Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền sản xuất hiện đại, quá trình tự động hóa đóng vai trò cốt lõi trong việc nâng cao năng suất, chuẩn hóa chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công. Tại các ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa chất và đặc biệt là nước giải khát, các công đoạn chiết rót chất lỏng, đóng nắp chai và đóng thùng carton là những khâu có tính chất lặp đi lặp lại liên tục, đòi hỏi độ chính xác cao về định lượng thể tích cũng như độ kín khít cơ học. Việc sử dụng lao động thủ công trong các khâu này bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, khó kiểm soát đồng đều chất lượng và gây áp lực lớn về chi phí nhân công. Mặc dù các dây chuyền tự động hóa hoàn chỉnh nhập khẩu từ nước ngoài sở hữu công nghệ cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu quá lớn, vượt quá khả năng tài chính của phần lớn doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của hai sinh viên Bùi Văn Mai và Phan Lê Tiến Sĩ (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Thanh Phong) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống tự động hóa mô hình dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm có chi phí hợp lý, vận hành ổn định và dễ dàng quản lý, giám sát.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là thiết kế, chế tạo và vận hành mô hình hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai dạng thẳng và đóng thùng sản phẩm tự động, ứng dụng kỹ thuật điều khiển phân tán với 3 bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 kết hợp giao diện giám sát trên phần mềm WinCC. Theo nhiệm vụ đồ án được giao, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Khảo sát toàn bộ dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm trong thực tế sản xuất.
  2. Đưa ra các chức năng chính của hệ thống cần thiết kế.
  3. Xây dựng mô hình vật lý và cấu trúc phần cứng của hệ thống.
  4. Xây dựng quy trình công nghệ chi tiết, lập bảng phân công đầu vào – đầu ra (I/O) cho từng PLC.
  5. Thiết kế và lập trình điều khiển các khâu chấp hành nhỏ bằng PLC S7-1200.
  6. Thiết kế bộ điều khiển trung tâm để điều phối toàn bộ dây chuyền.
  7. Xây dựng giao diện thu thập dữ liệu và giám sát hệ thống trên phần mềm WinCC.
  8. Hoàn thiện báo cáo thuyết minh đề tài và nghiệm thu sản phẩm dự kiến (giao diện WinCC và mô hình hệ thống hoạt động hoàn chỉnh).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp chai nhựa và đóng thùng carton tự động; đối tượng kỹ thuật là bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 của hãng Siemens, phần mềm TIA Portal V15, gói phần mềm giám sát WinCC cùng các thiết bị ngoại vi như cảm biến phát hiện vật cản, van điện từ và cơ cấu xylanh khí nén.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở việc khảo sát quy trình đóng chai công nghiệp thực tế, từ đó tinh gọn và thiết kế mô hình thực nghiệm mô phỏng quy mô nhỏ tại phòng thí nghiệm. Hệ thống tập trung vào dòng PLC S7-1200, truyền thông mạng Ethernet công nghiệp giữa 1 trạm Master và 2 trạm Slave, lập trình điều khiển định lượng chiết theo thời gian và giám sát trạng thái thông qua giao diện WinCC trên máy tính cá nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa, kiến trúc mạng công nghiệp và công nghệ gia công bao bì:

  • Khung lý thuyết điều khiển phân tán (Distributed Control System - DCS): Ứng dụng mô hình phân cấp điều khiển gồm cấp trường (cảm biến, cơ cấu chấp hành), cấp điều khiển cục bộ (các PLC Slave quản lý từng trạm quy trình), cấp điều phối trung tâm (PLC Master) và cấp giám sát vận hành (SCADA/HMI trên WinCC).
  • Lý thuyết điều khiển khả trình (PLC): Nguyên lý hoạt động dựa trên chu kỳ quét (Scan Cycle) bao gồm các pha: đọc tín hiệu ngõ vào, thực hiện chương trình điều khiển, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và cập nhật ngõ ra. Thời gian một vòng quét dao động từ 1 ms đến 100 ms tùy thuộc vào dung lượng chương trình và tốc độ CPU. Cấu trúc bộ nhớ của PLC Siemens S7-1200 gồm ba phân vùng chức năng:
    • Load memory: Bộ nhớ không khả biến (non-volatile) lưu trữ chương trình người dùng, cấu hình phần cứng và dữ liệu dự án nạp xuống từ máy tính.
    • Work memory: Bộ nhớ khả biến (volatile) hoạt động tương tự RAM máy tính, nơi CPU sao chép các khối chương trình đang thực thi; dữ liệu sẽ bị xóa khi mất nguồn.
    • Retentive memory: Bộ nhớ không khả biến lưu giữ các giá trị tham số được cài đặt thuộc tính lưu trữ trong suốt thời gian mất điện, phục hồi trạng thái khi cấp nguồn trở lại.
  • Truyền thông công nghiệp Ethernet/Profinet: Sử dụng chuẩn truyền thông Ethernet tích hợp sẵn cổng giao tiếp RJ45 trên CPU dòng S7-1200 để trao đổi dữ liệu tốc độ cao giữa các PLC và kết nối với máy tính vận hành theo giao thức mạng công nghiệp.
  • Công nghệ sản xuất nước đóng chai: Quy trình sản xuất bao gồm định hình chai nhựa PET (sấy hạt nhựa ở 180°C từ 3-4 giờ, ép phôi từ 12-16 phôi/chu kỳ, thổi chai trong khuôn khí nén), công đoạn xử lý tiệt trùng (tia cực tím UV bước sóng ngắn hoặc ion bạc), các phương pháp chiết rót (rót áp suất thường, rót chân không, rót đẳng áp), phương pháp đóng nắp (dập bằng xylanh hoặc vặn siết bằng motor) và đóng thùng carton.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Khảo sát các dây chuyền chiết rót công nghiệp thực tế; nghiên cứu tài liệu hướng dẫn kỹ thuật (manuals) của hãng Siemens về dòng PLC S7-1200, phần mềm TIA Portal V15 và WinCC Professional.
  • Phương pháp so sánh và lựa chọn giải pháp: So sánh giữa phương án điều khiển tập trung và phương án điều khiển phân tán để chọn lựa kiến trúc tối ưu cho hệ thống dây chuyền nhiều công đoạn.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Thiết kế cơ khí mô hình, lựa chọn cảm biến quang/hồng ngoại, van điện từ 24V, xylanh khí nén tác động kép, bộ điều tốc xung PWM cho động cơ DC băng tải và bố trí sơ đồ đấu nối dây mạch điện.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng thực nghiệm: Xây dựng giản đồ thời gian (Timing diagrams), sơ đồ thuật toán điều khiển cho từng PLC, viết mã chương trình bằng ngôn ngữ sơ đồ bậc thang (Ladder Logic - LAD) trên TIA Portal, thực hiện mô phỏng kiểm tra logic và kết nối với giao diện giám sát WinCC.

Nguồn dữ liệu chính phục vụ đồ án bao gồm tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị phần cứng của Siemens, tài liệu cấu hình truyền thông TIA Portal V15 và dữ liệu thu nhận trực tiếp từ quá trình đo kiểm thực nghiệm trên mô hình.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc điều khiển phân tán gồm ba khối điều khiển riêng biệt kết nối qua mạng truyền thông Ethernet công nghiệp:

  • Khối trung tâm (PLC Master): Đảm nhận vai trò thu thập tín hiệu lệnh từ các nút nhấn điều khiển hệ thống, điều phối đồng bộ hoạt động giữa các phân trạm, xử lý tín hiệu truyền thông hai chiều với các trạm Slave và đóng vai trò cầu nối dữ liệu với giao diện SCADA trên máy tính thông qua Switch mạng.
  • Khối khu vực 1 (PLC Slave 1): Chuyên trách điều khiển công đoạn chiết rót và đóng nắp chai. Khối này tiếp nhận lệnh khởi động từ Master, vận hành băng tải cấp chai, đọc tín hiệu từ cảm biến phát hiện chai để kích hoạt van điện từ chiết rót dung dịch theo thời gian định mức, sau đó điều khiển băng tải đưa chai tới vị trí cơ cấu cấp và đóng nắp bằng xylanh khí nén, cuối cùng đẩy chai sang khu vực kế tiếp.
  • Khối khu vực 2 (PLC Slave 2): Chuyên trách công đoạn hoàn thiện đóng thùng. Khối này điều khiển cơ cấu tay gắp/thả chai vào thùng carton theo số lượng đếm được từ cảm biến, điều khiển băng tải chuyển thùng đến vị trí gập nắp, kích hoạt cơ cấu dán keo và xylanh cắt băng keo tự động, sau đó phát tín hiệu báo hoàn thành về PLC Master.

Bảng tổng hợp phần cứng và thông số kỹ thuật được lựa chọn trong hệ thống:

Phân loại thiết bị Tên thiết bị / Model Thông số / Đặc điểm kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển khả trình Siemens Simatic S7-1200 (CPU 1214C) Tích hợp cổng Profinet (Ethernet), DI/DO 24VDC, hỗ trợ mở rộng module 01 PLC Master điều phối trung tâm; 02 PLC Slave điều khiển cục bộ
Thiết bị truyền thông Bộ chuyển đổi Switch mạng Chuẩn RJ45 Ethernet công nghiệp Kết nối trao đổi dữ liệu giữa 3 PLC và máy tính giám sát SCADA
Cơ cấu chấp hành khí nén Xylanh khí nén tác động kép Hành trình tịnh tiến hai chiều, áp suất khí nén công nghiệp Thực hiện thao tác dập nắp chai, gạt chai, gập nắp thùng và cắt băng keo
Van điều khiển Van điện từ khí nén & chất lỏng Điện áp điều khiển 24VDC Đóng mở dòng khí nén cấp cho xylanh và dòng chất lỏng chiết rót
Cảm biến phát hiện Cảm biến vật cản (quang/hồng ngoại) Ngõ ra số (Digital), nguồn cấp 24VDC Phát hiện chai tại vị trí chiết, vị trí đóng nắp và đếm số lượng chai vào thùng
Bộ biến đổi nguồn Nguồn tổ ong công nghiệp Điện áp vào 220VAC, ngõ ra 24VDC ổn định Cung cấp nguồn DC cho PLC, cảm biến, van điện từ và động cơ
Điều khiển động cơ Bộ giảm tốc / điều tốc DC PWM Điều chỉnh độ rộng xung PWM Điều khiển tốc độ quay của động cơ kéo các cụm băng chuyền

Về phần mềm và giao diện giám sát, đồ án sử dụng bộ phần mềm tích hợp TIA Portal V15 của Siemens. Chương trình điều khiển được tổ chức thành các khối hàm (Function Block - FB, Function - FC) và khối tổ chức (Organization Block - OB1) cho từng CPU. Giao diện giám sát WinCC được cấu hình liên kết các biến HMI Tags với bảng biến nội vi của PLC Master, cho phép người vận hành quan sát thời gian thực trạng thái bật/tắt của từng băng chuyền, vị trí tác động của xylanh, số lượng chai chiết rót thành công, số lượng thùng carton đã đóng gói và các trạng thái cảnh báo lỗi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Khảo sát về toàn bộ dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm

Chương này trình bày tổng quan về vai trò của tự động hóa trong ngành đồ uống đóng chai và khảo sát chi tiết quy trình công nghệ trong các nhà máy sản xuất. Dây chuyền công nghiệp tiêu chuẩn gồm 6 công đoạn:

  1. Định hình chai: Khảo sát quy trình tạo phôi nhựa PET thông qua việc sấy nóng hạt nhựa ở 180°C trong 3-4 giờ, ép định hình từ 12-16 phôi/chu kỳ và thổi chai bằng khí nén áp suất ổn định trong khuôn làm nguội.
  2. Xử lý vô trùng: Phân tích hai phương pháp khử trùng nước là dùng đèn chiếu tia cực tím (UV) bước sóng ngắn và sử dụng ion bạc.
  3. Khâu chiết rót: Khảo sát các nguyên lý định lượng (bằng bình định mức, định lượng tới mức cố định, định lượng theo thời gian) và phương pháp rót (rót áp suất thường cho chất lỏng ít nhớt, rót chân không, rót đẳng áp cho đồ uống có gas).
  4. Khâu đóng nắp: So sánh hai cơ cấu đóng nắp gồm đóng dập bằng xylanh khí nén và vặn xoay bằng motor điện.
  5. Dán nhãn và in date: Khảo sát công nghệ phóng nhãn màng co nhiệt (sleeve labelling) qua buồng gia nhiệt (shrink tunnel), máy dán nhãn decal tự động và máy in phun date (hạn sử dụng, mã vạch, QR code).
  6. Khâu đóng thùng và đóng gói xuất xưởng: Khảo sát máy đóng thùng carton tự động và bán tự động, máy đóng đai nhựa (tốc độ đóng từ 20-30 đai/phút, kích thước đai 9-15 mm) và máy quấn màng pallet.

Trên cơ sở khảo sát đó, tác giả lựa chọn phương án thiết kế mô hình tập trung vào 3 khâu cốt lõi: chiết rót, đóng nắp chai dạng thẳng và đóng thùng carton tự động.

Chương 2: Tổng quan về PLC và TIA Portal

Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển lập trình và công cụ phần mềm. Nội dung so sánh giữa hệ điều khiển bằng relay truyền thống và hệ điều khiển bằng PLC, làm rõ ưu điểm giảm tới 80% số lượng dây nối của PLC. Tác giả phân loại PLC theo hình dạng (hộp đơn và dạng module ghép nối) và theo số lượng kênh vào/ra (Micro PLC dưới 32 kênh, PLC nhỏ đến 256 kênh, PLC trung bình đến 1024 kênh và PLC lớn trên 1024 kênh).

Chương này đi sâu vào dòng sản phẩm Siemens Simatic S7-1200: phân tích đặc điểm các dòng CPU 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C; cấu trúc phần cứng (CPU, bộ nguồn 24VDC, giao tiếp vào/ra, các module mở rộng tín hiệu SM, bo mạch tín hiệu SB và module truyền thông CP); phân tích chi tiết dung lượng và chức năng của ba vùng nhớ Load memory, Work memory và Retentive memory.

Đồng thời, chương giới thiệu tổng thể bộ phần mềm TIA Portal V15 (tích hợp Step 7 Professional, PLCSIM, WinCC Professional), phân tích các ưu điểm về chia sẻ cơ sở dữ liệu chung và hạn chế về yêu cầu dung lượng cài đặt lớn; trình bày hướng dẫn chi tiết quy trình cài đặt phần mềm và phương thức truyền thông Ethernet công nghiệp sử dụng cổng Profinet tích hợp trên CPU S7-1200.

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống

Chương 3 trình bày giải pháp thiết kế cấu trúc hệ thống. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm giữa hai phương án:

  • Phương án thiết kế tập trung: Toàn bộ dây chuyền do 1 PLC duy nhất quản lý, dẫn đến chiều dài đường dây nối từ cảm biến và cơ cấu chấp hành về tủ điện rất lớn, khó bảo trì và khi xảy ra sự cố tại CPU thì toàn bộ hệ thống tê liệt.
  • Phương án thiết kế phân tán: Chia hệ thống thành khối trung tâm (Master) và các khối khu vực (Slave 1, Slave 2) kết nối thông qua Switch mạng Ethernet. Phương án này tối ưu hóa việc đi dây, tăng tính độc lập, giảm thiểu rủi ro lan truyền sự cố và dễ dàng mở rộng nâng cấp. Tác giả đã lựa chọn phương án phân tán cho đề tài.

Chương này giới thiệu chi tiết thông số và nguyên lý hoạt động của từng linh kiện phần cứng được sử dụng trong mô hình: van điện từ 24V cấp chất lỏng, cụm xylanh khí nén tác động kép, cảm biến vật cản quang/hồng ngoại, van khí nén điện từ 24V, Switch mạng chuyển mạch, bộ điều tốc động cơ DC PWM và nguồn tổ ong 24V. Phần cuối của chương cung cấp toàn bộ bản vẽ sơ đồ đấu nối dây mạch điện chi tiết cho PLC Master, PLC Slave 1, PLC Slave 2, mạch cấp nguồn tổ ong và sơ đồ khối các nút nhấn vận hành.

Chương 4: Xây dựng quy trình công nghệ, bảng phân công đầu vào – đầu ra cho từng PLC

Chương 4 thiết lập thuật toán và logic điều khiển toàn bộ dây chuyền. Tác giả mô tả chi tiết quy trình công nghệ tuần tự: chai rỗng được đưa lên băng tải -> cảm biến phát hiện chai tại vị trí vòi rót -> dừng băng tải và kích hoạt van điện từ chiết nước trong khoảng thời gian xác định -> chai tiếp tục chuyển đến vị trí cấp nắp và đóng nắp -> xylanh khí nén tác động dập/siết nắp -> chai đạt chuẩn di chuyển về cụm thu gom -> cảm biến đếm đủ số lượng chai quy định -> cơ cấu chấp hành gắp/thả chai vào thùng carton đặt sẵn trên băng tải thứ hai -> băng tải chuyển thùng đến trạm dán keo -> cơ cấu gập nắp, dán keo và xylanh cắt băng keo hoạt động để hoàn tất thùng thành phẩm.

Trên cơ sở quy trình công nghệ, tác giả lập các bảng phân công địa chỉ cổng vào/ra (I/O) chi tiết cho cả 3 CPU:

  • Bảng phân công đầu vào cho PLC Master.
  • Bảng phân công đầu vào và đầu ra cho PLC Slave 1 (quản lý trạm chiết rót và đóng nắp).
  • Bảng phân công đầu vào và đầu ra cho PLC Slave 2 (quản lý trạm đóng thùng, dán và cắt keo).

Nội dung chương trình bày các giản đồ thời gian (Timing diagrams) mô tả chu kỳ làm việc của từng ngõ ra theo thời gian của PLC Slave 1, Slave 2 và PLC Master. Từ đó, xây dựng hệ thống các lưu đồ thuật toán điều khiển chi tiết: lưu đồ thuật toán toàn hệ thống, lưu đồ thuật toán trạm chiết rót, trạm đóng nắp, khâu đẩy chai của Slave 1; lưu đồ thuật toán khâu thả chai vào thùng, khâu đóng nắp thùng và khâu cắt băng keo của Slave 2; lưu đồ thuật toán khối truyền nhận dữ liệu giữa Master và các Slave. Cuối chương là toàn bộ mã chương trình điều khiển chính viết bằng ngôn ngữ LAD cho cả 3 trạm PLC.

Chương 5: Thiết kế giao diện giám sát trên WinCC

Chương 5 hoàn thiện cấp điều khiển giám sát SCADA. Nội dung chương trình bày từng bước kết nối giữa phần mềm WinCC Professional và PLC Master thông qua giao thức Ethernet trên nền tảng TIA Portal:

  1. Thiết lập cấu hình mạng, đặt địa chỉ IP cho máy tính vận hành và các CPU PLC đảm bảo cùng lớp mạng.
  2. Tạo các khối dữ liệu truyền thông (Data Blocks - DB) và gán biến liên kết (HMI Tags) từ PLC Master vào bảng quản lý biến của WinCC.
  3. Thiết kế các đối tượng đồ họa trên màn hình giao diện (Graphics Designer) thể hiện trực quan mô hình dây chuyền: các cụm băng chuyền, biểu tượng vòi chiết rót kèm trạng thái đổi màu khi mở van, xylanh dập nắp, cơ cấu xếp thùng carton, các khối hiển thị số liệu đếm sản phẩm tức thời.
  4. Gán chức năng điều khiển cho các nút nhấn ảo trên màn hình như Start, Stop, Reset hệ thống và thiết lập các khung hiển thị cảnh báo lỗi kỹ thuật. Kết quả chương là giao diện giám sát vận hành hoàn chỉnh, đồng bộ theo thời gian thực với mô hình phần cứng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Xây dựng thành công mô hình phần cứng: Lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm dây chuyền chiết rót, đóng nắp dạng thẳng và đóng thùng sản phẩm tự động, tích hợp 3 bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C) hoạt động ổn định.
  • Hiện thực hóa giải pháp điều khiển phân tán: Thiết lập thành công mạng truyền thông Ethernet công nghiệp liên kết 3 trạm PLC thông qua Switch mạng; phân định rõ ràng nhiệm vụ điều phối của PLC Master và nhiệm vụ điều khiển cục bộ của hai trạm PLC Slave 1 và Slave 2.
  • Chuẩn hóa quy trình công nghệ và thuật toán: Xây dựng đầy đủ bảng gán địa chỉ ngõ vào/ra (I/O), hệ thống giản đồ thời gian phản ánh chính xác chu kỳ làm việc của cơ cấu chấp hành và lưu đồ thuật toán điều khiển chuyên biệt cho từng khâu công nghệ (chiết rót dung dịch theo thời gian, dập/vặn nắp, đẩy chai, gắp thả chai vào thùng, dán và cắt băng keo thùng carton).
  • Hoàn thiện hệ thống giám sát SCADA: Thiết kế giao diện WinCC trực quan, kết nối thời gian thực với PLC Master, hiển thị đầy đủ trạng thái thiết bị, đếm số lượng chai và thùng thành phẩm, hỗ trợ điều khiển vận hành từ xa qua máy tính.

Các giải pháp và kiến nghị được tác giả đề xuất:

  • Khuyến nghị ứng dụng mô hình điều khiển phân tán cho các dây chuyền tự động hóa nhiều phân trạm tại các doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ nhằm giảm bớt độ phức tạp của dây dẫn điện, nâng cao tính ổn định và tạo thuận lợi cho việc bảo trì, cô lập sự cố.
  • Kiến nghị các nghiên cứu tiếp theo phát triển bổ sung các module xử lý tín hiệu analog để đo lường thể tích chất lỏng dựa trên lưu lượng dòng chảy hoặc cảm biến mức liên tục, thay thế cho giải pháp định lượng đóng ngắt theo thời gian nhằm nâng cao độ chính xác của khâu chiết rót.

Về mặt đóng góp, đề tài đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển phân tán sử dụng PLC Siemens S7-1200 kết hợp WinCC vào bài toán tự động hóa dây chuyền sản xuất nhiều công đoạn. Đồ án xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm có tính đồng bộ cao từ khảo sát công nghệ, thiết kế mạch điện, lập trình logic đến tích hợp giao diện điều khiển SCADA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả chỉ ra trong đồ án:

  • Hệ thống mới dừng lại ở mức độ mô hình mô phỏng thực nghiệm trong phạm vi phòng thí nghiệm, kết cấu cơ khí và vật liệu chế tạo được tận dụng theo điều kiện sẵn có của sinh viên, chưa đủ độ bền cơ học và tiêu chuẩn công nghiệp để đưa ngay vào môi trường sản xuất thực tế tại nhà máy.
  • Khâu chiết rót sản phẩm được điều khiển theo phương pháp định lượng thời gian bằng việc đóng ngắt van điện từ, chưa tích hợp các cảm biến đo lường tương tự (analog) chuyên sâu để hiệu chỉnh lưu lượng khi áp suất bình chứa thay đổi.
  • Quy mô mô hình mới chỉ tích hợp ba công đoạn chính (chiết rót, đóng nắp dạng thẳng, đóng thùng), lược bỏ các công đoạn phụ trợ có trong nhà máy thực tế như sục rửa khử trùng vỏ chai, dán nhãn decal/phóng nhãn màng co, in date và đóng đai quấn màng pallet.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các thuật toán xử lý tín hiệu analog trên PLC S7-1200 và TIA Portal để kiểm soát chính xác mức chất lỏng và lưu lượng chiết rót trong điều kiện áp suất biến động.
  • Nâng cấp mô hình cơ khí, tích hợp thêm các trạm chức năng hoàn chỉnh như sục rửa vỏ chai tự động, máy dán nhãn, máy in date và cơ cấu đóng đai thùng carton nhằm tạo ra một dây chuyền sản xuất đồng bộ hoàn chỉnh.
  • Hoàn thiện các khối hàm chẩn đoán sự cố nâng cao và tối ưu hóa giao diện SCADA trên WinCC để ghi nhận lịch sử lỗi và lưu trữ dữ liệu vận hành dài hạn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật: Đặc biệt là sinh viên theo học các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án nghiên cứu liên quan đến ứng dụng PLC Siemens trong công nghiệp.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên bảo trì: Tham khảo giải pháp cấu hình mạng truyền thông Ethernet công nghiệp giữa nhiều CPU S7-1200, phương pháp phân bổ biến truyền thông và phương pháp xây dựng giao diện giám sát SCADA trên phần mềm TIA Portal V15/WinCC Professional.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án bao gồm:

  • Bản vẽ sơ đồ đấu nối mạch điện chi tiết giữa PLC với các thiết bị công nghiệp (van điện từ 24V, xylanh khí nén, cảm biến vật cản, bộ điều tốc DC PWM) tại Chương 3.
  • Bảng phân công đầu vào – đầu ra (I/O tags) và hệ thống lưu đồ thuật toán điều khiển chi tiết cho từng công đoạn tại Chương 4.
  • Quy trình từng bước cấu hình kết nối truyền thông và thiết kế giao diện đồ họa giám sát trên phần mềm WinCC tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng kiến trúc điều khiển nào và cấu hình phần cứng cụ thể gồm những gì?
Đồ án sử dụng kiến trúc điều khiển phân tán (DCS mô phỏng) gồm 3 bộ điều khiển lập trình PLC Siemens Simatic S7-1200 (CPU 1214C) kết nối với nhau và kết nối với máy tính qua Switch mạng Ethernet công nghiệp. Trong đó, 1 PLC đóng vai trò Master điều khiển trung tâm và 2 PLC đóng vai trò Slave điều khiển các phân trạm cục bộ.

2. Nhiệm vụ công nghệ của từng trạm PLC trong hệ thống được phân công như thế nào?
PLC Master làm nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu điều khiển chung, điều phối chu trình toàn hệ thống và giao tiếp với giao diện WinCC. PLC Slave 1 điều khiển trạm chiết rót chất lỏng (qua van điện từ) và trạm cấp/đóng nắp chai (bằng xylanh khí nén). PLC Slave 2 điều khiển trạm đóng thùng carton gồm cơ cấu gắp/thả chai vào thùng, gập nắp thùng, dán keo và xylanh cắt băng keo.

3. Khâu định lượng chất lỏng trong mô hình được thực hiện theo nguyên lý nào?
Trong mô hình thực nghiệm của đồ án, khâu chiết rót chất lỏng được thực hiện theo phương pháp định lượng theo thời gian. Dung dịch chảy vào chai thông qua van điện từ 24V được điều khiển đóng/mở trong một khoảng thời gian lập trình cố định bằng timer của PLC Slave 1 khi cảm biến xác nhận chai đã vào đúng vị trí vòi rót.

4. Dòng PLC S7-1200 có những phân vùng bộ nhớ nào và vai trò của chúng ra sao?
PLC S7-1200 gồm 3 vùng nhớ chính: Load memory (bộ nhớ không khả biến lưu chương trình, cấu hình phần cứng và dữ liệu dự án), Work memory (bộ nhớ khả biến tương tự RAM máy tính, thực thi chương trình và bị xóa khi mất nguồn) và Retentive memory (bộ nhớ không khả biến dùng lưu giữ các dữ liệu quan trọng khi mất điện và khôi phục khi cấp điện trở lại).

5. Giao thức truyền thông nào được áp dụng để kết nối các PLC với nhau và với máy tính giám sát?
Hệ thống sử dụng phương thức truyền thông Ethernet công nghiệp (Profinet) thông qua các cổng mạng RJ45 tích hợp sẵn trên các CPU S7-1200. Các PLC và máy tính giám sát WinCC được liên kết vật lý thông qua một bộ chuyển mạch Switch, sử dụng giao thức truyền thông TCP/IP để trao đổi dữ liệu điều khiển và giám sát.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Văn Mai và Phan Lê Tiến Sĩ đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp và đóng thùng sản phẩm tự động ứng dụng kỹ thuật điều khiển phân tán. Bằng việc tích hợp 3 bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 kết nối qua mạng Ethernet và phần mềm giám sát WinCC trên nền tảng TIA Portal V15, đề tài đã giải quyết trọn vẹn quy trình công nghệ từ cấp chai, định lượng, đóng nắp đến đóng thùng carton hoàn chỉnh. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của giải pháp điều khiển phân tán trong việc tối ưu hóa kết nối dây, nâng cao tính linh hoạt và an toàn vận hành, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành Tự động hóa.