ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển và giám sát quy trình sản xuất sữa

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................. I
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................... II
PHIẾU NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................................III
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ V
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ VI
MỤC LỤC ............................................................................................................... VII
Danh mục bảng .......................................................................................................... X
Danh mục hình ảnh ................................................................................................... XI
Danh mục viết tắt ................................................................................................... XIV
Tóm tắt đề tài ........................................................................................................... XV
Tổng Quan .................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu ...........................................................................................................3
1.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................4
1.4. Giới hạn đề tài .................................................................................................4
Cơ sở lý thuyết ...........................................................................................5
2.1. Quy trình công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng ...................................................5
Nguyên liệu ............................................................................................................ 6
Chuẩn hóa ............................................................................................................. 6
Tiệt trùng ............................................................................................................... 7
Đồng hóa ............................................................................................................... 8
Làm nguội.............................................................................................................. 8
Hoàn thiện ............................................................................................................. 8
Sản phẩm sữa tiệt trùng ........................................................................................ 8

2.2. Mạng truyền thông công nghiệp. .....................................................................9
Các cấp bậc trong mạng truyền thông công nghiệp. ............................................ 9
Một số mạng truyền thông của ALLEN BRADLEY ............................................. 10

2.3. Trao đổi dữ liệu theo cơ chế Produced và Consumed...................................15

2.4. Các dòng PLC của Allen-Bradlley. ...............................................................16
2.5. Tổng quan về hệ thống SCADA. ....................................................................17
VII


Cấu trúc chung hệ thống SCADA........................................................................ 17
Nhiệm vụ của hệ thống SCADA........................................................................... 18
Phần cứng và phần mềm SCADA. ....................................................................... 18

Tính toán thiết kế .....................................................................................20
3.1. Giới thiệu. ......................................................................................................20
3.2. Sơ đồ. .............................................................................................................20
3.3. Mô tả thiết bị ..................................................................................................20
Compactlogix 1769-L32E ................................................................................... 21
Controllogix 1756-L61 ........................................................................................ 22
Stratix 2000 ......................................................................................................... 24
HMI PanelView Plus 7 ........................................................................................ 25
Biến tần PowerFlex 525. ..................................................................................... 26
Biến tần PowerFlex 700S .................................................................................... 26
Cảm biến đo mực chất lỏng Dinel ....................................................................... 27
Cảm biến nhiệt độ ............................................................................................... 29
Van bi điều khiển điện ......................................................................................... 31
Động cơ điện Siemens ....................................................................................... 31

3.4. Sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển .....................................................32
Thiết kế hệ thống .....................................................................................38
4.1. Trao đổi dữ liệu giữa các trạm PLC..............................................................38
Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 38
Thiết kế hệ thống trao đổi dữ liệu ....................................................................... 38

4.2. Thiết kế hệ thống SCADA ..............................................................................42
Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 42
Mô tả chương trình và biểu đồ trạng thái. .......................................................... 43
Thiết kế các chức năng trên phần mềm. .............................................................. 43

Kết quả đạt được .....................................................................................49
5.1. Kết quả thực hiện mô hình phần mềm. ..........................................................49
Phân quyền truy cập ............................................................................................ 49
Giám sát quy trình trộn nguyên liệu - chuẩn hóa - tiệt trùng. ............................ 49
Chức năng giám sát nhiệt độ gia nhiệt ............................................................... 51
Chức năng cảnh báo. .......................................................................................... 51
Chức năng sao lưu dữ liệu hoạt động ................................................................. 52

5.2. Các kết quả phần cứng. .................................................................................53
VIII


Kết luận và Hướng phát triển .................................................................54
6.1. Kết luận. .........................................................................................................54
Công việc thực hiện ............................................................................................. 54
Hạn chế trong đề tài ............................................................................................ 54

6.2. Hướng phát triển............................................................................................54
Tài Liệu Tham Khảo..................................................................................................56
Phụ Lục .....................................................................................................................57

IX


Danh mục bảng

Bảng 2.1. Độ dài và loại cáp xác định tốc độ truyền của mạng DeviceNet ..............13
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật CPU CompactLogix 1769-L32E ................................22
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của nguồn CompactLogix 1769-PA2 .........................22
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật CPU ControlLogix 1756-L61 .....................................23
Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật bộ nguồn 1756-PA75/B ..............................................23
Bảng 3.5. Thông sô kỹ thuật module truyền thông EtherNet/IP1756-EN2T............24
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật module truyền thông DeviceNet 1756-DNB ..............24
Bảng 3.7. Các thông số kỹ thuật của bộ kết nối truyền thông Stratix 2000 ..............25
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật của HMI PanelView Plus ............................................25
Bảng 3.9. Thông số kỹ thuật biến tần PowerFlex 525 ..............................................26
Bảng 3.10. Các thông số kỹ thuật biến tần ................................................................27
Bảng 3.11. Thông số kỹ thuật của cảm biến mực nước ............................................28
Bảng 3.12. Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ PT100 ..........................................29
Bảng 3.13. Thông số bộ chuyển đổi ..........................................................................30
Bảng 3.14. Thông số kỹ thuật của van bi điều khiển điện Kosaplus DN-15 ............31
Bảng 3.15. Thông số kỹ thuật của động cơ ...............................................................32
Bảng 4.1. Dữ liệu truyền từ trạm trung tâm CPU-35 ................................................39
Bảng 4.2. Dữ liệu truyền từ trạm nguyên liệu CPU-24 ............................................39
Bảng 4.3. Dữ liệu truyền từ trạm chuẩn hóa CPU-32 ...............................................40
Bảng 4.4. Dữ liệu truyền từ trạm tiệt trùng CPU 25 .................................................41
Bảng 4.5. Phân quyền các chức năng cho phép người dùng .....................................47

X


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1. Mô hình truyền thông mạng công nghiệp trong quy trình sản xuất nhiên
liệu ...............................................................................................................................1
Hình 1.2. Mạng truyền thông trong quy trình sản suất sữa tại nhà máy IFOOD ........3
Hình 2.1. Quy trình công nghệ sản xuất sữa tươi tiệt trùng. .......................................5

Hình 2.2. Quy trình ly tâm sữa ....................................................................................7
Hình 2.3. Các cấp bậc mạng truyền thông công nghiệp .............................................9
Hình 2.4. Một số mạng truyền thông công nghiệp điển hình của Allen Bradley .....11
Hình 2.5. Phân cấp điển hình trong mạng truyền thông Allen Bradley ....................11
Hình 2.6. Cấu trúc kết nối mạng EtherNet/IP ...........................................................12
Hình 2.7. Cấu trúc kết nối mạng ControlNet ............................................................12
Hình 2.8. Cấu trúc kết nối mạng DeviceNet .............................................................13
Hình 2.9. Cấu trúc mạng Modbus .............................................................................14
Hình 2.10. Cấc trúc mạng HART..............................................................................14
Hình 2.11. Trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển. .................................................15
Hình 2.12. PLC trao đổi dữ liệu qua các mạng truyền thông ...................................16
Hình 2.13. Ứng dụng của phần mềm FactoryTalk View ..........................................19
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................20
Hình 3.2. Sơ đồ phần cứng hệ thống .........................................................................21
Hình 3.3. Compactlogix 1769-L32E .........................................................................21
Hình 3.4. PLC ControlLogix 1756L61 .....................................................................22
Hình 3.5. Bộ kết nối truyền thông EtherNet Stratix 2000.........................................24
Hình 3.6. HMI PanelView Plus.................................................................................25
Hình 3.7 Biến tần PowerFlex 525 .............................................................................26
Hình 3.8. Biến tần PowerFlex 700s ..........................................................................27
Hình 3.9. Cảm biến mực nước Dinel ........................................................................27
Hình 3.10. Cách lắp đặt cảm biến CLM36-10 ..........................................................28
Hình 3.11. Cách nối dây cảm biến CLM36-10 .........................................................28
Hình 3.12. Cảm biến nhiệt độ PT100 Seneca ...........................................................29
Hình 3.13. Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ PT100 seneca ..........................................29
Hình 3.14. Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ T120 seneca .........................................30
Hình 3.15. Kết nối cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi nhiệt độ .............................30
XI

Hình 3.16. Van bi điều khiển điện Kosaplus ............................................................31
Hình 3.17. Động cơ Siemens 1LA7096-4AA10 .......................................................32
Hình 3.18. Kích thước động cơ Siemens 1LA7096-4AA10 .....................................32
Hình 3.19. Sơ đồ mạch động lực ...............................................................................33
Hình 3.20. Mạch điều khiển tín hiệu vào Analog CPU_24 ......................................33
Hình 3.21. Mạch điều khiển tín hiệu vào Digital CPU_24 .......................................34
Hình 3.22. Mạch điều khiển tín hiệu ra Digital CPU_24 ..........................................34
Hình 3.23. Mạch điều khiển tín hiệu vào Analog CPU_25 ......................................35
Hình 3.24. Mạch điều khiển tín hiệu vào Digital CPU_25 .......................................35
Hình 3.25. Mạch điều khiển tín hiệu ra Digital CPU_25 ..........................................36
Hình 3.26. Mạch điều khiển tín hiệu vào Analog CPU_32 ......................................36
Hình 3.27. Mạch điều khiển tín hiệu vào Digital CPU_32 .......................................37
Hình 3.28. Mạch điều khiển tín hiệu ra Digital CPU_32 ..........................................37
Hình 4.1. Kết nối các trạm PLC ................................................................................38
Hình 4.2. Trao đổi dữ liệu giữa các trạm. .................................................................39
Hình 4.3. Sơ đồ trạng thái .........................................................................................43
Hình 4.4. Sơ đồ chu trình hoạt động quy trình chế biến sữa. ....................................43
Hình 4.5. Màn hình chính hệ thống ..........................................................................44
Hình 4.6. Màn hình giám sát trạm nguyên liệu .........................................................45
Hình 4.7. Cửa sổ nhập số lượng sữa .........................................................................45
Hình 4.8. Màn hình giám sát trạm chuẩn hóa. ..........................................................46
Hình 4.9. Màn hình giám sát trạm tiệt trùng .............................................................46
Hình 4.10. SCADA giám sát máy chủ trung tâm......................................................47
Hình 4.11. Cửa sổ đăng nhập hệ thống .....................................................................48
Hình 4.12. Biểu đồ gia nhiệt .....................................................................................48
Hình 4.13. Cài đặt các loại cảnh báo.........................................................................48
Hình 5.1. Từ chối truy cập vào hệ thống...................................................................49
Hình 5.2. SCADA giám sát trạm nguyên liệu...........................................................49
Hình 5.3. SCADA giám sát trạm chuẩn hóa. ............................................................50
Hình 5.4. SCADA giám sát trạm tiệt trùng. ..............................................................50

Hình 5.5. Biểu đồ gia nhiệt trạm chuẩn hóa ..............................................................51
Hình 5.6. Cảnh báo lỗi trên trạm chuẩn hóa .............................................................51

XII


Hình 5.7. Giao diện giám sát máy chủ ......................................................................52
Hình 5.8. Truy vấn cơ sở dữ liệu trên SQL ...............................................................52
Hình 5.9. Phần cứng sử dụng thực hiện đề tài ..........................................................53

XIII


Danh mục viết tắt
1. CPU - Central Processing Unit
2. SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition
3. Hart - Highway Addressable Remote Transducer
4. FSK - Frequency Shift Keying
5. TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol
6. CIP - Common Industrial Protocol
7. SQL - Structured Query Language
8. PLC - Programmable Logic Controller
9. PAC - Programmable Automation Controller
10. RPI - Requested Packet Interval
11. I/O - Input/Output
12. RTU - Remote Terminal Unit
13. HMI - Human Machine Interface
14. FactoryTalk View SE - FactoryTalk View Site Edition
15. FactoryTalk View ME - FactoryTalk View Machine Edition
16. LCD - Liquid Crystal Display

17. RS485 - Recommended Standard 485
18. RJ45 - Registered Jack 45
19. RTD - Resistance Temperature Detectors
20. IE2 - High Efficiency
21. IP67 - International Protection 67
22. IP - Internet Protocol
23. ODVA - Open DeviceNet Vendor Association

XIV


Tóm tắt đề tài
Trong đề tài này, nhóm thực hiện việc ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp và
giám sát vào quá trình sản xuất sữa. Đầu tiên nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu cơ sở lý
thuyết của từng công đoạn trong quy trình sản xuất sữa, từ cách hoạt động, vận hành,
cho đến việc điều khiển, giám sát thiết bị. Tiếp theo nhóm tiến hành thiết kế mô hình,
lựa chọn các thiết bị phù hợp với quy trình sản xuất, nhóm sẽ sử dụng bốn PLC của
Rockwell Automation để mô phỏng cho bốn trạm điều khiển.
Tiếp theo nhóm sẽ nghiên cứu xác định cụ thể các thông tin, dữ liệu cần truyền thông,
trao đổi giữa các trạm với nhau, sử dụng phần mềm RsLogix 5000 để cấu hình truyền
thông cho các trạm. Các trạm này thực hiện truyền thông dữ liệu thông qua cơ chế
Produced và Consumed Tag.
Sau đó nhóm sử dụng phần mềm FactoryTalk để mô phỏng lại quá trình hoạt động,
hiển thị các thông tin dữ liệu trên màn hình SCADA cũng như lưu trữ cơ sở dữ liệu
trên SQL sever.
Kết quả cuối nhóm thu được là
- Trao đổi dữ liệu thành công từ các trạm trong quy trình thông qua mạng EtherNet
và truyền thông theo cơ chế Produced-Consumed Tag.
- Lập trình hệ thống hoạt động theo đúng quy trình sản xuất.
- Thiết kế giao diện giám sát cho các trạm trên màn hình Panelview Plus.

- Sao lưu cơ sở dữ liệu trên phần mềm SQL.

XV


1. Tổng Quan

Tổng Quan
1.1. Đặt vấn đề
Mạng truyền thông công nghiệp là xương sống cho bất kỳ kiến trúc hệ thống tự động
nào vì nó đã được cung cấp một phương tiện trao đổi dữ liệu mạnh mẽ, kiểm soát dữ
liệu và linh hoạt để kết nối các thiết bị khác nhau. Với việc sử dụng các mạng truyền
thông kỹ thuật số độc quyền trong các ngành công nghiệp qua các thập kỷ đã dẫn
đến cải thiện tính chính xác và toàn vẹn tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối.
Áp dụng truyền thông mạng công nghiệp và những đổi mới về công nghệ sẽ giúp quá
trình sản xuất nhanh hơn, tốn ít sức người và dữ liệu được thu thập đầy đủ hơn. Chất
lượng sản phẩm được đảm bảo do kiểm soát được từ khâu nguyên vật liệu cho đến
khi thành phẩm và chuyển đến tay người tiêu dùng. Hơn nữa, con người sẽ không
phải trực tiếp làm việc ở những môi trường làm việc nguy hiểm, giảm tỷ lệ tử vong,
bệnh tật trong quá trình lao động.

Hình 1.1. Mô hình truyền thông mạng công nghiệp trong quy trình sản xuất nhiên
liệu1
1

/>
1


1. Tổng Quan

Truyền thông mạng giúp đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công
nghiệp. Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối
với nhau thông qua một đường truyền duy nhất, từ đó một số lượng lớn cáp truyền
được thay thế bằng một đường truyền, tiết kiệm dây nối, giảm chi phí đáng kể cho
nguyên vật liệu và công lắp đặt. Hơn nữa với một đường truyền duy nhất, không
những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các
dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chuẩn đoán. Các thiết
bị có thể tích hợp khả năng tự chuẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả
năng cảnh báo lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉ định thiết
bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Khi chúng ta sử dụng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động
của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận
biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch
hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi
nếu có, từ đó nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin đồng thời nâng cao
độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống, một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo
điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế thiết
bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều.
Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao
nhờ các giao diện chuẩn.
Từ đó chúng ta thấy được tầm quan trọng cũng như sự cần thiết của mạng
truyền thông công nghiệp trong các quy trình sản xuất công nghệ. Để tiếp cận, học
hỏi, trao đồi thêm kiến thức về truyền thông mạng đồng thời nắm bắt, hiểu được các
quy trình sản xuất hiện đại của các nhà máy, công ty hiện nay, nhóm chúng em quyết
định chọn đề tài “ Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển và giám
sát quy trình sản xuất sữa ”.

2

1. Tổng Quan

Hình 1.2. Mạng truyền thông trong quy trình sản suất sữa tại nhà máy IFOOD2
Quy trình sản xuất sữa là một quy trình khá phức tạp vì cần phải nắm bắt, xử lý thời
gian, nhiệt độ, dạng tiệt trùng, tỉ lệ cũng như thành phần các chất hóa học. Quy trình
sản xuất cần phải có sự quản lý chính xác, chặt chẽ, đồng thời phải có sự giao tiếp,
trao đổi thông tin giữa các trạm điều khiển, các khâu, các bộ phận để đảm bảo toàn
bộ quy trình diễn ra một cách tự động, an toàn, hiệu quả và cho ra nâng suất, chất
lượng cao nhất. Các trạm và các bộ phận này đòi hỏi một quy trình công nghiệ tự
động hóa cao, đồng thời các thông tin điều khiển, các dữ liệu giám sát sẽ được trao
đổi thông qua mạng truyền thông công nghiệp.
1.2. Mục tiêu
Nhóm thực hiện đồ án “Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển và
giám sát quy trình sản xuất sữa ” với những mục tiêu cụ thể như sau
- Truyền thông giữa các PLC của Allen Bradley theo chuẩn Ethernet và ứng dụng vào
quy trình sản xuất sữa.
- Thiết kế mô phỏng các công đoạn trong quy trình chế biến sữa.
- Tính toán công thức sản xuất, lập trình điều khiển cho từng công đoạn.
- Hiển thị các thông số của hệ thống thời gian, nhiệt độ…

2

/>
3


1. Tổng Quan
- Cảnh báo Alarm cho hệ thống và phân quyền truy cập trên SCADA.
- Sao lưu dữ liệu trên phần mềm cơ sở dữ liệu SQL.
1.3. Nội dung nghiên cứu

Đề tài: “Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển và giám sát quy
trình sản xuất sữa”.
Chương 1. Tổng quan Chương này trình bày tổng quan sợ bộ về các yêu cầu
của báo cáo như đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 2 trình bày tổng quan mạng truyền thông
trong công nghiệp, trình bày chi tiết quy trình chế biến sữa, giới thiệu sơ bộ về hệ
thống, quy trình vận hành hệ thống, lý thuyết về các chuẩn truyền thông mạng trong
công nghiệp…
Chương 3. Tính toán thiết kế Chương này nêu những thiết bị phần cứng và phần
mềm sử dụng trong đề tài. Trình bày giải thuật điều khiển đề tài, sơ đồ kết nối phần
cứng thiết bị, dùng phần mềm thiết kế giao diện và mô phỏng kết quả.
Chương 4. Thiết kế hệ thống Chương 4 nêu lên cách thiết kế, cài đặt cấu hình
cho hệ thống.
Chương 5. Kết quả đạt được Chương này trình bày kết quả đạt được trong quá
trình thực hiện đề tài
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển. Chương cuối cùng trình bày các kết
luận sau khi hoàn thành đề tài, từ đó đưa ra hướng phát triển trên thực tế.
1.4. Giới hạn đề tài
Quy trình sản xuất sữa là một chuỗi dài nhiều công đoạn kết hợp lại với nhau. Do hệ
thống khá lớn nên nhóm xin được chọn các công đoạn ban đầu của hệ thống là nguyên
liệu, chuẩn hóa và tiệt trùng để thực hiện đề tài “Ứng dụng mạng truyền thông công
nghiệp điều khiển và giám sát quy trình sản xuất sữa”. Ngoài ra, vì sự giới hạn phần
cứng nên các thiết bị vào, ra như cảm biến nhiệt, cảm biến mực nước, cảm biến áp
suất, van điều khiển, đèn tín hiệu…chỉ dừng lại ở việc mô phỏng. Đề tài được mô
phỏng lại dựa trên các thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm Rockwell Automation
( PLC, biến tần, động cơ) và phần mềm RSLogix 5000, PanelView Talk.

4

2. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết
2.1. Quy trình công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng
Sữa là thực phẩm tự nhiên có giá trị dinh dưỡng hoàn hảo được lấy từ động
vật như bò, dê, cừu…Sữa chứa hầu hết các chất dinh dưỡng cần thiết cho người như
protein, glucid, lipid, vitamin, các muối khoáng…Do đó các sản phẩm từ sữa có một
ý nghĩa quan trọng đối với dinh dưỡng con người. Từ sữa, người ta có thể sản xuất ra
nhiều loại sản phẩm khác nhau như sữa bột, sữa tươi, sữa lên men, bơ, kem…
Cũng chính vì giá trị dinh dưỡng cao mà sữa tươi rất khó bảo quản. Ngày nay,
cùng sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật kết hợp với các giải pháp tự động hóa hiện đại,
ngành công nghiệp chế biến sữa ngày càng phát triển, cho ra đời nhiều phương pháp
chế biến và bảo quản sữa tươi, trong đó phổ biến nhất là sữa tươi tiệt trùng

Hình 2.1. Quy trình công nghệ sản xuất sữa tươi tiệt trùng.
5


2. Cơ sở lý thuyết
Nguyên liệu
Trong ngành công nghiệp sữa, người ta sử dụng ba nguyên liệu chính là sữa
bò, sữa dê và sữa cừu. Tại Việt Nam, các nhà sản xuất sử dụng nguồn sữa bò là chủ
yếu. Thành phần hóa học của sữa bò gồm có nước 87,1%, tổng các chất khô chiếm
12,9% trong đó protein chiếm 3,4%, chất béo 3,9%, carbohydrate 4,8% và khoáng
0,8%.
Protein chiếm hàm lượng cao nhất trong sữa bò là casein. Có bốn loại casein A, B, Y
và K. Chúng tồn tại ở dạng micelle và bị đông tụ ở pH 4,6. Ngoài ra, trong sữa còn
có các loại protein khác như B lactoglobulin, a-lactalbumin, peptone proteose,
immunoglobulin, serumalbumin... Chúng được gọi tên chung là protein hòa tan và
không bị đông tụ ở pH 4,6.

Thành phần chất béo chủ yếu trong sữa là triglyceride. Các hợp chất béo khác như
diglyceride, monoglyceride, cholesteride, ceride, acid béo tự do, cholesterol... chỉ
chiếm một hàm lượng rất nhỏ.
Thành phần carbohydrate trong sữa là đường lactose. Nó tồn tại ở hai dạng a-lactose
monohydrate và 8-lactose anhydrous.
Chất khoáng trong sữa tồn tại ở dạng hòa tan hoặc dạng keo (kết hợp với casein).
Chiếm hàm lượng cao nhất là calcium, phosphore và magnesium.
Bên cạnh đó còn có các nguyên liệu phụ khác như chất béo, hương vị và chất nhũ
hóa…
Chất béo khan từ sữa (AMF) và cream là những sản phẩm giàu béo được sản xuất từ
sữa. Hàm lượng chất béo trong AMF không thấp hơn 99,8%. Cream thường có hàm
lượng béo nằm trong khoảng 35-40%. Cả AMF và cream được sử dụng để hiệu chỉnh
hàm lượng béo trong sữa tiệt trùng.
Chất hương và chất màu được bổ sung vào sữa tiệt trùng để làm đa dạng hóa các chỉ
tiêu cảm quan của sản phẩm.
Chất nhũ hóa và chất hiệu chỉnh độ nhớt thường được dùng khi sử dụng nguồn nguyên
liệu là sữa hoàn nguyên hoặc sữa tái chế, để sản xuất sữa tiệt trùng.
Chuẩn hóa
Chuẩn hóa là quá trình hiệu chỉnh hàm lượng chất béo trong sữa. Tùy theo quy định
của mỗi quốc gia và cơ sở sản xuất mà hàm lượng chất béo trong sữa tiệt trùng sẽ
khác nhau. Thông thường, lượng béo trong sản phẩm là 3,5%.
6


2. Cơ sở lý thuyết
Nếu nguyên liệu sữa tươi có hàm lượng béo cao hơn so với yêu cầu của sản phẩm thì
người ta sẽ tách bớt chất béo ra khỏi nguyên liệu.
Ngược lại, nếu nguyên liệu sữa tươi có hàm lượng béo thấp hơn so với yêu cầu của
sản phẩm thì người ta sẽ bổ sung thêm chất béo ở dạng cream hoặc AMF.
Trường hợp hàm lượng chất béo trong sữa tươi cao hơn sữa thành phẩm ta sử dụng

hệ thống chuẩn hóa sữa gồm có thiết bị truyền nhiệt, thiết bị ly tâm, các dụng cụ đo
tỉ trọng và lưu lượng dòng chảy, các van và hộp điều khiển.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống chuẩn hóa như sau, đầu tiên sữa tươi sẽ được bơm
vào thiết bị trao đổi nhiệt để làm tăng nhiệt độ của sữa lên đến 55-65°C, sau đó sữa
được đưa vào thiết bị ly tâm để phân riêng thành hai dòng sản phẩm bao gồm sữa gầy
(0,1% béo) là dòng sản phẩm có tỉ trọng cao và cream (40% béo) là dòng sản phẩm
có tỉ trọng thấp. Cuối cùng, một phần cream sẽ được phối trộn lại với dòng sữa gầy
để tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất béo đúng theo yêu cầu. Các dụng cụ đo tỉ trọng
và lưu lượng dòng chảy sẽ được kết nối với chương trình phần mềm để xử lý số liệu,
nhờ đó mà quá trình chuẩn hóa được thực hiện và điều khiển hoàn toàn tự động.

Hình 2.2. Quy trình ly tâm sữa
Tiệt trùng
Quá trình tiệt trùng sữa gồm có hai giai đoạn là gia nhiệt và làm nguội.
- Gia nhiệt có nhiều phương pháp để gia nhiệt sữa tươi. Trong quy trình này, chúng
ta sử dụng kết hợp hai phương pháp để làm tăng nhiệt độ của sữa: gia nhiệt trực tiếp
(trộn sữa với hơi nước) và gia nhiệt gián tiếp (sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản
mỏng).
- Làm nguội sữa sẽ được làm nguội qua hai giai đoạn: làm nguội sơ bộ trong môi
trường chân không và làm nguội về nhiệt độ theo yêu cầu khi kết thúc quá trình tiệt
trùng bằng cách sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng.

7


2. Cơ sở lý thuyết
Nguyên lý hoạt động của hệ thống tiệt trùng như sau, đầu tiên sữa sẽ được bơm vào
thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng để gia nhiệt lên đến 80°C. Sau đó, sữa sẽ được
bơm vào thiết bị gia nhiệt trực tiếp. Người ta sẽ phối trộn sữa với hơi nước để nhiệt
độ hỗn hợp đạt 145°C. Tiếp theo hỗn hợp sữa và hơi nước sẽ đi vào một ống dẫn cách

nhiệt, thời gian lưu của sữa trong ống dẫn này là 3-5 giây. Kế tiếp hỗn hợp sữa và hơi
sẽ đi vào thiết bị làm nguội sơ bộ trong môi trường chân không để đạt được nhiệt độ
yêu cầu nhằm mục đích chuẩn bị cho quá trình đồng hóa tiếp theo trong quy trình sản
xuất.
Đồng hóa
Quá trình đồng hóa xé nhỏ các hạt cầu béo và phân bố chúng thật đều trong hệ nhũ
tương, do đó hạn chế hiện tượng tách pha và kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
Ngoài ra, quá trình đồng hóa còn có mục đích hoàn thiện sản phẩm do làm tăng độ
đồng nhất của sữa tiệt trùng.
Các thiết bị đồng hóa áp lực cao với hai cấp hoạt động. Sữa sẽ được một bơm piston
đưa vào thiết bị đồng hóa. Bơm sẽ tăng áp lực cho sữa lên đến 300-400atm tại đầu
vào của khe hẹp thứ nhất. Sau khi rời khe hẹp thứ nhất, sữa sẽ tiếp tục đi vào khe hẹp
thứ hai rồi thoát ra khỏi thiết bị đồng hóa. Nhiệt độ của sữa trước khi vào thiết bị
đồng hóa dao động trong khoảng 80-82°C.
Làm nguội
Quá trình làm nguội nhằm mục đích chuẩn bị cho quy trình rót sản phẩm, sử dụng
thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng hoặc ống lồng ống. Tác nhân làm nguội là nước
và glycol. Sữa sau quá trình làm nguội sẽ được đưa vào bồn vô trùng và chờ rót.
Hoàn thiện
Hoàn thiện sản phẩm sữa tiệt trùng bao gồm một số công đoạn như in ngày sản xuất
lên bao bì, gắn ống hút lên mỗi hộp sữa, đóng block các hộp sữa lại với nhau.
Quá trình sử dụng các thiết bị in ngày sản xuất lên bao bì, gắn ống hút và đóng block
hiện nay đều được thực hiện theo phương pháp liên tục và tự động hóa.
Sản phẩm sữa tiệt trùng
Chất lượng sữa tiệt trùng được đánh giá qua ba nhóm chỉ tiêu như chỉ tiêu cảm quan,
chỉ tiêu hóa lý và chỉ tiêu vi sinh.
Chỉ tiêu cảm quan gồm có màu sắc, trạng thái, mùi và vị.

8

2. Cơ sở lý thuyết
Chỉ tiêu hóa lý gồm có tổng lượng chất khô, lượng chất béo, độ chua, hàm lượng các
thành phần dinh dưỡng khác như lactose, protein tổng, vitamin, khoáng...
Chỉ tiêu vi sinh tổng số vi khuẩn hiếu khí, nấm sợi, nấm men, Coliform tổng số,
Escherichia coli, Staphylococcus aureus...
Sữa tiệt trùng được bảo quản ở nơi thoáng mát và ở nhiệt độ phòng. Thời gian bảo
quản sản phẩm thường từ 3 đến 6 tháng.
2.2. Mạng truyền thông công nghiệp.
Các cấp bậc trong mạng truyền thông công nghiệp.
Trong ngành công nghiệp sản xuất hoặc quy trình, thông tin hoặc luồng dữ liệu được
truyền từ cấp trường đến cấp quản lý-vận hành (từ dưới lên trên) và ngược lại. Các
cấp độ khác nhau phải xử lý các yêu cầu khác nhau của một cấp cụ thể. Vì vậy, rõ
ràng là không có yêu cầu địa chỉ mạng truyền thông duy nhất cần thiết cho mỗi cấp.
Do đó các cấp độ khác nhau có thể sử dụng mạng khác nhau dựa trên các yêu cầu như
khối lượng dữ liệu, truyền dữ liệu, bảo mật dữ liệu... Dựa trên chức năng, mạng truyền
thông công nghiệp được phân thành ba cấp độ chung như hình 2.3

Hình 2.3. Các cấp bậc mạng truyền thông công nghiệp3

3

/>
9


2. Cơ sở lý thuyết
Cấp thiết bị bao gồm các thiết bị hiện trường như cảm biến và cơ cấu chấp hành của
các quá trình và máy móc. Nhiệm vụ của cấp độ này là chuyển thông tin giữa các
thiết bị này và các thành phần quy trình kỹ thuật như PLC. Việc truyền thông tin có

thể là kỹ thuật số hoặc analog.
Ngày nay, công nghệ bus trường là mạng truyền thông tinh vi nhất được sử dụng ở
cấp trường vì nó tạo điều kiện cho việc kiểm soát phân tán giữa các thiết bị và bộ điều
khiển trường thông minh khác nhau. Đây là một hệ thống truyền thông hai chiều,
trong đó nhiều biến được quan tâm bằng cách truyền đơn. Các loại bus trường khác
nhau bao gồm HART, ControlNet, DeviceNet, CAN Bus, Profibus và Foundation
Field Bus.
Cấp độ điều khiển bao gồm các bộ điều khiển công nghiệp như PLC, bộ điều khiển
phân tán và hệ thống máy tính. Các nhiệm vụ của cấp độ này bao gồm cấu hình các
thiết bị tự động hóa, tải dữ liệu chương trình và xử lý dữ liệu biến, điều chỉnh biến
số, khiểm soát giám sát, hiển thị dữ liệu biến trên HMI, lưu trữ lịch sử..Vì vậy cấp
điều khiển yêu cầu các đặc tính như thời gian đáp ứng ngắn, truyền dẫn tốc độ cao,
độ dài dữ liệu ngắn, đồng bộ hóa máy, sử dụng liên tục dữ liệu quan trọng...
Mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi như mạng truyền thông ở cấp độ này để
đạt được các đặc tính mong muốn. Ethernet với giao thức TCP/IP chủ yếu được sử
dụng làm mạng cấp điều khiển để kết nối các đơn vị điều khiển với máy tính. Ngoài
ra, mạng này hoạt động như một bus điều khiển để phối hợp và đồng bộ hóa giữa các
đơn vị điều khiển khác nhau. Một số bus trường cũng được sử dụng ở cấp độ này như
các bus điều khiển như Profibus và ControlNet.
Cấp thông tin cấp cao nhất của hệ thống tự động hóa công nghiệp, tập hợp thông tin
từ cấp thấp hơn, chẳng hạn như cấp điều khiển. Nó xử lý khối lượng lớn dữ liệu không
sử dụng liên tục hay giới hạn về thời gian. Các mạng lưới quy mô lớn đang tồn tại ở
cấp độ này. Vì vậy mạng Ethernet thường được sử dụng như các mạng mức thông tin
để lập kế hoạch nhà máy và trao đổi thông tin quản lý. Đôi khi các mạng này có thể
kết nối với các mạng công nghiệp khác thông qua các cổng.
Một số mạng truyền thông của ALLEN BRADLEY
Có nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để kết nối các thiết bị hiện
trường công nghiệp và các module I/O khác nhau. Một số ví dụ về mạng truyền thông

10

2. Cơ sở lý thuyết
công nghiệp điển hình của Allen Bradley bao gồm Ethernet, DeviceNet, Modbus,
ControlNet như hình 2.4.

Hình 2.4. Một số mạng truyền thông công nghiệp điển hình của Allen Bradley4
Các mạng truyền thông được mô tả dựa trên các giao thức nhất định. Giao thức là tập
hợp các quy tắc sử dụng trong giao tiếp giữa hai hay nhiều thiết bị. Dựa trên các giao
thức này, các mạng truyền thông được phân thành nhiều cấp độ và nhiều loại khác
nhau như hình 2.5.

Hình 2.5. Phân cấp điển hình trong mạng truyền thông Allen Bradley

4

/>
11


2. Cơ sở lý thuyết
EtherNet là một công nghệ truyền thông rất phổ biến trong các nhà máy công nghiệp.
Mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản lý và cấp phân xưởng để
thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống tự động hoá. Nó phục vụ cho
việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên một phạm vi rộng. Các bộ xử
lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng
không.

Hình 2.6. Cấu trúc kết nối mạng EtherNet/IP5
EtherNet được xây dựng và hoàn thiện như là một công nghệ đã được chuẩn mực và

cung cấp một dải rộng lớn phương tiện, thiết bị truyền tải thông tin chẳng hạn như
cáp đồng, cáp sợi quang và công nghệ không dây.
Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và TCP thì Ethernet công nghiệp là mạng truyền
thông mở. Hỗ trợ dải tốc độ truyền từ 10Mbps, 100Mbps và 1Gbps.Trao đổi dữ liệu
thông qua Produc/Consumed tag và Messager, số lượng trạm tối đa là 1024.
ControlNet là mạng truyền thông cho phép trao đổi dữ liệu cao hơn những cấu trúc
trước như mạng DeviceNet. Vì thế, mạng ControlNet là kết nối tiêu biểu cho
ControlLogix, PLC-5 và phần cứng giao tiếp, giám sát chuyên sâu trong một mạng
điều khiển phân phối. Nó được thiết kế để sử dụng trên cả cấp thiết bị và cấp trường
của hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Hình 2.7. Cấu trúc kết nối mạng ControlNet6
5
6

/> />
12


2. Cơ sở lý thuyết
Mạng truyền thông ControlNet cho phép dữ liệu truyền với tốc cao giữa các bộ điều
khiển và các thiết bị I/O, duy trì chương trình, truyền thông dự phòng, cho phép liên
kết lên tới 99 node và tốc độ truyền lên tới 5Mbps.
DeviceNet là mạng truyền thông được giới thiệu vào năm 1994 bởi hãng AllenBradley, sau đó DeviceNet được chuyển giao công nghệ cho ODVA là một tổ chức
phi lợi nhuận được tạo thành từ hàng trăm công ty trên toàn thế giới để duy trì, thúc
đẩy và phổ biến các mạng DeviceNet.
DeviceNet được thiết kế để giao tiếp các thiết bị cấp trường (chẳng hạn như cảm biến,
contactor, đầu đọc mã vạch, màn hình bảng điều khiển…Nó làm giảm chi phí mạng
lưới bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị trên cáp bốn dây mang cả dữ liệu và dẫn
nguồn điện. Mạng lưới này được phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô và bán dẫn.

Hình 2.8. Cấu trúc kết nối mạng DeviceNet7
Mạng truyền thông DeviceNet có cấu trúc mạng là đường trục và đường nhánh, số
node tối đa là 64. Độ dài của đường trục và loại cáp xác định tốc độ truyền của mạng
DeviceNet được biễu diễn dưới bảng 2.1.
Bảng 2.1. Độ dài và loại cáp xác định tốc độ truyền của mạng DeviceNet
Tốc độ truyền

Cáp phẳng

Cáp dày

Cáp mỏng

125K bit/s

420m (1378 ft)

500m (1640 ft)

100m (328 ft)

250K bit/s

200m (656 ft)

250m (820 ft)

100m (328 ft)

500K bit/s

75m (246 ft)

100m (328 ft)

100m (328 ft)

Giao thức Modbus là một giao thức hệ thống mở có thể chạy trên nhiều lớp vật lý
khác nhau. Nó là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng điều khiển

7

/>
13


2. Cơ sở lý thuyết
công nghiệp. Nó có thể được thực hiện trên bất kỳ phương tiện truyền dẫn nào, nhưng
thường được sử dụng với RS232 và RS485.
Modbus nối tiếp với RS232 hoặc RS484 tạo điều kiện kết nối các thiết bị
Modbus với bộ điều khiển (chẳng hạn như PLC) trong cấu trúc bus. Nó có thể giao
tiếp giữa một master và một số lượng slave lên tới 247 với tốc độ truyền dữ liệu
19,2kbits/s.

Hình 2.9. Cấu trúc mạng Modbus8
Một phiên bản mới hơn của Modbus TCP/IP sử dụng EtherNet làm lớp vật lý
tạo điều kiện trao đổi dữ liệu giưa các PLC trong các mạng khác nhau.
Mạng Hart là một từ viết tắt cho Đầu dò từ xa có thể định vị địa chỉ. Nó là một
giao thức mạng điều khiển quá trình mở, chồng chất tín hiệu truyền thông kỹ thuật số

lên đầu các tín hiệu 4-20mA bằng cách sử dụng kỹ thuật Bell 202-Frequency Shift
Keying (FSK).
Đây là mạng truyền thông duy nhất tạo điều khiện cho cả truyền thông kỹ thuật
số hai chiều và analog cùng một lúc bằng cùng một hệ thống dây điện, và do đó các
mạng này cũng được gọi là mạng lai. Tín hiệu số này được gọi là tín hiệu HART
mang thông tin chẩn đoán, cấu hình thiết bị, hiệu chuẩn và các phép đó quy trình bổ
sung khác.

Hình 2.10. Cấc trúc mạng HART9.
8
9

/> />
14


2. Cơ sở lý thuyết
Mạng HART hoạt động ở chế độ điểm-điểm hoặc đa điểm. Trong chế độ điểm-điểm,
tín hệu dòng 4-20mA được sử dụng để điều khiển quá trình trong khi tín hiệu HART
vẫn không bị ảnh hưởng. Mạng đa điểm HART được sử dụng khi các thiết bị đặt cách
nhau ở diện rộng. Các thiết bị trường thông minh đa biến số tương thích HART được
sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Mạng truyền thông HART chủ yếu
được sử dụng trong các ứng dụng SCADA.
Ngoài ra, Allen Bradley còn hỗ trợ nhiều mạng tự động hóa công nghiệp khác, cung
cấp tính linh hoạt để kết nối các ứng dụng mới với các ứng dụng hiện có trên các
mạng như Data Highway Plus, DH-485, Universal Remote I/O và SERCOS II.
2.3. Trao đổi dữ liệu theo cơ chế Produced và Consumed.
Chia sẻ dữ liệu giữa các Controller với nhau trong cùng một hệ thống là một nhu cầu
phổ biến trong điều khiển. Nếu như đối với các PLC đời cũ hoặc của một số hãng,
việc chia sẻ thường thông qua các lệnh Message phức tạp giữa các PLC với nhau thì

đối với Controllogix, Compactlogix việc trao đổi dữ liệu rất dễ dàng, chỉ cần cấu hình
và không cần thêm các lệnh Message nào. Việc trao đổi dữ liệu đó thông qua cơ chế
Produced và Consumed.

Hình 2.11. Trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển10.
Produced tag là nơi bộ điều khiển tạo sẵn các tag cho phép các bộ điều khiển khác có
thể truy cập và sử dụng. Nhiều bộ điều khiển có thể đồng thời nhận dữ liệu từ một
tag.
Consumed tag là nơi nhận dữ liệu từ Produced tag. Kiểu dữ liệu của Consumed tag
phải khớp với loại dữ liệu (bao gồm kiểu dữ liệu và kích thước mảng) của Produced
tag. RPI của Consumed xác định khoảng thời gian cập nhật dữ liệu.

10

/>
15


2. Cơ sở lý thuyết
Các dòng PLC có thể trao đổi dữ liệu Produced và Consumed qua các mạng truyền
thông như hình 2.12.

Hình 2.12. PLC trao đổi dữ liệu qua các mạng truyền thông
Một số lưu ý khi trao đổi dữ liệu qua cơ chế Produced-Consumed tag.
Để hai bộ điều khiển có thể trao đổi dữ thì cả hai bộ điều khiển phải được gắn vào
cùng một mạng (chẳng hạn như mạng ControlNet hoặc Ethernet/IP). Chúng ta không
thể trao đổi dữ liệu qua hai mạng.
Chỉ sử dụng một trong các kiểu dữ liệu như Real, Dint, Array của Dint hoặc Real.
Giới hạn kích thước của tag tiêu chuẩn là 500 byte, nếu trao đổi dữ liệu qua mạng
ControlNet thì kích thước của tag nhỏ hơn 500 byte.

2.4. Các dòng PLC của Allen-Bradlley.
Allen-Bradley là một trong những hãng chuyên về tự động hóa lâu đời nhất trên thế
giới, được thành lập từ năm 1903 đến nay trải qua trên 100 năm trong lĩnh vực tự
động hóa. Allen-Bradley đã đem đến cho lĩnh vực tự động những thiết bị cực kì hữu
ích, bền bỉ, đáp ứng được mọi tiêu chí trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Các dòng
PLC theo thời gian gần đây nhất như PLC 5, SCL 500, Micrologix, Micro,
CompactLogix và ControlLogix.
PLC 5 là dòng PLC đã làm nên tên tuổi của Rockwell, các hệ thống tự động hóa hoạt
động từ năm 1986 cho tới nay vẫn còn dùng sản phẩm này và chưa có sự cố nào
nghiêm trọng xảy ra, PLC 5 vẫn đáp ứng tốt các yêu cầu về kỹ thuật cũng như điều
khiển trong các hệ thống tự động.
SLC 500 là dòng PLC tầm trung của Rockwell, hiện tại đã cũ và Rockwell đang
khuyến cáo các nhà máy thay thế từ từ lên Compactlogix, phần mềm dùng cho dòng
này là RSlogix 500.

16