Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt là ngành chế biến thực phẩm và đồ uống (nước giải khát, rượu, bia, hóa mỹ phẩm), các khâu chiết rót chất lỏng, cấp nắp, siết nắp và dán nhãn đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm năng suất, chất lượng đồng đều và tiêu chuẩn vệ sinh bao bì. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn sau các chuyến tham quan nhà máy công nghiệp và khảo sát các mô hình tự động hóa rời rạc, đề tài "Điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót sử dụng PLC S7 - 1200" được thực hiện nhằm nghiên cứu tích hợp thiết bị điều khiển logic lập trình với hệ thống truyền động servo và giao diện giám sát vận hành SCADA.

Mục tiêu chung của đồ án là làm chủ công nghệ điều khiển phối hợp giữa PLC và hệ truyền động chính xác, chế tạo mô hình thực tế và xây dựng hệ thống giám sát trên máy tính. Đề tài xác định 03 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm:

  1. Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu, cấu hình và kết nối PLC với bộ điều khiển truyền động (Driver) để điều khiển động cơ Servo.
  2. Nhiệm vụ 2: Tính toán, thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn và phân loại sản phẩm.
  3. Nhiệm vụ 3: Thiết kế giao diện SCADA trên nền tảng phần mềm công nghiệp nhằm giao tiếp, điều khiển và giám sát toàn bộ trạng thái của dây chuyền thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dây chuyền tự động hóa thực hiện chu trình khép kín gồm: vận chuyển phôi chai, định vị xoay, bơm chất lỏng định lượng, cấp nắp, vặn nắp, dán nhãn và kiểm tra phân loại chai thành phẩm dung tích 330 ml (quy cách chai mẫu Evian kích thước đường kính 60 mm, chiều cao 120 mm). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; quy trình chiết rót thực hiện đơn lẻ từng chai một (1 chai/lần) với năng suất thiết kế tối thiểu 60 chai/giờ; toàn bộ hệ thống được lập trình điều khiển qua PLC Siemens S7-1200 và giám sát qua giao diện WinCC Runtime. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra trong 16 tuần (học kỳ 1 năm học 2019 - 2020).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về cơ sở lý thuyết, đồ án khảo sát 05 nguyên lý chiết rót phổ biến trên thị trường:

  • Chiết rót bằng bơm bánh răng (bơm rotary 8 đầu, điều khiển motor AC biến tần, dải dung tích 250 – 5000 ml).
  • Chiết rót bằng bơm piston (6 đầu, dẫn động servo, chuyên dụng cho chất lỏng không hạt, độ nhớt cao).
  • Chiết rót bằng bơm trục vít (8 đầu, điều khiển motor riêng biệt, ứng dụng chiết dầu nhớt).
  • Chiết rót bằng lưu lượng kế (10 đầu định lượng chất lỏng đậm đặc).
  • Chiết rót kiểu đối lưu (đẳng áp, dung tích 500 – 1500 ml, ứng dụng cho nước khoáng và nước ép).

Đồng thời, đồ án tổng hợp các công nghệ dán nhãn (tự động dùng cuộn decal, bán tự động in ruy-băng gia nhiệt và dán nhãn thủ công). Về phần cứng điều khiển, tác giả tập trung vào kiến trúc vi xử lý của dòng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC), các module mở rộng tín hiệu (Signal Module - SM), bo mạch tín hiệu (Signal Board - SB), module truyền thông (Communication Module - CP) và giao thức truyền thông công nghiệp PROFINET qua cổng Ethernet RJ45. Lý thuyết điều khiển vị trí vòng kín (closed-loop) của động cơ AC Servo được phân tích chi tiết dựa trên cơ chế phản hồi sai lệch vị trí từ encoder quang học lũy tiến về Driver để triệt tiêu sai số góc quay. Tập lệnh điều khiển chuyển động (Motion Control) của Siemens được khai thác bao gồm: MC_Power (cấp nguồn trục), MC_Reset (xóa lỗi), MC_Home (xác lập tọa độ gốc), MC_Halt (dừng khẩn), MC_MoveJog (chạy nhích kiểm tra), MC_MoveAbsolute (chạy vị trí tuyệt đối), MC_MoveRelative (chạy tương đối) và MC_MoveVelocity (chạy đồng tốc).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán thiết kế kỹ thuật, lập trình mô phỏng và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp phân tích tài liệu: Nghiên cứu thông số datasheet từ các nhà sản xuất Siemens (PLC S7-1200), Omron (Servo Motor R7M-A và Driver R7D-AP), SMC (khí nén).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Xây dựng bản vẽ 3D kết cấu cơ khí, tính toán công suất động cơ, lựa chọn cảm biến và thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển logic.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thi công lắp ráp phần cứng, đấu nối bảng điện, viết chương trình điều khiển dạng LAD trên phần mềm TIA Portal V13, tạo giao diện giám sát SCADA trên WinCC Runtime Advanced và tiến hành thực nghiệm kiểm tra sai số định lượng trên mẫu 50 chu trình.

Nguồn dữ liệu của đề tài bắt nguồn từ các tài liệu chuyên khảo về tự động hóa S7-1200/TIA Portal, tài liệu kỹ thuật của các hãng chế tạo thiết bị và dữ liệu đo đạc thực nghiệm thu được từ quá trình vận hành dây chuyền mô hình.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế dưới dạng dây chuyền tích hợp cơ - điện - khí nén, kích thước phủ bì: dài 100 cm x rộng 100 cm x cao 70 cm. Khung sườn chế tạo bằng sắt hộp với tổng chiều dài thanh sắt kết cấu là 10 m.

Cơ cấu cơ khí gồm:

  • 02 băng tải mini (dài 50 cm, rộng 6 cm, cao 10 cm) bố trí vuông góc, dẫn động bằng động cơ giảm tốc 24VDC (tốc độ định mức 50 vòng/phút, lực kéo tối đa 15 kg).
  • Cụm mâm xoay định vị 4 vị trí (mỗi vị trí lệch nhau 90°): Gồm mâm dưới cố định làm bằng Mica đen dày 5 mm (đường kính 32 cm) và mâm trên quay chia độ làm bằng Mica đen dày 3 mm (đường kính 29 cm), được khoét 4 lỗ định vị chai đường kính 5 mm. Mâm xoay được kéo trực tiếp bởi động cơ AC Servo Omron R7M-A40030. Điểm gốc tọa độ (vị trí 0°) được nhận diện qua một ốc kim loại gắn trên mâm kết hợp cảm biến tiệm cận điện từ.
  • Cụm chiết rót: Sử dụng động cơ bơm màng mini 12VDC, công suất 30W, áp lực 0.6 MPa, lưu lượng 4 L/phút, đường hút sâu 1.5 m, đẩy cao 20 m.
  • Cụm cấp và siết nắp: Gồm máng cấp nắp, động cơ DC 24VDC vặn nắp (tốc độ 295 vòng/phút, dòng 2A, mô-men xoắn 9-130 kgf.cm) gắn trên giá trượt điều khiển bởi xi-lanh khí nén tác động kép TN20x150 (hành trình 7 cm, nòng 6 mm) cùng van điện từ khí nén 3 cửa 2 vị trí SY3120-5LZ-M5 (thời gian đáp ứng dưới 32 ms).
  • Cụm dán nhãn: Động cơ dán nhãn DC 12-24VDC (công suất 12W, tốc độ có tải 83 vòng/phút, mô-men xoắn tối đa 13 kgf.cm) kết hợp cảm biến nhãn quang học khe SU-02XP (khoảng cách khe 0–20 mm, nguồn cấp 10–30VDC).
  • Cụm phân loại: Cảm biến điện dung không tiếp xúc XKC-Y26 phát hiện mức chất lỏng xuyên thành chai nhựa (tần số đáp ứng 10 kHz), cảm biến quang phát hiện nắp và xi-lanh khí nén đẩy gạt chai lỗi ra khỏi băng tải.

Toàn bộ linh kiện phần cứng chính của hệ thống được thống kê trong bảng sau:

STT Tên thiết bị / Linh kiện Quy cách / Mã hiệu Số lượng Thông số kỹ thuật chính
1 Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC 01 14 DI / 10 DO, 2 AI / 2 AO, phát xung PTO 100 kHz
2 Driver điều khiển Servo Omron R7D-AP04H 01 Công suất 400W, nguồn cấp 1 pha 200/230 VAC, điều chế băm xung IGBT 11.7 kHz
3 Động cơ AC Servo Omron R7M-A40030 01 400W, 3000 vòng/phút, mô-men danh định 1.3 Nm, encoder 2000 xung/vòng
4 Băng tải mini Kèm motor giảm tốc 24VDC 02 Kích thước 50 x 6 x 10 cm, tải kéo 15 kg, tốc độ 50 vòng/phút
5 Cảm biến tiệm cận Dạng cảm ứng từ 01 Nguồn 6–36VDC, tần số đáp ứng 100 Hz, nhận diện ốc kim loại mâm xoay
6 Cảm biến quang điện Thu phát hồng ngoại 04 Nguồn 12–24VDC, thời gian đáp ứng 500 µs, phát hiện vị trí chai
7 Cảm biến dán nhãn Model SU-02XP 01 Nguồn 10–30VDC, khe quét 0–20 mm, dòng tiêu thụ 200 mA
8 Cảm biến mức nước Model XKC-Y26 01 Cảm ứng không tiếp xúc xuyên thành mỏng, nguồn 5–24VDC, đáp ứng 10 kHz
9 Động cơ dán nhãn Động cơ DC giảm tốc 01 Nguồn 12–24VDC, công suất 12W, tốc độ 83 vòng/phút (có tải)
10 Động cơ vặn nắp Động cơ DC 01 Nguồn 24VDC, dòng định mức 2A, tốc độ 295 vòng/phút
11 Xi-lanh khí nén Model TN20x150 02 Tác động kép, hành trình 7 cm, nòng 6 mm, áp suất 0.9 MPa
12 Nút nhấn & Đèn báo Nút nhấn nhả, đèn báo 24V 09 04 nút nhấn (ON, OFF, STOP, RESET), 05 đèn chỉ thị
13 Module Relay Rơ-le trung gian 24VDC 08 Tiếp điểm chịu dòng 5A, tích hợp opto cách ly quang
14 Bộ nguồn tổ ong Nguồn xung 24VDC & 12VDC 02 Nguồn 24VDC – 5A (120W) và nguồn 12VDC cấp riêng bơm nước

Bảng điện điều khiển kích thước 500 x 500 mm được đặt nghiêng một góc 50° so với mặt phẳng ngang để thuận tiện thao tác, có aptomat đóng ngắt và toàn bộ dây tín hiệu được luồn trong máng nhựa kỹ thuật.

Cấu hình phát xung PTO điều khiển Servo trong TIA Portal V13:

  • Ngõ ra PLC Q0.0 phát xung (+PULS) đến Driver, Q0.1 cấp mức logic chọn chiều quay (+SIGN), ngõ ra relay Q0.0 đóng tiếp điểm kích chân Run cho Driver hoạt động. Một điện trở hạn dòng R = 1.1 kΩ được mắc nối tiếp để giới hạn dòng kích đầu vào Driver trong ngưỡng 7 – 15 mA ở điện áp 24VDC.
  • Khởi tạo đối tượng công nghệ Trục (Axis): Thiết lập tỷ lệ 10.000 xung tương ứng một vòng quay 360° của cơ cấu mâm xoay.
  • Lập trình Motion: Sử dụng khối MC_Power để kích hoạt trạng thái sẵn sàng của trục; khi cảm biến tiệm cận kích hoạt, khối MC_Home gán tọa độ gốc 0°; sau đó khối MC_MoveRelative phát xung điều khiển servo quay chính xác các nấc 90° với vận tốc góc 90°/s.

Hệ thống phân bổ 11 ngõ vào số và 10 ngõ ra số trên PLC CPU 1215C:

Đầu vào (Input) Địa chỉ Thiết bị kết nối Đầu ra (Output) Địa chỉ Thiết bị kết nối
Nút nhấn ON I0.4 Nút ấn khởi động chu trình Động cơ nắp / Xi-lanh nắp Q0.4 Đóng nắp chai
Cảm biến chai vào I0.5 Cảm biến quang đầu băng tải 1 Xi-lanh đẩy Q0.6 Gạt loại bỏ chai lỗi
Cảm biến nắp I0.6 Cảm biến quang kiểm tra nắp Đèn ON/OFF Q1.0 Đèn báo trạng thái
Cảm biến nhãn I0.7 Cảm biến quang khe SU-02XP Xung PTO (+PULS) Q0.0 Phát xung điều khiển Driver
Cảm biến mức nước I1.0 Cảm biến điện dung Y26 Chiều quay (+SIGN) Q0.1 Định hướng quay Driver
Cảm biến nắp trạm kiểm tra I1.1 Cảm biến quang kiểm tra nắp Băng tải 1 Q0.2 Motor băng tải nạp chai
Cảm biến chai ra I1.2 Cảm biến quang trạm phân loại Băng tải 2 Q0.3 Motor băng tải chuyển chai
Cảm biến tiệm cận I0.3 Cảm biến gốc 0° mâm xoay Bơm nước Q0.5 Động cơ bơm màng 12V
Nút nhấn OFF I0.0 Dừng tuần tự chu trình Động cơ dán nhãn Q0.7 Cuộn nhãn chai
Nút nhấn STOP I0.1 Dừng khẩn cấp toàn hệ thống Van khí nén mâm xoay Q1.1 Điều khiển cơ cấu chấp hành
Nút nhấn RESET I0.2 Xóa dữ liệu bộ đếm sản phẩm

Trình tự giải thuật điều khiển tự động:

  1. Nhấn ON, đèn báo sáng; động cơ Servo quay nghịch cho tới khi cảm biến tiệm cận phát hiện ốc kim loại (lên mức 1), hệ thống dừng quay và xác lập góc 0°; hai băng tải 1 và 2 đồng thời khởi động.
  2. Chai chạy trên băng tải 1 đến trạm rót: Cảm biến chai vào kích hoạt (mức 1), băng tải 1 dừng, động cơ bơm nước hoạt động trong 6 giây rồi ngắt, đồng thời biến đếm tổng chai vào tăng thêm 1 đơn vị.
  3. Mâm xoay thực hiện quay góc 90° (thực hiện sau khi bơm xong hoặc sau 9 giây nếu không có chai vào) để đưa chai sang trạm cấp nắp cơ học và trạm siết nắp.
  4. Tại trạm đóng nắp: Cảm biến phát hiện chai kích hoạt, xi-lanh nắp duỗi ra hạ động cơ siết nắp xuống, động cơ quay trong 4 giây để siết chặt ren nắp rồi dừng, xi-lanh nắp thu về vị trí ban đầu.
  5. Khi cảm biến đóng nắp chuyển về mức 0, động cơ dán nhãn vận hành kéo decal dán quanh thân chai cho đến khi cảm biến nhãn chuyển từ mức 1 về mức 0 thì dừng lại.
  6. Chai di chuyển qua băng tải 2 đến trạm phân loại: Cảm biến chai ra phát hiện vật thể, băng tải 2 dừng lại để cảm biến mức nước và cảm biến nắp kiểm tra. Nếu cả hai cảm biến đều ở mức 1 (đủ nước và có nắp), băng tải 2 tiếp tục chạy đưa chai ra ngoài, biến đếm "sản phẩm đạt" tăng 1. Nếu một trong hai cảm biến báo mức 0 (hụt nước hoặc mất nắp), xi-lanh phân loại duỗi ra đẩy chai lỗi vào khay chứa trong 4 giây, biến đếm "sản phẩm lỗi" tăng 1 trước khi băng tải 2 chạy tiếp.
  7. Nhấn nút OFF: Băng tải 1 ngắt nạp chai, hệ thống chạy trút liệu trong 45 giây rồi ngắt toàn bộ điện; nút STOP ngắt tức thời mọi cơ cấu; nút RESET đặt lại các giá trị đếm về 0.

Giao diện SCADA được thiết kế trên WinCC Runtime Advanced gồm 02 màn hình chính: Màn hình vận hành giám sát tổng quan (yêu cầu phân quyền đăng nhập User) và màn hình điều khiển chi tiết (cho phép chuyển đổi chế độ chạy Auto/Manual, kích hoạt độc lập từng cơ cấu chấp hành, hiển thị biến đếm sản lượng và mô phỏng hoạt họa dòng chai di chuyển).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 giới thiệu lý do chọn đề tài dựa trên vai trò của tự động hóa trong các dây chuyền đóng gói công nghiệp. Tác giả xác định 03 mục tiêu đề tài, 07 nội dung nghiên cứu triển khai (từ tìm hiểu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình PLC/SCADA đến thử nghiệm và lập báo cáo). Các giới hạn kỹ thuật được công bố rõ ràng: Dây chuyền ở quy mô nhỏ, chiết rót mỗi chu kỳ 1 chai, độ chính xác cơ khí ở mức mô hình thí nghiệm và toàn bộ quá trình được điều khiển - giám sát thông qua phần mềm WinCC.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày tổng quan cấu tạo, ưu nhược điểm của 05 dòng máy chiết rót công nghiệp (bơm bánh răng, bơm piston, bơm trục vít, bơm lưu lượng kế, kiểu đối lưu) và 03 dạng máy dán nhãn. Về nền tảng điều khiển, chương phân tích cấu trúc phần cứng PLC S7-1200, thông số kỹ thuật của 05 dòng CPU (CPU 1211C đến CPU 1217C), các module tín hiệu mở rộng, tính năng bảo vệ bản quyền "know-how protection" và cổng Profinet. Chương cũng giới thiệu phần mềm tích hợp TIA Portal V13 (Step 7 Basic/Professional và WinCC). Phần lý thuyết động cơ Servo AC trình bày nguyên lý động cơ đồng bộ 3 pha nam châm vĩnh cửu, cấu tạo encoder hồi tiếp âm vòng kín, 3 chế độ điều khiển (vị trí, tốc độ, mô-men xoắn) và tập lệnh Motion Control trong thư viện Siemens.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Chương 3 thiết lập các yêu cầu kỹ thuật chi tiết: Năng suất tối thiểu 60 chai/giờ, kích thước tương thích mẫu chai 60 x 120 mm, mâm xoay quay chính xác bước 90°. Tác giả công bố sơ đồ khối chức năng gồm 11 khối chức năng. Về cơ khí, chương mô tả việc lựa chọn 2 băng tải mini (dài 50 cm, rộng 6 cm, cao 10 cm, motor 24VDC kéo 15 kg), khung sắt hộp 10 m và mâm xoay Mica đen 2 tầng (đường kính 32 cm và 29 cm). Về điện, chương tính chọn PLC S7-1215C DC/DC/DC, nguồn tổ ong 24VDC - 5A (120W) và 12VDC, động cơ bơm 12VDC (lưu lượng 4 L/phút, thời gian bơm 330 ml ước tính 4.95 giây), động cơ siết nắp 24VDC (295 vòng/phút, dòng 2A), xi-lanh khí nén TN20x150 kèm van điện từ SY3120-5LZ-M5, cảm biến quang thu phát, cảm biến nhãn khe SU-02XP, cảm biến mức nước không tiếp xúc XKC-Y26, cảm biến tiệm cận điện từ và bộ động cơ AC Servo Omron R7M-A40030 kèm Driver R7D-AP04H (công suất 400W). Chương đưa ra sơ đồ mạch động lực, sơ đồ đấu nối PLC với Driver Servo (ngõ PTO Q0.0, Direction Q0.1, điện trở hạn dòng 1.1 kΩ).

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa mô hình phần cứng gồm thi công hệ thống khí nén (đấu nối xi-lanh tác động kép và van 3/2), thi công cơ cấu mâm xoay và lắp ráp bảng điện điều khiển nghiêng 50°. Chương liệt kê danh mục 16 nhóm linh kiện thực tế, xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển chi tiết và bảng phân bổ địa chỉ I/O cho PLC. Tác giả trình bày các bước tạo dự án trong TIA Portal V13, tạo đối tượng công nghệ trục (Axis), cấu hình kiểu phát xung PTO 10.000 xung tương ứng góc quay 360°, cấu hình thời gian tăng/giảm tốc của động cơ và viết mã LAD điều khiển phát xung bằng khối MC_Power kết hợp MC_MoveRelative để quay góc 90°. Cuối cùng, chương trình bày phương thức thiết lập liên kết biến (tags) giữa PLC và WinCC Runtime Advanced để xây dựng giao diện điều khiển, giám sát SCADA.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT

Chương 5 công bố kết quả đạt được sau 16 tuần triển khai: Chế tạo hoàn chỉnh mô hình dây chuyền phần cứng, lắp đặt bảng điện 500 x 500 mm đi dây trong máng nhựa đảm bảo an toàn điện. Động cơ servo và mâm xoay vận hành ổn định, xoay đúng bước góc 90°. Kết quả thực nghiệm chiết rót định thời 6 giây trên 50 lần chạy đạt 45 chai đạt chuẩn mực nước và 5 chai lỗi (do chai đầu tiên bị hụt nước khi mồi bơm), xác định độ chính xác chiết rót đạt 90%. Giao diện SCADA trên WinCC đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành với 2 chế độ Auto/Manual, quản lý người dùng bằng User Login, mô phỏng chuyển động trực quan và hiển thị hiệu ứng thiết bị mang điện theo thời gian thực.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các thành quả kỹ thuật chính so với mục tiêu đề ra: Làm chủ phương pháp giao tiếp và điều khiển động cơ AC Servo bằng tập lệnh Motion, xây dựng thành công dây chuyền chiết rót - đóng nắp - dán nhãn - phân loại vận hành ổn định, thiết kế hoàn thiện hệ thống giám sát SCADA. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm: Tính thẩm mỹ của khung cơ khí chưa cao, việc định lượng bằng bơm thường khiến chai đầu tiên bị hụt nước. Từ đó, chương đề xuất các hướng cải tiến kỹ thuật trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Mô hình dây chuyền hoàn thiện đã vận hành ổn định theo đúng chu trình công nghệ được thiết lập. Các kết quả số liệu kỹ thuật chính đạt được bao gồm:

  • Kích thước cơ khí nhỏ gọn (100 x 100 x 70 cm), cơ cấu mâm xoay được cố định chắc chắn, đảm bảo dịch chuyển chính xác góc 90° ở mỗi chu kỳ mà không xảy ra hiện tượng rung lắc hay trượt bước nhờ cơ chế điều khiển vị trí vòng kín của hệ AC Servo.
  • Cơ cấu đóng nắp và siết nắp vận hành ăn khớp với rãnh ren chai nhựa trong thời gian chu kỳ 4 giây.
  • Khâu kiểm tra phân loại bằng cảm biến điện dung XKC-Y26 và cảm biến quang phối hợp nhịp nhàng với xi-lanh đẩy khí nén, loại bỏ chính xác các sản phẩm lỗi về mức nước hoặc thiếu nắp.
  • Thử nghiệm định lượng chiết rót: Thực nghiệm được tiến hành trên mẫu 50 lần chiết rót chai thể tích 330 ml với thời gian cấp dịch đặt ở mức 6 giây. Số liệu kiểm nghiệm thu được như sau:
Chỉ số thực nghiệm Giá trị ghi nhận Tỷ lệ Nhận xét kỹ thuật
Tổng số lần chạy thử nghiệm 50 lần 100% Quy cách chai nhựa 330 ml
Số chai đạt chuẩn dung tích 45 chai 90% Mực nước ổn định, sai số rất nhỏ từ chai thứ 2 trở đi
Số chai lỗi dung tích 5 chai 10% Chai đầu tiên bị hụt nước do thời gian hút mồi vào đường ống
Năng suất thực tế của mô hình ≥ 60 chai/giờ Đạt yêu cầu Phù hợp với thông số thiết kế ban đầu

Về phần mềm giám sát, hệ thống SCADA trên WinCC Runtime Advanced đã hoàn thiện giao diện điều khiển 2 chế độ (Manual/Auto), bảo mật đăng nhập người dùng (User Login), hiển thị mô phỏng động trạng thái các thiết bị chấp hành và bộ đếm thời gian thực.

Về đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển động cơ AC Servo công nghiệp (Omron R7M-A40030) trực tiếp từ ngõ ra xung tốc độ cao PTO của PLC Siemens S7-1200 thông qua tập lệnh Motion Control chuẩn hóa, không cần trang bị thêm module điều khiển vị trí chuyên dụng đắt tiền. Đồ án cung cấp tài liệu chi tiết về quy trình cấu hình trục (Axis), tính toán điện trở phối hợp dòng điều khiển (1.1 kΩ) và quy trình kết nối biến truyền thông giữa PLC và WinCC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá trực tiếp của nhóm tác giả trong văn bản, đồ án còn tồn tại các hạn chế kỹ thuật sau:

  • Phương pháp định lượng chất lỏng dựa vào việc định thời gian chạy (timer 6 giây) của bơm màng mini 12VDC thông thường khiến lượng nước chiết rót ở chai đầu tiên luôn bị thiếu hụt do đường ống hút ban đầu chưa đầy nước; hệ thống chỉ đạt độ ổn định từ chai thứ hai trở đi.
  • Độ hoàn thiện và tính thẩm mỹ phần cứng cơ khí chưa cao, kết cấu gia công thủ công nên độ chính xác vị trí của từng cơ cấu chưa đạt mức tối ưu của dây chuyền công nghiệp chuyên dụng.
  • Dây chuyền chưa có cơ cấu tự động cấp vỏ chai rỗng ở đầu vào và cơ cấu thu gom, đóng thùng chai thành phẩm ở đầu ra; việc nạp chai vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công của người vận hành.
  • Khả năng kiểm soát chỉ thực hiện trên mô hình chiết rót đơn lẻ (1 chai mỗi chu trình), chưa đồng bộ đa đầu rót.

Các hướng phát triển kỹ thuật được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Thay thế cơ cấu bơm thường bằng hệ thống bơm định lượng chuyên dụng hoặc cơ cấu chiết rót xi-lanh piston để loại bỏ triệt để sai số do mồi ống, nâng cao độ chính xác dung tích chất lỏng.
  • Nâng cấp chất lượng gia công cơ khí bằng máy CNC, bổ sung khung vỏ và các cảm biến bảo vệ để tránh hư hại do môi trường bên ngoài.
  • Thiết kế tích hợp thêm module cấp phôi chai rỗng tự động và khâu thu gom chai thành phẩm ở cuối băng tải 2.
  • Tối ưu hóa giải thuật điều khiển thông minh hơn và mở rộng giao diện điều khiển - giám sát không dây thông qua màn hình HMI công nghiệp, máy tính bảng (Tablet) hoặc thiết bị cầm tay.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện.

Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng thực tế cao trong tài liệu gồm:

  • Toàn bộ quy trình từng bước cấu hình trục chuyển động Axis trong phần mềm TIA Portal V13, phương pháp thiết lập thông số phát xung PTO (10.000 xung/360°) để điều khiển động cơ AC Servo Omron R7M-A40030 quay chia độ chính xác 90°.
  • Sơ đồ mạch đấu nối thực tế giữa ngõ ra logic PLC S7-1200 với đầu vào Driver Servo Omron R7D-AP04H (tính toán điện trở hạn dòng 1.1 kΩ đưa dòng về ngưỡng 7–15 mA).
  • Giải thuật điều khiển tuần tự bằng ngôn ngữ LAD xử lý trôi chảy chu trình phối hợp đa trạm: chiết rót, định vị mâm xoay, siết nắp khí nén, dán nhãn quang học và phân loại phế phẩm.
  • Phương pháp xây dựng giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced liên kết trực tiếp với dữ liệu PLC, tích hợp phân quyền người dùng và mô phỏng hoạt họa trực quan.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC nào và phân bổ số lượng đầu vào/ra (I/O) ra sao? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 mã hiệu CPU 1215C DC/DC/DC (tích hợp sẵn 14 ngõ vào số DI, 10 ngõ ra số DO, 2 ngõ vào tương tự AI và 2 ngõ ra tương tự AO). Mô hình dây chuyền thực tế khai thác sử dụng 11 ngõ vào số DI (kết nối 4 nút nhấn và 7 cảm biến) cùng 10 ngõ ra số DO (điều khiển phát xung servo, chiều quay, các băng tải, bơm nước, van khí nén, động cơ siết nắp, động cơ dán nhãn và đèn báo).

2. Động cơ Servo điều khiển mâm xoay được cấu hình phát xung và vận hành như thế nào? Hệ truyền động mâm xoay sử dụng động cơ AC Servo Omron R7M-A40030 (400W) kết hợp bộ Driver R7D-AP04H. PLC phát xung tốc độ cao qua chân Q0.0 (+PULS) và điều khiển chiều quay qua chân Q0.1 (+SIGN) với điện trở hạn dòng 1.1 kΩ. Trong TIA Portal, trục chuyển động (Axis) được cấu hình 10.000 xung tương ứng một vòng quay 360°. Khi vận hành, hệ thống sử dụng hàm MC_Power để mở trục, hàm MC_Home để lấy gốc 0° qua cảm biến tiệm cận và hàm MC_MoveRelative để phát lệnh quay dịch chuyển tương đối một góc 90° với vận tốc 90°/s.

3. Kết quả thử nghiệm chiết rót đạt độ chính xác bao nhiêu và nguyên nhân gây sai số là gì? Thực nghiệm chiết rót trên 50 lần chạy liên tục cho chai 330 ml ghi nhận 45 chai đạt chuẩn mực nước và 5 chai bị lỗi (thiếu nước), tương đương độ chính xác đạt 90%. Nguyên nhân sai số xuất phát từ việc định lượng bằng cách định thời gian (6 giây) trên động cơ bơm màng 12V thông thường; ở chai đầu tiên, nước chưa được mồi đầy ống dẫn nên lượng nước bơm vào chai bị hụt. Từ chai thứ hai trở đi, dòng chảy ổn định nên sai số định lượng rất nhỏ.

4. Cơ cấu siết nắp và dán nhãn được điều khiển bằng những thiết bị nào? Cơ cấu siết nắp sử dụng xi-lanh khí nén tác động kép TN20x150 (hành trình 7 cm) điều khiển bởi van điện từ 3/2 SY3120-5LZ-M5 (24VDC, thời gian đáp ứng < 32 ms) để đẩy cụm động cơ DC 24V (tốc độ 295 vòng/phút, dòng 2A) tì xuống siết nắp trong thời gian 4 giây. Cơ cấu dán nhãn sử dụng động cơ DC 12-24VDC (công suất 12W, tốc độ có tải 83 vòng/phút) kết hợp với cảm biến nhãn quang học khe SU-02XP để nhận biết vạch kết thúc nhãn và ngắt động cơ dán nhãn chính xác.

5. Giao diện SCADA trên nền tảng WinCC Runtime cung cấp những chức năng gì cho người vận hành? Giao diện WinCC Runtime Advanced cung cấp chức năng bảo mật phân quyền thông qua màn hình đăng nhập (User Login); cho phép lựa chọn và vận hành ở 2 chế độ Tự động (Auto) hoặc Thủ công (Manual); hiển thị trạng thái làm việc thực tế của từng thiết bị chấp hành bằng hiệu ứng đổi màu khi có điện; đồng thời mô phỏng hoạt họa chuyển động tương quan của chai nước trên màn hình giám sát theo đúng diễn biến của dây chuyền thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót sử dụng PLC S7 - 1200" đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật đề ra, từ tính toán thiết kế cơ khí, thi công bảng điện đến lập trình điều khiển và giám sát vận hành. Việc ứng dụng tập lệnh Motion Control để phát xung điều khiển chính xác động cơ AC Servo Omron qua PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện SCADA WinCC Runtime Advanced đã tạo nên một mô hình tự động hóa trực quan, vận hành đồng bộ và ổn định. Kết quả thực nghiệm với độ chính xác chiết rót đạt 90% cùng các phân tích hạn chế thực tế cung cấp nguồn dữ liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tự động.