Báo cáo đồ án tốt nghiệp: Xây dựng tủ điều khiển và HMI cho máy pha chế cocktail

Báo cáo đồ án hệ thống pha chế cocktail tự động sử dụng PLC S7-1200. Tài liệu hướng dẫn thiết kế tủ điều khiển và lập trình giám sát màn hình HMI.

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thanh Bình
• Trường học: Trường đại học (không có thông tin cụ thể)
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Và Công Nghệ
• Đề tài: Xây Dựng Tủ Điều Khiển Và Thiết Kế Màn Hình HMI Giám Sát Mô Hình Hệ Thống Điều Khiển Quy Trình Pha Chế Cocktail
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Pha chế Cocktail Tự động

Hệ thống pha chế cocktail tự động là một giải pháp tiên tiến trong ngành công nghiệp nhà hàng và quán bar hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ, máy pha chế cocktail đã trở thành xu hướng không thể thiếu trong các quán bar, khách sạn và nhà hàng cao cấp. Đề tài này tập trung vào việc xây dựng tủ điều khiển và thiết kế màn hình HMI để giám sát mô hình hệ thống điều khiển quy trình pha chế cocktail một cách hiệu quả. Mục tiêu của dự án là khắc phục những bất tiện trong quy trình pha chế thủ công truyền thống, nâng cao chất lượng phục vụ và tối ưu hóa thời gian phục vụ khách hàng. Hệ thống này kết hợp các công nghệ điều khiển tự động hiện đại để đảm bảo độ chính xác và nhất quán trong từng cocktail được pha chế.

1.1. Quy trình Pha chế Cocktail Truyền thống

Quy trình pha chế cocktail truyền thống đòi hỏi nhiều kỹ năng và kinh nghiệm từ các bartender. Phương thức thủ công gặp phải những thách thức như khó khăn trong việc duy trì tính nhất quán về hương vị, tỷ lệ thành phần và thời gian phục vụ. Pha chế cocktail tự động giải quyết những vấn đề này bằng cách sử dụng các cảm biến và bơm dùng điều khiển tự động để đo lường và trộn các thành phần một cách chính xác, nhanh chóng và hiệu quả.

1.2. Ứng dụng trong Thực tế

Các máy pha chế cocktail như Keurig Drinkworks, Bartesian và Somabar đã chứng minh tiềm năng thương mại của hệ thống pha chế tự động. Những thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các quán bar cao cấp, khách sạn 5 sao và những địa điểm có lưu lượng khách cao. Ứng dụng hệ thống điều khiển quy trình này giúp giảm chi phí nhân công, tăng năng suất và cải thiện trải nghiệm khách hàng.

II. Phân tích và Lựa chọn Thiết bị Điều khiển

Để xây dựng một hệ thống pha chế cocktail tự động hiệu quả, việc lựa chọn các thiết bị điều khiển phù hợp là rất quan trọng. Tủ điều khiển đóng vai trò trung tâm trong việc quản lý toàn bộ quy trình pha chế, trong khi màn hình HMI cung cấp giao diện người dùng thân thiện. Dự án sử dụng PLC S7-1200 của SIEMENS, một bộ điều khiển lập trình thông dụng và đáng tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp. Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các module mở rộng, driver điều khiển động cơ bước PC5, rơle trung gian, và các nguồn điện tổ ong 12V, 24V để cấp nguồn cho các thiết bị. Sự kết hợp giữa tủ điều khiển và HMI tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh, cho phép giám sát và điều khiển toàn bộ quy trình pha chế.

2.1. Vai trò của Tủ Điều khiển trong Hệ thống

Tủ điều khiển là trái tim của hệ thống pha chế cocktail tự động. Nó chứa PLC S7-1200, các rơle trung gian, driver điều khiển động cơ, và các nguồn cấp điện. Tủ điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu theo chương trình được viết sẵn, và gửi lệnh điều khiển tới các bơm, van điện từ và các thiết bị khác để hoàn thành quy trình pha chế theo đúng công thức.

2.2. Chức năng của Màn hình HMI Giám sát

Màn hình HMI cung cấp giao diện trực quan cho người vận hành để theo dõi và điều khiển hệ thống pha chế cocktail tự động. Thông qua HMI, người dùng có thể xem trạng thái của các bơm, cảm biến, đèn báo và các chỉ số khác. Màn hình HMI hiện đại cho phép giám sát từ xa, ghi nhận dữ liệu lịch sử và điều chỉnh các tham số hoạt động, giúp tối ưu hóa hiệu suất quy trình pha chế.

III. Thiết kế và Xây dựng Hệ thống Thực tế

Giai đoạn thiết kế và xây dựng hệ thống pha chế cocktail tự động bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, sơ đồ bố trí thiết bị được thiết kế chi tiết để đảm bảo tính hợp lý về mặt kỹ thuật và công nghệ. Sơ đồ đấu nối PLC với Microstep Driver BT6600 và các bơm phải tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện và kỹ thuật. Tủ điều khiển được xây dựng với các cấu trúc bên trong tổ chức rõ ràng, dễ bảo trì. Phần cứng được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi chạy thử nghiệm. Chương trình điều khiển được viết bằng phần mềm TIA Portal V17 và tải vào PLC S7-1200. Giao diện HMI được thiết kế trên màn hình SIMATIC HMI KTP400 để hiển thị thông tin thực tế và tương tác với người vận hành.

3.1. Thiết kế Sơ đồ và Bố trí Thiết bị

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống pha chế cocktail tự động được thiết kế với các khối chức năng rõ ràng. Sơ đồ đấu nối chi tiết hóa cách kết nối giữa PLC, driver động cơ, bơm và các cảm biến. Bố trí thiết bị trong tủ điều khiển được sắp xếp hợp lý để đảm bảo thông gió, dễ tiếp cận cho bảo trì và tuân thủ quy chuẩn an toàn điện.

3.2. Lập trình và Giám sát HMI

Chương trình điều khiển cho hệ thống pha chế cocktail được phát triển sử dụng phần mềm TIA Portal V17. Các hàm PID_Compact được sử dụng để điều khiển luồng chất lỏng một cách chính xác. Bảng TAG được thiết lập để định danh các biến. HMI được thiết kế với các màn hình hiển thị trạng thái, cho phép vận hành thao tác dễ dàng. Kết quả giám sát được hiển thị trên cả máy tính và màn hình HMI thực tế.

IV. Kết quả Thử nghiệm và Ứng dụng Thực tế

Sau hoàn thành giai đoạn xây dựng, hệ thống pha chế cocktail tự động được chạy thử nghiệm toàn diện. Các bước thử nghiệm bao gồm kiểm tra hoạt động của từng bơm riêng lẻ, kiểm tra độ chính xác của dung lượng, và kiểm tra toàn bộ quy trình pha chế từ đầu đến cuối. Màn hình HMI hiển thị các đèn báo sáng khi mỗi bơm hoạt động, cho phép theo dõi chi tiết từng bước. Hệ thống hoàn thành thành công tất cả các bài kiểm tra, chứng minh rằng thiết kế tủ điều khiển và HMI giám sát hoạt động đúng như dự kiến. Kết quả này mở đường cho việc áp dụng hệ thống điều khiển quy trình pha chế cocktail vào thực tế trong các quán bar, nhà hàng và khách sạn, nâng cao chất lượng phục vụ và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.1. Kết quả Chạy Thử nghiệm Mô hình

Quá trình thử nghiệm hệ thống pha chế cocktail tự động được thực hiện bằng cách mô phỏng các tình huống vận hành thực tế. HMI bắt đầu quá trình mô phỏng với giao diện trực quan. Khi mỗi bơm hoạt động, màn hình HMI hiển thị đèn báo sáng tương ứng. Hệ thống hoàn thành thành công tất cả các chu kỳ pha chế, xác nhận rằng tủ điều khiển và chương trình điều khiển hoạt động chính xác.

4.2. Triển khai và Phát triển Tương lai

Dự án thành công trong xây dựng mô hình hệ thống pha chế cocktail tự động tạo nền tảng vững chắc để phát triển những sản phẩm thương mại. Với các cải tiến bổ sung về thiết kế tủ điều khiển, tăng số lượng bơm, và nâng cấp giao diện HMI, hệ thống điều khiển quy trình này có thể áp dụng trực tiếp vào các cơ sở kinh doanh, cải thiện hiệu quả phục vụ khách hàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 -Tìm hiểu được các hệ thống pha chế Cocktail - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động pha chế Cocktail 16 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ MÀN HÌNH HMI 2.Sơ đồ khối tổng quát Hình 2.1 Sơ đồ khố tổng quát hệ thống 2.Khái quát về tủ điều khiển và màn hình HMI trong hệ thống 2. Vai trò của tủ điều khiển Tủ điều khiển là trung tâm điều hành toàn bộ hệ thống điều khiển quy trình pha chế cocktail. Đây là nơi tập trung và bảo vệ thiết bị điện – PLC, relay, nguồn, thiết bị điện đóng cắt, bộ chuyển đổi và các cổng kết nối đến thiết bị ngoại vi như bơm, van, cảm biến. Chức năng chính:  Cấp nguồn cho hệ thống và các thiết bị liên quan.

 Điều phối hoạt động của các phần tử chấp hành thông qua tín hiệu từ vi điều khiển hoặc PLC.  Bảo vệ mạch điện, thiết bị và con người khỏi sự cố điện.  Tạo cấu trúc gọn gàng, dễ lắp đặt, bảo trì và nâng cấp. Vai trò của màn hình HMI giám sát Màn hình HMI (Human Machine Interface) là bộ phận giao tiếp trực quan giữa người vận hành và hệ thống.

Trong hệ thống pha chế cocktail tự động, HMI cho phép người dùng lựa chọn các loại cocktail, theo dõi tiến trình pha chế, quan sát trạng thái hoạt động của các thiết bị, và nhận cảnh báo lỗi nếu có sự cố xảy ra. Chức năng chính:  Hiển thị giao diện chọn cocktail và tiến trình pha chế. 17  Cung cấp các nút điều khiển như Bắt đầu, Tạm dừng, Hủy.  Hiển thị cảnh báo khi hệ thống gặp sự cố (hết nguyên liệu, lỗi cảm biến, lỗi bơm.

 Cho phép cấu hình thông số (nếu cần): lượng nguyên liệu, tốc độ bơm, thời gian pha… 2. Mối liên kết giữa tủ điều khiển và HMI  Màn hình HMI gửi tín hiệu đến bộ điều khiển trong tủ để ra lệnh vận hành thiết bị.  Tủ điều khiển phản hồi lại trạng thái thiết bị cho HMI hiển thị.  Giao tiếp có thể thông qua RS-232, RS-485, hoặc Modbus tùy vào loại thiết bị sử dụng.

Chức năng và yêu cầu a,Chức năng Tủ điều khiển trong hệ thống điện và tự động hóa có nhiều chức năng quan trọng, bao gồm:  Bảo vệ thiết bị và hệ thống  Bảo vệ quá trình quá dòng, ngắn mạch, sụt áp, pha lệch nhờ các thiết bị như cảm biến, MCCB, Rơ-le nhiệt, RCD.  Đảm bảo an toàn cho người vận hành thông qua tiếp địa, thiết bị cách ly, bảo vệ điện giật.  Điều khiển quá trình hoạt động của thiết bị  Điều khiển khởi động, dừng, đảo chiều động cơ.  Quản lý chu trình làm việc của máy móc theo chương trình PLC.

 Điều khiển theo tín hiệu nhận từ cảm biến (nhiệt độ, áp suất, mức nước.  Giám sát và hiển thị  Hiển thị trạng thái hoạt động, cảnh báo lỗi qua HMI, đèn báo, còi báo.  Cho phép người vận hành theo dõi và can thiệp khi cần thiết.  Phân phối và điều phối nguồn điện  Cấp nguồn cho các thiết bị điện trong hệ thống.

 Tách biệt rõ ràng nguồn động lực và nguồn điều khiển để tránh nhiễu và tăng tính ổn định.  Tích hợp truyền thông và điều khiển từ xa (nếu có) 18  Giao tiếp với hệ thống SCADA, IoT, mạng công nghiệp (Modbus, Ethernet, Profibus.  Cho phép giám sát và điều khiển qua máy tính, điện thoại hoặc trung tâm điều hành. b, Yêu cầu Để đảm bảo tủ điều khiển hoạt động hiệu quả và an toàn, thiết kế và chế tạo tủ cần đáp ứng các yêu cầu sau: An toàn điện Đảm bảo cách điện giữa các bộ phận mang điện và vỏ tủ.

Có thiết bị bảo vệ như cầu chì, CB, tiếp địa, chống rò điện. Tủ phải có khóa an toàn và chỉ cho phép người có trách nhiệm vận hành. Tính ổn định và độ tin cậy cao Hoạt động liên tục, chính xác trong thời gian dài. Chịu được dao động điện áp, nhiễu điện từ trong môi trường công nghiệp.

Bố trí thiết bị khoa học Gọn gàng, dễ dàng kiểm tra, thay thế thiết bị. Có sơ đồ đấu nối hoặc đánh nhãn rõ ràng cho dây và thiết bị. Khả năng mở rộng Dự phòng không gian cho việc lắp thêm thiết bị trong tương lai. Có khả năng cập nhật phần mềm điều khiển (nếu dùng PLC, HMI).

Đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật Tuân thủ các tiêu chuẩn như IEC, TCVN, UL, CE về điện và an toàn. Vỏ tủ đạt chuẩn IP phù hợp môi trường (IP54, IP65. Chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt (nếu cần) Vật liệu chống ăn mòn, chịu nhiệt, chống bụi/nước.  Lắp thêm quạt làm mát hoặc hệ thống điều hòa mini nếu nhiệt độ trong tủ cao.Khái quát về PLC 2.

Giới thiệu về PLC S7-1200 Cấu tạo Hình 2.2 Cấu tạo PLC S7-1200 PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động tiên tiến cùng với công nghệ điều khiển logic lập trình được xây dựng dựa trên nền tảng công nghệ thông tin, đặc biệt là sự tiến bộ trong lĩnh vực kỹ thuật máy tính. PLC (Programmable Logic Controller) xuất hiện từ khoảng cuối những năm 1960 và đầu thập niên 1970. Ban đầu, việc vận hành các thiết bị PLC đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức sâu rộng về điện tử và kỹ năng chuyên môn cao.

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ, PLC ngày nay đã trở nên phổ biến và dễ sử dụng hơn rất nhiều. PLC là một thiết bị điều khiển logic có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua việc lập trình, thay thế cho việc thiết kế các mạch điện tử cứng nhắc. Nhờ khả năng lập trình linh hoạt, PLC trở thành một bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi chương trình và thuận tiện trong việc trao đổi dữ liệu với các thiết bị bên ngoài như máy tính hay các bộ PLC khác. Để hoạt động như một thiết bị điều khiển hiệu quả, PLC cần phải có cấu trúc tương tự như một chiếc máy tính nhỏ, bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ dùng để lưu chương trình và dữ liệu, cùng các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.

Ngoài ra, để phục vụ cho các ứng dụng điều khiển số, PLC còn được trang bị các chức năng hỗ trợ như bộ đếm thời gian (Timer), bộ đếm sự kiện (Counter) và nhiều hàm chức năng chuyên biệt khác. 20 Mặc dù có nhiều điểm tương đồng với máy tính cá nhân, PLC được thiết kế đặc biệt để phục vụ cho các nhiệm vụ điều khiển trong môi trường công nghiệp. Khác với máy tính tối ưu cho các hoạt động xử lý số liệu và hiển thị, PLC được phát triển để chịu được môi trường công nghiệp khắc nghiệt, hoạt động liên tục với độ tin cậy cao và tính ổn định trong các quy trình tự động hóa. - Để chịu được các rung động, nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và tiếng ồn.

- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra. - PLC được lập trình một cách đơn giản với ngôn ngữ dễ hiểu, tập trung chủ yếu vào việc xử lý các phép toán logic và điều khiển chuyển mạch. Về cơ bản, chức năng của bộ điều khiển logic lập trình không khác nhiều so với các bộ điều khiển truyền thống dựa trên rơle, công tắc tơ hoặc các khối điện tử. Cụ thể, nó thực hiện các nhiệm vụ chính sau:  Thu nhận và xử lý các tín hiệu đầu vào cũng như các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến.

 Kết nối và xử lý các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển, từ đó điều khiển việc đóng hoặc mở các mạch điện phù hợp với quy trình công nghệ.  Thực hiện các phép tính và tạo ra các lệnh điều khiển để gửi đến các thiết bị hoặc vị trí tương ứng trong hệ thống. Hệ thống này em dùng PLC S71200 để thực hiện với những ưu điểm về độ tin cậy, tốc độ xử lý và tín hiệu vào ra đáp ứng được cho hệ thống này. Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho chúng ta tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.3 Module tín hiệu 21 Bảng 2.1 Các module CPU S7-1200 Bảng 2.2 Chức năng 22 Phần mềm lập trình PLC S7-1200 Năm 2009, Siemens đã giới thiệu phần mềm TIA Portal V10.5 tích hợp ba phần mềm như SIMATIC STEP7, SIMATIC WINCC, START DRIVE.

Từ năm 2010 đến nay hãng Siemens không ngừng cải thiện và nâng cấp phần TIA Portal V10.5 lên tới TIA Portal V17 đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng nó.4 Phần mềm TIA Portal V17 Phần mềm STEP 7 là phần mềm chuyên dụng lập trình cho PLC S7-1200, S7- 1500, S7-300, S7-400. Phần mềm WINCC của Siemens là một công cụ chuyên dụng được thiết kế để tạo ra giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface). Ngoài ra, WINCC còn hỗ trợ xử lý và lưu trữ dữ liệu trong các hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), chuyên dùng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Tùy theo chức năng sử dụng mà người dung có thể chọn các gói khác nhau của WinCC.

Các mẫu cơ bản của WinCC được chia làm hai loại như sau: 23  WinCC Runtime Package (RT): Đây là gói phần mềm cung cấp các chức năng cần thiết để vận hành các ứng dụng WinCC, bao gồm hiển thị giao diện, điều khiển hệ thống, thông báo trạng thái, giám sát các giá trị điều khiển và tạo báo cáo.  WinCC Complete Package (RC): Gói này bao gồm cả bản quyền để phát triển hệ thống cũng như bản quyền để vận hành và chạy các ứng dụng WinCC. Phần mềm PLCSIM dùng để sử dụng chức năng giả lập cho CPU có firmware V4. Chương trình chạy trên PLCSIM nhưng khi tải xuống PLC thật có thể không chạy vì nhiều nguyên nhân: Tốc độ scan của CPU S7-1500, giải thuật lỗi thực tế…Do đó chỉ nên sử dụng PLCSIM với những chương trình về bit logic, timer, counter, giải thuật ON/OFF.

Ngôn ngữ lập trình PLC S7-1200 Bộ điều khiển PLC S7-1200 của Siemens đã phát triển và có ưu tiên hỗ trợ cho ba kiểu ngôn ngữ của lập trình là LAD, FBD, SCL. Tổng quan về khối hàm PID_Compact trong TIA Portal Để đáp ứng được và các điều kiện đặt ra khi thiết kế một hàm PID dùng cho PLC -1200 nhóm đã sử dụng hàm PID_Compact đã được xây dựng trong phần mềm TIA Portal phần mềm dùng để lập trình và kết nối điều khiển PLC S7_1200.5 Khối hàm PID _Compact Khối hàm PID-Compact có chức năng cung cấp một bộ điều khiển PID với khả năng tự điều chỉnh cho chế độ tự động hoặc bằng tay tùy theo nhu cầu sử dụng.