Báo cáo đồ án: Thiết kế mô hình và mô phỏng chiết rót nắp chai tự động

Tải full file đồ án chiết rót chai tự động sử dụng PLC S7-1200. Báo cáo chi tiết thiết kế mô hình, mô phỏng trên WinCC và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Lê Hoàng Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS Trương Tấn
• Trường học: Trường đại học Sài Gòn
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Đồ án Chiết Rót Chai Tự Động PLC S7-1200 (Full File)
• Loại tài liệu: Báo cáo kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Chiết Rót Chai Tự Động PLC S7 1200

Đồ án chiết rót chai tự động sử dụng PLC S7-1200 là một hệ thống tự động hóa hiện đại được thiết kế và mô phỏng tại Trường Đại Học Sài Gòn. Đây là một dự án kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và điều khiển PLC. Hệ thống này kết hợp giữa phần cứng PLC Siemens S7-1200 với phần mềm WinCC V16 để tạo nên một giải pháp toàn diện cho dây chuyền sản xuất chiết rót. Đồ án này giúp sinh viên nắm vững kiến thức về lập trình PLC, thiết kế hệ thống SCADA, và giao diện HMI trong ứng dụng thực tế. Mục tiêu chính của dự án là xây dựng một mô hình tự động hóa chiết rót nắp chai hiệu quả, an toàn và dễ quản lý thông qua các công cụ phần mềm chuyên dụng.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Chiết Rót Tự Động

Hệ thống chiết rót tự động là một dây chuyền sản xuất được điều khiển bởi PLC để thực hiện các công việc chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai một cách tự động. Hệ thống này sử dụng các cảm biến quang điện, động cơ, van điều khiển và các thiết bị điện khác để hoạt động một cách chính xác và hiệu quả. Qua mô hình này, các kỹ sư có thể kiểm tra, tối ưu hóa và nâng cấp quy trình sản xuất mà không cần phải thử nghiệm trên dây chuyền thực tế phức tạp và tốn kém.

1.2. Ý Nghĩa Và Ứng Dụng Thực Tế

Đồ án chiết rót chai tự động có ý nghĩa rất lớn trong ngành công nghiệp nước giải khát, dược phẩm và hóa chất. Nó giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Thông qua mô phỏng trên WinCC, các kỹ sư có thể tiến hành kiểm thử chương trình trước khi triển khai thực tế, từ đó giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa hiệu quả hoạt động.

II. Cấu Trúc Và Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống chiết rót tự động bao gồm nhiều thành phần quan trọng được tích hợp một cách hợp lý. Khối điều khiển chính là PLC S7-1200 của Siemens, đây là bộ điều khiển lập trình được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phần mềm TIA Portal V16 được sử dụng để lập trình PLC và tạo giao diện giám sát. Hệ thống SCADA giúp theo dõi và quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất từ một giao diện HMI trực quan. Các cảm biến quang điện, relay điều khiển, động cơ điện và van solenoid là những thiết bị thực hiện các chuyển động vật lý. Tủ điện chứa các thiết bị đi dây, các MCB bảo vệ và nguồn tổ ong cung cấp điện cho toàn hệ thống.

2.1. Vai Trò Của PLC S7 1200 Trong Hệ Thống

PLC S7-1200 là trái tim của hệ thống tự động hóa chiết rót. Nó xử lý tất cả các tín hiệu từ cảm biến, thực hiện logic điều khiển theo chương trình được lập trình sẵn, và điều khiển các thiết bị cơ khí. PLC nhận dữ liệu từ các cảm biến E3F-DS30P1 để biết vị trí chai, kích hoạt van điều khiển để chiết rót nước, và điều khiển động cơ để đóng nắp. Khả năng xử lý nhanh và tính tin cậy cao của S7-1200 đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

2.2. Giao Diện HMI Và Hệ Thống Giám Sát SCADA

Giao diện HMI được thiết kế trên WinCC V16 cung cấp cho người điều hành một cách để theo dõi và điều khiển toàn bộ hệ thống. Trên màn hình SCADA, người dùng có thể thấy trạng thái của các cảm biến, điều khiển chế độ tự động hoặc chế độ thủ công, và xem các thông số kỹ thuật của dây chuyền. Hệ thống này cho phép ghi nhật ký sự kiện và cảnh báo lỗi để người vận hành có thể nhanh chóng phát hiện và xử lý sự cố.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Của Dây Chuyền Chiết Rót Tự Động

Dây chuyền chiết rót tự động hoạt động theo một quy trình logic được lập trình trong PLC S7-1200. Quá trình bắt đầu khi cảm biến quang điện phát hiện chai trống trên băng tải. PLC kích hoạt động cơ để chuyển chai đến vị trí chiết rót thích hợp. Khi chai đến đúng vị trí, van solenoid được mở để cho phép nước chảy vào chai với lượng đã được định sẵn. Cảm biến mức nước giám sát quá trình này. Sau khi chiết rót xong, van tự động đóng lại, và băng tải tiếp tục chuyển chai đến vị trí đóng nắp. Một cánh tay robot hoặc thiết bị cơ khí sẽ đặt nắp lên chai và xoắn chặt. Cuối cùng, chai được chuyển đến vị trí dán nhãn hoặc đóng gói. Toàn bộ quá trình này được giám sát thực thời thông qua hệ thống SCADA.

3.1. Các Giai Đoạn Chính Trong Quy Trình Chiết Rót

Giai đoạn đầu tiên là cấp chai, sử dụng cánh tay robot hoặc băng tải để đưa chai đến vị trí chiết rót. Giai đoạn thứ hai là chiết rót nước, sử dụng bồn chứa và van điều khiển để đổ nước với lưu lượng chính xác. Giai đoạn thứ ba là đóng nắp chai, sử dụng cánh tay robot hoặc thiết bị cơ khí để đặt và xoắn nắp. Mỗi giai đoạn được kiểm soát chặt chẽ bởi PLC để đảm bảo chất lượng.

3.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Phản Hồi

Cảm biến quang điện E3F-DS30P1 phát hiện vị trí chai trên băng tải. Cảm biến mức nước FAID-BN-0A giám sát lượng nước trong chai để đảm bảo độ chính xác. Các tín hiệu từ cảm biến được gửi đến PLC, nơi chương trình sẽ so sánh với giá trị thiết lập và điều chỉnh các thiết bị thực hiện theo đó. Hệ thống phản hồi kín này đảm bảo độ chính xác cao và khả năng thích ứng với các thay đổi.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Tầm Quan Trọng Trong Công Nghiệp

Đồ án chiết rót chai tự động không chỉ là một bài tập học thuật mà còn có ứng dụng thực tế rất lớn trong các ngành công nghiệp. Các công ty sản xuất nước giải khát, nước tinh khiết, dầu ăn và các sản phẩm lỏng khác đều sử dụng các hệ thống tự động hóa tương tự để tăng năng suất và giảm chi phí. PLC S7-1200 được chọn vì tính tin cậy cao, dễ bảo trì, và chi phí hợp lý. Mô hình này giúp các kỹ sư thử nghiệm các cải tiến trước khi triển khai trên dây chuyền thực tế. Hệ thống SCADA cho phép quản lý từ xa và thu thập dữ liệu để phân tích hiệu suất sản xuất. Đây là một ví dụ điển hình của tự động hóa công nghiệp 4.0 trong thực tế.

4.1. Lợi Ích Của Tự Động Hóa Trong Sản Xuất

Tự động hóa chiết rót mang lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội. Tăng năng suất là lợi ích đầu tiên, một hệ thống tự động có thể xử lý hàng trăm chai mỗi giờ. Giảm chi phí nhân công là lợi ích thứ hai, máy làm việc 24/7 mà không cần nghỉ ngơi. Nâng cao chất lượng là lợi ích thứ ba, độ chính xác của máy cao hơn con người. Giảm lãng phí vật liệu cũng là một điểm mạnh của tự động hóa.

4.2. Hướng Phát Triển Và Nâng Cấp Trong Tương Lai

Hệ thống chiết rót tự động có thể được nâng cấp với trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quy trình dựa trên dữ liệu thực tế. Kết nối với cloud cho phép quản lý từ xa và phân tích dữ liệu trên quy mô lớn. Sử dụng robot collaborative sẽ tăng tính linh hoạt của hệ thống. Cảm biến thông minh có thể dự báo lỗi trước khi chúng xảy ra, từ đó giảm thời gian dừng máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: Tổng quan về đề tài 1.1 Khái quát Mô hình chiết rót đóng chai không phải là một mô hình quá mới mẻ trong nền công nghiệp tự động hóa, nhưng mô hình này là mô hình được sử dụng rộng rải và mang lại nhiều hiệu quả thiết thực trong ngành tự động hóa nói chung, cũng như trong các nhà máy sản xuất nước uống đóng nắp nói riêng. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của các thiết bị tân tiến, mô hình chiết rót đóng chai cũng không ngừng đổi mới và hoàn thiện hơn từng ngày. Lý do nhóm chúng em chọn đề tài : “TỰ ĐỘNG HÓA DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT DÙNG PLC S7-1200” làm đồ án cho khóa luận tốt nghiệp là vì: Tính khả thi: Vì mô hình này không phải mô hình quá mới mẻ, nên tài liệu tham khảo về mô hình này sẽ tương đối nhiều và dễ tiếp cận. Thêm vào đó, mô hình này đã có nhiều nhóm sinh viên cũng như nhiều nhà máy thực hiện và đi vào hoạt động.

Nên về hướng đi, nhóm có thể linh động trong việc chọn làm theo một mô hình đã có hoặc chọn kết hợp các khâu của các mô hình khác thành một mô hình phù hợp với nhóm. Tính vận dụng: Mô hình chiết rót đóng chai là mô hình mang tính vận dụng cơ bản các môn học đã học, như trong chuyên ngành tự động hóa có: lập trình PLC, lập trình giám sát và điều khiển hệ thống,…; trong chuyên ngành điện có: thiết bị và khí cụ điện, đấu nối dây và đảm bảo an toàn điện,…;trong chuyên ngành khác có: hệ thống khí nén. Tóm lại, nhóm chúng em chọn đề tài này là vì an toàn, ít rủi ro và đảm bảo vận dụng các kiến thức đã tích lũy trong quá trình học tập.2 Mô hình tự động hóa dây chuyền chiết rót dùng PLC s7-1200 Khảo sát các dây chuyền chiết rót của các nhà máy nhằm xác định nguyên lý hoạt động chung: Hình .1 Hình ảnh dây chuyền chiết rót bình 19L của công ty LAVIE 1 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 Hình .2 Hình ảnh tủ điện cho dây chuyền chiết rót sử dụng PLC DELTA Khảo sát các mô hình đồ án của các nhóm sinh viên nhằm xác định hướng đi cho nhóm: Hình .3 Hình ảnh hệ thống chiết rót dùng mâm xoay của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 Hình .4 Mô hình chiết rót đóng chai dùng PLC SIEMENS S7 1200 Hình .5 Bố trí thiết bị và đi dây cho hộp điều khiển, nguồn tổ ong, role với domino 3 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 Hình .6 Mô hình đồ án chiết rót đóng nắp và dán nhãn dùng PLC SIEMENS ĐH Tôn Đức Thắng Hình .7 Bố trí thiết bị và đi dây Hình .8 Khâu cấp chai bằng cánh tay robot 4 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 Hình .9 Khâu chiết rót dùng bồn chứa và van Hình .10 Khâu cấp nắp dùng cánh tay robot Hình .11 Khâu đóng nắp 5 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 Hình .12 Khâu lưu kho Hướng đi của nhóm là xây dựng một hệ thống chiết rót hoạt động trên cùng một băng tải: Hình .13 Mô hình dây chuyền chiết rót đóng chai dùng PLC S7-1200 được mô phỏng trên WinCC 1.3 Nguyên Lý hoạt động Khi nhấn nút START trên bảng điều khiển, hệ thống được khởi động và chuyển sang trạng thái chờ. Khi Cảm biến số 1 phát hiện có chai ở đầu băng tải, lập tức cho băng tải chuyển động.

Băng tải sẽ có nhiệm vụ vận chuyển chai qua cái khâu làm việc của hệ 6 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 thống. Khi Cảm biến số 2 phát hiện chai, xác định chai đã đến khâu chiết rót, ở vị trí thích hợp để chiết rót, đồng thời kích tín hiệu dừng băng tải, máy bơm bắt dầu hoạt động bơm nước vào chai. Sau thời gian 5s chai đầy nước với mức dung tích cố định ( muốn thay đổi dung tích của chai trong quá trình chiết rót thì thay đổi thời gian bơm). Khi khi bơm hoạt động 5s xong, lập tức kích tín hiệu dừng máy bơm, băng tải hoạt động.

Chai đi qua khâu lấy nắp (khâu lấy nắp là một hệ cơ khí sử dụng máng trượt đưa nắp chai vào rảnh, khi chai đi qua sẽ tự động kéo nắp chai) đến khâu đóng nắp. Khi Cảm biến số 3 phát hiện chai, xác định chai đang ở khâu đóng nắp, cảm biết kích tính hiệu cho motor số 2 đẩy xuống cố định chai và gửi chai ở đúng vị trí đóng nắp, động cơ 3 được khởi động và tiến hành đóng nắp. Quá trình đóng nắp hoạt động theo thời gian được cài đặt trong timer nội của PLC. Khi hoạt động hết thời gian quá trình đóng nắp sẽ tự động dừng và kích tính hiệu để motor 2 kéo hệ thông đi lên, khi chạm cảm biến trên thì motor 2 dừng, hệ thống băng tải hoạt động đưa chai sang hệ thống kế tiếp.( Dán nhãn, đóng thùng.

7 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU SCADA 2.1 Giới thiệu về hệ thống Scada 2.1 Khái niệm Scada SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đúng như tên gọi của nó, SCADA là một phần mềm hệ thống được sử dụng để giám sát, điều khiển và thu thập thông tin dữ liệu của hệ thống phần cứng. Nó được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy để giám sát và điều khiển các dây chuyền và máy móc sản xuất. Một cách tốt để hiểu hệ thống SCADA là gì và nó có thể được sử dụng ở đâu? thì chúng ta có thể hiểu điều này đơn giản hơn khi tìm hiểu về kim tự tháp tự động hóa.1 Kim tử tháp tự động hóa Hệ thống SCADA được đặt ở cấp độ theo dõi và giám sát trong kim tự tháp tự động hóa. Kim tự tháp tự động hóa là một khái niệm được xuất bản trong ISA-95 và IEC 62264-3, nhằm cố gắng mô tả cách các hệ thống khác nhau hoạt động tương hỗ cùng nhau.

Ở đỉnh kim tự tháp, bạn sẽ có tất cả các thông tin dữ liệu về hệ thống để xử lý về mặt kinh doanh, lập kế hoạch và hậu cần. Và ở dưới cùng, bạn có tất cả các hệ thống, thiết bị hiện trường hoạt động. Hệ thống SCADA được đặt ngay giữa kim tự tháp tự động hóa. Bên dưới hệ thống SCADA là tất cả các thiết bị hoạt động như PLC, cảm biến, v.

Công việc của SCADA thực sự là điều khiển và giám sát tất cả các thiết bị này. Nhưng đồng thời cũng gửi và nhận thông tin từ hệ thống MES hoặc ERP phía trên.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống Scada 8 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Scada Một lần nữa, hệ thống SCADA là điểm gặp gỡ và kết nối giữa IT và OT. Khái niệm cơ bản thực sự của SCADA là về trao đổi thông tin và khả năng kiểm soát (giám sát và điều khiển). Đặc biệt là cách bạn thường thấy các hệ thống SCADA được sử dụng.

Hệ thống SCADA về mặt vật lý sẽ giống như một màn hình. Thường sẽ có nhiều màn hình trong đó người vận hành có thể vừa điều khiển vừa giám sát tất cả các thành phần liên quan trong một hệ thống, máy móc hoặc thậm chí toàn bộ nhà máy. Điều này có thể dễ được hình dung với ví dụ: một P&ID (sơ đồ đường ống và các thiết bị đo đạc). Điều quan trọng nhất là người vận hành hiểu các phần khác nhau của hệ thống SCADA và những gì họ cần làm là điều khiển hay giám sát.

Tất cả các màn hình này về cơ bản là giao diện HMI (human-machine interfaces “giao diện người máy”). Chúng là giao diện giữa người vận hành và máy móc. Quay lại như những ngày sơ khai, một HMI thực sự chỉ là một loạt các nút nhấn và tín hiệu đèn điều khiển. Nhưng bây giờ, với những hệ thống hiện đại, tân tiến; bạn sẽ thấy thường có màn hình cảm ứng ở máy hoặc trong phòng điều khiển.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA Nói một cách đơn giản HMI là một phần của SCADA.

Bởi vì HMI chỉ là màn hình hoặc chính giao diện, SCADA là một ứng dụng hoặc toàn bộ hệ thống đằng sau tất cả các màn hình đó. Một hệ thống SCADA có thể có nhiều HMI để điều khiển và giám sát các bộ phận khác nhau của nhà máy. Nếu chúng ta xem xét kỹ hơn cấu trúc của SCADA thì sẽ thấy rõ rằng nó chứa nhiều thứ hơn là chỉ HMI. Nó là toàn bộ cơ sở hạ tầng của các thiết bị có thể giao tiếp.

Ứng dụng SCADA thường chạy trên máy chủ. Sau đó, những thiết bị khách như máy tính để bàn và màn hình HMI kết nối với máy chủ để sử dụng giao diện và cơ sở dữ liệu của hệ thống SCADA. Vì các thiết bị như PLC và RTU cũng được kết nối với máy chủ, nên bây giờ chúng ta có thể sử dụng SCADA để điều khiển và giám sát hoạt động của nó. 9 BÁO CÁO KỸ THUẬT NGUỒN PHÂN TÁN 2022 RTU hoặc thiết bị đầu cuối từ xa hơi giống PLC.

Bạn có thể kết nối các cảm biến với RTU và nó sẽ chuyển đổi tín hiệu, dữ liệu của chúng sang dữ liệu kỹ thuật số. Dữ liệu kỹ thuật số này sau đó sẽ được đưa vào hệ thống SCADA. Một hệ thống SCADA cơ bản có các thành phần chinh là MTU, RTU và thành phần truyền thông, 2.1 MTU ( Master Terminal Unit) MTU là trung tâm của một hệ thống SCADA, trong thực tế nó thường là một hệ máy tinh công nghiệp. MTU giao tiếp với người điều hanh và RTU thông qua khối truyền thông.

Ngoài ra MTU còn được kết nối với các thiết bị ngoại vi như monitor, máy in và có thể kết nối với mạng truyền thông. Nhiệm vụ của MTU bao gồm: - Cập nhật dữ liệu từ các thiết bị RTU và nhận lệnh từ người điều hanh - Xuất dữ liệu đến các thiết bị thi hanh RTU. - Hiển thị các thông tin cần thiết về các quá trinh cũng như trạng thai của các thiết bị lên màn hình giúp cho người điều hanh giam sát và điều khiển. - Lưu trữ, xử lý các thông tin và giao tiếp với các hệ thống thông tin khác.2 RTU (Remote Terminal Unit) RTU thu thập thông tin từ Xa, thường xuyên đặt tại nơi làm việc để thu nhập dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến, các đồng hồ đo,.