Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nền công nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm tối ưu hóa năng suất, nâng cao độ chính xác của sản phẩm, đồng thời tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu và nhân lực. Việc ứng dụng hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition) cho phép người vận hành quản lý toàn bộ quy trình sản xuất từ xa thông qua máy tính hoặc giao diện người - máy (HMI) mà không cần can thiệp trực tiếp tại hiện trường, giảm thiểu tối đa thời gian dừng máy do sự cố.

Khảo sát thực tế tại Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý (Khu công nghiệp Mỹ Xuân A, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu) tính đến thời điểm tháng 10/2016 cho thấy dây chuyền sản xuất gạch men chưa được thiết lập hệ thống SCADA tập trung. Các công đoạn sản xuất chủ yếu được điều khiển bởi các bộ điều khiển lập trình (PLC) đơn lẻ, thiếu tính đồng bộ và không có mạng truyền thông liên kết. Thực trạng này dẫn đến nhiều hạn chế trong vận hành:

  • Việc điều khiển và khắc phục sự cố phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chủ quan của nhân viên vận hành; quá trình di chuyển từ phòng điều khiển đến vị trí phát sinh lỗi gây mất nhiều thời gian, làm gián đoạn sản xuất và tổn thất sản lượng.
  • Công đoạn thu gom và phân loại gạch phế phẩm vẫn tiến hành thủ công bằng tay.
  • Khu vực lò nung chưa có hệ thống đồ thị (Trend) giám sát nhiệt độ từng vùng, việc cấp nhiệt phụ thuộc vào cảm tính.
  • Các thông số áp suất quạt gió và áp suất khí gas được đo thủ công bằng thước đo áp suất, tiềm ẩn sai số và gây nguy hiểm cho công nhân trong môi trường nhiệt độ cao.
  • Hệ thống băng tải vận hành theo phương thức thủ công, dẫn đến lãng phí điện năng tiêu thụ.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế hệ thống SCADA cho dây chuyền sản xuất gạch men" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể sau:

  1. Thiết kế chương trình điều khiển và giám sát cho công đoạn lò nung – phân loại – đóng gói gạch men của Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý.
  2. Hiển thị trực quan số lượng gạch men và số lượng thùng sản phẩm trên màn hình điều khiển.
  3. Hiển thị biểu đồ nhiệt độ thời gian thực cùng giá trị nhiệt độ tại từng vùng chức năng của lò nung.
  4. Tự động xuất báo cáo về nhiệt độ và các cảnh báo sự cố (Alarm) của hệ thống cho người sử dụng theo chu kỳ đặt trước.
  5. Thiết lập cơ chế phân quyền người dùng (Admin và User/Operator) nhằm giới hạn quyền hạn thao tác và tăng cường tính bảo mật cho hệ thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm 8 nội dung:

  1. Khảo sát dây chuyền sản xuất gạch men thực tế tại nhà máy.
  2. Lựa chọn công đoạn sản xuất thích hợp để xây dựng mô hình SCADA.
  3. Phác thảo mô hình trên phần mềm TIA Portal và lựa chọn các thiết bị mô phỏng phù hợp.
  4. Viết chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal.
  5. Thiết kế giao diện giám sát HMI/SCADA trên phần mềm TIA Portal.
  6. Tiến hành mô phỏng, kiểm thử và hiệu chỉnh hệ thống.
  7. Soạn thảo thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
  8. Báo cáo bảo vệ đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc phần cứng, giải thuật điều khiển và giao diện giám sát SCADA áp dụng cho dây chuyền sản xuất gạch men.
  • Phạm vi không gian: Quy trình công nghệ tại Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý, tập trung chuyên sâu vào phân đoạn: Lò nung – Phân loại – Đóng gói.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 10/10/2016 đến ngày 13/01/2017.
  • Giới hạn nghiên cứu: Đồ án tập trung xây dựng giải pháp phần cứng và thực hiện mô phỏng toàn diện trên nền tảng phần mềm TIA Portal V13 (STEP 7 Professional, PLCSIM và WinCC Professional).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình công nghệ

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động hóa công nghiệp, cấu trúc hệ thống SCADA và quy trình công nghệ sản xuất gạch ốp lát công nghiệp (công suất nhà máy đạt 12.500 thùng/ngày với các dòng sản phẩm kích thước: 40x40 cm, 30x30 cm, 25x40 cm, 30x45 cm).

Quy trình sản xuất gạch men tổng thể gồm 7 công đoạn nối tiếp:

  1. Chuẩn bị nguyên liệu: Phối liệu theo đơn của phòng thí nghiệm, nạp vào bàn cân.
  2. Nghiền thành bột: Nghiền trong cối bi (tỷ lệ bi 45–55%) từ 10–12 giờ; khử từ, lọc qua lưới sàng 10 mesh và 40 mesh, đưa vào hầm chứa có cánh khuấy chống sa lắng.
  3. Sấy phun: Bơm piston đưa hồ vào tháp sấy phun ở nhiệt độ 450–600°C; bột sau sấy qua sàng 10–14 mesh vào 12 silô ủ ổn định ẩm trong 24–48 giờ.
  4. Ép, tạo hình viên gạch và sấy khô: Ép tạo hình phôi gạch, sấy ở nhiệt độ 100–200°C làm cứng phôi và thoát ẩm (nhiệt độ gạch sau sấy đạt 80–100°C).
  5. Tráng men và in lụa: Làm sạch bề mặt bằng bàn chải, quạt thổi bụi và béc phun sương; tráng men, in hoa văn và quét lớp men lót chân MgO chống dính đáy.
  6. Nung gạch: Tiến hành trong lò nung dài khoảng 160m ở dải nhiệt độ 110–1200°C với chu kỳ 36–43 phút.
  7. Kiểm tra, phân loại và đóng gói: Đánh giá độ cong vênh, kích thước, khuyết tật bề mặt, phân chia 3 cấp chất lượng (loại 1, 2, 3), đóng hộp, in phun thông tin và đai thùng.
Thiết bị / Thành phần Chủng loại / Model Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình Siemens PLC S7-300 (CPU 315-2PN/DP) Xử lý logic, truyền thông Profinet/Profibus, thực thi thuật toán PID
Cảm biến nhiệt độ Can nhiệt (Thermocouple) loại K và loại S Đo nhiệt độ các vùng trong lò nung (-200°C đến 1600°C)
Bộ chuyển đổi can nhiệt MST 320 (CHLB Đức) Chuyển đổi tín hiệu mV sang dòng điện chuẩn 4–20 mA (sai số <0,1%)
Cảm biến áp suất Keller Y21 Đo áp suất buồng lò (dải đo 0–10 bar, ngõ ra 4–20 mA / 0–10 V)
Cảm biến quang điện Omron E3F3 Phát hiện sự hiện diện của gạch trên băng tải và đếm sản phẩm
Cơ cấu điều tiết nhiệt Van tuyến tính GEA-20P / GEA-35P Đóng mở van cấp gas theo tín hiệu 4–20 mA / 0–10 VDC
Bộ biến tần Siemens Micromaster MM420 & MM440 Điều khiển mềm tốc độ và chiều quay động cơ băng tải, quạt gió
Phần mềm SCADA Siemens TIA Portal V13 (STEP 7 & WinCC) Lập trình điều khiển, thiết kế giao diện HMI, thu thập và báo cáo dữ liệu

Lý thuyết điều khiển nhiệt độ áp dụng thuật toán PID vi tích phân tỉ lệ tích hợp sẵn trong CPU S7-300: $$Output = K_P \cdot e(t) + K_I \int e(t),dt + K_D \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó $e(t)$ là sai lệch giữa nhiệt độ đặt trước (Setpoint) và nhiệt độ thực tế đo được từ can nhiệt chuyển đổi về PLC.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát thực tế: Thu thập dữ liệu vận hành, thông số máy móc, sơ đồ dây chuyền và quy trình công nghệ tại Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý.
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Tính toán lựa chọn cấu hình phần cứng (công suất biến tần, chủng loại cảm biến, module mở rộng I/O, bộ điều khiển trung tâm).
  • Phương pháp thiết kế hệ thống: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực, sơ đồ đấu nối mạch điều khiển PLC, phân bổ vùng địa chỉ I/O và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển.
  • Phương pháp mô phỏng thực nghiệm: Sử dụng phần mềm TIA Portal V13 kết hợp S7-PLCSIM và WinCC Runtime để kiểm chứng giải thuật điều khiển, chức năng cảnh báo, phân quyền và xuất báo cáo.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng được chia làm 5 khối chức năng chính:

  1. Khối điều khiển trung tâm:

    • Sử dụng PLC Siemens CPU 315-2PN/DP (Mã đặt hàng: 6ES7315-2EH14-0AB0) với bộ nhớ làm việc 384 KB, thời gian xử lý lệnh 0,05 µs, tích hợp giao tiếp MPI, Profibus DP và 2 cổng Profinet RJ45.
    • Module nguồn cấp PS307 (24 VDC).
    • Module mở rộng tín hiệu tương tự SM331 (Analog Input) để nhận tín hiệu can nhiệt và cảm biến áp suất; module SM332 (Analog Output) xuất tín hiệu 0–10 V điều khiển van gas tuyến tính và biến tần; module SM323/SM321/SM322 (Digital I/O) xử lý tín hiệu đóng cắt, cảm biến quang và tiếp điểm cơ cấu máy.

  2. Khối cảm biến và đo lường:

    • Hệ thống bố trí 5 can nhiệt dọc theo thân lò: Can nhiệt loại K (dải đo -200°C đến 1200°C) bố trí tại 2 vùng đầu lò (sấy, nung sơ bộ) và 2 vùng làm nguội; Can nhiệt loại S (thành phần Platinum / Platinum 10% Rhodium, dải đo 0°C đến 1600°C) bố trí tại vùng nung đỉnh nhiệt. Tín hiệu được khuếch đại qua bộ chuyển đổi MST 320 đưa về module SM331-6AI-TC.
    • Cảm biến áp suất Keller Y21 kết nối vào kênh AI của module SM331 để giám sát áp suất buồng lò và đường ống quạt.
    • Cảm biến quang Omron E3F3 đấu nối với cổng DI của PLC để nhận diện vị trí viên gạch và kích hoạt đếm số lượng.

  3. Khối lò nung và cơ cấu điều khiển nhiệt:

    • Kết cấu lò nung dài 160m gồm 4 vùng: Vùng sấy (86–150°C), Vùng nung sơ bộ (150–1140°C), Vùng nung (duy trì ổn định tại 1140°C) và Vùng làm nguội (gồm làm nguội nhanh xuống ~600°C, làm nguội chậm 600–500°C và làm nguội cuối đưa nhiệt độ gạch ra lò đạt 60–80°C).
    • Cơ cấu chấp hành gồm các béc đốt gas điều khiển thông qua van tuyến tính motor GEA-20P (lực kéo 2000 N, thời gian hành trình 50s, tín hiệu điều khiển 4–20 mA / 0–10 VDC).

  4. Khối động cơ và điều khiển truyền động:

    • Động cơ kéo hệ thống rulô con lăn sứ trong lò (động cơ không đồng bộ 3 pha 380V, 50Hz).
    • Hệ thống 4 quạt thông gió công suất lớn: Quạt A (hút nhiệt đầu lò sấy: 45 kW), Quạt B (thổi oxy cấp khí: 37 kW), Quạt C (thổi làm mát sản phẩm: 30 kW), Quạt D (hút áp cân bằng cuối lò: 37 kW).
    • Sử dụng biến tần Siemens Micromaster MM420 (dải công suất đến 11 kW) cho động cơ băng tải và MM440 (dải công suất đến 250 kW) cho hệ thống quạt gió, giúp khởi động êm, triệt tiêu xung lực cơ khí và tiết kiệm điện năng.

  5. Khối phân loại và đóng gói sản phẩm:

    • Hệ thống kiểm tra 3 cấp: cảm biến quang quét vệt mực dạ quang phân loại bề mặt (không vạch: loại 1; 1 vạch: loại 2; 2 vạch: loại 3), cảm biến đo độ cong vênh và cảm biến đo kích thước hình học.
    • Hệ thống gồm 14 stacker chứa gạch. Khi một stacker tích lũy đủ 10 viên gạch cùng phẩm cấp, cơ cấu nâng hạ tự động chuyển gạch xuống băng tải xích để đưa vào máy đóng gói. Máy đóng gói tự động cấp vỏ hộp tương ứng mã code, đưa qua máy in phun thông tin (mã SP, loại, tone màu, ca kíp, ngày giờ) và máy đai 2 đầu thùng.

Thiết kế phần mềm và giao diện SCADA trên TIA Portal V13

Chương trình được lập trình theo lưu đồ giải thuật tuần tự an toàn:

  • Quy trình khởi động quạt chống cháy nổ lò: Khi khởi động, 2 quạt hút A và D bắt buộc phải kích hoạt chạy trước nhằm hút bớt áp suất dư và khí tồn trong lò; sau đó quạt thổi B và C mới được phép hoạt động cùng hệ thống đánh lửa van gas.
  • Các màn hình chức năng trên WinCC Professional:
    1. Giao diện giám sát tổng quan: Thể hiện trực quan trạng thái vận hành của toàn bộ dây chuyền nung, chuyển động của băng tải, cơ cấu phân loại 14 stacker và máy đóng gói.
    2. Giao diện giám sát nhiệt độ (Trend): Hiển thị đường cong biểu đồ nhiệt độ thời gian thực của từng vùng lò nung, so sánh giá trị Setpoint và giá trị đo thực tế.
    3. Giao diện phân quyền người dùng (User Administration): Thiết lập 2 cấp độ: Cấp Admin (quản lý, tổ trưởng) có toàn quyền cấu hình thông số cài đặt, đặt ngưỡng nhiệt độ, xác nhận xóa lỗi; Cấp Operator (công nhân vận hành) chỉ được phép theo dõi trạng thái, khởi động/dừng hệ thống cơ bản.
    4. Giao diện cảnh báo sự cố (Alarm Logging): Báo động tức thời bằng đồ họa và âm thanh khi xảy ra các lỗi: quá nhiệt lò nung, tụt áp suất quạt gió, sự cố quá tải động cơ, kẹt băng tải 2 và 5.
    5. Giao diện lưu trữ lịch sử (History): Tự động ghi nhận dữ liệu vận hành, lịch sử cảnh báo và thao tác của nhân viên theo mốc thời gian thực chính xác đến mili-giây.
    6. Giao diện xuất báo cáo (Report): Xuất dữ liệu định kỳ theo ca/ngày về sản lượng gạch theo từng loại và biểu đồ biến thiên nhiệt độ phục vụ quản trị sản xuất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa và hệ thống SCADA trong công nghiệp sản xuất gạch men. Tác giả trình bày chi tiết thực trạng dây chuyền tại Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý với các hạn chế về việc thiếu hệ thống truyền thông đồng bộ giữa các PLC, các phép đo áp suất và nhiệt độ thủ công, cũng như phương thức phân loại gạch phế phẩm bằng tay. Trên cơ sở đó, chương 1 xác định rõ mục tiêu, 8 nội dung nghiên cứu chính, phạm vi giới hạn của đề tài và bố cục tổng thể gồm 6 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan về Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý (thành lập 2003, công suất 12.500 thùng/ngày) và 7 công đoạn trong quy trình công nghệ sản xuất gạch men. Tác giả phân tích sâu về lý thuyết và thông số kỹ thuật của các thiết bị tự động hóa công nghiệp:

  • Cấu tạo và so sánh giữa cặp nhiệt điện (Thermocouple) và nhiệt điện trở (RTD); thông số bộ chuyển đổi tín hiệu can nhiệt MST 320.
  • Cấu tạo, nguyên lý và 3 chế độ hoạt động của cảm biến quang điện (thu phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán); thông số cảm biến áp suất Keller Y21.
  • Cấu trúc lò nung 160m (4 vùng nhiệt), van tuyến tính GEA-20P/35P và thuật toán điều khiển nhiệt độ PID.
  • Đặc tính kỹ thuật động cơ 3 pha, hệ thống 4 quạt gió lò nung và nguyên lý điều khiển tốc độ bằng biến tần Siemens MM420/MM440.
  • Nguyên lý hoạt động của máy phân loại 14 stacker và dây chuyền đóng gói, in phun mã code, đai thùng.
  • Kiến trúc phần cứng dòng PLC Siemens S7-300 và tổng quan các phân hệ của phần mềm TIA Portal V13 (STEP 7 Professional, WinCC Professional).

Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng

Chương 3 tập trung xây dựng sơ đồ khối tổng quát và thiết kế chi tiết từng khối phần cứng cho hệ thống:

  • Lựa chọn CPU 315-2PN/DP kết hợp các module mở rộng tín hiệu SM331, SM332, SM323, SM321, SM322.
  • Thiết kế sơ đồ đấu nối 5 cặp nhiệt điện (loại K và S) qua bộ chuyển đổi MST 320 vào module SM331-6AI-TC.
  • Thiết kế sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống động cơ kéo con lăn lò nung và 4 động cơ quạt gió kết nối với biến tần MM420/MM440 và module SM332.
  • Thiết kế sơ đồ kết nối cảm biến quang E3F3, cảm biến áp suất Keller Y21 và cơ cấu tiếp điểm máy phân loại/đóng gói vào PLC.
  • Xây dựng bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O) chi tiết trên PLC S7-300 và hoàn thiện sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm

Chương này trình bày quá trình xây dựng giải thuật và lập trình hệ thống trên TIA Portal V13:

  • Thiết kế lưu đồ thuật toán chính và các lưu đồ giải thuật nhánh (khởi động tuần tự hệ thống quạt chống nổ lò, điều khiển vòng lặp kín PID nhiệt độ, điều khiển băng tải và cơ cấu đếm gạch).
  • Cấu hình phần cứng phần mềm (Hardware Configuration) trên TIA Portal.
  • Thiết kế các giao diện HMI/SCADA chuyên dụng: màn hình giám sát toàn cảnh quy trình nung - phân loại - đóng gói; màn hình đồ thị nhiệt độ (Trend); màn hình bảo mật phân quyền User Administration; màn hình quản lý cảnh báo (Alarm Logging); màn hình truy xuất lịch sử (History) và giao diện kết xuất báo cáo sản xuất định kỳ (Report).

Chương 5: Kết Quả Mô Phỏng, Nhận Xét Và Đánh Giá

Chương 5 công bố các kết quả chạy mô phỏng hệ thống thông qua công cụ WinCC Professional Runtime và PLCSIM:

  • Mô phỏng chính xác trình tự khởi động an toàn của lò nhiệt (quạt hút chạy trước, quạt thổi và van gas mở sau).
  • Hệ thống băng tải đưa gạch vào lò nung, điều khiển ổn định nhiệt độ các vùng theo đúng biểu đồ cài đặt.
  • Cảm biến phát hiện và phân loại chính xác các nhóm gạch (loại 1, 2, 3) vào đúng các stacker tương ứng; đếm đủ số lượng 10 viên/stacker để hạ xuống máy đóng gói tự động.
  • Mô phỏng thành công các kịch bản sự cố: cảnh báo quá nhiệt lò nung, cảnh báo lỗi kẹt băng tải 2 và băng tải 5.
  • Kiểm tra tính năng lưu trữ dữ liệu lịch sử và xuất mẫu báo cáo sản lượng/nhiệt độ theo chu kỳ định sẵn. Tác giả đưa ra các nhận xét, đánh giá về độ tin cậy và khả năng đáp ứng của giải pháp mô phỏng so với yêu cầu thực tế tại nhà máy.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Tác giả tổng kết các kết quả đã đạt được của đồ án so với mục tiêu đề ra ban đầu; đồng thời chỉ rõ những mặt hạn chế do điều kiện nghiên cứu mô phỏng và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo để ứng dụng vào sản xuất thực tiễn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu và số liệu thực nghiệm

Đồ án đã xây dựng và mô phỏng thành công hệ thống SCADA cho phân đoạn nung – phân loại – đóng gói trên phần mềm TIA Portal V13 với các kết quả cụ thể:

  • Điều khiển và giám sát quy trình: Hệ thống mô phỏng vận hành chính xác chu trình công nghệ từ cấp phôi gạch, truyền động con lăn sứ trong lò dài 160m, điều tiết 4 vùng nhiệt qua van gas PID, đến khâu phân loại 3 cấp chất lượng qua 14 stacker và đóng gói tự động 10 viên/thùng.
  • An toàn vận hành: Thực hiện đúng thuật toán liên động an toàn: 2 quạt hút A (45 kW) và D (37 kW) luôn kích hoạt chạy trước để giải phóng áp suất lò trước khi bật 2 quạt thổi B (37 kW), C (30 kW) và hệ thống đánh lửa.
  • Giám sát nhiệt độ: Hiển thị trực quan biểu đồ nhiệt độ (Trend) thời gian thực của 5 điểm đo can nhiệt K và S, kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ vùng nung tại 1140°C và vùng làm nguội ra lò ở mức 60–80°C.
  • Xử lý sự cố (Alarm): Thiết lập và mô phỏng kích hoạt cảnh báo chính xác khi xảy ra lỗi quá nhiệt độ cài đặt hoặc sự cố dừng động cơ tại băng tải 2 và băng tải 5.
  • Quản trị hệ thống: Kiểm chứng thành công tính năng bảo mật phân quyền User Administration giữa Admin và Operator; hệ thống tự động ghi nhật ký History và kết xuất Report báo cáo sản lượng (thùng/ngày) và thông số nhiệt độ.

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Đề xuất mô hình tự động hóa tích hợp hoàn chỉnh dựa trên PLC Siemens S7-300 (CPU 315-2PN/DP) và phần mềm TIA Portal V13, thay thế phương thức vận hành phân tán, đơn lẻ tại Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý.
  • Ứng dụng biến tần Siemens Micromaster MM420/MM440 để điều khiển mềm hệ thống động cơ băng tải và quạt gió, giúp bảo vệ cơ khí và giảm thiểu điện năng tiêu hao so với phương pháp đóng cắt trực tiếp.
  • Chuẩn hóa giải pháp giám sát nhiệt độ tập trung bằng can nhiệt công nghiệp kết hợp bộ chuyển đổi MST 320 và giải thuật PID, loại bỏ các phép đo áp suất và nhiệt độ thủ công gây mất an toàn lao động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô thiết kế lý thuyết, xây dựng sơ đồ nguyên lý phần cứng và kiểm chứng mô phỏng trên môi trường phần mềm TIA Portal V13 (S7-PLCSIM và WinCC Runtime), chưa được thi công lắp đặt và thử nghiệm trực tiếp trên dây chuyền vật lý tại nhà máy do hạn chế về kinh phí và điều kiện can thiệp quy trình sản xuất thực tế.
  • Khâu phân loại khuyết tật bề mặt gạch ban đầu vẫn dựa trên phương pháp đánh dấu thủ công bằng bút dạ quang của công nhân trước khi qua cảm biến quang đọc vệt mực, chưa tự động hóa hoàn toàn bằng công nghệ xử lý ảnh công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Triển khai thi công tủ điện điều khiển, lắp đặt cấu hình mạng Profinet/Profibus thực tế và tiến hành thử nghiệm hệ thống SCADA trực tiếp tại xưởng sản xuất của Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý.
  2. Mở rộng phạm vi thu thập dữ liệu và điều khiển SCADA cho toàn bộ 7 công đoạn của nhà máy (từ chuẩn bị nguyên liệu, nghiền bột, ép tạo hình, sấy phôi, tráng men đến đóng gói nhập kho).
  3. Nghiên cứu tích hợp hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision) và camera xử lý ảnh tự động để nhận diện lỗi nứt nẻ, mẻ cạnh, lỗ mọt bề mặt gạch thay thế hoàn toàn công đoạn đánh dấu bút phản quang thủ công.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử, Điện tử Truyền thông đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các nghiên cứu liên quan đến hệ thống điều khiển lập trình PLC Siemens S7-300 và phần mềm TIA Portal V13.
  • Kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa: Tham khảo giải pháp thiết kế mạch động lực biến tần MM420/MM440, cấu hình module analog SM331 ghép nối can nhiệt công nghiệp qua bộ chuyển đổi MST 320, và phương pháp xây dựng giao diện SCADA công nghiệp tích hợp đầy đủ các tính năng: Trend, Alarm, History, Report và User Administration.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn kết hợp hai loại can nhiệt (Thermocouple) loại K và loại S cho hệ thống lò nung?
Do đặc thù nhiệt độ từng vùng trong lò nung gạch men có sự chênh lệch lớn: can nhiệt loại K (hợp kim Chromel/Alumel) có dải đo từ -200°C đến 1200°C, độ nhạy 41 µV/°C, giá thành hợp lý, phù hợp bố trí tại 2 vùng đầu lò (sấy, nung sơ bộ) và 2 vùng làm nguội. Trong khi đó, can nhiệt loại S (hợp kim Platinum/Rhodium) có dải đo rộng và khả năng chịu nhiệt cao từ 0°C đến 1600°C, phù hợp để đo đạc chính xác tại vùng nung đỉnh nhiệt (duy trì ở mức 1140°C).

2. Quy trình liên động an toàn khi khởi động hệ thống quạt lò nung được thiết kế như thế nào để chống cháy nổ?
Chương trình điều khiển được lập trình khóa liên động: khi nhấn nút khởi động hệ thống lò, 2 quạt hút A (công suất 45 kW ở đầu lò) và quạt D (công suất 37 kW ở cuối lò) bắt buộc phải hoạt động trước để hút bớt áp suất dư và giải phóng khí tồn đọng trong buồng lò. Sau khi áp suất ổn định, quạt thổi cấp oxy B (37 kW), quạt làm mát C (30 kW) và hệ thống van gas mới được phép kích hoạt cấp nhiệt.

3. Cơ chế phân loại gạch men qua 3 bước và hệ thống 14 stacker hoạt động theo nguyên lý nào?
Viên gạch sau nung trải qua 3 bước kiểm tra: (1) Cảm biến quang đọc vết mực dạ quang để nhận diện khuyết tật bề mặt; (2) Máy đo độ cong vênh; (3) Cảm biến đo kích thước hình học. Gạch chỉ đạt loại 1 khi thỏa mãn cả 3 tiêu chuẩn; nếu vi phạm bất kỳ tiêu chuẩn nào sẽ bị hạ xuống loại 2 hoặc loại 3. Tương ứng với mã code phân loại, gạch được chuyển về 1 trong 14 stacker. Khi một stacker nhận đủ 10 viên gạch theo cài đặt, cơ cấu cơ khí sẽ tự động hạ gạch xuống băng tải xích để đưa vào máy đóng gói vỏ hộp tương ứng.

4. Tính năng phân quyền người dùng (User Administration) trong giao diện SCADA được phân cấp như thế nào?
Hệ thống thiết lập 2 nhóm tài khoản chính: Nhóm Admin (dành cho quản lý, kỹ sư, tổ trưởng) có quyền truy cập toàn bộ hệ thống, chỉnh sửa các thông số cài đặt nhiệt độ PID, cấu hình chu kỳ xuất báo cáo và reset cảnh báo sự cố; Nhóm Operator/User (dành cho công nhân vận hành) chỉ có quyền giám sát màn hình tổng quan, theo dõi biểu đồ nhiệt độ và thực hiện các thao tác vận hành bật/tắt cơ bản, không được can thiệp vào các thông số cài đặt chuyên sâu.

5. Mục đích chính của việc sử dụng biến tần Siemens MM420 và MM440 trong thiết kế là gì?
Biến tần được ứng dụng nhằm thay thế phương pháp khởi động trực tiếp từ lưới điện 380V. Việc điều khiển qua biến tần giúp các động cơ quạt gió công suất lớn (30–45 kW) và hệ thống con lăn truyền động khởi động êm ái, triệt tiêu hiện tượng sụt áp lưới và xung sốc cơ khí, hạn chế hao mòn thiết bị, nâng cao tuổi thọ động cơ và tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ cho nhà máy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống SCADA cho dây chuyền sản xuất gạch men" của nhóm sinh viên Trần Hải Đăng và Thái Hoàng Tuấn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán xây dựng cấu trúc phần cứng và chương trình điều khiển - giám sát cho công đoạn lò nung, phân loại và đóng gói tại Công ty TNHH Gạch men Nhà Ý. Bằng việc ứng dụng bộ điều khiển lập trình Siemens S7-300 (CPU 315-2PN/DP) kết hợp phần mềm TIA Portal V13, đề tài đã thiết kế thành công các phân hệ SCADA chuyên nghiệp bao gồm giám sát nhiệt độ PID, quản lý cảnh báo Alarm, lưu trữ History, xuất Report và phân quyền User Administration. Kết quả mô phỏng trên S7-PLCSIM và WinCC Professional Runtime chứng minh tính đúng đắn của giải thuật điều khiển và cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc triển khai tự động hóa thực tế trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng.