Tài liệu Dây chuyền trộn chiết rót và đóng nắp chai sử dụng plc s7 300 và wincc

Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM và các thầy cô trong Khoa Điện đã dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thành Phúc đã luôn quan tâm và nhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình em làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn những người thân đã giúp đỡ động viên trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận. Đồng cảm ơn thư viện trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã cung cấp cho em tài liệu những kiến thức cơ bản về S7-300 và WinCC. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, tháng 6 năm 2017 Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Trung SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 1 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc TÓM TẮT Trong khóa luận này sẽ đề cập đến thiết kế giao diện để điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ xa cho mô hình trộn, chiết rót và đóng nắp chai. Giao diện được thiết kế trên phần mềm WinCC của hãng Siemens với thiết kế đẹp mắt và đầy đủ các tính năng cần thiết cho người vận hành cũng như người giám sát hệ thống. Khóa luận cũng hướng dẫn cụ thể các bước để các bạn khóa sau có thể tham khảo lập trình trên WinCC một cách dễ dàng. Một số đoạn chương trình lập trình theo ngôn ngữ Visual C++ cơ bản kết hợp với ngôn ngữ lập trình Visual Basic hiển thị thông tin tính toán biểu thức. Với các chức năng cần thiết, phân quyền người dùng trong WinCC, thiết kế giao diện từ thư viện, tạo nút nhấn, hiển thị tín hiệu Analog Input hoặc Output, hiển thị cửa sổ làm việc nhỏ trên cửa sổ lớn, chuyển đổi giữa các file ảnh khác nhau, tạo cảnh báo Alarm hoặc xuất dữ liệu ra Excel … Mô hình được điều khiển thông qua PLC S7-300 của Siemens đây cũng là loại PLC cao cấp của Siemens sử dụng rộng rãi trong các khu công nghiệp tự động vừa và lớn với yêu cầu ổn định và chất lượng cao. Mô hình điều khiển thiết kế đơn giản với 3 bồn thực hiện cấp nguyên liệu và trộn nhiên liệu, trong mô hình này sử dụng cảm biến siêu âm để xác định mực nước trong bồn trộn và thu thập dữ liệu đưa về WinCC. Các cảm biến khác bao gồm cảm biến quang để xác định vị trí chai, cảm biến từ xác định vị trí xi lanh, cảm biến điện dung xác định mực nước trong chai và hệ thống khí nén cũng được sử dụng. Băng tải có thể điều chỉnh tốc độ bằng tay tuy nhiên các bạn khóa sau có thể nâng cấp điều khiển tốc độ động cơ băng tải bằng Analog Ouput để phát triển đề tài. Do nhiều khó khăn và kinh phí không cho phép nên mô hình chưa được hoàn thiện như mong muốn. Hi vọng quý bạn đọc có thể tìm hiểu khóa luận này để có thể phục vụ cho nhu cầu cần thiết của mình trong học tập hay trong quá trình đi làm tại các nhà máy có sử dụng SCADA Từ khóa tìm kiếm : “Trộn; Chiết rót; Đóng nắp chai; S7-300; WinCC” SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 2 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay quá trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia. Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật,…thì tự động hóa không còn xa lạ và đã trở nên quen thuộc. Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay vào đó là những lao động chuyên môn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính. Việc điều khiển qua màn hình HMI là vô cùng cần thiết, giúp người vận hành có cái nhìn trực quan, tổng quát quá trình hoạt động của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Một trong những ứng dụng giám sát đó là WinCC (Windows Control Centre), nó giúp ta điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất thông qua máy tính mà không phải trực tiếp xuống nơi sản xuất để quan sát. Những điều trên chứng tỏ tầm quan trọng của việc ứng dụng WinCC trong lĩnh vực tự điều khiển động hóa. Việt Nam là nước đang phát triển thì như cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hết sức quan trọng đối với phát triển kinh tế cũng như như cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Là sinh viên theo học chuyên ngành “Điện Công nghiệp” cùng những nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà, em muốn được nghiên cứu và tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để có nhiều cơ hội biết thêm về kiến thức thực tế, củng cố kiến thức đã học, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa. Vì những lý do trên em đã chọn đề tài: “ Thiết kế điều khiển giám sát cho dây truyền chiết rót, đóng nắp chai sử dụng Simatic S7-300 và WinCC”. Khóa luận nhằm nắm vững kiến thức về lập trình với S7-300, mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ thống với WinCC.Nghiên cứu đề tài nhằm tích lũy kinh nghiệm, học hỏi thêm kiến thức và phát huy tính sáng tạo, giải quyết vấn đề.Theo phương châm học đi đôi với hành thì việc tạo ra một hệ thống mô phỏng dùng S7-300 và WinCC là một yêu cầu cần thiết , đáp ứng được nhu cầu đặt ra. Đề tài sử dụng S7-300 và WinCC trong tự động hóa thì rất rộng lớn, hầu hết các nhà máy, xí nghiệp ứng dụng WinCC trong việc điều khiển, giám sát tất cả các khâu. Nhưng trong đề tài này ta hạn chế là chỉ mô phỏng quá trình hoạt động của một hệ thống nhỏ, chưa thể hoàn toàn theo sát với thực tế. Vì vậy vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan tâm giải quyết trong tương lai. SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 3 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Sinh viên Nguyễn Trọng Trung có khả năng làm việc độc lập, mạnh dạn chọn công nghệ mới để học và làm luận văn. Em Trung đã hoàn thành tốt luận văn của mình, kết hợp với các sinh viên khác trong nhóm để thi công mô hình. Bên cạnh đó em có khả năng tóm tắt vấn đề tốt, viết luận văn rõ ràng, làm việc nghiêm túc. Sau khi bảo vệ cũng như sau khi nhận được nhận xét từ hội đồng, giáo viên phản biên, sinh viên thực hiện cần chỉnh sửa luận văn. Mong rằng đây là tài liệu tốt cho các thế hệ sau và những người quan tâm đến lĩnh vực của luận văn. Điểm GVHD: 10 TP.HCM ngày 3 tháng 6 Năm 2017 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 4 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... TP.HCM tháng 6 Năm 2017 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 5 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc MỤC LỤC CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ ........................... 13 1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 13 1.2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................. 14 1.3. Ƣu điểm và thiếu xót khi thực hiện đề tài. ...................................................... 14 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ....................................................... 14 1.5. Phạm vi áp dụng: .............................................................................................. 15 1.6. Các chức năng chính của hệ thống .................................................................. 15 1.7. Các thiết bị chính trong mô hình ..................................................................... 15 1.7.1 Bộ nguồn ....................................................................................................... 15 1.7.2. Các thiết bị đóng ngắt và thiết bị bảo vệ .................................................. 15 1.7.3 Các loại cảm biến và cách đấu nối ............................................................. 17 1.7.4 Các loại động cơ điện ................................................................................... 23 1.7.5 Piston khí nén ............................................................................................... 24 1.7.6 Van từ............................................................................................................ 25 1.7.7 Van khi nén . ................................................................................................ 25 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300 ................................................ 26 2.1. Giới Thiệu Chung .............................................................................................. 26 2.1.1. Các modul PLC S7-300 .............................................................................. 27 2.1.2 Modul CPU .................................................................................................. 28 2.1.3 Modul mở rộng ........................................................................................... 29 2.2. Ngôn ngữ lập trình: ........................................................................................... 31 2.3 Tập Lệnh S7-300 ................................................................................................ 32 2.3.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm: ......................................................................... 32 2.3.2 Lệnh về timer : ............................................................................................. 34 2.3.3 Bộ đếmCounter: ........................................................................................... 36 2.3.4 Lệnh so sánh: ................................................................................................ 37 2.3.5. Các lệnh về số học: ...................................................................................... 39 2.3.6 Lệnh Di chuyển : .......................................................................................... 40 2.3.7 Lệnh RESET nhiều bit FC 82: ................................................................... 40 2.4.Tín hiệu Analog và cách xử lý trong PLC S7 300 ........................................... 41 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 6 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 2.4.1.Tín hiệu Analog Input ................................................................................. 41 2.4.2 Cách xử lý tín hiệu Analog trong PLC S7 300 .......................................... 42 2.5. Giới thiệu về CPU 313C và S7 -1500 ............................................................... 47 2.5.1. CPU 313C .................................................................................................... 47 2.5.2. Tìm hiểu khái quát về S7 1500................................................................... 50 CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ WINCC .............................................................. 51 3.1 Khái niệm. ........................................................................................................... 51 3.2.Cách sử dụng phần mềm WinCC ..................................................................... 53 3.2.1. Các bƣớc tạo một dự án trên WinCC:...................................................... 53 3.2.2.Các thành phần chính của cửa sổ dự án . .................................................. 53 3.3 Các kiểu dữ liệu .................................................................................................. 55 CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO DÂY CHUYỀN TRỘN, CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI .............................. 58 4.1. Tổng quan về mô hình trộn, chiết rót và đóng nắp chai. .............................. 58 4.1.1. Tổng quan về kết cấu cơ khí ...................................................................... 58 4.1.2. Mô hình thực tế. .......................................................................................... 58 4.1.3. Liệt kê các thiết bị của dây chuyền. .......................................................... 60 4.1.4. Hệ thống ngõ vào ra (I/O PLC) ................................................................. 60 4.1.5. Sơ đồ kết nối I/O PLC ................................................................................ 65 4.1.6. Nguyên lý hoạt động của dây chuyền....................................................... 66 4.1.7. Phân công vào ra và lập bảng đồ tài nguyên ............................................ 71 4.1.8 Viết chƣơng trình PLC ................................................................................ 71 4.2. Thiết kế giao diện SCADA điều khiển và giám sát. ....................................... 75 4.2.1 Giới thiệu về giao diện thiết kế SCADA .................................................... 75 4.2.2 Hệ thống trộn, chiết rót và đóng nắp chai:................................................ 79 4.2.3 Yêu cầu công nghệ: ...................................................................................... 80 4.3. Thiết kế mô phỏng trên WinCC: ..................................................................... 80 4.3.1 Tạo giao diện làm việc mới ......................................................................... 80 4.3.2 Tạo biến ........................................................................................................ 85 4.3.2 Tạo ảnh: ........................................................................................................ 91 4.3.3 Thiết lập các thuộc tính hình ảnh............................................................... 93 4.3.4. Tạo nút nhấn thoát chƣơng trình: ............................................................ 96 4.3.5 Tạo nút nhấn đăng nhập và đăng xuất:..................................................... 97 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 7 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc 4.3.6 Thiết lập tài khoản quản trị:....................................................................... 98 4.3.7. Tạo màn hình điều khiển nhỏ trên màn hình chính. ............................. 100 4.4. Lâp trình C-Scrip, VB-Scrip và tạo chuyển động thẳng trong WinCC .... 106 4.4.1. Lập trình C-Scrip chuyển động thẳng .................................................... 107 4.4.2. Lâp trình VB-Scrip trong WinCC .......................................................... 109 CHƢƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............... 112 5.1 Tổng kết............................................................................................................. 112 5.2 Hạn chế của đề tài: ........................................................................................... 112 5.3 Hƣớng phát triển: ............................................................................................ 112 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 130 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 8 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 CB bảo vệ ....................................................................................................... 16 Hình 1.2 Rơ le ............................................................................................................... 16 Hình 1.3 Nút nhấn........................................................................................................ 17 Hình 1.4 Cảm biến siêu âm .......................................................................................... 18 Hình 1.5 Cảm biến điện dung ...................................................................................... 19 Hình 1.6 Cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện dung ................................................... 19 Hình 1.7 Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 3 dây 24 VDC với PLC .................................. 20 Hình 1.8 Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 3 dây 24 VDC với PLC .................................. 22 Hình 1.9 Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 2 dây 24 VDC với PLC .................................. 23 Hình 1.10 Động cơ 1 pha ............................................................................................. 23 Hình 1.11 Động cơ 24 VDC ........................................................................................ 24 Hình 1.12 Xi lanh khí nén dẫn hướng ........................................................................ 24 Hình 1.13 Van từ .......................................................................................................... 25 Hình 1.14 Van điện từ 5/2 ............................................................................................ 25 Hình 2.1 Cấu hình của một trạm PLC S7-300............................................................ 28 Hình 2.2 Sự khác nhau các khối bề ngoài của CPU S7-300 ..................................... 28 Hình 2.3 Ảnh thực tế các loại modul mở rộng của S7-300 ........................................ 30 Hình 2.4 Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC........................................................... 31 Hình 2.5 Tạo khối Function trong S7 300 .................................................................. 43 Hình 2.6 Giao diện lập tình khối Function ................................................................. 44 Hình 2.7 Tạo biến ngõ vào hàm Scale ......................................................................... 44 Hình 2.8 Tạo biến ngõ ra hàm Scale ........................................................................... 45 Hình 2.9 Tạo biến tạm để tính toán tạo hàm Scale .................................................... 45 Hình 2.10 Công thức tính toán hàm scale .................................................................. 47 Hình 2.11 Hàm Scale tính toán tín hiệu Analog ........................................................ 50 Hình 2.12 CPU 313 C ................................................................................................... 51 Hình 3.1 Giao diện làm việc của WinCC .................................................................... 53 Hình 3.2 Các kiểu dữ liệu trong WinCC ..................................................................... 56 Hình 4.1 Kết cấu cơ khí dây chuyền trộn, chiết rót và đóng nắp chai ....................... 58 Hình4.2 Mô hình thực tế dây chuyền trộn, chiết rót và đóng nắp ............................. 59 Hình 4.3 Cấu hình PLC s7 300 CPU 313C ................................................................. 64 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 9 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc Hình 4.4 Sơ đồ kết nối I/O PLC S7 300 CPU 313C theo kiểu sink............................ 65 Hình 4.5 Khâu trộn nhiên liệu ..................................................................................... 66 Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................... 70 Hình 4.7 Tạo trang làm việc mới trong SIMATIC S7 300 ......................................... 72 Hình 4.8 Chọn cấu hình trong SIMATIC S7 300 ....................................................... 72 Hình 4.9 Chọn cấu hình trong SIMATIC S7 300 ....................................................... 73 Hinh 4.10 Khối OB1 trong SIMATIC S7 300 ............................................................. 73 Hinh 4.11 Giao diện lập trình PLC ............................................................................. 74 Hình 4.12 PLC-SIM ..................................................................................................... 74 Hình 4.13 Graphics chính trong WinCC ..................................................................... 75 Hình 4.14 Graphics chính trong WinCC ..................................................................... 76 Hình 4.15 Graphics Giao diện điều khiển chính trong WinCC ................................. 76 Hình 4.16 Graphics Giao diện điều khiển màn hình nhỏ trong WinCC ................... 77 Hình 4.17 Graphics Giao diện cảnh báo ALARM trong WinCC ............................... 77 Hình 4.18 Graphics Giao diện Màn hình chính Login Lout trong WinC ................ 78 Hình 4.19 Graphics bảng điều khiển chính trong WinCC ......................................... 78 Hình 4.20 Graphics bảng điều khiển chính Login Lout trong WinCC .................... 79 Hình 4.21 Tạo giao diện làm việc mới trong WinCC................................................. 81 Hình 4.22 Tạo giao diện làm việc mới trong WinCC................................................. 82 Hình 4.23 WinCC Explorer.......................................................................................... 83 Hình 4.24 Chọn Driver cho WinCC với S7 300 .......................................................... 84 Hình 4.25 Chọn Driver cho WinCC với S7 300 .......................................................... 84 Hình 4.26 Tag nội trong WinCC.................................................................................. 84 Hình 4.27 Tag Ngoại trong WinCC ............................................................................. 86 Hình 4.28 Hộp thoại tạo tag trong WinCC ................................................................. 86 Hình 4.29 Hộp thoại chọn địa chỉ tag trong WinCC .................................................. 87 Hình 4.30 Giao diện các tag trong WinCC ................................................................. 88 Hình 4.31 Tag Group Control ...................................................................................... 88 Hình 4.33 Tag Group Demsanpham ........................................................................... 89 Hình 4.34 Tag Group Tank_Level ............................................................................... 90 Hình 4.35 Tag Group Manual_Val ............................................................................. 90 Hình 4.36 Giao diện tạo ảnh mới ................................................................................ 91 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 10 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc Hình 4.37 Cửa sổ giao diện thiết kế đồ họa Graphics ................................................ 92 Hình 4.38 Cửa sổ giao diện thiết kế đồ họa Graphics ................................................ 94 Hình 4.39 Cửa sổ cài đặt Tag ...................................................................................... 95 Hình 4.40 Cửa sổ cài đặt Tag khi tag On .................................................................... 95 Hình 4.41 Cửa sổ cài đặt Tag khi tag Off ................................................................... 96 Hình 4.42 Cửa sổ cài đặt Exit WinCC ......................................................................... 97 Hình 4.43 Giao diện mở cài đặt Phân quyền trong winCC ........................................ 98 Hình 4.44 Giao diện cài đặt Phân quyền trong winCC .............................................. 99 Hình 4.45 Cửa sổ cài đặt Phân quyền trong winCC................................................. 100 Hình 4.46 Giao diện màn hình bật tắt VAN1............................................................ 101 Hình 4.47 Giao diện Picture Window ........................................................................ 102 Hình 4.48 Giao diện thiết lập cho nút nhấn để mở Picture Window ....................... 103 Hình 4.49 Giao diện thiết lập cảnh báo Alarm ......................................................... 103 Hình 4.50 Thiết lập tên cho bảng Alarm ................................................................... 104 Hình 4.51 Thiết lập thuộc tính cho bảng Alarm ....................................................... 104 Hình 4.52 Thiết lập thuộc tính cho bảng Alarm ....................................................... 105 Hình 4.53 Cài đặt Tag name và thuộc tính khác Alarm ........................................... 105 Hình 4.54 Bảng thiết lập thông số cho Alarm .......................................................... 106 Hình 4.55 Trình soạn thảo Global Script .................................................................. 107 Hình 4.56 Trình soạn thảo Global action ................................................................. 107 Hình 4.57 Tạo chương trình text trong trình soạn thảo Global action ................... 109 Hình 4.58 Thiết lập thời gian khi chạy Runtime C-scrip ......................................... 109 Hình 4.59 Giao diện lập trình VB-scrip .................................................................... 110 Hình 4.60 Giao diện thiết lập tag sử dụng trongVB-scrip ........................................ 111 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 11 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật bộ chuyển đổi nguồn AC-DC ........................................ 15 Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật CPU 313C ..................................................................... 49 Bảng 3.1 Các bộ soạn thảo trong trung tâm điều khiển ( Control Center) ............... 54 Bảng 3.2 Kiểu dữ liệu ( Data Types) có trong WinCC ............................................... 57 Bảng 4.1 Liệt kê các thiết bị của dây chuyền ............................................................. 60 Bảng 4.2 Hệ thống ngõ vào ra PLC ............................................................................ 62 Bảng 4.3 Các ô nhớ sử dụng trong PLC .................................................................... 63 Bảng 4.4 Bảng đồ tài nguyên ...................................................................................... 71 SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 12 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 1.1. Đặt vấn đề Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ phẩm, v.v…, với nhiều ưu điểm nổi trội như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ sản xuất. Cũng chính vì lý do này các hệ thống máy chiết rót, đóng chai tự động được sử dụng rất rộng rãi với nhiều chủng loại khác nhau. Trong khóa luận này em sẽ thiết kế hệ thống trộn, chiết rót và đóng nắp chai sử dụng PLC s7 300 và điều khiển giám sát trên WinCC. Đây cũng chỉ là một phần trong hệ thống dây truyền sản xuất nước gải khát hay các sản phẩm khác. Ở Việt Nam hiện có rất nhiều nhà máy xí nghiệp sử dụng hệ thống tự động hóa trong sản xuất nhưng chúng chưa có sự liên kết với nhau và hiệu quả sản xuất còn chưa cao. Muốn đạt được những kết quả cao trong sản xuất cũng như giảm nhẹ gánh nặng trong việc điều khiển giám sát hệ thống tự động rất cần một phần mềm để quản lý và giám sát. Hiện nay có rất nhiều phần mềm SCADA của các hãng như Mitsubishi, Intouch wonderwer, Siemens…Phần mềm WinCC là một phần mềm hỗ trợ rất tốt trong hệ thống tự động hóa với những tính năng ưu việt đồ họa đẹp mắt,chuyên nghiệp có thể trình bằng ngôn ngữ C hoặc Visual Basic cho phép các kĩ sư có thể tùy biến để thiết kế hệ thống SCADA một cách tối ưu và đạt hiệu quả cao nhất. Vào những giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, do sử dụng các thiết bị vào/ra (I/O) thu thập dữ liệu cũ, nên khi kết nối sẽ ưu tiên sử dụng các chuẩn kết nối phù hợp với khoảng cách truyền dẫn như RS-485, tuy nhiên điều này lại hạn chế việc lựa chọn thiết bị khi yêu cầu thay đổi. Do nhược điểm nêu trên mà đến cuối những năm 90, xu hướng dịch chuyển sang sử dụng các chuẩn truyền thông mở như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0 đã ngày càng phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như các nhà cung cấp giải pháp cho các hệ SCADA. Đến năm 2000 thì hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vào/ra dữ liệu đã đồng loạt chuyển sang giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn TCP/IP. SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 13 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc Hiện nay, các hệ thống SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang công nghệ chuẩn truyền thông. Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang dần thay thế các chuẩn cũ hơn. Với việc phát triển không ngừng của SCADA nên em quyết định tìm hiểu và phát triển phần mềm này cho việc điều khiển và giám sát hệ thống trộn, chiết rót và đóng nắp chai để nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời kiểm soát quá trình sản xuất một cách tốt nhất. 1.2. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu đạt được sau khi hoàn thành đề tài: Lắp đặt được mô hình dây chuyền trộn, chiết rót và đóng nắp chai cũng như am hiểu các thiết bị cảm biến cách đấu nối và lập trình PLC và các thiết bị tự động hóa . Áp dụng phần mềm WinccCC vào việc giám sát hệ thống cũng như điều khiển thông qua màn hình HMI đồng thời có thể nhận lại các thông tin liên quan cũng như cảnh báo trả về khi gặp sự cố… Sử dụng PLC CPU S7 300 vào việc thu tín hiệu từ các cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển hệ thống van khí nén motor đặc biệt thu tín hiệu từ cảm biến siêu âm từ đó điều chỉnh được lượng nước rót vào bồn trộn. 1.3. Ƣu điểm và thiếu xót khi thực hiện đề tài. Với kiến thức còn hạn chế cũng như ở Việt Nam SCADA còn chưa phổ biến, thời gian thực hiện đề tài không lâu cộng với vấn đề kinh tế nên mô hình còn nhiều thiếu xót .Mô hình chưa cho thầy, cô và các bạn thấy được sự rõ ràng về thực tế trong quá trình sản xuất một sản phẩm nước uống đóng chai. Tuy nhiên đề tài cũng đã thể hiện được nhu cầu thực tế và đã giải quyết được cơ bản yêu cầu sản xuất. 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Điều khiển tự động là xu thế tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi các ứng dụng vượt trội của nó. Ở các hệ thống tự động có quy mô vừa và lớn việc kết hợp PLC và SCADA mà ở đây là sử dụng phần mềm WinCC kết hợp với SIMATIC S7 300 có thể điều khiển từ xa cho toàn hệ thống có thể điều khiển giám sát hệ thống chính xác từ xa ở phòng xử lý trung tâm. Kết hợp SCADA vào hệ thống tự động hóa là việc làm cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như mở rộng hệ thống có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng hệ thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Về mặt thực tiễn đề tài đi theo những nhu cầu thực tế bên ngoài của những nhà máy và dây chuyền sản xuất đang được nâng cấp và mở rộng. Đặc biệt ưu điểm của đề SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 14 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc tài là có thể áp dụng vào các nhà máy xí nghiệp có quy mô vừa và lớn để nâng cao hiệu quả sản xuất trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước. 1.5. Phạm vi áp dụng: Cơ sở sản xuất nước giải khát, hoặc các loại nước uống không gaz khác được trộn hỗn hợp và chiết rót đóng chai. Chai nước sử dụng : Loại chai PET có dung tích 250ml . 1.6. Các chức năng chính của hệ thống Hệ thống kết hợp bình trộn, chiết rót và đóng nắp thành 1 dây chuyền thống nhất. Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens sử dụng S7-300 : Điều khiển xuyên suốt hệ thống trộn, chiết rót, đóng nắp. Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trên các đèn led (màu xanh). Khi có sự cố xảy ra, hệ thống ngắt điện hoàn toàn tự động. 1.7. Các thiết bị chính trong mô hình 1.7.1 Bộ nguồn Bộ nguồn có chức năng cung cấp điện 24 V cho các cảm biến trong Mô hình và Động cơ DC Vặn nắp và Trộn nhiên liệu. Điện áp vào: 110VAC/220VAC Dòng đầu vào: 1.3A/115V 0.65A/230V Đầu ra: 24VDC /5A Phạm vi điều chỉnh điện áp: 21.6 – 26.4VDC Công suất: 50.4W Tần số: 47～63Hz Kích thước: 159×97×38mm Khối lượng: 0.5Kg Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật bộ chuyển đổi nguồn AC-DC 1.7.2. Các thiết bị đóng ngắt và thiết bị bảo vệ CB đóng ngắt và bảo vệ mạch khi quá tải hoặc có sự cố xảy ra để bảo vệ các thiết bị trong mô hình. SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 15 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc - CB: Loại CB step 1 pha, điện áp 400V Hình 1.1 CB bảo vệ - Rơle: Rơle 8 chân 2 tiếp điểm cuộn coil 24VDC Hình 1.2 Rơle -Trong mô hình sử dụng 2 nút nhấn Start và Stop, 1 công tắc điều chỉnh AUTO và MANUAL, 1 nút nhấn khẩn cấp để tắt toàn bộ hệ thống khi xảy ra sự cố. SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 16 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc Tất cả các nút nhấn được thiết kế không giữ và lắp trực tiếp vào Tủ điện thuận tiện cho việc điều khiển. Hình 1.3 Nút nhấn 1.7.3 Các loại cảm biến và cách đấu nối 1.7.3.1. Khái niệm về cảm biến Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m) (1.1) Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). 1.7.3.2 Cảm biến siêu âm: a) Cấu tạo Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua sóng siêu âm. Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng bao gồm kim loại hoặc không phải kim loại, chất lỏng chất rắn trong suốt hoặc mờ đục. Cảm biến siêu âm tầm đo 1m. Ngõ ra: 4-20 mA, 0-10V. SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 17 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc Cảm biến siêu âm thông dụng gồm có 3 bộ phận chính: - Bộ phận phát tín hiệu. - Bộ phận thu tín hiệu. - Bộ phận xử lí, điều khiển. b) Nguyên lí hoạt động: Bộ phận phát tín hiệu khi được cấp nguồn sẽ phát ra sóng siêu âm, với loại cảm biến này, tầm phát của sóng siêu âm là 1m, khi gặp vật cản sóng siêu âm sẽ được phản hồi về bộ thu tín hiệu, khi nhận được sóng phản hồi bộ phận xử lí sẽ so sánh và tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc của sóng siêu âm. Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu cảm biến digital thông báo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong vùng phát hiện của cảm biến, tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin về khoảng cách của đối tượng đến cảm biến. Từ việc thu tín hiệu đó ta có thể xác định được lượng nước trong bồn. Vùng hoạt động: Là khu vực mà cảm biến có thể phát hiện được nếu có đối tượng xuất hiện, khu vực nằm giữa hai giới hạn khoảng cách lớn nhất và khoảng cách nhỏ nhất mà sóng siêu âm phát ra có thể thu vào. Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm biến gọi là khu vực mù. c) Ứng dụng của cảm biến siêu âm: Trong ngành y tế, rada siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn thấy rõ cấu trúc nội tại của cơ thể, chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi. Trong kĩ thuật gia công kim loại, sóng siêu âm là sóng cơ đàn hồi mang nặng lượng có thể làm sạch các bề mặt chi tiết trước khi gia công như mạ hàn. Trong kĩ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp ta phát hiện được trang thái bề mặt và các khuyết tật trong cấu trúc. Ở đây cảm biến siêu âm dùng để thu tín hiệu mực chất lỏng trong bồn gửi tín hiệu về Module A/I từ đó PLC điều khiển mực chất lỏng, đo khoảng cách độ cao để xác định mực nước trong bồn. 1.7.3.3.Cảm biến điện dung: SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 18 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc a) Khái niệm: Cảm biến tiệm cận điện dung (Capasitve Proximity Sensor) là thiết bị dùng để phát hiện đối tượng phi kim nhờ sự thay đổi điện dung của cảm biến khi vật đi qua vùng nhạy của cảm biến. Cảm biến điện dung đang sử dụng dùng để phát hiện sự thay đổi của mực chất lỏng trong vật chứa. b) Cấu tạo: Hình 1.6 Cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện dung. Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn bộ phận chính: - Cảm biến (các bản cực cách điện). - Mạch dao động. - Bộ phát hiện. - Mạch đầu ra. c) Nguyên lý của cảm biến điện dung. Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các bản cực. Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện.Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện tăng lên.Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng số điện môi của vật liệu. SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 19 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD Ths Nguyễn Thành Phúc Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực. d ) Ưu, nhược điểm của cảm biến điện dung: Ưu điểm: - Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng,vật liệu phi kim - Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh - Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ. - Phạm vi cảm nhận lớn. - Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi. Nhược điểm: - Chịu ảnh hưởng của bụi và độ ẩm. e) Ứng dụng. - Dùng để phát hiện nước trong chai nhựa, sữa trong hộp giấy. - Phát hiện được bề mặt chất lỏng, không bị ảnh hưởng bởi màu sắc chất lỏng và khi ống bị bẩn. 1.7.3.4 Cảm biến quang: Cảm biến quang trong mô hình được sử dụng nhằm mục đích phát hiện sản phẩm khi nó đi qua để đưa ra các tín hiệu cho PLC điều khiển hoạt động của băng tải cũng như động cơ vặn nắp hoặc rót nước vào chai. Thông số kĩ thuật:  Điện Áp: 6 – 36VDC.  Dòng: 10mA.  Khoảng Cách: -> 3-30cm.  Kết Nối: + Dây Màu Nâu: 636V ( khuyến cáo dùng 6-24v DC ). + Dây Màu Xanh Dương : GND + Dây Màu Đen: Tín hiệu NPN thường mở ( Tín hiệu ra bằng điện áp cấp nuôi cho cảm SVTH : Nguyễn Trọng Trung Trang 20