Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống chiết rót và đóng nắp trà sữa dùng PLC" do sinh viên Phạm Văn Bảo (Mã SV: 1811514110102) và Phan Lưu Quang Huy (Mã SV: 1811505520221) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Quang Thiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (bảo vệ tháng 12/2022, thời gian nộp: 25/11/2022). Công trình thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Về bối cảnh thực tiễn, tác giả chỉ ra rằng tại Việt Nam, trà sữa là loại đồ uống đứng thứ hai về lượng người tiêu dùng ưa chuộng, với quy mô doanh thu thị trường đạt 362 triệu USD, xếp vị trí thứ ba tại khu vực Đông Nam Á. Dù nhu cầu tiêu thụ lớn, hầu hết quy trình pha chế, chiết rót định lượng và đóng nắp tại các cơ sở kinh doanh hiện nay vẫn diễn ra hoàn toàn thủ công. Phương thức này làm tăng chi phí thuê nhân công, kéo dài thời gian chờ đợi của khách hàng, dễ phát sinh sai sót trong quá trình đóng nắp và giới hạn năng suất phục vụ. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đặt ra yêu cầu xây dựng một mô hình tự động hóa dây chuyền sản xuất cơ bản nhằm giảm thiểu thao tác của con người, rút ngắn thời gian đóng gói và hạ giá thành vận hành.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể qua 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử phát triển và các công nghệ chiết rót, đóng nắp tự động hiện nay.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý vận hành, tập lệnh và phương pháp lập trình bộ điều khiển logic khả trình PLC họ Siemens S7-200.
  3. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phần cứng cơ khí, thiết bị điện, cảm biến và cơ cấu chấp hành khí nén.
  4. Xây dựng lưu đồ thuật toán, thiết lập bảng phân công đầu vào/đầu ra, viết chương trình điều khiển PLC bằng phần mềm Step7-Micro/WIN 32 V4 và thiết kế giao diện giám sát SCADA bằng WinCC.
  5. Thi công, tích hợp mô hình thực tế, vận hành chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động và đề xuất hướng phát triển.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống chiết rót định lượng chất lỏng và siết nắp chai trà sữa tự động, trọng tâm là giải pháp điều khiển tích hợp bằng PLC S7-200 cùng giao diện giám sát WinCC. Phạm vi nghiên cứu về không gian và thời gian được giới hạn trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp đại học thực hiện tại xưởng thực hành của nhà trường trong thời gian 4 tháng, với sản phẩm đầu ra là mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Công trình xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất công nghiệp, kế thừa sự chuyển dịch công nghệ từ hệ thống điều khiển nối cứng bằng rơ-le điện từ (thập niên 1960–1970) sang hệ thống điều khiển khả trình PLC (khởi nguồn từ hãng General Motors năm 1968). Đồ án tập trung vào kiến trúc vi xử lý của PLC Siemens S7-200 (CPU 224 và CPU 226), chu trình quét vòng lặp (scan cycle) gồm 4 giai đoạn: đọc ngõ vào bộ đệm, thực thi chương trình, CPU tự kiểm tra - truyền thông, và cập nhật dữ liệu ra ngoại vi. Cấu trúc bộ nhớ được phân định thành vùng chương trình, vùng tham số, vùng dữ liệu (truy xuất theo Bit, Byte, Word, Double Word) và vùng đối tượng (Timer, Counter, bộ đệm AIW/AQW, Accumulator AC, bộ đếm tốc độ cao HSC).

Hệ thống truyền thông sử dụng chuẩn nối tiếp RS-485 với giắc cắm 9 chân tích hợp trên CPU PLC, kết nối đến cổng RS-232 của máy tính cá nhân (PC) thông qua cáp chuyển đổi PC/PPI theo giao thức PPI (Point To Point Interface) ở tốc độ truyền định mức 9600 baud, độ dài khung dữ liệu 11 bit. Nền tảng phần mềm giám sát, thu thập dữ liệu và giao diện người - máy (HMI) vận hành trên phần mềm SIMATIC WinCC.

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả phối hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích tài liệu chuyên ngành: Kế thừa cơ sở lý thuyết từ các tài liệu chuẩn gồm "Mạng truyền thông công nghiệp" (Hoàng Minh Sơn, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2001), "Mạng máy tính và các hệ thống mở" (Nguyễn Thức Hải, NXB Giáo dục 1997), "Điều khiển logic và lập trình PLC" (Tăng Văn Mùi, NXB Thống kê 2006), "Hướng dẫn thiết kế mạch và lập trình PLC" (Trần Thế Sang, NXB Đà Nẵng 2005).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và tích hợp hệ thống: Tính toán lựa chọn các thông số định mức của nguồn cấp 24VDC/5A, động cơ bơm một chiều, động cơ bước, động cơ giảm tốc, xilanh khí nén đôi và đơn, rơ-le trung gian và cảm biến tiệm cận.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng: Thiết lập giải thuật điều khiển trình tự, phân định cổng I/O vật lý, lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ giản đồ bậc thang Ladder (LAD) trên phần mềm Step7-Micro/WIN 32 V4 và tạo giao diện điều khiển, đèn báo trạng thái trên WinCC.
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình: Chế tạo cơ khí mâm xoay 2 tầng bằng vật liệu nhôm định hình, đấu nối hệ thống dây điện động lực và điều khiển, chạy thử nghiệm liên động các cụm cấp ly, chiết rót, cấp nắp, siết nắp và đẩy ly thành phẩm.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa khép kín gồm ba phân hệ chính: cơ cấu chấp hành cơ khí, mạch điều khiển - cảm biến, và trạm giám sát SCADA. Trung tâm của dây chuyền là cơ cấu mâm xoay 2 tầng được dẫn động bởi động cơ giảm tốc DC 24V GA37RG (tốc độ không tải 155 vòng/phút), kết hợp cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX để định vị chính xác vị trí dừng của ly tại các trạm làm việc.

Quy trình công nghệ diễn ra tuần tự qua các trạm:

  1. Trạm cấp ly: Xi lanh nén đôi TDA 16x45 tác động đẩy ly rỗng vào các vị trí định hình trên mâm xoay.
  2. Trạm chiết rót: Động cơ bơm mini 12VDC (công suất 5W, lưu lượng hút 2 lít/phút, bơm chìm 4,5 lít/phút) thực hiện rót dung dịch trà sữa theo khoảng thời gian định trước.
  3. Trạm cấp nắp: Cơ cấu kết hợp giữa động cơ bước Step 42 (góc bước 1,8°, mô-men xoắn 0,55 Nm), bộ kit trượt nhôm OpenBuilds (kích thước 65x65 mm, bánh xe V-slot) và xi lanh nén đơn (đường kính 16 mm, hành trình 150 mm) thực hiện nhiệm vụ lấy nắp và đặt nắp lên miệng ly.
  4. Trạm đóng siết nắp: Cơ cấu đóng nắp dạng xoay ép chặt nắp vào miệng ly, kiểm soát hành trình bằng công tắc hành trình mini (kích thước 10x20x6 mm).
  5. Trạm đẩy sản phẩm: Xi lanh nén đôi TDA 16x45 đẩy ly thành phẩm ra khỏi mâm xoay sang khâu tiếp nhận.
Thiết bị phần cứng Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
PLC Siemens S7-200 CPU 224 (hoặc CPU 226), 14 ngõ vào / 10 ngõ ra số, EEPROM, 256 Timer/Counter Xử lý logic và điều khiển toàn bộ dây chuyền
Động cơ giảm tốc GA37RG, điện áp định mức DC 24V, dòng không tải 90mA, tốc độ 155 RPM Dẫn động cơ cấu mâm xoay 2 tầng
Động cơ bước Step 42, dòng định mức 1,8A, mô-men giữ 0,55 Nm, góc bước 1,8°, khối lượng 400g Cơ cấu nâng hạ của cụm cấp nắp
Động cơ bơm chất lỏng Điện áp 12VDC, công suất 5W, lưu lượng 2 - 4,5 lít/phút, cột áp đẩy tối đa 3m Chiết rót định lượng dung dịch trà sữa
Xi lanh nén đôi TDA 16x45 Tác động kép, đường kính piston 16 mm, áp suất làm việc 0,7 MPa, tốc độ 50-500 mm/s Cấp ly rỗng, ép đóng nắp và đẩy ly thành phẩm
Xi lanh nén đơn Đường kính 16 mm, hành trình 150 mm, áp suất làm việc 0,9 MPa, tốc độ 50-80 mm/s Cơ cấu kẹp và đưa nắp vào vị trí
Cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX, điện áp 6-36VDC, ngõ ra NPN, khoảng cách phát hiện kim loại 0-4 mm Xác định vị trí dừng của mâm xoay
Bộ kit trượt OpenBuilds Tấm trượt hợp kim nhôm 65x65x3 mm, 4 bánh xe V-slot đường kính 24 mm Dẫn hướng chuyển động tịnh tiến cụm cấp nắp
Nguồn tổ ong Điện áp ngõ ra 24VDC, dòng định mức 5A Cung cấp nguồn nuôi cho PLC, cảm biến và động cơ
Nút nhấn điều khiển Tiếp điểm 1 NO + 1 NC, dòng định mức 10A, điện áp 380VAC / 220VDC Khởi động (Start), dừng khẩn cấp (E-Stop) hệ thống

Giao diện giám sát WinCC được liên kết thông qua cổng PPI, thiết lập bảng điều khiển ảo với các nút ấn chức năng và hệ thống đèn chỉ thị màu sắc: SF (đỏ - lỗi hệ thống), RUN (xanh - vận hành), STOP (vàng - tạm dừng), cùng các đèn báo trạng thái chiết rót, đóng nắp theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ chiết rót

Chương này khái quát lịch sử tự động hóa dây chuyền đóng gói bắt đầu từ đầu thế kỷ 20 với sự ra đời của ngành nước uống đóng chai. Tác giả phân loại 5 công nghệ máy chiết rót phổ biến trong công nghiệp:

  • Máy chiết rót bằng bơm bánh răng (bơm rotary 8 đầu): Thích hợp cho thực phẩm và hóa mỹ phẩm, vỏ bằng thép không gỉ và nhôm, điều khiển qua màn hình LCD.
  • Máy chiết rót bằng bơm piston (6 đầu): Điều khiển bằng motor servo, chuyên dùng cho chất lỏng không hạt, trang bị chế độ "không chai - không chiết rót" và vòi ngâm chống tràn.
  • Máy chiết rót bằng bơm trục vít (8 đầu): Mỗi đầu bơm dẫn động bởi một motor xoay chiều AC riêng biệt, chuyên dùng cho dầu nhớt nhằm hạn chế bọt khí.
  • Máy chiết rót bằng lưu lượng kế (10 đầu định lượng): Độ chính xác cao, dải dung tích rộng, dễ vệ sinh, phù hợp với dung dịch đậm đặc có độ nhớt cao.
  • Máy chiết rót kiểu đối lưu (đẳng áp): Ứng dụng rót nước giải khát dung tích 500 – 1500 ml, sử dụng vòi ngâm ổn định dòng chảy.

Về cơ cấu đóng nắp, chương 1 đối chiếu hai dạng: đóng nắp dạng thẳng (sử dụng ngàm kẹp kiểm soát lực siết, cơ cấu mâm kẹp chai tròn/vuông đạt tiêu chuẩn GMP) và đóng nắp dạng xoay (tích hợp chu trình cấp chai, phân loại nắp, gắp đặt nắp, siết nắp bằng đầu cao su chống trầy xước, dừng tự động khi kẹt chai). Dựa trên cơ sở đó, nhóm tác giả lựa chọn phương án mâm xoay kết hợp đóng nắp dạng xoay cho mô hình đồ án.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200

Chương 2 trình bày tổng quan cấu trúc phần cứng và lý thuyết vận hành dòng PLC Siemens S7-200. Trọng tâm nghiên cứu là CPU 224 với các thông số: kích thước 120,5 x 80 x 62 mm; bộ nhớ chương trình 4096 words, bộ nhớ dữ liệu 2560 words kiểu EEPROM (lưu giữ dữ liệu 190 giờ khi mất điện); tích hợp 14 ngõ vào số và 10 ngõ ra số; hỗ trợ ghép nối tối đa 7 module mở rộng (mở rộng tối đa lên tới 14 module đối với các cấu hình mở rộng chuyên dụng); 256 bộ định thời (Timer), 256 bộ đếm (Counter); 6 bộ đếm tốc độ cao HSC tần số 20 kHz; 2 bộ phát xung nhanh PTO/PWM tần số 20 kHz trên phiên bản cấp nguồn DC.

Chương cũng trình bày quy chuẩn đấu nối hai phiên bản phần cứng: CPU 224 DC/DC/DC (nguồn nuôi 24VDC nối cực M, L+, ngõ ra Transistor) và CPU 224 AC/DC/Relay (nguồn nuôi 220VAC nối chân N, L1, ngõ ra Rơ-le). Cấu trúc truyền thông sử dụng cổng RS-485 chuẩn jack 9 chân ghép nối cáp PC/PPI sang cổng RS-232 của máy tính ở tốc độ 9600 baud. Về phần mềm, chương phân tích ba phương pháp lập trình gồm LAD (Ladder Logic), STL (Statement List), FBD (Function Block Diagram) trên phần mềm Step7-Micro/WIN 32 V4, đồng thời nêu quy trình thiết kế hệ thống điều khiển PLC theo 6 bước chuẩn hóa.

Chương 3: Lựa chọn thiết bị phần cứng

Chương 3 trình bày các thông số kỹ thuật, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng linh kiện cơ điện được chọn để lắp ráp mô hình:

  • Mâm xoay: Thiết kế 2 tầng bằng vật liệu cơ khí nhằm tạo sự vững chắc và giữ ly ổn định khi xoay tròn giữa các trạm gia công.
  • Rơ-le trung gian (rơ-le kiếng): Cấu tạo gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh, lò xo phản hồi và cuộn dây điện từ; đóng vai trò làm tầng đệm cách ly điện áp giữa ngõ ra điều khiển PLC và các thiết bị chấp hành công suất lớn.
  • Khí cụ khí nén: Xi lanh nén đôi TDA 16x45 (đường kính piston 16 mm, áp suất làm việc 0,7 MPa, tốc độ 50-500 mm/s, tích hợp giảm chấn cao su) dùng cho cụm cấp ly, ép nắp và đẩy sản phẩm; xi lanh nén đơn (đường kính 16 mm, hành trình 150 mm, áp suất làm việc 0,9 MPa, tốc độ 50-80 mm/s) dùng cho cơ cấu cấp nắp.
  • Thiết bị dẫn động: Động cơ bơm 12VDC mini (công suất 5W, trọng lượng 103g); động cơ bước Step 42 (góc bước 1,8°, dòng 1,8A, mô-men giữ 0,55 Nm) dẫn động cơ cấu trượt OpenBuilds (tấm nhôm 65x65x3 mm, 4 bánh xe V-slot); động cơ giảm tốc DC 24V GA37RG quay mâm xoay.
  • Cảm biến và nút ấn: Cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/BX (nguồn 6-36VDC, khoảng cách 0-4 mm, sơ đồ 3 dây: Nâu - VCC, Xanh - GND, Đen - Signal OUT); công tắc hành trình mini (kích thước 10x20x6 mm); nút nhấn chịu tải 10A, độ bền trên 5 triệu lần đóng cắt; bộ nguồn tổ ong 24V/5A.

Chương 4: Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển và giám sát hệ thống

Nội dung chương 4 tập trung vào việc hiện thực hóa giải thuật vận hành:

  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể: Bắt đầu khi nhấn nút Start, hệ thống kiểm tra trạng thái mâm xoay và phôi ly. Mâm xoay quay đến khi cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX kích hoạt tín hiệu dừng. Tại các trạm làm việc, PLC đồng thời kích hoạt xilanh cấp ly, bật động cơ bơm chiết rót theo bộ định thời Timer, kích hoạt cơ cấu cấp nắp bằng động cơ bước và xilanh kẹp nắp, thực hiện siết nắp và kích hoạt xilanh đẩy sản phẩm thành phẩm ra khay chứa. Chu trình lặp lại liên tục cho đến khi nhấn nút Stop hoặc công tắc khẩn cấp E-Stop.
  • Thiết lập bảng phân công đầu vào (I/O Mapping): Gán các cổng ngõ vào vật lý (nút Start, Stop, cảm biến tiệm cận, công tắc hành trình) và các ngõ ra điều khiển cuộn hút rơ-le (bơm nước, van khí nén xilanh, động cơ bước, động cơ mâm xoay).
  • Thiết lập sơ đồ đấu nối: Thể hiện chi tiết sơ đồ nối dây cho PLC họ S7-200 (sử dụng CPU 226 DC/DC/DC trên bản vẽ thi công) kết nối với nguồn tổ ong 24V/5A, tải động cơ và các van điện từ khí nén.
  • Lập trình điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên phần mềm Step7-Micro/WIN 32 V4, đảm bảo các khóa liên động an toàn.
  • Thiết kế giao diện giám sát WinCC: Xây dựng bảng điều khiển gồm khối nút nhấn điều khiển (Start, Stop, Reset, Emergency Stop), khối đèn báo trạng thái từng cơ cấu và giao diện vận hành hoàn chỉnh liên kết biến nhớ qua giao thức truyền thông.

Chương 5: Mô hình, đánh giá và hướng phát triển của đề tài

Chương 5 trình bày hình ảnh mô hình thực tế sau khi tích hợp hoàn thiện phần cơ khí và phần điện. Tác giả tiến hành vận hành thử nghiệm toàn bộ hệ thống để đánh giá sự phối hợp nhịp nhàng giữa các trạm chấp hành. Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng mô hình đã thực hiện đúng chu trình công nghệ đặt ra, các cảm biến nhận diện điểm dừng chính xác, cơ cấu khí nén đóng mở đúng hành trình và giao diện WinCC cập nhật kịp thời trạng thái làm việc. Đồng thời, chương này tổng kết những hạn chế còn tồn tại do quy mô mô hình thí nghiệm và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Công trình đã ghi nhận các kết quả thực nghiệm và số liệu kỹ thuật cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí mâm xoay 2 tầng hoạt động đồng bộ với 5 cụm chức năng: cấp ly, chiết rót, cấp nắp, siết nắp và đẩy ly thành phẩm.
  • Tích hợp và điều khiển thành công hệ thống phần cứng đa dạng gồm: 01 CPU PLC Siemens họ S7-200, 01 động cơ giảm tốc DC 24V GA37RG (tốc độ không tải 155 vòng/phút), 01 động cơ bước Step 42 (dòng 1,8A, mô-men giữ 0,55 Nm), 01 bơm chiết rót mini 12VDC (công suất 5W, lưu lượng 2 - 4,5 lít/phút, cột áp đẩy 3m), các xi lanh khí nén TDA 16x45 (áp suất làm việc 0,7 MPa) và xi lanh nén đơn (áp suất 0,9 MPa, hành trình 150 mm).
  • Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển dạng Ladder trên Step7-Micro/WIN 32 V4 với bảng gán cổng I/O rõ ràng, xử lý trơn chu chu trình định vị phôi bằng cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z/BX (khoảng cách phát hiện 0-4 mm).
  • Thiết lập thành công giao diện SCADA trên WinCC, cho phép giám sát trực quan các trạng thái đóng/ngắt thiết bị và điều khiển dừng/chạy từ máy tính qua cổng truyền thông RS-485/RS-232 ở tốc độ 9600 baud.

Về đóng góp, đồ án đã hiện thực hóa giải pháp tự động hóa chi phí thấp cho một quy trình sản xuất đồ uống phổ biến tại Việt Nam. Tác giả tự đánh giá việc thực hiện đề tài đã giúp người học làm chủ toàn diện các kỹ năng từ thiết kế cơ khí, lắp ráp khí cụ điện, tích hợp hệ thống điều khiển logic PLC cho đến lập trình giám sát SCADA công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản chỉ ra một số hạn chế do điều kiện nghiên cứu ở quy mô đồ án đại học:

  • Hệ thống dừng lại ở mức độ mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa sử dụng các vật liệu đạt chuẩn công nghiệp thực phẩm lớn (động cơ bơm sử dụng là loại 12VDC mini 5W thay vì động cơ xoay chiều AC công suất lớn).
  • Phương pháp định lượng chiết rót dựa trên thời gian mở van bơm (điều khiển qua Timer/Relay), chưa tích hợp cảm biến đo lưu lượng chuyên dụng hay cảm biến tải trọng (loadcell) để hiệu chỉnh sai số theo thể tích thực tế.
  • Cơ cấu cấp nắp và siết nắp sử dụng ray trượt nhôm loại dùng cho máy in 3D (OpenBuilds), do đó độ cứng vững khi làm việc liên tục ở tốc độ cao còn hạn chế.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

  • Nâng cấp hệ thống định lượng bằng cách tích hợp cảm biến lưu lượng kế hoặc cảm biến khối lượng để tăng độ chuẩn xác thể tích chiết rót.
  • Tích hợp thêm cảm biến kiểm tra chất lượng nắp (nhận biết nắp lỗi, nắp ngược, không có màng siết) để tự động phân loại và loại bỏ sản phẩm hỏng trước khi đưa ra ngoài.
  • Ứng dụng động cơ bơm công nghiệp công suất lớn và hoàn thiện kết cấu cơ khí bằng vật liệu thép không gỉ (Inox 304) đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm GMP.
  • Nâng cấp mạng truyền thông công nghiệp (Profibus, Profinet) và mở rộng kết nối dữ liệu phục vụ giám sát từ xa qua nền tảng IoT.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử, và Công nghệ Thực phẩm.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Toàn bộ bảng thông số kỹ thuật chi tiết của các thiết bị cơ khí, khí nén và khí cụ điện công nghiệp (xi lanh TDA 16x45, động cơ GA37RG, cảm biến LJ12A3-4-Z/BX, rơ-le trung gian).
  • Quy trình kết nối dây phần cứng cho dòng PLC S7-200 (cả hai dòng cấp nguồn AC và DC), phương pháp bảo vệ ngõ ra PLC bằng rơ-le cách ly.
  • Lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự cho dây chuyền chiết rót mâm xoay nhiều trạm và cấu trúc giao diện SCADA WinCC cơ bản kết nối qua cổng PC/PPI.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC nào và các thông số kỹ thuật cốt lõi là gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình họ Siemens S7-200, cụ thể là CPU 224 (và sơ đồ đấu nối thi công CPU 226 DC/DC/DC). CPU 224 có kích thước 120,5 x 80 x 62 mm; tích hợp 14 ngõ vào số và 10 ngõ ra số; bộ nhớ chương trình 4096 words, bộ nhớ dữ liệu 2560 words (EEPROM lưu trữ dữ liệu 190 giờ khi mất điện); tích hợp 256 Timer, 256 Counter, 6 bộ đếm tốc độ cao 20 kHz và 2 bộ phát xung PTO/PWM 20 kHz.

2. Động cơ bơm chất lỏng trong mô hình có thông số kỹ thuật ra sao và vì sao nhóm chọn loại này?
Động cơ bơm được chọn là loại bơm một chiều mini 12VDC, công suất 5W, đường kính thân 27,5 mm, dài 78 mm, ống dẫn 8 mm và trọng lượng 103g. Lưu lượng bơm chìm đạt khoảng 4,5 lít/phút, lưu lượng hút khoảng 2 lít/phút (ở 24V), cột áp đẩy tối đa 3m và hút sâu tối đa 1m. Nhóm chọn động cơ này thay vì động cơ xoay chiều AC công nghiệp vì kích thước nhỏ gọn, an toàn điện áp thấp, tiết kiệm năng lượng và giá thành phù hợp với mô hình thí nghiệm.

3. Cảm biến tiệm cận được dùng là model nào, đóng vai trò gì trong hệ thống?
Hệ thống sử dụng cảm biến tiệm cận kim loại Model LJ12A3-4-Z/BX, hoạt động trong dải điện áp 6 - 36VDC, dòng tiêu thụ 300mA, khoảng cách phát hiện vật kim loại từ 0 đến 4 mm, kích thước đường kính 12 mm và chiều dài 60 mm. Sơ đồ đấu nối gồm 3 dây (Nâu: VCC, Xanh dương: GND, Đen: Data OUT). Cảm biến này được lắp đặt để phát hiện các cữ kim loại trên mâm xoay, từ đó gửi tín hiệu về PLC để điều khiển dừng mâm xoay chính xác tại các vị trí trạm cấp ly, rót trà sữa, cấp nắp và siết nắp.

4. Máy tính giám sát giao tiếp với PLC S7-200 thông qua chuẩn truyền thông nào?
Hệ thống giám sát WinCC trên máy tính cá nhân (PC) kết nối với PLC S7-200 qua cổng truyền thông nối tiếp RS-485 (jack 9 chân tích hợp trên thân PLC). Chuẩn kết nối sử dụng cáp PC/PPI đóng vai trò bộ chuyển đổi giữa cổng RS-232 của máy tính và RS-485 của PLC, làm việc theo giao thức PPI (Point To Point Interface) ở tốc độ truyền định mức 9600 baud với khung dữ liệu truyền 11 bit.

5. Các cơ cấu chấp hành khí nén nào được bố trí trong mô hình và nhiệm vụ của từng loại là gì?
Hệ thống sử dụng hai loại xilanh khí nén:

  • Xi lanh nén đôi TDA 16x45: Đường kính piston 16 mm, áp suất làm việc 0,7 MPa, tốc độ 50-500 mm/s, tích hợp cao su giảm chấn; được sử dụng tại cơ cấu cấp ly rỗng vào mâm xoay, cơ cấu ép đóng nắp và cơ cấu đẩy ly thành phẩm ra ngoài.
  • Xi lanh nén đơn: Đường kính 16 mm, hành trình 150 mm, áp suất làm việc 0,9 MPa, tốc độ 50-80 mm/s; được sử dụng kết hợp với cụm động cơ bước Step 42 trong cơ cấu cấp nắp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống chiết rót và đóng nắp trà sữa dùng PLC" của sinh viên Phạm Văn Bảo và Phan Lưu Quang Huy đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một mô hình tự động hóa phân độ mâm xoay tích hợp đầy đủ các chức năng cấp phôi, định lượng chất lỏng, cấp nắp, siết nắp và phân phối sản phẩm. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa phần cứng PLC Siemens S7-200, các cơ cấu chấp hành khí nén, động cơ điện một chiều và phần mềm giám sát SCADA WinCC qua giao thức PPI, công trình đã giải quyết tốt bài toán điều khiển tuần tự theo quy trình công nghệ đề ra. Kết quả nghiên cứu không chỉ phản ánh mức độ ứng dụng thực tế của ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa vào ngành sản xuất đồ uống, mà còn cung cấp một tài liệu tham khảo kỹ thuật chi tiết, có giá trị học thuật cao cho việc phát triển các hệ thống chiết rót đóng chai công nghiệp.