Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nền kinh tế hiện đại, các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp luôn phải đối mặt với áp lực nâng cao năng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường. Để đạt được mục tiêu này, việc tái cơ cấu tổ chức và đổi mới dây chuyền công nghệ theo hướng tự động hóa đã trở thành yêu cầu thiết yếu trong các nhà máy xí nghiệp. Trước đây, các hệ thống điều khiển truyền động và công nghệ sản xuất chủ yếu dựa trên các cơ cấu cam cơ học kết hợp với mạch rơ-le, công tắc tơ và linh kiện điều khiển riêng lẻ. Phương thức này bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng trong thực tế: việc thi công đấu nối dây phức tạp và tốn nhiều thời gian; dung lượng vật tư lớn do một thiết bị phải lấy tín hiệu nhiều lần; khả năng mở rộng bị hạn chế; đặc biệt khi cần sửa chữa, bảo trì hoặc thay đổi quy trình công nghệ thì việc dò tìm hư hỏng và đi lại dây rất khó khăn, làm gián đoạn sản xuất và suy giảm năng suất lao động.

Sự xuất hiện và phát triển của bộ điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Controller) từ năm 1968 đã khắc phục căn bản các hạn chế trên nhờ khả năng thay đổi thuật toán điều khiển mềm dẻo qua chương trình, cấu trúc phần cứng dạng mô-đun hóa, kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy và khả năng chống nhiễu công nghiệp cao. Đối với các quy trình pha trộn dung dịch – công đoạn đóng vai trò then chốt trong các ngành công nghiệp hóa chất, dầu khí, thực phẩm, dược phẩm và vật liệu xây dựng – việc tự động hóa quá trình nạp liệu, định lượng, khuấy trộn và xả liệu có ý nghĩa quyết định đến độ đồng đều và chất lượng sản phẩm. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống tự động hóa điều khiển trạm trộn nhiên liệu lỏng thông qua bộ điều khiển PLC Siemens Simatic S7-300 kết hợp phần mềm giám sát WinCC.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết điều khiển lập trình PLC và cấu trúc phần cứng của dòng PLC Simatic S7-300 do hãng Siemens sản xuất, bao gồm các mô-đun chức năng, tập lệnh và môi trường lập trình.
  2. Khảo sát công nghệ các hệ thống pha trộn điển hình trong công nghiệp và đánh giá các thiết bị đo lường, chấp hành trong trạm trộn nhiên liệu (cảm biến mức chất lỏng, van điện từ khí nén/thủy lực, công tắc hành trình, động cơ điện).
  3. Thiết kế giải pháp điều khiển trạm trộn nhiên liệu lỏng hai thành phần: cấu hình phần cứng trạm PLC, quy hoạch các biến vào/ra số, thiết lập mạch điều khiển và lập trình thuật toán điều khiển tuần tự trên phần mềm SIMATIC Manager theo đúng yêu cầu công nghệ.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạm trộn nhiên liệu lỏng (hỗn hợp hai chất lỏng A và B) và hệ thống điều khiển tự động hóa sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC Simatic S7-300 kết hợp giao diện giám sát WinCC.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Khoa Điện Tự động Công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng; thời gian triển khai từ ngày 01 tháng 07 năm 2019 và hoàn thành vào ngày 23 tháng 09 năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình công nghệ và kỹ thuật điều khiển khả trình công nghiệp:

  • Khung lý thuyết điều khiển khả trình PLC S7-300: Cấu trúc hệ thống vi xử lý chuyên dụng cho công nghiệp với nguyên lý quét vòng tuần hoàn (Scan Cycle) gồm 4 giai đoạn nối tiếp: đọc tín hiệu từ cổng vào lưu vào bộ đệm ảo (Process Input Image - I), thực thi tuần tự các lệnh trong chương trình, chuyển kết quả từ bộ đệm ảo (Process Output Image - Q) ra cổng ra vật lý, thực hiện truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Chu kỳ vòng quét (Scan time) quyết định tính thời gian thực của hệ thống, thường vào khoảng 20ms đối với chương trình dung lượng 1 Kbyte. Hệ thống phân chia bộ nhớ gồm vùng nhớ chương trình (load memory), vùng nhớ làm việc (working memory) và vùng nhớ hệ thống (system memory) quản lý các miền dữ liệu: biến ngõ vào (I), biến ngõ ra (Q), cờ nhớ nội (M), bộ định thời (Timer - T), bộ đếm (Counter - C), vùng đệm ngoại vi (PI/PQ), khối dữ liệu toàn cục (DB) và dữ liệu cục bộ (L).
  • Cấu trúc chương trình và quản lý ngắt: Khảo sát cơ chế lập trình có cấu trúc với các khối cơ bản gồm khối tổ chức (OB), khối hàm (FC), khối hàm chức năng (FB), khối hàm hệ thống (SFC, SFB) và các khối ngắt chuyên dụng (OB10 ngắt thời gian, OB20 ngắt trễ, OB40 ngắt cứng ngoại vi, OB80 lỗi thời gian chu trình, OB81 lỗi nguồn, OB82 ngắt chẩn đoán mô-đun, OB87 lỗi truyền thông, OB100 khởi động lại khi chuyển trạng thái STOP sang RUN, OB121/OB122 lỗi logic và lỗi mô-đun).
  • Bộ định thời (Timer) và Bộ đếm (Counter): Khai báo độ trễ dựa trên công thức Thời gian trễ = Độ phân giải $\times$ PV (với độ phân giải 10ms, 100ms, 1s, 10s và giá trị đặt PV dạng BCD từ 0 đến 999). Sử dụng 5 loại Timer chuyên dụng gồm Timer trễ sườn lên không nhớ (SD), trễ sườn lên có nhớ (SS), tạo xung không nhớ (SP), tạo xung có nhớ (SE) và trễ sườn xuống (SF). Bộ đếm hỗ trợ 256 phần tử (C0 đến C255) cho phép đếm tiến (CU) hoặc đếm lùi (CD) đồng thời lưu vào thanh ghi C-Word.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế: Tác giả sử dụng phương pháp phân tích yêu cầu công nghệ chu trình trộn gián đoạn theo mẻ, phương pháp thiết kế phần cứng mô-đun hóa trạm điều khiển PLC, và phương pháp lập trình logic tiếp điểm trên ngôn ngữ LAD/STL trong môi trường STEP 7 (SIMATIC Manager).
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật họ S7-300 của hãng Siemens, bảng thông số kỹ thuật bộ điều khiển mức Omron 61F, cảm biến tiệm cận điện dung Autonics, các tiêu chuẩn van công nghiệp khí nén/thủy lực và dữ liệu quy trình công nghệ pha trộn thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống điều khiển trạm trộn nhiên liệu được thiết kế hoàn chỉnh từ cấu hình phần cứng, lựa chọn thiết bị ngoại vi đến phân bổ tín hiệu vào/ra và xây dựng dự án trên phần mềm.

Cấu hình phần cứng trạm PLC S7-300

Phần cứng được cấu hình trên thanh ray chuẩn (Rack 300 / Rail 0 UR0) thông qua công cụ HW Config của phần mềm SIMATIC Manager:

  • Rãnh số 1 (Slot 1): Dự phòng cho mô-đun nguồn PS 307 (dòng định mức 2A, 5A hoặc 10A, chuyển đổi điện áp lưới AC sang 24VDC cấp cho CPU và các cảm biến, rơ-le).
  • Rãnh số 2 (Slot 2): Khối xử lý trung tâm CPU 314 (mã thiết bị 6ES7 314-1AE02-0AB).
  • Rãnh số 3 (Slot 3): Mô-đun ghép nối giao tiếp IM 360 (dùng để kết nối mở rộng thêm các rack phụ khi cần thiết).
  • Rãnh số 4 (Slot 4): Mô-đun tín hiệu đầu vào số SM 321 DI 16xDC 24V (mở rộng 16 cổng ngõ vào số chuẩn 24VDC có cách ly quang).
  • Rãnh số 5 (Slot 5): Mô-đun tín hiệu đầu ra số SM 322 DO 16xDC 24V (mở rộng 16 cổng ngõ ra số chuẩn DC 24V để kích hoạt các cuộn hút van điện từ và khởi động từ).

Bảng phân bổ biến ngõ vào và ngõ ra của hệ thống

Hệ thống trạm trộn yêu cầu xử lý 6 biến đầu vào số và 7 biến đầu ra số phục vụ chu trình công nghệ:

Loại biến Tên thiết bị / Ký hiệu Chức năng công nghệ Mức logic tác động
Đầu vào Nút lệnh / Công tắc Lệnh cho phép hệ thống trộn vận hành Mức 1: Cho phép chạy
Đầu vào Cảm biến lưu lượng dòng chảy Báo chất lỏng đã thực sự chảy vào bồn sau khi mở bơm Mức 1: Có dòng chảy; Mức 0: Báo lỗi
Đầu vào Cảm biến mức S0 Cảm biến báo mức nhiên liệu đầy trong bồn Mức 1: Bồn đã đầy nhiên liệu
Đầu vào Cảm biến mức S1 Cảm biến báo mức nhiên liệu tối thiểu đủ để trộn Mức 1: Đạt mức cho phép khuấy
Đầu vào Cảm biến mức S2 Cảm biến báo bồn đã xả hết nhiên liệu (cạn bồn) Mức 1: Bồn hết nhiên liệu
Đầu vào Nút dừng hệ thống Lệnh dừng trạm trộn (hoàn tất chu kỳ rồi dừng) Mức 1: Yêu cầu dừng
Đầu ra Van điện từ MV1 Cấp nhiên liệu thành phần A vào bồn trộn Mức 1: Van mở; Mức 0: Van đóng
Đầu ra Van điện từ MV2 Cấp nhiên liệu thành phần B vào bồn trộn Mức 1: Van mở; Mức 0: Van đóng
Đầu ra Động cơ bơm Đ1 Bơm nạp nhiên liệu thành phần A Mức 1: Bơm hoạt động
Đầu ra Động cơ bơm Đ2 Bơm nạp nhiên liệu thành phần B Mức 1: Bơm hoạt động
Đầu ra Động cơ khuấy trộn Đ3 Truyền động cánh khuấy trộn đều hai nhiên liệu Mức 1: Motor quay trộn liệu
Đầu ra Van điện từ MV3 Van xả hỗn hợp nhiên liệu thành phẩm ra ngoài Mức 1: Van xả mở
Đầu ra Đèn báo sự cố Phát tín hiệu cảnh báo khi bơm hỏng hoặc nghẽn dòng Mức 1: Đèn cảnh báo sáng

Quy trình công nghệ và giải thuật điều khiển

Quy trình công nghệ vận hành của trạm trộn nhiên liệu diễn ra theo trình tự nghiêm ngặt:

  1. Khi có lệnh cho phép hoạt động, hai van nạp MV1 và MV2 đồng thời mở ra.
  2. Bộ định thời đếm đủ thời gian trễ 5 giây nhằm đảm bảo đường ống đã thông thoáng, sau đó hai động cơ bơm Đ1 và Đ2 mới được cấp điện khởi động.
  3. Sau khi bơm chạy, hệ thống kiểm tra tín hiệu cảm biến dòng chảy: nếu chất lỏng chưa chảy vào bồn, toàn bộ hệ thống lập tức dừng khẩn cấp và kích hoạt đèn báo sự cố bơm sáng.
  4. Khi cả hai nhiên liệu được bơm vào bồn đến khi ngập cảm biến mức đầy S0, tín hiệu từ S0 ngắt nguồn dừng cả hai bơm Đ1 và Đ2 ngay lập tức.
  5. Sau khi hai bơm dừng được 5 giây, hai van nạp MV1 và MV2 mới được đóng lại hoàn toàn để chống hiện tượng dồn áp.
  6. Trong quá trình bơm nạp, ngay khi nhiên liệu dâng lên ngập cảm biến mức S1 (báo mức đủ để trộn), động cơ khuấy Đ3 được kích hoạt chạy. Thời gian trộn được thiết lập duy trì đúng 15 giây thì động cơ Đ3 tự động ngắt.
  7. Khi quá trình trộn hoàn tất và cảm biến S0 xác nhận bồn đầy, van xả MV3 tự động mở để xả toàn bộ dung dịch ra ngoài cho đến khi mức chất lỏng hạ xuống dưới cảm biến S2 (báo bồn cạn). Lúc này van xả MV3 đóng lại.
  8. Kết thúc chu kỳ xả: nếu không có lệnh dừng, hệ thống tự động lặp lại chu kỳ mới từ bước mở van MV1, MV2; nếu có tín hiệu dừng phát ra trong lúc đang trộn, trạm vẫn duy trì thực hiện cho đến khi van xả MV3 đóng lại mới ngắt hẳn.

Triển khai trên môi trường SIMATIC Manager

Dự án được tạo lập với tên gọi He thong tron san pham lưu tại đường dẫn thư mục quy định. Người dùng cấu hình trạm SIMATIC 300 Station, gán các địa chỉ vật lý cho các mô-đun trong giao diện HW Config và lưu lại cấu hình (Save and Compile). Thuật toán điều khiển toàn bộ chu trình công nghệ được hiện thực hóa bên trong khối tổ chức chính OB1 (Cyclic Execution) bằng ngôn ngữ sơ đồ bậc thang LAD (Ladder Diagram) và danh sách lệnh STL (Statement List), sẵn sàng liên kết địa chỉ các tag biến sang giao diện SCADA trên WinCC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về WinCC và PLC của hãng Siemens

Chương 1 cung cấp cơ sở lý thuyết chuyên sâu về kiến trúc phần cứng, nguyên lý vận hành và môi trường phần mềm của bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens, trọng tâm là họ Simatic S7-300:

  • Kiến trúc phần cứng PLC: Trình bày cấu tạo gồm 5 bộ phận cơ bản: CPU, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện ngõ vào/ra (I/O) và thiết bị lập trình. Phân tích chi tiết cơ chế cách ly tín hiệu ngõ vào bằng mạch ghép quang (optocoupler) hỗ trợ dải điện áp 24VDC, 110V, 220V; cách ly tín hiệu ngõ ra bằng rơ-le hoặc linh kiện quang bán dẫn (24VDC/100mA, 110VDC/1A, 240VAC/1A).
  • So sánh kinh tế - kỹ thuật giữa PLC và hệ thống điều khiển rơ-le:
Tiêu chí đánh giá Hệ thống điều khiển Rơ-le Hệ thống điều khiển PLC
Lắp đặt và đấu dây Thời gian thi công lâu, dây dẫn phức tạp Lắp đặt đơn giản, giảm đáng kể dây nối
Thay đổi quy trình Rất khó khăn, phải dỡ bỏ và đi lại dây Dễ dàng, chỉ cần nạp lại chương trình
Kích thước và không gian Chiếm diện tích lớn, cồng kềnh Nhỏ gọn, tích hợp cao trên thanh ray
Độ tin cậy và bảo trì Tuổi thọ cơ điện ngắn, cần bảo dưỡng thường xuyên Tuổi thọ cao, ít hư hỏng, không cần bảo dưỡng định kỳ
Khả năng kết nối mạng Không có khả năng truyền thông máy tính Dễ dàng nối mạng phân tán và hệ SCADA
Hiệu quả kinh tế Kinh tế hơn với hệ thống rất ít đầu vào/ra Kinh tế vượt trội khi số lượng đầu vào/ra tăng lên
  • Phần cứng họ S7-300: Giới thiệu các dòng CPU từ 312, 314 đến 315-2DP; các mô-đun tín hiệu mở rộng SM (SM321 DI, SM322 DO, SM331 AI, SM332 AO); mô-đun giao tiếp IM (IM360, IM361, IM365 cho phép kết nối tối đa 4 rack, mỗi rack tối đa 8 mô-đun mở rộng).
  • Bộ nhớ và tập lệnh: Phân tích các kiểu dữ liệu cơ bản (BOOL 1 bit; BYTE 8 bit; WORD 16 bit; INT 16 bit từ -32768 đến 32767; DINT 32 bit; REAL 32 bit số thực; S5T khoảng thời gian). Trình bày tập lệnh STL chi tiết bao gồm nhóm lệnh logic tiếp điểm (=, A, AN, O, ON, X, XN, SET, CLR, NOT, S, R, FP, FN, SAVE), nhóm lệnh thao tác trên thanh ghi tính toán 32 bit ACCU1 và ACCU2 (L, T, POP, PUSH, TAK, CAW, CAD, INVI, INVD, AW, AD, OW, OD, XOW, XOD, INC, DEC) và cơ chế vận hành của 5 loại Timer, 256 Counter.

Chương 2: Các hệ thống pha trộn và thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm trộn nhiên liệu

Chương 2 thực hiện khảo sát các ứng dụng pha trộn trong công nghiệp và phân tích cấu tạo, nguyên lý của các thiết bị đo lường - chấp hành được ứng dụng trong trạm trộn nhiên liệu:

  • Khảo sát hệ thống pha trộn công nghiệp:
    1. Hệ thống phối trộn dầu DO và dầu thực vật: Ứng dụng phối trộn năng lượng sinh học với năng lượng hóa thạch nhằm tạo ra nhiên liệu mới thân thiện với môi trường, nâng cao hiệu suất kinh tế.
    2. Hệ thống pha màu sơn và công nghiệp nhuộm: Đảm bảo tỷ lệ pha trộn chính xác giữa các màu gốc theo công thức định trước để tạo màu sắc đồng đều tuyệt đối cho toàn bộ lô sản phẩm.
    3. Hệ thống pha trộn hóa chất và dược phẩm: Khảo sát nguyên lý vận hành của máy trộn hành tinh nhằm đạt độ đồng đều cao cho hỗn hợp bột và dung dịch hóa chất.
    4. Hệ thống phối trộn nước ngọt có gas: Dây chuyền định lượng và trộn nước, si-rô và khí CO2 trong bồn thép không gỉ áp suất cao, điều khiển bằng PLC và cảm biến áp lực/mức.
    5. Trạm trộn bê tông: Dây chuyền tự động cân định lượng, nhào trộn xi măng, cát, đá, nước, phụ gia theo mác bê tông yêu cầu và xả vào xe chuyên chở.
  • Khảo sát thiết bị điều khiển và trường:
    • Bộ điều khiển kiểm tra mức Omron 61F: Thiết bị kiểm soát mức chất lỏng dẫn điện sử dụng nguyên lý điện cực. Điểm quan trọng trong thiết kế là việc bổ sung điện cực E2 nối song song với điện cực E1 (tạo thành cụm điện cực E1, E2, E3) nhằm tạo mạch tự giữ cho rơ-le X; giải pháp này triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung nhấp nhả tiếp điểm do sóng gợn trên mặt chất lỏng, bảo vệ an toàn cho động cơ bơm.
    • Cảm biến tiệm cận điện dung Autonics: Khảo sát các dòng DC 3 dây (12-24VDC, ngõ ra NPN/PNP) và AC 2 dây (100-220VAC), kích thước đường kính phi 18 và phi 30 với khoảng cách phát hiện 8mm hoặc 15mm; có khả năng phát hiện xuyên qua thành chai/bồn phi kim loại để nhận biết chất lỏng, bột, nhựa.
    • Cơ cấu chấp hành khí nén, thủy lực và động cơ: Khảo sát van điện từ đảo chiều 4 cửa 2 vị trí tác động trực tiếp bằng nam châm điện; công tắc hành trình tiếp điểm cơ học; động cơ điện không đồng bộ ba pha roto lồng sóc với ưu điểm kết cấu đơn giản, vận hành bền bỉ, khởi động nhanh và hiệu suất cao trong môi trường công nghiệp.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn nhiên liệu giám sát qua giao diện WinCC

Chương 3 là phần thiết kế kỹ thuật trọng tâm của đồ án:

  • Hiện thực hóa yêu cầu công nghệ: Phân tích chi tiết quy trình 8 công đoạn liên động giữa hai bơm Đ1, Đ2, động cơ trộn Đ3, các van điện từ nạp MV1, MV2, van xả MV3 và hệ thống 3 cảm biến mức (S0, S1, S2) kèm cảm biến dòng chảy cảnh báo sự cố.
  • Tính toán và thiết lập cấu hình phần cứng: Lựa chọn thanh ray Rail 0 UR0, CPU 314 mã 6ES7314-1AE02-0AB, mô-đun kết nối IM 360, mô-đun 16 ngõ vào số SM 321 và mô-đun 16 ngõ ra số SM 322 đáp ứng đủ 6 kênh vào và 7 kênh ra thực tế của trạm trộn.
  • Xây dựng chương trình trên SIMATIC Manager: Hướng dẫn các bước thiết lập Project He thong tron san pham, cấu hình thông số phần cứng trong HW Config, khai báo bảng ký hiệu Symbol Table cho các biến I/O, mở khối OB1 để lập trình các Network logic bằng ngôn ngữ LAD/STL, và thiết lập cấu trúc liên kết hiển thị trạng thái lên giao diện giám sát WinCC.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể theo đúng thuyết minh thiết kế:

  • Về mặt công nghệ: Hoàn thiện sơ đồ công nghệ trạm trộn nhiên liệu lỏng hai thành phần với chu trình khép kín tự động. Xác lập thành công các thông số trễ kỹ thuật bao gồm: thời gian mở thông van 5 giây trước khi chạy bơm, thời gian trễ 5 giây đóng van sau khi ngắt bơm nhằm chống búa nước/dồn áp, và thời gian khuấy trộn đồng nhất cố định 15 giây được điều khiển chuẩn xác qua các khối Timer của PLC.
  • Về mặt kỹ thuật phần cứng: Tính toán, lựa chọn và cấu hình chính xác cấu trúc trạm PLC S7-300 gồm CPU 314 (mã 6ES7314-1AE02-0AB), mô-đun IM 360 cùng các khối SM 321 DI 16xDC24V và SM 322 DO 16xDC24V; xây dựng giải pháp đo mức chống nhiễu sóng chất lỏng ứng dụng bộ Omron 61F mạch 3 điện cực (E1, E2, E3).
  • Về giải pháp điều khiển: Chuyển đổi thành công bài toán công nghệ sang thuật toán logic tuần tự, cấu hình hoàn chỉnh dự án trên SIMATIC Manager (STEP 7) tại khối OB1, loại bỏ hoàn toàn các rơ-le trung gian và bộ định thời cơ điện cồng kềnh.
  • Đóng góp tự nêu của tác giả: Đề tài cung cấp giải pháp kỹ thuật sát thực tế cho bài toán tự động hóa trạm trộn công nghiệp; chứng minh tính ưu việt của việc ứng dụng PLC S7-300 kết hợp giao diện WinCC trong việc nâng cao độ linh hoạt, độ an toàn vận hành và giảm thiểu chi phí bảo trì dây chuyền sản xuất so với mạch rơ-le truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung toàn văn của đồ án, các hạn chế và định hướng phát triển được ghi nhận như sau:

  • Hạn chế: Thuyết minh đồ án chủ yếu tập trung vào phần cấu hình phần cứng trạm điều khiển PLC S7-300, phân tích nguyên lý thiết bị cảm biến/chấp hành và quy trình công nghệ điều khiển On/Off tuần tự theo các mức rời rạc (S0, S1, S2); phần thiết kế chi tiết giao diện đồ họa SCADA WinCC, cấu hình liên kết thẻ nhớ (Tag Management) và các Network mã lệnh chi tiết của chương trình OB1 chưa được trình bày đầy đủ trong văn bản. Ngoài ra, trạm trộn mới chỉ dừng lại ở bài toán định lượng theo mức On/Off mà chưa tích hợp điều khiển tỷ lệ liên tục thông qua cảm biến lưu lượng tương tự và khối hàm PID.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng cấu hình phần cứng với các mô-đun tương tự (SM 331 AI, SM 332 AO) để đo lường chính xác lưu lượng tức thời và nhiệt độ bồn trộn.
    2. Ứng dụng các thuật toán điều khiển vòng kín (khối hàm PID FB41/SFB41) nhằm phối trộn các thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ phần trăm thay đổi linh hoạt.
    3. Hoàn thiện hệ thống giao diện SCADA trên WinCC: thiết kế giao diện vận hành trực quan, cấu hình hệ thống cảnh báo sự cố (Alarms), thu thập và hiển thị biểu đồ thời gian thực (Trends), đồng thời lưu trữ dữ liệu lịch sử vào cơ sở dữ liệu phục vụ quản lý sản xuất.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật:

  • Đối tượng phù hợp: Sinh viên đại học và cao đẳng các ngành Điện công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử; kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp đang tìm kiếm tài liệu về dòng PLC Siemens S7-300 và ứng dụng điều khiển quá trình pha trộn.
  • Nội dung đáng tham khảo:
    • Quy trình từng bước cấu hình phần cứng trạm PLC trên công cụ HW Config của phần mềm SIMATIC Manager (tạo Rack, đặt CPU vào Slot 2, khai báo mô-đun mở rộng vào các slot tiếp theo).
    • Bảng so sánh toàn diện về mặt kỹ thuật và kinh tế giữa giải pháp điều khiển rơ-le và điều khiển khả trình PLC.
    • Sơ đồ nguyên lý và giải pháp mạch tự giữ chống nhiễu sóng bề mặt chất lỏng của bộ kiểm tra mức Omron 61F bằng cấu hình 3 điện cực.
    • Trình tự thiết lập chu trình công nghệ pha trộn chất lỏng tự động có khóa liên động an toàn và xử lý sự cố kẹt dòng chảy.

Câu hỏi thường gặp

1. Trình tự thời gian và điều kiện liên động khi nạp và xả nhiên liệu trong trạm trộn được thiết kế như thế nào?
Khi có lệnh cho phép, hai van cấp MV1 và MV2 mở trước 5 giây thì hai động cơ bơm Đ1 và Đ2 mới khởi động. Sau khi bơm chạy, cảm biến dòng chảy phải xác nhận có chất lỏng vào bồn, nếu không trạm sẽ dừng và bật đèn sự cố. Khi nhiên liệu chạm mức đầy S0, hai bơm lập tức ngắt; sau đó 5 giây, hai van nạp MV1 và MV2 mới đóng lại hoàn toàn. Quá trình khuấy trộn được kích hoạt khi mức chất lỏng đạt cảm biến S1 và duy trì đúng 15 giây. Sau khi trộn xong và bồn báo đầy S0, van xả MV3 mở ra cho đến khi cạn bồn (cảm biến S2 ngắt) mới đóng lại.

2. Tại sao bộ điều khiển mức Omron 61F trong đồ án lại cần lắp đặt thêm điện cực E2 nối song song với E1 thay vì chỉ dùng 2 điện cực?
Nếu chỉ dùng 2 điện cực (E1 và E3), hiện tượng gợn sóng dao động trên bề mặt chất lỏng khi bơm nạp xả sẽ làm tiếp điểm đóng cắt liên tục (hiện tượng rung nhấp nhả), gây chập chờn nguồn cấp và làm giảm tuổi thọ của động cơ bơm. Việc lắp thêm điện cực E2 nối song song tạo thành mạch tự giữ qua tiếp điểm của rơ-le trung gian X; mạch duy trì trạng thái đóng điện qua E2 và E3 ngay cả khi mức chất lỏng dao động xuống dưới E1, chỉ ngắt khi mức nước xuống hoàn toàn dưới E2, giúp bơm vận hành ổn định.

3. Cấu hình phần cứng trạm PLC S7-300 được chọn trong đồ án gồm những mô-đun cụ thể nào?
Phần cứng được bố trí trên thanh ray Rack 300 (Rail 0 UR0) bao gồm: Slot 2 lắp CPU 314 (mã 6ES7 314-1AE02-0AB); Slot 3 lắp mô-đun giao tiếp IM 360; Slot 4 lắp mô-đun tín hiệu vào số SM 321 DI 16xDC 24V; Slot 5 lắp mô-đun tín hiệu ra số SM 322 DO 16xDC 24V. Cấu hình này cung cấp 16 kênh vào số và 16 kênh ra số, đáp ứng đủ nhu cầu 6 ngõ vào và 7 ngõ ra của hệ thống.

4. Khi người vận hành phát tín hiệu dừng hệ thống trong lúc trạm đang thực hiện chu kỳ trộn, hệ thống sẽ phản ứng như thế nào?
Hệ thống không dừng khẩn cấp ngay lập tức mà vẫn tiếp tục duy trì vận hành để hoàn thành toàn bộ các công đoạn còn lại của mẻ trộn đang dở dang (tiếp tục khuấy đủ 15 giây và mở van xả MV3 đưa toàn bộ nhiên liệu ra ngoài cho tới khi cảm biến S2 báo bồn đã cạn). Chỉ khi van xả MV3 đóng lại kết thúc chu kỳ, hệ thống mới chính thức ngừng hoạt động, tránh lãng phí nguyên liệu và tránh hiện tượng nhiên liệu bị đông đặc hay kẹt trong bồn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển hệ thống trộn liệu qua giao diện WinCC" của sinh viên Vũ Duy Trung đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa trạm trộn nhiên liệu lỏng hai thành phần dựa trên nền tảng PLC Siemens Simatic S7-300. Tác giả đã hoàn thành việc khảo sát thiết bị đo lường - chấp hành công nghiệp, tính toán phân bổ biến vào/ra và thiết lập cấu hình phần cứng trạm điều khiển trên công cụ HW Config của SIMATIC Manager. Với các mốc thời gian khóa liên động chính xác và giải pháp đo mức chống rung nhấp nhả, hệ thống đảm bảo quy trình pha trộn vận hành an toàn, tin cậy và đáp ứng tốt yêu cầu công nghệ sản xuất hiện đại.