Đồ án nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Trần Xuân Pháp
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Tự Động Hóa Dây Chuyền Sản Xuất Bao Bì
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ đề tài
• 1.5. Đối tượng và phạm vi đề tài
• 1.5.1. Đối tượng đề tài
• 1.5.2. Phạm vi đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Bố cục Đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Dây chuyền sản xuất bao bì
• 2.1.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Hệ thống ép nhiệt, cắt bao bì
• 2.3. Hệ SCADA công nghiệp
• 2.3.1. Giới thiệu về hệ SCADA
• 2.3.2. Phần cứng trong hệ SCADA
• 2.3.3. Phần mềm trong hệ SCADA
• 2.3.4. Ứng dụng của hệ SCADA
• 2.4. Truyền thông Profinet của PLC S7-1200
• 2.4.1. Giới thiệu chung
• 2.4.2. Truyền thông với thiết bị lập trình
• 2.4.3. Giao tiếp HMI & PLC S7-1200
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT NỐI PHẦN CỨNG
• 3.1. Lựa chọn thiết bị
• 3.2. Sơ đồ mạch động lực
• 3.3. Sơ đồ mạch điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG
• 4.1. Mô hình hệ thống ép nhiệt, cắt bao bì
• 4.1.1. Tổng quan mô hình
• 4.1.2. Sơ đồ tín hiệu điều khiển
• 4.2. Điều khiển hệ thống
• 4.2.1. Thiết kế HMI
• 4.2.2. Chương trình điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VẬN HÀNH, KHẮC PHỤC LỖI
• 5.1. Kết quả vận hành
• 5.1.1. Mô phỏng trên HMI và Factory IO
• 5.1.2. Mô hình chạy với PLC S7-1200
• 5.2. Khắc phục lỗi
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì" tại HCMUTE tập trung vào việc tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì, cụ thể là dây chuyền ép nhiệt, cắt bao bì nhựa. Nghiên cứu này có tính cấp thiết cao do nhu cầu nâng cao hiệu quả sản xuất trong công nghiệp bao bì. Đồ án sử dụng PLC S7-1200 để điều khiển, thay thế hệ thống rơ-le cũ. Mục tiêu chính là cải tiến dây chuyền sản xuất, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu tài liệu, quan sát thực tế tại công ty Sản Xuất Thương Mại Bao Bì Nhựa Minh Huy Long và mô phỏng. Đối tượng nghiên cứu bao gồm phần cứng (PLC, HMI, dây chuyền sản xuất) và phần mềm (TIA Portal, Factory IO). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tự động hóa quy trình ép nhiệt và cắt bao bì, mô phỏng trên phần mềm và đánh giá hiệu quả.

1.1 Giới thiệu về ngữ cảnh nghiên cứu

Nghiên cứu nằm trong bối cảnh tự động hóa sản xuất đang phát triển mạnh mẽ. Công nghệ tự động hóa mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng năng suất, giảm chi phí, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động. Nghiên cứu tự động hóa trong sản xuất bao bì đặc biệt quan trọng vì đây là ngành công nghiệp lớn, có nhu cầu cao về hiệu quả và chất lượng. Đồ án này đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào thực tiễn tại Việt Nam. HCMUTE, với vai trò là trường đại học kỹ thuật hàng đầu, tạo điều kiện cho sinh viên thực hiện các dự án nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến, như nghiên cứu công nghệ tự động hóa trong đồ án này. Việc nghiên cứu khoa học tại HCMUTE hướng đến việc trang bị cho sinh viên kiến thức và kỹ năng thực tế, giúp họ dễ dàng hòa nhập vào thị trường lao động. Sinh viên HCMUTE tham gia nghiên cứu này có cơ hội học hỏi kinh nghiệm thực tiễn, góp phần phát triển ngành công nghiệp bao bì của Việt Nam. Công ty Sản Xuất Thương Mại Bao Bì Nhựa Minh Huy Long cung cấp dữ liệu thực tế, hỗ trợ nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì.

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án là tự động hóa quy trình ép nhiệt và cắt bao bì nhựa, nâng cao hiệu quả sản xuất. Đồ án tập trung vào việc thiết kế giao diện điều khiển (HMI), lập trình PLC (PLC S7-1200) và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Factory IO và TIA Portal. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất; Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển; Mô phỏng và kiểm tra hệ thống; Phân tích và xử lý lỗi. Đồ án không đề cập đến các khía cạnh khác của sản xuất bao bì, như trộn nguyên liệu, in ấn, đóng gói. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào một phần cụ thể của dây chuyền, để chứng minh khả năng áp dụng rộng rãi hơn trong tương lai. Công trình này đóng góp vào lĩnh vực tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì tại HCMUTE và Việt Nam.

II. Phương pháp luận và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kết hợp với nghiên cứu tài liệu và khảo sát thực tế. Dữ liệu thu thập từ công ty Minh Huy Long được sử dụng để xây dựng mô hình. PLC S7-1200 được lựa chọn do tính năng và khả năng tích hợp cao. Hệ thống SCADA được mô phỏng bằng Factory IO và lập trình trên TIA Portal. Kết quả cho thấy hệ thống tự động hóa hoạt động hiệu quả, giảm thời gian sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Giải pháp tự động hóa được đề xuất có tính khả thi cao và có thể áp dụng trong thực tế.

2.1 Thiết kế và triển khai hệ thống tự động hóa

Phần này tập trung vào thiết kế dây chuyền sản xuất bao bì tự động. Quá trình tự động hóa được mô tả chi tiết, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xử lý tín hiệu, điều khiển thiết bị. Công nghệ PLC S7-1200 được sử dụng để điều khiển các thiết bị trong dây chuyền, giúp tự động hóa các thao tác ép nhiệt, cắt bao bì. HMI được thiết kế để giám sát và điều khiển toàn bộ quá trình. Phần mềm TIA Portal được sử dụng để lập trình PLC và cấu hình HMI. Factory IO được sử dụng để mô phỏng hệ thống và kiểm tra tính khả thi của giải pháp. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí trong quá trình triển khai thực tế. Mô hình tự động hóa bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển và các thiết bị chấp hành, tạo thành một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh. Quản lý dây chuyền sản xuất được đơn giản hóa nhờ hệ thống tự động hóa này. Công nghệ điều khiển tiên tiến được áp dụng, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Chi phí tự động hóa được tính toán và đánh giá, đảm bảo tính kinh tế của giải pháp.

2.2 Đánh giá hiệu quả và đề xuất cải tiến

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống tự động hóa hoạt động ổn định và hiệu quả. Năng suất sản xuất được cải thiện đáng kể so với hệ thống truyền thống. Chất lượng sản phẩm cũng được nâng cao nhờ độ chính xác của hệ thống tự động hóa. Chi phí vận hành được giảm thiểu nhờ giảm nhân công và tăng năng suất. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện, ví dụ như độ tin cậy của hệ thống, khả năng xử lý lỗi. Giải pháp tự động hóa này có thể được mở rộng và ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất bao bì khác. Nghiên cứu này đóng góp vào việc nâng cấp dây chuyền sản xuất bao bì, giúp doanh nghiệp tăng cường khả năng cạnh tranh. Lợi ích tự động hóa được thể hiện rõ ràng qua các chỉ số đánh giá hiệu quả. Xu hướng tự động hóa ngày càng được chú trọng trong công nghiệp bao bì, và nghiên cứu này góp phần thúc đẩy xu hướng này. Báo cáo nghiên cứu cung cấp các dữ liệu và kết quả cụ thể, minh chứng cho hiệu quả của giải pháp tự động hóa được đề xuất.

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã thành công trong việc tự động hóa một phần dây chuyền sản xuất bao bì. Giải pháp tự động hóa được đề xuất có tính khả thi cao và mang lại nhiều lợi ích. Nghiên cứu này góp phần vào việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong công nghiệp bao bì tại Việt Nam. Tuy nhiên, vẫn cần nghiên cứu mở rộng để tối ưu hóa hệ thống và ứng dụng vào các dây chuyền sản xuất khác. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc tích hợp các công nghệ tiên tiến như AI, IoT để nâng cao hơn nữa hiệu quả và tính thông minh của hệ thống.

3.1 Tổng kết nghiên cứu

Đồ án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì. Mô hình tự động hóa được xây dựng và mô phỏng thành công. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của hệ thống tự động hóa trong việc tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Báo cáo nghiên cứu cung cấp thông tin chi tiết về quá trình thực hiện, kết quả đạt được và các đề xuất cải tiến. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong sản xuất bao bì. Giải pháp tự động hóa này có thể được áp dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp sản xuất bao bì. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển công nghệ tự động hóa tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao và có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tương tự. HCMUTE đã đóng góp đáng kể vào việc đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa.

3.2 Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, có thể nâng cấp dây chuyền sản xuất bao bì bằng cách tích hợp các công nghệ hiện đại. AI có thể được sử dụng để tối ưu hóa quá trình sản xuất và dự đoán lỗi. IoT có thể được sử dụng để giám sát từ xa và quản lý hiệu quả dây chuyền. Robot trong sản xuất bao bì có thể tự động hóa nhiều công đoạn hơn nữa. Phân tích dữ liệu sản xuất bao bì có thể giúp cải thiện hiệu quả vận hành. Nghiên cứu có thể mở rộng sang việc tối ưu hóa quy trình sản xuất bao bì toàn diện. Môi trường sản xuất bao bì thân thiện hơn với môi trường cũng là một hướng phát triển quan trọng. Công nghệ in ấn bao bì tiên tiến có thể được tích hợp vào dây chuyền. Kiểm tra chất lượng bao bì tự động có thể đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc tích hợp các công nghệ này sẽ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản xuất bao bì một cách đáng kể.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền công nghiệp hiện đại hóa, việc áp dụng các hệ thống điều khiển tự động hóa như bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller), các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM) và sản xuất linh hoạt (FMS) đóng vai trò then chốt trong việc rút ngắn chu kỳ chế tạo, tối ưu hóa năng suất và giảm thiểu thời gian chuyển đổi quy trình sản xuất. Tại các nhà máy sản xuất bao bì nhựa ở Việt Nam, nhiều dây chuyền vẫn đang vận hành dựa trên các mạch điều khiển relay cơ khí truyền thống, dẫn đến hạn chế về tính linh hoạt khi cần thay đổi kích thước sản phẩm, khó giám sát trạng thái thiết bị theo thời gian thực và tiêu tốn nhiều thời gian xử lý sự cố.

Xuất phát từ khảo sát thực tế tại Công ty Sản xuất Thương mại Bao bì Nhựa Minh Huy Long cùng định hướng nghiên cứu từ giảng viên hướng dẫn, đề tài "Nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì" được thực hiện nhằm nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống điều khiển của dây chuyền ép nhiệt và cắt bao bì (dựa trên mẫu máy Super High Speed Fully Automatic Single Line Tshirt Bag Making Machine), thay thế hệ thống rơ-le cũ bằng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện giám sát HMI.

Mục tiêu tổng quát của đồ án bao gồm:

• Thiết kế giao diện điều khiển, lập trình và mô phỏng dây chuyền sản xuất trước khi ứng dụng vào thực tế.
• Phân tích và xử lý các lỗi phát sinh trong quá trình mô phỏng, đánh giá độ chính xác và tính hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động so với phiên bản vận hành trước đó.

Để đạt được mục tiêu trên, đồ án xác định 7 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu, vận hành và quan sát phương thức hoạt động của dây chuyền sản xuất bao bì thực tế.
2. Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo cơ khí và truyền động của từng cơ cấu chấp hành trong hệ thống.
3. Làm chủ kỹ thuật sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên dụng gồm TIA Portal và Factory IO.
4. Thiết lập kết nối truyền thông Ethernet/PROFINET giữa PLC S7-1200 với TIA Portal và phần mềm Factory IO.
5. Xây dựng mô hình không gian 3D trên Factory IO có nguyên lý và cơ cấu hoạt động tương đương hệ thống sản xuất thực tế.
6. Thiết kế giao diện màn hình HMI để thực hiện nhiệm vụ điều khiển và giám sát toàn diện hệ thống trên phần mềm TIA Portal.
7. Vận hành mô phỏng, phân tích dữ liệu và đánh giá mức độ khả thi của giải pháp trước khi áp dụng vào môi trường công nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng phần cứng: Dây chuyền ép nhiệt và cắt bao bì nhựa; bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC (mã đặt hàng: 215-1AG40-0XB0, trang bị 14 ngõ vào số DI, 10 ngõ ra số DO, 2 ngõ vào tương tự AI và 2 ngõ ra tương tự AO); máy tính xách tay, cáp mạng truyền thông và các thiết bị điện - khí nén phụ trợ.
• Đối tượng phần mềm: Phần mềm kỹ thuật Siemens TIA Portal và phần mềm mô phỏng không gian nhà máy ảo Factory IO.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài giới hạn tập trung vào việc nghiên cứu, cải tiến quy trình tự động hóa tại công đoạn ép nhiệt và cắt bao bì nhựa dạng túi xách (T-shirt bag); lập trình điều khiển, thiết kế giao diện HMI và mô phỏng kiểm chứng liên kết giữa Factory IO với PLC S7-1200.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng nghiên cứu dựa trên các khối kiến thức lý thuyết chuyên ngành tự động hóa:

1. Quy trình công nghệ sản xuất bao bì nhựa PE: Khái quát toàn bộ 5 công đoạn liên hoàn của nhà máy sản xuất bao bì:

   • Công đoạn 1 (Trộn nguyên liệu): Hạt nhựa PE (Polyethylene) nguyên sinh cùng các phụ gia màu được phối trộn theo tỷ lệ quy định.
   • Công đoạn 2 (Thổi màng film): Hạt nhựa sau phối trộn được nung nóng chảy, thổi phồng tạo màng film qua hệ thống luồng khí và cuốn thành các cuộn màng thông qua hệ thống con lăn kéo.
   • Công đoạn 3 (In màu bao bì): Cuộn màng film được đưa qua hệ thống trục lăn in khắc sẵn hình ảnh, logo và thông tin sản phẩm bằng mực in chuyên dụng.
   • Công đoạn 4 (Ép nhiệt và cắt): Màng film in màu được nâng trên giá đỡ, đi qua cơ cấu ép nhiệt để hàn đáy bao bì, dao cắt chia đoạn theo kích thước cài đặt, sau đó kẹp gắp đưa sang vị trí dập/ép quai xách (vai xách).
   • Công đoạn 5 (Đóng gói): Bao bì hoàn thiện được xếp và đóng gói vào thùng carton để lưu kho và phân phối.

2. Khung lý thuyết hệ SCADA và ICMS công nghiệp: Khảo sát cấu trúc hệ thống Điều khiển Giám sát và Thu thập Dữ liệu (SCADA) gồm 5 cấp phân cấp tiêu chuẩn (cấp trường, thiết bị RTU/PLC, mạng truyền thông, trạm chủ Master Station, hệ thống quản lý dữ liệu). Đồ án phân tích vai trò của bộ điều khiển khả trình PLC trong việc thay thế mạch relay tuần tự, đồng thời định hướng xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp (ICMS - Integrated Control and Monitoring System) kết hợp đồng thời 3 chức năng: điều khiển logic tuần tự, điều khiển điều chỉnh và giám sát SCADA.

3. Chuẩn truyền thông PROFINET trên PLC S7-1200: Sử dụng cổng PROFINET tích hợp hỗ trợ các chuẩn Ethernet công nghiệp, giao thức điều khiển truyền vận TCP/IP và ISO on TCP (RFC 1006). Cấu hình liên kết thiết bị theo hai phương thức: kết nối trực tiếp (Point-to-Point) giữa CPU với máy tính lập trình/HMI mà không cần bộ chuyển mạch qua tính năng Auto-Cross-Over, hoặc kết nối mạng mở rộng qua switch công nghiệp Siemens CSM1277.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập và phân tích tài liệu kỹ thuật của dòng máy cắt bao bì tự động Super High Speed Fully Automatic Single Line Tshirt Bag Making Machine, hướng dẫn lập trình PLC S7-1200 của Siemens và tài liệu hướng dẫn SCADA.
• Phương pháp quan sát và khảo sát thực tế: Khảo sát trực tiếp cấu tạo cơ khí, quy trình vận hành và sơ đồ dây chuyền sản xuất bao bì tại nhà máy của Công ty Sản xuất Thương mại Bao bì Nhựa Minh Huy Long.
• Phương pháp thiết kế và mô phỏng thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế mạch điện động lực/điều khiển, xây dựng mô hình thiết bị 3D trên Factory IO và liên kết địa chỉ I/O với chương trình điều khiển viết trên TIA Portal để chạy kiểm chứng chu trình.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Lựa chọn thiết bị và phần cứng hệ thống

Dựa trên yêu cầu công nghệ của máy ép nhiệt và cắt bao bì, các thiết bị điện và tự động hóa được nhóm nghiên cứu tính toán và lựa chọn theo danh mục sau:

STT	Thiết bị	Thông số kỹ thuật / Mã hiệu	Chức năng trong hệ thống
1	PLC Siemens S7-1200	CPU 1215C DC/DC/DC (Mã: 215-1AG40-0XB0), 14 DI / 10 DO / 2 AI / 2 AO	Điều khiển trung tâm, xử lý logic, đọc cảm biến và xuất lệnh điều khiển
2	Biến tần	Siemens SINAMICS V20 (6SL3210-5BE24-0CV0), 3 pha vào, 0–550Hz, công suất 4 kW, 400V AC, IP20	Điều khiển tốc độ động cơ kéo hệ thống con lăn cấp màng
3	Động cơ không đồng bộ	3 pha xuất xứ Italy, công suất 0.75 kW (1 HP), tốc độ định mức 1400 rpm	Dẫn động hệ thống con lăn truyền động và băng tải thành phẩm
4	Rơ-le điện từ trung gian	Omron LY2N-J (Cuộn hút 24V AC/DC), dòng định mức tiếp điểm 10A, đế cắm PTF08A	Đệm trung gian điều khiển các cuộn hút van điện từ và contactor
5	Cảm biến tiệm cận	Omron E2B-S08KS01-WP-B1 2M, kích thước ren M8.5mm, nguồn 10–30V DC, ngõ ra PNP/NO	Xác định vị trí cơ cấu ép nhiệt, vị trí cắt và vị trí ép quai bao bì
6	Cảm biến laser đo khoảng cách	Omron ZX1-LD50A66, khoảng cách đo danh định, độ phân giải 2mm, nguồn cấp 10–30V DC, ngõ ra 0–10V DC	Đo kích thước và định vị chiều dài đoạn màng film cần cắt

Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển

1. Mạch động lực:

   • Nguồn cấp 3 pha được bảo vệ tổng bằng Aptomat (CB1) và rơ-le bảo vệ mất pha/lệch pha (PP - Protect Pulse).
   • Động cơ M1 (kéo hệ con lăn) được cấp nguồn và điều khiển tốc độ thông qua biến tần SINAMICS V20 (ký hiệu IVT).
   • Động cơ M2 và M3 (kẹp gắp, băng tải) được điều khiển đóng cắt qua các tiếp điểm của rơ-le/contactor K5, K6, K7 và được bảo vệ quá tải bằng rơ-le nhiệt OL M2, OL M3.
   • Cơ cấu ép nhiệt và cơ cấu dao cắt sử dụng xilanh khí nén tác động đơn, điều khiển thông qua van điện từ khí nén 3/2 tác động bởi cuộn hút rơ-le K1 và K2. Thanh ép nhiệt được gia nhiệt liên tục bằng điện trở nhiệt.
   • Cơ cấu ép vai xách và kẹp gắp sử dụng kết hợp xilanh khí nén tác động đơn và xilanh thủy lực công suất lớn tác động đơn, điều khiển qua các van điện từ 3/2 kích hoạt bởi rơ-le K3 và K4.

2. Phân bổ tín hiệu I/O của hệ thống điều khiển:

STT	Ký hiệu tín hiệu	Loại cổng I/O	Chức năng mô tả
1	CB 1	Digital Input (DI)	Cảm biến nhận diện vị trí cắt bao bì
2	CB 2	Digital Input (DI)	Cảm biến nhận diện vị trí ép vai xách
3	CB 3	Digital Input (DI)	Cảm biến xác nhận vật vào băng tải
4	CB 4	Digital Input / Analog (DI/AI)	Cảm biến đo chiều dài vật
5	OL M2	Digital Input (DI)	Tín hiệu tiếp điểm báo quá tải động cơ M2
6	OL M3	Digital Input (DI)	Tín hiệu tiếp điểm báo quá tải động cơ M3
7	K1	Digital Output (DO)	Điều khiển van điện từ xilanh ép nhiệt đáy
8	K2	Digital Output (DO)	Điều khiển van điện từ xilanh cắt bao bì
9	K3	Digital Output (DO)	Điều khiển van điện từ xilanh ép vai xách
10	K4	Digital Output (DO)	Điều khiển van điện từ xilanh kẹp gắp
11	K5	Digital Output (DO)	Điều khiển động cơ vận hành M2
12	K6	Digital Output (DO)	Điều khiển đảo chiều / cơ cấu phụ M2
13	K7	Digital Output (DO)	Điều khiển động cơ băng tải M3
14	K8	Digital Output (DO)	Tín hiệu kích hoạt biến tần chạy hệ con lăn
15	AI 1	Analog Output (AO)	Tín hiệu điện áp 0–10V đặt tốc độ hệ con lăn cho biến tần

Triển khai mô phỏng trên Factory IO và thiết kế giao diện HMI

• Xây dựng mô hình 3D trên Factory IO: Do thư viện Factory IO không có sẵn cơ cấu máy cắt màng nhựa chuyên dụng, nhóm tác giả sử dụng các phần tử tương đương để mô phỏng chính xác thuật toán:

  • Sử dụng Pusher 1 (chuyển động tịnh tiến đứng) để mô phỏng xilanh ép nhiệt đáy.
  • Sử dụng Pusher 2 (chuyển động tịnh tiến đứng) để mô phỏng dao cắt vật lý.
  • Sử dụng Pusher 3 để mô phỏng cơ cấu ép quai xách bao bì.
  • Sử dụng Conveyor 1 và Conveyor 2 thay thế cho hệ thống con lăn kéo cuộn màng.
  • Sử dụng cơ cấu bàn cân băng tải (Conveyor scale weight) để thay thế cảm biến đo chiều dài bao bì thông qua chuyển đổi giá trị đo tương tự (Analog).
  • Bảng gán tín hiệu mô phỏng gồm 7 đầu vào (At conveyor1, Sensor at scale, Sensor at con3, Sensor end scale, Day hang, Overload, Scale weight) và 7 đầu ra (Conveyor 3, Pusher 1, Pusher 2, Pusher 3, Conveyor scale +, Conveyor 1, Conveyor 2).

• Thiết kế giao diện giám sát HMI (WinCC/TIA Portal): Giao diện người-máy được tổ chức thành 4 màn hình chức năng chuyên biệt:

  1. Screen Main (Màn hình chính): Hiển thị logo/tên doanh nghiệp, trạng thái đăng nhập người dùng, các nút điều hướng chuyển trang.
  2. Screen Auto (Màn hình tự động): Hiển thị trạng thái vận hành tự động toàn tuyến, chỉ báo hoạt động của từng cụm xilanh/băng tải, bộ đếm hiển thị số lượng bao bì đã cắt, kích thước size cài đặt và bảng hiển thị cảnh báo lỗi (Alarm).
  3. Screen Manual (Màn hình chạy tay): Cho phép người vận hành cưỡng bức kích hoạt từng xilanh ép nhiệt, dao cắt, xilanh ép vai, chạy/dừng từng động cơ băng tải nhằm phục vụ công tác hiệu chỉnh và bảo trì.
  4. Screen Setting (Màn hình cài đặt): Cài đặt các thông số chiều dài cắt túi, số lượng túi trên mỗi lô dập quai, phân quyền tài khoản truy cập (User/Admin) và quản lý ngưỡng giới hạn kích hoạt cảnh báo lỗi hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về xu hướng tự động hóa trong sản xuất công nghiệp hiện đại trên thế giới và tại Việt Nam. Phân tích tính cấp thiết của việc cải tiến dây chuyền sản xuất bao bì tại Công ty TNHH Sản xuất Thương mại Bao bì Nhựa Minh Huy Long từ điều khiển relay sang tự động hóa PLC S7-1200 và HMI. Xác định rõ mục tiêu, 7 nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu (PLC S7-1200 CPU 1215C, phần mềm TIA Portal, Factory IO) và phạm vi giới hạn của đề tài ở khâu ép nhiệt, cắt bao bì nhựa.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết 5 công đoạn của quy trình sản xuất bao bì nhựa (trộn hạt PE, thổi màng film, in màu, ép nhiệt - cắt, đóng gói carton). Phân tích cấu tạo 4 bộ phận chính của máy ép nhiệt - cắt bao bì (phần đặt cuộn nhựa, cơ cấu ép nhiệt dùng xilanh khí nén có điện trở nhiệt, cơ cấu cắt dùng dao vật lý, cơ cấu ép vai xách dùng kẹp gấp và xilanh thủy lực). Giới thiệu lý thuyết hệ SCADA 5 cấp, so sánh RTU với PLC, cấu trúc Master Station, các dạng phần mềm SCADA và ứng dụng ICMS. Trình bày chi tiết chuẩn truyền thông PROFINET trên PLC S7-1200, các giao thức TCP/IP, ISO on TCP, quy trình gán địa chỉ IP và kết nối trao đổi dữ liệu với HMI.

Chương 3: Kết nối phần cứng

Lựa chọn cụ thể các thiết bị phần cứng công nghiệp gồm: PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC, biến tần Siemens SINAMICS V20 4kW, rơ-le Omron LY2N-J 24V, động cơ 3 pha Ý 0.75kW, cảm biến tiệm cận Omron E2B-S08KS01-WP-B1 và cảm biến khoảng cách laser Omron ZX1-LD50A66. Xây dựng chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch động lực cho xilanh ép nhiệt, dao cắt, xilanh kẹp gắp và xilanh thủy lực ép vai xách. Thiết lập sơ đồ đấu nối dây mạch điều khiển PLC S7-1200, mạch giao tiếp biến tần và bảng gán 15 tín hiệu vào/ra (Bảng 3.1).

Chương 4: Mô phỏng điều khiển giám sát hệ thống

Xây dựng mô hình 3D trên Factory IO mô phỏng các cơ cấu công nghệ thực tế bằng hệ thống Pusher 1, Pusher 2, Pusher 3, Conveyor 1, 2, 3 và Conveyor scale weight. Lập bảng phân bổ 14 tín hiệu điều khiển mô hình (Bảng 4.1). Thiết kế chi tiết giao diện HMI gồm 4 màn hình: Screen Main, Screen Auto, Screen Manual và Screen Setting; tích hợp hệ thống phân quyền đăng nhập và các bảng cảnh báo lỗi (Alarm). Xây dựng lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển dạng khối trên TIA Portal.

Chương 5: Kết quả vận hành, khắc phục lỗi

Trình bày kết quả liên kết truyền thông giữa PLC S7-1200 với phần mềm Factory IO và TIA Portal qua giao thức PROFINET/Ethernet. Ghi nhận hình ảnh vận hành thực nghiệm trên mô hình ảo: cơ cấu ép nhiệt và cắt hoạt động đồng bộ theo kích thước đặt trước, kẹp gắp và ép vai xách thực hiện chính xác khi đủ số lượng túi. Phân tích các lỗi phát sinh trong quá trình thiết lập liên kết I/O, lỗi truyền thông và trình bày các bước hiệu chỉnh, khắc phục lỗi chương trình.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với các mục tiêu ban đầu đề ra: đã xây dựng thành công giải pháp điều khiển tự động hóa dây chuyền ép nhiệt và cắt bao bì, thiết kế hoàn chỉnh giao diện HMI giám sát và mô phỏng thành công trên Factory IO kết nối PLC thật. Nêu rõ hướng phát triển tiếp theo của đề tài trong việc triển khai ứng dụng vào hệ thống thực tế tại doanh nghiệp và tích hợp tự động hóa toàn bộ các công đoạn còn lại của quy trình sản xuất bao bì.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Về mặt kỹ thuật và thiết kế: Đồ án đã tính toán, lựa chọn cấu hình thiết bị phần cứng hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển gồm PLC S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC mã 215-1AG40-0XB0), biến tần SINAMICS V20 4kW, cảm biến tiệm cận Omron E2B và cảm biến khoảng cách laser Omron ZX1-LD50A66. Thiết kế chi tiết sơ đồ mạch động lực điện - khí nén - thủy lực và mạch đấu nối điều khiển với 15 tín hiệu I/O công nghiệp.
• Về mặt mô phỏng và phần mềm: Xây dựng thành công mô hình ảo 3D trên Factory IO tương thích với thuật toán điều khiển của máy thực tế, giải quyết được việc mô phỏng đo chiều dài bao bì thông qua ngõ vào tương tự của bàn cân băng tải. Thiết kế đồng bộ 4 giao diện HMI (Screen Main, Screen Auto, Screen Manual, Screen Setting) cho phép cài đặt kích thước túi, đếm sản phẩm, phân quyền truy cập và báo động alarm.
• Về mặt kết nối và kiểm chứng: Thiết lập thành công kênh truyền thông PROFINET giữa PLC S7-1200 vật lý với phần mềm Factory IO và TIA Portal, thực hiện vận hành thử nghiệm ổn định các chu trình ép đáy, cắt đoạn và dập quai theo đúng trình tự công nghệ.

Đóng góp của đề tài

• Đề xuất giải pháp hiện đại hóa dây chuyền sản xuất bao bì nhựa tại Công ty Sản xuất Thương mại Bao bì Nhựa Minh Huy Long, thay thế hoàn toàn hệ thống điều khiển rơ-le cũ bằng hệ điều khiển PLC kết hợp HMI, giúp dễ dàng thay đổi quy cách sản phẩm thông qua giao diện màn hình mà không cần đấu nối lại mạch điện.
• Cung cấp giải pháp mô phỏng công nghiệp trực quan bằng Factory IO và TIA Portal, giúp người thiết kế kiểm tra, phát hiện và sửa chữa toàn bộ xung đột thuật toán điều khiển trước khi lắp đặt phần cứng thực tế, giảm thiểu rủi ro và chi phí chế tạo.

Nhận xét và đánh giá từ hội đồng

Theo phiếu nhận xét của giáo viên phản biện, đồ án được đánh giá xếp loại Khá (Điểm: 6.5) với các ghi nhận cụ thể:

• Ưu điểm: Giải pháp kỹ thuật đưa ra có tính mới, phương pháp nghiên cứu tiếp cận phù hợp với chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa.
• Khuyết điểm: Tính ứng dụng thực tế ở mức trung bình; văn bản đồ án còn tình trạng sao chép nội dung từ các tài liệu khác mà chưa ghi chú trích dẫn đầy đủ theo chuẩn học thuật; sinh viên được bảo vệ nhưng phải chỉnh sửa nhiều nội dung trước khi nộp lưu chiểu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

• Hệ thống mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu thiết kế, lập trình và vận hành mô phỏng trên phần mềm Factory IO kết nối với bộ PLC S7-1200 rời, chưa tiến hành lắp đặt, đấu nối và thử nghiệm trực tiếp trên dây chuyền máy thật tại xưởng sản xuất của Công ty Minh Huy Long.
• Phần mềm mô phỏng Factory IO không hỗ trợ các đối tượng màng nhựa dẻo và quá trình biến dạng nhiệt/cắt màng, do đó nhóm nghiên cứu phải sử dụng cơ cấu băng tải cân (Conveyor scale weight) để giả lập tín hiệu đo kích thước chiều dài, chưa phản ánh hoàn toàn tính chất cơ lý của vật liệu bao bì thực tế.
• Khâu trích dẫn tài liệu tham khảo trong văn bản đồ án chưa đảm bảo tính chặt chẽ học thuật như nhận xét của hội đồng phản biện.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Tiến hành thi công lắp ráp tủ điện điều khiển, đấu nối cảm biến và tích hợp hệ thống PLC S7-1200 cùng màn hình HMI trực tiếp lên dây chuyền ép nhiệt và cắt bao bì tại Công ty TNHH Sản xuất Thương mại Bao bì Nhựa Minh Huy Long để kiểm tra vận hành trong điều kiện sản xuất công nghiệp thực tế.
• Mở rộng phạm vi tự động hóa và tích hợp điều khiển giám sát liên tục cho cả 5 công đoạn trong quy trình sản xuất bao bì (trộn hạt nhựa, thổi màng film, in màu, ép cắt và đóng gói tự động), xây dựng hệ thống SCADA/ICMS giám sát tập trung toàn bộ phân xưởng qua mạng truyền thông công nghiệp.

Giá trị tham khảo

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

• Kỹ thuật kết nối và mô phỏng: Cung cấp tài liệu hướng dẫn từng bước cấu hình địa chỉ IP, thiết lập giao thức PROFINET/Ethernet để ghép nối phần mềm mô phỏng không gian 3D Factory IO với phần mềm Siemens TIA Portal và phần cứng PLC S7-1200 CPU 1215C.
• Thiết kế mạch điều khiển công nghiệp: Cung cấp sơ đồ mạch động lực kết hợp giữa động cơ xoay chiều 3 pha qua biến tần SINAMICS V20, các cơ cấu chấp hành xilanh khí nén gia nhiệt và xilanh thủy lực áp lực cao qua hệ thống rơ-le Omron và van điện từ 3/2.
• Xây dựng giao diện HMI WinCC: Cung cấp mẫu thiết kế giao diện vận hành thực tế gồm 4 màn hình tiêu chuẩn (Main, Auto, Manual, Setting) với đầy đủ chức năng phân quyền, quản lý tham số và hiển thị cảnh báo lỗi (Alarm).

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn đối tượng khảo sát thực tế và thiết bị điều khiển trung tâm là gì?
Đề tài khảo sát dây chuyền sản xuất bao bì nhựa (cụ thể là máy cắt bao bì tốc độ cao Super High Speed Fully Automatic Single Line Tshirt Bag Making Machine) tại Công ty Sản xuất Thương mại Bao bì Nhựa Minh Huy Long. Thiết bị điều khiển trung tâm được lựa chọn là bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC (mã 215-1AG40-0XB0).

2. Cơ cấu ép nhiệt, cắt và dập vai xách bao bì trong hệ thống thực tế hoạt động bằng nguyên lý nào?
Cơ cấu ép nhiệt sử dụng xilanh khí nén tác động đơn gắn lưỡi ép nhiệt được đốt nóng bởi điện trở nhiệt để hàn đáy bao; cơ cấu cắt sử dụng xilanh khí nén gắn lưỡi dao vật lý chuyển động tịnh tiến đứng; cơ cấu ép vai xách sử dụng kẹp gắp khí nén chuyển động ngang đưa bao bì vào vị trí và dùng xilanh thủy lực công suất lớn dập lưỡi ép hình quai xách theo phương thẳng đứng.

3. Nhóm tác giả giải quyết hạn chế của phần mềm Factory IO khi mô phỏng đo chiều dài bao bì như thế nào?
Do Factory IO không hỗ trợ mô phỏng cuộn màng nhựa dẻo và cảm biến đo khoảng cách laser, nhóm tác giả đã thay thế bằng cơ cấu bàn cân băng tải (Conveyor scale weight), sử dụng tín hiệu tương tự (Analog) từ cảm biến cân để đại diện cho chiều dài bao bì trong thuật toán điều khiển.

4. Giao diện HMI thiết kế trên TIA Portal gồm những màn hình nào và có những chức năng chính gì?
Giao diện HMI gồm 4 màn hình: Screen Main (đăng nhập, chuyển trang), Screen Auto (giám sát tự động, đếm sản phẩm, báo lỗi), Screen Manual (điều khiển chạy tay từng xilanh, động cơ để thử nghiệm/bảo trì) và Screen Setting (cài đặt kích thước, số lượng, phân quyền tài khoản User/Admin và thông số alarm).

5. Giáo viên phản biện đánh giá ưu điểm, khuyết điểm và kết quả của đồ án ra sao?
Giáo viên phản biện đánh giá đồ án có ưu điểm là giải pháp đưa ra có tính mới và phương pháp nghiên cứu phù hợp; khuyết điểm là tính ứng dụng ở mức trung bình và sao chép tài liệu không ghi trích dẫn đầy đủ; đồ án được đánh giá xếp loại Khá với điểm số 6.5 và được đồng ý cho bảo vệ với yêu cầu chỉnh sửa nhiều.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu tự động hóa dây chuyền sản xuất bao bì" đã xây dựng hoàn chỉnh phương án thiết kế phần cứng, mạch động lực và mạch điều khiển trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 CPU 1215C nhằm thay thế mạch rơ-le truyền thống trên máy ép nhiệt - cắt bao bì nhựa. Nhóm tác giả đã triển khai thành công mô hình mô phỏng 3D trên phần mềm Factory IO, thiết kế hệ thống giám sát HMI 4 màn hình trên TIA Portal và kiểm chứng chu trình vận hành qua mạng truyền thông PROFINET. Kết quả nghiên cứu đạt mức điểm 6.5 (loại Khá), cung cấp tài liệu tham khảo giá trị về kỹ thuật mô phỏng - điều khiển tự động hóa, đồng thời mở ra định hướng triển khai thực nghiệm trên dây chuyền công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Trong những năm gần đây các nước có nền công nghiệp phát triển tiến hành rộng rãi tự động hóa trong sản xuất. Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học công nghệ khác, ngành công nghiệp sản xuất của thế giới những năm cuối thế kỷ 20 đã có nhiều thay đổi sâu sắc. Sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt (Agile Engineering), hệ thống điều hành sản xuất qua màn hình (Visual Manufacturing Systems), kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) và công nghệ Nano. Chính sự thay đổi nhanh chóng trong sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện hàng loạt các thiết bị và hệ thống tự động hóa hoàn toàn mới như các loại máy điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ thống điều khiển theo chương trình logic PLC (Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Integrated Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít nhất, rút ngắn chu kỳ chế tạo sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh của sản xuất hiện đại [1].

Hiện nay, việc cho sinh viên được tiếp xúc và nghiên cứu các dây chuyền sản xuất tự động hóa thực tế của các nhà máy là vô cùng cần thiết nhằm giúp cho sinh viên có cái nhìn cụ thể hơn về những kiến thức mình được học trên trường được áp dụng như thế nào trong thực tế. Điều này giúp cho sinh viên không còn bỡ ngỡ sau khi ra trường và dễ dàng hòa nhập được với công việc mới của mình. Để giải quyết được vấn đề trên cần phải có các dự án, dây chuyền sản xuất tự động… của các tổ chức, công ty kỹ thuật cho phép sinh viên được có cơ hội tiếp xúc và nghiên cứu nhiều hơn nữa nhằm mục đích đem lại cái nhìn rõ ràng hơn, cụ thể hơn trong mỗi quy trình sản xuất. Trong công nghiệp hiện nay có rất nhiều dây chuyền sản xuất tự động như:  Dây chuyền sản xuất nước đóng chai: Thường có các công đoạn là xử lý nước tráng rửa chai, chiết rót và đóng nắp chai thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất nước đóng chai như Lavie, Aquafina, Vĩnh Hảo.

1 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM do an  Dây chuyền sản xuất ống nhựa: Thường có các công đoạn như là trộn phụ gia, hút chân không, sấy và cắt. xuất hiện trong hầu hết các nhà máy sản xuất ống nhựa như Bình Minh, Tiền Phong.  Hệ thống sản xuất bao bì: Thường có các công đoạn là thổi, ép nhiệt và cắt được sử dụng trong các nhà máy sản xuất bao bì. Thị trường cung cấp hệ thống sản xuất bao bì cũng rất đa dạng với những ông lớn như Hemingstone hay là Chaowei.

 Hệ thống sản xuất phân bón: Thường có các công đoạn là nghiền sàng nguyên liệu, định lượng khối lượng trộn, vò viên, sấy và sàng phân loại. xuất hiện trong các nhà máy sản xuất phân bón như Đạm Phú Mỹ, Lâm Thao. Tùy vào mục đích sản xuất và yêu cầu cộng với tài chính mà các nhà máy lựa chọn loại máy móc phù hợp để áp dụng vào các hệ thống tự động.