Đồ án thiêt kế,giám sát dây chuyền sản xuất cà phê bột

Hiện nay, bộ điều khiển lập trình PLC đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điều khiển, tự động hóa cả trong dân dụng và công nghiệp vì có nhiều ưu điểm như: làm việc c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Đồ án môn học 3:

GVHD: TRẦN MẠNH SƠN

SVTH : BÙI XUÂN THÀNH 09202048 PHAN THẾ HÀ 09202011

TP.Hồ Chí Minh, Tháng 1 năm 2013

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ khối của dây chuyền sản xuất cà phê

Hình 2.2 Sơ đồ chi tiết hệ thống

Hình 3.1 CPU 314C-2-PTP

Hình 3.2 Bộ nguồn PS 307

Hình 3.3 Cảm biến E3F3

Hình 3.4 Sơ đồ mạch động lực

Hình 3.5 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 4.1 Lưu đồ chương trình điều khiển quy trình hoạt động của hệ thống Hình 4.2 Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 1

Hình 4.3 Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 2

Hình 4.4 Giao diện giám sát hệ thống sản xuất cà phê bột

Hình 4.5 Hệ thống bắt đầu hoạt động

Hình 4.6 Van 2 xả cà phê vào bồn rang

Hình 4.7 Van 1 xả cà phê trở lại vào bồn rang

Hình 4.8 Van 3 xả cà phê bột vào bồn nguyên liệu 2

Hình 4.9 Van 4 xả cà phê bột vào hộp

Hình 4.10 Trạng thái sự cố máy xay

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng kế hoạch

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật CPU

Bảng 3.2 Thông số bộ nguồn PS 307

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cảm biến E3F3

Bảng 3.4 Hình ảnh và các thông số động cơ

Bảng 3.5 Hình ảnh và thông số các thiết bị bảo vệ, điều khiển Bảng 3.6 Hình ảnh và các thông số van điện từ

Bảng 3.7 Thiết bị kết nối ngõ vào ra

Bảng 4.1 Các Tag trong Wincc

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TP.Hồ Chí Minh, ngày… Tháng… năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy

tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy

cô khoa Điện - Điện Tử đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích tạo tiền đề

quan trọng cho nhóm thực hiện đồ án này

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy TRẦN MẠNH SƠN đã

hướng dẫn tận tình, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng giúp nhóm có nhiều

điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Cảm ơn bạn bè đã góp ý kiến, giúp đỡ nhóm hoàn thành đề tài này

Nhóm thực hiện

Bùi Xuân Thành Phan Thế Hà

iv

3111897

Chương 1: Tổng Quan

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế thị trường, cuộc sống con người ngày càng trở nên bận rộn hơn Công việc ngày càng nhiều và áp lực không ngừng tăng cao Trong những lúc như vậy,việc uống một tách cà phê là cần thiết nhất giúp ta tỉnh táo, làm việc, học tập hiệu quả hơn Mỗi buổi sáng, uống cà phê giúp tinh thần minh mẩn và thoải mái hơn…Nước ta là một trong những quốc gia xuất khẩu cà phê hàng đầu trên thế giới với sản lượng gần 1 triệu tấn/năm với tổng diện tích đất trồng trên 500 nghìn ha diện tích Sản xuất cà phê đã đem lại nguồn lợi kinh tế cao cho đất nước Và ngành sản xuất cà phê đang là 1 trong những ngành phát triển rất mạnh Các nhà sản xuất cà phê không ngừng mở rộng sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường trong và ngoài nước Để đáp ứng được vấn đề đó cần đến một quy trình công nghệ tốt Do đó thiết

kế và giám sát một dây chuyên sản xuất cà phê sao cho đem lại hiệu quả cao là điều rất quan trọng và cần thiết

Hiện nay, bộ điều khiển lập trình PLC đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điều khiển, tự động hóa cả trong dân dụng và công nghiệp vì có nhiều ưu điểm như: làm việc chắc chắn, bền, độ tin cậy cao thích hợp với môi trường công nghiệp nói chung và nhà sản xuất cà phê nói riêng trong việc điều khiển các dây chuyền với nhiều động cơ, băng tải làm việc liên tục trong thời gian dài Mặt khác, PLC có cấu trúc nhỏ gọn, kết nối đơn giản không cần bo mạch như các thiết bị mạch số khác PLC có thể lập trình dễ dàng không đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức sâu về vi tính hay ngôn ngữ lập trình Do vậy việc ứng dụng PLC trong điều khiển dây chuyền sản xuất sẽ phát huy hiệu quả tốt, nâng cao năng suất, tăng nguồn thu nhập cho nhà sản xuất

Khi một dây chuyền sản xuất đang hoạt động, để đảm bảo quá trình hoạt động diễn ra được an toàn, hiệu quả thì nó phải luôn được vận hành, kiểm tra, giám sát thường xuyên, để kịp thơi phát hiện các sự cố xảy ra và xử lý một cách nhanh chóng, để quá trình sản xuất được diễn ra liên tục, đảm bảo năng suất và chất lượng Giảm được chi phí sản xuất, bảo trì Quá trình giám sát toàn bộ hệ thống là rất phức tạp nhưng nó sẽ trở nên đơn giản khi ta ứng dụng hệ thống thu thập dữ liệu

và điều khiển SCADA.

1.2 Mục tiêu và giới hạn của đồ án

Mục tiêu của đề tài nhằm thiết kế, điều khiển và giám sát một dây chuyền sản xuất cà phê theo quy trình công nghiệp Ứng dụng PLC vào quá trình điều khiển

5

Chương 1: Tổng Quan

các thiết bị, động cơ,… Ứng dụng WinCC cho hệ thống SCADA tạo giao diện điều khiển và giám sát các quá trình đó

Do thời gian, kinh phí còn nhiều hạn chế nên đề tài chỉ giới hạn việc thiết kế mô phỏng mà không thể làm thành mô hình thực tế Các quy trình công nghệ được thiết

kế không hoàn toàn giống so với thực tế, đã được lược bỏ nhiều công đoạn Quá trình điều khiển và giám sát chỉ thực hiện cho các động cơ, cảm biến là chủ yếu theo quy trình công nghệ đặt ra Các cảm biến có trong dây chuyền chỉ được tác động bằng tay

1.3 Nội dung đồ án

Nội dung của đề tài được tóm tắt như sau:

Chương 2: Quy trình công nghệ dây chuyền sản xuất cà phê bột

Chương này giới thiệu về cách phân loại cà phê và trình bày quy trình sản xuất cà phê bột, từ đó xây dựng một hệ thống chi tiết cho đồ án và giải thích quy trình hoạt động của hệ thống

Chương 3: Lựa chọn thiết bị và kết nối phần cứng

Chương này trình bày cách lựa chọn các thiết bị tương ứng cho hệ thống, kết hợp các yếu tố đưa ra thiết kế hoàn chỉnh nhất cho hệ thống Phần cuối chương trình bày sơ đồ kết nối phần cứng, quá trình hoạt động của hệ thống tạo nền tảng cho việc viết chương trình điều khiển và giám sát

Chương 4: Thuật toán điều khiển

Chương này trình bày thuật toán điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống được mô phỏng trên PLC và phần phềm SCADA

Chương 5: Kết quả và hướng phát triển

Chương này trình bày kết quả nhóm đã làm được và từ đó đưa ra hướng phát triển cho hệ thống để tối ưu hóa hệ thống hơn trong tương lai

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đồ án

Nội dung của đồ án cung cấp toàn bộ các bước tiến hành và cách thức xây dựng, thiết kế hệ thống sản xuất cà phê bột, từ đó đưa ra phương án mới giúp tiếp cận và xây dựng mọi quy trình sản xuất hay hệ thống tự động bất kỳ trên thực tế hiện nay Sau khi hoàn thành hệ thống thì công nghệ trong hệ thống sẽ được ứng dụng vào các nhà máy sản xuất cà phê bột nhằm nâng cao sản lượng, chất lượng của cà phê, giảm chi phí vận hành nhằm giảm giá thành và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường

Sau quá trình thực hiện đồ án nhóm thực hiện đã học được các kiến thức và kỹ năng quan trọng trong việc tiếp cận thiết kế và xây dựng một hệ thống bất kỳ, khả năng thiết kế - lập trình điều khiển các hệ thống trên PLC cũng như trên các giao

6

Chương 1: Tổng Quan

diện giám sát SCADA, khả năng xử lý tín hiệu từ các cảm biến và kết nối các thiết

bị cho các hệ thống giúp hỗ trợ rất nhiều cho quá trình hoạt động trong các lĩnh vực chuyên nghành sau này

7

Chương 2: Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cà Phê

Chương 2

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN

SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT

2.1 Sơ lược về cách phân loại cà phê

Cà phê chia ra nhiều loại tùy theo cách rang Rang cà phê là để cho bớt độ ẩm trong hạt, dầu thơm tỏa ra Chừng một thế kỷ trước, cà phê phải rang tại nhà bằng

lò than Hiện nay người ta rang bằng gas hay bằng điện nhưng có nơi vẫn rang bằng than, cho rằng rang bằng than ngon hơn

Trong kỹ nghệ, cà phê được rang với số lượng lớn dùng nhiệt độ cao trong một thời gian nhanh (khoảng 204 đến 2600 C trong vòng 5 phút) Gần đây nhất, cà phê được kiểm soát bằng máy tính qua mọi tiến trình Cà phê nay được bán trong các tiệm bách hóa thường rang và xay ngay tại chỗ cho thêm phần quyến rũ và bảo đảm với khách hàng là sản phẩm còn tươi nguyên mới ra lò

Cà phê cũng phân biệt theo cách xay, xay mịn hay to hạt tùy theo cách pha Trong khoảng một trăm năm trở lại đây, người ta đã chế biến ra loại cà phê bột, chỉ cần bỏ vào nước sôi là uống được Cà phê bột được điều chế theo hai cách: làm khô bằng cách đông lạnh (freeze drying) hay làm khô bằng cách phun (spray drying)

Cả hai đều phải được lọc trước để rút hết tinh chất rồi phun ra thành những hạt li ti

để làm khô Nhiều kỹ thuật mới đã được thí nghiệm để cà phê bột không bị biến dạng và mất mùi Tuy nhiên những người khó tính vẫn cho rằng cà phê bột không thể nào bằng cà phê pha được

2.2 Quy trình công nghệ

Theo cách phân loại cà phê ở trên, quy trình công nghệ của hệ thống sản xuất cà phê bột sẽ được chọn như sau:

Cà phê nhân sau khi qua sơ chế ban đầu được đưa vào bồn rang xử lý ở nhiệt độ cao để giữ màu sắc và hương vị và dễ xay Sau đó, cà phê được đưa qua máy xay

và được xay mịn thành cà phê bột giúp các chất trong cà phê dễ hòa vào nước, giúp giải phóng CO2 và dễ hấp thụ nước nóng Sau cùng, cà phê bột được đưa qua bồn nguyên liệu để cho vào hộp chuyển đến khâu đóng gói Sơ đồ khối hệ thống được biểu diển như hình 2.1

2.3 Xây dựng sơ đồ chi tiết và giải thích quy trình hoạt động

2

Chương 2: Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cà Phê

Từ yêu cầu quy trình công nghệ của hệ thống, sơ đồ chi tiết cho hệ thống được xây dựng như hình 2.2, từ đó trình bày được quy trình hoạt động của hệ thống cụ thể như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối của dây chuyền sản xuất cà phê

Khi hệ thống bắt đầu hoạt động ( nhấn ON ), nếu trong bồn nguyên liệu đã hết

cà phê (cảm biến hết bồn nguyên liệu 1 tác động) thì băng tải 1(băng tải nguyên liệu) hoạt động đưa nguyên liệu vào bồn tới khi đầy ( cảm biến đầy bồn nguyên liệu

1 ) thì băng tải 1 ngưng Đồng thời, khi nhấn ON van 1 mở đưa nguyên liệu vào bồn rang, khi bồn rang đầy ( cảm biến đầy bồn rang) động cơ bồn rang chạy để trộn đều cà phê trong khoản thời gian 5 phút, sau đó cà phê sẽ được đưa qua máy xay, khi đầy bồn máy xay thì máy xay bắt đầu hoạt động trong vòng 5 phút để xay cà phê thành bột Sau khi cà phê được xay nát, cà phê được đưa vào bồn nguyên liệu

2 Băng tải 2 cũng hoạt động khi hệ thống bắt đầu hoạt động, băng tải 2 đưa hộp vào vị trí xả của van 4, khi van 4 xả cà phê bột vào đầy hộp, băng tải 2 sẽ đưa hộp đến vị trí để hoàn thành khâu đóng gói Hệ thống ngưng hoạt động khi nhấn nút OFF

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết hệ thống

3

CÀ PHÊ

NHÂN

BỒN NGUYÊN LIỆU

BỒN RANG

LIỆU

MÁY XAY

Chương 2: Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cà Phê

4

Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

Chương 3

LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ KẾT NỐI

PHẦN CỨNG

3.1 Lựa chọn thiết bị

Trong một hệ thống bất kì thì việc lựa chọn các thiết bị thích hợp sẽ tạo nhiều thuận lợi trong việc điều khiển giám sát hoạt động của mô hình Sau khi tìm hiểu và phân tích chức năng và yêu cầu của hệ thống, các thiết bị được lựa chọn như sau:

3.1.1 Lựa chọn PLC điều khiển hệ thống

3.1.1.1 Lựa chọn CPU cho PLC

PLC là bộ điều khiển trung tâm được xem như là bộ não của toàn bộ hệ thống, mọi chức năng điều khiển - giám sát điều thông qua PLC, vì vậy việc lựa chọn PLC thích hợp là rất quan trọng Trên thực tế hiện nay các hệ thống pha chế dầu nhờn sử dụng nhiều công nghệ và các loại PLC khác nhau như SIEMENS, ROCKWELL, MITSUBISHI, OMRON, PANASONIC… mỗi loại PLC đều có các tính năng riêng biệt nên tùy vào yêu cầu hệ thống sẽ chọn được loại PLC thích hợp nhất

Sau quá trình phân tích chức năng và yêu cầu của hệ thống, thì PLC S7-300 của hãng SIEMENS được chọn là thích hợp nhất, với những ưu điểm sau:

- Nhiều kết nối I/O

- Thời gian đáp ứng nhanh

- Yêu cầu kết nối mạng

- Có khả năng mở rộng cho sau này

- Được thiết kế dưới dạng module, thuận tiện cho việc thiết kế và lắp đặt

- Ngông ngữ lập trình đang dạng, có thể lựa chọn linh hoạt theo sở trường người thiết kế và người vận hành

Với những đặc tính trên, PLC có CPU 314C-2-PTP ( xem hình 3.1) được chọn trong hệ thống sản xuất cà phê bột này Với các thông số kỹ thuật như bảng 3.1

3.1.1.2 Lựa chọn bộ nguồn cho PLC

Để module CPU hoạt động được cần có một bộ nguồn cung cấp Điều kiện chọn

bộ nguồn là :

- Nguồn cấp cho bộ nguồn phù hợp với lưới điện

4

Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

- Ngõ ra của bộ nguồn phù hợp điều kiện về áp, dòng với ngõ vào của CPU

- Phù hợp kích thước để kết nối được với module CPU

Bộ nguồn PS 307 như hình 3.2 được chọn vì thõa hết các điều kiện trên Thông

số kỹ thuật xem bảng 3.2

Hình 3.1: CPU 314C-2-PTP Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật CPU

5

Thông số kỹ thuật CPU 314C-2-PTP

Mã sản phẩm 6ES7313-6BF03- 0AB0 Nguồn cung cấp 24VDC Dòng tiêu thụ 0.9A

Kích thước W x H x D 120 x 125 x 130 Ngõ vào số tích hợp sẵn Sinking,

16DI(24VDC) Ngõ ra số tích hợp sẵn 16DO(24VDC) Sourcing,

3111897

Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

Hình 3.2: Bộ nguồn PS 307 Bảng 3.2: Thông số bộ nguồn PS 307

3.1.2 Lựa chọn cảm biến cho hệ thống

Cảm biến được chọn phải đáp ứng được yêu cầu điều khiển như:

- Đáp ứng nhanh

- Độ chính xác cao

- An toàn

- Tiết kiệm diện tích

- Phù hợp với môi trường

- Thích hợp với PLC

Để đáp ứng những điều kiện trên, cảm biến quang điện loại E3F3 (xem hình 3.2) của hãng OMRON được chọn, ngoài ra nó còn mang nhiều đặc tính ưu điểm khác như chống nhiễu, phát hiện khoản cách dài, có thể thay đổi khoản cách phát hiện, thích hợp ở môi trường nhiệt độ cao, nhiều bụi,… Vì thế, cảm biến E3F3 được chọn trong hệ thống này Thông số kỹ thuật như bảng 3.3

3.1.3 Lựa chọn động cơ và thiết bị bảo vệ, điều khiển động cơ

3.1.3.1 Lựa chọn động cơ

Động cơ điện trong dây chuyền phải đảm bảo hoạt động chắc chắn, đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra theo đúng yêu cầu công nghệ, không xảy ra sự cố để tránh làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Với hệ thống sản xuất cà phê này có nhiều động cơ, mỗi động cơ mang một nhiệm vụ khác nhau nên cần phải được chọn khác nhau Các động cơ được chọn như bảng 3.4

3.1.3.2 Lựa chọn thiết bị bảo vệ và điều khiển động cơ

6

Thông số kỹ thuật PS 307

Mã sản phẩm 6ES7307-1KA01-0AA0 INPUT 120/230 VAC

Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

Để các động cơ hoạt động ổn định và an toàn thì các thiết bị điều khiển và bảo

vệ cũng cần phải được chọn sao cho phù hợp với từng động cơ Các thiết bị được chọn như bảng 3.5

Hình 3.3: Cảm biến E3F3 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật cảm biến E3F3

Tên thiết bị Hình ảnh Thông số kỹ thuật

Động cơ băng tải

1

Hãng sản

Công suất 1.5Hp Điện áp 3 pha,

380V-50Hz

Hiệu suất (%)

82

Tốc độ trục ra

750v/ph

Động cơ băng tải

2

Hãng sản xuất

Rossi

Công suất 0.5Hp Điện áp 3 pha,

380V-50Hz

Hiệu suất (%)

80

Tốc độ trục ra

300v/ph

Động cơ bồn

rang

Hãng sản

Công suất 3Hp Điện áp 3 pha,

380V-50Hz

Hiệu suất (%)

85

Tốc độ trục ra

50v/ph

7

Thông số kỹ thuật cảm biến E3F3 Nguồn cấp 12 to 24 VDC

Khoản cách phát hiện

Tối đa 300mm Công suất tiêu thụ Tối đa 25mA Ngõ ra điều khiển

Ngõ ra transistor collector

hở, tối đa 100mA, điện áp dư: tối đa 1V ở 100mA

Tải bản FULL (FILE WORD 37 trang): bit.ly/2Ywib4t