Điều khiển và giám sát hệ thống máy sản xuất bánh in bằng PLC Siemens

Đồ án đồ án: máy làm bánh in tự động dùng plc siemens thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn ngành trong thời kỳ mới

• Tác giả: Võ Thành Danh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Vạn Quốc
• Trường học: Trường Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Hệ Thống Máy Sản Xuất Bánh In Bằng PLC Hãng Siemens
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Máy Làm Bánh In Tự Động

Máy làm bánh in tự động dùng PLC Siemens là một giải pháp công nghệ hiện đại trong lĩnh vực sản xuất bánh công nghiệp. Đề tài tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát máy sản xuất bánh in thông qua PLC S7-1200 của Siemens. Hệ thống được phát triển nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót trong quá trình nướng bánh. Mô hình hệ thống bao gồm khung cơ khí, hệ thống xylanh khí nén, lò nhiệt và tủ điều khiển tích hợp đầy đủ. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất bánh in không chỉ nâng cao năng suất mà còn đảm bảo độ ổn định của nhiệt độ và thời gian nướng, từ đó tạo ra sản phẩm có chất lượng đồng nhất.

1.1. Cấu Trúc Hệ Thống Máy Làm Bánh In

Hệ thống máy được thiết kế bao gồm khung cơ khí chính, hệ thống xylanh khí nén với van 5/2 điều khiển hoạt động, lò nhiệt sử dụng SSR và thanh gia nhiệt, cùng khuôn bánh in tinh xảo. Toàn bộ hệ thống được điều khiển bởi PLC Siemens S7-1200, đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn trong quá trình sản xuất bánh in công nghiệp.

1.2. Ưu Điểm Của Tự Động Hóa Sản Xuất

Tự động hóa sản xuất bánh mang lại nhiều lợi ích vượt trội: tăng năng suất gấp nhiều lần, đảm bảo chất lượng sản phẩm nhất quán, giảm lãng phí nguyên liệu, nâng cao hiệu suất hoạt động và an toàn lao động. Việc sử dụng PLC điều khiển cho phép điều chỉnh các thông số một cách linh hoạt và chính xác.

II. Vai Trò của PLC Siemens S7 1200 Trong Điều Khiển

PLC Siemens S7-1200 là bộ điều khiển logic lập trình được chọn lựa cho đề tài vì khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và độ tin cậy cao. Thiết bị này cho phép lập trình điều khiển phức tạp, thực hiện các thuật toán điều chỉnh nhiệt độ bằng PID controller, và giao tiếp với các cảm biến, van điều khiển, và màn hình HMI. Nhờ PLC Siemens, hệ thống có thể tự động điều chỉnh nhiệt độ lò nướng, kiểm soát thời gian nướng bánh, và giám sát các thông số kỹ thuật trong thời gian thực. Việc lựa chọn PLC công nghiệp đảm bảo tính ổn định, khả năng mở rộng hệ thống và dễ dàng bảo trì, nâng cao độ an toàn cho toàn bộ quy trình sản xuất.

2.1. Chức Năng Điều Khiển Của PLC

PLC S7-1200 đảm nhiệm việc điều khiển các xylanh khí nén, quản lý hoạt động SSR gia nhiệt, thực hiện điều khiển PID cho nhiệt độ lò nướng, và xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Hệ thống lập trình PLC cho phép tạo các logic điều khiển linh hoạt phù hợp với yêu cầu sản xuất bánh in.

2.2. Giao Tiếp Với Màn Hình HMI

Phần mềm Tia Portal V16 của Siemens được sử dụng để lập trình và giám sát hệ thống thông qua giao diện HMI scada. Người vận hành có thể theo dõi nhiệt độ, thời gian nướng, trạng thái các thiết bị và điều chỉnh thông số từ màn hình giám sát một cách trực quan và dễ dàng.

III. Hệ Thống Điều Khiển Nhiệt Độ Sử Dụng Thuật Toán PID

Điều khiển PID là thuật toán thiết yếu trong hệ thống máy làm bánh in, đảm bảo nhiệt độ lò nướng luôn ổn định và chính xác. Hệ thống sử dụng SSR (Solid State Relay) và thanh gia nhiệt để tạo nhiệt, kết hợp với cảm biến nhiệt độ để phản hồi ngay lập tức. Thuật toán PID so sánh nhiệt độ thực tế với giá trị thiết định, tự động điều chỉnh công suất gia nhiệt để duy trì nhiệt độ mục tiêu. Điều này giúp bánh chín đều, tránh tình trạng nướng chưa chín hoặc quá chín làm hư sản phẩm. Việc áp dụng điều khiển nhiệt độ PID nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và giảm tỷ lệ bánh không đạt tiêu chuẩn, góp phần tăng hiệu suất kinh doanh của nhà máy.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Điều Khiển PID

PID controller bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (P) phản ứng nhanh với sai lệch, tích phân (I) loại bỏ sai lệch ổn định lâu dài, và đạo hàm (D) dự đoán xu hướng thay đổi. Điều khiển PID kết hợp ba thành phần này để tạo ra tín hiệu điều khiển tối ưu, duy trì nhiệt độ lò nướng ổn định trong suốt quá trình nướng bánh in.

3.2. Thiết Bị Gia Nhiệt Và Cảm Biến Nhiệt Độ

Hệ thống sử dụng SSR và thanh gia nhiệt để tạo nhiệt độ cao, kết hợp với cảm biến nhiệt độ hiệu chuẩn để đo lường chính xác. PLC Siemens nhận dữ liệu từ cảm biến, tính toán sai lệch và phát lệnh điều chỉnh công suất gia nhiệt, đảm bảo nhiệt độ lò nướng luôn ở mức tối ưu cho sản xuất bánh in chất lượng cao.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài

Mô hình máy làm bánh in tự động dùng PLC Siemens được thiết kế và thi công từ đầu bởi nhóm sinh viên, có thể áp dụng trong giáo dục đại học để đào tạo kỹ sư chuyên ngành tự động hóa công nghiệp. Ngoài ra, hệ thống có tiềm năng ứng dụng trong các nhà máy bánh thực tế, giúp nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí và kinh nghiệm thực tế, vẫn còn nhiều khía cạnh cần tối ưu hóa thêm. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm: tích hợp công nghệ AI để dự đoán sự cố, nâng cao khả năng tự học của hệ thống, kết nối IoT để giám sát từ xa, và phát triển hệ thống năng lượng tiết kiệm hơn nữa. Đề tài mở ra những cơ hội nghiên cứu mới trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất và công nghệ điều khiển hiện đại.

4.1. Ứng Dụng Trong Giáo Dục Và Đào Tạo

Mô hình máy làm bánh in được sử dụng để đào tạo sinh viên về lập trình PLC, thiết kế hệ thống tự động hóa và điều khiển công nghiệp. Sinh viên có cơ hội thực hành với PLC Siemens S7-1200, phần mềm Tia Portal, và hiểu rõ về ứng dụng thực tế của công nghệ điều khiển trong sản xuất công nghiệp.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp công nghệ AI và machine learning, kết nối hệ thống IoT để giám sát từ xa, phát triển giao diện HMI nâng cao, và cải thiện hiệu suất năng lượng. Với sự tiến bộ công nghệ, hệ thống có thể trở thành mô hình sản xuất thông minh cho các nhà máy bánh hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề:  Trong những năm gần đây, cùng với sự hội nhập thị trường và sự phát triển nhiều mặt của nhất nước về kinh tế, xã hội, văn hóa, đời sống của người dân ngày càng đi lên và được cải thiện, nhu cầu của người dân ngày càng được nâng cao về chất lượng và đặt biệt người dân còn quan tâm về vệ sinh an toàn thực phẩm. Chính vì thế, các mặt hàng thực phẩm của nhiều doanh nghiệp muốn tồn tại có chỗ đứng trên thị trường thế giới họ phải phát triển giải pháp đổi mới về mọi mặt như công nghệ, kỹ thuật sản xuất đáp ứng được nhiều nhu cầu của khách hàng đặt ra nhất là các sản phẩm từ các làng nghề truyền thống của nước ta.  Với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng. Các thiết bị như HMI, PLC, biến tần, động cơ không đồng bộ 3 pha, các bộ cảm biến, khí cụ điện.

không thể thiếu trong các máy móc phục vụ sản xuất công nghiệp cũng như dân dụng. Chính vì vậy, sản phẩm máy làm bánh in tự động là một sản phẩm có thể đáp ứng cho nhu cầu sản xuất tăng cao hiện nay cho ngành công nghiệp cũng như các xí nghiệp nhà xưởng, hộ gia đình có quy mô nhỏ.  Hiện nay, nhu cầu tiêu dùng bánh in, ngày càng tăng không chỉ trong nước mà còn ngoài nước. Chính vì thế, nhiều loại máy làm bánh in cũng ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu đó.

 Tuy nhiên, hiện nay máy làm bánh in có trên thị trường rất ít hầu như tự chế có giá thành khá cao. Chính vì vậy, mục tiêu chính của nhóm chúng em nghiên cứu lần này là thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh máy làm bánh in với mong muốn là thiết kế và chế tạo ra máy làm bánh có giá thành thấp mà năng suất không thua kém với các thiết bị có trên thị trường, để từ đó có thể đưa sản phẩm tới các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Vì vậy,nhóm chúng em chọn đề tài “Thiết kế điều khiển lập 1 trình máy làm bánh in tự động sử dụng PLC SIEMENS” để làm đồ án nghiệp cho mình.1: Quy trình làm bánh in thủ công 1. Các khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa:  Hiện tại bánh in thủ công phần lớn nguồn cung ứng từ cách hộ kinh doanh gia đình và cách lành nghề còn khá thô sơ, với quy mô nhỏ năng suất không đáp ứng được nhu cầu của thị trường chỉ một số ít một số công ty có hệ thống máy làm bánh, một số bất cập như:  Chi phí ban đầu: Khi áp dụng hệ thống tự động hóa thì chi phí ban đầu sẽ cao hơn với chi phí thủ công.

 Rủi ro về máy móc: Hệ thống máy móc dễ xảy ra hư hỏng nếu không thường xuyên kiểm tra, nếu máy móc nếu một thiết bị bị hư thì toàn bộ hệ thống phải dừng hoạt động phải chờ người có chuyên môn để kiểm tra, trong thời gian kiểm tra thiết bị hư hỏng làm ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sản xuất.  Rào cản về con người: Nhân viên cũ công ty hay hộ gia đình thường sẽ bị rào cản về ngoại ngữ, kiến thức không cập nhận thường xuyên dẫn đến khi bàn giao công nghệ thị họ bị lúng túng nhất là khi máy bị hư hỏng.  Phụ thuộc công nghệ của đối tác: Sự phát triển nhanh chống về máy móc và phần mềm chỉ trong vài tháng hay vài năm thì không thể kiếm phụ tùng thay thế của cấu hình 2 cũ. Nếu tìm thấy thì phần mền đã được nâng cấp không còn hỗ trợ cho phần cứng cũ, buộc công ty phải bỏ chi phí rất lớn để nâng cấ phần cứng và phần mền.

 Trong đó vấn đề về rào cản con người và chi phí ban đầu là yếu tố quang trong. Từ những vấn đề trên bọn em đã suy nghĩ làm sao cho người vận hành và chi phí đầu tư thấp để nâng cao năng suất, chất lượng của sản phẩm để được tốt nhất. Từ những suy nghĩ đó bọn em đang tìm hiểu về kỹ thuật làm bánh in để làm ra máy làm bánh với chi phí thấp.2: Hình thực tế làm bánh tại cơ sở Huỳnh Minh Thành 1. Mục tiêu đề tài:  Tìm hiểu khảo sát mô hình trên thực tế chọn hướng thiết kế phù hợp.

 Thiết kế và thi công hoàn thành sản phẩm máy để đưa ra ứng dụng phục vụ nghiên cứu và trong thực tế.  Điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình.  Kết nối và điều khiển được các thiết bị khác bên ngoài.  Tìm hiểu và nghiên cứu phát triển sâu hơn về mô hình PLC SIEMENS trong thực tế.

Mục đích đề tài: Hạn chế chi phí giá thành của sản phẩm, tối ưu dây truyền hệ thống máy làm bánh in cho các hộ gia đình kinh doanh vừa và nhỏ:  Dễ sử dụng hạn chế rủi ro trong quá trình sản xuất.  Làm bánh in trong thời gian nhanh chóng, tiết kiệm nguyên liệu.  Cân lượng bột chuẩn chính xác, hiệu quả cao.3: Bánh in thành khuôn Hình 1.4: Hệ thống làm bánh in tự động 1. Khả năng triển khai ứng dụng, triển khai kết quả nghiên cứu của đề tài: Vấn đề về con người và chi phí là yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng và độ an toàn vệ sinh thực phẩm để người dân có thể tiếp cận được với máy móc tự động đó là một vấn đề 4 cần giải quyết.

Để khắc phục những mặt hạn chế này cũng như góp phần nâng cao được chất lượng của sản phẩm, dễ tiếp cận với người dân giảm chi phí nhân công tiếp kiệm được thời gian tối ưu hóa dây truyền sản xuất thủ công tăng chất lượng của bánh và an toàn vệ sinh thực phẩm. Cụ thể, các chức năng chính của mô hình bao gồm: cơ cấu hệ thống tự động, hệ thống ép bánh tự động, gia nhiệt cho bánh tự động. Và dùng các cảm biến ( vd: cảm biến tiềm cận, cảm biến nhiệt độ,….) để điều khiển các tính năng như sáy khô bán, điều khiển vị trí bánh ơi. Song cùng với việc nghiên cứu sử dụng hệ thống tự động và các hệ thống làm bánh in thủ công ngày càng được quan tâm, nhất việc thiếu hụt nguồn nhân lực trong trong các ngành nghề làm bánh thủ công, giảm thiểu được hao phí nguyên liệu trong quá trình làm bánh, tăng tính an toàn vệ sinh thực phẩm là vấn đề cấp bách trong một quy trình làm bánh hiện nay.

Dự kiến những kết quả nghiên cứu của đề tài: 1. Những đóng góp liên quan đến phát triển kinh tế: o Tiết kiệm được chi phí nhân công o Tăng năng xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm o Đáp ứng được tiêu chí của khách hàng 2. Những đóng góp về mặt xã hội: o An toàn vệ sinh thực phẩm o Góp phần bảo vệ môi trường 3. Tổng quan về quá trình sản xuất bánh in hiện nay.

Phân tích và lựa chọn các phương án thiết kế. Thiết kế động học và sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình. Tính toán các thông số kỹ thuật. Xây dựng cấu trúc truyền nhận dữ liệu, lập trình PLC cho hệ thống.

Vận hành đồng thời khắc phục, hiệu chỉnh lỗi. Hoàn thành đồ án tốt nghiệp. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2. Giới thiệu cách làm bánh in truyền trống và thực trạng hiện nay.

- Bánh in là một trong những sản phẩm truyền thống mang đậm nét bản sắc dân tộc của Việt Nam là một loại bánh có xuất xứ từ Huế. Bánh có dạng hình tròn đường kính từ 30 đến 50 (mm), độ dày bánh khoảng 15 đến 20 (mm). - Cách chọn nguyên liệu. Bột làm bánh in là bột nếp xay mịn hoặc pha bột nếp với bột đậu xanh bóc vỏ.

Số lượng đường và bột ngang nhau (1 kg đường làm 1 kg bột) thì bánh mới ngọt. Lựa nếp dẻo, chọn hạt cùng cỡ để rang hột cháy đều. Nếp chọn xong đem vo, để cho ráo nước. Hạt nếp vừa ráo đem rang bằng trã đất trên lửa nóng.

Chọn bột năng (bột ngon là bột trắng như sữa, sờ vào mát mịn ở da tay, cho một ít lên miệng không nghe mùi vị, bột kém chất lượng có màu vàng đục, hơi cát chứ không mát mịn, vị chua). Một ký bột, 700 gam đường cát trắng, 300 gam cơm dừa khô (dùng để vắt nước cốt) và một bó lá dứa bằng cổ tay. - Cách làm chế biến. Trộn bột với đường cát thật đều, sau đó dùng khuôn nén chặt.

Bỏ bột vào lớp dưới đáy, bỏ nhân chính giữa, bỏ một lớp bột lên trên, lấy nắp đậy lên rồi ấn nhẹ tay để bánh được xốp và lấy khuôn ra. Bánh in sau khi nén được đặt lên những chiếc nống lót giấy báo và hong trên than hồng. Dưới cái nóng hừng vừa phải của than, đường cát tan ra trong bột như một thứ keo mật làm cho bánh in được định hình chặt chẽ. - Cho một ít bột vào rây, nhanh tay một chút, bột rớt xuống rây thì múc lấy và cho vào khuôn đã chuẩn bị sẵn.

Ém bột chặt tay như vậy bánh mới không bị bể. Bánh mới làm xong rất dễ bể. Phải để 15 phút sau mới di chuyển. Làm như thế bánh sẽ rất xốp, còn mịn là do lúc chà bột.

Nếu ấn mạnh quá bánh sẽ chặt, qua vài hôm sau bánh rất cứng. - Công đoạn cuối cùng là bọc giấy ngũ sắc (giấy ngũ sắc gồm các màu: đỏ, vàng, nâu, xanh lá cây, tím.1: Công đoạn gói bánh in thủ công Hình 2.2: Công đoạn ém bột vào khuôn.  Ưu điểm:  Thiết bị sản xuất đơn giản chỉ cần : khuôn, chảo, bếp lò  Dễ dàng điều chỉnh độ dầy, thưa và hình dạng bánh. 7  Nhược điểm : + Với dụng cụ và động tác trên thì năng suất sẽ thấp.

+ Độ đồng đều và chất lượng bánh in không ổn định, mà phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề người công nhân. + Điều kiện làm việc cực nhọc và vất vả ( chuyển động cơ bắp nhiều, môi trường nhiệt độ cao ). + Không đảm bảo tiêu chuẩn hợp vệ sinh thực phẩm trong quá trình sản xuất. Hiện nay có nhiều công ty chuyên sản xuất sản phẩm máy làm bánh với công suất lớn với nhiều chủng loại đa dạng, phong phú.

Tuy nhiên, ở nước ta đa số quy mô kinh doanh còn nhỏ về thị trường làm bánh chủ yếu làm thủ công là chính hộ gia đình theo hướng gia truyền không phù hợp với các dây chuyền công nghiệp lớn hoặc máy móc hiện đại phúc tạo chi phí rất cao.