Thiết kế hệ thống giám sát và vận hành phối trộn tự động thức ăn chăn nuôi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống giám sát và vận hành
phối trộn tự động thức ăn chăn nuôi
VŨ TUẤN KIỆT


Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chun ngành Tự động hóa Cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Đào Q Thịnh

Bộ mơn:
Viện:

Tự động hóa Công nghiệp
Điện

HÀ NỘI, 5/2021

Chữ ký của GVHD


ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống giám sát và vận hành phối trộn tự động thức ăn chăn nuôi.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn
Em xin trân thành cảm ơn sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của TS. Đào Quý
Thịnh trong suốt quá trình thực hiện đồ án đã hỗ trợ em đưa ra kế hoạch, nhận xét
thiếu sót, định hướng phương án thực hiện, nhờ đó mà em đã hồn thành đề tài
một cách thuận lợi nhất. Thời gian được làm đồ án cùng thầy đã giúp cho em học
hỏi thêm được rất nhiều kiến thức không chỉ là kiến thức về chuyên ngành mà còn
là sự kết hợp với các bộ môn chuyên ngành khác, đồng thời nâng cao khả năng
làm việc nhóm, khả năng phân tích và xử lý bài toán thực tế.
Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến bạn sinh viên Vũ Minh Tuấn (MSSV:
20164427) đã nỗ lực cùng em thực hiện đề tài này.
Em xin trân trọng cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án
Với ý tưởng ứng dụng cơng nghệ tự động hóa vào sản xuất thức ăn chăn
nuôi, em đã lựa chọn đồ án: “Thiết kế hệ thống giám sát và vận hành phối trộn
tự động thức ăn chăn nuôi”. Công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn
chăn nuôi bao gồm 5 hệ thống gồm: hệ thống nạp nguyên liệu, hệ thống nghiền
nguyên liệu, hệ thống phối trộn nguyên liệu, hệ thống ép viên và hệ thống đóng
bao. Nhiệm vụ chính của đề tài là thiết kế phần mềm điều khiển giám sát và vận
hành hệ thống phối trộn nguyên liệu. Để phục vụ cho quá trình xây dựng, thiết kế,
kiểm tra và đánh giá phần mềm, em đã tiến hành xây dựng phần mềm mô phỏng
cân, kết hợp với thiết bị PLC để mô phỏng hoạt động của hệ thống phối trộn nguyên
liệu của nhà máy.
Các kiến thức cơ sở phục vụ cho đề tài bao gồm các kiến thức về mạng
truyền thông công nghiệp, kiến thức về PLC và các ngơn ngữ lập trình bậc cao
(C#, SQL) và các kiến thức cơ bản về các thiết bị điện, máy móc cơng nghiệp. Các
kĩ năng cần có để thực hiện đề tài gồm các kĩ năng sử dụng các phần mềm Visual
Studio để thiết kế các giao diện vận hành giám sát, phần mềm TIA Portal để lập

trình cho PLC, xây dựng cơ sở dữ liệu bằng phần mềm Microsoft SQL Server
Management Studio, các kĩ năng tìm kiếm và đọc tài liệu , …
Hệ thống đã được chạy thử nghiệm trên phịng thí nghiệm và kết quả thu
được đã đáp ứng được những yêu cầu đặt ra trước đó. Trong thời gian tới chúng
em hy vọng có thể mở rộng và hoàn thiện hệ thống này hơn nữa để áp dụng phục
vụ cho nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi.
Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN ........................................................... 1
1.1

Giới thiệu chung......................................................................................... 1

1.2

Tổng quan về hệ thống............................................................................... 2
Giới thiệu công nghệ................................................................... 2
Cấu trúc hệ thống phối trộn nguyên liệu .................................... 3

1.3

Mục tiêu, yêu cầu và bố cục đồ án ............................................................. 5
Mục tiêu đồ án ............................................................................ 5
Yêu cầu đặt ra ............................................................................. 5
Bố cục đồ án ............................................................................... 6

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ....................................................... 7

2.1

Cấp giám sát, vận hành .............................................................................. 7

2.2

Cấp điều khiển. .......................................................................................... 9
Giới thiệu về PLC ....................................................................... 9
Lựa chọn thiết bị cho cấp điều khiển ........................................ 10
Bản vẽ đấu dây cho cấp điều khiển .......................................... 12

2.3

Cấp cảm biến chấp hành. ......................................................................... 12
Phần mềm mô phỏng cân .......................................................... 12
Mô phỏng các tác động cơ cấu chấp hành. ............................... 13

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÁC PHẦN MỀM ............................................... 14
3.1

Phần mềm Visual Studio, ngôn ngữ C# và lập trình Windform. ............. 14
Phần mềm Visual Studio .......................................................... 14
Ngơn ngữ lập trình C# (C Sharp) ............................................. 14
Lập trình Winforms .................................................................. 15
Tạo Project Windows Forms .................................................... 15

3.2

Cách thức kết nối giữa các phần mềm. .................................................... 18
Kết nối giữa phần mềm mô phỏng cân và phần mềm giám sát 18

Kết nối chương trình C# và PLC S7 1200 ................................ 19

3.3

Xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu .......................................................... 21
Tổng quan về SQL .................................................................... 21
Studio

Phần mềm Microsoft SQL Server và SQL Server Management
23
Xây dựng dữ liệu về nguyên liệu .............................................. 32


Xây dựng dữ liệu về công thức ................................................. 34
Xây dựng dữ liệu phục vụ mục đích báo cáo thống kê ............. 36
Các dữ liệu phục vụ kiểm soát sai số khi cân ........................... 38
Sao lưu và khôi phục dữ liệu .................................................... 38
3.4

Các giao diện phục vụ vận hành giám sát ................................................ 39
Tạo giao diện mô phỏng hệ thống phối trộn. ............................ 39
Kiểm tra kết nối đến các I/O PLC và cân ................................. 44
Giao diện vận hành tự động ...................................................... 45

3.5

Lập trình phần mềm mơ phỏng cân ......................................................... 48

3.6

Lập trình trên TIA Portal.......................................................................... 50
Thêm các thiết bị và cài đặt đầu vào ra cho thiết bị .................. 50
Tạo và sử dụng Watch and force table ...................................... 53

CHƯƠNG 4. VẬN HÀNH HỆ THỐNG .......................................................... 55
4.1

Giao diện vận hành chính......................................................................... 55

4.2

Thao tác trên các giao diện dữ liệu .......................................................... 56
Cài đặt tên nguyên liệu.............................................................. 56
Thiết lập công thức phối trộn .................................................... 56
Thống kê báo cáo dữ liệu lịch sử .............................................. 57
Sao lưu và khôi phục dữ liệu .................................................... 59

4.3

Thao tác trên các giao diện phục vụ giám sát vận hành hệ thống. ........... 60
Kiểm tra kết nối......................................................................... 60
Giao diện cài đặt tổng ............................................................... 61
Giao diện cân và phối trộn tự động ........................................... 62

4.4
Quan sát giá trị cân và các tín hiệu điều khiển được gửi đến phần mềm mô
phỏng cân. ............................................................................................................ 65
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 68
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 69

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cơng nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn ni. ................. 2
Hình 1.2 Các cấp hệ thống. .................................................................................... 3
Hình 1.3 Hệ thống phối trộn nguyên liệu. ............................................................. 4
Hình 2.1 Cấu trúc xây dựng phần mềm giám sát................................................... 7
Hình 2.2 Lưu đồ thuật tốn vận hành hệ thống phối trộn tự động......................... 8
Hình 2.3 Chu kì quét của PLC. .............................................................................. 9
Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng PLC. ........................................................................ 9
Hình 2.5 PLC Siemens S7-1200 CPU 1214 DC/DC/RLY. ................................ 11
Hình 2.6 SM 1222 modul mở rộng 8 ngõ ra relay. .............................................. 11
Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn giá trị cân theo thời gian. ........................................... 12
Hình 2.8 Mơ hình tính tốn của phần mềm mơ phỏng cân.................................. 13
Hình 3.1 Cửa sổ New Project của phần mềm Visual Studio. .............................. 16
Hình 3.2 Mở cửa sổ Add New Item cho Solution. .............................................. 16
Hình 3.3 Thêm Windows Form cho Solution. ..................................................... 17
Hình 3.4 Các Windows Form được tạo trong Solution “Phần mềm giám sát”. .. 17
Hình 3.5 Giao tiếp giữa phần mềm giám sát và phần mềm mô phỏng cân. ........ 18
Hình 3.6 Mở của sổ Solution của Project. ........................................................... 19
Hình 3.7 Mở cửa sổ Reference Manager. ............................................................ 20
Hình 3.8 Thêm thư viện S7.net cho Project. ........................................................ 20
Hình 3.9 Mở file cài SQL Server. ........................................................................ 24
Hình 3.10 Chọn phiên bản cài đặt........................................................................ 24
Hình 3.11 Microsoft SQL Server License Terms. ............................................... 24
Hình 3.12 Cài đặt SQL Server. ............................................................................ 25
Hình 3.13 Tải SQL Server Management Studio. ................................................. 25
Hình 3.14 Cài đặt Microsoft SQL Server Management Studio. .......................... 25
Hình 3.15 Ứng dụng Microsoft SQL Server Management Studio. ..................... 26
Hình 3.16 Kết nối đến SQL Server. ..................................................................... 26

Hình 3.17 Tạo cơ sở dữ liệu mới. ........................................................................ 26
Hình 3.18 Cửa sổ New Database. ........................................................................ 27
Hình 3.19 Tạo 1 bảng dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. .............................................. 27
Hình 3.20 Tạo cột và kiểu dữ liệu cho cột. .......................................................... 27
Hình 3.21 Đặt tên cho bảng dữ liệu. .................................................................... 27
Hình 3.22 Các thao tác với bảng dữ liệu. ............................................................ 28
Hình 3.23 Mở giao diện Server Explorer............................................................. 28
Hình 3.24 Mở cửa sổ kết nối đến SQL Server. .................................................... 28
Hình 3.25 Server name của SQL Server. ............................................................. 29


Hình 3.26 Kết nối đến cơ sở dữ liệu của SQL Server. ......................................... 29
Hình 3.27 Mở các thuộc tính của Database đã kết nối......................................... 31
Hình 3.28 Chuỗi kết nối đến Database. ............................................................... 31
Hình 3.29 Thiết kế bảng Nguyên liệu. ................................................................. 32
Hình 3.30 Bảng nguyên liệu................................................................................. 33
Hình 3.31 Lưu đồ thuật tốn frm_nguyenlieu...................................................... 33
Hình 3.32 Thiết kế bảng các cơng thức phối trộn. ............................................... 34
Hình 3.33 Bảng các cơng thức phối trộn.............................................................. 34
Hình 3.34 Thơng số của các bảng cơng thức. ...................................................... 34
Hình 3.35 Cơng thức T1....................................................................................... 35
Hình 3.36 Thơng số của bảng “baocao1”. ........................................................... 36
Hình 3.37 Ví dụ về các thơng số ghi trên bảng “baocao1”. ................................. 36
Hình 3.38 DataSet và Datatable. .......................................................................... 37
Hình 3.39 Cửa sổ thiết kế báo cáo bằng Crystal Report. ..................................... 37
Hình 3.40 Bảng dữ liệu phục vụ kiểm sốt sai số cân. ........................................ 38
Hình 3.41 Giao diện sao lưu và khơi phục dữ liệu............................................... 39
Hình 3.42 Thêm Resource File cho Project. ........................................................ 40
Hình 3.43 Bổ sung tài nguyên cho thư mục Resource. ........................................ 40
Hình 3.44 Cửa sổ Add existing file to resource. .................................................. 40

Hình 3.45 Các hình ảnh được lưu trong thư mục Resource. ................................ 41
Hình 3.46 Tạo 1 Thư mục chứa các User Control. .............................................. 41
Hình 3.47 Thêm User Control trong thư mục. ..................................................... 41
Hình 3.48 Đặt tên cho User Control. ................................................................... 42
Hình 3.49 Các thơng số của User Control “Led”................................................. 42
Hình 3.50 Rebuild Project. ................................................................................... 43
Hình 3.51 Thiết kế giao diện Silo. ....................................................................... 43
Hình 3.52 Thiết kế giao diện Test I/O. ................................................................ 44
Hình 3.53 Giao diện cân tự động. ........................................................................ 45
Hình 3.54 Dạng tín hiệu mở Silo khi điều kiện “tắc bọp” được thỏa mãn. ......... 46
Hình 3.55 Lưu đồ thuật tốn Timer phục vụ quá trình trộn. ................................ 47
Hình 3.56 Giao diện phần mềm mơ phỏng cân.................................................... 48
Hình 3.57 Rời rạc hóa giá trị cân theo thời gian. ................................................. 49
Hình 3.58 Lưu đồ thuật tốn lập trình phần mềm mơ phỏng cân. ....................... 49
Hình 3.59 Thêm PLC cho Project. ....................................................................... 50
Hình 3.60 Cửa sổ Device Configuration. ............................................................. 50
Hình 3.61 Thêm các Module mở rộng. ................................................................ 51
Hình 3.62 Định lại địa chỉ cho module mở rộng.................................................. 51


Hình 3.63 Cách mở cửa sổ quản lý PLC tags. ..................................................... 52
Hình 3.64 Bảng tên các đầu vào ra PLC. ............................................................. 52
Hình 3.65 Mở cửa sổ Watch and force tables. ..................................................... 53
Hình 3.66 Bảng các giá trị cần theo dõi và tác động. .......................................... 53
Hình 3.67 Tác động lên các giá trị vào ra của PLC. ............................................ 54
Hình 4.1 Giao diện vận hành chính. .................................................................... 55
Hình 4.2 Giao diện cài đặt tên nguyên liệu.......................................................... 56
Hình 4.3 Giao diện thiết lập cơng thức. ............................................................... 56
Hình 4.4 Giao diện Thêm mới hoặc chỉnh sửa cơng thức. .................................. 57
Hình 4.5 Giao diện thống kê báo cáo dữ liệu. ..................................................... 58

Hình 4.6 Các lựa chọn loại báo cáo. .................................................................... 58
Hình 4.7 Báo cáo theo cơng thức và mẻ. ............................................................. 59
Hình 4.8 Giao diện Sao lưu và khơi phục. ........................................................... 59
Hình 4.9 Cửa sổ chọn thư mục. ........................................................................... 60
Hình 4.10 Thư mục chứa các tệp dữ liệu sau khi sao lưu. ................................... 60
Hình 4.11 So sánh giá trị cân hiển thị trên phần mềm mô phỏng cân và trên giao
diện Test I/O. ....................................................................................................... 61
Hình 4.12 Quan sát sự tác động lên đầu ra của PLC khi thao tác các nút bấm trên
giao diện Test I/O................................................................................................. 61
Hình 4.13 Giao diện cài đặt tổng cho quá trình cân và phối trộn. ....................... 62
Hình 4.14 Hệ thống bắt đầu cân từ Silo có thứ tự cân là 1. ................................. 62
Hình 4.15 Thao tác trên Force Table. .................................................................. 62
Hình 4.16 Lần lượt cân các Silo theo thứ tự cân. ................................................ 63
Hình 4.17 Tiến hành trộn mẻ vừa cân xong. ....................................................... 63
Hình 4.18 Hồn thành việc cân tự động khi số mẻ đã đủ. ................................... 63
Hình 4.19 Các dữ liệu về quá trình cân được ghi lại. .......................................... 64
Hình 4.20 Giao diện “Thêm bớt mẻ”. .................................................................. 64
Hình 4.21 Giao diện phần mềm mô phỏng cân sau khi cân xong 1 mẻ và tiến hành
cân mẻ tiếp theo. .................................................................................................. 65
Hình 4.22 Giao diện phần mềm mô phỏng cân sau khi cân đủ số mẻ và thực hiện
thêm mẻ. ............................................................................................................... 66


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Bảng tín hiệu điều khiển ....................................................................... 10
Bảng 2.2 Thiết bị cấp điều khiển ......................................................................... 10
Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/RLY ....... 11
Bảng 3.1 Các lớp được sử dụng. .......................................................................... 18
Bảng 3.2 Câu lệnh thường dùng của SQL. .......................................................... 22
Bảng 3.3 Kiểu dữ liệu của SQL. .......................................................................... 22

Bảng 3.4 Các Class hay được sử dụng ................................................................. 30
Bảng 3.5 Hàm tạo kết nối. .................................................................................... 31
Bảng 3.6 Phương pháp thực thi lệnh. ................................................................... 31
Bảng 3.7 Hàm thực thi lệnh. ................................................................................ 32
Bảng 3.8 Bảng các trường được dùng trong User Control Silo. .......................... 44



CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN
1.1 Giới thiệu chung
Ngành chăn nuôi ở Việt Nam là một bộ phận quan trọng cấu thành của nông
nghiệp Việt Nam cũng như là một nhân tố quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam.
Sản phẩm chăn nuôi không chỉ phục vụ trực tiếp nhu cầu hàng ngày của con người
về thịt, trứng, sữa... mà cịn có thể xuất khẩu, đem lại nguồn thu lớn.
Trong chăn ni, thức ăn đóng vai trị rất quan trọng, chi phí cho thức ăn
chiếm tới 65-75% giá thành của sản phẩm. Theo các chuyên gia, nếu dùng thức ăn
cơng nghiệp có thể tiết kiệm được 40-48% chi phí thức ăn cần thiết để có được 1
kg sản phẩm chăn nuôi.
Năm 2020, ngành chăn nuôi đối mặt với nhiều thử thách do đại dịch Covid19 gây ra. Tuy vậy, về lâu dài, đây vẫn là lĩnh vực có tiềm năng tăng trưởng mạnh.
Đây cũng chính là động lực thúc đẩy ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi phát triển.
Theo thống kê trong 10 năm qua (2008-2018), ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi
tăng 2,4 lần, từ 8,5 triệu tấn lên 20,2 triệu tấn. Nhiều chuyên gia cũng nhận định,
thị trường sản xuất thức ăn chăn ni sẽ có mức tăng trưởng trung bình trên
10%/năm trong những năm tới. Trong khi đó, hiện Việt Nam mỗi năm vẫn phải
chi 3 tỉ USD/năm để nhập khẩu thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu để sản xuất.
Để góp phần giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào việc nhập thức ăn chăn nuôi từ
nước ngoài, chủ động được nguồn cung thức ăn chăn nuôi trong nước cần đến
những giải pháp nâng cao năng suất và chất lượng cho ngành sản xuất thức ăn chăn
ni, giảm giá thành thức ăn gia súc. Có nhiều giải pháp có thể áp dụng, trong đó
cần đặc biệt quan tâm đến áp dụng cơng nghệ tự động hố. Việc nghiên cứu và ứng

dụng cơng nghệ tự động hố trong các dây chuyền chế biến thức ăn gia súc đã được
thực hiện ở các nước công nghiệp phát triển đã đạt đến trình độ cao và ngày một
hồn thiện; tất cả các công đoạn, các khâu trong dây chuyền sản xuất đều được
điều khiển tự động, hoạt động sản xuất của nhà máy cũng được quản lý, giám sát
tại trung tâm điều khiển, giúp cho năng suất và chất lượng sản phẩm thức ăn chăn
nuôi tăng cao không chỉ giúp thúc đẩy ngành chăn ni mà cịn thu lại nguồn lợi
lớn từ xuất khẩu thức ăn chăn nuôi.
Tại Việt Nam việc áp dụng cơng nghệ tự động hóa vào sản xuất thức ăn chăn
nuôi cũng đang dần trở nên phổ biến. Vì những lý do trên cùng mong muốn góp
phần vào việc nghiên cứu, áp dụng các giải pháp tự động hóa tiên tiến vào ngành
cơng nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi tại Việt Nam, em quyết định thực hiện đề
tài: “Thiết kế hệ thống giám sát và vận hành phối trộn tự động thức ăn chăn
nuôi”

.

1


1.2 Tổng quan về hệ thống
Giới thiệu cơng nghệ

Hình 1.1 Công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn nuôi.
2


Công nghệ dây chuyền tự động chế biến thức ăn chăn ni có cơng suất 57 tấn/giờ. Các hoạt động của dây chuyền có thể được điều khiển hồn tồn tự động
và được giám sát tại trung tâm điều khiển. Công nghệ dây chuyền tự động gồm 5
hệ thống lần lượt như sau:
1. Hệ thống Nạp nguyên liệu: Nguyên liệu được cơng nhân nạp, được phân

loại theo kích cỡ xem có cần nghiền hay khơng. Ngun liệu cần được
nghiền sẽ được đưa sang hệ thống nghiền liệu, nếu kích cỡ đủ nhỏ sẽ được
đưa thẳng sang hệ thống phối trộn nguyên liệu.
2. Hệ thống Nghiền nguyên liệu: Nguyên liệu sẽ được nghiền nhỏ tại đây sau
đó sẽ được chuyển đến hệ thống phối trộn nguyên liệu
3. Hệ thống Phối trộn nguyên liệu: Nguyên liệu sau khi đạt kích cỡ yêu cầu sẽ
được đưa vào các Silo chứa đã được quy định, đánh số trước. Tùy vào công
thức yêu cầu mà mỗi Silo sẽ chứa 1 loại nguyên liệu và có 1 thứ tự định
trước. Hệ thống sẽ cân lần lượt và sau đó trộn các nguyên liệu đó.
4. Hệ thống Ép viên: Các nguyên liệu sau khi được trộn lẫn vào nhau được
đưa qua dây chuyền ép viên hoặc đưa thẳng đến hệ thống đóng bao tùy vào
yêu cầu đơn hàng.
5. Hệ thống đóng bao: Các viên nguyên liệu hoặc nguyên liệu sau phối trộn sẽ
được chuyển đến hệ thống đóng bao, kết thúc dây chuyền tại đây.
Trong 5 hệ thống trên, hệ thống số 1, 2, 4, 5 có cấu trúc và cách thức vận
hành đơn giản, sử dụng các loại máy tự động chuyên dụng; hệ thống số 3 là hệ
thống có q trình hoạt động phức tạp so với các hệ thống còn lại, đòi hỏi phải
điều khiển phối hợp hoạt động giữa nhiều thiết bị, cách thức điều khiển các thiết
bị cũng khơng theo trình tự và thời gian cố định mà tùy vào công thức. Ngoài ra
hệ thống số 3 cũng là hệ thống quan trọng nhất trong dây chuyền tự động chế biến
thức ăn chăn ni do đó hệ thống này cần được vận hành ổn định và chính xác,
được giám sát chặt chẽ trong quá trình hoạt động đồng thời cũng đảm bảo tính linh
hoạt của hệ thống khi chuyển đổi sang phối trộn những công thức khác nhau.
Cấu trúc hệ thống phối trộn nguyên liệu
Cấu trúc phân cấp hệ thống

Hình 1.2 Các cấp hệ thống.
3

Hệ thống được chia làm 3 cấp:
- Cấp vận hành giám sát vận hành: Phần mềm giám sát sẽ được cài đặt
trên máy tính, PLC và Cân điện tử sẽ được kết nối đến máy tính này.
Phần mềm giám sát với các giao diện vận hành khác nhau giúp người
vận hành dễ dàng kiểm sốt q trình cân, cài đặt các tham số, cài đặt
và thao tác với các công thức cân, nguyên liệu,ghi lại các dữ liệu của
quá trình cân.
- Cấp điều khiển: Thu thập dữ liệu và thực hiện điều khiển thông qua các
I/O của PLC giúp xử lý nhanh theo thời gian thực để đáp ứng công nghệ.
- Cấp cảm biến chấp hành: Bao gồm các Silo, máy trộn, biến tần,
cân,…được kết nối với cấp điều khiển thông qua tủ điện hệ thống, nhận
sự điều khiển từ cấp điều khiển cũng như đưa về các tín hiệu cho hai cấp
nêu trên.
Thành phần hệ thống

Hình 1.3 Hệ thống phối trộn nguyên liệu.
4


Hệ thống phối trộn nguyên liệu bao gồm:
1. Các ống dẫn nguyên liệu từ hệ thống nghiền và nạp liệu.
2. 16 Silo chứa nguyên liệu.
3. Cân nguyên liệu.
4. Nơi đổ nguyên liệu thêm tay.
5. Máy trộn nguyên liệu.
Hệ thống có thể trộn tối đá 1,5 tấn trên 1 mẻ trộn. Chu trình phối trộn diễn ra
như sau:
Nguyên liệu được đưa vào các silo, mỗi silo chỉ chứa 1 loại nguyên liệu đã
được xác định trước tùy theo công thức được chọn từ trước. Lần lượt các Silo sẽ
đươc mở theo thứ tự trong công thức để nguyên liệu chảy xuống Cân. Hệ thống sẽ

cân tự động các nguyên liệu chảy xuống và ghi lại các giá trị cân được đó cho đến
khi đủ số nguyên liệu cân thì kết thúc 1 mẻ, nguyên liệu trong cân sẽ được đưa
xuống bình trộn để trộn rồi xả và đưa sang hệ thống tiếp theo, cứ thế lặp lại chu
trình cho đủ số mẻ đã đặt trước thì kết thúc. Thời gian trộn và xả sẽ được đặt trước
khi hết thời gian đó bình trộn sẽ xả ra và nguyên liệu sau trộn sẽ được đưa sang hệ
thống ép viên hoặc đóng bao.
1.3 Mục tiêu, yêu cầu và bố cục đồ án
Mục tiêu đồ án
Mục tiêu chính của đồ án sẽ là xây dựng phần mềm giúp điều khiển vận hành
giám sát hệ thống số 3: Hệ thống phối trộn nguyên liệu trong công nghệ dây chuyền
tự động chế biến thức ăn chăn nuôi. Hệ thống này gồm 3 cấp nhưng đồ án chỉ có
mục đích xây dựng cấp điều khiển và cấp giám sát vận hành; không can thiệp tới
tủ điện hệ thống và các cơ cấu chấp hành hiện tại của nhà máy. Tuy nhiên để phục
vụ cho mục đích vận hành thử nghiệm ta cần xây dựng phần mềm mô phỏng hoạt
động của cân; sử dụng phần mềm TIA Portal để mô phỏng những tác động của các
cơ cấu chấp hành lên cấp điều khiển và ngược lại.
Yêu cầu đặt ra
Đối với cấp giám sát vận hành
Ta cần xây dựng được phần mềm giúp giám sát vận hành hệ thống phối trộn
giúp kiểm soát vận hành hệ thống dễ dàng, đảm bảo hệ thống được vận hành trơn
tru một cách tự động. Phần mềm vận hành giám sát cho hệ thống phối trộn nguyên
liệu cần đáp ứng được các yêu cầu sau đây:
1. Xây dựng được các dữ liệu về nguyên liệu được sử dụng phối trộn,
các công thức được sử dụng phối trộn, tốc độ chảy của từng loại
nguyên liệu từ silo đến cân.
2. Cập nhật được các dữ liệu mới về công thức, nguyên liệu và tốc độ
chảy của nguyên liệu.
3. Lưu trữ các dữ liệu trong suốt q trình cân để phục vụ cho việc
thống kê, tính tốn và sao lưu khơi phục.
4. Kết nối được đến cân và cấp điều khiển ổn định.

5


5. Kiểm sốt việc đóng mở các Silo sao cho khối lượng nguyên liệu
được chảy xuống cân có sai số nhỏ so với yêu cầu.
6. Hệ thống vận hành chính xác theo đúng chu trình đã nêu; linh hoạt,
dễ hiểu, thuận tiện cho người vận hành.
Đối với cấp điều khiển
Cấp điều khiển cần chọn lựa thiết bị PLC phù hợp, có khả năng nhận dữ liệu
từ phần mềm giám sát thông qua Ethernet; số lượng các I/O vào ra cũng cần phải
được chọn lựa dựa trên nhu cầu nhận tín hiệu và điều khiển các thiết bị được sử
dụng trong hệ thống.
Đối với cấp cảm biến, chấp hành
Tại cấp này có 2 u cầu chính như sau:
1. Xây dựng được phần mềm mô phỏng cân Phần mềm mô phỏng cân
sẽ mơ phỏng q trình thay đổi giá trị khối lượng hiển thị trên cân
trong các trường hợp: mở si lô cho ngun liệu chảy xuống cân, đóng
Silơ này và mở Silô khác, xả nguyên liệu khỏi cân đồng thời truyền
các tín hiệu về giá trị cân liên tục về phần mềm giám sát.
2. Mô phỏng các tác động của các tín hiệu điều khiển vận hành đến các
đầu vào PLC rồi theo dõi sự thay đổi của các tín hiệu đầu ra điều
khiển sẽ tác động điều khiển lên các thiết bị chấp hành tương ứng
trong hệ thống.
Bố cục đồ án
Đồ án gồm 4 chương với các nội dung như sau:
- Chương 1: Tổng quan về đồ án.
Trình bày tổng quan lý do chọn đề tài, cấu trúc của hệ thống nghiên cứu, mục
tiêu và các yêu cầu cần đạt được khi làm đồ án và bố cục đồ án.
- Chương 2: Phương án thực hiện.
Trình bày về phương án thực hiện đồ án trong từng cấp để phục vụ vận hành

mô phỏng hệ thống.
- Chương 3: Xây dựng phần mềm.
Chương này sẽ trình bày cách thức xây dựng phần mềm dựa theo những yêu
cầu đã đặt ra ở CHƯƠNG 1. Đồng thời giới thiệu các phần mềm được sử dụng hỗ
trợ cho việc tạo dựng phần mềm giám sát, phần mềm mơ phỏng cân và việc lập
trình cho PLC sử dụng phần mềm TIA portal.
- Chương 4: Vận hành hệ thống.
Trình bày kết quả các phần mềm xây dựng, vận hành mô phỏng hệ thống và
cách thức sử dụng phần mềm giám sát.

6


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN
2.1 Cấp giám sát, vận hành
Để xây dựng phần mềm giám sát đảm bảo các yêu cầu đã nói ở trên ta sử
dụng phần mềm Visual Studio để lập trình, tạo ra các giao diện giúp giám sát, vận
hành và thao tác với dữ liệu của hệ thống. Phần mềm giám sát sẽ có 2 chức năng
chính là xây dựng, thu thập và lưu trữ được hệ thống dữ liệu cho hệ thống phối
trộn và điều khiển vận hành hệ thống.

Hình 2.1 Cấu trúc xây dựng phần mềm giám sát.

Trong đồ án này em lựa chọn sử dụng phần mềm Visual Studio, lập trình
Winform để lập trình phần mềm giám sát vận hành cho hệ thống giúp dễ dàng
trong việc xây dựng, thu thập, lưu trữ và quản lý các dữ liệu của hệ thống. Quy
trình cân và phối trộn tự động phức tạp thay đổi tùy vào cơng thức và u cầu, có
nhiều biến, dữ liệu và thao tác cần phải quản lý việc chọn lựa cách làm này giúp
cho hệ thống phối trộn linh hoạt trong việc vận hành và giám sát đồng thời việc
chọn lựa hay thay đổi PLC khi PLC gặp sự cố hay khi cần nâng cấp hệ thống ta

chỉ việc thay đổi cách thức giao tiếp giữa phần mềm và PLC mà khơng cần phải
viết lại chương trình mới khi sử dụng thiết bị PLC mới thay thế.
Việc xây dựng cơ sở dữ liệu cho phần mềm sẽ được thực hiện bằng phần
mềm Microsoft SQL Server Management Studio nhằm tạo ra các dữ liệu về công
thức và nguyên liệu phối trộn, thu thập các dữ liệu về quá trình cân và phối trộn,
sao lưu cơ sở dữ liệu của hệ thống để khôi phục khi cần thiết.
Dưới đây là lưu đồ thuật toán tổng quát điều khiển cân và phối trộn tự động.
Chi tiết hơn về lập trình cho hệ thống sẽ được đề cập ở mục 3.4.

7


Hình 2.2 Lưu đồ thuật tốn vận hành hệ thống phối trộn tự động.
8


2.2 Cấp điều khiển.
Giới thiệu về PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller nghĩa là Bộ điều
khiển Logic có thể lập trình được, là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật
tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình. Định nghĩa PLC theo
IEC61131 là: Hệ thống điện tử số được thiết kế sử dụng trong mơi trường cơng
nghiệp, có bộ nhớ khả trình với tập lênh hướng tới người sử dụng để thực hiện các
chức năng nhất định như logic, tuần tự, định thời gian, đếm và tính tốn số học,
được sử dụng để điều khiển nhiều loại máy và quá trình khác nhau thông qua các
đầu vào/ ra số hoặc tương tự.
PLC được thiết kế để thay thế các hệ thống điều khiển logic cồng kềnh sử
dụng rơ le trong sản xuất tự động dựa trên nguyên lý làm việc theo chu kì quét,
giúp dễ dàng hơn cho việc lập trình, vận hành, bảo trì.

Hình 2.3 Chu kì quét của PLC.

Cấu trúc phần cứng của PLC bao gồm các phần sau: Nguồn (Power Supply),
bộ xử lý trung tâm (CPU), các đầu vào/ra (I/O), bộ nhớ (Memory) và khối truyền
thơng (Communication).

Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng PLC.
9


PLC có rất nhiều ưu điểm như: chi phí vận hành hiệu quả, linh hoạt, nhỏ
gọn, cho phép điều khiển các tác vụ phức tạp nhờ khả năng tính tốn đa dạng, lập
trình đơn giản, đáng tin cậy cho việc điều khiển vận hành máy móc. Do đó hiện
nay PLC được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực điện tự động hóa, phục
vụ cho nhiều nghành, nhiều loại máy móc như: cấp nước, xử lý nước thải, giám sát
năng lượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy chế biến thực phẩm, dây
chuyền băng tải…vv
Lựa chọn thiết bị cho cấp điều khiển
Trong đồ án này em lựa chọn sử dụng dòng PLC S7-1200 của hãng Siemems.
PLC S7-1200 được hãng Siemens cho ra đời năm 2009 nhằm thay thế S7-200, bộ
điều khiển PLC S7-1200, được sử dụng với sự linh động và khả năng mở rộng phù
hợp đối với hệ thống tự động hóa nhỏ và vừa tương ứng với người dung cần. Thiết
kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ về tập lệnh đã làm cho PLC S71200 trở thành một giải pháp hoàn hảo trong việc điều khiển, chọn lựa phù hợp đối
với nhiều ứng dụng khác nhau.
Ta có bảng tổng hợp tín hiệu điều khiển cho hệ thống như sau:
Bảng 2.1 Bảng tín hiệu điều khiển

Tín hiệu đầu vào
Tín hiệu đầu ra
(5 đầu vào)

(20 tín hiệu ra)
Tín hiệu đóng cửa xả trộn 16 đầu ra điều khiển đóng
mở 16 Silo
Tín hiệu mở cửa trộn
Xả cân
Tín hiệu đóng cửa xả cân
Xả trộn
Tín hiệu mở cửa xả cân
Biến tần
Tín hiệu xác nhận trộn
Báo đang trộn
Dựa vào u cầu cơng nghệ và các tín hiệu điều khiển vừa tổng hợp ta lựa
chọn thiết bị cho cấp điều khiển như sau:
Bảng 2.2 Thiết bị cấp điều khiển

Tên thiết bị
1 PLC Siemens S71200 CPU 1214,
14 DI, 10 DO, 2
AI, DC
2 SM 1222 modul
mở rộng 8 ngõ ra
relay cho PLC
S7-1200

Số
lượng
1

2

Mã hiệu
6ES72141HE30-0XB0

6ES72221HF30-0XB0

10


Hình 2.5 PLC Siemens S7-1200 CPU 1214 DC/DC/RLY.
Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/RLY

Supply Voltage (Nguồn 24 VDC
cấp)
Đầu vào (Input)
Tích hợp 14 đầu vào số
24VDC
Đầu ra (Output)
Tích hợp 10 đầu ra rơ le
Kiểu kết nối Ethernet
RJ 45
Giao thức (Protocol)
TCP/IP
Web Server
Có hỗ trợ
Bộ nhớ làm việc (Work 50 kbyte
memory)
Bộ nhớ lưu trữ (Load 2 Mbyte tích hợp sẵn
memory)
Tối đa 24 Mbyte với thẻ
nhớ SIMATIC

Hình 2.6 SM 1222 modul mở rộng 8 ngõ ra relay.
11


Bản vẽ đấu dây cho cấp điều khiển
Các bản vẽ đấu dây cho cấp điều khiển được để ở phần Phụ lục A3
2.3 Cấp cảm biến chấp hành.
Phần mềm mô phỏng cân
Phục vụ cho mục đích vận hành thử nghiệm ta xây dựng phần mềm mô phỏng
hoạt động của cân. Phần mềm mô phỏng cân sẽ được xây dựng bằng phần mềm
Visual Studio, sử dụng ngơn ngữ lập trình C# để xây dựng giao diện mô phỏng
cân, kết nối đến Phần mềm giám sát và PLC. Phần mềm này sẽ đọc tín hiệu điều
khiển từ đầu ra của PLC (Các tín hiệu đóng mở các Silơ và xả cân) và hiển thị rồi
gửi các tín hiệu về khối lượng cân về phần mềm giám sát.
Cơng thức tính tốn khối lượng nguyên liệu chảy xuống theo lưu lượng như
sau:

M=

ω dt

Ngoài ra ta cịn phải tính đến thời gian trễ từ lúc có tín hiệu mở silo đến lúc
ngun liệu xuống đến cân và từ lúc đóng silo đến lúc số nguyên liệu ở trong đường
dẫn chảy xuống hết. Ta vẽ được đồ thị giá trị cân theo thời gian đối như sau:

Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn giá trị cân theo thời gian.

Trong đó:
 ω1, ω2 là lưu lượng khối lượng với 2 loại nguyên liệu khác

nhau chảy đến cân (ω2 > ω >0)
 ωxả là lưu lượng khối lượng nguyên liệu xả cân (ωxả < 0).
 t1, t2 là thời gian trễ do nguyên liệu chảy trong đường dẫn từ
Silo đến cân của 2 loại nguyên liệu.
 Tín hiệu Enx: tín hiệu khi có bất kì Silo nào mở.

12


Hệ thống phối trộn bao gồm 16 Silo đựng các loại nguyên liệu khác nhau,
điều khiển đóng mở lần lượt từng Silo để nguyên liệu chảy xuống cân. Ta có mơ
hình tính tốn của cân trong hệ thống như sau:

Hình 2.8 Mơ hình tính tốn của phần mềm mơ phỏng cân.

Trong đó:
 Đầu vào bao gồm ωx, tx, Enx (với x = 1, 2, 3, … 16) lần lượt là lưu
lượng khối lượng, trễ do chảy trong ống dẫn của các nguyên liệu trong
Silo và tín hiệu mở Silo; ωx, Enxả là lưu lượng xả và tín hiệu xả cân.
 Khối lượng nguyên liệu cân được của các Silo:Mx (với x = 1, 2, 3, …
16), Khối lượng nguyên liệu xả: Mxả.
 Đầu ra là tổng khối lượng nguyên liệu chảy xuống cân: M𝛴.
Mô phỏng các tác động cơ cấu chấp hành.
Sử dụng phần mềm TIA Portal của Siemens để mô phỏng các tác động đến
đầu vào của PLC và quan sát sự tác động của phần mềm giám sát đến các đầu ra
của PLC bằng Watch and Force Table của phần mềm.
Việc tạo và sử dụng Watch and Force Table sẽ được nói đến cụ thể ở mục
3.6.2 Tạo và sử dụng Watch and force table

13

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÁC PHẦN MỀM
3.1 Phần mềm Visual Studio, ngơn ngữ C# và lập trình Windform.
Phần mềm Visual Studio
Phần mềm Visual Studio là một loại phần mềm máy tính có cơng dụng giúp đỡ
các lập trình viên trong việc phát triển phần mềm từ Microsoft. Nó được sử dụng
để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang
web, các ứng dụng web và các dịch vụ web. Visual Studio sử dụng nền tảng phát
triển phần mềm của Microsoft như Windows API, Windows Forms, Windows
Presentation Foundation, Windows Store và Microsoft Silverlight. Nó có thể sản
xuất cả hai ngôn ngữ máy và mã số quản lý.
Visual Studio hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình khác nhau và cho phép trình biên
tập mã và gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) hầu như mọi ngôn ngữ lập trình.
Các ngơn ngữ tích hợp gồm có C,[4] C++ và C++/CLI (thông qua Visual C++),
VB.NET (thông qua Visual Basic.NET), C# (thông qua Visual C#) và F# (như của
Visual Studio 2010). Hỗ trợ cho các ngôn ngữ khác như J++/J#, Python và Ruby
thông qua dịch vụ cài đặt riêng rẽ. Nó cũng hỗ trợ XML/XSLT, HTML/XHTML,
JavaScript và CSS.
Ngơn ngữ lập trình C# (C Sharp)
C# (hay C sharp) là một ngơn ngữ lập trình đơn giản, được phát triển bởi đội
ngũ kỹ sư của Microsoft vào năm 2000, trong đó người dẫn đầu là Anders
Hejlsberg và Scott Wiltamuth.
C# là ngôn ngữ lập trình hiện đại, hướng đối tượng và nó được xây dựng trên
nền tảng của hai ngôn ngữ mạnh nhất là C++ và Java.
C# được thiết kế cho Common Language Infrastructure (CLI), mà gồm
Executable Code và Runtime Environment, cho phép chúng ta sử dụng các ngôn
ngữ high-level đa dạng trên các nền tảng và cấu trúc máy tính khác nhau.
C# với sự hỗ trợ mạnh mẽ của .NET Framework giúp cho việc tạo một ứng dụng
Windows Forms hay WPF (Windows Presentation Foundation), . . . trở nên rất dễ

dàng.
Ngôn ngữ C# có những đặc trưng tiêu biểu sau:
- C# là ngôn ngữ đơn giản, mạnh mẽ: C# được dựng trên nền tảng C++ và
Java, ảnh hưởng bởi Delphi, VisualBasic nên ngôn ngữ C# được thừa hưởng
các ưu điểm vào loại bỏ các yếu điểm của các ngôn ngữ trên, vì vậy nó khá
đơn giản, đồng thời loại bỏ các cú pháp dư thừa và thêm vào đó các cú pháp
cải tiến hơn.
- C# là ngơn ngữ lâp trình bậc cao, đa nền tảng vì vậy nó dễ dàng tiếp cận và
phù hợp cho người mới bắt đầu học, ví dụ câu lệnh kinh điển dành cho
người mới băt đầu hoc là in ra dòng chữ "Hello world", với C# ta chỉ cẩn 1
câu lệnh: System.Console.WriteLine("Hello world");

14


-

-

-

-

C# là ngôn ngữ đa năng và hiện đại: C# phù hợp cho việc phát triển trong
thời đại 4.0, bao gồm việc phát triển web, mobile app, game, học máy và trí
tuệ nhân tạo, phát triển đám mây, IoT, blockchain, microservices...
C# là một ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng đồng thời hỗ trợ lâp trình
chức năng: C# hỗ trợ mạnh mẽ cho phương pháp lâp trình hướng đối tượng,
ngồi ra C# cịn hỗ trợ các phương pháp lập trình chức năng thông qua các
biểu thức lamba, khớp mẫu, functions, các thuộc tính bất biến.

C# là ngơn ngữ gõ tĩnh, định kiểu mạnh, hỗ trợ gõ động C# được gõ tĩnh
nên nó mang đầy đủ các ưu việt của phương pháp gõ tĩnh như bảo đảm an
toàn kiểu, tự động phân tích và nhận biết lỗi cú pháp ngay trong q trình
viết mã... Ngồi ra khi sử dụng C# kết hợp với IDE Visual Studio, C# được
hỗ trợ gợi ý code bởi Visual Studio IntelliCode sử dụng trí tuệ nhân tạo giúp
cho việc viết code trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn.
C# là một ngơn ngữ ít từ khóa: C# có khoảng hơn 80 từ khóa.

Lập trình Winforms
Windows Form (thường gọi tắt là winforms) là framework dành cho phát triển
ứng dụng desktop cho Windows đầu tiên trên .NET Framework, được sử dụng rất
rộng rãi và tồn tại cho đến tận ngày nay. Windows Forms hồn tồn đơn giản hóa
việc lập trình GUI (giao diện đồ họa), hỗ trợ thiết kế giao diện trực quan (mà không
cần tự viết code), đồng thời nhận được sự hỗ trợ rất tốt từ các hãng thứ ba
(Devexpress, Syncfusion, Telerik, v.v.) và cộng đồng.
Winforms rất dễ học với người mới bắt đầu. Mơ hình lập trình của Windows
Forms đơn giản và dễ nắm bắt. Việc thiết kế giao diện rất trực quan, đơn giản.
Hiện nay vẫn có nhiều cơng ty tuyển nhân sự về mảng này, chủ yếu để bảo trì
và cải tiến các hệ thống đã xây dựng từ trước. Windows Forms cũng vẫn là một
cơng cụ hữu ích cho q trình học tập. Trong q trình học có thể thường xun
phải làm project mơn học. Winforms là một cơng cụ rất thích hợp.
Tạo Project Windows Forms
Cả 2 phần mềm Giám sát và Mô phỏng cân mà ta xây dựng đều sử dụng
Windows Forms, ngơn ngữ C# để lập trình. Ta sẽ lần lượt khởi tạo 2 project tên
“Phần mềm giám sát” và “Phần mềm mô phỏng cân”. Sau đây sẽ là cách khởi tạo
1 project Windows Forms.
Đầu tiên mở phần mềm Visual Studio ấn tổ hợp phím Ctrl + Shift + N để tạo
một Project mới. Cửa sổ New Project hiện ra ta thực hiện các thao tác sau:

15