.12 Xác định kđt, Ti, TD từ hàm quá độ 76Hình 4.13 Đặc tính hiệu chỉnh áp suất theo Ziegler-Nichols khi

việc

97

Hình PL2.8 Sản phẩm được đưa ra ngoài 98Hình PL2.9 Van đang rót, áp suất hơi không đạt yêu cầu 99Hình PL2.10 Bảng thông báo gia trị trọng lượng và nhiệt độ 99Hình PL2.11 Bảng hiển thị quá trình làm việc 100

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹthuật điện tử mà trong đó kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnhvực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hoá Các nhà máy ứng dụng tự

động hoá cho năng suất cao, điều khiển và giám sát chính xác Ưu điểm của

hệ thống ứng dụng tự động hoá là giảm được số nhân công lao động do đógiảm được chi phí sản xuất, làm giảm giá thành sản phẩm Dây chuyền côngnghệ sản xuất đồ hộp của công ty xuất nhập khẩu Đồng Giao tại tỉnh NinhBình đã lắp đặt hệ thống tự động hoá quá trình Tuy nhiên hệ thống này chưa

được tự động hoá hoàn toàn, hệ thống đôi lúc làm việc không ổn định và việc

điều khiển giám sát chưa có Hệ thống làm việc không ổn định gây trì trệ sảnxuất, năng suất giảm làm thiệt hại kinh tế cho nhà máy và phải phụ thuộc vàocác chuyên gia nước ngoài sang xử lý sự cố Chính vì những lý do trên mà họcviên quyết định chọn đề tài điều khiển giám sát quá trình rót sản phẩm Đây làcông đoạn cuối cùng trong dây chuyền sản xuất nước hoa quả của nhà máy

2 Mục đích của đề tài

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

cổ phần xuất nhập khẩu Đồng Giao từ đó đưa ra các giải pháp nhằm tăng năngsuất lao động, hạ giá thành sản phẩm với mức độ tự động hoá cao

3 Đối tượng nghiên cứu

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

4 Nội dung nghiên cứu

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

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

- Thiết kế được bộ điều khiển mờ để ổn định nhiệt độ khi thanh trùng

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

5 Phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: PLC S7-300 (CPU 314), các module SM 321, SM 322, vàmodule AI SM 331 chuyên dụng có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ cảmbiến như Thermocoup, PT

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

- Giao tiếp máy tính thông qua phần mềm WinCC của công tySIEMENS

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

7 ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

ứng dụng PLC Siemens họ S7-300 kết hợp với phần mềm WinCC đểxây dựng chương trình điều khiển, giám sát máy rót tại công ty cổ phần xuấtkhẩu Đồng Giao – tỉnh Ninh Bình làm tăng năng suất của nhà máy, nâng caochất lượng sản phẩm, giảm được chi phí lao động do đó làm giảm giá thànhsản phẩm tăng tính cạnh tranh thị trường Việc đưa thiết bị PLC của Siemens

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

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương trình bày trong 100 trang với 53 hình, với 3bảng

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

Đồng Giao tỉnh Ninh Bình" được hoàn thành với sự nỗ lực nghiêm túc của bảnthân, sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơm thầy giáo PGS.TS Đào Văn Tân đã hướngdẫn, định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, công nhân viên Công ty cổphần xuất nhập khẩu Đồng Giao về sự giúp đỡ trong quá trình tìm hiểu, thuthập số liệu từ thực tế của dây chuyền

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo Bộ môn Tự

Động Hóa xí nghiệp Mỏ và Dầu khí, Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ

-Địa chất đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong công tác nghiên cứu.Vớithời gian và kiến thức có hạn chắc chắn luận văn sẽ còn nhiều thiếu sót, kínhmong thầy cô và các bạn đồng nghiệp góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Chương 1

Tổng quan về dây chuyền đóng hộp Nước hoa quả

1.1 Giới thiệu chung về công ty

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

1995 có tổng diện tích đất tự nhiên là 5500 ha, trong đó có 2300 ha là đấtnông nghiệp Công ty cổ phần xuất nhập khẩu Đồng Giao nằm ngay bên cạnh

đường quốc lộ 1A và ở phía Tây Nam tỉnh Ninh Bình

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

Quy mô của Công ty:

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

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

+ Dây chuyền đồ hộp

+ Dây chuyền nước dứa cô đặc

+ Dây chuyền đông lạnh IQF

+ Dây chuyền nước quả tự nhiên đóng hộp

1.2 Tổng quan về dây chuyền đóng hộp nước hoa quả

Dứa sau khi thu hoạch sẽ được đưa về kho sau đó được đổ vào bể đựngdứa và đưa lên bể rửa ở bể rửa dứa sẽ được rửa sạch nhờ sự bơm nước tuầnhoàn dội vào quả dứa, mặt khác nhờ bơm thổi khí đẩy dứa từ dưới lên băng tải.Băng tải đưa dứa lên máy phân loại, từ máy phân loại dứa sẽ được phân thànhhai loại là quả to và quả nhỏ Sau đó dứa được băng tải chuyển sang máy gọt

vỏ và đục lõi Lúc này công nhân sẽ làm việc gọt đục dứa, đồng thời cũng loại

bỏ những quả dứa bị hư hỏng Dứa được gọt vỏ và đục lỗ xong sẽ rơi xuống

băng tải Công nhân sẽ đưa dứa đến bàn và làm công việc gọt đầu dứa và trổmắt dứa tại đây Tiếp đó dứa được đưa tới máy cắt khoanh, từ máy cắt khoanhdứa lại được băng tải đưa đến máy đóng hộp.

Trước khi được đưa vào máy đóng hộp thì hộp sẽ được băng tải đưa vàochiết định lượng để đóng dứa vào hộp Sau khi dứa được đưa vào hộp thì hộp

sẽ theo băng tải ra ngoài để công nhân kiểm tra trọng lượng, nếu thiếu trọnglượng họ sẽ đóng thêm dứa cho đủ Khi dứa đã đủ trọng lượng công nhân sẽchuyển hộp sang băng tải để đưa hộp sang máy rót dịch Rót dịch xong hộp sẽ

được băng tải đưa đến máy ghép mì Máy ghép mì sẽ đóng kín nắp hộp, sau

đó hộp được đưa ra băng tải để đưa đến máy thanh trùng Khi thanh trùngxong thì hộp được thổi khô và được chuyển đến kho bảo quản Sau đó hộp

được dán tem và in hạn sử dụng rồi chuyển về kho để tiêu thụ :

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

Khu vực chích ép

Khu vực decanter

Khu vực Cô

Khu vực Thanh trùng

Khu vực rót

t êuhoanguyên l ệuí nhất Kh ng dùn dứaquá chín (đãcó mùi rượ ) hoặ

Dứa nguyên liệu

Băng tải (Belt conveyor)

Bồn rửa quả (Washing)

unit)

Băng tải chải (Brushing)

unit)Băng tải chọn quả

Vít tải (Incline elevator)

Máy Poly fruit

Vít tải (Screw conveyor)

Máy Polypress

Máy Brown

Bồn chứa

Vít tải (Wasteconveyor)Bã dứa

SiloVỏ

quả

quá xanh, có thể dùng phối hợp c c p ế l ệu đã loại ra khi c t gọt trong sảnxuất dứa nướcđườn đểchếbiếnnướcdứa.Trước khi chích ép,dứac nđược

xé tơi quả dứatrên máy épđể tăng hiệu suất épqua máy poly f ui sản p ẩmnước ép được đưa tới máy Brown, p ần bã dứa được ví tải đưa đến máy éptrục ví sản p ẩm nước dứa cũng được đưa v máy Brown, p ần còn lại là bãdứakhôđượcví tải đưaraSi odùn đểsản xuất thứcăngiasúc.Máy Browndùn đểlọcbãthôsauđón ớcdứađượcđ atới bểchứa

1.2.2 Khu vực De anter

1.2.2.1 Sơ đồ công nghệ

Nước dứa (dịch quả)từ bể chứa đ ợc bơm ly tâm bơm v o 4 ống nhỏquabộphậngianhiệt lần1v obểchứa1.Dịchq ảđi q abộp ậngianhiệt ởnhiệt độ k oảng(600-800C)đểtạokết tủa, dịch q ả đượcđưavào máy ly tâmnằmngangloại bỏc chạt thị quảcóđườ g kínhnhỏ,dịchquảđượcđưav o

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

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

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

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

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

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

1.2.3.1 Sơ đồ công nghệ

Bán thành phẩm sautâm ly

1.2.4 Khu vực thanh trùng

1.2.4.1 Sơ đồ công nghệ

Hình 1.1 Thiết bị thanh trùng hơi dạng đứngThiết bị thanh trùng cao áp Stockautovab 1100-4BV dùng để thanhtrùng các thiết bị rau quả, đồ uống Thời gian thanh trùng tuỳ thuộc vào loạisản phẩm và cỡ lon định thanh trùng vào khoảng (90100)phút/mẻ Công suấtcho hệ thống thanh trùng:

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

Bán thành phẩmBồn cân bằng

Bộ gia nhiệt

Làm mát bằng nước

Làm mát bằng nước

đá

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

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

- Gia nhiệt với áp suất đối áp: trong quá trình thanh trùng nước đượctuần hoàn rất nhanh bên trong thùng thông qua đường ống Nước được tuầnhoàn bởi một bơm mạnh được đặt bên trong vỏ chứa và nằm phía ngoài thùngthanh trùng, kết hợp với hệ thống đường ống tuần hoàn vì vậy nước trongthùng chứa được gia nhiệt độ thanh trùng đã đặt trước Nước tuần hoàn được

đặt phân bổ lên bồn thùng chứa lon đảm bảo cho việc gia nhiệt nhanh chóng

áp suất đối áp được sinh ra bởi một lượng khí nén và được điều khiển chínhxác bơm vào trong thùng thanh trùng cho đến khi đạt được áp suất đặt trước.Vì vậy việc kiểm soát là hoàn toàn tự động, tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất đã

được lập trình trong PLC Trong thực tế thời gian này được sử dụng để tạo ápsuất đối áp

- Thời gian thanh trùng: sau khi đã đạt đến nhiệt độ thanh trùng mongmuốn, nhiệt độ này được điều khiển tự động cùng với áp suất đối áp, tuỳ thuộcvào chương trình đã lập trình mà duy trì trong một thời gian đã định sẵn đểthực hiện công việc thanh trùng Nước quá nhiệt độ liên tục tuần hoàn trongquá trình thanh trùng xung quanh các lon nhiệt độ và có hiệu suất cao nhất để

đảm bảo việc phân phối đủ nhiệt năng và nhiệt độ bên trong sản phẩm

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

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

- Xả nước: Sau khi kết thúc quá trình với một lượng nước cao quá mức,

để mở cửa thiết bị sẽ phải xả nước qua đường ống của hệ thống xả Sau đó cửathanh trùng Bayonet được mở khoá và 4 thùng chứa lon được lấy ra ngoài Sau

đó thiết bị thanh trùng sẵn sàng tiếp nhận sản phẩm cho một mẻ mới

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

1.2.5 Khu vực rót

1.2.4.1 Giới thiệu thiết bị

Hệthốngmáyrótgồmhaimáy:Máyrót Iv máyrótI Theonguyêntắ hai máy có thể hoạt độ g đồn thời xong d lưu lượng dòng dịch khốngchếchỉ1500l hdođóchỉ mộtmáylàmviệ ,một máychờ

Cấutạobaogồm:

+ Hệthốngv nđóngmởbằngkhínén:V1,V2,V3,V4,V5,V6 V7+ Haiđộngcơ: M2chạyt ếnv lùi chobăngtải

M3bơm dầuthủylựccónhiệmvụnân hạbànc n.+ Cảmbiếntrọnglượng

+ Hai c m quang nhận thùng để điều khiển bẳn tải v o thùng v rathùng

Yêuc ucủahệthốngtrướckhi rót

+ ápsuất hơiphải đạt 2,83bar

+ápsuấtkhí p ảiđạt 6bar.

+Nhiệt độthanhtrùngnắpp ải đạt 1 00145C

Trongquátrìnhrótphảiđảmbảo:

Fi l ngsángbáođầychop épc ôngnhânv nhànhmáykia

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

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

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

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

về công nghệ thực phẩm và thiết bị Vì những lý do đó mà học viên chỉ nghiêncứu cụ thể đối tượng là máy rót thành phẩm vào túi PE, đây là công đoạn cuối

cùng trong dây chuyền công nghệ Hệ thống máy rót này khi gặp sự cố gâythiệt hại to lớn cho nhà máy khi vào mùa sản xuất do phụ thuộc quá nhiều vàochuyên gia của Thái Lan hoặc của ấn Độ sang khắc phục sự cố Hệ thống máyrót này còn tồn tại một số vấn đề sau:

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

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

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

- Hệ thống hơi trong nhà máy được sử dụng cho rất nhiều công đoạnsản xuất Vì vậy áp suất thường xuyên làm ảnh hưởng đến các khâu sản xuất,

đặc biệt ảnh hưởng lớn đến quá trình rót sản phẩm

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

công ty 2.1 Giới thiệu một số thiết bị của máy rót

Hình 2.1 Máy rót thành phẩmMáy rót thành phẩm là công đoạn cuối cùng trong dây chuyền côngnghệ sản xuất nước hoa quả của công ty CPXNK Đồng Giao Trong côngnghệ của nhà máy, sản phẩm được rót vào túi kim loại nên có ưu điểm nhẹ,truyền nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao, nhược điểm của túi kim loại là độ bềnhoá học kém Ngoài ra còn một loại túi nũa là túi trùng hợp có độ bền cao vàkhắc phục được nhược điểm của túi kim loại là độ bền hoá hoạ cao Hiện naytrên thế giới đang thay thế dần túi đựng thuỷ tỉnh bằng túi kim loại hoặc túitrùng hợp

2.1.1 Hệ thống điều khiển băng tải và bàn nâng

2.1.1.1 Sơ đồ mạch điện động lực

Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện truyền động bàn nâng và băng tải cuốnHai động cơ M2 và M3 truyền động cho bàn nâng và truyền động chobăng tải cuốn Động cơ M2 có đảo chiều quay để cho băng tải chạy tiến, lùicho thùng đi vào hoặc đi ra

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

Khi động cơ (1) có điện, bơm dầu làm việc, dầu được hút qua ống hút(15) cấp cho hệ thống điều khiển qua cửa áp (5), dầu xả được cho về thùng(11) qua cửa(8) qua bộ lọc (16) Dầu thường được đổ vào thùng (11) qua mộtcửa (10) bố trí trên nắp bể lọc và có thể kiểm tra mức dầu đạt yêu cầu nhờ mắtdầu (9) Quan sát áp suất của bộ nguồn dầu bằng đồng hồ áp suất (7) Giá trị

áp suất giới hạn của nguồn được điều chỉnh bằng van an toàn áp suất (6)

2.1.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi sensor G1 nhận thùng thì đưa tín hiệu đến đầu vào của PLC, lúcnày động cơ M2 làm việc băng tải đưa thùng vào vị trí làm việc L1 Tại côngnhân đưa túi PE vào và chương trình rót bắt đầu Khi trọng lượng thùng đạt35kg thì động cơ M3 làm việc nâng thùng lên vị trí L2 Quá trình rót vẫn tiếptục khi trọng lượng thùng đạt 60kg thì bàn nâng lên vị trí L3, khi trọng lượng

đạt 100kg thì bàn nâng lên vị trí L4 Trọng lượng thùng đạt 150kg thì bànnâng lên vị trí L5 và rót đến khi trọng lượng thùng đạt 250kg thì dừng rót, đènFilling nhấp nháy báo công nhân vận hành rót ở mày thứ hai

Hình 2.4 Cấu tạo bàn nâng và băng tải cuốn

2.1.2 Cảm biến thùng

Cảm biến thùng là cảm biến quang phản xạ gương, khoảng cách pháthiện 1m Cấu tạo của cảm biến gồm hai phần:

- Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát laser có vaitrò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụphát nhằm tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu.

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

Hình 2.5 Cảm biến quang điện E3JMCấu trúc mạch ra của cảm biến

Hình 2.6 Mạch ra kiểu Transistor NPN cực thu hở

2.1.3 Cảm biến trọng lượng (Loadcell)

Hệ thống cân dùng 4 Loadcell đấu song song với nhau qua một hộp

đấu nối (Junction Box) Những Loadcell này dựa trên nguyên lý cầu điện trởcân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảmứng trong cầu điện trở và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Tín hiệu điện áp từcầu điện trở của loadcell được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao

gồm cả phần khuếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20bit và bộlọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thựccủa Loadcell phục vụ cho việc bù sai do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biếnnhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổsung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hoá xử lý các sai số do không tuyếntính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng củanhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền

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

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

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

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

2.1.4 Cảm biến hành trình

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

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

2.1.5 Cảm biến hành trình piston mở nắp túi

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

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

2.1.6 Cảm biến tiệm cận điện dung OMRON E2K-C

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

gỗ, dầu, nhựa… Cho phép phát hiện gián tiếp các vật liệu bên trong thùngchứa phi kim loại Khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được từ (3-25)mm Có bộ khuếch đại với nguồn điện áp cấp rộng và đầu ra tải tới200mA Nhiệm vụ của cảm biến tiệm cận điện dung là khi hơi vào túi nhiềuthì làm căng phồng bao, đến khoảng cách đã điều chỉnh sensor E2K tác độngcắt hơi vào túi

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

2.1.7 Cảm biến nhiệt điện trở E52MY

Cảm biến nhiệt điện trở là loại cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt

độ Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại vàThermistor

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

điện trở

Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở

B¶ng 2.1 §Æc tÝnh kü thuËt cña c¶m biÕn nhiÖt ®iÖn trë E52MY

2.1.8 Giíi thiÖu mét sè c¬ cÊu chÊp hµnh chÊp hµnh

H×nh 2.12 CÊu t¹o c¬ cÊu chÊp hµnhChi tiÕt vÒ c¬ cÊu chÊp hµnh xem ë phô lôc 3

2.1.8.1 Hệ thống van

a Van logic OR

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

Van logic OR có chức năng lμ nhận tín hiệu điều khiển ở những vị tríkhác nhau trong hệ thống điều khiển

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

b Van một chiều

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

Hình 2.14 Van một chiều

Khi có khí nén đi qua cửa P1 thì cửa P2 đóng khí nén đi từ P1 về A.Ngược lại khi có khí nén đi từ cửa P2 thì cửa P1đóng, khí nén đi từ P2 về A.

c Van đảo chiều

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

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

2.1.8.2 Hệ thống xi lanh piston

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

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

xy lanh lực, chuyển động tương đối giữa piston và xy lanh là chuyển động tịnhtiến Trong xy lanh quay chuyển động giữa piston và xy lanh là chuyển độngquay Góc quay thường nhỏ hơn 3600.

Khi đưa túi nhựa vào vị trí rót, công nhân vận hành ấn nút S3, lúc nàypiston của xy lanh C di chuyển về phía trước, đẩy đầu đội và giữ chặt Khi ấnnút S3 và S4 đồng thời quá trình rót tự động được thực hiện Piston B dichuyển về phía trước mang theo miệng rót ra khỏi van rót A.

Các piston trong xy lanh H và J di chuyển về phía trước để kẹp lấy túiPE

Piston trong xi lanh F di chuyển truyền động cho M và L kẹp lấymiệng túi

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

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

Hình 2.16 Cấu tạo piston tác động képRiêng đối với xy lanh B là loại xy lanh lồng Xy lanh lồng là loại xylanh lực gồm nhiều xy lanh và piston lồng đồng tâm với nhau Khoảng chạycủa piston lồng bằng tổng khoảng chạy của các piston Xy lanh lồng được sửdụng trong các trường hợp cần khoảng chạy lớn nhưng không gian không chophép lắp đặt xy lanh dài

2.2 Hệ thống van hơi

Hình 2.17 Hệ thống van hơi của máy rót

Hệ thống van hơi gồm 7 van được bố trí như hình vẽ, các van có nhiệm

vụ dẫn hơi nóng để thanh trùng Các van hơi làm việc chủ yếu trong quá trìnhthanh trùng nhằm diệt hết vi khuẩn, vi sinh vật trong đường ống bằng hơinóng, thời gian khử trùng thường kéo dài 30 phút trước khi rót sản phẩm vàotúi Trong quá trình rót sản phẩm các van còn làm nhiệm vụ thổi hơi nóng để

vệ sinh nắp trước khi đóng nắp túi Van V7 là van ngưng, van V5 và van V6 làvan xả trong quá trình thanh trùng

2.2.1 Quá trình thanh trùng

Hình 2.18 Quá trình thanh trùng

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

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

đường ống một cách triệt để, đáp ứng được yêu cầu chất lượng sản phẩm Vanhơi V1 đóng, các van V2, V3, V4 và V6 mở cho luồng hơi nóng đi vào, piston

được mở ra làm khoảng không bên trong được mở tối đa để chứa đầy luồnghơi nóng (các van V3 và V4 chỉ mở trong thời gian ngắn) Sau đó nhiệt độtăng đến nhiệt độ khử trùng thì bắt đầu quá trình khử trùng Hơi nóng nhanhchóng lấp đầy khoảng không bên trong qua van V2, đường xả khí và phầnngưng tụ bên trong đi qua ống xả đặt ở dưới hộp Khi thời gian thanh trùngkết thúc van V2 đóng lại và van V1 mở, piston trở về vị trí đóng

2.2.2 Quá trình rót sản phẩm

Hình 2.19 Quá trình rót sản phẩmSản phẩm nước dứa cô đặc từ máy thanh trùng được chảy theo đườngống đi đến máy rót Khi chưa rót thì van C6 đóng do đó sản phẩm được chảytuần hoàn về máy thanh trùng Khi có lệnh rót sản phẩm thì piston B dichuyển về phía trước, kéo theo nắp túi ra khỏi miệng Lúc này van C6 được

mở sản phẩm nước dứa cô đặc bắt đầu được rót vào túi Quá trình rót bắt đầu,trọng lượng của thùng tăng dần đạt 35kg thì bàn nâng nâng thùng được nânglên mức L2, khi trọng lượng thùng đạt 60kg thì bàn nâng nâng thùng lên L3.Khi trọng lượng thùng đạt 100kg thùng được nâng lên vị trí L4, khi trọnglượng thùng đạt 150kg thùng được nâng lên vị trí L5 và được rót đến trọng

lượng 250kg thì dừng rót và đèn Filling sáng báo hiệu cho báo công nhân vậnhành thao tác rót ở máy kia.

2.2.3 Thổi sạch nắp và đóng nắp sau khi rót

Hình 2.20 Quá trình vệ sinh nắp sau khi rótTrong quá trình rót sản phẩm chảy vào bề mặt nắp túi, vì vậy trước khi

đóng túi cần phải thổi hết nước dứa cô đặc dính vào bề mặt nắp để tránh hiệntượng lên men ở bề mặt túi khi tiếp xúc với không khí sẽ làm ảnh hưởng đếnchất lượng sản phẩm Lúc này van rót C6 đóng lại, các van V2, V3 và V4 lúcnày được mở ra luồng khí nóng áp suất lớn thổi vào miệng rót và nắp túi làmsạch nắp Sau thời gian ngắn van V3 đóng và piston mang theo nút di chuyển

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

2.2.4 Quá trình đưa sản phẩm ra ngoài

Hình 2.21 Quá trình đóng nắp

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

ra phía ngoài, đồng thời piston của xy lanh C di chuyển về phía sau đầu độinắp được nhả ra Túi sản phẩm được đưa ra khỏi miệng rót, công nhân vậnhành lấy túi ra khỏi đầu đội Lúc này bàn nâng được hạ xuống đến vị trí cảmbiến hành trình L1 thì dừng lại Băng tải cuốn đưa thùng sản phẩm ra ngoài

đến vị trí cảm biến thùng G2 thì băng tải dùng, công nhân chuyển thùng vàokho bảo quản Máy rót sẵn sàng rót thùng tiếp theo

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

2.3.1 Giới thiệu PLC SattCon 05 Slimline

SattCon 05 Slimline bộ điều khiển lập trình kích thước nhỏ gọn, đápứng được những ứng dụng có số đầu vào và đầu ra không nhiều Cấu tạo PLCcủa SattCon 05 Slimline là dạng Onboard, có nghĩa là số lượng đầu vào và đầu

ra được thiết kế cố định trên một Mainboard Để tăng tính linh hoạt cho PLCSattCon 05 Slimline, phần mềm lập trình cho phép PLC giao tiếp với màn hìnhSattCon OP45/ SattCon OP45SB một cách dễ dàng Mỗi PLC SattCon 05Slimline đều có đầu vào, đầu ra tương tự và số, do đó đáp ứng được cơ bản yêucầu điều khiển của nhà máy Hệ thống SattCon 05 Slimline làm việc độc lậphoặc giao tiếp với các trạm PLC khác thông qua cổng truyền thông mạng Tuỳthuộc vào yêu cầu của công nghệ mà lựa chọn các dòng PLC của SattCon 05Slimline có 5 loại là: SD23D, SDA, SD24D, SD24RS và SACV Một số thiết

bị phụ trợ như: Backup unit(SBUP05), nguồn pin cho đồng hồ thời gian thực(Realtime BRT15), bộ chuyển đổi số(PTC05), chuyển đổi tương tự ( ATC05),

bộ giao diện mã hoá xung (IP05)

SBUP05 Backup unit BRT15, Battery-backed

real time clock

PTC05 digital inputs

simulator

IP05 pulse encoder interface

ATC05 digital inputs simulator

H×nh 2.22 Mét sè thiÕt bÞ phô trî cña SattCon 05 Slimline

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

Hình 2.23 Giao diện phần mềm lập trình DOX 10

Để đáp ứng yêu cầu công nghệ hệ thống máy rót nước dứa cô đặc sửdụng hai PLC là SDA và SD24D

a Cấu hình PLC SattCon 05 Silmline SDA

Hình 2.24 Cấu hình của PLC SattCon 05 Slimline SDA