LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Đất nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hóa, để quá trình này phát triển nhanh chúng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động và cho ra sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những phương án đầu tư vào tự động hoá là việc ứng dụng PLC vào các dây chuyền sản xuất. Đối với những tính năng tiện ích của hệ thống PLC nên hiện nay bộ điều khiển này đang được sử dung rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau. Một trong những ngành đang phát triển mạnh mẽ hiện nay đó là ngành sản xuất thực phẩm, và việc ứng dụng PLC vào trong ngành sản xuất thực phẩm là một việc làm sẽ đem lại hiệu quả cao và rất phù hợp, đặc biệt là trong sản xuất thực phẩm bánh quy. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BÁNH QUY 1.1 xKhảo sát quy trình sản xuất bánh quy 1.1.1 Lịch sử phát triển Có nguồn gốc từ nước Anh. Lúc đó bánh được sử dụng chủ yếu làm thức ăn cho các thủy thủ trong các chuyến đi biển dài ngày. Những chiếc bánh đầu tiên được làm ra chỉ từ một số ít nguyên liệu như: bột mì, muối và nước, và muốn ăn được chúng phải ngâm vào các loại nước uống như: trà, sữa, nước… Người Việt Nam biết đến bánh biscuit khi người Pháp mang chúng đến nước ta trong chiến tranh vào khoảng cuối thế kỷ thứ 19. Ngày nay, nguyên liệu dùng sản xuất bánh rất phong phú và bánh là một mặt hàng có giá trị cao về mặt dinh dưỡng và cung cấp nhiều năng lượng. Bánh ngày nay, được sử dụng như một loại thức ăn cơ bản trong các bữa ăn (ăn sáng, tráng miệng), bánh được xem như một thực phẩm tăng cường dinh dưỡng và đặc biệt bánh còn được dùng làm quà biếu vào những dịp Lễ, Tết. Bánh bích qui là một loại sản phẩm làm từ nguyên liệu chính là bột mì, và một số phụ gia khác như: đường, trứng, chất béo, thuốc nở hóa học… Ta chia làm 2 loại : bánh quy dài và bánh quy xốp Hình 1.1 Dây chuyền sản xuất bánh quy thực tế 1.1.2 Tổng quan về nguyên liệu Nguyên liệu chính Bột mì: Bột mì là nguyên liệu chính để sản xuất bánh, được chế biến từ hạt lúa mì. Cấu tạo của hạt lúa mì: Như những loại hạt hòa thảo khác, hạt lúa mì cấu tạo gồm 4 phần: vỏ hạt, lớp alơron, nội nhũ và phôi hạt. Sự phân bố các phần trong hạt lúa mì: • Vỏ hạt: chiếm khoảng 10% trọng lượng hạt, bao bọc quanh hạt, có tác dụng bảo vệ phôi và nội nhũ hạt, chống lại ảnh hưởng xấu của điều kiện ngoại cảnh. Thành phần chủ yếu là celluloza và hemicelluloza, vỏ không chứa chất dinh dưỡng. • Lớp alơron: chiếm khoảng 5% trọng lượng hạt, bao gồm một dãy tế bào kề với nội nhũ. Thành phần ngoài celluloza và khoáng chất còn chứa protein, đường, chất béo, nhưng những chất này hầu như cơ thể của người không tiêu hóa được vì nó dính chặt với lớp vỏ mỏng celluloza. • Nội nhũ: chiếm khoảng 83% trọng lượng hạt, nằm sau lớp alơron. Đây là thành phần chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các thành phần cấu tạo nên hạt. Nội nhũ là nơi dự trữ chất dinh dưỡng của hạt. Thành phần chính là tinh bột và protein. Bột mì được xay ra từ nội nhũ. • Phôi hạt: chiếm khoảng 2% trọng lượng hạt, là phần phát triển thành cây non khi hạt nảy mầm. Thành phần gồm: đường, chất béo, protein, enzym và vitamin. Phân hạng: bột mì được phân ra thành nhiều hạng bột khác nhau: bột mì hảo hạng, bột mì hạng 1, bột mì hạng hạng 2, bột mì hạng 3. Bột mì có hai loại: bột mì trắng và bột mì đen. Bột mì trắng được sản xuất từ hạt lúa mì trắng, bột mì đen được sản xuất từ hạt lúa mì đen. Nguồn nguyên liệu chủ yếu của nước ta là nhập từ nước ngoài(nhập bột mì và lúa mì)và ta chỉ nhập loại lúa mì trắng. Lúa mì trắng có hai loại:loại cứng và loại mềm. Lúa mì cứng có chất lượng cao hơn. Thành phần hóa học của bột mì phụ thuộc vào thành phần hóa học của hạt và phụ thuộc vào nội nhũ. Các chất dinh dưỡng trong bột có hạng cao thì được cơ thể tiêu hóa dễ hơn, nhưng bột mì ở hạng thấp lại có vitamin và chất khoáng cao hơn. Bột mì chủ yếu gồm gluxit và protit, hàm lượng các gluxit và protit chiếm khoảng 90% trọng lượng bột mì. Thành phần quyết định nên tính chất của bột mì chính là gluxit còn gọi là tinh bột. Trong hạng bột cao chứa đến 80% tinh bột. Tinh bột của các loại bột khác nhau thì không giống nhau về hình dáng, kích thước, khả năng trương nở và hồ hóa. Đường: Trong sản xuất bánh, đường được dùng chủ yếu là đường saccaroza. Nguồn gốc: đường saccaroza sản xuất từ mía là chính, ngoài ra còn được sản xuất từ củ cải đường hoặc từ cây thốt nốt. Tính chất: tan nhiều trong nước thường nóng chảy 185o C Vai trò của đường trong sản xuất bánh: -Đường có tác dụng làm mềm bột, giảm sự trương nở của protein. -Ngoài việc tạo vị ngọt, đường còn góp phần tạo cấu trúc, màu sắc, hương vị thơm ngon cho sản phẩm bánh nướng. -Đường là nguồn cung cấp nguyên liệu cho phản ứng Maillard, phản ứng caramel. -Đường là nguồn dưỡng chất và cơ chất cho nấm men & enzym lên men tạo khí CO2. Lecithin: là chất béo có tính háo nước và hoạt tính bề mặt cao nên nhũ hóa tốt giúp cho Gluten đàng hồi tốt hơn, làm tăng chất lượng bột nhàu và bánh nướng. Bột năng: Được sản xuất từ củ khoai mì (củ sắn) Làm cho khối bột nhào thêm dẻo và tăng độ liên kết cho khối bột nhào khỏi dính tay. Muối : - Muối ăn có tác dụng làm cho Gluten chặt lại và tăng khả năng hút nước lên, cường độ thủy phân protit giảm đi rõ rệt. , giàm tốc độ lên men và hoạt động của enzyme Trứng: Trứng có giá trị dinh dưỡng cao,tạo mùi vị thơm ngon, cấu trúc mềm mại hay nở xốp đặc trưng cho bánh , là thành phần nguyên liệu rất đươc ưa chuông trong làm bánh từ xưa đến nay. o Cấu tạo: vỏ chiếm 10%, lòng trắng 60%, lòng đỏ 30% trọng lượng o Thành phần hóa học: nước chiếm 70%, Protein 13%, lipid 15%, tro 1%, vitamin và khoáng chất 1%. Trong sx các loại bisciut, trứng là nguyên liệu đắt tiền nên nếu cần nguồn chất béo & chất nhũ hóa thì có thể thay thế bằng nguồn khác rẻ hơn nhưng trong các loại bột nhão của các loại bánh cần độ xốp và cần tạo bọt khí cho bột nhão thì vai trò của trứng không thể thay thế được. o Trứng có hàm lượng chất lỏng cao ( 72 %) nên được coi là tác nhân tạo độ cứng chắc, chúng góp phần làm hình thành gluten & hồ hóa tinh bột. o Lòng trắng trứng tạo bọt, hỗ trợ tạo gel làm tăng độ nở xốp của sản phầm, tạo độ cứng chắc khá rõ nét bởi protein trứng ( albumin) sẽ biến tính ở nhiệt độ cao , tạo cấu trúc cứng chắc cho sản phẩm bánh nướng. o Lòng đỏ có tác dụng làm mềm bánh bởi lượng chất béo có trong nó. o Lòng đỏ giàu lecithin là chất có dụng nhũ hóa. o Màu đỏ trứng phụ thuộc hàm lượng carotenoid trong trứng, màu của lòng đỏ trứng cũng có ảnh hưởng tới màu sản phẩm khi nướng Bột nở: Bột nở có tên tiếng Anh là baking soda là một sản phẩm được cho thêm vào trong bánh, làm cho những chiếc bánh nở phồng và hấp dẫn hơn. Công thức hóa học của bột nở là: NaHCO3. Bơ: Bơ: thu nhận từ váng sữa, hàm lượng béo cao (trên 80%). Bơ là một trong những loại thực phẩm lâu đời nhất mà con người biết đến và sử dụng rộng rãi, Ngày nay bơ là một thực phẩm vô cùng quan trọng. Bơ là thực phẩm có chứa hàm lượng đạm cao và cơ thể dễ hấp thụ. Trong thành phần của bơ có nhiều chất cần thiết giúp nó ở lại lâu trong dạ dày và từ từ cung cấp năng lượng cho cơ thể. Dầu: Tạo mùi vị đặc trưng cho bánh nướng. Làm mềm bánh nướng và tạo cảm giác tan trong miệng. Thúc đẩy phản ứng Maillard. Tạo cấu trúc nở xốp cho bánh do tạo màng mỏng bao trùm và bôi trơn các hạt tinh bột làm bền bọt khí. Vani: Tạo hương thơm cho bánh. 1.2 Lĩnh vực ứng dụng Lĩnh vực ứng dụng của hệ thống - Hệ thống sản xuất bánh quy có thể ứng dụng trong các nhà máy sản xuất nhỏ, vừa và lớn. - Một ví dụ cho thấy, lịch sử ra đời của hệ thống tại các nhà máy từ thời xưa: Nhà máy sản xuất bánh quy cổ nhất thế giới đã được phát hiện ở miền nam nước Pháp. Công xưởng, còn gọi là phức hợp Barbegal thời La Mã, bao gồm các cống nước và cối xay nước đã được dùng để sản xuất đồ ăn vặt với số lượng lớn phục vụ các thủy thủ viễn dương vào thế kỉ II. Khu phức hợp quy mô lớn bao gồm một cối xay nước lớn chạy bằng và hệ thống cống nước trải dài 60km. Sức nước chảy qua bánh xe sẽ khởi động hệ thống cối xay hạt thành bột mỳ, thành phẩm sau đó sẽ được vận chuyển bằng đường thủy tới các cảng Roman lân cận. Trước đây, các nhà nghiên cứu tin rằng chỉ đến thời trung cổ người ta mới sử dụng những cối xay nước cỡ lớn như Barbegal với quy mô công nghiệp. Từ lần đầu phát hiện vào năm 1937 tới nay, chiếc cối xay được cho là phức hợp công nghiệp lâu đời nhất thế giới với khả năng phục vụ 12,500 người mỗi năm. Tuy nhiên, phỏng đoán của các nhà khoa học rằng công xưởng Barbegal chỉ phục vụ thành phố lân cận là Arelate đã được chứng minh điều ngược lại. Phân tích các mẩu đá vôi tìm thấy trong khu phức hợp cho thấy các bánh quay gỗ khởi động cối xay ngừng hoạt động vào cuối mùa hè và mùa thu, trong khi nhu cầu bột mỳ của Arelate kéo dài cả năm. Hình 1.2 Cấu trúc dạng bánh xe phức tạp tại nhà máy làm bánh quy thời La Mã. Các mẩu đá vôi hình thành trong quá trình bánh xe quay tiếp xúc với nước và bám trên đó và là dấu vết duy nhất còn lại của hệ thống cối xay (bằng gỗ và đã mục nát từ nhiều thế kỉ trước). Kết quả phân tích thành phần hóa học cho thấy các mảng đá vôi chỉ hình thành trong một số giai đoạn nhất định trong năm, dẫn tới khả năng cối xay chỉ cho sản phẩm vào cuối hè và mùa thu. Bên cạnh đó, thời gian bảo quản của bột mỳ khá ngắn nên công xưởng phải sản xuất liên tục trong năm mới đủ cung cấp cho Arelate. Thay vào đó, cối xay này có thể được dùng để phục vụ các chuyến đi biển vốn mang tính mùa vụ do thuyền La Mã không khởi hành qua biển Địa trung hải vào mùa đông để tránh bão. Các nhà nghiên cứu cho rằng bột mỳ sản xuất tại Barbegal được chuyển tới các cảng lân cận như Arles và Fossae Marianae rồi được dùng để làm “bánh quy đi tàu” hay bánh quy khô. Những chiếc bánh này có thành phần và cách là rất đơn giản, gồm bột mỳ, nước và đôi khi cho thêm muối. Trước khi đồ ăn đóng hộp ra đời, những chiếc bánh quy này rất phổ biến trong giới thủy thủ vì có thể để hàng tuần mà không bị hỏng. Cấu trúc dạng tinh thể của các mảng đá vôi tiết lộ nơi hình thành là những khu vực tối có nước chảy xiết, cũng có nghĩa là những bánh xe nước được đã đặt ở trong những căn lều nhỏ thay vì ở ngoài trời. Cấu trúc sắp đặt 16 bánh xe nước theo hai hàng nối liền nhau dọc theo triền đồi dốc cho các cối xay ở Barbegal sự khác biệt với những cối xay ở Ai Cập hay Trung Quốc. Hệ thống cống nước dài 60km được đặt gần Arelate và các cối xay tiếp nhận hơn một nửa trong số 45 triệu lít nước chảy qua các cối xay mỗi ngày. Các nhà khoa học tin rằng vẫn còn nhiều các hệ thống cối xay La Mã đã từng được xây dựng ở Châu Âu, nhưng vì hầu hết sử dụng vật liệu gỗ dễ phân hủy qua thời gian nên chưa địa điểm nào được phát hiện thêm. CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ PHẦN MỀM XÂY DỰNG HỆ THỐNG Sơ đồ công nghệ của hệ thống Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ Quá trình vận hành gồm 2 giai đoạn là điều khiển quá trình hình thành bánh và điều khiển đóng gói. Quy trình điều khiển quá trình hình thành bánh Sơ đồ công nghệ cho thấy: Máy trộn là nơi trộn để tạo ra bánh quy. Máy trộn sẽ được trộn từ những nguyên liệu (bột, nước, chất phụ gia) qua đó sản xuất ra bánh quy. Quy trình thực hiện như sau : Trước tiên, đặt số lượng nguyên liệu sau đó bật hệ thống van 1 xả vào bồn van 2, sau khi van 2 đủ số lượng đặt thì 2 bơm định lượng (nước, phụ gia) hoạt động. Khi nguyên liệu bằng số lượng đặt, thì van và các bơm đóng lại, máy trộn bắt đầu hoạt động trong khoảng thời gian 5s. Sau khi trộn xong, van 3 mở máy đùn bột hoạt động, cảm biện biến 1 bị tác động thì băng tải 1, máy ép (cán) hoạt động, cảm biến 2 tác động thì máy định hình và băng tải 2 hoạt động, cảm biến 3 bị tác động thì bánh bắt đầu được sấy. Quy trình điều khiển đóng gói: Khâu đóng gói được thực hiện sau khi khâu nướng bánh hoàn thành, bánh được đưa xuống, cảm biến 4 được tác động thì máy đóng gói bắt đầu hoạt động để đưa ra đóng thùng. Cảm biến 5 tác động để đếm số lượng gói hàng. 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống 2.2. Tổng quan về PLC S7-300. 2.2.1. Khái niệm. Thiết bị điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Control , viết tắt là PLC ) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình. Thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng mạch số như vậy với chương trình điều khiển PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hay máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình như khối OB, FC hoặc FB, và được thiết lập theo chu kỳ vòng quét. Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC có tình năng như một máy tính. Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (PLC), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có cổng đầu vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó PLC còn có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)… và các khối chuyên dụng khác. 2.2.3. Cấu tạo PLC. Một PLC điển hình có cấu tạo như hình vẽ: Hình 2.3 Cấu tạo của PLC Ta thấy cấu trúc cơ bản của PLC bao gồm một bộ vi xử lý trung tâm CPU, bộ nhơ (ROM, RAM), khối vào ra, khối phát xung nhịp, pin và hệ thống các BUS. Toàn bộ hoạt động của PLC được điều khiển bởi CPU, nó được cung cấp bởi khối phát xung nhịp, do đó tốc độ của CPU sẽ phụ thuộc vào khối phát xung nhịp( thông thường khối phát xung nhịp có tần số vào khoảng 1 8 MHz ), xung nhịp này sẽ cung cấp cho tất cả các khối trong PLC để đồng bộ hóa quá trình hoạt động của khối này với CPU. Hệ thống BUS bao gồm BUS địa chỉ (xác định địa chỉ trên các vùng nhớ), BUS điều khiển ( truyền tải các thông tin điều khiển ), BUS dữ liệu ( truyền tải dữ liệu) và các BUS vào/ra ( mang thông tin từ các đầu vào ra). 2.3 Xây dựng bảng tín hiệu Bảng 2.1 Bảng tín hiệu vào/ra hệ thống Biến đầu vào, ra Chức năng M0.0 Khởi động hệ thống M0.1 Dừng hệ thống M0.5 Cảm biến 1 tác động kích hoạt máy cán bánh M0.6 Cảm biến 2 tác động kích hoạt máy định hình bánh M0.7 Cảm biến 3 tác động kích hoạt máy nướng bánh M1.0 Cảm biến 4 tác động kích hoạt máy máy đóng gói M1.1 Cảm biến 5 tác động đếm sản phẩm ra Q0.0 Đèn báo hệ thống làm việc Q0.7 Động cơ máy trộn Q1.0 Động cơ máy cán Q1.2 Động cơ máy định hình Q1.3 Động cơ máy nướng Q1.4 Động cơ máy đóng gói Q1.6 Động cơ máy đùn bột Q1.7 Băng tải 1 chính Q2.0 Băng tải 2 chạy sản phẩm thừa, sau khi được định hình 2.4 Lựa chọn phần cứng hệ SCADA Máy tính PC với các dịch vụ truyền thông chuẩn và các chương trình giao diện đồ họa được thiết kế sẵn Các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình PLC Các transmitter/ RTU Card mạng và hệ thống cáp nối đi theo phục vụ cho quá trình thu thập và điều khiển. 2.5 Sơ đồ ghép nối phần cứng Hình 2.4 Sơ đồ ghép nối phần cứng 2.6 Sơ đồ mạch động lực Hình 2.5 Sơ đồ mạch động lực Giải thích sơ đồ: Bảng 2.2 Bảng giải thích sơ đồ mạch động lực CB Aptomat 3 pha: thiết bị đóng cắt dòng điện, bảo vệ quá dòng, sụt ap.. CC Cầu chì 3 pha bảo vệ ngắn mạch M1 Động cơ máy trộn M2 Động cơ máy ép cán M3 Động cơ máy định hình M4 Động cơ máy sấy nướng bánh M5 Động cơ máy đóng gói M6 Động cơ máy đùn bột M7 Băng tải 1 chính M8 Băng tải 2 phụ K1,2,3,4,5,6 Các tiếp điểm động lực của các cuộn dây contactor điều khiển các động cơ tương ứng RN Các Role nhiệt bảo vệ quá tải 2.7 Sơ đồ P&ID Sơ đồ P&ID cho hệ thống lò nhiệt Hình 2.6 Sơ đồ P&ID hệ thống lò nhiệt Trong đó: P: Biến điều khiển (Công xuất) T: Biến cần điều khiển (Nhiệt dộ) TT: Cảm biến nhiệt độ, đo nhiệt độ ra TC: Bộ điều chỉnh, so sánh tín hiệu đo với tín hiệu đặt Tsp: Sản phẩm tín hiệu đặt CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Bảng ngõ ra vào đấu nối PLC Bảng 3.1 Bảng ngõ ra vào tag nội PLC 3.2 Lưu đồ thuật toán 3.2.1 Lưu đồ thuật toán cho từng khâu a. Khâu trộn nhiên liệu Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán khâu trộn nhiên liệu Trước khi chạy hệ thống, ta đặt định lượng cho nguyên liệu, sau đó nhấn nút start hệ thống bắt đầu chạy, các bình nhiên liệu bắt dầu mở và chảy xuống máy trộn. Đồng thời các Counter bắt đầu đếm và so sánh giá trị. Khi cả 3 bình đã bằng với giá trị đặt thì, máy trộn bắt đầu hoạt động. b. Khâu đùn bột Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán khâu đùn bột Sau khi hệ thống trộn nhiên liệu hoạt động, bộ timer bắt đầu đếm, thời gian trộn là 10s, khi hết 10s máy đùn bột bắt đầu hoạt động. c. Khâu ép cán bánh Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán khâu ép cán Sau khi máy đùn bột hoạt động, thì van 3 bắt đầu mở, đồng thời băng tải 1 cũng hoạt động. Khi cảm biến 1 ép cán được tác động thì lúc đó máy ép cán bắt đầu hoạt động. d. Khâu định hình Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán khâu định hình Máy ép cán hoạt động, khi cảm biến định đình được tác động thì băng tải 2 và máy định hình hoạt động. e. Khâu nướng sấy bánh Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán khâu nướng sấy Máy nướng được hoạt động khi cảm biến nướng sấy được tác động và sau khi máy định hình hoạt động. f. Khâu đóng gói Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán khâu đóng gói Máy nướng hoạt động trong 10s, thì hệ thống máy đóng gói hoạt động khi cảm biến đóng gói bị tác động. 3.2.1 Lưu đồ thuật toán toàn hệ thống Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán toàn hệ thống 3.3 Sơ đồ đấu nối PLC với ngoại vi Hình 3.8 Kết nối PLC với ngoại vi PLC bao gồm các bộ nguồn kết nối với CPU và các IO vào ra kết nối với các thiết bị ngoại vi (hình 3.1) 3.4 Cấu trúc chương trình Hình 3.9 Cấu trúc chương trình - OB1: Khối chương trình chính - FC1, FC2: Khối chương trình con - FC82: Khối reset bit 3.5 Chương trình điều khiển Khối OB1:
TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BÁNH QUY
Lĩnh vực ứng dụng
Lĩnh vực ứng dụng của hệ thống
- Hệ thống sản xuất bánh quy có thể ứng dụng trong các nhà máy sản xuất nhỏ, vừa và lớn
- Một ví dụ cho thấy, lịch sử ra đời của hệ thống tại các nhà máy từ thời xưa:
Nhà máy sản xuất bánh quy cổ nhất thế giới đã được phát hiện ở miền nam nước Pháp Công xưởng, còn gọi là phức hợp Barbegal thời La Mã, bao gồm các cống nước và cối xay nước đã được dùng để sản xuất đồ ăn vặt với số lượng lớn phục vụ các thủy thủ viễn dương vào thế kỉ II.
Khu phức hợp quy mô lớn bao gồm một cối xay nước lớn chạy bằng và hệ thống cống nước trải dài 60km Sức nước chảy qua bánh xe sẽ khởi động hệ thống cối xay hạt thành bột mỳ, thành phẩm sau đó sẽ được vận chuyển bằng đường thủy tới các cảng Roman lân cận.
Trước đây, các nhà nghiên cứu tin rằng chỉ đến thời trung cổ người ta mới sử dụng những cối xay nước cỡ lớn như Barbegal với quy mô công nghiệp.
Từ lần đầu phát hiện vào năm 1937 tới nay, chiếc cối xay được cho là phức hợp công nghiệp lâu đời nhất thế giới với khả năng phục vụ 12,500 người mỗi năm Tuy nhiên, phỏng đoán của các nhà khoa học rằng công xưởng Barbegal chỉ phục vụ thành phố lân cận là Arelate đã được chứng minh điều ngược lại Phân tích các mẩu đá vôi tìm thấy trong khu phức hợp cho thấy các bánh quay gỗ khởi động cối xay ngừng hoạt động vào cuối mùa hè và mùa thu, trong khi nhu cầu bột mỳ của Arelate kéo dài cả năm.
Hình 1.2 Cấu trúc dạng bánh xe phức tạp tại nhà máy làm bánh quy thời La
Các mẩu đá vôi hình thành trong quá trình bánh xe quay tiếp xúc với nước và bám trên đó và là dấu vết duy nhất còn lại của hệ thống cối xay (bằng gỗ và đã mục nát từ nhiều thế kỉ trước) Kết quả phân tích thành phần hóa học cho thấy các mảng đá vôi chỉ hình thành trong một số giai đoạn nhất định trong năm, dẫn tới khả năng cối xay chỉ cho sản phẩm vào cuối hè và mùa thu Bên cạnh đó, thời gian bảo quản của bột mỳ khá ngắn nên công xưởng phải sản xuất liên tục trong năm mới đủ cung cấp cho Arelate Thay vào đó, cối xay này có thể được dùng để phục vụ các chuyến đi biển vốn mang tính mùa vụ do thuyền La Mã không khởi hành qua biển Địa trung hải vào mùa đông để tránh bão.
Các nhà nghiên cứu cho rằng bột mỳ sản xuất tại Barbegal được chuyển tới các cảng lân cận như Arles và Fossae Marianae rồi được dùng để làm “bánh quy đi tàu” hay bánh quy khô Những chiếc bánh này có thành phần và cách là rất đơn giản, gồm bột mỳ, nước và đôi khi cho thêm muối. Trước khi đồ ăn đóng hộp ra đời, những chiếc bánh quy này rất phổ biến trong giới thủy thủ vì có thể để hàng tuần mà không bị hỏng.
Cấu trúc dạng tinh thể của các mảng đá vôi tiết lộ nơi hình thành là những khu vực tối có nước chảy xiết, cũng có nghĩa là những bánh xe nước được đã đặt ở trong những căn lều nhỏ thay vì ở ngoài trời Cấu trúc sắp đặt 16 bánh xe nước theo hai hàng nối liền nhau dọc theo triền đồi dốc cho các cối xay ở Barbegal sự khác biệt với những cối xay ở Ai Cập hay Trung Quốc.
Hệ thống cống nước dài 60km được đặt gần Arelate và các cối xay tiếp nhận hơn một nửa trong số 45 triệu lít nước chảy qua các cối xay mỗi ngày.
Các nhà khoa học tin rằng vẫn còn nhiều các hệ thống cối xay La Mã đã từng được xây dựng ở Châu Âu, nhưng vì hầu hết sử dụng vật liệu gỗ dễ phân hủy qua thời gian nên chưa địa điểm nào được phát hiện thêm.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ PHẦN MỀM XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống
Tổng quan về PLC S7-300
Thiết bị điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Control , viết tắt là PLC ) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình Thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng mạch số như vậy với chương trình điều khiển PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hay máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình như khối
OB, FC hoặc FB, và được thiết lập theo chu kỳ vòng quét. Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC có tình năng như một máy tính Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (PLC), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có cổng đầu vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó PLC còn có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)… và các khối chuyên dụng khác.
Một PLC điển hình có cấu tạo như hình vẽ:
Hình 2.3 Cấu tạo của PLC
Ta thấy cấu trúc cơ bản của PLC bao gồm một bộ vi xử lý trung tâm CPU, bộ nhơ (ROM, RAM), khối vào ra, khối phát xung nhịp, pin và hệ thống các BUS.
Toàn bộ hoạt động của PLC được điều khiển bởi CPU, nó được cung cấp bởi khối phát xung nhịp, do đó tốc độ của CPU sẽ phụ thuộc vào khối phát xung nhịp( thông thường khối phát xung nhịp có tần số vào khoảng 1 8 MHz ), xung nhịp này sẽ cung cấp cho tất cả các khối trong PLC để đồng bộ hóa quá trình hoạt động của khối này với CPU.
Hệ thống BUS bao gồm BUS địa chỉ (xác định địa chỉ trên các vùng nhớ),BUS điều khiển ( truyền tải các thông tin điều khiển ), BUS dữ liệu ( truyền tải dữ liệu) và các BUS vào/ra ( mang thông tin từ các đầu vào ra).
Xây dựng bảng tín hiệu
Bảng 2.1 Bảng tín hiệu vào/ra hệ thống
M0.5 Cảm biến 1 tác động kích hoạt máy cán bánh
M0.6 Cảm biến 2 tác động kích hoạt máy định hình bánh
M0.7 Cảm biến 3 tác động kích hoạt máy nướng bánh
M1.0 Cảm biến 4 tác động kích hoạt máy máy đóng gói
M1.1 Cảm biến 5 tác động đếm sản phẩm ra
Q0.0 Đèn báo hệ thống làm việc
Q1.2 Động cơ máy định hình
Q1.4 Động cơ máy đóng gói
Q1.6 Động cơ máy đùn bột
Q2.0 Băng tải 2 chạy sản phẩm thừa, sau khi được định hình
Lựa chọn phần cứng hệ SCADA
Máy tính PC với các dịch vụ truyền thông chuẩn và các chương trình giao diện đồ họa được thiết kế sẵn
Các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình PLC
Card mạng và hệ thống cáp nối đi theo phục vụ cho quá trình thu thập và điều khiển.
Sơ đồ ghép nối phần cứng
Hình 2.4 Sơ đồ ghép nối phần cứng
Sơ đồ mạch động lực
Hình 2.5 Sơ đồ mạch động lực
Bảng 2.2 Bảng giải thích sơ đồ mạch động lực
CB Aptomat 3 pha: thiết bị đóng cắt dòng điện, bảo vệ quá dòng, sụt ap
CC Cầu chì 3 pha bảo vệ ngắn mạch
M2 Động cơ máy ép cán
M3 Động cơ máy định hình
M4 Động cơ máy sấy nướng bánh
M5 Động cơ máy đóng gói
M6 Động cơ máy đùn bột
K1,2,3,4,5,6 Các tiếp điểm động lực của các cuộn dây contactor điều khiển các động cơ tương ứng
RN Các Role nhiệt bảo vệ quá tải
Sơ đồ P&ID
Sơ đồ P&ID cho hệ thống lò nhiệt
Hình 2.6 Sơ đồ P&ID hệ thống lò nhiệt
P: Biến điều khiển (Công xuất)
T: Biến cần điều khiển (Nhiệt dộ)
TT: Cảm biến nhiệt độ, đo nhiệt độ ra
TC: Bộ điều chỉnh, so sánh tín hiệu đo với tín hiệu đặt
Tsp: Sản phẩm tín hiệu đặt
THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Bảng ngõ ra vào đấu nối PLC
Bảng 3.1 Bảng ngõ ra vào tag nội PLC
Lưu đồ thuật toán
3.2.1 Lưu đồ thuật toán cho từng khâu a Khâu trộn nhiên liệu
Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán khâu trộn nhiên liệu
Trước khi chạy hệ thống, ta đặt định lượng cho nguyên liệu, sau đó nhấn nút start hệ thống bắt đầu chạy, các bình nhiên liệu bắt dầu mở và chảy xuống máy trộn Đồng thời các Counter bắt đầu đếm và so sánh giá trị Khi cả 3 bình đã bằng với giá trị đặt thì, máy trộn bắt đầu hoạt động. b Khâu đùn bột
Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán khâu đùn bột
Sau khi hệ thống trộn nhiên liệu hoạt động, bộ timer bắt đầu đếm, thời gian trộn là 10s, khi hết 10s máy đùn bột bắt đầu hoạt động. c Khâu ép cán bánh
Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán khâu ép cán
Sau khi máy đùn bột hoạt động, thì van 3 bắt đầu mở, đồng thời băng tải 1 cũng hoạt động Khi cảm biến 1 ép cán được tác động thì lúc đó máy ép cán bắt đầu hoạt động. d Khâu định hình
Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán khâu định hình
Máy ép cán hoạt động, khi cảm biến định đình được tác động thì băng tải 2 và máy định hình hoạt động. e Khâu nướng sấy bánh
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán khâu nướng sấy
Máy nướng được hoạt động khi cảm biến nướng sấy được tác động và sau khi máy định hình hoạt động. f Khâu đóng gói
Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán khâu đóng gói
Máy nướng hoạt động trong 10s, thì hệ thống máy đóng gói hoạt động khi cảm biến đóng gói bị tác động.
3.2.1 Lưu đồ thuật toán toàn hệ thống
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán toàn hệ thống
Sơ đồ đấu nối PLC với ngoại vi
Hình 3.8 Kết nối PLC với ngoại vi
PLC bao gồm các bộ nguồn kết nối với CPU và các IO vào ra kết nối với các thiết bị ngoại vi (hình 3.1)
Cấu trúc chương trình
Hình 3.9 Cấu trúc chương trình
- OB1: Khối chương trình chính
- FC1, FC2: Khối chương trình con
Chương trình điều khiển
XÂY DỰNG GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT
Cấu hình ghép nối PLC với WinCC
Các bước cấu hình ghép nối WinCC với PLC
Mở File PLC ta cần kết nối với Wincc len rồi chọn vào biểu tượng như trên hình
Hiển thị giao diện mô phỏng PLC lên ta lựa chọn PLCSIM(MP) như trên hình.
Sau đó mở chương chình điều khiển lên rồi chọn load chương trình xuống mô phỏng, như trên hình.
Sau đó mở phần mô phỏng PLC => Chọn RUN Ta tiếp tục khởi động phần mền Wincc lên để tiếp tục thao tác kết nối với PLC
Chọn đúp chuột vào biểu tượng tag Managerment như trên hình.
Sau khi mơ ra giao diện nhue trên hình, ta chọn phải chuột vào tagManagerment => chọn Add new driver => chọn SIMATIC S7 Protocol Suite.
Sau khi chọn SIMATIC S7 Protocol Suite, ta lại nhấn phải chuột vào MPI
=> sau đó chọn New connection.
Sau khi tạo bảng ta nhấp phải chuột vào mục New connection rồi chọn connection parameters để kết nối với PLC.
Sau khi hiển thì lên giao diện nhue hình ta thay đổi số 0 thành 2 tại vị trí Slot number và chọn OK để hoàn thành kết nối WinCC với PLC.
Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI(WinCC) Màn hình trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động Điều này được dựa trên các sự chuyển tiếp quá trình.
Điều khiển vận hành của quá trình:
Người vận hành có thể điều khiển quá trình bởi GUI Ví dụ, người vận hành có thể đặt trước các giá trị tham khảo cho điều khiển hay khởi động một động cơ.
Hiển thị các cảnh báo:
Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo động, ví dụ, khi giá trị đặt được vượt quá.
Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình:
Hệ thống HMI có thể ghi lại các cảnh báo và giá trị quá trình Tính năng này cho phép bạn lưu giữ các dãy quá trình và lấy ra các dữ liệu của sản xuất từ trước.
Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình:
Hệ thống HMI có thể đưa ra các báo cáo giá trị quá trình và các cảnh báo Tính năng này cho phép bạn in ra các dữ liệu sản xuất ở cuối của ca làm việc.
Quản lí thông số máy móc và quá trình:
Hệ thống HMI có thể lưu giữ các thông số của các quá trình và máy móc dưới dạng công thức Ví dụ, bạn có thể download những thông số trên một đường dẫn từ thiết bị HMI tới PLC để thay đổi toàn kiểu sản xuất của sản phẩm.
Xây dựng Bảng Tag Ngoại
Bảng 4.1 Bảng INPUT Tag ngoại
Bảng 4.2 Bảng OUTPUT Tag ngoại
Bảng 4.3 Bảng miền nhỏ Tag ngoại
Thiết kế giao diện WinCC
Hình 4.1 Giao diện điều khiển của toàn hệ thống
Màn hình điều khiển chính bao gồm hệ thống đặt và xả nhiên liệu để trộn, đùn bột để gia công nhiên liệu( máy ép, máy định hình, máy sấy bánh) và hệ thống đóng gói và thực thiện đếm sản phẩm. Ở giao diện này người vận hành có thể nhập vào các thông số định lượng nhiên liệu và thực hiện bật tắt hệ thống bằng nút ấn.
Kết quả
Mở chương trình lên, sau đó chọn đặt các giá trị nhiên liệu cần dùng.
Sau đó nhấn nút Start để hệ thống bắt đầu chạy, các giá trị thực sẽ so sánh với giá trị đặt, khi thực hiện xong thì bột sẽ được trộn và bắt đầu gia công làm bánh quy, khi hệ thống hoạt động xong nhấn Stop để dừng chương trình.
Hình 4.2 Giao diện hệ thống khi hoạt động
Hình 4.3 Giao diện đặt số lượng nhiên liệu
Kết quả kiểm chứng sẽ được trình bày trực tiếp trên phần mềm wincc và plc s7300 khi em thuyết trình về hệ thống
4.4.3 Nhận xét và đánh giá
Qua kiểm tra chạy thử chương trình trên phần mềm thì em thấy hệ thống chạy ổn định và chính xác thông qua sự điều khiển của PLC S7300, tốc độ hồi đáp và tốc độ truyền giữa PLC và máy tính rất cao
Hệ thống có thể đáp ứng được các yêu cầu công nghiệp và độ chính xác có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn thị trường.
