Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nền công nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất, tối ưu hóa quy trình vận hành và giải phóng sức lao động thủ công của con người. Tại các quốc gia công nghiệp phát triển, máy móc và các dây chuyền tự động đã thay thế phần lớn các công đoạn thao tác bằng tay; đội ngũ công nhân trực tiếp được chuyển đổi thành các kỹ sư, kỹ thuật viên có trình độ chuyên môn cao làm nhiệm vụ giám sát và điều khiển dây chuyền thông qua giao diện máy tính hoặc màn hình tương tác người - máy (HMI). Việc ứng dụng HMI kết hợp cùng bộ điều khiển lập trình logic (PLC) giúp người vận hành có cái nhìn trực quan, tổng quát và chính xác về toàn bộ trạng thái hoạt động của hệ thống sản xuất theo thời gian thực.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của ngành Điều khiển và Tự động hóa cũng như định hướng đào tạo gắn liền lý thuyết với thực nghiệm kỹ thuật, đề tài khóa luận "Chiết rót và đóng nắp chai" (sử dụng bộ điều khiển Simatic S7-1200) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Công nghệ Điện – Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh (năm 2019) dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Trung Thư.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế, gia công và lắp ráp mô hình phần cứng dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai hoàn chỉnh trên khung đế ván gỗ kích thước $600 \times 1200\text{ mm}$.
  2. Xây dựng các cụm cơ cấu chức năng cơ bản của một dây chuyền tự động hóa: 02 bộ băng tải vận chuyển chai, bộ phận gắp chai, bộ phận chiết rót (dạng mô phỏng giả định), bộ phận gá cấp nắp chai, bộ phận vặn nắp chai, cơ cấu phát hiện chai lỗi (không nắp), cơ cấu đẩy chai lỗi/chai thành phẩm và kho lưu trữ dạng băng tải con lăn.
  3. Tích hợp hệ thống điều khiển trung tâm bằng PLC Simatic S7-1200 cùng module mở rộng số/tương tự; thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực, cụm van điện từ và các cơ cấu chấp hành khí nén.
  4. Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát HMI (trên phần mềm WinCC và màn hình HMI cảm ứng) hỗ trợ đầy đủ các chế độ vận hành: Tự động (AUTO), Bằng tay (MANUAL) và Cảnh báo sự cố (ALAMP).
  5. Nghiên cứu, lập trình và kiểm nghiệm nhiều thuật toán điều khiển khác nhau cho dây chuyền: điều khiển theo cảm biến và timer định thời, điều khiển theo bộ đếm sản phẩm (Counter), điều khiển vị trí chính xác bằng bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder / High-Speed Counter) và xử lý tín hiệu tương tự (Analog) cho các đại lượng đo lường.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình dây chuyền tự động hóa công đoạn chiết rót và hoàn thiện nắp chai phục vụ học tập, nghiên cứu; phạm vi thực hiện giới hạn ở mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Công nghệ Điện, Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết cốt lõi về điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật truyền động điện - khí nén:

  • Bộ điều khiển lập trình logic PLC Simatic S7-1200 (Siemens): Dòng PLC thay thế cho thế hệ tiền nhiệm S7-200, tích hợp sẵn cổng truyền thông PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, cấu trúc module linh hoạt (bao gồm Communication Module - CM, Signal Board - SB, Signal Module - SM), khả năng bảo mật chương trình và tập lệnh điều khiển logic mạnh mẽ.
  • Kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự (Analog): Nguyên lý chuyển đổi đại lượng vật lý từ cảm biến (áp suất, mức, khối lượng, nhiệt độ...) qua bộ chuyển đổi ADC thành tín hiệu điện chuẩn ($0-10\text{V}$ hoặc $4-20\text{mA}$). Trong PLC S7-1200, giá trị số nguyên chuyển đổi tương ứng nằm trong dải từ $0$ đến $27648$, được chuẩn hóa và tỷ lệ hóa thông qua hai khối hàm toán học chuyên dụng là NORM_X (chuẩn hóa về dải $[0.0, 1.0]$) và SCALE_X (tỷ lệ hóa sang dải giá trị vật lý thực tế).
  • Cảm biến công nghiệp: Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện (cấu tạo gồm bộ phát xung ánh sáng, bộ thu tranzito quang/phototransistor và mạch khuếch đại xuất tín hiệu bán dẫn PNP/NPN có thời gian đáp ứng khoảng $1\text{ ms}$); cảm biến đo lực Loadcell (dạng nén và dạng kéo); và bộ mã hóa xung vòng quay Encoder nhằm đo vận tốc góc và vị trí dịch chuyển của băng tải.
  • Hệ thống truyền động khí nén: Nguyên lý biến đổi thế năng khí nén thành cơ năng chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay thông qua các dạng xilanh khí nén tác động đơn, xilanh tác động kép, xilanh trượt, xilanh xoay cùng hệ thống van điện từ điều khiển hướng dòng khí ($3/2$, $5/2$).
  • Giao diện giám sát người - máy (HMI & SCADA): Nền tảng WinCC (Windows Control Center) và màn hình tương tác HMI Weintek, cung cấp công cụ thu thập dữ liệu, cảnh báo lỗi, trực quan hóa tiến trình công nghệ và cho phép can thiệp chế độ vận hành từ xa.

Phương pháp nghiên cứu

Khóa luận áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thiết kế kỹ thuật thực nghiệm và phát triển thuật toán lập trình hệ thống:

  1. Phương pháp thiết kế phần cứng: Tính toán cơ khí, bố trí không gian lắp đặt các trạm chức năng trên mặt sàn kích thước $600 \times 1200\text{ mm}$, thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu dây nguồn điện $24\text{V DC}$, khí cụ đóng cắt bảo vệ (Circuit Breaker, Contactor, Rơle trung gian), van khí nén và sơ đồ I/O của PLC.
  2. Phương pháp thiết kế giao diện: Xây dựng giao diện đồ họa HMI đa tầng (Main, Auto, Manual, Alamp) kết nối truyền thông đồng bộ thông qua địa chỉ IP của giao thức Industrial Ethernet / PROFINET.
  3. Phương pháp lập trình và thử nghiệm điều khiển theo mô-đun: Xây dựng các chương trình điều khiển độc lập theo 4 phương thức công nghệ trên môi trường TIA Portal V14:
    • Điều khiển bằng tín hiệu cảm biến quang kết hợp Timer định thời (TON).
    • Điều khiển định lượng theo số lượng sản phẩm bằng bộ đếm Counter đếm lên (CTU).
    • Điều khiển định vị trí chính xác bằng đọc xung tốc độ cao từ Encoder thông qua khối hàm công nghệ CTRL_HSC.
    • Điều khiển đo lường và hiển thị thông số thông qua hàm xử lý tín hiệu Analog (NORM_X, SCALE_X).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Cấu hình thiết bị và thông số kỹ thuật phần cứng

Hệ thống được xây dựng trên kết cấu khung nhôm định hình và đế gỗ kỹ thuật với các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn:

Thành phần thiết bị Mã hiệu / Model Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm PLC Simatic S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã: 6ES7 214-1AG31-0XB0) Nguồn cấp: $20.8 - 24\text{V DC}$; Bộ nhớ chương trình: $100\text{ KB}$; Tích hợp 2 ngõ vào Analog ($0-10\text{V}$), cổng PROFINET Xử lý trung tâm, điều khiển logic toàn bộ chu trình chiết rót, đóng nắp và phân loại.
Module mở rộng số SM 1223 DC/RLY (Mã: 223-1PH32-0XB0) 08 ngõ vào số $24\text{V DC}$, 08 ngõ ra Transistor / Relay Mở rộng số lượng điểm vào/ra số kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành.
Động cơ băng tải (02 bộ) 38gf3630-135-2469 Điện áp: $24\text{V DC}$; Tốc độ: $55\text{ RPM}$; Momen xoắn: $15\text{ kg.cm}$; Kích thước hộp số: $38 \times 64.4 \times 12\text{ mm}$; Trục $6\text{ mm}$ Kéo băng tải cấp phôi chai và băng tải vận chuyển chai thành phẩm.
Màn hình giao diện HMI HMI Weintek Màn hình cảm ứng màu, tích hợp CPU, ROM, RAM, Flash, cổng giao tiếp Ethernet/RS485 Giám sát trạng thái thiết bị, thao tác điều khiển Manual/Auto, hiển thị cảnh báo.
Cơ cấu chấp hành khí nén Xilanh đơn, kép, xoay, trượt; Van khí nén Áp suất hoạt động khí nén công nghiệp tiêu chuẩn Thực hiện kẹp, gắp phôi chai, nâng hạ vòi rót, cấp nắp, vặn nắp và đẩy phân loại.
Cảm biến và đo lường Cảm biến quang, Loadcell, Encoder Ngõ ra bán dẫn NPN/PNP; Dải Analog chuẩn $0-10\text{V}$ / $4-20\text{mA}$ Nhận biết vị trí chai trên băng tải, đo lường khối lượng và đếm xung tốc độ cao.

Kiến trúc các trạm chức năng trên mô hình

Mô hình hoàn thiện bao gồm 8 cụm chức năng liên kết liên tục:

  1. Băng tải vận chuyển chai (02 bộ): Dẫn động bằng động cơ giảm tốc $24\text{V DC}$ ($55\text{ RPM}$, momen $15\text{ kg.cm}$), thực hiện cấp phôi chai rỗng vào dây chuyền và đưa chai sau đóng nắp về trạm kiểm tra.
  2. Bộ phận gắp chai: Sử dụng cơ cấu kẹp kết hợp xilanh trượt và xilanh nâng hạ khí nén để chuyển chai từ trạm cấp sang trạm chiết rót.
  3. Bộ phận chiết rót (giả định): Cơ cấu hạ vòi rót định vị chính xác miệng chai, kích hoạt chu trình bơm dung dịch theo thời gian định trước hoặc mức thể tích định lượng.
  4. Bộ phận gá cấp nắp chai: Lưu trữ nắp chai dạng ống đứng và thả nắp khớp chính xác vào miệng chai sau khi hoàn thành chiết rót.
  5. Bộ phận vặn nắp chai: Cụm động cơ xoay kết hợp xilanh ép trục dọc tạo lực siết kín nắp vào ren miệng chai.
  6. Bộ phận phát hiện chai lỗi: Cảm biến quang kiểm tra sự hiện diện của nắp chai trên thân chai sau khi qua trạm vặn nắp.
  7. Bộ phận đẩy chai: Xilanh khí nén gạt/đẩy các chai không đạt tiêu chuẩn nắp ra khỏi nhánh chính hoặc đẩy chai đạt chuẩn sang khu vực tập kết.
  8. Kho lưu trữ: Băng tải con lăn nghiêng tự do, tiếp nhận và tích lũy các chai thành phẩm hoàn thiện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan thiết bị

Chương này tổng quan hóa toàn bộ phần cứng trong hệ thống tự động hóa. Tác giả trình bày lịch sử phát triển của dòng PLC S7-1200 ra đời từ năm 2009 nhằm thay thế dòng S7-200; phân tích cấu trúc phần cứng CPU S7-1200 (các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C), các cổng I/O Onboard, giao tiếp truyền thông PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Chương 1 làm rõ các module mở rộng tín hiệu (SM, SB, CM), các đặc tính chuyển đổi tín hiệu Analog ngõ vào (ADC) và ngõ ra (DAC) qua các lệnh đọc/ghi giá trị vùng nhớ tương ứng dải số nguyên $0 - 27648$. Ngoài ra, chương tài liệu giới thiệu chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc của màn hình HMI Weintek, cảm biến quang điện (bộ phát, bộ thu tranzito quang, mạch logic bán dẫn PNP/NPN có thời gian đáp ứng $1\text{ ms}$), các loại xilanh khí nén (xilanh đơn, xilanh kép, xilanh trượt, xilanh xoay), cảm biến đo lực Loadcell (chịu nén, chịu kéo) và bộ mã hóa vị trí vòng quay Encoder.

Chương 2: Cấu trúc mô hình chiết rót và đóng nắp chai

Chương 2 mô tả chi tiết giải pháp kết cấu cơ khí và sơ đồ mạch điện của mô hình thực nghiệm. Bố cục thiết bị được định vị trên mặt đế gỗ $600 \times 1200\text{ mm}$ với bản vẽ bố trí tổng thể nhìn từ trên cao xuống. Nội dung chương trình bày chi tiết các sơ đồ đấu dây:

  • Sơ đồ mạch phân phối nguồn điện một chiều $24\text{V DC}$.
  • Sơ đồ kết nối khí cụ đóng cắt bảo vệ gồm Circuit Breaker, Contactor, Rơle trung gian cách ly điều khiển.
  • Sơ đồ điều khiển cụm van khí nén và sơ đồ đấu nối I/O trực tiếp vào PLC CPU 1214C, module mở rộng SM 1223 DC/RLY qua hàng cầu đấu termino.
  • Thiết kế chi tiết từng trạm cơ khí: cụm 02 băng tải, cụm động cơ giảm tốc $24\text{V}$ ($55\text{ RPM}$, Momen $15\text{ kg.cm}$), cơ cấu tay gắp chai khí nén, trạm vòi chiết rót, trạm cấp gá nắp, trạm động cơ vặn nắp và kho chứa con lăn.

Chương 3: Các phần mềm ứng dụng

Chương 3 tập trung vào quy trình vận hành và khai thác hai môi trường phần mềm công nghiệp chính:

  1. Phần mềm TIA Portal V14 (Totally Integrated Automation Portal): Trình bày các bước khởi tạo một dự án mới (Create new project), cấu hình phần cứng trạm PLC CPU 1214C (Mã: 6ES7 214-1AG31-0XB0), thiết lập địa chỉ IP mạng công nghiệp cho cổng RJ45 của PLC đồng bộ với card mạng máy tính (PN/IE interface), quy trình biên dịch và đổ chương trình cấu hình xuống CPU thông qua khối hàm tổ chức Main [OB1]. Chương này đồng thời tổng hợp danh mục tập lệnh điều khiển cơ bản trên S7-1200:
    • Tập lệnh xử lý bit: Tiếp điểm thường hở, tiếp điểm thường đóng, lệnh gán ngõ ra (OUT, OUT NOT), lệnh đặt/xóa bit nhớ (SET, RESET).
    • Tập lệnh định thời và đếm: Timer trễ không nhớ TON, Counter đếm lên CTU.
    • Tập lệnh so sánh và toán học: So sánh bằng (==), khác (<>), lớn hơn/nhỏ hơn (>, <, >=, <=), các lệnh số học cộng (ADD), trừ (SUB), nhân (MUL), chia (DIV) trên các kiểu dữ liệu Int, DInt, Real.
    • Tập lệnh chuyển dữ liệu: Lệnh sao chép vùng nhớ MOVE kèm các chân điều khiển EN và ENO.
  2. Phần mềm WinCC Advanced Basic V14: Giới thiệu kiến trúc SCADA/HMI, các bước tạo tệp giao diện người - máy, cấu hình liên kết truyền thông (Industrial Ethernet - IE) giữa PLC và WinCC để đọc/ghi thẻ nhớ (Tag).

Chương 4: Thiết kế giao diện HMI

Chương này hướng dẫn phương pháp xây dựng giao diện vận hành trực quan trên phần mềm Utility/EasyBuilder cho màn hình cảm ứng HMI Weintek và mô phỏng trên máy tính:

  • Khởi tạo tệp dự án, lựa chọn đúng mã màn hình HMI và chế độ hiển thị.
  • Thiết lập địa chỉ IP kết nối truyền thông Ethernet đồng bộ với trạm PLC S7-1200, nạp bảng biến (Tag table) từ dự án TIA Portal V14 vào phần mềm thiết kế giao diện.
  • Thiết kế hệ thống màn hình giám sát chuyên biệt:
    • Màn hình MAIN: Giao diện trung tâm điều hướng và hiển thị trạng thái tổng thể.
    • Màn hình AUTO: Giám sát tiến trình vận hành tự động theo chu trình khép kín.
    • Màn hình MANUAL: Cung cấp các nút bấm ảo điều khiển độc lập từng cơ cấu chấp hành (bật/tắt băng tải BT1, BT2, kích hoạt xilanh gắp, đóng mở van vòi rót, chạy động cơ vặn nắp).
    • Màn hình ALAMP: Hiển thị đèn chỉ thị cảnh báo trạng thái hoạt động và các lỗi sự cố (như lỗi chai không nắp, đèn báo kích hoạt băng tải BT1, BT2).
  • Quy trình biên dịch, mô phỏng thử nghiệm trên máy tính và tải chương trình điều khiển xuống bộ nhớ màn hình HMI thực tế.

Chương 5: Điều khiển bằng xử lý tín hiệu cảm biến và Timer

Chương 5 hiện thực hóa phương pháp điều khiển trình tự theo trạng thái logic của cảm biến quang và thời gian trễ Timer:

  • Cấu hình phần cứng hoàn chỉnh cho trạm PLC kết hợp module mở rộng tín hiệu SM 1223 DC/RLY; phân bổ dải địa chỉ IP cho thiết bị mạng.
  • Thiết lập bảng phân công địa chỉ biến vào/ra (I/O Tag) cho toàn bộ cảm biến hành trình, cảm biến nhận diện chai và ngõ ra kích rơle/van khí nén.
  • Viết thuật toán điều khiển chu trình: Băng tải 1 kéo chai tới vị trí cảm biến $\rightarrow$ Cảm biến phát hiện kích hoạt dừng băng tải $\rightarrow$ Tay gắp khí nén chuyển chai sang vị trí chiết $\rightarrow$ Timer TON đếm thời gian chiết rót dung dịch $\rightarrow$ Chuyển chai qua trạm cấp và vặn nắp $\rightarrow$ Kiểm tra cảm biến nắp và kích hoạt xilanh phân loại/đẩy chai về kho chứa.

Chương 6: Điều khiển bằng Timer, Counter

Nội dung chương 6 mở rộng phương pháp điều khiển định lượng thông qua khối đếm xung CTU (Up-Counter):

  • Xây dựng bảng địa chỉ các biến chương trình liên quan đến bộ đếm sản phẩm.
  • Khai báo tham số khối CTU: Chân đếm CU kết nối tín hiệu cảm biến phát hiện chai, chân đặt giá trị đếm PV, chân xóa đếm R (Reset) và chân ngõ ra Q tác động khi giá trị tức thời CV đạt mức PV.
  • Lập trình quản lý chu trình đóng gói theo lô: Tự động đếm đủ số lượng chai quy định trên băng tải, kích hoạt cảnh báo hoàn thành hoặc tạm dừng hệ thống để xử lý lô thành phẩm trước khi bắt đầu chu kỳ mới.

Chương 7: Điều khiển bằng Encoder

Chương 7 ứng dụng kỹ thuật điều khiển chuyển động chính xác thông qua bộ đếm xung tốc độ cao:

  • Cấu hình phần cứng bộ đếm tốc độ cao tích hợp sẵn trên CPU S7-1200 (High-Speed Counter - HSC).
  • Lập bảng định danh các vùng nhớ và biến điều khiển liên quan đến Encoder.
  • Khởi tạo và sử dụng khối hàm công nghệ CTRL_HSC trong chương trình TIA Portal: đọc xung lệch pha từ Encoder gắn trên trục truyền động băng tải để đo chính xác quãng đường di chuyển của chai nước, phục vụ việc dừng định vị chính xác vị trí rót và vặn nắp mà không phụ thuộc hoàn toàn vào cảm biến quang độc lập.

Chương 8: Điều khiển bằng xử lý tín hiệu Analog

Chương 8 triển khai thuật toán đọc, xử lý và giám sát các biến số liên tục:

  • Cấu hình kênh đầu vào Analog tích hợp trên CPU 1214C ($0 - 10\text{V DC}$) hoặc gắn thêm qua module tín hiệu.
  • Thiết lập bảng địa chỉ vùng nhớ ngõ vào Analog (IW...) và ngõ ra dữ liệu đã xử lý.
  • Xây dựng mạng lệnh kết hợp 2 khối hàm chuẩn hóa:
    • Khối hàm NORM_X: Chuyển đổi giá trị số nguyên thô từ kênh Analog ($0 - 27648$) thành giá trị số thực chuẩn hóa trong đoạn $[0.0, 1.0]$.
    • Khối hàm SCALE_X: Chuyển đổi giá trị tỷ lệ chuẩn hóa $[0.0, 1.0]$ sang thang đo kỹ thuật của đại lượng vật lý thực tế (như khối lượng từ Loadcell hoặc áp suất/lưu lượng chiết rót).
  • Đưa kết quả tính toán hiển thị trực tiếp lên giao diện giám sát HMI và xử lý điều khiển ngưỡng liên động ngắt vòi rót khi đạt dung tích cài đặt.

Chương 9: Kết luận

Chương kết luận tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo mô hình và thử nghiệm điều khiển; phân tích các điểm hạn chế về mặt phần cứng/môi trường công nghiệp và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Xây dựng thành công hệ thống mô hình chiết rót và đóng nắp chai nhỏ gọn trên đế gỗ kỹ thuật kích thước $600 \times 1200\text{ mm}$, kết hợp hài hòa giữa hệ truyền động băng tải điện $24\text{V DC}$ (động cơ $55\text{ RPM}$, Momen xoắn $15\text{ kg.cm}$) và hệ thống cơ cấu chấp hành khí nén đa dạng (xilanh đơn, xilanh kép, xilanh xoay, xilanh trượt).
  • Tích hợp hệ thống điều khiển PLC & HMI:
    • Đấu nối và cấu hình thành công PLC Simatic S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (Mã 6ES7 214-1AG31-0XB0) kết hợp module mở rộng SM 1223 DC/RLY (Mã 223-1PH32-0XB0).
    • Thiết kế giao diện HMI trực quan đa màn hình (Main, Auto, Manual, Alamp) trên HMI Weintek và máy tính qua WinCC, hỗ trợ điều khiển thao tác bằng tay (bật/tắt BT1, BT2 độc lập) và vận hành tự động theo chu trình kín.
  • Thực hiện đa dạng hóa các giải pháp thuật toán: Xây dựng, biên dịch và nạp thành công 4 chương trình điều khiển chuyên biệt trên TIA Portal V14:
    1. Điều khiển logic tuần tự theo cảm biến quang và timer TON.
    2. Điều khiển đếm và phân loại lô sản phẩm bằng khối CTU.
    3. Đọc xung tốc độ cao từ Encoder định vị trí chuyển động bằng khối công nghệ CTRL_HSC.
    4. Chuẩn hóa dải đo Analog từ $0 - 27648$ sang giá trị kỹ thuật thực tế bằng cặp khối hàm NORM_X và SCALE_X.
  • Hệ thống khi vận hành thực nghiệm hoạt động ổn định, đúng quy trình công nghệ và mục tiêu thiết kế ban đầu.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp mô hình học cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy, thực hành và nghiên cứu chuyên sâu về tích hợp hệ thống tự động hóa công nghiệp (kết hợp đồng thời PLC S7-1200, HMI cảm ứng, khí nén, cảm biến số/analog và encoder).
  • Tài liệu hóa chi tiết từng bước tạo dự án, thiết lập địa chỉ IP mạng công nghiệp PROFINET/Ethernet, quy trình cấu hình phần cứng, cách lập trình các khối hàm chuyên biệt (OB1, CTU, CTRL_HSC, NORM_X, SCALE_X) trên TIA Portal V14 và liên kết dữ liệu với giao diện HMI WinCC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  1. Quy mô mô hình thử nghiệm: Đề tài chỉ dừng lại ở quy mô mô phỏng hoạt động của một hệ thống nhỏ trong phòng thí nghiệm trên đế ván gỗ $600 \times 1200\text{ mm}$, chưa thể bám sát hoàn toàn các điều kiện khắc nghiệt của dây chuyền công nghiệp thực tế (như công suất lớn, tốc độ chiết rót cao, rung lắc cơ khí lớn).
  2. Công đoạn chiết rót giả định: Bộ phận chiết rót trên mô hình được thiết kế dưới dạng cơ cấu mô phỏng chuyển động giả định, chưa tích hợp hệ thống đường ống dẫn chất lỏng, van tiết lưu áp lực thực tế và bồn chứa dung dịch chuyên dụng.

Hướng nghiên cứu tiếp (Hướng phát triển)

  • Nâng cấp mô hình cơ khí từ kết cấu đế gỗ sang khung kim loại/inox công nghiệp chịu lực để tăng độ bền cơ học và tính thẩm mỹ.
  • Lắp đặt hệ thống bơm thực tế, van tiết lưu điện từ chuyên dụng và bồn chứa chất lỏng để thực hiện chu trình chiết rót thực tế với các loại dung dịch có độ nhớt khác nhau.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo mức chất lỏng liên tục, cảm biến thị giác (Camera Machine Vision) để nhận dạng và kiểm tra khuyết tật vỏ chai/nắp chai ở mức độ tinh vi hơn.
  • Mở rộng mạng truyền thông công nghiệp (kết nối Scada cấp nhà máy, tích hợp giao thức OPC/MES) để quản lý, giám sát và lưu trữ cơ sở dữ liệu sản xuất từ xa qua mạng diện rộng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện - Điện tử, Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong các học phần Thực tập Tự động hóa, Điều khiển Khí nén, Lập trình PLC nâng cao, và Thiết kế hệ thống SCADA/HMI.
  • Người thực hiện đồ án, khóa luận tốt nghiệp tương tự: Nắm bắt quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ khâu lên sơ đồ nguyên lý đấu dây nguồn $24\text{V DC}$, lựa chọn thiết bị đóng cắt (CB, Contactor, Rơle), bố trí layout cơ khí, cấu hình địa chỉ IP mạng PROFINET, đến kỹ thuật lập trình các khối hàm công nghệ (CTRL_HSC, NORM_X, SCALE_X) trên TIA Portal V14.
  • Kỹ thuật viên bảo trì hệ thống: Tham khảo sơ đồ nguyên lý ghép nối I/O giữa PLC S7-1200, module mở rộng SM 1223 với các thiết bị ngoại vi bán dẫn (cảm biến quang NPN/PNP, van khí nén, động cơ DC).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng dòng CPU PLC nào và có cấu hình bộ nhớ, cổng giao tiếp ra sao?

Khóa luận sử dụng PLC Siemens Simatic S7-1200 với mã CPU 1214C DC/DC/DC (Mã đặt hàng: 6ES7 214-1AG31-0XB0). CPU sử dụng nguồn cấp $20.8 - 24\text{V DC}$, có bộ nhớ chương trình $100\text{ KB}$, tích hợp sẵn 2 kênh ngõ vào Analog ($0-10\text{V}$) và cổng giao tiếp mạng công nghiệp PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

2. Module mở rộng số được sử dụng trong mô hình là loại nào và có thông số I/O ra sao?

Hệ thống sử dụng module mở rộng số PLC S7-1200 Digital SM 1223 DC/RLY (Mã hiệu: 223-1PH32-0XB0), cung cấp 8 ngõ vào số $24\text{V DC}$ và 8 ngõ ra số $24\text{V DC}$ dạng Transistor / Relay.

3. Động cơ dẫn động băng tải có các thông số kỹ thuật chi tiết như thế nào?

Cụm 02 băng tải của hệ thống được dẫn động bởi động cơ một chiều Model 38gf3630-135-2469 với điện áp hoạt động $24\text{V DC}$, tốc độ quay định mức $55\text{ RPM}$, momen xoắn $15\text{ kg.cm}$, hộp số kích thước $38 \times 64.4 \times 12\text{ mm}$, đường kính trục $6\text{ mm}$, chiều dài động cơ $30\text{ mm}$ và có tích hợp tính năng bảo vệ chống cháy nổ.

4. Tín hiệu Analog được xử lý trong PLC S7-1200 theo dải giá trị nào và dùng các khối hàm gì trong TIA Portal?

Tín hiệu ngõ vào/ra Analog chuẩn ($0-10\text{V}$ hoặc $4-20\text{mA}$) được khối ADC/DAC của PLC chuyển đổi tương ứng sang dải số nguyên từ $0$ đến $27648$. Trong phần mềm TIA Portal, việc xử lý và quy đổi đại lượng được thực hiện thông qua hai khối hàm: NORM_X (chuẩn hóa giá trị đo về dải $[0.0, 1.0]$) và SCALE_X (tỷ lệ hóa giá trị từ dải $[0.0, 1.0]$ sang giá trị vật lý thực tế).

5. Giao diện HMI được thiết kế gồm những màn hình chức năng nào?

Giao diện điều khiển và giám sát HMI bao gồm 4 màn hình chính: Màn hình MAIN (tổng thể), Màn hình AUTO (vận hành tự động theo chu trình), Màn hình MANUAL (điều khiển tay độc lập từng thiết bị như các nút nhấn bật/tắt BT1, BT2) và Màn hình ALAMP (hiển thị đèn chỉ thị và thông tin cảnh báo lỗi thiết bị/chai không nắp).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Chiết rót và đóng nắp chai" của nhóm tác giả Khoa Công nghệ Điện – Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình dây chuyền tự động hóa quy mô nhỏ trên đế ván gỗ $600 \times 1200\text{ mm}$. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, module mở rộng SM 1223, màn hình HMI cảm ứng, cơ cấu truyền động khí nén và hệ thống cảm biến quang - encoder - analog, đề tài đã đáp ứng chính xác các yêu cầu công nghệ đặt ra. Tài liệu cung cấp bản mô tả kỹ thuật toàn diện, từ cấu trúc cơ - điện, sơ đồ nguyên lý đấu dây đến các phương thức lập trình trên nền TIA Portal V14 và WinCC, đóng vai trò là học cụ thực nghiệm hữu ích cho sinh viên và kỹ thuật viên chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa.