Đồ án thiêt kế,giám sát dây chuyền sản xuất cà phê bột

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Đồ án môn học 3: GVHD: TRẦN MẠNH SƠN SVTH : BÙI XUÂN THÀNH PHAN THẾ HÀ TP.Hồ Chí Minh, Tháng năm 2013 09202048 09202011 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất cà phê Hình 2.2 Sơ đồ chi tiết hệ thống Hình 3.1 CPU 314C-2-PTP Hình 3.2 Bộ nguồn PS 307 Hình 3.3 Cảm biến E3F3 Hình 3.4 Sơ đồ mạch động lực Hình 3.5 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 4.1 Lưu đồ chương trình điều khiển quy trình hoạt động hệ thống Hình 4.2 Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải Hình 4.3 Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải Hình 4.4 Giao diện giám sát hệ thống sản xuất cà phê bột Hình 4.5 Hệ thống bắt đầu hoạt động Hình 4.6 Van xả cà phê vào bồn rang Hình 4.7 Van xả cà phê trở lại vào bồn rang Hình 4.8 Van xả cà phê bột vào bồn nguyên liệu Hình 4.9 Van xả cà phê bột vào hộp Hình 4.10 Trạng thái cố máy xay i DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng kế hoạch Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật CPU Bảng 3.2 Thông số nguồn PS 307 Bảng 3.3 Thơng số kỹ thuật cảm biến E3F3 Bảng 3.4 Hình ảnh thơng số động Bảng 3.5 Hình ảnh thông số thiết bị bảo vệ, điều khiển Bảng 3.6 Hình ảnh thơng số van điện từ Bảng 3.7 Thiết bị kết nối ngõ vào Bảng 4.1 Các Tag Wincc ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP.Hồ Chí Minh, ngày… Tháng… năm 2013 Giáo viên hướng dẫn iii LỜI CẢM ƠN Lời nhóm thực xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử giảng dạy cung cấp kiến thức bổ ích tạo tiền đề quan trọng cho nhóm thực đồ án Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TRẦN MẠNH SƠN hướng dẫn tận tình, giúp đỡ, cung cấp kiến thức quan trọng giúp nhóm có nhiều điều kiện thuận lợi suốt trình thực đồ án Cảm ơn bạn bè góp ý kiến, giúp đỡ nhóm hồn thành đề tài Nhóm thực Bùi Xuân Thành Phan Thế Hà iv Chương 1: Tổng Quan Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển nhanh chóng kinh tế thị trường, sống người ngày trở nên bận rộn Công việc ngày nhiều áp lực không ngừng tăng cao Trong lúc vậy,việc uống tách cà phê cần thiết giúp ta tỉnh táo, làm việc, học tập hiệu Mỗi buổi sáng, uống cà phê giúp tinh thần minh mẩn thoải mái hơn…Nước ta quốc gia xuất cà phê hàng đầu giới với sản lượng gần triệu tấn/năm với tổng diện tích đất trồng 500 nghìn diện tích Sản xuất cà phê đem lại nguồn lợi kinh tế cao cho đất nước Và ngành sản xuất cà phê ngành phát triển mạnh Các nhà sản xuất cà phê không ngừng mở rộng sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường nước Để đáp ứng vấn đề cần đến quy trình cơng nghệ tốt Do thiết kế giám sát dây chuyên sản xuất cà phê cho đem lại hiệu cao điều quan trọng cần thiết Hiện nay, điều khiển lập trình PLC ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực điều khiển, tự động hóa dân dụng cơng nghiệp có nhiều ưu điểm như: làm việc chắn, bền, độ tin cậy cao thích hợp với mơi trường cơng nghiệp nói chung nhà sản xuất cà phê nói riêng việc điều khiển dây chuyền với nhiều động cơ, băng tải làm việc liên tục thời gian dài Mặt khác, PLC có cấu trúc nhỏ gọn, kết nối đơn giản không cần bo mạch thiết bị mạch số khác PLC lập trình dễ dàng khơng địi hỏi người sử dụng phải có kiến thức sâu vi tính hay ngơn ngữ lập trình Do việc ứng dụng PLC điều khiển dây chuyền sản xuất phát huy hiệu tốt, nâng cao suất, tăng nguồn thu nhập cho nhà sản xuất Khi dây chuyền sản xuất hoạt động, để đảm bảo trình hoạt động diễn an tồn, hiệu phải vận hành, kiểm tra, giám sát thường xuyên, để kịp thơi phát cố xảy xử lý cách nhanh chóng, để q trình sản xuất diễn liên tục, đảm bảo suất chất lượng Giảm chi phí sản xuất, bảo trì Q trình giám sát tồn hệ thống phức tạp trở nên đơn giản ta ứng dụng hệ thống thu thập liệu điều khiển SCADA 1.2 Mục tiêu giới hạn đồ án Mục tiêu đề tài nhằm thiết kế, điều khiển giám sát dây chuyền sản xuất cà phê theo quy trình cơng nghiệp Ứng dụng PLC vào trình điều khiển Chương 1: Tổng Quan thiết bị, động cơ,… Ứng dụng WinCC cho hệ thống SCADA tạo giao diện điều khiển giám sát q trình Do thời gian, kinh phí cịn nhiều hạn chế nên đề tài giới hạn việc thiết kế mô mà làm thành mơ hình thực tế Các quy trình cơng nghệ thiết kế khơng hồn tồn giống so với thực tế, lược bỏ nhiều cơng đoạn Q trình điều khiển giám sát thực cho động cơ, cảm biến chủ yếu theo quy trình cơng nghệ đặt Các cảm biến có dây chuyền tác động tay 1.3 Nội dung đồ án Nội dung đề tài tóm tắt sau: Chương 2: Quy trình cơng nghệ dây chuyền sản xuất cà phê bột Chương giới thiệu cách phân loại cà phê trình bày quy trình sản xuất cà phê bột, từ xây dựng hệ thống chi tiết cho đồ án giải thích quy trình hoạt động hệ thống Chương 3: Lựa chọn thiết bị kết nối phần cứng Chương trình bày cách lựa chọn thiết bị tương ứng cho hệ thống, kết hợp yếu tố đưa thiết kế hoàn chỉnh cho hệ thống Phần cuối chương trình bày sơ đồ kết nối phần cứng, trình hoạt động hệ thống tạo tảng cho việc viết chương trình điều khiển giám sát Chương 4: Thuật tốn điều khiển Chương trình bày thuật toán điều khiển giám sát hoạt động hệ thống mô PLC phần phềm SCADA Chương 5: Kết hướng phát triển Chương trình bày kết nhóm làm từ đưa hướng phát triển cho hệ thống để tối ưu hóa hệ thống tương lai 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đồ án Nội dung đồ án cung cấp toàn bước tiến hành cách thức xây dựng, thiết kế hệ thống sản xuất cà phê bột, từ đưa phương án giúp tiếp cận xây dựng quy trình sản xuất hay hệ thống tự động thực tế Sau hoàn thành hệ thống cơng nghệ hệ thống ứng dụng vào nhà máy sản xuất cà phê bột nhằm nâng cao sản lượng, chất lượng cà phê, giảm chi phí vận hành nhằm giảm giá thành tăng tính cạnh tranh sản phẩm thị trường Sau q trình thực đồ án nhóm thực học kiến thức kỹ quan trọng việc tiếp cận thiết kế xây dựng hệ thống bất kỳ, khả thiết kế - lập trình điều khiển hệ thống PLC giao Chương 1: Tổng Quan diện giám sát SCADA, khả xử lý tín hiệu từ cảm biến kết nối thiết bị cho hệ thống giúp hỗ trợ nhiều cho trình hoạt động lĩnh vực chuyên nghành sau Chương 2: Quy Trình Cơng Nghệ Sản Xuất Cà Phê Chương QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT 2.1 Sơ lược cách phân loại cà phê Cà phê chia nhiều loại tùy theo cách rang Rang cà phê bớt độ ẩm hạt, dầu thơm tỏa Chừng kỷ trước, cà phê phải rang nhà lò than Hiện người ta rang gas hay điện có nơi rang than, cho rang than ngon Trong kỹ nghệ, cà phê rang với số lượng lớn dùng nhiệt độ cao thời gian nhanh (khoảng 204 đến 2600 C vòng phút) Gần nhất, cà phê kiểm sốt máy tính qua tiến trình Cà phê bán tiệm bách hóa thường rang xay chỗ cho thêm phần quyến rũ bảo đảm với khách hàng sản phẩm tươi nguyên lò Cà phê phân biệt theo cách xay, xay mịn hay to hạt tùy theo cách pha Trong khoảng trăm năm trở lại đây, người ta chế biến loại cà phê bột, cần bỏ vào nước sôi uống Cà phê bột điều chế theo hai cách: làm khô cách đông lạnh (freeze drying) hay làm khô cách phun (spray drying) Cả hai phải lọc trước để rút hết tinh chất phun thành hạt li ti để làm khơ Nhiều kỹ thuật thí nghiệm để cà phê bột không bị biến dạng mùi Tuy nhiên người khó tính cho cà phê bột cà phê pha 2.2 Quy trình cơng nghệ Theo cách phân loại cà phê trên, quy trình cơng nghệ hệ thống sản xuất cà phê bột chọn sau: Cà phê nhân sau qua sơ chế ban đầu đưa vào bồn rang xử lý nhiệt độ cao để giữ màu sắc hương vị dễ xay Sau đó, cà phê đưa qua máy xay xay mịn thành cà phê bột giúp chất cà phê dễ hòa vào nước, giúp giải phóng CO2 dễ hấp thụ nước nóng Sau cùng, cà phê bột đưa qua bồn nguyên liệu vào hộp chuyển đến khâu đóng gói Sơ đồ khối hệ thống biểu diển hình 2.1 2.3 Xây dựng sơ đồ chi tiết giải thích quy trình hoạt động Chương 4: Thuật Tốn Điều Khiển Chương trình điều khiển PLC thiết lập cho toàn hệ thống giải thuật điều khiển viết phần mềm Step7 Mcro/win theo ngôn ngữ LADDER dựa tảng lưu đồ giải thuật thiết lập (Xem phần phụ lục) Hình 4.3: Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 4.3 Thiết kế giao diện giám sát Giao điện điều khiển - giám sát toàn hoạt động hệ thống thiết kế hình mơ giám sát cách sử dụng phần mềm Wincc cho phép người sử dụng thấy quy trình hoạt động tồn hệ thống sản xuất cà phê bột cách trực quan Trên giao diện thể thiết bị hệ thống gồm nút nhấn ON/OFF, đèn báo cố, đèn báo hệ thống hoạt động, bồn chứa băng tải trình bày hình 4.4 Các Tag Wincc xem bảng 4.1 4.4 Kết thực 14 Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển Hệ thống thiết kế theo yêu cầu cơng nghệ đặt trình bày cụ thể sau: Ban đầu nhấn ON hệ thống bắt đầu hoạt động Đèn báo nhấp nháy, van xả nguyên liệu vào bồn rang, băng tải hoạt động đưa hộp vào vị trí hình 4.5 Hình 4.4: Giao diện giám sát hệ thống sản xuất cà phê bột ON OFF Địa M0.0 M1.5 CBDAYBONNGUYENLIEU1 M0.2 CBHETBONNGUYENLIEU1 M0.1 10 11 12 13 14 15 CBDAYBONRANG CBCOHOP CBDAYHOP RLNDCBT1 RLNDCBT2 RLNBONRANG RLNDCMAYXAY DCBT1 DCBONRANG DCMAYXAY DCBT2 M0.3 M0.6 M0.7 M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 A0.0 A0.1 A0.2 A0.3 STT Tag Chức Khởi động hệ thống Ngừng hệ thống Cảm biến phát đầy bồn nguyên liệu Cảm biến phát hết bồn nguyên liệu Cảm biến phát đầy bồn rang Cảm biến phát có hộp Cảm biến phát cà phê đầy hộp Rơ le nhiệt động băng tải Rơ le nhiệt động băng tải Rơ le nhiệt động bồn rang Rơ le nhiệt động máy xay Động băng tải Động bồn rang Động máy xay Động băng tải 15 Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển 16 17 18 19 20 21 22 23 24 VAN1 VAN2 VAN3 VAN4 DENSCBT1 DENSCBT2 DENSCBONRANG DENSCMAYXAY RESET SU CO A0.4 A0.5 A0.6 A0.7 A1.0 A1.1 A1.2 A1.3 M1.6 Van Van Van Van Đèn báo cố băng tải Đèn báo cố băng tải Đèn báo cố động bồn rang Đèn báo cố động máy xay Nút nhấn reset cố Bảng 4.1: Các Tag Wincc Khi cảm biến đầy bồn rang tác động van ngưng xả động bồn rang bắt đầu hoạt động rang cà phê, sau khoảng thời gian van bắt đầu xả cà phê qua máy xay hình 4.6 Sau khoảng thời gian van ngưng xả, lúc van xả trở lại để bắt đầu chu kì tiết theo hình 4.7 Đồng thời, máy xay bắt đầu hoạt động xay cà phê thành bột thông qua van xả cà phê bột vào bồn nguyên liệu hình 4.8 Khi cảm biến phát có hộp băng tải ngưng hoạt động, van xả cà phê vào hộp hình 4.9 Khi có cố xảy ra, ví dụ cố máy xay dừng toàn hệ thống, đèn báo cố máy xay nhấp nháy hình 4.10 Hình 4.5: Hệ thống bắt đầu hoạt động 16 Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển Hình 4.6: Van xả cà phê vào bồn rang Hình 4.7: Van xả cà phê trở lại vào bồn rang 17 Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển Hình 4.8: Van xả cà phê bột vào bồn nguyên liệu Hình 4.9: Van xả cà phê bột vào hộp 18 Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển Hình 4.10: Trạng thái cố máy xay 19 Chương 5: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Tổng hợp kết làm so sánh với yêu cầu thiết kế cho thấy hệ thống đáp ứng đầy đủ mục tiêu đặt với ưu điểm bậc thiết kế công nghệ như: - Hệ thống sản xuất cà phê hoạt động ổn định theo quy trình cơng nghệ đặt Chương trình PLC đơn giản để hiểu với phần riêng biệt giúp người quản lý, vận hành chỉnh sửa thơng số cài đặt thời gian rang bồn rang, thời gian xay máy xay,… để chất lượng sản phẩm tốt Giao diện giám sát tích hợp đầy đủ chức điều khiển - giám sát, giao diện đẹp mắt, hình ảnh rõ nét, biểu tượng tương ứng với thiết bị giúp người vận hành thuận lợi việc giám sát toàn hoạt động hệ thống Các chức hiển thị cảnh báo theo cố xảy giao diện giám sát giúp thuận tiện cho việc nhận biết khắc phục cố Những cố nghiêm trọng xảy phải kịp thời ngừng toàn hệ thống để giảm thiệt hại đến mức tối thiểu Song song với ưu điểm hệ thống vài khuyết điểm bị giới hạn thời gian chi phí nghiên cứu 5.2 Hướng phát triển Với yêu cầu ngày tăng nhu cầu sử dụng cà phê việc đổi công nghệ nhằm mang lại chất lượng sản lượng tốt cho cà phê sản xuất từ hệ thống, việc hồn thiện hệ thống liên tục với mục đích tối ưu hóa hệ thống nhu cầu cấp bách cho nhà máy sản xuất cà phê Đây mục đưa hướng giải khuyết điểm cịn tồn mơ hình - Thêm cảm biến hết bồn rang, hết bồn máy xay,… để hệ thống hoạt động xác Thay lò nhiệt than thành lò nhiệt điện để việc hoạt động hệ thống mang tính tự động Phát van không hoạt động Phân loại cố 20 Chương 5: Kết Luận Và Hướng Phát Triển 21 Phụ Lục PHỤ LỤC Chương trình điều khiển STEP 7: Page 21 Phụ Lục Page 22 Phụ Lục Page 23 Phụ Lục Page 24 Phụ Lục Page 25 Phụ Lục Page 26 ... tích Sản xuất cà phê đem lại nguồn lợi kinh tế cao cho đất nước Và ngành sản xuất cà phê ngành phát triển mạnh Các nhà sản xuất cà phê không ngừng mở rộng sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm,... TRÌNH CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT 2.1 Sơ lược cách phân loại cà phê Cà phê chia nhiều loại tùy theo cách rang Rang cà phê bớt độ ẩm hạt, dầu thơm tỏa Chừng kỷ trước, cà phê phải rang... để cà phê bột không bị biến dạng mùi Tuy nhiên người khó tính cho cà phê bột cà phê pha 2.2 Quy trình công nghệ Theo cách phân loại cà phê trên, quy trình công nghệ hệ thống sản xuất cà phê bột