Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa là giải pháp nhằm giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều. Trong ngành sản xuất hóa chất và chất phủ bề mặt, công đoạn bơm và phối trộn nguyên liệu đóng vai trò quyết định đến chất lượng của thành phẩm sơn.

Trước đây, các hệ thống điều khiển truyền động và pha trộn thường sử dụng mạch liên kết rơ-le thời gian hoặc vi điều khiển. Các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế trong thực tế: mạch rơ-le cồng kềnh, phức tạp trong thi công lắp đặt, khó bảo trì sửa chữa và gần như phải đấu nối lại toàn bộ dây dẫn khi có yêu cầu thay đổi quy trình công nghệ; trong khi hệ thống vi điều khiển lại đòi hỏi thiết kế mạch chuyên dụng và khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp chưa thực sự linh hoạt.

Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Controller) ra đời đã khắc phục triệt để các nhược điểm trên nhờ khả năng lập trình mềm dẻo, kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao và khả năng làm việc ổn định trong môi trường công nghiệp. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án "Thiết kế lập trình hệ thống tự động bơm và trộn liệu sử dụng PLC S7-200" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn chu trình bơm định lượng và phối trộn sơn.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ sản xuất, đặc tính nguyên vật liệu và cấu tạo cơ khí của hệ thống trộn sơn công nghiệp.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, cấu trúc bộ nhớ và tập lệnh lập trình của dòng vi điều khiển khả trình PLC S7-200 (hãng Siemens).
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển: lựa chọn cảm biến đo mức, van điện từ, động cơ khuấy, rơ-le trung gian; xây dựng sơ đồ đấu nối dây vào/ra (I/O) và lập trình chương trình điều khiển trên phần mềm STEP 7 Micro/WIN.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là quy trình công nghệ bơm và trộn ba màu sơn cơ bản (xanh, đỏ, vàng) vào bồn trộn chính. Phạm vi thực hiện đề tài tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, kết hợp khảo sát thực tế quy trình sản xuất tại Công ty Cổ phần Sơn Hải Phòng trong năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất và phương pháp thiết kế kỹ thuật thực nghiệm:

  • Khung lý thuyết điều khiển lập trình: Ứng dụng lý thuyết đại số Boolean, nguyên lý quét chu kỳ (Scan Cycle) của CPU PLC, cấu trúc điều khiển logic tuần tự theo thời gian và mức tín hiệu cảm biến.
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Tìm hiểu thực tế dây chuyền công nghệ tại Công ty Cổ phần Sơn Hải Phòng nhằm thu thập thông số về dung tích bồn, áp suất khí nén, độ nhớt nguyên liệu và quy trình phối trộn phụ gia, chất tạo màng.
  • Phương pháp phân tích - tính toán kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ bơm (bơm màng khí nén APP-2504), động cơ khuấy trộn (90W - 220V), van điện từ thường đóng (2W 160-15 NC) và các loại cảm biến công nghiệp (cảm biến báo mức điện dung SA Series, cảm biến quang hồng ngoại SN-E18-B03N1).
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng: Sử dụng ngôn ngữ hình thang (Ladder Logic - LAD) trên phần mềm STEP 7 Micro/WIN và phần mềm mô phỏng S7-200 Simulator để kiểm thử logic điều khiển.
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật chuẩn của hãng Siemens về dòng PLC S7-200 (CPU 212, CPU 214, CPU 224); số liệu thống kê ngành sơn từ Hiệp hội Sơn và Mực in Việt Nam (VPIA).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển được thiết kế bao gồm cụm cơ cấu cơ điện - bồn chứa, hệ thống cảm biến đo lường, cơ cấu chấp hành và khối điều khiển trung tâm sử dụng PLC Siemens S7-200.

1. Cấu hình thiết bị phần cứng và cơ cấu chấp hành

Hệ thống được thiết kế với các thông số kỹ thuật cụ thể như sau:

Tên thiết bị Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bồn chứa nguyên liệu Thùng hình trụ tròn 3 bồn sơn cơ bản (Xanh, Đỏ, Vàng), dung tích $1\text{ m}^3/\text{bồn}$ Chứa nguyên liệu sơn màu đầu vào
Bồn trộn chính Thùng hình trụ tròn Dung tích $50\text{ lít}$ Nơi tiếp nhận và khuấy trộn phối màu
Máy bơm sơn APP-2504 (Đài Loan) Áp suất mô tơ khí: $20 - 100\text{ psi}$; Đường kính mô tơ khí: $85\text{ mm}$; Nhiệt độ: $4{,}4 - 70^\circ\text{C}$; Khối lượng: $20\text{ kg}$ Bơm sơn từ bồn nguyên liệu sang bồn trộn
Động cơ khuấy Động cơ xoay chiều AC Điện áp $220\text{V} - 50\text{Hz}$; Công suất $90\text{W}$ Dẫn động cánh khuấy trộn đều hỗn hợp sơn
Cảm biến báo mức SA SERIES Kiểu cảm ứng điện dung; Nhiệt độ: $-20 \sim 200^\circ\text{C}$; Độ nhạy: $10\text{pF}, 20\text{pF}, 40\text{pF}$; Độ trễ: $0 - 6\text{s}$; Nguồn $24\text{VDC}/220\text{VAC}$; Ren $1''\text{ NPT}$; Chuẩn IP65 Đo mức dung dịch trong bồn chứa nguyên liệu và bồn trộn
Cảm biến vị trí SN-E18-B03N1 Kiểu quang hồng ngoại phản xạ; Nguồn $6 - 36\text{VDC}$; Dòng tiêu thụ $< 300\text{mA}$; Khoảng cách phát hiện: $0 - 30\text{cm}$; Ngõ ra NPN Phát hiện có thùng chứa ở vị trí nhận thành phẩm
Van điện từ 2W 160-15 NC Thường đóng (NC); Thân đồng thau; Nhiệt độ: $-5 \sim 80^\circ\text{C}$; Áp suất cực đại: $1\text{ MPa}$; Điện áp điều khiển $220\text{VAC}/24\text{VDC}$ Đóng/mở đường xả sơn từ bồn trộn ra thùng
Rơ-le trung gian Omron LY2N Cuộn dây $24\text{VDC}$; 2 cặp tiếp điểm; Thời gian đóng ngắt $25\text{ms}$; Tần số $1800\text{ lần/giờ}$; Tuổi thọ $500.000\text{ lần}$; Cách điện $100\text{ M}\Omega$ Đệm công suất đóng ngắt động cơ bơm và van

2. Hệ thống hiển thị trạng thái

Hệ thống sử dụng các đèn chỉ thị màu chuẩn công nghiệp để giám sát trực quan:

  • Đèn màu xanh dương: Báo hiệu hệ thống đang trong chu trình trộn sơn.
  • Đèn màu đỏ: Báo hiệu hệ thống dừng hoạt động hoặc có sự cố.
  • Đèn màu xanh lá cây: Báo trạng thái đầy nguyên liệu tại từng bồn chứa.
  • Đèn màu vàng: Báo trạng thái cạn (hết nguyên liệu) tại từng bồn chứa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tìm hiểu về hệ thống trộn sơn

Chương này trình bày tổng quan về lịch sử phát triển của ngành công nghiệp sản xuất chất phủ bề mặt trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích thành phần hóa học của sơn và mô tả chi tiết cấu tạo hệ thống cơ điện phục vụ phối trộn tự động.

  • Lịch sử ngành sơn: Ghi nhận các mốc phát triển công nghệ từ việc sử dụng vật liệu thiên nhiên thời cổ đại (khoảng 25.000 năm trước, Ai Cập từ năm 300-600 TCN) đến sự bùng nổ của các loại nhựa tổng hợp thế kỷ 20: nhựa Alkyd, Nitrocellulose (1923), bột màu $\text{TiO}_2$ (1924), nhựa Phenol (1928), Polyurethane (1937), Epoxy (1947), sơn tĩnh điện (1955) và sơn điện di (1971). Tại Việt Nam, nghề sơn truyền thống gắn liền với "sơn ta", tiếp đó xưởng sơn dầu đầu tiên nhãn hiệu TESTUDO ra đời năm 1913-1914 tại Hải Phòng, sau đó là Hãng sơn Nguyễn Sơn Hà với sản phẩm RESISTANCO. Giai đoạn 2000-2007 chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ với sự thành lập của Hiệp hội Sơn và Mực in Việt Nam (VPIA) ngày 25/4/2008.
  • Đặc tính kỹ thuật của sơn: Sơn được cấu tạo từ 4 thành phần cơ bản gồm chất tạo màng (nhựa nhiệt dẻo làm khô vật lý hoặc nhựa nhiệt rắn làm khô hóa học), bột màu và bột phụ trợ (oxit, muối, $\text{TiO}_2$, bột talc, cacbonat), dung môi (hydrocacbon, este, ete, cồn) và các chất phụ gia chuyên dụng (chống lắng, chống tạo bọt, dàn đều bề mặt, phụ gia làm khô).
  • Khảo sát cấu tạo thiết bị trộn sơn: Phân tích chi tiết nguyên lý làm việc của máy bơm màng khí nén APP-2504, cảm biến đo mức điện dung SA Series dựa trên sự biến thiên điện dung giữa điện cực và thành bồn, cảm biến quang hồng ngoại SN-E18-B03N1 và van điện từ 2W 160-15 NC.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7 - 200

Chương 2 đi sâu vào cấu trúc phần cứng, cấu trúc tổ chức bộ nhớ, chu trình làm việc của CPU và tập lệnh lập trình của họ điều khiển logic Siemens Simatic S7-200.

  • Phần cứng và chu trình quét của CPU: PLC hoạt động theo chu trình vòng quét kín gồm 4 giai đoạn nối tiếp: (1) Đọc trạng thái từ các cổng vật lý vào bộ đệm ảo đầu vào; (2) Thực thi tuần tự các lệnh trong chương trình từ đầu đến cuối; (3) Ghi dữ liệu từ bộ đệm ảo đầu ra tới các cổng vật lý; (4) Xử lý truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi hệ thống.
  • So sánh năng lực phần cứng CPU 212 và CPU 214:
Thông số kỹ thuật CPU 212 CPU 214
Cổng vào/ra tích hợp sẵn 8 DI / 6 DO 14 DI / 10 DO
Khả năng mở rộng module Tối đa 2 module Tối đa 7 module
Dung lượng bộ nhớ dữ liệu 512 từ đơn (100 từ lưu vĩnh viễn) 2048 từ đơn (512 từ lưu vĩnh viễn)
Bộ định thời (Timers) 64 bộ (2 bộ 1ms, 8 bộ 10ms, 54 bộ 100ms) 128 bộ (4 bộ 1ms, 16 bộ 10ms, 108 bộ 100ms)
Bộ đếm (Counters) 64 bộ đếm 128 bộ đếm
Bộ đếm tốc độ cao (HSC) Không tích hợp sẵn loại dải rộng 3 bộ đếm tốc độ cao (2 kHz và 7 kHz)
Phát xung nhanh Không 2 bộ phát xung PTO/PWM
Lưu dữ liệu khi mất nguồn 50 giờ 190 giờ
  • Cấu trúc bộ nhớ và định địa chỉ: Bộ nhớ chia làm 4 vùng: Vùng chương trình, Vùng tham số, Vùng dữ liệu (biến V, đầu vào vật lý I, đầu ra vật lý Q, cờ nhớ trung gian M, cờ nhớ đặc biệt SM) và Vùng đối tượng (Timer T, Counter C, bộ đệm tương tự AIW/AQW, thanh ghi tích lũy AC). Đồ án hệ thống hóa cách thức truy xuất theo Bit (V125.0), Byte (VB150), Word (VW150) và Double Word (VD150).
  • Tập lệnh lập trình: Trình bày chi tiết các nhóm lệnh logic tiếp điểm thường đóng/thường mở, cuộn dây, lệnh chốt SET/RESET, các phép toán logic đại số Boolean (INV, AND, OR, XOR), nhóm lệnh so sánh (==, >=, <=) và các loại Timer trễ không nhớ (TON) và trễ có nhớ (TONR).
                +---------------------------------------+
                |        BẢNG TỔNG HỢP TIMER TON         |
                +-----------+----------------+----------+
                | Độ phân giải | Giới hạn max | CPU 214  |
                +-----------+----------------+----------+
                |   1 ms    |   32,767 s     | T32, T96 |
                |   10 ms   |   327,67 s     | T33-T36  |
                |           |                | T97-T100 |
                |  100 ms   |   3276,7 s     | T37-T63  |
                |           |                | T101-T127|
                +-----------+----------------+----------+

Chương 3: Xây dựng hệ thống điều khiển trộn sơn

Chương này hiện thực hóa giải pháp thiết kế toàn diện cho trạm trộn sơn tự động 3 màu:

  • Xây dựng thuật toán công nghệ: Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự. Khi nhấn khởi động và cảm biến quang xác nhận thùng rỗng đã vào vị trí, hệ thống mở van và kích hoạt bơm định lượng để hút tuần tự sơn xanh, sơn đỏ, sơn vàng vào bồn trộn theo tỷ lệ đặt trước. Cảm biến mức điện dung giám sát ngưỡng chất lỏng trong từng chu kỳ.
  • Khuấy trộn và chiết rót: Sau khi các thành phần nguyên liệu được nạp đủ vào bồn trộn 50 lít, động cơ khuấy 90W quay trong khoảng thời gian định thì xác định thông qua bộ Timer của PLC. Khi chu trình khuấy hoàn tất, van điện từ 2W 160-15 NC mở xả sơn thành phẩm xuống thùng chứa.
  • Sơ đồ đấu nối và chương trình điều khiển: Thiết lập bảng gán địa chỉ đầu vào vật lý (nút bấm Start, Stop, cảm biến mức, cảm biến quang) và đầu ra vật lý (cuộn hút contactor động cơ bơm, động cơ khuấy, cuộn dây van điện từ xả liệu, dàn đèn LED báo trạng thái) cùng mã chương trình điều khiển dạng LAD hoàn chỉnh.

Kết quả và đóng góp

  1. Về mặt kỹ thuật: Đã xây dựng thành công giải pháp tự động hóa tích hợp cho hệ thống bơm và trộn liệu sử dụng PLC Siemens S7-200. Các tín hiệu từ cảm biến đo mức điện dung SA Series và cảm biến quang SN-E18-B03N1 được xử lý chính xác để điều phối nhịp nhàng các cơ cấu chấp hành (bơm khí nén, động cơ khuấy 90W, van xả điện từ).
  2. Về tính thực tiễn: Thay thế hoàn toàn hệ thống rơ-le rời rạc bằng bộ điều khiển khả trình, giúp hệ thống vận hành êm, giảm thiểu không gian lắp đặt tủ điện, tăng tuổi thọ thiết bị và dễ dàng sửa đổi tỷ lệ phối màu sơn bằng cách thay đổi giá trị đặt trong phần mềm mà không cần đi lại đường dây phần cứng.
  3. Về mặt học thuật: Cung cấp tài liệu tổng quan có hệ thống về công nghệ vật liệu sơn, lịch sử phát triển ngành chất phủ tại Việt Nam và cẩm nang cấu hình phần cứng, bảng phân vùng bộ nhớ, tập lệnh LAD của dòng CPU S7-200 phục vụ học tập và nghiên cứu thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Hệ thống sử dụng phương pháp định lượng sơn dựa trên tín hiệu mức của cảm biến điện dung và thời gian trễ của Timer, chưa tích hợp loadcell cân định lượng chính xác tuyệt đối theo khối lượng. Thiết bị điều khiển S7-200 trong đồ án là dòng điều khiển cơ bản, các van cấp liệu là dạng đóng/mở ON/OFF, chưa ứng dụng thuật toán điều khiển hồi tiếp liên tục PID cho lưu lượng hay tốc độ khuấy.
  • Hướng phát triển: Tích hợp màn hình giao diện người - máy (HMI) hoặc hệ thống SCADA trên máy tính để giám sát trực quan quá trình khuấy trộn theo thời gian thực, cảnh báo sự cố từ xa và lưu trữ dữ liệu mẻ trộn; nâng cấp phần cứng lên dòng PLC S7-1200 hoặc S7-1500 hỗ trợ chuẩn truyền thông công nghiệp Profinet/Modbus TCP.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử và Công nghệ kỹ thuật hóa học:

  • Phần cấu trúc PLC S7-200 và tập lệnh (Chương 2): Đầy đủ bảng tra cứu địa chỉ bộ nhớ, vùng toán hạng CPU 214, phân loại Timer TON/TONR và các cổng truyền thông RS485 chuẩn PPI.
  • Phần thiết kế phần cứng và lựa chọn cảm biến (Chương 1 & 3): Mang tính thực tế cao về cách ghép nối cảm biến đo mức điện dung công nghiệp, cảm biến quang phản xạ NPN và rơ-le trung gian Omron với đầu vào/ra của bộ điều khiển khả trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại bồn chứa nào và dung tích bao nhiêu?
Hệ thống gồm 3 bồn chứa màu sơn cơ bản (xanh, đỏ, vàng) dạng hình trụ tròn với dung tích $1\text{ m}^3$ mỗi bồn, cùng một bồn trộn chính dung tích $50\text{ lít}$ để thực hiện quá trình hòa trộn thành phẩm.

2. Động cơ bơm sơn và động cơ khuấy trong hệ thống có thông số kỹ thuật ra sao?
Bơm sơn sử dụng máy bơm màng khí nén APP-2504 (xuất xứ Đài Loan), áp suất mô tơ khí $20 - 100\text{ psi}$, đường kính mô tơ khí $85\text{ mm}$, nhiệt độ làm việc $4{,}4 - 70^\circ\text{C}$, khối lượng $20\text{ kg}$. Động cơ khuấy là động cơ xoay chiều $220\text{V} - 50\text{Hz}$, công suất $90\text{W}$.

3. Cảm biến mức SA SERIES hoạt động theo nguyên lý gì và có đặc tính ra sao?
Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện dung: khi lắp trên thành bồn, trạng thái tụ điện hình thành giữa điện cực và thành bồn biến thiên tỷ lệ thuận với mức chất lỏng, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu tiếp điểm/dòng điện. Cảm biến làm việc từ $-20^\circ\text{C}$ đến $200^\circ\text{C}$, độ nhạy chỉnh được ($10\text{pF}, 20\text{pF}, 40\text{pF}$), độ trễ $0 - 6\text{s}$, cấp bảo vệ IP65.

4. Điểm khác biệt cơ bản về bộ nhớ và Timer giữa CPU 212 và CPU 214 của PLC S7-200 là gì?
CPU 212 có 512 từ nhớ dữ liệu, 64 Timer, khả năng lưu dữ liệu khi mất nguồn trong 50 giờ và tối đa 2 module mở rộng. CPU 214 mạnh hơn với 2048 từ nhớ dữ liệu, 128 Timer, lưu dữ liệu 190 giờ khi mất nguồn, hỗ trợ tối đa 7 module mở rộng và có tích hợp sẵn 3 bộ đếm tốc độ cao HSC cùng 2 bộ phát xung PTO/PWM.

5. Hệ thống quy định tín hiệu đèn báo trạng thái như thế nào?
Hệ thống bố trí 4 màu đèn chỉ thị riêng biệt: màu xanh dương báo hệ thống đang trong quá trình trộn; màu đỏ báo dừng quá trình trộn; màu xanh lá cây báo đầy sơn tại bồn chứa; màu vàng báo hết sơn tại bồn chứa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Văn Duy đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu thiết kế và lập trình hệ thống tự động bơm, phối trộn nguyên liệu sơn sử dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-200. Bằng việc kết hợp kiến thức chuyên ngành Điện tự động công nghiệp với khảo sát công nghệ sản xuất thực tế tại Công ty Cổ phần Sơn Hải Phòng, tác giả đã xây dựng được cấu hình phần cứng chuẩn xác, sơ đồ kết nối I/O tối ưu và chương trình điều khiển logic tuần tự hoàn chỉnh. Kết quả đề tài không chỉ khẳng định tính ưu việt của giải pháp tự động hóa bằng PLC so với các mạch điều khiển truyền thống mà còn là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.