Đồ án tốt nghiệp thiết kế mô hình giám sát và sản xuất tự động bánh in qua web server

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát và sản xuất tự động bánh in qua web server. Tối ưu hóa quy trình, nâng cao hiệu quả sản xuất bánh in.

• Tác giả: Nguyễn Phước Hội
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Hoà
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Giám Sát Và Sản Xuất Tự Động Bánh In Qua Web Server
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• Nhận xét của người hướng dẫn
• Nhận xét của doanh nghiệp
• Nhận xét của người phản biện
• Tóm tắt
• Nhiệm vụ đồ án
• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Ưu điểm và nhược điểm
• 1.2. Phương án thiết kế
• 1.3. Các bước tính toán thông số máy làm bánh in
• 1.4. Nguyên lý hoạt động của máy làm bánh in
• 1.5. Các vấn đề người thiết kế cần nắm
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
• 2.1. Tổng quan về PLC
• 2.2. Cấu tạo của PLC
• 2.3. Giới thiệu về PLC S7-1200
• 2.4. Mô tả phần cơ
• 2.4.1. Nhựa Mica, nhựa PVC
• 2.4.2. Vỏ tủ điện
• 2.4.3. Modulo mở rỗng ngỏ DQ
• 2.4.4. Microstep Driver DM556
• 2.4.5. Cảm biến tiệm cận kim loại
• 2.5. Phần khí nén
• 2.5.1. Xi lanh khí
• 2.6. Giới thiệu phần mềm Sketchup
• 3. CHƯƠNG 3: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY
• 3.1. Bảng phân công đầu vào đầu ra
• 3.1.1. Bảng phân công đầu vào
• 3.1.2. Bảng phân công đầu ra
• 3.2. Giản đồ thời gian
• 4. CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH PLC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ STEP
• 4.1. Phần mềm lập trình PLC- TIA PORTAL
• 4.1.1. Giới thiệu phần mềm Step 7 Basis
• 4.1.2. Một số thao tác cơ bản khi làm quen với phần mềm
• 4.2. Kỹ thuật lập trình
• 4.2.1. Vòng quét chương trình
• 4.2.2. Cấu trúc lập trình
• 4.2.3. Các khối chức năng trong lập trình
• 4.3. Hệ thống động cơ Step
• 4.3.1. Động cơ Step là gì
• 4.3.2. Khai báo phần cứng cho động cơ
• 5. CHƯƠNG 5: WEB-SEVER TRÊN PLC S7-1200 VÀ PHẦN MỀN VISUAL STUDIO CODE
• 5.1. Giới thiệu về ứng dụng Web Server trên PLC S7-1200
• 5.2. USER-DEFIED WEB PAGES
• 5.3. Khởi tạo tính năng User-defined Web Server trên PLC
• 5.4. Các bước cơ bản tạo một trang web HTML
• 5.5. Chức năng của hàm “WWW”
• 5.6. Giới thiệu về Java Script, HTML, CSS
• 5.7. Đọc và ghi giá trị giữa PLC với trang Web
• 5.7.1. Đọc giá trị từ PLC lên Web
• 5.7.2. Ghi giá trị từ trang Web xuống PLC
• 5.8. Phần mềm viết code web
• 5.8.1. Visual Studio Code là gì?
• 5.8.2. Một số tính năng của Visual Studio Code
• 5.8.3. Ưu điểm và nhược điểm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án giám sát sản xuất bánh in tự động

Đồ án "Thiết kế mô hình giám sát và sản xuất tự động bánh in qua Web Server" là một công trình nghiên cứu khoa học tiêu biểu, ứng dụng kiến thức liên ngành từ tự động hóa, công nghệ thông tin đến công nghệ thực phẩm. Dự án này, được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Phước Hội và Bùi Văn Châu, thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, nhằm giải quyết các bài toán thực tiễn trong ngành sản xuất thực phẩm truyền thống. Trọng tâm của đề tài là xây dựng một hệ thống hoàn toàn tự động, từ khâu cấp bột, ép khuôn đến thành phẩm, đồng thời cho phép người vận hành có thể điều khiển và theo dõi toàn bộ quy trình từ xa thông qua một giao diện web trực quan. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa quy trình sản xuất bánh in, một sản phẩm đặc trưng của văn hóa ẩm thực Quảng Nam. Bằng cách áp dụng các công nghệ tiên tiến như lập trình PLC S7-1200, truyền thông web server và các cảm biến công nghiệp, đồ án mở ra một hướng đi mới cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, giúp tăng năng suất, đảm bảo chất lượng đồng đều và cải thiện an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất. Dự án không chỉ dừng lại ở việc tạo ra một sản phẩm cụ thể mà còn là một đồ án tốt nghiệp ngành tự động hóa mang tính ứng dụng cao, chứng minh khả năng tích hợp công nghệ 4.0 vào sản xuất, hướng tới xây dựng các mô hình nhà máy thông minh trong tương lai.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu của đồ án tốt nghiệp ngành tự động hóa

Bánh in, một loại bánh truyền thống, thường được sản xuất thủ công, dẫn đến năng suất thấp, chất lượng không đồng đều và tốn nhiều nhân công. Nhận thấy vấn đề này, đề tài đặt ra mục tiêu cốt lõi là xây dựng một mô hình sản xuất tự động hoàn chỉnh. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: thiết kế và thi công phần cứng cơ khí, lựa chọn và đấu nối hệ thống điện điều khiển, xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển hệ thống bằng phần mềm TIA Portal V16. Đặc biệt, một mục tiêu quan trọng là thiết kế giao diện HMI giám sát và điều khiển trên nền tảng Web Server. Điều này cho phép hệ thống không chỉ vận hành tự động tại chỗ mà còn có thể được giám sát và điều khiển từ xa, một yếu tố then chốt trong xu hướng điều khiển và giám sát qua IoT hiện nay. Đồ án hướng đến việc cung cấp một giải pháp công nghệ toàn diện, từ khâu ý tưởng đến sản phẩm hoàn thiện, có khả năng chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh để đạt hiệu suất tối ưu.

1.2. Phạm vi nghiên cứu và các công nghệ chính được áp dụng

Phạm vi nghiên cứu của đồ án tập trung vào việc tích hợp nhiều công nghệ hiện đại. Về phần cứng, hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC SIEMENS S7-1200 làm trung tâm xử lý, kết hợp với các thiết bị chấp hành như động cơ bước, xi lanh khí nén, và hệ thống băng tải. Về phần mềm, đề tài đi sâu vào hai mảng chính: lập trình PLC S7-1200 để điều khiển tuần tự các công đoạn sản xuất và lập trình web với Node.js và React (mặc dù tài liệu gốc tập trung vào HTML/CSS/JS cơ bản) để xây dựng ứng dụng web thời gian thực (real-time). Giao diện web cho phép người dùng theo dõi trạng thái hoạt động của máy, số lượng sản phẩm, và gửi lệnh điều khiển như khởi động, tạm dừng. Việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến công nghiệp và hiển thị lên giao diện web là một phần quan trọng, biến mô hình này thành một hệ thống giám sát sản xuất thu nhỏ, tiệm cận với khái niệm hệ thống SCADA giám sát sản xuất.

II. Thách thức sản xuất bánh in thủ công giải pháp tự động

Quy trình sản xuất bánh in truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào lao động thủ công. Điều này dẫn đến nhiều thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế và khả năng cạnh tranh trên thị trường. Thách thức đầu tiên và rõ ràng nhất là năng suất thấp. Một người thợ dù lành nghề cũng chỉ có thể sản xuất một số lượng bánh giới hạn trong một ngày, không thể đáp ứng các đơn hàng lớn hoặc nhu cầu tăng cao trong các dịp lễ, Tết. Vấn đề thứ hai là chất lượng sản phẩm không đồng đều. Lượng bột, lực ép, và thời gian thực hiện mỗi công đoạn phụ thuộc vào kinh nghiệm và cảm tính của người làm, dẫn đến sự khác biệt về kích thước, độ chặt và hình thức của bánh. Thêm vào đó, yếu tố an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất cũng là một mối lo ngại lớn khi quy trình tiếp xúc trực tiếp với tay người. Những hạn chế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về một giải pháp công nghệ. Tự động hóa dây chuyền sản xuất chính là câu trả lời. Bằng cách cơ giới hóa và tự động hóa các công đoạn, hệ thống có thể hoạt động liên tục 24/7 với năng suất vượt trội, đảm bảo mỗi chiếc bánh ra lò đều có chất lượng như nhau. Giải pháp này không chỉ giúp giảm chi phí nhân công mà còn nâng cao đáng kể tiêu chuẩn vệ sinh, tạo ra sản phẩm an toàn và chất lượng cho người tiêu dùng. Đồ án Giám sát & Sản xuất Bánh In Tự Động là minh chứng cho việc áp dụng thành công giải pháp này.

2.1. Phân tích nhược điểm của phương pháp sản xuất truyền thống

Sản xuất thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm cố hữu. Thứ nhất, chi phí nhân công chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành sản phẩm. Thứ hai, việc phụ thuộc vào tay nghề người thợ tạo ra rủi ro về tính ổn định của sản xuất. Thứ ba, độ chính xác của các công đoạn như định lượng bột và ép bánh không cao, ảnh hưởng đến cảm quan và chất lượng cuối cùng. Đặc biệt, vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất khó được kiểm soát chặt chẽ. Các yếu tố này làm giảm sức cạnh tranh của sản phẩm truyền thống trong bối cảnh thị trường ngày càng yêu cầu cao hơn về chất lượng và giá cả. Việc chuyển đổi sang mô hình sản xuất tự động là một xu hướng tất yếu để khắc phục những nhược điểm này.

2.2. Lợi ích của việc tự động hóa dây chuyền sản xuất thực phẩm

Việc áp dụng tự động hóa dây chuyền sản xuất mang lại nhiều lợi ích đột phá. Hiệu suất làm việc được nâng cao rõ rệt, cho phép sản xuất số lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn, từ đó tăng lợi nhuận. Hệ thống tự động đảm bảo độ chính xác cao trong từng công đoạn, từ cân đo nguyên liệu đến tạo hình sản phẩm, giúp chất lượng luôn đồng nhất. Chi phí vận hành dài hạn được tối ưu hóa do giảm sự phụ thuộc vào lao động con người. Hơn nữa, toàn bộ quy trình được thực hiện trong một hệ thống khép kín, hạn chế tối đa sự tiếp xúc với môi trường bên ngoài, qua đó đảm bảo tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm trong sản xuất. Đây là những giá trị cốt lõi mà mô hình sản xuất bánh in tự động hướng tới.

III. Phương pháp xây dựng hệ thống sản xuất bánh in tự động

Để hiện thực hóa mô hình Giám sát & Sản xuất Bánh In Tự Động, việc xây dựng một hệ thống phần cứng vững chắc và đáng tin cậy là bước đi nền tảng. Quá trình này bao gồm ba hợp phần chính: thiết kế cơ khí, hệ thống điện điều khiển, và hệ thống khí nén. Về cơ khí, khung máy được chế tạo từ thép hộp 20x20, đảm bảo độ cứng vững và ổn định trong quá trình vận hành. Các bộ phận quan trọng như phễu chứa bột, khuôn ép, mâm xoay được làm từ nhựa Mica và PVC, vật liệu an toàn trong ngành thực phẩm. Hệ thống điện đóng vai trò là "bộ não" và "mạch máu" của toàn bộ mô hình. Trung tâm điều khiển là PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, một thiết bị mạnh mẽ và linh hoạt của Siemens. PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến công nghiệp (cụ thể là cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/BX để xác định vị trí mâm xoay) và xuất tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành. Các cơ cấu này bao gồm động cơ giảm tốc JGY370 cho cơ cấu khuấy bột, động cơ bước Nema 17 cho mâm xoay chính xác, và hệ thống băng tải. Việc điều khiển động cơ băng tải và động cơ bước được thực hiện thông qua các driver chuyên dụng như Microstep Driver DM556, đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác theo thuật toán đã lập trình. Cuối cùng, hệ thống khí nén, bao gồm xi lanh và van điện từ, thực hiện các công đoạn ép và đẩy bánh, tạo ra lực tác động mạnh mẽ và nhanh chóng.

3.1. Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển động cơ băng tải

Phần cơ khí được thiết kế trên phần mềm Sketchup để có cái nhìn tổng quan 3D trước khi thi công. Cấu trúc chính gồm mâm xoay chứa các khuôn bánh, cơ cấu cấp bột, cơ cấu ép, và cơ cấu đẩy bánh ra băng tải. Mâm xoay được dẫn động bởi động cơ bước Nema 17, cho phép định vị chính xác tại từng trạm (cấp bột, ép, đẩy). Hệ thống băng tải có nhiệm vụ đưa bánh thành phẩm qua lò sấy và đến khu vực thu gom. Việc điều khiển động cơ băng tải được thực hiện bởi PLC, có thể điều chỉnh tốc độ để đồng bộ với nhịp độ sản xuất của toàn hệ thống. Toàn bộ thiết kế cơ khí đều tuân thủ nguyên tắc tối ưu hóa không gian và dễ dàng cho việc bảo trì, sửa chữa.

3.2. Lựa chọn và tích hợp các loại cảm biến công nghiệp

Các cảm biến công nghiệp đóng vai trò là "giác quan" của hệ thống, cung cấp thông tin trạng thái về cho PLC. Trong mô hình này, cảm biến tiệm cận kim loại được sử dụng để xác định vị trí "Home" (vị trí gốc) và các vị trí dừng của mâm xoay. Tín hiệu từ cảm biến đảm bảo rằng các hành động như cấp bột, ép bánh chỉ diễn ra khi mâm xoay đã ở đúng vị trí, tránh sai sót và hư hỏng. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp với môi trường làm việc và yêu cầu về độ chính xác là rất quan trọng. Các cảm biến này được kết nối trực tiếp vào các ngõ vào số (Digital Input) của PLC S7-1200, tạo thành một vòng lặp điều khiển phản hồi tin cậy.

3.3. Tổng quan về trung tâm điều khiển PLC S7 1200

Trái tim của hệ thống là PLC S7-1200, cụ thể là dòng CPU 1212C DC/DC/DC. Đây là một bộ điều khiển logic khả trình nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), rất phù hợp cho các ứng dụng vừa và nhỏ. PLC có nhiệm vụ thực thi chương trình điều khiển, xử lý tín hiệu từ cảm biến và đưa ra lệnh điều khiển cho động cơ, xi lanh. Theo tài liệu "Tự Động Hóa PLC S7 – 1200 Với TIA Portal" của tác giả Trần Văn Hiếu (2019), dòng PLC này hỗ trợ nhiều tính năng công nghệ mạnh mẽ, bao gồm cả khả năng tích hợp Web Server, là tiền đề cho việc xây dựng hệ thống giám sát từ xa. Việc lựa chọn S7-1200 cho đồ án này là một quyết định hợp lý, cân bằng giữa chi phí, hiệu năng và khả năng mở rộng.

IV. Hướng dẫn lập trình PLC giám sát sản xuất bánh in web

Phần mềm là linh hồn của hệ thống Giám sát & Sản xuất Bánh In Tự Động, quyết định toàn bộ logic hoạt động và khả năng tương tác của người dùng. Quá trình phát triển phần mềm được chia thành hai mảng chính: lập trình bộ điều khiển và xây dựng giao diện giám sát web. Đối với bộ điều khiển, việc lập trình PLC S7-1200 được thực hiện trên nền tảng TIA Portal V16 (Totally Integrated Automation Portal) của Siemens. Đây là một môi trường kỹ thuật hợp nhất, cho phép cấu hình phần cứng, lập trình logic, và thiết kế giao diện HMI trên cùng một phần mềm. Thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên lưu đồ và giản đồ thời gian chi tiết, sử dụng ngôn ngữ lập trình Ladder (LAD). Chương trình điều khiển tuần tự các hoạt động: quay mâm, cấp bột, nén bánh, đẩy bánh, và vận hành băng tải. Mảng thứ hai là xây dựng ứng dụng web thời gian thực (real-time) để giám sát và điều khiển. PLC S7-1200 cung cấp tính năng Web Server tích hợp, cho phép người dùng tạo các trang web tùy chỉnh (User-defined Web Pages). Các trang web này được viết bằng HTML, CSS và JavaScript, sử dụng phần mềm Visual Studio Code. Dữ liệu từ PLC (như trạng thái hoạt động, số lượng sản phẩm) được đọc và hiển thị lên trang web. Ngược lại, các lệnh từ trang web (như nhấn nút Start/Stop) được ghi xuống PLC để thực thi. Cơ chế này biến một trình duyệt web thông thường thành một giao diện HMI giám sát mạnh mẽ và linh hoạt.

4.1. Kỹ thuật lập trình PLC S7 1200 với phần mềm TIA Portal

Việc lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal bắt đầu bằng việc cấu hình phần cứng, khai báo các module I/O và các khối công nghệ (Technology Objects) như bộ đếm tốc độ cao (HSC) hay điều khiển vị trí (PTO) cho động cơ bước. Chương trình chính được viết trong khối OB1 (Organization Block 1), là khối được PLC quét và thực thi theo chu kỳ. Logic điều khiển được chia thành các khối hàm FC (Function) và FB (Function Block) để dễ quản lý và tái sử dụng. Ví dụ, có thể tạo một FC riêng cho việc điều khiển mâm xoay, một FC khác cho cơ cấu ép. Chương trình phải xử lý logic tuần tự, các điều kiện an toàn và xử lý lỗi để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và an toàn.

4.2. Xây dựng ứng dụng web thời gian thực real time giám sát

Để xây dựng ứng dụng web thời gian thực (real-time), các file HTML, CSS và JavaScript được tạo ra. HTML định nghĩa cấu trúc của trang web (các nút nhấn, vùng hiển thị dữ liệu). CSS chịu trách nhiệm về giao diện, màu sắc, bố cục. JavaScript đóng vai trò xử lý logic phía client, thực hiện việc gửi yêu cầu đọc/ghi dữ liệu đến Web Server của PLC theo chu kỳ. Bằng cách sử dụng các hàm AJAX hoặc Fetch API trong JavaScript, trang web có thể cập nhật dữ liệu từ PLC mà không cần tải lại toàn bộ trang, tạo ra cảm giác tương tác thời gian thực. Chức năng này là cốt lõi của việc giám sát và điều khiển và giám sát qua IoT.

4.3. Thiết kế giao diện HMI giám sát và điều khiển qua Web Server

Giao diện web được thiết kế để trở thành một giao diện HMI giám sát (Human-Machine Interface) trực quan và dễ sử dụng. Giao diện chính hiển thị sơ đồ mô phỏng dây chuyền sản xuất, với các trạng thái của động cơ, xi lanh được cập nhật liên tục. Các thông số quan trọng như số lượng bánh đã sản xuất, trạng thái hệ thống (Đang chạy/Dừng/Lỗi) được hiển thị rõ ràng. Các nút điều khiển chính như "Khởi Động", "Dừng", "Dừng Khẩn Cấp" được bố trí ở vị trí thuận tiện. Giao diện này có thể truy cập từ bất kỳ thiết bị nào có trình duyệt web trong cùng mạng LAN, mang lại sự linh hoạt tối đa cho người vận hành.

V. Ứng dụng thực tiễn kết quả từ mô hình sản xuất bánh in

Sau quá trình thiết kế, thi công và lập trình, mô hình Giám sát & Sản xuất Bánh In Tự Động Qua Web đã được hoàn thiện và đưa vào chạy thử nghiệm. Kết quả đạt được rất khả quan, chứng minh tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật đã lựa chọn. Mô hình hoạt động ổn định theo đúng thuật toán đã được lập trình trên PLC S7-1200. Các công đoạn từ cấp bột, quay mâm, ép bánh, đẩy sản phẩm ra băng tải diễn ra một cách tuần tự và nhịp nhàng. Động cơ bước điều khiển mâm xoay đạt độ chính xác cao, đảm bảo các khuôn bánh dừng đúng vị trí tại mỗi trạm. Hệ thống khí nén hoạt động mạnh mẽ, tạo ra lực ép đủ để định hình bánh. Đặc biệt, chức năng giám sát và điều khiển từ xa qua giao diện web đã hoạt động thành công. Người vận hành có thể theo dõi trạng thái của từng cơ cấu, xem số lượng sản phẩm được cập nhật theo thời gian thực và thực hiện các thao tác điều khiển cơ bản. Thành công của đồ án không chỉ tạo ra một máy làm bánh tự động mà còn xây dựng thành công một mô hình nhà máy thông minh thu nhỏ. Nó cho thấy tiềm năng to lớn của việc tích hợp công nghệ IoT vào các dây chuyền sản xuất truyền thống, giúp nâng cao hiệu quả, giảm chi phí và tăng cường khả năng quản lý. Đây là một ví dụ điển hình về đồ án tốt nghiệp ngành tự động hóa có tính ứng dụng thực tiễn cao, có thể được phát triển và thương mại hóa trong tương lai.

5.1. Đánh giá kết quả vận hành mô hình sản xuất tự động

Qua quá trình chạy thử, mô hình đã chứng tỏ được ưu thế vượt trội so với phương pháp thủ công. Năng suất tăng lên đáng kể, hệ thống có thể hoạt động liên tục mà không cần can thiệp của con người. Chất lượng sản phẩm đầu ra đồng đều về hình dáng và khối lượng. Các cảm biến công nghiệp hoạt động chính xác, đảm bảo chu trình vận hành không xảy ra sai sót. Hệ thống điện và cơ khí được thiết kế chắc chắn, đảm bảo an toàn trong vận hành. Kết quả này khẳng định rằng giải pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất là hoàn toàn khả thi và hiệu quả đối với sản phẩm bánh in.

5.2. Lợi ích thực tiễn của điều khiển và giám sát qua IoT

Tính năng điều khiển và giám sát qua IoT (thông qua Web Server nội bộ) mang lại nhiều lợi ích. Người quản lý có thể theo dõi tình hình sản xuất từ văn phòng mà không cần phải có mặt trực tiếp tại xưởng. Dữ liệu sản xuất được thu thập và hiển thị trực quan, giúp dễ dàng phân tích và đánh giá hiệu suất. Trong trường hợp xảy ra sự cố, hệ thống có thể gửi cảnh báo qua giao diện web, giúp người vận hành phản ứng kịp thời. Mặc dù ở quy mô đồ án, hệ thống chỉ hoạt động trong mạng nội bộ, nhưng đây là nền tảng vững chắc để phát triển các giải pháp giám sát qua Internet, kết nối với các hệ thống quản lý sản xuất (MES) lớn hơn trong tương lai.

VI. Kết luận tương lai của hệ thống sản xuất bánh in tự động

Đồ án "Thiết kế mô hình giám sát và sản xuất tự động bánh in qua Web Server" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Hệ thống đã chứng minh được khả năng tự động hóa hoàn toàn một quy trình sản xuất thực phẩm truyền thống, đồng thời tích hợp thành công giải pháp giám sát và điều khiển từ xa. Bằng việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ khí chính xác, điện-tự động hóa và công nghệ thông tin, đồ án là một minh chứng sống động cho xu hướng Công nghiệp 4.0. Việc sử dụng PLC S7-1200 làm bộ não điều khiển và khai thác tính năng Web Server tích hợp là một lựa chọn thông minh, hiệu quả về chi phí và công nghệ. Sản phẩm cuối cùng không chỉ là một mô hình học thuật mà còn có tiềm năng ứng dụng thực tế, giúp các cơ sở sản xuất bánh in nâng cao năng lực cạnh tranh. Hướng phát triển trong tương lai cho hệ thống này rất rộng mở. Hệ thống có thể được nâng cấp để trở thành một mô hình nhà máy thông minh hoàn chỉnh hơn. Điều này bao gồm việc tích hợp thêm các cảm biến công nghiệp thông minh hơn như cảm biến hình ảnh để kiểm tra chất lượng sản phẩm (KCS) tự động, hoặc cảm biến khối lượng để đảm bảo định lượng chính xác tuyệt đối. Việc kết nối hệ thống với nền tảng đám mây (Cloud) sẽ cho phép thu thập và phân tích dữ liệu lớn (Big Data), từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và dự báo nhu cầu bảo trì. Đây là bước tiếp theo để đưa ngành sản xuất truyền thống Việt Nam tiến vào kỷ nguyên số.

6.1. Tổng kết hiệu quả và những đóng góp chính của đồ án

Đồ án đã thành công trong việc xây dựng một mô hình sản xuất bánh in tự động, giải quyết các nhược điểm của phương pháp thủ công như năng suất thấp và chất lượng không ổn định. Đóng góp quan trọng nhất là việc thiết kế và triển khai thành công một hệ thống SCADA giám sát sản xuất quy mô nhỏ dựa trên nền tảng web, cho phép điều khiển và giám sát qua IoT. Điều này mang lại sự linh hoạt trong vận hành và quản lý. Đồ án cũng là một tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên các ngành kỹ thuật, cung cấp kiến thức thực tiễn về lập trình PLC S7-1200 và tích hợp hệ thống.

6.2. Hướng phát triển thành mô hình nhà máy thông minh toàn diện

Để phát triển thành một mô hình nhà máy thông minh, hệ thống có thể được cải tiến theo nhiều hướng. Đầu tiên, có thể tích hợp robot công nghiệp trong sản xuất thực phẩm, chẳng hạn như một cánh tay robot để tự động xếp bánh vào hộp sau khi ra khỏi băng tải. Thứ hai, có thể nâng cấp phần mềm giám sát lên một nền tảng IoT chuyên nghiệp hơn, cho phép truy cập từ xa qua internet và có ứng dụng di động. Việc sử dụng các vi điều khiển như lập trình vi điều khiển ESP32/ESP8266 có thể được xem xét để thu thập dữ liệu từ các cảm biến phụ và gửi lên cloud. Cuối cùng, việc áp dụng các thuật toán học máy (Machine Learning) để phân tích dữ liệu sản xuất có thể giúp tối ưu hóa và dự đoán lỗi, đưa hệ thống lên một tầm cao mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu Bánh in là loại bánh người Quảng Nam thường hay làm vào những ngày giỗ, chạp, nhất là vào dịp tết cổ truyền để cúng tổ tiên, ông bà. Bánh được làm từ nguyên liệu bột nếp và đường mía vàng, bánh được sử dụng phổ biến ở mọi nơi. Tuy bánh in dễ làm, ai cũng làm được nhưng rất mất thời gian.

Bánh in chủ yếu được làm thủ công bằng tay được ông bà ngày xưa làm.1 Hình bánh in ngoài thực tế [1] Hiện tại trên thị trường bánh in thường được làm chủ yếu bằng thủ công với năng suất thấp, độ chính xác không cao và tốn quá nhiều nhân công để làm bánh. Vì vậy, nhóm em đã lên ý tưởng và chọn đề tài Máy làm bánh in. Máy có các chức năng cơ bản như sau: - Khuấy bột trong phễu. - Cho bột vào từng khuôn.

- Ép bột ở khuôn. - Đưa bánh vào khay. SVTH: Nguyễn Phước Hội, Bùi Văn Châu GVHD: ThS. Nguyễn Tấn Hoà Trang 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG BÁNH IN QUA WEB SERVER Hình 1.2 Mô hình máy làm bánh in thực tế 1.3 Sơ đồ khối Nguyên liệu gồm có: bột năng, bột nếp, đường mịn… Khuôn: được làm từ nhựa Mica và nhựa PVC.

Máy ép: dùng xi lanh khí nén. Lò sấy: sử dụng quạt. Ưu điểm và nhược điểm Máy sở hữu những ưu điểm sau:  Nâng cao hiệu suất làm việc, nhiều sản phẩm hơn trong khoảng thời gian ngắn, đem lại lợi nhuận cao.  Hệ thống tự động mang đến độ chính xác cao hơn việc sản xuất thủ công.

Bên cạnh ưu điểm thì máy có những nhược điểm sau:  Chi phí cao, khá cồng kềnh. SVTH: Nguyễn Phước Hội, Bùi Văn Châu GVHD: ThS. Nguyễn Tấn Hoà Trang 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG BÁNH IN QUA WEB SERVER  Các hệ thống cảm biến phức tạp, đòi hỏi người vận hành phải có chuyên môn khi máy gặp sự cố. Phương án thiết kế Từ các ưu và nhược điểm nhóm đã đưa ra phương án thiết kế máy làm bánh: 1.

Các bước tính toán thông số máy làm bánh in Bước 1: Phân tích máy làm bánh in, đưa ra phương án tối ưu nhất. Bước 2: Thiết kế hệ thống trên bản vẽ, bố trí vị trí các thiết bị, chọn vật liệu. Bước 3: Tính toán lượng bột. Bước 4: Dựa trên các thông số lựa chọn thiết bị cho phù hợp.

Ví dụ như: Động cơ khuấy bột, các cảm biến, xi lanh, băng tải các loại…. Nguyên lý hoạt động của máy làm bánh in Đầu tiên bột sẽ được trộn sẵn đủ các nguyên vật liệu cần thiết, khâu này được tách biệt. Sau đây là quy trình hoạt động của máy làm bánh. Đầu tiên bột sẽ được đưa vào phễu bột chờ sẵn  Khi có tín hiệu khởi động (nút nhấn tại tủ, Web)  Mâm xoay về vị trí cố định ban đầu được định sẵn  Sau khi mâm xoay về vị trí Home, kích động cơ bột quay đưa bột xuống khuôn  Đủ lượng bột ở khuôn mâm xoay sang vị trí mới  Mâm dừng, kích xi lanh nén bánh  Sau khi xi lanh nén bánh xong mâm sẽ xoay sang vị trí mới  Mâm dừng kích xi lanh đẩy bánh lên đồng thời kích xi lanh đẩy bánh ra băng tải  Bánh được sấy trong lò Kết thúc quá trình làm bánh.

Các vấn đề người thiết kế cần nắm  Tính toán thông được các thông số động cơ băng tải, động cơ bột, động cơ bước, nhiệt độ sấy, các loại cảm biến phụ hợp, thông số xi lanh…  Chọn vị trí phù hợp để lắp đặt các thiết bị.  Xác định được th.ông số và kích thước bánh.  Các thiết bị điều khiển như PLC, Biến tần, các relay …  Ngân sách dành cho việc mua thiết bị.  Dự tính được số lượng vật tư như sắt, thép,…  Biết sử dụng các phần mềm thiết kế, phần mềm lập trình liên quan.

 Bám sát với thực tế. SVTH: Nguyễn Phước Hội, Bùi Văn Châu GVHD: ThS. Nguyễn Tấn Hoà Trang 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG BÁNH IN QUA WEB SERVER CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2. Tổng quan về PLC PLC là từ viết tắt của “Programmable logic controller” được dịch sang tiếng việt là bộ điều khiển logic khả trình, hay được gọi là bộ điều khiển lập trình.

PLC cho phép sử dụng linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình để thực hiện các sự kiện theo một quy trình. Trong thực tế, chúng ta có thể hiểu PLC như một cụm các relay được tập hợp, thu nhỏ lại và được nâng cấp, thông minh hơn (smart relay). Ngôn ngữ lập trình PLC rất phong phú và đa dạng, tuy nhiên phổ biến nhất là ladder, state logic, C,. PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp.

Ngoài ra còn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất. Cấu tạo của PLC Hình 2.1 cấu tạo PLC [2] SVTH: Nguyễn Phước Hội, Bùi Văn Châu GVHD: ThS. Nguyễn Tấn Hoà Trang 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG BÁNH IN QUA WEB SERVER  Trái tim của hệ thống PLC là CPU (Central Processing Unit “Bộ xử lý trung tâm”). Nó được tạo thành từ một thành phần điều khiển và bộ xử lý.

Bộ điều khiển CPU quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng PLC khác nhau trong khi bộ xử lý CPU xử lý tất cả việc xử lý số và thực thi chương trình (ví dụ: ladder logic).  Luồng dữ liệu là từ các thiết bị đầu vào (input devices), qua bộ xử lý CPU (CPU processor) và sau đó đến các thiết bị đầu ra (output devices). Bộ xử lý CPU cũng trao đổi dữ liệu với chương trình và bộ nhớ dữ liệu (program & data memory). Khi tất cả dữ liệu được thu thập, chương trình được xử lý theo kiểu tuần hoàn.

Dữ liệu kết quả xuất đến giao diện đầu ra để điều chỉnh và thực thi điều khiển các thiết bị đầu ra.  CPU cũng kiểm soát và trao đổi dữ liệu với giao diện truyền thông (communication interface) và các thiết bị khác.  Một hệ thống giải quyết (addressing system) được sử dụng để tổ chức dữ liệu được chia sẻ giữa các thành phần phần cứng khác nhau.  Một thiết bị đầu cuối lập trình (programming terminal) được sử dụng để viết chương trình PLC, tải chương trình vào bộ điều khiển và giám sát/điều khiển PLC và chương trình của nó.

 Bộ nguồn (power supply) chịu trách nhiệm cung cấp và quản lý các yêu cầu năng lượng cho các thành phần phần cứng PLC khác nhau. Nguyên lý hoạt động PLC nhận thông tin từ các cảm biến được kết nối hoặc thiết bị đầu vào, xử lí dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số được lập trình sẵn. Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, PLC có thể giám sát và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy hoặc nhiệt độ trong quá trình vận hành, tự động khởi động và dừng quá trình, tạo báo động nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa. Bộ điều khiển logic khả trình là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết mọi ứng dụng.

SVTH: Nguyễn Phước Hội, Bùi Văn Châu GVHD: ThS. Nguyễn Tấn Hoà Trang 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG BÁNH IN QUA WEB SERVER Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC [2] 2. Phương án thiết kế Ưu điểm:  PLC dễ dàng tạo luồng ra và chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa.  Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơle.

 Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng.  Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện đa chức năng.  Thực hiện nối trực tiếp.  Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống.

 Thiết lập hệ thống trong một vùng nhỏ.  Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm. SVTH: Nguyễn Phước Hội, Bùi Văn Châu GVHD: ThS. Nguyễn Tấn Hoà Trang 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG BÁNH IN QUA WEB SERVER Nhược điểm:  Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá.

 Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle. Ứng dụng của PLC Bộ lập trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, nhiều loại máy móc như: máy in, máy đóng gói, máy đánh sợi, máy se chỉ, máy chế biến thực phẩm, máy cắt tốc độ cao, hệ thống phân bổ giám sát trong dây chuyền sản xuất, bơm, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, hệ thống điện, dây chuyền đóng gói. Dùng trong công nghệ điều khiển cánh tay robot: ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển robot đưa đổ vật liệu vào băng tải, hoặc thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn… Ngoài ra, người ta còn sử dụng PLC trong các ứng dụng giám sát các quá trình trong các nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các cảm biến. Giới thiệu về PLC S7-1200 PLC S7 – 1200 là một dòng PLC mới của SIEMENS, là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao.

Thiết bị PLC Siemens S7 – 1200 được thiết kế dưới dạng các module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho đa dạng các ứng dụng.