Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành sản xuất thực phẩm và đồ uống, nhu cầu sử dụng các sản phẩm đóng chai như nước tinh khiết, nước khoáng, sữa tươi, sữa chua và đồ uống không ga ngày càng tăng cao nhằm đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh, an toàn và tính tiện lợi. Quy trình sản xuất công nghiệp đòi hỏi các khâu từ xúc rửa, chiết rót, đóng nắp đến đóng thùng phải đạt năng suất cao, giảm thiểu tổn thất và hạn chế tối đa sự can thiệp thủ công của con người.

Tuy nhiên, tại nhiều doanh nghiệp sản xuất quy mô vừa và nhỏ, việc tự động hóa đồng bộ chưa được áp dụng triệt để. Một số công đoạn như chiết rót định lượng, cấp và siết nắp chai hoặc đóng gói bao bì vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công, dẫn đến năng suất lao động thấp, thời gian chu kỳ kéo dài và độ đồng đều của sản phẩm chưa cao. Xuất phát từ thực tiễn sản xuất đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển quy trình chiết rót và đóng nắp chai tự động" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình điều khiển tự động hóa ứng dụng bộ điều khiển lập trình (PLC) kết hợp với giao diện giám sát trên máy tính.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan quy trình công nghệ chiết rót, đóng nắp chai PET và các công nghệ phụ trợ trên dây chuyền tự động (kiểm tra khuyết tật, phân loại, cảm biến vị trí, đóng thùng).
  2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, tập lệnh của dòng PLC Mitsubishi FX3U và các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp (RS232, RS485, giao thức Modbus RTU).
  3. Thiết kế, lựa chọn thiết bị và lắp ráp mô hình phần cứng cho hệ thống chiết rót, đóng nắp chai tự động.
  4. Lập trình điều khiển tuần tự cho hệ thống trên phần mềm GX Works2; lập trình truyền thông RS485/Modbus RTU để thu thập và truyền dữ liệu.
  5. Xây dựng phần mềm giao diện người máy (HMI/SCADA) trên nền tảng Microsoft Visual Studio (ngôn ngữ C#) để điều khiển, giám sát trạng thái ngõ vào/ra, vẽ đồ thị sản lượng và lưu trữ dữ liệu vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là quy trình công nghệ chiết rót chất lỏng định lượng theo thời gian và cơ cấu siết nắp chai tự động sử dụng chai nhựa PET (dung tích áp dụng trong phạm vi thiết kế từ 250ml đến 2250ml). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mô hình thực nghiệm tỷ lệ thu nhỏ, sử dụng bộ điều khiển PLC FX3U-14MT, mạng truyền thông nối tiếp RS485 và phần mềm giám sát C# trong môi trường phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết kỹ thuật điều khiển tự động, lý thuyết truyền thông công nghiệp và các tiêu chuẩn ngành:

  • Tiêu chuẩn kỹ thuật ngành: Tiêu chuẩn chất lượng nước uống tinh khiết TCVN 6096:2004; tiêu chuẩn an toàn điện CE; tiêu chuẩn vật liệu tiếp xúc thực phẩm/lọc nước NSF; tiêu chuẩn thép không gỉ cơ khí SS304/SS316; tiêu chuẩn cáp truyền thông công nghiệp 22AWG/24AWG.
  • Khung lý thuyết điều khiển tự động: Kiến trúc hệ thống điều khiển số khả trình PLC; mô hình chu kỳ quét (Scan Cycle) từ 1ms đến 25ms; thuật toán điều khiển tuần tự bằng sơ đồ tiếp điểm (Ladder Diagram); phương pháp đọc/ghi tín hiệu tương tự (Analog RD3A/WR3A).
  • Lý thuyết mạng truyền thông công nghiệp: Mô hình phân cấp mạng công nghiệp theo chuẩn OSI/ISO; chuẩn truyền thông nối tiếp điểm - điểm RS232 (chuẩn EIA/TIA-232-E); chuẩn truyền dẫn vi sai đa điểm RS485 (hỗ trợ tối đa 32 cặp thu phát, trở kháng phối hợp $120,\Omega$); giao thức truyền thông công nghiệp Modbus (Modbus RTU, Modbus TCP, Modbus ASCII) theo cấu trúc Master - Slave với cơ chế kiểm tra lỗi CRC-16.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát các công nghệ chiết rót hiện hành (rót áp suất thường, rót chân không, rót đẳng áp), các phương pháp định lượng (bình định mức, mức cố định, theo thời gian) và nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến quang điện.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ mạch điện cấp nguồn 24VDC, sơ đồ đấu nối ngõ vào (Input Sink/NPN), ngõ ra (Output Relay/Transistor) và kết nối truyền thông phần cứng RS485 giữa PLC và máy tính qua cổng chuyển đổi USB-RS485 CH340.
  • Phương pháp thực nghiệm và lập trình mô phỏng: Viết chương trình điều khiển logic trên GX Works2; lập trình giao diện giám sát C# WinForms trên Visual Studio; thực nghiệm vận hành kiểm tra độ trễ đáp ứng của cảm biến vật cản hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4, rơ-le Omron MY2N-J, bơm định lượng 12VDC và xi lanh khí nén Airtac TN10x30-S.

Dữ liệu nghiên cứu được trích xuất từ tài liệu kỹ thuật (Datasheet, User Manual) của hãng Mitsubishi Electric, Omron, Airtac, Pressco Technology Inc., kết hợp với dữ liệu đo đạc thực tế trong quá trình truyền nhận gói tin Modbus RTU và chu kỳ đóng ngắt của các cơ cấu chấp hành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tầng gồm hai cấp chính: cấp điều khiển hiện trường (PLC FX3U kết hợp cơ cấu chấp hành, cảm biến) và cấp giám sát vận hành (Phần mềm C# trên máy tính cá nhân).

Hạng mục thiết bị / Thông số Quy cách / Mã hiệu Đặc tính kỹ thuật chính
Bộ điều khiển trung tâm (PLC) FX3U-14MT-6AD-2DA Nguồn cấp 24VDC; 8 ngõ vào NPN; 6 ngõ ra Relay/Transistor (phát xung Y0, Y1 tần số 40kHz); 6 ngõ vào Analog (3 cổng 0-10V, 3 cổng 0-20mA); 2 ngõ ra Analog (0-10V); bộ nhớ chương trình, tốc độ xử lý 0.065µs/lệnh logic đơn.
Module chuyển đổi truyền thông USB to RS485 CH340 Chuẩn USB 2.0; tốc độ baud từ 75bps đến 115200bps; khoảng cách truyền thông tối đa 1200m; cấp nguồn trực tiếp qua USB.
Cảm biến phát hiện vật thể OMDHON E3F-DS30C4 Cảm biến quang hồng ngoại khuếch tán; khoảng cách phát hiện vật cản 10 - 30cm; ngõ ra NPN thường mở (NO).
Cơ cấu định lượng chất lỏng Water Pump 385 Động cơ bơm màng mini 12VDC; lưu lượng định mức dùng để cấp chất lỏng vào chai.
Cơ cấu kẹp / ép nắp chai Airtac TN10x30-S & Van điện từ Xi lanh khí nén 2 ty dẫn hướng hành trình 30mm, đường kính nòng 10mm; điều khiển bằng van đảo chiều khí nén Airtac 24VDC.
Cơ cấu đóng ngắt trung gian Omron MY2N-J 24VDC Rơ-le trung gian 8 chân, 2 cặp tiếp điểm đóng ngắt dòng định mức 5A, có đèn LED hiển thị trạng thái.
Nguồn cấp hệ thống Nguồn tổ ong xung Biến đổi điện áp lưới 220VAC thành nguồn 24VDC/12VDC cung cấp cho PLC và cảm biến.

Hệ thống truyền thông sử dụng chuẩn đường truyền vật lý RS485 vi sai 2 dây ($A$ và $B$). Giao thức Modbus RTU được thiết lập với cổng COM ảo tốc độ 38400bps, 7-8 Data bits, 1 Stop bit, Parity None/Even. Các hàm chức năng (Function Code) chính được triển khai gồm:

  • FC01 (Read Coils): Đọc trạng thái các bit ngõ ra $Y0 - Y5$ để hiển thị đèn báo trạng thái trên giao diện máy tính.
  • FC02 (Read Discrete Inputs): Đọc trạng thái các ngõ vào cảm biến $X0 - X7$.
  • FC03 / FC04 (Read Holding/Input Registers): Đọc giá trị thanh ghi dữ liệu đếm sản phẩm (Counter) và giá trị đo analog.
  • FC05 / FC15 (Write Single/Multiple Coils): Ghi lệnh điều khiển Bật/Tắt các thiết bị (băng tải, bơm, động cơ xoáy nắp) từ giao diện C# xuống PLC.

Quy trình vận hành tự động diễn ra theo chu kỳ khép kín:

  1. Nhấn nút ON (trên nút ấn vật lý hoặc giao diện C#), PLC kích hoạt rơ-le trung gian 1 đóng điện cho động cơ băng tải hoạt động đưa chai rỗng vào dây chuyền.
  2. Khi chai di chuyển đến vị trí chiết rót, cảm biến quang 1 phát hiện chai gửi tín hiệu về ngõ vào PLC $\rightarrow$ PLC ngắt rơ-le 1 dừng băng tải, đồng thời kích hoạt rơ-le 2 cấp điện cho bơm màng chiết rót chất lỏng.
  3. Bộ định thời (Timer) trong PLC đếm đủ 5 giây (thời gian chiết đủ dung tích định mức) $\rightarrow$ ngắt rơ-le 2 tắt bơm, tái kích hoạt rơ-le 1 để băng tải đưa chai đã đầy nước sang vị trí đóng nắp.
  4. Khi chai đến vị trí đóng nắp, cảm biến quang 2 nhận diện chai $\rightarrow$ PLC ngắt rơ-le 1 dừng băng tải, kích hoạt rơ-le 3 cấp điện cho van điện từ hạ xi lanh và động cơ xoáy nắp hoạt động trong thời gian 1 giây; đồng thời bộ đếm (Counter) tăng lên 1 đơn vị.
  5. Sau 1 giây, ngắt rơ-le 3, cấp điện lại cho rơ-le 1 để chuyển chai thành phẩm ra ngoài. Khi bộ đếm đạt đủ số lượng cài đặt cho một thùng hàng (preset value), băng tải dừng hoàn toàn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống chiết rót và đóng nắp sản phẩm

Chương này khảo sát chi tiết về các công nghệ được áp dụng trên các dây chuyền đóng chai công nghiệp hiện đại:

  • Phạm vi áp dụng và yêu cầu thiết kế: Áp dụng cho các nhà máy nước tinh khiết, nước khoáng, sữa chua, bia rượu với chai PET từ 250ml đến 2250ml. Yêu cầu nguồn nước đạt TCVN 6096:2004, áp suất hệ thống không quá $10\text{ kg/cm}^2$, điện áp 1 pha 220V hoặc 3 pha 380V, dòng tải $\ge 5\text{A}$, có rơ-le ELCB chống giật, khung sườn thép không gỉ SS304/SS316 và đường ống PVC/Inox đạt chuẩn NSF.
  • Chức năng và cấu trúc máy 3 trong 1 (Rinse - Fill - Cap): Tích hợp khép kín 3 công đoạn xúc rửa, chiết rót và siết nắp trên một thân máy đồng bộ với 2 chế độ vận hành Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual).
  • Công nghệ kiểm tra khuyết tật chai: Giới thiệu hệ thống kiểm tra quang học Intellispec CP500 của hãng Pressco Technology Inc, trang bị 2 camera tốc độ cao hàng nghìn chai/phút có nguồn dự phòng UPS để tự động loại bỏ (Reject) các chai bị móp méo, thủng hoặc dính bẩn.
  • Công nghệ chiết rót và định lượng: Phân tích 3 phương pháp định lượng (bằng bình định mức, bằng chiết tới mức cố định có ống thông hơi bù trừ thể tích, và bằng thời gian dòng chảy); phân loại 3 phương pháp chiết rót chất lỏng (rót áp suất thường cho chất lỏng ít nhớt, rót chân không bù trừ thể tích, và rót đẳng áp nạp $CO_2$ dành riêng cho đồ uống có gas).
  • Cơ cấu đóng nắp, cảm biến và đóng thùng: Phân tích cơ chế cấp phôi nắp, dập nắp và siết nắp; nguyên lý làm việc của 3 loại cảm biến quang điện (Through-beam, Retro-reflective, Diffuse reflection) và ứng dụng cảm biến phân cực nhận diện chai PET trong suốt; khảo sát 2 phương pháp đóng thùng (bằng cánh tay Robot gắp 20 chai/lần hoặc phương pháp thả rơi "Drop").

Chương 2: Giới thiệu về PLC FX3U, mạng truyền thông công nghiệp và phần mềm hệ thống

Chương 2 trình bày toàn diện về cơ sở phần cứng điều khiển và nền tảng truyền thông:

  • Cấu tạo và hoạt động của PLC FX3U: Giới thiệu dòng PLC cỡ nhỏ của Mitsubishi Electric với thời gian xử lý lệnh logic 0.065µs, tập 209 lệnh tích hợp, khả năng mở rộng tối đa 384 I/O. Phân tích chi tiết các khối chức năng của bo mạch FX3U-14MT-6AD-2DA bao gồm: 8 ngõ vào số NPN, 6 ngõ ra Relay/Transistor (ngõ ra phát xung Y0, Y1 tần số 40kHz, dòng chịu tải tiếp điểm relay 5A), 6 kênh ngõ vào analog ($0-10\text{V}$, $0-20\text{mA}$ qua lệnh RD3A), 2 kênh ngõ ra analog ($0-10\text{V}$ qua lệnh WR3A), hệ thống rơ-le phụ đặc biệt tạo xung đồng hồ (M8011: 10ms, M8012: 100ms, M8013: 1s, M8014: 1 phút) và các dải Timer, Counter có chốt lưu giữ trạng thái.
  • Mạng truyền thông công nghiệp: Phân tích mô hình phân cấp mạng tự động hóa; đặc tính kỹ thuật chuẩn nối tiếp RS232 với mức điện áp $\pm 12\text{V}$ (logic 1 từ -3V đến -12V, logic 0 từ +3V đến +12V), khoảng cách giới hạn 15m và sơ đồ chân giắc nối DB9.
  • Chuẩn truyền thông RS485 và Giao thức Modbus: Phân tích nguyên lý truyền dẫn tín hiệu vi sai trên 2 dây cân bằng $A$ và $B$ nhằm triệt tiêu nhiễu đồng pha, cho phép truyền xa tới 1219m (tốc độ 100kbps) hoặc 12m (tốc độ 10Mbps) với tối đa 32 nút mạng. So sánh 3 biến thể Modbus (Modbus RTU mã hóa nhị phân tốc độ cao, Modbus TCP đóng gói qua giao thức mạng TCP/IP, Modbus ASCII mã hóa ký tự 4-bit). Cấu trúc khung truyền Modbus RTU chuẩn gồm 1 byte địa chỉ Slave ($1-247$), 1 byte mã hàm, $n$ byte dữ liệu và 2 byte kiểm tra lỗi CRC-16.
  • Phần mềm công cụ: Giới thiệu tính năng lập trình, nạp/đọc dữ liệu trực tuyến (Online change) và chẩn đoán lỗi phần cứng của phần mềm GX Works2; giới thiệu môi trường phát triển ứng dụng giám sát Visual Studio.

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển quy trình chiết rót và đóng nắp sản phẩm tự động

Chương này tập trung xây dựng giải pháp kỹ thuật cho bài toán thực tế:

  • Đặt bài toán: Xác định yêu cầu nâng cao năng suất và độ tin cậy cho khâu chiết rót - đóng nắp tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ bằng giải pháp điều khiển tự động hóa giá thành hợp lý.
  • Xây dựng quy trình công nghệ: Thiết lập lưu đồ và sơ đồ khối điều khiển liên động giữa động cơ kéo băng tải, cơ cấu bơm định lượng chất lỏng, cụm xi lanh - van điện từ dập nắp và động cơ xoáy nắp chai.
  • Yêu cầu điều khiển và giải thuật vận hành: Định nghĩa chi tiết các thông số thời gian tác động (bơm chiết rót duy trì 5 giây, xoáy nắp duy trì 1 giây), cơ chế nhận tín hiệu kích hoạt từ hai cảm biến quang, cơ chế đếm tích lũy sản phẩm để tự động dừng máy khi hoàn tất đóng một thùng hàng; thiết lập quy trình nạp chương trình điều khiển xuống CPU của PLC.

Chương 4: Tổng quan các thiết bị và mô hình phần cứng

Chương 4 hoàn thiện việc triển khai phần cứng mô hình và phần mềm máy tính:

  • Lắp ráp phần cứng mô hình: Bố trí nguồn tổ ong cấp điện, đấu nối các tiếp điểm rơ-le trung gian Omron MY2N-J 24VDC, lắp đặt xi lanh khí nén 2 ty Airtac TN10x30-S, động cơ bơm màng 12VDC Water Pump 385 và cố định hai cảm biến hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4 tại vị trí làm việc trên băng tải.
  • Lập trình giao diện điều khiển SCADA trên C#: Xây dựng Project trên Visual Studio; tích hợp thư viện giao tiếp Modbus RTU; lập trình các nút nhấn ảo (Start, Stop, Manual Controls); hiển thị trạng thái ngõ ra (Output status); thiết kế biểu đồ (Chart) trực quan hóa sản lượng sản phẩm theo thời gian thực và cấu hình lưu trữ dữ liệu vào SQL Server.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình hệ thống tự động hóa với các kết quả cụ thể:

  • Về mặt kỹ thuật và thông số vận hành:
    • Mô hình vận hành đồng bộ, thực hiện chính xác quy trình chiết rót (thời gian bơm được định thời 5 giây) và đóng siết nắp chai (thời gian ép xoáy nắp 1 giây) nhờ thuật toán logic trên PLC FX3U.
    • Thiết lập thành công kênh truyền thông nối tiếp RS485 giữa PLC FX3U và máy tính thông qua module CH340 với tốc độ truyền 38400bps, chu kỳ quét tín hiệu ổn định.
    • Tích hợp thành công giao diện giám sát C# WinForms: cho phép gửi lệnh điều khiển xuống các bit nhớ PLC, giám sát thời gian thực trạng thái 6 ngõ ra $Y0 - Y5$, đọc dữ liệu bộ đếm sản phẩm và biểu diễn trực quan trên đồ thị.
  • Giải pháp đề xuất:
    • Đề xuất mô hình tự động hóa phân tán chi phí thấp kết hợp giữa bo mạch điều khiển công nghiệp PLC FX3U và phần mềm máy tính C#, phù hợp với điều kiện đầu tư của các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ.
    • Ứng dụng giải pháp truyền thông RS485 2 dây vi sai giúp giảm thiểu tối đa số lượng dây dẫn tín hiệu kéo dài từ hiện trường về phòng điều khiển trung tâm, nâng cao khả năng chống nhiễu công nghiệp so với việc sử dụng tín hiệu tương tự analog truyền thống.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Cung cấp tài liệu thiết kế hoàn chỉnh từ sơ đồ đấu nối mạch điện, phương pháp định địa chỉ thanh ghi Modbus RTU đến mã nguồn giao tiếp C# kết nối PLC.
    • Xây dựng một mô hình thực nghiệm trực quan phục vụ công tác giảng dạy, thực hành môn học Điều khiển logic và Mạng truyền thông công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong đồ án, một số điểm hạn chế và hướng mở rộng được xác định như sau:

  • Hạn chế:
    • Phương pháp định lượng chất lỏng trong mô hình được thực hiện dựa trên nguyên lý định thời gian chạy của bơm (5 giây), độ chính xác thể tích thực tế có thể bị dao động nhẹ nếu áp suất bồn chứa hoặc điện áp nguồn bơm thay đổi.
    • Cơ cấu cấp nắp trên mô hình thực nghiệm còn ở dạng bán tự động hoặc phôi nắp đặt trước, chưa tích hợp phễu rung cấp phôi và cơ cấu định hướng nắp tự động công nghiệp.
    • Chưa tích hợp hệ thống xử lý ảnh công nghiệp (Vision Sensor) để tự động kiểm tra, phát hiện và phân loại khuyết tật chai (móp méo, dính bẩn) như hệ thống Intellispec CP500 trong công nghiệp thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nghiên cứu tích hợp cảm biến đo lưu lượng (Flow meter) hoặc cảm biến lực (Loadcell) để chuyển đổi sang phương pháp định lượng theo khối lượng hoặc thể tích chính xác cao.
    • Thiết kế bổ sung phễu cấp nắp tự động xoay rung và cơ cấu cánh tay robot phân loại/gắp chai vào thùng carton.
    • Nâng cấp phần mềm giám sát SCADA hỗ trợ giao thức Modbus TCP qua Ethernet và kết nối cơ sở dữ liệu đám mây để quản trị sản xuất từ xa qua Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp xây dựng đồ án tốt nghiệp, cách lập trình tuần tự trên phần mềm GX Works2 cho PLC dòng FX (FX3U, FX3G), cũng như phương pháp thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển cho các thiết bị công nghiệp 24VDC/220VAC.
  • Kỹ sư và người làm đề tài tự động hóa quy trình sản xuất: Phần khảo sát mạng truyền thông RS485, cấu trúc khung truyền Modbus RTU, quy tắc ánh xạ địa chỉ thanh ghi và mã nguồn lập trình giao diện giám sát C# WinForms trên Visual Studio là tài liệu thực hành có giá trị áp dụng trực tiếp cho các bài toán kết nối PLC với máy tính công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC FX3U sử dụng trong đồ án có các thông số kỹ thuật phần cứng và dung lượng I/O như thế nào?
Trả lời: Đồ án sử dụng bo mạch PLC FX3U-14MT-6AD-2DA. Thông số gồm: nguồn cấp 24VDC, 8 ngõ vào số dạng NPN, 6 ngõ ra Transistor/Relay (hỗ trợ phát xung tốc độ cao tại ngõ $Y0, Y1$ ở tần số 40kHz; ngõ ra relay chịu dòng định mức 5A), 6 ngõ vào analog (gồm 3 cổng $0-10\text{V}$ và 3 cổng $0-20\text{mA}$ đọc qua lệnh RD3A), 2 ngõ ra analog ($0-10\text{V}$ viết qua lệnh WR3A), 1 cổng lập trình RS232 (chuẩn DB9) và 1 cổng truyền thông RS485 thiết lập qua thanh ghi $D8120$.

2. Chu kỳ thời gian và thứ tự tác động của các cơ cấu chấp hành trong quy trình chiết rót và đóng nắp được thiết lập ra sao?
Trả lời: Khi nhấn nút ON, rơ-le 1 đóng điện cho băng tải chạy. Khi chai đến cảm biến 1, băng tải dừng và rơ-le 2 kích hoạt bơm chiết rót hoạt động trong đúng 5 giây. Sau 5 giây, bơm ngắt và băng tải chạy tiếp đến khi gặp cảm biến 2. Tại đây, băng tải dừng lại, rơ-le 3 đóng điện cho van điện từ hạ xi lanh và động cơ xoáy nắp hoạt động trong 1 giây, đồng thời bộ đếm Counter tăng thêm 1. Hết 1 giây, cơ cấu siết nắp dừng và băng tải tiếp tục chạy đưa chai ra ngoài.

3. Giao thức Modbus RTU được thiết lập qua giao diện phần cứng nào và nguyên tắc định địa chỉ thanh ghi trong đề tài là gì?
Trả lời: Giao thức Modbus RTU truyền trên đường truyền vi sai RS485 qua module chuyển đổi USB-RS485 CH340 nối với máy tính, tốc độ baud 38400bps. Khung truyền tuân thủ chuẩn 1 byte địa chỉ Slave ($1-247$), 1 byte mã hàm (FC01: đọc Coil, FC02: đọc Discrete Input, FC03: đọc Holding Register, FC04: đọc Input Register, FC05: ghi 1 Coil, FC15: ghi nhiều Coil), $n$ byte dữ liệu và 2 byte kiểm tra CRC-16. Địa chỉ thanh ghi trong khung truyền được tính lùi một giá trị (Offset) so với địa chỉ trên bảng tra cứu (ví dụ thanh ghi 30069 sẽ được chỉ định bằng giá trị 68 trong thông điệp gửi đi).

4. Dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai trong đồ án phải tuân thủ những yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật nào?
Trả lời: Dây chuyền được thiết kế áp dụng cho chai PET từ 250ml đến 2250ml; chất lượng nước tinh khiết phải đạt chuẩn TCVN 6096:2004; áp suất làm việc của hệ thống ống nước trung bình không vượt quá $10\text{ kg/cm}^2$; nguồn cấp điện 1 pha 220V/50Hz hoặc 3 pha 380V/50Hz (dòng tải không nhỏ hơn 5A); hệ thống có rơ-le ELCB chống giật và thiết bị đạt chuẩn an toàn CE; khung sườn máy bằng thép không gỉ SS304 hoặc SS316; thiết bị lọc nước đạt chuẩn NSF.

5. Giao diện giám sát trên máy tính được xây dựng bằng công cụ nào và có các tính năng gì?
Trả lời: Giao diện được lập trình bằng ngôn ngữ C# WinForms trên nền tảng Microsoft Visual Studio. Phần mềm có các chức năng: thiết lập kết nối cổng COM ảo với PLC, gửi lệnh điều khiển Bật/Tắt hệ thống và cơ cấu chấp hành thông qua các nút bấm (Button), đọc và hiển thị trực quan trạng thái ngõ ra PLC ($Y0-Y5$), vẽ đồ thị biểu diễn sản lượng chai theo thời gian thực và lưu trữ dữ liệu sản xuất vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Anh Nam đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống điều khiển quy trình chiết rót và đóng nắp chai tự động ứng dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn từ khâu thiết kế mạch động lực, lựa chọn cơ cấu chấp hành khí nén - điện 24VDC đến việc lập trình điều khiển logic tuần tự theo thời gian và số lượng sản phẩm. Điểm nhấn kỹ thuật của đồ án là việc tích hợp thành công mạng truyền thông công nghiệp RS485 chuẩn Modbus RTU, cho phép liên kết điều khiển và giám sát trực quan toàn bộ hệ thống thông qua giao diện phần mềm C# kết nối cơ sở dữ liệu SQL Server. Công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật hữu ích cho việc triển khai tự động hóa tại các dây chuyền sản xuất đóng chai quy mô vừa và nhỏ.