Đồ án: Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiết rót đóng nắp PLC S7-1200

Đồ án tốt nghiệp chi tiết về thiết kế và điều khiển hệ thống chiết rót, đóng nắp tự động. Ứng dụng PLC S7-1200 và giao diện giám sát WinCC.

• Tác giả: Ngô Nhựt Hào
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Giám Sát Và Điều Khiển Hệ Thống Chiết Rót Và Đóng Nắp Sử Dụng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án hệ thống chiết rót đóng nắp sử dụng PLC S7 1200

Đồ án hệ thống chiết rót đóng nắp là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Dự án này tập trung vào thiết kế và phát triển mô hình điều khiển và giám sát toàn diện cho quy trình chiết rót và đóng nắp chai tự động. Sử dụng PLC S7-1200 của Siemens, đây là một trong những bộ điều khiển lập trình cao cấp được ứng dụng rộng rãi trong các khu công nghiệp tự động vừa và lớn. Mục tiêu chính của đồ án là xây dựng một hệ thống ổn định, hiệu quả, đáp ứng yêu cầu chất lượng cao trong sản xuất. Đồ án không chỉ bao gồm lập trình PLC S7-1200 mà còn thiết kế giao diện WinCC chuyên nghiệp, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát toàn bộ quy trình sản xuất.

1.1. Khái niệm về hệ thống chiết rót đóng nắp tự động

Hệ thống chiết rót đóng nắp tự động là một giải pháp công nghiệp hiện đại, thay thế lao động chân tay bằng máy móc và thiết bị điều khiển tự động. Quy trình bao gồm vận chuyển chai, chiết rót nước, đóng nắp, và kiểm tra chất lượng. Hệ thống sử dụng các cảm biến quang, cảm biến từ, flow metter và van điện tử để đảm bảo độ chính xác cao. Ứng dụng PLC S7-1200 cho phép điều khiển các động cơ, van, và xi lanh một cách đồng bộ và hiệu quả.

1.2. Vai trò của PLC S7 1200 trong tự động hóa

PLC S7-1200 là bộ điều khiển lập trình mạnh mẽ, được thiết kế để xử lý các quy trình phức tạp trong công nghiệp. Nó có khả năng giao tiếp, xử lý dữ liệu nhanh chóng, và hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông. Lập trình PLC S7-1200 cho phép tạo các chương trình logic điều khiển, đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao. Sử dụng STEP 7 - ngôn ngữ lập trình chuyên dụng của Siemens, kỹ sư có thể dễ dàng lập trình các chức năng phức tạp cho hệ thống.

II. Cấu trúc và thành phần của mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống chiết rót đóng nắp được thiết kế với cấu trúc đơn giản nhưng hiệu quả, bao gồm nhiều thành phần cơ khí và điện tử. Mô hình điều khiển có 2 băng tải chính thực hiện chức năng vận chuyển chai từ điểm này đến điểm khác. Ngoài ra, hệ thống bao gồm các hệ thống con như vòi chiết rót, van điện tử, hệ thống cấp nắp, hệ thống vặn nắp và mâm xoay để định vị chai chính xác. Cảm biến quang xác định vị trí chai trên băng tải, trong khi cảm biến từ giám sát vị trí xi lanh. Flow metter đo lường chính xác lượng nước được rót vào mỗi chai. Hệ thống khí nén cung cấp năng lượng cho các xi lanh và thiết bị khác.

2.1. Các thiết bị và cảm biến chính

Cảm biến quang được lắp đặt để phát hiện vị trí chai, đảm bảo định vị chính xác. Cảm biến từ giám sát vị trí của xi lanh trong suốt quá trình hoạt động. Flow metter là thiết bị đo lưu lượng nước quan trọng, giúp kiểm soát mức nước chiết rót vào mỗi chai với độ chính xác cao. Van điện tử điều khiển lưu lượng nước, trong khi xi lanh khí nén cung cấp lực cơ học cho các hoạt động vặn nắp và di chuyển.

2.2. Mâm xoay và hệ thống truyền động

Mâm xoay là thành phần quan trọng giúp định vị chai vào đúng vị trí trên băng tải. Nó hoạt động đồng bộ với PLC S7-1200 để đảm bảo mỗi chai được xử lý đúng thứ tự. Hệ thống truyền động bao gồm motor điều khiển băng tải và mâm xoay, được điều khiển bởi các tín hiệu từ PLC. Sự phối hợp chặt chẽ giữa các thành phần này đảm bảo quy trình diễn ra mượt mà và không có sai sót.

III. Thiết kế giao diện WinCC cho giám sát và điều khiển

Giao diện WinCC là phần mềm HMI (Human Machine Interface) được phát triển bởi Siemens, cho phép người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống từ một màn hình duy nhất. Thiết kế giao diện WinCC cho đồ án này bao gồm các tính năng hiện đại như hiển thị trạng thái thực thời, biểu đồ xu hướng, báo cảnh động, và quản lý dữ liệu. Phân quyền người dùng được thiết lập để bảo mật hệ thống, với các mức quyền khác nhau cho người vận hành và người quản lý. Giao diện sử dụng thư viện đối tượng tích sẵn của WinCC, kết hợp với nút nhấn tùy chỉnh để điều khiển các chức năng của hệ thống. Xuất dữ liệu sang web hoặc cơ sở dữ liệu SQL cho phép giám sát từ xa và lưu trữ dữ liệu lâu dài.

3.1. Các tính năng chính của giao diện WinCC

WinCC cung cấp các tính năng hiển thị thực thời về trạng thái của từng thiết bị trong hệ thống. Biểu đồ xu hướng giúp theo dõi các thông số như lưu lượng nước, nhiệt độ, hoặc lượng sản phẩm hoàn thành. Báo cảnh động thông báo cho người vận hành về các sự cố hoặc điều kiện bất thường. Phân quyền người dùng trong WinCC đảm bảo chỉ những người được phép mới có thể thao tác các chức năng nhạy cảm. Lịch sử sự kiện ghi lại tất cả các thao tác và sự cố, hỗ trợ quản lý chất lượng và bảo trì.

3.2. Kết nối dữ liệu và xuất báo cáo

Kết nối SQL cho phép lưu trữ dữ liệu sản xuất vào cơ sở dữ liệu để phân tích và báo cáo. Xuất kết quả web giúp người quản lý có thể truy cập thông tin hệ thống từ bất kỳ nơi đâu. Công thức tính toán trong WinCC, sử dụng Visual Basic và Visual C++, cho phép xử lý dữ liệu phức tạp và hiển thị kết quả theo yêu cầu. Báo cáo tự động có thể được tạo định kỳ để cung cấp thông tin về hiệu suất sản xuất.

IV. Ứng dụng và tương lai của hệ thống tự động hóa chiết rót

Hệ thống chiết rót đóng nắp tự động sử dụng PLC S7-1200 có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, nước giải khát, và hóa chất. Tự động hóa công nghiệp giúp tăng năng suất, giảm chi phí lao động, và nâng cao chất lượng sản phẩm. Công nghệ PLC S7-1200 và WinCC đang là xu hướng chủ yếu trong các nhà máy hiện đại trên toàn thế giới. Trong tương lai, hệ thống tự động hóa này có thể được tích hợp với công nghệ IoT và AI để tối ưu hóa quy trình sản xuất, dự đoán bảo trì, và nâng cao hiệu suất tổng thể. Kỹ sư lập trình cần liên tục cập nhật kiến thức về công nghệ tự động hóa mới để đáp ứng nhu cầu ngành công nghiệp.

4.1. Ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp

Nhà máy nước giải khát là lĩnh vực chính sử dụng hệ thống chiết rót tự động. Ngành công nghiệp thực phẩm như sữa, dầu ăn cũng sử dụng công nghệ tương tự. Tự động hóa giúp đạt được độ chính xác cao, kiểm soát chất lượng tốt hơn, và giảm lãng phí nguyên liệu. Chi phí đầu tư ban đầu cao, nhưng lợi nhuận dài hạn rất đáng kể. Doanh nghiệp không còn phải lo lắng về thiếu nhân công hoặc chất lượng không ổn định.

4.2. Hướng phát triển và công nghệ trong tương lai

Kỹ thuật IoT sẽ cho phép giám sát từ xa trên toàn cầu, kết nối nhiều nhà máy lại với nhau. Trí tuệ nhân tạo có thể phân tích dữ liệu để dự báo bảo trì trước khi thiết bị hỏng. Cloud computing sẽ lưu trữ dữ liệu an toàn và cho phép truy cập dễ dàng. Rô-bốt collaborative có thể hoạt động cùng con người một cách an toàn. Công nghệ 5G sẽ cải thiện tốc độ và độ tin cậy của giao tiếp dữ liệu giữa các thiết bị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng Quan Về Dây Chuyền 2 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh dụng PLC CPU S7-1200 vào việc thu tín hiệu từ các cảm biến và xuất tín hiệu điều khiển, hệ thống van khí nén và động cơ bước. Ưu điểm và thiếu sót khi thực hiện đề tài Với kiến thức còn hạn chế cũng như ở Việt Nam SCADA còn chưa phổ biến, thời gian thực hiện đề tài không lâu cộng với vấn đề kinh tế nên mô hình còn nhiều thiếu xót. Mô hình chưa cho thầy, cô và các bạn thấy được sự rõ ràng về thực tế trong quá trình sản xuất một sản phẩm nước uống đóng chai. Tuy nhiên đề tài cũng đã thể hiện được nhu cầu thực tế và đã giải quyết được cơ bản yêu cầu sản xuất.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Điều khiển tự động là xu thế tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi các ứng dụng vượt trội của nó. Ở các hệ thống tự động có quy mô vừa và lớn việc kết hợp PLC và SCADA mà ở đây là sử dụng phần mềm WinCC kết hợp với SIMATIC S7 300 có thể điều khiển từ xa cho toàn hệ thống có thể điều khiển giám sát hệ thống chính xác từ xa ở phòng xử lý trung tâm. Kết hợp SCADA vào hệ thống tự động hóa là việc làm cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như mở rộng hệ thống có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng hệ thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Về mặt thực tiễn đề tài đi theo những nhu cầu thực tế bên ngoài của những nhà máy và dây chuyền sản xuất đang được nâng cấp và mở rộng.

Đặc biệt ưu điểm của đề tài là có thể áp dụng vào các nhà máy xí nghiệp có quy mô vừa và lớn để nâng cao hiệu quả sản xuất trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước. Phương pháp nghiên cứu - Tìm tài liệu liên quan đến đề tài mà mình nghiên cứu. - Đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế chế tạo sản phẩm thực tế. - Khảo sát các mô hình chiết rót và đóng nắp chai hiện có trên thị trường.

Chương I: Tổng Quan Về Dây Chuyền 3 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh - Tìm hiểu các thiết bị và khí cụ điện sử dụng cho mô hình. - Tìm hiểu về PLC S7-1200. - Tìm nguồn cung cấp điện áp và dòng điện ổn định cho mô hình hoạt động. - Tiến hành viết chương trình điều khiển.

Nội dung nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết: • Cơ cấu truyền động • Các thiết bị được sử dụng trong hệ thống chiết rót nước đóng chai • Thiết bị điều khiển plc s7-1200 và phần mềm - Hệ thống dựa trên cơ sở lý thuyết và các hệ thống có sẵn trong thực tế. - Thiết kế mô hình, giám sát và điều khiển hệ chiết rót và đóng nắp sử dụng PLC – S7 1200. - Kết quả và hướng phát triển hệ thống chiết rót nước đóng chai. Chương I: Tổng Quan Về Dây Chuyền 4 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh CHƯƠNG 2.

Tổng quan về thiết bị vận tải 2. Tổng quan Các loại thiết bị vận tải thường dùng để vận chuyển thể hạt, kích thước nhỏ, chuyên chở các chi tiết ở dạng thành phẩm và bán thành phẩm, chở hành khách đi theo một quỹ đạo nhất định không có điểm dừng ở giữa đường. Các loại băng chuyền thường gặp là: băng tải, băng chuyền, băng gầu, đường goòng treo và thang chuyền. Các loại băng chuyền có năng suất cao so với các phương tiện khác, nhất là ở những nơi có địa hình phức tạp.

Giới thiệu tổng quan về cơ cấu truyền động Băng chuyền là thiết bị vận tải dùng để chuyên chở các hạt thành phẩm và bán thành phẩm trong các phân xưởng, nhà máy sản xuất theo dây chuyền theo phương nằm ngang hoặc theo một góc nghiêng không lớn lắm kết cấu của một băng chuyền cố định như hình: ` Động cơ Băng tải Con lăn Hình 2. Sơ đồ hệ thống băng chuyền. • Những yêu cầu đối với hệ truyên động băng chuyền: Nguồn cung cấp cho động cơ truyền động băng chuyền cần có dung lượng lớn, đăc biệt là đối với động cơ có công suất ≥ 30 kw, để khi mở máy không ảnh hưởng đến lưới điện và quá trình khởi động thực hiện dễ dàng và nhẹ nhàng hơn. Khống chế tự động một Chương II: Cơ sở lí thuyế t 5 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh hệ thống băng chuyền phải theo yêu cầu công nghệ của đối tượng mà băng chuyền phục vụ - Thứ tự khởi động các băng tải.

- Có thể dừng băng tải theo yêu cầu. - Phải có cảm biến phát hiện vật trên băng chuyền. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, việc điều khiển băng chuyền trong dây truyền sản xuất bằng đóng cắt các rơle tự động ở các phân xưởng, nhà máy dần dần thay thế bằng các thiết bị chuyên dùng có kích thước gọn nhẹ, tốc độ điều khiển nhanh, chống nhiễu tốt, giá thành cạnh tranh và có khả năng lập trình đó chính là PLC – một trong những bộ điều khiển số mạnh nhất hiện nay. Giới thiệu các thiết bị và khí cụ điện sử dụng trong hệ thống chiết rót nước đóng chai.

Động cơ điện một chiều • Cấu tạo Gồm hai phần chính là phần tĩnh và phần quay, ngoài ra còn có các bộ phận khác. - Phần tĩnh + Cực từ chính: Là bộ phận tạo ra từ thông gồm có lõi thép và dây quấn kích từ, lõi thép được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng đối với động cơ có công suất lớn, hoặc đúc thành những từ khối đối với động cơ có công suất nhỏ. + Cực từ phụ: Được đặt giữa các cực từ chính dùng trong các động cơ có công suất lớn để cải thiện đổi chiều, cực từ phụ không có mặt cực, lõi thép làm bằng thép khối trên thân cực từ có cuộn dây, cấu tạo như cực từ chính. + Dây quấn kích từ: được quấn quanh thanh cực từ, các cuộn dây được nối tiếp nhau.

- Phần quay Chương II: Cơ sở lí thuyế t 6 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh + Lõi thép: Được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Bên ngoài có rãnh để đặt dây quấn phần ứng. + Dây quấn: Gồm các dây đồng có bọc cách điện đặt bên trong rãnh phần ứng gồm nhiều phần tử được nối với nhau hai phiến góp, các phần tử được nối với nhau tạo thành mạch điện kín. + Cổ góp: (vành góp hay vành đổi chiều): Biến đổi dòng điện xoay chiều trong máy thành dòng điện một chiều ra ngoài, hoặc biến dòng một chiều từ bên ngoài thành dòng xoay chiều vào trong máy.

Cổ góp gồm nhiều miếng đồng ghép cách điện với nhau bằng MICA dày 0,4 - 1,2 mm tạo thành hình tròn. - Các bộ phận khác + Vỏ máy: Được làm bằng gang đối với động cơ có công suất lớn và bằng thép cuộn thành ống đối với động cơ có công suất nhỏ, chức năng là để cố định lõi thép của cực từ. + Nắp máy: Thường làm bằng gang để bảo vệ dây quấn và đỡ trục của rôto nhờ các ổ bi. + Trục: Được gắn với rôto làm bằng thép.

+ Chổi than: Dùng để dẫn điện từ ngoài vào trong dây quấn phần ứng và ngược lại. ❖ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ nối tiếp - + E R ưf kt C Hình 2. Sơ đồ nối dây động cơ kính từ nối tiếp Chương II: Cơ sở lí thuyế t 7 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh Hình 2. Động cơ điện một chiều.

❖ Thông số kỹ thuật Nguồn cấp 24V Tốc độ quay 100 vòng/phút Công suất 17W Moment xoắn cực đại 2.m) Khối lượng 250g Nơi sản xuất Japan 2. Động cơ bơm • Cấu tạo - Động cơ hay Motor: là bộ phận có vai trò kết nối, khiến cánh quạt quay và tạo ra áp lực để đưa nước lên trên cao. - Cánh quạt: Được thiết kế với hình tròn và nhiều rãnh công, có vai trò quạt nước để đẩy nước ở ống đầu vào tới ống đầu ra máy bơm. - Ống đầu ra - Ống đầu vào • Công dụng Chương II: Cơ sở lí thuyế t 8 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh - Máy bơm nước mini là dòng máy bơm nước, được dùng để bơm nước cho hồ cá hoặc non bộ.

- Dùng máy bơm nước mini hoạt động dựa theo nguyên tắc áp lực, nước sẽ được chảy từ nơi có sức ép cao đến nơi có sức ép thấp hơn. Hình ảnh thực tế của bơm nước. ❖ Thông số kỹ thuật Chương II: Cơ sở lí thuyế t 9 Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: TS Nguyễn Phan Thanh 2. Động cơ bước • Cấu tạo - Gồm có hai phần chính: phần quay (Rotor) và được bao xung quanh là phần tĩnh (Stator).

✓ Stator Hai bộ phận chính của Stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn + Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại dạng hình trụ rỗng, mặt trong có phay rãnh. Trong rãnh là dây quấn máy điện có thể là dây quấn 2 pha, 3 pha .4 pha hoặc 5 pha. Phía ngoài Stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, hai đầu Stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt vào vỏ. Trên nắp máy có lắp ổ trục (ổ trượt hoặc vòng bi) để đỡ trục quay của Rotor.

+ Dây quấn Stator của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là loại dây điện từ, có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật. Dây quấn Stator được chia thành nhiều pha dây quấn, mỗi pha có một tổ bối dây, mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của Stator. ✓ Rotor + Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và được lồng vào phía trong của Stator. Cực từ của Rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽ nhau.

• Nguyên lí hoạt động - Nguyên lý làm việc của loại động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ trên một moment điện từ, cụ thể là tác động của một trường điện từ lên một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu. Rotor của động cơ tạo thành một hoặc nhiều cặp từ và moment điện từ của nam châm được đặt thẳng hàng trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên.