Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát dây chuyền sản xuất mỹ phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT MỸ PHẨM PHẠM VĂN DŨNG HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT MỸ PHẨM CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 852.0203 TS NGUYỄN HỮU TRUNG HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc rõ ràng phép công bố Hà Nội, ngày … tháng … năm…… Học viên thực LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy (cô) khoa sau đại học TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Đó kiến thức quý báu làm tảng giúp tơi hồn thành đề tài đồng thời sở vững để tơi tiếp tục hồn thiện, nâng cao chun mơn ứng dụng vào nghề nghiệp q trình cơng tác sau Tôi xin chân thành cảm ơn tới giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Trung tận tình bảo, hướng dẫn định hướng cho tơi suốt trình làm luận văn tốt nghiệp Sau cùng, với kiến thức kinh nghiệm, khả tiếp thu nắm bắt kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi sai xót Tơi mong ý kiến đóng góp, phản hồi thầy (cô) khoa để luận văn đầy đủ hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn ! TÓM TẮT NỘI DUNG Đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát dây chuyền sản xuất mỹ phẩm” đề tài luận văn tốt nghiệp mà tơi chọn để thực Để hồn thiện xong luận văn tơi cần tìm hiểu tổng quan chi tiết cơng nghệ sản xuất mỹ phẩm Tìm hiểu hệ thống điều khiển giám sát điều khiển PLC cơng nghiệp Thiết kế lập trình chương trình điều khiển PLC cho thiết bị cơng đoạn pha trộn nguyên liệu mô giao diện điều khiển Tôi sử dụng phần mềm WPLSolf để lập trình chương trình điều khiển PLC phần mềm DOPSolf để mơ giao diện điều khiển Sau q trình hồn thiện, nhận thấy kết mơ có phù hợp với vấn đề đặt ra, ứng dụng vào thực tế Qua đề tài luận văn này, có thêm nhiều kiến thức, hiểu quy trình hệ thống dây chuyền tự động hoá sản xuất cơng nghiệp Tìm kiếm đọc tài liệu liên quan dễ dàng Sử dụng phần mềm thiết kế cách thành thạo nhiều kĩ chuyên môn cho thân Học viên thực (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA 1.1 Tổng quan 1.1.1 Khái niệm hệ thống SCADA 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Các thành phần hệ thống SCADA 1.1.4 Sự khác PLC, DCS SCADA 1.1.5 Các chức hệ thống SCADA 10 1.1.6 Một số ứng dụng SCADA 11 1.2 Cấu trúc phần cứng hệ thống SCADA 11 1.2.1 Các thiết bị trường 11 1.2.2 Thiết bị điện tử thông minh IED ( Intelligent Electronic Devices) 11 1.2.3 Thiết bị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Terminal Unit) 16 1.2.4 Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC 20 1.2.5 Trạm chủ MS (MTU – Master Terminal Unit) 24 1.2.6 Thiết bị giao tiếp người máy HMI 25 1.3 Truyền thông 27 1.3.1 Tổng quan mạng 27 1.3.2 Các cấp mạng truyền thông hệ thống SCADA 29 1.3.3 Các chuẩn giao tiếp 32 1.3.4 Các hệ thống Bus tiêu biểu 43 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT NƢỚC RỬA CHÉN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN PLC, HMI 91 2.1 Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát 91 2.1.1 Yêu cầu sở xây dựng hệ thống 91 2.1.2 Thiết kế chức hệ thống 91 2.2 Giới thiệu nhà máy sản xuất nước rửa chén 93 2.2.1 Quy trình sản xuất 93 2.3 Bộ điều khiển khả trình PLC 96 2.3.1 Giới thiệu PLC 96 2.3.2 Cấu trúc phương thức thực chương trình 98 2.4 PLC Delta DVP – ES2 100 2.4.1 Cấu trúc 100 2.4.2 Phân chia vùng nhớ PLC Delta 103 2.4.3 Phương pháp lập trình 105 2.4.4 Các lệnh PLC Delta 107 2.5 Giới thiệu HMI 109 2.5.1 Khái niệm chung 109 2.5.2 Ưu điểm ứng dụng HMI 109 2.5.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động HMI 110 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 112 3.1 Yêu cầu công nghệ 112 3.2 Chỉ tiêu kĩ thuật 112 3.3 Phương án triển khai 113 3.3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 113 3.3.2 Thông kê số lượng thiết bị sừ dụng hệ điều khiển 113 3.4 Thiết kế phần cứng 114 3.4.1 Màn hình cảm ứng (HMI) 114 3.4.2 Bộ điều khiển khả trình module mở rộng 115 3.4.3 Bộ biến tần điều khiển cho động khuấy 116 3.4.4 Thiết bị cân hóa chất 117 3.5 Thiết kế sơ đồ trang bị điện 118 3.6 Sơ đồ khối điều khiển 124 3.6.1 Chế độ điều khiển 124 3.6.2 Cài đặt công thức 125 3.6.3 Chế độ chạy tự động 126 3.6.4 Thiết lập bước chạy 126 3.7 Thiết kế phần mềm PLC 129 3.7.1 Bảng khai báo tín hiệu vào 129 3.7.2 Chương trình điều khiển mô 132 3.8 Thiết kế giao diện giám sát sử dụng hình HMI 148 KẾT LUẬN CHUNG 154 3.9 Kết luận 154 3.10 Kết thu 154 3.11 Tính ứng dụng thực tế 154 3.12 Những nhược điểm tồn 154 3.13 Hướng phát triển đồ án tương lai 154 TÀI LIỆU THAM KHẢO 156 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Cấu trúc mạng SCADA đơn giản Hình 1-2:Cấu hình mạng SCADA lớn tiêu biểu Hình 1-3: Cấu trúc rơ le kĩ thuật số 12 Hình 1-4: Rơ le kĩ thuật số ABB .13 Hình 1-5: Sơ đồ khối cơng tơ điện tử nhiều biểu giá 14 Hình 1-6: Cơng tơ điện tử nhiều biểu giá 16 Hình 1-7:Cấu trúc RTU tiêu biểu 17 Hình 1-8: Sơ đồ khối tương tự 18 Hình 1-9: Minh hoạ cấu trúc khối vào số 18 Hình 1-10: Minh hoạ sơ đồ khối số 19 Hình 1-11: Hình minh hoạ cấu trúc khối đếm .19 Hình 1-12: RTU 20 Hình 1-13: Cấu trúc tiêu biểu PLC 20 Hình 1-14: Hình minh hoạ hoạt động khối vào ngắt 21 Hình 1-15: Hình minh hoạ khối định 22 Hình 1-16: Hình minh hoạ khối xuất nhập đặc biệt 22 Hình 1-17: Hình minh hoạ khối PID 23 Hình 1-18: Hình minh hoạ khối truyền thơng 23 Hình 1-19: Kiến trúc MTU tiêu biểu 24 Hình 1-20: Hình minh hoạ kiến trúc Sub-Master Station 24 Hình 1-21: Hình minh hoạ thành phần hình HMI 25 Hình 1-22: Hình minh hoạ chức Recipe 26 Hình 1-23: Hình minh hoạ tính nâng cấp OS 26 Hình 1-24: Hình minh hoạ tính Script 26 Hình 1-25: Mơ hình phân cấp chức mạng truyền thơng cơng nghiệp 29 Hình 1-26: Mơ hình truyền dẫn khơng đối xứng .33 Hình 1-27: Mơ hình truyền dẫn chênh lệch đối xứng .34 Hình 1-28: Quy định trạng thái logic tín hiệu RS-232 .35 Hình 1-29: sơ đồ chân Jack RS232 36 Hình 1-30: Một ví dụ ghép nối với RS232 .37 Hình 1-31: Sơ đồ phát thu RS485 .39 Hình 1-32: Quy định trạng thái logic RS485 39 Hình 1-33: Cấu hình mạng RS485 kiểu dây 41 Hình 1-34: Cấu hình mạng RS485 kiểu dây 41 Hình 1-35: Các phương pháp chặn đầu cuối RS485/RS422 .42 Hình 1-36:Ghép nối cảm biến cấu chấp hành số với AS-I 44 Hình 1-37: Nguyên tắc ghép nối thiết bị hệ AS-i .45 Hình 1-38:Cấu trúc điện AS-i 47 Hình 1-39: Cấu trúc lệnh gọi từ trạm chủ AS-i 47 Hình 1-40: Mã hố đường truyền AS-I sử dụng phương pháp APM .48 Hình 1-41: Cấu trúc Multi-Master Profibus 54 Hình 1-42: Các dịch vụ truyền liệu PROFIBUS 56 Hình 1-43: Kí tự khung UART sử dụng PROFIBUS 58 Hình 1-44: Kiến trúc FMS mơ hình OSI 59 Hình 1-45: Các kiểu quan hệ giao tiếp PROFIBUS 62 Hình 1-46: Nguyên tắc trao đổi liệu tuần hồn Master/Slaver 66 Hình 1-47: Giao tiếp trực tiếp trạm tớ 68 Hình 1-48: Chu trình yêu cầu đáp ứng Modbus 73 Hình 1-49: Khung thơng báo Modbus chế độ ASCII .75 Hình 1-50: Khung thông báo Modbus Modbus Plus 78 Hình 1-51: Mạng MPI .80 Hình 1-52: Ethernet/IEEE 802.3 tập chuẩn IEEE 80 81 Hình 1-53: Ba kiểu mạng Ethernet với cáp đồng trục đôi dây xoắn 82 Hình 1-54: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/Ethernet 84 Hình 2-1: Ảnh minh hoạ (PLC Delta DVP 10SX) 96 Hình 2-2 : Cấu trúc phần cứng PLC 98 Hình 2-3: Cấu trúc chung 100 Hình 2-4: Kích thước 101 Hình 2-5: Sơ đồ vị trí ứng dụng HMI hệ thống 110 Hình 3-1 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển 113 Hình 3-2 : HMI Delta DOP 107BV 114 Hình 3-3 : PLC Delta 32ES200R 115 Hình 3-4 : Module mở rộng 08XM211N (8DI) 115 Hình 3-5 : Module mở rộng 16XN211R (16DO) 116 Hình 3-6 : Module mở rộng DVP 06XA-E2 (4AI,2AO) 116 Hình 3-7 : Biến tần LiteOn EVO6800 116 Hình 3-8 : Đầu cân LAUMAS W100 .117 Hình 3-9: Các tham số cài đặt truyền thông 118 Hình 3-10 : Tổng quan sơ đồ tủ điện hệ thống .119 Hình 3-11 : Sơ đồ bố trí thiết bị tủ vận hành 119 Hình 3-12 : Sơ đồ đấu nối cấp nguồn 24V 120 Hình 3-13 : Sơ đồ đấu nối PLC .120 Hình 3-14 : Sơ đồ đấu nối Module mở rộng 16XN211R 121 Hình 3-15 : Sơ đồ đấu nối Module mở rộng 08XM211N .121 Hình 3-16 : Sơ đồ đấu nối thiết bị cân LAUMAS W100 122 Hình 3-17 : Sơ đồ đấu nối biến tần cho đông khuấy 122 Hình 3-18 : Sơ đồ đấu nối van điện từ 123 Hình 3-19 : Sơ đồ đấu nối van điện từ 123 Hình 3-20 : Phần mềm lập trình PLC Delta 133 Hình 3-21 : Phần mềm lập trình HMI Delta 149 Hình 3-22: Màn hình thiết kế cân H2O, LAS, NAOH 151 Hình 3-23 : Màn hình thiết kế cân Hương liệu .151 Hình 3-24 : Màn hình thiết kế Bơm sau phản ứng 152 Hình 3-25 : Màn hình thiết kế mục cài đặt công thức chạy .152 142  Cài đặt tốc độ khuấy 143  Cấu hình truyền thơng với thiết bị đầu cân Sửa lại ảnh 144  Điều khiển ngõ Output 145 146 147 3.8 Thiết kế giao diện giám sát sử dụng hình HMI Cài đặt phần mềm : DOPsoft 4.0 dành cho dòng HMI Delta DOP 100 148 Hình 3-21 : Phần mềm lập trình HMI Delta - Kết nối HMI với máy tính qua cổng nạp USB Slave sau kiểm tra xem - máy tính nhận chưa Ta mở phần mềm lên chọn File => New… cửa sổ New Project Name lên ta thiết lập giống hình bên chọn OK - Lựa chọn kiểu truyền thông cổng COM kết nối truyền thông nhấn nút finish để mở hình HMI lập trình 149 - Cửa sổ Screen lên bên : - Giao diện thiết kế đồ họa xuất hiện, ta chọn biểu tượng cơng cụ chương trình Sau tiến hành lấy hình ảnh linh kiện 150 Hình 3-22: Màn hình thiết kế cân H2O, LAS, NAOH Hình 3-23 : Màn hình thiết kế cân Hương liệu 151 Hình 3-24 : Màn hình thiết kế Bơm sau phản ứng Hình 3-25 : Màn hình thiết kế mục cài đặt công thức chạy 152 Kết luận: Từ chương tơi thấy q trình thiết kế hệ thống điều khiển giám giát cho dây chuyền sản xuất nước rửa chén qua nhiều công đoạn phức tạp khác nhau, địi hỏi tỉ mỉ, xác q trình sản xuất để đạt chất lượng tốt Chính việc điều khiển cơng đoạn đóng vai trị vơ cần thiết Để thiết kế lập trình thật sát với yêu cầu khắt khe trình sản xuất bên cạnh việc hiểu rõ quy trình cơng nghệ việc có tìm hiểu thật sâu cách thức làm việc q trình điều khiển cần thiết Từ thiết kế lập trình chương trình phần mềm WPLsoft PLC Delta DOPsoft HMI delta 153  KẾT LUẬN CHUNG 3.9 Kết luận: Với đề tài luận văn này, Tôi giải số vấn đề sau:  Giới thiệu, nghiên cứu, tìm hiểu Biến Tần, PLC, HMI đặc tính phạm vi ứng dụng lĩnh vực điều khiển tự động  Trình bày vế tham số cài đặt, chế hoạt động ứng dụng thực tế Biến Tần việc giải tốn cơng nghiệp  Trình bày cấu trúc tập lênh PLC Delta  Lập trình thiết kế giao diện ứng dụng hình HMI  Ứng dụng PLC+HMI kết hợp với biến tần tạo thành mơ hình điều khiển giám sát tự động hoá 3.10 Kết thu đƣợc  Xây dựng cấu trúc hệ thống tự động hoá nhà nhà máy sản xuất công nghiệp – Dây chuyền sản xuất nước rửa chén  Viết chương trình chạy mơ chạy thực tế trạm bơm nước  Thiết kế, lập trình hình HMI (Delta)  Kết nối cài đặt chế độ tùy chỉnh cho biến tần LITEON, tìm hiểu chức khác mà biến tần LITEON áp đáp ứng cho bìa tốn cơng nghiệp  Kĩ thiết kế, đấu nối tủ điện, hình thành tu logic để tối ưu toán cho phù hợp với trương hợp cụ thể 3.11 Tính ứng dụng thực tế - Sử dụng cho chương trình giảng dạy nghiên cứu lớp học chuyên ngành khoá sau - Ứng dụng xây dựng hệ thống điều khiển với ngành sản xuất công nghiệp khác như: trạm phối trộn bê tông ngành xây dựng 3.12 Những nhƣợc điểm tồn - Do việc hạn chế mặt thiết bị thực tế khiến việc xây dựng thuật toán điều khiển chưa tối ưu, tinh gọn, làm độ xác hệ thống, tín hiệu bị nhiều khơng ổn định - Chưa khai thác hết tính Biến tần, PLC để giải toán mọt cách tối ưu 3.13 Hƣớng phát triển đồ án tƣơng lai 154 - Mở rộng hệ thống tương tự liên kết với thành hệ thống lớn điều khiển giám sát hệ thống PC - Xây dựng phòng điều khiển trung tâm riêng biệt, điều tăng công sản xuất cho nhà máy lên gấp nhiều lần, giảm chi phối yếu tố người - Rút kinh nghiệm thực tế trình học làm việc để nâng cao kĩ chun mơn tính ứng dụng thực tế 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất khoa học kĩ thuật , 2004 [2] Trần Thế San - Nguyễn Ngọc Phương, Lập trình ứng dụng cơng nghiệp, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2004 [3] "EVO6000_EN_Manual_20190522," [Online] [4] " http://www.deltaww.com," [Online] [5] "https://www.manualslib.com," [Online] [6] "DVP-SX Instruction Sheet-English-20060112," [Online] [7] "DOP-107BV_EN_20180528," [Online] [8] "https://www.youtube.com," [Online] [9] " https://www.google.com.vn," [Online] 156