HD5 bùi huy anh nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA giám sát chu trình sản xuất ứng dụng PLC s7 1200 1500

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA GIÁM SÁT CHU TRÌNH SẢN XUẤT ỨNG DỤNG PLC S7 1200/1500 Giáo viên hướng dẫn: Th.S Bùi Huy Anh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Quang 2018606446 Phan Văn Sơn 2018606843 Trần Xuân Tốn 2018606780 Khoa – Khóa: Cơ khí – K13 Hà Nội – 2022 MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu LỜI MỞ ĐẦU .5 Chương Giới thiệu chung hệ thống giám sát quy trình sản xuất 1.1 Lịch sử nghiên cứu hệ thống giám sát quy trình sản xuất 1.2 Các vấn đề đặt với đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp thực 1.5 Giới hạn đề tài Chương Tổng quan hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều sử dụng PLC S7-1200 10 2.1 Hệ thống giám sát SCADA thời gian thực [1] [2] [3] 10 2.1.1 Khái niệm SCADA 10 2.1.2 Cấu trúc hệ thống SCADA 11 2.1.3 Ưu điểm hệ thống SCADA 13 2.1 Bộ điều khiển PLC S7-1200 [4] [5] [6] [7] 13 2.1.1 PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC 13 2.1.2 Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC 15 2.1.3 Khả kết nối PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC 16 2.2 HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS [2] [8] 20 2.2.1 Màn hình cảm ứng HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS 20 2.2.2 Thông số kỹ thuật HMI TP700 Comfort SIEMENS 21 2.3 Phần mềm TIA Portal V16 [1] [4] [5] [9] [10] 21 2.4 Truyền thông PROFINET [1] [2] [3] [11] 23 2.4.1 Khái niệm 23 2.4.2 Cấu hình truyền thơng PROFINET cho hệ thống SCADA 23 2.5 Các cấu chấp hành quy trình đóng hộp hạt điều [11] 25 2.5.1 Băng tải 25 2.5.2 Máy đóng nắp 27 2.5.3 Máy dán nhãn 27 2.5.4 Xy lanh khí nén tác động kép 28 2.5.5 Van điện từ khí nén 29 2.5.6 Đèn báo 30 2.6 Hệ thống cảm biến [12] [13] 30 2.6.1 Cảm biến khối lượng (Loadcell) 30 2.6.2 Cảm biến tiệm cận điện dung 31 2.6.3 Cảm biến quang phản xạ 32 Chương Thiết kế hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều .33 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 33 3.1.1 Khối điều khiển 33 3.1.2 Khối cấp hạt 34 3.1.3 Khối đóng nắp 34 3.1.4 Khối phân loại 34 3.1.5 Khối dán nhãn 35 3.1.6 Khối vận chuyển 35 3.1.7 Khối tương tác hiển thị 35 3.2 Hoạt động quy trình đóng hộp hạt điều 36 3.2.1 Giai đoạn cấp hạt điều 36 3.2.2 Giai đoạn đóng nắp 37 3.2.3 Giai đoạn kiểm tra sản phẩm lỗi đóng nắp 37 3.2.4 Giai đoạn dán nhãn 38 3.2.5 Giai đoạn chuyển hộp thành phẩm tới điểm vận chuyển 39 3.3 Tính toán lựa chọn thiết bị cho hệ thống 39 3.3.1 Tính tốn lựa chọn động [11] [14] [15] 41 3.3.2 Tính tốn lựa chọn xy lanh [11] [16] [17] 44 3.3.3 Lựa chọn kết nối cảm biến hệ thống [11] [12] [13] 50 3.3.4 Lựa chọn nút nhấn 55 3.3.5 Lựa chọn đèn báo 55 3.4 Thiết kế hệ thống SCADA giám sát hệ thống [1] [2] [3] [8] [9] [18] 56 3.4.1 Tạo dự án phần mềm TIA Portal V16 56 3.4.2 Khai báo kết nối thành phần 57 3.4.3 Khai báo module mở rộng cho PLC S7-1200 58 3.4.4 Thiết kế giao diện HMI 59 3.5 Viết chương trình điều khiển cho hệ thống [5] [6] [7] [8] [19] 76 3.5.1 Lưu đồ thuật toán 76 3.5.2 Lập bảng địa 77 3.5.3 Chương trình điều khiển 83 3.6 Gán biến mơ từ chương trình lên HMI [2] [8] [9] 83 3.6.1 Tạo chức tác động cho nút ấn công tắc 83 3.6.2 Tạo hiệu ứng đổi màu cho đối tượng 84 3.6.3 Tạo hiệu ứng chuyển động cho đối tượng 84 3.7 Mô hệ thống máy tính 85 3.7.1 Nạp chương trình vào PLC ảo 85 3.7.2 Nạp liệu lên HMI ảo 86 3.8 Kết nối hệ thống với PLC HMI thực tế [2] [8] [9] 86 3.8.1 Kết nối nạp chương trình vào PLC thật 86 3.8.2 Kết nối nạp liệu lên HMI thật 87 3.9 Kết nối hệ thống điện cho hệ thống 88 Chương Kết luận định hướng phát triển 89 4.1 Chạy thử hệ thống 89 4.1.1 Chạy mô hệ thống HMI PLC ảo 89 4.1.2 Chạy thử hệ thống thiết bị thật 112 4.2 Kết luận 127 4.2.2 Hạn chế 127 4.3 Phương hướng phát triển 128 Tài liệu tham khảo 129 Phụ lục 1: Chương trình điều khiển hệ thống 130 Phụ lục 2: Bản vẽ kết nối hệ thống điện cho quy trình đóng hộp hạt điều 171 Phụ lục 3: Bản vẽ thiết kế quy trình đóng hộp hạt điều 176 Danh mục hình ảnh Hình Hệ thống SCADA sử dụng để theo dõi quản lý nhà máy Hình 1.1 Bảng điều khiển truyền thống nhà máy xử lý nước thải Hình 2.1 Giám sát hệ thống lưới điện ứng dụng SCADA Cao Bằng 11 Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống SCADA 11 Hình 2.3 Giao diện người – máy HMI 12 Hình 2.4 PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC 14 Hình 2.5 Sơ đồ kết nối PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC 16 Hình 2.6 Khả mở rộng PLC S7-1200 17 Hình 2.7 Lắp ráp mạch tín hiệu cho PLC S7-1200 18 Hình 2.8 Module tín hiệu mở rộng PLC S7-1200 19 Hình 2.9 Module truyền thông mở rộng PLC S7-1200 19 Hình 2.10 HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS 20 Hình 2.11 Nhận diện phần mềm TIA Portal V16 21 Hình 2.12 Kết nối trực tiếp truyền thơng PROFINET 24 Hình 2.13 Kết nối kiểu mạng truyền thông PROFINET 24 Hình 2.14 Cấu hình địa IP cho CPU TIA Portal V16 25 Hình 2.15 Băng tải xích nhựa sử dụng cơng nghiệp 26 Hình 2.16 Máy đóng nắp chai 27 Hình 2.17 Máy dán nhãn 28 Hình 2.18 Cấu tạo xy lanh tác động kép 29 Hình 2.19 Van điện từ khí nén 5/2 29 Hình 2.20 Đèn báo 30 Hình 2.21 Nguyên lý hoạt động cảm biến khối lượng 31 Hình 2.22 Cấu tạo hoạt động cảm biến tiệm cận điện dung 31 Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động cảm biến quang phản xạ 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 33 Hình 3.2 Khối điều khiển 33 Hình 3.3 Khối cấp hạt 34 Hình 3.4 Khối đóng nắp 34 Hình 3.5 Khối phân loại 34 Hình 3.6 Khối dán nhãn 35 Hình 3.7 Khối vận chuyển 35 Hình 3.8 Khối tương tác hiển thị 35 Hình 3.9 Sơ đồ quy trình đóng hộp hạt điều 36 Hình 3.10 Giai đoạn cấp hạt điều 36 Hình 3.11 Giai đoạn đóng nắp 37 Hình 3.12 Giai đoạn kiểm tra sản phẩm lỗi đóng nắp 37 Hình 3.13 Giai đoạn dán nhãn 38 Hình 3.14 Giai đoạn chuyển hộp tới điểm vận chuyển 39 Hình 3.15 Động điện 5IK60GN-CWE 44 Hình 3.16 Các lực tác dụng lên hộp xy lanh đẩy hộp 44 Hình 3.17 Xy lanh MAL 25x300 45 Hình 3.18 Các lực tác dụng lên hộp trình xy lanh kẹp hộp 46 Hình 3.19 Xy lanh MAL 20x75 47 Hình 3.20 Xy lanh MAL 20x150 48 Hình 3.21 Xy lanh MAL 20x100 49 Hình 3.22 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 50 Hình 3.23 Cảm biến khối lượng MAVIN NA3 500kg 50 Hình 3.24 Cảm biến khối lượng MAVIN NA1 10kg 51 Hình 3.25 Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell YJ-S60 52 Hình 3.26 Kết nối cảm biến khối lượng với PLC 53 Hình 3.27 Cảm biến tiệm cận điện dung Omron E2K-C25MF1 53 Hình 3.28 Cách nối cảm biến tiệm cận điện dung với PLC 54 Hình 3.29 Cảm biến quang Omron E3FA-DP11 54 Hình 3.30 Kết nối cảm biến quang với PLC S7-1200 55 Hình 3.31 Kết nối nút nhấn Schneider XA2EA31 với PLC S7-1200 55 Hình 3.32 Kết nối đèn báo AL16M với PLC S7-1200 55 Hình 3.33 Tạo dự án TIA Portal V16 56 Hình 3.34 Thêm thành phần cần thiết vào dự án 56 Hình 3.35 Giao diện làm việc dự án 57 Hình 3.36 Tạo kết nối PLC HMI 58 Hình 3.37 Thêm module mở rộng cho PLC S7-1200 58 Hình 3.38 Tạo hình mẫu 59 Hình 3.39 Thêm điều chỉnh thành phần hình 60 Hình 3.40 Giao diện hình mẫu sau thiết kế 60 Hình 3.41 Thêm hình lớn vào dự án 61 Hình 3.42 Sử dụng mẫu cho hình 62 Hình 3.43 Màn hình với giao diện mẫu 62 Hình 3.44 Thêm đối tượng hình 63 Hình 3.45 Các đối tượng thư viện đồ họa 64 Hình 3.46 Nhóm đối tượng đồ họa tương tác 64 Hình 3.47 Nhóm đối tượng thống kê 64 Hình 3.48 Màn hình mơ hệ thống 65 Hình 3.49 Màn hình mơ máy công tác 66 Hình 3.50 Màn hình trạng thái cảm biến 66 Hình 3.51 Màn hình trạng thái khâu tác động 67 Hình 3.52 Màn hình thống kê 67 Hình 3.53 Tạo chức chuyển hình cho nút bấm 68 Hình 3.54 Màn hình cạnh 69 Hình 3.55 Kích hoạt hình cạnh dự án 69 Hình 3.56 Bảng điều khiển hệ thống 70 Hình 3.57 Màn hình thả 70 Hình 3.58 Thêm hình thả vào dự án 71 Hình 3.59 Màn hình thả hệ thống 71 Hình 3.60 Tạo chức gọi hình thả cho nút bấm 72 Hình 3.61 Màn hình hiển thị thơng báo 73 Hình 3.62 Tạo bảng thông báo HMI 74 Hình 3.63 Tạo danh sách thơng báo 75 Hình 3.64 Lưu đồ thuật toán hệ thống 76 Hình 3.65 Gán biến tác động cho nút ấn 83 Hình 3.66 Tạo hiệu ứng màu sắc cho đối tượng 84 Hình 3.67 Tạo hiệu ứng chuyển động cho đối tượng 85 Hình 3.68 Nạp chương trình vào PLC ảo 85 Hình 3.69 Nạp liệu lên HMI ảo 86 Hình 3.70 Kết nối nạp chương trình vào PLC S7-1200 thật 87 Hình 3.71 Kết nối nạp chương trình với HMI thật 87 Hình 4.1 Màn hình khởi động hệ thống 89 Hình 4.2 Màn hình truy cập hệ thống 90 Hình 4.3 Bảng điều khiển chế độ Manual 90 Hình 4.4 Hiện hình điều khiển tay cho khâu tác động 91 Hình 4.5 Điều khiển tay khâu tác động 91 Hình 4.6 Chế độ chạy tự động 92 Hình 4.7 Chế độ mơ 93 Hình 4.8 Mơ khối lượng bồn chứa 94 Hình 4.9 Hệ thống hoạt động chế độ mô 94 Hình 4.10 Hộp vào đầu băng tải 95 Hình 4.11 Hộp tới vị trí cấp hạt 95 Hình 4.12 Cấp hạt xong 96 Hình 4.13 Chi tiết hoạt động máy đóng nắp 96 Hình 4.14 Hộp vào vị trí đóng nắp 96 Hình 4.15 Hộp dập nắp xong 97 Hình 4.16 Trở lại giao diện hệ thống 97 Hình 4.17 Hộp đóng nắp tới vị trí kiểm tra 98 Hình 4.18 Mơ hộp lỗi băng tải 98 Hình 4.19 Chi tiết hoạt động máy dán nhãn 98 Hình 4.20 Hộp vào máy dán nhãn 99 Hình 4.21 Hộp tới vị trí dán nhãn 99 Hình 4.22 Hộp dán nhãn 100 Hình 4.23 Trở lại giao diện làm việc 100 Hình 4.24 Hộp tới cuối băng tải 101 Hình 4.25 Đủ hai hộp cuối băng tải 101 Hình 4.26 Hộp tới cuối băng tải thành phẩm 101 Hình 4.27 Đủ cặp hộp cuối băng tải hộp thành phẩm 102 Hình 4.28 Thùng di chuyển tới vị trí vận chuyển 102 Hình 4.29 Menu hệ thống 103 Hình 4.30 Màn hình theo dõi trạng thái cảm biến 103 Hình 4.31 Màn hình theo dõi trạng thái khâu tác động 104 Hình 4.32 Màn hình thống kê sản lượng hệ thống 104 Hình 4.33 Màn hình hiển thị thơng báo 105 Hình 4.34 Thơng báo hết ngun liệu 105 Hình 4.35 Dừng hệ thống thông báo hết nguyên liệu 106 Hình 4.36 Thơng báo có sản phẩm lỗi liên tiếp 107 Hình 4.37 Dừng hệ thống thơng báo gặp 10 sản phẩm lỗi liên tiếp 107 R 50 , 12 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 3810 Nh Vụ 135,40 3970 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: XÍCH BĂNG TẢI CHÍNH 162 Tờ số: 10 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:25 190,50 50 R , 12 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 1969 1810 Nh Vụ 135,40 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: XÍCH BĂNG TẢI PHỤ Tờ số: 11 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:12 190,50 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Nh Vụ Thiết kế Vẽ Duyệt 10 190 33 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: XÍCH NHỰA R3,18 4,50 13,50 Tờ số: 12 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:2 38,10 51,60 40 80 30 40 Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt R5 Họ tên 40 31 Nh Vụ 212 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày 2,50 Vật liệu: 1060 Alloy TẤM NỐI BĂNG TẢI Tờ số: 13 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI 24 Tỷ lệ: 1:3 117 20 20 25 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt R1 Nh Vụ 40 50 30 20 192 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: THANH TRỤ (CƠ CẤU DẬP NẮP) 40 10 10 Tờ số: 14 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:3 15 80 6° 10 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt R5 30 Nh Vụ 198 243 300 60 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: TẤM GIỮ HỘP 29 Tờ số: 15 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:3 72,50 100 60 30 10 Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 10 Họ tên 55 Nh Vụ 50 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày 205 THANH TRỤ XYLANH P4 30 Vật liệu: 64 30 350 Tờ số: 16 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:4 278 40 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 5 22,50 Nh Vụ 55 30 7,50 68 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày 30 15 40 Vật liệu: TẤM GÁ XYLANH P4 240 Tờ số: 17 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:3 25 R1 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt Nh Vụ 40 50 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: TẤM GÁ CHÂN (CƠ CẤU DẬP NẮP) 40 Tờ số: 18 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:1 40 30 60 12,50 150 30 14 24 40 Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Vẽ Duyệt 40 Thiết kế 230 195 Họ tên 20 Nh Vụ 15 66,50 650 35 Ký 25 102 18.05.22 18.05.22 Ngày 35 Vật liệu: TẤM GIÁ (CƠ CẤU DẬP NẮP) 300 Tờ số: 19 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:7 20 90 50 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 12 80 Nh Vụ 20 380 80 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày 755 Vật liệu: 240 300 CHÂN ĐẾ 30 50 75 470 Tờ số: 20 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:10 25 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 10 Nh Vụ 50 55 85 20 15 50 10 100 60 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày 70 100 Vật liệu: TẤM ĐỠ BĂNG TẢI R1 Tờ số: 21 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:2 15 20 250 195 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 20 Nh Vụ 40 50 80 80 28 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày 160 10 Vật liệu: TẤM GÁ XYLANH P5 Tờ số: 22 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:3 179 10 10 14 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 6, Nh Vụ 195 178 10 40 250 Ký 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: TẤM GÁ XYLANH ST1 10 80 50 Tờ số: 23 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:3 65 Họ tên Nguyễn Minh Quang Nguyễn Minh Quang Bùi Huy Anh Thiết kế Vẽ Duyệt 80 6, Nh Vụ 395 378 27,50 Ký 20 10 14 10 40 450 18.05.22 18.05.22 Ngày Vật liệu: TẤM GIÁ XYLANH S300 10 80 50 Tờ số: 24 Khối lượng: Khoa: CƠ KHÍ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Số tờ: 24 Tỷ lệ: 1:4 65 110 ... “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều sử dụng PLC S7- 1200? ?? Báo cáo trình bày cách chi tiết khái niệm hệ thống SCADA trình thiết kế quy trình đóng hộp hạt điều giám. .. giám sát quản lý hệ thống SCADA qua giao tiếp HMI sử dụng điều khiển PLC S7- 1200 Việc tìm hiểu hồn thành đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống SCADA giám sát quy trình đóng hộp hạt điều sử dụng PLC. .. PLC S7- 1200? ?? bước đầu giúp sinh viên làm quen ứng dụng xu hướng sản xuất đại vào sản phẩm tương lai Chương Giới thiệu chung hệ thống giám sát quy trình sản xuất 1.1 Lịch sử nghiên cứu hệ thống giám