NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ - ĐIỆN  BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA” Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp : Ths.Đặng Thị Thúy Huyền : Nguyễn Đăng Minh : K59 – TĐHB MSV : 597745 Hà Nội-2022LỜI CẢM ƠN Mơn học hồn thành Bộ mơn Tự động hóa- Khoa Cơ Điện- Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam hướng dẫn Ths Đặng Thị Thúy Huyền Em xin chân thành cảm ơn tất thầy mơn Tự động hóa thầy cô khoa Cơ- Điện Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam tận tình dạy dỗ em kiến thức chun mơn làm sở để em hồn thành môn học tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn tất chương trình học Và em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Đặng Thị Thúy Huyền trực tiếp hướng dẫn khoa học, bạn đóng góp quý báu trình thực mơn học Trong q trình nghiên cứu hồn thành mơn học, thời gian có hạn, nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp q Thầy Cơ bạn bè Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Sinh viên Nguyễn Đăng Minh 2 MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 1.Khái niệm chung Bộ Điều Khiển Hệ thống điều khiển vịng kín định nghĩa hệ thống có vịng phản hồi (hoặc) hệ thống điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi để tạo đầu Sự ổn định hệ thống kiểm sốt hệ thống phản hồi Vì vậy, cách xây dựng hệ thống phản hồi, hệ thống điều khiển vịng hở thay đổi thành vịng kín Sơ đồ khối Sơ đồ khối hệ thống vịng kín hiển thị bên Các phần tử hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm phát lỗi, điều khiển, phần tử phản hồi & nguồn Hệ thống điều khiển bao gồm vịng phản hồi, hệ thống gọi hệ thống điều khiển phản hồi Vì đầu kiểm sốt xác cách cung cấp phản hồi cho đầu vào Loại hệ thống điều khiển bao gồm nhiều phản hồi 3 Sơ đồ khối điều khiển hồi tiếp Trong sơ đồ trên, phát lỗi tạo tín hiệu lỗi, biến đổi đầu vào tín hiệu phản hồi Tín hiệu phản hồi nhận từ phần tử phản hồi hệ thống điều khiển cách coi đầu hệ thống đầu vào Là thay cho đầu vào, tín hiệu lỗi đưa làm đầu vào điều khiển Do đó, điều khiển tạo tín hiệu kích hoạt để điều khiển nhà máy Theo cách xếp này, đầu hệ thống điều khiển điều chỉnh tự động để có đầu mong muốn Do đó, hệ thống cịn có tên hệ thống điều khiển tự động Ví dụ tốt hệ thống điều khiển vịng kín hệ thống điều khiển đèn giao thông bao gồm cảm biến đầu vào 2.Các loại hệ thống kiểm sốt vịng lặp kín Hệ thống điều khiển vịng kín phân thành hai loại tùy thuộc vào chất tín hiệu phản hồi tín hiệu hồi tiếp dương tín hiệu hồi tiếp âm Tín hiệu hồi tiếp dương 4 Hệ thống vịng kín bao gồm tín hiệu phản hồi dương kết nối với đầu vào hệ thống gọi hệ thống hồi tiếp dương Hệ thống đặt tên phản hồi tái tạo Hồi tiếp dương Ví dụ tốt phản hồi tích cực mạch điện tử hoạt động khuếch đại Bởi vịng lặp cách kết nối số phần điện áp đầu với đầu vào thiết bị đầu cuối không đảo qua vịng phản hồi sử dụng điện trở Tín hiệu hồi tiếp âm Hệ thống vịng kín bao gồm tín hiệu phản hồi âm kết nối với đầu vào hệ thống đặt tên hệ thống phản hồi âm Những loại hệ thống ổn định tăng cường sức mạnh 5 Hồi tiếp âm Trong phản hồi tích cực có xu hướng dẫn đến không ổn định thông qua tăng trưởng theo cấp số nhân, dao động hành vi hỗn loạn, hồi tiếp âm thường thúc đẩy ổn định Hồi tiếp âm có xu hướng thúc đẩy ổn định trạng thái cân làm giảm tác động nhiễu loạn Các vòng hồi tiếp âm cần áp dụng lượng hiệu chỉnh phù hợp với thời gian tối ưu ổn định, xác nhanh nhạy Phản hồi âm sử dụng rộng rãi kỹ thuật khí điện tử, nhìn thấy nhiều lĩnh vực khác từ hóa học, kinh tế học đến hệ thống vật lý khí hậu Hệ thống hồi tiếp âm nói chung nghiên cứu kỹ thuật hệ thống điều khiển Ví dụ hệ thống điều khiển vịng kín Hiện với phát triển cơng nghệ, có nhiều loại thiết bị điện- điện tử sử dụng hệ thống điều khiển vịng kín Tiêu biểu số ví dụ sau mà biết quen thuộc với Ví dụ như: 6 • Trên servo, đạt ổn định điện áp cách đưa phản hồi điện áp đầu cho hệ thống Ví dụ hồi tiếp vịng kín servo • Trong điều khiển mực nước, mức nước định nước đầu vào thơng qua cảm biến đo mức nước • Hệ thống tự điều chỉnh nhiệt độ phịng • Tốc độ động kiểm sốt cách sử dụng máy đo tốc độ cảm biến dòng, nơi cảm biến phát tốc độ động gửi phản hồi đến hệ thống điều khiển để thay đổi tốc độ • Bàn ủi điện tự động điều khiển tự động nhiệt độ phận làm nóng bàn ủi 7 • Một số ví dụ khác hệ thống bao gồm máy điều nhiệt, hệ thống lượng mặt trời, bệ phóng tên lửa, động tự động, máy nướng bánh mì tự động, hệ thống điều khiển nước sử dụng tuabin Ưu nhược điểm hệ thống điều khiển vịng kín -Ưu điểm: • Các hệ thống xác lỗi • Các lỗi sửa chữa thơng qua tín hiệu phản hồi • Băng tần cao • Nó hỗ trợ tự động hóa tốt • Chúng khơng bị ảnh hưởng nhiễu -Nhược điểm: • Việc thiết kế hệ thống phức tạp • Chi phí đầu tư xây dựng hệ thống đắt • Bảo trì thường tốn cơng cần thiết • Hệ thống điều khiển dao động đơi tín hiệu phản hồi • Cần nhiều thời gian cơng sức thiết kế thử nghiệm hệ thống CHƯƠNG II PLC VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 1.PLC 1.1 Khái niệm PLC (Programmable Logic Controller) thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định hay kiện đếm PLC dùng để thay mạch relay (rơ le) thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu đầu vào Khi có thay đổi đầu vào đầu thay đổi theo Ngơn ngữ lập trình PLC Ladder hay State Logic Hiện có nhiều hãng sản xuất PLC Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell… Một kiện kích hoạt thật sự, bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục “lặp” chương trình “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình 9 1.2 Cấu trúc ngun lí hoạt động Hình 1-Cấu trúc PLC -Cấu trúc PLC Tất PLC có thành phần là: Một nhớ chương trình RAM bên (có thể mở rộng thêm số nhớ ngồi EPROM) Một vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra Bên cạnh đó, PLC hồn chỉnh cịn kèm thêm đơn vị lập trình tay hay máy tính Hầu hết đơn vị lập trình đơn giản có đủ RAM để chứa đựng chương trình dạng hồn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình đơn vị xách tay, RAM thường loại CMOS có pin dự phịng, chương trình kiểm tra sẵn sàng sử dụng truyền sang nhớ PLC Đối với PLC lớn thường lập trình máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, … -Nguyên lý hoạt động PLC 10 10 Vi điều khiển thường chứa linh kiện sau: Bộ xử lý trung tâm (CPU) Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) Bộ nhớ đọc (ROM) Cổng đầu vào / đầu Bộ đếm thời gian đếm Bộ chuyển đổi analog sang digital Bộ chuyển đổi digital sang analog Cổng giao tiếp nối tiếp Mạch dao động Bên vi điều khiển chứa đầy đủ tất tính cần thiết cho hệ thống máy tính chức máy tính mà khơng cần thêm phận kỹ thuật số bên 33 33 Hầu hết chân chip vi điều khiển lập trình người dùng Vi điều khiển có khả xử lý hàm logic Tốc độ hiệu suất cao Cấu trúc on-chip ROM vi điều khiển giúp bảo mật firmware tốt Dễ thiết kế với chi phí thấp kích thước nhỏ 3.2Cấu tạo vi điều khiển Cấu tạo sơ đồ khối vi điều khiển hình bên 34 34 CPU CPU não vi điều khiển CPU chịu trách nhiệm tìm nạp lệnh, giải mã thực thi CPU kết nối tất phận vi điều khiển vào hệ thống Chức CPU tìm nạp giải mã lệnh Lệnh lấy từ nhớ chương trình sau CPU giải mã Bộ nhớ Chức nhớ vi điều khiển giống vi xử lý Nó sử dụng để lưu trữ liệu chương trình Vi điều khiển thường có lượng RAM ROM định (EEPROM, EPROM…) nhớ flash để lưu trữ mã nguồn chương trình Cổng đầu vào / đầu Cổng đầu vào / đầu sử dụng chủ yếu điều khiển giao tiếp thiết bị hình LCD, đèn LED, máy in, nhớ…cho vi điều khiển Cổng nối tiếp Cổng nối tiếp tạo giao diện nối tiếp vi điều khiển thiết bị ngoại vi khác cổng song song Bộ đếm thời gian / đếm Đây chức hữu ích vi điều khiển Một vi điều khiển có nhiều đếm thời gian đếm Bộ đếm thời gian đếm có chức đếm thời gian đếm bên vi điều khiển Hoạt động phận làm chức đồng hồ, phát xung, đo tần số, tạo dao động… Nó sử dụng để đếm xung bên 35 35 Bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC) Bộ chuyển đổi ADC sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang dạng digital Tín hiệu đầu vào chuyển đổi phải dạng analog (ví dụ: đầu cảm biến) đầu từ thiết bị dạng digital Đầu digital sử dụng cho ứng dụng kỹ thuật số (ví dụ: thiết bị đo lường) 36 36 Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC) Hoạt động DAC đảo ngược ADC DAC chuyển đổi tín hiệu digital thành định dạng analog Nó thường sử dụng để điều khiển thiết bị analog động DC, ổ đĩa… Điều khiển ngắt Điều khiển ngắt sử dụng để ngắt (trễ) chương trình làm việc Việc ngắt bên ngồi (được kích hoạt cách sử dụng chân ngắt) bên (bằng cách sử dụng lệnh ngắt lập trình) Khối chức đặc biệt Một số vi điều khiển sử dụng cho số ứng dụng đặc biệt (ví dụ: hệ thống khơng gian rơ bốt) điều khiển có chứa cổng bổ sung để thực hoạt động đặc biệt Đây coi khối chức đặc biệt 3.3 Ưu nhược điểm ứng dụng -Ưu điểm vi điều khiển Những ưu điểm vi điều khiển là: a) Vi điều khiển hoạt động máy vi tính khơng có phận kỹ thuật số b) Tích hợp cao bên vi điều khiển làm giảm chi phí kích thước hệ thống c) Việc sử dụng vi điều khiển đơn giản, dễ khắc phục cố bảo trì hệ thống 37 37 d) Hầu hết chân lập trình người dùng để thực chức khác e) Dễ dàng kết nối thêm cổng RAM, ROM, I / O f) Cần thời gian để thực hoạt động -Nhược điểm vi điều khiển a) Vi điều khiển có kiến trúc phức tạp so với vi xử lý b) Chỉ thực đồng thời số lệnh thực thi giới hạn c) Chủ yếu sử dụng thiết bị vi mô d) Không thể trực tiếp giao tiếp thiết bị công suất cao -Ứng dụng Bạn tìm thấy vi điều khiển tất loại thiết bị điện tử Bất kỳ thiết bị liên quan đến đo lường, lưu trữ, điều khiển, tính tốn hiển thị thơng tin phải có chip vi điều khiển bên Ứng dụng lớn vi điều khiển ngành công nghiệp ô tô (vi điều khiển sử dụng rộng rãi để kiểm soát động điều khiển cơng suất tơ) Bạn tìm thấy vi điều khiển bên bàn phím, chuột, modem, máy in thiết bị ngoại vi khác Trong thiết bị thử nghiệm, vi điều khiển giúp bạn dễ dàng thêm tính khả lưu trữ số đo, tạo lưu trữ thói quen người dùng hiển thị thông báo dạng sóng Sản phẩm tiêu dùng sử dụng vi điều khiển bao gồm máy quay kỹ thuật số, đầu phát quang, hình LCD / LED… Các loại vi điều khiển thông dụng 38 38 4.1 Vi điều khiển 8051 Vi điều khiển 8051 họ vi điều khiển bit Intel phát triển vào năm 1981 Đây họ vi điều khiển phổ biến sử dụng toàn giới Bộ vi điều khiển gọi hệ thống chip có 128 byte RAM, 4Kbyte ROM, Timers, cổng nối tiếp cổng chip CPU hoạt động cho bit liệu thời điểm 8051 xử lý bit Trong trường hợp liệu lớn bit, phải chia thành phần để CPU xử lý dễ dàng Hầu hết nhà sản xuất có chứa 4Kbyte ROM số lượng ROM vượt 64 K byte 8051 sử dụng số lượng lớn thiết bị, chủ yếu dễ dàng tích hợp vào dự án tạo thiết bị Sau lĩnh vực trọng tâm: Quản lý lượng: Các hệ thống đo lường hiệu tạo điều kiện thuận lợi việc kiểm soát việc sử dụng lượng nhà ứng dụng sản xuất Các hệ thống đo lường chuẩn bị có khả cách kết hợp vi điều khiển 39 39 Màn hình cảm ứng: Một số lượng lớn nhà cung cấp vi điều khiển kết hợp khả lập trình cảm ứng thiết kế họ Các thiết bị điện tử cầm tay điện thoại di động, phương tiện truyền thông thiết bị chơi game ví dụ hình cảm ứng dựa vi điều khiển Ơ tơ: 8051 tìm thấy nhiều giải pháp ngành ô tô Chúng sử dụng rộng rãi xe hybrid để xử lý biến thể động Hơn nữa, chức kiểm soát hành trình hệ thống chống bó cứng phanh chuẩn bị có khả với việc sử dụng vi điều khiển Thiết bị y tế: Các thiết bị y tế di chuyển máy đo huyết áp glucose sử dụng vi điều khiển hiển thị liệu, cung cấp độ tin cậy cao việc cung cấp kết y tế 4.2 Vi điều khiển PIC Bộ điều khiển giao diện ngoại vi (PIC) vi điều khiển phát triển Microchip, vi điều khiển PIC nhanh đơn giản để thực chương trình đối chiếu vi điều khiển khác 8051 Dễ dàng lập trình giao tiếp với thiết bị ngoại vi khác PIC trở thành vi điều khiển thành công 40 40 Chúng biết vi điều khiển chip tích hợp bao gồm RAM, ROM, CPU, TIMER COUNTERS PIC vi điều khiển bao gồm RAM, ROM, CPU, đếm thời gian, đếm, ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số), DAC (bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự) Vi điều khiển PIC hỗ trợ giao thức CAN, SPI, UART để giao tiếp với thiết bị ngoại vi bổ sung PIC chủ yếu sử dụng để sửa đổi kiến trúc Harvard hỗ trợ RISC (reduced instruction set computer) theo yêu cầu RISC Harvard, đơn giản PIC nhanh điều khiển dựa 8051 chuẩn bị từ kiến trúc Von-Newman 4.3 Vi điều khiển AVR Bộ vi điều khiển AVR phát triển vào năm 1996 Tập đoàn Atmel Thiết kế cấu trúc AVR phát triển Alf-Egil Bogen Vegard Wollan AVR lấy tên từ nhà phát triển viết tắt vi điều khiển Alf-Egil Bogen Vegard Wollan RISC, gọi Advanced Virtual RISC AT90S8515 vi điều khiển ban đầu dựa kiến trúc AVR, vi điều khiển tung thị trường thương mại AT90S1200 năm 1997 Vi điều khiển AVR Vi điều khiển AVR có sẵn ba loại TinyAVR: – Bộ nhớ hơn, kích thước nhỏ, phù hợp dành cho ứng dụng đơn giản MegaAVR: – Đây thiết bị phổ biến chủ yếu có dung lượng nhớ tốt (lên tới 256 KB), số lượng thiết bị ngoại vi sẵn có cao thích hợp cho ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp XmegaAVR: – Được sử dụng thương mại cho ứng dụng phức tạp, cần nhớ chương trình lớn tốc độ cao 41 41 4.4 Vi điều khiển ARM ARM tạo xử lý đa lõi RISC 32 bit 64 bit Bộ xử lý RISC thiết kế để thực số lượng nhỏ loại hướng dẫn máy tính để chúng hoạt động tốc độ cao hơn, thực thêm hàng triệu phép tính giây (MIPS) Bằng cách loại bỏ phép tính khơng cần thiết tối ưu hóa lộ trình, xử lý RISC mang lại hiệu suất vượt trội phần nhu cầu lượng quy trình CISC (tính tốn tập lệnh phức tạp) 42 42 Bộ xử lý ARM sử dụng rộng rãi thiết bị điện tử khách hàng điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy nghe nhạc đa phương tiện thiết bị di động khác, chẳng hạn thiết bị đeo Do tập lệnh giảm xuống , chúng cần bóng bán dẫn hơn, cho phép kích thước nhỏ mạch tích hợp (IC) Bộ xử lý ARM, kích thước nhỏ giảm độ khó chi phí điện thấp khiến chúng phù hợp với thiết bị ngày thu nhỏ 43 43 CHƯƠNG III KẾT LUẬN Lựa chọn điều khiển cho q trình chiết rót đóng thùng bia theo sơ đồ nguyên lí: Kiểm tra chai Thanh trùng Dán nhãn Kiểm tra mực bia Đóng nắp Chiết chai Vơ thùng Đóng code Đóng kiện Sản phẩm *Cơng đoạn chiết bia dập nắp chai bao gồm: động điều khiển cho bang tải hoạt động cảm biến: cảm biến quang phát vật cảm biến cơng tắc hành trình xylanh: cấp nắp đóng nắp chai 44 44 Chai rỗng sau đc làm đưa lên băng truyền đưa tới vị trí chiết đưa tới CB1 tiến hành chiết bia vào chai theo nguyên tắc đẳng áp Sau đưa tới xilanh gặp CB2 để đóng nắp Hết nắp xilanh lại tiếp tục cung cấp nắp cho xilanh để thực q trình đóng nắp Chai tiếp tục di chuyển băng tải gặp CB3 để đếm số lượng chai cho vào thùng *Cơng đoạn đóng chai vào thùng bao gồm: cảm biến để đếm số lượng thùng Chai bia sau từ băng tải đưa xuống băng tải vào thùng Đủ số lượng chai lập trình sẵn di chuyển thùng gặp CB4 đóng nắp đếm số lượng thùng -Để thực việc thiết kế hệ thống điều khiển cho quy trình chiết rót bia sau tham khảo điều khiển e định chọn Bộ điều khiển PLC S7-1200 nhận thấy tính ưu điểm điều khiển này: • Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học • Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa • Hồn tồn tin cậy mơi trường cơng nghiệp -Sơ đồ điều khiển thiết kế sau: 45 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Giáo trình kĩ thuật chế biến nông sản thực phẩm (Đại học nông nghiệp 2014) [2]Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho dây chuyển sản xuất bia chai ( Đh học CN thông tin truyền thông) [3] Nguyễn Kim Ánh, Nguyễn Mạnh Hà, Giáo trình Mạng truyền thơng Cơng nghiệp, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2007 số tài liệu mạng internet www.dientuvietnam.net www.diendandientu.com www.ebook.edu.vn 46 46 47 47 ... trội trên, PLC ứng dụng công nghiệp với nhiều lĩnh vực như: + Công nghệ sản xuất: sản xuất giấy, sản xuất thuỷ tinh, sản xuất xi măng, sản xuất xe ôtô, sản xuất vi mạch, may công nghiệp, lắp giáp... -Để thực việc thiết kế hệ thống điều khiển cho quy trình chiết rót bia sau tham khảo điều khiển e định chọn Bộ điều khiển PLC S7-1200 nhận thấy tính ưu điểm điều khiển này: • Lập trình dễ dàng,... loại vi điều khiển thông dụng 38 38 4.1 Vi điều khiển 8051 Vi điều khiển 8051 họ vi điều khiển bit Intel phát triển vào năm 1981 Đây họ vi điều khiển phổ biến sử dụng toàn giới Bộ vi điều khiển