BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Đồ án môn học 3:

GVHD: TRẦN MẠNH SƠN
SVTH : BÙI XUÂN THÀNH
PHAN THẾ HÀ

TP.Hồ Chí Minh, Tháng 1 năm 2013

09202048
09202011


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Sơ đồ khối của dây chuyền sản xuất cà phê
Hình 2.2. Sơ đồ chi tiết hệ thống
Hình 3.1. CPU 314C-2-PTP
Hình 3.2. Bộ nguồn PS 307
Hình 3.3. Cảm biến E3F3
Hình 3.4. Sơ đồ mạch động lực
Hình 3.5. Sơ đồ mạch điều khiển
Hình 4.1. Lưu đồ chương trình điều khiển quy trình hoạt động của hệ thống
Hình 4.2. Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 1
Hình 4.3. Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 2
Hình 4.4. Giao diện giám sát hệ thống sản xuất cà phê bột

............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................
............................................................................................................................................................

TP.Hồ Chí Minh, ngày… Tháng… năm 2013
Giáo viên hướng dẫn

iii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy
tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy
cô khoa Điện - Điện Tử đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích tạo tiền đề
quan trọng cho nhóm thực hiện đồ án này.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy TRẦN MẠNH SƠN đã
hướng dẫn tận tình, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng giúp nhóm có nhiều
điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Cảm ơn bạn bè đã góp ý kiến, giúp đỡ nhóm hoàn thành đề tài này.

Nhóm thực hiện

các thiết bị mạch số khác. PLC có thể lập trình dễ dàng không đòi hỏi người sử
dụng phải có kiến thức sâu về vi tính hay ngôn ngữ lập trình. Do vậy việc ứng dụng
PLC trong điều khiển dây chuyền sản xuất sẽ phát huy hiệu quả tốt, nâng cao năng
suất, tăng nguồn thu nhập cho nhà sản xuất.
Khi một dây chuyền sản xuất đang hoạt động, để đảm bảo quá trình hoạt động
diễn ra được an toàn, hiệu quả thì nó phải luôn được vận hành, kiểm tra, giám sát
thường xuyên, để kịp thơi phát hiện các sự cố xảy ra và xử lý một cách nhanh
chóng, để quá trình sản xuất được diễn ra liên tục, đảm bảo năng suất và chất
lượng. Giảm được chi phí sản xuất, bảo trì. Quá trình giám sát toàn bộ hệ thống là
rất phức tạp nhưng nó sẽ trở nên đơn giản khi ta ứng dụng hệ thống thu thập dữ liệu
và điều khiển SCADA.
1.2. Mục tiêu và giới hạn của đồ án
Mục tiêu của đề tài nhằm thiết kế, điều khiển và giám sát một dây chuyền sản
xuất cà phê theo quy trình công nghiệp. Ứng dụng PLC vào quá trình điều khiển
5


Chương 1: Tổng Quan

các thiết bị, động cơ,… Ứng dụng WinCC cho hệ thống SCADA tạo giao diện điều
khiển và giám sát các quá trình đó.
Do thời gian, kinh phí còn nhiều hạn chế nên đề tài chỉ giới hạn việc thiết kế mô
phỏng mà không thể làm thành mô hình thực tế. Các quy trình công nghệ được thiết
kế không hoàn toàn giống so với thực tế, đã được lược bỏ nhiều công đoạn. Quá
trình điều khiển và giám sát chỉ thực hiện cho các động cơ, cảm biến là chủ yếu
theo quy trình công nghệ đặt ra. Các cảm biến có trong dây chuyền chỉ được tác
động bằng tay.
1.3. Nội dung đồ án
Nội dung của đề tài được tóm tắt như sau:
Chương 2: Quy trình công nghệ dây chuyền sản xuất cà phê bột

diện giám sát SCADA, khả năng xử lý tín hiệu từ các cảm biến và kết nối các thiết
bị cho các hệ thống giúp hỗ trợ rất nhiều cho quá trình hoạt động trong các lĩnh vực
chuyên nghành sau này.

7


Chương 2: Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cà Phê

Chương 2
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN
SẢN XUẤT CÀ PHÊ BỘT
2.1. Sơ lược về cách phân loại cà phê
Cà phê chia ra nhiều loại tùy theo cách rang. Rang cà phê là để cho bớt độ ẩm
trong hạt, dầu thơm tỏa ra. Chừng một thế kỷ trước, cà phê phải rang tại nhà bằng
lò than. Hiện nay người ta rang bằng gas hay bằng điện nhưng có nơi vẫn rang bằng
than, cho rằng rang bằng than ngon hơn.
Trong kỹ nghệ, cà phê được rang với số lượng lớn dùng nhiệt độ cao trong một
thời gian nhanh (khoảng 204 đến 2600 C trong vòng 5 phút). Gần đây nhất, cà phê
được kiểm soát bằng máy tính qua mọi tiến trình. Cà phê nay được bán trong các
tiệm bách hóa thường rang và xay ngay tại chỗ cho thêm phần quyến rũ và bảo đảm
với khách hàng là sản phẩm còn tươi nguyên mới ra lò.
Cà phê cũng phân biệt theo cách xay, xay mịn hay to hạt tùy theo cách pha.
Trong khoảng một trăm năm trở lại đây, người ta đã chế biến ra loại cà phê bột, chỉ
cần bỏ vào nước sôi là uống được. Cà phê bột được điều chế theo hai cách: làm khô
bằng cách đông lạnh (freeze drying) hay làm khô bằng cách phun (spray drying).
Cả hai đều phải được lọc trước để rút hết tinh chất rồi phun ra thành những hạt li ti
để làm khô. Nhiều kỹ thuật mới đã được thí nghiệm để cà phê bột không bị biến
dạng và mất mùi. Tuy nhiên những người khó tính vẫn cho rằng cà phê bột không
thể nào bằng cà phê pha được.


LIỆU
MÁY XAY

Hình 2.1: Sơ đồ khối của dây chuyền sản xuất cà phê
Khi hệ thống bắt đầu hoạt động ( nhấn ON ), nếu trong bồn nguyên liệu đã hết
cà phê (cảm biến hết bồn nguyên liệu 1 tác động) thì băng tải 1(băng tải nguyên
liệu) hoạt động đưa nguyên liệu vào bồn tới khi đầy ( cảm biến đầy bồn nguyên liệu
1 ) thì băng tải 1 ngưng. Đồng thời, khi nhấn ON van 1 mở đưa nguyên liệu vào
bồn rang, khi bồn rang đầy ( cảm biến đầy bồn rang) động cơ bồn rang chạy để trộn
đều cà phê trong khoản thời gian 5 phút, sau đó cà phê sẽ được đưa qua máy xay,
khi đầy bồn máy xay thì máy xay bắt đầu hoạt động trong vòng 5 phút để xay cà
phê thành bột. Sau khi cà phê được xay nát, cà phê được đưa vào bồn nguyên liệu
2. Băng tải 2 cũng hoạt động khi hệ thống bắt đầu hoạt động, băng tải 2 đưa hộp
vào vị trí xả của van 4, khi van 4 xả cà phê bột vào đầy hộp, băng tải 2 sẽ đưa hộp
đến vị trí để hoàn thành khâu đóng gói. Hệ thống ngưng hoạt động khi nhấn nút
OFF.

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết hệ thống
3


Chương 2: Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cà Phê

4


Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

Chương 3

Để module CPU hoạt động được cần có một bộ nguồn cung cấp. Điều kiện chọn
bộ nguồn là :
-

Nguồn cấp cho bộ nguồn phù hợp với lưới điện.
4


Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

-

Ngõ ra của bộ nguồn phù hợp điều kiện về áp, dòng với ngõ vào của CPU

-

Phù hợp kích thước để kết nối được với module CPU

Bộ nguồn PS 307 như hình 3.2 được chọn vì thõa hết các điều kiện trên. Thông
số kỹ thuật xem bảng 3.2.
Thông số kỹ thuật CPU 314C-2-PTP

Hình 3.1: CPU 314C-2-PTP

Mã sản phẩm

6ES7313-6BF030AB0

Nguồn cung cấp


256

Bộ nhớ

64kB ram

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật CPU

5


Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

Thông số kỹ thuật PS 307
Mã sản phẩm 6ES7307-1KA01-0AA0

Hình 3.2: Bộ nguồn PS 307

INPUT

120/230 VAC

OUTPUT

24VDC/10A

Bảng 3.2: Thông số bộ nguồn PS 307

3.1.2. Lựa chọn cảm biến cho hệ thống
Cảm biến được chọn phải đáp ứng được yêu cầu điều khiển như:


Để các động cơ hoạt động ổn định và an toàn thì các thiết bị điều khiển và bảo
vệ cũng cần phải được chọn sao cho phù hợp với từng động cơ. Các thiết bị được
chọn như bảng 3.5.

Thông số kỹ thuật cảm biến E3F3
Nguồn cấp
12 to 24 VDC
Ngõ ra
Logic/PNP
Khoản cách phát
Tối đa 300mm
hiện
Công suất tiêu thụ
Tối đa 25mA
Ngõ ra transistor collector
Ngõ ra điều khiển
hở, tối đa 100mA, điện áp
dư: tối đa 1V ở 100mA

Hình 3.3: Cảm biến E3F3

Tên thiết bị

Động cơ băng tải
1

Động cơ băng tải
2


0.85
Cos ϕ
Hiệu suất
80
(%)
Tốc độ trục
300v/ph
ra
Hãng sản
Rossi
xuất
Công suất
3Hp
Điện áp
3 pha, 380V50Hz
0.85
Cos ϕ
Hiệu suất
85
(%)
Tốc độ trục
50v/ph
ra
7


Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng
Hãng sản
xuất
Công suất

Nút nhấn

Hình ảnh

Thông số kỹ thuật
Dãi điều
chỉnh
3.6…5.7A
dòng
Tự động hoặc
Reset
bằng tay, chỉ thị
TRIP
Công
4 kw
suất
Tiếp
1 NC, 1 NO
điểm
Điện áp
3P - 380 V
Dòng
25 A
điện
Điện áp
380V/415 V
Dòng
định
10A
mức

Nhằm hỗ trợ cho người vận hành có tầm nhìn tổng quan về cơ cấu kết nối
nguồn của toàn hệ thống, từ các sơ đồ phần cứng này người vận hành sẽ biết được
chính xác nguồn hoạt động cũng như điều khiển của các thiết bị. Tổng quan về việc
kết nối phần cứng bao gồm các sơ đồ kết nối mạch động lực, sơ đồ kết nối mạch
điều khiển.
3.2.1. Sơ đồ mạch động lực
Sơ đồ mạch động lực được trình bày chi tiết như hình 3.4, cho thấy rõ cách thức
cấp nguồn sử dụng cho từng thiết bị động lực có trong hệ thống. Nguồn 3 pha cấp
cho mạch động lực được lấy từ nguồn 3 pha của lưới điện nhà nước kéo tới có điện
áp pha 220V, tần số 50Hz phù hợp với tất cả động cơ trong hệ thống. Các thiết bị
trọng mạch có những nhiệm vụ khác nhau như:
-

CB tổng mạch động lực làm nhiệm vụ đóng cắt cho toàn mạch động lực.
CB1, CB2, CB3, CB4 làm nhiệm vụ đóng cắt từng động cơ trong hệ thống.
K1, K2, K3, K4 là các tiếp điểm contactor dùng để khởi động các động cơ.

-

R1, R2, R3, R4 là các rơ le nhiệt dùng để bảo vệ quá tải các động cơ.

3.2.2. Sơ đồ mạch điều khiển
Sơ đồ mạch điều khiển được trình bày như hình 3.5, nhằm cho người vận hành
biết được cách kết nối các thiết bị vào ra để có thế khắc phục sự cố khi xảy ra hư
hỏng thiết bị. Các thiết bị kết nối và ngõ vào, ngõ ra được trình bày như bảng 3.7.

9


Chương 3: Lựa Chọn Thiết Bị Và Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng

Cảm biến hết bồn nguyên liệu
Cảm biến đầy bồn rang
Cảm biến có hộp
Cảm biến đầy hộp
Tiếp điểm Rn1
Tiếp điểm Rn2
Tiếp điểm Rn3
Tiếp điểm Rn4

Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
Q1.0
Q1.1
Q1.2
Q1.3

Cuộn dây contactor Đc máy xay
Cuộn dây contactor Đc băng tải 2
Van 1
Van 2
Van 3
Van 4
Đèn sự cố băng tải 1
Đèn sự cố băng tải 2
Đèn sự cố động cơ bồn rang
Đèn sự cố máy xay

Lưu đồ chương trình điều khiển quy trình hoạt động của hệ thống như hình 4.1
trình bày các quá trình hoạt động của hệ thống, các bước hoạt động như sau: Khi
nhấn ON van 1 mở ra xả cà phê nhân đã qua sơ chế ban đầu vào bồn nguyên liệu 1.
Khi bồn nguyên liệu 1 đầy ( CB đầy bồn nguyên liệu 1 phát hiện) van 1 đóng đồng
thời động cơ bồn rang hoạt động để trộn đều cà phê khi rang trong 5 phút. Sau đó
van 2 mở trong 1 phút đưa cà phê vào bồn máy xay, lúc này động cơ bồn rang vẫn
hoạt động để đưa toàn bộ cà phê vừa rang ra khỏi bồn rang. Khi van 2 đóng, máy
xay bắt đầu hoạt động để xay cà phê thành bột trong 5 phút. Sau đó van 3 mở để
đưa cà phê bột vào bồn nguyên liệu chờ đưa đi đóng gói trong thời gian 1 phút,
trong khi van 3 mở thì máy xay vẫn hoạt động để đưa hết cà phê ra khỏi bồn máy
xay. Để hệ thống hoạt động liên tục thì khi van 2 đóng thì van 1 bắt đầu xả và tiếp
tục 1 chu kì mới. Hệ thống ngừng hoạt động khi nhấn OFF hoặc có sự cố của các
động cơ.
4.1.2. Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 1
Lưu đồ chương trình điều khiển băng tải 1 như hình 4.2 trình bày quá trình hoạt
động của băng tải 1, quá trình hoạt động như sau: Nếu trong bồn nguyên liệu hết
cà phê nhân đã qua sơ chế ban đầu ( CB hết bồn nguyên liệu phát hiện) thì băng tải
11


Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển

1 hoạt động đưa cà phê vào bồn tới khi nào đầy ( CB đầy bồn nguyên liệu phát
hiện) thì băng tải ngừng. Quá trình cứ như thế mà hoạt động và quá trình ngừng khi
nhấn OFF hoặc có sự cố ở các động cơ.

Hình 4.1: Lưu đồ chương trình điều khiển quy trình hoạt động của hệ thống
12



4.4. Kết quả thực hiện

14


Chương 4: Thuật Toán Điều Khiển

Hệ thống đã được thiết kế theo đúng yêu cầu công nghệ đặt ra và được trình bày
cụ thể như sau:
Ban đầu khi nhấn ON thì hệ thống bắt đầu hoạt động. Đèn báo nhấp nháy, van 1
xả nguyên liệu vào bồn rang, băng tải 2 cũng hoạt động đưa hộp vào vị trí như hình
4.5.

Hình 4.4: Giao diện giám sát hệ thống sản xuất cà phê bột

1
2

ON
OFF

Địa
chỉ
M0.0
M1.5

3

CBDAYBONNGUYENLIEU1


DCBT2

M0.3
M0.6
M0.7
M1.1
M1.2
M1.3
M1.4
A0.0
A0.1
A0.2
A0.3

STT

Tag

Chức năng
Khởi động hệ thống
Ngừng hệ thống
Cảm biến phát hiện đầy bồn nguyên
liệu
Cảm biến phát hiện hết bồn nguyên
liệu
Cảm biến phát hiện đầy bồn rang
Cảm biến phát hiện có hộp
Cảm biến phát hiện cà phê đầy hộp
Rơ le nhiệt động cơ băng tải 1
Rơ le nhiệt động cơ băng tải 2