Đồ án: tốt nghiệp thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng plc s7 1200

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng plc s7 1200, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Lưu
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Lò Nướng Bánh Sử Dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế và Thi công Lò Nướng Bánh

Đồ án tốt nghiệp về thiết kế và thi công lò nướng bánh sử dụng PLC S7-1200 là một công trình nghiên cứu quan trọng trong ngành Điện tử truyền thông. Đây là đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, nhằm áp dụng các công nghệ tự động hóa hiện đại vào lĩnh vực công nghiệp bánh nướng. Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống điều khiển tự động cho lò nướng bánh, giúp tối ưu hóa quá trình nướng, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành. Thông qua đồ án này, sinh viên có cơ hội áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, từ đó nâng cao kỹ năng kỹ thuật và hiểu biết sâu sắc về tự động hóa công nghiệp.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của đồ án

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống điều khiển toàn diện cho lò nướng bánh tự động. Đồ án tập trung vào việc sử dụng PLC S7-1200 làm bộ điều khiển chính, kết hợp với các cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển lưu lượng gas và giao diện HMI. Ý nghĩa thực tiễn là giúp các tiệm bánh, nhà máy sản xuất áp dụng công nghệ tự động hóa hiện đại, nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm.

1.2. Tầm quan trọng của tự động hóa trong ngành bánh nướng

Tự động hóa công nghiệp đã trở thành xu hướng tất yếu trong các ngành sản xuất. Trong ngành bánh nướng, việc sử dụng hệ thống điều khiển tự động giúp duy trì nhiệt độ ổn định, kiểm soát thời gian nướng chính xác, và giảm thiểu sai sót do yếu tố con người. PLC S7-1200 là giải pháp tiết kiệm chi phí và dễ tích hợp, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

II. Nội dung Chính của Đồ án Thiết kế Lò Nướng Bánh

Đồ án được chia thành 6 nội dung chính nhằm hoàn thành hệ thống điều khiển lò nướng bánh một cách toàn diện. Trước tiên, nhóm sinh viên thực hiện tìm hiểu qui trình nướng bánh, nghiên cứu các loại cảm biến, HMI và PLC S7-1200 để lựa chọn thiết bị phù hợp. Tiếp theo là thiết kế mô hình và thi công phần cứng lò nướng, bao gồm lắp ráp tủ điện điều khiển với các công tắc, relay, và thiết bị bảo vệ. Phần quan trọng nhất là lập trình PLC, thiết kế giao diện HMI và chạy thử nghiệm để cân chỉnh hệ thống đạt hiệu suất tối ưu.

2.1. Tìm hiểu qui trình nướng bánh và lựa chọn thiết bị

Nhóm tiến hành nghiên cứu thực tế các lò nướng bánh tại TP. HCM để hiểu rõ qui trình nướng và yêu cầu về điều khiển. Dựa trên đó, nhóm lựa chọn PLC S7-1200 do khả năng xử lý dữ liệu nhanh, cảm biến nhiệt độ RTD Pt100 để đo nhiệt độ chính xác, và bộ điều khiển lưu lượng gas để kiểm soát nguồn nhiệt. HMI được chọn để tạo giao diện thân thiện với người sử dụng.

2.2. Thiết kế mô hình và thi công tủ điện

Thiết kế phần cứng bao gồm lò nướng với khoang nướng cách nhiệt tốt, hệ thống đánh lửa gas tự động, và cảm biến nhiệt độ. Tủ điện điều khiển được thi công với các thiết bị: PLC S7-1200, relay điều khiển, contactor điều khiển quạt gió, và bộ nguồn ổn định. Tất cả được đi dây cẩn thận, tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện để đảm bảo hoạt động an định.

III. Quy trình Lập trình PLC và Thiết kế Giao diện HMI

Lập trình PLC S7-1200 là bước then chốt quyết định hiệu suất toàn bộ hệ thống lò nướng bánh. Nhóm sử dụng phần mềm TIA Portal để viết chương trình điều khiển, trong đó có những lệnh PID để điều khiển nhiệt độ ổn định. Lưu đồ điều khiển được thiết kế chi tiết để xử lý các tình huống: khởi động hệ thống, tăng nhiệt độ, duy trì nhiệt độ, giảm nhiệt độ, và dừng an toàn. Giao diện HMI được lập trình trên màn hình cảm ứng, cho phép người dùng nhập thời gian nướng, nhiệt độ mong muốn, theo dõi trạng thái hệ thống thông qua đồ thị nhiệt độ thực time và nhận thông báo lỗi tự động.

3.1. Lập trình điều khiển nhiệt độ sử dụng PID

Thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) được lập trình trong PLC S7-1200 để duy trì nhiệt độ ổn định bên trong lò nướng. Hệ thống liên tục so sánh giá trị nhiệt độ đo được với nhiệt độ đặt, sau đó tự động điều chỉnh công suất đánh lửa gas để đạt giá trị mong muốn. Tham số PID được cân chỉnh qua nhiều lần chạy thử để đạt độ chính xác ±2°C, đảm bảo chất lượng bánh nướng đồng đều.

3.2. Thiết kế giao diện HMI trực quan

Giao diện HMI được thiết kế thân thiện, hiển thị nhiệt độ thực time, thời gian nướng đã trôi qua, trạng thái quạt gió, và mức nhiên liệu. Người dùng có thể nhập tham số nướng dễ dàng thông qua bàn phím cảm ứng, xem lịch sử nhiệt độ dưới dạng biểu đồ, và nhận cảnh báo lỗi khi xảy ra sự cố. Thiết kế màu sắc được lựa chọn để dễ nhìn, thông báo rõ ràng giúp người vận hành hiểu tình trạng máy.

IV. Kết quả Thực hiện và Hướng Phát triển Đồ án

Sau quá trình thi công, lập trình và cân chỉnh kéo dài 4 tháng, nhóm sinh viên đã hoàn thành mô hình lò nướng bánh tự động với độ chính xác cao và hoạt động ổn định. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể duy trì nhiệt độ ±2°C so với giá trị đặt, thời gian nướng chính xác và tiêu thụ năng lượng tiết kiệm. Đồ án này không chỉ là công trình học tập mà còn có giá trị thực tiễn cao, có thể được ứng dụng trong các tiệm bánh, nhà máy sản xuất bánh. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tích hợp cảm biến khí CO2, thêm chức năng cân bằng luồng khí, kết nối hệ thống quản lý sản xuất (MES), và phát triển ứng dụng mobile để giám sát từ xa.

4.1. Kết quả đạt được và hiệu suất hệ thống

Hệ thống lò nướng bánh được thiết kế và thi công hoàn thiện với độ tin cậy cao. Kết quả thử nghiệm chứng minh: độ chính xác điều khiển nhiệt độ ±2°C, phản ứng nhanh trong khoảng 5 phút, tiêu thụ gas tiết kiệm 15-20% so với lò thủ công, và bánh nướng đạt chất lượng đồng đều. Giao diện HMI hoạt động ổn định, thông báo lỗi kịp thời, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát quy trình nướng và bảo trì bảo dưỡng.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng thực tiễn

Đồ án có tiềm năng phát triển lớn cho các doanh nghiệp bánh nướng. Hướng phát triển tiếp theo: thêm cảm biến độ ẩm để kiểm soát độ nước bánh, tích hợp camera giám sát bên trong lò, kết nối cloud computing để phân tích dữ liệu sản xuất, và phát triển ứng dụng di động cho quản lý từ xa. Nhóm cũng sẽ mở rộng tính năng cho các loại lò nướng khác nhau (lò bánh mì, bánh ngọt, bánh quy) để thích ứng với thị trường đa dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Thiết kế mô hình, tủ điện, sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho mô hình. Chương 4: Thi Công Mô Hình Trình tự thi công mô hình, chạy mô hình. Chương 5: Kết quả, Nhận Xét, Đánh Giá Nhận xét và đánh giá kết quả đạt được. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển 3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 QUY TRÌNH NƯỚNG BÁNH TRUNG THU 2.1 Mô tả quy trình làm bánh Hình 2.

1: Hình ảnh bánh trung thu. Chuẩn bị nguyên liệu Nguyên liệu làm bánh trung thu rất đa dạng, bánh sẽ có rất nhiều loại nhân khác nhau. + Phần vỏ bánh: bột nếp rang, đường bột, nước lạnh. + Phần nhân bánh: sầu riêng xay nhuyễn, đường.

4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT + Dụng cụ làm bánh: chảo, tô, khuôn bánh. Các bước làm bánh Bước 1: Để làm phần nhân, đầu tiên cho thịt sầu riêng đã được xay nhuyễn vào chảo, đun sôi rồi cho thêm đường vào trộn đều cùng cho đến khi thấy đường tan hết, hỗn hợp nhân sánh đặc lại thì tắt bếp. Để nhân sầu riêng nguội ở nhiệt độ phòng, sau đó chia thành những phần nhỏ bằng nhau (khoảng 50gr) rồi đặt vào trong tủ lạnh cho đông cứng lại. Bước 2: Phần nhân bánh, trộn đều bột nếp rang và đường bột lại với nhau trong tô sạch, sau đó thêm nước, gia vị vào trộn đều lần nữa cho đến khi bột tạo thành 1 khối dẻo mịn.

Bước 3: Chia bột làm vỏ bánh ra thành các phần nhỏ đều nhau tuy theo kích thước bánh, sau đó vo tròn. Tiếp theo ta đặt nhân sầu siêng đã được làm lạnh vào giữa miếng bột đã được ấn dẹp trước đó, sau đó túm lại bột rồi vo tròn lại sao cho nhân không bị hở ra ngoài. Cuối cùng ta rắc 1 lớp bột nếp rang vào trong khuôn bánh để chống dính rồi cho viên bánh vào khuôn, ấn và nén để tạo hình cho bánh.2 Mô Tả quy trình nướng bánh Đầu tiên ta lót vào khay giấy nến, gỡ bánh ra khỏi khuôn và xếp vào khay nướng. Tiếp theo ta làm hỗn hợp trứng để quét lên mặt bánh nướng: 1 ít nước + 1 lòng đỏ trứng + ít nước màu, khuấy đều hỗn hợp.

Chuẩn bị lò nướng làm nóng trước 15 phút, sau khi lò nóng, cho khay bánh vào ngăn giữa lò nướng 5 phút. Nướng được 5 phút ta lấy bánh ra, xịt 1 lớp nước phun sương lên bánh. Để 2 - 3 phút dùng cọ mịn quét thêm 1 lớp màu cho bánh, sau đó cho khay bánh trở lại lò nướng 6 phút. Qua 6 phút lấy bánh ra lập lại phần phun sương và quét mặt bánh.

Cuối cùng cho khay bánh vào nướng thêm 6 phút là bánh chín.2 SƠ LƯỢC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID tên tiếng anh là (Proportional Integral Derivative Controller) hay còn được gọi với tên là điều khiển vi tích phân tỉ lệ. Bộ điều khiển PID được sử 5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa…do nó có khả năng làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các thông số của bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp. 2: Cấu trúc bộ điều khiển PID. Công thức bộ điều khiển PID: U = KP.

+ e: sai số giảm tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt. + u: tín hiệu điều khiển. + y: ngõ ra hệ thống.1 Phân loại Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm: - Bộ điều khiển PID liên tục 6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 3: Hệ thống bộ điều khiển PID liên tục.

- Bộ điều khiển PID số (rời rạc). 4: Hệ thống bộ điều khiển PID số (rời rạc).2 Các thông số bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm ba khâu tương ứng với ba thông số chính: - Khâu tỉ lệ (Proportional) KP. - Khâu tích phân (Integration) KI. - Khâu vi phân (Derivative) KD.

Nếu lựa chọn các thông số này phù hợp (tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế trùng nhau) thì hệ thống sẽ hoạt động tốt,ổn định.  Khâu tỉ lệ (Proportional) 7 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hàm truyền: K(s) = KP. Đặc tính thời gian: Y(s) = KP. Sai số hế thống: E(s) = Hình 2.

5: Khâu tỉ lệ bộ điều khiển PID. Chú ý: - KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh. - KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ ( nhưng không thể triệt tiêu). - KP càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực => Hệ thống càng dao động và độ lọt vố càng cao.

- Nếu KP tăng quá gí trị giới hạn thì hệ thống sẽ mất ổn định.  Khâu tích phân (Integration) Hàm truyền: K(s) = KI/s. Đặc tính thời gian: Y(s) = KI. Sai số hệ thống: E(s) = Hình 2.

6: Khâu tích phân bộ điều khiển PID. 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chú ý: - Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số. - KI càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm. - KI càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ.

Hệ số khuếch đại của khâu tích phân sẽ bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc. - KI càng lớn thì độ lọt vố càng cao.  Khâu vi phân (Derivative) Hàm truyền: K(s) = KD. Đặc thời gian: Y(s) = KD.

Sai số hệ thống: E(s) = Hình 2. 7: Khâu vi phân bộ điều khiển PID. Chú ý: KD càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh. KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ.

Hệ số khuếch đại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với nhiễu tần số cao. Khâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải dùng kết hợp với các khâu P hoặc khâu I.3 Các phương pháp tìm thông số PID (KP, KI, KD) Có rất nhiều phương pháp để tìm thông số PID như: 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Phương pháp Ziegler – Nichols. - Phương pháp Cohen-Coon. - Phương pháp Tyreus-Luyben.

- Phương pháp Autotune. Và phương pháp phổ biến nhất để chọn được thông số cho các bộ điều khiển PID hiện nay đó là phương pháp Zeigler – Nichols.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Trong đề tài này sẽ thực hiện thi công mô hình lò nướng bánh thực tế. Đầu tiên nhóm xây dựng phần cứng cho mô hình lò nướng, có một bình gas dùng để đưa khí gas vào bộ van sau đó đưa khí gas vào lò nướng để đốt. Motor tạo ra gió sẽ đưa gió vào lò nướng để làm mát trong lò đồng thời gió sẽ được trộn với luồng khí gas sau đó sẽ gió và khí gas khi đã được trộn sẽ được dẫn đến trong lò.

Tại đây bộ đánh lửa nhận biết được có khí gas sẽ mồi lửa làm cho luồng khí gas và gió được đốt lốt lên và trong lò sẽ nóng lên. Về mô hình phần điều khiển sẽ sử dụng bộ lập trình PLC S7-1200 để thực hiện việc điều khiển cho mô hình, kết hợp với các thiết bị như cảm biến nhiệt độ, van trộn khí gas để điều khiển cho toàn bộ hệ thống. Thiết bị đầu vào: Nút nhấn, công tắc, cảm biến nhiệt độ. Thiết bị đầu ra: Đèn 220 VAC, động cơ quạt gió 220 VAC, relay, van trộn khí gas.

Thiết bị điều khiển trung tâm: PLC S7-1200 Thiết bị giao diện điều khiển: màn hình HMI TOP.1 Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị đã được sử dụng rất phổ biến, rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Không chỉ dùng để đo nhiệt độ mà còn dùng cảm biến để đo các đại lượng không điện khác như xác định nồng độ, thành phần chất khí,… 10 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ là dựa trên quá trình nhiệt (đốt nóng, làm lạnh) mà đại lượng đo chính là nhiệt độ. Tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào khác. Một số loại cảm biến được sử dụng phổ biến, thông dụng trên thị trường hiện nay: - Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector - RTD).

- Nhiệt kế bức xạ. Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector - RTD) Hình 2. 8: Nhiệt điện trở. - Cấu tạo RTD: gồm có dây kim loại làm từ vật liệu: đồng, platinum, nikel,… sẽ được quấn tùy theo hình dáng đầu đo.

RTD thường có loại 2 dây, 3 dây, 4 dây. Loại 4 dây sẽ cho kết quả đỏ chính xác hơn. - Nguyên lí hoạt động: khi có nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại sẽ thay đổi, tùy vào chất liệu kim loại thì RTD sẽ cho ra khoảng nhiệt độ nhất định phù hợp. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt của cảm biến càng cao.

- Ưu điểm: có độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dề dàng sử dụng, không hạn chế về chiều dài dây. - Nhược điểm: giá thành cao và tầm đo nhiệt độ bé hơn cặp nhiệt điện. 11 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Ứng dụng: RTD được dùng trong các ngành công nghiệp môi trường, gia công vật liệu, hóa chất,… Hiện nay RTD phổ biến thường gặp nhất đó là cảm biến PT. Cảm biến PT được làm từ vật liệu Platinum với điện trở suất cao, độ nhạy cao, chống bị mài mòn oxi hóa, tầm đo nhiệt độ rộng.

Nhiệt điện trở là một loại điện trở biến đổi theo nhiệt độ nên sẽ không thể nào đọc được nhiệt độ trực tiếp. Do vậy để đọc được nhiệt độ ta phải thông qua các bộ chuyển đổi tín hiệu sang dòng hoặc sang áp. Khi sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu ta có thể tăng khả năng chính xác cho cảm biến khi đọc nhiệt độ. Ở đây ta sẽ dùng bộ chuyển đổi tín hiệu sang dòng 4-20 mA.

9: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ PT100 sang 4- 20mA.  Cách đấu nối cảm biến PT100 3 dây vào bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Hình 2. 10: Cách nối dây PT100 và bộ chuyển đổi. 12 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT b.

Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ) Hình 2.