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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Đồ án môn học 3: GVHD: TRẦN MẠNH SƠN SVTH : BÙI XUÂN THÀNH PHAN THẾ HÀ TP.Hồ Chí Minh, Tháng năm 2013 09202048 09202011 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất cà phê Hình 2.2 Sơ đồ chi tiết hệ thống Hình 3.1 CPU 314C-2-PTP Hình 3.2 Bộ nguồn PS 307 Hình 3.3 Cảm biến E3F3 Hình 3.4 Sơ đồ mạch động lực Hình 3.5 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 4.1 Lưu đồ chương trình điều khiển quy trình hoạt động hệ thống Hình 4.2 Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải Hình 4.3 Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải Hình 4.4 Giao diện giám sát hệ thống sản xuất cà phê bột Hình 4.5 Hệ thống bắt đầu hoạt động Hình 4.6 Van xả cà phê vào bồn rang Hình 4.7 Van xả cà phê trở lại vào bồn rang Hình 4.8 Van xả cà phê bột vào bồn nguyên liệu Hình 4.9 Van xả cà phê bột vào hộp Hình 4.10 Trạng thái cố máy xay i DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng kế hoạch Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật CPU Bảng 3.2 Thông số nguồn PS 307 Bảng 3.3 Thơng số kỹ thuật cảm biến E3F3 Bảng 3.4 Hình ảnh thơng số động Bảng 3.5 Hình ảnh thông số thiết bị bảo vệ, điều khiển Bảng 3.6 Hình ảnh thơng số van điện từ Bảng 3.7 Thiết bị kết nối ngõ vào Bảng 4.1 Các Tag Wincc ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP.Hồ Chí Minh, ngày… Tháng… năm 2013 Giáo viên hướng dẫn iii LỜI CẢM ƠN Lời nhóm thực xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử giảng dạy cung cấp kiến thức bổ ích tạo tiền đề quan trọng cho nhóm thực đồ án Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TRẦN MẠNH SƠN hướng dẫn tận tình, giúp đỡ, cung cấp kiến thức quan trọng giúp nhóm có nhiều điều kiện thuận lợi suốt trình thực đồ án Cảm ơn bạn bè góp ý kiến, giúp đỡ nhóm hồn thành đề tài Nhóm thực Bùi Xuân Thành Phan Thế Hà iv 3111897 Chương 1: Tổng Quan Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển nhanh chóng kinh tế thị trường, sống người ngày trở nên bận rộn Công việc ngày nhiều áp lực không ngừng tăng cao Trong lúc vậy,việc uống tách cà phê cần thiết giúp ta tỉnh táo, làm việc, học tập hiệu Mỗi buổi sáng, uống cà phê giúp tinh thần minh mẩn thoải mái hơn…Nước ta quốc gia xuất cà phê hàng đầu giới với sản lượng gần triệu tấn/năm với tổng diện tích đất trồng 500 nghìn diện tích Sản xuất cà phê đem lại nguồn lợi kinh tế cao cho đất nước Và ngành sản xuất cà phê ngành phát triển mạnh Các nhà sản xuất cà phê không ngừng mở rộng sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường nước Để đáp ứng vấn đề cần đến quy trình cơng nghệ tốt Do thiết kế giám sát dây chuyên sản xuất cà phê cho đem lại hiệu cao điều quan trọng cần thiết Hiện nay, điều khiển lập trình PLC ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực điều khiển, tự động hóa dân dụng cơng nghiệp có nhiều ưu điểm như: làm việc chắn, bền, độ tin cậy cao thích hợp với mơi trường cơng nghiệp nói chung nhà sản xuất cà phê nói riêng việc điều khiển dây chuyền với nhiều động cơ, băng tải làm việc liên tục thời gian dài Mặt khác, PLC có cấu trúc nhỏ gọn, kết nối đơn giản không cần bo mạch thiết bị mạch số khác PLC lập trình dễ dàng khơng địi hỏi người sử dụng phải có kiến thức sâu vi tính hay ngơn ngữ lập trình Do việc ứng dụng PLC điều khiển dây chuyền sản xuất phát huy hiệu tốt, nâng cao suất, tăng nguồn thu nhập cho nhà sản xuất Khi dây chuyền sản xuất hoạt động, để đảm bảo trình hoạt động diễn an tồn, hiệu phải vận hành, kiểm tra, giám sát thường xuyên, để kịp thơi phát cố xảy xử lý cách nhanh chóng, để trình sản xuất diễn liên tục, đảm bảo suất chất lượng Giảm chi phí sản xuất, bảo trì Q trình giám sát tồn hệ thống phức tạp trở nên đơn giản ta ứng dụng hệ thống thu thập liệu điều khiển SCADA 1.2 Mục tiêu giới hạn đồ án Mục tiêu đề tài nhằm thiết kế, điều khiển giám sát dây chuyền sản xuất cà phê theo quy trình cơng nghiệp Ứng dụng PLC vào trình điều khiển Chương 1: Tổng Quan thiết bị, động cơ,… Ứng dụng WinCC cho hệ thống SCADA tạo giao diện điều khiển giám sát q trình Do thời gian, kinh phí cịn nhiều hạn chế nên đề tài giới hạn việc thiết kế mô mà làm thành mơ hình thực tế Các quy trình cơng nghệ thiết kế khơng hồn tồn giống so với thực tế, lược bỏ nhiều công đoạn Quá trình điều khiển giám sát thực cho động cơ, cảm biến chủ yếu theo quy trình cơng nghệ đặt Các cảm biến có dây chuyền tác động tay 1.3 Nội dung đồ án Nội dung đề tài tóm tắt sau: Chương 2: Quy trình cơng nghệ dây chuyền sản xuất cà phê bột Chương giới thiệu cách phân loại cà phê trình bày quy trình sản xuất cà phê bột, từ xây dựng hệ thống chi tiết cho đồ án giải thích quy trình hoạt động hệ thống Chương 3: Lựa chọn thiết bị kết nối phần cứng Chương trình bày cách lựa chọn thiết bị tương ứng cho hệ thống, kết hợp yếu tố đưa thiết kế hoàn chỉnh cho hệ thống Phần cuối chương trình bày sơ đồ kết nối phần cứng, trình hoạt động hệ thống tạo tảng cho việc viết chương trình điều khiển giám sát Chương 4: Thuật tốn điều khiển Chương trình bày thuật toán điều khiển giám sát hoạt động hệ thống mô PLC phần phềm SCADA Chương 5: Kết hướng phát triển Chương trình bày kết nhóm làm từ đưa hướng phát triển cho hệ thống để tối ưu hóa hệ thống tương lai 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đồ án Nội dung đồ án cung cấp toàn bước tiến hành cách thức xây dựng, thiết kế hệ thống sản xuất cà phê bột, từ đưa phương án giúp tiếp cận xây dựng quy trình sản xuất hay hệ thống tự động thực tế Sau hồn thành hệ thống cơng nghệ hệ thống ứng dụng vào nhà máy sản xuất cà phê bột nhằm nâng cao sản lượng, chất lượng cà phê, giảm chi phí vận hành nhằm giảm giá thành tăng tính cạnh tranh sản phẩm thị trường Sau trình thực đồ án nhóm thực học kiến thức kỹ quan trọng việc tiếp cận thiết kế xây dựng hệ thống bất kỳ, khả thiết kế - lập trình điều khiển hệ thống PLC giao Chương 1: Tổng Quan diện giám sát SCADA, khả xử lý tín hiệu từ cảm biến kết nối thiết bị cho hệ thống giúp hỗ trợ nhiều cho trình hoạt động lĩnh vực chun nghành sau Chương 2: Quy Trình Cơng Nghệ Sản Xuất Cà Phê Chương QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT 2.1 Sơ lược cách phân loại cà phê Cà phê chia nhiều loại tùy theo cách rang Rang cà phê bớt độ ẩm hạt, dầu thơm tỏa Chừng kỷ trước, cà phê phải rang nhà lò than Hiện người ta rang gas hay điện có nơi rang than, cho rang than ngon Trong kỹ nghệ, cà phê rang với số lượng lớn dùng nhiệt độ cao thời gian nhanh (khoảng 204 đến 2600 C vòng phút) Gần nhất, cà phê kiểm sốt máy tính qua tiến trình Cà phê bán tiệm bách hóa thường rang xay chỗ cho thêm phần quyến rũ bảo đảm với khách hàng sản phẩm tươi nguyên lò Cà phê phân biệt theo cách xay, xay mịn hay to hạt tùy theo cách pha Trong khoảng trăm năm trở lại đây, người ta chế biến loại cà phê bột, cần bỏ vào nước sôi uống Cà phê bột điều chế theo hai cách: làm khô cách đông lạnh (freeze drying) hay làm khô cách phun (spray drying) Cả hai phải lọc trước để rút hết tinh chất phun thành hạt li ti để làm khơ Nhiều kỹ thuật thí nghiệm để cà phê bột không bị biến dạng mùi Tuy nhiên người khó tính cho cà phê bột cà phê pha 2.2 Quy trình cơng nghệ Theo cách phân loại cà phê trên, quy trình cơng nghệ hệ thống sản xuất cà phê bột chọn sau: Cà phê nhân sau qua sơ chế ban đầu đưa vào bồn rang xử lý nhiệt độ cao để giữ màu sắc hương vị dễ xay Sau đó, cà phê đưa qua máy xay xay mịn thành cà phê bột giúp chất cà phê dễ hòa vào nước, giúp giải phóng CO2 dễ hấp thụ nước nóng Sau cùng, cà phê bột đưa qua bồn nguyên liệu vào hộp chuyển đến khâu đóng gói Sơ đồ khối hệ thống biểu diển hình 2.1 2.3 Xây dựng sơ đồ chi tiết giải thích quy trình hoạt động Chương 2: Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cà Phê Từ yêu cầu quy trình cơng nghệ hệ thống, sơ đồ chi tiết cho hệ thống xây dựng hình 2.2, từ trình bày quy trình hoạt động hệ thống cụ thể sau: CÀ PHÊ NHÂN BỒN NGUYÊN ĐÓNG GÓI BỒN NGUYÊN LIỆU BỒN RANG LIỆU MÁY XAY Hình 2.1: Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất cà phê Khi hệ thống bắt đầu hoạt động ( nhấn ON ), bồn nguyên liệu hết cà phê (cảm biến hết bồn nguyên liệu tác động) băng tải 1(băng tải nguyên liệu) hoạt động đưa nguyên liệu vào bồn tới đầy ( cảm biến đầy bồn nguyên liệu ) băng tải ngưng Đồng thời, nhấn ON van mở đưa nguyên liệu vào bồn rang, bồn rang đầy ( cảm biến đầy bồn rang) động bồn rang chạy để trộn cà phê khoản thời gian phút, sau cà phê đưa qua máy xay, đầy bồn máy xay máy xay bắt đầu hoạt động vòng phút để xay cà phê thành bột Sau cà phê xay nát, cà phê đưa vào bồn nguyên liệu Băng tải hoạt động hệ thống bắt đầu hoạt động, băng tải đưa hộp vào vị trí xả van 4, van xả cà phê bột vào đầy hộp, băng tải đưa hộp đến vị trí để hồn thành khâu đóng gói Hệ thống ngưng hoạt động nhấn nút OFF Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết hệ thống Chương 2: Quy Trình Cơng Nghệ Sản Xuất Cà Phê Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng Chương LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ KẾT NỐI PHẦN CỨNG 3.1 Lựa chọn thiết bị Trong hệ thống việc lựa chọn thiết bị thích hợp tạo nhiều thuận lợi việc điều khiển giám sát hoạt động mô hình Sau tìm hiểu phân tích chức yêu cầu hệ thống, thiết bị lựa chọn sau: 3.1.1 Lựa chọn PLC điều khiển hệ thống 3.1.1.1 Lựa chọn CPU cho PLC PLC điều khiển trung tâm xem não toàn hệ thống, chức điều khiển - giám sát điều thơng qua PLC, việc lựa chọn PLC thích hợp quan trọng Trên thực tế hệ thống pha chế dầu nhờn sử dụng nhiều công nghệ loại PLC khác SIEMENS, ROCKWELL, MITSUBISHI, OMRON, PANASONIC… loại PLC có tính riêng biệt nên tùy vào yêu cầu hệ thống chọn loại PLC thích hợp Sau q trình phân tích chức yêu cầu hệ thống, PLC S7-300 hãng SIEMENS chọn thích hợp nhất, với ưu điểm sau: - Nhiều kết nối I/O Thời gian đáp ứng nhanh Yêu cầu kết nối mạng Có khả mở rộng cho sau Được thiết kế dạng module, thuận tiện cho việc thiết kế lắp đặt Ngơng ngữ lập trình dạng, lựa chọn linh hoạt theo sở trường người thiết kế người vận hành Với đặc tính trên, PLC có CPU 314C-2-PTP ( xem hình 3.1) chọn hệ thống sản xuất cà phê bột Với thông số kỹ thuật bảng 3.1 3.1.1.2 Lựa chọn nguồn cho PLC Để module CPU hoạt động cần có nguồn cung cấp Điều kiện chọn nguồn : - Nguồn cấp cho nguồn phù hợp với lưới điện 3111897 Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng - Ngõ nguồn phù hợp điều kiện áp, dòng với ngõ vào CPU - Phù hợp kích thước để kết nối với module CPU Bộ nguồn PS 307 hình 3.2 chọn thõa hết điều kiện Thông số kỹ thuật xem bảng 3.2 Thơng số kỹ thuật CPU 314C-2-PTP Hình 3.1: CPU 314C-2-PTP Mã sản phẩm 6ES7313-6BF030AB0 Nguồn cung cấp 24VDC Dịng tiêu thụ 0.9A Cơng suất 10W Kích thước W x H x D 120 x 125 x 130 Ngõ vào số tích hợp sẵn Sinking, 16DI(24VDC) Ngõ số tích hợp sẵn Sourcing, 16DO(24VDC) Bộ đếm 256 Bộ định thời 256 Bộ nhớ 64kB ram Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật CPU Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng Thông số kỹ thuật PS 307 Mã sản phẩm 6ES7307-1KA01-0AA0 Hình 3.2: Bộ nguồn PS 307 INPUT 120/230 VAC OUTPUT 24VDC/10A Bảng 3.2: Thông số nguồn PS 307 3.1.2 Lựa chọn cảm biến cho hệ thống Cảm biến chọn phải đáp ứng yêu cầu điều khiển như: - Đáp ứng nhanh Độ xác cao An tồn Tiết kiệm diện tích Phù hợp với mơi trường Thích hợp với PLC Để đáp ứng điều kiện trên, cảm biến quang điện loại E3F3 (xem hình 3.2) hãng OMRON chọn, ngồi cịn mang nhiều đặc tính ưu điểm khác chống nhiễu, phát khoản cách dài, thay đổi khoản cách phát hiện, thích hợp mơi trường nhiệt độ cao, nhiều bụi,… Vì thế, cảm biến E3F3 chọn hệ thống Thông số kỹ thuật bảng 3.3 3.1.3 Lựa chọn động thiết bị bảo vệ, điều khiển động 3.1.3.1 Lựa chọn động Động điện dây chuyền phải đảm bảo hoạt động chắn, đảm bảo trình sản xuất diễn theo yêu cầu công nghệ, không xảy cố để tránh làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Với hệ thống sản xuất cà phê có nhiều động cơ, động mang nhiệm vụ khác nên cần phải chọn khác Các động chọn bảng 3.4 3.1.3.2 Lựa chọn thiết bị bảo vệ điều khiển động Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng Để động hoạt động ổn định an tồn thiết bị điều khiển bảo vệ cần phải chọn cho phù hợp với động Các thiết bị chọn bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cảm biến E3F3 Nguồn cấp 12 to 24 VDC Ngõ Logic/PNP Khoản cách phát Tối đa 300mm Công suất tiêu thụ Tối đa 25mA Ngõ transistor collector Ngõ điều khiển hở, tối đa 100mA, điện áp dư: tối đa 1V 100mA Hình 3.3: Cảm biến E3F3 Bảng 3.3: Thơng số kỹ thuật cảm biến E3F3 Tải FULL (FILE WORD 37 trang): bit.ly/2Ywib4t Tên thiết bị Động băng tải Động băng tải Động bồn rang Hình ảnh Thơng số kỹ thuật Hãng sản Rossi xuất Công suất 1.5Hp Điện áp pha, 380V50Hz 0.85 Cos ϕ Hiệu suất 82 (%) Tốc độ trục 750v/ph Hãng sản Rossi xuất Công suất 0.5Hp Điện áp pha, 380V50Hz 0.85 Cos ϕ Hiệu suất 80 (%) Tốc độ trục 300v/ph Hãng sản Rossi xuất Công suất 3Hp Điện áp pha, 380V50Hz 0.85 Cos ϕ Hiệu suất 85 (%) Tốc độ trục 50v/ph Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng Hãng sản xuất Công suất Điện áp Động máy xay Cos ϕ Hiệu suất (%) Tốc độ Rossi 3Hp pha, 380V50Hz 0.85 83 3000v/ph Bảng 3.4: Hình ảnh thơng số động 3.1.4 Lựa chọn van Van dùng để đóng mở chuyển cà phê qua công đoạn khác hệ thống sản xuất cà phê Van chọn bảng 3.6 Tải FULL (FILE WORD 37 trang): bit.ly/2Ywib4t Tên thiết bị Rơ le nhiệt Contactor CB Nút nhấn Hình ảnh Thơng số kỹ thuật Dãi điều chỉnh 3.6…5.7A dòng Tự động Reset tay, thị TRIP Công kw suất Tiếp NC, NO điểm Điện áp 3P - 380 V Dòng 25 A điện Điện áp 380V/415 V Dòng định 10A mức Dòng ngắn kA mạch Điện áp 150 V Dịng 2A điện Bảng 3.5: Hình ảnh thông số thiết bị bảo vệ, điều khiển Hình ảnh Đặc tính Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng - Cơ chế tác động: piston điện từ, làm đồng thép không gỉ - Nguồn cung cấp: 220 VAC, 50 Hz - Thời gian tác động: 0,3 - 0,5 s - Dải áp suất làm việc: 0.05 - 1.0 MPa (0.5 - 10 kgf/cm2G) - Nhiệt độ làm việc cao nhất: 380oC - Đường kính ống : 25mm, 200mm Bảng 3.6: Hình ảnh thơng số van điện từ 3.2 Sơ đồ kết nối phần cứng Nhằm hỗ trợ cho người vận hành có tầm nhìn tổng quan cấu kết nối nguồn toàn hệ thống, từ sơ đồ phần cứng người vận hành biết xác nguồn hoạt động điều khiển thiết bị Tổng quan việc kết nối phần cứng bao gồm sơ đồ kết nối mạch động lực, sơ đồ kết nối mạch điều khiển 3.2.1 Sơ đồ mạch động lực Sơ đồ mạch động lực trình bày chi tiết hình 3.4, cho thấy rõ cách thức cấp nguồn sử dụng cho thiết bị động lực có hệ thống Nguồn pha cấp cho mạch động lực lấy từ nguồn pha lưới điện nhà nước kéo tới có điện áp pha 220V, tần số 50Hz phù hợp với tất động hệ thống Các thiết bị trọng mạch có nhiệm vụ khác như: - CB tổng mạch động lực làm nhiệm vụ đóng cắt cho toàn mạch động lực CB1, CB2, CB3, CB4 làm nhiệm vụ đóng cắt động hệ thống K1, K2, K3, K4 tiếp điểm contactor dùng để khởi động động - R1, R2, R3, R4 rơ le nhiệt dùng để bảo vệ tải động 3.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển Sơ đồ mạch điều khiển trình bày hình 3.5, nhằm cho người vận hành biết cách kết nối thiết bị vào để khắc phục cố xảy hư hỏng thiết bị Các thiết bị kết nối ngõ vào, ngõ trình bày bảng 3.7 3111897 ... tích Sản xuất cà phê đem lại nguồn lợi kinh tế cao cho đất nước Và ngành sản xuất cà phê ngành phát triển mạnh Các nhà sản xuất cà phê không ngừng mở rộng sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm,... TRÌNH CƠNG NGHỆ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT 2.1 Sơ lược cách phân loại cà phê Cà phê chia nhiều loại tùy theo cách rang Rang cà phê bớt độ ẩm hạt, dầu thơm tỏa Chừng kỷ trước, cà phê phải rang... để cà phê bột khơng bị biến dạng mùi Tuy nhiên người khó tính cho cà phê bột cà phê pha 2.2 Quy trình cơng nghệ Theo cách phân loại cà phê trên, quy trình cơng nghệ hệ thống sản xuất cà phê bột