Hệ Thống Tra Dầu Tự Động Hóa Bằng PLC Tại Trường Đại Học Thủy Lợi

Đồ án nghiên cứu môn plc ngành tự động hóa đề tài hệ thống tra dầu, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Đề tài: Hệ Thống Tra Dầu Tự Động Hóa Bằng PLC Tại Trường Đại Học Thủy Lợi

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: Phân tích nguyên lý làm việc hệ thống điều khiển
• 1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
• 1.2. PLC phổ biến
• 1.3. Phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển
• 2. Chương II: Sơ đồ chức năng Grafcet
• 3. Chương III: Phân tích lựa chọn PLC
• 3.1. Giới thiệu chung về S7-300
• 3.2. Chọn các loại thiết bị hệ thống
• 4. Chương IV: Sơ đồ lập trình LAD
• 5. Chương V: Sơ đồ lập trình LAD có điều khiển bằng tay
• 6. Chương VI: Giao diện điều khiển(HMI)
• 6.1. Giao diện điều khiển HMI
• 7. Chương VII: Vẽ các sơ đồ điều khiển, sơ đồ nối dây, các sơ đồ điện…
• 8. Chương VIII: Mô phỏng, mô hình
• 8.1. Mô phỏng, mô hình
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống tra dầu tự động hóa PLC tại ĐH Thủy Lợi

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, tự động hóa công nghiệp đóng vai trò xương sống cho sự phát triển của các ngành sản xuất. Một trong những ứng dụng thiết thực và quan trọng là hệ thống bôi trơn tự động, giúp tối ưu hóa quy trình bảo trì máy móc, giảm ma sát và mài mòn, và nâng cao tuổi thọ thiết bị. Nhận thức được tầm quan trọng đó, sinh viên Đại học Thủy Lợi đã nghiên cứu và phát triển Hệ Thống Tra Dầu Tự Động Hóa Bằng PLC. Đây là một đồ án tốt nghiệp cơ điện tử tiêu biểu, ứng dụng bộ điều khiển PLC để giám sát và vận hành quy trình tra dầu cho sản phẩm trên băng chuyền một cách chính xác. Hệ thống này không chỉ là một mô hình thực hành giá trị cho sinh viên ngành tự động hóa mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp. Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một hệ thống có khả năng phát hiện sản phẩm, định vị, thực hiện thao tác tra dầu với liều lượng chính xác và lặp lại chu trình một cách ổn định. Việc sử dụng PLC, cụ thể là dòng Siemens, cho phép lập trình linh hoạt các thuật toán điều khiển phức tạp, dễ dàng thay đổi và nâng cấp khi cần thiết. Toàn bộ quá trình, từ nhận tín hiệu cảm biến tiệm cận đến điều khiển van điện từ và xi-lanh, đều được giám sát và điều khiển một cách tự động, giảm thiểu sự can thiệp của con người và hạn chế sai sót. Sáng kiến này là một minh chứng rõ ràng cho năng lực ứng dụng kiến thức lý thuyết vào giải quyết các bài toán thực tiễn của sinh viên tại phòng thí nghiệm tự động hóa của trường.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống bôi trơn tự động công nghiệp

Trong môi trường sản xuất công nghiệp, việc bôi trơn cho các chi tiết máy chuyển động là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo hoạt động trơn tru và bền bỉ. Các phương pháp thủ công không chỉ tốn thời gian, nhân công mà còn thiếu tính chính xác, dẫn đến tình trạng thừa hoặc thiếu dầu bôi trơn. Hệ thống bôi trơn tự động ra đời để giải quyết triệt để vấn đề này. Hệ thống giúp cung cấp dầu một cách định kỳ và chính xác đến các vị trí cần thiết, giúp giảm ma sát và mài mòn tối đa, từ đó kéo dài tuổi thọ của máy móc và giảm chi phí bảo trì máy móc. Hơn nữa, việc tự động hóa còn đảm bảo an toàn lao động, tránh cho công nhân phải tiếp xúc trực tiếp với máy móc đang hoạt động và hóa chất bôi trơn.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đồ án tại ĐH Thủy Lợi

Đề tài "Hệ Thống Tra Dầu Tự Động Hóa Bằng PLC" tại Đại học Thủy Lợi được thực hiện với các mục tiêu cụ thể. Trước hết, nghiên cứu và phân tích nguyên lý hoạt động PLC để ứng dụng vào điều khiển một dây chuyền sản xuất mô phỏng. Thứ hai, thiết kế hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh bao gồm phần cứng (băng tải, cơ cấu chấp hành, cảm biến) và phần mềm (chương trình điều khiển LAD). Phạm vi của đồ án tập trung vào việc xây dựng một trạm tra dầu độc lập, hoạt động không đồng bộ trên một băng chuyền giả định. Đồ án không điều khiển toàn bộ băng tải mà chỉ xử lý sản phẩm khi nó đi vào vùng làm việc của trạm. Đây là một mô hình thực hành lý tưởng, cho phép sinh viên áp dụng kiến thức về lập trình PLC Siemens S7-1200 (hoặc các dòng tương đương như S7-300), thiết kế giao diện HMI và đấu nối mạch điện thực tế.

II. Thách thức trong bảo trì Vì sao cần hệ thống tra dầu tự động

Quy trình tra dầu và bôi trơn thủ công trong các dây chuyền sản xuất truyền thống tồn tại nhiều bất cập và thách thức. Vấn đề lớn nhất là tính thiếu nhất quán. Lượng dầu bôi trơn phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm và sự cẩn thận của người vận hành, dẫn đến việc sản phẩm nhận được lượng dầu không đồng đều. Điều này trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng và có thể gây ra hỏng hóc cho các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao. Thêm vào đó, việc tra dầu thủ công làm gián đoạn dây chuyền sản xuất, giảm năng suất và hiệu quả hoạt động. Công nhân phải tiếp cận các khu vực máy móc đang hoạt động, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động. Các thách thức này đòi hỏi một giải pháp hiện đại hơn, và hệ thống tra dầu tự động hóa bằng PLC chính là câu trả lời. Hệ thống này đảm bảo mọi sản phẩm đều được xử lý theo một quy trình chuẩn hóa. Hệ thống định lượng dầu chính xác đến từng mili giây, loại bỏ hoàn toàn sai số của con người. Việc tích hợp bộ điều khiển PLC không chỉ tự động hóa quy trình mà còn cho phép thu thập dữ liệu, giám sát từ xa và dễ dàng tinh chỉnh các thông số vận hành như thời gian phun dầu, thời gian kẹp sản phẩm thông qua giao diện HMI. Do đó, việc chuyển đổi sang hệ thống bôi trơn tự động là một bước đi tất yếu để nâng cao chất lượng, năng suất và độ an toàn trong sản xuất hiện đại.

2.1. Hạn chế của phương pháp tra dầu và bôi trơn thủ công

Phương pháp tra dầu thủ công tồn tại nhiều nhược điểm cố hữu. Thứ nhất là độ chính xác thấp, người vận hành khó có thể đảm bảo lượng dầu đồng nhất cho hàng nghìn sản phẩm. Thứ hai là lãng phí tài nguyên, bao gồm cả dầu bôi trơn và nhân lực. Thứ ba là rủi ro về an toàn khi công nhân phải làm việc gần các bộ phận máy đang chuyển động. Cuối cùng, phương pháp này không thể đáp ứng được yêu cầu về tốc độ và sản lượng của các dây chuyền sản xuất quy mô lớn, làm giảm năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp.

2.2. Yêu cầu cấp thiết về tự động hóa trong bảo trì máy móc

Để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí vận hành, yêu cầu về tự động hóa công nghiệp trong lĩnh vực bảo trì máy móc ngày càng trở nên cấp thiết. Một hệ thống tự động không chỉ thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại một cách chính xác mà còn có khả năng tự chẩn đoán lỗi và cảnh báo. Việc tích hợp các cảm biến áp suất dầu hay cảm biến mức dầu vào hệ thống bôi trơn tự động cho phép hệ thống giám sát liên tục và đảm bảo nguồn cung cấp dầu luôn ổn định, góp phần ngăn ngừa các sự cố hỏng hóc đột ngột.

III. Hướng dẫn thiết kế hệ thống tra dầu tự động PLC S7 300

Việc thiết kế hệ thống cơ điện tử tra dầu tự động hóa là một quá trình bao gồm nhiều bước, từ lựa chọn thiết bị phần cứng đến phát triển phần mềm điều khiển. Trọng tâm của hệ thống là bộ điều khiển PLC, và trong đồ án này, dòng PLC S7-300 của Siemens, cụ thể là CPU 314C-2DP, đã được lựa chọn. Quyết định này dựa trên các ưu điểm như tốc độ xử lý nhanh, bộ nhớ lớn, khả năng mở rộng module I/O linh hoạt và hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông mạnh mẽ như Profibus. Cấu trúc phần cứng của hệ thống bao gồm các thành phần chính: băng tải để di chuyển sản phẩm, cảm biến tiệm cận để phát hiện sản phẩm, xi-lanh khí nén để định vị và giữ sản phẩm, cơ cấu nâng hạ vòi phun, và van điện từ để điều khiển việc phun dầu. Toàn bộ các thiết bị này được kết nối với các ngõ vào/ra (I/O) của PLC. Ví dụ, tín hiệu từ cảm biến tiệm cận được đưa vào ngõ vào số (Digital Input), trong khi các xi-lanh và van điện từ được điều khiển bởi các ngõ ra số (Digital Output). Theo tài liệu nghiên cứu của sinh viên Nguyễn Hồng Đăng, việc lựa chọn CPU 314C-2DP còn hướng đến khả năng mở rộng trong tương lai, chẳng hạn như tích hợp thêm cảm biến mức dầu trong bồn chứa hoặc đo lường các thông số tương tự khác. Việc thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển và mạch động lực cũng là một bước quan trọng, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và ổn định.

3.1. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển PLC Siemens S7 300

PLC S7-300 là dòng sản phẩm tầm trung của Siemens, nổi bật với cấu trúc module linh hoạt. Việc lựa chọn CPU 314C-2DP cho đồ án được dựa trên các tiêu chí: có sẵn 24 ngõ vào và 16 ngõ ra số, 4 ngõ vào và 2 ngõ ra tương tự, đủ để đáp ứng yêu cầu hiện tại và mở rộng sau này. Bên cạnh đó, CPU này có bộ nhớ làm việc 192KB và tốc độ xử lý lệnh cao, đảm bảo hệ thống phản hồi nhanh và chính xác với các tín hiệu điều khiển. Khả năng kết nối mạng Profibus DP cũng là một lợi thế lớn cho việc tích hợp vào các hệ thống tự động hóa lớn hơn.

3.2. Lựa chọn các thiết bị chấp hành và cảm biến phù hợp

Thành công của hệ thống phụ thuộc lớn vào việc lựa chọn các thiết bị ngoại vi. Cảm biến tiệm cận loại điện cảm được chọn để phát hiện khay nhôm chứa sản phẩm với độ nhạy và độ bền cao trong môi trường công nghiệp. Xi-lanh khí nén tác động đơn và tác động kép được sử dụng cho cơ cấu giữ sản phẩm và cơ cấu nâng/hạ vòi phun, mang lại lực tác động mạnh và tốc độ phản ứng nhanh. Trái tim của quá trình bôi trơn là van điện từ (OIL VALVE), có khả năng đóng/mở cực nhanh để định lượng dầu một cách chính xác trong khoảng thời gian chỉ 0.01 giây theo mô tả của đề tài.

IV. Phương pháp vận hành hệ thống tra dầu tự động hóa bằng PLC

Toàn bộ logic hoạt động của hệ thống được quyết định bởi chương trình nạp trong bộ điều khiển PLC. Nguyên lý hoạt động PLC dựa trên việc quét một chu trình liên tục: đọc trạng thái các ngõ vào, thực thi chương trình điều khiển, và cập nhật trạng thái các ngõ ra. Trong đồ án này, chương trình được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Logic), một ngôn ngữ đồ họa trực quan và quen thuộc với các kỹ sư điện - tự động hóa. Quy trình vận hành bắt đầu khi nhấn nút Start, động cơ băng tải hoạt động. Khi cảm biến tiệm cận (PROX) phát hiện sản phẩm, nó gửi tín hiệu đến PLC. PLC ngay lập tức dừng băng tải và kích hoạt xi-lanh giữ sản phẩm (ENGAGE_SOL) trong một khoảng thời gian được định trước bởi bộ định thời gian (timer), ví dụ 4 giây. Đồng thời, PLC điều khiển xi-lanh hạ vòi phun xuống vị trí làm việc. Khi vòi phun chạm tới công tắc hành trình dưới (LS2), PLC kích hoạt van điện từ (OIL_VALVE) để phun dầu trong một khoảng thời gian rất ngắn (0.01s). Sau khi phun xong, vòi phun được nâng lên. Khi chạm công tắc hành trình trên (LS1) và bộ đếm thời gian giữ sản phẩm kết thúc, PLC sẽ nhả xi-lanh giữ và khởi động lại băng tải để đưa sản phẩm tiếp theo vào vị trí. Chu trình này lặp lại liên tục, tạo thành một hệ thống bôi trơn tự động hoàn chỉnh và hiệu quả. Toàn bộ chuỗi sự kiện này được thể hiện rõ ràng qua sơ đồ lập trình LAD trong chương IV và V của tài liệu gốc.

4.1. Quy trình hoạt động tuần tự của hệ thống tra dầu tự động

Quy trình hoạt động của hệ thống được mô tả tuần tự qua các bước: 1) Chờ sản phẩm. 2) Cảm biến phát hiện, băng tải dừng, kẹp sản phẩm. 3) Hạ vòi phun. 4) Phun dầu định lượng. 5) Nâng vòi phun. 6) Hết thời gian kẹp, nhả sản phẩm, băng tải chạy. Mỗi bước chuyển trạng thái được điều khiển bởi các điều kiện logic nghiêm ngặt trong chương trình PLC, dựa trên tín hiệu từ cảm biến, công tắc hành trình và các bộ định thời gian (timer). Sơ đồ chức năng Grafcet trong Chương II của đồ án đã mô tả chi tiết các bước và điều kiện chuyển tiếp này.

4.2. Vai trò của bộ định thời gian timer và bộ đếm counter

Trong lập trình PLC Siemens S7-1200 hay S7-300, bộ định thời gian (timer) và bộ đếm (counter) là các hàm chức năng cực kỳ quan trọng. Trong hệ thống này, timer được sử dụng để kiểm soát chính xác thời gian kẹp sản phẩm (4 giây) và thời gian phun dầu (0.01 giây). Việc sử dụng timer đảm bảo tính nhất quán và độ lặp lại cao cho quy trình, điều mà phương pháp thủ công không thể đạt được. Bộ đếm có thể được sử dụng để đếm số lượng sản phẩm đã được tra dầu, phục vụ cho mục đích thống kê sản xuất và lên kế hoạch bảo trì.

4.3. Lập trình giao diện giám sát và điều khiển HMI trên WinCC

Để việc giám sát và điều khiển trở nên trực quan, một giao diện HMI (Human-Machine Interface) đã được thiết kế bằng phần mềm WinCC. Giao diện này cho phép người vận hành khởi động, dừng, hoặc reset hệ thống thông qua các nút nhấn ảo trên màn hình. Quan trọng hơn, HMI hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị như băng tải, xi-lanh, van dầu, và các thông số cài đặt như thời gian phun dầu. Theo tài liệu, giao diện còn được phân quyền truy cập cho công nhân và quản lý, đảm bảo chỉ những người có thẩm quyền mới có thể thay đổi các thông số vận hành quan trọng.

V. Ứng dụng mô hình tra dầu PLC trong phòng thí nghiệm ĐH Thủy Lợi

Hệ thống tra dầu tự động hóa không chỉ dừng lại ở bản vẽ thiết kế hay các dòng lệnh lập trình mà đã được hiện thực hóa thành một mô hình thực hành tại phòng thí nghiệm tự động hóa của Đại học Thủy Lợi. Mô hình này đóng vai trò là một công cụ giảng dạy và học tập vô giá. Sinh viên có cơ hội được trực tiếp tương tác với các thiết bị công nghiệp thực tế như bộ điều khiển PLC, cảm biến, cơ cấu chấp hành. Việc này giúp củng cố kiến thức lý thuyết về nguyên lý hoạt động PLC, lập trình LAD, và kỹ năng đấu nối sơ đồ mạch điện điều khiển. Thông qua việc vận hành, gỡ lỗi và cải tiến mô hình, sinh viên có thể hiểu sâu sắc hơn về những thách thức trong việc triển khai một hệ thống tự động hóa công nghiệp. Kết quả nghiên cứu từ mô hình này cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng đúng các yêu cầu thiết kế ban đầu về tốc độ và độ chính xác. Thời gian đáp ứng của hệ thống nhanh, quy trình tra dầu được thực hiện nhất quán, chứng minh tính hiệu quả của giải pháp sử dụng PLC. Đây không chỉ là một đồ án tốt nghiệp cơ điện tử thành công mà còn là một tài sản học thuật, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về hệ thống bôi trơn tự động thông minh, có khả năng kết nối mạng và tích hợp vào các hệ thống quản lý sản xuất lớn hơn.

5.1. Lợi ích của mô hình thực hành đối với công tác đào tạo

Sự tồn tại của các mô hình thực hành như hệ thống tra dầu tự động giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn. Sinh viên không còn học một cách trừu tượng mà được "chạm" vào công nghệ. Họ có thể tự tay lập trình, đấu nối, kiểm tra lỗi và quan sát kết quả ngay lập tức. Điều này không chỉ nâng cao kỹ năng chuyên môn mà còn rèn luyện tư duy logic, kỹ năng giải quyết vấn đề và khả năng làm việc nhóm, những yếu tố cực kỳ quan trọng đối với một kỹ sư tự động hóa trong tương lai.

5.2. Đánh giá kết quả và hiệu quả hoạt động của hệ thống

Qua quá trình mô phỏng và chạy thử nghiệm được trình bày trong Chương VIII của đồ án, hệ thống đã chứng tỏ được hiệu quả vượt trội so với phương pháp thủ công. Độ chính xác của hệ thống định lượng dầu gần như tuyệt đối, sai số không đáng kể. Tốc độ xử lý của một chu trình nhanh, cho phép đáp ứng yêu cầu của các dây chuyền sản xuất hàng loạt. Hệ thống hoạt động ổn định, ít xảy ra lỗi, cho thấy việc thiết kế hệ thống cơ điện tử và lập trình đã được thực hiện một cách cẩn thận và chính xác, khẳng định tính khả thi của dự án.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất và gia công cơ khí công nghiệp hiện đại, công đoạn bôi trơn và tra dầu mỡ cho chi tiết máy đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo độ bền, giảm ma sát và nâng cao tuổi thọ của sản phẩm. Việc thực hiện bôi trơn thủ công thường bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, độ chính xác của lượng dầu xả và nguy cơ gây mất an toàn lao động. Nhằm tối ưu hóa quá trình này, đồ án môn học chuyên ngành Tự động hóa tại Trường Đại học Thủy Lợi do sinh viên Nguyễn Hồng Đăng thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Đức Minh đã đi sâu vào nghiên cứu và thiết kế "Hệ thống tra dầu" ứng dụng bộ điều khiển lập trình logic (PLC).

Đề tài giải quyết bài toán tự động hóa một trạm làm việc độc lập trong dây chuyền sản xuất liên tục, thay thế các mạch điều khiển logic rơ-le truyền thống cồng kềnh bằng hệ thống điều khiển số linh hoạt, có khả năng giám sát từ xa và dễ dàng mở rộng.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Phân tích nguyên lý làm việc tổng quan của trạm điều khiển tra dầu tự động và cấu trúc điều khiển khả trình PLC.
2. Xây dựng sơ đồ chức năng Grafcet mô tả thuật toán điều khiển tuần tự của quy trình gia công.
3. Tính toán, lựa chọn cấu hình phần cứng điều khiển trung tâm (họ PLC Siemens S7-300), động cơ truyền động, cảm biến và các khí cụ điện đóng cắt, bảo vệ mạch.
4. Thiết kế chương trình điều khiển dạng sơ đồ bậc thang (LAD) cho cả hai chế độ vận hành tự động và vận hành bằng tay.
5. Thiết kế giao diện người - máy (HMI) và hệ thống giám sát SCADA trên nền tảng phần mềm WinCC với tính năng phân quyền vận hành.
6. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật sơ đồ đấu nối mạch lực, mạch điều khiển ngõ vào/ngõ ra (I/O) và mô phỏng kiểm chứng hoạt động của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm tra dầu tự động cho sản phẩm chuyển động trên băng chuyền con lăn hai dải song song. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở thiết kế giải pháp điều khiển cho một trạm cục bộ hoạt động không đồng bộ, giả thiết phôi/khay sản phẩm nhôm di chuyển liên tục với khoảng cách giãn cách hợp lý giữa các sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật lập trình PLC:

• Cấu trúc và nguyên lý điều khiển PLC: Nghiên cứu cấu tạo phần cứng gồm vi xử lý trung tâm (CPU), hệ thống đường truyền Bus (Address Bus, Data Bus, Control Bus) hoạt động với xung Clock tối thiểu 1.8 MHz; các loại bộ nhớ RAM (lưu chương trình tạm thời có pin khô nuôi nguồn dự phòng), EPROM/EEPROM; cấu trúc chuyển đổi tín hiệu vào/ra (I/O) số và tương tự (A/D, D/A 12 bit).
• Mô hình hóa chu trình tuần tự: Ứng dụng lý thuyết sơ đồ chức năng Grafcet (Graphe Fonctionnel de Commande Etape/Transition) để phân tích các bước chuyển trạng thái, điều kiện kích hoạt chuyển tiếp và các tác vụ chấp hành song song/tuần tự trong hệ thống.
• Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Diagram): Sử dụng ngôn ngữ đồ họa bậc thang tiêu chuẩn công nghiệp để hiện thực hóa thuật toán điều khiển logic từ sơ đồ Grafcet sang mã thực thi trên PLC Siemens.
• Hệ thống giao tiếp người - máy HMI/SCADA: Cơ sở lý thuyết thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển tham số quy trình thông qua phần mềm SIMATIC WinCC kết nối qua giao thức truyền thông công nghiệp (MPI, PROFIBUS DP).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Khảo sát các dòng PLC phổ biến trên thị trường (Siemens, Schneider, Mitsubishi, Delta, Omron, Panasonic) để lựa chọn cấu hình phần cứng phù hợp.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Tính toán chọn lựa chi tiết khí cụ điện (Aptomat, Contactor, Cầu chì, Rơ-le trung gian), thiết bị chấp hành khí nén, động cơ truyền động và cảm biến tiệm cận.
• Phương pháp mô phỏng và kiểm thử chức năng: Xây dựng giải thuật điều khiển logic trên phần mềm chuyên dụng và mô phỏng giao diện tương tác HMI.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển trạm tra dầu được cấu hình từ các khối phần cứng và phần mềm đồng bộ, đáp ứng yêu cầu vận hành chu trình bôi trơn tự động hóa.

Cấu hình phần cứng và lựa chọn thiết bị

Khối xử lý trung tâm được lựa chọn là PLC Siemens S7-300 với CPU 314C-2DP tích hợp sẵn các cổng I/O onboard và khả năng truyền thông mở rộng. Các thiết bị ngoại vi và khí cụ đóng cắt được lựa chọn phù hợp với các thông số công suất và an toàn công nghiệp.

Nhóm thiết bị	Tên thiết bị / Mã hiệu	Thông số kỹ thuật chính	Số lượng / Đơn giá tham khảo
Khối điều khiển trung tâm	PLC Siemens S7-300 (CPU 314C-2DP)	Bộ nhớ 192KB, 24 DI, 16 DO, 4 AI, 2 AO, 4 bộ đếm tốc độ cao, giao tiếp MPI/PROFIBUS, tốc độ xử lý lệnh từ 4 ns	01 bộ
Băng tải truyền động	Băng tải con lăn	Kích thước 8m x 0.8m, con lăn $\Phi 50 - \Phi 114$, chất liệu Thép/Nhựa/Inox	01 hệ thống (18.000.000 VNĐ)
Cảm biến phát hiện	Cảm biến tiệm cận ren M18	Loại DC 2 dây 12–24VDC, khoảng cách phát hiện 7mm, ngõ ra NO, IP67, vỏ đồng thau mạ niken	01 bộ (320.100 VNĐ)
Động cơ kéo băng tải	Motor mini HOULE (5IK180R-2CF-GU-G)	Công suất 180W, 220–240VAC, 50/60Hz, tốc độ 1350/1600 vòng/phút, xuất xứ Đài Loan	01 bộ
Thiết bị bảo vệ ngắn mạch	Aptomat MCB 2P Mitsubishi BH-D6	2 pha, dòng định mức 25A, dòng cắt ngắn mạch 6kA	01 bộ
Cầu chì bảo vệ	Cầu chì 1 pha OMG-FS32X	Điện áp 690VAC, dòng định mức 32A, chuẩn ống 10x38mm, tiêu chuẩn IEC 60269	01 bộ (29.000 VNĐ)
Khởi động từ	Contactor NCH8-63/20	1 pha 2P, dòng chịu tải 63A, cuộn hút 220VAC 50Hz, 2 tiếp điểm NO, tải AC-3 dưới 6kW	01 bộ
Rơ-le chuyển tiếp	Rơ-le trung gian Ecnko HH63P	Cuộn hút 220VAC, 11 chân dẹp, 3 cặp NO/NC, dòng tiếp điểm 10A/220VAC - 10A/28VDC	01 bộ
Nút ấn điều khiển	Nút nhấn nhả LA38-11BN	1 NO + 1 NC, dòng định mức 10A, điện áp 380VAC/220VDC, tuổi thọ cơ học > 5 triệu lần	Bộ các nút (Start, Stop, Reset)

Cơ chế chuyển động và nguyên lý hoạt động của trạm

Trạm tra dầu gồm hai cơ cấu chấp hành khí nén chính:

• Bộ phận kẹp giữ sản phẩm (ENGAGE_SOL): Điều khiển bởi xi lanh khí nén tác động đơn. Khi cuộn hút ENGAGE_SOL được cấp điện, móc kẹp nâng lên để giữ chặt khay nhôm chứa sản phẩm trong thời gian $4\text{s} + 0.1\text{s}$. Khi ngắt điện, móc hạ xuống giải phóng sản phẩm.
• Cơ cấu nâng hạ vòi phun dầu: Điều khiển bởi xi lanh khí nén tác động kép thông qua hai tín hiệu ngõ ra: OILER_DOWN (hạ vòi phun) và OILER_UP (nâng vòi phun). Hai công tắc hành trình (khóa giới hạn) xác định vị trí biên: LS1 báo vòi phun ở vị trí trên cùng, LS2 báo vòi phun đã hạ xuống vị trí tiếp xúc phôi.
• Van xả dầu (OIL_VALVE): Khi vòi phun hạ đến vị trí LS2, van điện từ mở trong khoảng thời gian từ $0.01\text{s}$ đến $0.5\text{s}$ để tra dầu chính xác vào chi tiết, sau đó đóng lại trước khi vòi phun được kéo lên vị trí LS1.

Hệ thống xử lý nút dừng (STOP PB) an toàn: nếu người vận hành nhấn dừng trong khi van dầu đang mở, chương trình không dừng đột ngột mà tiếp tục thực thi cho đến khi hoàn thành xong bước xả dầu hiện tại rồi mới ngắt toàn bộ các ngõ ra. Khi nhấn START PB trở lại, hệ thống tiếp tục tiến trình ngay tại trạng thái vừa dừng. Nút thiết lập lại (RESET PB) chỉ có tác dụng khi hệ thống đã dừng hoàn toàn, đưa toàn bộ cơ cấu vòi phun về vị trí trên cùng và chuyển trạng thái về mức chờ khởi động ban đầu.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: Phân tích nguyên lý làm việc hệ thống điều khiển

Chương I trình bày tổng quan về thiết bị điều khiển lập trình PLC, phân tích lịch sử thay thế hệ thống rơ-le đấu nối dây và ưu điểm về tính mềm dẻo, độ tin cậy trong môi trường công nghiệp. Tác giả làm rõ cấu trúc phần cứng vi xử lý, kiến trúc Bus 8-bit đa nhiệm, các vùng nhớ RAM, EPROM, EEPROM, cũng như cơ chế quét vòng vào/ra (I/O scan cycle). Chương này khảo sát sự hiện diện của các thương hiệu PLC tại Việt Nam (Siemens, Delta, Schneider, Mitsubishi, Omron, Panasonic) và đưa ra bài toán công nghệ chi tiết cho trạm tra dầu tự động trên băng tải con lăn với các điều kiện ràng buộc về cảm biến tiệm cận PROX, xi lanh kẹp giữ ENGAGE_SOL, cơ cấu nâng hạ vòi phun và các chế độ liên động nút nhấn START PB, STOP PB, RESET PB.

Chương II: Sơ đồ chức năng Grafcet

Nội dung chương tập trung thiết lập lưu đồ chức năng Grafcet mô tả trực quan và chặt chẽ chuỗi hoạt động của hệ thống. Chu trình tuần tự hóa bao gồm các trạng thái: Chờ phôi $\rightarrow$ Phát hiện phôi kích hoạt kẹp giữ $\rightarrow$ Hạ vòi phun $\rightarrow$ Mở van xả dầu theo thời gian $\rightarrow$ Thu hồi vòi phun lên vị trí giới hạn LS1 $\rightarrow$ Nhả kẹp giữ và kích hoạt băng tải đưa sản phẩm ra ngoài. Sơ đồ Grafcet làm cơ sở trực tiếp để chuyển đổi sang các mạng logic của chương trình LAD.

Chương III: Phân tích lựa chọn PLC

Chương III phân tích và so sánh chi tiết các dòng vi điều khiển thuộc họ Siemens S7-300 (từ CPU 312, CPU 314, CPU 315-2DP, CPU 315-2PN/DP đến các dòng CPU Compact như 312C, 313C, 314C-2DP/PN/DP) cùng các module chức năng mở rộng như PS, SM (DI, DO, AI, AO), IM, FM, CP, DM. Trên cơ sở số lượng tín hiệu vào/ra thực tế và tiềm năng mở rộng các kênh tương tự trong tương lai (đo mức dầu bồn chứa, giám sát áp suất), tác giả lựa chọn cấu hình CPU 314C-2DP. Đồng thời, chương này liệt kê chi tiết thông số kỹ thuật, xuất xứ và bảng giá của toàn bộ các linh kiện cơ điện: băng tải con lăn, cảm biến tiệm cận M18, động cơ HOULE 180W, Aptomat Mitsubishi MCB 25A, Contactor NCH8-63/20, Rơ-le trung gian Ecnko HH63P, Cầu chì OMG-FS32X và nút bấm LA38-11BN.

Chương IV: Sơ đồ lập trình LAD

Chương IV trình bày chi tiết các khối lệnh (Network) của chương trình điều khiển tự động được viết bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Logic). Các network xử lý tuần tự logic khởi động hệ thống, tự giữ trạng thái, giải mã tín hiệu cảm biến tiệm cận, điều khiển đóng cắt rơ-le định thời (Timer) cho van dầu và xi lanh kẹp, cùng các hàm khóa chéo liên động an toàn giữa lệnh nâng (OILER_UP) và hạ (OILER_DOWN) vòi phun dầu.

Chương V: Sơ đồ lập trình LAD có điều khiển bằng tay

Nhằm phục vụ công tác hiệu chỉnh máy, chạy thử nghiệm và xử lý sự cố kỹ thuật, Chương V thiết kế bổ sung tập lệnh LAD cho chế độ vận hành bằng tay (Manual Mode). Các network cho phép kỹ thuật viên cưỡng bức hoặc kích hoạt độc lập từng cơ cấu chấp hành: cưỡng bức đóng/mở xi lanh ENGAGE_SOL, nâng vòi phun, hạ vòi phun, và kích hoạt thử nghiệm van xả dầu thông qua các nút nhấn điều khiển riêng biệt mà không cần tuân theo chu trình tự động tuần tự.

Chương VI: Giao diện điều khiển (HMI)

Chương VI đi sâu vào lý thuyết HMI/SCADA và ứng dụng phần mềm Siemens WinCC để xây dựng hệ thống giám sát đồ họa cho trạm tra dầu. Tác giả thiết kế kiến trúc phân quyền người dùng gồm hai cấp độ:

• Cấp công nhân vận hành: Cho phép truy cập màn hình điều khiển cơ bản (khởi động, tạm dừng, theo dõi trạng thái phôi và vòi phun).
• Cấp quản lý/chỉ huy: Màn hình điều khiển nâng cao, màn hình thông tin hệ thống, cho phép can thiệp chế độ bằng tay, cài đặt tham số định thời và giám sát chi tiết trạng thái I/O của thiết bị.

Chương VII: Vẽ các sơ đồ điều khiển, sơ đồ nối dây, các sơ đồ điện…

Chương này cung cấp hướng dẫn kỹ thuật đấu nối phần cứng cho hệ thống PLC Siemens S7-300:

• Thiết kế mạch nguồn: Quy đổi nguồn lưới 220VAC thông qua bộ nguồn tổ ong thành nguồn 24VDC cấp cho chân L+ và M của PLC, cảnh báo nguy cơ phá hủy thiết bị nếu cấp nhầm nguồn xoay chiều trực tiếp vào CPU DC.
• Đấu nối ngõ vào (Digital Input): Phân tích nguyên lý chân chung 1M để cấu hình kiểu kích Sink hoặc Source (sử dụng nguồn $+24\text{VDC}$ hoặc $0\text{VDC}$), phối ghép cảm biến tiệm cận 2 dây và nút ấn cơ học.
• Đấu nối ngõ ra (Digital Output): Đấu nối tiếp điểm điều khiển cuộn hút rơ-le trung gian, contactor qua tải ngoài để bảo vệ tầng công suất bán dẫn của PLC.
• Bản vẽ mạch lực cấp nguồn cho động cơ băng tải và van điện từ.

Chương VIII: Mô phỏng, mô hình

Chương VIII tổng hợp kết quả chạy thử nghiệm mô phỏng chương trình điều khiển và giao diện giám sát WinCC. Tác giả thực hiện kiểm chứng các kịch bản vận hành thực tế: chu trình tự động liên tục khi có phôi, phản ứng của hệ thống khi nhấn STOP PB tại các thời điểm khác nhau, và quá trình khôi phục trạng thái ban đầu khi kích hoạt nút RESET PB.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế đề ra cho một trạm tra dầu tự động hóa công nghiệp:

• Xây dựng thành công cấu hình phần cứng hoàn chỉnh dựa trên PLC Siemens S7-300 CPU 314C-2DP, đáp ứng 24 ngõ vào số, 16 ngõ ra số, 4 ngõ vào tương tự và 2 ngõ ra tương tự, có tích hợp giao tiếp Profibus.
• Thiết lập hoàn chỉnh thuật toán điều khiển chu trình tra dầu qua lưu đồ Grafcet và chuyển hóa thành hệ thống tập lệnh LAD cho cả hai chế độ tự động và bằng tay, kiểm soát chính xác thời gian kẹp phôi ($4\text{s} + 0.1\text{s}$) và thời gian phun dầu ($0.01\text{s} - 0.5\text{s}$).
• Thiết kế giao diện HMI/SCADA trên phần mềm WinCC với cấu trúc phân cấp bảo mật rõ ràng giữa tài khoản công nhân và tài khoản quản trị/chỉ huy.
• Đưa ra hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về quy chuẩn đấu nối điện, sơ đồ mạch lực, cách ly nguồn và bố trí bảo vệ thiết bị đóng cắt đạt chuẩn IEC 60269.

Về mặt đóng góp, đề tài đã cụ thể hóa quy trình tích hợp giữa lý thuyết điều khiển lập trình và thiết kế thi công điện công nghiệp thực tế, đưa ra danh mục thiết bị đi kèm thông số kỹ thuật và báo giá thực tế, phục vụ tốt cho công tác triển khai mô hình học cụ hoặc áp dụng trong sản xuất vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Phạm vi nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế và lập trình cho một trạm tra dầu cục bộ hoạt động độc lập, chưa tích hợp thuật toán đồng bộ tốc độ với toàn bộ dây chuyền băng tải chính.
• Chưa khai thác hết các cổng ngõ vào/ngõ ra tương tự (Analog AI/AO) tích hợp sẵn trên CPU 314C-2DP trong chương trình thực thi (chỉ mới dừng lại ở việc dự phòng phần cứng).

Hướng phát triển tiếp theo:

• Ứng dụng các cổng Analog và bộ đếm tốc độ cao trên CPU 314C-2DP để tích hợp cảm biến đo mức dầu liên tục trong bồn chứa, cảm biến áp suất dòng chảy và cảm biến kiểm tra lượng dầu thực tế được tra vào sản phẩm.
• Tận dụng cổng truyền thông PROFIBUS DP hoặc PROFINET để kết nối mạng phân tán nhiều trạm gia công dọc theo băng chuyền, đưa dữ liệu về trung tâm điều khiển SCADA hợp nhất của toàn nhà máy.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu học thuật và thực hành giá trị đối với:

• Sinh viên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về cấu trúc đồ án môn học PLC, phương pháp chuyển đổi từ Grafcet sang LAD, và quy trình kết nối biến giữa PLC Siemens S7-300 với giao diện WinCC.
• Kỹ sư bảo trì và thiết kế tủ điện: Cung cấp hướng dẫn thực tế về cách bố trí mạch lực, chọn aptomat, contactor, rơ-le trung gian, cách ly nguồn 24VDC/220VAC và lưu ý an toàn tránh ngắn mạch, nổ module CPU khi đấu nối chân 1M, L+, M.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC nào được lựa chọn trong đồ án và có thông số phần cứng ra sao?
Tác giả lựa chọn dòng PLC Siemens SIMATIC S7-300 với module CPU 314C-2DP. Các thông số chính gồm: bộ nhớ làm việc 192KB, thời gian xử lý lệnh từ 4 ns, tích hợp sẵn 24 ngõ vào số (DI), 16 ngõ ra số (DO), 4 ngõ vào tương tự (AI), 2 ngõ ra tương tự (AO), 4 cổng đếm xung tốc độ cao, hỗ trợ giao thức truyền thông MPI và PROFIBUS DP Master/Slave.

2. Trình tự tác động của các cơ cấu chấp hành trong một chu trình tra dầu tự động diễn ra như thế nào?
Khi cảm biến tiệm cận phát hiện khay phôi:

1. Xi lanh khí nén đơn kích hoạt ENGAGE_SOL nâng móc kẹp giữ phôi trong $4\text{s} + 0.1\text{s}$.
2. Đầu ra OILER_DOWN kích hoạt xilanh kép hạ vòi phun xuống cho đến khi chạm công tắc hành trình dưới LS2.
3. Van điện từ OIL_VALVE mở để xả dầu vào chi tiết trong thời gian cài đặt ($0.01\text{s} - 0.5\text{s}$) rồi đóng lại.
4. Đầu ra OILER_UP kích hoạt xilanh nâng vòi phun về vị trí công tắc hành trình trên LS1.
5. Xi lanh ENGAGE_SOL ngắt điện hạ móc giải phóng phôi, băng tải tiếp tục đưa sản phẩm ra ngoài.

3. Hệ thống xử lý như thế nào khi người vận hành nhấn nút dừng (STOP PB) trong lúc van dầu đang xả?
Chương trình được thiết kế với cơ chế an toàn: nếu nút STOP PB được nhấn đúng thời điểm van dầu đang mở, hệ thống sẽ không dừng đột ngột mà tiếp tục thực thi cho đến khi kết thúc bước xả dầu hiện tại. Sau đó, toàn bộ các đầu ra (ngoại trừ trạng thái an toàn) mới chuyển về trạng thái không tích cực. Khi nhấn khởi động (START PB) lại, hệ thống sẽ tiếp tục tiến trình ngay tại bước trước thời điểm dừng.

4. Giao diện WinCC trong đồ án được phân quyền vận hành như thế nào?
Giao diện được chia thành hai cấp độ quản trị:

• Màn hình dành cho công nhân: Chỉ hiển thị các nút thao tác cơ bản và trạng thái trực quan của quá trình bôi trơn.
• Màn hình dành cho cấp quản lý/chỉ huy: Bổ sung màn hình thông tin chi tiết, cho phép can thiệp điều khiển bằng tay từng cơ cấu chấp hành và cấu hình các thông số hệ thống.

5. Những lưu ý an toàn kỹ thuật nào bắt buộc phải tuân thủ khi cấp nguồn và đấu dây cho PLC S7-300?
Người thực hiện cần sử dụng nguồn tổ ong chuyển đổi từ 220VAC sang 24VDC cấp vào chân L+ (+24VDC) và chân M (0VDC) của PLC; tuyệt đối không cấp trực tiếp 220VAC vào CPU DC để tránh nổ thiết bị. Chân 1M ngõ vào quy định kiểu kích Sink hoặc Source; ngõ ra dạng DC bắt buộc phải gắn tải ngoài trung gian (như cuộn hút rơ-le) và tuyệt đối không nối trực tiếp ngõ ra xuống 0V.

Kết luận

Đồ án "Hệ thống tra dầu" của sinh viên Nguyễn Hồng Đăng đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa trạm bôi trơn công nghiệp bằng việc tích hợp PLC Siemens S7-300 CPU 314C-2DP, cơ cấu chấp hành khí nén và hệ thống giám sát SCADA WinCC. Bản thiết kế đảm bảo tính chặt chẽ về thuật toán điều khiển tuần tự (Grafcet/LAD), đầy đủ về cấu hình mạch lực - mạch điều khiển và linh hoạt với hai chế độ vận hành tự động/thủ công. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng vai trò tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ thuật viên chuyên ngành Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: Phân tích nguyên lý làm việc hệ thống điều khiển  Tổng quát về PLC - PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. - Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý.

Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp” trong chương trình do "người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. - Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau: + Lập trình dể dàng, ngôn ngữ lập trình dể học. + Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa. + Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. + Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng. + Giá cả cá thể cạnh tranh được. - Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay DO.dau dây nối và các Logic thời gian.

Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả… Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn… Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn. - Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình.

Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêïc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 1.

Cấu trúc Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. Các Modul vào/ra. Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính.

Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC.