Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống chiết rót

Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống chiết rót Hệ thống chiết rót Mục tiêu nghiên cứu của đồ án này nhằm nắm được khả năng lập trình PLC. Lập trình đọc được giá trị từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến khoảng cách về PLC. Lập trình điều khiển hệ thống chiết rót chai. Thiết kế được hệ SCADA giám sát trên PLC S71200.

TRANG BÌA 1

TRANG BÌA 2

MỤC LỤC

TRANG BÌA 1 1

TRANG BÌA 2 2

MỤC LỤC 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO 5

PHẦN MỞ ĐẦU 6

A Đặt vấn đề 6

B Mục tiêu đề tài 6

C Giới hạn đề tài 6

PHẦN NỘI DUNG 7

Chương 1 7

1.1 Tổng quan về đề tài 7

1.2 Phương pháp thực hiện 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Quy trình hoạt động của hệ thống 8

2.2 Lý thuyết PLC 8

A PLC S7-200 10

B PLC S7-1200 15

2.3 TIA -WinCC 17

2.4 Giao thức truyền thông TCP/IP 28

2.5 Ethernet 29

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT 32

3.1 Thiết kế cơ khí hệ thống 32

3.1.1 Yêu cầu cơ khí hệ thống 32

3.1.2 Thiết kế cơ khí 32

3.2 Thiết kế điện cho hệ thống 32

3.2.1 Yêu cầu hệ thống điện 32

3.2.2 Sơ đồ khối hệ thống 32

3.2.3 Phân tích các khối điện hệ thống 33

3.2.4 Thiết bị điện từng khối 34

3.2.5 Sơ đồ đấu nối 34

3.3 Thiết kế phần mềm 35

3.3.1 Yêu cầu lập trình hệ thống 35

3.3.1 Lưu đồ giải thuật 35

3.3.2 Sơ đồ đấu dây 36

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 37

4.1 Địa chỉ biến và đấu nối 37

4.2 Chương trình chính 38

4.3 Nhận xét 43

PHẦN KẾT LUẬN 44

A KẾT LUẬN 44

B HƯỚNG PHÁT TRIỂN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN MỞ ĐẦU

A Đặt vấn đề

Hiện nay vai trò của công nghệ Tự Động Hóa trong nền kinh tế quốc dân và sự nghiệp phát triển của xã hội là cực kỳ to lớn Tự động hóa mang lại nhiều tiện ích trong muôn màu muôn vẻ của cuộc sống văn minh hiện đại Chính vì thế Đảng và Nhà nước ta

đã xác định tự động hóa là một trong bốn hướng công nghệ cao cần ưu tiên phát triển Góp phần vào công cuộc phát triển đó là các dòng, các bộ điều khiển trở nên nhỏ gọn và tiện ích Trong đó không thể không thể không kể đến các dòng PLC của tập đoàn Siemens đặt biệt là PLC S7-1200 với khả năng giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hệ thống( SCADA ) mạnh mẽ

Đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của các nhà máy, xí nghiệp đặc biệt là trong

đó là nhà máy sản xuất bia một trong các nhà máy góp phần lớn vào nền kinh tế nước nhà Trong nhà máy bia có rất nhiều công đoạn cần xự chính xác cao cần đến bộ xữ lý cao vì thế hiện nay các nhà máy bia sử dụng PLC Siemens chuyên dụng S7-1200 cũng được sử dụng vào một trong các công đoạn chiết rót

Trong công ty sản xuất bia để đảm bảo về khối lượng cũng như chất lượng gói mì

ra thì trường thì các thành phần mì thường không thể thiếu cũng như khối lượng giá trị dinh dưỡng đến người tiêu dùng

Để đáp ứng các yêu cầu đó đề tài sử dụng cảm biến khối lượng đưa tín hiệu analog

về PLC S7-1200 giám sát và điều khiển quá trình phân loại

1.2 Phương pháp thực hiện

Sử dụng sensor nhiệt để giám sát quá trình nấu

Tìm hiểu PLC S7-1200 Siemens về lập trình cũng như phần cứng PLC S7-1200 Tìm hiểu về loadcell cũng như phần cứng mô hình

Ứng dụng phần mềm TIA vào lập trình cho mô hình chiết rót

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Quy trình hoạt động của hệ thống

2.2 Lý thuyết PLC

- Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng.Đến năm

1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với độ chính xác tới 6 con số thập phân

- Năm 1808, Joseph M.Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng, sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự động thực hiệncác mẫu hàng phức tap

- Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới

- Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính

và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC Máy có: 18.000 đèn điện tử chân không, 500.000 mối hàn thủ công, chiếm diện tích 1613 ft2, công suất tiêu thụ điện 174 kW,

6000 nút bấm, khoảng vài trăm phích cắm

Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi chỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư hỏng đã xuất hiện Việc sữa chữa lắp đặt lại đèn điện tử để chạy lại phải mất đến cả tuần Chỉ tới khi áp dụng kỹ thuật bán dẫn vào năm 1948, đưa vào sản xuất công

Hệ thống

khởi động

Khởi động nung

Nấu nguyên liệu ở nhiệt độ đặt trong một khoảng thời

Xả van cho nguyên liệu xuống bồn chiết rót đồng thời tắt nung

Kiểm tra mực nước chiết rót

Nạp liệu vào

lò nung

Vận chuyển chay

vào và chiết rót

nghiệp một thời gian sau thì những máy tính điện tử lập trình lại mới được sản xuất

và thương mại hoá

Sự phát triển của máy tính cũng kèm theo kỹ thuật điều khiển tự động

- Mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959

- Mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965

- Bộ vi xử lý - năm 1974

- Dữ liệu chương trình - điều khiển

- Kỹ thuật lưu giữ

Những phát minh này đã đánh dấu một bước rất quan trọng và quyết định trong việc phát triển ồ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó như PLC, CNC, lúc này khái niệm điều khiển bằng cơ khí và bằng điện tử mới được phân biệt

Đến cuối thập kỷ 20, người ta dùng nhiều chỉ tiêu để phân biệt các loại kỹ thuật điều khiển, bởi vì trong thực tế sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể những hệ thống máy tính chứ không điều khiển đơn lẻ từng máy

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình

được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các

sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu điểm như sau:

- Giảm 80% số lượng dây nối

- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng

và dễ dàng

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình)

mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị vào, ra

- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển.Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế

- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất

- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ Giá cả có thể cạnh tranh được

Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dãy quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng

ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: Hệ thống nâng vận chuyển, dây chuyền đóng gói, các robot lắp giáp sản phẩm, điều khiển bơm, chuyền xử lý hoá học, công nghệ sản xuất giấy v.v

Khi tính đến giá cả của PLC thì không thể không kể đến giá của các bộ phận phụ không thể thiếu như thiết bị lập trình, máy in, băng ghi cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật Nói chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là khá đắt

Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp trọn bộ đóng gói phần mềm đã được thử nghiệm, nhưng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là nhu cầu không thể tránh khỏi,

do đó, vẫn cần thiết phải có kỹ năng phần mềm

Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thường như sau:

- 50% cho phần cứng của PLC

- 10% cho thiết kế khuôn khổ chương trình

- 20% cho soạn thảo và lập trình

- 15% cho chạy thử nghiệm

- 5% cho tài liệu

Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu tiên, nghĩa là hầu như chỉ còn chi phí phần cứng

A PLC S7-200

PLC S7-200 hiện đang là sản phẩm phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất PLC là từ viết tắt của Programable Logic Controller, đây là thiết bị điều khiển logic - lập trình được, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua, một ngôn ngữ lập trình., PLC S7-200 là thiết bị của hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu modul

có các modul mở, rộng.Thành phấn cơ bản của PLC S7-200 là khối CPU222, CPU224, CPU 224XP, CPU226 …

Thông thường PLC S7-200 được chia ra làm 2 loại chính:

Loại PLC S7-200 cấp điện áp 220VAC :

Để tiếp cận với các nhà máy công nghệ cao chúng em sử dụng loại PLC hoạt động ở điện áp cấp vào là 220VAC

+ Thông số kỹ thuật PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY

– Điện áp nguồn vào : 220VAC

– Số ngõ Input : 14DI DC

– Số ngõ Output : 10 DO RELAY

 Khối đầu vào:

PLC S7-200 CPU 224 có 16 đầu vào, trong đó có:

 14 đầu vào số

 2 đầu vào tương tự

Tất cả các đầu vào của PLC của hang Simens đều được ký hiệu là Ii.j

14 đầu vào số của PLC S7-200 CPU 224 là: I0.0, I0.1, I0.2, I0.3, I0.4, I0.5, I0.6, I0.7, I1.0, I1.1, I1.2, I1.3, I1.4, I1.5

Mỗi tín hiệu đầu vào số chỉ có 2 mức logic là mức 0 và 1

 Mức logic 0 được đặc trưng bằng tiếp điểm thường mở

Ký hiệu: “ ”

 Mức logic 1 được đặc trưng bằng tiếp điểm thường đóng

Ký hiệu: “ ”

Tất cả các tín hiệu từ nút ấn, công tắc, cảm biến, được lấy làm tín hiệu vào của PLC S7-200 CPU 224

Hai đầu vào tương tự PLC S7-200 CPU 224 được ký hiệu là: AI1.1,AI1.2

 Khối đầu ra:

Tất cả các đầu ra của PLC S7-200 CPU 224 nói riêng và của PLC hãng

Simens nói chung đều được ký hiệu là Qi.j

PLC S7-200 CPU 224 có 10 đầu ra: Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, Q0.4, Q0.5, Q0.6, Q0.7, Q1.0, Q1.1

Các đầu ra của PLC thường được ký hiệu dưới dạng cuộn dây

Ký hiệu “ ( ) ”

Đầu ra PLC là trạng thái của các đối tượng điều khiển: động cơ, van, bóng đèn, còi, đèn báo,

Khi sử dụng modun PLC S7-200 CPU 224 phải chú ý đối tượng được điều khiển

để thiết lập đầu ra tương ứng vì trên modun có 3 chân 1L,2L,3L để cấp nguồn cho các đầu ra

 Chân 1L : cấp nguồn cho Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3

 Chân 2L : cấp nguồn cho Q0.4, Q0.5, Q0.6

 Chân 3L : cấp nguồn cho Q0.7, Q1.0, Q1.1

 Khối mở rộng:

Để mở rộng phạm vi điều khiển của PLC người ta thường lắp them các modun

mở rộng để tăng số lượng đầu vào và tăng số lượng đầu ra

Mô tả đèn báo trên bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 224 của hãng Simens

PLC S7-200 CPU 224 bao gồm hệ thống đèn báo như sau:

- SF : đèn báo trạng thái PLC bị hỏng

- RUN : đèn báo trạng thái có thể chạy PLC

- STOP : đèn báo trạng thái PLC dừng hoạt động phục vụ cho quá trình dừng khẩn cấp, đảm bảo an toàn và phục vụ cho quá trình download từ máy tính > PLC hoặc upload từ PLC > máy tính

=> để chọn chế độ RUN hoặc STOP thì sử dụng công tắc gạt (dưới)

- Đèn báo cho 14 đầu vào số tương ứng đều có đèn để chỉ trạng thái trên PLC, khi đèn báo ở đầu nào sáng thì đầu đó ở mức 1

- Trên PLC có 14 công tắc gạt tương ứng để điều khiển cho 14 đầu vào số

- Đèn báo cho 10 đầu ra số tương ứng đều có đèn chỉ trạng thái trên PLC khi đèn của đầu ra nào sang thì đầu ra đó ở trạng thái đang hoạt động

Công tắc chọn chế độ làm việc:

PLC S7-200 CPU 224 có 3 chế độ làm việc RUN, STOP, TERM

Nhiệm vụ của PLC trong hệ thống:

Modul PLC S7-200 CPU 224 được dùng để điều khiển các thiết bị điện- điện tử trong

mô hình, để mô hình đóng mở cửa được bình thường

B PLC S7-1200

Hình Bộ điều khiển S7-1200

Bộ điều khiển S7-1200 được ra đời để thay thế cho dòng S7-200 trước đây của Siemens trên xu hướng tích hợp bộ điều khiển, hệ thống mạng, hệ thống điều khiển giám sát trong cùng một hệ thống với nền tảng TIA Portal

Hình Hệ thống tích hợp toàn diện của Siemens TIA Portal

Hệ thống SIMATIC S7-1200 đƣợc thiết kết tích hợp với PROFINET với các cổng Ethernet tích hợp để dễ dàng thiết lập mạng điều khiển Cấu trúc S7-1200 dạng modular giống nhƣ dòng S7-300 nhằm dễ dàng thay đổi kích cỡ theo ứng dụng, dễ dàng thêm các cổng I/O Với dòng CPU 1212C có thể thêm 2 module I/O, còn với dòng CPU 1214C 1215C, 1217C có thể thêm 8 module I/O Ngoài ra dòng S7-1200 có thể dễ dàng tích hợp thêm các module giao tiếp loại PROFIBUS, GPRS làm tăng độ linh hoạt của hệ thống lên rất cao

Để lập trình cho S7-1200 Siemens cung cấp gói phần mềm TIA Portal với các ƣu điểm:

 Dễ dàng trao đổi các chức năng

 Các dự án có thể dùng lại đƣợc với thƣ viện sẵn có hoặc tạo thêm

 Tích hợp hệ thống chẩn đoán

 Có chức năng theo dõi

 Tích hợp điều khiển chuyển động

 Tích hợp bộ điều khiển PID

 Dễ dàng mô phỏng với PLC và HMI

 Hệ thống trao đổi dữ liệu liên kết giữa PLC và WINCC thực hiện dễ dàng

 Quản lý nhiều trạm trên cùng một Project

Tích hợp bảo vệ kiểu password, know-how, chống copy, truy nhập

2.3 TIA -WinCC

TIA Portal là một phần mềm tích hợp của hãng Siemens, cung cấp cho người dùng quyền truy cập không giới hạn đến các dịch vụ tự động hóa của hãng, nó là sự kết hợp của các phần mềm lập trình PLC, thiết kế HMI và xây dựng hệ thống giám sát SCADA trên WinCC TIA Portal còn giúp cho người sử dụng tiết kiệm được thời gian và tránh đi việc sai sót biến khi lập trình, tạo nên một hệ thống tổng quan cho người lập trình với sự tích hợp công cụ mô phỏng đi kèm

TIA Portal được hãng đánh giá rất cao về sự hoàn hảo để tự động hóa cho doanh nghiệp, bổ sung và hoàn thiện các dịch vụ cho các công ty trên con đường bước đến nền công nghiệp 4.0

TIA Portal tích hợp các phần mềm bao gồm: lập trình PLC Simatic Step-7, thiết kế giao diện với Simatic WinCC, S7 PLC SIM giải pháp có khả năng mở rộng cao, độ linh hoạt tốt và độ tin cậy cao Nó phù hợp với các ứng dụng giám sát và điều khiển tự động hoá trong công nghiệp Bên cạnh đó, nó đáp ứng mọi yêu cầu của các trạm điều khiển độc lập và các hệ thống giám sát dự phòngTrong đề tài này TIA Portal là phần mềm chính dùng để lập trình PLC, thiết kế giao diện HMI và thiết kế giao diện WinCC

Hình Giao diện TIA Portal V14

Bảng Chức năng công cụ trên TIA Portal (hình 2.8)

trình PLC

Vùng chứa phần lập trình, chương trình trình và các hàm con của thiết bị PLC trong

Hình 2.9 Giao diện vùng quản lý thiết bị, kết nối và cài đặt thông số Bảng 2.2 Bảng chức năng vùng quản lý thuyết bị và truyền thông

số thiết bị

Hình Vùng thiết kế giao diện Bảng Bảng chức năng vùng thiết kế

1 Vùng quản lý đề án Quản lý các vùng chức năng thuyết bị và

kết nối thiết bị

số thiết bị

Thiết kế màn hình giao diện HMI ta chọn thông số màn hình tương đồng với thực tế

và cài đặt địa chỉ tại vùng quản lý thiết bị và kết nối

Hình Cấu hình và kết nối HMI và PLC

Thiết kế HMI bằng cách vào mục quản lý màn hình trong vùng quản lý thiết bị Tại

hình Vùng thiết kế HMI và lập trình biến tần

Ta có một số mục chức năng cơ bản Runtime settings , Screens và HMI tags là ba mục cơ bản cho việc thiết kế HMI

* Runtime settings: Thiết lập thông số cơ bản về bàn tính, ngôn ngữ

* Screens: Mục thiết kế màn hình giao tiếp

* HMI tags: Địa chỉ giao tiếp các vùng nhớ của màn hình với các thiết bị đấu nối

Ở vùng công cụ tích hợp các hình ảnh trực quan dựa trên đó thiết kế các hệ thống