Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm và đồ uống hiện đại, việc tự động hóa các công đoạn đóng gói đóng vai trò cốt lõi nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm và hạn chế tối đa sự can thiệp trực tiếp của con người. Báo cáo Đồ án 1 với chủ đề "Mô phỏng hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động trên phần mềm TIA Portal" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Xuân Trường (MSSV: 2115149) dưới sự hướng dẫn của Thầy Trần Ngọc Huy tại Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 1 năm 2025).

Đề tài tập trung giải quyết bài toán mô phỏng và kiểm nghiệm chu trình điều khiển tự động liên hoàn trong dây chuyền đóng chai. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, vùng nhớ, kiểu dữ liệu và tập lệnh của dòng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200.
  2. Xây dựng thuật toán và mô tả quy trình công nghệ chi tiết cho dây chuyền 4 công đoạn: chiết rót dung dịch, đóng nắp chai, dán nhãn thân chai và đóng thùng sản phẩm bằng động cơ bước (step motor).
  3. Thiết kế toàn bộ chương trình điều khiển dạng ngôn ngữ hình thang (Ladder Logic - LAD) trên phần mềm TIA Portal, phân tách thành các khối chức năng phục vụ chế độ tự động (AUTO), chế độ bằng tay (MANU), khối mô phỏng cảm biến (SIMULATE) và khối xử lý đầu ra (OUTPUT).
  4. Cấu hình trục điều khiển chuyển động (Motion Control) cho động cơ bước thông qua các khối hàm chuẩn (MC_Home, MC_MoveAbsolute).
  5. Thiết kế giao diện người - máy (HMI) trên nền tảng WinCC Runtime tích hợp các cửa sổ màn hình bật lên (pop-up), hệ thống nút nhấn điều khiển, đèn báo trạng thái và chức năng trích xuất dữ liệu báo cáo (Report) sang định dạng bảng tính Excel.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống tự động hóa dây chuyền chiết rót, vặn nắp, dán nhãn và xếp chai vào thùng; phạm vi nghiên cứu thực hiện ở cấp độ thiết kế thuật toán, lập trình điều khiển và mô phỏng tích hợp trên môi trường phần mềm TIA Portal (Step 7 Basic và WinCC).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát điều khiển (SCADA/HMI). Các nền tảng lý thuyết và công nghệ chính được tác giả sử dụng gồm:

  • Cấu trúc bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200: Khảo sát kiến trúc vi xử lý, chu kỳ quét vòng lặp (scan cycle), cấu trúc phân bổ bộ nhớ (Load memory, Work memory, Retentive memory), tập kiểu dữ liệu chuẩn IEC và kiến trúc các khối chương trình (OB, FC, FB, DB).
  • Nguyên lý điều khiển vị trí và động cơ bước: Ứng dụng tập lệnh Motion Control của Siemens để thiết lập thông số điều khiển xung (Pulse per Motor Revolution), cấu hình vi bước (microstepping) và các chế độ thiết lập gốc tọa độ (Homing modes).
  • Hệ thống giám sát WinCC: Khảo sát các phân hệ chức năng Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging, Report Designer, User Archives và khả năng xử lý kịch bản (C-Script, API).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai là phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp mô phỏng hệ thống:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Phân rã quy trình công nghệ tổng thể thành 4 phân đoạn độc lập và xác định các điều kiện chuyển trạng thái logic.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống: Xây dựng bảng địa chỉ biến (PLC Tags toàn cục và biến Local), cấu hình phần cứng ảo (Hardware Configuration), lập trình cấu trúc phân cấp các hàm FC/FB.
  • Phương pháp thực nghiệm mô phỏng: Sử dụng công cụ mô phỏng tích hợp của TIA Portal để kiểm tra chuỗi tác động của cảm biến, trạng thái cơ cấu chấp hành (bơm, xylanh, motor dán nhãn, mâm xoay) và giao tiếp HMI/SCADA qua giao thức truyền thông TCP/IP (Ethernet/Profinet).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và triển khai mô phỏng đồng bộ trong môi trường TIA Portal với các thành phần công nghệ và cấu hình kỹ thuật cụ thể:

1. Kiến trúc phân bổ chương trình điều khiển

Chương trình được chia thành các khối hàm riêng biệt để tối ưu hóa việc quản lý và xử lý tín hiệu:

  • Main (OB1): Khối quét vòng lặp chính của hệ điều hành PLC, thực hiện gọi tuần tự các khối chương trình con.
  • FC_AUTO: Chứa thuật toán điều khiển tự động toàn bộ dây chuyền gồm: bơm chiết rót, điều khiển mâm xoay phân độ, hạ xylanh và xoay nắp chai, kích hoạt dán nhãn, xylanh đẩy chai và lệnh reset hệ thống/bộ đếm.
  • FC_MANU: Điều khiển thủ công từng cơ cấu chấp hành phục vụ kiểm tra và vận hành thử nghiệm.
  • FC_SIMULATE: Tạo lập tín hiệu giả lập phản hồi của cảm biến 5, cảm biến 6, khâu cấp nhãn và vị trí thùng chứa.
  • OUTPUT: Khối trung gian quét và gán giá trị biến logic ra các cổng xuất tín hiệu điều khiển vật lý/mô phỏng.

2. Cấu hình điều khiển động cơ bước (Motion Control)

Để dịch chuyển thùng chứa đón sản phẩm hạ xuống từ cơ cấu đẩy, tác giả khởi tạo một trục điều khiển (Axis) mới với công thức tính toán xung điều khiển:

$$\text{Pulse per Motor Revolution} = \text{Số bước/vòng} \times \text{Hệ số microstepping}$$

(Ví dụ: Động cơ bước loại $1{,}8^\circ$ tương ứng 200 bước/vòng, kết hợp driver vi bước chia tỉ lệ 1/2, 1/4, 1/8...).

Hệ thống sử dụng hai khối hàm chuyển động chính:

  • MC_Home: Xác lập vị trí gốc xuất phát của trục dựa trên 8 chế độ cấu hình (Mode 0 đến Mode 7).
  • MC_MoveAbsolute: Điều khiển trục di chuyển chính xác đến các tọa độ tuyệt đối định sẵn với các thông số cài đặt về tốc độ, gia tốc và giảm tốc.

3. Giao diện người - máy (HMI WinCC Runtime)

  • Thiết kế không gian giám sát trực quan 4 công đoạn sản xuất trên một màn hình thống nhất.
  • Tích hợp công tắc chuyển chế độ AUTO/MANU, hệ thống nút nhấn vận hành và các đèn LED chỉ thị trạng thái logic.
  • Sử dụng màn hình bật lên (pop-up) để tối ưu hóa không gian hiển thị thông số chiết rót và cài đặt thời gian.
  • Tích hợp nút lệnh trích xuất dữ liệu vận hành và nhật ký sản xuất trực tiếp ra tệp tin Excel thông qua bộ công cụ Report.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu tổng quan về phần mềm điều khiển lập trình PLC

Chương này hệ thống hóa các đặc tính kỹ thuật cốt lõi của dòng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal:

  • Lịch sử và phần cứng: Dòng S7-1200 ra đời năm 2009 thay thế cho S7-200, tích hợp microprocessor, bộ nguồn, cổng vào/ra số (DI/DO), cổng Profinet (Ethernet TCP/IP), tính năng bảo vệ bằng mật khẩu và khóa hàm know-how protection. Phần cứng mở rộng bao gồm các module tín hiệu SM (AI dòng 4-20mA, áp 0-10VDC, RTD, TC; AI/AO; AO; DI; DO), module truyền thông CM1241 (tối đa 3 module bên trái CPU, hỗ trợ RS485/RS232, Modbus, ASCII, Profibus), CP124x (GPRS/GSM) và module nguồn PM1207 (nguồn vào 120/230 VAC, ngõ ra 24VDC/2,5A).
  • Vùng nhớ và kiểu dữ liệu: Phân loại 3 vùng nhớ chính gồm Load memory (bộ nhớ flash tĩnh, không mất dữ liệu khi mất điện), Work memory (bộ nhớ khả biến RAM, tự phục hồi từ Load memory) và Retentive memory (lưu giữ biến cấu hình khi ngắt nguồn).
Dòng CPU S7-1200 Bộ nhớ Internal Load Bộ nhớ Work Bộ nhớ Retentive
CPU 1211C 1 MB 50 Kbytes 10 Kbytes
CPU 1212C 2 MB 75 Kbytes 10 Kbytes
CPU 1214C 4 MB 100 Kbytes 10 Kbytes
CPU 1215C 4 MB 125 Kbytes 10 Kbytes
CPU 1217C 4 MB 150 Kbytes 10 Kbytes
External Load (Thẻ nhớ SMC) 4MB, 12MB, 24MB, 256MB, 2GB, 32GB — Lưu trữ dữ liệu: 20 ngày (typ.)
  • Kiểu dữ liệu và kỹ thuật lập trình: Hệ thống hỗ trợ đầy đủ các nhóm kiểu dữ liệu chuẩn: Bit/Chuỗi bit (Bool, Byte, Word, DWord), Số nguyên (USInt, SInt, UInt, UDInt, DInt), Số thực (Real 32-bit, LReal 64-bit), Thời gian và ngày tháng (Date, DTL 12 byte, Time, TOD), Ký tự (Char, String tối đa 254 ký tự). Chu kỳ quét vòng lặp gồm 4 giai đoạn: đọc ngõ vào số -> thực thi lệnh OB1 -> cập nhật ngõ ra số -> truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
  • Giao diện giám sát WinCC & Step 7 Basic: Phân tích các mô-đun giám sát SCADA, cách thức cấu hình bảng tag toàn cục ("Tag_Name") và tag cục bộ (#Tag_Name), cùng tính năng của công cụ IP TOOL trong việc thiết lập kết nối PG/PC qua giao thức TCP/IP.

Chương II: Ý tưởng và mô tả quá trình hoạt động của hệ thống

Trình bày phương án công nghệ và nguyên lý vận hành chi tiết của hệ thống chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai:

  • Mục tiêu ý tưởng: Đạt được tính tự động hóa hoàn toàn, nâng cao độ chính xác về thể tích chiết rót và vị trí nhãn, rút ngắn chu kỳ sản xuất và cho phép cấu hình mở rộng linh hoạt.
  • Quy trình công nghệ 4 giai đoạn:
    1. Giai đoạn Chiết rót: Băng tải 1 đưa chai rỗng đến trạm bơm. Cảm biến phát hiện chai kích hoạt trạng thái ON, bơm dung dịch vận hành và rót chất lỏng vào chai theo khoảng thời gian được định lượng trước trên màn hình HMI.
    2. Giai đoạn Đóng nắp: Sau khi chiết rót hoàn tất, mâm xoay chuyển phôi chai sang trạm đóng nắp. Cảm biến trạm nắp báo ON, xylanh đóng nắp hạ trục xuống đồng thời motor xoay nắp hoạt động để siết chặt nắp vào miệng chai.
    3. Giai đoạn Dán nhãn: Băng tải chuyển chai đã có nắp sang máy dán nhãn. Khi cảm biến vị trí dán nhãn phát hiện chai (ON), sau khoảng thời gian trễ 1 giây, xylanh cuộn nhãn và motor nhãn sẽ quay để ép dán nhãn vòng quanh thân chai.
    4. Giai đoạn Đóng thùng: Chai hoàn thiện đi qua cảm biến đếm sản phẩm. Cứ mỗi chu kỳ đếm đủ 2 chai, hệ thống kích hoạt cơ cấu đẩy để hạ đồng thời 2 chai xuống thùng chứa. Sau mỗi lần hạ 2 chai, động cơ bước (step motor) sẽ điều khiển dịch chuyển thùng chứa một khoảng cách định sẵn để đón 2 chai kế tiếp. Khi thùng chứa nhận đủ 6 chai (qua 3 lần hạ), thùng sản phẩm hoàn chỉnh được đưa sang khâu đóng gói xuất xưởng.

Chương III: Mô phỏng hệ thống trên TIA Portal

Chương này trình bày chi tiết việc triển khai mã lệnh điều khiển, cấu hình trục chuyển động và thiết kế giao diện HMI:

  • Tổ chức khối mã LAD: Lập trình chi tiết khối FC_AUTO điều khiển đồng bộ chuỗi logic bơm, mâm xoay, đóng nắp, dán nhãn và xylanh hạ chai; xây dựng khối FC_MANU phục vụ vận hành riêng lẻ; thiết lập khối FC_SIMULATE tạo xung và kích hoạt các trạng thái cảm biến phục vụ mô phỏng khép kín.
  • Cấu hình Motion Control cho động cơ bước: Thiết lập cấu hình trục và phân tích chi tiết 8 chế độ của khối hàm MC_Home:
Chế độ Homing Tên gọi phương thức Nguyên lý hoạt động
Mode 0 Homing trực tiếp tuyệt đối Gán trực tiếp vị trí hiện tại của trục bằng giá trị tham số "Position" (không chuyển động vật lý).
Mode 1 Homing trực tiếp tương đối Dịch chuyển vị trí hiện tại của trục bằng giá trị tham số "Position" (không chuyển động vật lý).
Mode 2 Homing thụ động Trục di chuyển đến công tắc hành trình (home switch); khi chạm công tắc, tọa độ được đặt bằng "Position".
Mode 3 Homing chủ động Trục chủ động tìm công tắc hành trình, sau đó di chuyển ngược lại đến vị trí chuẩn xác định.
Mode 4 Homing dấu zero encoder Trục di chuyển đến dấu zero của bộ mã hóa vòng quay (encoder), gán vị trí bằng "Position".
Mode 5 Homing dấu zero gần nhất Tương tự Mode 4 nhưng trục tự động bắt dấu zero encoder ở khoảng cách gần nhất.
Mode 6 Homing giới hạn phần cứng Trục di chuyển chạm công tắc giới hạn phần cứng (hardware limit dương hoặc âm) để gán gốc tọa độ.
Mode 7 Homing giới hạn phần mềm Trục thiết lập gốc tọa độ tương ứng với giới hạn phần mềm (software limit) đã cấu hình.
  • Thiết kế giao diện WinCC Runtime: Xây dựng màn hình điều khiển trung tâm mô phỏng trực quan dòng chảy sản phẩm qua 4 công đoạn, tích hợp các công cụ đồ họa động, màn hình pop-up nhập liệu thời gian chiết rót và nút nhấn xuất file báo cáo Excel tự động.

Chương IV: Kết luận

Tổng kết lại các kết quả đạt được trong quá trình lập trình, kiểm thử mô phỏng hệ thống và định hướng mở rộng đề tài.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho dây chuyền 4 công đoạn (chiết rót dung dịch theo thời gian, mâm xoay và vặn nắp, dán nhãn thân chai có trễ 1 giây, gom đếm 2 chai/lần và đóng thùng 6 chai/thùng).
    • Hoàn thiện cấu trúc mã nguồn LAD rõ ràng với việc module hóa thành các khối chức năng (Main, FC_AUTO, FC_MANU, FC_SIMULATE, OUTPUT).
    • Thiết lập chuẩn xác thuật toán điều khiển vị trí thùng chứa bằng động cơ bước thông qua cấu hình trục Motion Control và các khối hàm tiêu chuẩn MC_Home (hỗ trợ 8 chế độ homing) cùng MC_MoveAbsolute.
    • Thiết kế hoàn chỉnh giao diện HMI trên WinCC Runtime cho phép giám sát toàn bộ dây chuyền, chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ AUTO/MANU, cài đặt thông số qua màn hình pop-up và trích xuất báo cáo sản xuất ra định dạng file Excel.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Cung cấp giải pháp mô phỏng logic toàn diện giúp kiểm nghiệm tính đúng đắn của giải thuật điều khiển trước khi áp dụng lắp đặt trên mô hình phần cứng thực tế.
    • Tích hợp thành công kỹ thuật điều khiển chuyển động vị trí (Motion Control) với quy trình công nghệ đóng gói tự động trên cùng một môi trường TIA Portal.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung được trình bày trong báo cáo, đồ án có một số đặc điểm và hướng tiếp nối như sau:

  • Hạn chế: Hệ thống mới dừng lại ở mức độ lập trình và mô phỏng trên phần mềm TIA Portal (kết hợp các khối giả lập cảm biến FC_SIMULATE), chưa được triển khai ghép nối trực tiếp với mô hình phần cứng dây chuyền vật lý thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Kết nối chương trình điều khiển đã hoàn thiện trên TIA Portal với phần cứng PLC S7-1200 thật, kết nối cảm biến công nghiệp, van khí nén, động cơ bước và cơ cấu cơ khí thực tế nhằm đánh giá sai số định lượng và hiệu chỉnh thông số vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo Đồ án 1 này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện - Điện tử, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu về cấu trúc trình bày đồ án chuyên ngành, kỹ thuật tổ chức chương trình PLC theo khối (OB, FC, FB, DB) và quy trình cấu hình giao thức truyền thông công nghiệp.
  • Người nghiên cứu và kỹ sư lập trình PLC Siemens: Đáng tham khảo ở phần phân loại và cấu hình 8 chế độ MC_Home trong tập lệnh Motion Control, phương pháp điều khiển động cơ bước theo công thức vi bước (microstepping), và giải pháp thiết kế giao diện WinCC Runtime tích hợp xuất báo cáo dữ liệu sang Excel.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng PLC Siemens S7-1200 được trang bị những loại vùng nhớ nào và sự khác biệt giữa chúng là gì?
PLC S7-1200 sử dụng 3 loại vùng nhớ chính:

  • Load memory: Bộ nhớ không bay hơi (dạng flash nội bộ từ 1MB đến 4MB hoặc thẻ nhớ ngoài SMC từ 4MB đến 32GB) dùng lưu toàn bộ chương trình, cấu hình phần cứng và dữ liệu tải xuống từ máy tính.
  • Work memory: Bộ nhớ khả biến (RAM dung lượng 50KB đến 150KB tùy model CPU) chứa các thành phần chương trình đang được thực thi trong chu kỳ quét, dữ liệu sẽ mất khi mất nguồn.
  • Retentive memory: Vùng nhớ không bay hơi (dung lượng 10KB) dùng lưu trữ các giá trị biến được chỉ định từ Work memory nhằm duy trì trạng thái khi xảy ra mất điện (thời gian lưu trữ điển hình khoảng 20 ngày).

2. Quy trình đóng thùng sản phẩm bằng động cơ bước được vận hành như thế nào?
Khi chai hoàn tất dán nhãn, hệ thống đếm sản phẩm sẽ gom đúng 2 chai/lần rồi kích hoạt cơ cấu đẩy hạ 2 chai xuống thùng. Sau mỗi lần hạ 2 chai, khối hàm MC_MoveAbsolute điều khiển động cơ bước (step motor) dịch chuyển thùng chứa một khoảng cách định vị chính xác để đón 2 chai tiếp theo mà không bị va quẹt vào các chai trước. Khi gom đủ 6 chai (sau 3 lần hạ), thùng hàng hoàn chỉnh được chuyển sang công đoạn đóng gói.

3. Khối hàm MC_Home trong TIA Portal cung cấp những chế độ homing cơ bản nào?
Khối hàm MC_Home hỗ trợ 8 chế độ (Mode 0 đến Mode 7), bao gồm: Mode 0 (Homing trực tiếp tuyệt đối), Mode 1 (Homing trực tiếp tương đối), Mode 2 (Homing thụ động qua công tắc hành trình), Mode 3 (Homing chủ động), Mode 4 (Homing dấu zero encoder), Mode 5 (Homing dấu zero encoder gần nhất), Mode 6 (Homing giới hạn phần cứng), và Mode 7 (Homing giới hạn phần mềm).

4. Chức năng giám sát trên giao diện WinCC Runtime được thiết kế gồm những thành phần nào?
Giao diện WinCC Runtime thể hiện trực quan trạng thái vận hành của cả 4 công đoạn (chiết rót, đóng nắp, dán nhãn, đóng thùng); cho phép chuyển đổi chế độ vận hành AUTO/MANU; hiển thị hệ thống đèn báo trạng thái tín hiệu I/O; tích hợp cửa sổ pop-up để cài đặt thông số và nút nhấn kích hoạt khối Report Designer để xuất dữ liệu vận hành sang tệp tin Excel.

Kết luận

Báo cáo Đồ án 1 của sinh viên Nguyễn Xuân Trường đã trình bày một cách có hệ thống cơ sở lý thuyết về PLC Siemens S7-1200, các chuẩn dữ liệu, phân vùng bộ nhớ và công cụ thiết kế SCADA/HMI WinCC. Trên cơ sở đó, tác giả đã thiết kế hoàn chỉnh thuật toán điều khiển dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn và đóng thùng 6 chai tự động bằng ngôn ngữ Ladder trên TIA Portal. Đề tài đã cấu hình thành công các khối hàm điều khiển chuyển động vị trí (Motion Control) cho động cơ bước và xây dựng giao diện giám sát WinCC Runtime tích hợp xuất báo cáo Excel, tạo tiền đề vững chắc cho việc triển khai thực tế trên các hệ thống sản xuất công nghiệp.