Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các cơ sở và nhà máy sản xuất nước uống đóng chai, nước giải khát, các công đoạn súc rửa, chiết rót định lượng, đóng nắp chai, dán nhãn và sấy màng co nếu thực hiện bằng phương pháp thủ công sẽ đòi hỏi lượng lớn nhân công, chất lượng thể tích chiết rót không đồng đều, năng suất thấp và tiêu tốn nhiều thời gian. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào quy trình sản xuất nhằm thay thế các dây chuyền cũ, lạc hậu bằng hệ thống điều khiển tự động là yêu cầu cấp thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm giá thành sản xuất. Đồng thời, trong đào tạo kỹ thuật tại các trường đại học, bên cạnh lý thuyết, sinh viên cần các giờ thực hành với mô hình trực quan để làm quen với thiết bị công nghiệp và phương pháp lập trình điều khiển.

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu và thiết kế mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động: bao gồm thiết kế kết cấu cơ khí và thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình.
  2. Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển cho hệ thống trên bộ điều khiển lập trình PLC.
  3. Chế tạo phần cứng và tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cơ khí, mạch điện - điện tử và chương trình điều khiển mô hình chiết rót, đóng nắp chai tự động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, chế tạo mô hình dạy học sử dụng PLC Siemens S7-200 CPU 224, các cơ cấu chấp hành điện cơ, khí nén và cảm biến công nghiệp, được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 1/2016).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về cơ sở lý thuyết, đề tài dựa trên các nguyên lý tự động hóa sản xuất và lý thuyết điều khiển thiết bị công nghiệp:

  • Phân loại các hình thức tự động hóa: Tự động hóa cứng (chuỗi hoạt động cố định trên thiết bị, chi phí ban đầu cao, năng suất cao nhưng kém linh hoạt), tự động hóa lập trình (trình tự hoạt động điều khiển bằng chương trình mã hóa, phù hợp cho sản xuất hàng loạt vừa) và tự động hóa linh hoạt (sản xuất nhiều loại sản phẩm mà không tốn thời gian tái lập trình hay đổi đồ gá vật lý).
  • Lý thuyết cơ cấu chấp hành khí nén: Phân loại van đảo chiều theo số cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động; nguyên lý vận hành của van đảo chiều 5/2; cấu tạo và chuyển động tịnh tiến của xylanh khí nén tác động kép.
  • Lý thuyết cảm biến công nghiệp: Phân loại cảm biến từ, cảm biến quang (loại phản xạ và loại thu phát riêng kiểu che chắn), cảm biến sợi quang và cảm biến điện dung (nguyên lý phát hiện mực chất lỏng và vật thể kim loại).
  • Lý thuyết hệ thống điều khiển khả trình (PLC): Kiến trúc phần cứng, nguyên lý quét chu kỳ (scan cycle), ưu điểm của PLC so với hệ thống rơ-le tiếp điểm, phân chia vùng nhớ (chương trình, tham số, dữ liệu V, ngõ vào I, ngõ ra Q, cờ đặc biệt SM, bộ đếm C, bộ định thì T, thanh ghi AC, bộ đếm tốc độ cao HSC), cơ chế ngắt và cấu hình module mở rộng.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, khảo cứu các tài liệu kỹ thuật về thiết kế cơ khí, sơ đồ mạch điện công nghiệp, tài liệu chuyên ngành về cảm biến và dòng PLC Siemens S7-200.
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Phân tích hình ảnh, video hoạt động của các dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai công nghiệp (chiết rót trà xanh, dầu gió, bình nước 20 lít) và tham vấn chuyên môn từ giảng viên hướng dẫn.
  • Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: Chế tạo chi tiết cơ khí, lắp ráp khung mô hình, đấu nối mạch điện, nạp chương trình điều khiển vào PLC và tiến hành chạy thực nghiệm để căn chỉnh, khắc phục các thiếu sót trong vận hành.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Mô hình được thiết kế và chế tạo bao gồm ba phần chính: cơ khí chấp hành, mạch điện cảm biến và khối điều khiển trung tâm PLC.

Thiết bị / Khối chức năng Thông số kỹ thuật và đặc tính ghi nhận trong đồ án
Động cơ kéo băng tải Động cơ một chiều (DC) có hộp giảm tốc, nguồn cấp 24VDC, tốc độ định mức 70 vòng/phút.
Động cơ siết nắp chai Động cơ DC tích hợp encoder và hộp giảm tốc, nguồn cấp 24VDC, tốc độ 70 vòng/phút, moment xoắn lớn.
Motor bơm chất lỏng Motor bơm nước nguồn 24VDC, hoạt động theo nguyên lý lực ly tâm với buồng xoắn ốc dẫn dòng.
Van đảo chiều khí nén Van đảo chiều 5/2, điện áp cuộn coil 24VDC, áp suất làm việc 1.0 bar, nhiệt độ -5°C đến 60°C, cấp bảo vệ IP65, kích thước cổng vào/ra 1/4", cổng xả 1/8", tiết diện lỗ 16 mm², khối lượng 320g.
Xylanh khí nén Xylanh tác động kép, biến đổi áp lực khí nén ở hai phía thành chuyển động tịnh tiến của piston.
Cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA, nguồn cấp 10-30VDC (dây nâu), tín hiệu ra mức logic 1 ở 0V (dây đen), tần số 100Hz, dòng ra 200mA, khoảng cách tác động 2-18mm, dùng phát hiện mực nước trong chai.
Cảm biến sợi quang Khoảng cách tác động 30-80mm, nguồn cấp 24VDC, ngõ ra dạng PNP, kết nối 4 chân.
Cảm biến quang học Nguồn cấp 10-30VDC, tần số 200Hz, dòng ra 400mA, cự ly phát hiện phản xạ 50-600mm, thu phát riêng 20cm-20m.
Khối rơ-le trung gian Rơ-le điện từ 2 tiếp điểm (thường đóng NC / thường hở NO), dùng dòng nhỏ đóng cắt phụ tải công suất lớn, bảo vệ ngõ ra PLC.
Khối điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 224, 14 ngõ vào số (I), 10 ngõ ra số (Q), bộ nhớ chương trình 8KB, bộ nhớ dữ liệu 8KB (EEPROM), tốc độ xử lý 0.37 µs/lệnh Boole, 6 bộ đếm HSC 30kHz, 2 bộ phát xung PTO/PWM 20kHz.
Giao tiếp truyền thông Cáp PC/PPI chuyển đổi tín hiệu RS-232 sang cổng RS-485 (jack DB9) trên PLC, tốc độ truyền 9600 baud, khung truyền 11 bit.

Về khả năng mở rộng phần cứng, đồ án trình bày cấu hình ghép nối tối đa 7 module mở rộng vào bên phải CPU 224:

  • Module số EM223: phiên bản 16I/16Q DC/Relay (địa chỉ bắt đầu ngõ vào I2.0, ngõ ra Q2.0) và phiên bản 4I/4Q DC/Relay (địa chỉ bắt đầu I4.0, ngõ ra Q4.0).
  • Module tương tự EM235: gồm 4 kênh ngõ vào analog (AIW0, AIW2, AIW4, AIW6; trở kháng vào $\ge$ 10M$\Omega$, áp vào cực đại 30VDC, dòng vào cực đại 32mA, bộ chuyển đổi ADC 12-bit, thời gian chuyển đổi $< 250$ µs, dải dữ liệu 0 đến 32000 hoặc -32000 đến 32000) và 1 kênh ngõ ra analog (AQW0; dải điện áp $\pm$10V, dải dòng điện 0-20mA, DAC 12-bit cho áp và 11-bit cho dòng). Quá trình căn chỉnh EM235 thực hiện qua việc cấp nguồn ổn định 15 phút, tinh chỉnh biến trở Offset về điểm 0 và biến trở Gain về giá trị 32000.

Chương trình điều khiển được xây dựng và nạp vào PLC thông qua phần mềm STEP 7-Micro/WIN, kết nối cáp truyền thông PC/PPI giữa máy tính và PLC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong công nghiệp sản xuất nước giải khát và yêu cầu trang bị mô hình thực hành trong giảng dạy kỹ thuật. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học và thực tiễn, xác định mục tiêu nghiên cứu (thiết kế cơ khí, thiết kế điều khiển, lập trình thuật toán và thực nghiệm), đối tượng nghiên cứu, phương pháp thực hiện và bố cục toàn văn đồ án gồm 7 chương.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 phân tích tổng quan lĩnh vực tự động hóa trong sản xuất công nghiệp hiện đại và vai trò của các phần mềm quản lý, giám sát dây chuyền như WinCC, Visual Basic, Quick Basic, Turbo C++, Delphi. Tác giả giới thiệu hình ảnh thực tế các dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai trà xanh, dầu gió và bình nước 20 lít; đồng thời phân loại ba hình thức tự động hóa cơ bản: tự động hóa cứng, tự động hóa lập trình và tự động hóa linh hoạt kèm theo các đặc trưng về chi phí đầu tư, tính thích ứng và năng suất.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 trình bày chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong mô hình:

  • Động cơ một chiều 24VDC có hộp giảm tốc và động cơ DC có encoder (70 vòng/phút).
  • Motor bơm nước 24VDC buồng xoắn ốc ly tâm.
  • Van đảo chiều khí nén 5/2 (áp suất 1.0 bar, cấp bảo vệ IP65) và xylanh khí nén tác động kép.
  • Cảm biến công nghiệp: cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến sợi quang (PNP, 30-80mm) và cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA (10-30VDC, phát hiện mức nước).
  • Rơ-le điện từ: cấu tạo nam châm điện, lò xo hồi vị, tiếp điểm động/tĩnh và ứng dụng cách ly bảo vệ mạch.
  • Bộ điều khiển lập trình Siemens S7-200 CPU 224: nguyên lý làm việc, ưu điểm so với mạch rơ-le tiếp điểm, cấu hình ngõ vào/ra, cổng truyền thông nối tiếp RS-485 (9600 baud, kết nối PC/PPI), cấu trúc 4 phân vùng bộ nhớ, cách đặt địa chỉ module mở rộng EM223 (16I/16Q, 4I/4Q), đặc tính kỹ thuật module analog EM235 và các loại ngắt trong S7-200.

Chương 4: Phương án thiết kế - thi công phần cứng và phần mềm

Chương này trình bày quá trình lựa chọn phương án thiết kế cơ khí và thiết kế mạch điện cho mô hình chiết rót đóng nắp chai. Tác giả đưa ra lưu đồ quá trình thiết kế, bản vẽ kết cấu cơ khí, bố trí bảng điều khiển và hình ảnh thực tế mặt trước, mặt sau của mô hình sau khi thi công chế tạo.

Chương 5: Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển

Chương 5 mô tả các bước hoạt động theo chu trình tự động của mô hình (cấp phôi chai, vận chuyển qua băng tải, dừng định vị, chiết rót chất lỏng định lượng theo cảm biến mực nước, cấp nắp và vặn chặt nắp chai bằng động cơ encoder, xuất sản phẩm). Từ đó, tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN nạp vào CPU 224.

Chương 6: Thực nghiệm – Đánh giá

Chương 6 trình bày các bước chuẩn bị thực nghiệm, cấp nguồn điện, cấp khí nén và vận hành mô hình thực tế. Tác giả tiến hành quan sát, ghi nhận khả năng đáp ứng của cảm biến, hoạt động đóng mở của van khí nén, độ ổn định của băng tải và cơ cấu siết nắp để đánh giá hiệu quả vận hành.

Chương 7: Kết luận – Kiến nghị

Chương 7 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển tự động. Đồng thời, tác giả chỉ ra các hạn chế kỹ thuật còn tồn tại trên mô hình và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.

Kết quả và đóng góp của đồ án

Về kết quả kỹ thuật:

  • Đồ án đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình vật lý chiết rót và đóng nắp chai tự động, tích hợp đồng bộ hệ thống băng chuyền dẫn động bằng động cơ DC giảm tốc 24VDC (70 vòng/phút), cơ cấu siết nắp dùng động cơ DC có encoder, hệ thống bơm chiết rót 24VDC và cơ cấu chấp hành khí nén sử dụng van đảo chiều 5/2 cùng xylanh tác động kép.
  • Ứng dụng cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA để nhận diện mực nước trong chai và cảm biến quang/sợi quang để định vị vị trí chai trên băng chuyền.
  • Xây dựng thành công giải thuật điều khiển và chương trình trên PLC Siemens S7-200 CPU 224 thông qua phần mềm STEP 7-Micro/WIN; sử dụng hệ thống rơ-le trung gian đảm bảo an toàn đóng ngắt mạch điện công suất.

Về giải pháp và kiến nghị:

  • Tác giả đề xuất tiếp tục hoàn thiện cơ cấu cấp nắp chai tự động và bổ sung các cơ cấu kẹp giữ chai chắc chắn hơn trong quá trình siết nắp.
  • Kiến nghị nghiên cứu mở rộng kết nối mạng vi tính, tích hợp giao diện phần mềm giám sát (như WinCC, Visual Basic) để theo dõi trạng thái hệ thống theo thời gian thực.

Về đóng góp thực tiễn:

  • Đồ án chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm trực quan, có tính ứng dụng trực tiếp trong công tác giảng dạy thực hành tại các phòng thí nghiệm Cơ điện tử, giúp sinh viên củng cố kiến thức về khí nén, cảm biến, cơ cấu chấp hành và kỹ năng lập trình PLC công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Mô hình được chế tạo ở quy mô phục vụ dạy học nên kết cấu cơ khí còn đơn giản, tính linh hoạt khi thay đổi kích thước chai chưa cao.
  • Khâu cấp nắp chai và định vị nắp còn phụ thuộc vào thao tác hỗ trợ; hệ thống chưa tích hợp đầy đủ các công đoạn phụ trợ của một dây chuyền hoàn chỉnh như súc rửa chai, dán nhãn hay thổi màng co.
  • Hệ thống điều khiển chưa kết nối giao diện giám sát, thu thập dữ liệu trên máy tính.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Ứng dụng các module mở rộng như EM223 và module tương tự EM235 để mở rộng số lượng cổng vào/ra và điều khiển các thông số tương tự (áp suất, lưu lượng, nhiệt độ).
  • Nâng cấp cơ cấu cơ khí, bổ sung trạm cấp phôi, rửa chai, dán nhãn và co màng tự động nhằm tạo thành dây chuyền sản xuất đồng bộ khép kín.
  • Xây dựng phần mềm giám sát SCADA/HMI trên máy tính thông qua chuẩn truyền thông RS-485 để theo dõi và điều khiển toàn bộ dây chuyền từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Giảng viên và sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện - Điện tử khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc xây dựng thiết bị thực hành.
  • Người nghiên cứu, kỹ thuật viên cần tài liệu tra cứu thực tế về:
    • Cấu hình phần cứng, sơ đồ chân kết nối và phương pháp phân chia vùng nhớ của PLC Siemens S7-200 CPU 224.
    • Phương pháp ghép nối và đặt địa chỉ cho module mở rộng số EM223 cũng như quy trình hiệu chỉnh biến trở Offset/Gain cho module analog EM235.
    • Ứng dụng của cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA trong việc phát hiện mức chất lỏng.
    • Kỹ thuật đấu nối van đảo chiều khí nén 5/2 kết hợp xylanh tác động kép và mạch rơ-le cách ly trung gian.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 224 trong đồ án có các thông số phần cứng cơ bản nào?
PLC Siemens S7-200 CPU 224 có kích thước 120.5mm x 80mm x 62mm, bộ nhớ chương trình 8KB, bộ nhớ dữ liệu 8KB (EEPROM), 14 ngõ vào số và 10 ngõ ra số tích hợp, tốc độ xử lý lệnh Boole là 0.37 µs. CPU tích hợp 256 bộ định thì (timer), 256 bộ đếm (counter), 6 bộ đếm tốc độ cao HSC (30kHz), 2 bộ phát xung PTO/PWM (20kHz) và cho phép mở rộng tối đa 7 module.

2. Cảm biến nào được sử dụng để phát hiện mức chất lỏng trong chai và có thông số kỹ thuật ra sao?
Đồ án sử dụng cảm biến điện dung model Hanyoung CUP-18R8NA. Cảm biến có điện áp định mức 10-30VDC (dây nâu), tần số hoạt động 100Hz, dòng ngõ ra 200mA, dây đen xuất mức logic 1 ở 0V, khoảng cách tác động từ 2mm đến 18mm, có khả năng phát hiện kim loại và chất lỏng.

3. Cơ cấu đóng nắp chai sử dụng loại động cơ gì để đảm bảo lực siết?
Cơ cấu đóng nắp sử dụng động cơ một chiều (DC) có gắn encoder và hộp giảm tốc, hoạt động ở điện áp 24VDC, tốc độ định mức 70 vòng/phút nhằm tạo moment xoắn lớn để vặn chặt nắp chai.

4. Phương thức truyền thông giữa máy tính (PC) và PLC S7-200 được thiết lập như thế nào?
Hệ thống sử dụng cáp chuyển đổi PC/PPI để kết nối cổng nối tiếp RS-232 trên máy tính với cổng truyền thông RS-485 (jack 9 chân DB9) trên PLC S7-200. Tốc độ truyền thông qua giao thức PPI được thiết lập ở mức 9600 baud, với định dạng khung dữ liệu truyền là 11 bit.

5. Quy trình căn chỉnh ngõ vào analog trên module EM235 được thực hiện theo các bước nào?
Quy trình gồm: tắt nguồn module để chọn dải đo bằng công tắc gạt, bật nguồn cho CPU và module hoạt động ổn định trong 15 phút, đưa tín hiệu dòng hoặc áp chuẩn vào kênh ngõ vào, đọc giá trị trên PLC và chỉnh biến trở Offset cho đến khi giá trị đọc về 0, sau đó đưa tín hiệu toàn tầm đo vào ngõ vào và chỉnh biến trở Gain cho đến khi giá trị đạt 32000, lặp lại quá trình cho đến khi đạt độ chính xác.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động phục vụ cho dạy học" đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình cơ điện tử kết hợp cơ khí, khí nén và mạch điện điều khiển. Hệ thống vận hành trên nền tảng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-200 CPU 224, phối hợp đồng bộ giữa băng tải, motor bơm, xylanh khí nén, động cơ siết nắp có encoder và cảm biến điện dung Hanyoung CUP-18R8NA. Kết quả thực nghiệm khẳng định mô hình đáp ứng tốt yêu cầu trực quan hóa quy trình tự động hóa công nghiệp, là tài liệu kỹ thuật và thiết bị dạy học có giá trị ứng dụng thực tiễn cho sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử.