LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi mà khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì lại càng đòi
hỏi phải tìm ra các giải pháp công nghệ mới và PLC là một trong số những thiết
bị thiết yếu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.Vì thế, đi sâu
vào nghiên cứu phát triển PLC không nằm ngoài mục tiêu phát triển của ngành
công nghiệp hiện đại.
Trong tình hình cơ cấu kinh tế nước ta hiện nay, nông nghiệp chiếm tới
80% , vì thế ngành công nghiệp sản xuất phân bón chiếm một vai trò vô cùng
quan trọng. Việc điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất sẽ ảnh hưởng tới
chất lượng phân bón cũng như năng suất của ngành nông nghiệp. Với những
kiến thức đã tiếp thu được sau những năm học tập tại ngành Điện Tự Động
thuộc khoa Điện - Điện Tử , trường đại học Hàng Hải Việt Nam, cùng với việc
tham khảo một số mô hình thực tế, em đã chọn đề tài tốt nghiệp : “ Thiết kế điều
khiển và giám sát dây chuyền sản xuất phân bón NPK”.
Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử,
đặc biệt là thầy Hoàng Xuân Bình và cô giáo Vũ Thị Thu, em đã hoàn thành đề
tài nói trên. Nội dung đồ án của em gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về dây chuyền sản xuất phân NPK.
Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất phân NPK
dùng PLC S7-300.
Chương 3. Xây dựng chương trình giám sát trên WinCC.
Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã cố gắng hoàn thành một cách tốt
nhất công việc của mình. Do kiến thức và kinh nghiệm có hạn nên đồ án của em
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp quý
báu của các thầy cô và các bạn để bản thiết kế này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Trọng Đạt
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PHÂN NPK
1.1. Giới thiệu chung về phân NPK [4]

chế rụng quả, tăng độ lớn của củ quả, tăng năng suất và chất lượng nông sản,.
Thiếu Kali cây sẽ bị úa vàng dọc, mép lá, chớp lá chuyển màu nâu, các
triệu chứng lan dần vào phía trong, từ chớp lá trở xuống. Cây trồng thiếu Kali sẽ
còi cọc, thân yếu nên dễ bị đổ ngã.
1.1.3. Phân loại
Trên thị trường hiện nay đang có các loại phân NPK sau đây:
- Loại 2 yếu tố N - P hoặc P - K, hoặc N – K với tỉ lệ NPK:
20-20-0 hoặc 20-0-20 hoặc 0-1-3
- Loại 3 yếu tố N P K với tỉ lệ 20-20-10 hoặc 20-10-25
- Loại 4 yếu tố N P K Mg (S,Ca ) có tỉ lệ 14-9-21-2 hoặc 16-
16-8-13
1.2. Quy trình công nghệ sản xuất phân NPK
1.2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ
a. Nguyên liệu sản xuất
Để có được sản phẩm phân NPK chất lượng cao thì điều đầu tiên cần lưu
ý đó là nguyên liệu đầu vào. Nguyên liệu phải đảm bảo về mặt chất lượng, ít bị
lẫn tạp chất, được bảo quản trong điều kiện tốt nhất có thể.
Nguyên liệu đầu vào là dạng viên sẽ được sơ chế và đưa vào kho chứa.
Điều kiện bảo quản trong kho chứa phải đảm bảo cho nguyên liệu không có độ
ẩm quá cao tạo điều kiện thuận lợi cho các khâu sản xuất sau này.
b. Sơ đồ sản xuất phân NPK [4]
Dựa vào quy trình sản xuât NPK của các nhà máy, ta có sơ đồ sản xuất
phân NPK như sau
3
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất phân NPK
c. Quy trình công nghệ
Các công đoạn trong quy trình công nghệ sản xuất phân bón NPK được
cha thành 07 công đoạn :
• Nghiền nguyên liệu
Mục đích của quá trình nghiền nhiên liệu nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ

độ đồng đều của sản phẩm cuối cùng. Các hạt nhỏ sau càng được tuần hoàn lại
cũng có khả năng tạo mầm, chính các hạt này giúp quá trình hình thành mầm
nhanh hơn và nhiều hơn.
Quá trình hạt trưởng thành được tiến triển như sau: các hạt nhỏ khi
chuyển động vào vị trí phun nước hơi, sẽ được tạo một lớp ngoài ẩm (vị trí này
thường nằm thấp hơn vị trí hạt bắt đầu lăn xuống một chút – khoảng 1/5 đường
kinh thiết bị ) sau khi lăn xuống phần đáy thiết bị sẽ được bán thêm 1 lớp
nguyên liệu, hạt theo lực ma sát, lực li tâm sẽ lăn lên trên phía trên thiết bị, quá
trình lăn hạt do hạt quay theo nhiều chiều vì vậy lớp bột bị ép chặt vào hạt, khi
hạt lăn vào khu phun hơi nước quá trình như trình bày trên tiếp tục xảy ra, như
vậy hạt ngày càng to lên, và có xu hướng nổi lên trên bè mặt hỗn hợp, và tự trào
ra ngoài thiết bị. Như vậy quá trình cấp liệu là liên tục, cấp hơi nước là liên tục
và bán thành phẩm tạo ra cũng liên tục.
• Sấy
Mục đích của công đoạn sấy là tạo độ ẩm của hạt theo yêu cầu 2÷4% để
làm tăng độ cứng và tránh hiện tượng kết khối hạt.
Sau quá trình vê viên tạo hạt, NPK bán thành phẩm có độ ẩm khoảng
4.5÷6.0% được băng tải đưa chuyển vào máy sấy thùng quay. Máy sấy thùng
quay hoạt động theo nguyên lý sấy ngược chiều, phân bón có trạng thái nóng ẩm
được đưa vào ngược chiều với dòng khí trong thùng sấy, khi ra phân bón có
5
dạng nóng –khô. Đồng thời trong quá trình này người ta trộn them chất độn vào
nhằm tránh sự kết dính giữa các hạt phân. Khi nóng được cấp từ hệ thống lò hơi
đốt than thông qua hệ thống quạt hút và quạt đẩy ( vì phân bón không cần độ
trắng nên dung than sẽ tiết kiệm hơn dầu FO). Khí nóng dung để sấy NPK có
nhiệt độ khoảng 250-200
0
C và độ ẩm đạt 2÷4%. Dòng khí nóng sau khi trao đổi
nhiệt với NPK sẽ hạ xuống còn 110
0

6
định lượng, tiếp đó đóng miệng bao sản phẩm bằng máy khâu bao. Sau khi khâu
xong, bao phân sẽ được băng tải chuyển xuống xe đẩy đưa vào kho.
1.2.1. Mô hình sản xuất và nguyên lí hoạt động của mô hình [1;232]
a. Mô hình sản xuất
Hình 1.3. Mô hình sản xuất phân NPK
Băng tải 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7: Các băng tải đưa nguyên liệu vào các khâu.
Để truyền động các băng tải này người ta dùng các động cơ không đồng bộ 3
pha roto lồng sóc
Van1, van2, van3, van4, van5, van6, van7, van8: các van cung cấp hoặc
xả nguyên liệu khi một khâu trong dây chuyền kết thúc. Đây là các van điện từ
có cấu tạo gồm 1 nam châm điện. Khi nam châm điện được cấp điện nó sẽ tác
động làm van mở ra. Khi mất điện, lò xo sẽ tác động làm van đóng lại
7
CB-1, CB-2, CB-3 :Các cảm biến đo khối lượng nguyên liệu đầu vào
đảm bảo tỉ lệ các thành phần của phân NPK
CB- đầy 1, CB- cạn 1, CB- đầy 2, CB- cạn 2, CB- đầy 3, CB- cạn 3: các
cảm biến lượng nguyên liệu trong bồn của mỗi khâu trong dây chuyền
CB4. Cảm biến phát hiện có bao
CB-SP: cảm biến phát hiện có 1 sản phẩm đã hoàn thành
Van hơi nước: cung cấp hơi nước cho khâu tạo hạt
b. Nguyên lí hoạt động của mô hình
Khi nhấn nút start thì băng tải 1 ( chứa Kali), băng tải 2 ( chứa Lân dạng
bột), băng tải 3 ( chứa DAP) hoạt động để đưa nguyên liệu vào bồn chứa để định
lượng đồng thời băng tải 7 hoạt động và dừng khi cảm biến 4 báo ( phát hiện có
bao) để đưa bao phân vào vị trí để đựng phân thành phẩm. Cùng lúc này van 8
mở để đưa phân từ bồn chứa vào bao.
Khi cảm biến 1 báo ( đã đủ trọng lượng) thì băng tải 1 dừng đồng thời
van 1 mở ra để dưa Kali vào bồn nghiền.
Khi cảm biến 2 báo ( đã đủ trọng lượng) thì băng tải 2 dừng, đông thời

trong 2 phút rồi dừng. Sau đó băng tải 7 (băng tải chở bao) chạy để đưa bao vào
vị trí, dây truyền tiếp tục hoạt động.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT PHÂN BÓN NPK DÙNG PLC S7-300
2.1. Tổng quan về PLC S7-300 và phần mềm STEP7
2.1.1. Giới thiệu về PLC S7-300
a. Lịch sử phát triển và vai trò của PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được
sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors
vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều
khiển rời rạc cồng kềnh.
Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự
theo chu kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và AMD
2903 trở nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ
lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn.
Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật
truyền thông, khoảng 200 mét.[2;3]
9
Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện tự
động hoá, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể
lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối
chuyên dụng hay lập trình bằng tay.
Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm
và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới.
Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc
lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley,
General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…
PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic
S500/505. Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như:

- Module nguồn (PS).
- Modul mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM) gồm có DI, DO,
DI/DO, AI, AO, AI/AO.
- Module ghép nối (IM).
- Module chức năng điều khiển riêng (FM).
- Module phục vụ truyền thông (CP).
M
COIL
VALE
PS CPU
SM:
DI
SM:
DO
FM
SM:
AI
SM:
AO
IM CP
Hình 2.1: Cấu trúc chung 1 trạm PLC S7-300.
• Modul nguồn PS 307 của PLC S7-300
Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V
thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC. Ngoài
11
ra còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có
công suất nhỏ. Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía dưới của
CPU tuỳ theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo chiều dọc. Module nguồn
PS307 có 3 loại: 2A, 5A và 10 A.
Mặt trước của module nguồn gồm có:

Digital Output Module: Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ
xuất các tín hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra
số:
 SM 322 DO16xAC120V/0.5A
 SM 322 DO16xDC24V/0.5A
 SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, …
Digital Input/ Output Module: module mở rộng các cổng vào/ra số. Tích
hợp nhiệm vụ của hai loại module trên. Gồm có các loại sau:
 SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A
 SM 323 DI8/DO8x24V/0.5A
 SM 323 DI8/DO8xDC24V/0.5A…
Analog Input Module: Module mở rộng các cổng vào tương tự, có nhiệm
vụ chuyển các tín hiệu tương tự từ bên ngoài thành các tín hiệu số để xử lý bên
trong S7-300. Gồm các loại module sau:
13
 SM 331 AI2x12bit
 SM 331 AI8x12bit
 SM 331 AI8x16bit…
Analog Output Module: Module mở rộng các cổng ra tương tự, có nhiệm
vụ chuyển các tín hiệu số bên trong S7-300 thành các tín hiệu tương tự để phục
vụ cho quá trình hoạt động của các thiết bị bên ngoài. Gồm các loại module sau:
 SM 332 AO2x12bit
 SM 332 AO4x12bit
 SM 332 AO4x16bit…
Analog Input/Output Module: là module tích hợp nhiệm vụ của hai loại
trên. Gồm có:
 SM 334 AI4/AO2
 SM 334 AI4/AO2x12bit
 SM 334 AI4/AO4x14/12bit…
Hình 2.3: Module vào ra số (DI/DO) và tương tự (AI/AO)

tham trị với hệ điều hành và với các khối chương trình khác (local block).
e. Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là
vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ
cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.
Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết
thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai
đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được
kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Hình dưới đây biểu diễn vòng quét chương trình của PLC S7-300
16
Truyền thông và kiểm tra nội bộ
chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I
Thực hiện chương trình
Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra
Vòng quét
Hình 2.6. Vòng quét chương trình
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian
vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định mà tuỳ thuộc vào số
lệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyền thông
trong vòng quét đó.
Đối với các cổng vào ra tương tự không liên quan tới bộ đệm I và Q nên
các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ
không thông qua bộ đệm.
17
f. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở
rộng thông qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của
các module số (DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input
table-I). Cuối mỗi vòng quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output

trình ứng dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1. Cấu trúc này có ưu điểm là gọn,
rất phù hợp với những bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.
• Lập trình cấu trúc
Lập trình cấu trúc là phương pháp lập trình mà trong đó chương trình
được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm
trong những khối chương trình khác nhau, tương tự như việc thực hiện chương
trình con. Cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ,
phức tạp và thường sử dụng các khối cơ bản sau:
Khối OB (Orgnization block): là khối tổ chức và quản lý chương trình
điều khiển. Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau. Chúng được
phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB. Ví dụ: OB1,
OB3, OB40,…
Khối FC (Program block): khối chương trình với những chức năng riêng
giống như một chương trình con hoặc một hàm.
19
Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này
được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FC. Ví dụ:
FC1, FC2,
Khối FB (Function block): là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi
một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Các dữ liệu này phải
được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Trong một
chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này cũng được
phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FB. Ví dụ: FB1,
FB2,
Khối DB (Data block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện
chương trình. Các tham số của khối do người sử dụng tự đặt. Trong một chương
trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này cũng được phân
biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự DB. Ví dụ: DB1, DB2,
20
Hình 2.9: Lập trình cấu trúc

Ta xét dây chuyền sản xuất phân bón NPK như hình sau:
22
Hình 2.10. Mô hình sản xuất phân NPK
Ta thấy đây là một dây chuyền rất phức tạp vì nó có 7 khâu sản xuất. Vì
thế việc điều khiển cho dây chuyền hoạt động là một công việc hết sức khó khăn
Để bài toán trở lên đơn giản, dễ dàng trong việc quản lí sau này ta sẽ
chia dây chuyền ra làm năm khâu nhỏ:
- Định lượng và nghiền nguyên liệu
- Trộn nguyên liệu
- Tạo hạt và sấy
- Phân loại và làm nguội
- Đóng bao và lưu kho
a. Định lượng và nghiền nguyên liệu.
23
Hình 2.11. Khâu định lượng và nghiền nguyên liệu
• Nguyên lí hoạt động
Khi ấn start, băng tải 1, băng tải 2, băng tải 3 hoạt động đưa nguyên liệu
vào silo để cân định lượng từng thành phần.
Khi cảm biến 1, 2, 3 báo tương ứng với khối lượng Kali, Ure, DAP đã đủ
thì băng tải 1, 2, 3 sẽ dừng đồng thời van 1, 2, 3 mở ra đưa nguyên liệu xuống
bồn nghiền.
Nguyên liệu xuông bồn nghiền đến khi cảm biến đầy 3 báo ( bồn nghiền
đã đầy) thì van 1, 2, 3 đóng, đồng thời động cơ nghiền hoạt động trong vòng 15
phút. Sau 15 phút, động cơ nghiền dừng lại, van 4 ( van xả bồn nghiền) xả đưa
nguyên liệu sang khâu trộn.
Nguyên liệu được xả cho đến khi cảm biến cạn 1 báo ( bồn nghiền đã
cạn ) thì van 4 đóng lại, dây chuyền tiếp tục hoạt động lại từ đầu.
• Mạch động lực
Từ mô hình trên, ta thấy hệ thống có 3 động cơ truyền động băng tải và 1
động cơ truyền động bồn nghiền. Đây đều là những động cơ không đồng bộ ba