Đồ án: Ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động

Điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động với PLC S7-1200. Tìm hiểu giải pháp tự động hóa quy trình sản xuất, tăng năng suất và giảm chi phí.

• Tác giả: Hồ Thị Trúc Linh
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Khánh Thoại
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA ĐẠI DIỆN DOANH NGHIỆP
• NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
• TÓM TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT ĐÓNG NẮP TỰ ĐỘNG
• 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống
• 1.2. Phân loại máy chiết rót
• 1.2.1. Máy chiết rót bơm bằng bánh răng
• 1.2.2. Máy chiết rót bơm bằng piston
• 1.2.3. Máy chiết rót bằng bơm trục vít
• 1.2.4. Máy chiết rót bằng lưu lượng kế
• 1.2.5. Máy chiết rót kiểu đối lưu
• 1.2.6. Máy chiết rót kiểu đối lưu
• 1.3. Phân loại hệ chiết rót
• 1.3.1. Chiếc rót hệ mâm xoay
• 1.3.2. Chiếc rót hệ tuần tự
• 1.4. Chức năng chính của hệ thống
• 1.5. Các ứng dụng thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Giới thiệu PLC
• 2.2. Khái quát chung về PLC
• 2.3. Cấu trúc chung của PLC
• 2.4. Nguyên lý hoạt động
• 2.5. Ưu điểm và nhược điểm
• 2.6. Ứng dụng của PLC
• 2.7. PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC
• 2.8. Giới thiệu hệ SCADA
• 2.9. Cấu tạo của hệ SCADA
• 2.10. Giới thiệu phần mềm TIA Portal
• 2.11. Ưu, nhược điểm của phần mềm
• 2.12. Các bước tạo một file project
• 2.13. Truyền thông giữa máy tính và PLC
• 3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG
• 3.1. Nguồn tổ ong
• 3.2. Thông số kỹ thuật
• 3.3. Sơ đồ đi dây nguồn tổ ong 24V-5A
• 3.4. Động cơ điện một chiều
• 3.5. Nguyên lý hoạt động
• 3.6. Pittong xy lanh
• 3.7. Nguyên lý hoạt động
• 3.8. Thông số kỹ thuật
• 3.9. Van đảo chiều khí nén
• 3.10. Nguyên lý hoạt động
• 3.11. Thông số kỹ thuật
• 3.12. Cảm biến khoảng cách
• 3.13. Thông số kỹ thuật
• 3.14. Cảm biến tiệm cận
• 3.15. Thông số kỹ thuật
• 3.16. Role trung gian
• 3.17. Nguyên lý hoạt động
• 3.18. Thông số kỹ thuật
• 3.19. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
• 3.20. Băng chuyền sản phẩm
• 3.21. Giới thiệu chung
• 4. CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.1. Quy trình công nghệ
• 4.2. Yêu cầu chính của hệ thống
• 4.3. Các chức năng chính của hệ thống
• 4.4. Sơ đồ nối dây PLC
• 4.5. Sơ đồ nối dây PLC
• 4.6. Bảng phân công đầu vào ra
• 4.7. Đầu vào input
• 4.8. Đầu ra output
• 4.9. Giản đồ thời gian
• 4.10. Lưu đồ chung của toàn hệ thống
• 4.11. Chương trình con chế độ bằng tay
• 4.12. Chương trình con chế độ vận hành tự động
• 4.13. Thiết kế giao diện WinCC
• 4.14. Tạo màn hình mới cho HMI
• 4.15. Giao diện của hệ thống điều khiển chiết rót đóng nắp tự động trên WinCC
• 4.16. Bảng điều khiển của hệ thống
• 4.17. Thi công mô hình thực tế
• 4.18. Kết quả đạt được
• 4.19. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống chiết rót đóng nắp tự động PLC S7 1200

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, việc ứng dụng công nghệ tự động vào sản xuất là yếu tố then chốt để nâng cao năng lực cạnh tranh. Hệ thống chiết rót, đóng nắp tự động là một phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa mỹ phẩm. Giải pháp điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động PLC S7-1200 nổi lên như một lựa chọn tối ưu, kết hợp giữa hiệu suất cao, độ chính xác và chi phí hợp lý. Đề tài nghiên cứu "Ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động" của nhóm sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) của Siemens, cụ thể là dòng S7-1200, để tự động hóa hoàn toàn quy trình từ khâu nhận chai, chiết rót dung dịch, cấp nắp, vặn nắp cho đến khi đưa sản phẩm hoàn chỉnh ra băng tải. Việc tích hợp PLC S7-1200 không chỉ giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, hạn chế sai sót mà còn tăng năng suất lao động một cách đáng kể. Hệ thống có thể vận hành liên tục, ổn định, đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Hơn nữa, khả năng lập trình linh hoạt trên phần mềm TIA Portal cho phép dễ dàng tùy chỉnh và mở rộng hệ thống trong tương lai, thích ứng với nhiều loại sản phẩm và quy mô sản xuất khác nhau. Đây là một bước tiến quan trọng, thay thế các phương pháp thủ công kém hiệu quả, mang lại giá trị kinh tế cao và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều.

1.1. Tầm quan trọng của tự động hóa trong ngành công nghiệp đóng chai

Ngành công nghiệp đóng chai hiện nay đối mặt với áp lực lớn về sản lượng và chất lượng. Các phương pháp thủ công truyền thống không còn đáp ứng được yêu cầu về tốc độ, độ chính xác và an toàn vệ sinh. Tự động hóa, đặc biệt là việc sử dụng các dây chuyền sản xuất thông minh, trở thành một yêu cầu cấp thiết. Một hệ thống tự động giúp giải quyết nhiều vấn đề cốt lõi: nâng cao hiệu quả công việc, giảm sức lao động chân tay và tiết kiệm chi phí nhân công. Theo tài liệu nghiên cứu, mục tiêu của việc tự động hóa là "hạn chế tối đa không gian, giảm sức người". Quá trình từ chiết rót đến đóng nắp được thực hiện bởi máy móc, đảm bảo tính đồng nhất cho hàng loạt sản phẩm, tránh lãng phí nguyên liệu và giảm thiểu rủi ro nhiễm bẩn. Hơn nữa, các hệ thống chiết rót tự động còn mang lại độ an toàn và chính xác cao, điều mà lao động thủ công khó có thể đạt được một cách ổn định.

1.2. Giới thiệu bộ điều khiển trung tâm PLC S7 1200 của Siemens

PLC S7-1200 là một bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ của Siemens, được thiết kế cho các ứng dụng tự động hóa vừa và nhỏ. Ra đời để thay thế cho dòng S7-200, S7-1200 sở hữu nhiều tính năng vượt trội như thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và tập lệnh mạnh mẽ. Nó tích hợp sẵn một microprocessor, nguồn cung cấp, các cổng vào/ra (DI/DO) và đặc biệt là cổng PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Điều này giúp việc kết nối và truyền thông giữa PLC với máy tính và màn hình HMI trở nên dễ dàng và nhanh chóng. Lập trình cho PLC S7-1200 được thực hiện trên nền tảng TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal), một phần mềm tích hợp toàn diện, cho phép lập trình PLC và thiết kế giao diện giám sát trên cùng một môi trường. Sự kết hợp này tạo ra một giải pháp hoàn hảo cho các bài toán điều khiển công nghiệp hiện đại.

II. Thách thức trong dây chuyền chiết rót và đóng nắp thủ công

Việc vận hành một dây chuyền chiết rót và đóng nắp theo phương pháp thủ công hoặc bán tự động tồn tại nhiều thách thức và hạn chế. Những rào cản này không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn tác động trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và chi phí vận hành của doanh nghiệp. Vấn đề lớn nhất là sự phụ thuộc vào con người, dẫn đến năng suất không ổn định, dễ xảy ra sai sót và khó kiểm soát chất lượng đồng đều trên quy mô lớn. Định lượng dung dịch chiết rót thường không chính xác, gây lãng phí nguyên liệu hoặc không đạt tiêu chuẩn. Lực vặn nắp không đồng đều có thể khiến sản phẩm bị rò rỉ hoặc khó mở. Hơn nữa, môi trường làm việc thủ công tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động và khó đảm bảo các tiêu chuẩn vệ sinh nghiêm ngặt, đặc biệt trong ngành thực phẩm và dược phẩm. Chi phí nhân công cũng là một gánh nặng lớn, trong khi hiệu quả mang lại không cao. Để giải quyết triệt để những vấn đề này, việc chuyển đổi sang một hệ thống hoàn toàn tự động sử dụng PLC S7-1200 là một giải pháp mang tính chiến lược. Hệ thống này giúp loại bỏ các yếu tố không chắc chắn từ con người, chuẩn hóa quy trình và tối ưu hóa hiệu suất toàn diện cho dây chuyền sản xuất.

2.1. Phân tích các vấn đề về năng suất chi phí và độ chính xác

Năng suất của dây chuyền thủ công bị giới hạn bởi tốc độ và sức bền của con người. Công nhân không thể duy trì hiệu suất cao trong thời gian dài, dẫn đến sản lượng đầu ra dao động. Chi phí vận hành tăng cao do phải trả lương cho một lượng lớn nhân công. Ngược lại, một hệ thống tự động có thể hoạt động 24/7 với tốc độ không đổi. Về độ chính xác, việc chiết rót bằng tay thường dựa trên cảm quan hoặc các dụng cụ đo lường đơn giản, gây ra sai số lớn về định lượng. Trong khi đó, hệ thống điều khiển bằng cảm biến và PLC có thể đạt độ chính xác gần như tuyệt đối, đảm bảo mọi sản phẩm đều tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật. Điều này giúp "tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đồng thời giảm lãng phí sản phẩm trong quá trình sản xuất", như đã nêu trong mục tiêu của đề tài gốc.

2.2. Yêu cầu về an toàn và sự đồng nhất chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm đồng nhất là yếu tố sống còn của một thương hiệu. Trong quy trình thủ công, chất lượng phụ thuộc vào tay nghề và sự tập trung của từng công nhân, tạo ra sự không đồng đều giữa các lô sản phẩm. Hệ thống tự động hóa giải quyết vấn đề này bằng cách thực hiện mọi thao tác theo một chương trình đã được lập trình sẵn, từ lượng dung dịch chiết rót, lực siết nắp cho đến việc dán nhãn. Về mặt an toàn, việc tự động hóa giúp đưa con người ra khỏi các khu vực vận hành máy móc nguy hiểm, giảm thiểu tai nạn lao động. Đặc biệt, với các ngành yêu cầu vệ sinh cao, hệ thống khép kín giúp hạn chế tối đa sự tiếp xúc của sản phẩm với môi trường bên ngoài và con người, ngăn ngừa nguy cơ nhiễm khuẩn, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chuẩn an toàn vệ sinh.

III. Phương pháp điều khiển chiết rót đóng nắp bằng PLC S7 1200

Để xây dựng một hệ thống tự động hóa hiệu quả, giải pháp điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động PLC S7-1200 được triển khai dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm. Trái tim của hệ thống là bộ PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý logic và ra lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ, van điện từ và xy lanh. Việc lựa chọn phần cứng được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ tin cậy, tương thích và tối ưu chi phí. Các thiết bị như cảm biến tiệm cận, cảm biến hồng ngoại, động cơ một chiều, và xy lanh khí nén được tích hợp để thực hiện các công đoạn một cách chính xác. Sơ đồ cấu trúc hệ thống được thiết kế một cách khoa học, phân chia rõ ràng các cụm chức năng: cụm băng tải, cụm mâm xoay chiết rót, cụm cấp và vặn nắp. Nguyên lý hoạt động chung là chai rỗng được đưa vào băng tải, cảm biến phát hiện và dừng chai tại vị trí mâm xoay. Mâm xoay đưa chai đến trạm chiết rót, sau đó đến trạm đóng nắp và cuối cùng đưa sản phẩm hoàn thiện ra ngoài. Toàn bộ chu trình này được giám sát và điều khiển bởi chương trình nạp trong PLC, đảm bảo sự phối hợp nhịp nhàng và chính xác giữa các khâu.

3.1. Lựa chọn thiết bị phần cứng cho mô hình tự động hóa

Việc lựa chọn thiết bị phần cứng là nền tảng cho sự ổn định của hệ thống. Dựa trên tài liệu gốc, các thành phần chính bao gồm: PLC S7-1200 CPU 1214C với 14 ngõ vào và 10 ngõ ra số; nguồn tổ ong 24V-5A cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống; động cơ điện một chiều 24V để vận hành băng tải và mâm xoay; động cơ bơm nước 12VDC để chiết rót dung dịch. Các cơ cấu chấp hành như xy lanh khí nén (loại TN10-20S và CDJ2B10-100) được sử dụng để kẹp giữ chai và thực hiện thao tác vặn nắp, điều khiển qua van đảo chiều 5/2. Hệ thống cảm biến gồm cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 để phát hiện chai và cảm biến tiệm cận SN04-N để xác định vị trí kim loại của cơ cấu máy. Role trung gian được sử dụng để cách ly và bảo vệ các ngõ ra của PLC khi điều khiển các tải có công suất lớn hơn.

3.2. Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý vận hành tuần tự của hệ thống

Hệ thống hoạt động theo một quy trình công nghệ tuần tự và khép kín. Sơ đồ cấu trúc cho thấy tín hiệu đầu vào từ các nút nhấn (Start, Stop) và cảm biến được gửi về bộ xử lý trung tâm là PLC S7-1200. PLC xử lý thông tin dựa trên lưu đồ thuật toán đã lập trình và xuất tín hiệu điều khiển đến các đầu ra. Các đầu ra này kích hoạt role, van điện từ, và động cơ. Nguyên lý vận hành bắt đầu khi nhấn nút Start. Băng tải chạy, đưa chai vào vị trí. Cảm biến 1 phát hiện chai, băng tải dừng, xy lanh đẩy chai vào mâm xoay. Mâm xoay quay đến vị trí chiết rót, cảm biến 2 xác nhận, bơm hoạt động trong một khoảng thời gian cài đặt. Sau khi chiết rót xong, mâm xoay tiếp tục đưa chai đến vị trí cấp và vặn nắp. Cuối cùng, sản phẩm được đẩy ra băng tải thứ hai. Toàn bộ quá trình được giám sát qua giao diện HMI, cho phép người vận hành theo dõi và can thiệp khi cần thiết.

IV. Hướng dẫn lập trình hệ thống trên nền tảng TIA Portal

Phần mềm TIA Portal là công cụ không thể thiếu trong việc triển khai giải pháp điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động PLC S7-1200. Đây là một môi trường phát triển tích hợp, cho phép các kỹ sư thực hiện toàn bộ quá trình từ cấu hình phần cứng, lập trình logic điều khiển, thiết kế giao diện người-máy (HMI) đến chẩn đoán lỗi hệ thống. Việc lập trình trên TIA Portal mang lại hiệu quả cao nhờ tính thống nhất và khả năng chia sẻ dữ liệu liền mạch giữa các thành phần. Ngôn ngữ lập trình chính được sử dụng trong đề tài là Ladder Diagram (LAD), một ngôn ngữ đồ họa mô phỏng các mạch relay, rất trực quan và dễ tiếp cận đối với các kỹ sư tự động hóa. Quy trình lập trình bao gồm các bước: tạo một project mới, cấu hình phần cứng PLC và các module mở rộng, tạo các khối chương trình (OB, FC, FB), viết mã lệnh điều khiển cho từng chế độ vận hành (tự động và bằng tay), và cuối cùng là thiết kế giao diện giám sát trên WinCC. Việc chia chương trình thành các khối con (chương trình con) giúp quản lý mã lệnh dễ dàng, thuận tiện cho việc gỡ lỗi và bảo trì sau này.

4.1. Quy trình thiết kế chương trình điều khiển logic cho PLC

Thiết kế chương trình điều khiển bắt đầu bằng việc phân tích yêu cầu công nghệ và xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết cho toàn hệ thống. Dựa trên tài liệu nghiên cứu, hệ thống có hai chế độ hoạt động chính: chế độ bằng tay (Manual) và chế độ tự động (Auto). Trong TIA Portal, các lập trình viên đã tạo các chương trình con riêng biệt cho từng chế độ. Chế độ bằng tay cho phép người vận hành điều khiển riêng lẻ từng cơ cấu (băng tải, bơm, xy lanh) để kiểm tra và hiệu chỉnh. Chế độ tự động sẽ thực thi toàn bộ chu trình sản xuất một cách tuần tự. Ngôn ngữ LAD được sử dụng để viết các network logic, xử lý tín hiệu từ các đầu vào input (nút nhấn, cảm biến) và kích hoạt các đầu ra output (động cơ, van). Các khối hàm thời gian (Timer) và bộ đếm (Counter) được sử dụng để định thời gian chiết rót và đếm số lượng sản phẩm, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác theo yêu cầu.

4.2. Thiết kế giao diện giám sát HMI với phần mềm WinCC Basic

Giao diện người-máy (HMI) là cầu nối giữa người vận hành và hệ thống. Trong TIA Portal, WinCC Basic được tích hợp sẵn để thiết kế giao diện cho các màn hình HMI của Siemens. Giao diện được thiết kế trực quan với sơ đồ mô phỏng toàn bộ dây chuyền, hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị (động cơ đang chạy/dừng, xy lanh đang ở vị trí nào). Người vận hành có thể sử dụng các nút nhấn cảm ứng trên màn hình để khởi động/dừng hệ thống, chọn chế độ vận hành, và cài đặt các thông số như thời gian bơm. Theo mô tả trong đồ án, "giao diện của hệ thống điều khiển chiết rót đóng nắp tự động trên WinCC" cho phép giám sát toàn bộ quá trình. Các biến (tags) từ chương trình PLC được liên kết trực tiếp với các đối tượng trên màn hình HMI một cách dễ dàng bằng thao tác kéo-thả, giúp giảm thiểu thời gian và sai sót trong quá trình lập trình.

V. Phân tích mô hình thực tế và kết quả nghiên cứu ứng dụng

Từ lý thuyết thiết kế và lập trình, việc thi công và vận hành một mô hình vật lý là bước quan trọng để kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu quả của giải pháp điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động PLC S7-1200. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành xây dựng một mô hình thực tế dựa trên các thiết bị phần cứng đã lựa chọn. Khung cơ khí, băng tải, mâm xoay, và các cơ cấu chấp hành được lắp đặt và kết nối với tủ điện điều khiển trung tâm, nơi chứa PLC S7-1200 và các thiết bị phụ trợ. Quá trình thi công đòi hỏi sự chính xác trong việc lắp đặt cơ khí và đi dây điện, đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru và an toàn. Sau khi hoàn thiện, mô hình được nạp chương trình điều khiển và tiến hành chạy thử nghiệm ở cả hai chế độ bằng tay và tự động. Kết quả thu được từ quá trình vận hành thực tế đã chứng minh hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng đúng các yêu cầu công nghệ đã đề ra. Các công đoạn từ nhận chai, chiết rót đến đóng nắp diễn ra nhịp nhàng và chính xác. Đây là minh chứng rõ ràng cho khả năng ứng dụng của PLC S7-1200 trong các bài toán tự động hóa dây chuyền sản xuất quy mô nhỏ.

5.1. Thi công và vận hành mô hình chiết rót đóng nắp thực tế

Quá trình thi công mô hình được mô tả chi tiết trong tài liệu, bao gồm việc tạo khung đỡ, lắp đặt băng chuyền sản phẩm, thiết kế và chế tạo mâm xoay, và bố trí các cơ cấu vặn nắp. Các cảm biến được gắn tại các vị trí chiến lược để giám sát quy trình. Sơ đồ nối dây PLC được thực hiện cẩn thận theo bảng phân công đầu vào-ra đã thiết kế. Sau khi lắp đặt phần cứng, chương trình từ TIA Portal được tải xuống PLC. Giai đoạn vận hành thử nghiệm cho phép kiểm tra và hiệu chỉnh các thông số. Ví dụ, thời gian chiết rót được điều chỉnh thông qua giao diện HMI để đảm bảo dung tích chính xác cho loại chai 297 ml. Các cơ cấu khí nén được kiểm tra để đảm bảo lực kẹp và vặn nắp phù hợp, không làm hỏng chai hoặc nắp. Hình ảnh mô hình hoàn thiện cho thấy một hệ thống nhỏ gọn, tích hợp đầy đủ các chức năng cần thiết.

5.2. Đánh giá hiệu quả và độ ổn định của hệ thống điều khiển

Kết quả đạt được của đề tài là một mô hình hoạt động ổn định, tự động hóa hoàn toàn quy trình. Hệ thống đáp ứng các mục tiêu ban đầu: nâng cao hiệu quả, giảm sức người và đảm bảo độ chính xác cao. Việc sử dụng PLC S7-1200 đã chứng tỏ sự tin cậy trong môi trường công nghiệp, khả năng xử lý nhanh và chống nhiễu tốt. Hệ thống giám sát qua WinCC giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và kiểm soát toàn bộ dây chuyền. Độ ổn định của hệ thống được thể hiện qua việc vận hành liên tục trong thời gian dài mà không xảy ra lỗi nghiêm trọng. Các thao tác cơ khí phối hợp chính xác với logic điều khiển, cho ra các sản phẩm cuối cùng đồng đều về chất lượng. Đây là một nền tảng vững chắc để phát triển và ứng dụng vào các dây chuyền sản xuất thực tế với quy mô lớn hơn.

VI. Tương lai và hướng phát triển cho hệ thống tự động hóa PLC

Mô hình điều khiển chiết rót, đóng nắp tự động PLC S7-1200 không chỉ là một giải pháp cho bài toán hiện tại mà còn mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng trong tương lai. Sự thành công của mô hình này là tiền đề để mở rộng và nâng cấp, tích hợp thêm các công nghệ tiên tiến của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0. Với nền tảng là PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal, hệ thống có khả năng kết nối và mở rộng rất lớn. Có thể tích hợp thêm các module truyền thông để kết nối với hệ thống quản lý sản xuất (MES) hoặc hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP), cho phép thu thập dữ liệu sản xuất theo thời gian thực, phục vụ cho việc phân tích và tối ưu hóa vận hành. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc ứng dụng các công nghệ như thị giác máy (Machine Vision) để kiểm tra chất lượng sản phẩm (mức dung dịch, niêm phong nắp, lỗi nhãn in), hoặc sử dụng robot công nghiệp để tự động hóa khâu xếp chai vào thùng. Những cải tiến này sẽ giúp xây dựng một dây chuyền sản xuất thông minh, linh hoạt và hoàn toàn tự động, đáp ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe của thị trường.

6.1. Khả năng mở rộng và tích hợp thêm công nghệ hiện đại 4.0

Nền tảng PLC S7-1200 hỗ trợ mạnh mẽ các chuẩn truyền thông công nghiệp như PROFINET, cho phép dễ dàng kết nối với các thiết bị thông minh khác. Hướng phát triển có thể là tích hợp hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) để quản lý và giám sát tập trung nhiều dây chuyền sản xuất cùng lúc. Dữ liệu về sản lượng, hiệu suất, thời gian dừng máy có thể được thu thập và lưu trữ trên cloud, cho phép các nhà quản lý truy cập và phân tích từ xa. Thêm vào đó, việc áp dụng Trí tuệ nhân tạo (AI) vào phân tích dữ liệu có thể giúp dự đoán các sự cố bảo trì, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và nâng cao hiệu quả tổng thể của thiết bị (OEE). Đây là những bước đi cần thiết để tiến tới một nhà máy thông minh (Smart Factory).

6.2. Tiềm năng ứng dụng trong các ngành sản xuất công nghiệp khác

Nguyên lý và công nghệ được áp dụng trong mô hình này hoàn toàn có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều ngành sản xuất khác. Ngoài ngành nước giải khát, hệ thống có thể được ứng dụng trong ngành dược phẩm để chiết rót và đóng nắp các loại siro, thuốc nước. Trong ngành hóa mỹ phẩm, nó có thể dùng để đóng chai dầu gội, sữa tắm, nước rửa tay. Ngành hóa chất cũng có thể sử dụng mô hình này để chiết rót các loại dung môi, dầu nhớt. Sự linh hoạt của việc lập trình PLC cho phép thay đổi các thông số như dung tích chiết rót, loại nắp, tốc độ dây chuyền một cách dễ dàng. Do đó, kiến thức và kinh nghiệm từ việc xây dựng mô hình này có giá trị thực tiễn cao, là cơ sở để giải quyết nhiều bài toán tự động hóa đa dạng trong sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT ĐÓNG NẮP TỰ ĐỘNG 1. Giới thiệu chung về hệ thống Hệ thống chiết rót tự động là thành phần quan trọng trong dây chuyền súc rửa, chiết rót và đóng nắp phục vụ cho các ngành đóng gói chất lỏng công nghiệp. 1 Quá trình chiết rót đóng nắp chai của công ty Tân Hiệp Phát Hệ thống chiết rót chai tự động được sử dụng nhiều để phục vụ cho các ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, dầu nhớt,… Sự ra đời của máy chiết rót tự động đã tiết kiệm cho các nhà sản xuất một khoản chi phí nhân công lớn, nâng cao năng suất làm việc chiết đóng thành phẩm vào chai. Hệ thống được kết hợp giữa các khâu chiết rót, đóng nắp, đóng thùng bán tự động.

Bộ điều khiển trung tâm thường sử dụng PLC. Mỗi khâu đều vận hành tự động, nhân công chỉ tham gia vào một số công đoạn điều khiển, đầu vào và đầu ra (xếp chai vào, đóng thùng, vận hành máy,. Một hệ thống sản xuất đóng chai hiện đại được phân chia thành nhiều khâu nối tiếp nhau. Chai dừng trong hệ thống thường là chai thành phẩm, nên thường khâu này chỉ qua súc rửa để làm sạch bụi.

Sau khi được rửa sạch, các chai được băng chuyền đưa đến hệ thống rót liệu, tới vị trí rót, chai sẽ được dừng chính xác nhờ một con cảm biến, để đảm bảo chính xác hơn nữa, có thể bố trí các cơ cấu cơ khí để kẹp giữ chai. Việc nhúng và rót vào trong chai để SVTH: Trà Thắng Lợi GVHD: ThS. Võ Khánh Thoại Trang 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động tránh chất lỏng văng ra ngoài khi rót tốc độ lớn. Với thiết kế như vậy, tổng thời gian rót chỉ mất 2-3 giây.

Khi chai đạt mức quy định được băng tải vận chuyển đến vị trí đóng nắp. Khâu đóng nắp bao gồm cơ cấu cấp nắp chai và đóng nắp. Cơ cấu đóng có thể là xi lanh thủy khí (với nắp dập) hoặc moto (với nắp vặn), cơ cấu cấp nắp chai có thể dưới dạng gài sẵn trên băng tải hoặc kết hợp với cơ cấu dập. Sau đó là khâu dán nhãn, đây là khâu đơn giản nhất trong hệ thống đóng chai.

Cơ cấu bôi keo dính được gắn ngay trên băng tải và bổ trị tiếp tuyến sao cho tì vào mặt chai, ngoài chuyển động thẳng trên băng tài, chai còn chuyển động quay tròn do lực tì của cơ cầu bôi keo. Tương tự với cơ cấu cấp nhãn, chai sau khi bôi keo, quay tròn, cuốn băng giấy nhân 1 vòng quanh chai. Khâu cuối cùng là kiểm tra và đóng gói sản phẩm. khâu kiểm tra bao gồm một loạt các cảm biển để kiểm tra chất lượng sản phẩm(đủ định mức, đóng nắp dán nhãn đạt yêu cầu.) sau khi kiểm tra sẽ qua cơ cấu phân loại, 1 tay gạt sẽ loại bỏ chai sang một băng tải khác, Các chai đạt tiêu chuẩn sẽ qua khâu đóng gói, chai được xếp thành khối nhờ các tay máy gạt và nâng hạ.

Như vậy toàn bộ quy trình công nghệ đóng nắp chai được tự động hoàn toàn, với đầu vào là nguyên liệu và chai rỗng, đầu ra là sản phẩm có thể đem bán trực tiếp. Phân loại máy chiết rót Các loại máy chiết rót thường được phân loại dựa trên cấu tạo, hoạt động của hệ thống chiết rót. Thường được chia làm 5 loại như sau: 1. Máy chiết rót bơm bằng bánh răng Hình 1.

2 Máy chiết rót bơm bằng bánh răng Máy chiết rót bằng bơm bánh răng hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu (bơm rotary) thích hợp cho việc chiết rót các sản phẩm ngành thực phẩm, hóa mỹ phẩm,… Cấu trúc dòng máy này được làm từ thép không gỉ và hợp kim nhôm với thiết kế thay SVTH: Trà Thắng Lợi GVHD: ThS. Võ Khánh Thoại Trang 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động đổi nhanh cho kích thước khác của chai. Máy chiết rót bằng bơm bánh răng được thiết lập dựa trên màn hình cảm ứng hiện thị LCD, rất tiện dụng và dễ dàng điều chỉnh. Máy chiết rót bơm bằng piston Hình 1.

3 Máy chiết rót bằng bơm piston Máy chiết rót bằng bơm piston hay còn gọi là máy chiết rót tự động 6 đầu (bơm piston) có thiết kế đầu bơm piston phù hợp trong các công việc chiết rót các chất lỏng không hạt như dầu ăn, sữa tắm, dầu gội,… Máy chiết rót bằng bơm piston điều khiển bởi motor servo, cho độ chính xác chiết rót cao, phù hợp các sản phẩm yêu cầu định lượng động chuẩn chỉnh cao. Dòng máy được sản xuất kèm thiết bị bảo vệ “không chai – không chiết rót” với loại vòi ngâm không làm tràn chất lỏng. Bơm piston hoạt động trơn tru và linh hoạt, màn hình cảm ứng điều khiển hỗ trợ tối đa các thao tác điều chỉnh. Máy chiết rót bằng bơm trục vít Mỗi đầu bơm trục vít của dòng máy này được điều khiển bởi một motor AC riêng biệt nên độ chính xác khi rót rất cao.

Loại vòi ngâm sử dụng cho máy chiết rót này hạn chế tối đa sản sinh bọt khí và tránh chất lỏng văng ra ngoài. Người sử dụng có thể dễ dàng điều chỉnh, cài đặt các thông số thông qua màn hình LCD cảm ứng. SVTH: Trà Thắng Lợi GVHD: ThS. Võ Khánh Thoại Trang 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động Hình 1.

4 Máy chiết rót bằng bơm trục vít 1. Máy chiết rót bằng lưu lượng kế Máy chiết rót bằng lưu lượng kế là dòng máy chiết rót 10 đầu dạng định lượng được sử dụng chiết chính xác hơn và dễ dàng cho các thao tác vệ sinh. Loại máy này phù hợp với việc chiết các chất lỏng có độ nhớt, đậm đặc. Phạm vi chiết rót của máy chiết rót bằng lưu lượng kế rộng đồng thời có thiết kế giảm tạo bọt tối ưu khi chiết rót.

Cấu trúc máy cho phép cài đặt tiêu chuẩn và lưu lượng định mức sản phẩm chuẩn xác một cách tối đa. Máy chiết rót kiểu đối lưu Hình 1. 5 Máy chiết rót kiểu đối lưu Máy chiết rót kiểu đối lưu hay còn gọi là đẳng áp được thiết kế thuận tiện cho việc rót nước khoáng hay nước ép trái cây. SVTH: Trà Thắng Lợi GVHD: ThS.

Võ Khánh Thoại Trang 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động Dung tích chiết rót của dòng máy này vào khoảng 500 – 1500ml. Thiết kế vòi ngâm hỗ trợ ổn định chất lỏng không gây tràn. Bên cạnh đó, dòng máy này cũng được tích hợp màn hình cảm ứng hiệu Proface với hệ thống điều khiển PLC hiệu Mitsubishi. Máy chiết rót kiểu đối lưu 1.

Đóng nắp dạng thẳng Với thiết kế ngàm kẹp phù hợp cho nhiều loại nắp và độ chính xác cao. Đặc biệt kiểm soát được lực xiết theo yêu cầu của người sử dụng.Tích hợp chức năng lấy nắp tự động và loại bỏ nắp bị lổi, nắp úp, không màng nhôm.Đặc biệt cơ cấu mâm xoay kẹp chai sử dụng được cho chai tròn và chai vuông.Tốc độ ổn định, độ chính xác cao, thao tác vận hành đởn giản cho người sử dụng và đạt tiêu chuẩn GMP an toàn vệ sinh trong ngành đóng gói. 6 Máy đóng nắp dạng thẳng 1. Đóng nắp dạng xoay Máy siết nắp tự động dạng xoay kết hợp hoàn toàn giữa việc cấp chai, phân loại nắp, gắp đặt nắp, đóng nắp và ra chai trong một máy.

Cơ cấu quay, bắt nắp ở vị trí nhất định, ổn định và đáng tin cậy. Nó không gây hại cho chai và nắp. Hiệu suất đóng nắp cao, tỷ lệ đóng nắp đạt chất lượng cao, ứng dụng rộng rãi, có khả năng cạnh tranh tốt. Nó có thể áp dụng cho các kích thước khác nhau của chai và nắp thủy tinh và nhựa.

Toàn bộ máy được điều khiển bằng PLC, giao diện màn hình cảm ứng và hoạt động thuận tiện. Cơ cấu quay, sử dụng dụng cụ bắt nắp chuyên dụng để lấy nắp, ổn định và đáng tin cậy. Nắp đậy được thiết kế bên trong bằng cao su chống mài mòn, có thể loại bỏ hiệu quả các vết thương trên nắp trong quá trình đóng nắp. Một cảm biến kiểm tra được lắp trên bộ phận chia chai.

Điều này có thể nhận ra không có chai, không có nắp. Máy sẽ tự động dừng nếu chai bị kẹt. SVTH: Trà Thắng Lợi GVHD: ThS. Võ Khánh Thoại Trang 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động Một bộ cảm biến ở phía đầu ra của chai có thể kiểm tra kết quả đóng nắp của chai, những chai đủ tiêu chuẩn có thể đi qua và những chai không đủ tiêu chuẩn sẽ được đưa ra băng tải khác.

Máy sẽ tự động dừng nếu bị kẹt ở phía đầu chai. 7 Máy đóng năp dạng xoay 1. Phân loại hệ chiết rót 1. Chiếc rót hệ mâm xoay Có năng suất cao nhất trong các dòng máy chiết rót.

Dây chuyền kết hợp liên kết nhau bằng các bánh răng hoặc sên chuyên dụng để xoay hệ thống mâm ở trên, giúp đưa chai vào chiết rót theo kiểu liên tiếp hệ thống bao gồm cấp phôi từ bàn lựa phôi, sau đó di chuyển đến bàn băng tải cấp chai vào bàn xoay xúc bình sau đó chuyển đến bàn xoay chiết rót đến bàn xoay đóng nắp và dán nhãn thành phẩm. 8 Chiết rót hệ mâm xoay 1. Ưu điểm - Dòng chai được di chuyển liên tục, tiết kiệm thời gian. SVTH: Trà Thắng Lợi GVHD: ThS.

Võ Khánh Thoại Trang 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp tự động - Dạng bố trí này ta có thể chiết được nhiều vòi. - Bộ phận dẫn động cho máy dùng động cơ và các cơ cấu truyền động đơn giản, thông thường. - Đáp ứng được nhiệt độ sản xuất khi sử dụng trong dây chuyền động sản xuất liên tục tự động. - Băng tải và các module chiết và module đóng nắp có thể độc lập.

- Do bố trí được nhiều đầu chiết nên năng xuất cao. - Tốc độ điều chỉnh nhanh dần điều giúp máy vận hành ổn định. Nhược điểm - Có nhiều cơ cấu cồng kènh chiếm không gian lớn - Giá thành cao 1. Chiếc rót hệ tuần tự Không cao phù hợp với các xưởng cần chiết rót công suất nhỏ, phù hợp với các xưởng sản xuất nước rửa tay vừa và nhỏ, xưởng sản xuất mỹ phẩm, đồ uống vừa và nhỏ.