BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN HỌC ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐỀ TÀI THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ************ BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN HỌC: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG NHÓM SVTH: Phan Anh Duy 19151106 SVTH: Võ Hạnh Đông 19151115 SVTH: Nguyễn Tấn Phát 19151160 GVHD: TS Tạ Văn Phương Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT Chương Tổng quan 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Cấu trúc đề tài 1.5 Ứng dụng đề tài Chương 2: Nội dung 2.1 Giới thiệu đề tài số đề xuất liên quan đến đề tài 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 2.3 Chọn thiết bị 2.4 Giới thiệu phần mềm Chương 3: Thiết kế hệ thống 3.1 Yêu cầu hệ thống 3.1.1 Yêu cầu phần cứng 3.1.2 Yêu cầu phần mềm 3.1.3 Giải pháp 3.2 Thiết kế phần cứng 3.2.1 Sơ đồ kết nối 3.2.2 Mô tả giải pháp phần cứng 3.3 Thiết kế phần mềm 3.3.1 Thiết kế giao diện phần mềm phần cứng 3.3.2 Thiết kế trang bảo mật 3.3.3 Thiết kế trang điều khiển giám sát Chương 4: Mô phỏng, thử nghiệm kết 4.1 Kết thiết kế phần cứng 4.2 Kết thiết kế phần mềm 4.3 Kết hoạt động hệ thống 4.4 Kết đạt kỹ khác Chương 5: Kết luận hướng phát triển 5.1 Kết luận 5.2 Hướng phát triển Chương Tổng quan 1.1 Giới thiệu đề tài Như biết phát triển khoa học kỹ thuật qua thời kỳ lịch sử, có ảnh hưởng khơng nhỏ để thúc đẩy kinh tế phát triển, cụ thể ngành sản xuất cơng nghiệp đại Có thể nói phát triển Công nghệ điện tử - tin học, coi cách mạng công nghệ toàn giới Ở nước ta, ngành kỹ thuật điện tử - tin học ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt điều khiển lập trình hệ thống scada Trên giới người ta sản xuất thiết bị lập trình được.Đó thiết bị điều khiển có lập trình Programmable Logic Controller viết tắt PLC PLC coi ứng dụng điển hình mạch vi xử lý So với trình điều khiển mạch điện tử thơng thường PLC có nhiều ưu điểm hẳn, ví dụ như: Kết nối mạch điện đơn giản, rút ngắn thời gian lắp đặt cơng trình, dễ dàng thay đổi cơng nghệ nhờ việc thay đổi nội dung chương trình điều khiển, ứng dụng điều khiển phạm vi rộng, độ tin cậy cao Sự đời thiết bị điều khiển làm thay đổi suất lao động chất lượng sản phẩm rõ rệt Vì việc cải tiến phát triển thiết bị điều khiển quan tâm, để đáp ứng yêu cầu thay người môi trường độc hại, u cầu cơng nghệ địi hỏi xác tuyệt đối Trong q trình học tập làm việc trường, tìm hiểu điều khiển lập trình, nhóm lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG” để nghiên cứu ứng dụng kiến thức học Hệ thống chiết rót hoa tự động dây chuyền lắp đặt, thiết kế đại, đạt tiêu chuẩn cao đảm bảo dây chuyền hoạt động ổn định nâng cao hiệu sản xuất Thiết bị điều khiển PLC cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển thơng qua ngơn ngữ lập trình sẵn tạo điều kiện công tác quản lý sản xuất tiết kiệm nhân công Với loại nguyên liệu khác trái tươi, nước trái cô đặc, bột trái cây… thơng qua phương pháp pha lỗng, trích ly, nghiền, đồng hóa, khử khí, chiết rót… chế biến thành nhiều loại nước ép trái mang nhiều hương vị khác 1.2 Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu trình hoạt động hệ thống sản xuất nước ép cơng nghiệp - Tìm hiểu thiết bị sử dụng việc thiết kế thi công hệ thống sản xuất nước ép tự động - Mô giám sát hệ thống thông qua Wincc điều khiển trạng thái làm việc hệ thống hình HMI 1.3 Giới hạn đề tài - Thiết kế hệ thống sản xuất nước ép tự động - Sử dụng PLC S7-1200 - Mô hệ thống Wincc - Thiết kế hình giám sát, điều khiển, phân quyền, cảnh báo cho hệ thống - Chi phí sản xuất tối ưu 1.4.Cấu trúc đề tài - Chương Tổng quan - Chương 2: Nội dung - Chương 3: Thiết kế hệ thống - Chương 4: Mô phỏng, thử nghiệm kết - Chương 5: Kết luận hướng phát triển 1.5 Ứng dụng đề tài Hệ thống chiết rót hoa tự động dây chuyền dùng để ép nước trái sử dụng nhiều nhà máy sản xuất Ngoài hệ thống tương tự để phục vụ cho ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, dầu nhớt,… Sự đời máy chiết rót tự động tiết kiệm cho nhà sản xuất khoản chi phí nhân cơng tương đối lớn, nâng cao suất chiết đóng thành phẩm vào chai Chương 2: Nội dung 2.1 Giới thiệu đề tài số đề xuất liên quan đến đề tài Hệ thống chiết rót hoa tự động dây chuyền lắp đặt, thiết kế đại, đạt tiêu chuẩn cao đảm bảo dây chuyền hoạt động ổn định nâng cao hiệu sản xuất Thiết bị điều khiển PLC cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển thơng qua ngơn ngữ lập trình sẵn tạo điều kiện công tác quản lý sản xuất tiết kiệm nhân công Với loại nguyên liệu khác trái tươi, nước trái cô đặc, bột trái cây… thơng qua phương pháp pha lỗng, trích ly, nghiền, đồng hóa, khử khí, chiết rót… chế biến thành nhiều loại nước ép trái mang nhiều hương vị khác *Đề xuất quy trình vận hành hệ thống sản xuất nước ép Bước 1: Trước chế biến trái đưa đến băng chuyền phận rửa đồng thời máy bơm bơm lượng nước phù hợp vào để rửa trái (nước phải đảm bảo tiêu chuẩn Bộ Y tế với độ cứng nước khơng q 2mg/ lít, với lượng Clo lại nước tráng – 5mg/ lít ) Bước 2: Nhằm hạn chế trình sinh hóa nhằm đảm bảo màu sắc cho loại trái nguyên liệu nên phải băng chuyền tiếp tục đưa trái rửa qua hệ thống máy sấy Bước : Trái tiếp tục đưa vào máy ép tiến hành quy trình chế biến tách bã Bước 4: Nước ép truyền tới bồn khuấy trộn đồng thời bơm thêm nước chất phụ gia vào máy khuấy hoạt động trộn tất nguyên liệu Bước 5: Tất sản phẩm trộn đưa tới bồn tiệt trùng UHT để trải qua phương pháp làm lạnh diệt khuẩn nhanh chóng Bước 6: Nước ép sau diệt khuẩn chuyển tới bể chứa thành phẩm (bồn ổn định màu nhiệt độ trước chiết rót ra) Bước 7: Sau tiến hành sản xuất xong, nước ép hoa từ bể chứa đẩy qua khu vực chiết rót đóng chai hệ thống băng tải tự động đẩy chai tới vị trí chiết rót nước ép theo lượng thể tích thiết lập 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình: Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống gồm khối chức năng: - Bộ điều khiển trung tâm: có chức thu thập liệu từ cảm biến, giám sát hoạt động hệ thống điều khiển thiết bị chấp hành - Khối cảm biến: gồm cảm biến quang đưa điều khiển trung tâm - Thiết bị chấp hành: gồm hệ thống băng tải, động cơ, van tiết lưu, máy sấy, máy ép, bể chứa - Điều khiển, giám sát thu thập liệu: người vận hành giám sát, thu thập liệu hệ thống, điều khiển hệ thống theo mong muốn 2.3 Chọn thiết bị 2.3.1 PLC S7-1200 CPU 1214C ( 6ES7214-1AG40-0XB0) https://dattech.com.vn/wp-content/uploads/ 2022/03/6ES72141AG400XB0_datasheet_en.pdf Đây PLC Siemens có xuất xứ từ Đức Hình 2.1 PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC  Các tính bật PLC S7-1200 Bộ điều khiển mở rộng từ S7 với phương án mở rộng linh hoạt:  bo mạch tín hiệu (SB) bo mạch truyền thông (CB)  mơ đun tín hiệu (SM)  Có thể có lớn modun truyền thông (CM)  Cổng truyền thơng Profinet (Ethernet) tích hợp sẵn  Dùng để kết nối máy tính, với hình HMI hay truyền thông PLC-PLC  Dùng kết nối với thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở  Đầu nối RJ45 với tính tự động chuyển đổi đấu chéo  Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s  Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet  TCP/IP, ISO on TCP, S7 protocol  Các tính đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển q trình  đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho ứng dụng đếm đo lường, có đếm 100kHz đếm 30kHz ngõ PTO 100kHz để điều khiển tốc độ vị trí động bước hay lái servo (servo drive) Ngõ điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…  16 điều khiển PID với tính tự động xác định thông số điểu khiển (auto- tune functionality)  Thiết kế linh hoạt   Mở rộng tín hiệu vào/ra board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà khơng thay đổi kích thước hệ điều khiển Mỗi CPU kết nối module mở rộng tín hiệu vào/ra  Ngõ vào analog 0-10V tích hợp CPU      module truyền thơng kết nối vào CPU mở rộng khả truyền thông, vd module RS232 hay RS485 50KB work memory, 2MB load memory Card nhớ SIMATIC, dùng cần rộng nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware Chẩn đoán lỗi online / offline  Cấu hình chi tiết  PLC SIEMENS S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7214-1AG400XB0)  SSIMATIC S7-1200, CPU 1214C, COMPACT CPU, DC/DC/DC  ONBOARD I/O: + 14 DI 24V DC + 10 DO 24 V DC + AI – 10V DC  POWER SUPPLY: DC 20.4 – 28.8 V DC,  PROGRAM/DATA MEMORY: 100 KB (6ES7214-1AG40-0XB0) Hình 2.2 Cấu hình chi tiết PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 2.3.2 Cảm biến tiệm cận https://linhkienvietnam.vn/cam-bien-khoang-cach-npn-e3f-ds30c4-5-30cm-g2h5? gclid=Cj0KCQjwqPGUBhDwARIsANNwjV5epdMFh2FFPtu6xg1ltFIOv7W4XL-SfK7auoBfcZcjEEDSnOWH_0aAhW9EALw_wcB Cảm biến tiệm cận (cịn gọi “Cơng tắc tiệm cận” đơn giản “PROX” tên tiếng anh Proximity Sensors) phản ứng có vật gần cảm biến Trong hầu hết trường hợp, khoảng cách vài mm Cảm biến tiệm cận thường phát vị trí cuối chi tiết máy tín hiệu đầu cảm biến khởi động chức khác máy Đặc biệt cảm biến hoạt động tốt mơi trường khắc nghiệt Hình: Cảm biến tiệm cận  Đặc điểm  Phát vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa tới 30mm Hoạt động ổn định, chống rung động chống shock tốt  Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch)  Đầu sensor nhỏ lắp nhiều nơi  Có thể sử dụng môi trường khắc nghiệt   Ngõ cảm biến: Có loại ngõ cảm biến NPN PNP Tuỳ thuộc vào ngõ vào PLC mà ta chọn loại cảm biến ngõ phù hợp Hình 2.5 Cảm biến ngõ loại NPN Hình 2.6 Cảm biến ngõ loại PNP  Ứng dung cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận ứng dụng phổ biến công nghiệp nhà máy gắn dây truyền sản xuất, gắn điện thoại cảm ứng, loại xe ô tô,… Một số ứng dụng dễ thấy như:  Kiểm soát chất lỏng bể chứa  Kiển soát chất lỏng hộp giấy  Kiểm soát kim loại  Kiểm soát số lượng  Trong mơ hình phân loại sản phẩm theo cân nặng, cảm biến tiệm cận dùng để kiểm soát số lượng sản phẩm phân loại theo số cân nặng đặt trước 2.3.3 Cảm biến quang phản xạ gương Cảm biến quang phản xạ gương cảm biến giúp ta phát vật theo nguyên tắc thu phát qua gương Khi khơng có vật ánh sáng cảm biến phát từ cảm biến phát phản xạ qua gương quay cảm biến nhận Khi có vật ngang qua, lúc đường truyền bị gián đoạn, cảm biến xuất ngõ NPN PNP Hình 2.7 Cảm biến quang phản xạ gương OMRon E3Z-R61 2M  Thơng số kỹ thuật Hình dạng Hình hộp Phương pháp cảm biến Phản chiếu ngược Khoảng cách cảm biến 4000mm Khoảng cách tối thiểu 100mm Loại đầu PNP Thời gian đáp ứng ms Kích thước 10.8 x 31 x 20 mm Loại ánh sáng Ánh sáng đỏ phân cực Nguồn điện áp 12 - 24V Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Cảm biến quang 2.3.4 Động pha không đồng Động không đồng pha 4K80-4 (1.1kw) dòng động theo thiết kế việt nam, động có ưu điểm hiệu suất cao, mơ men mở máy khỏe, tiếng ồn độ rung thấp, kiểu dáng hình thức đẹp, kích thước lắp đặt dãy công suất phù hợp với tiêu chuẩn IEC Chất lượng động đảm bảo hệ thống Quản lý chất lượng Quốc tế ISO 9001 Động sử dụng rộng rãi để truyền động máy móc thiết bị máy cắt gọt kim loại, máy bơm, quạt gió, máy nghiền trộn, máy xay xát… Hình 2.12 Động pha không đồng 4K80-4 (1.1KW)  Thông số kỹ thuật Loại động Động pha không đồng Điện áp (V) 220 - 380V / 50Hz Dòng điện (A) 4,7 /2.7 Tốc độ quay (vịng / phút) 1400 Cơng suất (kW) 1.1 Hiệu suất (%) 76.5 Hệ số công suất 0.81 Tỷ số momen cực đại 2.2 Tỷ số dòng điện khởi động Trọng lượng 21 Xuất xứ Việt Nam Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật động pha không đồng 4K80-4 2.3.5 Một số thiết bị khác a) Băng tải PVC Hình: Băng tải PVC  Thơng số kỹ thuật Chiều dài băng tải : 1.000 – 6.000 (mm) Chiều rộng băng tải : 300 – 1.000 (mm) Chiều cao băng tải điều chỉnh : 500 – 1.500 (mm) Góc nghiêng băng tải 0-30º 2.3.n.m Nút nhấn Hình Nút nhấn nhả phẳng Ø22 1NO 1NC đèn LED 220V AC/DC  Thông số kỹ thuật Loại Nút nhấn nhả phẳng Kích thước (Ø) 22 m Tiếp điểm NO + NC Đèn báo LED Điện áp đèn báo 220V AC/DC 2.4 Giới thiệu phần mềm 2.4.1 Tổng quan phần mềm Tia Portal Siemens TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là phần mềm tổng hợp nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện hệ thống. Có thể hiểu, TIA Portal phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung môi trường/nền tảng để thực tác vụ, điều khiển hệ thống TIA Portal phát triển vào năm 1996 kỹ sư của Siemens, cho phép người dùng phát triển viết phần mềm quản lý riêng lẻ cách nhanh chóng, tảng thống Giải pháp giảm thiểu thời gian tích hợp ứng dụng riêng biệt để thống tạo hệ thống TIA Portal - Tích hợp tự động tồn diện là phần mềm sở cho tất phần mềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị dải sản phẩm. Đặc điểm TIA Portal cho phép phần mềm chia sẻ sở liệu, tạo nên tính thống nhất, tồn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành.  TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực thao tác: Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát Thực go online Diagnostic cho tất thiết bị project để xác định bệnh, lỗi hệ thống Tích hợp mơ hệ thống Dễ dàng thiết lập cấu hình liên kết thiết bị Siemens.  Hiện phần mềm TIA Portal có nhiều phiên TIA Portal V14,TIA Portal V15, TIA Portal V16 TIA Portal V17 Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng lựa chọn cài đặt TIA portal phiên tương ứng Ưu nhược điểm sử dụng Tia Portal: TIA Portal thuật ngữ quen thuộc ứng dụng lĩnh vực tự động hóa, tích hợp nhiều phần mềm phổ thơng khác như: HMI, PLC, Inverter Siemens. Phần mềm TIA Portal có ưu nhược điểm vận hành hệ thống tự động hóa Ưu điểm:  Tích hợp tất phần mềm tảng, chia sẻ sở liệu chung dễ dàng quản lý, thống cấu hình Giải pháp vận hành thiết bị nhanh chóng, hiệu quả, tìm kiếm khắc phục cố thời gian ngắn Tất yếu tố: bộ lập trình PLC, màn hình HMI được lập trình cấu hình TIA Portal, cho phép chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác, thiết lập truyền thông thiết bị Chỉ với biến số lập trình PLC thả vào hình HMI, kết nối thiết lập mà khơng cần bất ký thao tác lập trình Hạn chế: Do tích hợp nhiều phần mềm, sở liệu hệ thống lớn nên dung lượng nhớ khổng lồ Yêu cầu kỹ thuật cao người lập trình, quản lý, tốn nhiều thời gian để làm quen sử dụng 2.4.2 Tổng quan phần mềm WINCC Phần mềm WinCC Siemens phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) phục vụ việc xử lý lưu trữ liệu hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa WinCC chữ viết tắt Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy Windows), nói cách khác, cung cấp công cụ phần mềm để thiết lập giao diện điều khiển chạy hệ điều hành Microsoft Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với chức hữu hiệu cho việc điều khiển WinCC kết hợp bí Siemens, cơng ty hàng đầu tự động hóa q trình, lực Microsoft, công ty hàng đầu việc phát trỉên phần mềm cho PC Ngồi khả thích ứng cho việc xây dựng hệ thống có quy mơ lớn nhỏ khác nhau, WinCC cịn dễ dàng tích hợp với ứng dụng có quy mơ tồn cơng ty việc tích hợp với hệ thống cấp cao MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực sản suất) ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC sử dụng sở quy mơ tồn cầu nhờ hệ thống trợ giúp Siemens có mặt khắp nơi giới Ở Việt Nam hệ thống Siemens tài trợ đưa vào hệ đào tạo thức Thơng thường có phiên WinCC sau: +WinCC v5 +WinCC v6 + WinCC Flexible Cấu trúc Control Center sau: •Control Center + WinCC Explorer Control Center: giao diện đồ họa cho cấu hình Windows 95 Windows NT + Quản Lý Dữ Liệu: cung cấp ảnh trình với Tag giá trị theo loại sau: + Chu kỳ + Chu kỳ với thay đổi + Điều khiển kiện thời gian + Truyền liệu từ hệ thống tự động hóa theo sau cách: + Nhận + u cầu •Những mơđun chức + Hệ thống đồ họa (Graphich Designer): trình bày nối trình đồ họa + Soạn thảo hoạt động (Global Scrip): làm dự án động cho yêu cầu đặc biệt + Hệ thống thông báo (Alarm Logging): thông báo đầu báo nhận thông tin đầu + Soạn thảo lưu giữ giá trị phép đo (Tag Logging) + Soạn thảo giá trị phép đo cất giữ chúng thời hạn lâu dài + Soạn thảo liệu hướng người dùng cất giữ chúng lâu dài + Hệ thống báo cáo (Report Desgner): báo cáo trạng thái hệ thống Control Center làm cho ta định hướng xuyên qua ứng dụng WinCC liệu với thao tác Control Center thao tác tương tự giống Explorer Windows Trong WinCC bao gồm sở liệu: dành cho việc định dạng hệ thống CS (Configuration System), dành cho việc chạy thời gian thực RT (Run time) chạy WinCC sở liệu tải vào chạy song song với Hình 3.1: Cấu trúc WinCC Phần mềm WinCC tích hợp TIA PORTAL thuận tiện cho người dùng lập trình, cấu hình, tích hợp thiết bị dải sản phẩm tích hợp tự động hóa tồn ... nghệ địi hỏi xác tuyệt đối Trong trình học tập làm việc trường, tìm hiểu điều khiển lập trình, nhóm lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC ÉP TRÁI CÂY TỰ ĐỘNG”... thiết bị sử dụng việc thiết kế thi công hệ thống sản xuất nước ép tự động - Mô giám sát hệ thống thông qua Wincc điều khiển trạng thái làm việc hệ thống hình HMI 1.3 Giới hạn đề tài - Thiết kế. .. hệ thống sản xuất nước ép tự động - Sử dụng PLC S7-1200 - Mô hệ thống Wincc - Thiết kế hình giám sát, điều khiển, phân quyền, cảnh báo cho hệ thống - Chi phí sản xuất tối ưu 1.4.Cấu trúc đề tài