Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển SCADA trong nhà máy bia Tây Âu Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển SCADA trong nhà máy bia Tây Âu Thiết kế hệ thống giám sát SCADA cho dây chuyền sản xuất bia chai Asem(trong nhà máy bia Tây Âu) có công suất 5.000 chaih, dây chuyền sản xuất bia hơi Tây Âu có công suất 10 triệu lítnăm.
Thực trạng nhà máy bia Tây Âu
Giới thiệu về công ty cổ phần bia Tây Âu
Hình 1.1 Nhà máy bia Tây Âu ở khu CN Vĩnh Niệm – Hải Phòng
Hình 1.2 Thực tập tập nhà máy bia Tây Âu
Tiền thân của Công ty Cổ phần bia Tây Âu hiện nay là Công ty Cổ phần Rượu - Bia - Nước giải khát Lan Hương Được thành lập từ năm 1989 với đa dạng
14 các sản phẩm và dịch vụ như: Rượu vang, các loại nước ngọt, các loại nước hoa quả tươi, nước ngọt có ga, nước ngọt không ga, bia hơi, bia chai, bia lon, cồn, CO2, đá bảo quản thực phẩm, dịch vụ vận tải đông lạnh chuyên dùng, dịch vụ xuất nhập khẩu, nghiền thức ăn gia súc
Các sản phẩm của Công ty đã có mặt trên hầu hết các tỉnh thành phía Bắc đã phần nào khẳng định được uy tín và thương hiệu trên thương trường Đứng trước tình hình hội nhập của Đất nước với Thế giới nói chung, trước sự cần thiết phải đổi mới công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm tăng sức cạnh tranh trên thị trường nói riêng, đến cuối tháng 7 năm 2003 Công ty Cổ phần bia Tây Âu đã khai trương đưa vào vận hành một nhà máy bia hiện đại về trang thiết bị, có công nghệ tiên tiến của Châu Âu với công suất khoảng 50.000 héc tô lít do nhà thầu POLYCO lắp đặt Sản phẩm chính của nhà máy là bia hơi mang thương hiệu bia Tây Âu
Từ khi có mặt trên thị trường, bia hơi Tây Âu đã khẳng định được việc quyết định đầu tư đúng đắn của Công ty bằng chất lượng đã được đông đảo người tiêu dùng miền Bắc chấp nhận Đến cuối năm 2004 Công ty cho khánh thành nhà máy bia số 2 tại Cụm Công nghiệp Vĩnh Niệm - Lê Chân - Hải phòng với sản phẩm bia chai mang thương hiệu ASEM Một sản phẩm bia chai cao cấp được sản xuất bởi dây chuyền chiết chai tự động có công suất 6000 BHP do Cộng hòa Liên bang Đức chế tạo và lắp đặt Đầu xuân mới năm 2005 Công ty Cổ phần bia Tây Âu vinh dự được đón nhận chứng chỉ cho hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn Quốc tế ISO 9001 : 2000 do tổ chức International Certified Company của Cộng hòa Liên bang Đức cấp
Không những chỉ chú trọng vào đầu tư nâng cao chất lượng sản phẩm khi xuất xưởng mà Công ty Cổ phần bia Tây Âu còn đầu tư rất mạnh vào các trang thiết bị hỗ trợ bán hàng, cụ thể như: keg inox 2 lớp có bảo ôn, keg inox 1 lớp không bảo ôn, máy lạnh bảo quản và bán bia cho hầu hết các cửa hàng và các đại lý với mục tiêu để bia hơi Tây Âu ngon đến cốc cuối cùng
Có được sự trưởng thành và phát triển không ngừng đó thì không thể không nói đến công lao to lớn của các Bạn hữu và Khách hàng Bởi họ chính là người luôn dẫn đường chỉ lối cho chúng tôi ngay từ những bước đi chập chững đầu tiên, bởi chính họ là nguồn động lực thôi thúc công ty bia Tây Âu phải luôn thay đổi.
Thực trạng công nghệ tại nhà máy bia Tây Âu
Trang thiết bị đời mới nhất theo tiêu chuẩn Châu Âu về thiết kế, chế tạo ,nhập khẩu và lắp đặt Hầu hết các công đoạn được tự động hóa cao, do hàng chục kĩ sư chuyên ngành điều khiển, và kiểm soát qua hệ thống máy tính trung tâm tại phòng điều khiển
Bia Tây Âu được sản xuất theo 1 quy trình rất nghiêm ngặt từ khâu xử lý nguyên liệu, nấu, lên men và thành phẩm Có tất cả hàng chục công đoạn phải kiểm tra chất lượng, thực hiện theo luật tinh khiết của Châu Âu về chất lượng và tính tự
15 hảo và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
Công ty CP Bia Tây Âu tự hào là một nhà máy bia khang trang và hiện đại nhất cụm CN Vĩnh Niệm, với những tiêu chuẩn quản lý chất lượng quốc tế và luôn đi đầu về đầu tư thiết bị và công nghệ tiên tiến nhất Hiện nay, Công ty Bia Tây Âu chuyên sản xuất các loại bia tươi, bia hơi, bia chai chất lượng tốt nhất
Cty cổ phần bia Tây Âu (Hải Phòng) vừa khánh thành dây chuyền sản xuất bia chai mang nhãn hiệu Asem Đây là dòng bia gốc Đức với nguyên liệu, công nghệ, thiết bị sản xuất đều được nhập khẩu từ Đức Trong 2 năm (2003 - 2004), Cty cổ phần bia Tây Âu đã đầu tư trên 30 tỷ đồng áp dụng hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001: 2000, xây dựng 2 nhà máy sản xuất bia và nghiên cứu thành công hai sản phẩm mới là bia hơi Tây Âu và bia chai Asem Trong đó, dây chuyền sản xuất bia chai Asem có công suất 5.000 chai/h, dây chuyền sản xuất bia hơi Tây Âu có công suất 10 triệu lít/năm Hai sản phẩm bia hơi và bia chai của Cty này được người tiêu dùng đánh giá khá cao và đã nhận được nhiều giải thưởng như Huy chương Vàng về Thực phẩm chất lượng an toàn vì sức khỏe cộng đồng tại Hôi chợ Bestfood VN 2004, Bằng khen của Bộ Y tế về thực hiện thành công Dự án an toàn vệ sinh thực phẩm
Hình 1.3 Hình ảnh trong khu vực sản xuất bia Tây Âu
Hình 1.4 Hình ảnh giao diện SCADA cho quy trình sản xuất
Thành phần
Gạo
Chỉ là nguyên liệu phụ (chiếm 30% thành phần nguyên liệu sản xuất bia), nguyên liệu dùng để thay thế nhằm giảm giá thành sản phẩm Gạo được mua từ gạo ăn bình thường, đem nghiền sau đó say mịn ở dạng tấm và được đưa vào nồi gạo Ở nồi gạo, gạo dạng tấm được hòa tan bằng nước ở 77°C và hỗn hợp đó được hồ hóa ở 100°C Trong quá trình hồ hóa có bổ sung một số hóa chất như: CaCl2,
CaSO4, nhằm mục đích cung cấp Ca 2+ để phục vụ cho quá trình được hóa sau này và có bổ sung thêm 1 loại enzym chống cháy có tên thương mại là Termamyl để pha loãng dung dịch, chống trường hợp cháy nồi và enzym này phải là enzym chịu nhiệt cao.
Malt
Là loại ngũ cốc hay thường được gọi là lúa mạch (chiến 70% thành phần nguyên liệu sản xuất bia Nó được nhập từ các nước Anh, Úc, Đan Mạch Chất lượng malt được đảm bảo theo tiêu chuẩn quy định đối với nguyên liệu sản xuất bia Malt dạng hạt sau khi xay được hòa tan bằng nước ở 37°C và cho vài nồi malt (tank nấu malt) Đối với việc hòa tan malt khác với hòa tan gạo vì malt dễ bị hiện
18 tượng đóng cục hơn do đó malt được khuấy trộn dưới dạng phun nước trước khi cho vào nội phun
Malt được dùng để tạo màu cho bia, với malt bình thường không đủ độ màu vì thế người ta thêm malt “đen” để tăng độ màu cho Bia.
Men
Là chất xúc tác có nguồn gốc protein, đó là những phân tử có cấu tạo từ axit amin và có cấu trúc không gian xác định của mạch polyprptit Tác dụng xúc tác là nhờ các quá trình lên men Đó là những quá trình trong đó xảy ra sự thay đổi thành phần hóa học của chất gây ra do kết quả hoạt động của các vi sinh vật nào đó (ví dụ: men rượu, nấm hoặc vi khuẩn) Trong những trường hợp này, những chất men do vi sinh vật tạo ra là những yếu tố xúc tác Chất men vẫn giữ được khả năng hoạt động và tác dụng của nó khi lấy nó ra khỏi vi sinh vật Mỗi loại men có một hương vị riêng.
Hoa Hupblon
Dùng để tạo vị đắng cho bia Cây hupblon là một dây leo, thích hợp khí hậu ôn đới, được trồng nhiều ở Anh, Mỹ Có 2 loại hupblon là: hupblon bittermiss và hupblon Aroma Cả 2 loại này đều phải được bảo quản ở nhiệt độ dưới 10°C để giảm độ mất mát của axit Trên cây hupblon người ta thường dùng hoa của cây để tạo vị đăng cho bia vì hoa của cây hupblon có vị đắng nhiều hơn.
Nước
Nguồn nước sử dụng của bia được lấy từ nhà máy nước, phải đảm bảo các chỉ số kỹ thuật cho việc sản xuất bia
Yêu cầu của nước trong quy trình sản xuất bia
Hàm lượng muối cacbonat không quá 50mg/l
Hàm lượng muối Mg không quá 100mg/l
Hàm lượng muối Clorua 75-150mg/l
Hàm lượng muối CaSO4 130-200mg/l
Hàm lượng muối Fe2+ không quá 0,3mg/l
Khí NH3 và các muối NO3-, NO2-: không có
Vi sinh vật không quá 100 tế bào/ml
Quy trình công nghệ sản xuất Bia
Hình 1.5 Quy trình công nghệ sản xuất bia
Trên thực tế, sản xuất bia có thể điều khiển theo một trong 3 hình thức như sau:
Khi nền kinh tế phát triển tới đời sống người dân ngày càng phát triển, cũng từ đó các yêu cầu của người tiêu dùng càng khắt khe hơn, không những yêu cầu về giá cả mà còn về chất lượng sản phẩm Chất lượng sản phẩm bia phụ thuộc
20 rất lớn vào chế độ điều khiển Chẳng hạn nếu điều khiển ở chế độ tự động, không những giảm đáng kể thời gian, giảm bớt số lượng nhân công mà còn đảm bảo hệ thống làm việc chính xác với các yêu cầu về thời gian, nhiệt độ,… một cách đồng bộ theo đúng quy trình công nghệ
Từ quy trình công nghệ sản xuất bia để đơn giản ta khái quát thành sơ đồ khối.
Sơ đồ khối công nghệ sản xuất bia
Nhà Nghiền
Nhà nghiền thực hiện hai công đoạn nghiền gạo và malt, nõ bao gồm hai tank lớn dự trữ nguyên liệu và hai vít tải đứng Nghiền gạo là dùng nghiền búa đạp nát gạo Nghiền malt thì dùng lulo với kích thước có thể điều chỉnh được để điều chỉnh độ mịn của malt ở đầu ra
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị nhà nghiền
Bên trong mỗi tannk đều có hai cảm biến để báo mức nguyên liệu (mức cao nhất và thấp nhất) Máy nghiền gạo gồm có một động cơ xoay chiều (trạng thái hoạt động của động cơ được giám sát bằng cảm biến) Máy nghiền malt gồm một ododnjg cơ điều khiển hai lô nghiền Các van trong hình vẽ đóng mở được điều khiển bằng tín hiệu điện
Trước khi thực hiện công đoạn nghiền, gạo và malt được sàng kỹ bằng máy sàng trước khi cho vào 2 tank tích trữ, nhằm loại bỏ các vật liệu cứng như cát, sạn,
Quy trình thực hiện tại nhà nghiền như sau (thực hiện khi nguyên liệu được thêm đầy đủ vào các tank) a) Nghiền gạo (Van V2, V7 đóng)
Cảm biến mức trong thùng chứa gạo sẽ báo mức gạo, nếu mức gạo trong thùng nằm trong phạm vi cho phép thì hệ thống làm việc (nếu không đủ, lượng gạo sẽ được cấp tiếp thông qua băng tải)
Van V3 đóng V1 mở, gạo sẽ được vào cần nếu khối lượng gạo đạt mức yêu cầu thì van V1 đóng, Van V3 mở máy nghiền hoạt động Đồng thời van V4 mở để cho nước trộn cùng gạp
Van V6 mở (Van V7 đóng) máy bởm M2 sẽ đẩy nguyên liệu sang nồi nấu gạo b) Nghiền malt (Van V1, V6 đóng)
Cảm biến mức trong thùng chứa malt sẽ báo mức malt, nếu mức malt trong thùng nằm trong phạm vi cho phép thì hệ thống làm việc (nếu không đủ sẽ được cấp thêm thông qua băng tải)
Van V3 đóng, V2 mở, malt sẽ được cân nếu không lượng malt đạt khối lượng đặt thì van V1 đóng van V3 mở, máy nghiền hoạt động Đồng thời van V4 mở để cho nước trộn cùng với malt
Van V7 mở (van V6 đóng) máy bơm M2 sẽ đẩy nguyên liệu sang nồi nấu malt c) Làm vệ sinh
Quá trình làm vệ sinh máy thực hiện khi kết thúc một mẻ nấy, công đoạn làm vệ sinh được tiến hành như sau:
Máy ngừng hoạt động, các van V1, V2, V3, V4 đóng
Van V5 mở để cho dịch COP vào trong máy nghiền ( hai lô nghiền) làm vệ sinh Dịch CIP chính là dung dịch sút (NaOH) nồng độ loang có tác dụng tẩy rửa
Van V6, V7 mở và bơm M2 hoạt động để bơm dịch CIP sang hhai tank nấu gạo và malt để thực hiện làm vệ sinh hai nhà nấu
Quá trình nghiền gạo và nghiền malt được thực hiện riêng biệt, sau khi nghiền gạo hoàn thành mới nghiền malt và ngược lại.
Nhà nấu
Nhà nấu gồm hai tank lớn, trong đó một tank để nấu gạo và một tank để nấu malt Gạo và malt, từ nhà nghiền sẽ được đưa đến hai tank này có pha trộn với nước nhờ bơm M2, quá trình bơm nhiên liệu kết thúc khi cảm biến báo mức đầu trong tank có tín hiệu Nhiệt để cung cấp cho nhà nấu là hơi nước nóng được gia nhiệt tại khu vực cung cấp nhiệt và CO2
Quy trình đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật và thông số nhiệt độ là rất cao, độ chính xác nhiệt độ trong tank naauus là yếu tố góp phần quyết định chất lượng sản phẩm bia
Quá trình trao đổi nhiệt nhờ hệ thống ống dẫn hơi nước nóng, nguyên liệu đi từ trên xuống và hơi nước đi từ dưới lên
Hình 1.8 Quá trình trao đổi nhiệt ở nồi nấu Malt
*) Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra như sau:
Nguyên liệu từ nhà nghiền đưa sang tank nấu nhờ bơm M2 Nguyên liệu đi từ trên xuống, hoi nước nóng cung cấp nhiệt cho nồi nấu
Nguyên liệu sẽ được duy trì ở mức nhiệt độ không đổi trong thời gian nhất định sau đó sẽ tháo ở đường nguyên liểu ra
Hơi nước nóng sau khi trao đổi nhiệt sẽ ngưng tụ và được đưa trả về nơi gia nhiệt
Sau khi tháo hết nguyên liệu, tank nấu sẽ được làm sạch a) Sơ đồ nguyên lý hoạt động tank nấu
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tank nấu
Các thiết bị trong tank nấu:
Một cảm biến nhiệt độ của Siemens
Hai bơm, một động cơ b) Nguyên lý hoạt động tank nấu như sau
Hoạt động đồng bộ cùng với quá trình nghiền, khi bắt đầu nghiền lò sẽ được gia nhiệt Nguyên liệu từ nhà nghiền sẽ được bơm 1 chuyển sang, khi nguyên liệu vượt quá mức thấp thì động cơ trộn hoạt động Van V2 mở để tăng lượng nước vào tank, lượng nước và nguyên liệu sẽ được pha trộn theo đúng tỷ lệ đã quy định Thì van V3 sẽ mở hơi nước nóng theo hệ thống đi vào tank, quá trình gia nhiệt bắt đầu Cho đến khi nguyên liệu vào đầy tank, cảm biến báo mức cao có tín hiệu thì động cơ trộn ngửng hoạt động đồng thời tạm dừng hoạt động nghiền nguyên liệu cần nấu và sẽ chuyển sang nghiền nguyên liệu khác, bơm nguyên liệu từ nhà nghiền dừng hoạt động đồng thời van V1 đóng Quá trình nấu bắt đầu, hơi nước nóng cung cấp nhiệt cho nhà nấu Các cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ đo ( các thông số nhiệt độ và khối lượng được thể hiện trên panel điều khiển)
Nhiệt đọ trong tank nấu, có cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ từ tank nấu nhằm tăng sự đồng đều nhiệt độ trong tank Quá trình nấu kết thúc, Van V3 đóng, Van V4 mở để tháo nguyên liệu sang quá trình lọc c) Quá trình làm vệ sinh tank nấu tiến hành như sau:
Khi kết thúc quá trình tháo nguyên liệu, tất cả các van sẽ đóng Quá trình làm vệ sinh này tiến hành cùng với nhà nghiền, dịch CIP từ nhà nghiền theo van V1 chảy vào tank để làm vệ sinh tank Đồng thời van V5 mở đẻ tháo dịch CIP ra khỏi tank Sau đó, Van V2 mở để cho nước sạch chảy vào làm vệ sinh CIP còn lại trong tank Van V5 mở đẻ tháo sạch các chất còn lại trong tank
Sau khi nấu xong, nguyên liệu gạo và malt sẽ được các bơm chuyển sang bộ phận lọc để loại bỏ bã nguyên liệu Bộ phận lọc này có nhiệm vụ xới trộn hai nguyên liệu trên lại với nhau trước khi lọc Kết thúc quá trình lọc sẽ được dịch gạo và malt Dịch gạo và malt tiếp tục chuyển đến tank trộn cùng với hupblon để tạo hương vị bia chuẩn bị lên men Ngoài ra khu vực nấu còn có một tank trung gian phòng khi có sự cố nồi nấu thì có thể nồi còn lại nấu xong chuyển đến nổi trung gain chưa Sau đó cho nguyên liệu còn lại vài tank để nấu tiếp Nấu xong thì trộn hai nguyên liệu vào nồi lọc để tiến hành lọc bã và nước dịch
Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của khâu trộn
*) Các thiết bị tank trộn
Van V13, V14 (van V15 đóng) đồng thời mở cảm biến báo mức thấp có tín hiệu, động cơ M4 quay tốc độ chậm cho đến khi nguyên liệu vào đầy Cảm biến báo mức cao có tín hiệu, van V13, V14 đóng đồng thời động cơ M4 chuyển sang chế độ quay nhanh sau thời gian định trước Sau thời gian này, động cơ M4 chuyển sang chế độ quay chậm van V15 mở, bơm M5 hoạt động chuyển dịch sâng nhà lên men Kết thúc chu kì trộn.
Tổng quan về thiết bị điều khiển S7-1200
Giới thiệu chung
Để đáp ứng yêu cầu tự động hóa ngày càng tang đòi hỏi kĩ thuật điều khiển phải có nhiều thay đổi về thiết bị cũng như về phương pháp điều khiển Vì vậy người ta đã phát minh ra bộ điều khiển lập trình rất đa dạng như: PLC,…
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiến lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiến logic thong qua một ngôn ngữ lập trình người sử dụng có thê lập trình đề thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ƠN hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiên lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình đo người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõra tại các thời điểm đã lập trình Đề khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhăm thoả mãn các yêu câu sau:
+ Lập trình dễ đàng, ngôn ngữ lập trình đễ học
+ Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa
+ Dung lượng bộ nhớ lớn đê có thê chứa được những chương trình phức tạp
+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông mỉnh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nỗi và các logic thời gian Tuy nhiên bên canh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính đễ dàng cho PLC mà vẫn đâm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả
Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đêm, định thời, thanh ghi dịch Sự phát triên các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng l/O nhiêu hơn
Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiên cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiến dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng
33 sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay
Hình 2.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC
Các module của PLC S7-1200
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng vào thực tế phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình Chúng được sử dụng theo kiểu các modul, số lượng modul nhiều hay ít tuỳ vào yêu cầu thực tế, xong tối thiểu bao giờ cũng có một modul chính là CPU, các modul còn lại nhận truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, van thuỷ khí Chúng gọi chung là modul mở rộng Cấu hình của một trạm PLUC Š7-300 như sau :
Hình 2.2 Các module mở rộng S7-1200
Module xử lý trung tâm CPU chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thì, bộ đếm, cổng truyền thông Profinet … module lưu trữ chương trình người dùng trong bộ nhớ của nó Ngoài ra, module CPU có thể tích hợp một vài cổng vào/ra số, analog tùy thuộc vào mã hang (order number)
CPU S7-1200 hỗ trợ các protocol như TCP/IP, ISO-on-TCP, S7 communication Đồng thời, CPU tích hợp những tập lệnh hỗ trợ cho truyền thông như: USS, Modbus RTU, S7 communication „T-Send/T-Receive‟ hay Freeport …
Cổng Profinet tích hợp cho phép CPU có thể kết nối với HMI, máy tính lập trình, hay những PLC S7 thông qua Profinet
Module AI: module đọc analog với các loại tín hiệu khác nhau như dòng
4 † 20 mA (theo cách đấu 2 dây và 4 dây), đọc tín hiệu điện áp 0 † 10 VDC, đọc tín hiệu RTD, TC …
Module AI/AO: module đọc/xuất analog
Module AO: module xuất tín hiệu analog Module
DI: module đọc tín hiệu digital Module
DI/DO: module đọc/xuất tín hiệu digital
2.2.3 Module xử lý truyền thông
Module truyền thông được gắn bên trái CPU và được ký hiệu là CM 1241
CP 124x Tối đa chỉ có thể gắn được 3 module mở rộng về truyền thông a) Module xử lý truyền thông CM 1241
Module truyền thông CM 1241 hỗ trợ các protocol theo các tiêu chuẩn như:
Truyền thông ASCII: được xử dụng để giao tiếp với những hệ thống của bên thứ 3 (third – party systems) để truyền những giao thức protocol đơn giản như kiểm tra các ký tự đầu và cuối hoặc kiểm tra các thông số của khối dữ liệu
Truyền thông Modbus: được sử dụng truyền thông theo tiêu chuẩn Modbus RTU
Modbus Master: có thể giao thức với PLC S7 là master
Modbus Slave: có thể giao thức với PLC S7 là slave, không cho phép trao đổi dữ liệu giữa slave với slave trong truyền thông
Truyền thông USS Driver: lệnh cho phép kết nối USS với Driver Các Driver Các Driver có thể trao đổi dữ liệu theo chuẩn RS485, trong truyền thông cho phép điều khiển Driver cũng như đọc và ghi các thông số cần thiết
Truyền thông Point – to – point: kết nối nối đa điểm được sử dụng theo truyền thông trao đổi dữ liệu nối tiếp Truyền thông đa điểm được ứng dụng trong hệ thống tự động hóa Simatic S7 và những hệ thống tự động hóa khác để liên kết với máy in, điều khiển robot, máy scan, đọc mã vạch …
Truyền thông Profibus: được sử dụng với tiêu chuẩn profibus DP hỗ trợ DPV1, có thể sử dụng làm master hoặc slave tùy thuộc vào ứng dụng mà module sử dụng
Module hỗ trợ AS – I Master b)Module xử lý truyền thông CP 124x
Module xử lý truyền thông CP 123x hỗ trợ những chuẩn truyền thông về GPRS/GSM, Messages/Email, DNP3, SNMP, Teleservice …
Module CP 1242 – 7: Hỗ trợ kết nối PLC S7 – 1200 với GPRS/GSM
Module CP 1243 – 1: Hỗ trợ kết nối PLC S7 – 1200 với Messages/ Email, DNP3, SNMP, Redundancy …
2.2.4 Module nguồn cung cấp Power module
Module nguồn Power module cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng kết nối với CPU Tên viết tắt của module nguồn S7 – 1200 là PM 1207 Module nguồn PM 1207 yêu cầu áp cung cấp đầu vào là 120/230 VAC và ngõ ra là 24 VDC / 2,5 A được thiết lập riêng dành cho S7 – 1200 và không cần cấu hình trong phần cứng
2.2.5 Các module đặc biệt và Board tín hiệu
Module được sử dụng có thể kết nối lên tới 4 thiết bị I/O – kink phù hợp với đặc tính kỹ thuật I/O – link V1.1 Các thông số của I/O – link có thể cấu hình phần mềm Port Configuration Tool (PCT) V3.2 hoặc phiên bản cao hơn
Module cân Siwres WP231 là module cân đa năng cho tất cả các ứng dụng cân đơn giản, phức tạp hay ứng dụng trong đo lực … Module nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt với PLC S7 – 1200 và có thể hoạt động độc lập mà không cần PLC S7 – 1200 Module cân Siwares WP1 có thể kết nối trực tiếp với PLC S7 thông qua Ethernet (Modbus TCP/IP ) và RS485 ( Modbus RTU ) Đồng thời, module có thể hoạt động với những PLC hoặc thiết bị của các hãng tự động hóa khác
2.2.5.3 Module CANopen Để mở rộng tính năng kết nối, giao tiếp truyền thông với các thiết bị của nhiều hãng, Siemens phát triển module CM CANopen cho PLC S7 – 1200, cho phép cấu hình với cả hai chế độ Master và slave
Sing Board được cắm phía trên than CPU để có thể mở rộng them DI/DO, AI/AO, Pin backup ( Battery board ) dữ liệu về thời gian thực, mở rộng truyền thông với RS485 ( Communications boards ).
Vùng nhớ, địa chỉ và kiểu dữ liệu trong PLC S7 -1200
2.3.1 Vùng nhớ chương trình của PLC S7-1200
CPU hỗ trợ những vùng nhớ để lưu trữ chương trình người dùng, dữ liệu và cấu hình hệ thống như sau:
Load memory: Không mất đi ( non – volatile ) và được sử dụng để lưu trữ chương trình người dùng, dữ liệu và cấu hình PLC Khi một project được download xuống PLC, nó được lưu đầu tiên tại vùng nhớ Load memory Vùng nhớ này nằm trong thể nhớ MMC (nếu có) hoặc nằm trên CPU Người dùng có thể tăng dung lượng vùng nhớ bằng thẻ MMC
Work memory: Vùng nhớ sẽ bị mất dữ liệu khi CPU mất điện Trong quá trình hoạt động, CPU có thể copy một số phần, chức năng của project từ vùng nhớ Load memory sang vùng nhớ Work memory để thực hiện
Retentive memory: là vùng nhớ được sử dụng để lưu trữ lại những dữ liệu cần thiết, mong muốn khi CPU mất điện hoàn toàn
Một lựa chọn khác để lưu trữ chương trình người dùng giống như những vùng nhớ được nói ở trên, đó là sử dụng Simatic MMC để lưu trữ chương trình người dùng hoặc transfer chương trình người dùng Nếu người dùng sử dụng thẻ nhớ MMC, CPU sẽ chạy chương trình từ thẻ nhớ chứ không phải trên vùng nhớ của CPU
Thẻ nhớ Simatic MMC được sử dụng như một thẻ nhớ chương trình, một thẻ transfer, lưu trữ dữ liệu data log hoặc sử dụng để nâng cấp firmware cho CPU
Khi muốn download chương trình xuống nhiều CPU giống nhau và cùng một project Việc sử dụng phần mềm làm tốn kém thời gian … thì việc sử dụng simatic MMC với chức năng là thẻ transfer giúp cho hiệu quả hơn rất nhiều Người dùng chỉ cần cắm thẻ nhớ MMC và đợi transfer xong và lấy thẻ nhớ ra
Dùng thẻ nhớ với chức năng thẻ nhớ chương trình thì tất cả những chức năng CPU hoạt động sẽ được load từ thẻ nhớ
Ngoài ra, thẻ MMC cũng có thể sử dụng để lưu trữ thông tin về data log, mở rộng vùng nhớ lưu trữ cho Web server, hoặc có thể sử dụng để nâng cấp firmware cho CPU ( Ví dụ từ V1.0 lên V2.0, V2.0 lên V2.3 … )
Kiểu dữ liệu hỗ trợ cho PLC S7-1200 sẽ được giải thích cách định dạng dữ liệu và kích thước dữ liệu thông qua bảng sau:
Kiểu dữ liệu Miêu tả
Bit và chuỗi Bit Bool gồm một bit đơn
Interger USInt (số interger không dấu 8 bit)
SInt (số interger có dấu 8 bit)
UInt (số interger không dấu 16 bit)
Int (số interger có dấu 16 bit)
UDInt (số interger không dấu 32 bit
Dint (số interger có dấu 32 bit)
Số thực – Real Real – sô thực dấu chấm động 32 bit
LReal – số thực dấu chấm động 64 bit
Data and time Data là dữ liệu 16 bit chỉ số ngày có tầm từ
DTL (data and time long) bao gồm dữ liệu với
12 byte lưu trữ thông tin về ngày, tháng, năm
Weekend (USInt): 1 – 7 (1 là chủ nhật)
Time là kiểu dữ liệu 32 bit được miêu tả theeo chuẩn IEC
TOD (time of day) là kiểu dữ liệu 32 bit có tầm giá trị từ TOD#0:0:0:0 đến TOD#23:59:59:999
Char và Sting Char là kiểu dữ liệu ký tự với 8 bit
Char là kiểu dữ liệu ký tự với 8 bit
Arry là kiểu dữ liệu mảng bao gồm nhiều thành phần đơn giống nhau về kiểu dữ liệu
Mảng có thể tạo trong giao diện interface của
Struct là kiểu dữ liệu định dạng theo cấu trúc thành phần có thể bao gồm nhiều kiểu dữ liệu khác nhau
PLC data types PLC Data types hay còn gọi là UDT là dạng dữ liệu cấu trúc có thể định nghĩa bởi người dùng
Pointer Pointer hay con trỏ sử dụng để định địa chỉ gián tiếp
BCD BCD 16 có giá trị từ -999 → 999
BCD32 có giá trị từ -9999999 → 9999999
Bảng 2.1 Kiểu dữ liệu của PLC S7-1200
Step 7 Basic V1x của Tia Portal hỗ trợ cho việc lập trình bằng tag nhớ (Symbolic) Người dùng có thể tạo tag nhớ hay Symbolic (tên gợi nhớ) cho các địa chỉ dữ liệu cần dùng, không phân biệt vùng nhớ toàn cục (global) hay vùng nhớ cục bộ (local) Để truy xuất các Tag nhớ trong chương trình chỉ cần gọi tên của Tag cho các tham số của lệnh Để hiểu rõ hơn về cấu trúc CPU và địa chỉ vùng nhớ, chúng ta sẽ đi tìm hiểu sâu hơn về địa chỉ trực tiếp (absolute) là nền tảng cho việc sử dụng các Tag nhớ của PLC
Vùng nhớ toàn cục – Global memory: CPU cung cấp những vùng nhớ toàn cục như: I (input), Q(output), vùng nhớ nội M (memory) Những vùng nhớ toàn cục có thể được truy xuất ở tất cả các khối
Khối dữ liệu DB: Cũng là vùng nhớ toàn cục Ngoài ra vùng nhớ DB nếu được sử dụng với chức năng Instance DB để lưu trữ chỉ định cho FB và cấu trúc bởi các tham số của FB
Vùng nhớ tạm – Temp ( hay vùng nhớ Local): Vùng dữ liệu cục bộ được sử dụng trong các khối chương trình OB, FC, FB Vùng nhớ L được sử dụng cho các biến tạm (temp) và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó Nội dung của mộ khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình
Vùng nhớ I, Q của PLC S7-1200 có thể truy xuất dưới dạng process image Để có thể truy xuất trực tiếp và ngay lập tức với ngõ vào/ra vật lý, có thể them “:P”
Chế độ Forcing chỉ có thể ứng dụng cho các tín hiệu vào/ra vật lý (Ix.y:P, Qx.y:P)
Process image I Được copy dữ liệu từ tín hiệu ngõ vào vật lý khi bắt đầu quét chương trình
Ngõ vào vật lý Ix.y:P Đọc địa chỉ ngay lập tức từ ngõ vào của CPU,
SB, SM Có thể dùng chế độ Force với ngõ vào vật lý
Process image Q Chuyển dữ liệu tới tín hiệu ngõ ra vật lý khi bắt đầu quét chương trình
Ngõ ra vật lý Qx.y:P Xuất trực tiếp tới ngõ ran gay lập tức tới ngõ ra vật lý của CPU, SB, SM Có thể dùng chế độ Force với ngõ vào vật lý
Vùng nhớ nội M Lưu trữ dữ liệu/tham số trước khi đưa ra ngoại vi Có thể cài đặt để sử dụng chức năng Retentive memory đối với vùng nhớ này
Vùng nhớ tạm Local memory
Vùng nhớ được sử dụng để lưu trữ tạm thời trong các khối OB, FB, FC Dữ liệu sẽ mất khi ngừng gọi khối
Khối dữ liệu DB Được sử dụng theo định dạng vùng nhớ toàn cục, hoặc lưu dữ liệu và tham số cho khối hàm
FB Có thể cài đặt để sử dụng chức năng Retentive meory đối với vùng nhớ này
Bảng 2.2 Bảng phân loại cùng nhớ PLC S7-1200
KHÁI QUÁT VỀ HỆ SCADA VÀ PHẦN MỀM WINCC
Tổng quan về hệ SCADA
Hệ SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Là hệ tống điều khiến giám sát và thu thập dữ liệu, ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp Hệ SCADA cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau: từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điền khiển và giám sát, cho đến các trạm máy tính điều hành và quản lý công ty
SCADA là hệ thống điều khiển có đặc thù là có tính phân bố cao vẻ phần chấp hành nhưng lại có tính tập trung vẻ phần điều khiển (phần mềm điều khiến, thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu tại trung tâm) Vì vậy nó có thể đáp ứng được yêu cầu của hệ thống đòi hỏi phân bố trên phạm vi địa hình rộng SCADA là một hệ thống mở nên dễ dàng nâng cấp và mở rộng khi cần thiết
*) Các chức năng cơ bản của hệ SCADA
- Giám sát (Supervisory): Chức nàng này cho phép giám sát liên tục các hoạt động trong hệ thống điều khiển quá trình Hiển thị các báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất, chỉ thị giá trị đo lường dưới dạng trang màn hình, trang đồ họa, trang sự kiện, trang báo cáo sản xuất, Qua đó nhân viên vận hành có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp từ xa đến các hệ thống phía dưới
- Điều khiển (Control): Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển các thiết bị và giám sát mệnh lệnh điều khiển
- Thu thập dữ liệu (Data Acquisiion): Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu vẻ quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ các số liệu như: số liệu sảnxuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố dưới dạng trang ghi chéphệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định
Hình 3.1 Cấu hình của một hệ SCADA điển hình
Tổng quan về phần mềm thiết kế WinCC
WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000 Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát
Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở Nó có thể sử dụng một cách dễ đàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người - máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống
WinCC kết hợp các bí quyết của hãng Siemens - công ty hàng đầu trong tự động hoá quá trình và Microsoft - công ty hàng đầu trong việc phát triển phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như: việc tích hợp với những hệ thống cấp cao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quán lý việc thực hiện sản xuất) và
ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới
3.2.2 Các đặc điểm chính a) Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến
WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất Nhờ sự cộng tác của Siemens và Microsoft, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là người dẫn đầu b) Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA
Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend) các báo cáo (report) có thể dễ dàng được thiết lập c) Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp
WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán với nhiều máy chủ (server)
Có thể phát triển tuỳ theo lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ Một loạt các module phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng chọn lựa khi cần d) Cơ sở dữ liệu ODBC!SQL đã được tích hợp sẵn
Cơ sở dữ liệu Sysbase SQL đã được tích hợp sẵn trong WinCC Tất cả các dữ liệu về cấu hình hệ thống và các dữ liệu của quá trình điều khiển đựơc lưu giữ trong cơ sở dữ liệu này Người dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở đữ liệu của WinCC bằng SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity) Sự truy cập này cho phép WinCC chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ sở dữ liệu khác chạy trên nền Windows e) Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC)
Các giao diện chuẩn như DDE và OLE dùng cho việc chuyển dữ liệu từ các chương trình chạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC Các tính năng như ActiveX control và OPC server và client cũng được tích hợp sắn f) Ngôn ngữ vạn năng
WinCC được phát triển dùng ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI-C
44 g) Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu
Tất cả các module của WinCC đều có giao diện mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C (C programmming interface, C-API) Điều đó có nghĩa là người dùng có thể tích hợp cá cấu hình của WinCC và các hàm thực hiện (runtime) vào một chương trình của người sử dụng h) Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ
Phần mềm WinCC được thiết kế trên cơ sở nhiều ngôn ngữ Nghĩa là, người dùng có thể chọn tiếng Anh, Pháp, Đức hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sử dụng Các ngôn ngữ này cũng có thể thay đổi trực tuyến k) Giao tiếp với hầu hết các loại PLC
WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của Siemens như SIMATIC S5/Š7/505 cũng như thông qua các giao thức chung như PROFIBUS DP, DDE hay OPC Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn như là những lựa chọn hay phần bổ sung ¡) WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hoá tích hợp toàn diện
WinCC đóng vai trò như cửa số hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ
Nó cũng chính là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens
3.2.3 Các cấu hình hệ thống cơ bản
WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao, ví dụ như trong các cấu hình như sau:
Hệ thống điêu khiển dùng một máy tính (Sing-user system)
Hệ thống điêu khiển dùng nhiều máy tính (Multi-user system)
Cấu trúc CHient/Server có dự phòng
Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server)
3.2.4 Các chức năng SCADA cơ bản a) Giao điện người sử dụng
Không phụ thuộc vào các ứng dụng nhỏ hay lớn, đơn giản hay phúc tạp, dùng WinCC tra có thể thiết kế ra các giao diện cho người sử dụng để phục vụ cho việc điều khiển và tối ưu hoá quá trình sản xuất
WinCC có một bộ công cụ thiết kế giao điện đồ hoạ mạnh như các Toolbox, các Control, các OCX được đặt dễ dàng trên của số thiết kế
Giao diện người sứ dụng cho phép hiển thị quá trình hội thoại giữa người điều khiển và quá trình điều khiển một cách linh hoạt và phụ thuộc vào nhu cầu của quá trình điều khiển Màn hình điều khiển có thể thể hiện quá trình công nghệ một cách toàn cảnh, qui trình công nghệ chính hoặc một cụm công nghệ nào đó cần theo dõi Tính năng này được hỗ trợ bởi Split Screen Wizard Các hình ảnh của quá trình điều khiển có thể cấu trúc theo sơ đồ hình cây để có thể theo dõi quá trình một cách tổng thể Việc chia các hình ảnh này được hỗ trợ bởi Picture Tree Manager một cách tiện lợi Tại đây ta có thể dùng chuột để di chuyển một hình ảnh từ một ví trí này đến một vị trí khác trên sơ đồ hình cây
Chương trình lập trình điều khiển, giám sát trong nhà máy bia sửa dụng
Lập trình điều khiển nhiệt độ tank nấu bia
Yêu cầu công nghệ của việc điều khiển lò nhiệt được mô tả theo sơ đồ thuật toán sau:
Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán quá trình nấu malt bia
4.1.2 Xác định địa chỉ vào ra cho PLC
Tên Giải thích Địa chỉ
Start_Auto Chế độ khởi động tự động I0.1
Start_Manual Chế độ khởi động bằng tay I0.0
Sensor 1 Cảm biến mức cao I0.3
Sensor 2 Cảm biến mức thấp I0.4
Sensor Bom 1 Cảm biến báo lỗi bơm 1 I0.6
Sensor Bom 2 Cảm biến báo lỗi bơm 2 I0.7
M_DELAY_KHOA_VAN Đóng van M1.2
Sensor PT100 Cảm biến nhiệt độ PT100 I1.0
Bảng 4.1 Bảng địa chỉ đầu vào b) Địa chỉ đầu ra
Tên Giải thích Địa chỉ
Van 1 On/Off van nguyên liệu Q0.4
Van 2 On/Off van nước Q0.5
Van 3 On/Off van sản phẩm Q0.6
Van 4 On/Off van chất thải Q0.7
DC Tron On/Off động cơ trộn Q1.1
Alarm_Bom_1 Trạng thái báo lỗi bơm 1 Q1.2
Alarm_Bom_2 Trạng thái báo lỗi bơm 2 Q1.3
Bảng 4.2 Bảng địa chỉ đầu ra
5.1.3.1 Chương trình mô phỏng chế độ Auto
5.1.3.2 Chưởng trình xả rửa CIP
Giao diện hệ thống
Hình 4.2 Màn hình giao diện khởi động
Hình 4.3 Màn hình tổng quan Overview
Hình 4.4 Màn hình quá trình trộn nguyên liệu đầu vào
Hình 4.5 Màn hình quá trình nấu nguyên liệu
Hình 4.6 Màn hình quá trình lọc, làm lạnh và lên men
Hình 4.7 Màn hình quá trình chiết rót