TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC
Tổng quan hệ thống
Hình 1: Công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi
Dây chuyền sản xuất có khả năng hoạt động hoàn toàn tự động và được giám sát từ trung tâm điều khiển Công nghệ dây chuyền tự động bao gồm 5 hệ thống chính, mỗi hệ thống đảm nhiệm một chức năng riêng biệt trong quy trình sản xuất.
1 Hệ thống Nạp nguyên liệu: Nguyên liệu được công nhân nạp, được phân loại theo kích cỡ xem có cần nghiền hay không Nguyên liệu cần được nghiền sẽ được đưa sang hệ thống nghiền liệu, nếu kích cỡ đủ nhỏ sẽ được đưa thẳng sang hệ thống phối trộn nguyên liệu.
2 Hệ thống Nghiền nguyên liệu: Nguyên liệu sẽ được nghiền nhỏ tại đây sau đó sẽ được chuyển đến hệ thống phối trộn nguyên liệu
3 Hệ thống Phối trộn nguyên liệu: Nguyên liệu sau khi đạt kích cỡ yêu cầu sẽ được đưa vào các Silo chứa đã được quy định, đánh số trước Tùy vào công thức yêu cầu mà mỗi Silo sẽ chứa 1 loại nguyên liệu và có 1 thứ tự định trước Hệ thống sẽ cân lần lượt và sau đó trộn các nguyên liệu đó.
4 Hệ thống Ép viên: Các nguyên liệu sau khi được trộn lẫn vào nhau được đưa qua dây chuyền ép viên hoặc đưa thẳng đến hệ thống đóng bao tùy vào yêu cầu đơn hàng.
5 Hệ thống đóng bao: Các viên nguyên liệu hoặc nguyên liệu sau phối trộn sẽ được chuyển đến hệ thống đóng bao, kết thúc dây chuyền tại đây.
6 Trong 5 hệ thống trên, hệ thống số 1, 2, 4, 5 có cấu trúc và cách thức vận hành đơn giản, sử dụng các loại máy tự động chuyên dụng; hệ thống số 3 là hệ thống có quá trình hoạt động phức tạp so với các hệ thống còn lại, đòi hỏi phải điều khiển phối hợp hoạt động giữa nhiều thiết bị, cách thức điều khiển các thiết bị cũng không theo trình tự và thời gian cố định mà tùy vào công thức Ngoài ra hệ thống số 3 cũng là hệ thống quan trọng nhất trong dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi do đó hệ thống này cần được vận hành ổn định và chính xác, được giám sát chặt chẽ trong quá trình hoạt động đồng thời cũng đảm bảo tính linh hoạt của hệ thống khi chuyển đổi sang phối trộn những công thức khác nhau.
1.2 Cấu trúc hệ thống phối trộn nguyên liệu a, Cấu trúc phân cấp hệ thống
Hình 2: Cấu trúc phân cấp hệ thống
Hệ thống được chia làm 3 cấp:
Phần mềm giám sát vận hành được cài đặt trên máy tính và kết nối với PLC cùng Cân điện tử, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát quá trình cân Giao diện đa dạng của phần mềm cho phép cài đặt các tham số, thao tác với công thức cân và nguyên liệu, đồng thời ghi lại dữ liệu của quá trình cân một cách hiệu quả.
Cấp điều khiển là quá trình thu thập dữ liệu và thực hiện điều khiển thông qua các I/O của PLC, giúp xử lý nhanh chóng theo thời gian thực để đáp ứng nhu cầu công nghệ hiện đại.
Cấp cảm biến và thiết bị chấp hành bao gồm các van khí nén, máy trộn, cảm biến mức và cân, tất cả được kết nối với cấp điều khiển thông qua tủ điện hệ thống Những thiết bị này nhận lệnh từ cấp điều khiển và gửi tín hiệu trở lại cho hai cấp trên.
Hình 3: Hệ thống phối trộn nguyên liệu
Hệ thống phối trộn nguyên liệu bao gồm:
1 Các ống dẫn nguyên liệu từ hệ thống nghiền và nạp liệu.
4 Cảm biến lưu lượng và bơm chất lỏng
5 Nơi đổ nguyên liệu thêm tay.
Chu trình phối trộn diễn ra như sau:
Nguyên liệu được đưa vào các silo riêng biệt, mỗi silo chứa một loại nguyên liệu đã xác định theo công thức đã chọn Các silo sẽ được mở theo thứ tự trong công thức, cho phép nguyên liệu chảy xuống cân Hệ thống tự động cân các nguyên liệu và ghi lại giá trị cho đến khi đủ số lượng cần thiết, hoàn thành một mẻ Nguyên liệu sau khi cân sẽ được chuyển xuống bình trộn để trộn đều, sau đó xả ra và đưa sang hệ thống tiếp theo Quy trình này lặp lại cho đến khi đủ số mẻ đã đặt Thời gian trộn và xả được cài đặt trước, và khi hết thời gian, bình trộn sẽ xả ra nguyên liệu đã trộn, chuyển sang hệ thống ép viên hoặc đóng bao.
Mục tiêu, yêu cầu đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là phát triển phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống phối trộn nguyên liệu trong công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi Để thực hiện việc vận hành thử nghiệm, cần xây dựng phần mềm mô phỏng hoạt động của cân và sử dụng TIA Portal để mô phỏng các tác động giữa cơ cấu chấp hành và cấp điều khiển.
2.2 Yêu cầu đặt ra a Đối với cấp giám sát
Chúng ta cần phát triển phần mềm giám sát vận hành cho hệ thống phối trộn, nhằm kiểm soát hoạt động một cách dễ dàng và đảm bảo hệ thống hoạt động tự động, trơn tru Phần mềm này phải đáp ứng các yêu cầu cần thiết để tối ưu hóa quy trình phối trộn nguyên liệu.
1 Xây dựng được các dữ liệu về nguyên liệu được sử dụng phối trộn, các công thức được sử dụng phối trộn, tốc độ chảy của từng loại nguyên liệu từ silo đến cân.
2 Cập nhật được các dữ liệu mới về công thức, nguyên liệu và tốc độ chảy của nguyên liệu.
3 Lưu trữ các dữ liệu trong suốt quá trình cân để phục vụ cho việc thống kê, tính toán và sao lưu khôi phục.
4 Kết nối được đến cân và cấp điều khiển ổn định.
5 Kiểm soát việc đóng mở các Silo sao cho khối lượng nguyên liệu được chảy xuống cân có sai số nhỏ so với yêu cầu.
6 Hệ thống vận hành chính xác theo đúng chu trình đã nêu; linh hoạt, dễ hiểu, thuận tiện cho người vận hành. b Đối với cấp điều khiển
Để đảm bảo hiệu quả trong việc điều khiển, cần lựa chọn thiết bị PLC phù hợp có khả năng nhận dữ liệu từ phần mềm giám sát qua Ethernet Số lượng I/O vào ra cũng cần được xác định dựa trên nhu cầu nhận tín hiệu và điều khiển các thiết bị trong hệ thống.
Tại cấp này có 2 yêu cầu chính như sau:
1 Xây dựng được phần mềm mô phỏng cân Phần mềm mô phỏng cân sẽ mô phỏng quá trình thay đổi giá trị khối lượng hiển thị trên cân trong các trường hợp: mở si lô cho nguyên liệu chảy xuống cân, đóng Silô này và mở Silô khác, xả nguyên liệu khỏi cân đồng thời truyền các tín hiệu về giá trị cân liên tục về phần mềm giám sát.
2 Mô phỏng các tác động của các tín hiệu điều khiển vận hành đến các đầu vào PLC rồi theo dõi sự thay đổi của các tín hiệu đầu ra điều khiển sẽ tác động điều khiển lên các thiết bị chấp hành tương ứng trong hệ thống.
PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN
Cấp giám sát vận hành
Để phát triển phần mềm giám sát hiệu quả, nhóm chúng tôi sử dụng TIA PORTAL V16 để lập trình và tạo giao diện giám sát Phần mềm này có hai chức năng chính: xây dựng và thu thập dữ liệu, cùng với việc lưu trữ hệ thống cho quá trình phối trộn và điều khiển vận hành.
Hình 4: Cấu trúc xây dựng phần mềm giám sát
Việc xây dựng cơ sở dữ liệu cho phần mềm sẽ sử dụng Microsoft SQL Server Management Studio để tạo ra dữ liệu về công thức và nguyên liệu phối trộn, đồng thời thu thập thông tin liên quan đến quá trình cân và phối trộn Ngoài ra, hệ thống cũng sẽ thực hiện sao lưu cơ sở dữ liệu để đảm bảo khôi phục khi cần thiết.
Có 2 chế độ hoạt động: Chế độ điều khiển sản xuất bằng tay và chế độ điều khiển tự động.
Chế độ chạy bằng tay: các động cơ và van khí nén được điều khiển độc lập, không ảnh hưởng đến nhau.
Chế độ sản xuất tự động: Nếu giá trị các nguyên liệu được cài đặt sẵn theo công thức, khi ấn start hệ thống sẽ hoạt động như sau:
Hình 5: Quy trình vận hành hệ thống phối trộn
Cảm biến mức sẽ thông báo khi không còn nguyên liệu trong thùng trộn, trong khi van khí nén tại các thùng silo sẽ tự động mở khi có nguyên liệu cần cân, theo thứ tự đánh số của từng silo.
Cân sẽ tự động điều chỉnh để mỗi nguyên liệu đạt khối lượng yêu cầu Khi một nguyên liệu hoàn thành, van khí nén tại silo đó sẽ đóng lại, và van ở silo khác sẽ được mở để tiếp tục quá trình.
Sau khi hoàn tất việc cân và đóng các van ở các silo, tiến hành mở van cân và khởi động động cơ bơm để chuyển nguyên liệu từ thùng cân vào thùng trộn Đồng thời, động cơ trộn sẽ được kích hoạt và bắt đầu quá trình trộn theo thời gian đã được người vận hành cài đặt.
Sau khi hoàn tất quá trình trộn, cửa xả hỗn hợp sẽ được mở để nguyên liệu được chuyển đến máy đóng bao qua hệ thống máng tải, sau đó quay lại bước đầu.
Chu trình được lặp đi lặp lại cho đến đủ số mẻ yêu cầu thì dừng.
Giá trị thực tế của nguyên liệu sẽ được ghi lại khi nguyên liệu được cung cấp đầy đủ trong các thùng cân, đảm bảo tính chính xác và minh bạch trong quá trình quản lý nguyên liệu.
Lưu ý: Trên thực tế, sau mỗi lần sản xuất, nguyên liệu vẫn còn tồn đọng trong thùng cân và quán tính khi vận chuyển nguyên liệu tới thùng cân.
Cấp điều khiển
2.1 Cấp nguồn cho hệ thống Để cung cấp nguồn cho các thiết bị điện sử dụng điện một chiều 24V, ta dùng bộ nguồn Meanwell DR-120-24.
Thông số kỹ thuật của bộ nguồn DR- 120- 24:
- Đầu vào điện: AC 220VAC – 2.0A.
- Công suất đầu ra: DC 24V- 5A.
Bộ nguồn DR- 120- 24 hỗ trợ 2 cặp đầu ra 24VDC (+V +V/ -V -V) và 3 chân đầu vào bao gồm 2 chân điện áp 220VAC 1 pha và 1 chân trung tính.
2.2 Module điều khiển PLC S7 1215C DC/DC/DC
Cấu trúc phần cứng của PLC bao gồm các thành phần chính như nguồn (Power Supply), bộ xử lý trung tâm (CPU), các đầu vào/ra (I/O), bộ nhớ (Memory) và khối truyền thông (Communication).
Hình 7: Module PLC S7 1215C DC/DC/DC
Bộ lập trình điều khiển trung tâm PLC SIEMENS SIMATIC S7-1200
− CPU 1215C-6ES7215-1AG40-0XB0, compact CPU DC/DC/DC,
− tích hợp 2 cồng truyền thông giao tiếp PROFINET,
− ngõ vào/ra tích hợp ( onboard I/O): 14 DI 24VDC, 10 DO 24VDC 0.5A,
− DC nguồn cung cấp 20.4 - 28.8 VDC,
− Bộ nhớ lập trình/dữ liệu 125 KB
− Hãng sản xuất CPU 1215C: Siemens
Hình 8: Module mở rộng ngõ ra 16x24VDC
− Mã sản phẩm: 6ES7222-1BH32-0XB0
− Thông số: SIMATIC S7-1200, Digital output SM 1222, 16 DO, 24 V DC, transistor 0.5 A
2.3 Động cơ trộn Động cơ máy trộn có mã hiệu YE2- 160M- 4.
Hình 9: Động cơ trộn YE2-160-4
Thông số cơ bản Giá trị
Tốc độ quay 1465 vòng/phút Điện áp định mức 380 VAC/ 3 pha
Hình 10: Động cơ bơm CM50-125A
− Mã hàng máy bơm 5hp 4kw: CM50-125A
− Đường kính ống hút: 76mm
− Đường kính ống xả: 60mm
− Bơm được 72 mét khối ở độ cao 16.5m
− Hệ số bảo vệ bụi, nước IP55
− Chịu nhiệt cấp F, dây đồng cao cấp
Van cánh bướm được lắp dưới thùng cân nguyên liệu, có nhiệm vụ xả và điều tiết nguyên liệu xuống máy trộn Van này được điều khiển đóng mở bằng bộ khí nén, giúp quản lý hiệu quả quá trình cung cấp nguyên liệu.
- Chất liệu: Gang, Nhựa, Inox, Thép
- Áp suất làm việc: 16bar, 25bar
- Kiểu điều khiển: On/ Off, Tuyến tính
- Áp suất khí nén: 2 bar – 8 bar
- Kiểu kết nối: Có mặt bích, Wafer kẹp
- Nhiệt độ làm việc: -5 đến 180 độ C
− Trọng lượng của Loadcell cân được: 200kg
− Tín hiệu ngõ ra: (2±0.008)mV
Mỗi cảm biến Loadcell có đầu ra độc lập, và đầu ra kết hợp được tổng hợp từ kết quả của từng cảm biến Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC và vi xử lý với phần mềm tích hợp, thực hiện tính toán và gửi kết quả về PLC Chúng tôi sử dụng 3 loadcell 200kg cho mỗi thùng cân để đo khối lượng chính xác.
Hình 13: Vị trí loadcell trên thùng cân
2.6.2 Đầu đọc cân điện tử XK3101
Đầu đọc cân điện tử XK3101 (KM05) được sử dụng để đọc giá trị từ loadcell với dải từ 0 đến 2mV Thiết bị này chuyển đổi điện áp ra 0-10V để truyền về PLC, giúp quá trình kiểm soát và giám sát trở nên hiệu quả hơn.
Hình 14: Đầu đọc cân điện tử XK3101
Hình 15: Sơ đồ kết nối dây loadcell với cân điện tử
Loadcell 01, 02, 03 lần lượt tương ứng với đầu ra 3 thùng cân.
Sử dụng cảm biến mức thấp dạng xoay JB- SD- AC220V (P= 3W) để báo mức nguyên vật liệu thấp trong các thùng/phễu.
Hình 16: Cảm biến mức dạng xoay
− Tốc độ cánh quay: 6RPM
Cảm biến hoạt động bằng cách sử dụng điện áp 220VAC để điều khiển động cơ cánh quạt Khi thùng hoặc phễu không chứa nguyên liệu, thiết bị sẽ quay tự do Ngược lại, khi có nguyên liệu, chân vịt sẽ đứng yên, và cảm biến sẽ nhận tín hiệu, gửi thông tin đến bộ điều khiển.
XÂY DỰNG CÁC PHẦN MỀM
Xây dựng và quản lý CSDL
Tạo cơ sở dữ liệu PLC_DATA với bảng bangSP để lưu trữ thông tin về tất cả các sản phẩm trong dự án Mỗi sản phẩm sẽ có một bảng riêng để ghi lại công thức của nó.
Cơ sở dữ liệu về công thức
Kết nối CSDL với TIA Portal
Ở dây em sử dụng ODBC Data Sources 64 bits để kết nối SSMS với Tia Portal
Sử dụng refer name là DUNG để kết nối
VẬN HÀNH HỆ THỐNG
Thao tác trên từng giao diện
Chế độ làm việc của hệ thống: Chạy, Dừng, và chọn chế độ điều khiển tay (Manual) hoặc chế độ tự động (Auto)
Phần thêm sản phẩm có sẵn trong CSDL khi ấn “Chọn” thì sẽ hiển thị nguyên liệu của sản phẩm đó ở bảng
Thông tin của hiển thị dữ liệu số mẻ đã trộn và thời giân trộn thực tế, Khỗi lượng mỗi mẻ
Ta cài đặt số mẻ cần thực hiện để tiến hành trộn.
2.2 SETTING Ấn nút hiển thị sản phẩm để có thể xem tất cả sản phẩm ở bảng
Nhập vào tên sản phẩm ở ô chọn sản phẩm để tiến hành xem nguyên liệu của sản phẩm hoặc xóa sản phẩm đó
Khi ấn “Xem sản phẩm ” nguyên liệu sẽ được hiển thị ở bảng “Danh sách nguyên liệu sản phẩm”
Để xóa nguyên liệu, bạn cần nhập tên sản phẩm và mã nguyên liệu tương ứng, sau đó nhấn nút “Xóa Nguyên Liệu” để thực hiện thao tác xóa.
Nhập tên sản phẩm vào ô “Tên sản phẩm”, mã nguyên liệu vào ô “Nhập mã NL”, tên nguyên liệu vào ô “Tên Nguyên Liệu”, và khối lượng nguyên liệu vào ô “Khối lượng”.
Cuối cùng là thêm sản phẩm mới
Nhập tên sản phẩm và ấn nút “Thêm sản phẩm mới”
Giao diện Alarm hiển thị thông báo:
− Lỗi động cơ trộn, động cơ bơm cân 3, động cơ bơm rửa
- Phần REPORT mô tả đồ thị và giá trị khối lượng cần cân mỗi mẻ và khối lưởng mẻ thực tế theo thời gian thực.
