Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát quá trình chiết rót và đóng nắp chai tự động

MỤC LỤC MỤC LỤC.............................1 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống chiết rót, đóng nắp sữa 11 Hình1.2 Thiết bị chiết rót sữa 11 Hình 1.3 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động 13 Hình 1.4 Máy kiểm tra khuyết tật chai 14 Hình 1.5 Máy chiết bàn quay 16 Hình 1.6 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay 16 Hình 1.7 Cảm biến phản quang 17 Hình 1.8 Bộ phận gắp chai 18 Hình 1.9 Đóng thùng kiểu “Drop” 19 Hình 2.1 Cấu hình của một trạm PLC S7-300 21 Hình 2.2 Một số CPU của PLC S7-300 22 Hình 2.3 Các loại modul mở rộng của S7-300 24 Hình 2.4 Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC 26 Bảng 3.2 Bảng đồ tài nguyên. 36 Hình 3.3 Đặt tên cho Profect 37 Hình 3.4 Chọn Station > 2 Simatic 300 Station 37 Hình 3.5 Chọn các module cho cấu hình phần cứng trạm 38 Hình 3.6 Mở khối OB1 38 Hình 3.7 Nơi viết chương trình cho PLC 39 Hình 3.8 Giao diện Simatic S7 manager 39 Hình 3.9 chương trình điều khiển trên PLC S7-300. 43 Hình 4.0 Mặt trước của mô hình 46 Hình 4.1 Mặt sau của mô hình 47 Hình 4.2 Động cơ 1 chiều có giảm tốc 49 Hình 4.3 Bơm một chiều mini 50 Hình 4.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận 51 Hình 4.5 Hình ảnh thực tế của cảm biến 51 Hình 4.6 Van điện từ 52 Hình 4.7 Xi lanh khí nén 54 Hình 4.8 Nguyên lý làm việc của xy lanh khí nén 54 Hình 4.9 Relay trung gian 55 Hình 4.10 Nút nhấn 56 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 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 toan 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 . ABSTRACT This topic will address the interface design for remote control, data collection and monitoring of the mixing, filling and capping model. The interface is designed on Siemens' WinCC software with a beautifully designed and full of essential features for the operator as well as the system supervisor. The course also provides detailed instructions for you to lock the following can refer to programming on WinCC easily. Some programming sequences in basic Visual C ++ programming language combine with the Visual Basic programming language to display expressive information. With the necessary functions, user authorization in WinCC, interface design from the library, button creation, display of Analog Input or Output, display of small windows in large windows, switching between Various image files, Alarm alert or export data to Excel ... The Siemens S7-300 PLC is also a high-end Siemens PLC that is widely used in large and medium auto parks with high quality and stable requirements. Simple design control model with 3 sinks providing material feed and fuel mixing, in this model use ultrasonic sensor to determine the water level in the mixing tank and collect the data to WinCC. Other sensors include optical sensors for locating the cylinders, magnetic sensors locating cylinders, capacitive sensors for determining water levels in cylinders and compressed air systems also used. Conveyors can be adjusted manually, but the latter can be upgraded to control the speed of the motor with Analog Ouput to develop the subject. Due to many difficulties and funding, the model has not been completed as expected. Hope you read this topic to be able to cater to your needs in learning or in the process of working at SCADA factories. LỜI NÓI 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. 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 trên 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 nới sản xuất để quan sát. Những điều trên chứng tỏ tầm quan trọng của việc ứng dụng WinCC trong lĩnh vực tự động hóa. Việt Nam là nước đang phát triển thì nhu cầu hiện đại hóa trong công nghiệp là điều hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế cũng như nhu cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Là những sinh viên theo học chuyên ngành “ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa” 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 lí do trên em đã chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát quá trình chiết rót và đóng nắp chai tự động ”. Đề tài gồm có các nội dung chính như sau: Chương I: Tổng quan về dây chuyền chiết rót, vặn nắp chai. Chương II: Tổng quan về Simatic S7-300 . Chương III: Chương trình điều khiển, mô hình thực tế. Chương IV: Tổng kết và hướng phát triền 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. 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. Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện) Giảng viên đánh giá:....................................................................................................... Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV: Tên đồ án: ................................... ................................... .............................................. .. Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20) 1 Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng của đồ án 1 2 3 4 5 2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5 3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5 4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được 1 2 3 4 5 Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15) 5 Mục tiêu và phương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5 6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng. 1 2 3 4 5 7 Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai. 1 2 3 4 5 Kỹ năng viết (10) 8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định 1 2 3 4 5 9 Kỹ năng viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5 Kết quả nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp) 10a Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế 5 10b Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành 2 10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0 Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi về thang 10 3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Nghệ An, ngày..tháng 05 năm 2017 Người nhận xét CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT, VẶN NẮP CHAI Tổng quan về dây chuyền Phạm vi áp dụng Cơ sở sản xuất sữa, sữa tươi, sữa chưa và các loại nước uống tinh khiết đóng chai hoặc nước khoáng hoặc các loại nước uống không ga khác. Chai nước sử dụng: Loại chai PET có dung tích từ250ml đến 2250ml. Yêu cầu thiết kế Điện áp sử dụng: 1 pha 220V, 50Hz hay 3 pha 380V, 50 Hz. Dòng tải: Tùy theo công suất bơm sử dụng và các thiết bị ngoại vi khác, thông thường không nhỏ hơn 5A. Các biện pháp an toàn điện: Hệ thống 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 kế bằng 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 sữa: Vật tư, thiết bị lọc đạt chuẩn. Hình 1.1 Hệ thống chiết rót, đóng nắp sữa Hình1.2 Thiết bị chiết rót sữa 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. 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. Sau khi rửa, chai PET sẽ được đưa vào vịtrí chiết rót, các cánh tay đòn sẽ giữ chặt cổ chai 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. 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 1.3 Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động 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. Các công nghệ trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp, đóng thùng 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. 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 cúp điện. 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. Hình 1.4 Máy kiểm tra khuyết tật chai 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 ga, nước không ga, 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 trongkhoảng 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. Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có: 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 hứa, 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 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 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. 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 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. 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