Đồ án Thiết kế điều khiển giám sát cho hệ thống rót, đóng nắp chai và đóng thùng nước giải khát sử dụng Simatic S7-300 và WinCC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ .......................... 1 1.1 Phạm vi áp dụng: .......................................................................................... 1 1.2 Yêu cầu thiết kế: ........................................................................................... 1 1.3 Các chức năng chính của hệ thống ............................................................... 2 1.4 Nguyên lý hoạt động: ................................................................................... 2 1.5 Các công nghệ trên dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng: ..................... 3 1.5.1 Kiểm tra khuyết tật chai: .................................................................. 3 1.5.2 Chiết nước vào chai: ......................................................................... 5 1.5.3 Đóng nắp chai: .................................................................................. 6 1.5.4 Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót: ............................... 7 1.5.5 Dây chuyền đóng thùng: ................................................................... 8 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ SIMATIC S7-300 ............................................. 11 2.1. Giới Thiệu Chung ...................................................................................... 11 2.2 Ngôn ngữ lập trình: .................................................................................... 16 2.3 Tập Lệnh S7-300 ........................................................................................ 17 2.3.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm: ............................................................ 18 2.3.2 Lệnh về timer : ................................................................................ 19 2.3.3 Bộ đếmCounter: .............................................................................. 21 2.3.4 Lệnh so sánh: .................................................................................. 22 2.3.5 Các lệnh về số học: ......................................................................... 24 2.3.6 Lệnh Di chuyển : ............................................................................ 25 2.3.7 Lệnh dịch bit: .................................................................................. 25 CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ WINCC ........................................................... 26 3.1 Khái niệm. .................................................................................................. 26 3.2 Các bước cài đặt WinCC V7.0 trên máy tính: ............................................ 28 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ........ 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.1 Giới thiệu quy trình công nghệ: .................................................................. 37 4.2 Viết chương trình S7-300: .......................................................................... 39 4.3 Thiết kế mô phỏng trên WinCC: ................................................................ 48 4.3.1 Tạo biến .......................................................................................... 52 4.3.2 Tạo ảnh: .......................................................................................... 56 4.3.3 Thiết lập các thuộc tính hình ảnh. ................................................... 58 4.3.4 Tạo nút nhấn thoát chương trình: ................................................... 60 4.3.5 Tạo thanh trượt chọn giá trị Slider Object : .................................... 61 4.3.6 Tạo nút nhấn đăng nhập và đăng xuất: ........................................... 62 4.3.7 Thiết lập tài khoản quản trị: ............................................................ 62 4.3.8Tạo khung hiển thị số: ..................................................................... 64 4.3.9Lấy đối tượng đồ họa từ thư viện WinCC: ...................................... 65 4.3.10Gán thuộc tính quá trình cho đối tượng: ........................................ 68 4.3.11Tạo bảng thông báo trạng thái hệ thống: ....................................... 70 4.3.12Global Script: ................................................................................. 73 4.4Thiết lập các điều kiện và chạy Runtime: ................................................... 78 4.5Thao tác trên màn hình Runtime: ................................................................ 84 CHƯƠNG V TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI....................... 85 5.1 Tổng kết: ..................................................................................................... 85 5.2 Hạn chế của đề tài: ..................................................................................... 85 5.3 Hướng phát triển: ........................................................................................ 85 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 88 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án 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 Bách Khoa Đà Nẵng và các thầy cô trong khoaĐiệnđã dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện đồ án. Em xin chân thành cảm ơn Th.S Bùi Tấn Lợi đã luôn quan tâm và nhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình em làm đồ án. Xin chân thành cảm ơn những người thân đã giúp đỡ động viên trong quá trình học tập và thực hiện đồ án. Đồng cảm ơn anh Đào Duy Dương đã cung cấp cho em những kiến thức cơ bản về S7-300 và WinCC. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 12tháng 12 năm 2013 Sinh viên thực hiện Bùi Hữu Tài ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. 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 những 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 hệ thống rót, đóng nắp chai và đóng thùng nước giải khát sử dụng Simatic S7-300 và WinCC”. Trong bản thuyết minh em đã hoàn được những nội dung sau: Chương I: Tổng quan về dây chuyền công nghệ chiết rót, đóng nắp và đóng thùng chai nước giải khát. Chương II: Tổng quan về PLC S7-300. Chương III: Tổng quan về WinCC. Chương IV: Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển cho hệ thống chiết nước, dập nắp và đóng thùng nước giải khát. Chương V: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài. Mục đích nghiên cứu: 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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. Giới hạn đề tài: Đề tài sữ 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 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 sữ dụng rất rộng rãi với nhiều chũng loại khác nhau. Trong đồ án này em sẽ thiết kế mô phỏng hệ thống chiết rót đóng nắp chai dựa theo hệ thống máy có thật đó là “Hệ Thống Xúc Rửa, Chiết Rót Và Đóng Nắp Chai PET 250-2250ml” của Công ty TNHH Hy Đan . Sau đây em xin giới thiệu về hệ thống này: 1.1 Phạm vi áp dụng: - Cơ sở sản xuất nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng, hoặc các loại nước uống không gaz khác - Chai nước sử dụng : Loại chai PET có dung tích từ250ml đến 2250ml 1.2 Yêu cầu thiết kế: - Nguồn nước tinh khiết : có chất lượng nước đạt chuẩn nước uống tinh khiết TCVN 6096:2004 - Áp suất nước trong hệthống: hệthống được thiết kế với áp suất trung bình không quá 10kgf/cm2. Vì vậy cần phải dùng công tác áp suất hoặc dùng biến tần để điều chỉnh áp lực nước phù hợp trong quá trình vận hành. - Điện áp sử dụng:1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz - Dòng tải: tùy theo công suất bơm sửdụng và các thiết bị ngoại vi khác, thông thường không nhỏ hơn 5A. - Các biện pháp an toàn điện: hệthống được thiết kế ELCB chống giật trên toàn hệ thống và các thiết bị điện khác đạt chuẩn CE. Nút tắt khẩn cấp khi có sự cố xảy ra. - Khung sườn thiết bị: được thiết kếbằng thép không gỉ SS304 hoặc SS316, chịu được lực rung lớn. - Ống dẫn nước : ống chịu áp lực cao bằng PVC hoặc bằng thép không gỉ 304 (tùy theo yêu cầu thiết kế), đảm bảo an toàn vệ sinh, không đóng cặn, gỉ sét và gây ra các nấm mốc vi sinh. - Các thiết bị lọc nước: vật tư, thiết bị lọc nước đạt chuẩn NSF. SVTH: Bùi Hữu Tài 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.1 máy đóng chai PET 3 trong 1. 1.3 Các chức năng chính của hệ thống - Hệ thống kết hợp 3 máy xúc rửa, chiết rót và đóng nắp thành 1 dây chuyền thống nhất - Hệ thống tiêu chuẩn: hệ thống bao gổm 3 máy rời rạc: xúc rửa, chiết rót, đóng nắp, nối liền với nhau thành 1 hệ thống xuyên suốt. - Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens: điều khiển xuyên suốt hệ thống xúc rửa, 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, tín hiệu âm thanh bíp bíp sẽ được phát ra. Ngoài ra chương trình trong PLC này nhiều chức năng hơn hệ thống tiêu chuẩn. - Khung sườn : được làm bằng thép không gỉ. - Động cơ xoay vòng bằng công nghệ Đức:các chai PET được vận chuyển tự động trên băng chuyền xoay vòng liên tục vào hệ thống chiết rót, xúc rửa - Ống dẫn nước: bằng Inox. - 2 chế độ hoạt động auto / manual: giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng. 1.4 Nguyên lý hoạt động: Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây: - Vỏ chai PET được đặt trên băng chuyền trước khi vào hệ thống xúc rửa chiết rót và đóng nắp (gọi tắt là RFC). - Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC. - Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống xúc rửa. Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước xúc rửa. Lưu ý nước rửa có áp lực khá mạnh để rửa sạch chai PET do bơm thiết kế sẵn trong máy phun lên. SVTH: Bùi Hữu Tài 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vịtrí chiết rót, các cánh tay đòn sẽ giữ chặt cổchai để tránh đổc hai trong qua trinh rót. Các chai được xoay vòng liên tục trên băng chuyền chiết rót. Máy bơm nước được thiết kế sẵn trong máy sẽ tự động chiết rót vào bình. (Lưu ý : thể tích nước có thể điều chỉnh được). - Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp. Nắp bình chứa được lấp đầy trong ống chứa và được đưa vào ngay đầu chai PET. - Các tay đòn sẽ siết nắp chặt . - Sau đó chai PET được chuyển trên băng tải ra ngoài. - Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có) . Hình 1.2 Dây chuyền sản xuất nước đóng chai. Do giới hạn đề tài là mô phỏng trên máy tính nên em sẽ nghiên cứu những thiết bị phần điện tự động là chính, mô hình mô phỏng sẽ có một số điểm khác so với hệ thống thực để thuận thiện cho việc mô phỏng.Cụ thể là dây chuyền mô phỏng sẽ có các khâu chính là: - Kiểm tra khuyết tật chai. - Chiết nước vào chai. - Đóng nắp chai. - Đưa sang dây chuyền đóng thùng sản phẩm. 1.5 Các công nghệ trên dây chuyền chiết, đóng nắp, đóng thùng: 1.5.1 Kiểm tra khuyết tật chai: Để kiểm tra được khuyết tật trên sản phẩm chai nhựa người ta thường dùng các hệ thống máy hiện đại , hiện nay có không ít các nhà cung cấp thiết bị để thực hiện quá trình này, theo kinh nghiệm và tìm hiểu thì em được biết hãng PRESSCO TECHNOLOGY INC là nhà cung cấp dòng sản phẩm INTELLISPEC mã CP500 thực hiện quá trình kiểm tra và phân loại và loại bỏ chai bị hỏng không đủ yêu cầu chất lượng như: - Chai bị móp trong lúc sản xuất hay trong quá trình vận chuyển. - Chai dính bẩn. SVTH: Bùi Hữu Tài 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dòng sản phẩm INTELLISPEC CP500: được trang bị 2 camera bên trong và được kết nối với hệ thống máy tính chuyên dụng được cung cấp bởi chính nhà cung cấp.Máy có bộ nguồn UPS mắc song song với nguồnđiện nên có thể hoạt động thêm một thời gian sau khi cúpđiện. Nguyên tắc: camera chụp và phân tích hình ảnh từng chai, đưa tín hiệu về máy tính xử lí với phần mền chuyên dụng được cài đặt độ nhạy theo mục đích của yêu cầu sản phẩm và loại (Reject) các sản phẩm không đạt yêu cầu. Tốc độ chụp của camera có thể lên đến hàng nghìn chai một phút. a b Hình 1.3 aCác loại chai có thể nhận diện bằng máy CP500 b hình chụp của máy. SVTH: Bùi Hữu Tài 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.4 Máy kiểm tra khuyết tật chai. 1.5.2 Chiết nước vào chai: Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ có cách chiết rót khác nhau như: Nước có gaz, nước không gaz, chất lỏng dạng cô đặc. Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ, v.v.. Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm. Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm một cách chính xác. Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:  Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai.  Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai; khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không. Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại. Phương pháp nầy có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai.  Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi. phương pháp nầy chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp, không yêu cầu độ chính xác định lượng. Cácphương pháp chiết rót sản phẩm gồm có : SVTH: Bùi Hữu Tài 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch về độ cao thủy tĩnh. Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít nhớt.  Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai. Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai.  Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gas như bia, nước ngọt.Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí CO2) thoát khỏi chất lỏng. Với phương pháp rót đẳng áp thông thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao. Máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu rót được bố trí chiết cho 1 chai. Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máy chiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần tự (máy chiết bàn quay) như hình bên dưới: Hình 1.5 Máy chiết bàn quay. 1.5.3 Đóng nắp chai: Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thức phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp. Máy có tác dụng đóng bao kín các SVTH: Bùi Hữu Tài 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài. Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt động (hình 1.6). Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất cả các nắp phải được đóng kín. Hình 1.6 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay. 1.5.4 Cảm biến dùng trong các dây chuyền chiết rót: Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí để xác định vị trí của sản phẩm. Khi gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ điều khiển để ra lệnh điều khiển. Để xác định vị trí và dịch chuyển của sản phẩm, ta dùng loại cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện bao gồm 1 nguồn phát quang và 1 bộ thu quang. Nguồn phát quang sử dụng Led hoặc Laser phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng. 1 bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitor quang. Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản xạ ánh sáng khi vật xuất hiện. Ánh sáng do Led phát ra được hội tụ qua thấu kính. ở phần thu ánh sáng từ thấu kính tác động đến transitor thu quang. Nếu có vật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được. sóng dao động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trong phòng. Ánh sáng của mạch phát sẽ tắt và sáng theo tần số mạch dao động. Phương pháp này sử dụng mạch dao động làm cho cảm biến thu phát xa hơn và tiêu thụ ít công suất hơn. SVTH: Bùi Hữu Tài 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến quang điện chính:Through-beam sensors (cảm biến tia xuyên qua), Retro-reflective sensors (cảm biến phản quang), Diffuse reflection sensor (cảm biến phản xạ khuếch tán). Hình 1.7 Cảm biến phản quang. Trong quá khứ, đối với nhà máy bia, nước ngọt, việc phát hiện các chai PET có chất liệu trong suốt là rất khó khăn, yêu cầu phải điều chỉnh phức tạp cảm biến cho ứng dụng đó. Hiện nay công nghệ phát triển hơn ta có loại cảm biến phản quang dể dàng phát hiện các vật liệu cho trai PET và thủy tinh. Một trong số đó là bộcảm biến O5G500 và một bộ lọc phân cực cùng với lăng kính phản xạ E20722 (hình 1.7). 1.5.5 Dây chuyền đóng thùng: