TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
====o0o====

LUẬN VĂN
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TRÊN
NỀN WINCC VÀ PLC S7-300 CHO QUÁ TRÌNH CẤP LIỆU
NHÀ MÁY BIA

Giáo viên hướng dẫn
Học viên
Chuyên ngành
Lớp
MSHV

: GS.TS. Phan Xuân Minh
: Phạm Thanh Tùng
: Điều khiển và Tự động hóa
: 11BĐKTĐ
: CB110345

Hà Nội, 09-2013


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là

: Phạm Thanh Tùng

Sinh ngày


Phạm Thanh Tùng – CB110345

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các bảng biểu………………………………………………………….....3
Danh mục các hình vẽ……………………………………………………………….4
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….5
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUÁ TRÌNH
CẤP LIỆU NHÀ MÁY BIA……………………………………………………….7
1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia……………7
1.1.1 Dây chuyền cấp liệu…………………………………………………………...7
1.1.2 Hệ thống điều khiển cho quá trình cấp liệu nhà máy bia……………………...8
1.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia…9
1.2.1 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành bằng tay…………………………………9
1.2.1.1 Điều khiển nhập nguyên liệu………………………………………………...9
1.2.1.2 Điều khiển xuất nguyên liệu………………………………………………..14
1.2.2 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành tự động………………………………...17
1.3 Phát biểu bài toán điều khiển và giám sát cho dây chuyền cấp liệu nhà máy bia18
1.3.1 Bài toán điều khiển…………………………………………..………………18
1.3.1.1 Chế độ điều khiển bằng tay……………..………………………………….18
1.3.1.2 Chế độ điều khiển tự động…………………………………………………19
1.3.2 Bài toán giám sát……………………………………………………………..19
Chƣơng 2 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ………..……………….21
2.1 Thiết kế tổng quan hệ thống……………………………...…………………….21
2.2 Thiết bị quá trình……………………………………………………………….21
2.2.1 Động cơ truyền động cho các băng tải……………………………………….21
2.2.2 Van nhập và xuất liệu………………………………………………………...23
2.3 Thiết bị cảm biến……………………………………………………………….25

3.2.8 Lưu trữ và hiển thị thông tin lượng malt trong các silo………………………82
KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………...87
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….88
PHỤ LỤC CÁC BẢN VẼ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN……………………89

2


Phạm Thanh Tùng – CB110345

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng thông số động cơ truyền động cho các băng tải và gầu tải……..…22
Bảng 2.2. Bảng yêu cầu cấu hình của máy tính PC………………………………...28
Bảng 2.3 Bảng ghép nối các phần tử vào/ra cho PLC……………………………...32

3


Phạm Thanh Tùng – CB110345

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Dây chuyền cấp liệu nhà máy bia………………………………………….7
Hình 1.2 Tủ điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia…………………………...8
Hình 1.3 Màn hình điều khiển giám sát trong chế độ vận hành tự động…………...17
Hình 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia……….21
Hình 2.2 Biến tần họ SK của hãng Control Techniques……………………………24
Hình 2.3 Cảm biến từ tiệm cận E2E-X5F1…………………………………...……25
Hình 2.4 Cảm biến FMP40…………………………………………………………26
Hình 2.5 Bộ điều khiển PLC S7-300……………………………………………….27
Hình 2.6 Kiểu truyền thông MPI…………………………………………………...31

bia.
Chương 2: Thiết kế hệ thống tự động hoá.
Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trên nền WinCC cho quá
trình cấp liệu nhà máy bia.

5


Phạm Thanh Tùng – CB110345

Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân, đặc biệt là
sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của GS. TS. Phan Xuân Minh tác giả đã hoàn thành
luận văn này. Do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đồ án này không tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của bạn bè và quý
thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày … tháng… năm 2013
Học viên

Phạm Thanh Tùng

6


Phạm Thanh Tùng – CB110345

CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO
QUÁ TRÌNH CẤP LIỆU NHÀ MÁY BIA
1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà máy bia
1.1.1 Dây chuyền câp liệu



Phạm Thanh Tùng – CB110345

1.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển dây chuyền cấp liệu nhà
máy bia
Hệ thống điều khiển dây chuyền phải được vận hành ở hai chế độ: Tự động và
bằng tay

1.2.1 Yêu cầu công nghệ chế độ vận hành bằng tay
Ở chế độ vận hành bằng tay người vận hành sẽ nhấn các nút ấn trên bảng điều
khiển để nhập hoặc xuất nguyên liệu. Trạng thái đóng/mở của các van, chạy/dừng
băng tải sẽ được hiển thị bằng đèn trên bảng điều khiển

1.2.1.1 Điều khiển nhập nguyên liệu
Trong quá trình nhập nguyên liệu chúng ta phải khởi động các thiết bị theo
chiều từ cuối dây chuyền đến đầu dây chuyền, quá trình dừng diễn ra ngược lại, tức
là dừng các thiết bị từ đầu dây chuyền tới cuối dây chuyền.
Sau đây là yêu cầu công nghệ cho quá trình nhập nguyên liệu của từng silo
Silo 1
+ Bắt đầu nhập silo 1
 Điều khiển mở van nhập silo 1 bằng nút nhấn, khi van đã mở hoàn
toàn đèn trên nút nhấn sáng.
 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3, khi van đã
mở hoàn toàn đèn trên nút nhấn sáng.
 Điều khiển chạy băng tải số 2 bằng nút nhấn, khi băng tải đã chạy
đèn trên nút nhấn sáng.
 Điều khiển chạy gầu tải, khi gầu tải đã chạy đèn trên nút nhấn sẽ
sáng.
 Điều khiển chạy băng tải số 1.

 Điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3.
 Điều khiển dừng băng tải số 3.
 Điều khiển đóng van nhập silo 2.
Silo 3
+ Bắt đầu nhập silo 3
 Điều khiển mở van nhập silo 3, khi van đã được mở hoàn toàn thì
đèn trên nút nhấn sáng.
 Điều khiển mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 4, khi van đã
mở hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn sáng.
 Điều khiển chạy băng tải số 2, khi băng tải đã chạy thì đèn trên nút
nhấn sáng.
 Điều khiển chạy gầu tải, khi gầu tải đã chạy đèn trên nút nhấn
sáng.

10


Phạm Thanh Tùng – CB110345

 Chạy băng tải số 1.
+ Dừng nhập silo 3
 Điều khiển dừng băng tải số 1, khi băng tải đã dừng thì đèn trên
nút nhấn tắt.
 Điều khiển dừng gầu tải khi gầu tải đã dừng thì đèn trên nút nhấn
tắt
 Dừng băng tải số 2.
 Điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 4, khi van
đã đóng hoàn toàn thì đèn trên nút nhấn tắt
 Đóng van nhập silo 3
Silo 4

nhấn sáng.
 Chạy gầu tải, khi gầu tải đã chạy thì đèn trên nút nhấn sáng.
 Chạy băng tải số 1.
+ Dừng nhập silo 5
 Dừng băng tải số 1, khi băng tải đã dừng thì đèn trên nút nhấn tắt.
 Dừng gầu tải khi gầu tải đã dừng đèn trên nút nhấn tắt
 Dừng băng tải số 2.
 Điều khiển đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 5, khi van
đã đóng hoàn toàn đèn trên nút nhấn tắt.
 Đóng van nhập silo 5
Silo 6
+ Bắt đầu nhập silo 6
 Điều khiển mở van nhập silo 6, khi van đã mở hoàn toàn đèn trên
nút nhấn sáng.
 Điều khiển chạy băng tải số 5, khi băng tải đã chạy thì đèn nút
nhấn sáng.
 Mở van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 5, khi van đã mở hoàn
toàn thì đèn trên nút nhấn sáng.
 Chạy băng tải số 2.
 Chạy gầu tải.
 Chạy băng tải số 1.
+ Dừng nhập silo 6
 Dừng băng tải số 1.
 Dừng gầu tải.
 Dừng băng tải số 2.
 Đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 5.
 Dừng băng tải số 5.

12


+ Dừng nhập silo 8
 Dừng băng tải số 1.
 Dừng gầu tải.
 Dừng băng tải số 2.

13


Phạm Thanh Tùng – CB110345

 Đóng van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 6.
 Dừng băng tải số 6.
 Đóng van nhập silo 8

1.2.1.2 Điều khiển xuất nguyên liệu
Trong quá trình điều khiển bằng tay cho phép xuất nguyên liệu trong các silo
từ silo 1 đến silo 8. Cụ thể quá trình xuất nhiên liệu trong từng silo như sau
Silo 1
+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 1
 Chạy băng tải số 9.
 Chạy băng tải số 7.
 Mở van xuất silo 1.
+ Dừng xuất nguyên liệu silo 1
 Đóng van xuất silo 1.
 Dừng băng tải số 7.
 Dừng băng tải số 9.
Silo 2
+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 2
 Chạy băng tải số 9.
 Chạy băng tải số 8.

+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 5
 Chạy băng tải số 9.
 Chạy băng tải sô 7
 Mở van xuất silo 5
+ Dừng xuất nguyên liệu silo 5
 Đóng van xuất silo 5
 Dừng băng tải số 7.
 Dừng băng tải số 9.

15


Phạm Thanh Tùng – CB110345

Silo 6
+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 6
 Chạy băng tải số 9.
 Chạy băng tải số 8.
 Mở van xuất silo 6
+ Dừng xuất nguyên liệu silo 6
 Đóng van xuất silo 6
 Dừng băng tải số 8
 Dừng băng tải số 9
Silo 7
+ Bắt đầu xuất nguyên liệu silo 7
 Chạy băng tải số 9
 Chạy băng tải sô 7
 Mở van xuất silo 7
+ Dừng xuất nguyên liệu silo 7
 Đóng van xuất silo 7

tự động điều khiển như sau: Điều khiển mở van nhập silo 1, tiếp theo điều khiển mở
van từ băng tải số 2 xuống băng tải số 3, sau đó điều khiển chạy băng tải số 2, sau
đó chạy gầu tải, cuối cùng là điều khiển chạy băng tải số 1.

17


Phạm Thanh Tùng – CB110345

Khi người điều khiển nhấn nút dừng nhập nguyên liệu, hệ thống sẽ tự động
điều khiển dừng các băng tải và đóng các van tương ứng. Ví dụ khi nhấn nút dừng
nhập nguyên liệu cho silo 1, hệ thống sẽ tự động Điều khiển dừng băng tải số 1, sau
đó dừng gầu tải, tiếp theo điều khiển dừng băng tải số 2. rồi điều khiển đóng van từ
băng tải số 2 xuống băng tải số 3, cuối cùng là điều khiển đóng van nhập silo 1.
Quá trình xuất nguyên liệu cũng diễn ra tương tự, người điều khiển chỉ việc
chọn silo muốn xuất nguyên liệu và nhấn nút bắt đầu xuất nguyên liệu hệ thống sẽ
tự động mở các van và chạy các băng chuyền tương ứng để xuất nguyên liệu. khi kết
thúc quá trình xuất nguyên liệu, người vận hành chỉ việc ấn nút dừng xuất nguyên
liệu, các van sẽ đóng và các băng chuyền sẽ dừng lại

1.3 Phát biểu bài toán điều khiển và giám sát cho dây chuyền cấp liệu nhà
máy bia
1.3.1 Bài toán điều khiển
Từ yêu cầu công nghệ ta thiết lập bài toán điều khiển cho dây chuyền cấp liệu
nhà máy bia như sau:
Trên tủ điều khiển có một khoá AUTO/MAN. Nếu khoá ở vị trí MAN (không
có tín hiệu cấp vào bộ điều khiển) cho phép điều khiển bằng tay trên tủ điều khiển.
Nếu khoá ở vị trí AUTO (có tín hiệu cấp vào bộ điều khiển) sẽ điều khiển nhập xuất
tự động trên màn hình máy tính.


khiển chạy các băng chuyền theo trình tự và mở van xuất cho quá trình xuất nguyên
liệu (tham khảo mục 1.2 để biết trình tự quá trình xuất nguyên liệu).
Nút DUNG XUAT: Nếu người điều khiển bấm nút này máy sẽ điều khiển đóng
van xuất và dừng các băng chuyền theo trình tự (tham khảo mục 1.2 để biết trình tự
quá trình dừng xuất nguyên liệu).
Ngoài ra còn có các nút ấn chuyển đổi giao diện điều khiển.

1.3.2 Bài toán giám sát
Trên màn hình máy tính cần thiết giám sát được các trạng thái sau:
Giám sát chế độ làm việc của các băng tải: Nếu băng tải hoạt động các băng tải
sẽ sáng lên. Nếu băng tải dừng hình ảnh băng tải sẽ tối đi.
Cảnh báo quá tải động cơ: Nếu xảy ra quá tải ở động cơ nào thì động cơ đó sẽ
nhấp nháy màu đỏ để báo hiệu cho người vận hành biết.
Hiển thị dữ liệu: Khối lượng malt trong các silo sẽ được hiển thị trên màn hình
để người vận hành có thể giám sát

19


Phạm Thanh Tùng – CB110345

Lưu trữ dữ liệu: Người vận hành có thể lưu trữ hoặc in ra thuận tiện cho việc
theo dõi.

20


Phạm Thanh Tùng – CB110345

CHƢƠNG 2


3K112Sb4

3K112M4

3K132S4

3

4

5,5

1440

1435

1445

Điện áp (Voltage): V

220/380

220/380

220/380

Dòng điện (Current): A

11,6/6,7


5,5

6,5

Cấp bảo vệ (IP)

44

44

44

Cấp cách điện (Insulating

F

F

F

S1

S1

S1

36,5

41

22


Phạm Thanh Tùng – CB110345

2.2.2 Van nhập và xuất liệu
Các van nhập để cho phép rót gạo vào silo 1 đến silo 8 và các van rót malt vào
băng tải 3, băng tải 4, băng tải 5, và băng tải 6 là các van điều khiển khí nén. Khi có
tín hiệu vào cuộn dây thứ nhất van mở, malt chảy qua van, nếu muốn van đóng, ta
cấp điện vào cuộn dây thứ hai.
Các van xả của các silo từ silo 1 đến silo 8 là các van động cơ với động cơ
truyền động có công suất là 0.75KW, các động cơ này quay sẽ cho phép rót gạo từ
silo xuống các băng tải. Để có thể thay đổi lưu lượng gạo rót từ các silo xuống các
băng tải, ta dùng các biến tần để điều khiển tốc độ động cơ.
Để đơn giản trong điều khiển ta chọn biến tần 3 pha 0.75 KW của hãng Control
Techniques, biến tần này có một số đặc điểm sau:
-

Thiết kế đơn giảm, gọn nhẹ.

-

Giá thành hạ.

-

Dễ sử dụng.

-



Lập trình điều khiển đơn giản với tiêu chuẩn IEC61131-3 của ngôn ngữ
giản đồ thang (Ladder) và ngôn ngữ khối chức năng (Function Block
Diagram).

-

Cho phép lựa chọn mở rộng nhiều dải đầu vào ra (Wide range of I/O) bao
gồm cả đồng hồ thời gian thực (Real Time Clock).

23

Trích đoạn Thiết lập các nút ấn điều khiển trên cho giao diện điều khiển chính và giao Giao diện điều khiển và giám sát của dây chuyền cấp liệu nhà máy bia

---