ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển và giám sát quy trình sản xuất sữa

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II PHIẾU NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN III LỜI CAM ĐOAN V LỜI CẢM ƠN VI MỤC LỤC VII Danh mục bảng X Danh mục hình ảnh XI Danh mục viết tắt XIV Tóm tắt đề tài XV Tổng Quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn đề tài Cơ sở lý thuyết 2.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất sữa tiệt trùng Nguyên liệu Chuẩn hóa Tiệt trùng Đồng hóa Làm nguội Hoàn thiện Sản phẩm sữa tiệt trùng 2.2 Mạng truyền thông công nghiệp Các cấp bậc mạng truyền thông công nghiệp Một số mạng truyền thông ALLEN BRADLEY 10 2.3 Trao đổi liệu theo chế Produced Consumed 15 2.4 Các dòng PLC Allen-Bradlley 16 2.5 Tổng quan hệ thống SCADA 17 VII Cấu trúc chung hệ thống SCADA 17 Nhiệm vụ hệ thống SCADA 18 Phần cứng phần mềm SCADA 18 Tính tốn thiết kế .20 3.1 Giới thiệu 20 3.2 Sơ đồ 20 3.3 Mô tả thiết bị 20 Compactlogix 1769-L32E 21 Controllogix 1756-L61 22 Stratix 2000 24 HMI PanelView Plus 25 Biến tần PowerFlex 525 26 Biến tần PowerFlex 700S 26 Cảm biến đo mực chất lỏng Dinel 27 Cảm biến nhiệt độ 29 Van bi điều khiển điện 31 Động điện Siemens 31 3.4 Sơ đồ mạch động lực mạch điều khiển .32 Thiết kế hệ thống .38 4.1 Trao đổi liệu trạm PLC 38 Yêu cầu thiết kế 38 Thiết kế hệ thống trao đổi liệu 38 4.2 Thiết kế hệ thống SCADA 42 Yêu cầu thiết kế 42 Mơ tả chương trình biểu đồ trạng thái 43 Thiết kế chức phần mềm 43 Kết đạt .49 5.1 Kết thực mơ hình phần mềm 49 Phân quyền truy cập 49 Giám sát quy trình trộn nguyên liệu - chuẩn hóa - tiệt trùng 49 Chức giám sát nhiệt độ gia nhiệt 51 Chức cảnh báo 51 Chức lưu liệu hoạt động 52 5.2 Các kết phần cứng .53 VIII Kết luận Hướng phát triển 54 6.1 Kết luận .54 Công việc thực 54 Hạn chế đề tài 54 6.2 Hướng phát triển 54 Tài Liệu Tham Khảo 56 Phụ Lục .57 IX Danh mục bảng Bảng 2.1 Độ dài loại cáp xác định tốc độ truyền mạng DeviceNet 13 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật CPU CompactLogix 1769-L32E 22 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật nguồn CompactLogix 1769-PA2 22 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật CPU ControlLogix 1756-L61 .23 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật nguồn 1756-PA75/B 23 Bảng 3.5 Thông sô kỹ thuật module truyền thông EtherNet/IP1756-EN2T 24 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật module truyền thông DeviceNet 1756-DNB 24 Bảng 3.7 Các thông số kỹ thuật kết nối truyền thông Stratix 2000 25 Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật HMI PanelView Plus 25 Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật biến tần PowerFlex 525 26 Bảng 3.10 Các thông số kỹ thuật biến tần 27 Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật cảm biến mực nước 28 Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ PT100 29 Bảng 3.13 Thông số chuyển đổi 30 Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật van bi điều khiển điện Kosaplus DN-15 31 Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật động .32 Bảng 4.1 Dữ liệu truyền từ trạm trung tâm CPU-35 39 Bảng 4.2 Dữ liệu truyền từ trạm nguyên liệu CPU-24 39 Bảng 4.3 Dữ liệu truyền từ trạm chuẩn hóa CPU-32 .40 Bảng 4.4 Dữ liệu truyền từ trạm tiệt trùng CPU 25 41 Bảng 4.5 Phân quyền chức cho phép người dùng .47 X Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng mạng cơng nghiệp quy trình sản xuất nhiên liệu .1 Hình 1.2 Mạng truyền thơng quy trình sản suất sữa nhà máy IFOOD Hình 2.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất sữa tươi tiệt trùng Hình 2.2 Quy trình ly tâm sữa Hình 2.3 Các cấp bậc mạng truyền thông công nghiệp .9 Hình 2.4 Một số mạng truyền thơng cơng nghiệp điển hình Allen Bradley .11 Hình 2.5 Phân cấp điển hình mạng truyền thơng Allen Bradley 11 Hình 2.6 Cấu trúc kết nối mạng EtherNet/IP 12 Hình 2.7 Cấu trúc kết nối mạng ControlNet 12 Hình 2.8 Cấu trúc kết nối mạng DeviceNet .13 Hình 2.9 Cấu trúc mạng Modbus .14 Hình 2.10 Cấc trúc mạng HART 14 Hình 2.11 Trao đổi liệu điều khiển .15 Hình 2.12 PLC trao đổi liệu qua mạng truyền thơng 16 Hình 2.13 Ứng dụng phần mềm FactoryTalk View 19 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 3.2 Sơ đồ phần cứng hệ thống 21 Hình 3.3 Compactlogix 1769-L32E 21 Hình 3.4 PLC ControlLogix 1756L61 .22 Hình 3.5 Bộ kết nối truyền thông EtherNet Stratix 2000 .24 Hình 3.6 HMI PanelView Plus .25 Hình 3.7 Biến tần PowerFlex 525 .26 Hình 3.8 Biến tần PowerFlex 700s 27 Hình 3.9 Cảm biến mực nước Dinel 27 Hình 3.10 Cách lắp đặt cảm biến CLM36-10 28 Hình 3.11 Cách nối dây cảm biến CLM36-10 28 Hình 3.12 Cảm biến nhiệt độ PT100 Seneca 29 Hình 3.13 Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ PT100 seneca 29 Hình 3.14 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 seneca 30 Hình 3.15 Kết nối cảm biến nhiệt độ chuyển đổi nhiệt độ .30 XI Hình 3.16 Van bi điều khiển điện Kosaplus 31 Hình 3.17 Động Siemens 1LA7096-4AA10 .32 Hình 3.18 Kích thước động Siemens 1LA7096-4AA10 .32 Hình 3.19 Sơ đồ mạch động lực .33 Hình 3.20 Mạch điều khiển tín hiệu vào Analog CPU_24 33 Hình 3.21 Mạch điều khiển tín hiệu vào Digital CPU_24 .34 Hình 3.22 Mạch điều khiển tín hiệu Digital CPU_24 34 Hình 3.23 Mạch điều khiển tín hiệu vào Analog CPU_25 35 Hình 3.24 Mạch điều khiển tín hiệu vào Digital CPU_25 .35 Hình 3.25 Mạch điều khiển tín hiệu Digital CPU_25 36 Hình 3.26 Mạch điều khiển tín hiệu vào Analog CPU_32 36 Hình 3.27 Mạch điều khiển tín hiệu vào Digital CPU_32 .37 Hình 3.28 Mạch điều khiển tín hiệu Digital CPU_32 37 Hình 4.1 Kết nối trạm PLC 38 Hình 4.2 Trao đổi liệu trạm .39 Hình 4.3 Sơ đồ trạng thái 43 Hình 4.4 Sơ đồ chu trình hoạt động quy trình chế biến sữa 43 Hình 4.5 Màn hình hệ thống 44 Hình 4.6 Màn hình giám sát trạm nguyên liệu 45 Hình 4.7 Cửa sổ nhập số lượng sữa 45 Hình 4.8 Màn hình giám sát trạm chuẩn hóa 46 Hình 4.9 Màn hình giám sát trạm tiệt trùng .46 Hình 4.10 SCADA giám sát máy chủ trung tâm 47 Hình 4.11 Cửa sổ đăng nhập hệ thống .48 Hình 4.12 Biểu đồ gia nhiệt .48 Hình 4.13 Cài đặt loại cảnh báo .48 Hình 5.1 Từ chối truy cập vào hệ thống 49 Hình 5.2 SCADA giám sát trạm nguyên liệu 49 Hình 5.3 SCADA giám sát trạm chuẩn hóa 50 Hình 5.4 SCADA giám sát trạm tiệt trùng 50 Hình 5.5 Biểu đồ gia nhiệt trạm chuẩn hóa 51 Hình 5.6 Cảnh báo lỗi trạm chuẩn hóa .51 XII Hình 5.7 Giao diện giám sát máy chủ 52 Hình 5.8 Truy vấn sở liệu SQL .52 Hình 5.9 Phần cứng sử dụng thực đề tài 53 XIII Danh mục viết tắt CPU - Central Processing Unit SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition Hart - Highway Addressable Remote Transducer FSK - Frequency Shift Keying TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol CIP - Common Industrial Protocol SQL - Structured Query Language PLC - Programmable Logic Controller PAC - Programmable Automation Controller 10 RPI - Requested Packet Interval 11 I/O - Input/Output 12 RTU - Remote Terminal Unit 13 HMI - Human Machine Interface 14 FactoryTalk View SE - FactoryTalk View Site Edition 15 FactoryTalk View ME - FactoryTalk View Machine Edition 16 LCD - Liquid Crystal Display 17 RS485 - Recommended Standard 485 18 RJ45 - Registered Jack 45 19 RTD - Resistance Temperature Detectors 20 IE2 - High Efficiency 21 IP67 - International Protection 67 22 IP - Internet Protocol 23 ODVA - Open DeviceNet Vendor Association XIV Tóm tắt đề tài Trong đề tài này, nhóm thực việc ứng dụng mạng truyền thơng cơng nghiệp giám sát vào q trình sản xuất sữa Đầu tiên nhóm tiến hành nghiên cứu sở lý thuyết công đoạn quy trình sản xuất sữa, từ cách hoạt động, vận hành, việc điều khiển, giám sát thiết bị Tiếp theo nhóm tiến hành thiết kế mơ hình, lựa chọn thiết bị phù hợp với quy trình sản xuất, nhóm sử dụng bốn PLC Rockwell Automation để mô cho bốn trạm điều khiển Tiếp theo nhóm nghiên cứu xác định cụ thể thơng tin, liệu cần truyền thông, trao đổi trạm với nhau, sử dụng phần mềm RsLogix 5000 để cấu hình truyền thơng cho trạm Các trạm thực truyền thông liệu thông qua chế Produced Consumed Tag Sau nhóm sử dụng phần mềm FactoryTalk để mơ lại q trình hoạt động, hiển thị thơng tin liệu hình SCADA lưu trữ sở liệu SQL sever Kết cuối nhóm thu - Trao đổi liệu thành công từ trạm quy trình thơng qua mạng EtherNet truyền thơng theo chế Produced-Consumed Tag - Lập trình hệ thống hoạt động theo quy trình sản xuất - Thiết kế giao diện giám sát cho trạm hình Panelview Plus - Sao lưu sở liệu phần mềm SQL XV Tổng Quan Tổng Quan 1.1 Đặt vấn đề Mạng truyền thông công nghiệp xương sống cho kiến trúc hệ thống tự động cung cấp phương tiện trao đổi liệu mạnh mẽ, kiểm soát liệu linh hoạt để kết nối thiết bị khác Với việc sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số độc quyền ngành công nghiệp qua thập kỷ dẫn đến cải thiện tính xác tồn vẹn tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối Áp dụng truyền thông mạng công nghiệp đổi cơng nghệ giúp q trình sản xuất nhanh hơn, tốn sức người liệu thu thập đầy đủ Chất lượng sản phẩm đảm bảo kiểm soát từ khâu nguyên vật liệu thành phẩm chuyển đến tay người tiêu dùng Hơn nữa, người trực tiếp làm việc môi trường làm việc nguy hiểm, giảm tỷ lệ tử vong, bệnh tật q trình lao động Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng mạng cơng nghiệp quy trình sản xuất nhiên liệu1 http://proconingenieros.com/redes-e-integracion-de-sistemas/ Thiết kế hệ thống Mô tả chương trình biểu đồ trạng thái Hình 4.3 Sơ đồ trạng thái Sau khởi động hệ thống, ta tiến hành đăng nhập, có hai kiểu đăng nhập Admin User Admin có quyền cài đặt thơng số cho nguyên liệu đầu vào chọn hương vị sữa mong muốn, User người theo dõi chu trình hoạt động hệ thống Sau cài đặt thơng số, nhấn Start chương trình hoạt động hình, trình chạy kết thúc quy trình chế biến sữa Hình 4.4 Sơ đồ chu trình hoạt động quy trình chế biến sữa Thiết kế chức phần mềm Màn hình giới thiệu tổng quan hệ thống bao gồm quy trình chế biến ngun liệu, chuẩn hóa tiệt trùng sữa (hiển thị góc phải hình) Tất nút nhấn nằm vùng phía trái hình, giúp người điều khiển dể dàng nhận biết thao tác 43 Thiết kế hệ thống Hình 4.5 Màn hình hệ thống Màn hình giám sát trạm nguyên liệu – chuẩn hóa – tiệt trùng mơ tả chi tiết quy trình hoạt động hệ thống Để có quy trình sản xuất sữa hồn chỉnh, địi hỏi chun gia phải tính tốn cơng thức, tỉ lệ pha trộn, cài đặt nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…các thành phần cho phù hợp lưu trữ công thức PLC trung tâm Tại trạm nguyên liệu có nút nhấn sử dụng màu sắc khác mục đích thể hoạt động định giúp người vận hành dể dàng nhận biết - Màu đỏ thể hoạt động dừng lại, khẩn cấp cấm - Màu xanh bắt đầu điều kiện an toàn - Màu xanh đậm hoạt động bắt buộc 44 Thiết kế hệ thống Hình 4.6 Màn hình giám sát trạm nguyên liệu Nút “Setup” hình thể màu xanh đậm bắt buộc người dùng phải cài đặt thông số hệ thống Tại cửa sổ người dùng nhập số lượng sữa chọn loại hương Hình 4.7 Cửa sổ nhập số lượng sữa Trạm chuẩn hóa điều khiển q trình gia nhiệt, ly tâm, tách béo sau phối trộn, thiết bị bố trí cụ thể hình 4.8 45 Thiết kế hệ thống Hình 4.8 Màn hình giám sát trạm chuẩn hóa Trạm tiệt trùng giám sát q trình trao đổi nhiệt, áp suất sữa nâng lên thông qua bơm qua Injector Hơi nóng nâng nhiệt độ sữa lên lưu giữ nhiệt độ ống lưu nhiệt sau tiếp tục cho trình làm lạnh Hình 4.9 Màn hình giám sát trạm tiệt trùng 46 Thiết kế hệ thống Màn hình giám sát máy chủ trung tâm, nơi theo dõi tất trạng thái, quy trình hoạt động hệ thống Hình 4.10 SCADA giám sát máy chủ trung tâm Phân quyền truy cập hệ thống điều khiển yếu tố quan trọng nhằm tránh việc người khơng có trách nhiệm đăng nhập vào hệ thống, xảy cố không mong muốn từ làm ảnh hưởng trực tiếp đến q trình sản xuất Ngồi ra, phân quyền cịn kiểm sốt hoạt động nhân viên, tăng tính bảo mật hệ thống Trong phạm vi đề tài nhóm giả lập trường hợp đăng nhập Administrator User với quyền truy cập bảng 4.5 Bảng 4.5 Phân quyền chức cho phép người dùng Các chức Administrator User Giám sát hoạt động thiết bị   Xem biều đồ Trend hệ thống   Thiết lập đầu vào nhập sữa chọn hương vị  Xem lịch sử hoạt động  47  Thiết kế hệ thống Hình 4.11 Cửa sổ đăng nhập hệ thống Chức giám sát nhiệt độ gia nhiệt quy trình chuẩn hóa thể thơng qua biểu đồ, nhằm giám sát dễ dàng theo dõi chênh lệch nhiệt độ trình hoạt động Hình 4.12 Biểu đồ gia nhiệt Chức cảnh báo cố (Alarm) hệ thống có trường hợp xảy cố, chức Alarm thông báo hiển thị cảnh báo lỗi hình, tùy vào mức độ cố mà hệ thống thơng báo dừng hệ thống Các lỗi hệ thống hay gặp hệ thống nhiệt lỗi cảm biến Hình 4.13 thể cách cài đặt cảnh báo phầm mềm FactoryTalkView Hình 4.13 Cài đặt loại cảnh báo 48 Kết đạt Kết đạt 5.1 Kết thực mơ hình phần mềm Phân quyền truy cập Trước vận hành hệ thống người dùng phải đăng nhập, phân quyền truy cập khác khơng cho phép người khơng có trách nhiệm truy cập vào hệ thống Nếu người đăng nhập, nhập sai tên khơng mật có thơng báo lỗi, từ chối đăng nhập hình 5.1 Hình 5.1 Từ chối truy cập vào hệ thống Giám sát quy trình trộn ngun liệu - chuẩn hóa - tiệt trùng Quy trình trộn nguyên liệu hoạt động theo yêu cầu hệ thống, tỉ lệ tính tốn trùng khớp với cơng thức ban đầu đưa Hình 5.2 SCADA giám sát trạm nguyên liệu 49 Kết đạt Sau quy trình trộn nguyên liệu kết thúc, hệ thống kích hoạt PLC trạm chuẩn hóa bắt đầu q trình chuẩn hóa Tại q trình hoạt động ổn định, đảm bảo nhiệt độ, tỉ lệ sữa tính tốn phù hợp so với số liệu ban đầu Hình 5.3 SCADA giám sát trạm chuẩn hóa Tương tự quy trình chuẩn hóa xong kích hoạt PLC trạm tiệt trùng Q trình tiệt trùng hoạt động ổn định, đáp ứng tiêu ban đầu đưa Hình 5.4 SCADA giám sát trạm tiệt trùng 50 Kết đạt Sau tiệt trùng, sữa chuyển qua bồn chứa để lưu trữ sẳn sàng cho công đoạn chiết rót Chức giám sát nhiệt độ gia nhiệt Nhiệt độ đặt ký hiệu đường màu xanh đậm Nhiệt độ đặt lấy từ giá trị cài đặt trước cho hệ thống Đường màu xanh thể nhiệt độ trình gia nhiệt Hình 5.6 cho thấy nhiệt độ gia nhiệt đáp ứng giá trị cài đặt Hình 5.5 Biểu đồ gia nhiệt trạm chuẩn hóa Chức cảnh báo Nhóm giả lập số lỗi hay gặp cho hệ thống, có lỗi hình cảnh báo tự động xuất để cảnh báo người dùng Hình 5.6 Cảnh báo lỗi trạm chuẩn hóa 51 Kết đạt Chức lưu liệu hoạt động Tất liệu hoạt động quy trình lưu hệ thống thơng qua hình giao diện thiết kế phần mềm FactoryTalkView SE Hình 5.7 Giao diện giám sát máy chủ Dữ liệu từ FactoryTalkView SE lưu trữ gửi phần mềm liệu SQL để truy vấn liệu cần thiết Hình 5.8 Truy vấn sở liệu SQL 52 Kết đạt 5.2 Các kết phần cứng Nhóm đã thực việc kết nối trạm, PLC để trao đổi liệu, thơng tin từ giúp cho việc vận hành hệ thống, quy trình theo với mục đích ban đầu đặt Cụ thể phần cứng thể qua hình 5.9 Hình 5.9 Phần cứng sử dụng thực đề tài 53 Kết luận Hướng phát triển Kết luận Hướng phát triển 6.1 Kết luận Công việc thực Qua thời gian nghiên cứu thực đề tài, nhóm hồn thành - Kết nối phần cứng, truyền thông PLC Allen Bradley để vận hành hệ thống theo chuẩn Ethernet DeviceNet - Thiết kế giao diện giám sát cho trạm nguyên liệu - chuẩn hóa - tiệt trùng hình Panelview Plus thơng qua phần mềm FactoryTalkView ME giao diện giám sát cho máy chủ trung tâm phần mềm FactoryTalkView SE - Theo dõi trạng thái hoạt động, giả lập số lỗi cách khắc phục trình vận hành hệ thống - Phân quyền sử dụng cho cấp quản lý nhằm nâng cao tính bảo mật cho hệ thống - Sao lưu hoạt động phần mềm sở liệu SQL Hạn chế đề tài Bên cạnh cơng việc hồn thành được, nhóm cịn gặp nhiều hạn chế - Dữ liệu trao đổi theo chế Produced Cosumed bị giới hạn đường truyền - Giao diện giám sát máy chủ trung tâm trạm hạn chế, chưa trực quan cho q trình giám sát - Chưa cụ thể hóa quy trình sản xuất nhà máy sữa - Đề tài dừng lại mức độ mô 6.2 Hướng phát triển Dựa nghiên cứu thành công đề tài “Ứng dụng mạng truyền thông điều khiển giám sát quy trình sản xuất sữa” Chúng ta phát triển: - Ứng dụng thêm loại mạng truyền thông khác vào hệ thống như: ControllNet, giao thức Modbus công nghệ IOT (Internet of Things) - Ứng dụng kỹ thuật NAT (Network Address Translation) phép nhiều địa IP (Internet Protocol) tham gia vận hành hệ thống kết nối nhiều máy chủ lại với 54 Kết luận Hướng phát triển - Hoàn thiện toàn trình sản xuất sữa từ khâu nguyên liệu đến khâu thành phẩm 55 Tài Liệu Tham Khảo PGS.TS Ngơ Văn Thun PGS TS Trương Đình Nhơn (2017), “Lập trình PLC Allen-Bradley”, Nhà xuất ĐHQG Tp HCM,114 trang Th.s Tạ Văn Phương (2015), Bài giảng Rockwell Automation Hồng Minh Sơn (2006), “Mạng truyền thơng công nghiệp”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 271 trang Lê Văn Việt Mẫn (2011), “Công Nghệ Chế Biến Thực Phẩm”, Nhà xuất ĐHQG Tp.HCM, 1017 trang https://dairyprocessinghandbook.com/chapter/designing-process-line https://literature.rockwellautomation.com https://ab.rockwellautomation.com https://realpars.com/ethernet-ip https://www.apsc.endress.com/en/industry-expertise/food-beverage-productivityquality-cost/dairy-production 56 Phụ Lục 57 ... “ Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển giám sát quy trình sản xuất sữa ” Tổng Quan Hình 1.2 Mạng truyền thơng quy trình sản suất sữa nhà máy IFOOD2 Quy trình sản xuất sữa quy trình. .. công nghiệp điều khiển giám sát quy trình sản xuất sữa ” với mục tiêu cụ thể sau - Truyền thông PLC Allen Bradley theo chuẩn Ethernet ứng dụng vào quy trình sản xuất sữa - Thiết kế mô công đoạn quy. .. việc ứng dụng mạng truyền thơng cơng nghiệp giám sát vào trình sản xuất sữa Đầu tiên nhóm tiến hành nghiên cứu sở lý thuyết cơng đoạn quy trình sản xuất sữa, từ cách hoạt động, vận hành, việc điều