BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
-------

-------

PHẠM VIỆT ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
GIÁM SÁT CHO QUÁ TRÌNH RÓT THÀNH PHẨM TẠI
CÔNG TY CỔ PHẦN XUẤT NHẬP KHẨU ĐỒNG GIAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI , 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
-------

-------

PHẠM VIỆT ANH


LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển tự động dây
chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả tại công ty cổ phần xuất nhập khẩu
Đồng Giao tỉnh Ninh Bình" được hoàn thành với sự nỗ lực nghiêm túc của
bản thân, sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơm thầy giáo: TS. Ngô Trí Dương đã hướng
dẫn, định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, công nhân viên Công ty cổ
phần xuất nhập khẩu Đồng Giao về sự giúp đỡ trong quá trình tìm hiểu, thu
thập số liệu từ thực tế của dây chuyền.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo Bộ môn Tự
Động Hóa, Khoa Cơ - Điện, Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam đã tạo điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong công tác nghiên cứu.Với thời gian và kiến
thức có hạn chắc chắn luận văn sẽ còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô và
các bạn đồng nghiệp góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn
Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2014
Tác giả luận văn

Phạm Việt Anh

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page ii


MC LC
LI CAM OAN

i


2

4. Nội dung nghiên cứu

2

5. Phạm vi nghiên cứu

2

6. Phơng pháp nghiên cứu

3

7. ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

3

Chơng 1: Tổng quan về dây chuyền đóng hộp Nớc
hoa quả

4

1.1 Giới thiệu chung về công ty

4

1.2 Tổng quan về dây chuyền đóng hộp nớc hoa quả

4

2.1 Giới thiệu một số thiết bị của máy rót

14

2.1.1 Hệ thống điều khiển băng tải và bàn nâng

15

Hc vin Nụng nghip Vit Nam Lun vn Thc s Khoa hc K thut

Page iv


2.1.2 Cảm biến thùng

16

2.1.3 Cảm biến trọng lợng (Loadcell)

17

2.1.4 Cảm biến hành trình

18

2.1.5 Cảm biến hành trình piston mở nắp túi

19

2.1.6 Cảm biến tiệm cận điện dung OMRON E2K-C


2.3 Giới thiệu thiết bị đều khiển PLC và màn hình điều khiển

28

2.3.1 Giới thiệu PLC SattCon 05 Slimline

28

2.3.2 Giới thiệu màn hình điều khiển OP45

32

2.4. Gii phỏp iu khin

32

Chơng 3: Nghiên cứu, Thiết kế hệ thống điều khiển
giám sát cho quá trình rót thành phẩm dùng phần
mềm Wincc

34

3.1. Nghiờn cu v PLC S7-300.

34

3.1.1.Tng quan v PLC S7-300.

34


45

3.2.4 Lựa chọn module vào/ra số

45

Hc vin Nụng nghip Vit Nam Lun vn Thc s Khoa hc K thut

Page v


3.2.5 Lựa chọn module vào/ra tơng tự

47

3.3 Hệ thống điều khiển SCADA

49

3.3.1 Định nghĩa SCADA

49

3.3.2 Phân loại hệ thống SCADA

50

3.3.3 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA:


3.5.3. Quá trình rót sản phẩm

61

3.5.4. Chơng trình điều khiển rót sản phẩm

61

3.6. Thit k h iu khin giỏm sỏt cho quỏ trỡnh rút thnh phm nc da cụ
c ti Cụng ty xut nhp khu ng Giao

63

3.6.1 Giới thiệu phần mềm WinCC

63

3.6.2. Cỏch s dng Wincc

64

3.6.3. Thit k h iu khin giỏm sỏt cho quỏ trỡnh rút thnh phm nc da
cụ c

68

Kết luận và kiến nghị

85


Trang

Bảng 2.1

Đặc tính kỹ thuật của cảm biến nhiệt điện trở E52MY

21

Bảng 3.1

Mi hoá tín hiệu vào ra

57

Hc vin Nụng nghip Vit Nam Lun vn Thc s Khoa hc K thut

Page vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Tổng quan công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của nhà máy


9

Hình 2.1.

Máy rót thành phẩm

14

Hình 2.2.

Sơ đồ mạch điện truyền động bàn nâng và băng tải cuốn

15

Hình 2.3.

Cấu tạo của bơm thuỷ lực truyền động bàn nâng

15

Hình 2.4.

Cấu tạo bàn nâng và băng tải cuốn

16

Hình 2.5.

Cảm biến quang điện E3JM


Hình 2.11. Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở

20

Hình 2.12. Cấu tạo cơ cấu chấp hành

21

Hình 2.13. Ký hiệu và cấu tạo của van logic OR van FESTO OS-1/8-B)

22

Hình 2.14. Van một chiều

22

Hình 2.15. Sơ đồ điều khiển van đảo chiều tác động bằng tay

23

Hình 2.16. Cấu tạo piston tác động kép

24

Hình 2.17. Hệ thống van hơi của máy rót

25

Hình 2.18. Quá trình thanh trùng



Hình 2.25. Cấu hình của PLC SattCon 05 Slimline SD24D

31

Hình 2.26. Màn hình điều khiển OP45

32

Hình 3.1.

Cấu trúc của PLC S7-300

35

Hình 3.2.

Tổ chức bộ nhớ của CPU S7-300.

38

Hình 3.3.

Vòng quét chương trình

38

Hình 3.4.

Tạo New project


42

Hình 3.10. Màn hình chính của PLC

42

Hình 3.11. Chọn ngôn ngữ lập trình cho PLC

43

Hình 3.12. Khung soản thảo chương trình

43

Hình 3.13. Module nguồn PS 307 5A

44

Hình 3.14. Module CPU 314

45

Hình 3.15. Nguyên tắc lắp đặt các module

45

Hình 3.16. Sơ đồ khối SM 321 DI 16xDC 24V/321-1BH02-0AA0

46


65

Hình 3.25. Cách tạo kênh Driver kết nối

65

Hình 3.26. Cách tạo Driver kết nối vào mạng tương thích

66

Hình 3.27. Khai báo các thông số kết nối

66

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page ix


Hình 3.28. Khai báo tạo NewGruop

67

Hình 3.29. Tạo một Tag mới

67

Hình 3.30. Tạo một Picture


Hình 3.39. Cửa sổ tạo giao diện

72

Hình 3.40. Cửa sổ xác lập đặc tính thời gian chạy trong WinCC

73

Hình 3.41. Giao diện chung của hệ thống

73

Hình 3.42. Giao diện hệ thống

74

Hình 3.43. Giao diện chính hệ thống giám sát

74

Hình 3.44. Qúa trình kiểm tra điều kiện rót

75

Hình 3.45. Tín hiệu nhận thùng từ cảm biến G1

75

Hình 3.46. Nhận thùng vào vị trí rót



Hình 3.55. Bảng thông báo trọng lượng, nhiệt độ

82

Hình 3.56. Áp suất và nhiệt độ không đủ điều kiện

83

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page x


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ
thuật điện tử mà trong đó kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh
vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hoá. Các nhà máy ứng dụng tự
động hoá cho năng suất cao, điều khiển và giám sát chính xác. Ưu điểm của
hệ thống ứng dụng tự động hoá là giảm được số nhân công lao động do đó
giảm được chi phí sản xuất, làm giảm giá thành sản phẩm.
Toàn bộ dây chuyền công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của công ty
cổ phần xuất khẩu Đồng Giao được lắp đặt năm 2002 do tập đoàn Tetra Pak
lắp đặt và đào tạo công nhân vận hành. Tuy nhiên hệ thống này chưa được tự
động hoá hoàn toàn, hệ thống đôi lúc làm việc không ổn định và việc điều
khiển giám sát ở dạng màn hình text nên không thể quan sát được các thiết bị
hoạt động được. Hệ thống làm việc không ổn định gây trì trệ sản xuất, năng
suất giảm làm thiệt hại kinh tế cho nhà máy và phải phụ thuộc vào các chuyên
gia nước ngoài sang xử lý sự cố.

Nếu xét cả dây chuyền công nghệ sản xuất nước hoa quả thì rất phức
tạp do có nhiều biến vào và biến ra. Mặt khác công nghệ sản xuất nước ép hoa
quả cũng rất phức tạp. Vì vậy trong luận văn chỉ nghiên cứu máy rót sản
phẩm nước dứa cô đặc.
4. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát và đánh giá dây chuyền sản xuất hiện tại của nhà máy.
- Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển máy rót nước dứa cô đặc
- Thiết kế giao diện giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động
của máy rót sử dụng phần mềm WinCC (Windown Control Center). Đưa ra
cảnh báo tình trạng hoạt động của các thiết bị trong hệ thống.
5. Phạm vi nghiên cứu
- Phương tiện điều khiển: OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay
thế bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP;

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 2


- Giao tiếp máy tính thông qua phần mềm WinCC của công ty
SIEMENS;
- Chương trình điều khiển: soạn thảo bằng phần mềm Step7 của
SIEMENS.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Từ các dây chuyền công nghệ thực tế và lý thuyết điều khiển tự
động, điều khiển logic tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng
PLC S7-300;
- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiẻn giám sát hệ thống bằng
phần mềm Win CC .
7. ý nghÜa khoa häc vµ ý nghÜa thùc tiÔn

+ Dây chuyền nước dứa cô đặc
+ Dây chuyền đông lạnh IQF
+ Dây chuyền nước quả tự nhiên đóng hộp
1.2 Tổng quan về dây chuyền đóng hộp nước hoa quả
Dứa sau khi thu hoạch sẽ được đưa về kho sau đó được đổ vào bể đựng
dứa và đưa lên bể rửa. Ở bể rửa dứa sẽ được rửa sạch nhờ sự bơm nước tuần
hoàn dội vào quả dứa, mặt khác nhờ bơm thổi khí đẩy dứa từ dưới lên băng
tải. Băng tải đưa dứa lên máy phân loại, từ máy phân loại dứa sẽ được phân
thành hai loại là quả to và quả nhỏ. Sau đó dứa được băng tải chuyển sang
máy gọt vỏ và đục lõi. Lúc này công nhân sẽ làm việc gọt đục dứa, đồng thời
cũng loại bỏ những quả dứa bị hư hỏng. Dứa được gọt vỏ và đục lỗ xong sẽ
rơi xuống băng tải. Công nhân sẽ đưa dứa đến bàn và làm công việc gọt đầu

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 4


dứa và trổ mắt dứa tại đây. Tiếp đó dứa được đưa tới máy cắt khoanh, từ máy
cắt khoanh dứa lại được băng tải đưa đến máy đóng hộp.
Trước khi được đưa vào máy đóng hộp thì hộp sẽ được băng tải đưa
vào chiết định lượng để đóng dứa vào hộp. Sau khi dứa được đưa vào hộp thì
hộp sẽ theo băng tải ra ngoài để công nhân kiểm tra trọng lượng, nếu thiếu
trọng lượng họ sẽ đóng thêm dứa cho đủ. Khi dứa đã đủ trọng lượng công
nhân sẽ chuyển hộp sang băng tải để đưa hộp sang máy rót dịch. Rót dịch
xong hộp sẽ được băng tải đưa đến máy ghép mì. Máy ghép mì sẽ đóng kín
nắp hộp, sau đó hộp được đưa ra băng tải để đưa đến máy thanh trùng. Khi
thanh trùng xong thì hộp được thổi khô và được chuyển đến kho bảo quản.
Sau đó hộp được dán tem và in hạn sử dụng rồi chuyển về kho để tiêu thụ
Sơ đồ tổng quan công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc của nhà máy:

unit)
B¨ng t¶i ch¶i (Brushing)
unit)
B¨ng t¶i chän qu¶
VÝt t¶i (Incline elevator)

M¸y Poly fruit
Vá qu¶
VÝt t¶i (Screw conveyor)

M¸y Polypress

Bi døa

VÝt t¶i (Waste
conveyor)

M¸y Brown

Bån chøa

Silo

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ khu vực chích ép
1.2.1.2 Nguyên lý làm việc
Các giống dứa đều có thể dùng để chế biến nước dứa được, xong dứa
hoa cho sản phẩm có chất lượng tốt (màu vàng đẹp, hương vị thơm ngon) và
tiêu hoa nguyên liệu ít nhất. Không dùng dứa quá chín (đã có mùi rượu) hoặc
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật


Cụ c l quỏ trỡnh bc hi ca sn phm bng cỏch un sụi. Mc ớch
ca quỏ trỡnh cụ c l tng nng cht khụ trong sn phm, lm tng

Hc vin Nụng nghip Vit Nam Lun vn Thc s Khoa hc K thut

Page 7


sinh nng lng ca sn phm, ng thi kộo di c thi gian bo qun ( vỡ
hn ch vi sinh vt phỏt trin do ớt nc, ỏp sut thm thu cao)
Cỏc yu t nh hng n quỏ trỡnh cụ c thc phm:
- Khi tin hnh mt quỏ trỡnh cụ c thc phm ngi ta un núng
khi lng thc phm ti nhit sụi. Nc trong sn phm bc hi cho n
khi nng cht khụ ó t n nhit yờu cu thỡ ngng quỏ trỡnh cụ cv
cho sn phm ra khi thit b.
- Nhit sụi ca sn phm ph thuc vo ỏp sut hi trờn b mt,
nng cht khụ v tớnh cht vt lý, hoỏ hc ca sn phm.
- Khi ỏp sut hi trờn b mt ca sn phm cng thp thỡ nhit sụi
ca sn phm cng thp. Vỡ vy vic to chõn khụng trong thit b cụ c
s gim c nhit sụi ca sn phm. Hay núi cỏch khỏc l iu chnh
nhit sụi bng cỏch thay i nhit chõn khụng.
Sơ đồ công nghệ
Bán thành phẩm sau tâm ly
Bồn cân bằng

Bộ gia nhiệt trớc khi cô

Hiệu ứng cô thứ nhất

Hiệu ứng cô thứ hai

Page 9


Thiết bị thanh trùng cao áp Stockautovab 1100-4BV dùng để thanh
trùng các thiết bị rau quả, đồ uống. Thời gian thanh trùng tuỳ thuộc vào loại
sản phẩm và cỡ lon định thanh trùng vào khoảng (90÷100)phút/mẻ. Công suất
cho hệ thống thanh trùng:
+ Khoảng 2520lon/mẻ cho cỡ lon 150z, (73x113)mm
+ Khoảng 2040 lon/mẻ cho cỡ lon 200z, (84x113)mm
+ Khoảng 1416 lon/ mẻ cho cỡ lon 300z, (99x113)mm
Quy trình xử lý:
- Tiếp nhận sản phẩm
- Thiết bị thanh trùng này có thể chứa lon, trong đó lon được đựng
trên các tấm đựng bồn thùng chứa lon dày 3mm.
- Cửa Bayonet của thanh trùng được đóng lại đảm bảo không bị mở ra
bất ngờ.
- Xả nước vào trong nồi thanh trùng để bắt đầu thanh trùng một mẻ
mới, lượng nước này phải được tăng lên để đủ nước cho việc vận hành của hệ
thống tuần hoàn nước, hệ thống phun và bơm tuần hoàn nước.
- Gia nhiệt với áp suất đối áp: trong quá trình thanh trùng nước được
tuần hoàn rất nhanh bên trong thùng thông qua đường ống. Nước được tuần
hoàn bởi một bơm mạnh được đặt bên trong vỏ chứa và nằm phía ngoài thùng
thanh trùng, kết hợp với hệ thống đường ống tuần hoàn vì vậy nước trong
thùng chứa được gia nhiệt độ thanh trùng đã đặt trước. Nước tuần hoàn được
đặt phân bổ lên bồn thùng chứa lon đảm bảo cho việc gia nhiệt nhanh chóng.
Áp suất đối áp được sinh ra bởi một lượng khí nén và được điều khiển chính
xác bơm vào trong thùng thanh trùng cho đến khi đạt được áp suất đặt trước.
Vì vậy việc kiểm soát là hoàn toàn tự động, tuỳ thuộc vào nhiệt độ, áp suất đã
được lập trình trong PLC. Trong thực tế thời gian này được sử dụng để tạo áp
suất đối áp.

Hệ thống máy rót gồm hai máy: Máy rót I và máy rót II. Theo nguyên
tắc hai máy có thể hoạt động đồng thời xong do lưu lượng dòng dịch khống
chế chỉ 1500l/h do đó chỉ một máy làm việc, một máy chờ.
Cấu tạo bao gồm:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 11


+ Hệ thống van đóng mở bằng khí nén: V1, V2, V3, V4, V5, V6. V7
+ Hai động cơ: M2 chạy tiến và lùi cho băng tải.
M3 bơm dầu thủy lực có nhiệm vụ nâng hạ bàn cân.
+ Cảm biến trọng lượng.
+ Hai cảm quang nhận thùng để điều khiển bẳn tải vào thùng và ra
thùng.
Yêu cầu của hệ thống trước khi rót:
+ Áp suất hơi phải đạt 2,8 ÷ 3 bar.

+ Áp suất khí phải đạt: 6 bar.
+ Nhiệt độ thanh trùng nắp phải đạt 1200 ÷145°C.
Trong quá trình rót phải đảm bảo:
+ Áp suất hơi: 2,8 ÷ 3 bar.
+ Áp suất khí: 6 bar
+ Áp suất sản phẩm: 1,8 bar
Nguyên lý rót: khi đưa thùng vào vị trí của cảm biến nhận thùng G1,
băng tải làm việc đưa thùng vào vị trí rót. Nếu đủ điều kiện áp suất hơi, áp
suất khí thì van rót được mở, sản phẩm được rót vào túi. Trong quá trình rót
Loadcell cân trọng lượng theo nguyên lý cộng dồn. Có bốn mức nâng của bàn
nâng: khi trọng lượng đạt 35kg thì bàn nâng sẽ nâng thùng lên vị trí L2, khi
trọng lượng đạt 60kg thì thùng được nâng lên vị trí L3, khi thùng đạt 100kg

bên cung cấp thiết bị. Mặt khác với số lượng đầu vào và đầu ra không nhiều
mà sử dụng hai PLC là SDA và SDA24D sẽ không linh hoạt nhất là một trong
hai PLC bị sự cố. Điều này sẽ rất đơn giản nếu ta dùng một CPU S7-300 của
Siemens còn số đầu vào và đầu ra tuỳ chọn.
- Hệ thống van khí nén sử dụng để đóng mở hơi nóng trong quá trình
rót và vệ sinh thường xuyên bị hỏng hoặc làm việc không ổn định. Vấn đề này
gây khó khăn đối với kỹ sư trong nhà máy, vì hoạt động của các van còn phụ
thuộc vào hành trình của piston, của các cảm biến. Muốn khắc phục được bắt
buộc phải có phần mềm của PLC thì mới can thiệp được.
- Hệ thống hơi trong nhà máy được sử dụng cho rất nhiều công đoạn
sản xuất. Vì vậy áp suất thường xuyên làm ảnh hưởng đến các khâu sản xuất,
đặc biệt ảnh hưởng lớn đến quá trình rót sản phẩm.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 13


Chương 2: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ MÁY RÓT THÀNH PHẨM CỦA
CÔNG TY
2.1 Giới thiệu một số thiết bị của máy rót

Hình 2.1. Máy rót thành phẩm
Máy rót thành phẩm là công đoạn cuối cùng trong dây chuyền công
nghệ sản xuất nước hoa quả của công ty CPXNK Đồng Giao. Trong công
nghệ của nhà máy, sản phẩm được rót vào túi kim loại nên có ưu điểm nhẹ,
truyền nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao, nhược điểm của túi kim loại là độ bền
hoá học kém. Ngoài ra còn một loại túi nữa là túi trùng hợp có độ bền cao và
khắc phục được nhược điểm của túi kim loại. Hiện nay trên thế giới đang thay
thế dần túi đựng thuỷ tinh bằng túi kim loại hoặc túi trùng hợp.