Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát trên nền wincc và PLC s7 300 cho quá trình cấp liệu nhà máy bia

Hình 1.2: Tủ điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia Người vận hành tuỳ theo quy trình nhập hay xuất nguyên liệu sẽ vận hành theo đúng quy trình sử dụng các nút nhấn trên tủ điều khiể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Phạm Thanh Tùng

Sinh ngày : 04/10/1978

Học viên lớp : 11BĐKTĐ

Khóa : 2011B

Ngành : Điều khiển và tự động hóa

Trường : Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát trên nền

WinCC và PLC S7-300 cho quá trình cấp liệu nhà máy bia” do GS.TS Phan

Xuân Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Ngoài các tài liệu tham khảo đã đưa ra ở cuối luận văn, tôi đảm bảo không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam kết trên tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên

Phạm Thanh Tùng

Phạm Thanh Tùng – CB110345

MỤC LỤC Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục các bảng biểu……… 3

Danh mục các hình vẽ……….4

MỞ ĐẦU……….5

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH CẤP LIỆU NHÀ MÁY BIA……….7

1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia………7

1.1.1 Dây chuyền cấp liệu……… 7

1.1.2 Hệ thống điều khiển cho quá trình cấp liệu nhà máy bia……… 8

1.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia…9 1.2.1 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành bằng tay………9

1.2.1.1 Điều khiển nhập nguyên liệu……… 9

1.2.1.2 Điều khiển xuất nguyên liệu……… 14

1.2.2 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành tự động……… 17

1.3 Phát biểu bài toán điều khiển và giám sát cho dây chuyền cấp liệu nhà máy bia18 1.3.1 Bài toán điều khiển……… ………18

1.3.1.1 Chế độ điều khiển bằng tay……… ……….18

1.3.1.2 Chế độ điều khiển tự động………19

1.3.2 Bài toán giám sát……… 19

Chương 2 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ……… ……….21

2.1 Thiết kế tổng quan hệ thống……… ……….21

2.2 Thiết bị quá trình……….21

2.2.1 Động cơ truyền động cho các băng tải……….21

2.2.2 Van nhập và xuất liệu……… 23

2.3 Thiết bị cảm biến……….25

2.3.1 Cảm biến cảm ứng từ………25

Phạm Thanh Tùng – CB110345

2.3.1 Cảm biến đo khối lượng malt trong silo……….……… 26

2.4 Lựa chọn giải pháp phần cứng……….………26

2.4.1 Lựa chọn PLC……….……… 26

2.4.2 Lựa chọn máy tính PC……… 28

2.4.3 Lựa chọn giao tiếp PC-PLC……… 30

2.5 Bảng ghép nối các phần tử vào/ra……… 32

2.6 Thiết kế chương trình điều khiển………44

2.6.1 Chương trình OB1……… 44

2.6.2 Chương trình FC1……….46

2.6.3 Chương trinh FC2……….47

2.6.4 Chương trình FC3……….52

Chương 3 - XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TRÊN NỀN WINCC CHO QUÁ TRÌNH CẤP LIỆU NHÀ MÁY BIA……… 56

3.1 Giới thiệu………56

3.2 Xây dựng phần mềm điều khiển giám sát sử dụng WinCC……… 56

3.2.1 Khởi động WinCC………56

3.2.2 Tạo một dự án mới……… 57

3.2.3 Tạo biến giao tiếp với PLC để điều khiển, giám sát cho dây chuyền cấp liệu.58 3.2.4 Thiết kế giao diện điều khiển cho dây chuyền cấp liệu………68

3.2.5 Thiết lập các nút ấn điều khiển trên cho giao diện điều khiển chính và giao diện điều khiển các silo……….71

3.2.6 Giám sát các băng tải hoạt động và cảnh báo quá tải động cơ……….77

3.2.7 Giao diện điều khiển và giám sát của dây chuyền cấp liệu nhà máy bia…… 80

3.2.8 Lưu trữ và hiển thị thông tin lượng malt trong các silo………82

KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….88

PHỤ LỤC CÁC BẢN VẼ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN………89

Phạm Thanh Tùng – CB110345

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số động cơ truyền động cho các băng tải và gầu tải…… …22

Bảng 2.2 Bảng yêu cầu cấu hình của máy tính PC……… 28

Bảng 2.3 Bảng ghép nối các phần tử vào/ra cho PLC……… 32

Phạm Thanh Tùng – CB110345

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Dây chuyền cấp liệu nhà máy bia……….7

Hình 1.2 Tủ điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia……… 8

Hình 1.3 Màn hình điều khiển giám sát trong chế độ vận hành tự động………… 17

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia……….21

Hình 2.2 Biến tần họ SK của hãng Control Techniques………24

Hình 2.3 Cảm biến từ tiệm cận E2E-X5F1……… ……25

Hình 2.4 Cảm biến FMP40………26

Hình 2.5 Bộ điều khiển PLC S7-300……….27

Hình 2.6 Kiểu truyền thông MPI……… 31

Hình 2.7 Cáp truyền thông PC-PLC……… 31

Phạm Thanh Tùng – CB110345

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các hệ thống tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp Hiện nay nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nên việc áp dụng các hệ thống tự động hóa vào sản xuất càng trở nên cấp thiết Việc ứng dụng và phát triển các thành quả khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất nhằm đem lại năng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt là vô cùng quan trọng

Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát

trên nền WinCC và PLC S7-300 cho quá trình cấp liệu nhà máy bia” với mục

đích nâng cao mức độ tự động hoá của dây chuyền cấp liệu trong quá trình sản xuất bia giúp giảm chi phí vận hành, sửa chữa và giảm thiểu các sai sót do người vận hành gây ra góp phần nâng cao năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Toàn bộ quy trình công nghệ của quá trình cấp liệu nhà máy bia trước khi đưa vào xử lý sẽ được điều khiển và giám sát trên màn hình máy tính, cho phép người vận hành ngoài điều khiển trên tủ điều khiển còn có thể vận hành tự động từ máy tính trung tâm Các thông tin của quá trình cũng được hiển thị và lưu trữ thuận tiện cho việc theo dõi và xử lý

Luận văn được phát triển dựa trên hệ thống dây chuyền cấp liệu của công ty cổ phần rượu bia nước giải khát Hà nội HABECO với các thiết bị sẵn có như các cơ cấu chấp hành, cảm biến và bộ điều khiển trung tâm Luận văn cũng sử dụng phần mềm WinCC của hãng SIEMENS

Nội dung luận văn bao gồm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển cho quá trình cấp liệu nhà máy bia

Chương 2: Thiết kế hệ thống tự động hoá

Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trên nền WinCC cho quá trình cấp liệu nhà máy bia

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân, đặc biệt là

sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của GS TS Phan Xuân Minh tác giả đã hoàn thành

luận văn này Do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của bạn bè và quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày … tháng… năm 2013

Học viên

Phạm Thanh Tùng

Phạm Thanh Tùng – CB110345

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO

QUÁ TRÌNH CẤP LIỆU NHÀ MÁY BIA

1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia 1.1.1 Dây chuyền câp liệu

Dây chuyền cấp liệu nhà máy bia bao gồm 9 băng tải và 8 xy lô để chứa nguyên liệu

Hình 1.1: Dây chuyền cấp liệu nhà máy bia Nguyên liệu Malt từ xe chở được nhập vào phễu chứa (đổ thủ công) Từ đây, gạo được vận chuyển từ băng tải số 1 chuyển sang gầu tải để đưa lên băng tải xích

số 2 cho quá trình nhập liệu Từ băng tải xích số 2 malt có thể chảy xuống các băng tải 3, 4, 5, 6 qua hệ thống các van vào băng tải tương ứng Từ các băng tải xích 3, 4,

5, 6, malt được đưa vào các silo chứa qua các van vào silo

1.1.2 Hệ thống điều khiển cho quá trình cấp liệu nhà máy bia

Hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia được điều khiển bằng một tủ điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-300

Hình 1.2: Tủ điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia Người vận hành tuỳ theo quy trình nhập hay xuất nguyên liệu sẽ vận hành theo đúng quy trình sử dụng các nút nhấn trên tủ điều khiển, nghĩa là nhấn nút mở van và khởi động các băng tải tương ứng

1.2.1 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành bằng tay

Ở chế độ vận hành bằng tay người vận hành sẽ nhấn các nút ấn trên bảng điều khiển để nhập hoặc xuất nguyên liệu Trạng thái đóng/mở của các van, chạy/dừng băng tải sẽ được hiển thị bằng đèn trên bảng điều khiển

1.2.1.1 Điều khiển nhập nguyên liệu

Trong quá trình nhập nguyên liệu chúng ta phải khởi động các thiết bị theo chiều từ cuối dây chuyền đến đầu dây chuyền, quá trình dừng diễn ra ngược lại, tức

là dừng các thiết bị từ đầu dây chuyền tới cuối dây chuyền

Sau đây là yêu cầu công nghệ cho quá trình nhập nguyên liệu của từng silo

Silo 1

+ Bắt đầu nhập silo 1

 Điều khiển mở van nhập silo 1 bằng nút nhấn, khi van đã mở hoàn toàn đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3, khi van đã

mở hoàn toàn đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển chạy băng tải số 2 bằng nút nhấn, khi băng tải đã chạy đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển chạy gầu tải, khi gầu tải đã chạy đèn trên nút nhấn sẽ sáng

 Điều khiển chạy băng tải số 1

 Điều khiển chạy băng tải số 2

 Điều khiển chạy gầu tải

 Điều khiển chạy băng tải số 1

+ Dừng nhập silo 2

 Điều khiển dừng băng tải số 1

 Điều khiển dừng gầu tải

 Điều khiển dừng băng tải số 2

 Điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3

 Điều khiển dừng băng tải số 3

 Điều khiển đóng van nhập silo 2

Silo 3

+ Bắt đầu nhập silo 3

 Điều khiển mở van nhập silo 3, khi van đã được mở hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 4, khi van đã

mở hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển chạy băng tải số 2, khi băng tải đã chạy thì đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển chạy gầu tải, khi gầu tải đã chạy đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 4, khi van

đã đóng hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn tắt

 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 4, khi van đã

mở hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển chạy băng tải số 2

 Chạy gầu tải

 Chạy băng tải số 1

Phạm Thanh Tùng – CB110345

 Điều khiển mở van nhập silo 5, khi van đã được mở hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 5, khi van đã

mở hoàn toàn đèn trên nút nhấn sáng

 Điều khiển chạy băng tải số 2, khi băng tải đã chạy thì đèn trên nút nhấn sáng

 Chạy gầu tải, khi gầu tải đã chạy thì đèn trên nút nhấn sáng

 Chạy băng tải số 1

+ Dừng nhập silo 5

 Dừng băng tải số 1, khi băng tải đã dừng thì đèn trên nút nhấn tắt

 Dừng gầu tải khi gầu tải đã dừng đèn trên nút nhấn tắt

 Dừng băng tải số 2

 Điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 5, khi van

đã đóng hoàn toàn đèn trên nút nhấn tắt

 Chạy băng tải số 2

 Chạy gầu tải

 Chạy băng tải số 1

 Dừng băng tải số 1, khi băng tải đã dừng thì đèn trên nút nhấn tắt

 Dừng gầu tải khi gầu tải đã dừng thì đèn trên nút nhấn tắt

 Chạy băng tải số 6

 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 6, khi van đã

mở đèn trên nút nhấn sáng

 Chạy băng tải số 2

 Chạy gầu tải

 Chạy dừng băng tải số 1

+ Dừng nhập silo 8

 Dừng băng tải số 1

 Dừng gầu tải

 Dừng băng tải số 2

Phạm Thanh Tùng – CB110345

 Đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 6

 Dừng băng tải số 6

 Đóng van nhập silo 8

1.2.1.2 Điều khiển xuất nguyên liệu

Trong quá trình điều khiển bằng tay cho phép xuất nguyên liệu trong các silo

từ silo 1 đến silo 8 Cụ thể quá trình xuất nhiên liệu trong từng silo như sau

Silo 1

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 1

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải số 7

 Mở van xuất silo 1

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 1

 Đóng van xuất silo 1

 Dừng băng tải số 7

 Dừng băng tải số 9

Silo 2

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 2

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải số 8

 Mở van xuất silo 2

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 2

 Đóng van xuất silo 2

 Dừng băng tải số 8

 Dừng băng tải số 9

Silo 3

Phạm Thanh Tùng – CB110345

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải số 7

 Mở van xuất silo 3

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 3

 Đóng van xuất silo 3

 Dừng băng tải số 7

 Dừng băng tải số 9

Silo 4

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 4

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải số 8

 Mở van xuất silo 4

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 4

 Đóng van xuất silo 4

 Dừng băng tải số 8

 Dừng băng tải số 9

Silo 5

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 5

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải sô 7

 Mở van xuất silo 5

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 5

 Đóng van xuất silo 5

 Dừng băng tải số 7

 Dừng băng tải số 9

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Silo 6

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 6

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải số 8

 Mở van xuất silo 6

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 6

 Đóng van xuất silo 6

 Dừng băng tải số 8

 Dừng băng tải số 9

Silo 7

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 7

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải sô 7

 Mở van xuất silo 7

+ Dừng xuất nguyên liệu silo 7

 Đóng van xuất silo 7

 Dừng băng tải số 7

 Dừng băng tải số 9

Silo 8

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 8

 Chạy băng tải số 9

 Chạy băng tải số 8

 Mở van xuất silo 8 + Dừng xuất nguyên liệu silo 8

Phạm Thanh Tùng – CB110345

 Đóng van xuất silo 8

 Dừng băng tải số 8

 Dừng băng tải số 9

1.2.2 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành tự động

Ở chế độ vận hành tự động, hệ thống sẽ kết nối với máy tính để điều khiển Người điều khiển sẽ điều khiển giám sát toàn bộ quá trình từ máy tính Khi khởi động chương trình, sẽ xuất hiện một màn hình điều khiển giám sát với tất cả các silo

và băng chuyền như hình vẽ:

Hình 1.3: Màn hình điều khiển giám sát trong chế độ vận hành tự động Trạng thái hoạt động của các silo và băng chuyền đều hiện trên màn hình điều khiển giám sát Để điều khiển nhập hay xuất nguyên liệu Người vận hành chỉ việc chọn silo và chọn bắt đầu nhập liệu Hệ thống điều khiển sẽ tự động khởi động các băng chuyền và mở các van tương ứng để bắt đầu quá trình nhập nguyên liệu Ví dụ người điều khiển chọn quá trình nhập nguyên liệu cho silo 1, hệ thống điều khiển sẽ

tự động điều khiển như sau: Điều khiển mở van nhập silo 1, tiếp theo điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3, sau đó điều khiển chạy băng tải số 2, sau

đó chạy gầu tải, cuối cùng là điều khiển chạy băng tải số 1

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Khi người điều khiển nhấn nút dừng nhập nguyên liệu, hệ thống sẽ tự động điều khiển dừng các băng tải và đóng các van tương ứng Ví dụ khi nhấn nút dừng nhập nguyên liệu cho silo 1, hệ thống sẽ tự động Điều khiển dừng băng tải số 1, sau

đó dừng gầu tải, tiếp theo điều khiển dừng băng tải số 2 rồi điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3, cuối cùng là điều khiển đóng van nhập silo 1 Quá trình xuất nguyên liệu cũng diễn ra tương tự, người điều khiển chỉ việc chọn silo muốn xuất nguyên liệu và nhấn nút bắt đầu xuất nguyên liệu hệ thống sẽ

tự động mở các van và chạy các băng chuyền tương ứng để xuất nguyên liệu khi kết thúc quá trình xuất nguyên liệu, người vận hành chỉ việc ấn nút dừng xuất nguyên liệu, các van sẽ đóng và các băng chuyền sẽ dừng lại

1.3 Phát biểu bài toán điều khiển và giám sát cho dây chuyền cấp liệu nhà máy bia

1.3.1 Bài toán điều khiển

Từ yêu cầu công nghệ ta thiết lập bài toán điều khiển cho dây chuyền cấp liệu nhà máy bia như sau:

Trên tủ điều khiển có một khoá AUTO/MAN Nếu khoá ở vị trí MAN (không

có tín hiệu cấp vào bộ điều khiển) cho phép điều khiển bằng tay trên tủ điều khiển Nếu khoá ở vị trí AUTO (có tín hiệu cấp vào bộ điều khiển) sẽ điều khiển nhập xuất

tự động trên màn hình máy tính

1.3.1.1 Chế độ điều khiển bằng tay

Trên tủ điều khiển có các nút nhấn điều khiển đóng mở các van và chạy hoặc dừng các băng tải Để nhập nguyên liệu, người vận hành theo đúng quy trình công nghệ sẽ điều khiển mở các van và khởi động các băng tải theo thứ tự để nhập nguyên liệu Nếu van nào mở hoặc băng tải nào chạy thì đèn báo trên tủ điều khiển

sẽ sáng Để dừng nhập liệu, người vận hành sẽ dừng các băng tải và khoá các van theo đúng thứ tự Khi đó các đèn báo trên tủ điều khiển sẽ tắt Để xuất nguyên liệu, người vận hành chạy các băng tải theo thứ tự bằng nút ấn và mở van xuất, nguyên liệu từ các silo sẽ vào nhà xử lý nguyên liệu Để dừng lại người vận hành nhấn nút đóng van xuất và dừng các băng tải xuất

Phạm Thanh Tùng – CB110345

1.3.1.2 Chế độ điều khiển tự động

Trên màn hình sẽ có các silo để người vận hành lựa chọn silo cho quá trình nhập hoặc xuất nguyên liệu Sau khi chọn xong silo, màn hình sẽ chuyển sang lớp thứ hai để điều khiển nhập hay xuất nguyên liệu cho silo đó Lúc này trên màn hình

sẽ có các nút bấm bao gồm:

Nút BAT DAU NHAP: Nếu bấm nút này, máy tính sẽ gửi tín hiệu xuống bộ điều khiển để tự động khởi động các băng chuyền và mở các van theo trình tự cho quá trình nhập nguyên liệu (tham khảo mục 1.2 để biết trình tự quá trình nhập nguyên liệu)

Nút DUNG NHAP: Nếu bấm nút này, máy tính sẽ gửi tín hiệu để bộ điều khiển

tự động dừng các băng chuyền và khoá các van tương ứng theo trình tự cho quá trình dừng nhập liệu (tham khảo mục 1.2 để biết trình tự quá trình dừng nhập nguyên liệu)

Nút BAT DAU XUAT: Nếu người điều khiển bấm nút này, máy tính sẽ điều khiển chạy các băng chuyền theo trình tự và mở van xuất cho quá trình xuất nguyên liệu (tham khảo mục 1.2 để biết trình tự quá trình xuất nguyên liệu)

Nút DUNG XUAT: Nếu người điều khiển bấm nút này máy sẽ điều khiển đóng van xuất và dừng các băng chuyền theo trình tự (tham khảo mục 1.2 để biết trình tự quá trình dừng xuất nguyên liệu)

Ngoài ra còn có các nút ấn chuyển đổi giao diện điều khiển

1.3.2 Bài toán giám sát

Trên màn hình máy tính cần thiết giám sát được các trạng thái sau:

Giám sát chế độ làm việc của các băng tải: Nếu băng tải hoạt động các băng tải

sẽ sáng lên Nếu băng tải dừng hình ảnh băng tải sẽ tối đi

Cảnh báo quá tải động cơ: Nếu xảy ra quá tải ở động cơ nào thì động cơ đó sẽ nhấp nháy màu đỏ để báo hiệu cho người vận hành biết

Hiển thị dữ liệu: Khối lượng malt trong các silo sẽ được hiển thị trên màn hình

để người vận hành có thể giám sát

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Lưu trữ dữ liệu: Người vận hành có thể lưu trữ hoặc in ra thuận tiện cho việc theo dõi

Phạm Thanh Tùng – CB110345

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ

2.1 Thiết kế tổng quan hệ thống

Để điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia chúng ta sẽ sử dụng các thiết bị quá trình là các động cơ và van, các cảm biến và bộ điều khiển trung tâm có kết nối với máy tính được cài đặt phần mềm điều khiển giám sát

Hình 2.1: Tổng quan hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia

2.2 Thiết bị quá trình

2.2.1 Động cơ truyền động cho các băng tải

Để truyền động cho 9 băng tải ta sử dụng động cơ không động bộ ba pha công suất từ 3KW đến 5.5KW Vì các băng tải có tốc độ thấp và không yêu cầu đổi chiều nên các động cơ có kèm theo hộp số giảm tốc Các động cơ được đóng cắt điện trực tiếp sử dụng các công tắc tơ, bảo vệ quá tải bằng rơle nhiệt

Gầu tải cũng được truyền động bằng một động cơ không đồng bộ ba pha công suất 5.5KW Động cơ và hộp số giảm tốc gắn trên đỉnh gầu tải

Ta có thể lựa chọn động cơ Việt hung 3KW mã hiệu 3K112Sb4, 4KW mã hiệu 3K112M4 và 5,5 KW mã hiệu 3K132S4

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Điều khiển khởi động/dừng động cơ là bộ điều khiển trung tâm PLC, đầu ra PLC điều khiển các rơle trung gian, các rơ le trung gian này sẽ điều khiển đóng cắt cuộn dây của các công tắc tơ

Bảng 2.1: Bảng thông số động cơ truyền động cho các băng tải và gầu tải:

Công suất (Output): KW 3 4 5,5

Tốc độ (Speed): R.P.M 1440 1435 1445

Điện áp (Voltage): V 220/380 220/380 220/380 Dòng điện (Current): A 11,6/6,7 14,9/8,6 19,8/11,4 Hiệu suất (Efficiency): η % 82 84 85,5

Hệ số công suất (Power factor):

Cosφ

0.83 0,84 0,86

Tỉ số mô men cực đại

(Maximum torque ratio):

Tỉ số mô men khởi động

(Starting torque ratio):

dd

KĐ

M M

Phạm Thanh Tùng – CB110345

2.2.2 Van nhập và xuất liệu

Các van nhập để cho phép rót gạo vào silo 1 đến silo 8 và các van rót malt vào băng tải 3, băng tải 4, băng tải 5, và băng tải 6 là các van điều khiển khí nén Khi có tín hiệu vào cuộn dây thứ nhất van mở, malt chảy qua van, nếu muốn van đóng, ta cấp điện vào cuộn dây thứ hai

Các van xả của các silo từ silo 1 đến silo 8 là các van động cơ với động cơ truyền động có công suất là 0.75KW, các động cơ này quay sẽ cho phép rót gạo từ silo xuống các băng tải Để có thể thay đổi lưu lượng gạo rót từ các silo xuống các băng tải, ta dùng các biến tần để điều khiển tốc độ động cơ

Để đơn giản trong điều khiển ta chọn biến tần 3 pha 0.75 KW của hãng Control Techniques, biến tần này có một số đặc điểm sau:

- Thiết kế đơn giảm, gọn nhẹ

- Giá thành hạ

- Dễ sử dụng

- Dải công suất tương đối rộng

- Dễ dàng cài đặt các thông số, hầu hết (90%) các thống số đều được hiển thị trên màn hình

- Dễ lắp đặt, có thể lắp đặt trên giá phẳng hoặc trên thanh ray DIN rail

- Kết nối đơn giản Các cổng điều khiển có thể nối dây không dùng vit

- Các cổng kết nối đều được đặt tên và ghi rõ ràng

- Khởi động dễ dàng, chỉ cần cài đặt bằng nút bấm mà không cần lập trình phức tạp

- Có nhiều khả năng truyền thông: với các kiểu truyền thông phổ biến

Profibus-DP, Interbus, Device Net, CANopen, Ethernet

- Lập trình điều khiển đơn giản với tiêu chuẩn IEC61131-3 của ngôn ngữ giản đồ thang (Ladder) và ngôn ngữ khối chức năng (Function Block

Diagram)

- Cho phép lựa chọn mở rộng nhiều dải đầu vào ra (Wide range of I/O) bao gồm cả đồng hồ thời gian thực (Real Time Clock)

- Công suất động cơ: 0,75KW

- Điện áp đầu vào: 3 phase

- Dòng điện đầu ra: 2,1A

- Dòng điện quá tải (150% trong thời gian 1 phút): 3.2 A

Đặc tính kỹ thuật:

- Điều khiển vector vòng hở

- Điều khiển tốc độ và mô men

- Đầu vào đặt tốc độ: 0-10V; 0-20mA; 4-20mA (lựa chọn -10V đến +10V)

- 4 đầu vào số (cho phép hoạt động, quay thuận chiều kim đồng hồ, quay ngược chiều kim đồng hồ, tại chỗ/từ xa)

Phạm Thanh Tùng – CB110345

- Tần số đầu ra: 0-1500Hz

- Tăng tốc và giảm tốc (tuyến tính và loại S)

- Điều khiển logic dương

- Tuyền thông nối tiếp: Modbus RTU RS-485 qua đầu nối RJ45 Tốc độ:

4800, 9600, 19200, 38400 bit trên giây

- Bảo vệ quá tải điện áp nguồn, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ mất pha, bảo vệ quá tải động cơ, bảo vệ ngắn mạch

- Điện áp nguồn cung cấp: 12V-24VDC

- Dòng tải max: 200mA

- Kiểu nối dây: ba dây

- Tần số đáp ứng: 0.6KHz

Phạm Thanh Tùng – CB110345

- Khoảng cách phát hiện: 5mm

- Loại tiếp điểm: thương mở (NO)

- Kiểu đầu ra: PNP

- Kích thước : M18

- Chịu được nhiệt độ môi trường : -40OC đến 85OC

- Có đèn chỉ thị góc nhìn 1800

- Có bảo vệ dây dẫn

2.3.1 Cảm biến đo khối lƣợng malt trong silo

Để đo lượng malt chứa trong các silo chúng ta sẽ sử dụng cảm biến siêu âm để

đo khoảng cách từ đỉnh silo tới bề mặt malt trong silo Từ đó, dựa vào kích thước silo chúng ta tính toán ra khối lượng malt chứa trong silo

Nguyên lý đo của cảm biến siêu âm dựa vào phương pháp ToF (Time of Flight) Các xung tần số cao gửi đi từ điểm tham chiếu

trên cảm biến đến bề mặt cần đo và được phản hồi trở

lại Bộ phận nhận sẽ tính toán dựa trên khoảng thời gian

phản hồi, chính vì vậy phương pháp này cũng còn có tên

là phương pháp TRD (Time Domain Reflectometry)

Có rất nhiều loại cảm biến siêu âm, tuy nhiên

chúng ta sẽ chọn cảm biến siêu âm thuộc họ FMP40 của

hãng ENDRESS + HAUSER với những đặc điểm sau:

- Dải đo lên tới 35m

- Tín hiệu ra là dòng điện: 4-20mA

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Bộ điều khiển trung tâm, chúng ta sẽ sử dụng PLC S7-300 của hãng SIEMENS Đây là bộ điều khiển được sử dụng khá phổ biến vì có những đặc điểm sau đây:

- Lập trình đơn giản, giao diện thân thiện

- Thiết kế với cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ

- Làm việc tốt trong môi trường công nghiệp

- Cách ly các tín hiệu vào và ra

- Kết nối truyền thông dễ dàng để thực hiện các yêu cầu về điều khiển phân tán

- Khả năng ghép nối điều khiển trên phạm vi rộng

- Dải lựa chọn rộng cho phép điều khiển toàn diện các yêu cầu về tự động hoá

- Tích hợp rất nhiều các hàm điều khiển cho các yêu cầu điều khiển đặc biệt

Hình 2.5: Bộ điều khiển PLC S7-300

Lựa chọn CPU:

Để đáp ứng yêu cầu điều khiển đặt ra của dây chuyền cấp liệu nhà máy bia chúng ta chọn PLC S7-300 CPU 313-2DP cho phép điều khiển trên phạm vi rộng, tốc độ sử lý dữ liệu nhanh và có công truyền thong PROFIBUS-DP để có thể đáp ứng yêu cầu mở rộng điều khiển sau này

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Lựa chọn các mô đun mở rộng:

- Mô đun DI/DO: trong bài toán điều khiển này chúng ta cần khoảng 80 đầu vào số (lấy tín hiệu từ các nút nhấn điều khiển, tiếp điểm điều khiển rơ le nhiệt và cảm biến) và 80 đầu ra số (để điều khiển các rơ le trung gian và các đèn hiển thị) Vì vậy chúng ta sẽ lựa chọn 5 mô đun 16DI/16DO mã hiệu 6ES7 323-1BL00-0AA0

- Mô đun AI: Để đo khối lượng gạo có trong các silo chúng ta dùng 8 cảm biến siêu âm có tín hiệu ra la dòng điện từ 4-20mA Chúng ta sẽ dùng một

mô đun AI có 8 đầu vào tương tự 6ES7 311-1KF00-0AB0 Độ phân giải của mô đun này là 13 bit

2.4.2 Lựa chọn máy tính PC

Chúng ta sẽ xây dựng giao diện điều khiển giám sát sử dụng phần mềm

WinCC version 7.0 Để có thể cài đặt được phần mềm này, yêu cầu cấu hình của máy tính như sau:

Bảng 2.2: Bảng yêu cầu cấu hình của máy tính PC

Cấu hình tối thiểu Cấu hình gợi ý

3.5 GHz / Dual Core

Windows Server 2003

Single-user system:

Intel Pentium III;

1 GHz Server: Intel Pentium III; 1 GHz

Central archive server:

Single-user system: Intel Pentium 4; 3 GHz Server: Intel Pentium 4; 3 GHz

Central archive server:

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Intel Pentium 4;

2.5 GHz

Intel Pentium 4; 3 GHz / Dual Core

Windows Server 2008

Single-user system:

Dual Core CPU; 2 GHz

Server: Dual Core CPU; 2 GHz

Central archive server:

Dual Core CPU; 2 GHz

Single-user system: Multi Core CPU;

40 GByte

Client: > 1.5 GByte / Server: 2 GByte

Client: > 1.5 GByte / Server: 10 GB / central archive server: 2 x 80

GB trên ổ cứng khác

2.4.3 Lựa chọn giao tiếp PC-PLC

Để đơn giản chúng ta sẽ lựa chọn giao tiếp giữa máy tính PC và PLC là kiểu truyền thông MPI (Multi Point Interface) MPI là một subnet của SIMATIC Mạng MPI được sử dụng cho cấp trường hay cấp phân xưởng với yêu cầu về khoảng cách giữa các trạm không lớn Mạng chỉ cho phép liên kết với một số thiết bị của

SIMATIC như S7/M7 và C7 Thiết lập mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số lượng hạn chế các trạm (không quá 32 trạm) và dung lượng truyền thông nhỏ với tốc độ truyền tối đa là 187,5 Kbps Phương pháp thâm nhập đường dẫn được chọn cho mạng MPI là Token Passing

Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau:

- Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản

- Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ

- Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data) Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông

- Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau

Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:

- Chuẩn SIEMENS

- Số trạm cho phép Max 32

- Phương pháp thâm nhập đường dẫn Token Passing

- Tốc độ truyền thông Max 187,5 Kbit/s

- Cấu trúc mạng (Topology) Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

- Dịch vụ truyền thông Các hàm chức năng của S7 Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD)

Hình 2.6: Kiểu truyền thông MPI Cổng truyền thông MPI sẵn có trên PLC, chúng ta chỉ cần sử dụng một cáp nối SIMATIC S7 PC Adapter mã hiệu 6ES7972-0CB20-0XA0 ghép nối qua cổng USB của máy tính

Hình 2.7: Cáp truyền thông PC- PLC

Phạm Thanh Tùng – CB110345

2.5 Bảng ghép nối các phần tử vào/ra

Bảng 2.3 Bảng ghép nối các phần tử vào/ra cho PLC

điểm

Chú thích

Chuyển mạch S1 Tu dong/Bang tay I 0.0 Công tắc chuyển chế độ nhập xuất tự động

bằng tay; =1 nhập tự động

Nút ấn S2 Bat quat hut I 0.1 NO Nút ấn bật quạt hút nhà nhập liệu

Nút ấn S3 Bat hut bui I 0.2 NO Nút ấn bật hút bụi

Nút ấn S4 Dung quat hut I 0.3 NO Nút ấn dừng quạt hút nhà nhập liệu

Nút ấn S5 Dung hut bui I 0.4 NO Nút ấn dừng hút bụi nhà nhập liệu

Rơ le nhiệt Q3 Qua tai dong co BT 1 I 0.6 NC Tiếp điểm rơ le nhiệt bảo vệ quá tải động cơ

Nút ấn S7 NA Mo van nhap silo 2 I 4.1 NO Nút ấn đóng mở van nhập silo 2

Nút ấn S8 NA Mo van nhap silo 3 I 4.2 NO Nút ấn đóng mở van nhập silo 3

Nút ấn S9 NA Mo van nhap silo 4 I 4.3 NO Nút ấn đóng mở van nhập silo 4

Nút ấn S10 NA Mo van nhap silo 5 I 4.4 NO Nút ấn đóng mở van nhập silo 5

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Nút ấn S12 NA Mo van nhap silo 7 I 4.6 NO Nút ấn đóng mở van nhập silo 7

Nút ấn S13 NA Mo van nhap silo 8 I 4.7 NO Nút ấn đóng mở van nhập silo 8

Nút ấn S14 NA Mo van xuat silo 1 I 5.0 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 1

Nút ấn S15 NA Mo van xuat silo 2 I 5.1 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 2

Nút ấn S16 NA Mo van xuat silo 3 I 5.2 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 3

Nút ấn S17 NA Mo van xuat silo 4 I 5.3 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 4

Nút ấn S18 NA Mo van xuat silo 5 I 5.4 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 5

Nút ấn S19 NA Mo van xuat silo 6 I 5.5 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 6

Nút ấn S20 NA Mo van xuat silo 7 I 5.6 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 7

Nút ấn S21 NA Mo van xuat silo 8 I 5.7 NO Nút ấn đóng mở van xuất silo 8

Nút ấn S22 NA Chay BT 1 I 8.0 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 1

Nút ấn S23 NA Chay BT 2 I 8.1 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 2

Nút ấn S24 NA Chay BT 3 I 8.2 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 3

Nút ấn S25 NA Chay BT 4 I 8.3 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 4

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Nút ấn S27 NA Chay BT 6 I 8.5 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 6

Nút ấn S28 NA Chay BT 7 I 8.6 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 7

Nút ấn S29 NA Chay BT 8 I 8.7 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 8

Nút ấn S30 NA Chay BT 9 I 9.0 NO Nút ấn khởi động/dừng băng tải 9

Nút ấn S31 NA Chay gau tai I 9.1 NO Nút ấn khởi động/dừng gầu tải

Nút ấn S32 NA Mo van vao BT 3 I 9.2 NO Nút ấn đóng mở van vào băng tải 3

Nút ấn S33 NA Mo van vao BT 4 I 9.3 NO Nút ấn đóng mở van vào băng tải 4

Nút ấn S34 NA Mo van vao BT 5 I 9.4 NO Nút ấn đóng mở van vào băng tải 5

Nút ấn S35 NA Mo van vao BT 6 I 9.5 NO Nút ấn đóng mở van vào băng tải 6

Cảm biến B1 CB Van nhap silo 1 mo I 12.0 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 1 mở

Cảm biến B2 CB Van nhap silo 2 mo I 12.1 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 2 mở

Cảm biến B3 CB Van nhap silo 3 mo I 12.2 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 3 mở

Cảm biến B4 CB Van nhap silo 4 mo I 12.3 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 4 mở

Cảm biến B5 CB Van nhap silo 5 mo I 12.4 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 5 mở

Cảm biến B6 CB Van nhap silo 6 mo I 12.5 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 6 mở

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Cảm biến B7 CB Van nhap silo 7 mo I 12.6 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 7 mở

Cảm biến B8 CB Van nhap silo 8 mo I 12.7 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 8 mở

Cảm biến B9 CB Van nhap silo 1

dong

I 13.0 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 1

đóng Cảm biến B10 CB Van nhap silo 2

dong

I 13.1 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 2

đóng Cảm biến B11 CB Van nhap silo 3

dong

I 13.2 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 3

đóng Cảm biến B12 CB Van nhap silo 4

dong

I 13.3 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 4

đóng Cảm biến B13 CB Van nhap silo 5

dong

I 13.4 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 5

đóng Cảm biến B14 CB Van nhap silo 6

dong

I 13.5 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 6

đóng Cảm biến B15 CB Van nhap silo 7

dong

I 13.6 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 7

đóng Cảm biến B16 CB Van nhap silo 8 I 13.7 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van nhập silo 8

đóng

đóng Cảm biến B23 CB Van vao BT 5 dong I 16.6 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van vào băng tải 5

đóng Cảm biến B24 CB Van vao BT 6 dong I 16.7 NO Tín hiệu từ cảm biến báo van vào băng tải 6

đóng Cuộn dây R1 Mo xa silo 1 Q 0.0 Chạy động cơ mở van xả silo 1

Cuộn dây R2 Mo xa silo 2 Q 0.1 Chạy động cơ mở van xả silo 2

Phạm Thanh Tùng – CB110345

Cuộn dây R3 Mo xa silo 3 Q 0.2 Chạy động cơ mở van xả silo 3

Cuộn dây R4 Mo xa silo 4 Q 0.3 Chạy động cơ mở van xả silo 4

Cuộn dây R5 Mo xa silo 5 Q 0.4 Chạy động cơ mở van xả silo 5

Cuộn dây R6 Mo xa silo 6 Q 0.5 Chạy động cơ mở van xả silo 6

Cuộn dây R7 Mo xa silo 7 Q 0.6 Chạy động cơ mở van xả silo 7

Cuộn dây R8 Mo xa silo 8 Q 0.7 Chạy động cơ mở van xả silo 8

Cuộn dây R9 Mo van nhap silo 1 Q 1.0 Cuộn dây mở van nhập silo 1

Cuộn dây R10 Mo van nhap silo 2 Q 1.1 Cuộn dây mở van nhập silo 2

Cuộn dây R11 Mo van nhap silo 3 Q 1.2 Cuộn dây mở van nhập silo 3

Cuộn dây R12 Mo van nhap silo 4 Q 1.3 Cuộn dây mở van nhập silo 4

Cuộn dây R13 Mo van nhap silo 5 Q 1.4 Cuộn dây mở van nhập silo 5

Cuộn dây R14 Mo van nhap silo 6 Q 1.5 Cuộn dây mở van nhập silo 6

Cuộn dây R15 Mo van nhap silo 7 Q 1.6 Cuộn dây mở van nhập silo 7

Cuộn dây R16 Mo van nhap silo 8 Q 1.7 Cuộn dây mở van nhập silo 8