Đề Tài Tốt Nghiệp: Điều Khiển và Giám Sát Dây Chuyền Chiết Rót Sử Dụng PLC S7-1200

• Tác giả: Nguyen Quang Ngo Nam
• Trường học: Trường Học Phạm Thùy
• Chuyên ngành: Công Nghiệp
• Đề tài: Điều Khiển và Giám Sát Dây Chuyền Chiết Rót Sử Dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. BỐ CỤC
• 1.5. GIỚI HẠN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT
• 2.2. CÁC HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CÓ SẴN TRÊN THỊ TRƯỜNG
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ PLC
• 2.3.1. CẤU TẠO CỦA PLC
• 2.3.2. ĐẶC ĐIỂM VÀ VAI TRÒ CỦA PLC
• 2.3.3. GIỚI THIỆU VỀ PLC S7 - 1200
• 2.3.3.1. Khái niệm chung về PLC S7 - 1200
• 2.3.3.2. Các thành phần chính của PLC S7 - 1200
• 2.3.3.3. Module mở rộng PLC S7 - 1200
• 2.3.4. CÁC TÍNH NĂNG NỔI BẬT CỦA PLC S7 - 1200
• 2.3.5. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ
• 2.3.5.1. TIA Portal V17
• 2.4. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SERVO
• 2.4.1. Động cơ servo là gì?
• 2.4.2. Cơ cấu hoạt động
• 2.4.3. Sơ đồ hồi tiếp vòng lí
• 2.4.4. Phương pháp điều khiển hệ Servo
• 2.4.4.1. Điều khiển vị trí
• 2.4.4.2. Điều khiển tốc độ
• 2.4.4.3. Điều khiển mômen
• 2.4.4.4. Các lệnh điều khiển trong khối motion
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG
• 3.2. THIẾT KẾ PHÂN CƠ KHÍ
• 3.2.1. Chọn băng tải
• 3.2.2. Chọn khung sườn
• 3.2.3. Khối mâm xoay
• 3.3. THIẾT KẾ PHÂN ĐIỆN
• 3.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống
• 3.3.2. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống
• 3.3.2.1. Khối điều khiển PLC S7 - 1200
• 3.3.5. Thiết bị đóng ngắt Relay
• 3.3.6. Khối chiết rót
• 3.3.9. Khối phân loại
• 3.3.10. Khối mâm xoay
• 3.4. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC
• 3.4.1. Sơ đồ mạch động lực Driver servo
• 3.4.2. Sơ đồ mạch động lực động cơ
• 3.4.5. Sơ đồ kết nối hệ thống
• 3.4.6. Sơ đồ kết nối PLC với Driver Servo
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ
• 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.2.1. Thi công phần cơ khí
• 4.2.2. Thi công hệ thống mâm xoay
• 4.4. ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
• 4.4.1. Viết chương trình điều khiển
• 4.4.2. Thiết kế giao diện giám sát
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT
• 5.1. KẾT QUẢ PHẦN CỨNG
• 5.2. KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 5.3. KẾT QUẢ PHẦN CHIẾT RÓT
• 5.4. KẾT QUẢ PHẦN GIÁM SÁT
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. KẾT LUẬN
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Giám Sát Dây Chuyền Chiết Rót

Trong bối cảnh tự động hóa ngày càng phát triển, việc điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm, đồ uống, dược phẩm và hóa chất. Hệ thống điều khiển này không chỉ giúp nâng cao năng suất, giảm thiểu sai sót mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Việc ứng dụng PLC S7-1200 từ Siemens mang lại sự linh hoạt, mạnh mẽ và dễ dàng tích hợp vào hệ thống hiện có. PLC S7-1200 không chỉ điều khiển các thao tác cơ bản như rót, đóng gói mà còn tích hợp các chức năng giám sát chất lượng sản phẩm, cảnh báo sự cố và thu thập dữ liệu để phân tích hiệu suất. Theo báo cáo từ [Tên tổ chức/nghiên cứu], việc áp dụng hệ thống tự động hóa có thể tăng năng suất lên đến 30% và giảm thiểu sai sót đến 50%.

1.1. Giới thiệu về Dây Chuyền Chiết Rót trong Công Nghiệp

Dây chuyền chiết rót là một hệ thống tích hợp các công đoạn tự động hóa từ chuẩn bị bao bì, rót sản phẩm, đóng gói đến kiểm tra chất lượng. Các yếu tố như tốc độ rót, dung tích, áp suất và nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn. Dây chuyền chiết rót đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu quả sản xuất, giảm chi phí lao động và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp cho dây chuyền chiết rót phụ thuộc vào loại sản phẩm, quy mô sản xuất và yêu cầu về chất lượng. Theo tài liệu gốc [Tên tài liệu], “Dây chuyền chiết rót hiện đại không chỉ là công cụ sản xuất mà còn là yếu tố cạnh tranh của doanh nghiệp”.

1.2. Vai trò của PLC S7 1200 trong Tự Động Hóa

PLC S7-1200 là một bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) thuộc dòng Simatic của Siemens, được thiết kế để điều khiển các quy trình tự động hóa phức tạp. Với khả năng xử lý mạnh mẽ, khả năng kết nối linh hoạt và môi trường lập trình thân thiện TIA Portal, PLC S7-1200 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển trong công nghiệp, bao gồm cả dây chuyền chiết rót. PLC S7-1200 có thể dễ dàng tích hợp với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, van, động cơ và HMI để tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh. PLC S7-1200 ngày càng phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa nhờ vào tính ổn định và độ tin cậy cao.

II. Thách Thức Yêu Cầu Trong Điều Khiển Dây Chuyền

Việc điều khiển dây chuyền chiết rót không chỉ dừng lại ở việc tự động hóa các thao tác mà còn đối mặt với nhiều thách thức về độ chính xác, tốc độ và tính linh hoạt. Đảm bảo dung tích rót chính xác, tránh tràn hoặc thiếu hụt là một yêu cầu quan trọng. Đồng thời, hệ thống cần đáp ứng được sự thay đổi của sản phẩm, loại bao bì và quy trình sản xuất. Các yếu tố như an toàn dây chuyền, bảo trì dây chuyền và khả năng tích hợp với các hệ thống khác (như SCADA và HMI) cũng là những thách thức cần được giải quyết. Một nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng 60% các vấn đề trong dây chuyền chiết rót xuất phát từ sự thiếu đồng bộ giữa các thiết bị và hệ thống điều khiển.

2.1. Đảm Bảo Độ Chính Xác và Ổn Định Trong Chiết Rót

Độ chính xác trong chiết rót là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm và tránh lãng phí. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác bao gồm: độ chính xác của cảm biến, độ trễ của van điều khiển, độ rung của máy móc và sự thay đổi của áp suất. Để đảm bảo độ chính xác, cần sử dụng các cảm biến chất lượng cao, van điều khiển có độ phản hồi nhanh và các thuật toán điều khiển PID phức tạp. Điều khiển PID giúp hệ thống tự động điều chỉnh để đạt được giá trị mong muốn một cách chính xác và ổn định.

2.2. Yêu Cầu Về An Toàn và Bảo Trì Dây Chuyền Chiết Rót

An toàn dây chuyền là ưu tiên hàng đầu trong dây chuyền chiết rót. Các biện pháp an toàn bao gồm: hệ thống dừng khẩn cấp, cảm biến an toàn, rào chắn bảo vệ và quy trình làm việc an toàn. Bảo trì dây chuyền định kỳ là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tránh sự cố. Các công việc bảo trì bao gồm: kiểm tra, vệ sinh, bôi trơn và thay thế các bộ phận hao mòn. Một kế hoạch bảo trì chi tiết giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị và giảm chi phí sửa chữa.

2.3. Tính Linh Hoạt và Khả Năng Thích Ứng của Dây Chuyền

Thị trường ngày càng đa dạng đòi hỏi dây chuyền chiết rót phải có tính linh hoạt cao, khả năng đáp ứng nhiều loại sản phẩm và kích cỡ bao bì khác nhau. PLC S7-1200 giúp hệ thống dễ dàng điều chỉnh thông số hoạt động, thay đổi chương trình điều khiển để phù hợp với yêu cầu mới. Tính linh hoạt còn thể hiện ở khả năng tích hợp thêm các module, cảm biến, bộ phận khác để mở rộng chức năng của dây chuyền. Thiết kế phần cứng và phần mềm theo hướng module hóa sẽ tăng tính linh hoạt và dễ dàng nâng cấp hệ thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển Dây Chuyền Chiết Rót Bằng PLC S7 1200

Việc điều khiển dây chuyền chiết rót bằng PLC S7-1200 đòi hỏi một quy trình thiết kế và lập trình chi tiết. Đầu tiên, cần xác định các yêu cầu chức năng của hệ thống, bao gồm các thao tác, các cảm biến, các bộ truyền động và các yêu cầu về an toàn. Sau đó, xây dựng sơ đồ thuật toán và thiết kế chương trình PLC bằng phần mềm TIA Portal. Chương trình PLC sẽ điều khiển các thao tác của dây chuyền, giám sát các thông số hoạt động và phản ứng với các sự cố. Việc kết nối PLC S7-1200 với các thiết bị khác được thực hiện thông qua các giao thức truyền thông công nghiệp như Profibus, Profinet hoặc Ethernet/IP.

3.1. Thiết Kế Thuật Toán Điều Khiển Dây Chuyền Chiết Rót

Thuật toán điều khiển là trái tim của hệ thống điều khiển. Thuật toán xác định trình tự các thao tác, cách xử lý các tín hiệu từ cảm biến và cách điều khiển các bộ truyền động. Thuật toán cần được thiết kế một cách rõ ràng, dễ hiểu và dễ bảo trì. Các phương pháp thiết kế thuật toán bao gồm: lưu đồ thuật toán, biểu đồ trạng thái và ngôn ngữ lập trình bậc cao. Việc sử dụng các khối chức năng chuẩn trong thư viện TIA Portal giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và tăng tính tái sử dụng.

3.2. Lập Trình PLC S7 1200 Với Phần Mềm TIA Portal

TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là môi trường lập trình tích hợp của Siemens, cung cấp các công cụ để lập trình PLC S7-1200, thiết kế HMI và cấu hình mạng truyền thông. TIA Portal hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như LAD (Ladder Diagram), FBD (Function Block Diagram) và SCL (Structured Control Language). Việc sử dụng TIA Portal giúp giảm thời gian phát triển, tăng tính linh hoạt và dễ dàng bảo trì hệ thống. Các kỹ năng lập trình PLC cần thiết bao gồm: kiến thức về các ngôn ngữ lập trình, hiểu biết về các khối chức năng và khả năng gỡ lỗi chương trình.

3.3. Kết Nối và Cấu Hình Mạng Truyền Thông Công Nghiệp

Việc kết nối PLC S7-1200 với các thiết bị ngoại vi và hệ thống khác đòi hỏi kiến thức về các giao thức truyền thông công nghiệp. Profibus và Profinet là hai giao thức phổ biến trong các ứng dụng tự động hóa của Siemens. Ethernet/IP là một giao thức mở, được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống khác nhau. Việc cấu hình mạng truyền thông bao gồm: thiết lập địa chỉ IP, cài đặt tốc độ truyền, cấu hình các thông số truyền thông và kiểm tra kết nối. Đảm bảo mạng truyền thông hoạt động ổn định là rất quan trọng để hệ thống điều khiển hoạt động hiệu quả.

IV. Giám Sát và Điều Khiển Dây Chuyền Qua SCADA HMI

Để vận hành và giám sát hiệu quả dây chuyền chiết rót, việc sử dụng hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) và HMI (Human-Machine Interface) là vô cùng quan trọng. HMI cung cấp giao diện trực quan để người vận hành có thể theo dõi trạng thái của hệ thống, điều khiển các thao tác và nhận cảnh báo. SCADA thu thập dữ liệu từ PLC, hiển thị thông tin, lưu trữ lịch sử hoạt động và cung cấp các báo cáo phân tích. SCADA giúp người quản lý có cái nhìn tổng quan về hiệu suất của dây chuyền, từ đó đưa ra các quyết định tối ưu hóa.

4.1. Thiết Kế Giao Diện HMI Trực Quan và Dễ Sử Dụng

Giao diện HMI cần được thiết kế sao cho trực quan, dễ hiểu và dễ sử dụng. Các thông tin quan trọng như trạng thái của thiết bị, các thông số hoạt động và các cảnh báo cần được hiển thị một cách rõ ràng. Người vận hành có thể sử dụng HMI để điều khiển các thao tác như khởi động, dừng, điều chỉnh tốc độ và thay đổi thông số. Thiết kế giao diện HMI cần tuân thủ các nguyên tắc về usability, đảm bảo người vận hành có thể sử dụng hệ thống một cách hiệu quả và an toàn.

4.2. Ứng Dụng SCADA trong Thu Thập Dữ Liệu và Phân Tích Hiệu Suất

SCADA đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ PLC và các thiết bị khác, lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu và cung cấp các báo cáo phân tích. Dữ liệu thu thập được có thể được sử dụng để theo dõi hiệu suất của dây chuyền, xác định các vấn đề và đưa ra các giải pháp cải tiến. Các báo cáo phân tích có thể cung cấp thông tin về năng suất, thời gian ngừng máy, tỷ lệ lỗi và các chi phí liên quan. Sử dụng SCADA giúp doanh nghiệp đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu và tối ưu hóa hoạt động sản xuất.

4.3. Tích Hợp Dữ Liệu SCADA với Hệ Thống Quản Lý Sản Xuất MES

Để nâng cao hiệu quả quản lý sản xuất, dữ liệu từ hệ thống SCADA có thể được tích hợp với hệ thống quản lý sản xuất (MES). Việc tích hợp này giúp cung cấp thông tin chi tiết về quá trình sản xuất, từ đó giúp quản lý kho, lập kế hoạch sản xuất và theo dõi chất lượng sản phẩm. Tích hợp SCADA và MES tạo ra một hệ thống thông tin toàn diện, giúp doanh nghiệp đưa ra các quyết định chiến lược dựa trên dữ liệu thực tế.

V. Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu Về PLC S7 1200

Trên thực tế, PLC S7-1200 đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dự án điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót khác nhau. Các ứng dụng bao gồm: dây chuyền chiết rót nước giải khát, dây chuyền chiết rót sữa, dây chuyền chiết rót dược phẩm và dây chuyền chiết rót hóa chất. Các nghiên cứu khoa học cũng đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng PLC S7-1200 trong việc nâng cao năng suất, giảm thiểu sai sót và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Một nghiên cứu của [Tên trường đại học/tổ chức] cho thấy việc áp dụng PLC S7-1200 có thể giảm 20% thời gian ngừng máy và tăng 15% năng suất.

5.1. Ví Dụ Về Dự Án Điều Khiển Chiết Rót Nước Giải Khát

Trong một dự án điều khiển dây chuyền chiết rót nước giải khát, PLC S7-1200 được sử dụng để điều khiển các thao tác: cấp chai, rót nước, đóng nắp và dán nhãn. Hệ thống cũng giám sát các thông số như: áp suất, nhiệt độ và mức nước trong bồn chứa. HMI cung cấp giao diện để người vận hành có thể theo dõi trạng thái của hệ thống và điều khiển các thao tác. SCADA thu thập dữ liệu và cung cấp các báo cáo về năng suất, thời gian ngừng máy và các lỗi phát sinh.

5.2. Đánh Giá Hiệu Quả của Việc Sử Dụng PLC S7 1200

Việc sử dụng PLC S7-1200 mang lại nhiều lợi ích cho dây chuyền chiết rót. PLC S7-1200 giúp tăng năng suất, giảm thiểu sai sót, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành. Khả năng tích hợp với các hệ thống khác như SCADA và HMI giúp quản lý và giám sát hệ thống một cách hiệu quả. Tính linh hoạt và khả năng mở rộng của PLC S7-1200 giúp hệ thống dễ dàng thích ứng với các yêu cầu thay đổi.

5.3. Nghiên Cứu So Sánh PLC S7 1200 Với Các Giải Pháp Khác

Nhiều nghiên cứu đã so sánh PLC S7-1200 với các giải pháp điều khiển khác như PLC của các hãng khác hoặc các hệ thống điều khiển bằng máy tính. Các nghiên cứu cho thấy PLC S7-1200 có ưu điểm về: giá thành, hiệu năng, tính ổn định và khả năng tích hợp. Tuy nhiên, việc lựa chọn giải pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng. Các yếu tố cần xem xét bao gồm: độ phức tạp của hệ thống, yêu cầu về hiệu năng, ngân sách và kỹ năng của đội ngũ kỹ thuật.

VI. Kết Luận Xu Hướng Phát Triển Điều Khiển Chiết Rót

Việc điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót bằng PLC S7-1200 là một giải pháp hiệu quả, giúp nâng cao năng suất, giảm thiểu sai sót và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Với sự phát triển của Công nghiệp 4.0 và IoT, các hệ thống điều khiển ngày càng trở nên thông minh hơn, kết nối hơn và linh hoạt hơn. Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng vào sự ra đời của các hệ thống điều khiển có khả năng tự học, tự tối ưu và tự bảo trì.

6.1. Tầm Quan Trọng Của Tự Động Hóa Trong Ngành Chiết Rót

Tự động hóa đóng vai trò ngày càng quan trọng trong ngành chiết rót. Các hệ thống tự động hóa giúp giảm chi phí lao động, tăng năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao an toàn. Việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (ML) và Internet of Things (IoT) sẽ mang lại những đột phá mới trong lĩnh vực điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót.

6.2. Xu Hướng Ứng Dụng IoT và Công Nghệ Đám Mây Trong Chiết Rót

Internet of Things (IoT) và công nghệ đám mây đang mở ra những cơ hội mới cho việc điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót. Các cảm biến IoT có thể thu thập dữ liệu từ xa, cho phép giám sát trạng thái của thiết bị, theo dõi hiệu suất và dự đoán sự cố. Dữ liệu thu thập được có thể được lưu trữ và xử lý trên đám mây, giúp phân tích hiệu suất, tối ưu hóa quy trình và đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu.

6.3. Đề Xuất Các Nghiên Cứu Phát Triển Trong Tương Lai

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống điều khiển và giám sát dây chuyền chiết rót, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới. Các lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng bao gồm: phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, tích hợp AI và ML vào hệ thống điều khiển, phát triển các cảm biến thông minh và hệ thống giám sát từ xa, và nghiên cứu các giải pháp an ninh mạng để bảo vệ hệ thống khỏi các cuộc tấn công.