TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngành công nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam đã vươn lên trở thành một trong những ngành hàng xuất khẩu chủ lực, đứng thứ 5 sau dầu thô, dệt may, giày dép và thủy sản Việt Nam hiện là nước xuất khẩu đồ gỗ hàng đầu Đông Nam Á, với chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao, đủ sức cạnh tranh với các quốc gia trong khu vực.
Hiện nay, Việt Nam có khoảng 3.500 doanh nghiệp chế biến gỗ và 340 làng nghề gỗ, cùng với nhiều hộ gia đình sản xuất đồ gỗ chưa được thống kê Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, phần lớn các doanh nghiệp chế biến gỗ có quy mô nhỏ, với 5% thuộc sở hữu nhà nước và 95% thuộc khu vực tư nhân, trong đó 16% có vốn đầu tư nước ngoài (FDI) Các doanh nghiệp này đã nỗ lực cải tiến công nghệ trong quá trình chế biến gỗ, đặc biệt trong công đoạn sấy khô gỗ, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
Hệ thống cung cấp nhiệt hơi ẩm cho nhà máy chế biến gỗ đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất gỗ MDF và gỗ ván ép chất lượng cao Hệ thống này giúp duy trì nhiệt độ và độ ẩm tối ưu cho gỗ, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng tốt nhất.
Việc giám sát và quản lý hệ thống cung cấp độ ẩm cho gỗ chip là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong sản xuất sản phẩm gỗ tại nhà máy Các cảm biến sẽ thu thập và xử lý tất cả các thông số, sau đó hiển thị trên màn hình SCADA, giúp người dùng dễ dàng kiểm soát hệ thống.
Hệ thống sấy vụn gỗ trong công nghiệp ván ép nâng cao chất lượng sản phẩm và đẩy nhanh tiến độ công việc, đáp ứng nhu cầu xã hội Đồng thời, hệ thống này giúp giảm sức lao động và tiết kiệm nguồn nhân công Người quản lý có thể giám sát quá trình vận hành từ xa, mang lại sự thuận tiện tối đa.
Mục tiêu
• Tìm hiểu cấu trúc và cách lập trình của PLC S7-1200
• Lựa chọn và tính toán các thông số nhiệt độ áp suất, lưu lượng khí, chip gỗ
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò hơi
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy sấy
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy nghiền
• Thiết kế mô hình hệ thống SCADA giám sát nhiệt độ hơi ẩm gỗ chip trên WINCC
• Thiết kế sơ đồ kết nối giữa PLC với các cơ cấu chấp hành và nút nhấn điều khiển
• Điểu khiển các động cơ thổi nhiệt lò hơi, động cơ máy nghiền
• Sử dụng cảm biến nhiet độ , cảm biến áp suất…
Cấu trúc đề tài
Chương 2: Thiết kế hệ thống
Chương 3: Thiết kế phần mềm
Chương 4: Kết quả đạt được
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Mô tả thành phần hệ thống
• 1 lò hơi cung cấp nhiệt hơi ẩm
• Các cảm biến nhiệt độ
• Các cơ cấu chấp hành
giới hạn
Hệ thống này tập trung cung cấp nhiệt hơi ẩm để làm mềm gỗ chip sau đó sẽ được nghiền nhỏ để hoàn tất công đoạn
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Giới thiệu về PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
Dòng S7-1200 là bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa nhờ thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và tập lệnh mạnh mẽ, mang đến giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa.
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật quan trọng giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU và chương trình điều khiển bao gồm việc tất cả các CPU đều cung cấp cơ chế bảo vệ bằng mật khẩu để ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC.
+Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình
S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép kết nối mở rộng qua các module truyền thông RS485 hoặc RS232 Phần mềm lập trình S7-1200 hỗ trợ ba ngôn ngữ FBD, LAD và SCL, được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens.
-Bộ nhớ làm việc: 25Kb
-Bộ nhớl ưu trữ: 1Mb
- Ngõ vào ra số: 8 In/6 Out
- Ngõ vào ra tương tự: 2 in
- Module tín hiệu mở rộng: 2
- Board tín hiệu/truyền thông:1
Hình 2.1: Sơ đồ kết nối PLC S7-1200 CPU 1215C với các thiệt bị ngoại vi
Hình 2.2: Mô Hình Hệ Thống
2.3 Lò sấy gỗ bằng hơi nước
2.3.1 Khái niệm lò sấy gỗ bằng hơi nước
Lò sấy gỗ này dùng hơi nước trong nồi hơi công nghiệp (hơi nước quá nhiệt ở áp suất khoảng 1-
Áp suất 5 kg/cm2 tương ứng với nhiệt độ hơi nước từ 99,1 - 151,1 °C, được dẫn vào hệ thống dẫn nhiệt trong hầm sấy Nhiệt lượng từ hơi nước làm nóng toàn bộ dàn nhiệt và lan tỏa mạnh mẽ qua không khí trong lò nhờ hệ thống quạt gió Lượng nhiệt này giúp làm nóng gỗ và làm nước trong gỗ bốc hơi dần, từ đó giúp quá trình sấy gỗ diễn ra theo mong muốn.
Hình 2.3: Mô hình lò sấy
Lò hơi cung cấp nhiệt hơi ẩm
Chất lượng nước cấp vào lò hơi và hơi nước lò hơi là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn vận hành lò, quyết định hiệu quả hoạt động của lò hơi và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.
Máy nghiền gỗ chip
Máy nghiền gỗ chip hoạt động bằng cách cấp điện cho động cơ, từ đó truyền động đến trục nghiền qua hệ thống dây đai và buli Nguyên liệu được đưa vào cửa nạp và bị cuốn vào thùng nghiền, nơi nhiều búa nghiền sẽ nghiền nhỏ nguyên liệu cho đến khi kích thước nhỏ hơn lỗ mặt sàng Sự quay của quạt gió tạo ra chênh lệch áp suất giữa thùng nghiền và bên ngoài, giúp sản phẩm sau khi nghiền được xả ra ngoài qua vòi xả.
Hình 2.5: Máy nghiền gỗ chip
Cảm biến nhiệt trong công nghiệp
Cảm biến nhiệt là thiết bị dùng để đo lường sự thay đổi nhiệt độ của các đại lượng cần theo dõi Khi nhiệt độ thay đổi, cảm biến sẽ phát tín hiệu, và từ tín hiệu này, các bộ đọc sẽ chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ cụ thể.
Cảm biến nhiệt nổi bật với khả năng đo nhiệt độ chính xác hơn so với cặp nhiệt điện và nhiệt kế Chúng mang lại độ tin cậy cao trong các ứng dụng cần sự chính xác, giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng trong quá trình đo lường nhiệt độ.
Giá thành thấp, dễ chế tạo.
Độ nhạy cao, chống nhiễu tốt.
Thiết kế mạch xử lý đơn giản
Không chịu được nhiệt độ cao, độ bền thấp.
Hình 2.6: Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị đo áp suất trong đường ống hoặc bồn chứa có áp suất, chuyển đổi thông số đo được thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Các tín hiệu này được gửi về hệ thống biến tần hoặc PLC để điều khiển hoạt động của động cơ một cách hiệu quả.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ có thể được so sánh với cách mà máy lạnh và tủ lạnh Inverter vận hành Mặc dù động cơ luôn hoạt động liên tục, nhưng cảm biến này có khả năng điều chỉnh và giám sát công suất, giúp tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng bằng cách điều chỉnh mức độ hoạt động của động cơ.
Hình 2.7: Cảm biến áp suất
Tất cả cảm biến áp suất hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến lưu lượng để xác định lực tác động Những cảm biến này rất phổ biến trong việc đo lường nước, nước thải, hóa chất, khí nén và bơm nước, đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước cấp và nước thải.
Khu vực quan trọng nhất của cảm biến là lớp màng mỏng tiếp xúc giữa nước và thiết bị cảm biến, được kết nối với các vi mạch điện tử Lớp màng này thường được chế tạo từ vật liệu Ceramic hoặc 316L cao cấp, tùy thuộc vào từng hãng sản xuất.
Khi chưa có lực tác động vào, màng cảm biến sẽ là một mặt phẳng Lúc này cảm biến sẽ có giá trị là 0 bar khá tương đối.
Khi có lực tác động, lớp màng cảm biến sẽ biến dạng, và sự biến dạng này sẽ được các vi mạch gắn trên màng chuyển đổi thành tín hiệu điện từ Mục đích của quá trình này là để xác định chính xác áp lực tác động lên cảm biến Lớp màng sẽ thay đổi theo sự biến động của áp suất bên trong.
Hình 2.8: Nguyên lý cảm biến
Động cơ
- Động cơ 3 Pha 380V, 1Hp, 0.75Kw
- Tần số lưới điện: 50Hz
* Bồn chứa dung tích từ 10000-30000 lít nước Cung cấp cho việc đốt tạo hơi nước sấy gỗ cho hệ thống
2.10 Sơ đồ khối của hệ thống scada
Sơ đồ khối hệ thống gồm các khối chức năng :
Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến, giám sát hoạt động của hệ thống và điều khiển các thiết bị chấp hành.
Khối cảm biến: gồm cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm đưa về bộ điều khiển trung tâm.
Thiết bị chấp hành: gồm máy bơm phun sương, quạt thông gió và quạt đối lưu.
Điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu: người vận hành giám sát, thu thập dữ liệu của hệ thống, điều khiển hệ thống theo mong muốn.
2.11 Lắp dặt cấu hình hệ thống
Cấu hình vào ra tập trung có hai kiểu kết nối đó là nối trực tiếp cảm biến vào module analog của PLC.
Kết nối trực tiếp vào module analog là phương pháp đơn giản và tiết kiệm chi phí, tuy nhiên tín hiệu có thể bị nhiễu trong quá trình truyền tải Không phải tất cả các cảm biến đều tương thích với module analog của PLC, do đó cách kết nối này không phổ biến trong các hệ thống Thêm vào đó, việc nối trực tiếp các cảm biến với module IO thường yêu cầu khoảng cách ngắn, gây khó khăn trong việc bảo trì và bảo dưỡng hệ thống.
Hình2.12: Nối trực tiếp cảm biến với local module của PLC
Bộ phát hai dây (Two wire transmitter) chuyển đổi tín hiệu đo từ cảm biến thành tín hiệu dòng điện hoặc điện áp để gửi về module analog input của PLC Phương pháp này phổ biến trong công nghiệp nhờ khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu Kết nối qua bộ phát hai dây còn cho phép tín hiệu truyền xa hơn so với việc nối trực tiếp với module IO.
Hình 2.13: Cảm biến được nối qua bộ phát hai dây
2.11.1 Lắp đặt biến tần với động cơ Để có thể điều khiển bơm chạy với đa cấp tốc độ thì ta phải sử dụng một biến tần để điều khiển động cơ thông qua sự thay đổi tần số và kết hợp với 1 PLC để điều khiển biến tần hoạt động theo ý muốn, cuối cùng là 1 động cơ điện.
Trong lĩnh vực điều khiển hệ thống, chúng ta có nhiều loại PLC và biến tần khác nhau Hai sản phẩm tiêu biểu là PLC Siemens S7-1200 1215DC/DC/DC và biến tần Mitsubishi FR-E700, kết hợp với động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 0.75kW.
Hình 2.14: Kết nối biến tần với động cơ
Sơ đồ khối hệ thống SCADA
3.1 Yêu cầu thiết kế CT PLC
- Quá trình hoạt động với hai chế độ: chế độ tự động và chế độ bằng tay.
- Chương trình được viết một cách logic, dễ tiếp cận, dễ quản lý.Giám sát được nhiệt độ, áp suất cho lò hơi và máy sấy.
- Cài đặt, điều khiển được các thiết bị trong hệ thống
- Cài đặt khoảng nhiệt độ, áp suất cho lò lơi, máy sấy
Khởi động chế độ Auto để hệ thống bơm nước từ bồn vào lò hơi Sau đó, đốt lò hơi cho đến khi đạt nhiệt độ cài đặt Khi nhiệt độ đạt yêu cầu, tiến hành mở van khí.
KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu thiết kế chương trình PLC
- Quá trình hoạt động với hai chế độ: chế độ tự động và chế độ bằng tay.
- Chương trình được viết một cách logic, dễ tiếp cận, dễ quản lý.Giám sát được nhiệt độ, áp suất cho lò hơi và máy sấy.
- Cài đặt, điều khiển được các thiết bị trong hệ thống
- Cài đặt khoảng nhiệt độ, áp suất cho lò lơi, máy sấy
Network1: AutoMode
Khởi động chế độ Auto để hệ thống bơm nước từ bồn vào lò hơi Sau đó, tiến hành đánh lửa để đun lò hơi đến nhiệt độ cài đặt Khi đạt đủ nhiệt độ, mở van khí để tiếp tục quy trình.
Network2: StopMain
Reset các biến khi đã đạt đủ yêu cầu, move các giá trị về 0
Network3: Clock
Network4: Start Main
Lấy các giá trị ban đầu của hệ thống
Network5: Simulation Boiler,+-temp
Tăng giảm nhiệt độ theo hệ thống
Network6: Simulation Chip Tank
Kiểm tra số lượng chip trong tank, điều khiển nhiệt độ trong tank
Network7: Simulation Pressure
Kiểm tra tăng giảm giá trị áp suất
Network8: Simulation Motor
Điều khiển motor 2 trạng thái cách nhau 0.5 giây
Network9: Manual Mode
Chế độ Manual có thể kích hoạt bất kì hoạt động của máy nào trong hệ thống.
Network10: Select Mode
Chọn chế độ Manual hay Auto
Network11: Pop-up
Điều khiển pop-up động cơ
Kích hoạt chế độ quá tải hệ thống sẽ dừng hoạt động
Network12: Error
4.1Yêu cầu thiết kế SCADA
Thực hiện giám sát nhiệt độ, độ ẩm của nhà kính trên màn hình SCADA.
Hiển thị được các thông số rõ ràng trên màn hình.
Điều khiển, giám sát hiệu quả trạng thái hoạt động của các thiết bị.
Phân quyền truy cập cho người dùng.
Cho phép cài đặt thông số thời gian thực hiện tưới cây.
4.2 Thiết kế màn hình HMI
Để vận hành hệ thống và điều khiển các bơm quạt hoặc các phần yêu cầu quyền truy cập từ User trở lên, người dùng cần đăng nhập bằng tài khoản User hoặc Admin.
Hình 4.1: Giao diện HMI LOG IN
THIẾT KẾ GIAO DIỆN SCADA
Yêu cầu thiết kế SCADA
Thực hiện giám sát nhiệt độ, độ ẩm của nhà kính trên màn hình SCADA.
Hiển thị được các thông số rõ ràng trên màn hình.
Điều khiển, giám sát hiệu quả trạng thái hoạt động của các thiết bị.
Phân quyền truy cập cho người dùng.
Cho phép cài đặt thông số thời gian thực hiện tưới cây.
Thiết kế màn hình HMI
Khi người dùng cần vận hành hệ thống và điều khiển các bơm, quạt hoặc các phần yêu cầu quyền truy cập từ User trở lên, việc đăng nhập bằng tài khoản User hoặc Admin là bắt buộc.
Hình 4.1: Giao diện HMI LOG IN
Màn hình chính cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống sấy khô gỗ, hiển thị nhiệt độ và áp suất trung bình của hơi ẩm trong đường ống một cách trực quan Hệ thống cho phép giám sát trạng thái hoạt động của lò hơi, quạt, lò sấy và máy nghiền Bên cạnh đó, màn hình còn có chức năng hiển thị cảnh báo quá tải, giúp người dùng nhanh chóng nhận biết và xử lý các vấn đề phát sinh.
Hình 4.2: Màn hình giao diện HMI MAIN
Chế độ tự động (auto) cho phép hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động, hiển thị các giá trị nhiệt độ, áp suất trung bình và các thông số khác trên màn hình SCADA.
Chế độ vận hành bằng tay cho phép người dùng điều khiển hoàn toàn các thiết bị như máy bơm và quạt thông qua nút nhấn on/off Trong khi đó, nhiệt độ và áp suất vẫn được tự động gửi về hệ thống để đảm bảo sự giám sát liên tục.
Nút nhấn START: Khởi động chương trình
Nút nhấn STOP: Dừng chương trình
Bảng Quan Sát giá trị:
Quan sát các giá trị cảm biến trả về:
Khi thiết bị gặp sự cố quá tải, hệ thống sẽ cảnh báo người vận hành để xử lý tình huống và dừng báo Alarm Sau khi sự cố được giải quyết, hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động bình thường.
Hinh 4.3: Giao diện khi có sự cố ALARM
Nhiệt độ của lò sấy được xác định bằng cách tính trung bình giá trị nhiệt độ của gỗ chip và nhiệt độ của lò hơi cung cấp Giá trị cảm biến được hiển thị trên bảng điều khiển để người dùng dễ dàng theo dõi.
Cảm biến áp suất Áp suất của lò hơi được đo bằng cảm biến và trả giá trị lên bảng điều khiển HMI.
Đầu tiên, chúng ta sẽ thiết lập nhiệt độ cho lò hơi, sau đó nước từ bồn sẽ được máy bơm đưa vào lò Tiếp theo, dầu sẽ được đưa vào để đốt lò, và quạt sẽ được bật để thổi lửa đun sôi nước Khi đạt đủ nhiệt độ, quá trình bơm nước sẽ dừng lại và lửa trong lò sẽ được tắt.
Tiếp theo, chúng ta sẽ mở van để đưa hơi ẩm vào lò sấy, giúp làm mềm gỗ Sau khi gỗ đã được làm mềm, chúng sẽ được chuyển xuống máy nghiền để hoàn tất quy trình.
Ta sẽ khởi động riêng biệt bất kỳ máy bơm hay quạt nào,…
Hình 4.4: Hoạt động thực tế
4.3 Ứng dụng của hệ thống
Hệ thống được mô phỏng cho thấy tính phù hợp với các dự án quy mô vừa và nhỏ, cho phép giám sát nhiệt độ và áp suất một cách đơn giản Độ ẩm, áp suất và nhiệt độ luôn được duy trì theo yêu cầu, giúp người vận hành không cần có kiến thức kỹ thuật sâu Hơn nữa, hệ thống còn có khả năng phát triển để sấy các loại gỗ khác nhau.
Ứng dụng hệ thống
Trong quá trình thực hiện tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đã được một số kết quả:
Thiết kế và mô phỏng được hệ thống sấy khô cho vụn gỗ
Thiết kế và mô phỏng được hệ thống có thể tự động điều khiển tùy thuộc vào các thông số cài đặt.
Toàn bộ hệ thống có thể chạy trong thời gian dài, tương đối ổn định, đạt kết quả tốt, chạy với 2 chế độ: auto và manual.
Khả năng đáp ứng của màn hình SCADA chính xác.
Khả năng đáp ứng của phần với nhau là tương đối ổn định và chính xác.
Dữ liệu được hiển thị cụ thể, có thể dễ dàng theo dõi thông qua biểu đồ
Bên cạnh những nội dung đã đạt được, hệ thống vẫn còn những hạn chế sau:
Hệ thống được thiết kế và mô phỏng
Thiết kế hệ thống chưa được tối ưu
Hệ thống chưa được thiết lập giám sát từ xa
Phát triển, mở rộng thêm quy mô hệ thống.
Điều khiển giám sát hệ thống thông qua Webserver
Thiết kế, lập trình ứng dụng Android trên di động để giám sát, điều khiển.
