Đồ án tốt nghiệp: Dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai (PLC S7-200)

Tải đồ án dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động. Tài liệu tham khảo chi tiết về hệ thống điều khiển và giám sát bằng PLC S7-200.

• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Hệ Thống Chiết Rót, Đóng Nắp, Dán Nhãn Chai
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Dây Chuyền Chiết Rót Đóng Nắp Dán Nhãn Chai

Đồ án dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai là một trong những đề tài quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Các sản phẩm tiêu dùng như bia, rượu, nước giải khát, và hóa mỹ phẩm đều được chứa đựng trong bao bì dạng chai lọ với nhiều ưu điểm nổi bật như giá thành hạ, độ cứng cáp cao, tính thẩm mỹ vượt trội và dễ sản xuất. Hệ thống chiết rót đóng nắp chai đóng vai trò then chốt trong quy trình sản xuất, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Đề tài này tập trung vào việc điều khiển và giám sát toàn bộ quy trình từ chiết rót, đóng nắp cho đến dán nhãn, sử dụng công nghệ PLC hiện đại.

1.1. Ý Nghĩa của Đồ án Chiết Rót Đóng Nắp Chai

Dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai mang lại giải pháp tự động hóa toàn diện cho ngành công nghiệp đóng gói. Nó giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Qua đề tài này, người học có cơ hội áp dụng kiến thức về lập trình PLC Siemens S7-200, hiểu rõ về phần mềm Simatic Step 7 và thiết kế phần cứng tối ưu cho hệ thống điều khiển tự động.

1.2. Mục Tiêu của Đồ án

Mục tiêu chính của đồ án dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai bao gồm nắm vững kiến thức lập trình PLC, sử dụng thành thạo phần mềm Simatic Step 7, và thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả. Bên cạnh đó, sinh viên cần phát triển kỹ năng làm việc theo nhóm, khả năng tìm tòi, nghiên cứu và ứng dụng kiến thức vào thực tiễn sản xuất công nghiệp.

II. Công Nghệ PLC trong Điều Khiển Dây Chuyền Sản Xuất

PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển lập trình được sáng tạo năm 1968 bởi các kỹ sư hãng General Motor. Đây là một máy tính công nghiệp thu nhỏ với tiêu chuẩn cao và khả năng lập trình logic mạnh mẽ. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, hệ thống PLC đã trở thành giải pháp lý tưởng cho tự động hóa quy trình sản xuất như chiết rót, đóng nắp chai. So với các hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơle điện, PLC mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn, độ tin cậy ổn định, và khả năng nâng cấp dễ dàng. Việc sử dụng PLC S7-200 trong dây chuyền chiết rót đóng nắp giúp tối ưu hóa quá trình, giảm thiểu lỗi sản xuất.

2.1. Cấu Trúc và Nguyên Tắc Hoạt Động PLC

Hệ thống PLC bao gồm ba khối chính: khối Module Input (nhận dữ liệu digital, analog), khối CPU (Central Processing Unit) (xử lý chương trình điều khiển), và khối Module Output (phát tín hiệu điều khiển). Trong dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai, khối Input nhận tín hiệu từ các cảm biến, CPU xử lý logic điều khiển, và khối Output điều khiển các động cơ, xy-lanh pneumatic. PLC S7-200 được lập trình qua Simatic Step 7 để thực hiện các tác vụ điều khiển phức tạp với độ chính xác cao.

2.2. Ưu Thế của PLC trong Ứng Dụng Công Nghiệp

PLC mang lại nhiều ưu thế trong điều khiển dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai như: điều khiển linh hoạt, đa dạng; lượng contact lớn, tốc độ hoạt động nhanh; dễ sửa chữa, thay đổi chương trình; độ ổn định, tin cậy cao; kích thước nhỏ gọn; khả năng kết nối mạng để giám sát từ xa. Hệ thống PLC giúp giảm chi phí bảo trì so với rơle điện truyền thống, đồng thời nâng cao hiệu suất sản xuất lên 50-70%.

III. Quy Trình Thiết Kế Hệ Thống Chiết Rót Đóng Nắp Dán Nhãn Chai

Thiết kế dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai là quá trình phức tạp đòi hỏi kỹ lưỡng từ phân tích nhu cầu đến triển khai thực tế. Hệ thống điều khiển tự động này cần tích hợp nhiều thành phần: các cảm biến (cảm biến vị trí, áp suất), các thiết bị chuyên dụng (máy chiết rót, máy đóng nắp, máy dán nhãn), PLC S7-200, và các bộ phận cơ khí chính xác. Quá trình thiết kế bao gồm phân tích yêu cầu, vẽ sơ đồ điều khiển, thiết kế phần cứng, lập trình PLC qua Simatic Step 7, và kiểm tra, tối ưu hóa hệ thống. Mục tiêu là xây dựng dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai có hiệu suất cao, chất lượng ổn định, và dễ bảo trì.

3.1. Phân Tích Yêu Cầu và Thiết Kế Sơ Đồ Điều Khiển

Bước đầu tiên trong thiết kế dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai là xác định rõ yêu cầu: tốc độ sản xuất, độ chính xác thể tích chiết rót, số lượng chai cần xử lý mỗi phút. Tiếp theo, lập sơ đồ khối điều khiển cho toàn hệ thống, xác định các tín hiệu vào/ra, liên kết giữa các khối chức năng. Sơ đồ I/O (Input/Output) của PLC S7-200 cần được thiết kế chi tiết để đảm bảo các cảm biến và bộ chuyên động hoạt động hiệp thức.

3.2. Lập Trình PLC và Kiểm Chứng Hệ Thống

Lập trình PLC S7-200 sử dụng Simatic Step 7 để tạo logic điều khiển cho dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai. Chương trình cần bao gồm: khối quản lý trạng thái (khởi động, chạy, dừng), logic điều khiển từng trạm (chiết rót, đóng nắp, dán nhãn), xử lý sai sót và an toàn. Sau khi lập trình, tiến hành kiểm chứng, mô phỏng trên phần mềm rồi nạp vào PLC. Cuối cùng, thử nghiệm thực tế trên dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai để đảm bảo hoạt động ổn định, an toàn, hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Triển Vọng Phát Triển

Dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiêu dùng: thực phẩm (bia, rượu, nước giải khát), hóa mỹ phẩm (nước hoa, gel rửa), dầu thực vật, và nước điều chế. Mỗi ngành có yêu cầu khác nhau về độ chính xác, tốc độ, và đặc tính vật liệu. Hệ thống PLC trong dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai cung cấp khả năng giám sát từ xa thông qua giao diện SCADA, cho phép quản lý tập trung, theo dõi hiệu suất sản xuất, và phát hiện sự cố kịp thời. Với sự phát triển của công nghiệp 4.0, dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai có xu hướng tích hợp kỹ thuật AI, IoT, nâng cao tính tự chủ và tối ưu hóa năng suất lên 80-90%.

4.1. Ứng Dụng trong Các Ngành Công Nghiệp

Dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai được triển khai trong các nhà máy sản xuất nước giải khát, bia, rượu, nước hoa, gel, dầu ở Việt Nam và trên thế giới. Mỗi ứng dụng có yêu cầu kỹ thuật riêng: thực phẩm cần đạt tiêu chuẩn vệ sinh khắt khe, hóa mỹ phẩm cần độ chính xác về thể tích cao. PLC S7-200 điều khiển các tham số như tốc độ chiết rót, áp lực đóng nắp, vị trí dán nhãn, tối ưu cho từng loại sản phẩm. Hiện nay, dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai tự động đã thay thế lao động thủ công, tăng năng suất và giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Công Nghệ Tự động Hóa

Tương lai của dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai hướng tới tự động hóa thông minh với tích hợp AI, machine learning, IoT. Hệ thống PLC hiện đại sẽ kết nối với đám mây (cloud), cho phép giám sát toàn cầu, dự báo bảo trì, tối ưu hóa tự động. Công nghệ vision system sẽ nâng cao chất lượng kiểm tra nhãn, phát hiện lỗi sản phẩm. Dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn chai sẽ trở thành hệ thống sản xuất linh hoạt, dễ dàng chuyển đổi giữa các loại sản phẩm khác nhau, phù hợp với nhu cầu thị trường đa dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Giới thiệu đề tài Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn đƣợc chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ nhƣ: bia, rƣợu, nƣớc giải khát, hóa mỹ phẩm, v.v…, với nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ sản xuất. Cũng chính vì lý do này mà nhóm em đã thống nhất và đi đến quyết định chọn đề tài “Điều khiển và giám sát hệ thống chiết rót đóng nắp chai”. Mục đích cần đạt đƣợc sau khi hoàn thiện đề tài Đối với đề tài: - Kiến thức về lập trình PLC Siemens S7-200.

- Kiến thức về phần mềm Simatic Step 7. - Thiết kế phần cứng bằng phƣơng pháp tối ƣu nhất. Đối với cá nhân - Với bản thân ngƣời thực hiện đề tài, đây là cơ hội tốt để có thể tự kiểm tra lại kiến thức của mình, đồng thời có cơ hội nỗ lực vận động tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu đƣợc với những vấn đề mình chƣa biết, chƣa hiểu rõ nhằm trang bị cho bản thân những kiến thức bổ ích cần thiết để sau này có thể ứng dụng vào thực tế. - Kĩ năng làm việc theo nhóm, khả năng tìm tòi, học hỏi, phát huy năng lực ƣu điểm của bản thân.

1 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2:TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 2. Giới thiệu Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đƣợc sáng tạo từ những ý tƣởng ban đầu của một nhóm kỹ sƣ thuộc hãng General Motor vào năm 1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nƣớc ta nhƣ là 1 giải pháp lý tƣởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt đƣợc những ƣu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp.

Nhƣ vậy, PLC là 1 máy tính thu nhỏ nhƣng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa. Quá trình phát triển của kĩ thuật điều khiển: 2. Hệ thống điều khiển là gì? Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử.

Nó dùng để vận hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt. Hệ thống điều khiển dùng rơle điện Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60 và 70, những máy móc tự động đƣợc điều khiển bằng những rơle điện từ nhƣ các bộ định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ. Những thiết bị này đƣợc liên kết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển). Nhƣ vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ điều khiển rất lớn.

Điều đó dẫn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hƣ hỏng rất phức tạp và khó 2 Đồ án tốt nghiệp khăn. Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều khiển thì bắt buộc thiết kế lại từ đầu. Hệ thống điều khiển dùng PLC Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện. Những năm 80, ngƣời ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ tinh cậy, ổn định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trƣờng công nghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Đó là bộ điều khiển lập trình đƣợc chuẩn hóa theo ngôn ngữ Anh Quốc là Programmable Logic Controller (viết tắt là PLC). Điều khiển dùng PLC Hình 2. Các khối chức năng Một PLC có khối Module Input, khối CPU(Central Processing Unit) và khối Module Output. Khối Module Input có chức năng thu nhận các dữ liệu digital, analog và chuyển thành các tín hiệu cấp vào CPU.

Khối CPU quyết định và thực hiện chƣơng trình điều khiển thông qua chƣơng trình 3 Đồ án tốt nghiệp chứa trong bộ nhớ. Khối Module Output chuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dữ liệu analog, digital thực hiện điều khiển các đối tƣợng. Ví dụ: điều khiển động cơ theo sơ đồ bên dƣới: Điều khiển bằng Rơle điện: 4 Đồ án tốt nghiệp Điều khiển bằng PLC: 2. Các chủng loại PLC Hiện nay, một số PLC đƣợc sử dụng trên thị trƣờng Việt Nam: - Mỹ:Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments, Cutter Hammer,.

- Đức: Siemens, Boost, Festo. - Hàn Quốc: LG - Nhật: Mitsubishi, Omron, Panasonci, Fanuc, Mashushita, Fuzi,Koyo,. Và nhiều chủng loại khác. Các sản phẩm nhƣ: Logo!, Easy, Zen,.

cũng đƣợc chế tạo ra để đáp ứng những yêu cầu điều khiển đơn giản. Ƣu thế của hệ thống điều khiển dùng PLC - Điều khiển linh hoạt, đa dạng. - Lƣợng contact lớn, tốc độ hoạt động nhanh. - Tiến hành thay đổi và sửa chữa - Độ ổn định, độ tin cậy cao.

- Lắp đặt đơn giản. - Kích thƣớc nhỏ gọn. - Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống. Hạn chế - Giá thành (tùy theo yêu cầu máy).

- Cần một chuyên viên để thiết kế chƣơng trình cho PLC hoạt động. - Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần dùng PLC. - PLC sẽ bị ảnh hƣởng khi hoạt động cao, độ rung mạnh. Các ứng dụng của PLC - Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, ximăng, nƣớc giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,.

- Rửa xe ôtô tự động. - Thiết bị khai thác. - Giám sát hệ thống, an toàn nhà xƣởng. - Hệ thống báo động.

- Điều khiển thang máy. - Điều khiển động cơ. 6 Đồ án tốt nghiệp - Cửa tự động - Bơm nƣớc. - Báo giờ trƣờng học, công sở,.

- Máy cắt sản phẩm, vô chai,. - Và còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác. Cấu trúc phần cứng PLC S7 200 PLC là bộ điều khiển lập trình và đƣợc xem là máy tính công nghiệp. Do công nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi, chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung tâm (CPU).

Sự thay đổi này nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ, số đầu vào/ ra(I/O), tốc độ quét,. vì vậy xuất hiện rất nhiều loại PLC. PLC của Siemens hiện có các loại sau: S7- 200, S7- 300, S7- 400. Riêng S7- 200 có các loại CPU sau: CPU 210, CPU 214, CPU 221, CPU 222,CPU 224, CPU 226,.

Mới nhất có CPU 224 xp, CPU 226 xp có tích hợp analog. Trong tài liệu này trình bày cấu trúc chung họ S7 – 200, CPU 224. 7 Đồ án tốt nghiệp Tổng số I/O max tƣơng đối lớn, khoảng 256 I/O. Số module mở rộng tùy theo CPU có thể lên đến tối đa 7 module.

Tích hợp nhiều chức năng đặc biệt trên CPU nhớ ngõ ra xung, high speed counter, đồng hồ thời gian thực,. Module mở rộng đa dạng, nhiều chủng loại nhƣ analog, xử lý nhiệt độ,điều khiển vị trí, module mạng. Các thành phần CPU 2. Đặc điểm của CPU 224 - Kích thƣớc: 120.5mm x 80mm x 62mm - Dung lƣợng bộ nhớ chƣơng trình: 4096 words - Dung lƣợng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words - Bộ nhớ loại EEFROM - Có 14 cổng vào, 10 cổng ra.

- Cdó thể thêm vào 14 modul mở rộng kể cả modul Analog. - Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37μs - Có 256 timer , 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực. - Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 20 KHz - Có 2 bộ phát xung nhanh kiểu PTO và PWM, tần số 20 KHz chỉ ở các CPU DC. - Có 2 bộ điều chỉnh tƣơng tự.

- Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,. - Đồng hồ thời gian thực. - Chƣơng trình đƣợc bảo vệ bằng Password. 8 Đồ án tốt nghiệp - Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện.

Các đèn báo trên PLC - SF: đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng (đèn đỏ). - RUN: PLC đang ở chế độ làm việc (đèn xanh). - STOP: PLC đang ở chế độ dừng (đèn vàng).2: Đèn báo trên PLC 2. Công tắc chọn chế độ làm việc - RUN: cho phép PLC thực hiện chƣơng trình trong bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN qua STOP nếu gặp sự cố.

- STOP: PLC dừng công việc thực hiện chƣơng trình ngay lập tức. - TERM: cho phép máy lập trình quyết định chế độ làm việc của PLC. Dùng phần mềm điều khiển RUN, STOP. Kết nối điều khiển Cho các model của S7-200 sau: 9 Đồ án tốt nghiệp Xác định các đặc điểm của PLC hãng Siemens: Kết nối dây cho PLC hoạt động Cấp nguồn: 10 Đồ án tốt nghiệp Chú ý: phân biệt loại cấp nguồn nuôi cho PLC.

 Loại DC nguồn nuôi có kí hiệu là M, L+  Loại AC nguồn nuôi có kí hiệu là N, L1. Ngõ vào: Giả sử cần kết nối 1 công tắc, hoặc 1 nút nhấn cho ngõ vào PLC 11 Đồ án tốt nghiệp  Chân 1M, 2M nối chung với chân M.  Chân L+ nối vào 1 đầu của tiếp điểm, đầu còn lại của tiếp điểm nối vào các ngõ vào I trên PLC. Ngõ ra: Kết nối PLC điều khiển đèn Light, điều khiển Relay, các cơ cấu chấp hành khác,.

12 Đồ án tốt nghiệp  Chân 1L, 2L nối vào nguồn dƣơng.  Từng ngõ ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vào nguồn âm. 13 Đồ án tốt nghiệp CPU 224 DC/DC/DC CPU 224 AC/DC/RELAY 14 Đồ án tốt nghiệp Các ngõ vào thƣờng dùng là: - Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu,. - Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu âm, phân biệt màu sắc, cảm biến áp suất,.

- Công tắc hành trình, công tắc thƣờng. - Rơle điện từ. - Bộ kiểm tra mức. Các thiết bị đƣợc điều khiển ở ngõ ra: - Động cơ DC.

- Động cơ AC 1 pha và 3 pha. - Van khí nén. - Van thuỷ lực. - Đèn báo, đèn chiếu sáng.

- Động cơ Step Servo. - Quạt thông gió. 15 Đồ án tốt nghiệp - Máy lạnh. - Động cơ phát điện.

Truyền thông giữa PC và PLC S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS 485 với jack nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm khác của PLC. Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI (Point To Point Interface) là 9600 baud.3: Kết nối giữa PC với PLC 16 Đồ án tốt nghiệp Cổng truyền thông: Hình 2.